CN114904455B - 一种线性可控精准单液滴发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种线性可控的精准单液滴发生装置，利用微米级钼丝或相类级别的其他丝材作为置换刚丝，伺服送入密闭容器中，依液体固体不可压缩原理，通过伺服送入置换刚丝的等体积直接置换推出微小液滴，液滴大小与置换刚丝送入体积成线性比例且控制精准，再经切分筛分、风力模拟等获取重量和速度精准的单液滴，也可连续送丝作业从而得到各个液滴分离的连续的精准的单液滴。
Description
技术领域
本发明涉及单液滴发生装置，特别是一种线性可控精准单液滴发生装置。
背景技术
在农业工程学科中，微小单液滴对作物营养吸收、药液吸收程度等的定量分析是必要的。
专利CN200510066208.4《微雾滴产生装置》公开了一种微雾滴产生装置，通过压电元件的压力脉冲使一腔体中的溶液能够受压缩并从装置的喷孔片的喷孔中喷射出来，该装置应用于雾化方向，且不能对液滴进行有效控制，故不能作为单液滴分析领域。
专利CN201010162526.1《单颗粒高速液滴发生装置》公开了一种单颗粒高速液滴发生装置，该装置通过压电陶瓷层的振动使得喷射出的液体柱发生断裂，进而形成连续的单液滴，这是一种连续液滴发生装置，不能产生不连续的单独的液滴，故而不能适用于单颗粒液滴的定量分析。
专利CN201310415264.9《一种产生农药定量直径喷洒雾滴的装置及方法》公开了一种产生农药定量直径喷洒雾滴的装置，该装置通过电机和滚珠丝杠推进位移来使得液滴滴落产生特定直径的雾滴。但囿于滚珠丝杠的导程大、微动状态不稳定致液滴直径精度差，且电机丝杠传动的过程中的震动对液滴的稳定也存在较大不利影响。
PCT专利CN201480037411.6《一种用于连续流喷墨打印头的微滴发生器》公开了一种用于连续流喷墨打印头，特别是用于二进制阵列打印头的微液滴发生器，该装置设定应用于喷墨打印领域，是种连续的微液滴，且液滴大小控制并未涉及。
专利CN201510527822.X《微滴喷射装置及采用微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法》公开了一种微滴喷射装置,还涉及一种采用微滴喷射装置沉积制备碳纳米管。该装置的振动驱动器使压电陶瓷管产生快速振动再经共振玻璃管传给微流道共振腔内的cNTS悬浮液，从而实现微CNTS悬浮液微滴的连续喷射，但并未涉及单独液滴及大小的控制。
美国明尼苏达大学颗粒技术实验室研制的Berglund Liu发生器和美国TSI公司研制的振动孔微滴发生器都是连续液滴发生装置，利用压电发生频率并配合特定流量产生特定的连续液滴，操作复杂稳定性差，不能单独液滴，无法满足单独滴液滴定量分析的要求。
虽然微流控芯片或热发泡技术也应用于微流控制领域，但微流控芯片加工精度极高成本也很高，而热发泡技术不仅结构复杂，重要的是控制不精确或者额外附有的温度/电热与实际条件不符，对定量分析严重干扰而不适用。
本发明针对微小单液滴发生装置存在的成本高、不能产生单一液滴、精度不足、结构复杂、液滴速度单一的问题，提出了一种线性可控的精准单液滴发生装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种线性可控精准单液滴发生装置，利用微米级钼丝或相类级别的其他丝材作为置换刚丝，伺服送入密闭容器中，依液体固体不可压缩原理，通过伺服送入置换刚丝的等体积直接置换推出微小液滴，液滴大小与置换刚丝送入体积成线性比例且控制精准，再经切分筛分、风力模拟等获取重量和速度精准的单液滴，也可连续送丝作业从而得到各个液滴分离的连续的精准的单液滴。
