專利名稱：聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚合物生產(chǎn)過程中混合 狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
聚合物共混物是由兩種或兩種以上的均聚物或共聚物的混合而成，由于其性能優(yōu) 越，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防領(lǐng)域不可缺少的一類重要材料。聚合物的共混加工方法主要是 通過單(雙)螺桿擠出機(jī)進(jìn)行混合。固態(tài)聚合物由進(jìn)料口進(jìn)入，在螺桿擠出機(jī)機(jī)筒內(nèi)由固 態(tài)變成熔融態(tài)，由擠出機(jī)出料口擠出進(jìn)入成型磨具。最終擠出產(chǎn)品的質(zhì)量與原材料的性能 配比、機(jī)筒內(nèi)溫度壓力、擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，同時(shí)在生產(chǎn)過程中也體現(xiàn) 為混合物在螺桿擠出機(jī)機(jī)筒中不同部位的混合狀態(tài)。因此在生產(chǎn)過程中對(duì)聚合物混合過程 狀態(tài)的在線檢測(cè)具有重要意義，可以利用檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝，減少產(chǎn)品浪費(fèi)和廢 品污染，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期。 目前聚合物生產(chǎn)線上主要通過監(jiān)測(cè)機(jī)筒內(nèi)的溫度和壓力來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，而獲取混合
狀態(tài)信息的方法都是離線的，如對(duì)通過安裝在不同部位的特殊的樣品采集器獲得的混合樣
品進(jìn)行理化分析、通過安裝在擠出機(jī)上的玻璃窗觀察混合過程等。這些方法均不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)
確的給出混合信息，不能滿足生產(chǎn)的需要，嚴(yán)重制約了我國(guó)聚合物加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 超聲檢測(cè)技術(shù)采用超聲波在穿透共混聚合物熔體時(shí)，其回波振幅、聲速、衰減系數(shù)
和聲阻抗將隨共混物的熔融狀態(tài)而變化，這一原理可用于聚合物在螺桿擠壓過程中不同位
置處的混合狀態(tài)檢測(cè)。聚合物混合時(shí)，其在擠出機(jī)中的熔融態(tài)溫度一般在IO(TC以上，而一
般超聲探頭只能在常溫下工作，影響超聲技術(shù)在這方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，采用該 方法能夠在聚合物擠出生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物在擠出機(jī)中不同部位的混合狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)、狀態(tài)識(shí)別和生產(chǎn)分析等功能。 本發(fā)明提供的聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在于通過 安裝在單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)上的超聲傳感器實(shí)時(shí)獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波 信號(hào)的振幅；使用對(duì)應(yīng)位置的溫度壓力傳感器獲取的機(jī)筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為 參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并歸一化回波振幅；運(yùn)用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成 振幅曲線不同周期間的位置匹配；計(jì)算不同周期間對(duì)應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振 幅與聚合物含量的關(guān)系，識(shí)別聚合物的混合狀態(tài)。 可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)需求，分別在螺桿擠出機(jī)上不同部位安裝溫度壓力傳感器和
超聲傳感器，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)部位的聚合物混合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)聚合物混合過程的監(jiān)測(cè)。 所說(shuō)的超聲傳感器由超聲探頭、聲波耦合桿和水冷裝置組成；超聲探頭的中心頻
率為2. 5MHz，激勵(lì)脈沖寬度為1 i！ s ;聲波耦合桿以聚醚醚酮為材料，主體部分為圓柱結(jié)構(gòu)，
采用螺紋結(jié)構(gòu)與螺桿擠出機(jī)機(jī)筒緊密連接，頂端與超聲探頭粘接接觸，底端與擠出機(jī)機(jī)筒內(nèi)壁相切；水冷裝置中的恒溫水與聲波耦合桿充分接觸。
