CS263725B1

CS263725B1 - Equipment for non-destructive orientation of surface layers of polymeric and composite materials

Info

Publication number: CS263725B1
Application number: CS877629A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Csc Czerny; Emil Ing Neuhausl
Original assignee: Czerny Jiri; Neuhausl Emil
Priority date: 1987-10-26
Filing date: 1987-10-26
Publication date: 1989-04-14
Also published as: CS762987A1

Abstract

Zařízení sestává ze zdroje světelného záření s monochromátorem, spojeného pružným kabelovýtjj světlovodem s mobilním měřicím čidlem. Čidlo má vestavěné zařízení pro měření relativní odrazivostí s fotočlánkem a je spojeno s automatickým vyhodnocovacím zařízením. Za zdrojem světelného záření a před fotočlánkem jsou zařazeny polarizační filtry, jejichž vzájemným natáčením a vyhodnocením světla odraženého od povrchu tjjěřeného vzorku plastu lze zjistit stupen orientace povrchových vrstev.The device consists of a light source with a monochromator, connected by a flexible cable-like light guide to a mobile measuring sensor. The sensor has a built-in device for measuring relative reflectance with a photocell and is connected to an automatic evaluation device. Polarizing filters are placed behind the light source and in front of the photocell, and by rotating them together and evaluating the light reflected from the surface of the measured plastic sample, the degree of orientation of the surface layers can be determined.

Description

Zařízení pro nedestruktivní zjištování orientace povrchových vrstev polymerních a kompozitních materiálůDevice for non-destructive orientation determination of surface layers of polymer and composite materials

Zařízení sestává ze zdroje světelného záření s monochromátorem, spojeného pružným kabelovýtjj světlovodem s mobilním měřicím čidlem. Čidlo má vestavěné zařízení pro měření relativní odrazivostí s fotočlánkem a je spojeno s automatickým vyhodnocovacím zařízením. Za zdrojem světelného záření a před fotočlánkem jsou zařazeny polarizační filtry, jejichž vzájemným natáčením a vyhodnocením světla odraženého od povrchu tjjěřeného vzorku plastu lze zjistit stupen orientace povrchových vrstev.The device consists of a light source with a monochromator connected by a flexible cable guide with a mobile measuring sensor. The sensor has a built-in device for measuring relative reflectivity with a photocell and is connected to an automatic evaluation device. Polarization filters are placed downstream of the light source and in front of the photocell.

•67 722567 7225

Vynález se týká zařízení pro nedestruktivní zjištování orientace povrchových vrstev polymerních a kompozitních materiálů ve výrobcích. Zařízení je určeno pro sledování užitných vlastností polymerních materiálů pro účely průběžné kontroly zpracovatelských procesů s vysokou citlivostí a rychlostí měření a s možností přímého zapojení na řídící a regulační systém zpracovatelských zařízení.The invention relates to a device for non-destructively detecting the orientation of surface layers of polymeric and composite materials in articles. The device is intended for monitoring the utility properties of polymeric materials for the purpose of continuous control of processing processes with high sensitivity and measuring speed and with the possibility of direct connection to the control and regulation system of processing equipment.

