CN109115941B - 全自动滴定仪及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动滴定仪及其控制方法，包括滴定管、第一驱动机构、第一摄像头、第二驱动机构、第三驱动机构、第二摄像头和控制器，滴定管安装在支架上，滴定管上设置有刻度，滴定管的下部设置有滴定开关，第一驱动机构用于驱动滴定开关打开和关闭，第一摄像头用于获取滴定管内的液位图像信息，第二驱动机构用于驱动第一摄像头升降，第三驱动机构用于驱动滴定容器移动和摇动，第二摄像头用于获取滴定容器内的溶液或指示试纸的颜色图像信息，控制器的输入端分别与第一摄像头和第二摄像头电连接，控制器的输出端分别与第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构电连接。本发明实现了滴定全过程的自动化，操作更简单，避免人为出错。

Description

全自动滴定仪及其控制方法

技术领域

本发明涉及化学实验设备技术领域，特别是涉及一种全自动滴定仪及其控制方法。

背景技术

滴定实验是一种化学实验操作，也是一种定量分析的手段，滴定反应需要灵敏的指示剂来指示反应的完成，指示剂在反应完成时，会迅速变成另一种颜色，这样实验者就可以根据指示剂的变色来确定反应的终止，然后目测标准溶液消耗体积，计算分析结果。目前的滴定实验一般都是通过人工操作滴定管来完成，自动化程度低，操作比较麻烦，实验误差大，且容易出错。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种全自动滴定仪及其控制方法，以实现滴定全过程的自动化，操作更简单，避免人为出错。

一方面，本发明提供了一种全自动滴定仪，包括滴定管，所述滴定管安装在一支架上，滴定管沿长度方向设置有刻度，滴定管的下部设置有滴定开关，还包括：第一驱动机构，所述第一驱动机构与滴定开关相连，以驱动滴定开关打开和关闭；第一摄像头，所述第一摄像头用于获取滴定管内的液位图像信息；第二驱动机构，所述第二驱动机构与第一摄像头相连，以驱动第一摄像头在竖直方向上移动；第三驱动机构，所述第三驱动机构与滴定容器相连，以驱动滴定容器移动和摇动；第二摄像头，所述第二摄像头用于获取滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息；以及控制器，所述控制器的输入端分别与第一摄像头和第二摄像头电连接，所述控制器的输出端分别与第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构电连接。

采用该滴定仪进行滴定时，首先向滴定管内加入滴定液，控制器输出信号控制第二驱动机构将第一摄像头移动至与滴定管内的液位齐平的位置，第一摄像头获取此时滴定管内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S1；然后向滴定容器内加入被滴定液，并将滴定容器固定在第三驱动机构上，控制器输出信号控制第三驱动机构将滴定容器移动至滴定管的下方；然后控制器输出信号控制第一驱动机构将滴定开关打开，开始滴定；在滴定过程中，控制器输出信号控制第三驱动机构摇动滴定容器，同时第二摄像头不断获取滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息并传输至控制器；控制器对图像进行识别，当滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色变化至预定颜色时，控制器输出信号控制第一驱动机构将滴定开关关闭，结束滴定；最后控制器输出信号控制第二驱动机构将第一摄像头移动至与滴定管内的液位齐平的位置，第一摄像头获取此时滴定管内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S2，即可得出：滴定液的消耗量＝S1-S2。因此，本申请能够自动对现有的滴定管进行滴定实验操作，实现了滴定全过程的自动化，操作更简单，避免实验过程中指示剂颜色变化时因人而异导致细微差异，对最终实验结果产生影响，避免人为出错，并且，在实验过程中，可以保存实验过程中的影像数据，以备发生争议时对化验结果进行复核。

进一步地，所述滴定管为酸式滴定管，酸式滴定管的滴定开关为活塞结构，所述第一驱动机构包括第一步进电机，所述第一步进电机固定在支架上，第一步进电机的输出轴与所述活塞传动连接，以驱动活塞转动。适用于酸式滴定管的自动滴定。

进一步地，所述滴定管为碱式滴定管，碱式滴定管的滴定开关为胶管内嵌玻璃球的结构，所述第一驱动机构包括第一步进电机、挡块和压块，所述第一步进电机和挡块均固定在支架上，挡块挡在玻璃球外的胶管的一侧，第一步进电机的输出轴与所述压块的一端连接，以驱动压块转动，进而使压块与挡块配合来挤压玻璃球。适用于碱式滴定管的滴定。

