CN106017814A - 微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间微重力环境下水路中的气泡收集及测量技术领域，具体涉及一种微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置。包括箱体及设置于该箱内的微泵、水阀、电机组件、水池部分、控制系统及成像系统，其中水池部分包括相互连通的气泡收集器和可伸缩水池，气泡收集器的通过管路与微泵连接，水阀部分设置于微泵的吸水口处、并且与电机组件部分连接，成像系统设置于气泡收集器的外侧，控制系统与微泵、电机组件及成像系统电连接。本发明不受重力因素的影响，利用直角陷阱装置将气泡聚集在一起，具有紧凑性、轻便性、低功耗、安全性等特点。

Description

微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置

技术领域

本发明属于空间微重力环境下水路中的气泡收集及测量技术领域，具体涉及一种微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置。

背景技术

位于距离地球表面约400km的空间轨道上，其微重力水平为10-2-10-3g，航天器的各增压舱内安装了较多用于各种实验的空间科学应用载荷。空间科学应用载荷中有大量的水路循环系统，利用水阀进行快捷方便的连通与断开；水阀是水路循环系统中的关键部件。若空气在水阀连通与断开过程中的进入量过大，则会导致科学实验载荷水路系统中聚集大量的气泡，严重影响相关空间科学实验的开展。因此，空气包含量是表征水阀气密性能的重要技术指标。

现有在地面上进行气泡收集的试验装置中，所采用的气泡收集方法并不适用于空间中的特殊工况和有限的操作空间，无法实现气泡的汇聚。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于空间微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置。该装置是为测试微重力环境下水阀内部的空气包含量而设计的测试系统，通过本气泡收集装置，可以测试出微重力工况下，水阀多次往复运动期间的空气包含量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，包括箱体及设置于该箱体密闭空间内的微泵、水阀、电机组件、水池部分、控制系统及成像系统，其中水池部分包括相互连通的气泡收集器和可伸缩水池，其中气泡收集器上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口通过管路与微泵连接，形成循环回路，所述水阀部分设置于微泵的吸水口处、并且与电机组件部分连接，通过所述电机组件部分的驱动实现所述水阀的连通与断开，所述成像系统设置于所述气泡收集器的外侧，用于拍摄气泡收集器内出气泡的轮廓，所述控制系统与微泵、电机组件及成像系统电连接。

所述水阀包括公阀、母套筒、压板及导轨，其中公阀可转动地安装在箱体的底板上、并与所述电机组件传动连接，所述母套筒与公阀螺纹连接、并且通过滑块与设置于底板上的导轨滑动连接，所述公阀的旋转运动使母套筒沿导轨做直线运动，从而实现所述水阀的连通与断开。

所述公阀包括支撑件、大齿轮、大齿轮保护罩及驱动套筒，其中支撑件固定在底板上，所述驱动套筒可转动地安装在支撑件上、并且其上套设有与所述电机组件连接的大齿轮，所述大齿轮的外侧设有大齿轮保护罩，所述驱动套筒与所述母套筒螺纹连接。

所述母套筒安装在接头固定件上，所述接头固定件通过滑块与导轨连接，所述接头固定件的运动行程通过安装在底板上的限位开关9控制，所述接头固定件的一侧设有压块，所述压块同时与滑块接触，所述导轨的端部一侧设有安装在底板上的楔块，所述压块和楔块用于调整所述水阀的轴心。

所述电机组件包括电机、电机辅助安装支架、电机安装座、电机输出端安装支架及小齿轮，其中电机通过电机辅助安装支架和电机安装座安装在箱体的底板上，所述电机的输出端设有小齿轮、并通过电机输出端安装支架支撑。

所述气泡收集器上的进水口和出水口处均设有直角接头。

所述气泡收集器采用有机玻璃，所述可伸缩水池采用波纹橡胶管，所述波纹橡胶管的两端通过水池压紧块安装在水池支座上，所述波纹橡胶管一端与气泡收集器联通，另一端通过水池密封盖密封。