Dosud používaná zařízení pro zjišfování orientace strukturních jednotek nebo segmentů polymerů využívající měření dvojlomu viditelného světla, absorpce infračerveného světla, polarizované fluorescence za přídavku fluorescenčních látek, rozptylu X-paprsků, širokopásmové nukleární magnetické rezonance apod.- jsou s výjimkou měření dvojlomu přístrojově a časově náročná a ve většině případů jsou omezena na průhledné vzorky případně na destruktivní přípravu tenkých řezů vzorků. Tyto skutečnosti zamezují používání dosavadních měřicích přístrojů pro průběžnou kontrolu užitných vlastností zejména neprůhledných polymerních a kompozitních výrobků resp. pro řízení zpracovatelských podmínek v bezprostřední návavaznosti na příslušná zpracovatelská zařízení např. při vstřikování, vytlačování, lisování, vyfukování apod. Z čs. AO 241 617 je známo zařízení pro optimalizaci a kontrolu procesů tváření termoplastů, termosetů a elastomerů, umožňující průběžné automatické vyhodnocování kvality měřených výrobků a ovládání regulačního systému tvářecích strojů. Toto zařízení však neumožňuje měření orientace povrchových vrstev polymerních materiálů ve výrobcích. Toto zařízení sestává ze světelného zdroje s monochromátorem spojeným pružným kabelovým světlovodem s mobilním měřicím čidlem, sestávajícím ze zařízení na měření relativní odrazivosti světla s vestavěnou fotografickou uzávěrkou a s připojenoB^rBfBH^etou dosedající na měřený výrobek. Elektrický signál z měřicího čidla je veden přes zesilovač do automatického vyhodnocovacího zařízení sestávajícího z analogo-digitálního převodníku z digitálního zobrazovače, z mikropočítače a z výstupního řídicího obvodu regulačního systému tvářecího stroje. Zařízení podle čs. AO 241 617 umožňuje průběžné, automatické vyhodnocování kvality měřených výrobků a ovládání regulačního systému tvářecích strojů a zařízení při výrobě. JehoThe devices used to detect the orientation of structural units or segments of polymers using visible birefringence measurements, infrared light absorption, polarized fluorescence with the addition of fluorescent substances, X-ray scattering, broadband nuclear magnetic resonance, etc. have been instrumental and time-consuming except for birefringence measurements, in most cases they are limited to transparent samples or destructive preparation of thin sections of samples. These facts prevent the use of existing measuring instruments for continuous monitoring of utility properties, especially of opaque polymer and composite products respectively. for control of processing conditions in direct relation to the respective processing equipment, eg during injection, extrusion, pressing, blowing, etc. From MS. AO 241 617 is known for optimizing and controlling the forming processes of thermoplastics, thermosets and elastomers, enabling continuous automatic evaluation of the quality of measured products and control of the control system of forming machines. However, this device does not allow measurement of the orientation of the surface layers of polymeric materials in articles. This device consists of a light source with a monochromator connected to a flexible lightguide cable to the mobile measuring sensor consisting of a device for measuring the relative reflectance of light with built-in lock and photographic připojenoB ^r ^ BfBH ETOU abutting on the measured product. The electrical signal from the measuring sensor is routed through an amplifier to an automatic evaluation device consisting of an analog-to-digital converter from a digital display, a microcomputer, and an output control circuit of the forming machine control system. Equipment according to MS. AO 241 617 enables continuous, automatic evaluation of the quality of measured products and control of the control system of forming machines and equipment during production. Its

-χ ·ν £*-χ · ν £ *

-·»*»·>* ď ***>'' nevýhodou však je, že neumožňuje měření orientace povrchových vrstev polymerních materiálů ve výrobcích.The disadvantage, however, is that it does not allow measurement of the orientation of the surface layers of the polymeric materials in the articles.

Tuto nevýhodu odstraňuje zařízení podle předmětné přihlášky, určené pro měření orientace povrchových vrstev polymerních a kompozitních materiálů ve výrobcích. Zařízení sestává ze zdroje světelného záření s monochromátorem, spojeného pružným kabelovým světlovodem s mobilním měřicím čidlem. Čidlo má vestavěno zařízení pro měření relativní odrazivosti s fotočlánkem. Zařízení dále sestává z automatické vyhodnocovací části, sestávající z analogo-digitálního převodníku, z digitálního zobrazovače, z mikropočítače a z výstupního řídícího obvodu regulačního systému tvářecího stroje. Podstatou řešení podle vynálezu je to,'že za zdrojem světla záření s monochromátorem je zařazen vstupní polarizační filtr s konstantně nastavenou polarizační rovinou a v mobilním měřicím čidle je před fotočlánek zařazen otáčivý výstupní polarizační filtr s dvoupolohově nastavitelnou polarizační rovinou.This disadvantage is overcome by the device according to the present application intended for measuring the orientation of surface layers of polymeric and composite materials in articles. The device consists of a light source with a monochromator connected by a flexible cable light guide with a mobile measuring sensor. The sensor has a built-in device for measuring the relative reflectivity with a photocell. The apparatus further comprises an automatic evaluation part, consisting of an analog-to-digital converter, a digital display, a microcomputer and an output control circuit of the forming machine control system. It is an object of the present invention to have an input polarization filter with a constant polarization plane downstream of the light source with a monochromator, and a rotating output polarization filter with a two-position adjustable polarization plane in front of the photocell.

Výhody zařízení podle vynálezu se projevují ve vysoké citlivosti a rychlosti čítající řádově sekundynedestruktivního měření relativní orientace povrchových vrstev různě zbarvených průhledných i neprůhledných polymerních a kompozitních materiálů na libovolných místech výrobků a to bezprostředně po výstupu výrobků z tvářecího zařízení. To umožňuje kontrolu kvality výrobků případně po napojení měřicího zařízení na regulační systém tvářecích např. vstřikovacích, vytlačovacích, vyfukovacích, lisovacích strojů a zařízení i jejich řízení.The advantages of the device according to the invention are manifested in the high sensitivity and speed of the order of seconds of non-destructive measurement of the relative orientation of the surface layers of differently colored transparent and opaque polymer and composite materials at any point of the products immediately after leaving the products. This makes it possible to check the quality of the products, if necessary, after connecting the measuring device to a control system of injection molding, extrusion, blow molding, pressing machines and equipment and their control.

