CN107389726B - 用于测试塑料材料，尤其是热塑性聚合物的耐热性的机器 - Google Patents
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Abstract
一种用于测试塑料材料的耐热性的机器，该机器包括：储箱(2)，该储箱被配置成在使用中用例如热传递流体进行填充；加热线圈(11)，该加热线圈用于加热该热传递流体；温度传感器(13)，该温度传感器产生该热传递流体的温度信号(T)；以及控制单元(4)，该控制单元基于该温度信号来计算该热传递流体的降级指数(N)。尤其地，通过确定(54)与该温度信号(T)相关联的温度范围、更新(58)对应的部分加热时间、并且计算(62)先前保存在存储器中并且与不同温度范围相关的部分加热时间的加权总和，从而计算该降级指数。在达到一个或多个阈值时，产生指示需要更换该热传递流体的信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测试塑料材料、特别是热塑性聚合物的耐热性的机器。
背景技术
众所周知，对于例如在汽车工业中的应用，需要待销售的塑料材料附带有证书，以便通过提供它们在预定测试条件下的弯曲值和变形值来证明它们的特性，特别是它们在荷载下的耐温性。相应地，存在许多国际标准，这些标准规定了以下这些测试条件：例如，分别用于HDT测试(热挠曲温度)和维卡测试(Vicat test)的ISO 75(第1部分和第2部分)、ISO306、ASTM D648以及ASTM D1525标准。
确切地讲，在HDT测试中，测量在3个点处受到弯曲荷载的样品上引发的应力。为此，该样品经受例如通过条状头部(bar-shaped head)施加的预定值的荷载；接着逐渐地并且以受控的方式(每分钟2℃)将其加热，直至达到预定挠曲(ASTM测试为0.25mm，或者ISO测试为0.32mm和0.36mm之间的值)。达到这种挠曲时所处的温度值代表HDT值。
在维卡测试或软化测试中，测量经受预定荷载的、具有1mm2横截面的圆形压头(indenter)刺入该样品1mm时的温度。
为了进行这样的测试，如这些标准所述的，首先将样品固定至支撑件上并且浸入能够在所指定的受控条件下传递热量的液体中。
因此，一段时间以来，市场上已经可获得具有填充有热传递液体(典型的为硅酮油)的储箱的测试机器，该热传递液体通过线圈和风扇被加热和冷却以便提供该测试所需的加热斜线。在这样的机器中，固定至支撑件的样品被浸在装有油的储箱中并且经受荷载(在HDT测试中)或压头(在维卡测试中)的作用。在固定至荷载或携带压头的杆移动时，该样品的变形被测量，一旦该杆移动了标准中规定的值，则获取该热传递油的当前温度值，这个值取决于测试的类型表示HDT值或软化值。在该测试结束时，将油冷却，以便可以对不同的样品进行另一次测试。
因此，在所考虑的类型的测试机器中，热传递油经历多次加热(高达290℃)和冷却循环，这导致热传递油的特性、特别是其粘度随着时间降低。因此，在一定时间之后，热传递油劣化并需要更换，以确保对样品的恰当加热并且因此确保这些测试的恰当实施。
然而，对于目前的测试机器而言，不能精确地确定该热传递油劣化的时间。事实上，存在表格来提供热传递油的、根据某些温度值的劣化时间。但是，这些表格没有考虑测试过程中温度的可变性、并且没有提供在不同的温度下的降级值(degradation value)。因此，考虑到上文所描述的加热和冷却循环，这些表格不能直接用于所考虑的测试机器中。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决已知机器的缺点。
根据本发明，提供了一种如所附权利要求书中限定的用于测试塑料材料的耐热性的测试机器和方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现参考附图来描述优选实施例，优选实施例仅作为非限制性的示例，在附图中：
-图1是根据本发明的一个实施例的用于塑料材料的测试机器的框图；
-图2是图1的测试机器的一部分的框图；
-图3示出了用于确定硅酮油的极限值随着工作温度变化的图表；
-图4示出了与不同工作温度范围相关联的极限值的表格；并且
-图5是用于监测图1的机器中的热传递流体的降级的方法的流程图。
具体实施方式
图1大体示出了被设计成对塑料材料执行HDT测试和维卡测试的测试机器1的结构。
该测试机器1包括储箱2、多个(N个)台3、以及控制单元4。
储箱2在使用时填充有热传递流体、典型地为油，例如，硅酮油。
在储箱2内提供了油移动系统10、油加热系统11、油冷却系统12以及温度传感器13。
