CN110787751A - 一种控制气泡运动的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制气泡运动的装置和方法，属于气泡动态行为控制领域，该装置包括气泡生成系统和运动控制系统；气泡生成系统由毛细管支架(2)、毛细管(3)和微量注射器(4)组成，运动控制系统由扬声器(1)、功率放大器(6)、运算放大器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)和电源(10)组成；毛细管(3)固定在扬声器(1)的振膜上，气泡产生并稳定附着于毛细管(3)末端；结合虚拟仪器技术，调控扬声器(1)的振动参数，从而控制气泡运动。本发明实现了对气泡运动状态和运动速度的精确控制，为气泡动态行为研究提供了有力手段，可应用于化工、环保、海洋、生物、医药以及核工业等众多领域。
Description
技术领域
本发明属于气泡动态行为控制技术领域，具体涉及一种控制气泡运动的装置和方法。
背景技术
气泡运动在化工、环保、海洋、生物、医药以及核工业等众多领域具有重要地位。在化工领域中，经常利用气泡来加速反应装置中的物质混合、热量交换和化学反应过程，了解气泡的生成及运动特性，就能对这些化工过程实现良好的控制；在环境保护领域，利用气泡技术来提高去污、清洁和净水等工艺过程的处理效率；在医药领域，对运动气泡的研究已用超声设备诊断中；在核工业领域，通过研究气泡的动力学特性来研究液体核态沸腾换热的机理。因此气泡动态行为的研究具有重要的实用价值和科学意义。
目前，国内外学者对气泡行为进行了大量研究，这些研究多是针对静止环境中的气泡行为，也有少数上升气泡的动态行为研究，但是缺少对气泡本身运动状态的精确控制。静止条件下展开的研究难以分析运动对气泡的影响；运动状态下上升气泡难以实现气泡运动状态的精确控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种运动状态多样、运动速度可控并且控制精确高的控制气泡运动的装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种控制气泡运动的装置，包括由毛细管支架2、毛细管3和微量注射器4组成的气泡生成系统，由扬声器1、功率放大器6、运算放大器7、数据采集卡8、计算机9和电源10组成的运动控制系统；其中，毛细管3通过毛细管支架2固定在扬声器1振膜上；计算机9利用虚拟仪器软件设计一个信号发生器，依次连接数据采集卡8、运算放大器7、功率放大器6和扬声器1；功率放大器6和运算放大器7由电源10供电。
毛细管支架2包括支架主体和固定件两个零件，两零件间为可拆连接；支架主体通过AB胶固定在扬声器1振膜上；支架主体和固定件的中心均有一通孔，毛细管3穿过支架主体的通孔，由固定件配合固定。
毛细管3顶端通过毛细软管与微量注射器4相连；透明水槽5内盛有液体，毛细管3末端浸于透明水槽5的液体内。
计算机9利用虚拟仪器软件LabVIEW设计一个用于设置和输出多种波形的虚拟信号发生器。
电源10连接运算放大器7和功率放大器6为其供电；数据采集卡8具有数模转换功能，计算机9上信号发生器产生的信号经数据采集卡8、运算放大器7和功率放大器6输送给相连的扬声器1。
扬声器1为电动式扬声器，采用一体化金属结构振膜。
一种控制气泡运动的装置对应的方法，包括以下步骤：
步骤1根据试验所需气泡大小选取相应毛细管3固定于毛细管支架2；
步骤2微量注射器4内吸满去离子水，连接毛细软管和毛细管3并排出空气，但在毛细管3末端保留一段空气；
步骤3透明水槽5内注入试验需要的液体；
步骤4开启电源10，调节电源10的电压和电流参数；
步骤5毛细管3末端浸于透明水槽5的液体内，推动微量注射器4，产生稳定附着在毛细管3末端的单个气泡；
步骤6在虚拟信号发生器内设置运动形式及波形参数，点击运行，毛细管3末端的气泡随扬声器1振膜同步运动；
步骤7试验结束后，关闭电源10，清洗毛细管3和透明水槽5。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.试验装置通过调控扬声器的多种振动方式，实现了对单气泡的多种运动状态和运动速度的精确控制。
2.毛细管支架的两个零件为可拆连接，并且具有紧固功能，方便更换不同粗细的毛细管，满足试验中不同气泡大小的需求；同时，毛细管支架使毛细管与扬声器振膜稳定连接，保证了气泡运动的稳定性和准确性。
3.结合虚拟仪器技术，实现了对扬声器多种振动参数的调控，软件设计灵活，设备搭建简单，试验操作安全、方便。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种控制气泡运动的装置，包括扬声器1、毛细管支架2、毛细管3、微量注射器4、透明水槽5、功率放大器6、运算放大器7、数据采集卡8、计算机9和电源10。
毛细管3通过毛细管支架2固定在扬声器1的振膜上；微量注射器4连接毛细管3在透明水槽5内生成气泡；扬声器1依次连接功率放大器6、运算放大器7、数据采集卡8和计算机9；功率放大器6和运算放大器7由电源10供电；计算机9利用虚拟程序软件设计一个信号发生器来控制扬声器1振动。
