氧化还原反应的自动检测教学装置的制作方法

本实用新型涉及一种氧化还原反应装置，尤其涉及氧化还原反应的自动检测教学装置，属于教学实验装置的技术领域。

背景技术：

在我国现行初、高中和大学普通化学实验教学中，学生在做氧化还原反应实验时，单纯靠传统化学实验器材和方法进行教学演示、分析等一般性探究，存在不能准确控制实验条件问题，如：实验过程中的浓度、密度、温度、压强和反应速率等。进而，也不能实时跟踪测量反应过程中，容器内生成新化合物前后变化现象，教学上需要检测的数据，以及变化终极物质中需要重点关注的实验指标的测量等突出问题。

国家知识产权局于2016年06月22日公开了一种公开号为CN105699504A，专利名称为“在线氧化还原易氧化物质的实时检测装置”的发明专利。该专利包括进样器、在线电化学反应装置和离子色谱装置；在线电化学反应装置包括在线电化学反应流动相、第一泵、第一六通阀和在线氧化还原装置；离子色谱装置包括离子色谱流动相、第二泵、第二六通阀、色谱柱和检测器；进样器与第一六通阀相连接，在线氧化还原装置与第二六通阀相连接；通过调控在线氧化还原装置的正负电压值，实现易氧化物质的在线氧化还原，然后利用检测器检测。本发明实现了在线氧化还原的可能性，为易氧化物质的准确测定提供了一种新装置。本发明的检测装置，检测结果准确，灵敏度和检测限高。

国家知识产权局于2008年10月29日公开了一种公开号为CN201140072，专利名称为“一种氧化还原产气反应的实验装置”的实用新型专利。该专利是一种氧化还原产气反应并能收集所产生气体的教学实验装置。它公开了具支试管的支管处固定有一个气体收集装置，具支试管管口处有一个具贯通孔的胶塞，有一个管壁有孔内试管，内试管穿过胶塞贯通孔直插入具支试管内，内试管的管口留置于胶塞外。本实用新型能以实验室普通设备稍微改造后即可进行实验，而且适合于多种氧化还原产气反应，具备良好的气密性同时能进行气体的收集，便于教学上的应用。

但现有技术还存在如下的问题：

（1）“在线氧化还原易氧化物质的实时检测装置”方案虽然能对氧化还原反应进行实时检测，但装置结构复杂，对仪器设备要求高，且操作流程过长，不适用于教学实验装置技术领域；

（2）“一种氧化还原产气反应的实验装置”方案中，该装置能简易的完成氧化还原反应，但是所涉及到的实验参数不好控制，也不能实时跟踪测量反应过程中，容器内生成新化合物前后变化现象，教学上需要检测的数据，以及变化终极物质中需要重点关注的实验指标的测量等突出问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决现有技术的不足，而提出了氧化还原反应的自动检测教学装置。通过对氧化还原反应的自动检测教学装置进行分体式设置，携带方便，节省空间，易于安置；装置结构简单，对仪器设备要求低，操作简单，流程短，能全程控制；利用CPU控制器自动控制反应速率，利用串口连接模块进行实时检测实验数据变化，实现实验信息能直观显示。

为实现上述技术目的，提出如下的技术方案：

氧化还原反应的自动检测教学装置，其特征在于：所述氧化还原反应的自动检测教学装置为分体式装置，包括支架、反应装置和自动检测装置，反应装置和自动检测装置分别设置在支架上，且反应装置与自动检测装置连接；所述反应装置为一个密闭的玻璃器皿，玻璃器皿上设置有至少四个开口，开口中放有瓶塞，瓶塞连接有蠕动管；所述自动检测装置包括电子传感器、电子转换器、数据采集器、CPU控制器和显示器，电子传感器与电子转换器连接，电子转换器与数据采集器连接，数据采集器与CPU控制器连接，CPU控制器与显示器连接。

所述支架为可升降支架，反应装置与支架之间为可拆卸式连接，自动检测装置与支架之间为可拆卸式连接。

所述开口为磨砂开口。

所述瓶塞为橡胶瓶塞。

所述电子传感器包括探头组，探头组包括密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头，所述密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头分别通过瓶塞进入玻璃器皿内。

所述CPU控制器上设有适配器，适配器包括接口适配器和电源适配器。

所述CPU控制器包括速率控制器、数据采集控制器和数据转换控制器；所述速率控制器包括蠕动泵和滴管，蠕动泵与滴管相连接，且蠕动泵设置在蠕动管上；所述数据采集控制器通过接口适配器连接数据采集器；所述数据转换控制器连接显示器。