油移动系统10的目的是确保在该储箱的所有点处、至少在样品支撑件(见下文)的区域中温度大致均匀。一般来讲，还能够具有不完全均匀的温度变化，例如，各个台3具有三角形的温度变化；在这种情况下，如果需要的话，可以通过算法来抵消任何差异。该油移动系统10典型地由马达(未示出)形成，该马达操作被安排在该储箱2的底部处的多个叶片(未示出)，并且这些叶片在使用中吸入该热传递油并且将其推向再循环系统(仅示意性地示出并表示为15)。该油移动系统10由移动驱动装置16操作，该移动驱动装置16经由油控制信号M被控制单元4控制。
该油加热系统11包括例如连接至加热驱动装置20的多个电阻线圈元件(未示出)，该加热驱动装置20通过加热控制信号R被控制单元4控制。
该油冷却系统12包括例如盘管(coil conduit)(未示出)，该盘管被安排在该储箱的壁上并且连接到冷却回路21(仅示意性地示出)。该冷却回路21具有例如流经其中的冷却水，并且通过电动阀22被打开或关闭，该电动阀22由冷却驱动装置23控制，该冷却驱动装置23通过冷却控制信号RF被控制单元4控制。
温度传感器13由例如铠装热敏电阻组成，并且其向控制单元4提供温度信号T。
每个台3包括：被设计成固持相应样品的支撑件25；按压元件26；固定至该按压元件26的杆27；施加到该杆27的重物28；以及重物移动组件29。详细地说，当具体的台3被设计成执行维卡测试时，按压元件26典型地是压头、或圆形压头；或者，在具体的台3被设计成执行HTD测试时，按压元件26是具有一定形状的条，例如本身已知的。在测试之前，通过重物移动组件29将重物28施加到杆27，该重物移动组件29拾取重物以及从板(未示出)拾取可能的其他附加质量。如图所示，该重物移动组件29可以是用于每个台3的被手动控制的简单杠杆。替代地，在控制单元4的控制下，该重物移动组件29可以由用于所有台3的单个马达来控制。
每个台3还包括其自己的位置检测装置30，该位置检测装置与相应的杆27相关联并且被设计成测量其位移。该位置检测装置30可以按任何适当的物理原理来工作；例如，它可以是感应式位置传感器，尤其是可变线性差动变换器，具有与杆27一体的内芯，以便生成被提供给控制单元4的位置信号S1、S2、…SN。
在使用中，这些台3可从升高位置移动至降低位置，在该升高位置中，相应的支撑件10位于储箱3的外部并且能够固定样品，在该降低位置中，这些支撑件10(和相应的样品)被完全浸在存在于储箱2中的热传递油中。
在所展示的示例实施例中，为了使这些台3移动，提供了N个台移动组件32，每个台3一个台移动组件32。在这种情况下，每个台移动组件32包括升降机构，该升降机构受到手动控制或经由N个马达经由台移动信号C1、C2、…CN被如图1所示的控制单元4控制。通过这个解决方案，如果希望并且提供的话，可以独立地并且在不同时刻控制每个台3的升高或降低。替代地，可以存在由控制单元4控制的、同时使所有台3升高或降低的单个马达。
输入/输出(I/O)单元33连接至该控制单元4，以便与技术人员交互，尤其用于获取控制信号、显示信息(例如，测试状态)和生成警报信号，如下面关于本说明进一步详细描述的。输入/输出单元33可以包括屏幕、按键盘、打印机、具有显示区域和按钮的面板、音频警报、数据交换线路等。
通常将抽吸罩34安排在测试机器1上方以吸出有害烟雾。
控制单元4基于用户所提供的设置和命令来命令和控制由测试机器1执行的所有自动操作，并且该控制单元基本上包括商用类型的微控制器，该微控制器在本说明的方面具有如图2的框图所示的结构。
详细地说，该控制单元4包括：处理器35，该处理器35连接至接收温度信号T的模拟/数字(A/D)转换器36；程序存储器37，例如，闪存类型的；工作存储器38，例如，RAM；以及非易失性存储器39，例如，EEPROM。
具体而言，该控制单元4通过使用下面描述的算法且基于先前的加热时间和当前温度来估计存在于该箱2中的热传递油的降级状态，从而周期地验证该降级状态。基于所估计的值并且通过I/O单元33，该控制单元4向用户生成对应的信号。具体而言，当热传递油的降级状况提升时，控制单元4向用户发出信号以便使用户预知在不久的将来需要更换它，并且当热传递油已经降级到需要(在测试结束时)立即更换的程度时，控制单元4也向用户发出信号。显然，该控制单元4可以在每一时刻显示所估计的降级情况并且产生不同的信号水平，从而可选地在超过预定水平时防止执行进一步的测试(但是允许完成当前测试)和/或产生声学类警报。
为此目的，控制单元4通过降级验证方法来工作，该方法对热传递油在不同温度区域中花费的时间进行计数，存储这些时间，并且考虑到热传递油的、由来自制造商的实验数据提供的特性而计算作为各个计数的归一化总和的降级程度。
