基于互联网+的智能化学实验台创新设计研究

摘要：研究基于“互联网+”时代背景，分析了传统化学实验台存在的不足，创新设计出配备火灾自动报警和灭火系统、自动化合成反应系统、互联网远程操控系统、自动清洗和烘干系统、自动整理供送装置的基于互联网+的智能化学实验台，并进行了新功能的检测验证。基于互联网+的智能化学实验台实现了火灾自动检测、报警和灭火的功能，利用自动化合成反应和互联网远程操控系统可替代师生和科研人员进行实验，还能够帮助师生和科研人员自动整理、供送、清洗和烘干实验仪器，对于推动化学实验的现代化和智能化具有重要意义。

关键词：互联网+；智能化学实验台；自动化系统；远程操控

化学实验台作为化学实验的关键设备，在化学实验中发挥着至关重要的作用。传统化学实验台存在诸多弊端，这些弊端限制了化学实验的发展。互联网+技术的不断成熟与普及，为传统化学实验台的创新设计提供了崭新的思路。本文创新设计一种基于互联网+的智能化学实验台，旨在通过智能化、模块化和高效化的设计，提升化学实验的质量、效率与安全性。

1 传统化学实验台存在的不足

在学校和科研院所化学实验室里，配备的一般还是传统化学实验台。师生和科研人员在做实验前，需要准备好大量相关化学实验仪器和化学试剂，这需要花费很长时间；在做实验时，通常需要进行大量重复、繁琐、高强度、有一定危险性的实验，经常因此疲惫不堪，花费大量时间和精力，但还是无法保证实验过程中所进行的实验操作不出错；在实验结束后，也需要清洗很多化学实验仪器、整理化学试剂和处理废液，这也耗费了大量的时间和精力。此外，传统化学实验室属于高危区域，在传统化学实验台进行实验时会涉及各种易燃易爆、有毒气体等危险物质，如果管理不当，很容易造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，本文针对传统化学实验台存在的不足，创新设计出基于互联网+的智能化学实验台，具有十分重要的意义和广阔的市场前景。

2 基于互联网+的智能化学实验台的优势

基于互联网+的智能化学实验台能够帮助师生和科研人员在做实验前自动准备好各种规格且需要数量较多的化学实验仪器，可将师生和科研人员从一些具有重复性高、高精度控制和长时间运行的实验中解放出来，也可以利用互联网+远程操控功能替代师生和科研人员进行一些具有高危险性的实验，还能够帮助师生和科研人员在实验结束后清洗和烘干化学实验仪器，此外，实验室发生火灾时，智能化学实验台能够自动报警并且采取对应的措施进行灭火，确保师生和科研人员的安全，减少财产损失。

3 基于互联网+的智能化学实验台基本方案设计

3.1 基于互联网+的智能化学实验台火灾自动报警和灭火系统设计

如果在实验室内发生了火灾，由于实验室通常存放有大量的易燃易爆物品，这些物品在特定条件下极易成为火灾的燃料，加速火势的蔓延，后果将十分严重。火灾自动报警和灭火系统与智能化学实验台的结合，需要根据师生和科研人员对智能化学实验台的规模需求及《火灾自动报警系统设计规范》确定[1]。该系统的工作流程图如下（见图1）。火灾自动报警和灭火系统基于互联网、火灾探测、报警控制和智能识别与处理等技术，确保智能化学实验台自动报警和灭火操作的及时性、安全性和可靠性。通过安装烟雾传感器、温度传感器，智能化学实验台可以及时检测火灾。通过安装报警控制器，智能化学实验台能够利用互联网将信号及时传递到消防部门，并且提醒师生和科研人员做出防护措施，以便后续灭火救援。通过安装各种类型的灭火器，智能化学实验台可以智能识别火灾的类型，自动松开对应类型灭火器的阀门，进行灭火。此外，智能化学实验台不仅能够实现自动控制功能，还可以供师生和科研人员手动操作，为师生和科研人员的安全进一步提供有力的保障。总之，本文设计的基于互联网+的智能化学实验台在配备该系统后，将能够实现火灾自动报警和灭火的功能。

3.2 基于互联网+的智能化学实验台自动化合成反应系统设计

自动化合成反应系统是由流动化学技术与自动化技术和计算机控制技术结合发展出来的系统[2]。而自动化平台是自动化合成反应系统的根本，也是将师生和科研人员从繁重的实验中解放出来的关键。自动化合成平台由反应釜、加热器、冷却器和搅拌器等构成。基于互联网+的智能化学实验台与自动化合成平台共同构成了自动化合成反应系统。该系统的工作流程图如下（见图2）。通过计算机控制，智能化学实验台能够利用机械臂进行自动化合成操作。不同类型的实验，师生和科研人员给计算机设定的参数不同，主要包括重复性高的实验（药物合成实验），高精度实验（立体动力学精准调控实验），长时间运行的实验（催化稳定性测定实验）。智能化学实验台的自动化合成平台能够根据参数代替科研人员自动进行实验，在实验结束后，师生和科研人员还可以对实验结果进行验证分析，这极大地减轻了师生和科研人员的压力并且帮他们节省了大量时间。

3.3 基于互联网+的智能化学实验台远程操控系统设计

该系统基于互联网通信、自动化控制和视频监控等技术，对智能化学实验台进行远程操控，联合自动化合成反应系统代替师生和科研人员进行高危险性的实验，避免师生和科研人员直接暴露在爆炸或者辐射的危险中。通过视频监控，师生和科研人员还可以实时观察智能化学实验台的情况。需要注意的是，利用该系统进行远程操作时，必须确保互联网的稳定，若互联网断开，师生和科研人员应立即停止远程操控，避免因系统失灵而导致实验失败和发生危险事故。

