一种用于制备氯气的实物交互套件及其使用方法与流程

本发明涉及化学实验制备氯气技术领域，具体提供了一种用于制备氯气的实物交互套件及其使用方法。

背景技术：

氯气，在常温常压下为黄绿色，有强烈刺激性气味的有毒气体，吸入少量的氯气便会使鼻腔和喉头粘膜受到刺激，引起胸部疼痛和咳嗽，吸入大量氯气则会中毒致死。在实验室系统下，氯气的实验室制法一般采用mno2和浓盐酸在加热条件下反应得到。传统的氯气制取实验，要求实验装置封闭严，浓盐酸的浓度，以及加热条件均有要求。

在现有的实验系统中，还无法做到通过调节实验器件的高度，或者液体的流速等来实时显示实验的效果，并通过虚拟系统指导实验人员实验，来减少因为实验操作失误带来的伤害，以及更直观的显示实现的效果。

技术实现要素：

针对以上缺点，本发明实施例提出了一种用于制备氯气的实物交互套件及其使用方法，实现了实物套件和虚拟系统的交互，便于观察实验效果，以及减少因实验操作失误带来的伤害。

一种用于制备氯气的实物交互套件，所述套件包括分液漏斗模型、铁架台模型、摄像设备、微处理器和智能终端；

所述分液漏斗模型的一端采用红外发射管发出红外射线，另外一端接收，同时在发射和接收的通道中设置遮光板，在所述分液漏斗模型转动中，通过判断遮光板遮住的红外射线的顺序和旋转角度，进而模拟分液漏斗控制流速；

所述铁架台模型的铁环和铁夹中间安装电子拉力计，当使用铁架台模型调整圆底烧瓶的高度，使圆底烧瓶与石棉瓦接触时，将电子拉力计测到的拉力发送给微处理器，所述微处理器获取铁夹相对于铁环的高度，并发送给智能终端；

所述摄像设备用于获取制备氯气的实验器材的标签，并发送给智能终端，被智能终端的ar系统识别，所述ar系统建立实验模型和呈现实验过程；所述微处理器用于获取分液漏斗模型的旋转方向和旋转角度以及铁架台模型上铁夹相对于铁环的高度，并发送给智能终端。

进一步的，所述分液漏斗模型的一端采用三个红外发射管发出三条红外射线，并分别对三个红外发射管编号，在所述分液漏斗模型转动中，所述遮光板遮住所述三条红外射线中的一条。

进一步的，所述微处理器分别通过数据线与三个红外发射管相连。

进一步的，所述微处理器位于铁架台模型的底座上；所述微处理器通过电源模块与电子拉力计相连。

进一步的，所述电子拉力计的底部固定在铁环上，所述电子拉力计的顶部固定在铁夹上。

进一步的，所述电子拉力计的拉力为f；

所述f＝k×δx

所述k为弹簧的劲度系数；所述δx为弹簧的的拉伸量；此时铁架台模型上铁夹相对于铁环的高度h＝l电+δx；所述l电为电子拉力计固有的长度。

进一步的，所述微处理器通过串口所述智能终端相连。

进一步的，所述制备氯气的实验器材还包括带标签的圆底烧瓶、带标签的酒精灯、带饱和食盐水标签的烧杯、带浓硫酸标签的烧杯、带集气瓶标签的烧杯、带标签的集气瓶、带标签的玻璃导管；所述的标签均通过高清设备被智能终端的ar系统识别。

一种用于制备氯气的实物交互套件的使用方法，是基于一种用于制备氯气的实物交互套件实现的，包括以下步骤：

将分液漏斗模型、铁架台模型、带标签的圆底烧瓶、带标签的酒精灯、带饱和食盐水标签的烧杯、带浓硫酸标签的烧杯、带集气瓶标签的烧杯、带标签的集气瓶、带标签的玻璃导管按照制作氯气的实验顺序依次连接；通过高清设备获取所述的标签，在ar系统识别各标签，并采用unity3d建立实验器材模型；

