基於虛擬儀器控制技術的化學反應器的製作方法
2023-06-06 15:17:31 4
專利名稱：基於虛擬儀器控制技術的化學反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於虛擬儀器測量控制技術領域，涉及將半導體製冷用於化學反應器的技術，特別是一種將溫度控制、物料傳送、滴加、承重、反應體系pH值及攪拌速度顯示控制集成在一個系統中的基於虛擬儀器控制技術的化學反應器。
背景技術：
虛擬儀器(Virtual Instruments VI)技術的開發和應用源於1986年美國NI(National Instruments)公司設計的LabVIEW軟體，它是一種基於圖形開發、調試和運行程序的集成化環境，實現了VI的概念。把計算機強大的計算處理數據能力和儀器硬體的測量、控制能力結合在一起，不僅大大縮小了硬體測控儀器的成本和體積，而且實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。目前，國外許多研究機構都已經嘗試將虛擬儀器應用到科學實驗、工程控制和輔助教學中。可見虛擬儀器技術是一個極有發展前途的技術。在化學合成反應中，通過各種傳感器，需要對各項參數(溫度、壓力、流量、流速、含量、液位等)進行多路採集、記錄、分析、處理並推導出結果。目前在許多實際的科研和教學實驗過程中對其各項參數的測量一般都是用傳統的儀表或較為先進的智能儀表進行逐點實際測量，如需同時採集多路數據參數並進行其相應的反饋控制是比較困難的，特別是對化學反應的全過程控制，需要進行協調複雜的工作，就傳統儀器實現起來顯然是比較困難，而基於虛擬儀器技術卻能很好地、精確地完成此工作。然而擁有計算機控制並不意味著就能精確完成測控任務的，這還需要有性能優良，功能齊全的用於化學反應控制過程的執行機構，即化學反應器。只有在兩者有機結合的情況下，才能實現真正意義上的化學反應的精確控制。就各類不同的化學反應而言，都可以使用各類傳感器將化學反應參量轉變為電信號，輸入到計算機後，由計算機進行分析處理，變換成相應的化學反應數據，在人們事先安排好的程序下進行後期複雜的數據處理，反饋給化學反應系統裝置，控制各執行器達到多通道自動控制的目的。
作為化學反應裝置，其控制性能好壞直接對反應過程產生重要的影響，而溫度是控制化學的重要因素，特別是具有低溫條件的化學反應器，是當今科研實驗急需的品種。目前許多科研實驗中用到的低溫化學反應器一般多是採用冰鹽浴和氟製冷劑來達到製冷目的，前者有著不能精確控制反應器溫度條件的缺點，操作上很不方便；後者雖然在操作上和控溫方面有所改善，但在環境保護方面存在著氟製冷劑汙染環境的問題和製冷速度慢的缺點。半導體製冷技術是近年來隨著半導體技術的不斷發展和完善而發展起來的一項新型的製冷技術，具有製冷迅速快，無噪音、無汙染，可實現實時的製冷是一項綠色製冷技術，是今後製冷技術發展的方向。
發明內容本實用新型的目的在於設計一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，它是利用計算機及其在處理數字信息方面的先進技術，並引入了虛擬儀器的概念，實現了對多路各種類型模擬量的信號採集處理，對化學反應過程中的各種參數進行實時監測和精確控制，可實現對一系列化學反應如結晶、合成、精製、聚合等過程進行量化精確控制。
本實用新型的技術方案一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，包括計算機控制系統，其特徵在於與計算機控制系統連接有在線/離線化學反應控制器、化學反應裝置、溫度傳感器、霍耳電磁傳感器、pH值傳感器、承重傳感器、數據採集RM417遠端模擬量採集模塊、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊、RM426遠端控制模擬量輸出模塊、微型蠕動泵、電機攪拌裝置及化學反應恆溫裝置，所說的計算機串口端分別並行連接數據採集RM417遠端模擬量採集模塊、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊、RM426遠端控制模擬量輸出模塊；同時上述三模塊的模擬輸入、輸出端及數字輸出端分別與在/離線反應控制器的輸出及輸入端相連接；所說的採集溫度傳感器、霍耳電磁傳感器、pH值傳感器、承重傳感器與在/離線反應控制器的信號輸入端相連接；所說的微型蠕動泵、電機攪拌裝置及化學反應恆溫裝置與在/離線反應控制器的控制輸出端相連接。
