CN110000947A - 一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置及方法，包括计算机、超声检测仪、空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置，所述计算机与超声波检测仪连接，所述超声波检测仪分别与空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置连接，所述空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置设置在偏心转子挤出机的定子上；本发明该空气耦合式式超声发射和接收装置适用于偏心转子挤出机独有结构，内含冷却水道确保超声换能器在合适的工作温度，磁吸式结构和空气耦合式超声能够检测偏心转子挤出机任意段的混合状态，且不会破坏偏心转子挤出机的定子。

Description

一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置及方法
技术领域
本发明涉及在线检测领域，具体涉及一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置及方法。
背景技术
聚合物共混是将两种或者是两种以上的聚合物按适当的比例，通过共同混合，以得到单一聚合物无法达到的性能的方法。聚合物的共混加工方法一般是通过传统单(双)螺杆挤出机进行混合。与传统挤出机螺杆相比，基于体积拉伸形变的塑化输运方法的偏心转子挤出机通过其特殊的空间拓扑关系能够有效避免传统单(双)螺杆剪切流场的弊端，使聚合物混合更加充分。因此对偏心转子挤出机各段共混状态的在线检测，对于研究其共混机理，提高生产质量和效益具有重要作用。
目前，对挤出机中聚合物共混状态的检测方法一般是在挤出机部分筒体打孔，安装玻璃视窗后用光学显微镜，或者安装取料装置后将取出的熔体做离线测试分析，这些方法只能反应聚合物在这打孔位置的局部共混状态，不能满足全过程检测的需要。特别是对于偏心转子挤出机，定子型腔的曲面与偏心转子是相互啮合，曲面极其复杂，某些段螺距较小，无法打孔，而且过多的打孔会对定子(料筒)型腔造成破坏，影响定子密封性。
超声波具有灵敏度高、穿透能力强、指向性好、成本低等优点。超声在线检测是利用超声波穿透聚合物熔体后其回波信号特征会随着熔体状态而变化原理从而对聚合物不同的混合状态进行在线检测的技术。传统的超声在线监测共混状态方法是通过在加工设备上直接打孔，让监测探头直接或者间接与熔体接触，这种方式虽能减少超声的信号衰减和环境噪声影响，但不能适用于定子型腔曲线复杂的偏心转子挤出机。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置及方法。
本发明利用磁吸式及非接触空气耦合式超声在线检测偏心转子挤出机混炼状态装置，解决传统测量装置无法适用于偏心转子挤出机的问题；利用机器学习进行数据处理，建立一种便捷、高效的方法检测聚合物在偏心转子挤出机各段共混状态的预测模型，解决偏心转子挤出机加工效果的评估装置少，检测精度低等问题。
本发明采用如下技术方案：
一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置，包括计算机、超声检测仪、空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置，所述计算机与超声波检测仪连接，所述超声波检测仪分别与空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置连接，所述空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置设置在偏心转子挤出机的定子上；
所述空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置均包括耐高温磁铁、保持架、球形关节及冷却装置，所述耐高温磁铁设置保持架的两端用于与偏心转子挤出机的定子固定，所述球形关节设置在保持架的中间位置，空气耦合式超声发射装置还包括超声换能器发射探头，设置在球形关节上，空气耦合式超声接收装置还包括超声换能器接收探头，设置在球形关节上。
所述冷却装置包括用于超声换能器发射探头或超声波换能器接收探头降温的冷却水道及密封焊件，通过密封焊件形成冷却水道回路。
所述定子内部有偏心转子。
所述保持架为弧形。
一种在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置的方法，包括如下步骤：