所述探头组上设置有防酸碱、耐高温、防震动的保护套。

本实用新型所述电子传感器、电子转换器、数据采集器、CPU控制器和显示器为本领域技术人员所熟悉的。

本实用新型的工作原理为：

在本实用新型中，当玻璃器皿内发生氧化还原反应时，电子传感器上的探头通过瓶塞分别插入玻璃器皿内，进行信息采集。密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头将氧化还原反应过程中所检测到的信号传递给电子转换器；电子转换器经信息转换后，传给数据采集器；数据采集器将氧化还原反应过程中的浓度、密度、温度、压强和反应速率变化情况进行收集，经过接口适配器，反馈给CPU控制器；CPU控制器将氧化还原反应的信号进行分析、综合后，在显示器上进行显示，以供学生和老师观察、参考及实验数据记录。

瓶塞、蠕动管及包括蠕动泵和滴管的速率控制器相连接，形成控制实验演示（包括定性分组探究实验）的检测系统。在CPU控制器的作用下，检测系统直接控制蠕动泵中电机的蠕动转速，并控制参与反应化合物（溶剂）滴入玻璃器皿内的数量和流速，进而，达到控制整个化学反应的速率的目的，以便师生对实验现象的观察，及反应时相关化学变化量的数据采集分析。

在此过程中，某一信号显示出现过激或过慢现象时，通过CPU控制器中的速率控制器控制蠕动泵，调节滴管中反应物的流速，进而控制氧化还原反应速率，以满足学生对实验现象的准确及整体的把握。

采用本实用新型，带来的有益技术效果为：

（1）在本实用新型中，技术方案适用于初、高中和大学普通化学实验教学。学生在做氧化还原反应实验时，利用化学实验器材和方法进行教学演示、分析等探究，能准确控制实验条件，如：实验过程中的浓度、密度、温度、压强和反应速率等。进而，也能实时跟踪测量反应过程中的器皿内生成新化合物前后变化现象，教学上需要检测的数据，以及变化终极物质中需要重点关注的实验指标的测量等突出问题。本技术方案使得实验直观化、系统化和智能化；

（2）在本实用新型中，首创了分体式结构，方便携带，节省空间，易于安置；首创了利用单片机控制氧化还原反应现象的模式，并使用反应速率控制器，自动控制反应速率；首创了利用串口连接模块进行实时数据变化信息的直观显示；装置结构简单，对仪器设备要求低，操作简单，流程短，能全程控制。本实用新型具有便携性、自动追踪性、实时性、普遍适用性和价格低廉等突出优点；

（3）在本实用新型中，可以通过电子检测显示装置或大屏幕投影仪进行观察，促使学生对氧化还原反应现象进行直观性观察。本实用新型是对氧化还原反应过程中重点化学量而进行的设计，根据不同教学对象和不同教学类型（演示实验、分组实验、综合性探究实验等课型），对氧化还原反应实验的实验原理、教学内容与教学目标等方面的要求，进行深入调研论证，在此基础上，以自动检测装置为实时检测和调控装置，根据检测装置电路的工作原理、检测系统结构、功能和测量方式方面的理论与技术，而形成本技术方案；

（4）在本实用新型中，采用普通家用交流电（220V，50Hz）供电，适用于所有化学教学课堂及学生实验教室内，安全性、稳定性高，不受环境限制；

（5）在本实用新型中，将反应装置玻璃器皿直接安放在支架上，支架为可升降支架，方便观察玻璃器皿内的反应现象，也方便实验操作；

（6）在本实用新型中，反应装置与支架之间、自动检测装置与支架之间均为可拆卸式连接，既便于携带，也便于组装，也便于对实验装置的检修和更换；

（7）在本实用新型中，磨砂开口和橡胶瓶塞的设置，增加反应装置的密封性，也方便装置的安置；

（8）在本实用新型中，探头组上保护套的设置，防止氧化反应过程中出现的酸碱、高温、震动等现象对探头的影响，进而改善电子传感器的灵敏性，提高对信号的准确采集。

附图说明

图1为本实用新型结构框架俯视示意图

图2为本实用新型结构框架主视示意图

图3为本实用新型自动检测装置的结构框架示意图

图4为本实用新型工作原理框架示意图

图中：1、支架，2、反应装置，201玻璃器皿，202、开口，203、瓶塞，3、自动检测装置，4、蠕动管，5、电子传感器，6、电子转换器，7、数据采集器，8、适配器，9、CPU控制器，10、显示器，11、玻璃器皿放置盒，12、螺丝配件放置盒，13、蠕动管放置盒，14、速率控制器放置盒，15、速率控制器电源放置盒，16、主板电源放置盒，17、底板，18、螺丝，19、速率控制器电源，20、主板电源，21、速率控制器，22、速率控制器开关，23、速率控制器开关指示灯，24、主板，25、MCU控制模块，26、串口插座，27、主板开关，28、传感器串口连接模块，29、单片机开关，30、供电模块。

