CN109261041A - 一种磁力搅拌器 - Google Patents
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Abstract
一种磁力搅拌器，其包括处理器和旋转磁场产生器，其特征在于，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元，所述N为大于或者等于3的整数；所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。本发明提供的磁力搅拌器可根据需要进行磁场强度和频率的控制，大大加速了化学反应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁力搅拌器，属于自动控制技术领域。
背景技术
为加速化学反应速度，学校的化学、医学、生化实验室、分析室，生物、遗传、药品、环保实验室 以及食品、防疫、医疗等科研部门的实验室广泛使用磁力搅拌器，磁力搅拌器适用于搅拌粘稠度不是很大的液体或者固液混合物，使用时将搅拌子放入容器内液体中，当面板下产生旋转磁场后，带动搅拌子成圆周循环运动从而达到搅拌液体的目的。目前使用的磁力搅拌器包括底座、控制电路、面板、电动机和永久磁体，其工作原理是：电动机带动永久磁铁旋转产生旋转磁场，旋转磁场带动容器内液体中搅拌子成圆周循环运动，其搅拌力矩小，而且电动机的转速有上限，液体中的搅拌子的转动幅度和转动频率都受到了限制。
发明内容
为克服现有技术中存在的缺点，本发明的发明目的是提供一种磁力搅拌器，其不需要搅拌子，可根据需要进行磁场强度和频率控制，大大加速了化学反应速度。
为实现所述发明目的，本发明提供一种磁力搅拌器，其包括处理器和旋转磁场产生器，其特征在于，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元，所述N为大于或者等于3的整数；所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。
优选地，所述谐振回路为由线圈和电容组成的串联谐振回路。
优选地，所述谐振回路包括依次串联连接的第一电容、线圈和第二电容。
优选地，所述驱动器包括第一放大器、第二放大器、第一反相放大器、第二反相放器、第一频率合成器、第二频率合成器、第一电开关、第二电开关、第三电开关和第四电开关，其中，第一直接频率合成器根据处理器提供的频率控制字和第一相位控制字给第一放大器和第一反相放大器提供方波脉冲信号；第一放大器的输出端连接于第一电开关的控制端，第一电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第二电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第一信号输入端；第一反相放大器的输出端连接于第二电开关的控制端，第二电开关的第二端连接于地；第二反相放大器的输出端连接于第三电开关的控制端，第三电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第四电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第二信号输入端；第二放大器的输出端连接于第四电开关的控制端，第四电开关的第二端连接于地。
优选地，磁力搅拌器，其特征在于，还包括环形线圈支架，将N个谐振磁场产生单元中的线圈均匀布置在环形线圈支架上。
优选地，磁力搅拌器还包括外壳，所述外壳为环形外壳，环形支架设置在外壳内，使用时，将磁力搅拌器套于化学反应器具上或将化学反应器具置于磁力搅拌器的环形外壳中央，以使化学反应液尽可能多地置于磁力搅拌器所产生的旋转磁场内。
与现有技术相比，本发明提供的磁力搅拌器不需要搅拌子，可根据需要进行磁场强度和频率控制，大大加速了化学反应速度。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的磁力搅拌器的电路图；
图2是本发明提供的线圈布置图。