具体而言，对于可以在用于所考虑类型的塑料材料的测试系统中使用的硅酮油，定义了两个实验值(以下表示为t1和t2)，这两个值称为“凝胶时间(gel time)”，其表示达到状态转变所需的时间，该状态转变是由于在所述两个预定温度工作时硅酮油被完全氧化。例如，对于道康宁公司(Dow Corning Corporation)生产的硅酮油Xiameter PMX-0210，两个实验凝胶时间的值如下：在硅酮油的工作温度为199℃的情况下，t1＝19,000小时；以及在硅酮油的工作温度为288℃左右的情况下，t2＝5000小时。
然而，这两个实验值没有描述热传递油在测试机器1中使用的整个工作温度范围内的降级状态，该整个温度范围可以在环境温度与300℃之间变化。
为了对降级进行更正确的评估，本方法假设热传递油的降级行为(时间)在由制造商指示的这两个实验值t1、t2(以下也称为实验极限时间)之间具有线性变化，并且将这些实验值之间的温度区间划分成若干区间。例如，根据本方法的一个实施例，如图3的图表所示，将由上文所指示的凝胶时间所定义的区间分为三个部分，其中内插了与所选区间的极限(在所示的实例中为259℃和230℃)相对应的凝胶时间中间值(也称为内插极限值)，从而获得分别为9600h和14,200h的值。
因此，从实验的凝胶时间值和内插的凝胶时间值出发，本方法定义了两个另外的温度范围(低于40℃的工作温度，低于该温度时降级被认为是微不足道的；以及在40℃与199℃之间的工作温度)，并且根据如图4所示的表格1，将相应的降级极限值N1、N2、N3、N4与每个范围相关联。此外，本方法将计数器与每个降级范围相关联，这些范围被表示为I1、I2、I3、I4，并且也在表1中示出。
在使用中，控制单元4周期性地获取温度T的瞬时值、将该测量值所在的温度范围的计数器增量、并且根据以下方程更新限定为这些计数器计数的值的总和的油降级指数N，其中每一个由计数器计数的值都关于其自己的极限值被归一化：
N＝n1/N1+n2/N2+n3/N3+n4/N4 (1)。
一般来说，对于k个温度范围，降级指数N由下式给出：
这个指数作为百分比计算并且应始终小于1。当达到例如80％的警告值时，产生第一警报消息；当达到100％时，产生要求请求协助更换已降级的热传递油或要求更换热传递油的消息。
具体参考图2，如图5的流程图所示，控制单元4实施用于确定热传递油的降级状态的方法。
详细地说，在步骤50，在启动测试机器1时，处理器35从非易失性存储器39的相应位置40读取关于先前测试的计数值n1、n2、n3、n4，并将它们加载到工作存储器38中的许多其他位置41中，从而构成动态计数器。然后在步骤52，处理器35每分钟获取当前温度值T，该当前温度值T在模拟/数字(A/D)转换器36中被数字化；在步骤54，确定刚刚获得的值所属的温度范围I1-I5；在步骤56，读取由工作存储器38中的相应的第i个计数器41存储的对应降级值ni；在步骤58，将由计数器41读取的值加上自前一次检测以来流逝的时间Δt(在当前情况下为1分钟)并将总和的结果写入同一计数器41中，从而更新降级值ni；在步骤60，读取全部降级值n1-n4，并且在步骤62，根据上述公式(1)来计算油降级指数N。
然后，在步骤68，处理器35验证刚刚计算的指数N是否在80％与99.9％以内。在这种情况下(步骤68的结果为“是”)，在步骤70，处理器35控制发送通知，例如，显示消息“油接近其失效期”。如果不是(步骤68的结果为“否”)，则在步骤72，处理器35验证刚刚计算出的指数N是否大于99.9％。在这种情况下(步骤72的结果为“是”)，在步骤74，处理器35控制发送第二通知，例如，显示消息：“油的使用期限已满”。如果不是(步骤72的结果为“否”)，并且因此在步骤70和74之后，在步骤76，处理器35验证从上一次将油降级指数N保存在非易失性存储器39中起是否已经过去了特定时间(例如，15分钟)，并且如果是(步骤76的结果为“是”)，则在步骤78更新它。
接着在步骤80，处理器35验证测试阶段是否完成，并且如果是(步骤80的结果为“是”)，则在步骤82处该处理器将所有计数器n1、n2、n3、n4的值存储在非易失性存储器39中并且结束该过程。如果不是(步骤80的结果为“否”)，则在等待时间之后，处理器35返回到步骤52，以便从A/D转换器36获取新的瞬时温度值T。
在此所描述的机器和方法具有许多优点。
具体而言，允许稳定监测热传递油的降级状态并生成适当的消息。以此方式，技术人员可以规划保养和油更换动作，从而能够更高效地管理该机器并且没有使工作中止的风险。此外，确保了所执行的测试确实是正确的并且确保在考虑到评估错误或疏忽的情况下测试不会受到热传递流体降级的影响。
该监测是自动地且以可靠的方式完成的，不需要增加成本，并且因此不增加该测试机器的生产和管理成本。
