鄭永梅 李海鋮 劉博通 周由

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，中國(guó)·遼寧 鞍山 114051

隨著科技的不斷創(chuàng)新，人們對(duì)物質(zhì)的化學(xué)成分及其含量的檢測(cè)變得越來(lái)越普遍，在化學(xué)滴定時(shí)，檢測(cè)過(guò)程中需要向化學(xué)反應(yīng)溶液中添加指示劑，根據(jù)指示劑滴加前后發(fā)生顏色變化的轉(zhuǎn)變點(diǎn)與指示劑變色范圍相一致，從而判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到滴定終點(diǎn)。目前，大多數(shù)化學(xué)滴定過(guò)程都需要人為滴定并人工檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)滴定的終點(diǎn)，判斷滴定終點(diǎn)不標(biāo)準(zhǔn)且存在一定的誤差，操作起來(lái)也比較繁瑣、效率低，因此論文提出一種智能化學(xué)滴定系統(tǒng)裝置來(lái)客觀準(zhǔn)確的反應(yīng)化學(xué)滴定終點(diǎn)。

智能化學(xué)滴定系統(tǒng)裝置；滴定終點(diǎn)；客觀準(zhǔn)確

1 引言

在目前這個(gè)自動(dòng)化迅速發(fā)展的社會(huì)，近年來(lái)人們開始研究智能化學(xué)滴定系統(tǒng)裝置，主要適用于科研機(jī)構(gòu)、制藥、石油化工行業(yè)，并且化學(xué)滴定系統(tǒng)裝置也在各大高等院校供教學(xué)使用。在智能化學(xué)滴定領(lǐng)域，例如[1]鍍液在線檢測(cè)系統(tǒng)，采用檢測(cè)準(zhǔn)確度控制和檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方法；[2]裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，利用將滴定裝置微型化的方法，減少試劑的消耗量、降低成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；[3]電導(dǎo)電位滴定裝置的設(shè)計(jì)和使用，根據(jù)馬里奧特瓶原理設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的恒速滴定裝置，它具有簡(jiǎn)單、有效、安全等特點(diǎn)。[4]LabVIEW平臺(tái)下USB 圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在LabVIEW 平臺(tái)上，利用USB 攝像頭和IMAQ USB 模塊進(jìn)行編程，對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理。論文采用化學(xué)滴定分析法，該方法是將相應(yīng)的指示劑，滴加到已知濃度的無(wú)色透明被測(cè)溶液中，用攝像頭去觀測(cè)指示劑滴加前后被測(cè)液顏色變化的情況來(lái)判定化學(xué)反應(yīng)滴定終點(diǎn)?；瘜W(xué)滴定分析法是一種簡(jiǎn)便、快速和應(yīng)用廣泛的分析方法，在常量分析中有比較高的準(zhǔn)確度。在論文中智能化學(xué)滴定裝置代替人為繁瑣的滴定過(guò)程，攝像頭代替人眼觀察指示劑滴定前后的顏色變化，本裝置比起人為滴定并人眼判斷化學(xué)滴定終點(diǎn)更標(biāo)準(zhǔn)。并且市場(chǎng)上現(xiàn)有的化學(xué)滴定裝置造價(jià)高，只適用于大型企業(yè)和工廠，不適用于小型企業(yè)或者供個(gè)人研究使用，操作繁瑣，而且不能自動(dòng)檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)滴定終點(diǎn)。論文提出了智能化學(xué)滴定裝置相比較于人工滴定滴定精度高、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、更加節(jié)省人力物力，相比較于市場(chǎng)上其他化學(xué)滴定裝置成本低、價(jià)格低廉、占地面積小、工作效率高、穩(wěn)定性良好、最重要的是可以自動(dòng)檢測(cè)并判定化學(xué)反應(yīng)終點(diǎn)。

2 智能化學(xué)滴定裝置的設(shè)計(jì)系統(tǒng)

如圖1所示，智能化學(xué)滴定系統(tǒng)由工控機(jī)、圖像采集裝置、NImyrio 控制器、滴定裝置、攪拌裝置、排液裝置、水滴紅外檢測(cè)裝置、機(jī)器視覺光源等設(shè)備組成，NImyrio 控制器對(duì)滴定裝置、攪拌裝置、排液裝置、水滴紅外檢測(cè)裝置構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的滴定工位控制滴定操作。本裝置中化學(xué)智能處理單元與工控機(jī)相連接，攝像頭檢測(cè)化學(xué)滴定過(guò)程中指示劑加入前后的顏色變化，并將攝像頭采集的圖像信息傳遞給化學(xué)智能處理單元，化學(xué)智能處理單元通過(guò)一種基于圖像顏色信息提取技術(shù)的工業(yè)化學(xué)智能滴定方法控制滴定工位進(jìn)行滴定，最終分析出待測(cè)樣品的濃度?；瘜W(xué)滴定終點(diǎn)的判斷是通過(guò)下位機(jī)攝像頭實(shí)時(shí)對(duì)溶液的顏色變化進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波處理、圖像顏色提取，得到RGB、HSL 顏色分量，通過(guò)對(duì)顏色值動(dòng)態(tài)曲線的分析，選取其中一個(gè)顏色分量，曲線根據(jù)顏色曲線的波動(dòng)情況，在接近終點(diǎn)時(shí)溶液顏色值會(huì)發(fā)生巨大突變，顏色變化量最大的位置證明到達(dá)滴定終點(diǎn)。

