温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器及其搅拌控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器及其搅拌控制方法，磁力搅拌器包括搅拌反应炉和控制盒，搅拌反应炉上设有封闭连接的搅拌区和控制区，在搅拌区内设有温度传感器，搅拌区上设有至少一个搅拌槽，控制区内部设有电加热板和搅拌驱动板，搅拌驱动板上有至少一个由搅拌马达和磁性搅拌子组成的磁性搅拌机构，磁性搅拌机构设置在搅拌槽的底部；搅拌马达的转轴上有随转轴一起转动的磁编码器，控制盒内有控制器，电加热板、搅拌驱动板、温度传感器和磁编码器均与控制器电连接。该磁力搅拌器可在温度实现精准控制的基础上，通过温度联动搅拌马达实时改变转速，利用磁力搅拌方式进行搅拌，控温稳定，搅拌均匀，工作效率高且节能美观。
【专利说明】
温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器及其搅拌控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种磁力搅拌器，尤其涉及一种搅拌速度可随温度变化进行自适应调 控的磁力搅拌器，具体地说是一种采用温度联动马达进行自适应搅拌控制的磁力搅拌器以 及自适应控制方法，应用在化工行业，属于化工精密控制及聚酯化纤结构设备技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着医药、食品、有机合成、石油化工以及核工业等行业的发展，工业中对一些易 燃、易爆、有毒、强腐蚀性和贵重介质的搅拌或搅拌反应过程的要求越来越严格，因此，对搅 拌器的精密搅拌控制备受关注。一般的磁力搅拌器具有三个作用:一是使反应物混合均匀， 使温度均匀;二是作用是在一个密闭的容器中加热，可防止暴沸;三是加快反应速度或者加 快蒸发速度。在聚酯化纤生产过程中，需要对原料进行搅拌试验，现有市场上的磁力搅拌器 是一种利用磁性物质同极相斥的特性，通过不断变换基座的两端的极性来推动磁性搅拌子 转动，再依靠磁性搅拌子的转动带动样本旋转，使样本达到均匀混合的一种仪器。但是现有 磁力搅拌器的采购成本高，而且也无法适应不同用户的需求，使用不方便，工作效率低。因 此，迫切的需要一种成本低、搅拌效果好并能够满足不同需求的磁力搅拌器。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器及其搅拌控 制方法，该磁力搅拌器可在温度实现精准控制的基础上，通过温度传感器的数值联动搅拌 马达实时改变转速，并利用磁力搅拌方式对化学溶液进行充分搅拌，控温稳定，搅拌均匀， 工作效率高且节能美观。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种温度联动马达自适应控制的 磁力搅拌器，包括搅拌反应炉和控制盒，所述搅拌反应炉上设有搅拌区和控制区，所述搅拌 区设置在控制区的上方并与控制区封闭连接;在搅拌区内设有温度传感器，所述搅拌区上 设有至少一个搅拌槽，所述控制区内部设有电加热板和搅拌驱动板，所述搅拌驱动板上设 有至少一个由搅拌马达和磁性搅拌子组成的磁性搅拌机构，所述磁性搅拌机构设置在搅拌 槽的底部;所述搅拌马达的转轴上设有随转轴一起转动的磁编码器，所述控制盒内设有控 制器，所述电加热板、搅拌驱动板、温度传感器和磁编码器均与控制器电连接。
[0005] 作为本发明的一种改进，所述搅拌马达固定在搅拌驱动板上，搅拌马达的转轴与 磁性搅拌子的中心固定连接，所述磁性搅拌子的中心与搅拌槽的中心位于同一竖直线上。
[0006] 作为本发明的一种改进，所述搅拌马达采用直流电机，具有体积小、重量轻、易于 安装等优点，可方便的安装在搅拌驱动板上，同时也有效减小了搅拌反应炉的体积。
[0007] 作为本发明的一种改进，所述搅拌槽的数量为1-10个，每个搅拌槽可单独使用，从 而实现多个原料同时搅拌，使用方便，工作效率高;所述搅拌槽的形状为子弹型，形状美观 且可便于在试验过程中将试验管插入搅拌槽中并能将试验管与搅拌槽贴合紧密，有助于提 高原料的加热搅拌均匀性。
