CN103954685A - 一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，取向装置包括信号处理中心、用于发射与接收超声波信号的超声波换能器；信号处理中心与超声波换能器连接；超声波换能器至少有两个，并安装在聚合物材料成型时、熔体流经通道上；本装置的测量段安装在挤出机或注塑机的物料出口处，利用在熔体流经通道横截面上安装超声波换能器，通过横截面上不同方向超声波信号来表征实时流过流道的聚合物取向。本装置可实现聚合物在加工过程中熔体流动取向的在线测量与表征研究，克服了传统取向测试样品离线抽样测量、制样要求苛刻、测试费用高等不足。实现聚合物熔体流动取向的在线实时监测，为产品加工过程工艺条件的调整提供更为科学的依据。

Description

一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置及其方法

技术领域

本发明涉及高分子材料成型加工领域中的测量装置，尤其涉及一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置及其方法。

背景技术

取向度是高分子材料一个重要的参数，它的大小跟高分子材料的宏观物理性能有着密切的关系。除了聚合物本身的一些特点以外，加工过程中形成的如相形态结构、聚集态结构、分子链的取向结构等特性，这些都会对制品的性能产生很重大的影响。所以，在提高高分子材料性能研究的同时，对高分子材料结构的检测和表征成为了高分子研究领域里一个重要的研究方向，而对材料加工成型过程中材料的实时检测更是引起了国内外学者的重视。

目前测定聚合物取向度的方法主要有红外二向色性法、双折射法、广角X射线衍射法和声波法等。与其他几种方法相比，声波法可以在实现无损检测的条件下表征聚合物的取向度。声波传播速度沿着分子主链方向要比垂直于链的方向快得多，在主链方向上，振动在原子间的传递是靠化学键来实现的，而在垂直于主链的方向上，原子间只有弱得多的分子间力。如果聚合物的声速用C_U表示，待测试样中的声速为C，可以按以下公式计算材料取向度F和平均取向角<θ>。

$F=-{\left(\frac{C_U}{C}\right)}^2---\left(1\right)$       $<{\cos }^2\mathrm{\&theta;}>=1-\frac{2}{3}{\left(\frac{C_U}{C}\right)}^2---\left(2\right)$

现有技术中超声波在线检测管材取向度的方法，同种材料制备多个不同取向度的样品,通过超声波测试上述多个样品的声速,再利用红外二向色性方法对上述多个样品进行取向度的精确测定；然后建立超声波速度与取向度关系，得到相应的工作曲线；在管材生产线上对生产中挤出的管材进行连续的测试得到声波速度，再利用上述工作曲线实时在线检测，确定管材取向度。虽然便于实现取向度在线监测的自动化和智能化，但本身是通过离线方法进行标定，然后建立超声波速度与取向度之间工作曲线，对于熔体流动过程中的动态取向无法研究。

现有技术中测量高分子材料取向度的方法，多为单点测量，或者尽管是多点却不是研究同一位置的取向信息，实质这些方法只能获得测量点上的一维信息。

然而，这些方法都无法检测熔体在熔体流经通道中的多维取向状况信息。

发明内容

本发明的目的是利用多点超声在线测量技术研究同一流道截面内的熔体流动取向状况，以克服现有技术中产品离线测量、生产效率低、成本高等缺点，提出一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置及其方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，所述取向装置包括信号处理中心、用于发射与接收超声波信号的超声波换能器；信号处理中心与超声波换能器连接；

所述超声波换能器至少有两个，并安装在聚合物材料成型时、熔体流经通道上。

至少两个超声波换能器固定安装在垂直于熔体流经通道的横截面上。

所述取向装置还包括有至少两个平面反射板，该平面反射板安装在熔体流经通道的内壁、并与超声波换能器相对。

所述超声波换能器至少有四个，其中每两个设置在熔体流经通道的同一条直线上，每对中的一个用于发射超声波信号，另一个用于接收超声波信号。

所述熔体流经通道为圆形截面。

所述取向装置还包括至少两个熔体压力传感器，该熔体压力传感器分别安装在熔体流经通道、测量横截面对称的流道上、下游。

所述取向装置还包括一个熔体温度传感器，该熔体温度传感器安装在熔体流经通道的超声波测量横截面中。

上述装置在线测量聚合物熔体流动取向的方法，包括如下步骤：

由计算机向超声波脉冲发生/接受器发送超声波发射时间、频率指令，超声波脉冲发生/接受器按要求向超声波换能器发出脉冲信号，与此同时采集传感器接受的放射、散射信号，该信号连同熔体压力传感器、熔体温度传感器检测到的信号进入信号处理中心，进行A/D数模转换和信号预处理，处理完的数据送回到计算机进行存储和分析。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

目前对高分子材料取向度的测量大多采用红外光谱仪或者X射线衍射仪对高分子材料进行离线测量，不但响应时间长，还无法实现对材料进行在线测量和实时控制要求，而本装置及其方法，可以实时在线表征聚合物的取向状况。

采用不同数目的超声波换能器安装在垂直于熔体流动通道的横截面上可以获得多方向测量数据，通过不同方向超声波信号来表征实时流过流道的聚合物及其混合物的取向状况。

本装置及其方法，可实现聚合物在加工过程中熔体流动取向的在线测量与表征研究，克服了传统取向测试样品离线抽样测量、制样要求苛刻、测试费用高等不足。实现聚合物熔体流动取向的在线实时监测，为产品加工过程工艺条件的调整提供更为科学的依据。

