CN1928530B - 光子测量系统及该系统测量聚合物挤出发泡过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的光子测量系统及应用该系统测量聚合物发泡过程的方法，包括布置在同一平面上的入射端、视窗口模、接收端以及光子计数板和计算机；聚合物发泡挤出时物料流过视窗口模中心轴向开有的流道，入射端的激光器发出的入射光垂直穿过视窗口模窗口，照射到聚合物发泡溶体后穿过视窗口模另一侧的窗口，接收端接收到的透射光信号和散射光信号经过光子放大电路处理，由光子计数板计数后送入计算机进行在线分析，给出发泡过程中的泡孔粒径和泡孔密度结果。特别适合于聚合物连续挤出生产发泡制品的在线测量，具有体积小，可测量的气泡粒径和密度范围大，使用调节方便的优点。

Description

光子测量系统及该系统测量聚合物挤出发泡过程的方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统及应用该系统测量的方法，尤其涉及一种光子测量系统及应用该系统在线测量聚合物挤出成型中发泡过程的方法。

背景技术

泡沫塑料是含有大量大孔、微孔、超微孔气泡的塑料，为现代塑料的一个重要分支。泡沫塑料由于其制品本身的诸多优点，广泛应用于工农生产、国防、建筑、包装等各个领域。

聚合物连续挤出发泡成型过程一般可分为三个阶段：气泡成核、气泡长大以及气泡固化定型。发泡过程中气泡形成长大对泡沫塑料制品中的泡孔尺寸、泡孔密度及分布起着决定性作用，是控制泡体质量的关键，取决于影响加工过程的各种操作参数。聚合物挤出发泡过程是在高压、中温的封闭空间内进行的物理、化学变化过程，物料在挤出机中发生的变化被视为黑箱，具有不可视、动态和三维的特点，难以了解挤出发泡过程中的多变量、多参数交互影响，以及非等温、高粘度复合运动这一复杂过程，目前还没有有效的实验方法与技术对挤出发泡过程的泡孔尺寸和泡孔密度进行在线测量。而对泡孔结构分析测量是基于最终制品的样品SEM(扫描电子显微镜)分析，例如：对聚合物成型过程的宏观形态研究的直接观察法、可视化技术、对发泡塑料微观结构研究的电子显微镜微区，小角激光散射方法。可视化技术是采用玻璃机筒或在机筒两侧设置交错排列视窗的结构形式来形成可视区域，应用高速摄影或同步录像等检测手段记录该区域内物料形态表面过程变化的二维光学信息方法来获取样品信息，是一种仅反映局部和表面形态信息的实验研究方法。而检测发泡塑料微区表面形貌的电子显微镜法是一种实验室分析技术，具有观察范围狭窄、制样的破坏性和非实时性等不足。这些方法均不能对挤出发泡过程中的泡孔尺寸和泡孔密度进行实时在线测量。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种体积小、使用调节方便的光子测量系统及应用该系统测量聚合物发泡过程的方法，可以在线测定聚合物挤出发泡成型中泡孔尺寸和泡孔密度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明光子测量系统，包括挤出机、测量装置、光子计数板和计算机，所述的测量装置包括布置在同一平面上的入射端、视窗口模和接收端；入射端发射的入射光透过视窗口模由接收端接收，接收端接收的信号由光子计数板计数后送入计算机进行处理。

所述的入射端安装在基座上，包括隔热块、柱形筒体、激光准直扩束系统、激光器，隔热块与安装在基座上的视窗口模相接，视窗口模端部与挤出机相连接，所述的激光器为氦-氖激光器或半导体激光器。

所述的视窗口模中心轴向开有流道，两侧对称的开有两个窗口，并由承受高温高压的材料作窗口片.

所述的接收端包括透射光接收端和散射光接收端，所述的透射光接收端与入射端同轴布置；所述的散射光接收端有一个或多个，每个散射光接收端可在基座上作二维调节，与透射光接收端形成-90°～+90°夹角。