图3是本发明提供脉冲时序与谐振回路电流强度之间的关系图；
图4是本发明第二实施例提供的磁力搅拌器的电路图；
图5是本发明第第二实施例提供的频率合成器的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
图1是本发明第一实施例提供磁力搅拌器的电路图，如图1所示，本发明提供的磁力搅拌器包括处理器20和旋转磁场产生器，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元30，所述N为大于或者等于3的整数。所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。优选地，所述谐振回路为由线圈和电容组成的串联谐振回路。更加优选地，所述谐振回路包括依次串联连接的第一电容C1、线圈L和第二电容C2。根据本发明一个实施例，所述驱动器包括第一放大器IC1、第二放大器IC4、第一反相放大器IC2、第二反相放器IC3、第一直接数字频率合成器（DDS）31、第二直接数字频率合成器(DDS)32、第一电开关T1、第二电开关T2、第三电开关T3和第四电开关T4，其中，第一直接数字频率合成器31根据处理器20提供的频率控制字和第一相位控制字给第一放大器IC1和第一反相放大器IC2提供方波脉冲信号；第一放大器IC1的输出端连接于第一电开关T1的控制端，第一电开关T1的第一端连接于电源VCC，第二端连接于第二电开关T2的第一端，同时连接于谐振回路的第一信号输入端；第一反相放大器IC2的输出端连接于第二电开关T2的控制端，第二电开关T2的第二端连接于地；第二反相放大器IC3的输出端连接于第三电开关T3的控制端，第三电开关T3的第一端连接于电源VCC，第二端连接于第四电开关T4的第一端，同时连接于谐振回路的第二信号输入端；第二放大器IC4的输出端连接于第四电开关T4的控制端，第四电开关T4的第二端连接于地。第一到第四电开关可以是双极性晶体管（BJT）、场效应管（FET）、绝缘栅双极性三极管（IGBT）等。本发明中，每个DDS均由同一个参考频率源10提供标准方波信号。
图2是本发明提供的线圈布置图，如图2所示，本发明提供磁力搅拌器还包括环形线圈支架40，沿其径向至少均匀设置有N个绕线柱或者槽。N个谐振磁场产生单元中的线圈L分别缠绕在绕线柱上，或者在槽中设置铁氧体，线圈L缠绕在铁氧体上。环形线圈支架40，由非磁性金属(例如铝、钛合金等)形成。在另一实施方式中，环形线圈40支架由树脂材料形成。通过由树脂材料形成线圈支架，能够减轻重量。本发明中，将N个线圈L等间隔分成M组，例如N为12，M为4，则每个线圈组包括等间隔的三个线圈，M组由M个电源单独立供电，如此结构，即使某个电源、驱动器或线圈故障，其它电源、电开关、线圈工作正常情况下，磁力搅拌器都可以正常工作，如此提高了其工作容错能力，提高了可靠性。
本发明提供的磁力搅拌器还包括外壳，所述外壳为环形外壳，环形线圈支架40设置在外壳内，使用时，将磁力搅拌器套于化学反应器具上或将化学反应器具置于磁力搅拌器的环形外壳中央。
下面结合附图1和3描述本发明提供的磁力搅拌器的工作过程：电磁场谐振单元中，DDS31根据处理器20提供的频率控制字和第一相拉控制字从DDS31的存储器中取出一个方波脉冲IN0,其比参考频率源10提供的参考方波脉冲Ref超前一个相位；方波脉冲IN0经第一放大器IC1放大后用于控制电开关T1的导通与截止,方波脉冲IN0经第一反相放大器IC2反相放大后用于控制电开关T2的导通与截止，当电开关T1导通时，电开关T2截止，当电开关T2导通时，电开关T1截止；DDS32根据处理器20提供的频率控制字和第二相拉控制字从DDS32的存储器中取出一个方波脉冲IN1,其比参考频率源10提供的参考方波脉冲Ref滞后一个相位；方波脉冲IN1经第二放大器IC4放大后用于控制电开关T4的导通与截止；方波脉冲IN1经第二反相放大器IC3反相放大后用于控制电开关T3的导通与截止，当电开关T4导通时，电开关T3截止，当电开关T3导通时，电开关T4截止，如此，施加于谐振回路两端的信号Out如图3所示，谐振回路中的电流信号I为图3所示的正弦波。