УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ ОДИНОЧНЫМИ КАПЛЯМИ

Устройство относится к дозировочной технике и может быть использовано на производстве и в быту.
Дозирование жидкости отдельными каплями с управляемыми параметрами является важным при проведении физических и химических исследований. В лабораторном деле требуется формирование капель одинакового размера и с заданной частотой подачи.
Известно большое число устройств, позволяющих дозировать жидкость отдельными каплями в течение длительного времени. Так, из патента US 3994423, BURG, 30.11.1976, известно устройство, содержащее капельницу, связанную трубкой с сосудом с жидкостью, при этом средство формирования капли выполнено в виде импульсного пневмоклапана, обеспечивающего создание избыточного давления в сосуде. В другом изобретении (DE 102004062814, GOETZ, 06.07.2006), отделение отдельной капли от калленаправляющего наконечника производится посредством воздушного сопла, при этом избыточное давление в сосуде создается гидравлическим путем. Дозирование малыми каплями, описанное в изобретении US 2004056048. KAARTINEN 25.03.2004, предназначенное для клинической химии, осуществляется посредством мехов и магнитного актюатора. Известно использование механизма с запорной иглой (SU 1106752, Храмов, 07.08.1984), запорно-регулирующего элемента - плунжера, управляемого электромагнитом (SU 1138352, Романовский и др., 07.02.1985). Однако вышеперечисленные устройств сложны и имеют общий недостаток, сводящийся к трудности дозирования жидкости одиночными каплями с большим интервалом между моментами отрыва капель, например, 30 с, как это требуется, в частности, при испытании электроизоляционных материалов на трекингостойкость.
Наиболее близким аналогом является изобретение по а.с. SU 1353698, Лежнева и др., 23.11.1987, в котором формирование капли в капленаправляющем наконечнике происходит за счет изменения гидростатического напора над сливным отверстием. Устройство имеет поплавковый регулятор, установленный в емкости, сама емкость в донной части связана трубкой с капельницей, имеющей внутренний поворотный канал
и капленаправляющий наконечник. Емкость связана с механизмом привода вертикального перемещения. Однако, приложение даже минимального гидростатического напора над сливным отверстием исключает возможность формирования одиночных, редко, но строго периодически повторяющихся капель, поскольку факт формирования и отрыва капель определяется фактом наличия и значением гидростатического напора и, отчасти, случайными факторами.
Задачей настоящей полезной модели является упрощение конструкции устройства формирования одиночных капель при обеспечении высокой повторяемости параметров капель и периода их отрыва.
Задача решена тем, что устройство для дозирования жидкости одиночными каплями, содержащее капельницу с внутренним поворотным каналом и капленаправляющим наконечником с вертикальной осью, соединенную гибким трубопроводом с сосудом для жидкости, связанным с механизмом регулирования гидростатического давления. Капельница снабжена приводом возвратно-поступательного вертикального перемещения, выполненным с возможностью создания одиночного положительного импульса гидростатического напора с амплитудой и длительностью, обеспечивающими формирование отрываемой капли.
Устройство может характеризоваться тем, что привод возвратно-поступательного вертикального перемещения выполнен с возможностью формирования последовательности одиночных положительных импульсов гидростатического напора, каждый из которых имеет амплитуду и длительность, обеспечивающие формирование отрываемой капли, а интервал времени между импульсами - частоту выдачи капель.
Устройство может характеризоваться также тем, что привод возвратно-поступательного вертикального перемещения выполнен в виде винтового механизма и реверсивного электродвигателя, причем ходовой винт винтового механизма жестко связан с выходным валом реверсивного электродвигателя, а гайка - имеет направляющую и жестко связана с капельницей, при этом реверсивный электродвигатель подключен к блоку управления с возможностью реверса в концевых положениях гайки.
Устройство может характеризоваться и тем, что в концевых положениях гайки установлены кнопки, связанные со штырем, закрепленным на гайке, для реверса электродвигателя при их замыкании и подключенные к блоку управления, а также тем, что привод возвратно-поступательного вертикального перемещения выполнен в виде электромагнита, сердечник которого жестко связан с капельницей и подпружинен.
Устройство может характеризоваться и тем, что привод возвратно-поступательного вертикального перемещения выполнен в виде кулачкового механизма, подпружиненный толкатель которого жестко связан с капельницей, а кулачок - с нереверсивным электродвигателем.
Технический результат - формирование одиночных периодически повторяющихся капель с произвольно большим периодом повторения и уменьшение неопределенности в моменте отрыва капли.
Существо полезной модели поясняется на чертежах, где:
На фиг.1 представлена конструкция устройства с винтовым приводом;
На фиг.2, 3 - конструкция с электромагнитным и кулачковым приводами, соответственно.
Устройство для дозирования жидкости одиночными каплями (фиг.1) содержит капельницу 10 с внутренним поворотным каналом 11 и капленаправляющим наконечником 12 с торцом 13, сосуд 14 для жидкости. Гибкий трубопровод 16 соединяет нижнюю часть сосуда 14 с входным отверстием 18 горизонтального участка поворотного канала 11 капельницы. Капельница 10 связана со средством для создания одиночного короткого перепада гидростатического напора, которое может быть выполнено с помощью различных технических средств, например, в виде быстродействующего привода 20 опускания - подъема капельницы 10 при фиксированном положении сосуда 14.