[0008] 作为本发明的一种改进，在所述搅拌槽的底部设有金属传热管，所述电加热板将 热量先传递给金属传热管，再由金属传热管将热量传递至搅拌槽，在金属传热管与搅拌驱 动板间设有绝缘隔热层，防止搅拌驱动板受高温损坏。
[0009] 作为本发明的一种改进，在所述控制区的外侧壁上设有多个磁块，通过改变磁块 的数量来辅助调节搅拌区内的旋转磁场的变化频率，从而可改变磁性搅拌子的搅拌速度。
[0010] 作为本发明的一种改进，所述控制盒上设有控制面板，所述控制面板上设有PV显 示窗口、SV显示窗口、开关键、指示灯、功能键和调节键;另外，为了防止温度失控，在所述控 制盒上设有高温报警的蜂鸣器，所述蜂鸣器通过继电器连接控制器，一旦温度超出设定阈 值，蜂鸣器会立即报警，防止出现事故。
[0011] 作为本发明的一种改进，所述控制器包括自适应滤波器和主控芯片，所述主控芯 片上设有电机驱动模块和温度控制模块，所述温度传感器通过自适应滤波器连接主控芯 片，所述搅拌驱动板、磁编码器与电机驱动模块相连，所述电加热板与温度控制模块相连， 所述温度控制模块的输出端连接电机驱动模块的输入端。
[0012] -种应用于上述磁力搅拌器的温度联动马达自适应搅拌控制方法，在控制面板上 设定温度设定值并作为温度控制模块的温度输入，温度控制模块根据温度传感器以及自适 应滤波器反馈过来的温度误差进行温度自适应调整，保证温度传感器测得的温度值与温度 设定值保持一致;建立温度控制模块的温度输出值与搅拌马达的转速值间的对应关系，并 将温度控制模块的温度输出值作为电机驱动模块的信号输入，电机驱动模块根据温度输出 值与转速值间的对应关系产生随温度自适应改变的脉冲频率，用于控制搅拌马达的搅拌速 度;具体包括如下步骤：
[0013] (1)对温度传感器温度检测的误差进行数学建模，建立测量温度误差的物理方程；
[0014] (2)将通过控制面板设定的温度值S(n)作为温度控制模块的温度输入，并将温度 设定值S(n)与该温度所对应的温度误差方程所解出的值Vo(n)进行求和计算后所得的值d (n)作为自适应滤波器的原始信号输入，将温度传感器检测的值VKn)作为自适应滤波器的 参考信号输入，自适应滤波器的输出为温度误差方程所解出的值的估计值y(n);
[0015] (3)温度控制模块的温度输出e(n)为温度设定值S(n)、该温度误差方程所解出来 的值Vo(n)以及自适应滤波器输出的温度估计值y(n)的代数和，即e(n) = S(n)+V〇(n)-y(n);
[0016] (4)将温度控制模块的温度输出e(n)与温度设定值S(n)进行比较，若两者不相等 则发送加热信号驱动电加热板加热直至两者相等；
[0017] 在实现了搅拌温度的精准控制后，将温度控制模块的温度输出值作为控制搅拌马 达转速的一个反馈，实现温度联动马达控制的过程，达到不同温度对应不同的搅拌速度的 效果，具体如下：
[0018] (5)建立搅拌马达的转速V(n)与输出温度e(n)间的对应关系式 100,0 < e(/?) < 25 r(")〕100 + 12(.c;(") -25)，25 < < 100，其中，e(n)的单位是。C，V(n)的单位是r/min; 1000,e(/?)> 100
[0019] (6)将温度控制模块的温度输出作为电机驱动模块的一个反馈输入信号，电机驱 动模块根据温度输出值与转速值间的对应关系式产生随温度自适应改变的脉冲频率，搅拌 驱动板接收到脉冲频率信号后对搅拌马达进行自动调速，以实现搅拌马达的自适应调速， 从而磁性搅拌子产生的磁场变化频率也发生改变，达到不同搅拌效果的目的。
[0020] 相对于现有技术，本发明的优点如下:磁力搅拌器的整体结构设计巧妙，拆卸组装 维修更换方便，成本较低，搅拌效果好，节能美观;采用控制盒内的控制器通过电加热板对 搅拌反应炉内的实验温度进行精准控制，加热温度提前控制，控温稳定，充分满足了某些化 学实验的温度苛刻条件，有助于对搅拌反应炉中的化学溶液产生正常的化学反应;根据建 立的温度与搅拌马达转速间的对应关系通过温度传感器的温度数据联动搅拌马达实现电 机的自动调速，间接改变旋转磁场的旋转速率，更加利于化学溶液的充分混合;并利用磁力 搅拌方式对化学溶液进行间接的充分搅拌，不仅避免了人为搅拌的不便，减少了由于人工 搅拌的溶液浪费，确保了实验员的人身安全，而且还实现了鲁棒性性强的全自动搅拌功能。 此外，在反应炉上设有多个搅拌槽，每个搅拌槽可单独使用，搅拌均匀，能够适应不同用户 的需求，使用方便，工作效率高，且每个搅拌槽的形状都设置为子弹型，不仅形状美观，还便 于在试验过程中将试验管插入搅拌槽中并让试验管与搅拌槽贴合紧密，有助于提高原料的 加热搅拌均匀性。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明所提出的磁力搅拌器的结构示意图。
