CN106596331A - 一种在线测量聚合物熔体密度的装置与方法 - Google Patents

一种在线测量聚合物熔体密度的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在线测量聚合物熔体密度的装置与方法；首先采用声阻抗已知并且密度已知的标定液，采用本装置测定导波杆与标定液界面的相对声反射系数γ，得到相对反射系数γ与声阻抗Z的标定曲线测量模型Z～γ；随后测量未知聚合物熔体与导波杆之间的相对声反射系数γ2，代入测量模型，即可得到流道内聚合物熔体的声阻抗Z2；接着根据超声波在流道里所需要的传播时间ΔT,求出超声波在聚合物熔体的传播声速C2；最后依据测量的聚合物熔体的Z2(Z2＝ρ2×C2)和C2求出待测熔体熔体密度ρ2。该方法可以简单、快捷、准确的在设备或生产线上直接测量聚合物熔体的密度ρ2，实现聚合物加工过程中熔体密度的在线测量。

Description

一种在线测量聚合物熔体密度的装置与方法
技术领域
本发明涉及聚合物材料加工过程中流变性能的测试领域，尤其涉及一种在线测量聚合物熔体密度的装置与方法。
背景技术
密度是材料重要的物性特征，对其进行快速精准有效的测量，对于模具设计，聚合物加工设备以及调控聚合物加工工艺，最终控制高分子材料制品性能，提高良品率具有重要指导意义，特别是在工业连续生产过程中能有效检测该物性特征。
现有聚合物熔体的密度检测方法主要是通过流变仪进行测试，但是这种表征方法耗时耗资费力，并且只能离线表征制品，脱离了制品的实际加工条件，对聚合物加工工艺的指导作用十分有限。如果把流变仪装在聚合物加工生产线上测试，由于流变仪的特殊复杂的结构，反应缓慢，无法快速有效测量，不能对应到加工过程中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种在线测量聚合物熔体密度的装置与方法。解决了传统测量方法只能离线测量(如流变仪)，导致测量数据繁琐、精度及效率低等技术问题。本发明由于可以根据在线检测的熔体密度来随时调控生产过程中的加工工艺，提高制品的良品率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种在线测量聚合物熔体密度的装置，包括一个测量模具，其具有一供聚合物熔体6流过的流道，在测量模具流道相对的两侧分别设有一个导波杆1和一个温度/压力传感器5；在导波杆1外置端安装有用于向流道内聚合物熔体6发出超声波信号的超声波探头2；导波杆1用于传递超声波信号。
所述导波杆1和温度/压力传感器5连成的直线与流道的轴线彼此垂直。
所述导波杆1为圆柱棒；导波杆1用于传递超声波信号。实际上导波杆为声学传播性能稳定的缓冲部分，任何形状都可以，不一定是圆柱棒。
一种在线测量聚合物熔体密度的方法，先通过测量模具建立一系列不同已知密度的标准液的声阻抗与超声波反射系数的对应函数关系后，反演算出在对应温度和压力条件下测量模具流道内聚合物熔体的声阻抗，根据直接测定聚合物熔体的超声波传播速度，即可得到该温度压力下聚合物熔体的密度。具体实现如下步骤：
步骤一：建立超声波声阻抗Z至超声波相对反射系数γ的对应函数测量模型步骤，具体是测量模具先通入标准液，标准液流经测量模具的流道，测量一系列(或者多组)不同已知密度的标准液ρa，ρb，ρc……,得到标准液系列的对应的超声波声速Ca，Cb，Cc……,得到该标准液系的声阻抗Za，Zb，Zc…；
步骤二：根据γ＝A1/A0，得到导波杆与标准液系界面的超声反射系数γa，γb，γc…,建立声阻抗Z～γ超声波反射系数的对应函数关系；其中A1为超声波第一接收信号幅值，A0为固定测试条件下超声波发射信号幅值；
