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精确监测大口径管道的挤出
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塑料挤出机展厅
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在大口径、厚壁塑料管的挤出过程中,产品质量以及削减占据了总成本90%的原材料成本是重中之重。根据不同的生产线产量、所用材料类型和标准,最大、最小允许管道尺寸每年可以节约数百万欧元不等。另外,符合最大、最小许可直径和壁厚准则和标准,构成了无瑕疵管道加工的基础(如易于焊接)。

在管道挤出过程中,由于规格的限制以及要求的日益严格,生产商会采用测量和控制设备来确保生产线产品质量。精确测量系统的使用,有助于大幅节约时间和材料,并带来高品质的最终产品。

挤出过程中塑料管道尺寸的测量

德国不来梅的Sikora AG公司与弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术(FHR)及Süddeutsches Kunststoff-Zentrum (SKZ)合作,开发出了新型millimeter wave技术。这种技术以非接触方式在线精确测量直径超过120mm的大型塑料管道的内外径,并确定椭圆度、壁厚及下垂(高粘度熔体凝固过程中熔体的垂度)水平。测量系统(图1)能适应挤出塑料的特性,不需要操作人员进行任何校准。这提高了产品质量,确保在挤出过程中可以节约大量的材料和成本。

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图1 Millimeter wave测量技术:系统的测量范围为600mm,可确定直径、椭圆度、壁厚和大口径管道的垂度。
通过两个收发器(一个收发器位于测量系统的左上方),可以在圆周范围内的四个点同时测得所有测量值。(© Sikora)

今天,塑料管道生产过程中采用了光学方法以确保品质,如用于确定直径的激光,或同心性、壁厚等其它测量值的X光。传统技术如超声波也用于测量管道直径,但是它们通常具有功能局限。另一种品控技术目前在进行实际测试中。它与生成太赫脉冲这种昂贵的飞秒光纤激光器相结合,太赫光束照射到测量物体上。壁厚则由接触到内外边界层的声波反射来判定。

本文讨论了具有明显成本效益的调频雷达技术FMCW。那些系统的工作频率介于亚太赫兹范围内,在汽车行业作为距离测量技术已经使用了一段时间。这是基于半导体的一项技术,价格经济,寿命不受限制。但是,必须通过提高像素,增加几倍调频带宽。在所选的80-300 GHz的范围内,可以透过所有吸收性低的塑料,并测得壁厚。

Millimeter Wave测量技术

近年来,millimeter waves计量应用研究已获得了巨大的成功:由于调制波段可以低至微米范围内,因此可提高测量精度。在不了解挤出材料的特性以及温度的情况下,系统可以在圆周的几个点上同时测量外轮廓以及壁厚。它还可以精确测量多层管的单层厚度,而且无需进行校准。

一个静态的系统有选择性地测量管道的壁厚及内外径。如果需要完整记录管道整个圆周范围内的壁厚,可采用旋转测量头。这种设计理念同时可以精确测量和反映垂度。根据外层如,塑料管前后端的反射信号时间的差异确定测量值。由各个收发器上的接收器测得并解调的信号,包含着不同材料边界层之间的距离信息。测得壁厚为4mm,精度精确到几个毫米。测量速度达到250次/秒。

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图2 替代方案:带有旋转传感器(左)或静态设置传感器(右)的测量系统(由Sikora提供)

在对各个传感器接收信号进行算法加工后,可以看到所需要的测量结果,并可实时控制不同的管径。连接的处理系统可对测量值综合趋势和统计数据提供额外的数显和图示(图3)。如果我们假定一条生产线可以0.66mm/分的速度生产外径为400mm、壁厚为22.7mm的管道,在10米长后,要首先通过一个冷却槽,以便使挤出管道稳定下来。设备操作人员在大约15分钟后即可获得准确的测量结果。新的开发方向是,在管道刚通过挤出机头后即可以测得壁厚和直径。

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图3运行时间测量法:通过不断调频的反射millimeter wave运行时间(外层)来确定管道的尺寸(由Sikora提供)

优化管道质量,节约时间和成本

采用millimeter wave技术时,温度对测量结果没有影响,系统的安装方式方便进行热测量和在生产线冷端进行最后的品质控制。在首次冷却后,系统提供准确的信息。另外,这项技术涵盖了各种塑料,如PE、HDPE、PP、 PA6和PVC (图4)。

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图4 PVC中无线波的吸收:本测量方法采用的光谱介于80~300 GHz,其中的吸收系数很小,
因此,即便是PVC管壁很厚,也可以得到精确的测量。(来源:SKZ Würzburg)

过去十多年中,超声波已成为一种常规技术。有了它,就可以测量管道的壁厚。但是,这里存在一个难题,因为它对声波的吸收很大,尤其是在高温时更是如此。这样,就比较难以测量热区厚度很大的管道。而且,由于温度对声音传播影响大,不管是冷区还是热区,管道的测量精度很大程度上受到了限制。但我们的目标是尽量在生产工艺的早期阶段获得可靠的、精确的尺寸信息,以便在需要时采取行动,避免产品出现瑕疵。另外,也有必要在生产工艺开始阶段就获得管道最小许可尺寸,以便尽可能节约米重。低米重所带来的成本节约,往往在竞争中具有决定性影响。

系统应用

millimeter wave技术适合测量任何一种直径介于120mm-2500mm甚至更大的塑料管尺寸,如水、煤气、化学和石油管道。特别值得一提的是,该系统可用于挤出PVC这种建筑和交通运输领域使用最为广泛的管材的测量,并且可以精确测量PVC管的壁厚。

另一个应用领域是测量多层管和曲面。在生产过程中,熔体由于受到地球引力的作用,在流经管道模具时会形成下垂,造成管道壁厚分布不匀。这种“下垂”可由测量方法得到识别。通过显示和控制装置,设备生产商可以立即获得生产过程中的相关信息,并在需要时采取措施。

结论和展望

大型塑料管生产品质的要求在不断提高。规范对生产产品的尺寸进行了准确的定义。确保塑料管挤出生产过程中的精确性、质量的可靠性越来越重要。通过使用基于millimeter wave技术进行热测量、为控制最终质量进行冷部测量的系统,可以对重要的产品参数进行持续的在线监测。

这种方法适用于不同的材料类型,尤其是PVC。这种方法还可以确定并准确测得弯曲的产品表面以及多层管的壁厚。相应地,millimeter wave技术和处理系统相结合,可以优化流程,改善管道质量,尽可能减少材料耗用量,同时节约时间和成本。
文章内容仅供参考 (投稿) (2016-9-1)
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