所述成像系统包括两个相机，两个相机分别设置于所述气泡收集器的底部及侧面，用于对气泡收集器中的水流成像并测量气泡轮廓。

所述控制系统设置于箱体内独立的控制室内，包括控制器和控制板安装架，所述控制器通过控制板安装架安装在控制室内。

所述箱体上设有用于与控制室内控制器连接的电插口。

本发明的优点及有益效果是：由于空间科学有效载荷所处的微重力环境，水路中的气泡不会像在地面上那样由低向高处运动，因此地面上使用的气泡聚集方法和装置不再适用。本发明提供了一种适用于空间微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，与现有技术相比，它不再受重力因素的影响，而是利用直角陷阱装置将气泡聚集在一起，并且机械系统与控制器分装于两个相互密闭的空间内，箱体内部与外部保持密闭，提高了该装置的水密性，具有紧凑性、轻便性、低功耗、安全性等特点，满足空间微重力环境下有效载荷的实际工作要求。

附图说明

图1为本发明的的整体结构装配图；

图2为本发明中水阀的结构示意图(图1中I的放大图)；

图3为本发明中电机组件的结构示意图(图1中II的放大图)；

图4为本发明中水池部分的结构示意图(图1中III的放大图)；

图5为本发明中箱体的结构示意图；

图6为本发明的系统工作原理示意图。

图中：1为底板，2为微泵，3为公阀，3-1为支撑件，3-2为大齿轮，3-3为大齿轮保护罩，3-4为驱动套筒，4为相机，5为母套筒，5-1为接头固定件，5-2为基座，6为气泡收集器，7为直角接头，8为可伸缩水池，8-1为水池支座，8-2为水池密封盖，8-3为水池压紧块，9为限位开关，10为电机，11为控制器，12为电插口，12-1为电机辅助安装支架，12-2为电机安装座，12-3为电机输出端安装支架，14为压板，15为导轨滑块，15-1为楔块，16为小齿轮，17为轴承，18为外壳，19为控制板安装架，①为水阀，②为电机，③为微泵，④为相机(及气泡陷阱装置)，⑤橡胶水池，⑥透明管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，包括箱体及设置于该箱体密闭空间内的微泵2、水阀、电机组件、水池部分、控制系统及成像系统，其中水池部分包括相互连通的气泡收集器6和可伸缩水池8，其中气泡收集器6上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口通过管路与微泵2连接，形成循环回路，所述水阀部分设置于微泵2的吸水口处、并且与电机组件部分连接，通过所述电机组件部分的驱动实现所述水阀的连通与断开，所述成像系统设置于所述气泡收集器6的外侧，用于拍摄气泡收集器6内出气泡的轮廓，所述控制系统与微泵2、电机组件及成像系统电连接。

如图2所示，所述水阀包括公阀3、母套筒5、压板14及导轨15，其中公阀3可转动地安装在箱体的底板1上、并与所述电机组件传动连接，所述母套筒5与公阀3螺纹连接、并且通过滑块与设置于底板1上的导轨15滑动连接，所述公阀3的旋转运动使母套筒5沿导轨15做直线运动，从而实现所述水阀的连通与断开。

所述公阀3包括支撑件3-1、大齿轮3-2、大齿轮保护罩3-3及驱动套筒3-4，其中支撑件3-1固定在底板1上，所述驱动套筒3-4可转动地安装在支撑件3-1上、并且其上套设有与所述电机组件连接的大齿轮3-2，所述大齿轮3-2的外侧设有大齿轮保护罩3-3，所述驱动套筒3-4与所述母套筒5螺纹连接。

所述母套筒5安装在接头固定件5-1上，所述接头固定件5-1通过滑块与导轨15连接，所述接头固定件5-1的运动行程通过安装在底板1上的限位开关9控制，所述接头固定件5-1的一侧设有压块14，所述压块14同时与滑块接触，所述导轨15的端部一侧设有安装在底板1上的楔块15-1，所述压块14和楔块15-1用于调整所述水阀的轴心。

