專利名稱：智能加熱攪拌器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能加熱攪拌器及其控制方法，應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域需要加熱和攪拌的實驗，特別是存在危險及在密封容器中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)實驗。
背景技術(shù)：
加熱和攪拌是化學(xué)實驗中為了加快反應(yīng)進(jìn)程采取的兩種常用方法。目前，普通的實現(xiàn)方法是底部加熱，頂部攪拌。而最簡單的攪拌做法是手持玻璃棒攪拌。在通常情況下，以上方法可以滿足需要，但是如果出現(xiàn)以下情況則難以滿足需要1)反應(yīng)劇烈，可能有液體飛濺出來燒傷實驗人員；2)反應(yīng)過程中伴隨有毒氣體析出，實驗人員過分靠近有中毒的危險；3)實驗要求在密封條件下進(jìn)行。
為滿足出現(xiàn)以上三種情況時的試驗要求，有人研制出了電動攪拌裝置。其中一種是在實驗器皿上安裝一個帶有電動攪拌軸的頂蓋，該裝置可以使實驗人員在不靠近試驗裝置的情況對反應(yīng)物進(jìn)行攪拌，同時又能防止反應(yīng)物飛濺，但是該裝置裝有軸承，難以密封，而且如果反應(yīng)中如果有腐蝕性氣體析出，很容易對裝置造成損壞。另一種是采用磁傳動，基本上是將化工廠的磁力攪拌器縮小后應(yīng)用于化學(xué)實驗。該裝置克服了普通電動攪拌器的缺點，完全可以滿足以上三種情況下進(jìn)行化學(xué)實驗的需求。但該裝置體積偏大(有一臺驅(qū)動電機(jī))，價格偏高，不易推廣，而且多采用頂部驅(qū)動，不易與普通反應(yīng)器皿配套，通用性差。通常只在一些特殊實驗室的某些特定實驗裝置上配套。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于普及的磁傳動攪拌器。由于采用旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動代替電機(jī)驅(qū)動，控制易于實現(xiàn)，控制器成本降低。本發(fā)明不僅具備普通的磁傳動攪拌器的功能，而且具有加熱功能，為化學(xué)實驗帶來更多方便。更為重要的一點由于采用底部驅(qū)動，因此對實驗器皿沒有特殊要求，同一套裝置與多種實驗器皿配套，可以避免實驗室重復(fù)投資。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明智能加熱攪拌器包括永磁攪拌器、驅(qū)動及加熱裝置和智能控制器(在溫度要求精確的情況下可以選裝溫度傳感器)；所述永磁攪拌器由聚四氟乙烯葉輪及鑲嵌在其中的永磁體組成，在攪拌速度要求不是很精確，被攪拌混合物黏度不是很高時，采用1塊柱形永磁體，否則采用4塊扇環(huán)永磁體，對于加熱溫度不超過150℃的情況永磁體采用釹鐵硼材料，在不超過250℃的情況下永磁體采用釤鈷合金材料，溫度超過250℃時不宜采用本發(fā)明裝置，所述永磁攪拌器還包括用來支撐和限位的上下支撐桿，支撐桿的長度可調(diào)；所述驅(qū)動及加熱裝置由用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的電磁鐵和平板形電加熱板組成，二者用陶瓷材料連接，并且在中央填充用來隔熱的石棉材料；所述電磁鐵由兩個相互交叉互相嵌入的U形鐵芯和纏繞的線圈AB、CD組成；所述智能控制器為本發(fā)明的核心控制部件，由中央控制單片機(jī)、電磁鐵的控制驅(qū)動電路、加熱板控制電路、溫度傳感器信號采集電路、顯示屏、控制旋鈕、電源模塊組成；所述中央控制單片機(jī)為美國微芯公司的PIC16F876，負(fù)責(zé)控制電磁鐵的控制驅(qū)動電路、加熱板控制電路以及顯示屏，采集溫度傳感器信號采集電路采集到的溫度信號和控制旋鈕的控制信號；所述電磁鐵的控制驅(qū)動電路由兩個智能型H橋驅(qū)動電路組成，最大可以輸出10A電流，所述每個智能型H橋驅(qū)動電路包括4只功率器件及其驅(qū)動保護(hù)電路，中央控制單片機(jī)通過控制K1～K8來控制8只功率器件的導(dǎo)通狀態(tài)，從而到達(dá)對通過線圈AB和CD電流的控制；所述加熱板控制電路由智能功率模塊組成，所述智能功率模塊集成了功率器件及其驅(qū)動保護(hù)電路，直接由中央控制單片機(jī)通過Heat控制端控制；所述顯示屏為128×64點陣式液晶顯示模塊，用來顯示攪拌速度、攪拌模式、加熱功率、反應(yīng)物溫度等信息，所述液晶顯示模塊通過串行口與中央控制單片機(jī)進(jìn)行通訊；所述溫度傳感器采用精度為±0.5℃的PT100鉑電阻溫度傳感器，用來測量反應(yīng)物的溫度；所述溫度傳感器信號采集電路由電阻R1和R2、