CN85104425A - 搅拌机液流作用力的测量并从对液流力的响应实施搅拌设备的控制 - Google Patents

Abstract

作用在搅拌机桨叶上的液流力使带桨叶的搅拌轴产生挠曲位移(挠度)，这种可能影响搅拌机运转的挠曲位移量可以通过检测搅拌机上非回转部件的位移而得到。非回转部件指的是和驱动电机一起构成搅拌机传动机构的齿输箱。一个位于齿输箱近旁的传感器，其输出信号能反应出齿输箱体外表面的位移。

这些输出信号经过处理后用来控制电动机，使电动机减速，相应使作用力减小，因而防止了搅拌轴的损坏。

Description

搅拌机液流作用力的测量并从对液流力的响应实施搅拌设备的控制

本发明与搅拌系统有关，特别是与作用于搅拌系统的

叶和搅拌轴上的液流力的测量系统和测量方法有关，以及根据这种液流力的响应对搅拌系统实施控制有关。

这项发明特别适用于那些对大液流作用力敏感的搅拌系统，大的液流力会使搅拌轴永久变形甚至断裂，尤其是在抽排时或浆叶接近液面运转时，这种情况更易发生。

液流力是搅拌轴所承受的主要机械力，该力作用在

叶上並垂直于

叶轴线，使轴的顶端和传动机构（尤其是装有减速齿轮並驱动搅拌轴运转的传动机构的齿轮箱）发生很大的弯曲变形（挠度）。但对于全封闭的搅拌箱来说，搅拌轴穿过箱盖处装有密封装置，力的作用可能会破坏密封。在1983年J。OLdSue，MCGraW-HiLL所写“液流搅拌技术”一文的第十七章中详细地讨论了有关液流力的问题。在1981年6月R.J.Weetman和R.И.SaLzman所著的“化学工程的进展”第71～75页中也有叙述。

测量液流力需要实验室测试设备如应变仪，应变片电桥等，它们装在搅拌轴上，应变片和应变仪的联结电路需通过回转集流环从搅拌系统中传输出来。

用光学系统检测搅拌轴上的反射光线，也可以测量搅拌轴的挠度，而挠度就能反应出液流作用力的大小。由于浸没在所搅拌的液体中的桨叶附近液流力最大，所以光学装置必须安装在所搅拌的拌料液面上方，並尽量靠近液面的搅拌轴上。可是在该位置上轴的挠度往往很小，故对光学装置的灵敏度必须较高。相应必须使用回转集流环和高灵敏度光学

在前面所提到的参考文献中，都详尽地叙述了测量上述液流力的各种仪器。曾意外地发现和本发明内容相一致的是传动机构位移量的测量，特别是驱动和支承搅拌轴的齿轮箱的位移量的测量，它和作用在桨叶上的液流力有直接的关系。这项发明之所以是意外就在于搅拌系统是一种复杂的机械系统並具有复合的频率响应，我们並不认为系统的非回转部件：即传动机构与液流力有直接的关系。此外以往测量液流力时是使用连接在搅拌轴上並随搅拌轴一起旋转的仪器。甚至用这些仪器测量时也是很困难的，因为在空载条件下搅拌轴的径向跳动量也可能大于由液流力所引起的挠曲变形量，相应地根据支承在搅拌箱上的不回转的传动机构的位移以测量液流力是一种具有重大意义的改进和简化，测量是在远离于所搅拌液体的地方进行的，测量仪器可以装在封闭式拌料箱的上方，这样就可以防止被拌料污染。测量仪器所测量出来的输出量可有效地控制搅拌系统，可以防止因液流力过大而引起的不安全和损坏。例如，当检测到液流力超限时可使桨叶的转速降低，从而使液流力下降並防止了搅拌系统可能因液流力过大而引起的损坏。