进一步地，所述第二驱动机构包括第一丝杆、至少一根第一导向杆和第二步进电机，所述第一丝杆和第一导向杆并排且竖直地安装在支架上，所述第一摄像头与第一丝杆螺纹连接，第一摄像头与第一导向杆滑动连接，所述第二步进电机安装在支架上，第二步进电机与第一丝杆传动连接，以通过第二步进电机带动第一丝杆转动来驱动第一摄像头升降。

进一步地，所述第三驱动机构为机械臂，所述机械臂的自由端设置有用于固定滴定容器的夹具，以通过机械臂动作来移动和摇动滴定容器。

进一步地，所述机械臂包括底座、下支座、上支座、第二丝杆、至少两根第二导向杆、第三步进电机、第四步进电机、第一臂体、第二臂体和第五步进电机，所述下支座可转动地安装在底座上，所述上支座设于下支座的正上方，所述第二丝杆和第二导向杆竖直安装在下支座和上支座之间，所述第三步进电机安装在上支座上，第三步进电机的输出轴与第二丝杆传动连接，所述第四步进电机用于驱动下支座相对于底座在水平方向上转动，所述第一臂体与第二丝杆螺纹连接，第一臂体与第二导向杆滑动连接，所述第二臂体与第一臂体转动连接，所述第五步进电机用于驱动第二臂体相对于第一臂体在水平方向上转动。采用上述结构，机械臂能够实现一个升降自由度和两个水平转动自由度，滴定容器的移动通过机械臂的升降和第一臂体、第二臂体的大幅度水平转动完成，滴定容器的摇动通过第一臂体和第二臂体小幅度来回转动完成。

进一步地，所述第四步进电机安装在下支座上，第四步进电机的输出轴向下穿过下支座并同轴连接有第一主动轮，所述底座上连接有与转轴同轴的第一从动轮，所述第一主动轮和第一从动轮之间通过第一皮带连接；所述第五步进电机安装在第一臂体上，第五步进电机的输出轴向下穿过第一臂体并同轴连接有第二主动轮，所述第二臂体上连接有与转轴同轴的第二从动轮，所述第二主动轮和第二从动轮之间通过第二皮带连接。

进一步地，所述第二摄像头安装在所述机械臂靠近其自由端的下方。通过将第二摄像头安装在机械臂的下方，便于对滴定容器进行观察，机械臂摇动时，滴定容器与第二摄像头始终保持相对静止，能够确保摄像清晰。

进一步地，还包括加药泵，所述加药泵的输入端连接有进液管，加药泵的输出端通过出液管接入所述滴定管的上端，以通过加药泵自动向滴定管内添加滴定液。

另一方面，本发明还提供了一种全自动滴定仪的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，向滴定管内加入滴定液，控制器输出信号控制第二驱动机构将第一摄像头移动至与滴定管内的液位齐平的位置，第一摄像头获取此时滴定管内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S1；

步骤二，向滴定容器内加入被滴定液，并将滴定容器固定在第三驱动机构上，控制器输出信号控制第三驱动机构将滴定容器移动至滴定管的下方；

步骤三，控制器输出信号控制第一驱动机构将滴定开关打开，开始滴定；

步骤四，在滴定过程中，控制器输出信号控制第三驱动机构摇动滴定容器，同时第二摄像头不断获取滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息并传输至控制器；

步骤五，控制器对图像进行识别，当滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色变化至预定颜色时，控制器输出信号控制第一驱动机构将滴定开关关闭，结束滴定；

步骤六，控制器输出信号控制第二驱动机构将第一摄像头移动至与滴定管内的液位齐平的位置，第一摄像头获取此时滴定管内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S2。

采用上述步骤，能够自动完成滴定实验操作，实现了滴定全过程的自动化，操作更简单，避免人为出错。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的器件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各器件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图。

附图中，1表示滴定管；11表示刻度；12表示滴定开关；121表示活塞；122表示胶管；123表示玻璃球；2表示支架；3表示第一驱动机构；31表示第一步进电机；32表示挡块；33表示压块；4表示第一摄像头；5表示第二驱动机构；51表示第一丝杆；52表示第一导向杆；53表示第二步进电机；6表示第三驱动机构；61表示底座；62表示下支座；63表示上支座；64表示第二丝杆；65表示第二导向杆；66表示第三步进电机；67表示第四步进电机；68表示第一臂体；69表示第二臂体；610表示第五步进电机；611表示第一主动轮；612表示第一从动轮；613表示第一皮带；614表示第二主动轮；615表示第二从动轮；616表示第二皮带；7表示第二摄像头；8表示加药泵；81表示进液管；82表示出液管；9表示滴定容器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利的保护范围。