Привод 20 может быть выполнен в виде винтового механизма 21 и реверсивного малоинерционного электродвигателя 22. Винтовой механизм 21 включает ходовой винт 23, жестко связанный с выходным валом 24 электродвигателя 22. Гайка 25 винтового механизма 21 в нижней части 26 жестко соединена с капельницей 10 и имеет цилиндрическую наружную направляющую поверхность 27, взаимодействующую с внутренней поверхностью полости корпуса 29, который, в свою очередь, жестко соединен с корпусом электродвигателя 22. Ось выходного вала 24 электродвигателя 22 и цилиндрической поверхности полости корпуса 29 установлены вертикально, благодаря чему при реверсировании направления вращения вала электродвигателя 22 обеспечивается возвратно-поступательное перемещение капельницы 10 исключительно в вертикальном направлении. С гайкой 25 жестко связан штырь 32, который возвратно-поступательно перемещается в прорези 34 корпуса 29. При перемещениях штырь 32 своим концом, выступающим над наружной поверхностью корпуса 29, поочередно взаимодействует с кнопками 34 и 36. Замыкание кнопки 34 свидетельствует о достижении гайкой 25, т.е. капленаправляющим наконечником 12, своего верхнего положения,
а замыкание кнопки 36 - нижнего положения. Кнопки 34,36, а также электродвигатель 22 подключены к блоку управления 39 упомянутым приводом 20. Алгоритм работы блока 39 реализует реверс электродвигателя 22 при попеременном замыкании штырем 32 кнопок 34, 36.
Регулируемый перепад гидростатического давления обеспечивается, аналогично ближайшему аналогу, положением сосуда 14 по высоте, с помощью площадки 40, установленной в корпусе 42 направляющей 44 и ходового винта 46.
На фиг.2 представлен вариант выполнения устройства с приводом 20 возвратно-поступательного вертикального перемещения, выполненным в виде электромагнита с обмоткой 50, и ферромагнитным сердечником 52, жестко связанным с капельницей 10 и подпружинен элементом 53. Обмотка 50 подключена к импульсному источнику 54.
На фиг.3 представлен вариант выполнения устройства с приводом 20, выполненным в виде кулачкового механизма 60, подпружиненный толкатель 61 которого жестко связан с капельницей 10, а кулачок 62 связан с нереверсивным электродвигателем (не показан).
Устройство, при описанных вариантах выполнения привода 20, функционирует следующим образом.
Сосуд 14 заполняется таким количеством жидкости, чтобы ее расход при дозировании требуемого числа капель не изменял заметно положение верхнего уровня жидкости. Это условия легче реализовать, используя сосуд 14 с необходимым «большим» поперечным сечением, либо автоматическое устройство поддержания уровня жидкости. Например, поплавком с игольчатым клапаном, как это делается в камере карбюратора автомобиля.
Первоначально сосуд 14 устанавливается в таком положении по высоте, чтобы столб жидкости в сосуде выдавил воздух из гибкого трубопровода 14 и жидкость начала сливаться через торец 13 наконечника 12. Затем, сосуд 14 плавно опускают, например, с помощью винта 46. При этом через наконечник 12 обеспечивается последовательный переход режима слива жидкости от струйного к капельному и, наконец, к прекращению каплеобразования. Если опускание сосуда 14 производить достаточно плавно, то, обычно, удается визуально наблюдать «втягивание» последней капли с торца 13 во внутренний объем наконечника 12. В этом положении сосуд 14 фиксируется и это является необходимым элементом исходного состояния описываемого устройства для работы его в режиме одиночного каплеобразования. В таком исходном положении, которое реализуется примерно при совпадении уровня жидкости в сосуде 14 и торце 13
наконечника 12, неразрывный столб жидкости в сосуде 14, гибком трубопроводе 16 и поворотном канале 11 капельницы находится в равновесном неподвижном состоянии.
При создании одиночного, короткого импульса гидростатического напора (положительного перепада гидростатического давления), например, однократным опусканием и последующим возвращением в исходное состояние торца 13 наконечника посредством привода 20 при неизменном положении сосуда, жидкость без разрыва своей сплошности попытается слиться через канал в наконечнике 12. Однако, при достаточно малом напоре - единицы миллиметров водяного столба, слив жидкости, благодаря наличию поверхностного натяжения, приведет к формированию и последующему наполнению капли на нижнем торце 13 наконечника 12. При этом подбором скорости и амплитуды опускания - подъема капельницы 10 легко удается добиться режима наполнения одиночной капли вплоть до ее отрыва от нижнего торца 13.
Для этого необходимо, чтобы объем сливаемой жидкости за период опускания-подъема капельницы был не менее объема единичной капли данной жидкости, которая может оторваться от торца 13 наконечника 12. Объем отрываемой капли зависит от материала капленаправляющего наконечника 12 и диаметра внутреннего канала.
В соответствии с известными рекомендациями, максимально высокая воспроизводимость объема формируемой капли и момента ее отрыва будут достигаться, если отрыв капли происходит при сливе жидкости со скоростью, близкой к нулю. В предлагаемом устройстве это условие легко реализовать подбором скорости и амплитуды опускания капельницы, т.е. выбором соответствующих параметров использованного в нем механизма перемещения капельницы.
3
Испытания устройства с винтовым механизмом перемещения капельницы, показали, что оно обеспечивает получение одиночной капли слабого водного раствора электролита с объемом (20±3) мм с периодами от четырех до тридцати секунд в составе установки для испытаний электроизоляционных материалов на трекингостойкость. Объем капли регулировался изменением диаметра канала капельницы, особенно в участке, прилегающем к его торцу.