CN104525030A - 一种适用于粘稠溶液的混匀方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于粘稠溶液的混匀方法，首先将封装了多种粘稠溶液的容器垂直于水平面放置；将所述容器进行m次以容器口为基准的从0°至θ°以内的往复翻转（m∈[20, 30]，θ∈[190, 200]），实现粘稠溶液的初步混合；将翻转后的容器逆时针转动90°，使其呈水平放置，并进行n个周期的高速水平往复运动（n∈[150, 200]），使所述容器内的多种粘稠液体充分混匀；将水平往复运动后的容器顺时针转动90°，使其恢复垂直放置。该混匀方法及装置能够在不破坏溶液性质的前提下，提高多种粘稠液体的混合均匀性。

Description

一种适用于粘稠溶液的混匀方法及装置

技术领域

本发明涉及液体混匀技术领域，尤其涉及一种适用于粘稠溶液的混匀方法及装置。

背景技术

随着自动控制技术在炼油、化工、制药等领域的广泛应用，粘稠溶液混匀自动控制装置提高了溶液混匀的效率，降低了人力成本。这里溶液混合是指两种或两种以上不同组份的液体在外力作用下运动速度和方向发生改变，使各组份的粒子均匀分布的过程，这一过程需要足够大的外力使液体在试管或其他容器内运动融合。

现有技术方案中的溶液混匀方法及装置的传动控制精度低、可控性差、运动模式单一，经常会导致液体混合不充分，尤其是对于粘稠溶液，由于液体密度大，更加不易均匀混合。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于粘稠溶液的混匀方法及装置，能够在不破坏溶液性质的前提下，提高多种粘稠液体的混合均匀性。

一种适用于粘稠溶液的混匀方法及装置，所述方法及装置包括：

适用于粘稠溶液的混匀方法，将封装了多种粘稠溶液的容器垂直于水平面放置；将所述容器进行m次以容器口为基准的从0°至θ°以内的往复翻转，实现粘稠溶液的初步混合，其中m∈[20,30]，θ∈[190,200]；将翻转后的容器逆时针转动90°，使其呈水平放置，并进行n个周期高速水平往复运动，使所述容器内的多种粘稠液体充分混匀，其中n∈[150,200]；将水平往复运动后的容器顺时针转动90°，使其恢复垂直放置。

实现所述混匀方法的装置，该装置包括容器承载结构、实现运动的机械结构、驱动机械结构运动的控制系统、运动控制软件；

容器承载结构包括旋转轴、底部托架、侧挡板、上部卡圈及顶部锁紧机构。所述旋转轴固定在侧挡板上，与所述直流电机通过联轴器连接。

实现运动的机械结构包括翻转运动机构、水平往复运动机构和安装底座三部分。其中，所述翻转运动机构包括直流电机、电机安装座、位置反馈机构及连接机构。所述直流电机通过输出轴，与所述旋转轴通过联轴器连接，实现翻转运动的传递，并通过所述位置反馈机构输出的位置信号，再通过控制系统，实现所述直流电机的正反转运动。所述水平往复运动机构包括交流电机、电机安装座2、链传动机构、运动导向滑杆及输出滑块。所述交流电机通过链传动机构，带动所述输出滑块，在所述运动导向滑杆的作用下，实现所述的输出滑块水平往复运动。所述安装底座是整个运动机构的支撑和固定基座。

驱动机械结构运动的控制系统包括翻转运动控制模块、水平往复运动控制模块和驱动电源模块。所述驱动电源模块为翻转运动控制、水平往复运动控制两部分提供电源。所述翻转运动控制由控制板、电机驱动板和安装板组成。上电后，电源模块输入的24V经由电源板连接插座输入，由电源转换芯片转换成电路板所需工作电压以及直流电机工作电压。直流电机联动装置上安装的旋转电位器连接至安装板连接插座，经过12位模数转换芯片将电机当前位置转换为对应的数字信号，按下上电复位按钮后，控制板上单片机实时采集电机轴的位置，判断试管是否在水平中立位。如果在，则保持；如果不在，则输出电机控制信号到电机驱动板，经直流电机驱动芯片对信号进行放大，经由安装板上电机驱动连接插座驱动直流电机的运动。当上电复位完成后，按下启动按钮，计数波段开关以及速度波段开关经安装板上的插座连接至控制板上的可编程逻辑电路芯片。当单片机接收到可编程逻辑芯片传来的计数次数后，根据次数进行直流电机的驱动，次数到后则停止直流电机的驱动。同时，单片机根据接受到的速度信号，输出8位PWM信号，进行直流电机的PWM调速输出。翻转运动速度波段开关每一档位对应可编程占空比控制直流电机的转速，再次扳动计数波段开关，单片机重新开始计数，直到完成该次翻转操作。停止翻转后单片机输出数字控制信号控制连接控制水平往复运动电机的继电器接通。交流电机控制器通过时间和速度控制按钮设定交流电机的运动时间和速度，控制交流电机按设定的速度和时间进行水平方向的运动，达到时间后交流电机运动停止。

