一种加热磁力搅拌器

1.本发明涉及搅拌器领域，特别涉及一种加热磁力搅拌器。

背景技术：

2.加热搅拌器是化学实验中常用的一种实验设备，目前市场上配置的加热磁力搅拌器中介质的温度控制方式采用的是模糊pid控制，由于只是单闭环控制，与普通温度控制相比，模糊pid控制是通过误差和误差的变化率实现在线修改p、i、d三个参数，确实对介质的温度控制得到进一步的提升。但是加热磁力搅拌器介质的温度上升是通过加热的台面将热量传输给介质，滞后性较大，模糊pid虽说对温度控制得到了进一步的改善，但是超调量和稳定性不能满足实验的要求，因此本发明提出了一种新型温度控制的加热磁力搅拌器。

技术实现要素：

3.为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种加热磁力搅拌器。
4.为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
5.一种加热磁力搅拌器，包括搅拌驱动装置、温度测量装置以及温度控制装置，其中：
6.所述搅拌驱动装置，用于混合搅拌烧杯内的溶液进而使得烧杯内的溶液温度分布更加均匀；
7.所述温度测量装置包括溶液温度测量装置和加热台面温度测量装置，所述溶液温度测量装置，用于测量烧杯内的溶液温度并以此作为主环的反馈量；所述加热台面温度测量装置，用于测量加热台面的温度并以此作为副环的反馈量；
8.所述温度控制装置采用模糊-串级pid的控制方式，用于精准控制烧杯内的溶液温度。
9.进一步的，所述搅拌驱动装置包括直流无刷电机、磁铁与磁力搅拌子，其中：
10.所述直流无刷电机通过螺丝固定于搅拌器的上机壳底部，其内部设有三个呈120
°
排布的霍尔元件，用于检测所述直流无刷电机旋转的位置；
11.所述磁铁固定于所述直流无刷电机的输出轴上方，用于通过磁力吸合原理使得所述直流无刷电机带动浸入所述烧杯的磁力搅拌子旋转。
12.进一步的，所述溶液温度测量装置包括第一铂电阻、长针孔和导线，所述第一铂电阻放入所述长针孔内部，并在长针孔内部加入陶瓷胶进行固定，同时通过所述导线与固定在搅拌器的下机壳上的智能控制pcb板相连接。
13.进一步的，所述智能控制pcb板包括主控芯片、电机驱动装置、温度采集装置、发热电阻丝功率调节装置和开关电源。
14.进一步的，所述溶液温度测量装置由支撑柱与横向塑料卡壳组成的十字支架进行固定，所述横向塑料卡壳通过螺丝固定在所述支撑柱上，所述支撑柱的一侧带有螺纹，上机壳后侧设有一个与所述支撑柱一侧的螺纹相适配的螺纹孔，所述支撑柱固定于所述上机壳
上，所述横向塑料卡壳在所述支撑柱上左右旋转和上下移动。
15.进一步的，所述加热台面温度测量装置采用第二铂电阻，在加热台面的底部焊接一个螺柱，再将所述第二铂电阻放入所述螺柱对应的螺柱孔里，并用陶瓷胶封存。
16.进一步的，所述搅拌器还包括放置于加热台面底部的加热装置，所述加热装置包括发热电阻丝、高温云母片和保温隔热装置，所述发热电阻丝内嵌于所述高温云母片内，所述高温云母片固定于所述保温隔热装置内。
17.进一步的，所述加热台面采用铜铝合金材质，在所述加热台面的底部放上所述发热电阻丝,通过控制所述发热电阻丝的功率来控制所述加热台面的温度，所述发热电阻丝环绕成一个环形，使得所述加热台面的温度分布更均匀。
18.进一步的，所述搅拌器还包括人机互动装置，所述人机互动装置主要是通过触摸屏幕完成，所述触摸屏幕上设有温度设定、电机转速设定、定时时间、实时溶液温度、实时转速和台面温度的按钮。
19.进一步的，所述温度控制装置采用模糊-串级pid控制器，其中：
20.主环采用模糊-pid控制器，副环采用pid控制器；用户通过人机互动装置设定的温度作为主环的输入值，所述溶液温度测量装置测量出的烧杯中溶液的温度作为主环的反馈值，主环模糊-pid控制器的输出值作为副环pid控制器的输入值，所述加热台面温度测量装置测量出的加热台面温度作为副环的反馈值，最终通过实时控制发热电阻丝的功率来完成预设温度的加工。