電容C1以及運算放大器U2組成，PT100鉑電阻溫度傳感器兩端的電壓經(jīng)運算放大器輸出到中央控制單片機(jī)，由中央控制單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器測量運算得到溫度值；所述控制旋鈕由攪拌速度調(diào)節(jié)旋鈕、攪拌模式選擇旋鈕、加熱功率調(diào)節(jié)旋鈕、加熱溫度設(shè)定旋鈕以及電源開關(guān)組成，所述攪拌速度調(diào)節(jié)旋鈕通過電位器R4的分壓功能實現(xiàn)，所述攪拌模式選擇旋鈕由多選開關(guān)和電阻R6、R7、R8、R9、R10組成，通過不同的分壓值確定選擇的模式，所述加熱功率調(diào)節(jié)旋鈕通過電位器R5的分壓功能實現(xiàn)，所述加熱溫度設(shè)定旋鈕通過電位器R3的分壓功能實現(xiàn)，所述電源開關(guān)由雙刀開關(guān)和快熔保險絲F1組成。所述電源模塊包括1臺AC220-AC36V變壓器T1、兩只橋式整流模塊B1和B2、1只DC36V-DC5V的DC/DC模塊以及4只濾波電容，電源模塊提供DC220V、DC36V和DC5V電源；所述DC220V電源供給電加熱板；所述DC36V電源供給電磁鐵；所述DC5V電源供給控制系統(tǒng)。
本發(fā)明智能加熱攪拌器及其控制方法與現(xiàn)有類似技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點采用H橋電路直接控制線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，不需結(jié)構(gòu)及控制方式復(fù)雜的電機(jī)來驅(qū)動永磁體或電磁鐵的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，不需結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械裝置；集成了溫度和功率可控的加熱裝置，進(jìn)行化學(xué)實驗時不需額外的加熱裝置；采用智能H橋驅(qū)動電路及智能功率模塊，比普通的繼電器及分立元件組成的控制電路體積更小、電磁噪聲更小、可靠性更高、控制方式更靈活；采用單片機(jī)作為主控制芯片，使得操作及控制實現(xiàn)智能化。


圖1是本發(fā)明智能加熱攪拌器的工作原理圖；圖2是本發(fā)明中永磁攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括兩種結(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的電磁鐵結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明中智能控制器的電路原理圖；圖5是本發(fā)明中電磁鐵的控制電路原理圖。
下面是本發(fā)明說明書附圖中主要附圖標(biāo)記的說明1——反應(yīng)混合物2——電加熱板3——石棉填充物4——線圈5——陶瓷連接體6——實驗器皿7——上支撐桿 8——PT100鉑電阻溫度傳感器9——攪拌葉輪 10——下支撐桿11——連接導(dǎo)線 12——攪拌速度調(diào)節(jié)旋鈕13——攪拌模式選擇旋鈕 14——加熱功率調(diào)節(jié)旋鈕17——液晶顯示屏21——永磁體 22——攪拌葉輪23——永磁攪拌器4磁體實現(xiàn)方案 24——永磁攪拌器單磁體實現(xiàn)方案31——鐵芯 32——線圈33——AB線圈繞線方式示意 34——CD線圈繞線方式示意35——電磁鐵正視圖示意 36——電磁鐵俯視圖示意40——控制電磁鐵的H橋電路原理圖41——電加熱板驅(qū)動控制電路原理圖42——中央控制單片機(jī)連接示意圖 43——液晶顯示模塊連接示意圖44——溫度測量信號采集電路原理圖 45——電源模塊電路原理圖46——加熱溫度設(shè)定電路原理圖 47——攪拌速度調(diào)節(jié)原理圖48——加熱功率調(diào)節(jié)電路原理圖 49——攪拌模式選擇電路原理圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明智能加熱攪拌器及其控制方法做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1所示，本發(fā)明智能加熱攪拌器包括永磁攪拌器、驅(qū)動及加熱裝置、智能控制器、溫度傳感器；所述永磁攪拌器的4塊永磁體與驅(qū)動裝置的電磁鐵相對，當(dāng)驅(qū)動裝置的電磁鐵產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)動時，永磁攪拌器會隨之轉(zhuǎn)動；所述電磁鐵由兩個鑲嵌在一起的U形鐵芯纏繞線圈組成，如圖3所示，兩組線圈完全獨立。
