专利名称：聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法
技术领域：
本发明属于工业检测技术领域，具体涉及一种聚合物生产过程中混合 状态超声在线监测方法。
背景技术：
聚合物共混物是由两种或两种以上的均聚物或共聚物的混合而成，由于其性能优 越，已成为国民经济及国防领域不可缺少的一类重要材料。聚合物的共混加工方法主要是 通过单(双)螺杆挤出机进行混合。固态聚合物由进料口进入，在螺杆挤出机机筒内由固 态变成熔融态，由挤出机出料口挤出进入成型磨具。最终挤出产品的质量与原材料的性能 配比、机筒内温度压力、挤出机螺杆转速、螺杆结构等因素有关，同时在生产过程中也体现 为混合物在螺杆挤出机机筒中不同部位的混合状态。因此在生产过程中对聚合物混合过程 状态的在线检测具有重要意义，可以利用检测结果及时调整生产工艺，减少产品浪费和废 品污染，加快产品生产周期。 目前聚合物生产线上主要通过监测机筒内的温度和压力来指导生产，而获取混合
状态信息的方法都是离线的，如对通过安装在不同部位的特殊的样品采集器获得的混合样
品进行理化分析、通过安装在挤出机上的玻璃窗观察混合过程等。这些方法均不能实时、准
确的给出混合信息，不能满足生产的需要，严重制约了我国聚合物加工产业的发展。 超声检测技术采用超声波在穿透共混聚合物熔体时，其回波振幅、声速、衰减系数
和声阻抗将随共混物的熔融状态而变化，这一原理可用于聚合物在螺杆挤压过程中不同位
置处的混合状态检测。聚合物混合时，其在挤出机中的熔融态温度一般在IO(TC以上，而一
般超声探头只能在常温下工作，影响超声技术在这方面的应用。

发明内容
本发明目的在于提供一种聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，采用该 方法能够在聚合物挤出生产线上实现对聚合物在挤出机中不同部位的混合状态进行实时 监测、状态识别和生产分析等功能。 本发明提供的聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，其特征在于通过 安装在单螺杆或双螺杆挤出机上的超声传感器实时获取反映聚合物混合状态的超声回波 信号的振幅；使用对应位置的温度压力传感器获取的机筒内熔态聚合物的温度和压力作为 参考量，采用秩滤波和低通滤波方法校正并归一化回波振幅；运用相关系数匹配方法完成 振幅曲线不同周期间的位置匹配；计算不同周期间对应位置的超声回波振幅偏差，通过振 幅与聚合物含量的关系，识别聚合物的混合状态。 可以根据现场的监测需求，分别在螺杆挤出机上不同部位安装温度压力传感器和
超声传感器，同时监测多个部位的聚合物混合状态，实现聚合物混合过程的监测。 所说的超声传感器由超声探头、声波耦合杆和水冷装置组成；超声探头的中心频
率为2. 5MHz，激励脉冲宽度为1 i！ s ;声波耦合杆以聚醚醚酮为材料，主体部分为圆柱结构，
采用螺纹结构与螺杆挤出机机筒紧密连接，顶端与超声探头粘接接触，底端与挤出机机筒内壁相切；水冷装置中的恒温水与声波耦合杆充分接触。
本发明的有益效果 (1)利用超声回波幅值、机筒内聚合物的压力和温度，在线监测机筒内不同部位聚 合物的混合状态，不受人主观因素的影响，起到及时指导和调整生产工艺的作用，有效地提 高生产效率，縮短新产品的研发周期。 (2)超声传感器带有水冷装置和螺纹安装结构，适用于聚合物在生产挤出过程中 的高温高压环境下工作； (3)声波耦合杆采用聚醚醚酮为材料，提高了声波在耦合杆与聚合物界面的透射 率，有效地抑制了超声波在圆柱杆中传播的尾随噪声，提高了特征回波的信噪比；
(4)声波耦合杆底端与机筒内壁相切，可在不影响聚合物挤出机正常工作情况下， 准确监测聚合物的混合状态； (5)采用不同周期间同一位置的超声回波偏差作为特征量，有效的避免了由于螺 杆结构造成的影响； (6)使用熔态聚合物的温度和压力为参考量，采用秩滤波和低通滤波方法校正并 归一化超声回波振幅，避免由于熔态聚合物的温度和压力对超声回波信号的影响；
(7)使用相关系数匹配方法完成振幅曲线不同周期间的位置匹配，避免了由于螺 杆转速不匀造成采样点与螺杆位置的偏差影响对应位置的准确比较； (8)结合信号处理技术和工业控制技术，可以达到实时监测聚合物混合过程多个 不同部位的混合状态，易于扩展；可以对监测数据进行保存、显示和分析，适用于聚合物新 产品研发的应用。


图1为传感器安装位置图； 图1中，(la)传感器安装正视图，(lb)传感器安装处的周向截面图； 图2为超声波在聚合物中的传播和回波示意图； 图2中，(2a)传播原理示意图，(2b)超声回波示意图； 图3为超声传感器特征回波信号的B扫描图； 图3中，(3a)位置I， (3b)位置II， (3c)位置III， (3d)位置IV ; 图4为特征信号幅值偏差柱状具体实现方式 本发明以超声回波特征量来表征聚合物混合状态信息，结合挤出机机筒内的温 度、压力，通过信号处理方法，采用计算机的处理技术，实现实时在线监测聚合物在生产挤 出过程中的混合状态。 聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，通过安装在单螺杆或双螺杆挤出 机上的超声传感器实时获取反映聚合物混合状态的超声回波信号的振幅；使用对应位置的 温度压力传感器获取的机筒内熔态聚合物的温度和压力作为参考量，采用秩滤波和低通滤 波方法校正并归一化回波振幅；运用相关系数匹配方法完成振幅曲线不同周期间的位置匹 配；计算不同周期间对应位置的超声回波振幅偏差，通过振幅与聚合物含量的关系，识别聚合物的混合状态。 根据现场的监测需求，分别在螺杆挤出机上不同部位安装温度压力传感器和超声 传感器，同时监测多个部位的聚合物混合状态，实现聚合物混合过程的监测。
