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軟管及管材的擠出測(cè)量技術(shù)
????????過去幾年，軟管及管材生產(chǎn)商在測(cè)量和控制技術(shù)、產(chǎn)線控制方面進(jìn)行了大量投資，以提高在線質(zhì)量控制水平、工藝穩(wěn)定性并降低成本。現(xiàn)在，配有控制系統(tǒng)的在線測(cè)量裝置已成為擠出生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)配置。使用到的設(shè)備有測(cè)量頭，可以測(cè)量?jī)?nèi)徑、外徑、橢圓度、偏心率，并且最好能在擠出過程中測(cè)量出產(chǎn)品垂掛度(粘度很高時(shí)固化過程中熔體形成“垂掛”)，但不僅限于此。所使用的測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同而采用不同技術(shù)。本文對(duì)傳統(tǒng)及創(chuàng)新測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了回顧，并探討了它們?cè)跀D出生產(chǎn)線中的利弊。
????????軟管和管材直徑測(cè)量技術(shù)
????????軟管和管材產(chǎn)品直徑的測(cè)量一般采用兩種已十分成熟的方法，分別是“掃描系統(tǒng)”和“線性CCD傳感技術(shù)”。
????????◆掃描系統(tǒng)
????????掃描法是將激光束通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡面或旋轉(zhuǎn)盤對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行掃描。在旋轉(zhuǎn)鏡面與光傳感器之間放置兩只透鏡。第一只透鏡使激光束幾乎平行地穿過測(cè)量區(qū)域，第二只透鏡則將光束導(dǎo)向光敏探測(cè)器上。被掃描的產(chǎn)品置于兩只透鏡間，在測(cè)量區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描時(shí)對(duì)激光束產(chǎn)生影響。比較激光束通過整個(gè)測(cè)量區(qū)域所需的時(shí)間與激光掃描整個(gè)產(chǎn)品表面所需的時(shí)間，即可計(jì)算出產(chǎn)品的直徑。在這種情況下，時(shí)間等價(jià)于直徑(圖1)。測(cè)量速率取決于鏡面旋轉(zhuǎn)速度。使用多面鏡有望提高測(cè)量速率。這就要求鏡面必須達(dá)到完全一致的表面加工精度。通常會(huì)進(jìn)行多次測(cè)量，以獲得合理的精確度。
????????圖1 帶旋轉(zhuǎn)鏡的掃描方法
????????◆線性CCD傳感系統(tǒng)
????????線性CCD傳感測(cè)量技術(shù)主要有兩種。第一種方法是利用光學(xué)儀器(透鏡組)使激光束聚焦在一個(gè)線性傳感器上。通過計(jì)算物體陰影圖像中變暗的二極管，就可以確定直徑大小。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需移動(dòng)部件，但透鏡組的成本較高(圖2)。
????????圖2 使用線性CCD傳感器的掃描法
????????第二種是智能方法，即用激光點(diǎn)亮高分辨率線性CCD，通過計(jì)算衍射條紋來確定直徑。這種方法測(cè)量速度非常快，只受到所選擇的線性CCD傳感器的限制。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是省去了昂貴的透鏡組以及移動(dòng)部件。
????????掃描和線性傳感技術(shù)的主要區(qū)別在于，線性CCD傳感技術(shù)只依靠數(shù)字化方式，不需要移動(dòng)部件，因此具有更高的準(zhǔn)確性、可重現(xiàn)性和測(cè)量速度。線性傳感器的測(cè)量頭在兩三個(gè)平面上測(cè)量直徑。它們能測(cè)量直徑為0.05至500mm范圍內(nèi)各種材質(zhì)的不透明或透明材料部件。另外，某些模型測(cè)量速度可高達(dá)5000/軸/秒，因此是探測(cè)團(tuán)塊和頸縮現(xiàn)象的可靠工具。