具体实施方式

下面通过对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

氧化还原反应的自动检测教学装置，其特征在于：所述氧化还原反应的自动检测教学装置为分体式装置，包括支架1、反应装置2和自动检测装置3，反应装置2和自动检测装置3分别设置在支架1上，且反应装置2与自动检测装置3连接；所述反应装置2为一个密闭的玻璃器皿201，玻璃器皿201上设置有四个开口202，开口202中放有瓶塞203，瓶塞203连接有蠕动管4；所述自动检测装置3包括电子传感器5、电子转换器6、数据采集器7、CPU控制器9和显示器10，电子传感器5与电子转换器6连接，电子转换器6与数据采集器7连接，数据采集器7与CPU控制器9连接，CPU控制器9与显示器10连接。

实施例2

氧化还原反应的自动检测教学装置，其特征在于：所述氧化还原反应的自动检测教学装置为分体式装置，包括支架1、反应装置2和自动检测装置3，反应装置2和自动检测装置3分别设置在支架1上，且反应装置2与自动检测装置3连接；所述反应装置2为一个密闭的玻璃器皿201，玻璃器皿201上设置有五个开口202，开口202中放有瓶塞203，瓶塞203连接有蠕动管4；所述自动检测装置3包括电子传感器5、电子转换器6、数据采集器7、CPU控制器9和显示器10，电子传感器5与电子转换器6连接，电子转换器6与数据采集器7连接，数据采集器7与CPU控制器9连接，CPU控制器9与显示器10连接。

实施例3

氧化还原反应的自动检测教学装置，所述氧化还原反应的自动检测教学装置为分体式装置，包括支架1、反应装置2和自动检测装置3，反应装置2和自动检测装置3分别设置在支架1上，且反应装置2与自动检测装置3连接；所述反应装置2为一个密闭的玻璃器皿201，玻璃器皿201上设置有四个开口202，开口202中放有瓶塞203，瓶塞203连接有蠕动管4；所述自动检测装置3包括电子传感器5、电子转换器6、数据采集器7、CPU控制器9和显示器10，电子传感器5与电子转换器6连接，电子转换器6与数据采集器7连接，数据采集器7与CPU控制器9连接，CPU控制器9与显示器10连接。

所述支架1为可升降支架，反应装置2与支架1之间为可拆卸式连接，自动检测装置3与支架1之间为可拆卸式连接。

所述开口202为磨砂开口。

所述瓶塞203为橡胶瓶塞。

所述电子传感器5包括探头组，探头组包括密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头，所述密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头分别通过瓶塞203进入玻璃器皿201内。

所述CPU控制器9上设有适配器8，适配器8包括接口适配器和电源适配器。

所述CPU控制器9包括速率控制器21、数据采集控制器和数据转换控制器；所述速率控制器21包括蠕动泵和滴管，蠕动泵与滴管相连接，且蠕动泵设置在蠕动管4上；所述数据采集控制器通过接口适配器连接数据采集器7；所述数据转换控制器连接显示器10。

所述探头组上设置有防酸碱、耐高温、防震动的保护套。

实施例4

氧化还原反应的自动检测教学装置，所述氧化还原反应的自动检测教学装置为分体式装置，包括支架1、反应装置2和自动检测装置3，反应装置2和自动检测装置3分别设置在支架1上，且反应装置2与自动检测装置3连接；所述反应装置2为一个密闭的玻璃器皿201，玻璃器皿201上设置有五个开口202，开口202中放有瓶塞203，瓶塞203连接有蠕动管4；所述自动检测装置3包括电子传感器5、电子转换器6、数据采集器7、CPU控制器9和显示器10，电子传感器5与电子转换器6连接，电子转换器6与数据采集器7连接，数据采集器7与CPU控制器9连接，CPU控制器9与显示器10连接。

所述支架1为可升降支架，反应装置2与支架1之间为可拆卸式连接，自动检测装置3与支架1之间为可拆卸式连接。

所述开口202为磨砂开口。

所述瓶塞203为橡胶瓶塞。

所述电子传感器5包括探头组，探头组包括密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头，所述密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头分别通过瓶塞203进入玻璃器皿201内。