作为本发明的优选实施方式，毛细管支架2包括支架主体和固定件两个零件，两零件间为可拆连接，具体可以是螺纹连接或卡槽连接；支架主体通过AB胶固定在扬声器1振膜上，保证连接的稳定性；支架主体和固定件的中心均有一通孔，毛细管3穿过支架主体的通孔，由固定件配合固定；固定件有不同程度的紧固功能，便于更换不同粗细的毛细管。
作为本发明的优选实施方式，毛细管3顶端通过毛细软管与微量注射器4相连；透明水槽5内盛有液体，对于不同的试验条件，液体可更换为不同流体；毛细管3末端浸于透明水槽5的液体内，配合微量注射器4产生气泡。
作为本发明的优选实施方式，计算机9利用虚拟仪器软件LabVIEW设计一个虚拟信号发生器，能够生成多种信号，包括单次脉冲、脉冲波、三角波、方波、正弦波和锯齿波等，并且频率、幅度、相位、偏移量和方波占空比等参数可调。
作为本发明的优选实施方式，电源10是可调直流稳压电源，为运算放大器7和功率放大器6供电；数据采集卡8具有数模转换功能，能够将信号发生器输出的数字信号转换成模拟信号；经数据采集卡8转换的模拟信号由运算放大器7放大电压，由功率放大器6放大功率，最终激励扬声器1产生脉冲或振动。
作为本发明的优选实施方式，扬声器1为电动式扬声器，随着放大器输入的信号强弱不同，扬声器1振膜作不同垂直方向的运动；采用一体化金属结构振膜，在动态和分析力方面表现出众，能够很好地控制失真，保证了运动的准确性和稳定性。
由于毛细管3固定在扬声器1的振膜上，所以毛细管3末端的气泡随扬声器1振膜同步运动。通过调控虚拟信号发生器的参数，精确控制气泡的运动。
本发明装置的实验方法包括以下步骤：
步骤1根据试验所需气泡大小选取合适尺寸的毛细管3，将毛细管3穿过毛细管支架2的支架主体，由固定件紧固；
步骤2微量注射器4内吸满去离子水，用毛细软管将微量注射器4与毛细管3顶端相连，推动微量注射器4，使毛细软管和毛细管3内的空气排出，但在毛细管3末端保留一段空气；
步骤3透明水槽5内注入试验需要的液体；
步骤4开启电源10，调节电源10的电压和电流参数；
步骤5毛细管3末端浸于透明水槽5的液体内，推动微量注射器4，产生稳定附着在毛细管3末端的单个气泡；
步骤6在由LabVIEW设计的虚拟信号发生器内设置扬声器1振膜的运动形式及波形参数，点击运行，观察到毛细管3末端的气泡扬声器1振膜同步运动；
步骤7试验结束后，关闭电源10，并用酒精和去离子水清洗毛细管3和透明水槽5。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种控制气泡运动的装置，其特征在于：包括由毛细管支架(2)、毛细管(3)和微量注射器(4)组成的气泡生成系统，由扬声器(1)、功率放大器(6)、运算放大器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)和电源(10)组成的运动控制系统；所述毛细管(3)通过毛细管支架(2)固定在扬声器(1)振膜上；所述计算机(9)利用虚拟仪器软件设计一个信号发生器，依次连接数据采集卡(8)、运算放大器(7)、功率放大器(6)和扬声器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种控制气泡运动的装置，其特征在于：所述毛细管支架(2)包括支架主体和固定件两个零件，两零件间为可拆连接；支架主体通过AB胶固定在扬声器(1)振膜上；支架主体和固定件的中心均有一通孔，毛细管(3)穿过支架主体的通孔，由固定件配合固定。
3.根据权利要求1所述的一种控制气泡运动的装置，其特征在于：所述毛细管(3)顶端通过毛细软管与微量注射器(4)相连；透明水槽(5)内盛有液体，毛细管(3)末端浸于透明水槽(5)的液体内。
4.根据权利要求1所述的一种控制气泡运动的装置，其特征在于：所述计算机(9)利用虚拟仪器软件LabVIEW设计一个用于设置和输出多种波形的虚拟信号发生器。
5.根据权利要求1所述的一种控制气泡运动的装置，其特征在于：所述电源(10)连接运算放大器(7)和功率放大器(6)为其供电；所述数据采集卡(8)具有数模转换功能，计算机(9)上信号发生器产生的信号经数据采集卡(8)、运算放大器(7)和功率放大器(6)输送给相连的扬声器(1)。
6.根据权利要求1所述的一种控制气泡运动的装置，其特征在于：所述扬声器(1)为电动式扬声器，采用一体化金属结构振膜。
7.一种权利要求1-6所述的控制气泡运动的装置对应的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1根据试验所需气泡大小选取相应毛细管(3)固定于毛细管支架(2)；
步骤2微量注射器(4)内吸满去离子水，连接毛细软管和毛细管(3)并排出空气，但在毛细管(3)末端保留一段空气；
步骤3透明水槽(5)内注入试验需要的液体；
步骤4开启电源(10)，调节电源(10)的电压和电流参数；
步骤5毛细管(3)末端浸于透明水槽(5)的液体内，推动微量注射器(4)，产生稳定附着在毛细管(3)末端的单个气泡；
步骤6在虚拟信号发生器内设置运动形式及波形参数，点击运行，毛细管(3)末端的气泡随扬声器(1)振膜同步运动；
步骤7试验结束后，关闭电源(10)，清洗毛细管(3)和透明水槽(5)。
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