本发明属于混合机设计和安全监测领域，涉及一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置和测量方法。本发明的测量装置包括混合机，其特征在于：间隙测量装置包括柔性电路板(4)、霍尔元件(8)、电连接器(10)、电缆(11)和标准磁铁(12)。本发明的测量步骤是：确定测量点的数量和位置；测量桨叶与锅壁间隙。本发明提出了一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置和测量方法，大大减小了测量误差，保证了测量结果的准确性，缩短了测量时间，提高了测量效率。
1.一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置，包括混合机，混合机包括混合锅(5)、空心搅拌组件、实心搅拌组件、锅盖组件和测量控制器；混合锅(5)具有圆柱形内腔，在混合锅(5)的侧壁上部至少有一个贯通的观察窗(9)，锅盖组件封盖混合锅(5)的上端口，在锅盖组件内部安装有空心搅拌组件和实心搅拌组件的驱动机构，上述驱动机构带动空心搅拌组件和实心搅拌组件绕锅盖组件的轴线公转，同时，带动空心搅拌组件中的空心桨叶(7a)绕空心搅拌组件的轴线自转，以及带动实心搅拌组件中的实心桨叶(7b)绕实心搅拌组件的轴线自转；空心桨叶(7a)的两个侧边缘是轴对称的螺旋线；其特征在于：间隙测量装置包括柔性电路板(4)、霍尔元件(8)、电连接器(10)、电缆(11)和标准磁铁(12)；
所述的柔性电路板(4)是一个条形柔性板，在柔性电路板(4)上垂直分布着一列贴片式霍尔元件(8)，霍尔元件(8)的数量为1个至10个；柔性电路板(4)垂直粘贴在混合锅(5)的内壁(6)上，柔性电路板(4)的数量为2个至10个，并沿混合锅(5)内壁的圆周均布，柔性电路板(4)的输入线和输出线通过电连接器(10)和电缆(11)从观察窗(9)引出混合锅(5)，电缆(11)的一端与电连接器(10)的插头或者插座连接，电缆(11)的另一端与测量控制器连接；
在空心桨叶(7a)的两个侧边缘的内凹侧面粘贴标准磁铁(12)，标准磁铁(12)的一个边缘与空心桨叶(7a)的边缘对齐，标准磁铁(12)的数量与柔性电路板(4)上的霍尔元件(8)的数量一致，标准磁铁(12)的位置与柔性电路板(4)上的霍尔元件(8)的位置对正，即：标准磁铁(12)沿长度方向的水平平分面与在高度方向所对应的霍尔元件(8)的水平平分面共面。
2.一种混合机桨叶与锅壁间隙测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的间隙测量装置进行测量；测量混合机桨叶与锅壁间隙的步骤如下：
2.1、确定测量点的数量和位置：根据用户的要求，确定柔性电路板(4)的数量和周向位置，每个柔性电路板(4)上的霍尔元件(8)的数量和位置以及标准磁铁(12)的数量和位置；
2.2.1、采集包含桨叶与锅壁间隙数据的测量信号：打开混合机，给间隙测量装置通电，待混合机运行至少1分钟后开始采集霍尔元件(8)输出的测量信号，每个柔性电路板(4)上的每个霍尔元件(8)分别对应测量控制器中的一个测量通道，每个测量通道在空心搅拌组件和实心搅拌组件公转一周的过程中输出两个测量信号，分别与霍尔元件(8)所在位置的空心桨叶(7a)两个边缘与内壁(6)之间的间隙对应；保持混合机空心搅拌组件和实心搅拌组件绕锅盖组件轴线连续公转至少10周，记录所有霍尔元件(8)测量通道采集的测量信号的数值和测量时间；
