專利名稱：聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚合物生產(chǎn)過程中混合 狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
聚合物共混物是由兩種或兩種以上的均聚物或共聚物的混合而成，由于其性能優(yōu) 越，已成為國民經(jīng)濟及國防領(lǐng)域不可缺少的一類重要材料。聚合物的共混加工方法主要是 通過單(雙)螺桿擠出機進行混合。固態(tài)聚合物由進料口進入，在螺桿擠出機機筒內(nèi)由固 態(tài)變成熔融態(tài)，由擠出機出料口擠出進入成型磨具。最終擠出產(chǎn)品的質(zhì)量與原材料的性能 配比、機筒內(nèi)溫度壓力、擠出機螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，同時在生產(chǎn)過程中也體現(xiàn) 為混合物在螺桿擠出機機筒中不同部位的混合狀態(tài)。因此在生產(chǎn)過程中對聚合物混合過程 狀態(tài)的在線檢測具有重要意義，可以利用檢測結(jié)果及時調(diào)整生產(chǎn)工藝，減少產(chǎn)品浪費和廢 品污染，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期。 目前聚合物生產(chǎn)線上主要通過監(jiān)測機筒內(nèi)的溫度和壓力來指導(dǎo)生產(chǎn)，而獲取混合
狀態(tài)信息的方法都是離線的，如對通過安裝在不同部位的特殊的樣品采集器獲得的混合樣
品進行理化分析、通過安裝在擠出機上的玻璃窗觀察混合過程等。這些方法均不能實時、準(zhǔn)
確的給出混合信息，不能滿足生產(chǎn)的需要，嚴(yán)重制約了我國聚合物加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 超聲檢測技術(shù)采用超聲波在穿透共混聚合物熔體時，其回波振幅、聲速、衰減系數(shù)
和聲阻抗將隨共混物的熔融狀態(tài)而變化，這一原理可用于聚合物在螺桿擠壓過程中不同位
置處的混合狀態(tài)檢測。聚合物混合時，其在擠出機中的熔融態(tài)溫度一般在IO(TC以上，而一
般超聲探頭只能在常溫下工作，影響超聲技術(shù)在這方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，采用該 方法能夠在聚合物擠出生產(chǎn)線上實現(xiàn)對聚合物在擠出機中不同部位的混合狀態(tài)進行實時 監(jiān)測、狀態(tài)識別和生產(chǎn)分析等功能。 本發(fā)明提供的聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，其特征在于通過 安裝在單螺桿或雙螺桿擠出機上的超聲傳感器實時獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波 信號的振幅；使用對應(yīng)位置的溫度壓力傳感器獲取的機筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為 參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并歸一化回波振幅；運用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成 振幅曲線不同周期間的位置匹配；計算不同周期間對應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振 幅與聚合物含量的關(guān)系，識別聚合物的混合狀態(tài)。 可以根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測需求，分別在螺桿擠出機上不同部位安裝溫度壓力傳感器和
超聲傳感器，同時監(jiān)測多個部位的聚合物混合狀態(tài)，實現(xiàn)聚合物混合過程的監(jiān)測。 所說的超聲傳感器由超聲探頭、聲波耦合桿和水冷裝置組成；超聲探頭的中心頻
率為2. 5MHz，激勵脈沖寬度為1 i！ s ;聲波耦合桿以聚醚醚酮為材料，主體部分為圓柱結(jié)構(gòu)，
采用螺紋結(jié)構(gòu)與螺桿擠出機機筒緊密連接，頂端與超聲探頭粘接接觸，底端與擠出機機筒內(nèi)壁相切；水冷裝置中的恒溫水與聲波耦合桿充分接觸。
