本發(fā)明涉及流量測定技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計。

背景技術(shù)：

皂膜流量計是利用皂膜與皂膜之間的體積對氣體流量進行計量的容積式流量計，需要準(zhǔn)確測量前后兩個皂膜的起始時間與終止時間，通常采用直接讀取刻度與手動計時實現(xiàn)。電子皂膜流量計是在直讀式玻璃管皂膜流量計上安裝了成對光電傳感器而形成的一種能夠測量微小氣體流量的裝置，克服了由于人眼直接讀數(shù)、手掐秒表計時帶來誤差的缺陷，提高了測量精度，同時，簡化了操作步驟，提高了測量效率。所測流量范圍為12～60L/min。廣泛應(yīng)用于教學(xué)科研、環(huán)境監(jiān)測、理化分析等領(lǐng)域。

皂膜流量計的誤差主要來自于測量與過程控制，電子皂膜流量計雖然實現(xiàn)了皂膜的自動監(jiān)測，但在產(chǎn)泡的自動控制方面仍然沒有任何改進。例如：電子皂膜流量計仍需要人為擠壓下部的膠囊產(chǎn)泡，皂泡從膠囊內(nèi)擠出時會出現(xiàn)大量堆積現(xiàn)象，形成“團簇”狀，而不是一層薄膜；皂管在使用前需取下潤濕，潤濕完畢再重新裝配，或者將膠囊取下進行在位潤濕，造成大量皂液滴漏，人工操作繁瑣；測量時橡膠囊容易滑離三叉管而漏液，被迫中斷產(chǎn)泡；在產(chǎn)泡過程中，由于操作者習(xí)慣差異，皂膜產(chǎn)生的頻率不同，導(dǎo)致皂管內(nèi)部潤濕程度變化較大，皂膜上升過程受到的阻力變化明顯，影響流量測量值的準(zhǔn)確性。這些控制過程導(dǎo)致的誤差無法通過光電傳感器的測量解決。同時，作為一種科研與工程檢測工具，在數(shù)據(jù)采集、記錄與分析、信息共享等方面也需要實現(xiàn)自動控制。因此，解決上述問題的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生皂膜，替代操作者擠壓橡膠囊的動作。本發(fā)明裝置涉及一種自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計，該裝置具備電驅(qū)動機構(gòu)，能夠接收電信號進行產(chǎn)泡過程的條件控制，利用機械結(jié)構(gòu)完成皂管內(nèi)液位的升降，從而實現(xiàn)弱電控制信號、執(zhí)行機構(gòu)、液位高低的連續(xù)操作過程，完成裝置的自動化控制，彌補了現(xiàn)有光電傳感器只能進行測量而不能實現(xiàn)控制的不足，為實驗研究和工程應(yīng)用提供技術(shù)保障。

該流量計采用電磁機構(gòu)控制推拉桿的伸縮，通過調(diào)整推拉桿末端重錘與儲液管液面間的距離，基于阿基米德定律，合理調(diào)整皂管與儲液管間管路通道的流動阻力，控制儲液管內(nèi)液位高度，實現(xiàn)皂管內(nèi)液位的緩慢升降，保證皂管內(nèi)液位在下降過程中的速度與成膜速度相匹配，從而形成均勻的皂膜。

該裝置包括皂管、皂管支持系統(tǒng)、光電傳感系統(tǒng)、液位升降系統(tǒng)和液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)；

其中，皂管上端開有出氣口，皂管下部側(cè)面開有進氣口；皂管支持系統(tǒng)包括立柱、底座、腳墊、上支架、下支架和托架，光電傳感系統(tǒng)包括光電傳感器發(fā)射端一、光電傳感器接收端一、光電傳感器發(fā)射端二和光電傳感器接收端二，立柱與底座相連，底座下部均勻分布四個腳墊，腳墊通過強力膠粘接在底座底部，上支架、下支架與托架分別采用帶有豎縫的穿孔與立柱相連，上支架、下支架和托架能夠上下滑動，上支架上裝有光電傳感器發(fā)射端一和光電傳感器接收端一，下支架上裝有光電傳感器發(fā)射端二和光電傳感器接收端二，光電傳感器發(fā)射端一、光電傳感器接收端一、光電傳感器發(fā)射端二和光電傳感器接收端二通過強力膠粘接在上支架和下支架上，托架中間開有圓孔，皂管底部細管插入圓孔，皂管上部粗大部分無法通過圓孔；

