一种视频在线原位观测记录结晶过程的温控系统及方法

本发明涉及温度监测，尤其涉及一种视频在线原位观测记录结晶过程的温控系统及方法。

背景技术：

1、结晶在制药、化工等工业生产中占有极其重要的地位，经过结晶操作，可以提纯、分离、精制出高纯度，高质量的产品。在药物生产过程中，药物的晶型和晶体形貌会影响药物溶解度、生物利用度以及稳定性等，使得药物的疗效受到影响。在炸药的制备过程中，火炸药结晶工艺是炸药制造中的核心环节，对于提升炸药的性能与安全性具有至关重要的作用。

2、在化工、制药等工业领域中，结晶过程的控制对产品质量和生产效率至关重要。传统的结晶过程监测方法主要依赖离线取样、实验室分析，存在时间延迟长、操作复杂、成本高等问题。因此，需要一种更为高效、准确的在线结晶过程监测与控制方法。

3、对结晶器内的温度控制包括升温阶段和保温阶段，其中升温阶段需将结晶器内温度持续加热至预设的结晶析出温度，当结晶实际温度达到结晶析出温度后，加热器依然会持续加热，对结晶器内的温度实现保温控制，但是这样会导致实际结晶温度超过结晶析出温度，造成结晶速度下降，甚至已经析出的晶体又发生溶解，进而延长了结晶成型周期，造成能源浪费。另外，结晶温度还会影响到晶体的性质和结构，包括晶体的大小、形状、晶型、晶体密度和折射率等。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种视频在线原位观测记录结晶过程的温控方法及系统，旨在通过对结晶过程进行实时监测，为调整结晶工艺参数，提供理论依据和技术支持。

2、本发明第一方面提出了一种视频在线原位观测记录结晶过程的温控系统，该系统包括：恒温结晶器、结晶加热单元、图像采集单元、控制单元和计算机设备；

3、所述恒温结晶器，用于放置物料，并为物料提供加热环境或保温环境；

4、所述结晶加热单元，用于通过水循环来对恒温结晶器中的物料进行加热或保温，采集恒温结晶器的实际温度并发送给控制单元；

5、所述图像采集单元，用于观察恒温结晶器内物料的结晶过程，并采集恒温结晶器内的物料的晶体结晶状态图片并发送给控制单元；

6、所述控制单元，用于根据接收到的实际温度和晶体结晶状态图片分析当前时刻的物料结晶状态，若当前时刻的物料已结晶，则控制结晶加热单元对恒温结晶器中的物料进行保温；若当前时刻的物料未达到结晶状态，则控制结晶加热单元对恒温结晶器中的物料进行继续加热；

7、所述恒温结晶器、结晶加热单元、图像采集单元、控制单元之间的通信均通过计算机设备实现；

8、所述恒温结晶器，包括：保温桶、结晶桶和搅拌器；

9、所述保温桶套设在结晶桶外部，用于为结晶桶提供恒温环境；所述结晶桶，用于放置物料；所述搅拌器安装在结晶桶内部，用于根据接收的搅拌器启动指令搅拌结晶桶内的物料；

10、所述结晶加热单元，包括：保温桶结晶加热组件和结晶桶结晶加热组件；

11、所述保温桶结晶加热组件用于通过水循环对保温桶进行加热；

12、所述保温桶结晶加热组件，包括：保温桶温度传感器、保温桶智能仪表、保温桶可控硅控制器、保温桶循环泵和保温桶加热器；其中所述保温桶温度传感器安装在保温桶底部，保温桶加热器的入水口与保温桶的出水口连接，保温桶加热器的出水口与保温桶循环泵的入水口连接，保温桶循环泵的出水口与保温桶的入水口连接，保温桶智能仪表分别与保温桶温度传感器和保温桶可控硅控制器电连接，保温桶可控硅控制器与保温桶加热器电连接；

13、所述保温桶温度传感器，用于实时检测保温桶的实际温度并传输至保温桶智能仪表；所述保温桶智能仪表，用于将接收到的保温桶的实际温度同时传输至控制单元和保温桶可控硅控制器；所述保温桶可控硅控制器，用于根据接收到的保温桶的实际温度控制保温桶加热器的加热温度；所述保温桶循环泵，用于为保温桶提供循环水，并通过循环水的水循环过程实现结晶加热；所述保温桶加热器，用于对循环水进行加热；

