CN109248618B - 一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流体混合领域，公开了一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统，其中微混合器包括：进口通道、月牙型通道和出口通道；在进口通道的第一端口与出口通道的第一端口之间依次串联设置若干个月牙型通道；月牙型通道整体呈月牙状，且月牙型通道中部宽度大于两端宽度。本发明提供的一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统，通过设置月牙型通道的中间宽两端窄的月牙型结构，使流体在通道内一放一缩，沿着圆弧，产生离心力，大大增加了流体间的接触面积，显著提高了混合器混合效率。相比于传统混匀仪、摇床或振荡器，该被动式微混合器结构简单，体积小，制作简单，便携性好。

Description

一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统

技术领域

本发明涉及微流体混合领域，特别是涉及一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统。

背景技术

无土栽培技术作为设施园艺的关键性技术之一，在节约资源，环境保护，减排增产，实现可持续发展中，发挥着重要作用。营养液作为无土栽培技术的核心，其组成直接影响作物对养分的吸收和生长，因此根据作物的种类、不同生长时期，气候条件等具体情况，有针对性的快速、准确、高效地确定营养液的组成成分，显得尤为重要。离子选择电极具有特异性及易用性的特点，因此被广泛用于营养液的养分检测，但电极本身的稳定性和抗干扰问题限制着离子选择电极的应用。

标准加入法在离子选择电极上的应用是，向待测溶液中加入定量的高浓度标准溶液，利用离子选择电极前后的电势差及离子选择电极本身的灵敏度(Nernst方程斜率)，从而实现对待测溶液离子浓度的测量。标准加入法稳定性好，应用广泛，可忽略背景对离子选择电极检测电势的影响，与其它计量模型相比，操作简单，且利于配合流体控制系统运行。目前，应用标准加入法进行营养液的检测，需人工取样，加液，并手动或其它摇床等设备进行混匀，存在混合比例不精确，混合不充分，操作繁琐等问题。

微流控系统通过将生物化学检测过程中的加样、混合、反应、分离、检测等功能集成在一个芯片上完成，在实现了样品制备及检测过程高效快速的同时，也实现了样品及检测液的微量化，降低了能源的消耗，大大降低了检测成本。

微混合器通常被分为主动式和被动式混合器。主动式微混和器是指除了注入流体所需的外力外还需要额外的外力输入，外力主要包括气动力、电磁力、电动力、超声波等。主动式微混和器通常结构相对简单，混合器本身易于控制。但是外力的引入使得主动式微混和器难以集成。

被动式微混和器是指不需要额外的外力则能实现很好的混合。被动式微混和器的混合完全依赖于流体自身在通道内的扩散或混沌流。因此被动式微混合器的通道多采用复杂的几何结构，以增强流体的扩散或者混沌对流。在便于集成的同时，复杂的修饰方法在所难免。

目前被动式微混合器增加混合效率的方式，主要依赖于通道的几何形状，如在通道内增加挡板、凹槽、设置障碍等。现有的一些混合器大多存在仪器设备体积占地大、操作步骤繁琐以及混合不充分的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统，用于解决或部分解决现有的一些混合器大多存在仪器设备体积占地大、操作步骤繁琐以及混合不充分的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明第一方面，提供一种用于温室营养液检测的微混合器，包括：进口通道、月牙型通道和出口通道；在所述进口通道的第一端口与所述出口通道的第一端口之间依次串联设置若干个月牙型通道；所述月牙型通道整体呈月牙状，且所述月牙型通道中部宽度大于两端宽度。

在上述方案的基础上，所述月牙型通道包括内侧侧壁和外侧侧壁；所述内侧侧壁和外侧侧壁均呈圆弧状且所述内侧侧壁所在圆为所述外侧侧壁所在圆的内切圆。

在上述方案的基础上，若干个所述月牙型通道的内侧侧壁所在圆和外侧侧壁所在圆的切点位于同一直线上，且所述直线为所述外侧侧壁所在圆的切线；若干个所述月牙型通道在所述直线的两侧依次交错分布。

