CN113731279B - 一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于多相流混合领域，涉及一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法及设备。本发明在线采集负载端机械振动的加速度信号，分析加速度值的波动大小，根据加速度值的波动大小来确定声共振混合过程中的混合状态；记湿润阶段初始时加速度采样数据的标准差为湿润阶段稳定性指数δ₁，混合阶段初始时加速度采样数据的标准差为混合阶段稳定性指数δ₂；若当前加速度采样数据的标准差σ超过δ₁的k₁倍，视为湿润阶段结束，进入混合阶段，k₁>1；进入混合阶段后，若当前加速度采样数据的标准差σ低于δ₂的k₂倍，视为混合阶段结束，进入混合完成阶段，k₂<1；k₁、k₂为经验值。本发明能够实现声共振混合状态的自动化在线评估。

Description

一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法及设备

技术领域

本发明属于多相流混合领域，更具体地，涉及一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法及设备。

背景技术

声共振混合具有高效、安全和环保等优点，在航天、航空、国防、化工和能源等领域具有广阔的应用前景，尤其适用于高固含量复合含能材料等难混合材料的混合。声共振混合机在共振或临近共振状态下工作，可以获得常规振动系统难以达到的振动强度。

目前，声共振混合机的物料混合状态大多是通过经验来进行判断，如：依据过往经验，预先设定一个加速度数值和混合时间来进行物料混合。这种方式过于依赖经验，当待混合物料的种类和数量发生变化时，经验值可能不再适用；且为了保证充分混合，混合时间的设定值往往过大，这也是一种时间的浪费。为解决这一问题，本文提出一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法及设备，其目的在于解决现有声共振混合机在混合过程中无法判断混合状态或者单凭经验判断混合状态容易造成时间浪费的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法，在线采集负载端机械振动的加速度信号，分析加速度值的波动大小，根据加速度值的波动大小来确定声共振混合过程中的混合状态；

其中，所述混合状态按照时间顺序依次为湿润阶段、混合阶段以及混合完成阶段，加速度值的波动大小用加速度采样数据的标准差σ衡量；记湿润阶段初始时加速度采样数据的标准差为湿润阶段稳定性指数δ₁，混合阶段初始时加速度采样数据的标准差为混合阶段稳定性指数δ₂；

若当前加速度采样数据的标准差σ超过δ₁的k₁倍，视为湿润阶段结束，进入混合阶段，k₁>1；进入混合阶段后，若当前加速度采样数据的标准差σ低于δ₂的k₂倍，视为混合阶段结束，进入混合完成阶段，k₂<1；k₁、k₂为经验值。

进一步地，在湿润阶段的初始阶段，多次计算加速度采样数据的标准差并取平均值作为湿润阶段稳定性指数δ₁；当判定湿润阶段结束、进入混合阶段时，则重新多次计算加速度采样数据的标准差并取平均值作为混合阶段稳定性指数δ₂。

进一步地，k₁取120％，k₂取50％。

进一步地，在不同位置选取多个加速度信号检测点同时采集负载端机械振动的加速度信号，从而获得同一时刻的多个加速度采样数据，计算同一时刻的多个加速度采样数据的标准差并取均值，作为该时刻加速度采样数据的标准差。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种声共振混合过程中混合状态的在线评估设备，包括如前所述的计算机可读存储介质以及处理器，处理器用于调用和处理计算机可读存储介质中存储的计算机程序。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种声共振混合机，包括：负载端、加速度传感器、模数转换器以及如前所述的声共振混合过程中混合状态的在线评估设备；

加速度传感器用于采集负载端的加速度信号并传输至模数转换器；模数转换器将加速度信号转换为数字量上传至处理器。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明能够根据加速度传感器采集到的加速度数据来在线判断负载端混合物料当前所处的混合状态，实时性高。而加速度数据为声共振混合机运行过程中的一个必要参数，所以本发明中提出的在线评估方法只需直接使用现有数据，在原有软件的基础上进行功能扩展即可实现该功能，而无需改动声共振混合机的物理结构及硬件部分，应用前景广泛且易于推广。

2、本发明以加速度采样数据的标准差作为判断负载端混合物料当前所处混合状态的依据，并以湿润阶段、混合阶段初始时的上述标准差作为上述阶段的稳定性指数即判断基准，其与混合状态的变化过程之间具有内在的联系，为混合状态的判断提供了客观且易于实时采集和监控的技术数据，克服了现有技术无法通过自动化手段自动判断混合状态或者完全依赖于经验判断混合状态的弊端。不仅实现了混合状态的自动化在线评估，且大大提升了评估结果的可靠性。