针对一个霍尔元件(8)测量通道采集得到的测量信号，提取空心桨叶(7a)的一个边缘在所有公转周期的测量信号和对应的测量时间，利用标准磁铁(12)的标定曲线将测量信号的电压值转化成距离值；通过求解以下方程组计算此霍尔元件(8)测量通道下，上述空心桨叶(7a)边缘与锅壁之间的最小间隙距离dmin：式中：a为空心桨叶(7a)中心距，r为空心桨叶(7a)的半径，ω为空心桨叶(7a)绕锅盖组件轴线的公转角速度，di(i＝1,2...n)为空心桨叶(7a)第i个公转周期下霍尔元件(8)测量信号转化的距离值，ti(i＝1,2…n)为空心桨叶(7a)第i个公转周期下霍尔元件(8)测量信号对应的测量时间，dmin是需要求解的桨叶与锅壁最小间隙数据， 是空心桨叶(7a)公转半径的初始角度，C为空心桨叶( 7a) 自转公转速度比，Wh为霍尔元件( 8) 和电路板( 4) 的厚度之和，n为自然数，表示序号i的最大值。
一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置和测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于混合机设计和安全监测领域，涉及一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置和测量方法。
背景技术
[0002] 混合机指利用机械力和重力等作用，将两种或两种以上物料均匀混合起来的机械。混合机种类很多，广泛应用于制药、食品、化工、建筑等各类工业生产和日常生活中，同时也应用于航空航天和军事领域，如在固体火箭发动机制造的过程中，一道重要的工序为固体推进剂的混合操作，混合质量的好坏直接影响药柱结构的均匀性和燃烧过程的稳定性。混合机的混合性能受到其间隙尺寸的重要影响，间隙越小，混合锅锅壁对物料的拖拽作用越明显，混合能力越强。因此在混合机设计与安装过程中，为了增强捏合效果，提高混合效率，尽量降低各种混合间隙。但是，间隙过小容易引起混合物摩擦增大，产生安全风险。如何根据工程实际需求，通过试验或者数学计算等方法对混合机各种间隙进行设计与优化，一直是混合机设计过程中的一个重要问题。此外，混合机制造和安装过程中，制造误差以及操作人员的操作原因都可能导致间隙发生改变，对混合机的混合性能会产生不利影响。因此急需一种技术手段，对混合机的混合间隙进行精确的测量，保证生产安全的同时为混合机的设计和性能优化提供数据支撑。目前，测量混合机桨叶和锅壁间隙的方法是：在锅壁上测量点的位置贴一定厚度的橡皮泥，混合机运行过程中桨叶边缘削去一些橡皮泥，通过测量锅壁上剩下橡皮泥的厚度确定此位置的间隙距离。其缺点是：第一、测量误差大。其原因是：首先，由于橡皮泥有很大粘性，因此在被削薄的过程中容易产生形变，导致间隙测量的真实性变差；其次，由于橡皮泥材质很软，使其厚度测量的不确定度增大，影响测量误差。第二、测量时间长，测量效率低。由于锅壁上测量点的数量很多，而每个测量点的测量需要很长时间，导致测量周期很长，测量效率低。
发明内容
[0003] 本发明的目的是：提出一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置和测量方法，以便减小测量误差，缩短测量时间，提高测量效率。
[0004] 本发明的技术方案是：一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置，包括混合机，混合机包括混合锅5、空心搅拌组件、实心搅拌组件、锅盖组件和测量控制器；混合锅5具有圆柱形内腔，在混合锅5的侧壁上部至少有一个贯通的观察窗9，锅盖组件封盖混合锅5的上端口，在锅盖组件内部安装有空心搅拌组件和实心搅拌组件的驱动机构，上述驱动机构带动空心搅拌组件和实心搅拌组件绕锅盖组件的轴线公转，同时，带动空心搅拌组件中的空心桨叶7a绕空心搅拌组件的轴线自转，以及带动实心搅拌组件中的实心桨叶7b绕实心搅拌组件的轴线自转；空心桨叶7a的两个侧边缘是轴对称的螺旋线；其特征在于：间隙测量装置包括柔性电路板4、霍尔元件8、电连接器10、电缆11和标准磁铁12；