所述的透射光接收端安装在基座上，包括隔热块、前光阑、柱形筒体、滤光片、后光阑、光子探测器，隔热块与安装在基座上的视窗口模相接，视窗口模端部与挤出机相连接。

所述的散射光接收端安装在基座上，包括隔热块、前光阑、柱形筒体、后光阑、光子探测器，隔热块与安装在基座上的视窗口模相接，视窗口模端部与挤出机相连接。

所述的前光阑与后光阑连接在基座上的滑块组上，前光阑与后光阑间的距离可通过滑块组任意调整；所述前光阑和后光阑的孔径可以调节。

所述的光子探测器装有冷却器和信号放大电路。

本发明应用上述的光子测量系统测量聚合物挤出发泡过程的方法，包括以下步骤：

A：聚合物挤出发泡时物料流过视窗口模；

B：入射端发出的入射光垂直穿过视窗口模，照射到视窗口模中的聚合物发泡溶体后穿过视窗口模另一侧；

C：入射光穿过视窗口模后，由接收端接收；

D：接收端测量的信号由光子计数板计数后送入计算机；

E：计算机进行在线分析，给出聚合物挤出发泡过程中的泡孔粒径和泡孔密度结果。

所述的步骤C最好包括：

C1：入射光穿过视窗口模后，其透射光由透射光接收端接收；其散射光由散射光接收端接收；

C2：根据需要调节散射光接收端与透射光接收端之间的夹角，以测定需要角度的散射光；

C3：根据需要调节前光阑与后光阑的孔径大小以及它们之间的距离，以取得需要的采光圆锥角。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的光子测量系统及该系统测量聚合物挤出发泡过程的方法，由于发射端发射的光束透过视窗口模由接收端接收，是一种非接触的绝对测量方法，对聚合物发泡挤出过程完全没有干扰，同时接收的信号是透射光和散射光比值信号，具有很强的抗干扰性，完全适合于聚合物连续挤出生产发泡制品的在线测量，克服了基于最终制品分析方法来测量和分析泡孔直径和泡孔密度的不足。由于接收光端可以根据需要调节散射光接收端与透射光接收端之间的夹角，以测定需要角度的散射光，并可以根据需要调节前光阑与后光阑的孔径大小以及它们之间的距离，以取得需要的采光角与光通量，具有体积小，可测量的气泡粒径和密度范围大，使用调节方便的优点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的阐述。

附图说明

图1是本发明工作原理示意图；

图2是本发明视窗口模结构示意图；

图3是本发明入射端结构示意图；

图4是本发明透射光接收端结构示意图；

图5是本发明散射光接收端结构示意图；

图6是本发明散射光的光路原理图。

具体实施方式

本发明较佳的具体实施方式如图1所示，入射端1、视窗口模2和接收端3a、3b布置在同一平面上，安装在基座8上，视窗口模端部与挤出机40相接，入射端发射的入射光透过视窗口模由接收端接收，其中，接收端3a、3b包括透射光接收端3a和散射光接收端3b，透射光接收端3a与入射端1同轴布置；散射光接收端3b有两个，每个散射光接收端3b均可在基座8上作二维旋转调节，与透射光接收端3a形成-90°～+90°夹角。接收的透射光信号和散射光信号由光子计数板计数后送入计算机进行在线分析。

本发明所述的视窗口模2如图2所示，中心处轴向开有流道33，两侧对称的开有两个窗口30，并由承受高温高压的材料如蓝宝石作窗口片，物料沿A向挤出，视窗口模2上还设有压力传感器31和温度传感器32。

如图3所示，入射端1安装在基座8上，由隔热块4、柱形筒体7、激光准直扩束系统5、柱形筒体7、激光器6及电源35依次相接，隔热块4与安装在基座8上的视窗口模2相接，激光器可以为氦-氖激光器或半导体激光器。

如图4所示，透射光接收端3a安装在基座8上，由隔热块4、前光阑10、柱形筒体7、滤光片11、后光阑12、光子探测器13依次相接，隔热块4与安装在基座8上的视窗口模2相接。前光阑及后光阑均固定在金属框架34上，前光阑的金属框架34通过螺纹与柱形筒体7相接，后光阑的金属框架34固定在光子探测器13上并通过固定螺栓17固定在柱形筒体7上，前光阑与光子探测器13分别置于可在基座8上滑动的滑块19组上，它们之间的距离可通过滑块19组调节。光子探测器内装有信号放大电路14，外设冷却器15。

如图5所示，散射光接收端3b与透射光接收端3a的结构基本相同，只是在柱形筒体7之间没有滤光片11，前光阑与光子探测器13之间的距离同样可通过滑块19组调节。

如图6所示，当入射激光束36沿Z向射入时，散射光接收端3b与入射光呈一定的夹角38探测散射光时，通过调节前光阑10与后光阑12的孔径及它们之间的距离调节采光圆锥角39，可以探测到所需要的散射体积长度37。