14、所述结晶桶结晶加热组件用于通过水循环对结晶桶进行加热；

15、所述结晶桶结晶加热组件包括：结晶桶温度传感器、结晶桶智能仪表、结晶桶可控硅控制器、结晶桶循环泵和结晶桶加热器；其中所述结晶桶温度传感器安装在结晶桶底部，结晶桶加热器的入水口与结晶桶的出水口连接，结晶桶加热器的出水口与结晶桶循环泵的入水口连接，结晶桶循环泵的出水口与结晶桶的入水口连接，结晶桶智能仪表分别与结晶桶温度传感器和结晶桶可控硅控制器电连接，结晶桶可控硅控制器与结晶桶加热器电连接；

16、所述结晶桶温度传感器，用于实时检测结晶桶的实际温度并传输至结晶桶智能仪表；所述结晶桶智能仪表，用于将接收到的结晶桶的实际温度同时传输至控制单元和结晶桶可控硅控制器；所述结晶桶可控硅控制器，用于根据接收到的结晶桶的实际温度控制结晶桶加热器的加热温度；所述结晶桶循环泵，用于为结晶桶提供循环水，并通过循环水的水循环过程实现结晶加热；所述结晶桶加热器，用于对循环水进行加热；

17、所述图像采集单元，包括相机和三维移动支架；所述相机通过三维移动支架安装在恒温结晶器上方，并由三维移动支架控制拍摄角度和位置；

18、所述控制单元，包括：图像分析单元、数据查询单元、数据分析单元、数据显示单元和加热控制单元；

19、所述图像分析单元，用于对接收到的晶体结晶状态图片进行分析，得到当前时刻物料的实际结晶状态参数值，并将晶体结晶状态图片和实际结晶状态参数值发送给数据分析单元；

20、所述数据查询单元，用于保存接收到的实际温度，并发送给数据分析单元；

21、所述数据分析单元，用于根据接收的实际温度、晶体结晶状态图片和实际结晶状态参数值分析物料的加热情况并发送给加热控制单元；

22、所述加热情况为：若当前时刻的物料已结晶，则加热情况为保温，并将接收的实际温度、晶体结晶状态图片发送给数据显示单元；若当前时刻的物料未达到结晶状态，则加热情况为加热；

23、所述数据显示单元，用于可视化接收到的实际温度和晶体结晶状态图片；

24、所述加热控制单元，用于根据接收到的加热情况向结晶加热单元发送控制指令，若加热情况为加热，则控制结晶加热单元继续对物料继续加热，同时向恒温结晶器中的搅拌器发送包含搅拌时长的搅拌器启动指令；若加热情况为保温，则控制结晶加热单元对物料进行保温。

25、本发明第二方面提出了一种视频在线原位观测记录结晶过程的温控方法，采用所述一种视频在线原位观测记录结晶过程的温控系统实现，该方法包括如下步骤：

26、步骤s1：加热结晶桶内的物料，实时获取结晶桶的实际温度值并记录到预设的工况数据库中；

27、所述工况数据库中包括预先存储的：最佳结晶温度值范围、若干个标准温度值范围、与每一个标准温度值范围对应的标准结晶状态参数值范围、参考温度值、与每一参考温度值对应的参考结晶状态图片、成型晶体分布粒度范围以及不同时刻的结晶过程温度值；

28、步骤s2：查询预设的最佳结晶温度值范围并与实际温度值比较，若实际温度值位于预设的最佳结晶温度值范围内，则采集此时结晶桶内物料的晶体结晶状态图片；反之，则继续对结晶桶内物料进行加热；

29、步骤s3：采用图像识别算法对晶体结晶状态图片进行图像分析，得出实际结晶状态参数值并记录在工况数据库中；

30、步骤s4：通过查询工况数据库中与实际温度值对应的标准温度值，确定与该标准温度值对应的标准结晶状态参数值范围；

31、步骤s5：判断实际结晶状态参数值是否在标准结晶状态参数值范围中，若是，则对结晶桶内的物料进行保温，执行步骤s8；若否，则执行步骤s6；

32、步骤s6：通过查询与实际温度值对应的标准温度值来获取参考结晶状态图片，计算晶体结晶状态图片与参考结晶状态图片之间的实际相似度；若该实际相似度位于预设的参考相似度范围之内，则对结晶桶内的物料进行保温，执行步骤s8；反之，则执行步骤s7；