3.4 基于互联网+的智能化学实验台自动清洗和烘干系统设计

自动清洗和烘干系统由超声波清洗器和烘干器构成。根据不同实验仪器的特点，可以设计不同的专用清洗槽，或者根据某些实验仪器的共同特点设计混洗清洗槽，再联合清洗器的其他结构设计出各种智能型超声波清洗器[3]。例如，智能型烧杯专用超声波清洗器，智能型离心管专用超声波清洗器，智能型试管、烧杯、离心管三者混洗超声波清洗器。基于互联网+的智能化学实验台在超声波清洗器清洗完实验仪器后进行自动烘干，这样就形成了智能化学实验台的自动清洗和烘干系统，帮助师生和科研人员减轻负担。

3.5 基于互联网+的智能化学实验台自动整理供送装置设计

该装置主要由料仓，输料结构和除料结构以及传送带组成[4]。料仓负责存放实验仪器，输料结构和除料结构则对料仓内的实验仪器进行整理，传动带负责自动供送实验仪器。通过分析烧杯、试管和锥形瓶等实验仪器的形状结构，基于互联网、机械设计、自动化控制等技术，可以设计不同规模的自动整理供送装置，但也仅仅是针对这些规格较小且需要数量较多的仪器。例如，烧杯自动整理供送装置，试管自动整理供送装置和锥形瓶自动整理送装置等。装置的设计流程图如下（见图3）。通过互联网，利用运动仿真模块可对装置的运行进行位移分析，确保传送路线不偏移。通过合理的机械设计，可确定输料结构和除料结构，保证装置的稳定性。通过自动化控制技术，智能化学实验台的自动整理供送装置可完成实验仪器的自动传送操作。

4 基于互联网+的智能化学实验台自动化操作系统的检测验证

4.1 火灾自动报警和灭火系统的检测验证

师生和科研人员可以在化学实验室内模拟火灾，例如，设置一个火堆（实验室内不存在易燃易爆等危险物品且不存在火堆能引发的潜在威胁）在实验室内，这给系统提供了一个火灾样本。然后，智能化学实验台可以利用火灾自动报警和灭火系统检测化学实验室内是否存在异常，如果是否，则系统不会有任何反应，如果检测到异常（即火灾），那么火灾自动报警和灭火系统会立即通知消防部门和科研人员，与此同时，也会立即松开阀门，熄灭火堆。

4.2 自动化合成反应系统的检测验证

在检验智能化学实验台的自动化合成反应系统之前，师生和科研人员先确定联上互联网的计算机能否正常使用，若计算机有故障，则应优先排除计算机的故障，然后在计算机可以正常使用的情况下开始进行自动化合成反应系统的检测。首先，师生和科研人员给联网计算机录入相关实验参数。然后，联网计算机会根据实验参数发布指令到自动化合成平台，自动化合成平台则根据指令自动进行化学实验，在这个过程中，师生和科研人员可以随时观察反应进行的情况。在实验结束后，就能得到实验结果。最后，师生和科研人员将自动化合成平台的实验结果跟自己亲手所做的实验结果或者与相关文献上的标准实验结果作对比，就能检验验证自动化合成平台是否合格。

4.3 自动清洗和烘干系统的检测验证

师生和科研人员根据超声波清洗器的类型放入相应类型的实验仪器，接着清洗器开始自动清洗，5分钟后，清洗完毕，实验仪器被自动送入烘箱，10分钟后，烘箱停止烘干。师生和科研人员将实验仪器取出，对实验仪器进行检查，观察是否已经洗净和烘干。

4.4 自动整理供送装置的检测验证

运动仿真模块对自动整理供送装置的主要部件进行位移分析，检验该装置自动运行时的相对运动，进而确定输料结构和除料结构。然后检测规格较小并且需要数量较多的实验仪器能否正常传送，进而判断该装置是否合格。

5 结束语

基于互联网+的智能化学实验台的研究不仅为化学实验教学带来了革命性的变革，也极大地促进了学生创新精神和实践能力的培养。本文创新设计的基于互联网+的智能化学实验台跟传统化学实验台相比，更加智能、高效和安全，改善了传统化学实验台的不足，有效提升了实验教学的精确度和安全性，降低了实验成本，提高了教学效率。同时，通过引入互联网资源，丰富了实验教学内容，拓宽了学生的视野，激发了他们的学习兴趣和探索欲望。此外，智能化学实验台的应用还促进了师生和科研人员之间的互动交流，使得教学过程更加灵活、开放。师生和科研人员可以在任何时间、任何地点通过互联网+接入实验台，进行自主学习和探究，而教师则可以实时监控学生的实验情况，提供及时的指导和帮助。

参考文献：

[1]潘玉霞.火灾自动报警系统设计与其他专业的配合[J].南方建筑，2006（07）：128-129.

[2]韩英锋，鲁欣月，张乐.AI+化学：从自动化迈向智能化探索[J].西北大学学报（自然科学版），2023，53（01）：1-16.

[3]赵静，冒晓莉，常建华.智能型试管专用超声清洗器的研制[J].自动化技术与应用，2009，28（02）：104-106+124.

[4]李思聪，唐正宁.一种试管自动整理供送装置的研究[J].包装与食品机械，2020，38（02）：38-41.

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目“基于互联网+的智能化学实验台”

项目编号：S202413744027

作者简介：谢宇（2005.7-）男，汉族，江西赣州人，本科生在读，黑河学院，研究方向：应用化学。