一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统及温度控制方法与流程

1.本发明属于粉末材料加热技术领域，具体涉及一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统及温度控制方法。


背景技术：

2.粉末材料在压固成型工艺中，为了缩短成型周期，提高自动化生产效率，通常需要对待压制的粉末材料进行预热干燥，使材料在压塑前就达到一定温度。尤其在压制热固性塑料粉末的过程中，由于热固性塑料粉末通常具有较高的比热容，提前对材料进行预热，可以极大地缩短成型周期，使物料的温度在模具内具有更高的均匀性，进而确保塑件的成型质量。因此，在压固成型前，对塑料粉末进行快速、均匀预热，是压塑件高效率、高质量生产的必然需要。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统及温度控制方法，实现对极性粉末材料的快速、均匀加热及恒温控制，满足工业化压制塑料的高效率、高质量要求。
4.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统,包括加热腔体、搅拌轴及微波加热器，所述搅拌轴一端自加热腔体顶部穿入加热腔体内并向下延伸至其底部，加热腔体内的搅拌轴上沿轴向集成多个温度传感器，沿径向设置搅拌叶片；所述微波加热器至少设置两个，沿不同标高固定在加热腔体外壁上，每个微波加热器通过加热腔体侧壁上开设的对应微波加热器安装窗口向加热腔体内的极性粉末材料进行微波加热。
5.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，所述加热腔体的上部侧壁上设置进料口，底端设置出料口；在进料口下方的加热腔体内设置微波屏蔽网。
6.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，在所述屏蔽网与加热腔体顶部之间的侧壁上安装位置传感器。
7.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，所述出料口安装有出料口底座，该出料口底座上开有中心孔，中心孔上设置横杆，横杆的中心位置设置圆孔，搅拌轴底端穿过圆孔并通过出料口搅拌头固定。
8.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，所述搅拌轴另一端置于加热腔体外部，在加热腔体外部的搅拌轴上安装导电滑环。
9.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，所述搅拌轴通过轴承组件固定在加热腔体上。
10.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，所述微波加热器包括微波发生器、微波发生器支架及微波透射挡板，微波发生器固定在微波发生器支架上，微波发生器支架和微波透射挡板依次固定在加热腔体外壁上。
11.进一步地，如上述所述的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统，还包括控制单元，所述控制单元分别与温度传感器、搅拌轴及微波加热器连接，用于实时接收温度传感器数据信息，并根据温度传感器数据信息动态调整微波加热器的功率和搅拌轴的转速。
12.本发明还针对微波加热搅拌系统提出一种温度控制方法，包括如下步骤：
13.1)在控制单元设定极性粉末材料加热目标温度值及搅拌轴的低速值；
14.2)利用控制单元实时采集所有温度传感器数据信息，并计算所有温度传感器的平均温度值和最大温差值；
15.3)将平均温度值与设定目标温度值进行比较，判断平均温度值是否等于设定目标温度值，且最大温差值是否为零；如果平均温度值等于设定目标温度值，且最大温差值为零，则关闭微波加热器；如果平均温度值小于设定目标温度值，且最大温差值大于零，则采用分段加热方法对温度进行控制，同时，增加搅拌轴转速。
16.进一步地，如上述所述的温度控制方法，在步骤3)中，所述分段加热控制方法，包括如下步骤：
17.31)将加热腔体中的极性粉末材料按其高度分成不少于2段进行加热，每段包括一个微波加热器和至少两个对应的温度传感器；
18.32)获取每段温度传感器平均温度值，利用每段温度传感器平均温度值与设定目标温度值进行比较，计算每段温差，根据每段温差值大小，动态调整对应段的微波加热器功率，直至每段温度传感器平均温度值等于目标温度值。
19.本发明的有益技术效果在于：
20.(1)本发明的微波加热搅拌系统，采用微波加热，微波是在被加热物内部产生的，热源来自物体内部，所以加热均匀，不会造成"外焦里不熟"的夹生现象，有利于提高产品质量，同时由于"里外同时加热"大大缩短了加热时间，提高了加热效率；另外，因为微波加热的惯性很小，所以可实现温度升降的快速控制。
21.(2)本发明的微波加热搅拌系统，通过在搅拌轴上布置多个温度传感器，可以更加准确地检测到不同层高极性粉末材料的中心温度。
