Способ дозирования жидкости и устройство для его осуществления
LIQUID DISPENSING METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области точного приборостроения, нанотехнологии, робототехники, биотехнологии и фармацевтики, двигателестроению, автомобилестроению, авиационной, химической и пищевой промышленности, к способам перемещения и дозирования жидкости с использованием создания и передачи давления газу и жидкости, и устройствам для их осуществления и может быть использовано для дозирования и перемещения жидкости в химической и медицинской промышленности, в лабораторной технике при отмеривании малых доз жидкости.
Известны способ и устройство - в способе дозирования жидкости за счет изменения давления газа в рабочей камере и передачи давления дозируемой жидкости. Устройство (пипеточный дозатор) снабжено упругим элементом, позволяющим нажатием пальца лаборанта на этот элемент создавать переменное (пониженное или повышенное) давление воздуха в рабочей камере дозатора, за счет чего набирать и выдавливать определенную дозу жидкости. (Современные методы дозирования жидкости в лабораториях: http://sente-lab.com/novinki-iz-laboratornogo-mira/sovremennyie-metodyi-dozirovaniya-zhidkostej-v-laboratoriyax.html).
Недостатками данных способа и устройства являются недостаточная точность дозирования жидкости, невозможность дозирования малых объемов жидкости, недостаточная эффективность управления изменением давления газа и передачи давления жидкости, узкая область применения способа и устройства.
Известны способ и устройство - в способе дозирования жидкости, включающем операцию набора дозируемой жидкости и операцию мерного вытеснения ее микродозами путем воздействия на рабочую жидкость за счет изменения давления газа в рабочей камере и передачи давления дозируемой жидкости путем воздействия поршня на жидкость (SU 1023202).
Недостатками данных способа и устройства являются недостаточная точность дозирования жидкости, необходимость использования поршня для создания и передачи давления, недостаточная эффективность управления изменением давления газа и передачи давления жидкости.
Известны способ и устройство - в способе дозирования жидкости, включающем операцию набора дозируемой жидкости и операцию мерного вытеснения ее микродозами путем воздействия на рабочую жидкость за счет изменения давления газа в рабочей камере и передачи давления дозируемой жидкости путем воздействия на жидкость поршня, приводимого в движение электромеханическим образом (Зеленов М.С., Чернышев А.В. Обзор существующих систем микродозирования жидкости и обоснование конструкции модуля для автоматизированной системы пробоподготовки // Машиностроитель. 2016, №4).
Недостатками данных способа и устройства являются недостаточная точность дозирования жидкости, сложность и недостаточная надежность устройства и сложность реализации способа, необходимость использования поршня для создания и передачи давления, недостаточная эффективность управления изменением давления газа и передачи давления жидкости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, с помощью которого осуществляется способ дозирования жидкости. Устройство состоит из мерного сосуда (рабочей камеры), заполненного газом и жидкостью, из которой отходят два отвода, в которые может заходить жидкость, на одном из отводов установлена нихромовая проволока, соединенная с источником электрического тока. Дозирование жидкости осуществляется за счет пропускания электрического тока через проволоку и последующего локального нагревания жидкости до состояния взрывного вскипания. Создаваемое изменение давления воздействует на жидкость (и попутно - на газ), выталкивая порцию жидкости из рабочей камеры через отвод (SU 1300421).
Недостатками данных способа и устройства являются низкая точность дозирования жидкости, обусловленная недостаточной эффективностью управления изменением давления, необходимость охлаждения вскипевшей жидкости перед последующим пропусканием электрического тока через проволоку, узкая область применения способа и устройства.
В предлагаемом способе дозирования жидкости изменение давления газа в рабочей камере осуществляется за счет пропускания управляемых импульсов электрического тока в проводнике, размещенном в рабочей камере устройства, заполненной газом. Устройство снабжено отводом с наконечником - для забора и дозирования жидкости. Изменение давления газа в рабочей камере, обусловленное импульсным протеканием электрического тока в проводнике, размещенном внутри рабочей камеры, применяется для дозирования жидкости.
Задачей предполагаемого изобретения является: осуществить дозирование жидкости за счет управляемого изменения давления газа и жидкости, их контролируемое перемещение, повысить точность перемещения (дозирования) жидкости, повысить эффективность использования способа изменения давления газа и жидкости, их перемещения и дозирования жидкости и устройства для осуществления способа, расширить область применения.