S1空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置安装在出料端；
S2制备相同组分及相同配比的多个聚合物共混物样本，并在相同温度、不同定子转速条件下采集所有样本的超声回波图，得出第一次聚合物熔体/定子界面反射回波信号图；
S3在偏心转子挤出机的定子的靠近出料端处收集不同转速下挤出的聚合物熔体样本做扫描电子显微镜得到电镜照片，进一步得到分散相的分散系数；
S4将第一次聚合物熔体/定子界面反射回波信号图进行傅里叶变换后取对数幅度谱的低频段作为特征向量，建立特征向量与分散系数的支持向量机回归模型；
S5在已知某转速下测出已知配比的待测样本，利用空气耦合式超声接收/发射装置得到第一次熔体回波信号，根据回波信号得到特征向量，然后代入S4的模型，得到分散系数。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用耐高温磁铁磁吸在挤出机的定子上，可以检测挤出机任意段的混合状态，不会破坏定子结构；
(2)本发明超声换能器发射及接收装置，均设置有回流式冷却水道能够消除高温对超声探头的影响；
(3)本发明超声换能器发射及接收装置，均设置有球形关节可以使超声发射和接收探头的角度适用于偏心转子复杂曲面；
(4)本发明检测方法是通过调整偏心转子挤出机转子转速来制备建模所需的训练样本，不需要额外制备繁多的实验样本；本发明通过机器学习的方法来建立材料分散系数的预测模型，通过自定义超声特征向量使得模型准确度大幅提高，同时还具有很好的泛化效果；本发明涉及的装备及方法具有通用性，不仅仅只局限于某种特定材料。
附图说明
图1是本发明的结构示意图：
图2是本发明空气耦合式超声发射装置的结构示意图：
图3是本发明空气耦合式超声接收装置的结构示意图：
图4是本发明超声信号传播示意图；
图5是本发明实施例扫描电子显微镜图；
图6是本发明的工作流程图；
图7是本发明的接收到第一次熔体回波信号图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1及图2所示，一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置，包括计算机、超声波检测仪11、空气耦合式超声发射装置Ⅰ及空气耦合式超声接收装置Ⅱ，偏心转子9，定子10，所述计算机与超声波检测仪11连接，所述超声波检测仪11分别与空气耦合式超声发射装置Ⅰ及空气耦合式超声接收装置Ⅱ连接，三者构成超声信号的处理系统，所述空气耦合式超声发射装置Ⅰ及空气耦合式超声接收装置Ⅱ设置在偏心转子挤出机的定子10上；
所述空气耦合式超声发射装置如图2所示，由两块耐高温磁铁1、保持架2、球形关节3、超声换能器发射探头4及冷却装置5构成。两块耐高温磁铁分别安装在保持架2的两端，本实施例中保持架2为弧形，通过耐高温磁铁1可以将超声发射装置固定在定子的任意位置。本实施例中球形关节3位于保持架2的中央位置，超声换能器发射探头4固定在球形关节5上，球形关节5可以调节超声换能器发射探头4的入射角度保证超声波入射信号入射。通过调整超声发射装置Ⅰ位置和发射探头4的入射角度，保证超声信号入射方向与型腔表面垂直，使得入射的超声信号强度最大；加入球形关节5适用于具有复杂型腔的偏心转子挤出机。
如图3、如图4所示，所述空气耦合式超声发射装置Ⅰ的结构与空气耦合式超声接收装置Ⅱ基本相同，将超声换能器发射探头4改为超声换能器接收探头8，其余结构设置与空气耦合式超声接收装置相同，超声换能器接收探头4设置在球形关节上，球形关节可以任意调节超声换能接收探头8的接收角度。通过调整超声接收装置Ⅱ的位置和接收探头8的接收角度保证接收的熔体第一次超声回波信号的强度最大。
本实施例中在建立模型时空气耦合式超声接收装置和发射装置安装在靠近出料口端。
本实施例中偏心转子挤出机定子内部设有偏心转子9。
冷却装置可以使得超声发射接收探头能适用于高温环境，所述冷却装置5包括用于降温的冷却水道6及密封焊件7，冷却装置5通过密封焊件7形成回流是的冷却水道6。
先测量得出在相同温度、不同转速下一系列已知配比的标准样本的第一次熔体回波信号，再将挤出后的对应样本得到扫面电子显微镜图片，经图像处理后计算得出分散系数，然后利用频域分析及支持向量机(SVR)模型建立分散指数与第一次熔体回波信号之间的预测模型，最后可利用这一模型去预测某已知配比的待测样本在偏心转子挤出机不同段的共混状态。
如图5、如图6及如图7所示，本发明的工作过程：
将所述设备按照如图1所示的方式摆放，在偏心转子挤出机定子出料端上，调节超声换能器发射探头4和超声换能器接收探头8，是超声信号发射和接收的信号强度最大。
