合作信息
1. 微波/超聲波復(fù)合智能化系統(tǒng)及其應(yīng)用
發(fā)布單位：南開大學(xué)
所屬行業(yè)：新一代信息技術(shù)
合作信息類型：意向合作
機(jī)構(gòu)類型：高等院校
供求關(guān)系：供應(yīng)
合作信息期限：2016-12
參考價(jià)格：面議
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合作信息簡介
一、 成果與項(xiàng)目的背景及主要用途：
本項(xiàng)目是通過跨學(xué)科合作，開展在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用電子學(xué)新技術(shù)的研究。
大多數(shù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)的加熱方法，即利用傳導(dǎo)的方式加熱。微波/超聲波相結(jié)合的技術(shù)與傳統(tǒng)加熱方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以大大降低加熱時(shí)間，省溶劑(可較常規(guī)方法少50％～90％)、節(jié)約能源、減少廢物的產(chǎn)生，同時(shí)可以提高回收率和提取物的純度。另一方面利于環(huán)境保護(hù)，無污染，屬于綠色工程，它是一種具有廣闊發(fā)展前途的新技術(shù)。
微波/超聲波復(fù)合智能化系統(tǒng)可應(yīng)用于合成化學(xué)、藥物有效成分的提取及分析樣品預(yù)處理領(lǐng)域，設(shè)計(jì)并研制出新型微波和超聲波相結(jié)合的復(fù)合多功能智能化儀器裝置，研究其對化學(xué)反應(yīng)、藥物提取及環(huán)境污染物萃取的促進(jìn)作用，為合成化學(xué)、藥物有效成分的提取及分析樣品預(yù)處理提供了新的實(shí)驗(yàn)手段和方法。
本項(xiàng)目成果可為加大環(huán)境污染物的監(jiān)測的力度，使其樣品分析擺脫耗費(fèi)大量的有毒的有機(jī)試劑，程序繁瑣，工作量大的現(xiàn)況，為其分析樣品預(yù)處理，拓展一種高效的實(shí)驗(yàn)手段和方法。如對加標(biāo)土壤樣品（土壤樣品中的多溴代聯(lián)苯醚）進(jìn)行復(fù)合萃取，分別采用微波輔助萃取、超聲波輔助萃取、微波－超聲波復(fù)合萃取方法，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是：在相同萃取20分鐘時(shí)間內(nèi)，使用微波輔助萃取和超聲波輔助萃取，其萃取效率分別為42－75％、45－86％而采用微波－超聲波復(fù)合萃取體系時(shí)萃取效率則可提高到92－114％。和常規(guī)的索氏提取相比，微波－超聲波復(fù)合萃取使用的溶劑量降至原來的10％左右，萃取時(shí)間降低至原來的5％左右。可見復(fù)合萃取對萃取效率有較大的增強(qiáng)效果。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)示著：本項(xiàng)目成果推廣應(yīng)用，進(jìn)一步完善，可為分析樣品預(yù)處理提供一種新的高效的實(shí)驗(yàn)手段和方法。另外，對兔疫球蛋白lgG生物制品等的滅菌也開始進(jìn)行有益的應(yīng)用探討，受到相關(guān)企業(yè)的關(guān)注。
二、技術(shù)原理與工藝流程簡介：
1. 實(shí)現(xiàn)了在線消解/萃取裝置：包括微波諧振腔（諧振腔形狀與尺寸的設(shè)計(jì)、諧振腔材質(zhì)選取以及開孔尺寸的設(shè)計(jì)與加工）、微波傳輸系統(tǒng)與視窗的設(shè)計(jì)與加工；實(shí)現(xiàn)微波功率從0～1000W連續(xù)可調(diào)，利用手動(dòng)三銷釘調(diào)配器，調(diào)節(jié)不同負(fù)載下微波最佳傳輸，解決了微波效率問題。在設(shè)計(jì)中特別注意了微波泄漏問題，并能實(shí)時(shí)在線測量和顯示微波泄漏量，申請專利5項(xiàng)。
2．研究微波場分布，避免產(chǎn)生過熱，發(fā)表研究論文3篇。
3．完成了以9052為PCI接口，雙口RAM，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片C8051F020組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用DDK開發(fā)PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序的軟件編程，并利用VC開發(fā)了應(yīng)用程序。
4．設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備的通信協(xié)議，用VC++實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信，并對計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行了封裝；然后提出了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫eXtremeDB為核心的數(shù)據(jù)保存方案，根據(jù)不同系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了定時(shí)、強(qiáng)制、選擇三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