3、多点检测并取平均值的方式可以更为客观、准确地评估物料整体的实时混合状态，从而提高评估结果的可靠性。

附图说明

图1是声共振混合机的整体结构原理图；

图2声共振混合过程中的混合状态图；

图3是混合状态判定的整体流程框图；

图4是加速度波动大小分析的流程框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-负载端、2-加速度传感器、3-电机、4-伺服驱动器、5-测控系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明优选实施例的声共振混合机的整体结构原理图。如图1所示，该部分包括：负载端1、加速度传感器2、电机3、伺服驱动器4、测控系统5，所述测控系统5分别与加速度传感器2和伺服驱动器4相连。其中，负载端1是混合容器所处部分，需要采集此处的实时加速度；加速度传感器2，采集负载端的加速度，并将数据传送至测控系统5处；电机3，是整个声共振混合机的动力源，为混合过程提供动力；伺服驱动器4，根据测控系统发来的控制信号，对电机进行驱动控制；工控机5，对加速度传感器2采集到的加速度信号进行分析处理，并对伺服驱动器进行直接控制。

本实施例所提出的声共振混合过程中混合状态的在线评估方法，无需改动原有系统结构，只需在测控系统5中的软件部分进行功能扩展，根据加速度传感器2采集到的加速度信号进行分析处理，来判断混合过程中的混合状态。

图2所示为声共振混合过程中的混合状态图。混合状态主要分为三个混合阶段，具体为：湿润阶段、混合阶段和混合完成阶段。发明人经过大量的分析发现，在不同混合阶段，加速度值得波动大小有较大区别，本发明也是基于这一发现来实现混合过程中混合状态的判断。

图3所示为混合状态判定的整体流程框图。具体过程包括：

步骤1，监测负载端的机械振动。优选地，在步骤1中，负载端的机械振动是本发明专利进行混合状态在线评估的数据源，后续的数据处理都是针对此处的振动信号。

步骤2，加速度传感器采集到模拟量信号。优选地，在步骤2中，加速度传感器放置在步骤1中的负载端处，加速度传感器采集负载端振动的模拟量信号。

步骤3，测控系统将模拟量转换成数字量。优选地，在步骤3中，测控系统将加速度传感器采集到的模拟量信号转换为数字信号，即模数转换，便于计算机后续的分析处理。

步骤4，对数字量进行加速度波动大小的分析。优选地，在步骤4中，对加速度的模拟量信号进行方差分析，确定加速度波动的大小，加速度波动大小的具体分析过程在图4中进行详细说明。

步骤5，根据加速度波动大小来确定混合状态。优选地，在步骤5中，根据步骤4中的加速度波动大小来确定混合状态。

图4所示为加速度波动大小分析的流程框图，加速度波动大小分析流程如下：

步骤(1)，声共振混合机启动，进入整个声共振混合同时也是湿润阶段的初始阶段。

步骤(2)，计算加速度采样数据的标准差，取三次计算的平均值作为湿润阶段稳定性指数δ₁。

步骤(3)，湿润阶段。

步骤(4)，计算当前加速度采样数据的标准差σ。

步骤(5)，判断σ>δ₁×k₁与否。

步骤(6)，湿润阶段结束，进入混合阶段的初始阶段。

步骤(7)，重新计算加速度采样数据的标准差，取三次计算的平均值作为混合阶段稳定性指数δ₂。

步骤(8)，在混合阶段实时采集加速度信号并计算当前加速度采样数据的标准差σ。

步骤(9)，判断σ<δ₂×k₂与否。

步骤(10)，进入混合完成阶段。

在步骤(2)中，首先需要对步骤3中模数转换后的加速度数字量进行处理。根据模数转换后的一组加速度采样数据，计算其标准差。首先，该组加速度采样数据的平均值，具体计算过程如下：

式中，

表示加速度采样数据的平均值，x₁,x₂,…,x_n表示加速度采样数据的具体值。

然后计算加速度采样数据的标准差，具体计算过程如下：

式中，σ_i表示第i组加速度采样数据的标准差，x₁,x₂,…,x_n表示加速度采样数据的具体值，n表示第i组加速度采样数据的个数。

为减小随机误差，保证计算结果更可靠，共计算三组加速度采样数据的标准差，取其平均值作为湿润阶段的稳定性指数δ₁。具体计算过程如下：

式中，δ₁表示湿润阶段的稳定性指数，σ₁,σ₂和σ₃分别表示第1、2和3组加速度采样数据的标准差。

计算出湿润阶段的稳定性指数δ₁后，将该指数作为一个比较指标来判断后续阶段是否仍处于湿润阶段。

在步骤9中，计算当前阶段的实时加速度采样数据的标准差σ，用于和稳定性指数δ₁进行比较，来判断当前处于那个阶段。具体计算过程可类比于等式(2)。

在步骤10中，比较如下不等式：

σ>δ₁×k₁ (4)