步骤三：将测量模具串联在生产设备的聚合物熔体流道的通路上；通过超声波实时检测流道内聚合物熔体当前的超声波声阻抗Z；利用反射条件下的得到的超声波反射系数与标准液系声阻抗的实验数据，经数学建模的得到函数关系，反推导出聚合物熔体的声阻抗Z2，根据Z2＝ρ2×C2最终得到此时的聚合物熔体密度ρ2。
获得聚合物熔体密度ρ2具体是：
(1)、根据测量得到的导波杆/聚合物熔体界面的反射系数γ2，代入Z～γ对应的函数关系当中，实时求出此刻的Z2；
(2)、从模具外部向聚合物熔体发出超声波信号，获取安装导波杆1一侧流道的聚合物熔体界面返回的第一超声波信号对应的时刻T1；
获取安装温度/压力传感器5一侧流道的测聚合物熔体界面返回的第二超声波回波信号T2；
(3)、精准控制超声波探头2传播的距离L，根据C2＝2*L/(T1-T2),得到聚合物熔体传播声速C2。
一系列已知密度标准液的密度范围涵盖所测定的聚合物密度。
计算标准液的超声波反射系数或聚合物熔体的超声波声反射系数时候，需要对时域上的超声信号进行滤波去噪，傅里叶变换及傅里叶逆变换等数据处理方法进行信号分解与重构，得到稳定无噪的有效信号。
本发明通过建立超声波声阻抗与超声波相对声反射系数的函数测量模型后，在聚合物熔体流动的模具甚至工业连续生产设备上安装超声波测量装置系统，在持续稳定的加工条件下，即可根据在线检测的熔体密度来调控生产过程中的加工工艺，提高制品的良品率。解决了传统测量方法只能离线测量(如流变仪)，或者是测量设备存在的价格昂贵，计算繁琐，使用复杂等难题。
附图说明
图1是本发明在线测量聚合物熔体密度的装置示意图。
图2是图1圆中所示局部放大探测面示意图。
图3是不同密度的标准液声阻抗曲线图。
图4是与其离线测试(流变仪)的聚合物熔体密度进行对比曲线图。
具体实施方式
本发明首先采用声阻抗已知并且密度已知的标定液，采用本装置测定导波杆与标定液界面的相对声反射系数γ，得到相对反射系数γ与声阻抗Z的标定曲线测量模型Z～γ；随后测量未知聚合物熔体与导波杆之间的相对声反射系数γ2，代入测量模型，即可得到流道内聚合物熔体的声阻抗Z2；接着根据超声波在流道里所需要的传播时间ΔT,求出超声波在聚合物熔体的传播声速C2；最后依据测量的聚合物熔体的Z2(Z2＝ρ2×C2)和C2求出待测熔体熔体密度ρ2。该方法可以简单、快捷、准确的在设备或生产线上直接测量聚合物熔体的密度ρ2，实现聚合物加工过程中熔体密度的在线测量。
下面结合图1至4具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施案例一：
应用图1所示的实验装置测试建立一系列不同已知密度的标准液的声阻抗与超声波反射系数的对应函数测量模型，如图3可以看到不同密度的标准液声阻抗是不同的，通过建立这种对应函数测量模型，只要反演算出在一定温度和压力条件下模具流道内聚合物熔体的声阻抗，就可根据直接测定聚合物熔体的超声波传递速度，得到该温度压力下聚合物熔体的密度。例如图3，声波声阻抗与超声波反射系数对应函数可以近似为Z(γ)＝A*γ2+B*γ+C,其中A,B,C是根据最小二乘法原理拟合得到。
实施案例二：
应用图1所示的实验装置，对180℃条件下，低密度聚乙烯(LDPE)进行测试，对200℃条件下，聚苯乙烯(PS)进行测试，获得不同的压力下LDPE熔体以及PS熔体的密度，与其离线测试(流变仪)的聚合物熔体密度进行对比，如图4离散点是实验值，两者测得的结果比较接近，可见所建立的方法适用于聚合物加工过程中熔体检测。
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 (10)