[0005] 所述的柔性电路板4是一个条形柔性板，在柔性电路板4上垂直分布着一列贴片式霍尔元件8，霍尔元件8的数量为1个至10个；柔性电路板4垂直粘贴在混合锅5的内壁6上，柔性电路板4的数量为2个至10个，并沿混合锅5内壁的圆周均布，柔性电路板4的输入线和输出线通过电连接器10和电缆11从观察窗9引出混合锅5，电缆11的一端与电连接器10的插头或者插座连接，电缆11的另一端与测量控制器连接；在空心桨叶7a的两个侧边缘的内凹侧面粘贴标准磁铁12，标准磁铁12的一个边缘与空心桨叶7a的边缘对齐，标准磁铁12的数量与柔性电路板4上的霍尔元件8的数量一致，标准磁铁12的位置与柔性电路板4上的霍尔元件8的位置对正，即：标准磁铁12沿长度方向的水平平分面与在高度方向所对应的霍尔元件8的水平平分面共面。
[0006] 一种混合机桨叶与锅壁间隙测量方法，其特征在于：采用如上面所述的间隙测量装置进行测量；测量混合机桨叶与锅壁间隙的步骤如下：
[0007] 1、确定测量点的数量和位置：根据用户的要求，确定柔性电路板4的数量和周向位置，每个柔性电路板4上的霍尔元件8的数量和位置以及标准磁铁12的数量和位置；
[0008] 2、测量桨叶与锅壁间隙：
[0009] 2.1、采集包含桨叶与锅壁间隙数据的测量信号：打开混合机，给间隙测量装置通电，待混合机运行至少1分钟后开始采集霍尔元件8输出的测量信号，每个柔性电路板4上的每个霍尔元件8分别对应测量控制器中的一个测量通道，每个测量通道在空心搅拌组件和实心搅拌组件公转一周的过程中输出两个测量信号，分别与霍尔元件8所在位置的空心桨叶7a两个边缘与内壁6之间的间隙对应；保持混合机空心搅拌组件和实心搅拌组件绕锅盖组件轴线连续公转至少10周，记录所有霍尔元件8测量通道采集的测量信号的数值和测量时间；
[0010] 2.2、经数据处理得到桨叶与锅壁间隙数据：
[0011] 针对一个霍尔元件8测量通道采集得到的测量信号，提取空心桨叶7a的一个边缘在所有公转周期的测量信号和对应的测量时间，利用标准磁铁12的标定曲线将测量信号的电压值转化成距离值；通过求解以下方程组计算此霍尔元件8测量通道下，上述空心桨叶7a边缘与锅壁之间的间隙距离dmin：
[0012]
[0013] 式中：a为空心桨叶7a中心距，r为空心桨叶7a的半径，ω为空心桨叶7a绕锅盖组件轴线的公转角速度，di(i＝1,2...n)为空心桨叶7a第i个公转周期下霍尔元件8测量信号转化的距离值，ti(i＝1,2...n)为空心桨叶7a第i个公转周期下霍尔元件8测量信号对应的测量时间，dmin是需要求解的桨叶与锅壁间隙数据， 是空心桨叶7a公转半径的初始角度。
[0014] 本发明的优点是：提出了一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置和测量方法，大大减小了测量误差，保证了测量结果的准确性，缩短了测量时间，提高了测量效率。
附图说明
[0015] 图1是本发明的结构示意图。
[0016] 图2是本发明中数据处理原理示意图。
[0017] 图3是本发明实施例中的输出测量曲线。
具体实施方式