[0022] 图2为本发明所提出的磁力搅拌器中的搅拌反应炉剖面图。
[0023]图3为本发明所提出的磁力搅拌器的电控原理框图。
[0024]图4为本发明的温度自适应控制原理图。
[0025]图5为本发明的搅拌马达的转速与温度对应关系图。
[0026] 图中：1、控制盒，2、导线，3、蜂鸣器，4、搅拌反应炉，5、PV显示窗口，6、SV显示窗口， 7、开关键，8、指示灯，9、功能键，10、调节键，11、搅拌区，12、控制区，13、搅拌槽，14、磁块， 15、搅拌驱动板，16、磁性搅拌子，17、电加热板。
【具体实施方式】
[0027] 为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图和【具体实施方式】，进一步阐明本 发明，应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明 的是，下面描述中使用的词语"前"、"后"、"左"、"右"、"上"和"下"指的是附图中的方向，词 语"内"和"外"分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0028] 如图1 一图3所示，一种温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，包括搅拌反应炉4 和控制盒1，所述搅拌反应炉4上设有搅拌区11和控制区12,所述搅拌区11设置在控制区12 的上方并与控制区12封闭连接。在搅拌区11内设有热电偶温度传感器，所述搅拌区11上设 有九个搅拌槽13,分为三排，每排三个搅拌槽13均匀排列。每个搅拌槽13可单独使用，从而 实现多个原料同时搅拌，使用方便，工作效率高;所有搅拌槽13的形状为子弹型，形状美观 且可便于在试验过程中将试验管插入搅拌槽13中并能将试验管与搅拌槽13贴合紧密，有助 于提高原料的加热搅拌均匀性。
[0029]所述控制区12内部设有电加热板17和搅拌驱动板15,所述搅拌驱动板15上设有九 个磁性搅拌机构，每个磁性搅拌机构都由搅拌马达和磁性搅拌子16组成，所述搅拌马达固 定在搅拌驱动板15上，搅拌马达的转轴与磁性搅拌子16的中心固定连接，所述磁性搅拌子 16的中心与搅拌槽13的中心位于同一竖直线上。所述搅拌马达的转轴上设有随转轴一起转 动的磁编码器，磁编码器测量搅拌马达的转速，使控制马达的脉冲频率自适应温度值而改 变，实现马达的自动调速，从而磁场变化的频率也将发生改变，达到不同搅拌效果的目的。 另外，所述搅拌马达采用直流电机，具有体积小、重量轻、易于安装等优点，可方便的安装在 搅拌驱动板15上，同时也有效减小了搅拌反应炉4的体积。并且在所述控制区12的外侧壁上 设有多个磁块14,通过改变磁块14的数量来辅助调节搅拌区11内的旋转磁场的变化频率， 从而可改变磁性搅拌子16的搅拌速度。
[0030] 在所述搅拌槽13的底部设有铝制金属传热管，所述电加热板17将热量先传递给金 属传热管，再由金属传热管将热量传递至搅拌槽13,在金属传热管与搅拌驱动板15间设有 绝缘隔热层，防止搅拌驱动板15受高温损坏。
[0031] 所述控制盒1内设有控制面板和控制器，所述电加热板17、搅拌驱动板15、热电偶 温度传感器和磁编码器均通过导线2与控制器电连接。所述控制面板的正面上设有PV显示 窗口 5、SV显示窗口 6、开关键7、指示灯8、功能键9和调节键10，PV显示窗口 5显示设定温度， SV显示窗口 6显示瞬间温度，开关键7打开时指示灯8亮，功能键9用于设定值、参数的修改， 调节键10可以调节参数或进入定时状态。其中，所述控制器包括自适应滤波器和主控芯片， 所述主控芯片上设有电机驱动模块和温度控制模块，所述热电偶温度传感器通过自适应滤 波器连接主控芯片，所述搅拌驱动板15、磁编码器与电机驱动模块相连，所述电加热板17与 温度控制模块相连，所述温度控制模块的输出端连接电机驱动模块的输入端。另外，为了防 止温度失控，在所述控制盒1上设有高温报警的蜂鸣器3,所述蜂鸣器3通过继电器连接控制 器，一旦温度超出设定阈值，蜂鸣器3会立即报警，防止出现事故。
