CN113506499A

CN113506499A - 化学数字化实验系统

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Publication number: CN113506499A
Application number: CN202110772180.5A
Authority: CN
Inventors: 张明晓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2021-10-15

Abstract

本发明属于科学教育领域，公开了一种新型化学数字化实验系统，包括反应器、传感器、闭环采集控制集成器、计算机和表征软件，构成“计算机→集成器→反应器→传感器→集成器→计算机”闭环系统，所述集成器包括信号调理卡、采集控制卡、驱动卡和执行器，所述采集控制卡包括数据采集卡和自动控制卡，所述执行器包括药品输送器、磁力搅拌器、恒温控制器、信号发生器、恒电位器、恒电流源、LED光源等。本发明可定量输送药品、进行磁力搅拌和加热恒温，可测控温度、电势、电流、电导、浓度、酸度、光度、浊度、荧光、气压等，可实现化学实验的数字化、信息化、自动化和平台化，具有自动操作、实验快速、过程清晰、趋势直观、定量准确的显著优势。

Description

化学数字化实验系统

技术领域

本发明属于科学教育领域，尤其涉及一种新型化学数字化实验仪器系统。

背景技术

1978年，Robert Tinker用热电偶开发了第一个数字化实验—萘的冷却曲线实验，学生在实验的过程中可以直接实时观察温度的变化过程，突破了先前需要完成实验后才能绘制温度变化曲线的限制，能够更好地将学生的注意力集中在探索实验现象背后的原因上面。这种实验方式引起了美国和英国教育界的重视，让人们认识到教育现代化的未来，于是人们开始研究和开发适合于教育应用的传感器、计算机软件以及相关实验。直到1999年初，数字化实验才在化学课堂教学中初露锋芒，由于教学效果显著，随后在以色列、澳大利亚、日本、新加坡等发达国家获得推广。

我国的化学数字化教学研究始于2003年，钱扬义教授利用温度传感器探测酒精灯火焰温度。2004年，天津市第一中学和教育部教学仪器研究所共同研制建立中国第一个数字化实验室。2006年，教育部颁发了《初中理科教学仪器配备标准》并于2010年颁布了《高中理科教学仪器配备标准》，均有将数字化实验仪器作为选配仪器。钱扬义的课题“数字化手持技术理科探究实验室建设”已在全国50余所中小学、10余所大学建立了实验研究基地，目前开展数字化实验教学的大中学校越来越多，开发了化学反应及反应热、溶解热、反应速率和化学平衡等大量数字化实验教学案例，提出了6S、10C、四重表征及五元一体等多种数字化教学模式，化学数字化实验教学实践持续蓬勃发展。

数字化实验可以借助其多样性的传感器感知研究体系的温度、浓度、压力、电流、电压、电导、浊度、光度等物理量的变化信息，经数据采集器实时采集后由处理系统完成各数据的定量分析，最终将结果以图表或曲线等形式实时、直观、动态地展示出来。这种集数字化、定量化、动态化、可视化、多样化和智能化等优点于一体的数字化实验，能显著提升化学实验水平和化学教学质量，将其应用于化学教学实践是教育信息化发展的必然趋势。

但是，至今未见有关数字化实验仪器的研究报道。目前市场上在售的数字化实验仪器主要有美国的Veinier、德国的Cobra、我国的威成亚和远大教科等公司的产品，这些仪器由数字化传感器、数据采集器、计算机和数据处理软件四部分组成，被称为手持技术、传感技术或数字化实验室。

现有技术存在的问题及缺陷为：现有数字化实验仪器只能进行单向性的信号传感、数据采集和数据处理，没有形成一个完整的闭环系统；所用传感器还需配置数字化变送器才能输入数据采集器；缺乏试剂自动输送器，不能自动准确添加实验试剂；缺乏反应条件控制器，如搅拌器、恒温器等，不能自动控制实验条件和自动完成实验操作；缺乏信号发生器、恒电位器、恒电流源和自动终点控制器等，实验功能、项目和准确性受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型化学数字化实验系统。

所述新型化学数字化实验系统设置有反应器、传感器、采集控制集成器、计算机和表征软件，构成“计算机→集成器→反应器→传感器→集成器→计算机”闭环系统。

所述反应器包括试管、烧杯、烧瓶、比色杯、荧光杯、电解池、原电池和燃烧器等，所述传感器既包括数字传感器还包括模拟传感器，所述集成器包括信号调理卡、数据采集卡、自动控制驱动卡、自动进样器、药品输送器、磁力搅拌器、恒温控制器、信号发生器、恒电位器、恒电流源、LED光源等，所述计算机包括台式机、一体机、笔记本及平板电脑或手机，所述表征软件不仅包括传感信号采集显示程序，还包括反应特征计算表征程序。