所述旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生方式1)當(dāng)兩組線圈都沒有電流時，電磁鐵沒有磁性；2)當(dāng)有電流由A流向B時產(chǎn)生磁場A端為S極B端為N極；3)當(dāng)有電流由B流向A時產(chǎn)生磁場A端為N極B端為S極；4)當(dāng)有電流由C流向D時產(chǎn)生磁場C端為N極D端為S極；5)當(dāng)有電流由D流向C時產(chǎn)生磁場C端為S極D端為N極；如圖5所示當(dāng)K1、K4導(dǎo)通，K2、K3截止時，線圈AB有從A到B的電流，符合上述2)的情況；當(dāng)K2、K3導(dǎo)通，K1、K4截止時，線圈AB有從B到A的電流，符合上述3)的情況；當(dāng)K5、K8導(dǎo)通，K6、K7截止時，線圈CD有從C到D的電流，符合上述4)的情況；當(dāng)K6、K7導(dǎo)通，K5、K8截止時，線圈CD有從D到C的電流，符合上述5)的情況；圖4中中央控制單片機(jī)PIC16F876通過軟件編程實現(xiàn)對智能型H橋驅(qū)動電路U4和U5中功率器件K1～K8的控制，如果線圈中的電流變化順序為AB—>CD—>BA—>DC—>AB...，電磁鐵產(chǎn)生的磁場就按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，相反，如果線圈中電流變化順序為AB—>DC—>BA—>CD—>AB...，電磁鐵產(chǎn)生的磁場就按照順時針方向旋轉(zhuǎn)；電流方向變化速度決定磁場旋轉(zhuǎn)速度，正常狀況(速度較慢、被攪拌混合物黏度不是很大)下，永磁攪拌器會同步跟隨磁場的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，如果攪拌速度太快并且被攪拌混合物黏度較大時可能會出現(xiàn)永磁攪拌器旋轉(zhuǎn)速度低于磁場旋轉(zhuǎn)速度的現(xiàn)象，即出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此混合物黏度較大時應(yīng)當(dāng)降低攪拌速度。為了保護(hù)功率器件，中央控制單片機(jī)會隨時監(jiān)測功率器件的電流，一旦電流過大，會自動降低攪拌速度并報警，直到操作人員干預(yù)，手動降低攪拌速度。
如圖4所示，本發(fā)明中的加熱裝置即電加熱板由智能功率器件U3控制，當(dāng)功率器件導(dǎo)通時，電加熱板通電工作，功率器件截止時，電加熱板斷電停止工作。由中央控制單片機(jī)PIC16F876給功率器件的控制端發(fā)一個頻率確定的周期性脈沖信號，功率器件就工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整脈沖信號的占空比就可以控制電加熱板的平均發(fā)熱功率，從而實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)功能。
本發(fā)明智能加熱攪拌器中加熱溫度的控制方法旋轉(zhuǎn)加熱溫度設(shè)定旋鈕改變電位器R3中間抽頭位置從而改變Temp端的電壓，該電壓唯一對應(yīng)于設(shè)定溫度，中央控制單片機(jī)測得電壓值換算成溫度值，然后與溫度傳感器測量的溫度進(jìn)行比較，通過改變加熱功率使得兩個溫度一致，從而實現(xiàn)對溫度的控制。
本發(fā)明中攪拌模式選擇共有4種攪拌模式可供選擇，即勻速正轉(zhuǎn)、勻速逆轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、間歇轉(zhuǎn)；所述勻速正轉(zhuǎn)在Mode端測到R6和R10分壓值時被選定，永磁攪拌器按照俯視順時針方向旋轉(zhuǎn)；所述勻速逆正轉(zhuǎn)在Mode端測到R7和R10分壓值時被選定，永磁攪拌器按照俯視逆時針方向旋轉(zhuǎn)；所述正反轉(zhuǎn)在Mode端測到R8和R10分壓值時被選定，永磁攪拌器正轉(zhuǎn)5秒鐘停止1秒鐘，然后再逆轉(zhuǎn)5秒鐘停止1秒鐘，然后再正轉(zhuǎn)5秒鐘，如此反復(fù)；所述間歇轉(zhuǎn)在Mode端測到R9和R10分壓值時被選定，永磁攪拌器正轉(zhuǎn)10秒鐘停止10秒鐘，然后再正轉(zhuǎn)10秒鐘，如此反復(fù)。
本發(fā)明中加熱功率調(diào)節(jié)在不接入溫度傳感器時有效，接入溫度傳感器自動停止該功能；所述加熱功率調(diào)節(jié)范圍為0～500W，旋轉(zhuǎn)加熱功率調(diào)節(jié)旋鈕改變電位器R5中間抽頭位置從而改變Power端的分壓值，中央控制單片機(jī)測得電壓值并換算成對應(yīng)功率，然后調(diào)整U3控制信號的占空比從而實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。