本发明主要包括五部分：液滴发生部分、送丝置换部分、切分筛选部分、风力模拟部分及辅助部分，所述的液滴发生部分由发生单元、导入单元和导出单元构成，所述发生单元上部有补液冲洗端口，下部装有可拆分的导出单元，中部为中空结构密封腔体的发生筒体，外部设置有固定用翅板，上部斜切向设置带有密封及导向功能的置换刚丝导入单元以与所述送丝置换部分配合，所述导出单元下部为一细长空心针管状的发生针，其上部有接口与发生筒体接合，所述发生针经疏水处理以减小对液滴的吸附作用；所述的送丝置换部分由置换刚丝、送丝伺服单元和复位单元组成，所述的置换刚丝为刚度大的耐腐蚀的细丝、且经疏水处理以保持与液滴液体的不浸润，优先的所述置换刚丝为微米级的钼丝、铂金丝；所述的送丝伺服单元夹持置换刚丝并伺服送入发生筒内，所述送丝伺服单元由伺服驱动机构、驱动轮、压紧轮、导轮、清洁器及支架组成，所述清洁器对置换刚丝进行清理保证其清洁，所述送丝伺服单元可开合以利操作，所述复位单元包括浮动滚筒和快速驱动机构，所述置换刚丝一端固定于浮动滚筒上，所述浮动滚筒在复位单元上轴向可浮动，保证置换刚丝出丝位置不变从而提高送丝伺服单元的可靠，所述复位单元用于将置换刚丝快速复位；所述置换刚丝推出的液滴重量与置换刚丝送入体积成线性正比关系，具体为公式⑴
M＝fρ1CW (1)
式中：M:液滴重量
CW:置换刚丝送入体积
ρ1:液滴密度
f:补偿系数
公式(2)为置换刚丝送入体积与送丝速度关系
式中：CW:置换刚丝送入体积
vW:送丝速度
t:送丝时间
rW:置换刚丝半径
送丝速度与液滴半径的关系见公式(3)
式中：r:液滴球半径
VW:送丝速度
t:送丝时间
rW:置换刚丝半径
m:修正系数
所述切分筛选部分由切分单元和筛选单元组成，所述的切分单元对齐所述液滴导出单元的下端，所述切分单元通过物理作用对液滴按要求进行切分，所述切分单元设置于筛选单元上，所述筛选单元产生向上设定的稳定气流对液滴进行托浮以筛选，液滴超过气流托浮力方能下落，所述筛选单元设有空速探头a、压缩空气控制端口a、导流均场筒体a，所述空速探头a用于测量装置内空气流速，所述压缩空气控制端口a对导入的压缩空气进行伺服控制，所述导流均场筒体a用于将切分筛选部分内气流场均匀化，所述筛选单元的空气流速与液滴半径关系见公式(4)
式中：va:空气筛分装置内空气流速
ρ1:液滴密度
ρ2:空气密度
k:修正系数
g:重力加速度
r:液滴球半径
η:空气对液滴的粘滞系数
所述的风力模拟部分由空速探头b、压缩空气控制端口b、导流均场筒体b和液滴速度探测器组成，所述空速探头b用于测量装置内空气流速，所述压缩空气控制端口b对导入的压缩空气进行伺服控制，所述的导流均场筒体b用于使风力模拟部分内气流场均匀化，所述的液滴速度探测器测定风力模拟部分出口处液滴速度，以模拟不同高度滴落的液滴。
所述的辅助部分包括补液单元、压缩空气单元和相应管路支承及控制，用于补充液体、提供压缩空气、冲洗清理发生装置。
进一步的，所述的切分单元为弹弦切分单元，所述的弹弦切分单元安装于发生筒体上，由弹性弦丝、弓形架、致动器组成，所述弹性弦丝一端固定于弓形架、一端由致动器驱动，所述弹性弦丝通过所述发生筒体上对应的预留孔横穿发生筒体并过发生针中心，所述的致动器运作时拉紧弹性弦丝对液滴进行切断分离，所述的弹性弦丝自由状态为弧状，不与液滴接触，所述的弹性弦丝经疏水处理(与液滴的液体不浸润)，进一步的，弹性弦丝原始位为弹性弦丝的自由状态、弹性弦丝切分位为弹性弦丝的拉紧切分状态，所述的弹性弦丝优选为微米级钼丝或铂金丝。
进一步的，所述的切分单元为超声切分单元，所述超声切分单元的主要部件超声聚能切分器安装于发生筒体侧面对应预留孔内，所述超声聚能切分器聚能面为弧形，聚能焦点在发生针中心处，超声聚能切分器工作时使发生针悬挂的液滴振动致使液滴分离。
进一步的，所述的切分单元为风力切分单元，所述的风力切分单元安装于发生筒体上，由风力切分气仓和压缩空气控制端口c组成，所述的风力切分气仓安装于发生筒体侧面对应预留孔内，所述的风力切分气仓的前端是一个弧形狭缝的排气口、后端逐步变大的仓室，弧形狭缝将压缩空气聚集成极薄的气刀以对悬挂于发生针下的液滴进行切分，迫使液滴分离形成单独的液滴。