液位升降系統(tǒng)包括連通軟管、頂部插銷、推拉桿、彈簧、電磁線圈、底部插銷、重錘、儲液管、儲液管排液口和儲液管底板，連通軟管兩端分別連接皂管排液口與儲液管排液口，推拉桿與重錘采用螺紋連接，推拉桿上部和下部均開有凹槽，用于插入頂部插銷和底部插銷，彈簧置于電磁線圈上端，彈簧上端和電磁線圈下端分別通過頂部插銷與底部插銷限制，不加電時，重錘自身重力壓縮彈簧收縮；加電時，推拉桿通過頂部插銷壓縮彈簧，推拉桿與重錘一起下移，重錘浸入儲液管內(nèi)皂液中，儲液管底板上開有儲液管底板開孔，儲液管排液口穿過儲液管底板開孔，儲液管排液口外徑與儲液管底板開孔內(nèi)徑采用強力膠粘接，儲液管底板與上部的儲液管通過強力膠粘接；

液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括筋板、磁鐵頂板、圓筒、磁鐵底板、圓柱磁鐵、L型支架、緊固螺釘和滑軌，筋板一側(cè)為曲面，與儲液管外徑相連，筋板另一側(cè)為平面，與磁鐵頂板相連，筋板底面與儲液管底板相連，圓柱磁鐵置于被圓筒、磁鐵頂板和磁鐵底板包圍的空腔中，磁鐵底板與滑軌通過強力膠粘接，L型支架底部通過緊固螺釘與底座相連，滑軌沿L型支架上下滑動，通過圓柱磁鐵的磁力將滑軌與L型支架連接在一起，磁鐵底板、圓柱磁鐵、圓筒、磁鐵頂板、筋板和儲液管隨滑軌上下運動。

其中，立柱為下端帶外螺紋的碳鋼或不銹鋼圓棒，腳墊由橡膠或硅膠材料制成，重錘為聚四氟乙烯材料做成的圓柱體。

推拉桿為碳鋼或磁性不銹鋼材料制成的鋼性直桿。

L型支架為磁性材料制成，呈“L”型。

推拉桿長度、重錘直徑與高度滿足皂管液位上升至超過皂管進氣口上沿。

彈簧位于電磁線圈上方，電磁線圈加電后，彈簧壓縮長度保證皂管內(nèi)液位上升高度至皂管進氣口上沿。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

本發(fā)明提出的利用直流電激勵產(chǎn)生磁力，與彈簧自身彈力相結(jié)合，通過推拉磁性推拉桿上升與下降，從而帶動重錘浸入或浮出液體，根據(jù)阿基米德定律抬升和沉降液位，造成皂管內(nèi)液位周期性的漲落，由于連通導(dǎo)管的阻尼作用，液位上升與下降有一定延遲，使液體潤濕皂管進氣口速度較緩，從而使被測氣源與皂液有充分的時間接觸，形成薄的皂泡，液位繼續(xù)下降，完成由泡到膜的變化過程，利用上位機或單片機即可實現(xiàn)各種功能的自動控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計部分部件拆卸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計工作原理示意圖一；

圖4為本發(fā)明自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計工作原理示意圖二；

圖5為本發(fā)明自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計工作原理示意圖三。

其中，1-立柱；2-底座；3-腳墊；4-光電傳感器發(fā)射端一；5-光電傳感器接收端一；6-上支架；7.-光電傳感器發(fā)射端二；8-光電傳感器接收端二；9-下支架；10-出氣口；11-皂管；12-進氣口；13-托架；14-皂管排液口；15-連通軟管；16-頂部插銷；17-推拉桿；18-彈簧；19-電磁線圈；20-底部插銷；21-重錘；22-儲液管；23-儲液管排液口；24-儲液管底板；25-儲液管底板開孔；26-筋板；27-磁鐵頂板；28-圓筒；29-磁鐵底板；30-圓柱磁鐵；31-L型支架；32-緊固螺釘；33-滑軌。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。

本發(fā)明提供一種自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計。

如圖1和圖2所示，該裝置中，皂管11上端開有出氣口10，皂管11下部側(cè)面開有進氣口12；皂管支持系統(tǒng)中立柱1采用下端帶外螺紋的碳鋼或不銹鋼圓棒，可以通過螺紋與下部帶內(nèi)螺紋的底座2相連，方便拆裝。底座2下部均勻分布四個腳墊3，為橡膠或硅膠材料，起減震作用，通過強力膠粘接在底座2底部。上支架6、下支架9與托架13分別采用帶有豎縫的穿孔與立柱1相連，可以上下滑動，調(diào)整位置，通過螺釘縮小豎縫距離，依靠摩擦力抱緊立柱，起到定位作用。上支架6與下支架9上分別裝有光電傳感器發(fā)射端一4、光電傳感器接收端一5、光電傳感器發(fā)射端二7和光電傳感器接收端二8，托架13中間開有圓孔，可容納皂管11底部細管插入，皂管上部粗大部分無法通過，因此，可以托舉皂管11，實現(xiàn)對整個皂管11重量的支承。