上述所說的化學反應恆溫裝置是由構成密閉的半導體製冷散熱循環系統所構成，所說的構成密閉的半導體製冷散熱循環系統包括半導體製冷片、電加熱圈、恆溫槽箱體、內熱交換器、外散熱片、風扇、恆溫槽循環泵、熱交換器循環磁力泵、恆溫槽箱體底部照明裝置；所說的化學反應器主體恆溫槽用1.5-3毫米厚的紫銅板製成，塗附了導熱矽脂層的半導體製冷片製冷面緊貼於恆溫槽箱體四壁，半導體製冷片內熱交換器緊貼其半導體製冷片的制熱面，採用紫銅材料製作的內熱交換器為內部允許傳熱流體介質流過的空腔結構，內熱交換器與恆溫槽箱體四壁呈緊密連接，其與恆溫槽箱體之間的空隙有絕熱矽橡膠填充並密封，內熱交換器依管路通過循環磁力泵支路和並聯於此支路的帶通斷閥門直通管路與外散熱片相連接，外散熱片上安裝散熱風扇及放空閥。
上述所說的緊貼於恆溫槽箱體四壁的塗附了導熱矽脂層的半導體製冷片是由8片40×40mm半導體製冷片組成，每4片半導體製冷片正負極串聯組成一路，共組成兩路電路並聯於數字開關電源。
上述所說的本實用新型的化學反應恆溫槽箱體其底部按裝的照明裝置，反應槽底部有裝有透明玻璃的可供光線通過的開孔，其照明裝置的工作電壓採用12V直流電壓。
上述所說的化學反應恆溫裝置包括0.5-3KW的電加熱圈，該加熱圈被固定於距反應器恆溫槽底部1-2釐米上方，加熱圈供電輸入端與內置在在線/離線化學反應控制器中的可控矽的輸出端相接，由計算機控制在線/離線控制器內的可控矽使其輸出供給電加熱圈工作電壓為交流0～220V可調。
上述所說的計算機硬體系統可為PC機，中央處理器為P4-1.7G、內存為128兆、硬碟20G、顯示卡為Geforce-2。
上述所說的計算機控制系統中使用與之相配合的虛擬儀器軟體，該軟體是利用美國NI公司的LabVIEW軟體進行編程的。
本實用新型的工作原理和工作過程為上述所說的虛擬儀器軟體是利用美國NI公司的LabVIEW軟體進行編程的。以精確控制化學反應流程為基礎的，包括對化學反應的溫度、攪拌轉速監測和控制和對pH值、稱量等參量測量顯示。所有這些非電信號通過傳感器轉換為電信號，將這些電信號經在線/離線控制器的信號處理器放大處理後，經RM417遠端模擬量數據採集模塊進行A/D轉換成數字量，經485總線饋送至計算機串口。計算機在主控程序控制下將數字量送入相應的虛擬儀器後臺程序，變換成相應的化學實驗數據，進行複雜的數據處理，包括預測控制算法，摸糊控制算法和PID控制算法，通過對已知採集變量的處理和計算，得出響應的輸出控制參量，由RM426遠端控制模擬量輸出模塊和RM446遠端開關量輸入/輸出(I/O)模塊輸出控制參量以控制可控矽控制端和數字開關電源，控制反應進程中加熱、製冷和用於反應系統加料用蠕動泵的執行、循環泵以及照明電燈的工作。精確控制系統並按照預先設定的流程控制反應的進行。
上述所說的化學反應器恆溫槽中使用的傳熱流體介質可根據反應所需條件來確定，若反應體系要求從室溫～100℃範圍，則可以選用蒸餾水作為傳熱流體介質；若反應體系要求從-30～100℃範圍，則可以選用乙二醇-水或丙三醇-水混合物。恆溫槽中的傳熱流體通過開於其側面底部的孔，通過管路、恆溫槽循環泵形成循環迴路，起到充分混合恆溫槽內流體的作用，使恆溫槽內流體的溫差減小，傳熱流體的循環流動速度為2～8升/分鐘。