本发明的单独液滴的产生过程为：所述置换刚丝退回进口原位，所述发生筒体经压缩空气清理后完全补液并进行排气，所述筛选单元按设定要求输入压缩空气达到特定的空气流速以筛分所需要的液滴，如果需要模拟高度还需对所述风力模拟部分的空气流速进行控制，所述送丝单元按公式(1)计算的体积将所述置换刚丝送入所述发生筒体内，在所述导出单元出口端将被置换推出要求的液滴，由于导出单元已经疏水处理不浸润吸附，液滴在所述筛选单元内逐步积累到要求重量，大于筛选单元的空气托浮力后下落，从而生成单独的线性可控的液滴。
本发明的连续分散的单液滴产生过程为：所述置换刚丝退回进口原位，所述发生筒体经压缩空气清理后完全补液并进行排气，所述筛选单元按设定要求输入压缩空气达到特定的空气流速以筛分所需要的液滴，如果需要模拟高度还需对所述风力模拟部分的空气流速进行控制，所述送丝单元按一定速度将所述置换刚丝送入所述发生筒体内，在所述导出单元出口端将被连续置换推出要求的液滴，由于导出单元已经疏水处理不浸润吸附，液滴在所述筛选单元内逐步积累出液滴，经所述切分单元按相应的频率对连续液体进行切分，大于筛选单元空气托浮力后下落为粒粒分离的连续液滴流。
本发明解决了单液滴发生装置存在的成本高、不能单一液滴、精度不足、结构复杂、液滴速度单一的问题，通过送丝置换、筛分切分产生了线性可控的直接置换出精准的单独液滴，并利用风力模拟部分模拟不同高度滴落液滴，而且在连续送丝、连续切分下还可产生连续的滴滴分离的单液滴流，满足了对农业工程、机械工程及生化工程中对单液滴定量分析的要求。
附图说明
图1为线性可控精准单液滴发生装置三视图
图2为送丝置换部分示意图
图3为切分筛选部分示意图
图4为风力模拟部分示意图
图5为弹弦切分实施方式示意图
图6为超声切分实施方式示意图
图7为风力切分实施方式示意图
图中：100液滴发生部分，110发生单元，111发生筒体，112补液冲洗端口，113下出接口，120导入单元，121密封体，122连接体，123导向体，130导出单元，131上入接口，132发生针；200送丝置换部分，210置换刚丝，220送丝伺服单元，221驱动轮，222伺服驱动机构，223压紧轮，224清洁器，225导轮，226支架，230复位单元，231浮动滚筒，232快速复位机构；300切分筛选部分，310筛选单元，311空速探头a，312导流均场筒体a，313压缩空气控制端口a，320切分单元，320a弹弦切分单元，320b超声切分单元，320c风力切分单元，321弹性弦丝，321a弹性弦丝原始位，321b弹性弦丝切分位，322弓形架，323致动器，324超声聚能切分器，325风力切分气仓，326压缩空气控制端口c；400风力模拟部分，401压缩空气控制端口b，402导流均场筒体b，403空速探头b，404液滴速度探测器；500辅助部分
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效清晰明了，通过附图结合具体实施方式，对本发明进一步的详细说明。
本发明所涉及的线性可控的精准单液滴发生装置见图1，具体实施如下。
实施例一