Uvedené výhody byly zjištěny a ověřeny při rozsáhlém fotometrickém studiu polarisace monochromatického světla odraženého od povrchu výrobků převážně ve tvaru desek o tloušíce 1, 4, příp.These advantages have been found and verified in a large photometric study of the polarization of monochromatic light reflected from the surface of products, mainly in the form of plates having a thickness of 1, 4 or 4, respectively.

mm a to jak termoplastů průhledných např. polystyren, tak i neprůhledných, jako polypropylen příp. černě zbarvených např.mm, both thermoplastics transparent eg polystyrene, as well as opaque, such as polypropylene or polypropylene. black colored eg.

ABS-terpolymery nebo kompozitů, např. polypropylen s různým obsahem sekaných skelných vláken v množství 0, 20 a 30 % hmotnostních, které byly vyrobeny za různých systematicky sledovaných zpracovatelských podmínek vstřikování při různých teplotách taveniny, formy, za různého vstřikovacího tlaku a rychlosti vstřikování, s různým obsahem skelných vláken apod.ABS terpolymers or composites, eg polypropylene with different chopped glass fiber contents of 0, 20 and 30% by weight, which have been produced under different systemically monitored processing conditions of injection at different melt temperatures, molds, different injection pressure and injection rate, with different content of glass fibers etc.

Příkladné provedení zařízení podle vynálezu je schematicky znázorněno na připojeném vyobrazení.An exemplary embodiment of the device according to the invention is shown schematically in the attached drawing.

