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軟管及管材的擠出測量技術
????????過去幾年，軟管及管材生產商在測量和控制技術、產線控制方面進行了大量投資，以提高在線質量控制水平、工藝穩(wěn)定性并降低成本。現在，配有控制系統的在線測量裝置已成為擠出生產線的標準配置。使用到的設備有測量頭，可以測量內徑、外徑、橢圓度、偏心率，并且最好能在擠出過程中測量出產品垂掛度(粘度很高時固化過程中熔體形成“垂掛”)，但不僅限于此。所使用的測量系統根據應用領域的不同而采用不同技術。本文對傳統及創(chuàng)新測量技術進行了回顧，并探討了它們在擠出生產線中的利弊。
????????軟管和管材直徑測量技術
????????軟管和管材產品直徑的測量一般采用兩種已十分成熟的方法，分別是“掃描系統”和“線性CCD傳感技術”。
????????◆掃描系統
????????掃描法是將激光束通過一個旋轉鏡面或旋轉盤對測量區(qū)域進行掃描。在旋轉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量區(qū)域，第二只透鏡則將光束導向光敏探測器上。被掃描的產品置于兩只透鏡間，在測量區(qū)域內進行掃描時對激光束產生影響。比較激光束通過整個測量區(qū)域所需的時間與激光掃描整個產品表面所需的時間，即可計算出產品的直徑。在這種情況下，時間等價于直徑(圖1)。測量速率取決于鏡面旋轉速度。使用多面鏡有望提高測量速率。這就要求鏡面必須達到完全一致的表面加工精度。通常會進行多次測量，以獲得合理的精確度。
????????圖1 帶旋轉鏡的掃描方法
????????◆線性CCD傳感系統
????????線性CCD傳感測量技術主要有兩種。第一種方法是利用光學儀器(透鏡組)使激光束聚焦在一個線性傳感器上。通過計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)點是無需移動部件，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，即用激光點亮高分辨率線性CCD，通過計算衍射條紋來確定直徑。這種方法測量速度非常快，只受到所選擇的線性CCD傳感器的限制。第二種方法的優(yōu)點是省去了昂貴的透鏡組以及移動部件。
????????掃描和線性傳感技術的主要區(qū)別在于，線性CCD傳感技術只依靠數字化方式，不需要移動部件，因此具有更高的準確性、可重現性和測量速度。線性傳感器的測量頭在兩三個平面上測量直徑。它們能測量直徑為0.05至500mm范圍內各種材質的不透明或透明材料部件。另外，某些模型測量速度可高達5000/軸/秒，因此是探測團塊和頸縮現象的可靠工具。
????????直徑、壁厚和偏心率測量技術
????????由于僅測量直徑不能滿足要求的應用，軟管和管材生產商需要采用還能測量產品壁厚和偏心率的測量系統。除了質量控制和工藝優(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。這種方法適合單層產品壁厚的基本測量，但由于其功能以及對材料特性、塑料溫度和耦合介質的依賴，因而具有局限性。目前，X光技術則能確保獲得精確的產品參數測量結果，而不會受到環(huán)境或材料的影響。
????????圖3 無需光學和移動部件的CCD線性傳感器衍射條紋測量原理及其分析
????????◆超聲技術
????????超聲技術只部分適用于軟管與管材的在線質量控制。比如，超聲技術不能穿透用作復合管道中蒸汽阻隔層的鋁質層，因此不能適用于此。測量橡膠軟管時，超聲信號在很大程度上會被孔隙和橡膠材料所吸收，因此也不能提供可靠的測量結果。而且，多層橡膠軟管一般都含有增強織物，它會轉移超聲波回聲，使測量無法進行。超聲波測量通常在水浴中實現，其中，水被用作聲音傳播的耦合介質。鑒于超聲波的傳播速度，必須進行精確的溫度補償，以根據溫度和材料計算偏心率。這種技術需要進行校準。另外，只有將超聲技術和額外的重力系統相結合，才能估算出壁厚。