最后，清楚的是，在不背离如所附权利要求书限定的本发明的保护范围的情况下，可以对在此所描述和展示的机器和方法进行修改和变型。例如，虽然以上说明是关于硅酮油加热来给出的，但是相同的解决方案可应用于任何其他适合于进行热传递的流体。
此外，所描述的算法可以以各种方式受到修改，例如通过将针对不同类型的热传递流体的不同极限降级值N1、N2、N3、N4存储在非易失性存储器39所保存的适当表格中并且基于设置来读取这些值。另外，可以提供额外的信号发送阈值。
计数次数的归一化值的总和的计算可以被认为是这些值的加权总和的一种具体情况；作为替代，尤其每个计数次数可以乘以与相应温度范围相关联的对应权重。
Claims (26)
1.一种用于测试塑料材料的耐热性的机器，包括：
储箱(2)，所述储箱被配置成在使用中用热传递流体填充，
用于加热所述热传递流体的装置(11)，
温度传感器(13)，所述温度传感器被配置成在使用中产生所述热传递流体的具有值的温度信号T，以及
控制单元(4)，所述控制单元用于监测在多个温度范围中所述热传递流体的降级，所述控制单元被配置成接收所述温度信号T，对多个部分加热时间进行计数，每个部分加热时间与所述热传递流体在所述多个温度范围中的相应的温度范围内的加热时间相关，所述控制单元(4)包括多个存储器元件(41)，每个存储器元件被配置成存储相应的部分加热时间，并且所述控制单元(4)被配置成基于所述多个部分加热时间的加权总和来计算与所述热传递流体的使用期限相关的降级指数N。
2.根据权利要求1所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中所述控制单元(4)是微控制器，并且所述控制单元包括：处理器(35)以及包括所述多个存储器元件(41)的易失性存储器单元(38)，所述处理器(35)被配置成：接收所述温度信号T的值；读取在存储器元件中存储的、与对应于所述温度信号的值的温度范围相关联的部分加热时间；更新所存储的部分加热时间；读取所有存储器元件的部分加热时间。
3.根据权利要求1所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中根据以下方程来计算所述降级指数：
其中k是温度范围的数量，ni是对应的部分加热时间，并且Ni是与每个温度范围相关联的最大降级值。
4.根据权利要求1所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中所述控制单元(4)被配置成当所述热传递流体的降级指数达到预设阈值时产生警告。
5.根据权利要求2所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中所述控制单元(4)包括被配置成周期性地存储部分加热时间的非易失性存储器(39)。
6.一种用于确定在用于测试塑料材料的耐热特性的机器(1)中的在多个温度范围中的热传递流体的降级的方法，所述测试塑料材料的耐热特性的机器具有用于加热所述热传递流体的装置，所述方法包括：
获取所述热传递流体的具有值的温度信号T，
从所述多个温度范围中确定与所述温度信号T的值相关联的温度范围，
更新与所选温度范围相关的部分加热时间，
获取所述多个温度范围中的每个温度范围的部分加热时间，并且
基于所述部分加热时间的加权总和来计算与所述热传递流体的使用期限相关的降级指数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中计算降级指数的阶段使用以下等式：
其中k是温度范围的数量，ni是在每个温度范围内的部分加热时间，并且Ni是与每个温度范围相关联的最大降级值。
8.根据权利要求6所述的方法，包括通过易失性存储器单元写入来存储更新后的部分加热时间，其中获取每个温度范围的部分加热时间包括读取易失性存储器单元(38)的多个存储器元件(41)，每个存储器元件与所述多个温度范围中的相应的温度范围相关联。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括当所述热传递流体的降级指数达到预设阈值时产生警告。
10.根据权利要求6所述的方法，其中以监测时间间隔Δt来周期性地执行获取温度信号以及计算降级指数，并且更新部分加热时间包括获取先前存储的部分加热时间并且加上所述监测时间间隔。
11.根据权利要求6所述的方法，进一步包括将部分加热时间周期性地保存在非易失性存储器(39)中。
12.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
获取与所述热传递流体的两个实验加热温度相关联的实验凝胶时间值；
将所述实验凝胶时间值用作与包括两个实验加热温度的相应的温度范围相关联的最大降级值；并且
计算作为所述实验凝胶时间值的线性内插值的另外的最大降级值。