在上述方案的基础上，任意两个相邻的月牙型通道之间通过Z型通道相连。

在上述方案的基础上，所述进口通道包括T型通道，所述T型通道的其他端口分别为待混合液进液口。

在上述方案的基础上，所述月牙型通道内侧侧壁所在圆的圆心与外侧侧壁所在圆的圆心连线与所述直线垂直。

在上述方案的基础上，所述月牙型通道外侧侧壁所在圆的半径为：300-2000μm；所述外侧侧壁所在圆与所述内侧侧壁所在圆的半径差为：100-1000μm。

在上述方案的基础上，所述进口通道、出口通道和所述Z型通道均为矩形通道，且所述进口通道、出口通道和所述Z型通道的宽度均为所述外侧侧壁所在圆和所述内侧侧壁所在圆的半径差值；所述月牙型通道的两端开口宽度分别为所述外侧侧壁所在圆和所述内侧侧壁所在圆的半径差值。

在上述方案的基础上，所述月牙型通道的个数为至少三个。

根据本发明的第二方面，提供一种用于温室营养液检测的检测系统，包括上述任一方案所述的微混合器；还包括：标准液容器，营养液槽，流体控制单元，数据采集单元，上位机和检测池；所述标准液容器和所述营养液槽分别与所述微混合器的进液口相连，所述微混合器的出液口与检测池相连，所述检测池与所述数据采集单元相连；在所述标准液容器与微混合器之间、营养液槽与微混合器之间以及微混合器与检测池之间分别设置阀门，所述阀门与所述流体控制单元相连；所述数据采集单元和所述流体控制单元分别与所述上位机相连。

(三)有益效果

本发明提供的一种用于温室营养液检测的微混合器及检测系统，通过设置月牙型通道的中间宽两端窄的月牙型结构，使流体在通道内一放一缩，沿着圆弧，产生离心力，大大增加了流体间的接触面积，显著提高了混合器混合效率。相比于传统混匀仪、摇床或振荡器，该被动式微混合器结构简单，体积小，制作简单，便携性好。

附图说明

图1为本发明实施例的一种用于温室营养液检测的微混合器的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种用于温室营养液检测的微混合器的整体示意图；

图3为本发明实施例的一种用于温室营养液检测的检测系统示意图。

附图标记说明：

1—进液口； 2—进口通道； 3—月牙型通道；

4—内侧侧壁； 5—外侧侧壁； 6—切点；

7—Z型通道； 8—出口通道； 9—标准液容器；

10—检测池； 11—阀门； 12—废液池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例根据本发明提供一种用于温室营养液检测的微混合器，参考图1，该混合器包括：进口通道2、月牙型通道3和出口通道8；在进口通道2的第一端口与出口通道8的第一端口之间依次串联设置若干个月牙型通道3；月牙型通道3整体呈月牙状，且月牙型通道3中部宽度大于两端宽度。

本实施例提供的一种用于温室营养液检测的微混合器，主要设置月牙型通道3对待混合液进行被动式混合。月牙型通道3呈月牙状，即向一侧凹陷的形状。月牙型通道3中部截面宽度大于两端的截面宽度。

在进口通道2和出口通道8之间串联设置若干个月牙型通道3。若干个月牙型通道3依次首尾相连，与进口通道2和出口通道8串联设置。该微混合器在对待混合液进行混合时，多种待混合液从进口通道2进入第一个月牙型通道3中。

待混合液流经月牙型通道3，从月牙型通道3一端进入，从另一端流出。因为月牙型通道3中间宽两端窄，待混合液在月牙型通道3中可进行收缩扩散以及再次收缩。

待混合液进入第一个月牙型通道3，实现第一次收缩扩散以及再次收缩；第一个月牙型通道3的出口连接至下一个月牙型通道3，实现第二次流体的收缩扩散二次收缩，以此类推，最后一个月牙型通道3的出口连接出口通道8的第一端。混合后的流体经出口通道8的另一端流出。