22.(3)本发明的微波加热搅拌系统，通过在加热腔体中设置微波屏蔽网，可以有效地防止微波在加热腔体上方的空腔中不断反射而导致物料局部温度过高，导致粉末材料局部烧结的现象。
23.(4)本发明的温度控制方法，采用“分段加热 温差控制”，“分段加热”是指将加热腔体中的粉末材料分成不少于2段进行加热，在每一段布置不少于两个温度传感器和一个微波发生器；计算目标温度与每个加热段的平均温度的差值，并根据该差值来动态控制微波发生器的功率；“温差控制”是指通过计算所有温度传感器之间的最大温差值，根据该差值动态调节搅拌轴的转速，以提高温度分布的均匀性；保证了极性粉末材料在压塑成型前快速、均匀加热以及恒温控制，满足了工业化压制塑料的高效率、高质量要求。
附图说明
24.图1为本发明微波加热搅拌系统的结构示意图；
25.图2为图1中加热腔体的分解图；
26.图3为图1中搅拌轴的分解图；
27.图4为本发明微波加热搅拌系统的控制原理图；
28.图5为本发明微波加热搅拌系统的加热和搅拌控制流程图。
29.图中：
30.1-加热腔体
31.11-进料口 12-轴承孔座 13-位置传感器安装孔 14-微波加热器安装窗口 15-出料口
32.2-搅拌轴
33.21-温度传感器出线孔 22-出料口搅拌头 23-搅拌叶片
34.3-温度传感器
35.4-出料口底座
36.41-圆孔 42-中心孔 43-横杆
37.5-导电滑环
38.6-轴套
39.7-轴承
40.8-屏蔽网
41.9-位置传感器
42.10-微波加热器
43.101-耐高温密封圈 102-微波透射挡板 103-微波发生器支架 104-微波发生器
具体实施方式
44.下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
45.需要说明的是，本技术的说明书、权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
46.如图1、2所示，是本发明的一种极性粉末材料的微波加热搅拌系统,该系统包括加热搅拌装置和控制单元。加热搅拌装置用于对极性粉末材料进行加热搅拌。控制单元，用于对加热的极性粉末材料进行温度控制。
47.加热搅拌装置包括加热腔体1、搅拌轴2和微波加热器10。搅拌轴2一端自加热腔体1顶部穿入加热腔体1内并向下延伸至其底部，另一端置于加热腔体1外部并与电机连接，通过电机驱动其转动。加热腔体1内的搅拌轴2上沿轴向集成多个温度传感器3，可准确地检测加热腔体1内不同层面极性粉末材料的中心温度，温度传感器3选用带微波屏蔽的热电偶，沿径向设置搅拌叶片23，优选两片，两片搅拌叶片23规格不同，用于在不同径向上搅拌物料，以保证加热腔体内的物料上下温度均匀。在加热腔体1外的搅拌轴2上设置导电滑环5，用于连接加热腔体1外部和内部温度传感器信号线，避免搅拌轴转动时信号线缠绕。微波加热器10至少设置两个(数量多少根据实际需要确定)，沿不同标高固定在加热腔体1外壁上，并通过加热腔体1上开设的微波加热器安装窗口14向加热腔体1内的极性粉末材料进行微波加热。
48.其中，加热腔体1上端的侧壁上设置进料口11，待加热的极性粉末材料从该进料口11进入。加热腔体1的底端设置出料口15，已经达到加热温度的极性粉末材料从出料口15输出。需要说明的是，进料口11处设置进料控制装置，出料口15处设置出料控制装置，进料控制装置和出料控制装置均采用现有产品，本发明不做说明。出料口15安装有出料口底座4，出料口底座4的中心处开有中心孔42，用于出料，中心孔42上端设置横杆43，横杆43上开有圆孔41，用于约束搅拌轴2的旋转和轴承7的安装，搅拌轴2穿过圆孔41，其底端通过出料口搅拌头22固定在横杆43上。出料口搅拌头22为金属结构件，周向均布三个搅拌棒，保证出料均匀顺利进行，出料口搅拌头22与搅拌轴2螺纹连接。
49.在进料口11下方的加热腔体1内设置微波屏蔽网8，可以有效地防止微波在加热腔体上方的空腔中不断反射而导致物料局部温度过高。屏蔽网8的中心位置设置中心孔，用于穿设搅拌轴。屏蔽网8低于位置传感器3-10mm处安装。
50.在屏蔽网8与加热腔体1顶部之间的侧壁上安装位置传感器9，用于检测加热腔体1内极性粉末材料的高度是否达到要求，该位置传感器9通过位置传感器安装孔13安装在加热腔体侧壁上。位置传感器可选用接触传感器、近红外激光距离传感器、超声波距离传感器或电容式感应传感器，优选电容式感应传感器。
51.加热腔体1顶端设置轴承孔座12，用于放置轴承组件，搅拌轴2通过轴承组件固定在加热腔体1上。轴承组件包括轴承7和轴套6，轴承7主要承受搅拌轴2竖直放置并工作时产生的轴向力，轴套6通过轴颈与轴承配合。
52.加热腔体1侧壁上开有至少两个微波加热器安装窗口14，用于安装微波加热器10。
53.如图3所示，搅拌轴2为中空金属管，搅拌叶片23焊接在中空金属管两侧。加热腔体外部的搅拌轴2沿周向布设温度传感器出线孔21，温度传感器信号线从搅拌轴2的中心孔穿过，经过导电滑环5，再从温度传感器出线孔21穿出。
54.导电滑环5通过采购或定制获得，根据温度传感信号线路传导需要确定导电滑环5的技术参数，导电滑环5定子部分通过外部信号线固定装置来固定，导电滑环5转子部分通过螺钉固定在搅拌轴2上，并可随搅拌轴2旋转。
