1.本发明涉及一种观测装置及方法，尤其适用于工矿研究中使用的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置及控制和观测方法。

背景技术：

2.气泡与固体间相互作用广泛存在于浮选、石油、化工、制药等多相流体系中，主要涉及碰撞、反弹、黏附等动力学行为。研究气

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固界面间相互作用有利于认知气泡碰壁动力学特性，解析气泡矿化过程的影响因素，进而强化浮选过程，提高浮选效率。

3.目前，已有的气泡碰壁过程观测装置大多侧重于记录气泡上升及与静止壁面碰撞后的行为轨迹，对于气泡与静止或运动壁面碰撞后动力学行为定量预测的研究尚有所缺乏，因此需要提出一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置与控制方法，建立气固界面特性与相互作用力之间的内在联系，以气泡碰壁时的相互作用力数据来预判不同气固界面特性下气泡碰壁动力学行为演变规律。

技术实现要素：

4.针对上述技术的不足之处，本发明的目的之一在于提供一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，能够模拟实际多相流体系，同时实现气泡在上升运动过程中与静止或运动壁面碰撞后动力学行为的监视与相互作用力的测定。

5.本发明采用的技术方案如下：一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，包括气泡发生单元和用于承接气泡的液体环境观测槽，所述液体环境观测槽内设有用于与气泡发生碰撞的壁面，所述壁面设置在所述气泡发生单元的出气口上方，并横置于所述气泡发生单元所产生的气泡在液体环境观测槽内的运动路径上；所述壁面连接力传感器和运动控制单元，运动控制单元控制所述壁面在液体环境观测槽内的与气泡的碰撞速度；所述液体环境观测槽外部还设置有拍摄装置。

6.优选的，所述气泡发生单元、液体环境观测槽、运动控制单元和拍摄装置均设置在隔振平台上；所述运动控制单元包括支架、设置在支架上的伺服电机和位移平台，所述位移平台通过连接件连接所述壁面，所述伺服电机通过控制位移平台的上下移动，从而控制所述壁面与气泡间的碰撞速度；所述力传感器可以设置在位移平台上。

7.所述隔振平台为自平衡隔振平台，主要通过两方面达到自平衡隔振目的，一是通过在隔振平台的支撑部件中设置隔振弹簧与气囊，隔除干扰；二是隔振平台的台面设置为蜂窝状结构，可吸收传递于台面的干扰力，减小振动。

8.优选的，所述拍摄装置包括互相对立设置在所述液体环境观测槽两侧面的摄像仪和光源，所述摄像仪下方还设置有第一升降平台，所述光源下方还设置有第二升降平台，通过所述第一升降平台和第二升降平台的调整，使所述光源的光照亮所述摄像仪的拍摄视野。

9.优选的，所述气泡发生单元包括贮气瓶和与之相连的气泡发生管，所述气泡发生

管由软管段和毛细钢管段组成，所述软管的一端连接所述贮气瓶，另一端连接毛细钢管，所述毛细钢管的出气端由液体环境观测槽的底部延伸入所述液体环境观测槽内；所述软管上设置有流量计和流量调节阀。

10.优选的，所述流量计为转子流量计；所述贮气瓶的出口设置有气体开关阀，所述流量调节阀包括分别设置在流量计两侧的第一流量调节阀和第二流量调节阀，所述气体开关阀和第一流量调节阀、第二流量调节阀用于控制和调节气泡的产生。

11.所述贮气瓶内使用空气或根据实验需求使用氮气、氧气、氩气等纯气体做为气泡气源。壁面可使用纯矿物或非均质矿物片，具体包括不同表面性质如粗糙度、疏水性的石墨、石英、煤等，根据试验需求进行选取。

12.优选的，所述毛细钢管的内管直径为0.25

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3.5mm，不同规格的所述毛细钢管与所述软管可拆卸式密封连接，便于更换。