13.一种加载有程序产品的处理器，其中所述程序产品被配置成在被加载到所述处理器上时实施根据权利要求6所述的方法。
14.一种用于测试塑料材料的耐热性的机器，包括：
储箱(2)，所述储箱被配置成在使用中用热传递流体填充，
用于加热所述热传递流体的装置(11)，
温度传感器(13)，所述温度传感器被配置成在使用中产生所述热传递流体的具有值的温度信号T，以及
控制单元(4)，其特征在于所述控制单元配置为监测所述热传递流体的降级，所述控制单元被配置成接收所述温度信号T并且基于所述温度信号来计算所述热传递流体的降级指数N，其中所述控制单元(4)被配置成对多个部分加热时间进行计数，每个部分加热时间对应于所述热传递流体处于多个温度范围中的相应的温度范围内的时间，所述控制单元(4)包括多个存储器元件(41)，每个温度范围具有自身最大降级值，每个存储器元件被配置成存储相应的部分加热时间，所述控制单元被配置成计算作为所述多个部分加热时间的加权总和的降级指数，将每个部分加热时间归一化到所述相应的温度范围的最大降级值。
15.根据权利要求14所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中所述控制单元(4)是微控制器，并且包括：处理器(35)以及包括所述多个存储器元件(41)的易失性存储器单元(38)，所述处理器(35)被配置成：接收所述温度信号T的值；读取在存储器元件中存储的、与对应于所述温度信号的值的温度范围相关联的部分加热时间；更新所存储的部分加热时间；并且读取所有存储器元件的部分加热时间。
16.根据权利要求14或15所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中根据以下方程来计算所述降级指数：
其中k是温度范围的数量，ni是对应的部分加热时间，并且Ni是与每个温度范围相关联的所述最大降级值。
17.根据权利要求14所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中所述控制单元(4)被配置成当所述热传递流体的降级指数达到预设阈值时产生警告。
18.根据权利要求15所述的测试塑料材料的耐热性的机器，其中所述控制单元(4)包括被配置成周期性地存储部分加热时间的非易失性存储器(39)。
19.一种用于确定在用于测试塑料材料的耐热性的机器(1)中的热传递流体的降级的方法，所述机器具有用于加热所述热传递流体的装置，所述方法包括：
获取所述热传递流体的具有值的温度信号T，并且
基于所述温度信号来计算所述热传递流体的降级指数，其中计算降级指数包括：
从多个温度范围中确定与所述温度信号T的值相关联的温度范围，每个温度范围具有自身最大降级值，
更新部分加热时间，所述部分加热时间对应于所述热传递流体处于所确定的温度范围内的时间；
获取多个温度范围中的每个温度范围的所述部分加热时间，并且
计算所获取的部分加热时间的加权总和，将每个部分加热时间归一化到相应的温度范围的最大降级值。
20.根据权利要求19所述的方法，其中计算降级指数使用以下等式：
其中k是温度范围的数量，ni是在每个温度范围内的部分加热时间，并且Ni是与每个温度范围相关联的所述最大降级值。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，包括通过易失性存储器单元写入来存储更新后的部分加热时间，其中获取每个温度范围的部分加热时间包括读取易失性存储器单元(38)的多个存储器元件(41)，每个存储器元件与所述多个温度范围中的相应的温度范围相关联。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括当所述热传递流体的降级指数达到预设阈值时产生警告。
23.根据权利要求19所述的方法，其中以监测时间间隔Δt来周期性地执行获取温度信号以及计算降级指数，并且更新部分加热时间包括获取先前存储的部分加热时间并且加上所述监测时间间隔。
24.根据权利要求19所述的方法，进一步包括将部分加热时间周期性地保存在非易失性存储器(39)中。
25.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
获取与所述热传递流体的两个实验加热温度相关联的实验凝胶时间值；
将实验凝胶时间值用作与包括所述两个实验加热温度的相应的温度范围相关联的最大降级值；并且
计算作为实验凝胶时间值的线性内插值的另外的最大降级值。
26.一种加载有程序产品的处理器，其中所述程序产品被配置成在被加载到所述处理器上时实施根据权利要求19至25中任一项所述的方法。
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