如图3所示，所述电机组件包括电机12、电机辅助安装支架12-1、电机安装座12-2、电机输出端安装支架12-3及小齿轮16，其中电机12通过电机辅助安装支架12-1和电机安装座12-2安装在箱体的底板1上，并通过电机辅助安装支架12-1上的调整螺钉保持电机的轴线与水阀的轴线平行，保证大、小齿轮间的啮合关系。所述小齿轮16安装于电机12的输出端，轴承17安装于小齿轮16内并通过电机输出端安装支架12-3固定，电机辅助安装支架12-1和电机输出端安装支架12-3均固定在电机安装座12-2上，所述小齿轮16与大齿轮3-2啮合。位于气泡收集器6的侧向垂直放置的相机4安装在电机输出端安装支架12-3上。

所述气泡收集器6上的进水口和出水口处均设有直角接头7(M10*1mm)。直角接头7分别固定在气泡收集器6的上表面和侧面，管路中的水流从侧向直角接头7进入而从上表面的直角接头7流出，若水流中有气泡，则当水阀实现多次的连通与断开运动后，水中的气泡通过微泵2的作用汇聚在气泡收集器6中，通过其侧面和下面的相机4拍出气泡两个垂直方向上的轮廓，计算出气泡的体积。

如图4所示，所述气泡收集器6采用有机玻璃，所述可伸缩水池8采用波纹橡胶管，所述波纹橡胶管的两端通过水池压紧块8-3安装在水池支座8-1上，所述波纹橡胶管一端与气泡收集器6联通，另一端通过水池密封盖8-2密封，通过螺钉压紧，保证水池中的水不泄露。

气泡收集器6固定在水池支座8-1上并通过O圈保证密封性。

利用橡胶波纹管的伸缩性补偿水阀连通与断开造成的体积变化，管路中的气泡通过泵的作用经过由有机玻璃形成的直角气泡陷阱时，聚集于此。经过水阀的多次往复运动，管路中的气泡都将汇聚在有机玻璃内，通过两个垂直方向放置的相机测出气泡的轮廓面积，计算出气泡体积。

所述成像系统包括两个相机4，两个相机4分别设置于所述气泡收集器6的底部及侧面，用于对气泡收集器6中的水流成像并测量气泡轮廓。

如图5所示，所述控制系统设置于箱体内独立的控制室内，包括控制器11和控制板安装架19，所述控制器11通过控制板安装架19安装在控制室内。所述箱体上设有用于与控制室内控制器11连接的电插口12。

在箱体内部设置了两个相互密闭的空间，使机械传动系统和电控系统实现物理隔离，外壳18各侧面设计成减重槽结构以实现轻质化，在底板1和上盖与外壳18之间安装密封垫，保证了箱体的机械室内部与箱体外及控制室的密封性，控制器11安装在箱体腔内的控制室中，通过控制板安装架19提供支撑，在电插口12处设置通讯接口及电气接口。

本发明的工作原理是：

所述箱体内设有两个独立的密闭空间，分别设置机械装置和控制系统部分，底板1和上盖分别与外壳18连接的交界面通过密封垫与箱体外密封，控制系统腔内的导线通过导线孔与各机械装置连接后，通过密封胶将通孔密封，实现机械室与控制室的密封。控制器11给电机10上电后，带动其输出端的小齿轮16运动，并与大齿轮3-2啮合，带动公阀3上的驱动套筒3-4，水阀通过公阀3和母阀5的相对运动实现连通与断开。当水阀连通后，位于水阀一端的微泵2开始工作并带动水路循环运动，若水路中有气泡，则当气泡经过水池部分处的气泡收集器6时，产生聚集。当完成多次的往复运动后，通过有气泡收集器6底部和侧向两个垂直方向的相机4拍摄出气泡的轮廓，如图6所示。

母套筒5沿着导轨15直线运动时，水阀实现连通与断开状态，并通过限位开关9控制水阀的运动行程，安装在接头固定件5-1上的压板14和安装在底板1上的楔块15-1用来调整水阀的轴心，使齿轮副的啮合良好，水阀内部采用O圈进行密封，防止内部水流泄漏。