21.本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
22.本发明一种加热磁力搅拌器，可以实现介质溶液温度的高精度控制，超调量量小、稳定性较好，适应于不同的介质溶液。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。附图中：
24.图1是本发明一种加热磁力搅拌器的侧视图；
25.图2是本发明一种加热磁力搅拌器中温度控制的自动控制原理图；
26.图3是本发明一种加热磁力搅拌器的人机交互界面的主界图。
27.【主要符号说明】
28.1-横向塑料卡壳；2-支撑柱；3-溶液温度测量装置；4-导线；5-烧杯；6-溶液；7-磁力搅拌子；8-加热台面温度测量装置；9-磁铁；10-直流无刷电机；11-加热台面；12-发热电阻丝；13-搅拌驱动装置；14-上机壳；15-开关电源；16-智能控制pcb板；17-下机壳。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.如图1-3所示，本实施例公开了一种加热磁力搅拌器，包括搅拌驱动装置13、温度测量装置以及温度控制装置，其中：
33.所述搅拌驱动装置13，用于混合搅拌烧杯5内的溶液6进而使得烧杯5内的溶液温度分布更加均匀；
34.所述温度测量装置包括溶液温度测量装置3和加热台面温度测量装置8，所述溶液温度测量装置3，用于测量烧杯5内的溶液温度并以此作为主环的反馈量；所述加热台面温度测量装置8，用于测量加热台面11的温度并以此作为副环的反馈量；
35.所述温度控制装置采用模糊-串级pid的控制方式，用于精准控制烧杯5内的溶液温度从而实现不同实验所需要溶液6的温度点。
36.进一步的，所述搅拌驱动装置13包括直流无刷电机10、磁铁9与磁力搅拌子7，其中：
37.所述直流无刷电机10通过螺丝固定于搅拌器的上机壳14底部，其内部设有三个呈120
°
排布的霍尔元件，用于检测所述直流无刷电机10旋转的位置；
38.所述直流无刷电机10的控制器采用pi控制器，p和i的参数应比正常值小一点，这样做的目的在于：第一，使电机缓慢运转起来，慢慢的接近目标转速。第二，减小超调量，缩短震荡的时间，因为介于容器里的磁力搅拌子7与磁铁9是通过磁力吸合的，如果短时间转速变化太大，极容易出现“跳子”(磁力搅拌子7不能跟随磁铁9的转动，出现磁力搅拌子7在溶液6里面上下跳动)；此外，直流无刷电机10控制虽然不是很复杂，但是应该做一些保护措施，防止直流无刷电机10堵转引发事故。例如：可以采集直流无刷电机10在运转时的电流值，当直流无刷电机10出现堵转时，应该即使切断电机输出，保护系统的安全。
39.所述磁铁9固定于所述直流无刷电机10的输出轴上方，用于通过磁力吸合原理使得所述直流无刷电机10带动浸入所述烧杯5的磁力搅拌子7旋转。本实施例中，应注意磁铁9与直流无刷电机10之间的距离应大于5cm，否则磁铁9的磁性会干扰电机的霍尔信号。
40.进一步的，所述溶液温度测量装置3包括第一铂电阻、长针孔和导线4，所述第一铂电阻放入所述长针孔内部，并在长针孔内部加入陶瓷胶进行固定，同时通过所述导线4与固定在搅拌器的下机壳17上的智能控制pcb板16相连接。本实施例中，所述第一铂电阻采用pt1000铂热电阻。
41.进一步的，所述智能控制pcb板16包括主控芯片、电机驱动装置、温度采集装置、发
热电阻丝功率调节装置和开关电源15。所述主控芯片采用tm32f103vet6单片机作为搅拌器的主控芯片，该芯片内部集成多路iic、spi、串口、高级定时器等外设，满足本次设计的要求。本实施例中，将所有器件放在一块pcb板上，减少了排线连接，节省了空间；但注意一点，发热电阻丝12是通过交流电控制，而其他元件都属于直流电，这里为了避免电磁干扰，必须将交流部分与直流部分切开。