[0032] 如图4所示，一种应用于上述磁力搅拌器的温度联动马达自适应搅拌控制方法，在 控制面板上设定温度设定值并作为温度控制模块的温度输入，温度控制模块根据热电偶温 度传感器以及自适应滤波器反馈过来的温度误差进行温度自适应调整，保证热电偶温度传 感器测得的温度值与温度设定值保持一致;建立温度控制模块的温度输出值与搅拌马达的 转速值间的对应关系，并将温度控制模块的温度输出值作为电机驱动模块的信号输入，电 机驱动模块根据温度输出值与转速值间的对应关系产生随温度自适应改变的脉冲频率，用 于控制搅拌马达的搅拌速度;具体包括如下步骤：
[0033] (1)对热电偶温度传感器温度检测的误差进行数学建模，建立测量温度误差的物 理方程T= 土T〇*K，其中，T为误差温度(单位：°C)，T〇为测量温度(单位：°C)，K为热电偶温度 传感器所允许的最大误差系数（％)，具体取决于热电偶温度传感器的型号及生产厂家对误 差的标定，K的取值一般有0.4%、0.5%、0.75%等等。
[0034] (2)将控制面板中设定的温度值S(n)作为温度控制模块的温度输入，并将温度设 定值S(n)与该温度所对应的温度误差方程所解出的值V〇(n)(V〇(n) = ±S(n)*K)进行求和计 算后所得的值d(n)作为自适应滤波器的原始信号输入，将热电偶温度传感器检测的值Vi U)作为自适应滤波器的参考信号输入，自适应滤波器的输出为温度误差方程所解出的值 的估计值y(n);其中，自适应滤波器具体采用自适应FIR滤波器，自适应FIR滤波器的冲激响 应为w(n) = {w(0)，w(l)，? ? ?，w(N-l)}，因此自适应滤波器的输出为y(n)=Vi(n)*w(n)。
[0035] (3)温度控制模块的温度输出e(n)为温度设定值S(n)、该温度误差方程所解出来 的值Vo(n)以及自适应滤波器输出的温度估计值y(n)的代数和，即e(n) = S(n)+V〇(n)-y(n);
[0036] (4)将温度控制模块的温度输出e(n)与温度设定值S(n)进行比较，若两者不相等 则发送加热信号驱动电加热板17加热直至两者相等；
[0037] 在实现了搅拌温度的精准控制后，将温度控制模块输出的温度值作为控制搅拌马 达转速的一个反馈，实现温度联动马达控制的过程，达到不同温度对应不同的搅拌速度的 效果，具体如下：
[0038] (5)建立搅拌马达的转速V (n)与输出温度e (n)间的对应关系式 100,0<(，("）<25 K (/?) = 100+ 12(e(/?) -25),25 < (/?) S 丨00，其中，e(n)的单位是°〇，V(n)的单位是r/min; 1000，K")> 100
[0039 ] (6)将温度控制模块的温度输出作为电机驱动模块的一个信号输入，电机驱动模 块根据温度输出值与转速值间的对应关系式产生随温度自适应改变的脉冲频率，搅拌驱动 板15接收到脉冲频率信号后对搅拌马达进行自动调速，以实现搅拌马达的自适应调速，从 而磁性搅拌子16产生的磁场变化频率也发生改变，达到不同搅拌效果的目的。
[0040]本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括 由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于:包括搅拌反应炉和控制 盒，所述搅拌反应炉上设有搅拌区和控制区，所述搅拌区设置在控制区的上方并与控制区 封闭连接;在搅拌区内设有温度传感器，所述搅拌区上设有至少一个搅拌槽，所述控制区内 部设有电加热板和搅拌驱动板，所述搅拌驱动板上设有至少一个由搅拌马达和磁性搅拌子 组成的磁性搅拌机构，所述磁性搅拌机构设置在搅拌槽的底部;所述搅拌马达的转轴上设 有随转轴一起转动的磁编码器，所述控制盒内设有控制器，所述电加热板、搅拌驱动板、温 度传感器和磁编码器均与控制器电连接。2. 