CN110596113B - 电渗混合效率测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电渗混合效率测量装置，属于微流体混合效率测量技术领域，包括外腔体，外腔体内布置有一端设置两个进口、另一端设置一个出口的透明的电渗管道以及加热装置，所述加热装置设置在电渗管道靠近进口一端的下方，电渗管道出口与承接装置相连接，外腔体两侧均设置有可供冷源穿过的观察窗口，所述观察窗口横向穿透外腔体且与承接装置和加热装置之间电渗管道相对。本发明通过对固体的离线测量得到电渗作用下的混合效率，设备简单，造价低，测量精度高。

Description

电渗混合效率测量装置
技术领域
本发明涉及微流体混合效率测量技术领域，尤其是一种电渗混合效率测量装置。
背景技术
电渗是利用电场来影响微流体流动的物理现象，通过设计可以利用电渗来控制液体的流动，实现不同液体的迅速混合。电渗广泛的应用于化学反应过程，通过快速混合来增加反应的稳定性，提高反应物的生产效率。在实际应用中，电渗电源的频率、幅值、电极的排布等因素都会影响到混合效率，是需要优化的参数。而由于电渗应用在微流动领域，其混合通道尺寸一般在毫米级别，不同液体的混合效果无法直接观察，由于电场的引入，现有的在线监测方法也不方便应用。因此现阶段主要通过快速相机拍照来考察混合特性，而受相机分辨率及曝光时间的影响，其测量结果较模糊，无法给出混合的详细过程。透明材料是指波长400～800nm可见光的透光率在80％以上的材料，绝大部分树脂都属于透明类，主要包括PMMA、PC、PS、PET等。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种电渗混合效率测量装置，通过对固体的离线测量得到电渗作用下的混合效率，设备简单，造价低，测量精度高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种电渗混合效率测量装置，包括外腔体，外腔体内布置有一端设置两个进口、另一端设置一个出口的透明的电渗管道以及加热装置，所述加热装置设置在电渗管道靠近进口一端的下方，电渗管道出口与承接装置相连接，外腔体两侧均设置有可供冷源通过的观察窗口，所述观察窗口横向穿透外腔体且与承接装置和加热装置之间电渗管道相对。
本发明技术方案的进一步改进在于：电渗管道包括水平的方形主管路，主管路一端设置有两个向上设置的垂直管路，两个垂直管路下端均与主管路相互连通，垂直管路的端口作为物料进口，主管路另一端开口作为物料出口与承接装置相对，主管路靠近物料进口一端的两侧安装有电极，电极设置在加热装置后方。
本发明技术方案的进一步改进在于：承接装置为承接桶，承接桶位于电渗管道的末端承接经过电渗处理的物料。
本发明技术方案的进一步改进在于：一侧观察窗口设置为冷源入口，另一侧观察窗口设置为冷源出口，冷源为液氮，两侧的观察窗口之间为中空管道，主管路穿过中空管道。
本发明技术方案的进一步改进在于：加热装置包括绝缘导热体和电热器，绝缘导热体与主管路下端接触，电热器位于绝缘导热体底部。
本发明技术方案的进一步改进在于：电热器周围包裹有导热填充物。
本发明技术方案的进一步改进在于：电渗管道的两个进口分别加入一种常温下的不同颜色的固体粉末，且固体粉末的熔点在40℃～100℃之间。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提供了一种电渗混合效率测量装置，通过加热装置使常温下位固态的两种物料加热变为液体，并在电场的电渗作用下混合流动，待液体流动稳定后冷源从观察窗口流过使得物料凝固，电渗管道选用透明材质，可将固体放在高分辨率的设备下观察并拍照，通过图像处理软件分析混合效率。相较与现有在线测量装置，本装置设备简单，造价低，测量精度高。
两侧观察窗口之间设置有中空管道，一侧观察窗口设置为冷源入口，另一侧观察窗口设置为冷源出口，便于连接冷源，方便液氮的流入和流出，冷却效果好。利用中空管道在外腔体上形成的观察窗口来观察，防止冷源不启用时热量自中空管道和观察窗口散失，减少了能量散失。
加热装置使用绝缘导热体，避免了对电极的干扰。电热器周围的导热填充物有助于维持温度，节约能量。
附图说明
图1是本发明结构示意图图；
图2是本发明俯视图；
图3是本发明电渗管道结构示意图；
图4是图3的仰视图；
其中，1、外腔体，2、电极，3、观察窗口，4、电渗管道，5、承接装置，6、加热装置，41、物料进口，42、物料出口，43、主管路。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种电渗混合效率测量装置，包括外腔体1，外腔体1内设置有电渗管道4和加热装置6，电渗管道4为透明材质制成，可使用PMMA制做。电渗管道4通过加热装置6以及支架布置在外腔体1内，加热装置6设置在电渗管道4靠近进口一端的下方。电渗管道4一端设置两个进口、另一端设置一个出口，电渗管道4的两个进口设置在外腔体1上表面上，电渗管道4的出口与承接装置5相连接，承接装置5用来承接经由电渗管道4流出的物料。其中外腔体1两侧设置有可供冷源穿过的观察窗口3，观察窗口3横向穿透外腔体1，且观察窗口3与承接装置5和加热装置6之间电渗管道4相对。本发明通过加热装置使常温下位固态的两种物料加热变为液体，并在电场的电渗作用下混合流动，待液体流动稳定后冷源从观察窗口流过使得物料凝固，电渗管道选用透明材质，可将固体放在高分辨率的设备下观察并拍照，通过图像处理软件分析混合效率。相较与现有在线测量装置，本装置设备简单，造价低，测量精度高。
电渗管道4为矩形混合通道，电渗管道4包括水平的方形主管路43，主管路43一端设置有两个向上设置的垂直管路，两个垂直管路下端均与主管路43相互连通，垂直管路的端口作为物料进口41，主管路43另一端开口作为物料出口42与承接装置5相对。主管路43靠近物料进口41一端的两侧安装有与交流电连接的电极2，电极2设置在加热装置6后方。
承接装置5位于电渗管道4的末端承接电渗处理的物质，承接装置5为承接桶、承接池或其他容器。
外腔体1两侧均设置有观察窗口3，一侧观察窗口3设置为冷源入口，另一侧观察窗口3设置为冷源出口，冷源可以为液氮，两侧的观察窗口3之间为中空管道，主管路43穿过中空管道。引入液氮或其他冷却剂进入中空管道，对主管路43进行冷却处理。
加热装置6包括绝缘导热体和电热器，电热器位于绝缘导热体底部，绝缘导热体与电渗管道底部相接触，电热器周围为导热填充物。
工作过程：接通电极2，启动电热器，预热电渗管道，电渗管道温度达到100℃后，两个物料进口41分别加入常温下不同颜色的固态粉末，且固体粉末的熔点在40℃～100℃之间，例如：地蜡(白色)，松香(黄色)等；也可在一个固料进口加入白色固体粉末，在另一个固料进口加入染色后的该固体粉末，固体粉末在主管路43受热变为液体，并向主管路4出口方向流动，在流动的过程中液体在电渗影响下相互混合。电热器持续加热电渗管道4使得主管路43中的物料始终保持液体状态，期间向物料进口加入固体粉末维持流动稳定。
通过外腔体1的观察窗口3观察液体流动过程，在主管路43内的液体流动稳定后，向观察窗口3的中空管道内通入冷却剂，可以选用液氮。通入冷却剂，同时关闭电热器，继续通入冷却剂直到电渗管道的主管路43内液体凝固。保持其温度低于40℃，对固体进行拍照记录两种颜色液体的混合情况。后续通过图像处理软件对照片进行处理后，得出混合效率。对照片处理方法包括：
1、将实验所拍摄的彩色图在Matlab软件中得到灰度图，并将得到的灰度图作降噪处理以去除噪点；
2、识别灰度图中的主管道边界，并将灰度图中的像素与通道实际尺寸对应，明确单位长度对应多少像素点；
3、识别灰度值矩阵中的灰度值分布，分别得到完全未混合时两种颜色固体灰度图中的平均灰度值，将一种颜色固体平均灰度值对应浓度C＝0，将另一种颜色固体平均灰度值对应浓度C＝1，介于两者之间的灰度值以线性插值的方式插值到0≤C≤1，即得到装置主管道内归一化的浓度分布。
若拍摄图像为主管道横截面图，该图像为通道深度方向的平均颜色分布。通过试验和数值结果的处理，得到了主管道横截面的归一化浓度分布。根据归一化浓度分布计算混合效率。
Figure BDA0002231686610000051
σ是物料混合的效率，c为主管道任一横截面的归一化浓度，C0是未混合浓度，C∞是完全混合时的浓度。
现有技术中对照片处理方法很多，得到混合效率的方法也有很多，本申请只是给出了得到两种液体混合照片的一种装置，后续可使用现有技术中的处理方法以及计算方法得到混合效率。