光電傳感系統(tǒng)中光電傳感器用于感受皂膜的有無，由發(fā)射端與接收端組成，發(fā)射端發(fā)射紅外光，光路被障礙物擋住時，接收端無信號；障礙物移除時，接收端有信號，從而形成高低電平的差別，由電路實現(xiàn)監(jiān)測。光電傳感器包括上、下兩對，光電傳感器發(fā)射端二7和光電傳感器接收端二8探測皂膜的開始，光電傳感器發(fā)射端一4和光電傳感器接收端一5探測皂膜的終止，兩者的時間差即是皂膜的行進時間，由皂管上、下光電傳感器的位置即可得到皂膜通過的有效體積，從而得到氣體在這段時間內(nèi)的平均流量。光電傳感器發(fā)射端一4、光電傳感器接收端一5、光電傳感器發(fā)射端二7和光電傳感器接收端二8通過強力膠分別粘接在上支架6和下支架9上，起到固定作用，從而保證在調(diào)節(jié)上支架6與下支架9位置時紅外光從發(fā)射端到接收端的光路可以保持不變。

液位升降系統(tǒng)中連通軟管15連接皂管排液口14與儲液管排液口23，由于皂管11與儲液管22分別與大氣相通，因此，通過連通軟管15可以保證皂管11與儲液管22內(nèi)的液位保持在同一水平高度。推拉桿17為一根細長鋼性直桿，采用碳鋼或磁性不銹鋼材料。重錘21采用聚四氟乙烯材料做成圓柱體。推拉桿17與重錘21采用螺紋連接。推拉桿17上部和下部均開有凹槽，用于插入頂部插銷16和底部插銷20，頂部插銷16與底部插銷20起到限位的作用，將電磁線圈19與彈簧18限制在固定長度內(nèi)。彈簧18置于電磁線圈19上端，不加電時，重錘21自身重力壓縮彈簧18收縮；加電時，推拉桿17通過頂部插銷16壓縮彈簧18，推拉桿17與重錘21一起下移，重錘21浸入皂液中，由于阿基米德定律可知，儲液管22內(nèi)液位上升，通過連通軟管15使皂管11內(nèi)的液體同時上升。電磁線圈19由漆包線繞制而成，通過直流電時，電磁線圈19產(chǎn)生磁性，拉動推拉桿17下移；斷電時，磁性消失，推拉桿17由于彈簧18的作用上移，恢復(fù)初始狀態(tài)。儲液管22為一粗圓筒，儲液管排液口23為一細圓管，儲液管底板開孔25為儲液管底板24上的孔洞，開孔尺寸稍大于儲液管排液口23的外徑，三者均可采用透明亞克力材料。儲液管排液口23穿過儲液管底板開孔25，其外徑與儲液管底板開孔25內(nèi)徑采用強力膠粘接，兩者形成一整體后再與上部的儲液管22通過強力膠粘接，形成一密封不透液體的儲液池，用于容納皂液。

液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中筋板26一側(cè)為曲面，與儲液管22外徑相連，另一側(cè)為平面，與磁鐵頂板27相連，底面與儲液管底板24相連，均采用強力膠粘接。圓柱磁鐵30置于被圓筒28、磁鐵頂板27和磁鐵底板29包圍的空腔中，首先將圓筒28與磁鐵頂板27用強力膠粘接牢固，把圓柱磁鐵30放于空腔中，再將磁鐵底板29與圓筒28用強力膠粘接，形成密封體，磁鐵底板29與滑軌33通過強力膠粘接。L型支架31采用碳鋼材料，呈一“L”型，底部通過緊固螺釘32與底座2相連?；?3可以沿L型支架31上下滑動，通過圓柱磁鐵30的磁力將滑軌33與L型支架31連接在一起，磁鐵底板29、圓柱磁鐵30、圓筒28、磁鐵頂板27、筋板26和儲液管22等可隨滑軌33一起上下運動，從而達到調(diào)整液位的作用。