因此本发明的一个主要目的是提供一种改进的搅拌系统。

本发明的另一个目的是提出了一种用于测量液流力的改进了的测量方法和测量系统。

本发明的更深一层的目的是提供了根据液流作用力来控制搅拌系统的一种改进了的控制方法和控制系统。

简述之，本发明的搅拌系统具有以电动机驱动的传动机构、装有桨叶的搅拌轴。轴配置在搅拌箱内以搅拌液体拌料。该系统根据作用在桨叶上並使搅拌轴变形的液流力对搅拌系统实施控制。液流力是通过检测非回转的传动机构的位移得到的，检测传动机构的位移时最好使用配置在传动机构齿轮箱近处的位移传感器。所得到的信号代表了与传动机构位移有关的液流力。就用这些信号来控制传动系统的电动机。当液流力开始超限时，就控制电动机低速运转，甚至停止运动。这样，就防止了由于液流力超限而引起驱动系统的损坏，並保证了系统的安全运行。

本发明的上述目的和其他目的，本发明的特点和优点，以及即将提到的具体的实现方法和现今所知的最好实例，通过阅读下述说明並参考插图就会更加清楚。

图1表示能体现出本发明的一个搅拌系统剖面图，这个剖面图就是图2的1-1剖面。

图2是图1所示装置的局部俯视图。用与搅拌系统桨叶所承受的作用力相一致的信号来控制图1图2中所示搅拌系统传动机构的电机，其控制电路方框图见图3。

从图1和图2所示系统的位移传感器中所得到的信号曲线如图4所示。

图5是描绘在图4中所示信号的频率响应曲线。

更多的内容是和图1图2有关，图中搅拌箱10中装有液体12，它由装在搅拌轴16上的桨叶14所搅拌，桨叶由传动机构18驱动，传动机构18由驱动电机20和装在齿轮箱22内的齿轮减速机构组成。电动机安装在槽钢24内，槽钢24前端固定一块前板26，前板与齿轮箱22连接。

搅拌箱可以是封闭的，盖28和搅拌箱的箱壁相连接，搅拌箱可以是圆形的或由直线边围成的（矩形或方形的）。盖28支承在密封垫30上，密封垫30衬垫在搅拌箱10的箱壁顶部。搅拌箱的直径或宽度大致可以从5-70呎，搅拌箱上横架着两条宽缘工字梁32和34，工字梁对传动机构提供挠性支承。齿轮箱22可采用螺栓36固定在工字梁上。装有电动机的槽钢24可连接在托架38上，托架38也通过螺栓40固接在工字梁32和34上。

搅拌机的搅拌轴16悬臂支承在齿轮箱22的轴承上，並从盖28的开孔向外伸出，开孔部位用密封件42密封。在邻近齿轮箱22的外表面46处的一个固定位置上，有一个装在支座48上的位移传感器44，位移传感器最好采用磁阻式位移传感器，它的输出响应于磁通密度的变化，市场上很容易买到。传感器的量程范围为100密耳（1密耳＝0.001时）较为合用，这种传感器的前端部直径约为5毫米。为能反应出齿轮箱22的位移变化，传感器的前端部应安置在离齿轮箱22的外表面46约为50密耳的地方。齿轮箱由金属制成，最好用钢制成;因此传感器44的前端部和外表面46之间的距离变化改变了前端部和外表面之间间隙内的磁通密度。因而传感器就精确地感受到不断变化的间隙，即感受到齿轮箱22的位移变化情况。

杆50与轴16同轴线，並从齿轮箱22向上伸出。杆50最好也是金属的（钢）。另一个位移传感器52安装在支撑件54上，邻近于杆50的顶端。杆50的作用是放大齿轮箱的位移，因此位移传感器52的前端部直径可大于传感器44的前端部直径，並具有较大的量程，（例如1时）。传感器52的前端靠近杆50，它配置在与杆50间的空间距离约为传感器量程范围一半的位置上。上面提到的空间距离当然是指轴不旋转时的距离。

工字梁32和34提供了挠性支承，使得齿轮箱可以围绕着挠性轴线56    （图2）有最大枢轴位移（摇摆），挠性轴线56与轴16相交並相互垂直，传感器垂直于此轴线。因而就反映出枢轴的位移量或与轴16在一起的齿轮箱的偏斜位移量。由液流力作用在搅拌轴上而引起的，向着一个方向的搅拌轴偏斜，在图上用点划线表示为轴16，放大杆50的偏斜则用点划线杆50表示。需要指出的是杆50的偏斜和齿轮箱22的位移方向与轴的偏斜方向在相位上相差180°。