所说的超声传感器由超声探头、声波耦合杆和水冷装置组成；超声探头的中心频 率为2. 5MHz，激励脉冲宽度为1 i！ s ;声波耦合杆以聚醚醚酮为材料，主体部分为圆柱结构， 采用螺纹结构与螺杆挤出机机筒紧密连接，顶端与超声探头粘接接触，底端与挤出机机筒 内壁相切；水冷装置中的恒温水与声波耦合杆充分接触。 如图la所示，螺杆挤出机机筒上的不同部位安装有温度压力传感器和超声传感 器，温度压力传感器和超声传感器在圆周方向的相对位置如图lb所示，图lb中TPT和UT分 别表示温度压力传感器和超声传感器。计算机控制系统同时同步采集多路温度压力传感器 的温度、压力和超声传感器的超声信号，并提取反映聚合物混合状态的特征回波振幅；对于 任一部位，先以温度和压力为参考量校正当前一段时间内的超声回波振幅，再进行秩滤波， 滤除由于螺杆结构变化而影响的振幅跳变，接着采用低通滤波方法提取振幅变化趋势向， 归一化回波振幅，将这段时间内多个周期的振幅曲线采用运用相关系数匹配方法进行位置 匹配；根据位置匹配的结果，计算所有同一位置的超声回波振幅偏差，并得出综合偏差；最 后通过振幅与聚合物含量的关系，采用综合偏差识别聚合物的混合状态，并显示。在实际应 用中，可以根据需要，增加控制模块实现聚合物挤出过程的反馈控制。 超声特征回波的提取是依据图2的超声传播原理，声波经声波耦合杆、熔态聚合 物传播，在耦合杆/聚合物界面和聚合物/螺杆界面产生回波Ll和L2，最后由超声探头接 收，得到的典型回波信号如图3所示，图3中的A2为超声特征回波振幅。
应用实例 在单螺杆挤出机进行90%低密度聚乙烯(LDPE)和10%碳酸钙的混合试验。机筒 内径为小90mm，螺杆长1600mm，螺杆转速为10r/min ;压力温度传感器采用PT124B/PT124G ; 在图1中的四个部位安装相同的超声传感器进行检测，图4为四个位置的特征回波信号B 扫描图，从图中可以看出在位置I处检测的特征回波幅值起伏较大，而在位置IV处的特征 回波信号最稳定，图5列出了四个位置检测特征回波幅值的相对方差(方差与均值之比，表 示相对偏差量)的对比情况，说明随着混合的进行特征回波信号越稳定、幅值方差越小，根 据这一特点可以检测两种聚合物的混合状态。
权利要求
聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，其特征在于通过安装在单螺杆或双螺杆挤出机上的超声传感器实时获取反映聚合物混合状态的超声回波信号的振幅；使用对应位置的温度压力传感器获取的机筒内熔态聚合物的温度和压力作为参考量，采用秩滤波和低通滤波方法校正并归一化回波振幅；运用相关系数匹配方法完成振幅曲线不同周期间的位置匹配；计算不同周期间对应位置的超声回波振幅偏差，通过振幅与聚合物含量的关系，识别聚合物的混合状态。
2. 根据权利要求1所述的聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，其特征在 于根据现场的监测需求，分别在螺杆挤出机上不同部位安装温度压力传感器和超声传感 器，同时监测多个部位的聚合物混合状态，实现聚合物混合过程的监测。
3. 根据权利要求1所述的聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，其特征在 于所说的超声传感器由超声探头、声波耦合杆和水冷装置组成；超声探头的中心频率为 2. 5MHz，激励脉冲宽度为li!S ;声波耦合杆以聚醚醚酮为材料，主体部分为圆柱结构，采用 螺纹结构与螺杆挤出机机筒紧密连接，顶端与超声探头粘接接触，底端与挤出机机筒内壁 相切；水冷装置中的恒温水与声波耦合杆充分接触。
全文摘要
本发明公开了一种聚合物生产过程中混合状态超声在线监测方法，属于工业检测技术领域。本发明通过安装在单螺杆或双螺杆挤出机上的超声传感器实时获取反映聚合物混合状态的超声回波信号的振幅；使用对应位置的温度压力传感器获取的机筒内熔态聚合物的温度和压力作为参考量，采用秩滤波和低通滤波方法校正并归一化回波振幅；运用相关系数匹配方法完成振幅曲线不同周期间的位置匹配；计算不同周期间对应位置的超声回波振幅偏差，通过振幅与聚合物含量的关系，识别聚合物的混合状态；该方法能够实时在线监测聚合物挤出过程中的混合状态，为聚合物的产品质量和工艺调整提供状态参数。
文档编号G01N29/02GK101762639SQ201010000080
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者王召巴, 肖凯生, 赵霞, 邢巍, 金永, 陈友兴 申请人:中北大学;秦皇岛凯维科技有限公司