方案，解決了高速數(shù)據(jù)存儲與海量數(shù)據(jù)存儲之間的矛盾；在比較各種控制算法的基礎(chǔ)上，確定采用模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)溫度的控制，借助MATLAB對控制算法進(jìn)行了仿真，用C++實(shí)現(xiàn)了該控制算法；通過大量實(shí)驗(yàn)與計(jì)算確定了微波功率與磁控管陽極電壓、陽極電壓與脈沖延時(shí)時(shí)間之間的關(guān)系，并將這些關(guān)系應(yīng)用到系統(tǒng)中，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的控制效果；最后結(jié)合VC與Labview，使用activex技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)VC程序更加人性化、更友好的人機(jī)界面；設(shè)計(jì)了控制算法接口，方便操作人員對控制算法進(jìn)行在線調(diào)整以適應(yīng)不同的被控對象。
5． 研制出38KHz超聲波功率，由鍵盤任意設(shè)定，從0至滿負(fù)荷連續(xù)可調(diào)，在控溫系統(tǒng)中超聲波功率也隨之改變。
6．研究在強(qiáng)微波場中，利用常規(guī)測溫方法實(shí)現(xiàn)微波場的在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測溫，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)溫度的閉環(huán)控制，用C++實(shí)現(xiàn)了該控溫算法。
7．多功能智能化系統(tǒng)研究應(yīng)用于協(xié)同萃?。瓪庀嗌V電子捕獲檢測器測定土壤中的多溴代聯(lián)苯醚，研究了微波、超聲波共同作用下在線萃取的增強(qiáng)作用，收到很好的效果。
8．反應(yīng)瓶體積可50～1000ml內(nèi)更換。
三、技術(shù)水平及專利與獲獎(jiǎng)情況：
1. 樣機(jī)技術(shù)性能：
◆ 微波功率從0～1000W連續(xù)可調(diào)，微波頻率f=2450MHz；
◆ 溫度范圍：室溫～300度；
◆ 研制出38KHz超聲波發(fā)射系統(tǒng)，功率從0至滿負(fù)荷連續(xù)可調(diào)，在控溫系統(tǒng)中超聲波功率也隨之改變；
◆ 消解/萃取瓶體積：50～1000毫升。
2.專利申請：
（1） 數(shù)字控制功率連續(xù)可調(diào)微波爐, 專利號ZL98123503.4。
（2） 手機(jī)電磁輻射檢測探頭，專利號ZL 03257816.4。
（3） 具有在線實(shí)時(shí)顯示微波泄漏的微波協(xié)助化學(xué)反應(yīng)諧振腔，專利號200410072698.4 。
（4） 微波協(xié)助化學(xué)反應(yīng)的諧振腔，專利號ZL200420085324.1。
（5） 微波/超聲波復(fù)合增強(qiáng)樣品消解/萃取的諧振裝置，專利號200510016202.6 。
（6） 微波/超聲波復(fù)合增強(qiáng)樣品消解/萃取的諧振腔體，專利號ZL200520025301.6。
（7） 微波/超聲波復(fù)合增強(qiáng)樣品消解/萃取帶調(diào)諧的諧振腔，專利號200510122058.4。
3. 發(fā)表論文：在國內(nèi)外發(fā)表了相關(guān)研究論文十二篇，其中核心期刊6篇（EI收錄1篇），國際會議5篇（ISTP收錄1篇），國內(nèi)微波化學(xué)會議1篇。
4. 三項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新為產(chǎn)業(yè)化與拓展應(yīng)用領(lǐng)城打下基礎(chǔ)：
（1）將微波場與超聲波場兩種不同性質(zhì)的場施加于同一反應(yīng)物體，充分發(fā)揮各自的長處、協(xié)同作用，為在化學(xué)、生物以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了新的實(shí)驗(yàn)手段和方法，在課題中解決了超聲波高效耦合問題；
（2） 實(shí)現(xiàn)了微波/超聲波協(xié)同作用下反應(yīng)物的控溫算法，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML來存儲和表示模糊控制算法，并用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想結(jié)合C++對該算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，利用Labview（圖形化編程語言）可視化技術(shù)建立良好的人機(jī)界面；
（3）具有在線實(shí)時(shí)檢測和顯示微波泄漏量，當(dāng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)切斷系統(tǒng)的電源，保證操作人員的安全。
5. 獲獎(jiǎng)情況：南開大學(xué)“微波/超聲波復(fù)合智能化系統(tǒng)及其應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2007年度“石油和化工自動(dòng)化行業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)” 技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