Zařízení pro měření orientace povrchových vrstev polymerních a kompozitních materiálů ve výrobcích se skládá ze tří částí: z části stacionární se zdrojem světla, z mobilní části pro měření odrazivosti a z části vyhodnocovací. Stacionární část setává ze zdroje JL světelného záření, kterým je vysokotlaká rtuíová nebo xenonová výbojka napájená stabilizátorem napětí, dále z kondenzoru 2 zdroje, z odkláněcího zrcadla 2 P^ro monochromátor 6, ze vstupní štěrbiny 4-, z kolimátorového vstupního objektivu 5_ monochromátoru, z monochromátoru 2 , ze šroubu T_ vlnových délek, z kolimátorového výstupního objektivu 2 monochromátoru, ze vstupního polarizačního filtru 9_, z výstupní štěrbiny 10, ke které je připojen pružný kabelový světlovod 11 s optickými křemennými nebo skleněnými vlákny. Místo monochromátoru 6_ se šroubem 2 vlnových délek může být použito monochromatického barevného filtru. Zmíněný kabelový světlovod 11 spojuje část stacionární s částí mobilní, tvořené pouzdrem 12 mobilního měřicího čidla, v němž je kruhový měřící otvor 13, jehož vnější okraje jsou opatřeny výstupky pružné planžety 22 pro světlotěsné nastavení celého měřícího čidla 12 k povrchu měřeného výrobku 22· V měřicím otvoru 13 je umístěna fotografická uzávěrka 14 s elektrickým kontaktem 23 napojeným na start .32 vyhodnocovacího zařízení. Uvnitř pouzdra 12 mobilního měřícího čidla je v místě napojení na kabelový světlovod 11 umístěn kolimátorový objektiv 17 čidla pro výstup ze světlovodu 11, dále odkláněcí vstupní zrcadlo 18 čidla pro vstup záření na měřený výrobek 16, kondenzor 19 čidla pro výstup odraženého záření z měřeného výrobku 22.₅ odkláněcí výstupní zrcadlo 20 čidla pro vstup do fotočlánku 24, výstupní objektiv 21 čidla, výstupní polarizační filtr 22, který lze pomocí elektrického kontaktu 23 zapojeného na řídící vedení 32 vyhodnocovacího zařízení ustavit do polohy 0° nebo 90° vzhledem k poloze polarizační roviny vstupního polarizačního filtru 2· Posledním článkem mobilní části je fotočlánek 24, spojený s vyhodnocovací částí, sestávající ze zesilovače 25, indikačního přístroje 26 a vlastního vyhodnocovacího zařízení, které obsahuje analogo-digitální převodník 27, mikropočítač 28 s digitálním zobrazovačem 30, s klávesnicí 31, s výstupním řídícím obvodem 29 a s výstupem řídicího obvodu 33 pro ovládání regulačního systému tvářecího stroje. Ze zdroje 2 světelného záření např. z vysokotlaké rtulové výbojky vychází svazek polychromatických světelných paprsků o konstantní Intenzitě. Světelné paprsky procházejí kondenzorem 2, odkláněcím zrcadlem 2 P^ro monochromátor £ a vstupují přes vstupní štěrbinu 2 a kolimátorový vstupní objektiv 2 monochromátoru do monochromátoru 6_, kde se rozkládají v monochromatické světelné paprsky o vhodné vlnové délce, která se nastavuje pootočením šroubu 7_ vlnových délek. Monochromatické světelné paprsky vstupují přes kolimátorový výstupní objektiv 2 monochromátoru do vstupního polarizačního filtru 9. ^s konstantně nastavenou vstupní polarizační rovinou a vystupují jako polarizované monochromatické paprsky do výstupní štěrbiny 10, ke které je připojen pružný kabelový světlovod 11. Výše popsaná stacionární část zařízení je umístěna ve zvláštním panelu vedle ovládacího panelu tvářecího stroje.The device for measuring the orientation of surface layers of polymeric and composite materials in products consists of three parts: a stationary part with a light source, a mobile part for measuring the reflectance and an evaluation part. Stationary part setává JL source of light radiation, which is high rtuíová or a xenon lamp powered by a voltage stabilizer further from the condenser 2 source, a deflection mirror 2 6 P ^ro monochromator, the entrance slit 4, a collimator lens 5 monochromator input of the monochromator 2, a wavelength screw T, a collimator output lens 2 of a monochromator, an input polarizing filter 9, an output slot 10 to which a flexible fiber optic quartz or glass fiber cable 11 is connected. Instead of a monochromator 6 with a wavelength screw 2, a monochromatic color filter may be used. Said cable guide 11 connects the stationary part with the mobile part, consisting of the housing 12 of the mobile measuring sensor, in which there is a circular measuring opening 13, the outer edges of which are provided with protrusions of the flexible foil 22 to lightly align the entire measuring sensor 12 to the surface of the product 22 aperture 13 is provided with a photographic shutter 14 with an electrical contact 23 connected to the start 32 of the evaluation device. Inside the housing of the mobile measuring sensor, at the point of connection to the cable light guide 11, a collimator lens 17 of the sensor for output from the light guide 11, a deflection input mirror 18 of the sensor for input of radiation to the measured product 16 is placed. ₅ a diverting sensor output mirror 20 for access to the photocell 24, a sensor output lens 21, an output polarizing filter 22 that can be adjusted to 0 ° or 90 ° relative to the polarization plane of the input by means of an electrical contact 23 connected to the control line 32 of the evaluation device. The last element of the mobile part is the photocell 24, connected to the evaluation part, consisting of an amplifier 25, an indicator device 26 and the evaluation device itself, which comprises an analog-to-digital converter 27, a microcomputer 28 with a digital display. 30, a keyboard 31, an output control circuit 29, and an output of the control circuit 33 for controlling the forming machine control system. A beam of constant intensity polychromatic light rays emanates from a light source 2, for example from a high-pressure mercury lamp. Light rays pass through the condenser 2, a deflecting mirror 2 P ^ro monochromator £ and entering through an inlet slot 2 and collimator entrance lens 2 of the monochromator to a monochromator 6, which extend in the monochromatic rays of light of a suitable wavelength, which is set by turning the screw 7_ wavelengths. The monochromatic light beams enter through the collimator output lens 2 of the monochromator into the input polarizing filter 9 ^{with a} constant input polarization plane and output as polarized monochromatic beams to the output slot 10 to which the flexible cable light guide 11 is connected. a separate panel next to the control panel of the forming machine.