改变方波脉冲IN0超前相位的量和方波脉冲IN1滞后相位的量，施加给谐振回路的方波信号也改变，谐振回路中的电流幅值随着相位的改变而改变。如此，谐振回路谐振于工作频率时，谐振回路产生频率、幅度可调的强磁场。N个谐振回路产生多相强磁场，合成为符合要求的场型，比如旋转磁场,等等。这样，施加于谐振回路的电压可以是任意形状的脉冲电压，而电流呈正弦变化，形成正弦变化的磁场，多相正弦磁场合成为符合要求的场型。本发明中，提供给谐振回路的是任意形状的脉冲信号，而谐振回中的电流信号是正弦脉冲信号，如此结构便能得到频率和幅度可任意调的旋转磁场。
驱动器的另一功能是实现相位到脉冲宽度的变换，两个DDS输出信号为一定频率的两相脉冲信号，其频率以及两相脉冲信号之间的相位差，可通过处理器预制。两相脉冲信号之间的相位差，通过驱动器变换为输出脉冲的脉冲宽度，在后级谐振电感线圈表现为正弦电流的幅度。这样就通过“相位---脉宽---幅度”变换实现对磁场强度的控制。
第二实施例
图4是本发明第二实施例提供的磁力搅拌器的电路图。图4所示的磁力搅拌器与图1所示的磁力搅拌器组成基本相同，所不同的仅是，分别利用频率合成器41和频率合成器42代替图1中的DDS31和DDS32。下面重点结合图5描述图4中的频率合成器。
图5是本发明第第二实施例提供的频率合成器的电路图。如图5所示，频率合成器包括：第一信号发生器，用于产生第一信号；第二信号发生器，产生N个第二信号，所述N为大于或者等于4的整数；混频器14，其第一信号输入端连接于第一信号发生器，第二信号输入端经切换开关22连接于第二信号，用于混频第一信号发生器产生的第一信号和第二信号发生器提供的第二信号，并经带通频滤波器15滤波以提供给过零比较器27，过零比较器27将输入的正弦信号转换为方波信号 。
第一信号发生器包括直接数字频率合成器（DDS）11、混频器12、倍频器16和带通滤波器13，其中，直接频字频率合成器11根据处理器提供的控制字Ki产生第一频率信号并提供给混频器12；倍频器16用于对参考频率源产生的信号进行K倍频并提供给混频器12；混频器12用于对倍频器和直接数字频率合成器11提供的信号进行混频并经带通滤波器13滤波以产生第一信号。DDS 11由参考频率源10提供参考频率（例如100MHz）或者由倍频器将参考频率源10提供的信号进行M倍频来提供参考频率, M可由处理器进行控制。
第二信号发生器包括直接数字频率合成器（DDS）21、依次级联的Q-1个频率转换器和参考频率源21，所述频率转换器由乘法器和带通滤波组成。其中，直接频字频率合成器21根据处理器提供的控制字Pi产生第二频率信号并分别提供给Q-1个频率转换器，切换开关22的相应输入连接到参考频率源和依次级联的Q-1个频率转换器的输出端，参考频率源10的输出端连接于第一个频率转换器的信号输入端,本发明中，Q为大于或者等于4的整数；Q优选为4。转换开关22在处理器控制下工作，以在多个粗调频率输入之间切换，粗调频率用于定义频率合成器的粗略操作范围。每个频率转换器产生的输出频率等于其输入频率之和。参考频率源产生基本粗略频率F0，而频率转换器19,18和17产生相应的粗略频率F1，F2和F3，它们是基频F0和由DDS 21产生的粗偏移频率Foff的组合。DDS 20在处理器产生的控制字Pi的控制下操作，以产生等于微调DDS 11的扫描范围的粗偏移频率Foff。DDS 11由参考频率源21提供参考频率（例如100MHz）或者由倍频器将参考频率源21提供的信号进行P倍频来提供参考频率, P可同处理器进行控制。
由频率转换器19产生的输出频率F1等于由DDS 20提供的偏移频率Foff与由参考频率源21提供的基频F0之和；由频率转换器18产生的输出频率F2等于DDS 21提供的偏移频率Foff和频率F1之和；频率转换器17产生的输出频率F3等于DDS 21提供的偏移频率Foff和频率F2之和。在处理器20的控制下，由DDS21产生的偏移频率Foff的频率是可控制地可调节的，以便在各个输入频率之间切换,从而维持相位的连续性。混频器14将用于将由转换开关22提供的信号与由带通滤波器13提供的信号进行上变频并由带通滤波15滤波，产生提供给过零比较器27的正弦信号。