所述CPU控制器9上设有适配器8，适配器8包括接口适配器和电源适配器。

所述CPU控制器9包括反应速率控制器21、数据采集控制器和数据转换控制器；所述反应速率控制器21包括蠕动泵和滴管，蠕动泵与滴管相连接，且蠕动泵设置在蠕动管4上；所述数据采集控制器通过接口适配器连接数据采集器7；所述数据转换控制器连接显示器10。

所述探头组上设置有防酸碱、耐高温、防震动的保护套。

实施例5

如图3和图4所示：当玻璃器皿201内发生氧化还原反应时，电子传感器5上的探头通过瓶塞203分别插入玻璃器皿201内，进行信息采集。密度检测探头、压强检测探头、声光信号探头、酸碱度检测探头和温度检测探头将氧化还原反应过程中所检测到的信号传递给电子转换器6；电子转换器6将信息转换后，传给数据采集器7；数据采集器7将氧化还原反应过程中的浓度、密度、温度、压强和反应速率变化情况进行收集，经过适配器8，反馈给CPU控制器9；CPU控制器9将氧化还原反应的信号进行分析、综合后，在显示器10上进行显示，以供学生和老师观察、参考及实验数据记录。

瓶塞203、蠕动管4及包括蠕动泵和滴管的速率控制器21相连接，形成控制实验演示（包括定性分组探究实验）的检测系统。在CPU控制器9的作用下，检测系统直接控制蠕动泵中电机的蠕动转速，并控制参与反应化合物（溶剂）滴入玻璃器皿201内的数量和流速，进而，达到控制整个化学反应的速率的目的，以便师生对实验现象的观察，及反应时相关化学变化量的数据采集分析。

在此过程中，某一信号显示出现过激或过慢现象时，通过CPU控制器9中的反应速率控制器21控制蠕动泵，调节滴管中反应物的流速，进而控制氧化还原反应速率，以满足学生对实验现象的准确及整体把握。

实施例6

如图1、图2和图4所示：在实施例1-5的基础上，针对于金属与非金属的氧化还原反应而言，提出氧化还原反应的自动检测教学装置设计方案。设置自动检测教学装置的外观，为一个便携式的盒子形状，内部各元件进行分格式设置，分别有玻璃器皿放置盒11、螺丝配件放置盒12、蠕动管放置盒13、电源放置盒和速率控制器放置盒14，且电源放置盒包括速率控制器电源放置盒15和主板电源放置盒16。

氧化还原反应的自动检测教学装置，包括支架1、反应装置2和自动检测装置3，支架1上固定有底板17，反应装置2和自动检测装置3分别设置在底板17上，且反应装置2与自动检测装置3相连接。反应装置2包括玻璃器皿201，玻璃器皿201为一个耐高温、耐腐蚀的密闭容器，且玻璃器皿201上有4个磨砂开口，磨砂开口中放有橡胶瓶塞，橡胶瓶塞中连有电子传感器5，电子传感器5设置在玻璃器皿201内。电子传感器5包括温度传感器、压强传感器、pH电极传感器和湿度传感器。自动检测装置3包括主板24、蠕动管4和电源，主板24上设置有速率控制器21和CPU，速率控制器21设置在速率控制器放置盒14内，且速率控制器放置盒14内还设有速率控制器开关22和速率控制器开关指示灯23；CPU包括MCU控制模块25、串口插座26、显示器10和传感器串口连接模块28，同时，CPU内还设置有主板开关27和单片机开关29。蠕动管4设置在蠕动管放置盒13内，且与速率控制器21连接。电源包括速率控制器电源19和主板电源20，速率控制器电源19连接速率控制器21，主板电源20连接主板24。

传感器通过导线与传感器串口连接模块28相连接。

MCU控制模块25由51增强型单片机搭建，包含开关模块和供电模块30。

MCU控制模块25、串口插座26与电脑连接时，构成上位机串口示波器，即为显示温度、气压、pH值、湿度值曲线的函数变化等数值与现象观测的模块。

主板24与底板17通过螺丝18固定，螺丝18设置在螺丝配件放置盒12内。

各元件与放置盒之间为可拆卸连接。

本技术方案为分格式设置，温度传感器、压强传感器、pH电极传感器和湿度传感器一起构成氧化还原反应各项指标硬件采集模块，可根据实际要求进行自由选择，单个传感器工作时，为一个独立的系统，不受其他影响。