半導體製冷系統，由計算機控制在線/離線控制器內的數字開關直流電源供電，根據化學反應所需條件，由計算機對在線/離線化學反應控制器發出指令，控制製冷工作電壓為直流5～48V可調。同時當散熱系統傳熱流體介質工作溫度高於設定保護溫度上限80℃時，計算機發出關閉數字開關直流電源指令，從而保護了半導體製冷片。
在線/離線化學反應控制器包括模擬信號的採集、放大和控制輸出模塊，對溫度傳感器、pH值傳感器、承重傳感器、霍耳電磁傳感器的信號進行調理。在線/離線化學反應控制器可以保證化學反應設備在沒有計算機控制的情況下進行人工控制，即在沒有計算機或相應軟體的情況下化學反應器的運行相當於一臺傳統設備。
散熱循環系統工作的方式當其中的流體工作介質為水時，要求其流體介質充滿整個散熱循環系統，同時可開啟熱交換器循環磁力泵支路，關閉並聯於此支路的直通管通斷閥門，使水在其整個散熱系統內部流動以便進行熱交換。並通過外部的散熱片散熱，構成水為傳熱介質散熱系統。此時，半導體製冷片的制熱面的溫度將伴隨恆溫槽工作條件和環境溫度條件的不同而有所變化，也就是說半導體製冷片制熱面的溫度是變化的。而當使用低沸點有機溶劑時，有機溶劑的用量以恰好充滿內散熱器的空腔，同時關閉熱交換器循環磁力泵支路，開通並聯於此支路的直通管通斷閥門，使有機溶劑汽化後氣體通過此通道進入外散熱器進行冷卻，冷卻後的有機溶劑液體通過管路進入內部熱交換器，構成有機溶劑為傳熱介質散熱循環系統。當環境溫度比較低時，且化學反應器只用於低於室溫的反應體系時，可以採用低沸點有機溶劑作為散熱系統的流體傳熱介質，此時的工作特點是半導體製冷片制熱面的溫度可基本保持不變，由半導體製冷而產生在制熱面的熱量，被轉換成有機溶劑的相變熱，此時變為氣體的有機蒸汽通過管道進入外散熱器，進行熱交換後又變為有機液體流入內散熱器重複上一過程，而此時內散熱器的溫度又可以保持恆定，保證了半導體製冷片的高效穩定的工作。
本實用新型的優越性在於1、是化工、機械、自動控制、計算機等多學科的交叉，即化學反應過程中各種參數的測控於一體，在一定程度上改善目前科研領域的產品研發條件；2、是在通用型化學反應實驗模型基礎上發展起來的基於虛擬儀器技術的反應裝置，可廣泛應用於化工，製藥，高分子材料和精細化工行業及高校的科研實驗。可對化學反應過程進行精確測量和控制，可重複性好，避免人為操作失誤，從而使研發產品的質量得到保證；3、控制系統可以按設計要求自動完成一系列科研實驗工作，科研人員可通過計算機監控實驗情況或通過記錄的數據分析實驗結果，針對不同的反應過程，探索最優的反應條件，最佳的控制方案，並可以此系統為平臺，不斷研究新的反應過程，實現新的合成物質；4、作為化學反應的重要參數，溫度是直接導致化學實驗成功與否的關鍵因素，本實用新型的化學反應器由於有製冷系統的存在，為許多的化學反應中需要及時降溫及準確控制溫度提供了硬體的保障，同時配合各種智能控制算法可以實現動態溫度控制精度小於0.2攝氏度靜態恆溫控制小於0.1攝氏度；5、本實驗裝置還具有提供低溫反應(-30℃)的條件。
附圖為本實用新型所涉一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器的整體結構示意圖其中計算機控制系統(1)，虛擬儀器軟體(2)，在線/離線化學反應控制器(3)、化學反應裝置(4)、溫度傳感器(5)、霍耳電磁傳感器(6)、pH值傳感器(7)、承重傳感器(8)、數據採集RM417遠端模擬量採集模塊(9)、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊(10)、RM426遠端控制模擬量輸出模塊(11)、微型蠕動泵(12)、電機攪拌裝置(13)及化學反應恆溫裝置(14)，導體製冷片(15)、電加熱圈(16)、恆溫槽箱體(17)、內熱交換器(18)、外散熱片(19)、風扇(20)、恆溫槽循環泵(21)、熱交換器循環磁力泵(22)、恆溫槽箱體底部照明裝置(23)。
具體實施方式
