一种具有双层变构型磁转子的混合装置及方法

本发明涉及混合，具体涉及一种具有双层变构型磁转子的混合装置及方法。

背景技术：

1、随着工业生产、实验室检测及精细化液体处理技术的发展，对小容量液体混合装置的混合效率、运行稳定性和连续处理能力提出了更高要求。磁力搅拌装置具有密封方便、结构紧凑等特点，已广泛应用于环境检测、医学检验、实验室分析、制药及精细化工等领域，用于不同组分液体或多组分体系的混合、均匀化及状态维持。对于不同处理阶段，往往还需要兼顾混合范围、混合强度、扰动程度及持续运行稳定性等要求。

2、常见的磁力搅拌装置主要由容器、磁转子及设置在容器下方的磁驱动机构组成。磁驱动机构产生旋转磁场，带动容器内的磁转子持续旋转，从而对液体进行搅拌。然而，现有的磁转子形状大多为简单的圆柱形，电机的正反转仅表现为旋转方向不同，难以根据使用场景切换不同的流场状态。面对需要在不同搅拌强度下进行处理的液体体系，采用较低转速维持混合时，容器底部的液体可能难以被充分带动；当采用较高转速进行强力复匀时，又容易产生较深漩涡、气泡或液体飞溅。因此，往往需要反复调节转速、更换转子或者人工进行干预，使用不够便利。

3、此外，部分磁力搅拌装置仅可以定量加入液体后间歇式混合，缺少多路进液和持续出液结构，难以满足持续加入、实时混合和连续排出的应用需求。当实时进液、混合和排出时，使用外部称重设备确定加入液体量，难以进行实时控制，且不够便利。

4、因此，有必要提供一种利用驱动方向变化实现磁转子构型及工作高度切换，并兼具多路进液、连续混合、出液和称重功能的磁驱混合装置，无需单独称重，无需中途更换转子，实现密闭空间持续混合，以适应不同处理阶段对混合范围、混合强度、扰动程度及运行稳定性的差异化需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供一种具有双层变构型磁转子的混合装置及方法。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种具有双层变构型磁转子的混合装置，包括基座，基座内设置有称重组件，称重组件上方固定有浮动承载组件，浮动承载组件内部固定有磁体驱动电机，磁体驱动电机电性连接控制器，磁体驱动电机的输出端固定有下永磁体，基座顶部设置有与浮动承载组件配合的升降通孔，浮动承载组件可以在升降通孔内竖向移动；浮动承载组件的顶部固定有可拆卸的混合桶，混合桶顶部固定有容器盖，容器盖上设置有主入口和两处次入口，混合桶底部设置有出料软管；混合桶的底部固定有中心导向轴，中心导向轴上设置有可转动的可变构磁转子，可变构磁转子上设置有与中心导向轴配合的竖向移动通孔，可变构磁转子包括上层磁转子和下层磁转子，上层磁转子和下层磁转子可相对转动并形成一字形贴合结构或十字形错开结构。

4、进一步地，上层磁转子的底部设置有两处相对设置的三棱楔形凸起，下层磁转子上设置有与三棱楔形凸起配合的三棱楔形缺口，三棱楔形凸起包括倾斜导向面、周向限位面和弧形外表面。

5、进一步地，两个相对设置的周向限位面之间的间距与下层磁转子的横向宽度相适配。

6、进一步地，中心导向轴包括从下往上依次连接的大径段、小径段和扩大限位部，小径段上设置有两处外短程螺旋凸条，上层磁转子上设置有与外短程螺旋凸条配合的内短程螺旋凸条。

7、进一步地，称重组件包括第一传感器支撑、称重传感器和第二传感器支撑，称重传感器一端底部通过第二传感器支撑与基座底部固定连接，称重传感器另一端顶部通过第一传感器支撑与浮动承载组件底部固定连接。

8、进一步地，出料软管上设置有框形的出料控制阀架，出料控制阀架的一侧设置有螺纹孔，螺纹孔内设置有出料控制杆，出料控制杆的内侧端转动连接有与出料软管配合的出料压板，出料压板两端设置有与出料控制阀架配合的导向开口。

9、进一步地，浮动承载组件顶部边侧设置有若干定位凸起，混合桶底部设置有与定位凸起配合的若干定位凹槽。

10、进一步地，升降通孔设置有向上的延伸部，浮动承载组件的顶部外部设置有与延伸部配合的下遮盖环。

11、进一步地，浮动承载组件顶部设置有安装混合桶的凹槽，混合桶的底部卡接在凹槽内。

12、一种具有双层变构型磁转子的混合装置的控制方法，包括如下步骤：

13、s1：初始化与称重去皮；控制器上电后确认混合桶通过定位凸起与浮动承载组件定位卡接、容器盖闭合、出料控制杆关闭出料软管；在磁体驱动电机停止状态下读取称重传感器获取去皮质量；用户选定液体密度，调用预先标定的混合桶容积-液位标定函数，完成控制前的基准建立与参数准备；