13.优选的，所述液体环境观测槽上设置有刻度，其内部液体为超纯水或去离子水。

14.优选的，所述液体中还添加有表面活性剂如甲基异丁基甲醇、仲辛醇等和/或无机电解质如nacl、mgcl2、alcl3等。

15.优选的，所述液体环境观测槽下方还设置有三维位移器。

16.本发明的目的之二在于提供一种利用上述装置进行气泡碰壁过程的控制和观测方法。该方法包括以下步骤：

17.s1.在隔振平台上将气泡发生单元、液体环境观测槽、运动控制单元和拍摄装置分别设置好，将实验所需的壁面通过连接件连接在所述位移平台上并伸入液体环境观测槽中，调节三维位移器使气泡发生管的毛细钢管出气端与壁面中心在同一竖直线上，确保气泡在液体环境观测槽中的上升路径与所述壁面正交；

18.s2.开启伺服电机，根据实验需要控制位移平台带动壁面运动，从而调节壁面和气泡发生管的毛细钢管出气端距离；

19.s3.开启摄像仪和光源，调节第一位移平台和第二位移平台，使光源和摄像仪对准壁面上与气泡接触的位置，同时调节摄像仪焦距，使摄像仪视野清晰；

20.s4.开启力传感器，开启气体开关阀、流量计和流量阀，使气泡发生管的毛细钢管出气端产生气泡，并根据实验需要调节第一流量调节阀和第二流量调节阀，调整气泡产生状态；

21.s5.利用摄像仪对进入视野的气泡展开拍摄，直至气泡接触壁面完成碰壁过程；此过程中，力学传感器记录气泡碰壁时的作用力变化数据，摄像仪记录气泡和壁面间的动力学行为。

22.优选的，所述步骤s5中，当需要观测上升气泡与运动壁面的碰撞动力学行为时，通过再次调节伺服电机，控制所述壁面在摄像仪视野范围内以需要的速度进行上升或下落运动，并记录气泡碰壁时的作用力变化和动力学行为。

23.本发明的有益效果在于：

24.1)本发明中所以部件均设置在隔振平台上，且液体环境观测槽下方设置有三维位移器，摄像仪和光源下方分别设置有第一位移平台和第二位移平台，可以精确调节各部件间的位置关系，达到各实验要求的最佳配合，使实验观测结果准确、可靠。

25.2)液体环境观测槽中使用超纯水或去离子水，减小气泡受到的干扰，提高实验结

果准确性。根据实验需要，超纯水或去离子水中还可以加入表面活性剂和/或无机电解质帮助提高气泡的稳定性，以及在更换不同材质的壁面后，辅助提高气泡的碰撞和粘附作用。

26.3)气泡发生管设置在液体环境观测槽的下方，并由液体环境观测槽底部垂直进入槽内，可实现液体环境观测槽中气泡为自由上升状态。通过调节步进电机，控制壁面与气泡发生管之间的间距，气泡与壁面接触时刻的形变状态也会发生变化，故可实现不同形态气泡碰壁过程的界面行为表征与相互作用力测定，一定程度上为实际浮选矿化过程的研究提供帮助。

27.4)气体发生单元设置贮气瓶，可以根据需要，方便地更换不同实验所需的气泡中气体类型；通过流量计可以实时获得气体流量数据以及监测贮气瓶内气体余量，第一流量调节阀和第二流量调节阀可以实现气泡发生的精细调节，提高实验精度。

28.5)本装置结构简单，通过调节伺服电机，可控制壁面静止或在视野范围内进行上升、下落运动，并改变其与气泡间的碰撞相对速度，可以轻松模拟实际多相流体系中存在相对运动时气泡和固体间碰撞动力学行为，获取对应行为下相互作用力的演变规律，为气泡碰壁动力学行为预测研究提供参考。