本实施例提供的一种用于温室营养液检测的微混合器，通过设置月牙型通道3的中间宽两端窄的月牙型结构，使流体在通道内一放一缩，沿着圆弧，产生离心力，大大增加了流体间的接触面积，显著提高了混合器混合效率。相比于传统混匀仪、摇床或振荡器，该被动式微混合器结构简单，体积小，制作简单，便携性好。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1和图2，月牙型通道3包括内侧侧壁4和外侧侧壁5；内侧侧壁4和外侧侧壁5均呈圆弧状且内侧侧壁4所在圆为外侧侧壁5所在圆的内切圆。

本实施例基于上述实施例，对月牙型通道3的具体结构进行了说明。内侧侧壁4即位于月牙状内侧的侧壁；外侧侧壁5即位于月牙状外侧的侧壁。内侧侧壁4和外侧侧壁5均为圆上的一段圆弧。

且内侧侧壁4所在的圆为外侧侧壁5所在圆的内切圆。且切点6不位于内侧侧壁4和外侧侧壁5上，即内侧侧壁4和外侧侧壁5取自圆上不包含切点6的一段。且内侧侧壁4和外侧侧壁5的长度分别超过所在圆半圆的长度，使得可形成月牙状，且月牙型通道3两端宽度小于中间宽度。

设置内侧侧壁4所在圆为外侧侧壁5所在圆的内切圆，正好可使得内侧侧壁4和外侧侧壁5围成月牙状，且月牙型通道3两端宽度小于中间宽度。使得流体在流经月牙型通道3时可进行被动式收缩扩散以及再次收缩，进行充分混合。

该月牙型通道3结构利用两个内切的圆，结构简单，可有效利用圆的离心力以及通道宽度的变化，实现流体的充分高效混合。

进一步地，可在月牙型通道3内侧侧壁4和外侧侧壁5的底部和顶部分别设置挡板以形成封闭通道。

在上述实施例的基础上，进一步地，若干个月牙型通道3的内侧侧壁4所在圆和外侧侧壁5所在圆的切点6位于同一直线上，且直线为外侧侧壁5所在圆的切线；若干个月牙型通道3在直线的两侧依次交错分布。

可将若干个月牙型通道3中内侧侧壁4所在圆和外侧侧壁5所在圆的切点6设置在一条直线上，使整体结构整齐一致，月牙型通道3排布规律，有利于流体在该混合器内的顺利流动。

可将若干个月牙型通道3在切点6所在直线的两侧依次交错分布。即第一个月牙型通道3位于切点6所在直线的一侧，则第二个月牙型通道3位于直线的另一侧，第三个月牙型通道3则与第一个月牙型通道3位于一侧，依次类推。

将月牙型通道3在直线的两侧交错分布，可便于月牙型通道3间的顺利连接，使混合器内流体的流动方向更加顺畅，有利于流体的顺利流动。

在上述实施例的基础上，进一步地，任意两个相邻的月牙型通道3之间通过Z型通道7相连。

在任意相邻的两个月牙型通道3之间可通过Z型通道7相连。即Z型通道7的入口与前一个月牙型通道3的出口相连，Z型通道7的出口与后一个月牙型通道3的入口相连。Z型通道7即为整体呈Z型的通道。

通过Z型通道7与月牙型通道3的交错连接，有利于流体在Z型通道7内二次流的形成，增加了流体间的接触面积，使混合更加充分。且Z型通道7有多处拐角，有利于对流体流动的冲击，进一步提高混合效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，进口通道2包括T型通道，T型通道的其他端口分别为待混合液进液口1。

进口通道2可为T型通道。T型通道具有三个端部。其中第一端与月牙型通道3相连，第二端和第三端可分别作为待混合液的进液口1。待混合液从T型通道的第二端和第三端进入。

进一步地，进口通道2也可为其他具有多个端部的形状，以能够实现多种待混合液同时进入进口通道2为目的，对此不做限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，月牙型通道3内侧侧壁4所在圆的圆心与外侧侧壁5所在圆的圆心连线与直线垂直。