圖1 智能化學(xué)滴定裝置的設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖

3 滴定軟件功能設(shè)計(jì)

智能化學(xué)滴定系統(tǒng)裝置軟件方面的主要設(shè)計(jì)思路是創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)和滴定作業(yè)實(shí)驗(yàn)兩大功能模塊和其他輔助功能，實(shí)驗(yàn)開始前，需要將系統(tǒng)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)預(yù)備狀態(tài)，接著進(jìn)行工作模式選擇，如果選擇的模式是創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，則選擇滴定建庫(kù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，按照程序里已?jīng)寫好的規(guī)則信息、滴定計(jì)劃、開始滴定、計(jì)算及庫(kù)更新、滴定復(fù)位和退出創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)步驟進(jìn)行操作；如果選擇的是滴定作業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?duì)已有的任務(wù)列表里對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行選擇，并按照開始滴定、回復(fù)滴定、退出滴定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，其中實(shí)時(shí)檢測(cè)功能是自動(dòng)化的，操作簡(jiǎn)單快捷。實(shí)驗(yàn)完畢需退出系統(tǒng)操作，停止各個(gè)設(shè)備的工作，切斷電源。軟件功能設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 軟件功能設(shè)計(jì)圖

4 攝像頭采集顏色突變時(shí)刻

攝像頭相當(dāng)于人的眼睛，用攝像頭監(jiān)測(cè)是否達(dá)到化學(xué)滴定終點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用目前比較主流的Labview 進(jìn)行編程，利用攝像頭檢測(cè)化學(xué)滴定過(guò)程中由加入指示劑滴定終點(diǎn)前后變化進(jìn)行判定，抓住指示劑突變時(shí)刻的顏色，判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，從而判定化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到滴定終點(diǎn)，本系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成

裝置實(shí)物圖如圖4所示。本裝置采用機(jī)械手抓取錐形瓶，用上下左右推桿使機(jī)械手可以前后左右移動(dòng)，機(jī)械臂云臺(tái)底座進(jìn)行機(jī)械爪的旋轉(zhuǎn)。將錐形瓶放到滴定工位，用滴定升降雙光軸滾珠絲桿帶動(dòng)滑塊，滑塊帶著蠕動(dòng)泵上的兩根軟管（軟管外部套有著一層硬管，需要使用兩個(gè)蠕動(dòng)泵，一個(gè)是指示劑，令一個(gè)是滴定溶液）經(jīng)過(guò)水滴檢測(cè)系統(tǒng)向錐形瓶進(jìn)行下探滴定，先滴一滴指示劑進(jìn)行裝置的排空，然后進(jìn)行溶液的滴定，錐形瓶放在磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌，使化學(xué)反應(yīng)更加充分，攝像頭放置于錐形瓶的右側(cè)，遮光板擋住光線，攝像頭連接計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確的檢測(cè)出滴定終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，滴定回到原始位。

圖4 裝置實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能化學(xué)滴定系統(tǒng)裝置進(jìn)行化學(xué)滴定可以正確的評(píng)判化學(xué)反應(yīng)的滴定終點(diǎn)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，人民生活水平的不斷提高，諸多領(lǐng)域都離不開分析化學(xué)的智能裝置，筆者對(duì)智能化學(xué)滴定裝置的設(shè)計(jì)在未來(lái)的發(fā)展頗有信心。智能化學(xué)滴定裝置可以工作更準(zhǔn)確，效率更高，操作更簡(jiǎn)單，可自動(dòng)檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)的滴定終點(diǎn)，相對(duì)于長(zhǎng)期使用人力相比較更加的經(jīng)濟(jì)，更加的簡(jiǎn)便。在這個(gè)機(jī)械自動(dòng)化的時(shí)代，智能化學(xué)滴定裝置更加符合市場(chǎng)的需求，也順應(yīng)了工業(yè)智能化的潮流。希望可以有更多的人可以繼續(xù)研究智能化學(xué)滴定裝置，也祝愿通過(guò)大家的努力可以讓中國(guó)的工業(yè)越來(lái)越強(qiáng)大，越來(lái)越智能化。造福于人民大眾。