14、s2：进液与液量液位确定；控制器开启主入口加入待处理液体，多路进液时由称重传感器实时累计各路质量；进液完成后在磁体驱动电机停止、低速或短暂降速形成的称重窗口内读取总质量，计算液体净质量和液体体积，调用容积-液位标定函数换算液位，为由混合桶内壁几何形状预先标定得到的单值映射函数，并从预先建立的液位-转速-时间运行参数库中选取扫底转速与扫底时间、复匀转速与复匀时间和维持转速；

15、s3：一字构型短时扫底；控制器向磁体驱动电机输出第一方向旋转指令并设定扫底转速，利用外短程螺旋凸条与内短程螺旋凸条配合产生的低位轴向力，使上层磁转子保持在小径段下段低位凹入工作区、三棱楔形凸起嵌入三棱楔形缺口，与下层磁转子形成低位重合的一字构型；以扫底转速持续运行扫底时间，松动杯底沉积物、减小底部局部浓度差并建立初始流动状态；

16、s4：十字构型整体复匀；控制器先将磁体驱动电机降至构型切换安全转速，再切换为第二方向旋转；下层磁转子先行转动，上层磁转子因流体阻力和惯性相对转动约90°后被周向限位面抵接限位，同时螺旋配合产生升力使上层磁转子沿小径段螺旋升降段上升至上段高位凹入工作区，形成高位展开的十字构型；随后提速至复匀转速并运行复匀时间，利用十字构型更大的径向扫掠范围和轴向作用高度实现沉积物重悬与整体强力复匀；

17、s5：一字构型低扰动维持；控制器将磁体驱动电机降至后切回第一方向，螺旋配合产生低位轴向力使上层磁转子下降复位、三棱楔形凸起重新嵌入三棱楔形缺口，恢复一字构型；再以维持转速沿第一方向低扰动运行，支持连续低速模式或按预设时间间隔的间歇模式；对易起泡或剪切敏感液体全程保持一字构型且不插入十字复匀；保持期间持续监测新增进液与出料操作，执行步骤s6和步骤s7，之后，再进入步骤s8；

18、s6：连续加液过程中的触发式再复匀；在持续加液或连续处理过程中，控制器通过称重传感器实时获取当前总质量，计算自上一次复匀后的新增液体质量，再计算新增质量占比；为新增液体质量，为上一次十字构型复匀完成时刻的总质量，为当前时刻液体净质量；当或自上一次复匀后的时间间隔时，按步骤s4再执行一次十字构型强力复匀，之后，再将上一次十字构型复匀完成时刻的总质量更新为当前总质量并返回步骤s5继续维持，否则，保持一字构型低剪切混合；为新增质量比例，为预设比例阈值，为预设复匀时间间隔；

19、s7：出料与质量守恒校验；需要出料时控制器旋转出料控制杆，通过出料压板对出料软管的压缩量调节出料流量，混合后液体经出料软管持续排出；出料过程中按质量守恒式实时校验，为累计进液质量，为累计出液质量，为去皮质量，为预设允许偏差；若不满足质量守恒式，则判定存在泄漏、称重异常或计量偏差并报警暂停电机；若满足质量守恒式，则继续运行，并在液位下降时按步骤s2液位-转速-时间运行参数库重新选取低液位下的运行参数；

20、s8：构型交替清洗；液体处理完成并排空后，控制器经主入口加入清洗液至预定液位；控制磁体驱动电机在低速下交替改变旋向：

21、沿第二方向时上层磁转子上升展开为十字构型，使上下层转子间隙、中心导向轴与竖向移动通孔间隙及叶片间隙充分暴露，沿第一方向时上层磁转子下降重合为一字构型使间隙被挤压闭合；

22、交替改变旋向重复次、每次保持十字构型时间，使清洗液在间隙暴露时进入、闭合时挤出，从而带走残留物；清洗完成后打开出料软管排出清洗液；为预设清洗次数，为预设十字构型停留时间；

23、s9：停机与状态复位；控制器控制磁体驱动电机沿第一方向低速运行，使上层磁转子下降复位至低位一字构型，确保停机时转子处于可快速启动的低位重合状态；随后停止电机、关闭所有入口、将出料控制杆旋至关闭出料软管位置，读取称重传感器当前输出并与去皮质量比对，确认桶内无残留液体后结束整个控制流程。