本發(fā)明的有益效果 (1)利用超聲回波幅值、機筒內(nèi)聚合物的壓力和溫度，在線監(jiān)測機筒內(nèi)不同部位聚 合物的混合狀態(tài)，不受人主觀因素的影響，起到及時指導(dǎo)和調(diào)整生產(chǎn)工藝的作用，有效地提 高生產(chǎn)效率，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。 (2)超聲傳感器帶有水冷裝置和螺紋安裝結(jié)構(gòu)，適用于聚合物在生產(chǎn)擠出過程中 的高溫高壓環(huán)境下工作； (3)聲波耦合桿采用聚醚醚酮為材料，提高了聲波在耦合桿與聚合物界面的透射 率，有效地抑制了超聲波在圓柱桿中傳播的尾隨噪聲，提高了特征回波的信噪比；
(4)聲波耦合桿底端與機筒內(nèi)壁相切，可在不影響聚合物擠出機正常工作情況下， 準(zhǔn)確監(jiān)測聚合物的混合狀態(tài)； (5)采用不同周期間同一位置的超聲回波偏差作為特征量，有效的避免了由于螺 桿結(jié)構(gòu)造成的影響； (6)使用熔態(tài)聚合物的溫度和壓力為參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并 歸一化超聲回波振幅，避免由于熔態(tài)聚合物的溫度和壓力對超聲回波信號的影響；
(7)使用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹配，避免了由于螺 桿轉(zhuǎn)速不勻造成采樣點與螺桿位置的偏差影響對應(yīng)位置的準(zhǔn)確比較； (8)結(jié)合信號處理技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)，可以達到實時監(jiān)測聚合物混合過程多個 不同部位的混合狀態(tài)，易于擴展；可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行保存、顯示和分析，適用于聚合物新 產(chǎn)品研發(fā)的應(yīng)用。


圖1為傳感器安裝位置圖； 圖1中，(la)傳感器安裝正視圖，(lb)傳感器安裝處的周向截面圖； 圖2為超聲波在聚合物中的傳播和回波示意圖； 圖2中，(2a)傳播原理示意圖，(2b)超聲回波示意圖； 圖3為超聲傳感器特征回波信號的B掃描圖； 圖3中，(3a)位置I， (3b)位置II， (3c)位置III， (3d)位置IV ; 圖4為特征信號幅值偏差柱狀具體實現(xiàn)方式 本發(fā)明以超聲回波特征量來表征聚合物混合狀態(tài)信息，結(jié)合擠出機機筒內(nèi)的溫 度、壓力，通過信號處理方法，采用計算機的處理技術(shù)，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測聚合物在生產(chǎn)擠 出過程中的混合狀態(tài)。 聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，通過安裝在單螺桿或雙螺桿擠出 機上的超聲傳感器實時獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波信號的振幅；使用對應(yīng)位置的 溫度壓力傳感器獲取的機筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為參考量，采用秩濾波和低通濾 波方法校正并歸一化回波振幅；運用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹 配；計算不同周期間對應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，識別聚合物的混合狀態(tài)。 根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測需求，分別在螺桿擠出機上不同部位安裝溫度壓力傳感器和超聲 傳感器，同時監(jiān)測多個部位的聚合物混合狀態(tài)，實現(xiàn)聚合物混合過程的監(jiān)測。
所說的超聲傳感器由超聲探頭、聲波耦合桿和水冷裝置組成；超聲探頭的中心頻 率為2. 5MHz，激勵脈沖寬度為1 i！ s ;聲波耦合桿以聚醚醚酮為材料，主體部分為圓柱結(jié)構(gòu)， 采用螺紋結(jié)構(gòu)與螺桿擠出機機筒緊密連接，頂端與超聲探頭粘接接觸，底端與擠出機機筒 內(nèi)壁相切；水冷裝置中的恒溫水與聲波耦合桿充分接觸。 如圖la所示，螺桿擠出機機筒上的不同部位安裝有溫度壓力傳感器和超聲傳感 器，溫度壓力傳感器和超聲傳感器在圓周方向的相對位置如圖lb所示，圖lb中TPT和UT分 別表示溫度壓力傳感器和超聲傳感器。計算機控制系統(tǒng)同時同步采集多路溫度壓力傳感器 的溫度、壓力和超聲傳感器的超聲信號，并提取反映聚合物混合狀態(tài)的特征回波振幅；對于 任一部位，先以溫度和壓力為參考量校正當(dāng)前一段時間內(nèi)的超聲回波振幅，再進行秩濾波， 濾除由于螺桿結(jié)構(gòu)變化而影響的振幅跳變，接著采用低通濾波方法提取振幅變化趨勢向， 歸一化回波振幅，將這段時間內(nèi)多個周期的振幅曲線采用運用相關(guān)系數(shù)匹配方法進行位置 匹配；根據(jù)位置匹配的結(jié)果，計算所有同一位置的超聲回波振幅偏差，并得出綜合偏差；最 后通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，采用綜合偏差識別聚合物的混合狀態(tài)，并顯示。