运动控制软件包括C8051F340初始化、电机中立位判断、电机正反转判断、电机水平运动控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该混匀方法及装置能够在不破坏溶液性质的前提下，提高多种粘稠液体的混合均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供适用于粘稠溶液的混匀方法流程示意图；

图2为本发明实施例所提供翻转运动初始状态示意图；

图3为本发明实施例所提供翻转运动以原点为中心顺时针运动的状态示意图；

图4为本发明实施例所提供翻转运动倾斜倒置状态示意图；

图5为本发明实施例所提供翻转运动以原点为中心逆时针运动的状态示意图；

图6为本发明实施例所提供翻转运动倾斜正置状态示意图；

图7为本发明实施例所提供水平往复运动初始状态下向右加速运动的示意图；

图8为本发明实施例所提供水平往复运动反向加速运动的示意图；

图9为本发明实施例所提供适用于粘稠溶液的混匀装置结构示意图；

图10为本发明实施例所提供混匀运动实现装置总体结构图；

图11为本发明实施例所提供试管承载结构图；

图12为本发明实施例所提供实现翻转运动的机械结构图；

图13为本发明实施例所提供实现水平往复运动的机械结构图；

图14为本发明实施例所提供运动控制软件流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的方法及装置可人工调控设置运动速度和周期，控制精度高，能够在不破坏溶液性质的前提下，提高多种粘稠液体的混合均匀性，适合工业生产的需要。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供适用于粘稠溶液的混匀方法流程示意图，所述方法包括：

步骤11：将封装了多种粘稠溶液的容器垂直于水平面放置；

步骤12：将所述容器进行m次以容器口为基准的从0°至θ°以内的往复翻转，实现粘稠溶液的初步混合，其中m∈[20,30]，θ∈[190,200]；

在该步骤中，往复翻转运动的具体过程如图2～7所示，图2为初始状态；图3为以原点为中心顺时针运动的状态；图4为倾斜倒置状态；图5为以原点为中心逆时针运动的状态；图6为倾斜正置状态，图7为恢复初始状态，结合上述图2～7：

首先将所述容器顺时针转动θ°，其中θ∈[190,200]，假设变换前容器上任一点在XOY坐标系的投影坐标为[x₀,y₀]，顺时针旋转后的坐标为[x₁,y₁]，则该翻转运动可表示成：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_0& y_0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

保持容器投影在[x₁,y₁]位置，静置到所有溶液向下流动k秒钟，其中k∈[2,6]；

再逆时针转动180°，假设逆时针转动后的容器在XOY坐标系的投影坐标为[x₂,y₂]，则该翻转运动可表示成：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_2& y_2& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\π}& \sin \mathrm{\π}& 0\\ -\sin \mathrm{\π}& \cos \mathrm{\π}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

保持容器投影在[x₂,y₂]位置，静置到所有溶液向下流动k秒钟；

定义从[x₂,y₂]到[x₁,y₁]再到[x₂,y₂]为一个翻转周期，并在[x₂,y₂]和[x₁,y₁]处分别静置k秒钟，重复m-1个翻转周期。

往复翻转运动的停止状态为所述容器垂直于水平面放置状态，即[x₂,y₂]经过如下变换到[x₀,y₀]处：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_0& y_0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_2& y_2& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})& 0\\ \sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

步骤13：将翻转后的容器逆时针转动90°，使其呈水平放置，并进行n个周期的高速水平往复运动，使所述容器内的多种粘稠液体充分混匀，其中n∈[150,200]；

在该步骤中，高速水平往复运动的具体过程如图8～9所示，图8为水平初始状态下沿X轴正向加速运动的示意图；图9为沿X轴反向加速的示意图，结合图8～9：

首先将翻转后的容器逆时针转动90°，使其呈水平放置，假设转动前容器上任一点在XOY坐标系的投影坐标为[x₀,y₀]，逆时针转动90°后的坐标为[x₃,y₃]，则该转动运动可表示成：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_3& y_3& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_0& y_0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \frac{\mathrm{\π}}{2}& \sin \frac{\mathrm{\π}}{2}& 0\\ -\sin \frac{\mathrm{\π}}{2}& \cos \frac{\mathrm{\π}}{2}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

