CN2907888Y - 一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于它是由基于半导体制冷技术的温度控制器、信号调理器与计算机及软件控制系统所构成。本实用新型的优越性在于：1.是化学、机械、自动控制、计算机等多学科的交叉，完成了实验项目的集成和测试仪器的集成；2.改善了大学物理化学的实验条件，可以精确的测量实验数据；3.采用双层制冷片叠加的方法，有效地增加了冷热面的实际温差，降低了对热面冷却水的温度的要求，使得制冷的能力得到提高；4.成本显著降低，为今后物理化学实验室的发展开拓了一条新的思路。

Description

一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置

(一)技术领域：

本实用新型属于实验用自动化控制技术，特别是涉及将虚拟仪器技术、半导体制冷、信号调理、数据分析等用于物理化学实验系统的技术集成为多种分析测试仪器并完成多种大学物理化学实验的物理化学实验装置。

(二)背景技术：

虚拟仪器(Virtual Instruments VI)技术的开发和应用源于1986年美国NI(National Instruments)公司设计的LabVIEW软件，它是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了VI的概念。把计算机强大的计算处理数据能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，不仅大大缩小了硬件测控仪器的成本和体积，而且实现对数据的显示、存储以及分析处理。目前，国外许多大学及研究机构都已经尝试将虚拟仪器应用到科学实验、工程控制和实验教学中。可见虚拟仪器技术是一个极有发展前途的技术。在大学物理化学实验过程中，通过各种传感器，需要对各项参数(温度、压力、流量、流速、含量、液位等)进行多路采集、记录、分析、处理并推导出结果。目前物理化学实验过程中对其各项参数的测量一般都是用传统的仪表或较为先进的智能仪表进行逐点实际测量，如需同时采集多路数据参数并进行其相应的反馈控制是比较困难的，特别是需要进行协调复杂的测控，就传统仪器实现起来显然是比较困难，而基于虚拟仪器技术却能很好地、精确地完成此工作。

在目前物理化学实验过程中，各个实验都是用相对独立的一套实验装置，测试手段也比较落后，如温度测量一般采用传统的玻璃温度计，或高精度的贝克曼温度计，实验过程中需要学生经常观察并记录其读数，特别是需要快速并长期对实验中温度数据进行记录的实验中，影响了对实验现象本身的观察，从而影响了实验效果。另外，实验手段也多为传统的手段，每个实验一般使用相对独立的实验仪器，仪器之间是没有任何数据通讯功能的，学生手工记录实验数据，然后作图进行数据分析得出实验结果。由于是人工测量记录实验数据，使得实验数据的精度和可靠性都不能保证，从而影响实验结果。

(三)发明内容：

本实用新型的目的在于设计一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，它是利用计算机及其在处理数字信息方面的先进技术，并引入了虚拟仪器的概念，结合物理化学实验本身的特点，对一系列物理化学实验，如化学反应、如BZ振荡实验、溶解热测定实验、燃烧热测定、中和热测定实验、电动势-pH关系实验、凝固点降低测定实验、液体表面张力测定、恒温槽特性实验、极化曲线测定、电位滴定实验等，实现了对多路各种类型模拟量的信号采集处理及对实验过程中的各种参数进行实时监测和精确控制。

本实用新型的技术方案：一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于它是由基于半导体制冷技术的温度控制器、信号调理器与计算机及软件控制系统所构成，与计算机软件控制系统连接有信号调理器并通过485总线的方式连接温度控制器；所说的信号调理器是由等诸多信号端口及内部电路所构成，信号调理器通过68芯屏蔽电缆与计算机中的采集卡相连接，信号调理器通过4芯屏蔽电缆与温度控制器连接，蠕动泵与信号调理器控制端口相连接，电子天平通过232连接线与计算机串口相连接；所说的温度控制器是由电路控制部分及由电路控制部分控制的制冷制热部分所构成。

上述所说的基于半导体制冷技术的温度控制器中的制冷制热部分是由铜制恒温槽、冷却水套、半导体制冷片、冷却水套进出水口、电加热棒、循环泵、内循环阀门、外循环出水阀门、外循环进水阀门、冷却水进、出水阀门所构成，铜制恒温槽的两侧外有半导体制冷片，铜制恒温槽的内底部装有电加热棒，铜制恒温槽的底部出水口依管路与循环泵的进水口连接，铜制恒温槽的上部出水口依并联管路一方面通过内循环阀门与循环泵的出水口连接，另一方面与外循环进水阀门连接，循环泵的出水口与外循环出水阀门连接，铜制恒温槽外的半导体制冷片外部还有供散热用的冷却水套，冷却水套上有冷却水套进出水口，冷却水套进出水口分别安装冷却水进、出水阀门。