利用本发明的光子测量系统测量泡沫塑料发泡过程时，首先使聚合物发泡时挤出的气泡流过视窗口模2中心轴向开有的流道33；

然后入射端的激光器发出的入射光通过激光准直扩束系统垂直穿过视窗口模2的窗口30，照射到视窗口模2中心流道33中的聚合物发泡溶体后穿过视窗口模2另一侧的窗口30；

入射光穿过视窗口模后，其透射光由透射光接收端3a的光子探测器13接收，测量透射光通量；其散射光由散射光接收端3b的光子探测器13接收，测量散射光通量；此时可根据需要调节散射光接收端3b与透射光接收端3a之间的夹角38，以测定需要角度的散射光；还可以根据需要调节前光阑与后光阑的孔径大小和它们之间的距离，以取得需要的采光圆锥角39与光通量37；

光子探测器13接收到的透射光信号和散射光信号经过信号放大电路14处理后，由光子计数板计数后送入计算机；

计算机进行在线分析，给出发泡过程中的泡孔粒径和泡孔密度结果。

测量系统工作原理为：聚合物挤出发泡物料流过横断面很小的视窗口模流道(测量区)，来自He-Ne激光器的细小光束首先通过激光准直与扩束系统，形成高质量的一束平行光束，垂直穿过口模窗口照射到口模流道中的聚合物发泡熔体，入射光束与通道截面构成了系统的测量区或敏感区，其透射光由与入射光同光轴的窗口另一侧的光子探测器所接收，散射光由与光轴成一定角度的光子探测器所接收，接受端的光子探测器同时测量透射光和散射光通量。若流过测量区的熔体中没有气泡，则光电探测器给出的光信号保持为恒定不变；反之，若有气泡流过测量区，将会对光束产生一“遮挡”作用，使光子探测器所接受到的光信号减小并产生脉冲信号，脉冲信号的幅值与气泡粒径相关，计算机同时接收并判别散射和透射光脉冲信号，并对散射与透射光脉冲进行光子计数，通过对散射光数据进行解析，可在线获得泡孔粒径和泡孔密度，光子探测器固定在挤出机模头的旋转基座上，根据测量要求旋转基座可设定-90°～+90°之间不同的光散射角，用于同时测量多个不同散射角的散射光通量。

激光准直与扩束系统通过调节可得到所需要直径的平行光束，同时封闭的柱形筒体可以隔绝杂散光，进一步提高入射光束的品质，提高测量系统的总体性能。为了使测量系统有最优性能，通过调整激光准直扩束系统参数，来选择适当的光束直径。

根据测量原理，在测量区中产生消光效应，为此，由于散射光通量经历与透射光通量几乎相同的消光作用，这样通过散射光通量相对于透射光通量的归一化方法，即通过在接收端光子探测器同时测量透射光和散射光通量，在相当宽的泡孔密度范围内，归一化的散射光通量与泡孔密度成线性关系，从而获得泡孔密度。测量时，由于散射光通量非常弱，透射光通量相对强，比散射光通量高几个数量级，在透射光路中加入中性密度滤光片，这里透射光通量作为参考光，这样可以消除在线测量中的消光效应和各种干扰影响，是一种绝对测量方法，无需外部标定或实验标定。

通过调整前光阑和后光阑的孔径大小以及它们之间的距离来决定采光圆锥角，以及测量进入光子探测器中的光通量，同时后光阑可有效消除光路中的杂散光，其散射光通量的光路原理如图6所示。

由于采用同时测量测量气泡散射光与透射光通量即归一化光通量(即散射光通量/透射光通量)比值的方法，消除了消光效应，因此在计算发泡过程中泡孔粒径时不需要消光系数，但需要发泡物料的折射率系数，由于不同温度条件下，聚合物材料的折射率不同，采用折射率测量装置，测定不同聚合物高温熔体的折射率系数。同时测量的透射光和散射光经过光子探测器接收转化为脉冲信号，经信号放大电路处理后，通过光子计数板计数，送入计算机进行在线分析，由所测量的散射光与透射光的比值，根据Mie理论(激光散射理论)计算结果，最终给出泡孔粒径和泡孔密度的测量结果。

由于聚合物发泡口模处于高温高压状态，发泡物料在动态挤出中，具有粘弹性，为了保护本发明内部的光学器件不被污染或损坏，影响测量系统的光学和电子器件的工作稳定性，必须对测量系统进行保护，本发明采用耐高温材料作隔热块，固定在视窗口模的窗口两侧，通过两侧分别开小孔与入射光端和接收光端的柱形圆筒连接，同时对窗口起到密封作用，限制保护物料只能在视窗口模的流道中流动而不能进入其他光学器件空间内.