式中，k₁表示湿润阶段比例系数，本实施例中k₁取120％。

若不等式(4)成立，说明当前加速度采样数据的标准差相对δ₁较大，即当前阶段的加速度值波动相对湿润阶段较大，湿润阶段结束。若不等式(4)不成立，说明当前加速度采样数据的标准差相对δ₁适中，即当前阶段的加速度值波动相对湿润阶段适中，当前阶段仍处于湿润阶段。

在步骤(7)中，混合阶段稳定性指数δ₂的计算过程，与步骤(2)中湿润阶段稳定性指数δ₁的计算过程十分类似。参照步骤(2)的计算过程，即可得到δ₂，具体计算过程如下：

计算加速度采样数据的平均值：

计算加速度采样数据的标准差：

计算混合阶段的稳定性指数δ₂：

在步骤(8)中，与步骤(4)类似，都是计算当前阶段的实时加速度采样数据的标准差σ。

在步骤(9)中，比较如下不等式：

σ<δ₂×k₂ (8)

式中，k₂表示混合阶段比例系数，本申请实施例中k₂取50％。

若不等式(8)成立，说明当前加速度采样数据的标准差相对δ₂较小，即当前阶段的加速度值波动相对混合阶段较小，处于混合完成阶段。若不等式(8)不成立，说明当前加速度采样数据的标准差相对δ₂适中，即当前阶段的加速度值波动相对于混合阶段来说是适中的，因此当前阶段仍处于混合阶段。

本发明所提供的声共振混合过程中混合状态在线评估方法，能够根据加速度传感器采集到的加速度数据来在线判断当前加速度值的波动大小，进而判断负载端混合物料当前所处的混合状态，其原理如下：

声共振混合过程中，机械系统和多相流混合系统相互作用，多相流混合系统是多自由度共振系统的负载。负载端物料质量和阻尼变化将影响到系统的动力学特性，在不改变激励参数时，负载质体的输出能够反映物料等效质量和阻尼的变化。在声频振动激励下，粉体和液相经历干粉混合、湿润、结团、料团悬浮和均匀悬浮物几个阶段。在未形成均匀悬浮药浆时，液相和固相相互作用剧烈，物料的结合系数和阻尼变化明显，因此，负载质体的输出加速度波动较大。当形成均匀悬浮液时，药浆在混合反应器中流动稳定，物料的结合系数和阻尼变化很小，负载质体的输出加速度波动很小。这说明负载质体振动加速度波动大小能够直接反馈物料的混合状态。因此，本发明提出实时检测负载质体的振动加速度，通过计算负载质体加速度的波动大小来确定混合状态的方法，从而实现混合状态的在线实时检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法，其特征在于，在线采集负载端机械振动的加速度信号，分析加速度值的波动大小，根据加速度值的波动大小来确定声共振混合过程中的混合状态；

其中，所述混合状态按照时间顺序依次为湿润阶段、混合阶段以及混合完成阶段，加速度值的波动大小用加速度采样数据的标准差σ衡量；记湿润阶段初始时加速度采样数据的标准差为湿润阶段稳定性指数δ₁，混合阶段初始时加速度采样数据的标准差为混合阶段稳定性指数δ₂；

若当前加速度采样数据的标准差σ超过δ₁的k₁倍，视为湿润阶段结束，进入混合阶段，k₁>1；进入混合阶段后，若当前加速度采样数据的标准差σ低于δ₂的k₂倍，视为混合阶段结束，进入混合完成阶段，k₂<1；k₁、k₂为经验值。

2.如权利要求1所述的一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法，其特征在于，在湿润阶段的初始阶段，多次计算加速度采样数据的标准差并取平均值作为湿润阶段稳定性指数δ₁；当判定湿润阶段结束、进入混合阶段时，则重新多次计算加速度采样数据的标准差并取平均值作为混合阶段稳定性指数δ₂。

3.如权利要求2所述的一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法，其特征在于，k₁取120％，k₂取50％。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种声共振混合过程中混合状态的在线评估方法，其特征在于，在不同位置选取多个加速度信号检测点同时采集负载端机械振动的加速度信号，从而获得同一时刻的多个加速度采样数据，计算同一时刻的多个加速度采样数据的标准差并取均值，作为该时刻加速度采样数据的标准差。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～4任一项所述的方法。

6.一种声共振混合过程中混合状态的在线评估设备，其特征在于，包括如权利要求5所述的计算机可读存储介质以及处理器，处理器用于调用和处理计算机可读存储介质中存储的计算机程序。

7.一种声共振混合机，其特征在于，包括：负载端(1)、加速度传感器(2)、模数转换器以及权利要求6所述的声共振混合过程中混合状态的在线评估设备；

加速度传感器(2)用于采集负载端(1)的加速度信号并传输至模数转换器；模数转换器将加速度信号转换为数字量上传至处理器。

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