CN1864839A - 智能加热搅拌器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明中智能加热搅拌器及其控制方法，应用于化学领域需要加热和搅拌的实验，特别是存在危险及在密封容器中发生反应的化学实验。(1)采用磁传动搅拌，驱动器与搅拌器隔离，便于对反映器皿进行密封，可以有效防止反应物飞溅；(2)可以让智能控制器远离反应装置，实验人员进行远程控制，避免与有毒物质接触；(3)由智能型H桥以及智能功率器件对线圈和加热板进行控制，与传统的继电器相比，体积更小，可靠性更高；(4)将搅拌装置和加热装置集成，而且搅拌速度、搅拌模式、加热温度可以控制；(5)通过直接改变线圈中电流方向达到产生旋转磁场的目的，与传统的电机驱动磁铁产生旋转磁场相比，机械结构更简单，控制更灵活。

Description

智能加热搅拌器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能加热搅拌器及其控制方法，应用于化学领域需要加热和搅拌的实验，特别是存在危险及在密封容器中发生反应的化学实验。

背景技术

加热和搅拌是化学实验中为了加快反应进程采取的两种常用方法。目前，普通的实现方法是底部加热，顶部搅拌。而最简单的搅拌做法是手持玻璃棒搅拌。在通常情况下，以上方法可以满足需要，但是如果出现以下情况则难以满足需要：1)反应剧烈，可能有液体飞溅出来烧伤实验人员；2)反应过程中伴随有毒气体析出，实验人员过分靠近有中毒的危险；3)实验要求在密封条件下进行。

为满足出现以上三种情况时的试验要求，有人研制出了电动搅拌装置。其中一种是在实验器皿上安装一个带有电动搅拌轴的顶盖，该装置可以使实验人员在不靠近试验装置的情况对反应物进行搅拌，同时又能防止反应物飞溅，但是该装置装有轴承，难以密封，而且如果反应中如果有腐蚀性气体析出，很容易对装置造成损坏。另一种是采用磁传动，基本上是将化工厂的磁力搅拌器缩小后应用于化学实验。该装置克服了普通电动搅拌器的缺点，完全可以满足以上三种情况下进行化学实验的需求。但该装置体积偏大(有一台驱动电机)，价格偏高，不易推广，而且多采用顶部驱动，不易与普通反应器皿配套，通用性差。通常只在一些特殊实验室的某些特定实验装置上配套。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、造价低廉、易于普及的磁传动搅拌器。由于采用旋转磁场驱动代替电机驱动，控制易于实现，控制器成本降低。本发明不仅具备普通的磁传动搅拌器的功能，而且具有加热功能，为化学实验带来更多方便。更为重要的一点：由于采用底部驱动，因此对实验器皿没有特殊要求，同一套装置与多种实验器皿配套，可以避免实验室重复投资。

为了解决上述技术问题，本发明智能加热搅拌器包括永磁搅拌器、驱动及加热装置和智能控制器(在温度要求精确的情况下可以选装温度传感器)；

所述永磁搅拌器由聚四氟乙烯叶轮及镶嵌在其中的永磁体组成，在搅拌速度要求不是很精确，被搅拌混合物黏度不是很高时，采用1块柱形永磁体，否则采用4块扇环永磁体，对于加热温度不超过150℃的情况永磁体采用钕铁硼材料，在不超过250℃的情况下永磁体采用钐钴合金材料，温度超过250℃时不宜采用本发明装置，所述永磁搅拌器还包括用来支撑和限位的上下支撑杆，支撑杆的长度可调；

所述驱动及加热装置由用来产生旋转磁场的电磁铁和平板形电加热板组成，二者用陶瓷材料连接，并且在中央填充用来隔热的石棉材料；

所述电磁铁由两个相互交叉互相嵌入的U形铁芯和缠绕的线圈AB、CD组成；

所述智能控制器为本发明的核心控制部件，由中央控制单片机、电磁铁的控制驱动电路、加热板控制电路、温度传感器信号采集电路、显示屏、控制旋钮、电源模块组成；所述中央控制单片机为美国微芯公司的PIC16F876，负责控制电磁铁的控制驱动电路、加热板控制电路以及显示屏，采集温度传感器信号采集电路采集到的温度信号和控制旋钮的控制信号；

所述电磁铁的控制驱动电路由两个智能型H桥驱动电路组成，最大可以输出10A电流，所述每个智能型H桥驱动电路包括4只功率器件及其驱动保护电路，中央控制单片机通过控制K1～K8来控制8只功率器件的导通状态，从而到达对通过线圈AB和CD电流的控制；所述加热板控制电路由智能功率模块组成，所述智能功率模块集成了功率器件及其驱动保护电路，直接由中央控制单片机通过Heat控制端控制；