????????直徑、壁厚和偏心率測(cè)量技術(shù)
????????由于僅測(cè)量直徑不能滿足要求的應(yīng)用，軟管和管材生產(chǎn)商需要采用還能測(cè)量產(chǎn)品壁厚和偏心率的測(cè)量系統(tǒng)。除了質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化，節(jié)約塑料材料并降低成本同樣十分重要。舉例來說，常規(guī)采用的是基于超聲波的技術(shù)。這種方法適合單層產(chǎn)品壁厚的基本測(cè)量，但由于其功能以及對(duì)材料特性、塑料溫度和耦合介質(zhì)的依賴，因而具有局限性。目前，X光技術(shù)則能確保獲得精確的產(chǎn)品參數(shù)測(cè)量結(jié)果，而不會(huì)受到環(huán)境或材料的影響。
????????圖3 無需光學(xué)和移動(dòng)部件的CCD線性傳感器衍射條紋測(cè)量原理及其分析
????????◆超聲技術(shù)
????????超聲技術(shù)只部分適用于軟管與管材的在線質(zhì)量控制。比如，超聲技術(shù)不能穿透用作復(fù)合管道中蒸汽阻隔層的鋁質(zhì)層，因此不能適用于此。測(cè)量橡膠軟管時(shí)，超聲信號(hào)在很大程度上會(huì)被孔隙和橡膠材料所吸收，因此也不能提供可靠的測(cè)量結(jié)果。而且，多層橡膠軟管一般都含有增強(qiáng)織物，它會(huì)轉(zhuǎn)移超聲波回聲，使測(cè)量無法進(jìn)行。超聲波測(cè)量通常在水浴中實(shí)現(xiàn)，其中，水被用作聲音傳播的耦合介質(zhì)。鑒于超聲波的傳播速度，必須進(jìn)行精確的溫度補(bǔ)償，以根據(jù)溫度和材料計(jì)算偏心率。這種技術(shù)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，只有將超聲技術(shù)和額外的重力系統(tǒng)相結(jié)合，才能估算出壁厚。
????????◆X-光技術(shù)
????????X光技術(shù)采用了成像原理。X光技術(shù)對(duì)材料沒有限制，也不需要耦合介質(zhì)。這種技術(shù)不受材料溫度的局限，因此可以將X光測(cè)量設(shè)備直接結(jié)合到擠出生產(chǎn)線上，不需要額外的措施，也無需校準(zhǔn)?？梢匝b在擠出頭(熱測(cè)量)后面，也可以在生產(chǎn)線末端(最終質(zhì)量控制)。通過4點(diǎn)在線測(cè)量，僅需一臺(tái)設(shè)備即可獲得壁厚、偏心率、內(nèi)外直徑和橢圓度的測(cè)量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可用于最多三層不同材料的測(cè)量，測(cè)量值可以管材/管道截面的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化或圖形化的實(shí)時(shí)顯示，讓用戶可完美地進(jìn)行擠出工具的對(duì)中。在考慮最小值的同時(shí)自動(dòng)控制生產(chǎn)線速度或擠出機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)最高效率至為關(guān)鍵。這樣，就可以確保軟管的品質(zhì)。在另一方面，控制最小值可確保只消耗必需的材料。X-光技術(shù)適用于直徑為0.65至270 mm的產(chǎn)品。對(duì)X光技術(shù)安全性擔(dān)憂是沒有根據(jù)的，因?yàn)榈湍芰康妮椛錄]有相關(guān)性。實(shí)際上，當(dāng)人們乘坐從紐約飛到法蘭克福之類航班時(shí)，受到的輻射要高很多。
????????圖4裝在軟管擠出生產(chǎn)線上的X光測(cè)量系統(tǒng)
????????大型塑料管道的測(cè)量技術(shù)