现在将描述图5中的频率合成器的工作过程。最初，在时间t0，由DDS 21产生的偏移频率Foff的相位可控制地预设在零相位。此外，开关22被耦合以从参考频率源10接收频率F0。如上所述，处理器20将由偏移DDS20产生的偏移频率Foff的相位设置为等于总相位误差的负值，因此，在它们的任何输入之间切换的瞬间，开关22转换到的新频率将处于零度并且与先前信号相位连续。
每当转换到新的粗略频率时，微调DDS 11被重置到其扫描开始，并且随后在其扫描范围上进行斜坡上升。在DDS 11到达其扫描范围的上端时，开关22切换到F0之后的下一个偏移频率F1，并且重新开始DDS 11的扫描。开关22通过其粗调频率输入顺序地转换。因此，在时间t0，合成器的输出等于混频器12的频率输出Fx加上最低粗调频率F0。在时间t0和时间t1之间，当微调DDS 11的频率输出在其设定范围斜坡上升时，合成器的输出从Fx + F0线性扫描到Fx + F0 + Foff，其等于Fx + F1。在时间t1达到频率Fx + F0 + Foff时，微调DDS 11返回到基本平移频率Fx。然而，由于开关22从输入端23切换到输入端24，所以合成器的输出开始从Fx + F1扫描到Fx + F1 + Foff，等等。当开关22连接其输入端25和26时，依此类推。
本发明中，倍频次数K、M、P、转换开关22以及控制字均可由处理器根据化学反应的需要进行控制，因此，上述结构的频率合成器输出的方波频率、相位都可根据需要进行控制，进而谐振回路中的线圈中的电流的幅度、相位和频率也可任意控制。将具有正离子、负离子的反化学反应液置于本发明提供的磁力搅拌器产生的旋转磁场的范围内，能够大大加快反应速度。
以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种磁力搅拌器，其包括处理器和旋转磁场产生器，其特征在于，旋转磁场产生器包括N个分别产生N个不同相位的谐振磁场产生单元，所述N为大于或者等于3的整数；所述谐振磁场产生单元包括谐振回路和根据处理器提供的控制信号给谐振回路提供方波信号的驱动器，所述谐振回路至少包括线圈和电容。
2.根据权利要求1所述的磁力搅拌器，其特征在于，所述谐振回路为由线圈和电容组成的串联谐振回路。
3.根据权利要求2所述的磁力搅拌器，其特征在于，所述谐振回路包括依次串联连接的第一电容、线圈和第二电容。
4.根据权利要求3所述的磁力搅拌器，其特征在于，所述驱动器包括第一放大器、第二放大器、第一反相放大器、第二反相放器、第一频率合成器、第二频率合成器、第一电开关、第二电开关、第三电开关和第四电开关，其中，第一频率合成器根据处理器提供的频率控制字和第一相位控制字给第一放大器和第一反相放大器提供方波脉冲信号；第一放大器的输出端连接于第一电开关的控制端，第一电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第二电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第一信号输入端；第一反相放大器的输出端连接于第二电开关的控制端，第二电开关的第二端连接于地；第二反相放大器的输出端连接于第三电开关的控制端，第三电开关的第一端连接于电源，第二端连接于第四电开关的第一端，同时连接于谐振回路的第二信号输入端；第二放大器的输出端连接于第四电开关的控制端，第四电开关的第二端连接于地。
5.根据权利要求4所述的磁力搅拌器，其特征在于，还包括环形线圈支架，将N个谐振磁场产生单元中的线圈均匀布置在环形线圈支架上。
6.根据权利要求5所述的磁力搅拌器，其特征在于，还包括外壳，所述外壳为环形外壳，环形支架设置在外壳内，使用时，将磁力搅拌器套于化学反应器具上或将化学反应器具置于磁力搅拌器的环形外壳中央，以使化学反应液尽可能多地置于磁力搅拌器所产生的旋转磁场内。
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