所述显示屏为128×64点阵式液晶显示模块，用来显示搅拌速度、搅拌模式、加热功率、反应物温度等信息，所述液晶显示模块通过串行口与中央控制单片机进行通讯；

所述温度传感器采用精度为±0.5℃的PT100铂电阻温度传感器，用来测量反应物的温度；所述温度传感器信号采集电路由电阻R1和R2、电容C1以及运算放大器U2组成，PT100铂电阻温度传感器两端的电压经运算放大器输出到中央控制单片机，由中央控制单片机内部的A/D转换器测量运算得到温度值；

所述控制旋钮由搅拌速度调节旋钮、搅拌模式选择旋钮、加热功率调节旋钮、加热温度设定旋钮以及电源开关组成，所述搅拌速度调节旋钮通过电位器R4的分压功能实现，所述搅拌模式选择旋钮由多选开关和电阻R6、R7、R8、R9、R10组成，通过不同的分压值确定选择的模式，所述加热功率调节旋钮通过电位器R5的分压功能实现，所述加热温度设定旋钮通过电位器R3的分压功能实现，所述电源开关由双刀开关和快熔保险丝F1组成。所述电源模块包括1台AC220-AC36V变压器T1、两只桥式整流模块B1和B2、1只DC36V-DC5V的DC/DC模块以及4只滤波电容，电源模块提供DC220V、DC36V和DC5V电源；所述DC220V电源供给电加热板；所述DC36V电源供给电磁铁；所述DC5V电源供给控制系统。

本发明智能加热搅拌器及其控制方法与现有类似技术相比较，具有如下优点：采用H桥电路直接控制线圈产生旋转磁场，不需结构及控制方式复杂的电机来驱动永磁体或电磁铁的旋转产生旋转磁场，不需结构复杂的机械装置；集成了温度和功率可控的加热装置，进行化学实验时不需额外的加热装置；采用智能H桥驱动电路及智能功率模块，比普通的继电器及分立元件组成的控制电路体积更小、电磁噪声更小、可靠性更高、控制方式更灵活；采用单片机作为主控制芯片，使得操作及控制实现智能化。

附图说明

图1是本发明智能加热搅拌器的工作原理图；

图2是本发明中永磁搅拌器的结构示意图，包括两种结构；

图3是本发明中产生旋转磁场的电磁铁结构图；

图4是本发明中智能控制器的电路原理图；

图5是本发明中电磁铁的控制电路原理图。

下面是本发明说明书附图中主要附图标记的说明：

1——反应混合物                        2——电加热板

3——石棉填充物                        4——线圈

5——陶瓷连接体                        6——实验器皿

7——上支撑杆                          8——PT100铂电阻温度传感器

9——搅拌叶轮                          10——下支撑杆

11——连接导线                         12——搅拌速度调节旋钮

13——搅拌模式选择旋钮                 14——加热功率调节旋钮

17——液晶显示屏

21——永磁体                           22——搅拌叶轮

23——永磁搅拌器4磁体实现方案          24——永磁搅拌器单磁体实现方案

31——铁芯                             32——线圈

33——AB线圈绕线方式示意               34——CD线圈绕线方式示意

35——电磁铁正视图示意                 36——电磁铁俯视图示意

40——控制电磁铁的H桥电路原理图        41——电加热板驱动控制电路原理图

42——中央控制单片机连接示意图         43——液晶显示模块连接示意图

44——温度测量信号采集电路原理图       45——电源模块电路原理图

46——加热温度设定电路原理图           47——搅拌速度调节原理图

48——加热功率调节电路原理图           49——搅拌模式选择电路原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明智能加热搅拌器及其控制方法做进一步详细描述。

如图1所示，本发明智能加热搅拌器包括永磁搅拌器、驱动及加热装置、智能控制器、温度传感器；所述永磁搅拌器的4块永磁体与驱动装置的电磁铁相对，当驱动装置的电磁铁产生的磁场转动时，永磁搅拌器会随之转动；所述电磁铁由两个镶嵌在一起的U形铁芯缠绕线圈组成，如图3所示，两组线圈完全独立。