實施例一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器(見圖)，包括計算機控制系統(1)，其特徵在於與計算機控制系統連接有在線/離線化學反應控制器(3)、化學反應裝置(4)、溫度傳感器(5)、霍耳電磁傳感器(6)、pH值傳感器(7)、承重傳感器(8)、數據採集RM417遠端模擬量採集模塊(9)、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊(10)、RM426遠端控制模擬量輸出模塊(11)、微型蠕動泵(12)、電機攪拌裝置(13)及化學反應恆溫裝置(14)，所說的計算機串口端分別並行連接數據採集RM417遠端模擬量採集模塊、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊、RM426遠端控制模擬量輸出模塊；同時上述三模塊的模擬輸入、輸出端及數字輸出端分別與在/離線反應控制器的輸出及輸入端相連接；所說的採集溫度傳感器、霍耳電磁傳感器、pH值傳感器、承重傳感器與在/離線反應控制器的信號輸入端相連接；所說的微型蠕動泵(12)、電機攪拌裝置(13)及化學反應恆溫裝置(14)與在/離線反應控制器的控制輸出端相連接。
上述所說的化學反應恆溫裝置(見圖)是由構成密閉的半導體製冷散熱循環系統所構成，所說的構成密閉的半導體製冷散熱循環系統包括半導體製冷片(15)、電加熱圈(16)、恆溫槽箱體(17)、內熱交換器(18)、外散熱片(19)、風扇(20)、恆溫槽循環泵(21)、熱交換器循環磁力泵(22)、恆溫槽箱體底部照明裝置(23)；所說的化學反應器主體恆溫槽用2毫米厚的紫銅板製成，塗附了導熱矽脂層的半導體製冷片製冷面緊貼於恆溫槽箱體四壁，半導體製冷片內熱交換器緊貼其半導體製冷片的制熱面，採用紫銅材料製作的內熱交換器為內部允許傳熱流體介質流過的空腔結構，內熱交換器與恆溫槽箱體四壁呈緊密連接，其與恆溫槽箱體之間的空隙有絕熱矽橡膠填充並密封，內熱交換器依管路通過循環磁力泵支路和並聯於此支路的帶通斷閥門直通管路與外散熱片相連接，外散熱片上安裝散熱風扇及放空閥。
上述所說的緊貼於恆溫槽箱體四壁的塗附了導熱矽脂層的半導體製冷片是由8片40×40mm半導體製冷片組成，每4片半導體製冷片正負極串聯組成一路，共組成兩路電路並聯於數字開關電源。
上述所說的本實用新型的化學反應恆溫槽箱體其底部安裝的照明裝置，反應槽底部有裝有透明玻璃的可供光線通過的開孔，其照明裝置的工作電壓採用12V直流電壓。
上述所說的化學反應恆溫裝置包括2KW的電加熱圈，該加熱圈被固定於距反應器恆溫槽底部1釐米上方，加熱圈供電輸入端與內置在在線/離線化學反應控制器中的可控矽的輸出端相接，由計算機控制在線/離線控制器內的可控矽使其輸出供給電加熱圈工作電壓為交流0～220V可調。
上述所說的計算機硬體系統可為PC機，中央處理器為P4-1.7G、內存為128兆、硬碟20G、顯示卡為Geforce-2。
上述所說的計算機控制系統中使用與之相配合的虛擬儀器軟體，該軟體是利用美國NI公司的LabVIEW軟體進行編程的。
上述所說的計算機控制系統(1)、在線/離線化學反應控制器(3)、溫度傳感器(5)、霍耳電磁傳感器(6)、pH值傳感器(7)、承重傳感器(8)、數據採集RM417遠端模擬量採集模塊(9)、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊(10)、RM426遠端控制模擬量輸出模塊(11)、微型蠕動泵(12)、電機攪拌裝置(13)均為現有技術單元。