传感器44的输出信号为PD1，传感器52的输出信号为PD2，这些信号通过控制电动机20的转速来控制搅拌系统。按照本发明画出的一种较好的实例示于图3，至于这些信号的其他用途，对那些熟悉此技术领域里的人来说当然是很明显的事了。

为了验证齿轮箱22的位移，即使它不回转也是和搅拌轴16的挠曲直接有关;因此;在搅拌箱10内拌料12的液面60上方的搅拌轴16上，套放一个环58。另一个位移传感器62安置在环58的近旁。环58    应加工和调整使搅拌轴空载时的径向跳动量得到补偿，此时传感器的输出为零    ，用长、短不同的虚线在图中分别表示出环58和传感器62的位置，用以表明在系统运行时並不使用它们，在这里把它们表示出来只是为了说明因作用在桨叶上的液流力而引起的搅拌轴16的弯曲，和能感受齿轮箱22位移的传感器输出量它们之间的直接关系是怎样验证的。

参看图4，图上的曲线表示信号PD1的振幅-时间变化关系和传感器62的输出信号PR的振幅-时间关系。並指出这些信号的波形基本上是类似的。由于搅拌系统是一种复杂的机械系统，在整个频率范围内的动态响应，（例如搅拌轴转速达到第一临界转速时所取得的信号）也可以图4的曲线上看出仍是符合这种关系的。图5表明了这些信号的频率响应。由图可以看出它们之间多么相似。最关键的是在最大振幅值和出现最大振幅时的频率段（最大振幅对应于最大液流力，这一点的频率由线段64指示出），这些信号波形非常接近。

尽管从传感器62输出的代表搅拌轴16挠曲变形的信号和从传感器44输出的代表齿轮22位移的信号之间有180°。相位差，为更好地看出这些信号之间在同相位时的相互关系，绘制图4和图5的曲线时把相位移过了180°。这些信号都有不同程度的直流分量偏差，略去这些偏差（传感器的输出信号需要用一个放大器放大，在这个放大器中，可以很容易地调整这种直流偏差。）那么根据图4和图5，就可以清楚地看出这些信号之间的相互关系了。

参看图3，信号PD1和PD2送入开关66，在送入开关66之前，这些信号可能经过适当的放大和调节。根据液流力作用的幅度，开关选择其中的一个信号。例如，在液流力相对小的情况下信号PD2被选通，否则信号PD1被选通。

假定信号PD1选通，它作用在两个电平检测器68和70上，这些可能是门限电路，在电平检测器内，PD1的峰值电压和予定的电压门限值相比较，第一检测器60的门限值可能高于第二检测器70。这些作用于检测器的信号可能需要经过滤波以消除任何混入的高频成份或噪声，否则这些高频成份可能会被误认为是代表液流力的信号。假如信号超过检测器70的门限值，检测器70的输出信号送入锁住电路72。同样，如信号超过第一检测器68的门限值，它就使另一锁住电路74动作，假若锁住电路72工作，其输出送往电动机速度控制回路76，使电动机转速下降到正常搅拌工作时额定转速的2/3。假若锁住电路72已动作，电动机转速还要受锁住电路74的控制而使电动机停转。因而，只要液流力超限，就会改变电动机的转速並使液流力立即下降，从而避免了系统的不安全运行和损坏。给锁住电路72和74输入一复位信号就可以使电动机恢复正常转速。

如图3所示的电子线路框图，还可以附加上适当的微处理机程序控制线路，用来控制搅拌系统的其他功能。

从以上说明中可以清楚地看出，已经有了一种改进了的搅拌系统，可以测出它的液流力並用来控制系统的运行。受此启发，熟悉此技术领域的人们毫无疑问地会对属于本发明范围内的上述系统，液流力的测量方法及根据液流力的大小对系统实施控制等方面作出各种变动或修改。例如一种典型装置可能只使用传感器44或52而不是两者都用，故上面的说明只是假释性的而非限定性的。