本發(fā)明的有益效果 (1)利用超聲回波幅值、機(jī)筒內(nèi)聚合物的壓力和溫度，在線監(jiān)測(cè)機(jī)筒內(nèi)不同部位聚 合物的混合狀態(tài)，不受人主觀因素的影響，起到及時(shí)指導(dǎo)和調(diào)整生產(chǎn)工藝的作用，有效地提 高生產(chǎn)效率，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。 (2)超聲傳感器帶有水冷裝置和螺紋安裝結(jié)構(gòu)，適用于聚合物在生產(chǎn)擠出過程中 的高溫高壓環(huán)境下工作； (3)聲波耦合桿采用聚醚醚酮為材料，提高了聲波在耦合桿與聚合物界面的透射 率，有效地抑制了超聲波在圓柱桿中傳播的尾隨噪聲，提高了特征回波的信噪比；
(4)聲波耦合桿底端與機(jī)筒內(nèi)壁相切，可在不影響聚合物擠出機(jī)正常工作情況下， 準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)聚合物的混合狀態(tài)； (5)采用不同周期間同一位置的超聲回波偏差作為特征量，有效的避免了由于螺 桿結(jié)構(gòu)造成的影響； (6)使用熔態(tài)聚合物的溫度和壓力為參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并 歸一化超聲回波振幅，避免由于熔態(tài)聚合物的溫度和壓力對(duì)超聲回波信號(hào)的影響；
(7)使用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹配，避免了由于螺 桿轉(zhuǎn)速不勻造成采樣點(diǎn)與螺桿位置的偏差影響對(duì)應(yīng)位置的準(zhǔn)確比較； (8)結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)，可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聚合物混合過程多個(gè) 不同部位的混合狀態(tài)，易于擴(kuò)展；可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示和分析，適用于聚合物新 產(chǎn)品研發(fā)的應(yīng)用。


圖1為傳感器安裝位置圖； 圖1中，(la)傳感器安裝正視圖，(lb)傳感器安裝處的周向截面圖； 圖2為超聲波在聚合物中的傳播和回波示意圖； 圖2中，(2a)傳播原理示意圖，(2b)超聲回波示意圖； 圖3為超聲傳感器特征回波信號(hào)的B掃描圖； 圖3中，(3a)位置I， (3b)位置II， (3c)位置III， (3d)位置IV ; 圖4為特征信號(hào)幅值偏差柱狀具體實(shí)現(xiàn)方式 本發(fā)明以超聲回波特征量來(lái)表征聚合物混合狀態(tài)信息，結(jié)合擠出機(jī)機(jī)筒內(nèi)的溫 度、壓力，通過信號(hào)處理方法，采用計(jì)算機(jī)的處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)聚合物在生產(chǎn)擠 出過程中的混合狀態(tài)。 聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，通過安裝在單螺桿或雙螺桿擠出 機(jī)上的超聲傳感器實(shí)時(shí)獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波信號(hào)的振幅；使用對(duì)應(yīng)位置的 溫度壓力傳感器獲取的機(jī)筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為參考量，采用秩濾波和低通濾 波方法校正并歸一化回波振幅；運(yùn)用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹 配；計(jì)算不同周期間對(duì)應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，識(shí)別聚合物的混合狀態(tài)。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)需求，分別在螺桿擠出機(jī)上不同部位安裝溫度壓力傳感器和超聲 傳感器，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)部位的聚合物混合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)聚合物混合過程的監(jiān)測(cè)。
所說(shuō)的超聲傳感器由超聲探頭、聲波耦合桿和水冷裝置組成；超聲探頭的中心頻 率為2. 5MHz，激勵(lì)脈沖寬度為1 i！ s ;聲波耦合桿以聚醚醚酮為材料，主體部分為圓柱結(jié)構(gòu)， 采用螺紋結(jié)構(gòu)與螺桿擠出機(jī)機(jī)筒緊密連接，頂端與超聲探頭粘接接觸，底端與擠出機(jī)機(jī)筒 內(nèi)壁相切；水冷裝置中的恒溫水與聲波耦合桿充分接觸。 如圖la所示，螺桿擠出機(jī)機(jī)筒上的不同部位安裝有溫度壓力傳感器和超聲傳感 器，溫度壓力傳感器和超聲傳感器在圓周方向的相對(duì)位置如圖lb所示，圖lb中TPT和UT分 別表示溫度壓力傳感器和超聲傳感器。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)同步采集多路溫度壓力傳感器 的溫度、壓力和超聲傳感器的超聲信號(hào)，并提取反映聚合物混合狀態(tài)的特征回波振幅；對(duì)于 任一部位，先以溫度和壓力為參考量校正當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的超聲回波振幅，再進(jìn)行秩濾波， 濾除由于螺桿結(jié)構(gòu)變化而影響的振幅跳變，接著采用低通濾波方法提取振幅變化趨勢(shì)向， 歸一化回波振幅，將這段時(shí)間內(nèi)多個(gè)周期的振幅曲線采用運(yùn)用相關(guān)系數(shù)匹配方法進(jìn)行位置 匹配；根據(jù)位置匹配的結(jié)果，計(jì)算所有同一位置的超聲回波振幅偏差，并得出綜合偏差；最 后通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，采用綜合偏差識(shí)別聚合物的混合狀態(tài)，并顯示。在實(shí)際應(yīng) 用中，可以根據(jù)需要，增加控制模塊實(shí)現(xiàn)聚合物擠出過程的反饋控制。 超聲特征回波的提取是依據(jù)圖2的超聲傳播原理，聲波經(jīng)聲波耦合桿、熔態(tài)聚合 物傳播，在耦合桿/聚合物界面和聚合物/螺桿界面產(chǎn)生回波Ll和L2，最后由超聲探頭接 收，得到的典型回波信號(hào)如圖3所示，圖3中的A2為超聲特征回波振幅。