附图说明

29.图1为本发明提供的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置的结构示意图；

30.图2为本发明气泡发生管中软管上设置流量计，及其与毛细钢管的连接示意图。

31.图中各标号的含义如下：

32.10

‑

隔振平台

33.20

‑

气泡发生单元 21

‑

贮气瓶 211

‑

气体开关阀

34.22

‑

流量计 221

‑

第一流量调节阀 222

‑

第二流量调节阀

35.23

‑

气泡发生管 231

‑

软管 232

‑

毛细钢管

36.30

‑

液体环境观测槽 31

‑

三维位移器

37.40

‑

壁面 41

‑

力传感器

38.50

‑

运动控制单元 51

‑

支架 52

‑

伺服电机 53

‑

位移平台

39.61

‑

摄像仪 第一升降平台611 光源

‑

62 第二升降平台

‑

621

具体实施方式

40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

41.实施例1

42.如图1所示，一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，包括气泡发生单元20、运动控制单元50、拍摄装置和用于承接气泡的液体环境观测槽30。气泡发生单元20、液体环境观测槽30、运动控制单元50和拍摄装置均设置在隔振平台10上。

43.其中气泡发生单元20设置在液体环境观测槽30下方，包括贮气瓶21和与之相连的气泡发生管23，贮气瓶21的出口设置有气体开关阀211，气泡发生管23由软管231段和毛细钢管232段组成，软管231的一端连接贮气瓶21，另一端连接毛细钢管232，毛细钢管232的出气端即气泡发生单元20出气口由液体环境观测槽30的底部延伸入液体环境观测槽30内。

44.软管231上还设置有流量计22，流量计22为转子流量计，流量计下方设置有垫块，用于保持气泡发生管在流量计22靠近液体环境观测槽30侧处于水平位置，保证气泡发生管23气路通畅。在第一流量调节阀221设置在流量计22和贮气瓶21之间用于调节气体流量，第二流量调节阀222设置在流量计靠近毛细钢管232的一侧，用于气体流量的精细调节，从而控制和调节气泡的发生。

45.液体环境观测槽30下方还设置有三维位移器31，液体环境观测槽30使用透明材质制成，如矩形透明亚克力结构；观测槽上还粘贴或刻制有刻度线，其内部液体为超纯水或去离子水。本实施例中，液体环境观测槽30内溶液中添加有表面活性剂和无机电解质帮助提高气泡的稳定性。

46.运动控制单元50包括支架51、设置在支架51上的伺服电机52和位移平台53，位移平台53通过连接件连接壁面40，并使壁面40处于液体环境观测槽30内；壁面40同时还设置在气泡发生单元20的上方，并垂直于气泡发生单元20所产生的气泡在液体环境观测槽30内的运动路径。伺服电机52通过控制位移平台53的上下移动，从而控制壁面40在液体环境观测槽30内的与气泡的碰撞速度。壁面40还连接力传感器41，力传感器41收集并记录气泡与壁面40接触碰撞过程产生的相互作用力大小和变化。

47.液体环境观测槽30外部还设置有拍摄装置，拍摄装置包括互相对立设置在液体环境观测槽30两侧面的摄像仪61和光源62，摄像仪61下方还设置有第一升降平台611，光源62下方还设置有第二升降平台621，通过第一升降平台611和第二升降平台621的调整，使光源的光照亮所述摄像仪所需拍摄的视野范围。

48.本实施例中，装置还连接有数据采集系统，数据采集单元为电脑，用于实时收集由摄像仪61与力传感器41捕获的数据信息。

49.由于实验需求不同，本装置中壁面可使用纯矿物或非均质矿物片，包括不同表面性质如粗糙度、疏水性的石墨、石英、煤等。通过调节气泡发生管23中气体流量大小和毛细钢管232的内径大小来共同控制气泡的产生速度和大小，及其上升释放过程。如图2所示，毛细钢管232的内管直径为0.25

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3.5mm，不同规格的毛细钢管232与软管231可拆卸式密封连接，便于更换。

