УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ДВИЖУЩИХСЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR GENERATING SERIES OF MOVING LIQUID DROPS

Изобретение относится к области исследования свойств жидкостей, а именно к дозаторам с внешним управлением для повторяющегося отмеривания и выдачи заданных объемов жидкостей и может быть использовано при проведении научных исследований в области гидродинамики, химии, биологии, медицины и др.
Известно устройство для формирования одноразмерных капель жидкости или пузырьков газа [RU 123516 U1, МПК G01F 11/00 (2006.01), опубл. 27.12.2012], содержащее резервуар с жидкостью или газом и присоединенный к нему недеформируемый капилляр, внутри которого размещен жесткий, не касающийся стенок капилляра, заостренный сердечник, конец которого смещен относительно торца капилляра. Конец жесткого сердечника может быть смещен наружу на расстояние, превышающее внутренний диаметр капилляра или внутрь капилляра на расстояние, не превышающее внутренний диаметр капилляра.
Известно устройство для образования капель однообразных размеров [SU 1682 A1, МПК6 B01J 2/02, опубл. 30.09.1926], в котором через каждую пару соседних выпускных отверстий в дне сосуда пропущены концы согнутой дугой проволоки меньшего диаметра, чем диаметр отверстий, служащей для сберегания капельной жидкости и образования на концах проволоки капель наперед заданной величины.
Указанные устройства не позволяют сгенерировать одинаковые по размерам последовательные капли жидкости с контролируемым расстоянием между ними, так как расстояние между каплями в них зависит только от частоты генерации капель. С увеличением частоты генерации расстояние между движущимися каплями уменьшается, однако при этом существенно меняется их размер.
Известен прибор для получения мелких одиночных капель жидкости [SU 84581 A1, МПК6 G01N 11/04, опубл. 01.01.1950], выбранный в качестве прототипа, выполненный в виде горизонтально расположенной трубки с непрерывно поступающей в нее жидкостью и возвратно-поступательного перемещающегося вдоль этой оси трубки стержня, при своем движении периодически приходящего в соприкосновение с мениском жидкости в трубке и при отрыве от мениска выбрасывающего наружу одиночную каплю.
Траектория полета одиночной капли, сгенерированной этим устройством, имеет вид параболы, так как капля отрывается от мениска стержнем в горизонтальном направлении, что впоследствии под действием силы тяжести приводит к ее перемещению по дуге параболы. Таким образом, даже установка друг над другом на фиксированном расстоянии нескольких таких устройств делает неосуществимой задачу генерации последовательно движущихся капель из-за сложностей прогнозирования траектории их перемещения, которая зависит от диаметров стержня и трубки, а также свойств жидкости и ее количества в трубке. Для варьирования размеров капель необходимо менять диаметры трубки и стержня.
Задачей изобретения является генерация последовательно движущихся капель жидкости с фиксированным расстоянием между ними и с известной траекторией их перемещения.
Устройство для генерации последовательно движущихся капель жидкости, также как в прототипе, содержит возвратно-поступательно перемещающийся стержень.
Согласно изобретению внутри остова в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой уголков, размещен каркас в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой реек, с установленными на них направляющими роликами. Внутри каркаса вертикально закреплен прямоугольный короб с открытыми верхним и нижним торцами. На противоположных сторонах короба вдоль оси перемещения каркаса идентично выполнены n сквозных отверстий, расположенных вертикально в ряд, для размещения в них полых игл. Конец каждой иглы трубкой соединен с компрессором. Напротив острий игл на каркасе закреплена первая металлическая пластина. Внутри остова с внешней стороны каркаса напротив первой пластины расположена вторая металлическая пластина с установленными на ней направляющими роликами. В центре второй пластины закреплен стержень с возможностью возвратно-поступательного движения в отверстии третьей пластины и первого электромагнита, вертикально закрепленных внутри остова, причем первый электромагнит расположен между первой и третьей пластинами. Утолщение на конце стержня направлено в сторону первой пластины. Вторая и третья пластины соединены пружинами. Внутри остова между его торцом и второй пластиной 8 закреплен второй электромагнит. Один контакт каждого электромагнита подключен к источнику питания, который соединен с первым и вторым ключами. Первый ключ подключен к другому контакту первого электромагнита. Второй ключ подключен ко второму контакту второго электромагнита.
Остов, каркас, короб, третья пластина и стержень выполнены из металла.
Выполнение противоположных сторон короба с n сквозными отверстиями, расположенными вертикально в ряд, позволяет разместить в этих отверстиях необходимое количество игл на фиксированном расстоянии друг от друга.