????????對(duì)于用于建筑和公共服務(wù)領(lǐng)域的120mm以上直徑大型塑料管道的測(cè)量，上述技術(shù)同樣適用。但這些技術(shù)在功能(超聲)、成本、測(cè)量范圍、周邊測(cè)量點(diǎn)數(shù)量(X光)以及測(cè)量直徑上(激光)都存在局限性。目前，用于質(zhì)量控制的更新技術(shù)已在測(cè)試中。它采用了瞄準(zhǔn)材料的太赫茲脈沖激發(fā)高功率光纖激光。通過材料內(nèi)、外層邊緣反射的脈沖來確定壁厚。但用這種技術(shù)在測(cè)量厚壁和高阻尼材料如PVC時(shí)也是存在局限的。另外，激光器的耐久性有限，且成本昂貴。
????????◆毫米波（Millimeter waves）技術(shù)
????????雷達(dá)技術(shù)FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)是用于尺寸測(cè)量和下垂度記錄的一種成本大為降低的創(chuàng)新性技術(shù)。這些系統(tǒng)工作脈沖處于亞太赫茲脈沖范圍內(nèi)，它在汽車領(lǐng)域用于距離測(cè)量已有一段時(shí)間了。它采用半導(dǎo)體技術(shù)，價(jià)格比較實(shí)惠，在實(shí)際使用中壽命不受限。在80到300 GHz的選擇范圍內(nèi)，所有塑料材料都可以穿透，且吸收率低，因此可測(cè)得壁厚。有一個(gè)或兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)收發(fā)器在繞管材移動(dòng)時(shí)，會(huì)持續(xù)收發(fā)調(diào)頻毫米波。另一種方法是，用靜態(tài)系統(tǒng)通過兩只接收器在四個(gè)點(diǎn)上選擇性地測(cè)量壁厚和管材的內(nèi)外徑。如果需要圍繞管周完整測(cè)量壁厚，則需要用旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭。這種情況下，也可以精確測(cè)出并顯示下垂度。該測(cè)量方法應(yīng)用了塑料材料前后端邊界層信號(hào)反射的時(shí)間差。測(cè)量精度達(dá)到幾微米，測(cè)量速度為500次/秒。毫米波技術(shù)可沿著完整的周長(zhǎng)，精確測(cè)量120至2500mm的產(chǎn)品。不需要耦合介質(zhì)，且不受溫度或塑料材料的影響。另外，測(cè)量系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)并適應(yīng)擠塑材料的特性，用戶不需要校準(zhǔn)。而且，該技術(shù)為擠塑機(jī)提供了校準(zhǔn)和溫度控制的信息，因此測(cè)量值可確保用于優(yōu)化同心性，并最大限度地降低壁厚。
????????總結(jié)
????????隨著對(duì)軟管和管材生產(chǎn)品質(zhì)要求的提高，依靠非破壞性測(cè)試(NDT)對(duì)塑料管道的擠出質(zhì)量進(jìn)行精確、可靠的控制變得尤為重要。此外，高效地使用材料以降低成本也是工廠管理的重點(diǎn)。測(cè)量和控制系統(tǒng)可以持續(xù)檢測(cè)和控制重要的產(chǎn)品參數(shù)。因此，軟管和管材生產(chǎn)商可選擇具有不同功能和多種用途的各種的技術(shù)。
????????圖5 毫米波技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)通過分析信號(hào)反射時(shí)間差，確定管徑、壁厚和下垂度
????????激光技術(shù)能對(duì)0.5至500mm范圍內(nèi)的管徑進(jìn)行可靠的在線測(cè)量。另外，X光測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量直徑高達(dá)270mm的產(chǎn)品的壁厚和偏心度。同時(shí)，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了基于毫米波的創(chuàng)新技術(shù)用于在擠塑生產(chǎn)線上測(cè)量管徑高達(dá)2500mm的大型塑料管道。該技術(shù)可用來精確測(cè)量用不同類型材料制成的常規(guī)大小的管材尺寸和下垂度。因此，擠塑生產(chǎn)線到底應(yīng)該采用哪種測(cè)量技術(shù)，取決于應(yīng)用領(lǐng)域、以及用戶基于質(zhì)量保障、工藝優(yōu)化、成本節(jié)約等對(duì)測(cè)量和控制提出的要求等。