[0018] 下面对本发明做进一步详细说明。参见图1、2，一种混合机桨叶与锅壁间隙测量装置，包括混合机，混合机包括混合锅5、空心搅拌组件、实心搅拌组件、锅盖组件和测量控制器；混合锅5具有圆柱形内腔，在混合锅5的侧壁上部至少有一个贯通的观察窗9，锅盖组件封盖混合锅5的上端口，在锅盖组件内部安装有空心搅拌组件和实心搅拌组件的驱动机构，上述驱动机构带动空心搅拌组件和实心搅拌组件绕锅盖组件的轴线公转，同时，带动空心搅拌组件中的空心桨叶7a绕空心搅拌组件的轴线自转，以及带动实心搅拌组件中的实心桨叶7b绕实心搅拌组件的轴线自转；空心桨叶7a的两个侧边缘是轴对称的螺旋线；其特征在于：间隙测量装置包括柔性电路板4、霍尔元件8、电连接器10、电缆11和标准磁铁12；
[0019] 所述的柔性电路板4是一个条形柔性板，在柔性电路板4上垂直分布着一列贴片式霍尔元件8，霍尔元件8的数量为1个至10个；柔性电路板4垂直粘贴在混合锅5的内壁6上，柔性电路板4的数量为2个至10个，并沿混合锅5内壁的圆周均布，柔性电路板4的输入线和输出线通过电连接器10和电缆11从观察窗9引出混合锅5，电缆11的一端与电连接器10的插头或者插座连接，电缆11的另一端与测量控制器连接；在空心桨叶7a的两个侧边缘的内凹侧面粘贴标准磁铁12，标准磁铁12的一个边缘与空心桨叶7a的边缘对齐，标准磁铁12的数量与柔性电路板4上的霍尔元件8的数量一致，标准磁铁12的位置与柔性电路板4上的霍尔元件8的位置对正，即：标准磁铁12沿长度方向的水平平分面与在高度方向所对应的霍尔元件8的水平平分面共面。
[0020] 一种混合机桨叶与锅壁间隙测量方法，其特征在于：采用如上面所述的间隙测量装置进行测量；测量混合机桨叶与锅壁间隙的步骤如下：
[0021] 1、确定测量点的数量和位置：根据用户的要求，确定柔性电路板4的数量和周向位置，每个柔性电路板4上的霍尔元件8的数量和位置以及标准磁铁12的数量和位置；
[0022] 2、测量桨叶与锅壁间隙：
[0023] 2.1、采集包含桨叶与锅壁间隙数据的测量信号：打开混合机，给间隙测量装置通电，待混合机运行至少1分钟后开始采集霍尔元件8输出的测量信号，每个柔性电路板4上的每个霍尔元件8分别对应测量控制器中的一个测量通道，每个测量通道在空心搅拌组件和实心搅拌组件公转一周的过程中输出两个测量信号，分别与霍尔元件8所在位置的空心桨叶7a两个边缘与内壁6之间的间隙对应；保持混合机空心搅拌组件和实心搅拌组件绕锅盖组件轴线连续公转至少10周，记录所有霍尔元件8测量通道采集的测量信号的数值和测量时间；
[0024] 2.2、经数据处理得到桨叶与锅壁间隙数据：
[0025] 针对一个霍尔元件8测量通道采集得到的测量信号，提取空心桨叶7a的一个边缘在所有公转周期的测量信号和对应的测量时间，利用标准磁铁12的标定曲线将测量信号的电压值转化成距离值；通过求解以下方程组计算此霍尔元件8测量通道下，上述空心桨叶7a边缘与锅壁之间的间隙距离dmin：
[0026]
[0027] 式中：a为空心桨叶7a中心距，r为空心桨叶7a的半径，ω为空心桨叶7a绕锅盖组件轴线的公转角速度，di(i＝1,2...n)为空心桨叶7a第i个公转周期下霍尔元件8测量信号转化的距离值，ti(i＝1,2...n)为空心桨叶7a第i个公转周期下霍尔元件8测量信号对应的测量时间，dmin是需要求解的桨叶与锅壁间隙数据， 是空心桨叶7a公转半径的初始角度。