42.继续参考图1，所述溶液温度测量装置3由支撑柱2与横向塑料卡壳1组成的十字支架进行固定，所述横向塑料卡壳1通过螺丝固定在所述支撑柱2上，所述支撑柱2的一侧带有m5的螺纹，上机壳14后侧设有一个与所述支撑柱2一侧的螺纹相适配的m5的螺纹孔，所述支撑柱2固定于所述上机壳14上，所述横向塑料卡壳1在所述支撑柱2上左右旋转和上下移动。
43.进一步的，所述加热台面温度测量装置8采用第二铂电阻，为了使测量的温度与加热台面11更接近，在加热台面11的底部焊接一个m3的螺柱，再将所述第二铂电阻放入所述螺柱对应的螺柱孔里，并用陶瓷胶封存。本实施例中，所述第二铂电阻采用pt100铂热电阻。
44.进一步的，所述搅拌器还包括放置于加热台面11底部的加热装置，所述加热装置包括发热电阻丝12、高温云母片和保温隔热装置，所述发热电阻丝12内嵌于所述高温云母片内，所述高温云母片固定于所述保温隔热装置内。本实施例中，所述发热电阻丝12的功率为600w。为了控制实现发热电阻丝12的功率可控，必须控制交流电的电压值，从而实现控制发热电阻丝12的功率。这里采用光耦加双向可控硅的方式实现交流电压的调节。单片机的io口输出pwm(脉宽调制)波控制光耦的导通与切断，进而实现交流电压控制，实现发热电阻丝12的功率可控。
45.优选的，所述加热台面11采用铜铝合金材质，导热系数较高。在所述加热台面11的底部放上所述发热电阻丝12,通过控制所述发热电阻丝12的功率来控制所述加热台面11的温度，所述发热电阻丝12环绕成一个环形，使得所述加热台面11的温度分布更均匀。
46.如图3，所述搅拌器还包括人机互动装置，所述人机互动装置主要是通过触摸屏幕完成，用户可以通过触摸屏幕知道系统的实时温度和实时转速。同样，用户可以通过触摸屏幕来实现设定目标溶液温度值、电机转速值以及加热模式的选择(加热模式分为快速升温和精准控温)。
47.进一步的，为了提高系统的温度控制精度、减小超调量，所述温度控制装置采用模糊-串级pid控制器，其中：
48.主环作为系统控制的主回路属于定制控制系统，采用模糊-pid控制器，副环作为系统的副回路属于随动控制系统，采用普通的pid控制器；如图2，用户通过人机互动装置设定的温度作为主环的输入值，所述溶液温度测量装置3测量出的烧杯5中溶液6的温度作为主环的反馈值，溶液温度的反馈值与输入值的差值作为该闭环的误差。由于系统要求超调量较小(超过设定值会影响容器里介质微生物的活性)，所以主环采用模糊pid控制器，相对于普通pid控制器来说，减小系统的超调量，稳定性更高。针对串级控制系统，副环的引入就是减小系统的超调量，增加系统的稳定性，因此副环的控制精度并没有主环要求那么高，主环模糊-pid控制器的输出值作为副环pid控制器的输入值，所述加热台面温度测量装置8测量出的加热台面温度作为副环的反馈值，最终通过实时控制发热电阻丝12的功率来完成预设温度的加工。
49.具体的，用户通过触摸屏幕设置目标温度值作为主环的输入值，控制器通过溶液6
里pt1000铂热电阻两端的电压值换算出烧杯5内溶液6的实际温度值，该温度值与用户设定的温度值的差值作为主环的误差值。主环的输出值的百分比作为副环pid控制器的输入值，副环的反馈值为台面温度值，由台面底部的pt100铂热电阻温度传感器测量得到。通过副环的输出值改变发热电阻丝12的功率，从而实现控制台面温度的目的。
50.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种加热磁力搅拌器，其特征在于，包括搅拌驱动装置、温度测量装置以及温度控制装置，其中：所述搅拌驱动装置，用于混合搅拌烧杯内的溶液进而使得烧杯内的溶液温度分布更加均匀；所述温度测量装置包括溶液温度测量装置和加热台面温度测量装置，所述溶液温度测量装置，用于测量烧杯内的溶液温度并以此作为主环的反馈量；所述加热台面温度测量装置，用于测量加热台面的温度并以此作为副环的反馈量；所述温度控制装置采用模糊-串级pid的控制方式，用于精准控制烧杯内的溶液温度。2.根据权利要求1所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述搅拌驱动装置包括直流无刷电机、磁铁与磁力搅拌子，其中：所述直流无刷电机通过螺丝固定于搅拌器的上机壳底部，其内部设有三个呈120