所述反应器设置于集成器中搅拌器上方并靠近搅拌器，所述传感器设置于反应器内，传感器连接信号调理卡，信号调理卡连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机，计算机连接自动控制卡，自动控制卡连接药品输送器、磁力搅拌器和恒温控制器，药品输送器将试剂瓶中试剂输送到反应器，磁力搅拌器混合反应试剂，恒温控制器加热和控制反应温度。

所述系统既包含自动传感采集系统，还包含自动控制执行系统和化学反应表征软件，计算机通过数据采集卡连接自动控制驱动卡，按设置程序自动添加化学试剂到反应器内，并控制磁力搅拌速度、化学反应温度和化学试剂用量等反应条件，通过数据采集卡采集反应数据，表征软件表征反应过程并分析数据发出自动控制指令，优化或维持化学反应条件，自动完成双向闭环测控表征实验。

进一步，所述自动进样器与药品输送器，包括蠕动泵输液器、自动注射进样器和马里奥特恒流器或流动注射输液器，以及单通道电磁阀、双通道换向阀及多通道切换阀。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明实现了“计算机→集成器→反应器→传感器→集成器→计算机”双向闭环数字化实验系统，可自动完成化学反应控制、采集、表征数字化实验。

本发明可测控药品输送速度实现定量输液，可进行磁力搅拌和加热恒温，可测控温度、电势、电流、电导、浓度、酸度、光度、浊度、荧光和气压，可进行滴定分析、伏安分析及流动注射分析等。

本发明可实现化学实验的数字化、信息化、自动化和平台化，具有自动操作、实验快速、过程清晰、趋势直观、定量准确的显著优势。

本发明具备常规多功能数字化实验室的所有功能，能够满足大中小学数字化演示实验、学生实验和探究实验的需要，而且性价比很高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的新型化学数字化实验系统的结构方框图。

图中，执行器、驱动卡、采集控制卡和调理卡构成采集控制集成器。

图2是本发明实施例提供的新型化学数字化实验系统的结构示意图。

图中：A.采集控制集成器；B.计算机；C.反应器；D.化学试剂；1.药品输送器；2.磁力搅拌器；3.自动控制器；4数据采集卡；5.恒温控制器；6.传感器。

图3是本发明实施例提供的MXLab21型化学数字化实验系统的代工实例图。图中药品输送系统为蠕动泵。

图4是本发明实施例提供的MXLab21A型化学数字化实验系统的代工实例图。图中药品输送系统包括蠕动泵和多通阀。

图5是本发明实施例提供的化学数字化实验系统进行酸碱滴定实例图。

图6是本发明实施例提供的化学数字化实验系统进行磷酸滴定曲线图。

图7是本发明实施例提供的化学数字化实验系统进行草酸滴定曲线图。

图8是本发明实施例提供的化学数字化实验系统进行镁条与盐酸的反应热测定曲线表征图。

图9是本发明实施例提供的化学数字化实验系统进行0.10mol/L AgNO₃分步沉淀0.010mol/L Cl^-、Br^-、I^-混合液实验曲线表征图。

图10是本发明实施例提供的化学数字化实验系统进行BZ振荡反应曲线表征图。

图11是本发明实施例提供的化学数字化实验系统测定铁氰化钾的循环伏安曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型化学数字化实验系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的新型化学数字化实验系统由反应器、传感器、集成器、试剂瓶、计算机及表征软件构成。图2中，A.采集控制集成器；B.计算机；C.反应器；D.化学试剂；1.药品输送器；2.磁力搅拌器；3.自动控制器；4数据采集卡；5.恒温控制器；6.传感器。

本发明所述集成器包括信号调理卡、数据采集卡、自动控制驱动卡、药品输送器、磁力搅拌器、恒温控制器、信号发生器、恒电位器、恒电流源、LED光源等。

本发明所述反应器设置于集成器中搅拌器正上方，所述传感器设置于反应器内，传感器连接信号调理卡，信号调理卡连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机，计算机连接自动控制卡，自动控制卡连接药品输送器、磁力搅拌器和恒温控制器，药品输送器将试剂瓶中试剂输送到反应器，磁力搅拌器混合反应试剂，恒温控制器加热和控制反应温度。

本发明计算机通过数据采集卡连接自动控制驱动卡，按设置程序自动添加化学试剂到反应器内，并控制磁力搅拌速度和化学反应温度等反应条件，通过数据采集卡采集反应数据，表征软件表征反应过程并分析数据发出自动控制指令，优化或维持化学反应条件，自动完成双向闭环测控表征实验。