所述旋转磁场产生方式：1)当两组线圈都没有电流时，电磁铁没有磁性；2)当有电流由A流向B时产生磁场A端为S极B端为N极；3)当有电流由B流向A时产生磁场A端为N极B端为S极；4)当有电流由C流向D时产生磁场C端为N极D端为S极；5)当有电流由D流向C时产生磁场C端为S极D端为N极；如图5所示：当K1、K4导通，K2、K3截止时，线圈AB有从A到B的电流，符合上述2)的情况；当K2、K3导通，K1、K4截止时，线圈AB有从B到A的电流，符合上述3)的情况；当K5、K8导通，K6、K7截止时，线圈CD有从C到D的电流，符合上述4)的情况；当K6、K7导通，K5、K8截止时，线圈CD有从D到C的电流，符合上述5)的情况；图4中中央控制单片机PIC16F876通过软件编程实现对智能型H桥驱动电路U4和U5中功率器件K1～K8的控制，如果线圈中的电流变化顺序为：AB—>CD—>BA—>DC—>AB...，电磁铁产生的磁场就按照逆时针方向旋转，相反，如果线圈中电流变化顺序为：AB—>DC—>BA—>CD—>AB...，电磁铁产生的磁场就按照顺时针方向旋转；电流方向变化速度决定磁场旋转速度，正常状况(速度较慢、被搅拌混合物黏度不是很大)下，永磁搅拌器会同步跟随磁场的旋转而旋转，如果搅拌速度太快并且被搅拌混合物黏度较大时可能会出现永磁搅拌器旋转速度低于磁场旋转速度的现象，即出现丢转现象。因此混合物黏度较大时应当降低搅拌速度。为了保护功率器件，中央控制单片机会随时监测功率器件的电流，一旦电流过大，会自动降低搅拌速度并报警，直到操作人员干预，手动降低搅拌速度。

如图4所示，本发明中的加热装置即电加热板由智能功率器件U3控制，当功率器件导通时，电加热板通电工作，功率器件截止时，电加热板断电停止工作。由中央控制单片机PIC16F876给功率器件的控制端发一个频率确定的周期性脉冲信号，功率器件就工作在开关状态，通过调整脉冲信号的占空比就可以控制电加热板的平均发热功率，从而实现功率调节功能。

本发明智能加热搅拌器中加热温度的控制方法：旋转加热温度设定旋钮改变电位器R3中间抽头位置从而改变Temp端的电压，该电压唯一对应于设定温度，中央控制单片机测得电压值换算成温度值，然后与温度传感器测量的温度进行比较，通过改变加热功率使得两个温度一致，从而实现对温度的控制。

本发明中搅拌模式选择：共有4种搅拌模式可供选择，即：匀速正转、匀速逆转、正反转、间歇转；所述匀速正转在Mode端测到R6和R10分压值时被选定，永磁搅拌器按照俯视顺时针方向旋转；所述匀速逆正转在Mode端测到R7和R10分压值时被选定，永磁搅拌器按照俯视逆时针方向旋转；所述正反转在Mode端测到R8和R10分压值时被选定，永磁搅拌器正转5秒钟停止1秒钟，然后再逆转5秒钟停止1秒钟，然后再正转5秒钟，如此反复；所述间歇转在Mode端测到R9和R10分压值时被选定，永磁搅拌器正转10秒钟停止10秒钟，然后再正转10秒钟，如此反复。

本发明中加热功率调节在不接入温度传感器时有效，接入温度传感器自动停止该功能；所述加热功率调节范围为0～500W，旋转加热功率调节旋钮改变电位器R5中间抽头位置从而改变Power端的分压值，中央控制单片机测得电压值并换算成对应功率，然后调整U3控制信号的占空比从而实现功率调节。

本发明中搅拌速度调节范围为0～100转/分，通过旋转搅拌速度调节旋钮改变电位器R4中心抽头位置从而改变Speed端的分压值来实现，中央控制单片机测得电压值并换算成对应的速度值，然后通过调整磁场旋转速度达到要求的搅拌速度；如果出现被搅拌混合物黏度过高，同时设定搅拌速度较高时，系统会自动降低搅拌速度。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种智能加热搅拌器，其特征在于，包括永磁搅拌器、驱动及加热装置和智能控制器；

所述永磁搅拌器包括采用1块柱形永磁体和采用4块扇环永磁体两种形式，其具体形状及结构可以根据实际需要改变；

所述驱动及加热装置只在结构类型和组合方式方面做出限定，具体的线圈功率以及实现的结构尺寸可根据需要设计；

所述智能控制器包括中央控制单片机、电磁铁的控制驱动电路、加热板控制电路、温度传感器信号采集电路、显示屏、控制旋钮、电源模块。

2.根据权利要求1所述的智能加热搅拌器，其中，所述电磁铁的控制驱动电路由智能型H桥电路U4和U5组成；所述加热板控制电路智能型功率器件U3组成；所述智能控制器的核心控制部件为符合工业应用要求的8位单片机，本发明示例机型为PIC16F876；所述温度传感器信号采集电路由电阻R1和R2、电容C1以及运算放大器U2组成；所述显示屏由128×64点阵式液晶显示模块组成；所述控制旋钮由4个外部旋钮和电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9组成；所述电源模块由电源开关、保险管F1、变压器T1、整流桥B1和B2、DC-DC模块U2、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5组成。

3.对权利要求1所述的智能加热搅拌器进行控制的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的智能控制器和驱动及加热装置，产生旋转磁场带动永磁搅拌器旋转，同时进行温度可控的加热操作。

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