°
排布的霍尔元件，用于检测所述直流无刷电机旋转的位置；所述磁铁固定于所述直流无刷电机的输出轴上方，用于通过磁力吸合原理使得所述直流无刷电机带动浸入所述烧杯的磁力搅拌子旋转。3.根据权利要求1所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述溶液温度测量装置包括第一铂电阻、长针孔和导线，所述第一铂电阻放入所述长针孔内部，并在长针孔内部加入陶瓷胶进行固定，同时通过所述导线与固定在搅拌器的下机壳上的智能控制pcb板相连接。4.根据权利要求1所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述智能控制pcb板包括主控芯片、电机驱动装置、温度采集装置、发热电阻丝功率调节装置和开关电源。5.根据权利要求1所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述溶液温度测量装置由支撑柱与横向塑料卡壳组成的十字支架进行固定，所述横向塑料卡壳通过螺丝固定在所述支撑柱上，所述支撑柱的一侧带有螺纹，上机壳后侧设有一个与所述支撑柱一侧的螺纹相适配的螺纹孔，所述支撑柱固定于所述上机壳上，所述横向塑料卡壳在所述支撑柱上左右旋转和上下移动。6.根据权利要求1所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述加热台面温度测量装置采用第二铂电阻，在加热台面的底部焊接一个螺柱，再将所述第二铂电阻放入所述螺柱对应的螺柱孔里，并用陶瓷胶封存。7.根据权利要求6所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述搅拌器还包括放置于加热台面底部的加热装置，所述加热装置包括发热电阻丝、高温云母片和保温隔热装置，所述发热电阻丝内嵌于所述高温云母片内，所述高温云母片固定于所述保温隔热装置内。8.根据权利要求7所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述加热台面采用铜铝合金材质，在所述加热台面的底部放上所述发热电阻丝,通过控制所述发热电阻丝的功率来控制所述加热台面的温度，所述发热电阻丝环绕成一个环形，使得所述加热台面的温度分布更均匀。9.根据权利要求1所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述搅拌器还包括人机互动装置，所述人机互动装置主要是通过触摸屏幕完成，所述触摸屏幕上设有温度设定、电机转速设定、定时时间、实时溶液温度、实时转速和台面温度的按钮。10.根据权利要求9所述的一种加热磁力搅拌器，其特征在于，所述温度控制装置采用模糊-串级pid控制器，其中：
主环采用模糊-pid控制器，副环采用pid控制器；用户通过人机互动装置设定的温度作为主环的输入值，所述溶液温度测量装置测量出的烧杯中溶液的温度作为主环的反馈值，主环模糊-pid控制器的输出值作为副环pid控制器的输入值，所述加热台面温度测量装置测量出的加热台面温度作为副环的反馈值，最终通过实时控制发热电阻丝的功率来完成预设温度的加工。

技术总结

本发明公开了一种加热磁力搅拌器，搅拌驱动装置、温度测量装置以及温度控制装置，所述搅拌驱动装置，用于混合搅拌烧杯内的溶液进而使得烧杯内的溶液温度分布更加均匀；所述温度测量装置包括溶液温度测量装置和加热台面温度测量装置，所述溶液温度测量装置，用于测量烧杯内的溶液温度并以此作为主环的反馈量；所述加热台面温度测量装置，用于测量加热台面的温度并以此作为副环的反馈量；所述温度控制装置采用模糊-串级PID的控制方式，用于精准控制烧杯内的溶液温度。本发明一种加热磁力搅拌器，可以实现介质溶液温度的高精度控制，超调量量小、稳定性较好，适应于不同的介质溶液。适应于不同的介质溶液。适应于不同的介质溶液。