四、能為產(chǎn)業(yè)解決的關(guān)鍵技術(shù)：
微波/超聲波復(fù)合智能化管道流動(dòng)式反應(yīng)裝置已完成小試，正在進(jìn)行中試研究。
本項(xiàng)目是通過跨學(xué)科合作，開展在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用電子學(xué)新技術(shù)的研究。
大多數(shù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)的加熱方法，即利用傳導(dǎo)的方式加熱。微波/超聲波相結(jié)合的技術(shù)與傳統(tǒng)加熱方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以大大降低加熱時(shí)間，省溶劑(可較常規(guī)方法少50％～90％)、節(jié)約能源、減少廢物的產(chǎn)生，同時(shí)可以提高回收率和提取物的純度。另一方面利于環(huán)境保護(hù)，無污染，屬于綠色工程，它是一種具有廣闊發(fā)展前途的新技術(shù)。
微波/超聲波復(fù)合智能化系統(tǒng)可應(yīng)用于合成化學(xué)、藥物有效成分的提取及分析樣品預(yù)處理領(lǐng)域，設(shè)計(jì)并研制出新型微波和超聲波相結(jié)合的復(fù)合多功能智能化儀器裝置，研究其對化學(xué)反應(yīng)、藥物提取及環(huán)境污染物萃取的促進(jìn)作用，為合成化學(xué)、藥物有效成分的提取及分析樣品預(yù)處理提供了新的實(shí)驗(yàn)手段和方法。
本項(xiàng)目成果可為加大環(huán)境污染物的監(jiān)測的力度，使其樣品分析擺脫耗費(fèi)大量的有毒的有機(jī)試劑，程序繁瑣，工作量大的現(xiàn)況，為其分析樣品預(yù)處理，拓展一種高效的實(shí)驗(yàn)手段和方法。如對加標(biāo)土壤樣品（土壤樣品中的多溴代聯(lián)苯醚）進(jìn)行復(fù)合萃取，分別采用微波輔助萃取、超聲波輔助萃取、微波－超聲波復(fù)合萃取方法，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是：在相同萃取20分鐘時(shí)間內(nèi)，使用微波輔助萃取和超聲波輔助萃取，其萃取效率分別為42－75％、45－86％而采用微波－超聲波復(fù)合萃取體系時(shí)萃取效率則可提高到92－114％。和常規(guī)的索氏提取相比，微波－超聲波復(fù)合萃取使用的溶劑量降至原來的10％左右，萃取時(shí)間降低至原來的5％左右。可見復(fù)合萃取對萃取效率有較大的增強(qiáng)效果。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)示著：本項(xiàng)目成果推廣應(yīng)用，進(jìn)一步完善，可為分析樣品預(yù)處理提供一種新的高效的實(shí)驗(yàn)手段和方法。另外，對兔疫球蛋白lgG生物制品等的滅菌也開始進(jìn)行有益的應(yīng)用探討，受到相關(guān)企業(yè)的關(guān)注。
二、技術(shù)原理與工藝流程簡介：
1. 實(shí)現(xiàn)了在線消解/萃取裝置：包括微波諧振腔（諧振腔形狀與尺寸的設(shè)計(jì)、諧振腔材質(zhì)選取以及開孔尺寸的設(shè)計(jì)與加工）、微波傳輸系統(tǒng)與視窗的設(shè)計(jì)與加工；實(shí)現(xiàn)微波功率從0～1000W連續(xù)可調(diào)，利用手動(dòng)三銷釘調(diào)配器，調(diào)節(jié)不同負(fù)載下微波最佳傳輸，解決了微波效率問題。在設(shè)計(jì)中特別注意了微波泄漏問題，并能實(shí)時(shí)在線測量和顯示微波泄漏量，申請專利5項(xiàng)。
2．研究微波場分布，避免產(chǎn)生過熱，發(fā)表研究論文3篇。
3．完成了以9052為PCI接口，雙口RAM，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片C8051F020組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用DDK開發(fā)PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序的軟件編程，并利用VC開發(fā)了應(yīng)用程序。
4．設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備的通信協(xié)議，用VC++實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信，并對計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換進(jìn)行了封裝；然后提出了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫eXtremeDB為核心的數(shù)據(jù)保存方案，根據(jù)不同系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了定時(shí)、強(qiáng)制、選擇三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方案，解決了高速數(shù)據(jù)存儲與海量數(shù)據(jù)存儲之間的矛盾；在比較各種控制算法的基礎(chǔ)上，確定采用模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