实施例1

如图1所示，实施例1提供了一种全自动滴定仪，包括滴定管1、第一驱动机构3、第一摄像头4、第二驱动机构5、第三驱动机构6、第二摄像头7、加药泵8和控制器。

滴定管1安装在一支架2上，滴定管1沿长度方向设置有刻度11，滴定管1的下部设置有滴定开关12，第一驱动机构3与滴定开关12相连，以驱动滴定开关12打开和关闭。本实施例的滴定管1为酸式滴定管，酸式滴定管的滴定开关为活塞结构(酸式滴定管的活塞结构及其工作原理属于本领域的公知常识，这里不作赘述)，第一驱动机构3包括第一步进电机31，第一步进电机31固定在支架2上，第一步进电机31的输出轴与活塞121传动连接，以驱动活塞121转动，进而打开和关闭滴定开关12，该结构适用于酸式滴定管的自动滴定。

第一摄像头4用于获取滴定管1内的液位图像信息，第二驱动机构5与第一摄像头4相连，以驱动第一摄像头4在竖直方向上移动。本实施例所示的一种具体的第二驱动机构5的结构为：第二驱动机构5包括第一丝杆51、至少一根第一导向杆52和第二步进电机53，第一丝杆51和第一导向杆52并排且竖直地安装在支架2上，第一摄像头4与第一丝杆51螺纹连接，第一摄像头4与第一导向杆52滑动连接，第二步进电机53安装在支架2上，第二步进电机53与第一丝杆51传动连接，以通过第二步进电机53带动第一丝杆51转动来驱动第一摄像头4升降。

第三驱动机构6与滴定容器9相连，以驱动滴定容器9移动和摇动，本实施例的第三驱动机构6优选为机械臂，机械臂的自由端设置有用于固定滴定容器9的夹具，以通过机械臂动作来移动和摇动滴定容器9。本实施例所示的一种具体的机械臂的结构为：机械臂包括底座61、下支座62、上支座63、第二丝杆64、至少两根第二导向杆65、第三步进电机66、第四步进电机67、第一臂体68、第二臂体69和第五步进电机610，下支座62可转动地安装在底座61上，上支座63设于下支座62的正上方，第二丝杆64和第二导向杆65竖直安装在下支座62和上支座63之间，第三步进电机66安装在上支座63上，第三步进电机66的输出轴与第二丝杆64传动连接，第四步进电机67用于驱动下支座62相对于底座61在水平方向上转动，第一臂体68与第二丝杆64螺纹连接，第一臂体68与第二导向杆65滑动连接，第二臂体69与第一臂体68转动连接，第五步进电机610用于驱动第二臂体69相对于第一臂体68在水平方向上转动，该机械臂能够实现一个升降自由度和两个水平转动自由度，滴定容器9的移动通过机械臂的升降和第一臂体68、第二臂体69的大幅度水平转动完成，滴定容器9的摇动通过第一臂体68和第二臂体69小幅度来回转动完成。

在本实施例中，第四步进电机67安装在下支座62上，第四步进电机67的输出轴向下穿过下支座62并同轴连接有第一主动轮611，底座61上连接有与转轴同轴的第一从动轮612，第一主动轮611和第一从动轮612之间通过第一皮带613连接。并且，第五步进电机610安装在第一臂体68上，第五步进电机610的输出轴向下穿过第一臂体68并同轴连接有第二主动轮614，第二臂体69上连接有与转轴同轴的第二从动轮615，第二主动轮614和第二从动轮615之间通过第二皮带616连接。

第二摄像头7用于获取滴定容器9内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息，第二摄像头7安装在机械臂靠近其自由端的下方(图1所示的第一臂体68的下方)，通过将第二摄像头7安装在机械臂的下方，便于对滴定容器9进行观察，机械臂摇动时，滴定容器9与第二摄像头7始终操持相对静止，能够确保摄像清晰。