通过调节铁架台模型中铁夹相对于铁环的高度h或者分液漏斗模型的旋转方向和旋转角度，在ar系统场景观察实验效果；

整理实验器材，按照顺序取下实验器材，ar系统检测顺序。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提出了一种用于制备氯气的实物交互套件及其使用方法，该实物交互套件包括分液漏斗模型、铁架台模型、摄像设备、微处理器和智能终端；分液漏斗模型的一端采用红外发射管发出红外射线，另外一端接收，同时在发射和接收的通道中设置遮光板，在分液漏斗模型转动中，通过判断遮光板遮住的红外射线的顺序和旋转角度，进而模拟分液漏斗控制流速。铁架台模型的铁环和铁夹中间安装电子拉力计，当使用铁架台模型调整圆底烧瓶的高度，使圆底烧瓶与石棉瓦接触时，将电子拉力计测到的拉力发送给微处理器，微处理器获取铁夹相对于铁环的高度，并发送给智能终端。摄像设备用于获取制备氯气的实验器材的标签，并发送给智能终端，被智能终端的ar系统识别，ar系统建立实验模型和呈现实验过程；微处理器用于获取分液漏斗模型的旋转方向和旋转角度以及铁架台模型上铁夹相对于铁环的高度，并发送给智能终端。基于本发明提出的一种用于制备氯气的实物交互套件，还提出了一种用于制备氯气的实物交互套件的使用方法。本发明设计了分液漏斗模型，以转动一圈为一次有效的转动调节，可以很好的模仿分液漏斗调节试剂流速的过程。转动外部转轮，我们将感光板捕获的信号发送到微处理器，判断顺时针转动一周，还是逆时针转动一周。微处理器将此结果传送到智能终端，ar系统对传递参数做出实时响应。铁架台模型一方面模仿了实际铁架台的调节铁夹高度的操作过程，引用电子测力计，间接测量出铁夹的上升值δx，通过公式科技得出铁架台相对于铁环的高度，从而较为精确的传递出高度值，在铁架台的底部安装了微型电源和微处理器，便于对接收到的数字信号和电信号进行处理，方便试验中必要的交互信息的传递。实物交互套件，采用虚拟系统和实物套件融合的方式进行化学实验，ar系统可以对实验者的操作步骤进行指导，减少实验危险的发生，另外在ar系统实时显示实验的真实效果，便于观察实验效果。

附图说明

图1是基于本发明实施例1提出的分液漏斗模型结构示意图；

图2是基于本发明实施例1提出的铁架台模型结构示意图；

图3是基于本发明实施例1提出的电子拉力计内部结构原理图；

图4是本发明实施例1提出的一种用于制备氯气的实验整体连接图；

图5是基本本发明实施例1提出的一种用于制备氯气的实物交互套件的使用方法流程图；

图6是基本发明实施例1提出的一种实物交互套件制取氯气的算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

实施例1

本发明实施例1提出了一种用于制备氯气的实物交互套件及其使用方法。

该实物交互套件包括分液漏斗模型、铁架台模型、摄像设备、微处理器和智能终端；

分液漏斗模型的一端采用红外发射管发出红外射线，另外一端接收，同时在发射和接收的通道中设置遮光板，在分液漏斗模型转动中，通过判断遮光板遮住的红外射线的顺序和旋转角度，进而模拟分液漏斗控制流速。如图1是所示为基于本发明实施例1提出的分液漏斗模型结构示意图；把活塞替换成设计的角度传感器，真正的分液漏斗调节液体流速时，顺时针转动，活塞被压紧，流速降低，试剂减少；逆时针转动时，活塞被逐渐打开，流速提升，试剂增加。为了模仿该效果，在角度传感器中，使用三个近邻的微型红外发射管发射红外射线，三个微型红外发射管的编号为：a,b,c.同时，在另一端用感光接收器对三条红外射线的投影点进行信号接收。在发射和接收器通道中内置了一个遮光板，遮光板的初始位置在c红外发射器和a红外发射器之间，转动过程中恰好可以遮挡住三条红外射线中的一条。当顺时针转动外部的转轮时，固定在转轮上的红外发射器随着转动，三条红外射线被依次遮挡，遮挡顺序依次为：abc,bca,cab，假设未遮挡状态下，感光板器件获得的信号为(1,1,1)，顺时针转动后，感光板接收到的a,b,c信号源依次发出的信号。当逆时针转动时，三条红外射线同样被依次遮挡，其遮挡顺序依次为：cba,bac,acb。所以据红外射线被遮挡的顺序，来判定实验进行的时顺时针旋转还是逆时针旋转，进而模仿分液漏斗控制试剂流速的过程。