權利要求1.一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，包括計算機控制系統，其特徵在於與計算機控制系統連接有在線/離線化學反應控制器、化學反應裝置、溫度傳感器、霍耳電磁傳感器、pH值傳感器、承重傳感器、數據採集RM417遠端模擬量採集模塊、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊、RM426遠端控制模擬量輸出模塊、微型蠕動泵、電機攪拌裝置及化學反應恆溫裝置，所說的計算機串口端分別並行連接數據採集RM417遠端模擬量採集模塊、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊、RM426遠端控制模擬量輸出模塊；同時上述三模塊的模擬輸入、輸出端及數字輸出端分別與在/離線反應控制器的輸出及輸入端相連接；所說的採集溫度傳感器、霍耳電磁傳感器、pH值傳感器、承重傳感器與在/離線反應控制器的信號輸入端相連接；所說的微型蠕動泵、電機攪拌裝置及化學反應恆溫裝置與在/離線反應控制器的控制輸出端相連接。
2.根據權利要求1所說的一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，其特徵在於所說的化學反應恆溫裝置是由構成密閉的半導體製冷散熱循環系統所構成，所說的構成密閉的半導體製冷散熱循環系統包括半導體製冷片、電加熱圈、恆溫槽箱體、內熱交換器、外散熱片、風扇、恆溫槽循環泵、熱交換器循環磁力泵、恆溫槽箱體底部照明燈；所說的化學反應器主體恆溫槽用1.5-3毫米厚的紫銅板製成，塗附了導熱矽脂層的半導體製冷片製冷面緊貼於恆溫槽箱體四壁，半導體製冷片內熱交換器緊貼其半導體製冷片的制熱面，採用紫銅材料製作的內熱交換器為內部允許傳熱流體介質流過的空腔結構，內熱交換器與恆溫槽箱體四壁呈緊密連接，其與恆溫槽箱體之間的空隙有絕熱矽橡膠填充並密封，內熱交換器依管路通過循環磁力泵支路和並聯於此支路的帶通斷閥門直通管路與外散熱片相連接，外散熱片上安裝散熱風扇及放空閥。
3.根據權利要求2所說的一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，其特徵在於所說的緊貼於恆溫槽箱體四壁的塗附了導熱矽脂層的半導體製冷片是由8片40×40mm半導體製冷片組成，每4片半導體製冷片正負極串聯組成一路，共組成兩路電路並聯於數字開關電源。
4.根據權利要求2所說的一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，其特徵在於所說的化學反應恆溫槽箱體其底部按裝的照明裝置，反應槽底部有裝有透明玻璃的可供光線通過的開孔，其照明裝置的工作電壓採用12V直流電壓。
5.根據權利要求1所說的一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，其特徵在於所說的化學反應恆溫裝置包括0.5-3KW的電加熱圈，該加熱圈被固定於距反應器恆溫槽底部1-2釐米上方，加熱圈供電輸入端與內置在在線/離線化學反應控制器中的可控矽的輸出端相接，由計算機控制在線/離線控制器內的可控矽使其輸出供給電加熱圈工作電壓為交流0～220V可調。
6.根據權利要求1所說的一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，其特徵在於所說的計算機硬體系統可為PC機，中央處理器為P4-1.7G、內存為128兆、硬碟20G、顯示卡為Geforce-2。
專利摘要一種基於虛擬儀器控制技術的化學反應器，包括計算機控制系統，與計算機控制系統連接有在線/離線化學反應控制器、化學反應裝置、溫度傳感器、霍耳電磁傳感器、pH值傳感器、承重傳感器、數據採集RM417遠端模擬量採集模塊、RM446遠端開關量輸入/輸出模塊、RM426遠端控制模擬量輸出模塊、微型蠕動泵、電機攪拌裝置及化學反應恆溫裝置。其優越性在於系統可以按設計要求自動完成一系列科研實驗工作，同時配合各種智能控制算法可以實現動態溫度控制精度小於0.2攝氏度靜態恆溫控制小於0.1攝氏度；本實驗裝置還具有提供低溫反應(－30℃)的條件。
文檔編號B01J19/00GK2618665SQ0324517
公開日2004年6月2日 申請日期2003年4月16日 優先權日2003年4月16日
發明者張嘉琪, 黃積濤, 鄭嗣華, 王繁臻, 謝秀榮, 韓寶成, 王強 申請人:天津理工學院