由此可见，本装置及其方法不仅技术手段简便易行，而且克服了现有技术中产品离线测量、生产效率低、成本高等缺点。

附图说明

图1是本发明超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置的测量段13，横截面结构示意图。

图2是图1的纵截面结构示意图。

图3是2对超声波换能器结构示意图。

图4是3对超声波换能器结构示意图。

图5是4对超声波换能器结构示意图。

图6是本发明超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置的测量段13，连接在挤出注塑设备14上的示意图。

图7是测量系统硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至7所示。本发明公开了一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，所述取向装置包括信号处理中心（见图7）、用于发射与接收超声波信号的超声波换能器1；信号处理中心与超声波换能器1连接；所述超声波换能器1至少有两个，并安装在聚合物材料成型时、熔体流经通道2上。

所述熔体流经通道2（即测试段）为圆形截面。圆形截面减少流道不对称引起熔体流场不均匀而导致的各向异性。

至少两个超声波换能器1固定安装在垂直于熔体流经通道2的横截面上（包括安装在熔体流经通道2的同一截面上或者垂直安装在熔体流经通道2的多个不同的横截面上）。当超声波换能器1采用两个时，垂直于熔体流经通道2的横截面上成90°。

所述取向装置还包括有至少至少两个两个平面反射板3，该平面反射板3安装在熔体流经通道2的内壁、并与超声波换能器1相对。平面反射板3的数量可根据超声波换能器1的数量相应设置，如三个、四个、五个等。

安装平面反射板3的目的是避免熔体流经通道2的管道曲率发生反射信号偏向。

图3中，超声波换能器有2对。即在垂直于熔体流经通道2同一横截面上安装4个超声波换能器1，其中每两个设置在同一直线上，一个用于发射超声波信号，另一个用于接收超声波信号，且每相邻两条直线间角度为90°。

图4中，超声波换能器1有3对。即在垂直于熔体流经通道2同一横截面上安装6个超声波换能器1，其中每两对设置在同一条直线上，一个用于发射超声波信号，另一个用于接收超声波信号，且每相邻两条直线间角度为60°。图5中，超声波换能器1有4对，其中每两对设置在熔体流经通道2的同一条直线上，每对中的一个用于发射超声波信号，另一个用于接收超声波信号，且每相邻两条直线间角度为45°。

所述取向装置还包括至少两个熔体压力传感器5（如图2），该熔体压力传感器5分别安装在熔体流经通道2、测量横截面对称的流道上、下游，用于测量压力降，内推超声波换能器测量横截面内的熔体压力。

所述取向装置还包括一个熔体温度传感器4，该熔体温度传感器4安装在熔体流经通道的超声波测量横截面中，用于测量横截面中的熔体温度。

图6所示。本装置的测量段13安装在挤出机14（或注塑机）的物料出口处，利用在熔体流经通道横截面上安装超声波换能器，通过横截面上不同方向超声波信号来表征实时流过流道的聚合物及其混合物的取向状况。

采用上述装置在线测量聚合物熔体流动取向的方法，可通过如下步骤实现：

如图7所示。由计算机向超声波脉冲发生/接受器发送超声波发射时间、频率等指令，超声波脉冲发生/接受器按要求向超声波换能器发出脉冲信号，与此同时采集传感器接受的放射、散射等信号，该信号连同熔体压力传感器5、熔体温度传感器4检测到的信号进入信号处理中心，进行A/D数模转换和信号预处理，处理完的数据送回到计算机进行存储和分析。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，其特征在于：

所述取向装置包括信号处理中心用于发射与接收超声波信号的超声波换能器；信号处理中心超声波换能器连接；

所述超声波换能器至少有两个，并安装在聚合物材料成型时、熔体流经通道上。

2.根据权利要求1所述的超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，其特征在于：所述测量取向装置包括至少两个超声波换能器固定安装在垂直于熔体流经通道的横截面上。

3.根据权利要求2所述的超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，其特征在于：所述取向装置还包括有至少两个平面反射板，该平面反射板安装在熔体流经通道的内壁、并与超声波换能器相对。

4.根据权利要求1所述的超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，其特征在于：所述超声波换能器有四个，其中每两个设置在熔体流经通道的同一条直线上，每对中的一个用于发射超声波信号，另一个用于接收超声波信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波在线测量聚合物熔体流动取向的装置，其特征在于：所述取向装置还包括至少两个熔体压力传感器，该熔体压力传感器分别安装在熔体流经通道、测量横截面对称的流道上、下游。

6.一种采用权利要求1至5中任一项所述装置在线测量聚合物熔体流动取向的方法，其特征在于包括如下步骤：

由计算机向超声波脉冲发生/接受器发送超声波发射时间、频率指令，超声波脉冲发生/接受器按要求向超声波换能器发出脉冲信号，与此同时采集传感器接受的放射、散射信号，该信号连同熔体压力传感器、熔体温度传感器检测到的信号进入信号处理中心，进行A/D数模转换和信号预处理，处理完的数据送回到计算机进行存储和分析。