一种基于物联网的电离实验装置

1.本实用新型属于气体实验装置技术领域，具体涉及一种基于物联网的电离实验装置。


背景技术：

2.目前，各种各样的实验仪器是进行科学实验及科普教育的重要保证，而气体反应实验又是化学实验中的一种常见的反应类型。但是目前常规的气体反应实验仪器功能比较单一，且多为定性实验，即大多数气体反应进程往往是通过比色卡、检验试剂的变色现象等来判断反应是否正常进行，缺乏对于实验过程中相关物理量的定量观测，使得对实验现象进展的发生程度判断有所偏差；同时，对于气体反应实验中的一部分气体电离实验，此类实验需要在高压电的条件下才能顺利进行，若近距离操作可能会对实验者的生命安全造成威胁。除此之外，目前的实验仪器设备大多是线上通过仪器上的控制按钮进行操作，不方便远程实验的控制和进行。


技术实现要素：

3.针对背景技术所存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于物联网的电离实验装置，通过设置操作面板模块、物联网控制模块、传感器模块、进出气体模块和反应容器模块，实现了对电离实验装置的远程控制。
4.为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
5.一种基于物联网的电离实验装置，该装置包括操作面板模块、物联网控制模块、传感器模块、进出气体模块和反应容器模块；
6.所述反应容器模块包括长方体形的密闭反应容器和电极；其中，反应容器由两个半开口的长方体和矩形波纹管组成，两个长方体开口相对，开口处用矩形波纹管进行密封连接；反应容器左右两侧相对的内壁上各设置一个电极，电极与操作面板模块中的直流高压电源连接，用于提供放电条件；反应容器的上壁和下壁均设置两个关于矩形波纹管对称的通气口，通气口均与进出气体模块中的抽气泵密封连接；
7.所述进出气体模块包括强电控制板和抽气泵；强电控制板包括译码器和光耦继电器，所述译码器用于控制光耦继电器的通断，其一端与物联网控制模块中的嵌入式最小系统电连接，另一端与光耦继电器电连接；光耦继电器的另一端和抽气泵开关电连接，用于控制抽气泵开关的通断；
8.所述传感器模块包括数据监测板、温湿度传感器、气压传感器和超声波测距仪；其中，数据监测板上设置四组接口，分别为串行接口、集成电路总线接口、串行外设接口和单个io接口，每组接口都按照通用的模块接口模式，每种接口还包含了vcc口和gnd口；温湿度传感器和气压传感器均设置于反应容器模块的密闭反应容器内，用于监测反应容器内部的温湿度和气压，温湿度传感器与数据监测板的串行外设接口连接，气压传感器与数据监测板的集成电路总线接口连接；超声波测距仪的两端分别固定设置在反应容器模块的两个电
极上；用于监测两个电极头之间的距离，且超声波测距仪与电极头之间设置绝缘层；数据监测板的一端与嵌入式最小系统连接，测量数据通过数据监测板接口传输至嵌入式最小系统；
9.所述物联网控制模块包括嵌入式最小系统、存储芯片和wifi单元；嵌入式最小系统通过wifi单元与物联网进行通讯连接，且与存储芯片电连接；嵌入式最小系统用于测量操作面板模块中分压电路两端的电压值和对进出气体模块施加控制信号，并将传感器模块测量数据传输至存储芯片，存储芯片将测量数据进行封装打包，并经嵌入式最小系统传输至物联网保存；物联网用于保存测量数据，并向嵌入式最小系统传递使用人的控制指令；
10.所述操作面板模块包括数据显示屏、直流高压电源和抽气泵开关；其中，数据显示屏用于实时显示电极距离、电极之间的电压以及反应容器模块中的温湿度、气压等数据；所述直流高压电源包括电源和分压电路；所述电源正负极与两个电极连接，电源与电极之间并联分压电路，嵌入式最小系统与分压电路两端连接，用于获得电极之间施加的电压值；抽气泵开关用于控制抽气泵的工作与否，同时，抽气泵开关还与进出气体模块中的光耦继电器电连接。
11.进一步，所述矩形波纹管为柔性材质，通过拉长或压缩波纹管波纹与波纹之间的距离来调节电极之间的距离，从而探究气体电离实验中电极距离与气体反应情况之间的关系。
12.进一步，所述电极的尖端形状为针形、球形或板形，电极的材料为铁或铜。
13.进一步，光耦继电器在靠近译码器的表面上设置橡胶绝缘层。
14.进一步，云服务器与嵌入式最小系统之间通过mqtt协议进行通讯连接；所述wifi模块上还设置金属散热片，用于散热。
15.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
16.本实用新型装置通过在传统电离仪器上物联网控制模块等，使得可以直接线上实现对仪器的远程操作，从而完成实验；并且通过设置操作面板模块，还保留了传统的线下操作实验的功能。本装置可用于实验研究或科普教育场所，对研究的开展及科普教育有积极的影响，与此同时，针对传统气体实验大多为定性实验的问题，通过加装传感装置，实现了对反应过程中相关物理量的定量测量。
附图说明
17.图1为本实用新型的整体结构示意图。
18.图2为本实用新型反应容器模块的结构示意图。