Claims (3)

1.一种电渗混合效率测量装置，包括外腔体（1），外腔体（1）内布置有一端设置两个进口、另一端设置一个出口的透明的电渗管道（4）以及加热装置（6），其特征在于：所述加热装置（6）设置在电渗管道（4）靠近进口一端的下方，电渗管道（4）出口与承接装置（5）相连接，外腔体（1）两侧均设置有可供冷源通过的观察窗口（3），所述观察窗口（3）横向穿透外腔体（1）且与承接装置（5）和加热装置（6）之间电渗管道（4）相对；
电渗管道（4）包括水平的方形主管路（43），主管路（43）一端设置有两个向上设置的垂直管路，两个垂直管路下端均与主管路（43）相互连通，垂直管路的端口作为物料进口（41），主管路（43）另一端开口作为物料出口（42）与承接装置（5）相对，主管路（43）靠近物料进口（41）一端的两侧安装有电极（2），电极（2）设置在加热装置（6）后方；电渗管道（4）的两个进口分别加入一种常温下的不同颜色的固体粉末，一侧观察窗口（3）设置为冷源入口，另一侧观察窗口（3）设置为冷源出口，冷源为液氮，两侧的观察窗口（3）之间为中空管道，主管路（43）穿过中空管道；加热装置（6）包括绝缘导热体和电热器，绝缘导热体与主管路（43）下端接触，电热器位于绝缘导热体底部；电热器周围包裹有导热填充物。
2.根据权利要求1所述的电渗混合效率测量装置，其特征在于：承接装置（5）为承接桶，承接桶位于电渗管道（4）的末端承接经过电渗处理的物料。
3.根据权利要求1所述的电渗混合效率测量装置，其特征在于：固体粉末的熔点在40℃～100℃之间。
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