33、步骤s7：启动搅拌器并按照设置的搅拌运行时长对结晶桶内的物料进行搅拌，搅拌完成后，采集预设时间点的更新结晶状态图片，计算该更新结晶状态图片与参考结晶状态图片之间的相似度，若该相似度位于预设的晶体相似度范围之内，则对结晶桶内的物料进行保温，执行步骤s8；反之，则返回步骤s1；

34、步骤s8：在物料的保温过程中，通过分析保温桶和结晶桶的实际温差来改变加热器的加热控制量，根据加热器的加热控制量调整保温桶的温度直至保温过程中保温桶和结晶桶的实际温差不再升高；

35、步骤s9：采集当前时刻物料的晶体结晶状态图片作为更新结晶状态图片，通过对更新结晶状态图片进行图像分析来计算更新结晶状态图片中的更新晶体分布粒度，并根据更新晶体分布粒度获取结晶析出温度值、结晶析出时间点和结晶析出状态图片进行可视化显示；

36、步骤s10：根据结晶析出状态图片计算成型晶体分布粒度，利用成型晶体分布粒度和实际结晶状态参数值计算晶体的生长速率并进行可视化显示，完成物料的结晶过程；

37、步骤s3中所述实际结晶状态参数值，包括：晶体的形状、大小、面积、颜色和初始晶体分布粒度；

38、步骤s8中所述通过分析保温桶和结晶桶的实际温差来改变加热器的加热控制量的方法为：在物料的保温过程中任选两个时刻t1和t2，其中t1<t2，分别获取保温桶在t1时刻和t2时刻的温度以及结晶桶在t1时刻和t2时刻的温度，计算t1时刻保温桶的温度与结晶桶的温度的实际温差作为第一实际温差，计算t2时刻保温桶的温度与结晶桶的温度的实际温差作为第二实际温差，若第一实际温差小于第二实际温差，则说明结晶桶与保温桶之间的温差存在增大的情况，此时通过调整加热器的加热控制量来提高保温桶的加热温度；若第一实际温差等于第二实际温差，则说明结晶桶与保温桶之间的温差处于平衡状态，无需调整加热器的加热控制量；若第一实际温差大于第二实际温差，则说明结晶桶与保温桶之间的温差存在缩小的情况，无需调整加热器的加热控制量；

39、步骤s9中所述根据更新晶体分布粒度获取结晶析出温度值、结晶析出时间点和结晶析出状态图片的方法为：若该更新晶体分布粒度位于预设的成型晶体分布粒度范围内，则在查询与当前时刻对应的结晶过程温度值，并将结晶过程温度值设置为结晶析出温度值，将当前时刻设置为结晶析出时间点，将更新结晶状态图片设置为结晶析出状态图片；反之，则对物料继续保温，直至该更新晶体分布粒度位于预设的成型晶体分布粒度范围内；

40、步骤s10中所述晶体的生长速率的计算方法为：从工况数据库中查询物料的实际结晶状态参数值中的初始晶体分布粒度，计算初始晶体分布粒度和成型晶体分布粒度的粒度差值，计算初始晶体分布粒度和成型晶体分布粒度之间对应的时间差值，利用粒度差值除以时间差值得到晶体的生长速率。

41、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

42、本发明方法通过实时监测结晶过程中的温度变化和结晶状态参数值，结合预设的标准温度值和结晶状态参数值范围，实现了对结晶过程的在线监测和控制，提高了结晶过程的稳定性和产品质量、产量。

43、本发明系统方法通过计算更新结晶状态图片与参考结晶状态图片之间的相似度，并根据判断结果调整加热器对结晶桶的加热控制策略，从而更精确地控制结晶过程的温度和状态。

44、本发明系统及方法实时获取保温桶和结晶桶的温度值，并计算其差值，根据实际温差值的变化趋势，本发明系统会调整加热器的控制量，以确保保温桶内温度与结晶桶内的稳定性相匹配，从而保证结晶过程的顺利进行。

45、本发明系统利用摄像头和图像处理技术，对结晶过程进行监测记录，可以实时观测产品晶体形貌、粒度分布、热稳定性和晶体生长速率等情况，为调整结晶过程工艺参数，提高产品质量及产量提供进一步的研究方向和思路，为结晶工艺优化提供理论依据和技术支持。