19.图3为本实用新型进出气体模块中光耦继电器的结构示意图。
20.图4为本实用新型超声波测距仪表面贴接橡胶绝缘层结构示意图。
21.图中，1为抽气泵，2为柔性矩形波纹管，3为电极，4为装置支撑台(内含抽气泵)，5为传感器模块，6为操作面板模块，7为继电器表面橡胶绝缘层，8为超声波测距仪的表面橡胶绝缘层。
具体实施方式
22.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对
本实用新型作进一步地详细描述。
23.本实用新型提供一种基于物联网的电离实验装置，其整体结构示意图如图1所示，该装置包括操作面板模块、物联网控制模块、传感器模块、进出气体模块和反应容器模块；
24.所述反应容器模块的结构示意图如图2所示，包括长方体形的密闭反应容器和电极3；其中，反应容器由两个半开口的长方体和矩形波纹管2组成，两个长方体开口相对，开口处用矩形波纹管进行密封连接；反应容器左右两侧相对的内壁上各设置一个电极，电极与操作面板模块中的直流高压电源连接，用于提供放电条件；反应容器的上壁和下壁均设置两个关于矩形波纹管对称的通气口，通气口均与进出气体模块中的抽气泵1密封连接；密闭反应容器底部还可以设置支撑台4；
25.所述进出气体模块包括强电控制板和抽气泵；强电控制板包括译码器和光耦继电器，所述译码器用于控制光耦继电器的通断，其一端与物联网控制模块中的嵌入式最小系统电连接，另一端与光耦继电器电连接；光耦继电器的另一端和抽气泵开关电连接，用于控制抽气泵开关的通断；
26.所述传感器模块包括数据监测板、温湿度传感器、气压传感器和超声波测距仪；其中，数据监测板上设置四组接口，分别为串行接口、集成电路总线接口、串行外设接口和单个io接口，每组接口都按照通用的模块接口模式，每种接口还包含了vcc口和gnd口；温湿度传感器和气压传感器均设置于反应容器模块的密闭反应容器内，用于监测反应容器内部的温湿度和气压，温湿度传感器与数据监测板的串行外设接口连接，气压传感器与数据监测板的集成电路总线接口连接；超声波测距仪的两端分别固定设置在反应容器模块的两个电极上；用于监测两个电极头之间的距离，且超声波测距仪与电极头之间设置绝缘层；数据监测板的一端与嵌入式最小系统连接，测量数据通过数据监测板接口传输至嵌入式最小系统；
27.所述物联网控制模块包括嵌入式最小系统、存储芯片和wifi单元；嵌入式最小系统通过wifi单元与物联网进行通讯连接，且与存储芯片电连接；嵌入式最小系统用于测量操作面板模块中分压电路两端的电压值和对进出气体模块施加控制信号，并将传感器模块测量数据传输至存储芯片，存储芯片将测量数据进行封装打包，并经嵌入式最小系统传输至物联网保存；物联网用于保存测量数据，并向嵌入式最小系统传递使用人的控制指令；
28.所述操作面板模块包括数据显示屏、直流高压电源和抽气泵开关；其中，数据显示屏用于实时显示电极距离、电极之间的电压以及反应容器模块中的温湿度、气压等数据；所述直流高压电源包括电源和分压电路；所述电源正负极与两个电极连接，电源与电极之间并联分压电路，嵌入式最小系统与分压电路两端连接，用于获得电极之间施加的电压值；抽气泵开关用于控制抽气泵的工作与否，同时，抽气泵开关还与进出气体模块中的光耦继电器电连接。
29.实施例1
30.本实施例以氮气和氧气在放电条件下生成一氧化氮实验为例。
31.物联网控制模块中的嵌入式最小系统芯片型号为esp32-s，存储芯片信号为at24c256；传感器模块中的数据监测板串行接口连接有串口屏，串口屏安装在操作面板模块上，iic接口连接有ms5611气压传感器，单io接口连接有dht11温湿度传感器，强电控制板上选取74hc238d作为3-8译码器的芯片，rd-105d作为继电器，超声波测距仪采用hc-sr04。
由于氮气密度比空气小，为了排净空气，氮气从左侧上进气管输入，氧气从右侧下进气管输入，同时打开其余两口，抽出装置中的空气。
32.rd-105d继电器在靠近3-8译码器端的接触面上设置有橡胶绝缘层，如图3所示，用于避免高压电下译码器的损坏。
33.hc-sr04超声波测距仪在靠近电极的表面上粘贴有橡胶绝缘层，如图4所示，用于避免电磁干扰对超声波测距仪的影响；图中，两个大圆是超声波测距仪的发射端和接收端，四个小圆用于固定。
34.长方体反应容器前侧壁上还固定设置操作面板模块和物联网控制模块。
35.本实用新型装置的操作过程为：先打开操作控制模块的抽气泵开关，通过控制进出气体模块对反应容器中填充氮气和氧气；观察容器内的气压变化，待氮气和氧气填充达到设定要求后，给两个电极通电，氮气和氧气在放电条件下开始反应。此时，可以通过显示屏观测到此时反应容器中的气压、温度、湿度以及电极之间的距离等数据；相关数据通过传感器模块传输至物联网控制模块的嵌入式最小系统，嵌入式最小系统通过wifi单元将数据传输至物联网的云服务器进行存储。
36.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。