然后将所述容器进行行程为400mm的高速水平往复运动，一个水平往复周期为0.2秒。平移前容器上任一点在XOY坐标系的投影坐标为[x₃,y₃]，沿X轴正向平移后的坐标为[x₄,y₄]，则该平移运动可表示成：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_4& y_4& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_3& y_3& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 400& 0& 1\end{array}\right]$

再沿X轴反向平移至[x₃,y₃]，该平移运动可表示成：

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_3& y_3& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_4& y_4& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ -400& 0& 1\end{array}\right]$

定义从[x₃,y₃]到[x₄,y₄]再到[x₃,y₃]为一个水平往复周期，则重复n个周期，其中n∈[150,200]，且停止状态为所述容器水平运动前的初始状态，即停止在[x₃,y₃]位置处。

步骤14：将水平往复运动后的容器顺时针转动90°，使其恢复垂直放置。

通过上述混匀方法，就可以在不破坏溶液性质的前提下，提高多种粘稠液体的混合均匀性。

基于上述的混匀方法，本发明实施例还提供了一种适用于粘稠溶液的混匀装置，如图9所示为本发明实施例所提供适用于粘稠溶液的混匀装置结构示意图，所述装置包括容器承载结构21，实现运动的机械结构22，以及驱动机械结构运动的控制系统23，其中：

21：所述容器承载结构21，用于承载封装了多种粘稠溶液的容器，使所述容器初始时垂直于水平面放置；具体包括旋转轴211、侧挡板212、底部托架213、上部卡圈214及顶部锁紧机构215，所述旋转轴211固定在所述侧挡板212上，与直流电机通过联轴器连接；

22：所述实现运动的机械结构22，用于实现所述容器的往复翻转运动和高速水平往复运动；具体包括翻转运动机构221、水平往复运动机构222和安装底座223；

23：所述驱动机械结构运动的控制系统23，具体包括驱动电源模块231、翻转运动控制模块232和水平往复运动控制模块233，其中：

所述驱动电源模块231，为所述翻转运动控制模块232和所述水平往复运动控制模块233提供电源；

所述翻转运动控制模块232用于控制所述翻转运动机构221实现翻转操作；

所述水平往复运动控制模块233用于控制所述水平往复运动机构222实现水平往复运动。

在具体实现中，所述翻转运动机构221具体包括直流电机、直流电机支座、位置反馈机构及连接机构，其中：

所述直流电机通过联轴器与所述旋转轴211连接，实现翻转运动的传递，并通过所述位置反馈机构输出位置信号，实现所述直流电机的正反转运动。

所述水平往复运动机构222包括交流电机、电机安装座、链传动机构、运动导向滑杆及输出滑块，其中：

所述交流电机通过所述链传动机构带动所述输出滑块，并在所述运动导向滑杆的作用下，使所述输出滑块做水平往复运动。

所述安装底座223作为整个混匀装置的支撑和固定基座。

值得注意的是，上述翻转运动使用的是直流电机，水平往复运动使用的交流电机。下面对翻转运动控制模块232控制所述翻转运动机构221实现翻转操作的具体过程进行说明：

首先在上电后，驱动电源模块231输入的24V经由电源板连接插座输入，由电源转换芯片转换成电路板所需工作电压以及直流电机工作电压；

直流电机联动装置上安装的旋转电位器连接至安装板连接插座，经过12位模数转换芯片将电机当前位置转换为对应的数字信号，按下上电复位按钮后，控制板上单片机实时采集电机轴的位置，判断试管是否在水平中立位，如果在则保持，如果不在则输出电机控制信号到电机驱动板，经直流电机驱动芯片对信号进行放大，经由安装板上电机驱动连接插座驱动直流电机的运动。

当上电复位完成后，按下启动按钮，计数波段开关以及速度波段开关经安装板上的插座连接至控制板上的可编程逻辑电路芯片；当控制板上单片机接收到可编程逻辑芯片传来的计数次数后，根据次数进行直流电机的驱动，次数到后则停止直流电机的驱动。同时，该单片机根据接受到的速度信号，输出8位PWM信号，进行直流电机的PWM调速输出；翻转运动速度波段开关每一档位对应可编程占空比控制直流电机的转速，再次扳动计数波段开关，单片机重新开始计数，直到完成该次翻转操作。