[0028] 本发明的工作原理是：利用标准磁铁12附近的磁场衰减特性测量距离。具体描述为：标准磁铁12贴于空心桨叶7a边缘的内凹侧面，标准磁铁12的一个边缘与桨叶边缘对齐，标准磁铁12的充磁方向为桨叶径向。因此标准磁铁12的磁感线方向垂直其面向混合锅内壁6的端面，沿径向传输，磁场能量随着远离端面距离的增大不断衰减。当贴有标准磁铁12的空心桨叶7a边缘旋转经过混合锅内壁6上的测量点附近时，内壁6上的霍尔元件8检测到磁场并输出电压，标准磁铁12越靠近霍尔元件8，霍尔元件8检测到的磁场越大，输出电压也越大。可见，霍尔元件8的输出电压与其端面到空心桨叶7a边缘的距离有关，据此通过对标准磁铁12和霍尔元件8的标定，建立测量电压与霍尔元件8端面到空心桨叶7a边缘之间距离的关系曲线，通过测量电压值确定距离值。
[0029] 由于双轴混合机桨叶公转加自转的运行特点，其空心桨叶7a边缘到锅内壁6的最小间隙位置沿锅内壁6不断改变，因此在有限的测量时间内，贴有霍尔元件8的测量位置很难保证出现最小间隙情况。所以选择对有限时间内的多个公转周期的测量距离值进行处理，计算出测量位置对应的最小间隙距离，可以大大的缩短最小间隙的测量时间，提高测量效率。具体模型见图2所示。具体分析过程为：
[0030] 建立直角坐标系xoy，假定空心桨叶7a公转和自转方向都为顺时针方向，霍尔元件8所在位置坐标为(0，-R),其中R为混合锅5的内半径。则空心桨叶7a的边缘在任意时刻t的坐标为：
[0031]
[0032] 式中：a为空心桨叶7a中心距，r为空心桨叶7a的半径，ω为空心桨叶7a绕锅盖组件轴线的公转角速度，ω1为空心桨叶7a绕空心搅拌组件的轴线自转角速度。满足：
[0033]
[0034] 其中：C为空心桨叶7a自转公转速度比， 是空心桨叶7a公转半径的初始角度。在混合机运转过程中，只有当空心桨叶7a的半径和混合锅5半径在一条直线上时，其边缘到混合锅内壁6的距离达到最小值dmin。因此其满足：
[0035] dmin＝R-a-r [4]
[0036] 霍尔元件8实际测量距离di(i＝1,2...n)为经过其端面到的空心桨叶7a边缘的距离，在计算模型中的公式为：
[0037]
[0038] 其中Wh为霍尔元件8和电路版4的厚度之和，整理以上公式，有：
[0039]
[0040] 此公式为霍尔元件8直接测量距离di(i＝1,2...n)与测量位置最小间隙距离dmin之间的关系公式。实际测试过程中，记录多个公转周期下的测量值di和相应的时间ti，分别代入此公式，形成方程组，求解方程组得到未知数dmin和 其中dmin即混合机锅内壁6上霍尔元件8位置测量点的最小间隙距离。
[0041] 本发明的实施例：本实例中使用两条柔性电路板4，分别贴于混合机内壁6圆周对称位置，每条柔性电路板4上垂直焊接三个霍尔元件8，霍尔元件8的高度分别位于距混合锅5底面100mm，300mm，600mm位置，在空心桨叶7a的一个边缘的对应高度安装三个标准磁铁
12。混合机5运行过程中，空心搅拌组件绕锅盖组件的轴线公转速度为3转/分，空心桨叶7a绕空心搅拌组件的轴线自转速度为20转/分。
[0042] 图3为一个霍尔元件8对应的测量通道的输出测量曲线。其中横坐标为测量时间，纵坐标为霍尔元件8实时输出的电压曲线。图中显示了约八个公转周期的测量曲线，在每个周期，当贴有标准磁铁12的旋转桨叶7a边缘靠近霍尔元件8时，霍尔元件8检测到相应的电压峰值，靠近距离越小，电压峰值越高。取每个周期的最大电压峰值和相应的测量时间，利用标准磁铁12的标定曲线将电压峰值转化为距离值，并对这八组测量距离值和测量时间值进行数据处理，计算混合锅内壁6上此霍尔元件8测量位置的最小间隙距离。表1中总结了对此霍尔元件8测量通道进行多次重复测量，分别计算的最小间隙距离值。
[0043] 表1最小间隙距离值
[0044]
[0045] 可见多次测量数据稳定，测量偏差最大为0.05mm，表现了很好的测量稳定性。
