专利名称：可调式低电压气泡发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种气泡发生装置。
背景技术：
水中气泡的动态特性一直是现代科学各研究领域关心的重要基础性问题，在船舶、海洋、医疗、工业等各个领域都有关于气泡的研究和应用。在船舶领域，气泡可以通过减小船体与水面接触面积提高其航速，而船舶推进器形成的气泡又是螺旋桨破坏的主要因素；在海洋领域，海浪破碎生成的气泡是吸收二氧化碳的主要途径；在医疗领域，通过在血液中注射微气泡可以增加超声波成像的对比度；在其他工业领域中，气泡的应用还包括超声波空化气泡清洗、环境保护等。为了能够在实验室环境下经济、安全、可重复性的研究水 下气泡动态特性，国内外很多实验室都在水槽中生成气泡。但很多装置电路复杂，操作繁琐，对实验人员有很高的技术要求。同时，很多气泡发生装置只能针对一种或少数几种实验工况设计，成本高通用性差，不能广泛适应不同的气泡实验需求。因此，设计出一套整合的可调式低电压气泡发生和拍摄方法，通过把控制电路封装成一体化设备，提供直观的操作面板，由实验人员直接用开关控制充电电压和触发时刻，可以大大简化气泡实验操作的难度。实验水槽通过可水平及垂直滑动的导轨和电极可精确控制气泡产生位置，提高实验精度。该套设备对实验环境要求宽松，前期准备时间短，可以让研究人员投入更多的精力到实验研究中去，对研究气泡动态特性具有重要的应用价值。与本发明相关的文献和专利有1、水中脉冲电晕放电等离子体特性及气泡运动，《高电压技术》;2、激光泡最大泡半径的测试与分析，《水动力学研究与进展(A辑)》;3、水下爆炸气泡脉动特性的试验研究，《哈尔滨工程大学学报》。其中文献I :采用大间距水中脉冲电晕放电实验，充电电压范围为2. 5-10KV。文献2 :采用激光生成空泡，研究侧重激光能量与气泡最大半径的关系。文献3:采用高速摄像机记录水下爆炸气泡的运动。该方法实验成本高，操作复杂实验周期长，且很难重复进行。
发明内容
本发明的目的在于提供可以重复生成相同尺度的电火花气泡、也可在指定位置生成不同尺度气泡的可调式低电压气泡发生器。本发明的目的是这样实现的本发明可调式低电压气泡发生器，其特征是包括交流转直流电源、电容、滑动变阻器、限流电阻、保护电阻、交流接触器、电压表、充电开关、放电开关、充电指示灯、放电指示灯、电源指示灯，交流转直流电源接地后，交流转直流电源的输入端子与交流电插座相连，电源指示灯与交流转直流电源的输入端子并联，交流转直流电源的输出端子与限流电阻、滑动变阻器、限流电阻依次串联形成闭合回路，保护电阻、电容、第一交流接触器依次串联后与滑动变阻器并联构成充电电路，电容分别与放电输出端子、第二交流接触器串联构成放电电路，第一充电开关与第一交流接触器、充电指示灯依次串联后并连接入交流电路中，第二充电开关与第二交流接触器、充电指示灯依次串联后并联接入交流电路中，第一电压表与滑动变阻器并联，第二电压表与电容并联。本发明的优势在于本发明相比以往的气泡发生装置在操作性、可重复性、安全性、实验周期、实验成本上均有巨大的优势。
图I为利用本发明可调式低电压气泡发生器的专业测量装置示意图；图2为本发明的电路示意图；图3为本发明气泡测量装置的水箱；图4为本发明气泡测量装置的滑动导轨；图5为本发明的实施电路图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图I 5，本发明可以采用普通220V交流电压，实验环境宽松。气泡发生电路及控制电路集成在气泡发生装置内部，提供直观友好的操作面板，操作简便易于掌握，可以让研究人员不受繁琐的实验操作影响，投入更多的精力到实验中。