本发明所涉及的线性可控的精准单液滴发生装置主要包括五部分：液滴发生部分100、送丝置换部分200、切分筛选部分300、风力模拟部分400及辅助部分500，所述的液滴发生部分100由发生单元110、导入单元120和导出单元130构成，所述发生单元110上部有补液冲洗端口112，下部装有可拆分的导出单元130，中部为中空结构密封腔体的发生筒体111，外部设置有固定用翅板，上部斜切向设置带有密封及导向功能的置换刚丝导入单元120以与所述送丝置换部分200配合，所述导出单元130下部为一细长空心针管状的发生针132，其上部有上入接口131与发生筒体111下出接口113接合，所述发生针132经疏水处理以减小对液滴的吸附作用，进一步的，所述的发生针132可更换适应不同的液滴要求；所述的送丝置换部分200由置换刚丝210、送丝伺服单元220和复位单元230，所述的置换刚丝210为刚度大的耐腐蚀的细丝、且经疏水处理以保持与液滴液体的不浸润，优先的所述置换刚丝210为微米级的钼丝、铂金丝；所述的送丝伺服单元220夹持置换刚丝210并伺服送入发生筒内，所述送丝伺服单元220由伺服驱动机构222、驱动轮221、压紧轮223、导轮225、清洁器224及支架226组成，所述清洁器224对置换刚丝210进行清理保证其清洁，所述送丝伺服单元220可开合以利操作，所述复位单元230包括浮动滚筒231和快速复位机构232，所述置换刚丝210一端固定于浮动滚筒231上，所述浮动滚筒231在复位单元230上轴向可浮动，保证置换刚丝210出丝位置不变从而提高送丝伺服单元220的可靠，所述复位单元230用于将置换刚丝210快速复位；所述置换刚丝210推出的液滴重量与置换刚丝送入体积成线性正比关系，具体为公式⑴
M＝fρ1CW (1)
式中：M:液滴重量
CW:置换刚丝送入体积
ρ1:液滴密度
f:补偿系数
公式(2)为置换刚丝送入体积与送丝速度关系
式中：CW:置换刚丝送入体积
vW:送丝速度
t:送丝时间
rW:置换刚丝半径
送丝速度与液滴半径的关系见公式(3)
式中：r:液滴球半径
VW:送丝速度
t:送丝时间
rW:置换刚丝半径
m:修正系数
所述切分筛选部分300由切分单元320和筛选单元310组成，所述的切分单元320对齐所述液滴导出单元130的下端，所述切分单元320通过物理作用对液滴按要求进行切分，所述切分单元320设置于筛选单元310上，所述筛选单元310产生向上设定的稳定气流对液滴进行托浮以筛选，液滴超过气流托浮力方能下落，所述筛选单元310设有空速探头a311、压缩空气控制端口a313、导流均场筒体a312，所述空速探头a311用于测量装置内空气流速，所述压缩空气控制端口a313对导入的压缩空气进行伺服控制，所述导流均场筒体a312用于将切分筛选部分300内气流场均匀化，所述筛选单元310的空气流速与液滴半径关系见公式(4)
式中：va:筛选单元内空气流速
ρ1:液滴密度
ρ2:空气密度
k:修正系数
g:重力加速度
r:液滴球半径
η:空气对液滴的粘滞系数
所述的风力模拟部分300由空速探头b403、压缩空气控制端口b401、导流均场筒体b402和液滴速度探测器404组成，所述空速探头b403用于测量装置内空气流速，所述压缩空气控制端口b401对导入的压缩空气进行伺服控制，所述的导流均场筒体b402用于使风力模拟部分300内气流场均匀化，所述的液滴速度探测器404测定风力模拟部分300出口处液滴速度，以模拟不同高度滴落的液滴。
所述的辅助部分500包括补液单元、压缩空气单元和相应管路支承及控制，用于补充液体、提供压缩空气、冲洗清理发生装置。
本发明的单独液滴的产生过程为：所述置换刚丝210退回进口原位，所述发生筒体111经压缩空气清理后完全补液并进行排气，所述筛选单元310按设定要求输入压缩空气达到特定的空气流速以筛分所需要的液滴，如果需要模拟高度还需对所述风力模拟部分300的空气流速进行控制，所述送丝单元按公式(1)计算的体积将所述置换刚丝210送入所述发生筒体111内，在所述导出单元130出口端将被置换推出要求的液滴，由于导出单元130已经疏水处理不浸润吸附，液滴在所述筛选单元310内逐步积累到要求重量，大于筛选单元310的空气托浮力后下落，从而生成单独的线性可控的液滴。
实施例二