即内侧侧壁4所在圆的圆心、外侧侧壁5所在圆的圆心与切点6位于同一条线上，该连线与切点6所在的直线垂直。可使整体结构整体，便于布置和制作，且有利于流体的顺利流动。

在上述实施例的基础上，进一步地，月牙型通道3外侧侧壁5所在圆的半径为：300-2000μm；外侧侧壁5所在圆与内侧侧壁4所在圆的半径差为：100-1000μm。

本实施例基于上述实施例，对月牙型通道3的尺寸进行了说明。上述尺寸的外侧侧壁5和内侧侧壁4所围成的月牙型通道3适用范围较广，且整体结构紧凑，既能有效实现流体的高效混合，且整体尺寸较小，可减少所需安装空间。

上述尺寸的月牙型通道3较适合用于温室营养液检测中的被动混合。

在上述实施例的基础上，进一步地，进口通道2、出口通道8和Z型通道7均为矩形通道，且进口通道2、出口通道8和Z型通道7的宽度均为外侧侧壁5所在圆和内侧侧壁4所在圆的半径差值；月牙型通道3的两端开口宽度分别为外侧侧壁5所在圆和内侧侧壁4所在圆的半径差值。

本实施例基于上述实施例，对微混合器中各通道的尺寸进行了说明。进口通道2、出口通道8和Z型通道7为矩形通道，即通道截面为矩形。月牙型通道3外侧侧壁5所在圆和内侧侧壁4所在圆的直径差值即为月牙型通道3中部宽度，因此半径差值即为月牙型通道3中部宽度的一半。

进口通道2、出口通道8和Z型通道7的宽度即为通道截面的宽度，该宽度为月牙型通道3中部宽度的一半。月牙型通道3两端端部的宽度即两端处外侧侧壁5和内侧侧壁4间的距离，同样为月牙型通道3中部宽度的一半。

该种尺寸设置，使得混合器整齐通道宽窄相间，使流体不断进行收缩扩散，既能保证流体的顺利流动，且混合充分高效。

在上述实施例的基础上，进一步地，月牙型通道3的个数为至少三个。

设置多个月牙型通道3可使流体多次进行收缩扩散，以保证充分混合。采用Comsol5.3.0.223软件对该被动式微混合器进行流体模拟仿真以测试该混合器性能。该仿真以水为介质，密度1000kg/m³，运动粘度为0.001kg/m·s，质量扩散系数为10^-9m²/s；该混合器内部在两个相邻的月牙型通道3之间设置有Z型通道7；进口通道2为T型通道。在T型通道两个入口的流体注入速度为0.1m/s，设置注入浓度分别为0，1mol/m³。利用下述公式，计算通道混合效率：

其中，MI为混合效率；N为采样点个数；c_i为对应采样点浓度；

为流体平均浓度。

经测试，该混合器中通道的混合效率约为99％，证明通道具有极佳的混合性能。分别选取第一、第二、第三、第四月牙型通道3中部位置，并利用上述公式进行混合效率计算，分别得到在第一、第二、第三、第四混合器中部的混合效率为68％，86％，95％，98％，表明本混合器在第三个月牙型腔室之后就已基本完成溶液的充分混合。

因此，设置至少三个月牙型通道3可保证流体的充分混合。进一步地，优选地，可设置月牙型通道3切点6所在直线两侧的月牙型通道3的个数分别为至少两个，保证充分混合。

在上述实施例的基础上，进一步地，在进口通道2与月牙型通道3连接处、Z型通道7与月牙型通道3连接处、Z型通道7的拐角处以及月牙型通道3与出口通道8的连接处分别设置倒角。

进口通道2第一端的两个侧壁分别与第一个月牙型通道3入口处外侧侧壁5和内侧侧壁4一一对应相接。第一个月牙型通道3出口处外侧侧壁5和内侧侧壁4分别与Z型通道7入口处的两侧壁一一对应相接。Z型通道7出口处的两侧壁分别于第二个月牙型通道3入口处外侧侧壁5和内侧侧壁4相接，以此类推。