Kabelovým světlovodem 11 se monochromatické polarizované paprsky z monochromátoru a ze vstupního polarizačního filtru 2 vedou do mobilního měřícího čidla ve tvaru pouzdra 12 o rozměrech 10 x 10 x 10 cm. Monochromatické polarizované paprsky vstupují do měřicího čidla, procházejí kolimátorovým vstupním objektivem 22 čidla a odklánějí se na vstupním zrcadle 18 čidla na měřený výrobek 16 v úhlu dopadu např.45° k normále měřeného výrobku 16, na který čidlo prostřednictvím pružné světlotěsné planžety 15 dosedá kruhovým měřicím otvorem 22· Přiložením měřicího čidla k měřenému výrobku 16 se otevře fotografická uzávěrka 14 a současně se sepne elektrický kontakt 22, kterým je vyvolán synchronizační impuls do řídícího vedení 32 vyhodnocovacího zařízení. Monochromatické polarizované světlo dopadající v úhlu např. 45° k normále měřeného výrobku 16 se po odrazu od jeho povrchových vrstev odvádí např. v úhlu 0° k normále měřeného výrobku 16 pres kondenzor 19 čidla, výstupní zrcadlo 20 čidla do výstupního objektivu 21 čidla a dále přes výstupní polarizační filtr 22 do fotočlánku 24. Vznikající proud je veden přes zesilovač 25 do automatického vyhodnocovacího zařízení. Pro každý výrobek 16 se provádí měření proudu při dvou následných úhlových polohách výstupního polarizačního filtru 22, na př. při 0° a 90°. Polarizační filtr 22 se prostřednictvímelektrického kontaktu 23 pootočí ze základní úhlové polohy 0° do 90°. Úhlová poloha 0° přitom odpovídá polarizační rovině paralelní s polarizační rovinou vstupního polarizačního filtru 2, a intenzita měřeného proudu je maximální d_max)> zatímco úhlová poloha'90° výstupního polarizačního filtru 22 odpovídá polarizační rovině výstupního polarizačního filtru 22 kolmé k polarizační rovině vstupního polarizačního filtru 9 a měřená intenzita proudu je minimální (I ). Při měření výrobku 16 na zařízení dle vynálezu jde v podstatě o zjištění relativních hodnot I a I . za zcela konstantních podmínek měření a vyhodnocení relativního stupně polarizace P světla odraženého z měřeného výrobku 16 . Ve vyhodnocovacím zařízení je analogový signál transformován do číslicové formy, která je nutná pro statisticko - výpočetní zpracování výsledků měření v mikropočítači 28 . Pomocí klávesnice 31 lze vyvolat požadovaný výsledek na digitálním zobrazovači 30. Součástí automatického vyhodnocovacího zařízení je výstupní řídící obvod 29 s výstupem řídícího obvodu 33 pro ovládání regulačního systému tvářecího stroje.With the cable guide 11, the monochromatic polarized beams from the monochromator and the inlet polarizing filter 2 are led to a mobile measuring sensor in the form of a housing 12 having dimensions of 10 x 10 x 10 cm. The monochromatic polarized beams enter the sensor, pass through the sensor collimator input lens 22, and deflect on the sensor input mirror 18 to the product 16 at an incidence angle of e.g. 45 ° to the product normally measured 16 to which the sensor abuts a circular measurement By opening the measuring sensor to the product 16, the photo shutter 14 is opened and at the same time the electrical contact 22 is closed, which causes a synchronization pulse to the control line 32 of the evaluation device. The monochromatic polarized light incident at an angle of e.g. 45 ° to the normal of the measured product 16, after reflection from its surface layers, is discharged e.g. at an angle of 0 ° to the normal of the measured product 16 through the sensor condenser 19. through the output polarizing filter 22 to the photocell 24. The resulting current is fed through the amplifier 25 to an automatic evaluation device. For each product 16, current measurement is performed at two consecutive angular positions of the output polarizing filter 22, e.g. at 0 ° and 90 °. The polarizing filter 22 is rotated through an electrical contact 23 from a basic angular position of 0 ° to 90 °. The angular position 0 ° corresponds to a polarization plane parallel to the polarization plane of the input polarization filter 2, and the intensity of the measured current is maximum d _max ), while the angular position 90 ° of the output polarization filter 22 corresponds to the polarization plane of the output polarization filter 22. filter 9 and the measured current intensity is minimal (I). When measuring the product 16 on the device according to the invention, it is essentially to determine the relative values of I and I. under completely constant conditions of measurement and evaluation of the relative degree of polarization P of the light reflected from the product to be measured 16. In the evaluation device, the analog signal is transformed into a digital form which is necessary for the statistical computational processing of the measurement results in the microcomputer 28. Using the keyboard 31, the desired result can be recalled on the digital display 30. The automatic evaluation device includes an output control circuit 29 with an output of the control circuit 33 for controlling the forming machine control system.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Device for non-destructive orientation determination of surface layers of polymeric and composite materials in products, consisting of a light source with a monochromator connected by a flexible cable light guide with a mobile measuring sensor with a built-in device for measuring relative reflectivity with a photocell; displays, microcomputers and from the output control circuit of the forming machine control system, characterized in that after the light source (1) with a monochromator (6) there is an input polarization filter (9) with a constant polarization plane and a mobile measuring sensor (12) a rotating output polarizing filter (22) with a two-position adjustable polarization plane is provided in front of the photocell (24).