本发明的线性可控的精准单液滴发生装置经由送丝置换部分、液滴发生部分的合理组合而产生连续分散的单液滴。连续分散的单液滴产生过程为：所述置换刚丝210退回进口原位，所述发生筒体111经压缩空气清理后完全补液并进行排气，所述筛选单元310按设定要求输入压缩空气达到特定的空气流速以筛分所需要的液滴，如果需要模拟高度还需对所述风力模拟部分300的空气流速进行控制，所述送丝单元按一定速度将所述置换刚丝210送入所述发生筒体111内，在所述导出单元130出口端将被连续置换推出要求的液滴，由于导出单元130已经疏水处理不浸润吸附，液滴在所述筛选单元310内逐步积累出液滴，经所述切分单元320按相应的频率对连续液体进行切分，大于筛选单元310空气托浮力后下落为粒粒分离的连续液滴。
实施例三
本发明的线性可控的精准单液滴发生装置产生的单液滴，经风力模拟部分400对液滴风力推送达到相应速度，从而可以模拟出不同高度液滴的滴落情形。
实施例四
本发明的线性可控的精准单液滴发生装置的切分单元320对齐于发生针下端并对发生针132端口的液滴进行切分，进一步的，所述的切分单元320为弹弦切分单元320a，所述的弹弦切分单元320a安装于发生筒体111上，由弹性弦丝321、弓形架322、致动器323组成，所述弹性弦丝321一端固定于弓形架322、一端由致动器323驱动，所述弹性弦丝321通过所述发生筒体111上对应的预留孔横穿发生筒体111并过发生针113中心，所述的致动器323运作时拉紧弹性弦丝321对液滴进行切断分离，所述的弹性弦丝321自由状态为弧状，不与液滴接触，所述的弹性弦丝321经疏水处理，优选的所述的弹性弦丝为微米级钼丝或铂金丝，进一步的，弹性弦丝原始位321a为弹性弦丝321的自由状态、弹性弦丝切分位321b为为弹性弦丝321的拉紧切分状态。
实施例五
本发明的线性可控的精准单液滴发生装置的切分单元320对齐于发生针下端并对发生针132端口的液滴进行切分，进一步的，所述的切分单元320为超声切分单元320b，所述超声切分单元320b的主要部件超声聚能切分器324安装于发生筒体111侧面对应预留孔内，所述超声聚能切分器324聚能面为弧形，聚能焦点在发生针132中心处，超声聚能切分器324工作时使发生针132悬挂的液滴振动致使液滴分离。
实施例六
本发明的线性可控的精准单液滴发生装置的切分单元320对齐于发生针下端并对发生针132端口的液滴进行切分，进一步的，所述的切分单元320为风力切分单元320c，所述的风力切分单元320c安装于发生筒体111上，由风力切分气仓325和压缩空气控制端口c326组成，所述的风力切分气仓325安装于发生筒体111侧面对应预留孔内，所述的风力切分气仓的前端是一个弧形狭缝的排气口、后端逐步变大的仓室，弧形狭缝将压缩空气聚集成极薄的气刀以对悬挂于发生针下的液滴进行切分，迫使液滴分离形成单独的液滴。
本发明可由本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下作出若干修改，但所作的修改仍是在本申请的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种线性可控的精准单液滴发生装置，包括有液滴发生部分、送丝置换部分、切分筛选部分、风力模拟部分及辅助部分，其特征在于：所述的液滴发生部分由发生单元、导入单元和导出单元构成，所述发生单元上部有补液冲洗端口，下部装有可拆分的导出单元，中部为中空结构密封腔体的发生筒体，外部设置有固定用翅板，上部斜切向设置带有密封及导向功能的置换刚丝导入单元以与所述送丝置换部分配合，所述导出单元下部为一细长空心针管状的发生针，其上部有上入接口与发生筒体下出接口接合，所述送丝置换部分由置换刚丝、送丝伺服单元和复位单元组成，所述的送丝伺服单元夹持置换刚丝并伺服送入发生筒体内，所述复位单元用于将置换刚丝快速复位，所述切分筛选部分由切分单元和筛选单元组成，所述的切分单元对齐所述液滴导出单元的下端，所述切分单元通过物理作用对液滴按要求进行切分，所述筛选单元产生向上设定的稳定气流对液滴进行托浮以筛选，由所述送丝置换部分的置换刚丝进入所述液滴发生部分的发生筒体内等体积置换相应液滴，通过液滴发生部分的发生针排出，经所述的切分筛选部分切分筛选、风力模拟部分提速后为重量和速度精准的单液滴。