Claims (34)

1、一种测量系统，它能检测出搅拌机搅拌轴上的液流力，而驱动搅拌轴转动的传动机构是安装在搅拌机上的支承构件上。该测量系统包含：测量传动机构位移(相对于搅拌轴静止不转时传动机构的位置)的装置；根据此位移量的大小检测液流力的装置。

2、按照权利要求第1项所说的系统，其测量装置包含：装在传动机构近旁的位移传感器，从传感器中获得输出量的方法，此传感器能测出传感器与传动机构之间的距离，而此距离又代表了液流力的大小。所说的检测装置是指对输出信号的响应。

3、按照权利要求第1项所说的系统还包含把传动机构位移放大的装置，它包括一根在齿轮箱上与搅拌轴同轴线但相对搅拌轴反方向伸出的杆件和放置在该杆件近旁的传感器。

4、按照权利要求第1项所说的系统，搅拌机至少应有一根能挠性地支承传动机构的支承构件。

5、权利要求第4项所说系统的支承构件是指至少应有一根横梁横架在上述搅拌机的搅拌箱上。

6、按权利要求第2项所说的系统，其机构中包含有由金属机体组成的齿轮箱;对距离敏感的磁阻式位移传感器，它装在齿轮箱外壁的近旁。

7、搅拌机的控制系统包含：以电动机驱动的传动机构，传动机构又连接着一根带有桨叶的搅拌轴，带桨叶的搅拌轴用于在搅拌箱内搅拌拌料。搅拌轴的挠曲变形反应了作用于桨叶上的液流力。这个系统包含有检测传动机构位移的装置以得到代表液流力的信号;还包含根据此信号以控制电动机的装置。

8、按照权利要求第7项所说的系统，其控制装置中包括当由于液流力的作用而使搅拌轴过度挠曲时，得到表示液流力大小的输出信号，並用此输出信号使电动机减速。

9、按照权利要求第7项所说的系统，其传动机构包括一个齿轮箱，搅拌轴从齿轮箱伸进搅拌箱中。检测装置中包括有一个安装在齿轮箱近旁的並能检测出该齿轮箱位移的传感器。

10、按权利要求第7项所说的系统，传动机构包括一个齿轮箱，搅拌轴从齿轮箱伸进搅拌箱中。放大装置包括一根和齿轮箱连接的杆件，它与搅拌轴同轴线但相对搅拌轴相反方向伸出。所说的检测装置包括有一个安放在该杆件近旁的位移传感器。

11、按照权利要求第7项所说的系统，还包括传动机构的挠性支承装置，这种支承方法允许产生围绕着挠性轴线並与搅拌轴相垂直的枢轴运动。其检测措施包括一个配置在传动机构近旁的位移传感器，它能反应出枢轴运动的振幅。

12、按照权利要求第7项所说的系统，其传动机构中包括一个具有箱体的齿轮箱;至少有一根沿着挠性轴线方向並横架在搅拌箱上的横，齿轮箱安装在此梁上。箱体上一个箱壁的外表面和梁平行。其检测装置中包括安装在这一外表面近旁的位移传感器。

13、按权利要求第12项所说的系统，其检测装置是指检测齿轮箱围绕着挠性轴线所产生的枢轴运动的振幅並输出信号;其控制装置包括处理信号的方法並根据振幅的峰值信号去控制电动机的转速，或使其减速，或使其停转。

14、作用在搅拌机带桨叶的搅拌轴上的液流力测量方法。此搅拌轴由安装在支承座上的传动机构驱动。该测量方法包括如下步骤：测量传动机构相对于静止位置（搅拌轴不旋转）时的位移;从上述测量结果中检测出液流力。