如权利要求1所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于，所述搅拌 马达固定在搅拌驱动板上，搅拌马达的转轴与磁性搅拌子的中心固定连接，所述磁性搅拌 子的中心与搅拌槽的中心位于同一竖直线上。3. 如权利要求2所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于，所述搅拌 马达米用直流电机。4. 如权利要求1所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于，所述搅拌 槽的数量为1-10个，搅拌槽的形状为子弹型。5. 如权利要求1所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于，在所述搅 拌槽的底部设有金属传热管，所述电加热板将热量先传递给金属传热管，再由金属传热管 将热量传递至搅拌槽，在金属传热管与搅拌驱动板间设有绝缘隔热层。6. 如权利要求3所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于，在所述控 制区的外侧壁上设有多个磁块。7. 如权利要求1所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于，所述控制 盒上设有控制面板，所述控制面板上设有PV显示窗口、SV显示窗口、开关键、指示灯、功能键 和调节键，在所述控制盒上设有高温报警的蜂鸣器，所述蜂鸣器通过继电器连接控制器。8. 如权利要求1-7任一项所述的温度联动马达自适应控制的磁力搅拌器，其特征在于， 所述控制器包括自适应滤波器和主控芯片，所述主控芯片上设有电机驱动模块和温度控制 模块，所述温度传感器通过自适应滤波器连接主控芯片，所述搅拌驱动板、磁编码器与电机 驱动模块相连，所述电加热板与温度控制模块相连，所述温度控制模块的输出端连接电机 驱动t吴块的输入端。9. 一种应用于磁力搅拌器的温度联动马达自适应搅拌控制方法，其特征在于，在所述 控制面板上设定温度设定值并作为温度控制模块的温度输入，温度控制模块根据温度传感 器以及自适应滤波器反馈过来的温度误差进行温度自适应调整，保证温度传感器测得的温 度值与温度设定值保持一致;建立温度控制模块的温度输出值与搅拌马达的转速值间的对 应关系，并将温度控制模块的温度输出值作为电机驱动模块的信号输入，电机驱动模块根 据温度输出值与转速值间的对应关系产生随温度自适应改变的脉冲频率，用于控制搅拌马 达的搅拌速度。10. 如权利要求9所述的自适应搅拌控制方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤： (1) 对温度传感器温度检测的误差进行数学建模，建立测量温度误差的物理方程； (2) 将控制面板中设定的温度值S(n)作为温度控制模块的温度输入，并将温度设定值S U)与该温度所对应的温度误差方程所解出的值Vo(n)进行求和计算后所得的值d(n)作为 自适应滤波器的原始信号输入，将温度传感器检测的值V 1U)作为自适应滤波器的参考信 号输入，自适应滤波器的输出为温度误差方程所解出的值的估计值y(n); (3) 温度控制模块的温度输出e(n)为温度设定值S(n)、温度误差方程所解出来的值V0 (η)以及自适应滤波器输出的温度估计值y(n)的代数和，即e(n)=S(n)+VQ(n)-y(n); (4) 将温度控制模块的温度输出e(n)与温度设定值S(n)进行比较，若两者不相等则发 送加热信号驱动电加热板加热直至两者相等； (5) 建立搅拌马达的转速V (η)与温度输出e (η)间的对应关系式，_其中，e(n)的单位是"€，V(n)的单位是r/ min； (6) 将温度控制模块的温度输出作为电机驱动模块的反馈信号输入，电机驱动模块根 据温度输出值与转速值间的对应关系式产生随温度自适应改变的脉冲频率，搅拌驱动板接 收到脉冲频率信号后对搅拌马达进行自动调速。
【文档编号】B01F15/00GK105879765SQ201610348724
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】孙铭荣
【申请人】南京汉之力化工科技有限公司