加药泵8的输入端连接有进液管81，加药泵8的输出端通过出液管82接入滴定管1的上端，以通过加药泵8自动向滴定管1内添加滴定液。

控制器的输入端分别与第一摄像头4和第二摄像头7电连接，控制器的输出端分别与第一驱动机构3、第二驱动机构5和第三驱动机构6电连接。

采用该滴定仪进行滴定时，首先向滴定管1内加入滴定液，控制器输出信号控制第二驱动机构5将第一摄像头4移动至与滴定管1内的液位齐平的位置，第一摄像头4获取此时滴定管1内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S1；然后向滴定容器9内加入被滴定液，并将滴定容器9固定在第三驱动机构6上(即机械臂自由端的夹具上)，控制器输出信号控制第三驱动机构6将滴定容器9移动至滴定管1的下方；然后控制器输出信号控制第一驱动机构3将滴定开关12打开，开始滴定；在滴定过程中，控制器输出信号控制第三驱动机构6摇动滴定容器9，同时第二摄像头7不断获取滴定容器9内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息并传输至控制器；控制器对图像进行识别，当滴定容器9内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色变化至预定颜色时，控制器输出信号控制第一驱动机构3将滴定开关12关闭，结束滴定；最后控制器输出信号控制第二驱动机构5将第一摄像头4移动至与滴定管1内的液位齐平的位置，第一摄像头4获取此时滴定管1内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S2，即可得出：滴定液的消耗量＝S1-S2。本实施例的控制器为单片机，整个滴定实验的过程都通过计算机程序控制，以自动对现有的滴定管1进行滴定实验操作，实现了滴定全过程的自动化，操作更简单，避免实验过程中指示剂颜色变化时因人而异导致细微差异，对最终实验结果产生影响，避免人为出错，并且，在实验过程中，可以保存实验过程中的影像数据，以备发生争议时对化验结果进行复核。

本发明实施例还提供了上述全自动滴定仪的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，向滴定管1内加入滴定液，控制器输出信号控制第二驱动机构5将第一摄像头4移动至与滴定管1内的液位齐平的位置，第一摄像头4获取此时滴定管1内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S1，同时将刻度影像存档；

步骤二，向滴定容器9内加入被滴定液，并将滴定容器9固定在第三驱动机构6上，控制器输出信号控制第三驱动机构6将滴定容器9移动至滴定管1的下方；

步骤三，控制器输出信号控制第一驱动机构3将滴定开关12打开，开始滴定；

步骤四，在滴定过程中，控制器输出信号控制第三驱动机构6摇动滴定容器9，同时第二摄像头7不断获取滴定容器9内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息并传输至控制器；

步骤五，控制器对图像进行识别，当滴定容器9内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色变化至预定颜色时，控制器输出信号控制第一驱动机构3将滴定开关12关闭，结束滴定，同时将颜色变化影像存档；

步骤六，控制器输出信号控制第二驱动机构5将第一摄像头4移动至与滴定管1内的液位齐平的位置，第一摄像头4获取此时滴定管1内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S2，同时将刻度影像存档。

采用上述步骤，能够自动完成滴定实验操作，实现了滴定全过程的自动化，操作更简单，避免人为出错。

实施例2

如图2所示，实施例2的技术方案与实施例1基本相同，不同之处在于：滴定管1为碱式滴定管，碱式滴定管的滴定开关12为胶管122内嵌玻璃球123的结构(碱式滴定管的胶管122内嵌玻璃球123的结构及其工作原理属于本领域的公知常识，这里不作赘述)，第一驱动机构3包括第一步进电机31、挡块32和压块33，第一步进电机31和挡块32均固定在支架2上，挡块32挡在玻璃球123外的胶管122的一侧，第一步进电机31的输出轴与压块33的一端连接，以驱动压块33转动，进而使压块33与挡块32配合来挤压玻璃球123，进而打开和关闭滴定开关12，该结构适用于碱式滴定管的滴定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种全自动滴定仪，包括滴定管，所述滴定管安装在一支架上，滴定管沿长度方向设置有刻度，滴定管的下部设置有滴定开关，其特征在于，还包括：

第一驱动机构，所述第一驱动机构与滴定开关相连，以驱动滴定开关打开和关闭；

第一摄像头，所述第一摄像头用于获取滴定管内的液位图像信息；

第二驱动机构，所述第二驱动机构与第一摄像头相连，以驱动第一摄像头在竖直方向上移动；

第三驱动机构，所述第三驱动机构与滴定容器相连，以驱动滴定容器移动和摇动；

第二摄像头，所述第二摄像头用于获取滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息；

以及控制器，所述控制器的输入端分别与第一摄像头和第二摄像头电连接，所述控制器的输出端分别与第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构电连接；