其中微处理器分别通过数据线与三个红外发射管相连。

铁架台模型的铁环和铁夹中间安装电子拉力计，当使用铁架台模型调整圆底烧瓶的高度，使圆底烧瓶与石棉瓦接触时，将电子拉力计测到的拉力发送给微处理器，微处理器获取铁夹相对于铁环的高度，并发送给智能终端。如图2所示为基于本发明实施例1提出的铁架台模型结构示意图；在实验过程中，实验者需要调节铁夹的高度，来控制圆底烧瓶的高度，使之刚好与石棉瓦相接触，方便对圆底烧瓶内反应试剂加热处理。根据铁架台实物结构模型，仿制一个铁架台，在铁环和铁夹之间添加了一个电子拉力计，如图3所示是基于本发明实施例1提出的电子拉力计内部结构原理图；电子拉力计的底部固定在铁环上，顶部固定在铁夹上，其长度约为圆底烧瓶的三分之二，电子拉力计内的弹簧采用弹性较小轻质弹簧，方便铁夹上下移动，来模仿铁架台的实际操作。当使用铁架台模型调节圆底烧瓶的高度时，电子拉力计测试到的拉力为f＝k×δx

其中，k为弹簧的劲度系数；δx为弹簧的的拉伸量；将测得的拉力值传送到铁架台底部的微处理器，可得弹簧的相对拉伸量δx。此时铁架台模型上铁夹相对于铁环的高度h＝l电+δx；l电为电子拉力计固有的长度。将h通过微处理器传递给智能终端，智能终端上的ar系统可以根据h进行实时的调节反馈。其中，微处理器通过串口智能终端相连。

摄像设备用于获取制备氯气的实验器材的标签，并发送给智能终端，被智能终端的ar系统识别，ar系统建立实验模型和呈现实验过程；微处理器用于获取分液漏斗模型的旋转方向和旋转角度以及铁架台模型上铁夹相对于铁环的高度，并发送给智能终端。其中微处理器采用arm处理器，智能终端一般为计算机系统。

如图4所示为本发明实施例1提出的一种用于制备氯气的实验整体连接图；除了实物交互套件，还包括其他的实验器材，带标签的圆底烧瓶、带标签的酒精灯、带饱和食盐水标签的烧杯、带浓硫酸标签的烧杯、带集气瓶标签的烧杯、带标签的集气瓶、带标签的玻璃导管等，其中每个器材上的标签类似于识别自己身份的二维码，所有的标签均能通过高清设备被智能终端的ar系统识别。

基于本发明实施例1提出的一种用于制备氯气的实物交互套件，还提出了一种用于制备氯气的实物交互套件的使用方法。如图5所示是基于本发明实施例1提出的一种用于制备氯气的实物交互套件的使用方法流程图；

首先，将分液漏斗模型、铁架台模型、带标签的圆底烧瓶、带标签的酒精灯、带饱和食盐水标签的烧杯、带浓硫酸标签的烧杯、带集气瓶标签的烧杯、带标签的集气瓶、带标签的玻璃导管按照制作氯气的实验顺序依次连接；通过高清设备获取所述的标签，在ar系统识别各标签，并采用unity3d建立实验器材模型，实验操作台，完成了对实验器材和实验环境的呈现。实物标签被摄像设备实时监测，当位置发生改变，ar系统中的实验器材模型随之改变；同时，还可以根据标签出现的位置，检测实验装置是否按照正确的顺序进行连接，进而在计算机显示界面对实验者错误操作进行提示。