Предложенное устройство позволяет резко переместить в горизонтальном направлении короб с иглами, на остриях которых размещены капли жидкости требуемого размера. Капли жидкости, оторвавшись от игл, остаются на месте, после чего продолжают свое движение под действием гравитационных сил в строго вертикальном направлении сверху вниз, на фиксированном расстоянии друг от друга.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства для генерации одиночных последовательно движущихся капель жидкости.
Устройство для генерации последовательно движущихся капель жидкости содержит металлический остов 1 в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой уголков. Внутри остова размещен каркас 2 в виде прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из соединенных между собой металлических реек, с установленными на них направляющими роликами. Внутри каркаса 2 вертикально закреплен прямоугольный металлический короб 3 с открытыми верхним и нижним торцами. На противоположных сторонах короба 3 вдоль оси перемещения каркаса 2 идентично выполнены n сквозных отверстий, расположенных вертикально в ряд, для размещения в них полых игл 4 (фиг. 2). Конец каждой иглы 4 трубкой 5 соединен с компрессором 6 (фиг. 1). Напротив острий игл 4 на каркасе 2 закреплена первая металлическая пластина 7. Внутри остова 1, с внешней стороны каркаса 2 напротив пластины 7 расположена вторая металлическая пластина 8 с установленными на ней направляющими роликами. В центре второй пластины 8 закреплен металлический стержень 9 с возможность возвратно-поступательного движения в отверстии третьей металлической пластины 10, вертикально закрепленной внутри остова 1. Утолщение на конце металлического стержня 9 направлено в сторону первой пластины 7. Диаметр утолщения в два раза большее диаметра металлического стержня 9. Между первой 7 и третьей 10 пластинами расположен первый электромагнит 11, закрепленный внутри остова 1. В центре первого электромагнита 11 выполнено отверстие для размещения возвратно-поступательно перемещающегося стержня 9. Вторая 8 и третья 10 пластины соединены четырьмя пружинами 12. Внутри остова 1 между его торцом и второй пластиной 8 закреплен второй электромагнит 13. Один контакт каждого электромагнита 11 и 13 подключен к источнику питания 14 (ИП), который соединен с первым ключом 15 и вторым ключом 16. Первый ключ 15 подключен к другому контакту первого электромагнита 11. Второй ключ 16 подключен ко второму контакту второго электромагнита 13.
Генерацию последовательно движущихся капель жидкости производят следующим образом.
В сквозных отверстиях металлического короба 3 размещают необходимое количество игл на нужном расстоянии. Путем замыкания ключа 16 подают питающее напряжение от источника питания 14 (ИП) на второй электромагнит 13, что вызывает притягивание к нему второй пластины 8 и растяжение пружин 12. Далее замыкают первый ключ 15, происходит подача питающего напряжения от источника питания 14 (ИП) на первый электромагнит 11, и притягивание к нему первой металлической пластины 7 вместе с каркасом 2. После этого первый ключ 15 размыкают. Воду подают в полые иглы 4 по трубкам 5 путем изменения давления в компрессоре 6 до тех пор, пока на остриях игл 4 не образуются капли требуемого размера (фиг. 2). Производят размыкание ключа 16, после чего происходит сжатие пружин 12 и последующее столкновение утолщения стержня 9, перемещающегося в отверстиях третьей пластины 10 и первого электромагнита 11, с первой пластиной 7 и, как следствие, горизонтальное перемещение внутри остова 1 каркаса 2 на роликах с закрепленным на нем коробом 3 с полыми иглами 4. В результате, капли воды отрываются от игл 4, и продолжают свое движение строго сверху вниз под действием гравитационных сил на фиксированном расстоянии в соответствии с их размещением на остриях игл 4.
-5
Для оценки точности в соблюдении расстояний между сгенерированными последовательно движущимися каплями была проведена серия пробных экспериментов. Компрессором 6 генерировали капли воды массой 25 мг. Осуществляли их сброс с помощью предложенного устройства. Контроль массы капель воды осуществляли при помощи лабораторных микровесов «ViBRA HT 84RCE» (дискретность - 10 г).
Процесс движения капель воды регистрировали с использованием высокоскоростных видеокамер «Phantom MIRO М310» и «Phantom V411» (частота съемки - до 600000 кадров в секунду), угол между оптическими осями видеокамер составлял 90 градусов. Для обработки отснятых видеозаписей использовали программное обеспечение «Tema Automotive» с функцией непрерывного слежения за движущимися объектами.
Испытания устройства показали, что при погрешности объемов генерируемых капель в 0,02 мкл отклонение по горизонтали и вертикали между центрами масс перемещающихся последовательно в вертикальном направлении капель не превышает 0,1 мм.