进一步的，对水平往复运动控制模块233控制所述水平往复运动机构222实现水平往复运动的过程进行说明：

首先在翻转运动机构221停止翻转操作后，控制板上的单片机输出数字控制信号控制连接至水平往复运动电机的继电器；

交流电机控制器通过时间和速度控制按钮设定所述交流电机的运动时间和速度，控制所述交流电机按设定的速度和时间进行水平往复运动，且在达到时间后所述交流电机运动停止。

在具体实现过程中，上述实现运动模式的运动控制软件可以包括C8051F340初始化、电机中立位判断、电机正反转判断和电机水平运动控制等内容。

综上所述，采用本发明实施例所提供的混匀方法及装置可以对粘稠溶液进行充分混匀，在不破坏溶液性质的前提下，提高多种粘稠液体的混合均匀性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用于粘稠溶液的混匀方法，其特征在于，所述方法包括：

将封装了多种粘稠溶液的容器垂直于水平面放置；

将所述容器进行m次以容器口为基准的从0°至θ°以内的往复翻转，实现粘稠溶液的初步混合，其中m∈[20,30]，θ∈[190,200]；

将翻转后的容器逆时针转动90°，使其呈水平放置，并进行n个周期的高速水平往复运动，使所述容器内的多种粘稠液体充分混匀；

将水平往复运动后的容器顺时针转动90°，使其恢复垂直放置。

2.根据权利要求1所述适用于粘稠溶液的混匀方法，其特征在于，所述将所述容器进行m次以容器口为基准的从0°至θ°以内的往复翻转，其中m∈[20,30]，θ∈[190,200]，具体包括：

将所述容器从初始状态位置[x₀,y₀]顺时针转动θ°到达[x₁,y₁]位置，静置到所有溶液向下流动k秒钟，再逆时针转动180°到达[x₂,y₂]位置，并静置到所有溶液向下流动k秒钟，其中k∈[2,6]；假设从[x₂,y₂]到[x₁,y₁]再到[x₂,y₂]为一个翻转周期，并在[x₂,y₂]和[x₁,y₁]处均静置k秒钟。

重复上述翻转过程m个周期，且停止状态为所述容器翻转前的初始状态，即[x₀,y₀]位置处。

3.根据权利要求1所述适用于粘稠溶液的混匀方法，其特征在于，所述进行n个周期的高速水平往复运动，其中n∈[150,200]，具体包括：

将所述容器从初始状态位置[x₀,y₀]逆时针转动90°到达[x₃,y₃]位置，然后将所述容器沿X轴正向进行行程为400mm的高速水平运动，到达[x₄,y₄]位置处，再沿X轴反向平移回[x₃,y₃]位置。假设从[x₃,y₃]到[x₄,y₄]再到[x₃,y₃]为一个水平往复周期，周期时间为0.2秒。

将该过程重复进行n次，其中n∈[150,200]，且停止状态为所述容器水平运动前的初始状态，即[x₃,y₃]位置。

4.一种适用于粘稠溶液的混匀装置，其特征在于，所述装置包括容器承载结构21，实现运动的机械结构22，以及驱动机械结构运动的控制系统23，其中：

所述容器承载结构21用于承载封装了多种粘稠溶液的容器，使所述容器初始时垂直于水平面放置；具体包括旋转轴211、侧挡板212、底部托架213、上部卡圈214及顶部锁紧机构215，所述旋转轴211固定在所述侧挡板212上，与直流电机通过联轴器连接；

所述实现运动的机械结构22用于实现所述容器的往复翻转运动和高速水平往复运动；具体包括翻转运动机构221、水平往复运动机构222和安装底座223；

所述驱动机械结构运动的控制系统23具体包括驱动电源模块231、翻转运动控制模块232和水平往复运动控制模块233，其中：

所述驱动电源模块231为所述翻转运动控制模块232和所述水平往复运动控制模块233提供电源；

所述翻转运动控制模块232用于控制所述翻转运动机构221实现翻转操作；

所述水平往复运动控制模块233用于控制所述水平往复运动机构222实现水平往复运动。

5.根据权利要求4所述适用于粘稠溶液的混匀装置，其特征在于，所述翻转运动机构221具体包括直流电机、电机安装座、位置反馈机构及连接机构，其中：

所述直流电机通过联轴器与所述旋转轴连接，实现翻转运动的传递，并通过所述位置反馈机构输出位置信号，实现所述直流电机的正反转运动。

6.根据权利要求4所述适用于粘稠溶液的混匀装置，其特征在于，所述水平往复运动机构222包括交流电机、电机安装座、链传动机构、运动导向滑杆及输出滑块，其中：

所述交流电机通过所述链传动机构带动所述输出滑块，并在所述运动导向滑杆的作用下，使所述输出滑块做水平往复运动。

7.根据权利要求4所述适用于粘稠溶液的混匀装置，其特征在于，所述安装底座223做为整个混匀装置的支撑和固定基座。