15、按权利要求第14项所说的方法中测量步骤的实现是通过把一位移传感器安装在传动机构的近旁;从传感器和传动机构之间的距离得到相应的输出信号。

16、按权利要求第14项所说的方法还包括下列步骤：在搅拌轴轴线的延伸线上放置一杆件，使传动机构的位移得以放大，以及通过测量该杆件的位移得到传动机构的位移。

17、按权利要求第14项所说的方法还进一步包括了传动机构的挠性支承。

18、按权利要求第17项所说的方法，得到挠性支承是指把传动机构安装在至少为一根的横樑上，此横樑横架在搅拌机的搅拌箱上。

19、按权利要求第15项所说的方法，传动机构中包含有一个齿轮箱;所说的安装方法是指把传感器安装在齿轮箱外壁附近。

20、按权利要求第17项所说的方法的支承装置是指传动机构能挠性地围绕垂直于搅拌轴的挠性轴线产生位移;所说的测量步骤是指测量该传动机构围绕其挠性轴线发生的枢轴摆动。

21、按权利要求第20项的方法所说的传动机构中包含一个齿轮箱，其箱壁的一个外表面平行于所说的挠性轴线;所说的测量措施是指把一位移传感器放置在箱壁外表面的近旁处。

22、按权利要求第20项的方法，所说的支承装置是指至少有一根梁平行于所说的挠性轴线，横架在搅拌机的搅拌箱上，所说的搅拌轴就伸入此搅拌箱内。

23、按权利要求第20项的方法所说的传动机构中包含有一个齿轮箱，齿轮箱上有一杆件，它与搅拌轴同轴线，並安置在齿轮箱的上面，用它可以放大齿轮箱的位移;所说的测量装置是指把一个位移传感器安置在上述杆件的近旁处，传感器与挠性轴线间有一定间距，並垂直于挠性轴线。

24、按权利要求第14项的方法中所说的传动机构具有非回转的金属箱体;所说的检测步骤就是指测量出在箱壁与其近旁处放置的传感器之间间隔内磁通密度的变化情况。

25、控制搅拌机的方法。该搅拌机包括由电机驱动的传动机构，它有一根带有桨叶的搅拌轴，此轴伸进装有拌料的搅拌箱内。因而液流力作用在桨叶上並引起搅拌轴的挠曲变形，此变形量反映了液流力的大小。所说的方法包含检测出传动机构的位移並产生表示液流力大小的信号，並根据这些信号的大小对电动机实施控制等步骤。

26、按权利要求第25项的方法，所说的控制步骤是指当液流力过大並相应地使搅拌轴过度挠曲变形时使电动机的转速降低。

27、按权利要求第25项的方法所要求的传动机构包含有一个齿轮箱，搅拌轴从齿轮箱中向下伸出;所说的检测措施是指把一个能检测出齿轮箱位移的传感器放置在齿轮箱的近旁处。

28、按权利要求第27项的方法还包含有齿轮箱上连接出一根杆件，用以放大齿轮箱的位移;放置步骤是把传感器放置在杆件近旁处。

29、按权利要求第25条的方法还包含挠性地支承传动机构的方法。因而可以产生围绕着挠性轴线並与搅拌轴相垂直的枢轴运动;所说的检测步骤是指检测此枢轴运动的振幅。

30、按权利要求第29项的方法所要求的挠性支承办法是指把传动机构安装在至少为一根沿着挠性轴线的方向並横架在搅拌箱上的梁上。

31、按照权利要求第30项的方法所说的传动机构包括一个连接着有一个电机並安装在所说梁上的齿轮箱，箱体有一个箱壁的外表面平行于所说的樑;所说的检测步骤是指把一个能检测出相对于某一物体的距离的传感器放置在箱壁表面的近旁处。

32、按照权利要求第29项的方法所要求的传动机构包含有一个连接着电动机的齿轮箱，其箱体安装在所说的梁上。並通过一根与搅拌轴同轴线但向相反方向伸出的杆件来放大齿轮箱枢轴运动的幅度;所说的检测步骤是指把一个传感器放置在杆件的近旁处，其方向垂直于挠性轴线，传感器的输出能反映它与杆件间的间隔距离。

33、按权利要求第27项的方法中所说的检测步骤包含从传感器获取信号的步骤;所说的控制步骤就是根据信号的幅值来选择电动机的转速。

34、按权利要求第27条的方法中所说的检测步骤包含从传感器获取信号的步骤;所说的控制步骤包含信号的处理並根据输出信号幅度的峰值大小使电动机减速或停转。

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