制备10组配比为40/60的PP/PS共混物。在相同温度不同转速(定子转速为10/30/50/70/90/140/180/220/260/300rpm)下得到相应的共混完成后的样本，利用液氮对样本进行脆断后使用二苯甲刻蚀PP/PS共混相中的PS分散相，再做相应处理后拍的扫面电子显微镜照片如图6所示；
经图像处理后统计图像中孔的各个直径范围内的孔的数量分布情况如图所示，得出分散系数；
利用上述空气耦合式超声测出靠近出料口处PP/PS的第一次熔体回波信号，将熔体回波信号进行傅里叶变换后取对数幅度谱的低频段作为超声特征向量M0，再结合得出的与之对应的分散系数，建立支持向量机回归(SVR)预测模型；
在已知某转速(规定范围内的任意转速，如105rpm)下测出40/60配比的待测PP/PS样本在偏心转子挤出机任意段的第一次熔体回波信号，在经过上一步骤的信号处理后得出相应的超声特征向量M，代入到已经建立的预测模型中便可以得出待测样本一定转速下任意段的分散系数。
本发明空气耦合式超声发射和接收装置适用于偏心转子挤出机独有结构，内含冷却水道确保超声换能器在合适的工作温度，磁吸式结构和空气耦合式超声能够检测偏心转子挤出机任意段任意位置的混合状态，且不会破坏偏心转子挤出机的定子。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的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 (5)

1.一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置，其特征在于，包括计算机、超声检测仪、空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置，所述计算机与超声波检测仪连接，所述超声波检测仪分别与空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置连接，所述空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置设置在偏心转子挤出机的定子上；
所述空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置均包括耐高温磁铁、保持架、球形关节及冷却装置，所述耐高温磁铁设置保持架的两端用于与偏心转子挤出机的定子固定，所述球形关节设置在保持架的中间位置，空气耦合式超声发射装置还包括超声换能器发射探头，设置在球形关节，空气耦合式超声接收装置还包括超声换能器接收探头，设置在球形关节上。
2.根据权利要求1所述的一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置，其特征在于，所述冷却装置包括用于超声换能器发射探头或超声波换能器接收探头降温的冷却水道及密封焊件，通过密封焊件形成冷却水道回路。
3.根据权利要求1所述的一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置，其特征在于，所述定子内部有偏心转子。
4.根据权利要求1所述的一种用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置，其特征在于，所述保持架为弧形。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的用于在线检测偏心转子挤出机共混效果的装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1空气耦合式超声发射装置及空气耦合式超声接收装置安装在出料端；
S2制备相同组分及相同配比的多个聚合物共混物样本，并在相同温度、不同定子转速条件下采集所有样本的超声回波图，得出第一次聚合物熔体/定子界面反射回波信号图；
S3在偏心转子挤出机的挤出模头处收集不同转速下挤出的聚合物熔体样本做扫描电子显微镜得到电镜照片，进一步得到分散相的分散系数；
S4将第一次聚合物熔体/定子界面反射回波信号图进行傅里叶变换后取对数幅度谱的低频段作为特征向量，建立特征向量与分散系数的支持向量机回归模型；
S5在已知某转速下测出已知配比的待测样本，利用空气耦合式超声接收/发射装置得到偏心转子挤出机任意段第一次熔体回波信号，根据回波信号得到特征向量，然后代入S4的模型，得到偏心转子挤出机任意段的分散系数。
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