應(yīng)用實(shí)例 在單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行90%低密度聚乙烯(LDPE)和10%碳酸鈣的混合試驗(yàn)。機(jī)筒 內(nèi)徑為小90mm，螺桿長(zhǎng)1600mm，螺桿轉(zhuǎn)速為10r/min ;壓力溫度傳感器采用PT124B/PT124G ; 在圖1中的四個(gè)部位安裝相同的超聲傳感器進(jìn)行檢測(cè)，圖4為四個(gè)位置的特征回波信號(hào)B 掃描圖，從圖中可以看出在位置I處檢測(cè)的特征回波幅值起伏較大，而在位置IV處的特征 回波信號(hào)最穩(wěn)定，圖5列出了四個(gè)位置檢測(cè)特征回波幅值的相對(duì)方差(方差與均值之比，表 示相對(duì)偏差量)的對(duì)比情況，說(shuō)明隨著混合的進(jìn)行特征回波信號(hào)越穩(wěn)定、幅值方差越小，根 據(jù)這一特點(diǎn)可以檢測(cè)兩種聚合物的混合狀態(tài)。
權(quán)利要求
聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在于通過安裝在單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)上的超聲傳感器實(shí)時(shí)獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波信號(hào)的振幅；使用對(duì)應(yīng)位置的溫度壓力傳感器獲取的機(jī)筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并歸一化回波振幅；運(yùn)用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹配；計(jì)算不同周期間對(duì)應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，識(shí)別聚合物的混合狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在 于根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)需求，分別在螺桿擠出機(jī)上不同部位安裝溫度壓力傳感器和超聲傳感 器，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)部位的聚合物混合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)聚合物混合過程的監(jiān)測(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在 于所說(shuō)的超聲傳感器由超聲探頭、聲波耦合桿和水冷裝置組成；超聲探頭的中心頻率為 2. 5MHz，激勵(lì)脈沖寬度為li!S ;聲波耦合桿以聚醚醚酮為材料，主體部分為圓柱結(jié)構(gòu)，采用 螺紋結(jié)構(gòu)與螺桿擠出機(jī)機(jī)筒緊密連接，頂端與超聲探頭粘接接觸，底端與擠出機(jī)機(jī)筒內(nèi)壁 相切；水冷裝置中的恒溫水與聲波耦合桿充分接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測(cè)方法，屬于工業(yè)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過安裝在單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)上的超聲傳感器實(shí)時(shí)獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波信號(hào)的振幅；使用對(duì)應(yīng)位置的溫度壓力傳感器獲取的機(jī)筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并歸一化回波振幅；運(yùn)用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹配；計(jì)算不同周期間對(duì)應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，識(shí)別聚合物的混合狀態(tài)；該方法能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)聚合物擠出過程中的混合狀態(tài)，為聚合物的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝調(diào)整提供狀態(tài)參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N29/02GK101762639SQ201010000080
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者王召巴, 肖凱生, 趙霞, 邢巍, 金永, 陳友興 申請(qǐng)人:中北大學(xué);秦皇島凱維科技有限公司