50.实施例2

51.利用实施例1的装置进行气泡碰壁过程的控制和观测方法，包括以下步骤：

52.s1.在隔振平台10上将气泡发生单元20、液体环境观测槽30、运动控制单元50和拍摄装置分别设置好，将实验所需的壁面40通过连接件连接在位移平台53上并伸入液体环境观测槽30中，选择合适的毛细钢管232后，调节三维位移器31使气泡发生管23的毛细钢管232出气端与壁面40中心在同一竖直线上，确保气泡在液体环境观测槽30中的上升路径与壁面40正交；连接件为连接杆；

53.s2.开启伺服电机52，根据实验需要控制位移平台53带动壁面40运动，从而调节壁面40和气泡发生管23的毛细钢管232出气端距离；

54.s3.开启摄像仪61和光源62，调节第一升降平台611和第二升降平台621，使光源62和摄像仪61对准壁面40上与气泡接触的位置，同时调节摄像仪61焦距，使摄像仪61视野清晰；

55.s4.开启力传感器41，开启气体开关阀211、流量计22和流量阀，使气泡发生管23的

毛细钢管232出气端产生气泡，并根据实验需要调节第一流量调节阀221和第二流量调节阀222，调整气泡产生状态；

56.s5.利用摄像仪61对进入视野的气泡展开拍摄，直至气泡接触壁面40完成碰壁过程；此过程中，力传感器41记录气泡碰壁时的作用力变化数据，摄像仪61记录气泡和壁面40间的动力学行为。

57.本实施例中，当需要进行重复或新的试验时，首先根据实验需求保留或更换不同性质壁面40和不同规格的毛细钢管232，并清洁、更换观测槽45中的溶液，然后重复s1

‑

s5步骤进行新的观测。

58.实施例3

59.在实施例2的基础上，当需要观测上升气泡与运动壁面40的碰撞动力学行为时，在步骤s5中，通过再次调节伺服电机52，控制壁面40在摄像仪61视野范围内以需要的速度进行上升或下落运动，并记录气泡碰壁时的作用力变化和动力学行为。

60.以上仅为本发明的较佳实用例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

技术特征：

1.一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，包括气泡发生单元(20)和用于承接气泡的液体环境观测槽(30)，所述液体环境观测槽(30)内设有用于与气泡发生碰撞的壁面(40)，所述壁面(40)设置在所述气泡发生单元(20)的出气口上方，并横置于所述气泡发生单元(20)所产生的气泡在液体环境观测槽(30)内的运动路径上；所述壁面(40)连接力传感器(41)和运动控制单元(50)，运动控制单元(50)控制所述壁面(40)在液体环境观测槽(30)内的与气泡的碰撞速度；所述液体环境观测槽(30)外部还设置有拍摄装置。2.如权利要求1所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述气泡发生单元(20)、液体环境观测槽(30)、运动控制单元(50)和拍摄装置均设置在隔振平台(10)上；所述运动控制单元(50)包括支架(51)、设置在支架(51)上的伺服电机(52)和位移平台(53)，所述位移平台(53)连接所述壁面(40)，所述伺服电机(52)通过控制位移平台(53)的上下移动，从而控制所述壁面(40)与气泡间的碰撞速度。3.如权利要求1所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述拍摄装置包括互相对立设置在所述液体环境观测槽(30)两侧面的摄像仪(61)和光源(62)，所述摄像仪(61)下方还设置有第一升降平台(611)，所述光源(62)下方还设置有第二升降平台(621)，通过所述第一升降平台(611)和第二升降平台(621)的调整，使所述光源(62)的光照亮所述摄像仪(61)的拍摄视野。

4.如权利要求1所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述气泡发生单元(20)包括贮气瓶(21)和与之相连的气泡发生管(23)，所述气泡发生管(23)由软管(231)和毛细钢管(232)组成，所述软管(231)的一端连接所述贮气瓶(21)，另一端连接毛细钢管(232)，所述毛细钢管(232)的出气端由液体环境观测槽(30)的底部延伸入所述液体环境观测槽(30)内；所述软管(231)上设置有流量计(22)和流量调节阀。5.如权利要求4所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述贮气瓶(21)的出口设置有气体开关阀(211)，所述流量调节阀包括分别设置在流量计(22)两侧的第一流量调节阀(221)和第二流量调节阀(222)；所述气体开关阀(211)和第一流量调节阀(221)、第二流量调节阀(222)用于控制和调节气泡的产生。6.如权利要求4所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述毛细钢管(232)的内管直径为0.25