本发明提供的一种适用于空间微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，与现有技术相比，它不再受重力因素的影响，而是利用直角陷阱装置将气泡聚集在一起，并且机械系统与控制器分装于两个相互密闭的空间内，箱体内部与外部保持密闭，提高了该装置的水密性，具有紧凑性、轻便性、低功耗、安全性等特点，满足空间微重力环境下有效载荷的实际工作要求。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：包括箱体及设置于该箱体密闭空间内的微泵(2)、水阀、电机组件、水池部分、控制系统及成像系统，其中水池部分包括相互连通的气泡收集器(6)和可伸缩水池(8)，其中气泡收集器(6)上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口通过管路与微泵(2)连接，形成循环回路，所述水阀部分设置于微泵(2)的吸水口处、并且与电机组件部分连接，通过所述电机组件部分的驱动实现所述水阀的连通与断开，所述成像系统设置于所述气泡收集器(6)的外侧，用于拍摄气泡收集器(6)内出气泡的轮廓，所述控制系统与微泵(2)、电机组件及成像系统电连接。

2.根据权利要求1所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述水阀包括公阀(3)、母套筒(5)、压板(14)及导轨(15)，其中公阀(3)可转动地安装在箱体的底板(1)上、并与所述电机组件传动连接，所述母套筒(5)与公阀(3)螺纹连接、并且通过滑块与设置于底板(1)上的导轨(15)滑动连接，所述公阀(3)的旋转运动使母套筒(5)沿导轨(15)做直线运动，从而实现所述水阀的连通与断开。

3.根据权利要求2所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述公阀(3)包括支撑件(3-1)、大齿轮(3-2)、大齿轮保护罩(3-3)及驱动套筒(3-4)，其中支撑件(3-1)固定在底板(1)上，所述驱动套筒(3-4)可转动地安装在支撑件(3-1)上、并且其上套设有与所述电机组件连接的大齿轮(3-2)，所述大齿轮(3-2)的外侧设有大齿轮保护罩(3-3)，所述驱动套筒(3-4)与所述母套筒(5)螺纹连接。

4.根据权利要求2所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述母套筒(5)安装在接头固定件(5-1)上，所述接头固定件(5-1)通过滑块与导轨(15)连接，所述接头固定件(5-1)的运动行程通过安装在底板(1)上的限位开关9控制，所述接头固定件(5-1)的一侧设有压块(14)，所述压块(14)同时与滑块接触，所述导轨(15)的端部一侧设有安装在底板(1)上的楔块(15-1)，所述压块(14)和楔块(15-1)用于调整所述水阀的轴心。

5.根据权利要求1所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述电机组件包括电机(12)、电机辅助安装支架(12-1)、电机安装座(12-2)、电机输出端安装支架(12-3)及小齿轮(16)，其中电机(12)通过电机辅助安装支架(12-1)和电机安装座(12-2)安装在箱体的底板(1)上，所述电机(12)的输出端设有小齿轮(16)、并通过电机输出端安装支架(12-3)支撑。

6.根据权利要求1所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述气泡收集器(6)上的进水口和出水口处均设有直角接头(7)。

7.根据权利要求1所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述气泡收集器(6)采用有机玻璃，所述可伸缩水池(8)采用波纹橡胶管，所述波纹橡胶管的两端通过水池压紧块(8-3)安装在水池支座(8-1)上，所述波纹橡胶管一端与气泡收集器(6)联通，另一端通过水池密封盖(8-2)密封。

8.根据权利要求1所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述成像系统包括两个相机(4)，两个相机(4)分别设置于所述气泡收集器(6)的底部及侧面，用于对气泡收集器(6)中的水流成像并测量气泡轮廓。

9.根据权利要求1所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述控制系统设置于箱体内独立的控制室内，包括控制器(11)和控制板安装架(19)，所述控制器(11)通过控制板安装架(19)安装在控制室内。

10.根据权利要求9所述微重力环境下的水路循环系统气泡收集与测量装置，其特征在于：所述箱体上设有用于与控制室内控制器(11)连接的电插口(12)。