24、本发明的有益效果为：

25、（1）本发明通过依靠上下磁转子的楔形凹凸配合结构与中心导向轴螺旋限位结构，仅通过驱动电机正反转即可实现转子在低位一字形、高位十字形两种构型间切换，无需额外升降驱动机构。两种构型流场性能互补，一字构型实现低扰动扫底与均匀维持，十字构型实现大范围强力复匀，可程序化完成 “扫底复匀维持” 分阶段协同混合；十字展开状态还可暴露间隙实现构型交替自清洗。装置集成称重组件实时采集液量变化，实现定量配比闭环控制，搭配多路进出液结构，兼容间歇、连续两种处理模式，加液过程可依据重量反馈自动触发复匀动作，拓展装置适用场景。

26、（2）可变构双层磁转子通过旋向切换实现双构型，无需增设独立升降驱动机构。本发明通过巧妙设计上层磁转子与下层磁转子的叶片形状及配合关系-上层磁转子底部设置三棱楔形凸起（含倾斜导向面、周向限位面、弧形外表面），下层磁转子设置对应三棱楔形缺口；下层磁转子通过磁耦合作用获得旋转动力，并通过周向传动结构带动上层磁转子运动，上层磁转子与中心导向轴小径段上的外短程螺旋凸条及高、低位凹入工作段相配合。当磁体驱动电机切换旋转方向时，上层磁转子相对于下层磁转子产生周向转动和轴向位移，使双层磁转子在低位重合的一字形构型与高位展开的十字形构型之间切换。可变构双层磁转子切换直接利用电机正反转完成，同一驱动电机同时实现搅拌驱动与转子构型切换，结构紧凑、控制方便。

27、（3）两种构型流场特性互补，可按处理阶段程序化切换，兼顾低扰动持续混合与大范围强力复匀。在低位状态下，两层叶片沿同一方向重合，整体形成近似一字形构型，迎液面积小、液面漩涡浅、剪切作用低，适用于混合初期杯底扫底、沉积物松动以及复匀完成后的低扰动均匀维持；在高位状态下，两层叶片相互错开约90°，整体形成近似十字形构型，径向扫掠范围和轴向作用高度增大，能够形成明显的液面漩涡和较强的上下层流体交换，适用于沉积物重悬和液体整体强力复匀。仿真结果表明，在相同水位和转速条件下，十字构型的混合时间较一字构型缩短34.1%～52.5%，且稳定后浓度变异系数更低。控制器可根据液体处理需求控制磁体驱动电机的旋转方向、转速和运行时间：低扰动维持时沿第一方向低速旋转保持一字构型；沉积物重悬或强力复匀时先降速并切换至第二方向，使上层磁转子升高形成十字构型后以中速或高速运行；复匀完成后再次降速并切换回第一方向，使上层磁转子下降复位并继续低速混合，从而形成“一字构型扫底—十字构型复匀—一字构型维持”的分阶段协同混合过程。

28、（4）构型展开后层间间隙充分暴露，便于辅助清洗。两层转子之间的配合间隙、中心导向轴与竖向移动通孔之间的间隙以及叶片间隙，在十字形展开状态下能够充分暴露。进行辅助清洗时，控制器使双层转子在一字形构型和十字形构型之间低速交替切换，在展开状态下带动清洗液进入上述各间隙，在重合状态下将间隙内液体挤出，从而带走残留物，实现构型交替清洗。

29、（5）称重反馈实时检测液量，为定量添加与比例控制提供依据。混合桶和磁体驱动电机等磁驱动组件共同设置于浮动承载组件上，称重传感器通过第一传感器支撑和第二传感器支撑检测浮动承载组件及以上全部结构的重量变化，可对容器内液体的加入量、排出量及剩余量进行实时检测。该称重方式为不同液体的定量添加、配比控制及处理过程监测提供直接依据，减少了单独称量及液体转移操作，且不依赖在线浓度检测即可实现液量闭环控制。

30、（6）多路进出液结构与称重反馈结合，支持间歇式与连续式处理。容器盖上设置主入口和两处次入口，多个相互独立的进液通道可使多种液体分别加入混合桶；混合桶底部设置出料软管，通过出料控制杆带动出料压板压缩出料软管即可调节出料流量，使混合后的液体持续排出。该结构既可用于定量加入后的间歇式混合，也可用于连续进液、连续混合和连续出液；配合称重反馈可在连续加液过程中根据新增液体质量比例或时间间隔自动触发十字构型再复匀，提高了装置的使用效率和适用范围。