Технически задача дозирования жидкости решается за счет того, что в устройстве, содержащем корпус, рабочую камеру с отводом, заполненную газом, проводник электрического тока, выполненный с возможностью соединения с источником электрического тока, отвод выполнен с наконечником с возможностью размещения его в дозируемой жидкости и перемещения к объекту для дозирования жидкости, при этом источником электрического тока является генератор импульсов электрического тока с регулируемой амплитудой и длительностью импульса тока, а проводник электрического тока размещен в рабочей камере. Устройство позволяет реализовать способ дозирования жидкости, в котором передают давление газу и жидкости и перемещают их, воздействуя на жидкость путем изменения давления в рабочей камере, выполненной с отводом, за счет пропускания импульсов электрического тока в проводнике, проводник размещают в рабочей камере, которую предварительно заполняют газом, отвод с наконечником опускают в дозируемую жидкость, подают импульс электрического тока заданной амплитуды и длительности, выдавливают из объема камеры в дозируемую жидкость точное количество газа, после окончания импульса жидкость всасывается в наконечник, который вынимают из дозируемой жидкости и переносят к объекту для дозирования жидкости, подают импульс электрического тока и выдавливают жидкость из наконечника.
Техническим результатом данного решения является повышение управляемости и точности дозирования жидкости, повышение эффективности, расширение области применения.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - фиг. 6.
На фиг. 1 представлена схема устройства.
На фиг. 2 представлена типичная экспериментальная зависимость давления Р в рабочей камере от времени t для проводника из сплава никеля при воздействии импульса тока длительностью τ=5,5 с амплитудой I=0,6 А.
На фиг. 3 приведен график зависимости массы М спирта, выдавленного из наконечника, от амплитуды токового импульса. В эксперименте применялись импульсы тока длительностью t=4 с
На фиг. 4 приведен график зависимости массы М спирта, выдавленного из наконечника, от времени действия импульса. Амплитуда импульса тока I=300 мА оставалась неизменной.
На фиг. 5 представлена зависимость количества капель спирта, выдавленного из наконечника, от амплитуды токового импульса.
Устройство включает (фиг. 1) корпус 1; отвод 2 с наконечником 3; проводник электрического тока 4; источник электрического тока - генератор импульсов электрического тока с регулируемой амплитудой и длительностью импульса тока 5. Внутренний объем корпуса 1 и отвода 2 образуют рабочую камеру устройства, проводник электрического тока размещен в рабочей камере.
При неравновесном процессе, имеющем место при старте импульса электрического тока в проводнике, в газе возникает скачок давления, величина которого определяется амплитудой и длительностью импульса электрического тока в проводнике. Варьируя форму, амплитуду и (или) время действия импульса, возможно точно задавать параметры дозирования жидкости в предлагаемом устройстве.
Для реализации способа в рабочую камеру устройства (внутренняя полость корпуса 1 - запаянной стеклянной трубки диаметром 8 мм и отвод 2) помещался металлический проводник электрического тока 4 с возможностью соединения с источником электрического тока 5. Для соединения с источником электрического тока использовались провода меди. Внутри рабочей камеры использовался проводник 4, выполненный из сплава никеля диаметром 100 мкм. В качестве источника электрического тока использовался генератор импульсов электрического тока с регулируемой амплитудой и длительностью импульса электрического тока. В начале эксперимента в стеклянной трубке устанавливалось атмосферное давление газа. Пропускание импульса электрического тока по проводнику 4 приводило к изменению давления газа в рабочей камере.
При реализации способа устойчиво наблюдаются «скачки» давления в окрестности проводника с током, зависящие от амплитуды и длительности импульса тока. При достаточной длительности импульса электрического тока импульс давления «повторяет» форму импульса тока. Экспериментальные исследования зависимости давления от времени при протекании в проводнике коротких последовательных одинаковых импульсов электрического тока показывают устойчивую повторяемость характера изменения давления и при малой длительности импульса электрического тока.
При реализации способа было зафиксировано однозначное соответствие между амплитудой (при заданной длительности) импульсов электрического тока, протекающих в проводнике, и амплитудой изменения давления в окружающем проводник газе.
Устройство работает, и способ реализуется следующим образом, суть которого ясна из нижеприведенного примера реализации способа.
В лабораторных условиях нами проводилась экспериментальная проверка работы макета дозирующего устройства. Использовались прямоугольные импульсы электрического тока. Устройство работает следующим образом. Отвод с наконечником опускают в дозируемую жидкость, подают импульс электрического тока заданной амплитуды и длительности, за счет этого выдавливают из объема камеры в дозируемую жидкость точное количество газа. После окончания импульса тока давление газа в камере быстро падает, и жидкость всасывается в наконечник. Наконечник вынимают из дозируемой жидкости и переносят к объекту для дозирования жидкости. Подают импульс электрического тока (предпочтительнее большей амплитуды) и выдавливают жидкость из наконечника.
Точность дозирования повышается при фиксации глубины погружения наконечника в дозируемую жидкость и определяется точностью задания параметров импульса электрического тока.
Регулировка количества жидкости, которую выдавливают из наконечника, может производиться разными способами: а) изменением амплитуды импульса электрического тока, б) изменением длительности импульса электрического тока. Технически легко реализуется регулировка изменением длительности импульса электрического тока.