通过滑动变阻器及调节旋钮、电源输出电压表、充电电容、充电电压表及充电开关组成的独创的低电压双可调式设计，可以在0-200V范围内指定满足实验要求的直流输出电压，实时观测电容充电情况，并在充电电压达到预定值时闭合充电开关以控制充电电压。该装置可以通过调整电压实现不同尺度的气泡半径，并可采用相同电压实现相同尺度气泡的重复实验，可调滑轨的设计可以满足不同的实验研究需要。同时该装置采用外壳接地和内部采用交流接触器分离充放电电路、控制电路的措施，最大限度的保证装置的安全性可靠性。可调式低电压气泡发生器为一箱型仪器，将充放电电路和控制电路集成在仪器内部，各功能模块通过不同的电路实现，下面给出一组具体模块电路连接图，如图5所示，其中(10)框中为转换电源，(11)框中为充电电路，(12)框中为放电电路，(13)框中为控制电路，图中仅为示例，实际中可以实现各模块功能的电路均可。图中U为交流转直流电源，电压可调范围为O. 1V-200V ;C为三个额定电压为250V，电容量为2200微法的电容并联；RM为滑动变阻器；R1、R2为限流电阻洱为阻值为IOK欧姆的保护电阻；KM1和KM2为分离充放电电路和控制电路的交流接触器；V1为用于观测通过滑动变阻器调整后电源输出电压的电压表；V2为用于观测电容充电电压的电压表；K1为充电开关，K2为放电开关；L1为充电指示灯，L2为放电指示灯，L3为电源指示灯。整个装置采用通用220V交流电压供电，交流转直流电源U接地后，其输入端子与交流电插座相连。电源指示灯L3与交流转直流电源U的输入端子并联。交流转直流电源U的输出端子与限流电阻RU滑动变阻器RM的a、b端、限流电阻R2依次串联形成闭合回路。保护电阻R、充电电容C、交流接触器KMl的d、e端依次串联后并联在滑动变阻器RM的be端构成充电电路；同时充电电容C分别与放电输出端子、交流接触器KM2的f、g端串联构成放电电路。控制面板的充电开关Kl与交流接触器KMl的Al、A2端口、充电指示灯LI依次串联后并联接入交流电路中；控制面板的充电开关K2与交流接触器KM2的A3、A4端口、充电指示灯L2依次串联后并联接入交流电路中；控制面板的电压表Vl与滑动变阻器RM的
b、c端并联；V2与充电电容C并联。由KM1、KM2及控制面板的元件构成控制电路直接控制充电电路及放电电路的开合，由于充电电路与放电电路均与充电电容C并联，同一时刻只允许一条电路联通。
本装置提供直观的操作面板，正面为充放电开关及指示灯，直流电源输出电压观测电压表、充电电压观测电压表。装置背面为正负极输出端子，输出电压为直流0-200V，电源插头及指示灯。该装置操作便捷，只需通过调节旋钮即可精确控制直流电源输出电压，调节范围为0-200V ;两个开关可轻松实现指定电压放电，并可选定相同电压重复进行实验。如图I所示，利用可调式低电压气泡发生器组成可调式低电压气泡发生器气泡测量装置，高速运动分析系统可以采用Phantom V12. I高速摄像机和配套分析软件Phantom组成。该高速摄像机能在6242帧/s的速率拍摄分辨率为1280X800的高清视频影像，也可在256X 16的分辨率下拍摄高达650000帧/s的高速影像，符合系统要求。通过配套的Phantom分析软件，可以对影像中气泡半径、运动轨迹和速度等实验数据进行采集分析，输出慢速的AVI视频文件。气泡生成无观测辅助系统包括连续光源、实验水槽和滑动导轨。连续光源可选用额定功率为2000W的柔光灯，使用时应合理调整光源亮度。实验水槽采用厚度为15mm的亚克力材料，设计尺寸为1200mmX 1200mmX 1200mm。为了提高水槽的强度，在水箱外侧设计了金属框架，框架结构采用5号角钢焊接而成，为水槽提供强度支持，如图3所示。