1.一种在线测量聚合物熔体密度的装置，其特征在于：包括一个测量模具，其具有一供聚合物熔体(6)流过的流道，在测量模具流道相对的两侧分别设有一个导波杆(1)和一个温度/压力传感器(5)；在导波杆(1)外置端安装有用于向流道内聚合物熔体(6)发出超声波信号的超声波探头(2)。
2.根据权利要求1所述在线测量聚合物熔体密度的装置，其特征在于：所述导波杆(1)和温度/压力传感器(5)连成的直线与流道的轴线彼此垂直。
3.根据权利要求1所述在线测量聚合物熔体密度的装置，其特征在于：所述导波杆(1)为圆柱棒；导波杆(1)用于传递超声波信号。
4.根据权利要求1所述在线测量聚合物熔体密度的装置，其特征在于：所述导波杆(1)与测量模具的连接端的端面与测量模具流道的内壁面齐平。
5.根据权利要求4所述在线测量聚合物熔体密度的装置，其特征在于：所示温度/压力传感器(5)与测量模具的连接端的端面与测量模具流道的内壁面齐平；当测量模具流道内有聚合物熔体(6)流动时，导波杆(1)和温度/压力传感器(5)连成的直线与该聚合物熔体(6)流动方向相垂直。
6.一种在线测量聚合物熔体密度的方法，其特征在于采用权利要求1或2中任一项所述在线测量聚合物熔体密度的装置实现：先通过测量模具建立一系列不同已知密度的标准液的声阻抗与超声波反射系数的对应函数关系后，反演算出在对应温度和压力条件下测量模具流道内聚合物熔体的声阻抗，根据直接测定聚合物熔体的超声波传播速度，即可得到该温度压力下聚合物熔体的密度。
7.根据权利要求6所述在线测量聚合物熔体密度的方法，其特征在于具体实现如下步骤：
步骤一：建立超声波声阻抗Z至超声波相对反射系数γ的对应函数测量模型步骤，具体是测量模具先通入标准液，标准液流经测量模具的流道，测量一系列不同已知密度的标准液ρa，ρb，ρc……,得到标准液系列的对应的超声波声速Ca，Cb，Cc……,得到该标准液系的声阻抗Za，Zb，Zc…；
步骤二：根据γ＝A1/A0,得到导波杆与标准液系界面的超声反射系数γa，γb，γc…,建立声阻抗Z～γ超声波反射系数的对应函数关系；其中A1为超声波第一接收信号幅值，A0为固定测试条件下超声波发射信号幅值；
步骤三：将测量模具串联在生产设备的聚合物熔体流道的通路上；通过超声波实时检测流道内聚合物熔体当前的超声波声阻抗Z；利用反射条件下的得到的超声波反射系数与标准液系声阻抗的实验数据，经数学建模的得到函数关系，反推导出聚合物熔体的声阻抗Z2，根据Z2＝ρ2×C2最终得到此时的聚合物熔体密度ρ2。
8.根据权利要求7所述在线测量聚合物熔体密度的方法，其特征在于：步骤三中获得聚合物熔体密度ρ2具体是：
(1)、根据测量得到的导波杆/聚合物熔体界面的反射系数γ2，代入Z～γ对应的函数关系当中，实时求出此刻的Z2；
(2)、从模具外部向聚合物熔体发出超声波信号，获取安装导波杆(1)一侧流道的聚合物熔体界面返回的第一超声波信号对应的时刻T1；
获取安装温度/压力传感器(5)一侧流道的测聚合物熔体界面返回的第二超声波回波信号T2；
(3)、控制超声波探头(2)传播的距离L，根据C2＝2*L/(T1-T2),得到聚合物熔体传播声速C2。
9.根据权利要求7所述在线测量聚合物熔体密度的方法，其特征在于：步骤一中提及的一系列已知密度标准液的密度范围涵盖所测定的聚合物密度。
10.根据权利要求7所述在线测量聚合物熔体密度的方法，其特征在于：步骤一至步骤三中，计算标准液的超声波反射系数或聚合物熔体的超声波声反射系数时候，需要对时域上的超声信号进行滤波去噪，傅里叶变换及傅里叶逆变换等数据处理方法进行信号分解与重构，得到稳定无噪的有效信号。
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