2.根据权利要求1所述的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：液滴大小与置换刚丝推入体积成线性正比关系：M＝fρ1CW，式中M:液滴重量，CW:置换刚丝送入体积，ρ1:液滴密度，f:补偿系数。
3.根据权利要求1所述的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述送丝伺服单元由伺服驱动机构、驱动轮、压紧轮、导轮、清洁器及支架组成，所述复位单元包括浮动滚筒和快速复位机构，所述置换刚丝一端固定于浮动滚筒上，所述浮动滚筒在复位单元上轴向可浮动；所述置换刚丝送丝速度与液滴半径的关系为：式中：r:液滴球半径，VW:送丝速度，t:送丝时间，rW:置换刚丝半径，m修正系数。
4.根据权利要求1所述的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述筛选单元设有空速探头a、压缩空气控制端口a、导流均场筒体a，所述筛选单元的空气流速与液滴半径关系为：式中：va:空气筛分装置内空气流速，ρ1:液滴密度，ρ2:空气密度，k:修正系数，g:重力加速度，r:液滴球半径，η:空气对液滴的粘滞系数。
5.根据权利要求1所述的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述的风力模拟部分由空速探头b、压缩空气控制端口b、导流均场筒体b和液滴速度探测器组成，所述的辅助部分包括补液单元、压缩空气单元和相应管路支承及控制。
6.根据权利要求1、4所述任一的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述的切分单元为弹弦切分单元，所述的弹弦切分单元安装于发生筒体上，由弹性弦丝、弓形架、致动器组成，所述弹性弦丝一端固定于弓形架、一端由致动器驱动，所述弹性弦丝通过所述发生筒体上对应的预留孔横穿发生筒体并过发生针中心，所述的致动器运作时拉紧弹性弦丝对液滴进行切断分离。
7.根据权利要求1、4所述任一的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述的切分单元为超声切分单元，所述超声切分单元的主要部件超声聚能切分器安装于发生筒体侧面对应预留孔内，所述超声聚能切分器聚能面为弧形，聚能焦点在发生针中心处，超声聚能切分器工作时使发生针悬挂的液滴振动致使液滴分离。
8.根据权利要求1、4所述任一的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述的切分单元为风力切分单元，所述的风力切分单元安装于发生筒体上，由风力切分气仓和压缩空气控制端口c组成，所述的风力切分气仓安装于发生筒体侧面对应预留孔内，所述的风力切分气仓将压缩空气聚集成极薄的气刀以对悬挂于发生针下的液滴进行切分，迫使液滴分离形成单独的液滴。
9.根据权利要求1-3所述任一的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述置换刚丝为微米级钼丝或铂金丝；所述置换刚丝经疏水处理。
10.根据权利要求6所述的线性可控的精准单液滴发生装置，其特征在于：所述的弹性弦丝为微米级钼丝或铂金丝，所述弹性弦丝经疏水处理。
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