上述所说的温度控制器中的半导体制冷片采用双层叠加结构形式。

上述所说的铜制恒温槽的上部留有溢流口。

上述所说的供散热用的冷却水套外部装有具有限温作用的温度继电器，温度继电器与半导体制冷片供电电源的控制端相连接。

上述所说的信号调理器包括与信号调理器连接的采集温度传感器、霍耳电磁传感器、pH值传感器、离子电极、承重传感器、微压差传感器、微型蠕动泵、电机搅拌装置及温度控制装置，其中采集温度传感器、霍耳电磁传感器、pH值传感器、承重传感器、电压、电流测量探头，所说的微型蠕动泵、电机搅拌装置及温度控制器与信号调理器的控制输出端相连接。

上述所说的信号调理器的内部电路是由主板电路和功能板电路两部分所组成，所涉及的主板电路采用五组独立的稳压开关模块电路，采用信号并行的总线方式分别连接五组48针接口，采用五组电压保持电路以及与其配合的接口电路，扩展了D/A输出接口的数量，提供五路D/A输出，所涉及的主板电路孩提供四组9针接口，提供了两路蠕动泵以及两路可扩展的带有多路IO接口的控制9针端口；所涉及功能板电路包括温度测量电路、pH值测量电路、称重-微压差测量电路、电位差计测量电路、电压测量电路、电流测量电路以及转速测量电路，上述所涉及测量电路由恒流源电路、低燥声放大器、低通滤波器、基准电压源组成；高输入阻抗放大器(阻抗大于10¹⁵Ω以上)、电子开关、电压衰减阻尼电路放大器、嵌位电路以及电压比较电路组成，所有这些电路的放大倍率是由来自计算机采集卡的IO通讯口所控制的继电器来完成；功能板各放大器输出端口经过CD4066所组成大电子开关与采集卡A/D模拟采集口相连，控制其通断。

上述所说的连接有信号调理器并通过485总线方式连接温度控制器的计算机及软件控制系统包括由PC机、P4-2.8G的中央处理器、256兆内存、80G硬盘及Geforce-4显示卡构成的计算机硬件系统和使用由利用美国NI公司的LabVIEW软件进行编程的软件构成的与硬件相配合的虚拟仪器软件。

上述所说的由信号调理器通过计算机及软件控制系统中的LabVIEW控制软件生成不同功能的控制界面。

本实用新型的工作过程与工作原理为：本实验系统有三个部分组成：1.基于半导体制冷技术的温度控制装置；2.信号调理器；3.计算机及物理化学实验控制软件。

作为全新的物理化学实验系统，是计算机技术、软件技术、制冷技术、物理化学实验技术、自动控制技术等多学科交叉的产物，集成了精密温度计，pH酸度计、电位差计、电子天平、液体密度比重仪、物质水分测定仪、表面张力计、电位滴定仪、恒电位仪、万用电表等多种实验室常规仪器，这些常规仪器和传统仪器在测量数据方面是一样的，但所有的功能操作是通过计算机屏幕的软控制面板来执行的，仪器的数据处理功能也是通过软件来完成的，这样所有的仪器功能都是由编程人员来定义的，完全可以实现高级测量仪器所具备的测量数据和分析数据的功能，同时，由于这些仪器都是在同一个应用平台运行，所以有着很强的相互关联性，很容易进行仪器间的数据通讯，根据使用者的需要非常易于组成新的仪器测量和控制系统。同时由于是计算机实时记录数据，可以方便地进行数据保存，这是常规仪器所不能比拟的。

所说的化学反应器恒温槽中使用的热面散热方式为水冷的方式。恒温槽中的传热流体通过开于其底部的以及侧壁孔，通过管路、恒温槽循环泵形成循环回路，起到充分混合恒温槽内流体的作用，使恒温槽内流体的温差减小。