为了能够精确控制气泡在水槽中产生的位置，在水箱上设计了可以水平滑动的导轨，该导轨可以在水平方向沿X轴和Y轴滑动；为了控制气泡离自由面的距离，导轨上电极也具有垂直方向的自由度，如图4所示。同时在电极下端靠近铜丝处，设有用于校对比例尺的垂直标尺。实验主要准备步骤如下I、将闻速摄像机与电脑正确连接，启动闻速摄像机，并在电脑上运行与闻速摄像机配套的分析软件Phantom ；2、将直径约为O. 013mm的铜丝通过固定螺母固定在可调电极下端，保持两铜丝末端接触。使标尺垂直于水平面固定与电极上，调节高速摄像机镜头焦距，要求拍摄图像中标尺刻度清楚(水槽内装入的水为去气之后的水)；3、调节光源亮度，要求既能够满足摄像机的曝光需要，又能有效避免在电火花生成初期曝光过度情况的发生，光源要求摆放在铜丝搭接处的正后方，摄像机则要求摆放在其正前方，保证摄像机镜头中心与气泡生成位置水平。4、在将本装置接电之前，需先确定水箱中放电电极的安装是否正确无误，然后再将输出端子的正负极分别连接导线，与水箱中安装好的导线连接。5、本装置的输入电压为220V的交流电压，在完成第4步以后，将220V交流电通过电源线连接在电源插槽中，电源指示灯亮，放电装置开始运行。6、闭合充电开关，充电指示灯亮，开始为电容C充电，电压表指示电容两端的电压，电压表的读数可以在0-200V之间；当电压表的读数到达实验要求，关闭充电开关，充电指示灯灭；闭合放电开关，放电指示灯亮，电路放电，打火过程完成，关闭放电开关。7、因为电容中会存有高电压，因此在实验进行完之后，应确保电压表读数为0，方可进行撤收设备。
8、处理高速摄像机采集的实验影像，通过配套软件取出需要的视频片段，选择合适的播放帧数转存为AVI格式视频文件。并将需要的视频片段存为Phantom软件自带格式，用于以后处理气泡半径、射流速度等实验数据； 9、将摄像机恢复到待触发状态，调整实验工况，重复步骤2-8，依次进行各实验数据的采集。
权利要求
1.可调式低电压气泡发生器，其特征是包括交流转直流电源、电容、滑动变阻器、限流电阻、保护电阻、交流接触器、电压表、充电开关、放电开关、充电指示灯、放电指示灯、电源指示灯，交流转直流电源接地后，交流转直流电源的输入端子与交流电插座相连，电源指示灯与交流转直流电源的输入端子并联，交流转直流电源的输出端子与限流电阻、滑动变阻器、限流电阻依次串联形成闭合回路，保护电阻、电容、第一交流接触器依次串联后与滑动变阻器并联构成充电电路，电容分别与放电输出端子、第二交流接触器串联构成放电电路，第一充电开关与第一交流接触器、充电指示灯依次串联后并连接入交流电路中，第二充电开关与第二交流接触器、充电指示灯依次串联后并联接入交流电路中，第一电压表与滑动变阻器并联，第二电压表与电容并联。
全文摘要
本发明的目的在于提供可调式低电压气泡发生器，包括交流转直流电源、电容、滑动变阻器、限流电阻、保护电阻、交流接触器、电压表、充电开关、放电开关、充电指示灯、放电指示灯、电源指示灯，交流转直流电源的输入端子与交流电插座相连，电源指示灯与交流转直流电源的输入端子并联，交流转直流电源的输出端子与限流电阻、滑动变阻器、限流电阻依次串联形成闭合回路，保护电阻、电容、第一交流接触器依次串联后与滑动变阻器并联构成充电电路，电容分别与放电输出端子、第二交流接触器串联构成放电电路。本发明相比以往的气泡发生装置在操作性、可重复性、安全性、实验周期、实验成本上均有巨大的优势。
文档编号G01N21/85GK102621146SQ20121004978
公开日2012年8月1日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者吴超, 张阿漫, 王诗平, 王超, 白兆宏, 程晓达, 程潇欧 申请人:哈尔滨工程大学