本发明新型化学数字化实验系统，包括化学反应器、自动传感系统、自动控制系统和反应表征软件，具有双向性和闭环性，不仅包含自动传感采集系统，还包含自动控制执行系统和化学反应表征软件，可自动完成双向闭环测控表征实验，所述传感采集系统在自动控制系统控制的反应条件下自动采集化学反应信号，所述控制执行系统依据传感采集系统采集的反应信号自动控制化学反应进程，所述化学反应表征软件记录化学反应的特征、表征化学反应的过程、揭示化学反应的本质。

本发明可购置或集成的部分模块，包括移动计算设备、步进电机及其驱动器，集成开关稳压电源、多功能数据采集控制卡等。移动计算设备包括便携计算机、平板电脑或智能手机。多功能数据采集控制卡包括A/D、D/A、I/O、PWM等功能兼容卡和Arduino开发板等采集控制卡。

本发明所述化学反应器不仅包括试管、烧杯和烧瓶，还包括比色杯、荧光杯、电解池、原电池和燃烧器等，所述自动传感采集系统不仅包括传感器、数据采集卡和计算机而且还包括信号调理卡，所述自动控制执行系统不仅包括计算机和自动控制卡，还包括驱动卡和执行器。

本发明所述传感器既包括数字传感器还包括模拟传感器，所述调理卡包括模拟信号调理器和模拟信号数字变送器，所述执行器包括自动进样器与药品输送器、磁力搅拌器、单端加热棒、信号发生器、恒电位器、恒电流源、电解电极和LED光源等，所述驱动器包括加热器驱动器、无刷电机驱动器、步进电机驱动器、光源驱动器和隔离固态继电器，所述自动控制器包括恒温控制器、输液控制器、搅拌控制器、光源控制器和终点控制器。所述化学反应器设置于磁力搅拌器上方并靠近搅拌器，各种传感器和单端加热棒设置在恒温反应器内部。

如图4所示，本发明所述自动进样器与药品输送器，包括蠕动泵输液器、自动注射进样器和马里奥特恒流器或流动注射输液器，以及单通道电磁阀、双通道换向阀及多通道切换阀。

本发明所述自动传感系统和自动控制系统可集成为传感控制集成器，所述传感控制集成器中传感器和计算机可外置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.新型化学数字化实验系统，包括化学反应器、自动传感系统、自动控制系统和反应表征软件，构成“计算机→集成器→反应器→传感器→集成器→计算机”闭环系统，其特征在于，所述系统具有双向性和闭环性，不仅包含自动传感采集系统和化学反应表征软件，还包含自动控制执行系统，可自动完成双向闭环测控表征实验，可测控药品输送速度实现定量输液，可进行磁力搅拌和加热恒温，可测控温度、电势、电流、电导、浓度、酸度、光度、浊度、荧光、气压，可进行滴定分析、伏安分析及流动注射分析等，所述传感采集系统在自动控制系统控制的反应条件下自动采集化学反应信号，所述控制执行系统依据传感采集系统采集的反应信号自动控制化学反应进程，所述化学反应表征软件记录化学反应的特征、表征化学反应的过程、揭示化学反应的本质。

2.如权利要求1所述的化学数字化实验系统，其特征在于，所述化学反应器不仅包括试管、烧杯和烧瓶，还包括比色杯、荧光杯、电解池、原电池和燃烧器等，所述自动传感采集系统不仅包括传感器、数据采集卡和计算机而且还包括信号调理卡，所述自动控制执行系统不仅包括计算机和自动控制卡，还包括驱动卡和执行器。

3.如权利要求2所述的化学数字化实验系统，其特征在于，所述调理卡包括模拟信号调理器和模拟信号数字变送器，所述执行器包括自动进样器与药品输送器、磁力搅拌器、单端加热棒、信号发生器、恒电位器、恒电流源、电解电极和LED光源等，所述驱动器包括加热器驱动器、无刷电机驱动器、步进电机驱动器、光源驱动器和隔离固态继电器，所述自动控制器包括恒温控制器、输液控制器、搅拌控制器、光源控制器和终点控制器。所述化学反应器设置于磁力搅拌器上方并靠近搅拌器，各种传感器和单端加热棒设置在恒温反应器内部。

4.如权利要求3所述的化学数字化实验系统，其特征在于，所述自动进样器与药品输送器，包括蠕动泵输液器、自动注射进样器和马里奥特恒流器或流动注射输液器，以及单通道电磁阀、双通道换向阀及多通道切换阀。

5.如权利要求4所述的化学数字化实验系统，其特征在于，所述自动传感系统和自动控制系统可集成为闭环传感控制集成器，所述传感控制集成器中传感器和计算机可外置。