在线测量系统安装时，通过旋转基座来固定散射光测量的角度，通过调节装置调整光阑和光子探测器位置，保证透射光和散射光接收良好。在调节完成后将调节装置锁死，这样可以在相当长时间内正常工作，只需要定期检测，保证测量系统和装置处于良好状态。

本发明同现有技术相比，测量的泡孔尺寸和密度范围宽，其泡孔测量下限可达0.08μm，同时本方法原理本身具有较宽的气泡密度测量范围，是一种非接触的绝对测量方法，对聚合物发泡挤出过程完全没有干扰，同时接收的信号是透射光和散射光比值信号，具有很强的抗干扰性，完全适合于聚合物连续挤出生产发泡制品的在线测量，可以作为工业过程在线测量系统而大量使用，所采用的光学元器件技术均已经成熟，可以保证使用安全性与可靠性。

本发明具有显著创新，本发明不但解决了聚合物发泡挤出过程中泡孔尺寸和泡孔密度的在线测量问题，可用于科学研究、微孔发泡塑料加工等诸多领域，如果采用光纤传感技术，可以构成小型化的测量聚合物发泡挤出过程中泡孔粒径、泡孔密度和物料流速的在线测量仪器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光子测量系统，包括挤出机，其特征在于，还包括测量装置、光子计数板和计算机，所述的测量装置包括布置在同一平面上的入射端、视窗口模和接收端；入射端发射的入射光透过视窗口模由接收端接收，接收端接收的信号由光子计数板计数后送入计算机进行处理；

所述的入射端安装在基座上，包括第一隔热块、第一柱形筒体、激光准直扩束系统、激光器，第一隔热块与安装在所述基座上的视窗口模相接，视窗口模端部与挤出机相连接，所述的激光器为氦-氖激光器或半导体激光器；

所述的接收端包括透射光接收端和散射光接收端，所述的透射光接收端与入射端同轴布置；所述的散射光接收端有一个或多个，每个散射光接收端可在所述基座上作二维调节，与透射光接收端形成-90°～+90°夹角；

所述的透射光接收端安装在所述基座上，包括第二隔热块、第一前光阑、第二柱形筒体、滤光片、第一后光阑、第一光子探测器，第二隔热块与安装在所述基座上的视窗口模相接，视窗口模端部与挤出机相连接；

所述的散射光接收端安装在所述基座上，包括第三隔热块、第二前光阑、第三柱形筒体、第二后光阑、第二光子探测器，第三隔热块与安装在所述基座上的视窗口模相接，视窗口模端部与挤出机相连接；

所述的视窗口模中心轴向开有流道，两侧对称的开有两个窗口，并由承受高温高压的材料作窗口片；

所述的第一前光阑与第一后光阑连接在所述基座上的第一滑块组上，第一前光阑与第一后光阑间的距离能通过第一滑块组任意调整；所述第一前光阑和第一后光阑的孔径能够调节；

所述的第二前光阑与第二后光阑连接在所述基座上的第二滑块组上，第二前光阑与第二后光阑间的距离能通过第二滑块组任意调整；所述第二前光阑和第二后光阑的孔径能够调节；

所述的光子探测器装有冷却器和信号放大电路。

2.一种应用权利要求1所述的光子测量系统测量聚合物挤出发泡过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：聚合物挤出发泡时物料流过视窗口模；

B：入射端发出的入射光垂直穿过视窗口模，照射到视窗口模中的聚合物发泡溶体后穿过视窗口模另一侧；

C：入射光穿过视窗口模后，由接收端接收；

D：接收端测量的信号由光子计数板计数后送入计算机；

E：计算机进行在线分析，给出聚合物挤出发泡过程中的泡孔粒径和泡孔密度结果。

3.根据权利要求2所述的测量聚合物挤出发泡过程的方法，其特征在于，所述的步骤C包括：

C1：入射光穿过视窗口模后，其透射光由透射光接收端接收；其散射光由散射光接收端接收；

C2：根据需要调节散射光接收端与透射光接收端之间的夹角，以测定需要角度的散射光；

C3：根据需要调节前光阑与后光阑的孔径大小以及它们之间的距离，以调整采光圆锥角。

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