55.微波加热器10包括微波发生器104、微波发生器支架103、微波透射挡板102及耐高温密封圈101，微波发生器104固定在微波发生器支架103上，微波发生器支架103、微波透射挡板102和耐高温密封圈101依次固定在加热腔体1外壁上。耐高温密封圈101，用于防止极性粉末材料从微波加热器安装窗口渗出，选用橡胶等弹性材料支制成，优选厚氯化丁基橡胶。微波透射挡板102，用于防止加热时热气聚集在微波发生器的磁控管上，造成自身热量的消耗，其根据温度控制需要优选pmma、玻璃或陶瓷等微波透射性材料,微波透射挡板102优选厚玻璃。微波发生器104，用于产生微波信号,其选用型号为m24fb-610a的磁控管。加热时，微波发生器104上的微波输出头伸入微波发生器支架103，产生的微波经过微波透射挡板102，作用到加热腔体1中的物料上。
56.控制单元分别与位置传感器、温度传感器、搅拌轴及微波加热器连接，用于接收位置传感器数据信息，判断进料是否到指定容量；实时接收温度传感器数据信息，并根据温度传感器数据信息动态调整微波加热器的功率和搅拌轴的转速。控制单元可采用plc控制系统或单片机控制系统。
57.如图4所示，是本发明微波加热搅拌系统的控制原理图。本发明为了实现对极性粉
末材料快速均匀加热搅拌，使输出的物料温度达到70℃，整个进料、加热搅拌和出料控制过程如下：
58.首先，控制单元采集位置传感器信号，判断进料是否到达指定位置，如果没有，控制单元发出进料控制信号，使进料控制装置工作，向加热腔体中进料；如果判断进料到达指定位置，通过进料控制信号停止进料。其次，控制单元实时采集温度传感器信号，根据采集的温度信号，实时控制搅拌轴电机的转速和微波加热器的电源功率。最后，判断温度传感器采集的温度是否达到目标温度，如果没有，重复上述步骤继续加热搅拌；如果达到目标温度，关闭微波加热器电源，控制单元通过出料控制信号，控制出料控制装置进行物料恒温输出。
59.如图5所示，是本发明微波加热搅拌系统的加热和搅拌控制方法，该方法包括如下步骤：
60.步骤1)系统工作前，在控制单元设置目标温度t和搅拌轴的低转速速度n1；
61.步骤2)控制单元采集位置传感器信息并通过位置传感器信息判断进料是否完成；如果进料完成，执行步骤3)；如果进料未完成，控制进料装置继续进料；
62.步骤3)控制单元采集所有温度传感器的温度数据信息，并计算所有温度传感器的平均温度值tave和所有温度传感器的最大温度值与最小温度值之间的差值δt；
63.步骤4)判断平均温度值tave是否等于目标温度t,最大温度值与最小温度值之间的差值δt是否为零；
64.步骤5)如果目标温度t与平均温度值tave之间的差值大于零(或大于给定误差)，执行步骤6)；如果目标温度t与平均温度值tave之间的差值等于零(或小于给定误差)，且最大温度值与最小温度值之间的差值δt等于0(或小于给定误差)，关闭微波加热器，控制出料装置出料，然后选择是否进入下一个加热搅拌循环；如果最大温度值与最小温度值之间的差值δt大于0(或大于给定误差)，控制搅拌轴的转速，该搅拌轴的转速通过公式n＝n1 k*δt计算，其中k为常数，n1为搅拌轴低转速速度，δt为最大温度值与最小温度值之间的差值。由此可知，差值越大，搅拌速度越快。
65.步骤6)将加热腔体中的极性粉末材料至少分成2段加热，每一段包括至少两个温度传感器和一个对应的微波加热器；然后计算目标温度t与每一个加热段温度传感器平均温度的差值δtm(m＝1,2)，根据每段差值控制该加热段的微波加热器功率,因目标温度减去每个加热段的平均温度所得的温差值，与该段微波发生器的功率成正相关函数关系，可以根据粉末材料对微波的吸收情况选择不同的函数关系,所以该功率大小可通过公式pm＝f*δtm计算，其中f为常数，δtm为目标温度t与每一个加热段温度传感器平均温度的差值；具体地，如果第一段所有温度传感器平均温度为t1，则δt1＝t-t1，第一段微波加热器功率为p1＝f(δt1)；如果第二段所有温度传感器平均温度为t2，则δt2＝t-t2，第二段微波加热器功率p2＝f(δt2)；如果第m段所有温度传感器平均温度为tm，则δtm＝t-tm，第m段微波加热器功率pm＝f(δtm)；调整完微波加热器功率后，重新返回步骤3)，再重新采集所有温度传感器信息，并计算所有温度传感器的平均温度值tave和最大温度值与最小温度值之间的差值δt；判断平均温度值tave是否等于目标温度t,最大温度值与最小温度值之间的差值δt是否为零；如果目标温度t与平均温度值tave之间的差值还是大于零(或大于给定误差)，循环操作，直至目标温度t与平均温度值tave之间的差值等于零(或小于给定误差)，且最大温
度值与最小温度值之间的差值δt等于0(或小于给定误差)为止。
66.以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员根据本发明所揭露的技术方案及其发明构思，进行等同替换或改变，所获得的技术方案都应涵盖在本发明的保护范围之内。