)溫度的控制，借助MATLAB對控制算法進(jìn)行了仿真，用C++實(shí)現(xiàn)了該控制算法；通過大量實(shí)驗(yàn)與計(jì)算確定了微波功率與磁控管陽極電壓、陽極電壓與脈沖延時(shí)時(shí)間之間的關(guān)系，并將這些關(guān)系應(yīng)用到系統(tǒng)中，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的控制效果；最后結(jié)合VC與Labview，使用activex技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)VC程序更加人性化、更友好的人機(jī)界面；設(shè)計(jì)了控制算法接口，方便操作人員對控制算法進(jìn)行在線調(diào)整以適應(yīng)不同的被控對象。
5． 研制出38KHz超聲波功率，由鍵盤任意設(shè)定，從0至滿負(fù)荷連續(xù)可調(diào)，在控溫系統(tǒng)中超聲波功率也隨之改變。
6．研究在強(qiáng)微波場中，利用常規(guī)測溫方法實(shí)現(xiàn)微波場的在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測溫，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)溫度的閉環(huán)控制，用C++實(shí)現(xiàn)了該控溫算法。
7．多功能智能化系統(tǒng)研究應(yīng)用于協(xié)同萃?。瓪庀嗌V電子捕獲檢測器測定土壤中的多溴代聯(lián)苯醚，研究了微波、超聲波共同作用下在線萃取的增強(qiáng)作用，收到很好的效果。
8．反應(yīng)瓶體積可50～1000ml內(nèi)更換。
三、技術(shù)水平及專利與獲獎(jiǎng)情況：
1. 樣機(jī)技術(shù)性能：
◆ 微波功率從0～1000W連續(xù)可調(diào)，微波頻率f=2450MHz；
◆ 溫度范圍：室溫～300度；
◆ 研制出38KHz超聲波發(fā)射系統(tǒng)，功率從0至滿負(fù)荷連續(xù)可調(diào)，在控溫系統(tǒng)中超聲波功率也隨之改變；
◆ 消解/萃取瓶體積：50～1000毫升。
2.專利申請：
（1） 數(shù)字控制功率連續(xù)可調(diào)微波爐, 專利號ZL98123503.4。
（2） 手機(jī)電磁輻射檢測探頭，專利號ZL 03257816.4。
（3） 具有在線實(shí)時(shí)顯示微波泄漏的微波協(xié)助化學(xué)反應(yīng)諧振腔，專利號200410072698.4 。
（4） 微波協(xié)助化學(xué)反應(yīng)的諧振腔，專利號ZL200420085324.1。
（5） 微波/超聲波復(fù)合增強(qiáng)樣品消解/萃取的諧振裝置，專利號200510016202.6 。
（6） 微波/超聲波復(fù)合增強(qiáng)樣品消解/萃取的諧振腔體，專利號ZL200520025301.6。
（7） 微波/超聲波復(fù)合增強(qiáng)樣品消解/萃取帶調(diào)諧的諧振腔，專利號200510122058.4。
3. 發(fā)表論文：在國內(nèi)外發(fā)表了相關(guān)研究論文十二篇，其中核心期刊6篇（EI收錄1篇），國際會議5篇（ISTP收錄1篇），國內(nèi)微波化學(xué)會議1篇。
4. 三項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新為產(chǎn)業(yè)化與拓展應(yīng)用領(lǐng)城打下基礎(chǔ)：
（1）將微波場與超聲波場兩種不同性質(zhì)的場施加于同一反應(yīng)物體，充分發(fā)揮各自的長處、協(xié)同作用，為在化學(xué)、生物以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了新的實(shí)驗(yàn)手段和方法，在課題中解決了超聲波高效耦合問題；
（2） 實(shí)現(xiàn)了微波/超聲波協(xié)同作用下反應(yīng)物的控溫算法，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML來存儲和表示模糊控制算法，并用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想結(jié)合C++對該算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，利用Labview（圖形化編程語言）可視化技術(shù)建立良好的人機(jī)界面；
（3）具有在線實(shí)時(shí)檢測和顯示微波泄漏量，當(dāng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)切斷系統(tǒng)的電源，保證操作人員的安全。
5. 獲獎(jiǎng)情況：南開大學(xué)“微波/超聲波復(fù)合智能化系統(tǒng)及其應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2007年度“石油和化工自動(dòng)化行業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)” 技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
四、能為產(chǎn)業(yè)解決的關(guān)鍵技術(shù)：
微波/超聲波復(fù)合智能化管道流動(dòng)式反應(yīng)裝置已完成小試，正在進(jìn)行中試研究。