通过调节铁架台模型中铁夹相对于铁环的高度h或者分液漏斗模型的旋转方向和旋转角度，在ar系统场景观察实验效果。比如：调节铁架台模型，根据微处理器可以获取铁架台模型上铁夹相对于铁环的高度h，智能终端通过串口命令，可以读取为处理器内的数据，进而控制ar场景中的铁架台模型的烧瓶夹高度，直至圆底烧瓶底部刚好触碰到石棉瓦。调节分液漏斗模型，顺时针转动是逐渐关闭分液漏斗，逆时针旋转是逐渐打开分液漏斗，微处理器根据转动传感器传出的数据信号，判断是顺时针转动还是逆时针转动和转动角度，智能终端读取处理后的数据，来调节ar实验场景中的器材模型，并产生对应的实验现象，当收到转动传感器顺时针转动的数据和角度时，在ar场景中可以观察到分液漏斗底部液体流速减缓，继续顺时针转动，最终分液漏斗停止流出试剂，同时盛有饱和食盐水和包和浓硫酸的烧杯模型内气泡产生速率逐渐减小并停止，即氯气逐渐停止产生。相反，逆时针调节转动传感器，观察到，分液漏斗流速加快，盛有饱和食盐水和包和浓硫酸的烧杯模型内气泡产生速率逐渐加快，集气瓶气体逐渐变多等。

最后，实验者整理实验器材，将实物套件按顺序取下，套件远离摄像头，当检测不到标签后，ar场景中的实验器材模型从实验台上消失，即被取下，按照标签消失的顺序，当实验者收回器材顺序出错时，提示实验者，操作失误，实验将有氯气泄漏，产生危险。

如图6所示为基本发明实施例1提出的一种实物交互套件制取氯气的算法流程图。

在步骤s601中，装置连接，并检查装置的气密性。摄像头检测到器材的标签，根据标签和标签位置，在ar场景下呈现对应的器材模型(unity3d制作)，根据摄像头检测的标签顺序，判断实验连接是否合理，在显示器ar场景中进行提示。拿起用药匙往圆底烧瓶中添加适量二氧化锰。

在步骤s602中，判断是否需要调节铁夹的高度，即圆底烧瓶底部刚好触碰到石棉瓦。如果需要调节铁夹的高度，则执行步骤s603；如果需要调整铁夹的高度，则执行步骤s607。

在步骤s603中，点燃酒精灯加热烧瓶。

在步骤s604中，检测分液漏斗模型中旋转角度r的值，如果遮光板的信号变化规则为(1,1,1)→(0,1,1)→(1,0,1)→(1,1,0)→(1,1,1)，活塞顺时针旋转r＝45°，浓硫酸的加入量：如果遮光板的旋转规则为(1,1,1)→(1,1,0)→(1,0,1)→(0,1,1)→(1,1,1)，活塞顺时针旋转r＝-45°，浓硫酸的加入量：其中，m0表示初始时刻(当前状态)的试剂量，在反应开始前m0＝0。m表示分液漏斗内包含的总的试剂量。其中初始状态不一定是(1,1,1)，可以是上面五组数据中的任意一个。

在步骤s605中，arm处理器获取h和m。

在步骤s606中，判断是否完整的旋转一周，如果是完整的旋转一周，则执行步骤s607，如果不是，则返回步骤s604。

在步骤s607中，arm处理器将获得的数据发送给智能终端，本地计算机系统或者服务器。

在步骤s608中，在ar系统中观察氯气的产生效果。气泡产生的快慢，盛有饱和食盐水和包和浓硫酸的烧杯模型内气泡产生速率随之改变，集气瓶模型内逐渐出现黄绿色气体，且颜色加深等现象。同时运用向上排空气法或者排饱和食盐水法收集氯气。

尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。