半导体制冷系统，由温度控制器内的数字开关直流电源供电，根据化学反应所需条件，由智能仪表或计算机发出指令，控制制冷工作电压为直流0～14V可调。同时当半导体制冷组件的热面温度高于设定保护温度上限70℃时，热保护继电器打开，数字直流电源停止工作，保护制冷组件。

作为物理化学实验，能否提供测量所需精确温度场直接对测量结果产生重要的影响，为达到精确控温的目的，除进行精确控制的电加热外，还需采用相应冷源进行温度调节，得到低于室温+5℃的温度场。目前许多科研实验中用到的低温化学反应器一般多是采用冰盐浴和氟制冷剂来达到制冷目的，前者有着不能精确控制反应器温度条件的缺点，操作上很不方便；后者虽然在操作上和控温方面有所改善，但在环境保护方面存在着氟制冷剂污染环境的问题和制冷速度慢的缺点。半导体制冷技术是近年来随着半导体技术的不断发展和完善而发展起来的一项新型的制冷技术，具有制冷迅速快，无噪音、无污染，可实现实时的制冷是一项绿色制冷技术，由于半导体制冷技术的本身的特点，所以很容易实现PID控制得到精确的温度控制效果，是今后制冷技术发展的方向。

信号调理器是各种传感器和计算机采集系统间的桥梁。信号调理器主要实现各种传感器馈送来的微弱信号的调理作以及对实验系统执行器的输出控制功能，内部有放大电路、高阻抗放大器、可变增益放大器、低通滤波器、电子功能开关等。可实现温度、压力、流量、电位、电动势、pH值、电导率、重量等物理量的测量。其内部电路结构是采用基于测试信号的总线结构方式，根据用户需求可以方便的更换各功能板，实现各种信号的采集测试功能，便于今后的推广和功能的扩展。通过与计算机相连的屏蔽电缆将条理的个标准信号馈送给计算机，实现测试信号条理功能。

本实验系统可以完成多项大学物理化学实验如：BZ振荡实验溶解热测定实验、燃烧热测定、中和热测定实验、电动势-pH关系实验、凝固点降低测定实验、液体表面张力测定、恒温槽特性实验、极化曲线测定、电位滴定实验等。在物理化学实验系统软操作界面上，可以完成温度进程的设定、确定实验终点、记录实验数据、分析处理实验数据、存盘、打印、网络数据传送等。还可以实施各种控制方法如：PID控制、模糊控制以及预测控制等。

本实用新型的优越性在于：1、是化学、机械、自动控制、计算机等多学科的交叉，基成了多种物理化学实验以及各种参数的测控于一体，改善了大学物理化学的实验条件，可以精确的测量实验数据，可重复性好，避免人为操作失误；2、该工作系统经过适当的改进，可广泛应用于化工，制药，高分子材料和精细化工行业及高校的科研实验；3、该工作系统完成了实验项目的集成和测试仪器的集成，使得实验及测试设备的综合成本显著降低，真正实现了“把实验室拎着走”的概念，为今后物理化学实验室的发展开拓了一条新的思路；4、本实用新型的温度控制器采用双层制冷片叠加的方法，有效地增加了冷热面的实际温差，降低了对热面冷却水的温度的要求，使得制冷的能力得到提高；5、由于有制冷系统的存在，可以完成许多低温的物性数据的测量，拓宽了物理化学实验的测试范围，使得平时的低温测量变得非常方便，特别是计算机控制技术的应用，同时配合各种智能控制算法可以实现动态温度控制精度小于0.05摄氏度静态恒温控制小于0.02摄氏度，使得动态温度的测量精度得到有效提高；6、该工作系统还具有提供低温反应(-30℃)的条件。

(四)附图说明：

附图1为本实用新型所涉一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置的整体结构示意图。

其中：1.温度控制器  2.信号调理器  3.计算机及软件控制系统  4.搅拌电机  5.电子天平  6.蠕动泵  7、8电压、电流测量探头  9、10电动势测量探头  11.pH电极  12.离子电极  13.霍尔转速传感器  14.称重及压差传感器  15、16.温度传感器  17.微压差传感  18为4芯屏蔽电缆191-为485连接线  20为232连接线  21为68芯屏蔽电缆；

附图2为本实用新型所涉一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置中的温度控制器制冷及加热系统示意图。