在實際應(yīng) 用中，可以根據(jù)需要，增加控制模塊實現(xiàn)聚合物擠出過程的反饋控制。 超聲特征回波的提取是依據(jù)圖2的超聲傳播原理，聲波經(jīng)聲波耦合桿、熔態(tài)聚合 物傳播，在耦合桿/聚合物界面和聚合物/螺桿界面產(chǎn)生回波Ll和L2，最后由超聲探頭接 收，得到的典型回波信號如圖3所示，圖3中的A2為超聲特征回波振幅。
應(yīng)用實例 在單螺桿擠出機進行90%低密度聚乙烯(LDPE)和10%碳酸鈣的混合試驗。機筒 內(nèi)徑為小90mm，螺桿長1600mm，螺桿轉(zhuǎn)速為10r/min ;壓力溫度傳感器采用PT124B/PT124G ; 在圖1中的四個部位安裝相同的超聲傳感器進行檢測，圖4為四個位置的特征回波信號B 掃描圖，從圖中可以看出在位置I處檢測的特征回波幅值起伏較大，而在位置IV處的特征 回波信號最穩(wěn)定，圖5列出了四個位置檢測特征回波幅值的相對方差(方差與均值之比，表 示相對偏差量)的對比情況，說明隨著混合的進行特征回波信號越穩(wěn)定、幅值方差越小，根 據(jù)這一特點可以檢測兩種聚合物的混合狀態(tài)。
權(quán)利要求
聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，其特征在于通過安裝在單螺桿或雙螺桿擠出機上的超聲傳感器實時獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波信號的振幅；使用對應(yīng)位置的溫度壓力傳感器獲取的機筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并歸一化回波振幅；運用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹配；計算不同周期間對應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，識別聚合物的混合狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，其特征在 于根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測需求，分別在螺桿擠出機上不同部位安裝溫度壓力傳感器和超聲傳感 器，同時監(jiān)測多個部位的聚合物混合狀態(tài)，實現(xiàn)聚合物混合過程的監(jiān)測。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，其特征在 于所說的超聲傳感器由超聲探頭、聲波耦合桿和水冷裝置組成；超聲探頭的中心頻率為 2. 5MHz，激勵脈沖寬度為li!S ;聲波耦合桿以聚醚醚酮為材料，主體部分為圓柱結(jié)構(gòu)，采用 螺紋結(jié)構(gòu)與螺桿擠出機機筒緊密連接，頂端與超聲探頭粘接接觸，底端與擠出機機筒內(nèi)壁 相切；水冷裝置中的恒溫水與聲波耦合桿充分接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚合物生產(chǎn)過程中混合狀態(tài)超聲在線監(jiān)測方法，屬于工業(yè)檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過安裝在單螺桿或雙螺桿擠出機上的超聲傳感器實時獲取反映聚合物混合狀態(tài)的超聲回波信號的振幅；使用對應(yīng)位置的溫度壓力傳感器獲取的機筒內(nèi)熔態(tài)聚合物的溫度和壓力作為參考量，采用秩濾波和低通濾波方法校正并歸一化回波振幅；運用相關(guān)系數(shù)匹配方法完成振幅曲線不同周期間的位置匹配；計算不同周期間對應(yīng)位置的超聲回波振幅偏差，通過振幅與聚合物含量的關(guān)系，識別聚合物的混合狀態(tài)；該方法能夠?qū)崟r在線監(jiān)測聚合物擠出過程中的混合狀態(tài)，為聚合物的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝調(diào)整提供狀態(tài)參數(shù)。
文檔編號G01N29/02GK101762639SQ201010000080
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者王召巴, 肖凱生, 趙霞, 邢巍, 金永, 陳友興 申請人:中北大學(xué);秦皇島凱維科技有限公司