所述第二驱动机构包括第一丝杆、至少一根第一导向杆和第二步进电机，所述第一丝杆和第一导向杆并排且竖直地安装在支架上，所述第一摄像头与第一丝杆螺纹连接，第一摄像头与第一导向杆滑动连接，所述第二步进电机安装在支架上，第二步进电机与第一丝杆传动连接；

所述第三驱动机构为机械臂，所述机械臂的自由端设置有用于固定滴定容器的夹具；

所述机械臂包括底座、下支座、上支座、第二丝杆、至少两根第二导向杆、第三步进电机、第四步进电机、第一臂体、第二臂体和第五步进电机，所述下支座可转动地安装在底座上，所述上支座设于下支座的正上方，所述第二丝杆和第二导向杆竖直安装在下支座和上支座之间，所述第三步进电机安装在上支座上，第三步进电机的输出轴与第二丝杆传动连接，所述第四步进电机用于驱动下支座相对于底座在水平方向上转动，所述第一臂体与第二丝杆螺纹连接，第一臂体与第二导向杆滑动连接，所述第二臂体与第一臂体转动连接，所述第五步进电机用于驱动第二臂体相对于第一臂体在水平方向上转动。

2.根据权利要求1所述的全自动滴定仪，其特征在于：所述滴定管为酸式滴定管，酸式滴定管的滴定开关为活塞结构，所述第一驱动机构包括第一步进电机，所述第一步进电机固定在支架上，第一步进电机的输出轴与所述活塞传动连接，以驱动活塞转动。

3.根据权利要求1所述的全自动滴定仪，其特征在于：所述滴定管为碱式滴定管，碱式滴定管的滴定开关为胶管内嵌玻璃球的结构，所述第一驱动机构包括第一步进电机、挡块和压块，所述第一步进电机和挡块均固定在支架上，挡块挡在玻璃球外的胶管的一侧，第一步进电机的输出轴与所述压块的一端连接，以驱动压块转动，进而使压块与挡块配合来挤压玻璃球。

4.根据权利要求1所述的全自动滴定仪，其特征在于：所述第四步进电机安装在下支座上，第四步进电机的输出轴向下穿过下支座并同轴连接有第一主动轮，所述底座上连接有与转轴同轴的第一从动轮，所述第一主动轮和第一从动轮之间通过第一皮带连接；所述第五步进电机安装在第一臂体上，第五步进电机的输出轴向下穿过第一臂体并同轴连接有第二主动轮，所述第二臂体上连接有与转轴同轴的第二从动轮，所述第二主动轮和第二从动轮之间通过第二皮带连接。

5.根据权利要求1所述的全自动滴定仪，其特征在于：所述第二摄像头安装在所述机械臂靠近其自由端的下方。

6.根据权利要求1-5任一项所述的全自动滴定仪，其特征在于：还包括加药泵，所述加药泵的输入端连接有进液管，加药泵的输出端通过出液管接入所述滴定管的上端。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的全自动滴定仪的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，向滴定管内加入滴定液，控制器输出信号控制第二驱动机构将第一摄像头移动至与滴定管内的液位齐平的位置，第一摄像头获取此时滴定管内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S1；

步骤二，向滴定容器内加入被滴定液，并将滴定容器固定在第三驱动机构上，控制器输出信号控制第三驱动机构将滴定容器移动至滴定管的下方；

步骤三，控制器输出信号控制第一驱动机构将滴定开关打开，开始滴定；

步骤四，在滴定过程中，控制器输出信号控制第三驱动机构摇动滴定容器，同时第二摄像头不断获取滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色图像信息并传输至控制器；

步骤五，控制器对图像进行识别，当滴定容器内的溶液或溶液内的指示试纸的颜色变化至预定颜色时，控制器输出信号控制第一驱动机构将滴定开关关闭，结束滴定；

步骤六，控制器输出信号控制第二驱动机构将第一摄像头移动至与滴定管内的液位齐平的位置，第一摄像头获取此时滴定管内的液位图像信息并传输至控制器，控制器对图像进行识别并读取此时的液位刻度S2。