其中：1-1.铜制恒温槽  1-2冷却水套进出水口  1-3.半导体制冷片1-4.冷却水套  1-5.电加热棒  1-6.循环泵  1-7.内循环阀门  1-8.外循环出水阀门  1-9.外循环进水阀门  1-10、1-11.冷却水进出水阀门  1-12为铜制恒温槽1-1的上部的溢流口。

图3为本实用新型所涉一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置中的信号调理器电路模块图。

图4为本实用新型所涉一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置中的信号调理器的具体单元电路图(其中：4-1为高输入阻抗放大电路，4-2为差动放大电路，4-3为基准电压源，4-4为功能转换电路，4-5为恒流源电路，4-6为低通滤波器，4-7为电压保持电路)。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置(见图1-4)，其特征在于它是由基于半导体制冷技术的温度控制器1、信号调理器2与计算机及软件控制系统3所构成，与计算机软件控制系统3连接有信号调理器2并通过485总线19的方式连接温度控制器1；所说的信号调理器2是由6-17的诸多信号端口及内部电路所构成，信号调理器2通过68芯屏蔽电缆20与计算机中的采集卡相连接，信号调理器2通过4芯屏蔽电缆与温度控制器连接，蠕动泵6与信号调理器2控制端口相连接，电子天平5通过232连接线与计算机串口相连接(见图1)；所说的温度控制器1是由电路控制部分及由电路控制部分控制的制冷制热部分所构成。

上述所说的基于半导体制冷技术的温度控制器1中的制冷制热部分(见图2)是由铜制恒温槽1-1、冷却水套1-4、半导体制冷片1-3、冷却水套进出水口1-2、电加热棒1-5、循环泵1-6、内循环阀门1-7、外循环出水阀门1-8、外循环进水阀门1-9、冷却水进出水阀门1-10及1-11所构成，铜制恒温槽1-1的两侧外有半导体制冷片1-3，铜制恒温槽1-1的内底部装有电加热棒1-5，铜制恒温槽1-1的底部出水口依管路与循环泵1-6的进水口连接，铜制恒温槽1-1的上部出水口依并联管路一方面通过内循环阀门1-7与循环泵1-6的出水口连接，另一方面与外循环进水阀门1-9连接，循环泵1-6的出水口与外循环出水阀门1-8连接，铜制恒温槽1-1外的半导体制冷片1-3外部还有供散热用的冷却水套1-4，冷却水套1-4上有冷却水套进出水口1-2，冷却水套进出水口1-2分别安装冷却水进出水阀门1-10及1-11。

上述所说的温度控制器1中的半导体制冷片1-3采用双层叠加结构形式。

上述所说的铜制恒温槽1-1的上部留有溢流口1-12。

上述所说的供散热用的冷却水套1-4外部装有具有限温作用的温度继电器，温度继电器与半导体制冷片1-3供电电源的控制端相连接。

上述所说的信号调理器2包括与信号调理器2连接的采集温度传感器16、霍耳电磁传感器13、pH值传感器11、离子电极12、承重传感器5、微压差传感器17、微型蠕动泵6、电机搅拌装置4及温度控制装置，其中采集温度传感器16、霍耳电磁传感器13、pH值传感器11、承重传感器14、电压、电流测量探头7与8，所说的微型蠕动泵6、电机搅拌装置4及温度控制器1与信号调理器2的控制输出端相连接。

上述所说的信号调理器2的内部电路是由主板电路和功能板电路两部分所组成，所涉及的主板电路采用五组独立的稳压开关模块电路，采用信号并行的总线方式分别连接5组48针接口，采用5组电压保持电路以及与其配合的接口电路，扩展了D/A输出接口的数量，提供5路D/A输出，所涉及的主板电路孩提供4组9针接口，提供了两路蠕动泵以及两路可扩展的带有多路IO接口的控制9针端口；所涉及功能板电路包括温度测量电路、pH值测量电路、称重-微压差测量电路、电位差计测量电路、电压测量电路、电流测量电路以及转速测量电路，上述所涉及测量电路由恒流源电路、低燥声放大器、低通滤波器、基准电压源组成；高输入阻抗放大器(阻抗大于10¹⁵Ω以上)、电子开关以、电压衰减阻尼电路放大器、嵌位电路以及电压比较电路组成，所有这些电路的放大倍率是由来自计算机采集卡的IO通讯口所控制的继电器来完成；功能板各放大器输出端口经过CD4066所组成大电子开关与采集卡A/D模拟采集口相连，控制其通断(见图3和图4)。