本發(fā)明中攪拌速度調(diào)節(jié)范圍為0～100轉(zhuǎn)/分，通過旋轉(zhuǎn)攪拌速度調(diào)節(jié)旋鈕改變電位器R4中心抽頭位置從而改變Speed端的分壓值來實現(xiàn)，中央控制單片機(jī)測得電壓值并換算成對應(yīng)的速度值，然后通過調(diào)整磁場旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到要求的攪拌速度；如果出現(xiàn)被攪拌混合物黏度過高，同時設(shè)定攪拌速度較高時，系統(tǒng)會自動降低攪拌速度。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種智能加熱攪拌器，其特征在于，包括永磁攪拌器、驅(qū)動及加熱裝置和智能控制器；所述永磁攪拌器包括采用1塊柱形永磁體和采用4塊扇環(huán)永磁體兩種形式，其具體形狀及結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際需要改變；所述驅(qū)動及加熱裝置只在結(jié)構(gòu)類型和組合方式方面做出限定，具體的線圈功率以及實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)需要設(shè)計；所述智能控制器包括中央控制單片機(jī)、電磁鐵的控制驅(qū)動電路、加熱板控制電路、溫度傳感器信號采集電路、顯示屏、控制旋鈕、電源模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能加熱攪拌器，其中，所述電磁鐵的控制驅(qū)動電路由智能型H橋電路U4和U5組成；所述加熱板控制電路智能型功率器件U3組成；所述智能控制器的核心控制部件為符合工業(yè)應(yīng)用要求的8位單片機(jī)，本發(fā)明示例機(jī)型為PIC16F876；所述溫度傳感器信號采集電路由電阻R1和R2、電容C1以及運算放大器U2組成；所述顯示屏由128×64點陣式液晶顯示模塊組成；所述控制旋鈕由4個外部旋鈕和電阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9組成；所述電源模塊由電源開關(guān)、保險管F1、變壓器T1、整流橋B1和B2、DC-DC模塊U2、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5組成。
3.對權(quán)利要求1所述的智能加熱攪拌器進(jìn)行控制的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的智能控制器和驅(qū)動及加熱裝置，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場帶動永磁攪拌器旋轉(zhuǎn)，同時進(jìn)行溫度可控的加熱操作。
全文摘要
本發(fā)明中智能加熱攪拌器及其控制方法，應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域需要加熱和攪拌的實驗，特別是存在危險及在密封容器中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)實驗。(1)采用磁傳動攪拌，驅(qū)動器與攪拌器隔離，便于對反映器皿進(jìn)行密封，可以有效防止反應(yīng)物飛濺；(2)可以讓智能控制器遠(yuǎn)離反應(yīng)裝置，實驗人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，避免與有毒物質(zhì)接觸；(3)由智能型H橋以及智能功率器件對線圈和加熱板進(jìn)行控制，與傳統(tǒng)的繼電器相比，體積更小，可靠性更高；(4)將攪拌裝置和加熱裝置集成，而且攪拌速度、攪拌模式、加熱溫度可以控制；(5)通過直接改變線圈中電流方向達(dá)到產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的目的，與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場相比，機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，控制更靈活。
文檔編號B01F15/06GK1864839SQ20061001346
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月17日
發(fā)明者王麗軍, 李智慧, 王萍 申請人:王麗軍, 李智慧, 王萍