最后一个月牙型通道3出口处外侧侧壁5和内侧侧壁4分别与出口通道8第一端的两侧壁一一对应相接。

将各连接处以及Z型通道7的拐角处设置倒角，可使流体在通道中流动更加顺畅。

进一步地，该微混合器中进口通道2、月牙型通道3、Z型通道7和出口通道8均位于同一平面上；各通道高度一致，以便于集成安装。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种微混合器主要用于温室营养液检测，主要涉及微流体混合领域中的被动混合，主要为了提供一种快速、高效的微混合器以克服现有仪器设备体积占地大，操作步骤繁琐，混合时间长，混合不充分以致影响后续检测准确性等问题。

该微混合器中进口通道2为T型通道，T型通道具有两个进液口1、一段水平出液通道、一个出液口；T型通道出液口连接第一个月牙型通道3；Z型通道7的入口连接第一个月牙型通道3的出口，Z型通道7的出口连接第二个月牙型通道3的入口，以此类推，最后一个月牙型通道3的出口与水平出口通道8的第一端相连接；出口通道8的另一端为混合器出口。

月牙型通道3与T型通道连接之后，月牙型通道3的外侧侧壁5所在圆与内侧侧壁4所在圆内切。内侧侧壁4和外侧侧壁5所在圆的圆心位于同一条线上，切点6同样位于该条线上。所有的月牙型通道3的切点6位于同一直线上，该直线为月牙型通道3内侧侧壁4或外侧侧壁5的切线；月牙型通道3交错分布在该直线两侧。Z型通道7，连接两个相邻月牙型通道3。

入口通道，出口通道8，月牙型通道3，Z型通道7均位于同一平面；入口通道，出口通道8，月牙型通道3，Z型通道7的高度一致。

月牙型通道3作为流体的混合腔室，用于流体在通道中的混合，变向。月牙型通道3的数量为a(a≥2)，具体包括与入口通道相连接的第一个月牙型通道3，和依次通过Z型通道7连接的a-1个月牙型通道3。Z型通道7连接相邻的两个月牙型通道3；Z型通道7的数量为b(b＝a-1)，包括连接第一个月牙型通道3和第二个月牙型通道3的第一个Z型通道7，和依次连接其余月牙型通道3的b-1个Z型通道7。出口通道8连接最后一个月牙型通道3，将混合后的流体进行排出，出口通道8的数量为1。

T型通道放置于混合器最前端，对流入的流体进行初步的混合。T型通道的出口与第一个月牙型通道3相连接，连接处进行倒角处理。T型通道末端呈水平，并与Z型通道7在同一水平面上。出口通道8与T型通道末端部分平行或处于同一水平面上。

月牙型通道3通过Z型通道7交错分布在月牙型通道3所有切点6所在的直线两侧，呈现出类三角函数曲线结构。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种用于温室营养液检测的微混合器包括T型通道，T型通道包括两个入口，一个出口；第一个月牙型通道3；第一个Z型通道7；第二个月牙型通道3；第二个Z型通道7；第三个月牙型通道3；第三个Z型通道7；第四个月牙型通道3；出口通道8。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种用于温室营养液检测的检测系统包括上述任一实施例所述的微混合器；参考图3，该检测系统还包括：标准液容器9，营养液槽，流体控制单元，数据采集单元，上位机和检测池10；标准液容器9和营养液槽分别与微混合器的进液口1相连，微混合器的出液口与检测池10相连，检测池10与数据采集单元相连；在标准液容器9与微混合器之间、营养液槽与微混合器之间以及微混合器与检测池10之间分别设置阀门11，阀门11与流体控制单元相连；数据采集单元和流体控制单元分别与上位机相连。

该检测系统可用于对营养液进行检测，主要利用上述各实施例所述的微混合器，采用标准加入法对营养液进行检测。

在上述实施例的基础上，进一步地，基于上述用于温室营养液检测的微混合器的营养液检测方法，采用标准加入法，主要利用上述各实施例所述的微混合器对营养液和标准液进行混合。具体流程如下：