????????◆X-光技術
????????X光技術采用了成像原理。X光技術對材料沒有限制，也不需要耦合介質。這種技術不受材料溫度的局限，因此可以將X光測量設備直接結合到擠出生產線上，不需要額外的措施，也無需校準。可以裝在擠出頭(熱測量)后面，也可以在生產線末端(最終質量控制)。通過4點在線測量，僅需一臺設備即可獲得壁厚、偏心率、內外直徑和橢圓度的測量數據。該系統可用于最多三層不同材料的測量，測量值可以管材/管道截面的形式實現數字化或圖形化的實時顯示，讓用戶可完美地進行擠出工具的對中。在考慮最小值的同時自動控制生產線速度或擠出機轉速(RPM)，這對于實現最高效率至為關鍵。這樣，就可以確保軟管的品質。在另一方面，控制最小值可確保只消耗必需的材料。X-光技術適用于直徑為0.65至270 mm的產品。對X光技術安全性擔憂是沒有根據的，因為低能量的輻射沒有相關性。實際上，當人們乘坐從紐約飛到法蘭克福之類航班時，受到的輻射要高很多。
????????圖4裝在軟管擠出生產線上的X光測量系統
????????大型塑料管道的測量技術
????????對于用于建筑和公共服務領域的120mm以上直徑大型塑料管道的測量，上述技術同樣適用。但這些技術在功能(超聲)、成本、測量范圍、周邊測量點數量(X光)以及測量直徑上(激光)都存在局限性。目前，用于質量控制的更新技術已在測試中。它采用了瞄準材料的太赫茲脈沖激發(fā)高功率光纖激光。通過材料內、外層邊緣反射的脈沖來確定壁厚。但用這種技術在測量厚壁和高阻尼材料如PVC時也是存在局限的。另外，激光器的耐久性有限，且成本昂貴。
????????◆毫米波（Millimeter waves）技術
????????雷達技術FMCW(調頻連續(xù)波)是用于尺寸測量和下垂度記錄的一種成本大為降低的創(chuàng)新性技術。這些系統工作脈沖處于亞太赫茲脈沖范圍內，它在汽車領域用于距離測量已有一段時間了。它采用半導體技術，價格比較實惠，在實際使用中壽命不受限。在80到300 GHz的選擇范圍內，所有塑料材料都可以穿透，且吸收率低，因此可測得壁厚。有一個或兩個連續(xù)旋轉收發(fā)器在繞管材移動時，會持續(xù)收發(fā)調頻毫米波。另一種方法是，用靜態(tài)系統通過兩只接收器在四個點上選擇性地測量壁厚和管材的內外徑。如果需要圍繞管周完整測量壁厚，則需要用旋轉測量頭。這種情況下，也可以精確測出并顯示下垂度。該測量方法應用了塑料材料前后端邊界層信號反射的時間差。測量精度達到幾微米，測量速度為500次/秒。毫米波技術可沿著完整的周長，精確測量120至2500mm的產品。不需要耦合介質，且不受溫度或塑料材料的影響。另外，測量系統可自動調節(jié)并適應擠塑材料的特性，用戶不需要校準。而且，該技術為擠塑機提供了校準和溫度控制的信息，因此測量值可確保用于優(yōu)化同心性，并最大限度地降低壁厚。
????????總結
????????隨著對軟管和管材生產品質要求的提高，依靠非破壞性測試(NDT)對塑料管道的擠出質量進行精確、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。測量和控制系統可以持續(xù)檢測和控制重要的產品參數。因此，軟管和管材生產商可選擇具有不同功能和多種用途的各種的技術。
????????圖5 毫米波技術測量系統通過分析信號反射時間差，確定管徑、壁厚和下垂度
????????激光技術能對0.5至500mm范圍內的管徑進行可靠的在線測量。另外，X光測量系統可以測量直徑高達270mm的產品的壁厚和偏心度。同時，市場上也出現了基于毫米波的創(chuàng)新技術用于在擠塑生產線上測量管徑高達2500mm的大型塑料管道。該技術可用來精確測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，擠塑生產線到底應該采用哪種測量技術，取決于應用領域、以及用戶基于質量保障、工藝優(yōu)化、成本節(jié)約等對測量和控制提出的要求等。