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3.5mm，不同规格的所述毛细钢管(232)与所述软管(231)可拆卸式密封连接，便于更换。7.如权利要求1所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述液体环境观测槽(30)上设置有刻度，其内部液体为超纯水或去离子水。8.如权利要求7所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述液体中还添加有表面活性剂和/或无机电解质。9.如权利要求1

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8任一项所述的一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置，其特征在于，所述液体环境观测槽(30)下方还设置有三维位移器(31)。10.一种利用权利要求9所述的装置进行气泡碰壁过程的控制和观测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.在隔振平台(10)上将气泡发生单元(20)、液体环境观测槽(30)、运动控制单元(50)和拍摄装置分别设置好，将实验所需的壁面(40)通过连接件连接在所述位移平台(53)上并伸入液体环境观测槽(30)中，调节三维位移器(31)使气泡发生管(23)的毛细钢管(232)出

气端与壁面(40)中心在同一竖直线上，确保气泡在液体环境观测槽(30)中的上升路径与所述壁面(40)正交；s2.开启伺服电机(52)，根据实验需要控制位移平台(53)带动壁面(40)运动，从而调节壁面(40)和气泡发生管(23)的毛细钢管(232)出气端距离；s3.开启摄像仪(61)和光源(62)，调节第一升降平台(611)和第二升降平台(621)，使光源(62)和摄像仪(61)对准壁面(40)上与气泡接触的位置，同时调节摄像仪(61)焦距，使摄像仪(61)视野清晰；s4.开启力传感器(41)，开启气体开关阀(211)、流量计(22)和流量阀，使气泡发生管(23)的毛细钢管(232)出气端产生气泡，并根据实验需要调节第一流量调节阀(221)和第二流量调节阀(222)，调整气泡产生状态；s5.利用摄像仪(61)对进入视野的气泡展开拍摄，直至气泡接触壁面(40)完成碰壁过程；此过程中，力传感器(41)记录气泡碰壁时的作用力变化数据，摄像仪(61)记录气泡和壁面(40)间的动力学行为。11.如权利要求10所述的气泡碰壁过程的控制和观测方法，其特征在于，所述步骤s5中，当需要观测上升气泡与运动壁面(40)的碰撞动力学行为时，通过调节伺服电机(52)，控制所述壁面(40)在摄像仪(61)视野范围内以设定的速度进行上升或下落运动，并记录气泡碰壁时的作用力变化和动力学行为。

技术总结

本发明涉及矿物浮选技术领域，尤其涉及一种气泡碰壁过程动力学行为观测装置及控制和观测方法。该装置包括气泡发生单元和用于承接气泡的液体环境观测槽，液体环境观测槽内设有用于与气泡发生碰撞的壁面，壁面设置在气泡发生单元上方，并垂直于气泡发生单元所产生的气泡在液体环境观测槽内的运动路径；壁面连接力传感器和运动控制单元，运动控制单元控制壁面在液体环境观测槽内的与气泡的碰撞速度；液体环境观测槽外部还设置有拍摄装置。本装置结构简单，通过调节壁面静止或进行上升、下落运动，改变其与气泡间的碰撞相对速度，模拟实际多相流体系中存在相对运动时气泡和固体间碰撞动力学行为，为气泡碰壁动力学行为预测研究提供参考。参考。参考。

技术研发人员：张海军 李丹龙 王海楠 闫小康 王利军 梁艳男 陈瑞丰

受保护的技术使用者：中国矿业大学

技术研发日：2021.07.19

技术公布日：2021/11/21