上述所说的连接有信号调理器2并通过485总线方式连接温度控制器1的计算机及软件控制系统3包括由PC机、P4-2.8G的中央处理器、256兆内存、80G硬盘及Geforce-4显示卡构成的计算机硬件系统和使用由利用美国NI公司的LabVIEW软件进行编程的软件构成的与硬件相配合的虚拟仪器软件。

上述所说的由信号调理器2通过计算机及软件控制系统3中的LabVIEW控制软件生成不同功能的控制界面。

上述所说的物理化学实验系统中的电路部分采用的是公知单元电路的组合，图4中提供了部分公知单元电路的例图。

Claims (7)

1、一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于它是由基于半导体制冷技术的温度控制器、信号调理器与计算机及软件控制系统所构成，与计算机软件控制系统连接有信号调理器并通过485总线的方式连接温度控制器；所说的信号调理器是由等诸多信号端口及内部电路所构成，信号调理器通过68芯屏蔽电缆与计算机中的采集卡相连接，信号调理器通过4芯屏蔽电缆与温度控制器连接，蠕动泵与信号调理器控制端口相连接，电子天平通过232连接线与计算机串口相连接；所说的温度控制器是由电路控制部分及由电路控制部分控制的制冷制热部分所构成。

2、根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于所说的基于半导体制冷技术的温度控制器中的制冷制热部分是由铜制恒温槽、冷却水套、半导体制冷片、冷却水套进出水口、电加热棒、循环泵、内循环阀门、外循环出水阀门、外循环进水阀门、冷却水进、出水阀门所构成，铜制恒温槽的两侧外有半导体制冷片，铜制恒温槽的内底部装有电加热棒，铜制恒温槽的底部出水口依管路与循环泵的进水口连接，铜制恒温槽的上部出水口依并联管路一方面通过内循环阀门与循环泵的出水口连接，另一方面与外循环进水阀门连接，循环泵的出水口与外循环出水阀门连接，铜制恒温槽外的半导体制冷片外部还有供散热用的冷却水套，冷却水套上有冷却水套进出水口，冷却水套进出水口分别安装冷却水进、出水阀门。

3、根据权利要求2所说的一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于所说的温度控制器中的半导体制冷片采用双层叠加结构形式。

4、根据权利要求2所说的一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于所说的铜制恒温槽的上部留有溢流口。

5、根据权利要求2所说的一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于所说的供散热用的冷却水套外部装有具有限温作用的温度继电器，温度继电器与半导体制冷片供电电源的控制端相连接。

6、根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于所说的信号调理器包括与信号调理器连接的采集温度传感器、霍耳电磁传感器、pH值传感器、离子电极、承重传感器、微压差传感器、微型蠕动泵、电机搅拌装置及温度控制装置，其中采集温度传感器、霍耳电磁传感器、pH值传感器、承重传感器、电压、电流测量探头，所说的微型蠕动泵、电机搅拌装置及温度控制器与信号调理器的控制输出端相连接。

7、根据权利要求1所说的一种基于虚拟仪器控制技术的物理化学实验装置，其特征在于所说的信号调理器的内部电路是由主板电路和功能板电路两部分所组成，所涉及的主板电路采用五组独立的稳压开关模块电路，采用信号并行的总线方式分别连接5组48针接口，采用5组电压保持电路以及与其配合的接口电路，扩展了D/A输出接口的数量，提供5路D/A输出，所涉及的主板电路孩提供4组9针接口，提供了两路蠕动泵以及两路可扩展的带有多路IO接口的控制9针端口；所涉及功能板电路包括温度测量电路、pH值测量电路、称重-微压差测量电路、电位差计测量电路、电压测量电路、电流测量电路以及转速测量电路，上述所涉及测量电路由恒流源电路、低燥声放大器、低通滤波器、基准电压源组成；高输入阻抗放大器、电子开关、电压衰减阻尼电路放大器、嵌位电路以及电压比较电路组成，所有这些电路的放大倍率是由来自计算机采集卡的IO通讯口所控制的继电器来完成；功能板各放大器输出端口经过CD4066所组成大电子开关与采集卡A/D模拟采集口相连，控制其通断。

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