流体控制单元依次将不同浓度的标准溶液泵入检测池10，数据采集单元采集离子选择电极的响应电势并上传至上位机，上位机处理数据得到标准曲线。

通过流体控制单元将营养液槽中的营养液泵入微混合器，营养液经微混合器流入检测池10，数据采集单元采集离子选择电极的响应电势并将数据上传至上位机。

通过流体控制单元将营养液槽中的营养液及标准添加液同时泵入微混合器中，充分混合的营养液流入检测池10，数据采集单元再次采集离子选择电极的响应电势并将数据上传至上位机。

上位机利用标准曲线，计算营养液中相应离子浓度，完成检测。

可在检测池10之后连接废液池12，检测之后检测池10中的废液流入废液池12中。

该微混合器结合温室营养液检测系统，大大简化了检测流程，提高了检测效率，同时也提高了检测的准确性。

该微混合器利用月牙型通道3和Z型通道7的设计，实现了介质在混合器中的收缩混合，增强了混沌对流，增大了流体间的接触面积，显著提高了混合效率。本实施例主要提供一种快速高效率的被动式微混合器，实现高浓度标准单一溶液与相对较低浓度的营养液的充分混合，提高营养液的检测准确性及检测效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于温室营养液检测的微混合器，其特征在于，包括：进口通道、月牙型通道和出口通道；在所述进口通道的第一端口与所述出口通道的第一端口之间依次串联设置若干个月牙型通道；所述月牙型通道整体呈月牙状，且所述月牙型通道中部宽度大于两端宽度；

所述月牙型通道包括内侧侧壁和外侧侧壁；所述内侧侧壁和外侧侧壁均呈圆弧状且所述内侧侧壁所在圆为所述外侧侧壁所在圆的内切圆；

任意两个相邻的月牙型通道之间通过Z型通道相连；

所述月牙型通道外侧侧壁所在圆的半径为：300-2000μm；所述外侧侧壁所在圆与所述内侧侧壁所在圆的半径差为：100-1000μm；

所述进口通道、出口通道和所述Z型通道均为矩形通道，且所述进口通道、出口通道和所述Z型通道的宽度均为所述外侧侧壁所在圆和所述内侧侧壁所在圆的半径差值；所述月牙型通道的两端开口宽度分别为所述外侧侧壁所在圆和所述内侧侧壁所在圆的半径差值。

2.根据权利要求1所述的用于温室营养液检测的微混合器，其特征在于，若干个所述月牙型通道的内侧侧壁所在圆和外侧侧壁所在圆的切点位于同一直线上，且所述直线为所述外侧侧壁所在圆的切线；若干个所述月牙型通道在所述直线的两侧依次交错分布。

3.根据权利要求1或2所述的用于温室营养液检测的微混合器，其特征在于，所述进口通道包括T型通道，所述T型通道的其他端口分别为待混合液进液口。

4.根据权利要求2所述的用于温室营养液检测的微混合器，其特征在于，所述月牙型通道内侧侧壁所在圆的圆心与外侧侧壁所在圆的圆心连线与所述直线垂直。

5.根据权利要求1或2所述的用于温室营养液检测的微混合器，其特征在于，所述月牙型通道的个数为至少三个。

6.一种用于温室营养液检测的检测系统，其特征在于，包括上述权利要求1-5任一所述的微混合器；还包括：标准液容器，营养液槽，流体控制单元，数据采集单元，上位机和检测池；

所述标准液容器和所述营养液槽分别与所述微混合器的进液口相连，所述微混合器的出液口与检测池相连，所述检测池与所述数据采集单元相连；

在所述标准液容器与微混合器之间、营养液槽与微混合器之间以及微混合器与检测池之间分别设置阀门，所述阀门与所述流体控制单元相连；

所述数据采集单元和所述流体控制单元分别与所述上位机相连。

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