該自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計的操作過程如下：首先，從皂管11上部加入皂液，沿管壁環(huán)形滴入，保證皂管內(nèi)壁均勻潤濕。上下移動液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使重錘位于液位上方，并且皂管內(nèi)液位低于進氣口下邊沿，此時，停止加液，如圖3所示。液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于磁力的作用懸在空中。將被測氣源與皂管進氣口通過軟管相連，用皂液涂抹在接口周圍，沒有氣泡產(chǎn)生說明氣密性好。通過上位機程序控制電磁線圈加電，或者手動開關(guān)給電磁線圈加電，電磁線圈加電后，產(chǎn)生磁場，吸引推拉桿向下移動，帶動重錘向下浸入皂液中，液位上升，當(dāng)皂管內(nèi)的液位上升到皂管進氣口上邊沿時，進氣口的氣體被阻擋在外面，無法進入，形成液封，如圖4所示。給電磁線圈斷電，重錘與推拉桿一起上升，儲液管內(nèi)液位下降，皂管內(nèi)的液位隨之降低，在這個過程中，外部堵塞的氣體隨著液位下降形成的壓力減小，在氣體壓力作用下不斷向內(nèi)伸展，氣液交互界面逐漸增大，形成一薄層皂膜，在氣體的推動下，向上移動，如圖5所示。皂膜通過下光電傳感器時，由于皂膜的遮光作用，擋住了光電傳感器發(fā)射端發(fā)出的紅外光，使接收端無法接收，產(chǎn)生低電平信號；皂膜繼續(xù)向上移動，離開時，紅外光又可以被接收端接收，形成高電平信號。外部電路通過識別高、低電平的切換達到記錄皂膜開始出發(fā)時間。同理，上部的光電傳感器也經(jīng)歷相同的過程，不同之處在于上部光電傳感器記錄的是皂膜終止時間。兩者之差即是皂膜通過這段體積所需要的時間，從而計算得到氣體的平均流量。皂膜通過上部光電傳感器后，經(jīng)過一段時間延時，電磁線圈繼續(xù)加電，進行下一次產(chǎn)泡過程，從而達到自動產(chǎn)泡，周而復(fù)始，形成一種自動產(chǎn)泡的電子皂膜流量計。

在具體實施過程中，用該流量計測定軸流風(fēng)扇的氣體流量。選用內(nèi)徑15.5mm，外徑18.0mm，總長443mm，標(biāo)稱為50mL的皂管11。皂管進氣口12與軸流風(fēng)扇出口通過變徑與軟管連接。用500mL燒杯稱取40g洗潔精發(fā)泡劑，按洗潔精:去離子水的質(zhì)量比為1:10配制成皂液，用玻璃棒攪拌均勻。從皂管11上部沿玻璃棒引流至皂管內(nèi)壁，玻璃棒沿皂管內(nèi)壁順時針轉(zhuǎn)動，達到皂液均勻潤濕皂管內(nèi)壁的目的。將液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)放至最低位置，使皂管11內(nèi)液位低于皂管進氣口12的下邊沿，不斷提升液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)重錘21底端露出皂液面為止，然后進行微調(diào)，使重錘21略高于儲液管22內(nèi)液面。電磁線圈19供電電壓為6V，額定電流為3A，給電磁線圈通電，推拉桿17向下移動，壓縮上部彈簧18，推動重錘21向下浸入皂液中，儲液管22內(nèi)液位上升，皂管11內(nèi)液位也隨之上升，當(dāng)液位上升至皂管進氣口12上沿時，進氣氣流被堵塞，在氣體與液體間形成氣液接觸界面。切斷電磁線圈19供電，重錘21在彈簧18彈力的作用下提升，從皂液中提起，儲液管22內(nèi)液位下降，皂管11內(nèi)液位也開始下降，隨著皂管11內(nèi)液位的不斷降落，氣體不斷擠壓進皂管11。由于皂液的表面張力的作用，氣體在皂管進氣口12與皂管11橫截面交匯處吹出皂泡，液位降低越多，皂泡生長越大，當(dāng)液位低于皂管進氣口12的下邊沿時，皂泡變成皂膜，形成于皂管進氣口上邊沿以上部分，隨著氣流的推動，皂膜不斷上升，經(jīng)過下部光電傳感器時，遮住紅外光，形成低電平信號，記錄下皂膜起始時間，為19:59:10.00。皂膜繼續(xù)上升，到達上部光電傳感器時，同樣形成低電平信號，記錄下皂膜終止時間，為19:59:12.86。根據(jù)上、下光電傳感器間的體積50mL，計算出氣體的流量為：(50mL÷2.86s)×60s/min＝1048.95mL/min。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。