CN103499514A - 一种在线测试流体黏度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种在线测试流体黏度的方法和装置。先建立黏度与超声波声速对应曲线：在标定装置流道出口的毛细管口模附近某一截面安装温度传感器和压强传感器6测试温度和压强，同时通过超声波发射检测***通过探头3和7，测试超声波穿过厚度l流体所需要的传播时间Δt，便得到声速
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE001
。同时，加载装置驱动柱塞4上下移动位置改变物料体积并推动经下端毛细管口模8流出，采用现有毛细管流变仪测试理论计算得到剪切黏度
Figure DEST_PATH_475562DEST_PATH_IMAGE002
。这样，在不同剪切速率、温度或压强下测试，可建立黏度
Figure DEST_PATH_406609DEST_PATH_IMAGE002
~声速
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE003
对应曲线，从曲线可回归二者的对应方程。在生产线或设备上直接测定流道内流体中超声波传递速度，即可根据建立的曲线或方程对应出该温度和压力下流体黏度，这样可进行在线测试。

Description

一种在线测试流体黏度的方法和装置
技术领域
本发明涉及材料加工流变性能测试领域，特别涉及到一种在线表征流体黏度的测试方法和装置。
背景技术
黏度是材料重要的流变性能，对其进行快速检测为正确设计模具、选择加工成型机械和确定加工工艺条件具有指导意义，特别是在连续生产过程有效控制工艺要求能在线检测该流变性能。
现有黏度检测方法基于流变仪进行测试。一方面，生产过程取样可能干扰正常生产；另一方面，线下样品可能与生产中的不一样，即脱离了实际加工条件，对制备和加工过程的指导作用有限。如果将流变仪直接安装在原料生产线或加工成型设备上进行测定，则为直接的在线测试。现有所谓在线流变仪安装在生产线上，实际是间歇取样的，且流变仪结构复杂、测试响应缓慢，无法原位测试。理想的是在不干扰生产或加工成型的情况下，直接进行原位测试获取一些信号，并将其与流变参数建立关系，那么便可以用原位检测的间接信号表征流变性能。本发明提出在生产线上安装超声波***，通过监测流体中超声波传递特性（如声速或衰减系数）来在线测试黏度，表征物料流动特征。该方法具有无损、安装简便和易于操作等优点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在线表征流体黏度的测试方法和装置。
该方法的基本原理是：在一定温度和压力下，一定频率的超声波在确定流道内流体中传递速度是唯一的，此时流道内流体的黏度和密度也是确定的，黏度与超声波声速是对应的。这样，在标定装置上测试建立黏度与超声波声速对应曲线后，直接测定流道内流体中超声波传递速度，即可对应出流道内该温度和压力下流体黏度。
图1示意一种建立黏度与超声波声速对应曲线的黏度标定装置。按照图2或图3，在流道出口的毛细管口模附近同一横截面布置安装传感器，通过超声波发射及信号检测***控制和收集数据。该***主要由料腔（1）、加热/冷却部件（2）、超声波发射探头（3）、柱塞（4）温度/压强传感器（6）、超声波接受探头（7）、毛细管口模（8）、螺栓（9）和固定板（10）组成，流体（5）密闭在料腔（1）中，口模用固定板（10）通过螺栓（9）与料腔体连接安置在料腔内部下端。传感器和超声波探头平齐料腔内壁面通过螺纹固定，防止干扰熔体流动，且它们应与料腔体安装孔形成密封防止漏料；超声波探头后部通冷却水保证信号线不被加热到高温而损坏。
在该装置上进行黏度与超声波声速同步测试建立二者的对应曲线，在线测试方法为：如图2和3所示，在确定流道内某一截面（面积A）安装温度传感器和压强传感器测试温度T、压强P，同时通过超声波发射检测***采用反射（图2）或透射（图3）模式测试超声波的反射回波时间，即穿过厚度l流体所需要的传播时间Δt，便得到声速                                                
Figure 2013104493874100002DEST_PATH_IMAGE001
。同时，加载装置通过叠加砝码、重物或通过液压缸等机械***驱动柱塞上下移动位置改变物料体积并推动经下端毛细管口模（直径D，长L）流出，采用现有毛细管流变仪测试理论计算得到剪切黏度
Figure 145319DEST_PATH_IMAGE002
。若毛细管内流量为Q，压差为
Figure 2013104493874100002DEST_PATH_IMAGE003
，则黏度为
Figure 260649DEST_PATH_IMAGE004
；若毛细管上部为柱塞作用力F，移动速度为
Figure 2013104493874100002DEST_PATH_IMAGE005
，则黏度为
Figure 971116DEST_PATH_IMAGE006
。这样，在不同剪切速率
Figure 2013104493874100002DEST_PATH_IMAGE007
、温度或压强下测试，可建立黏度
Figure 715081DEST_PATH_IMAGE002
~声速
Figure 76661DEST_PATH_IMAGE008
对应曲线，从曲线可回归二者的对应方程。
对连续流道内熔体进行表征时，安装装置与图3相似，只要将流道看作料筒，柱塞和口模就不需要了，流体在上游压力下流动，监测温度T、压强P和超声波声速
Figure 880669DEST_PATH_IMAGE008
。从建立的
Figure 78432DEST_PATH_IMAGE002
~
Figure 157247DEST_PATH_IMAGE008
曲线或方程可插值或计算出相应的一定温度T和压强P下的
Figure 115287DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明的效果是：建立超声波声速与黏度的定量关系后，在熔体流动装置甚至生产过程设备上直接安装超声波探头，在不干扰流动的情形下，便可在线监测其黏度而调控工艺或监控生产过程。
附图说明
图1 一种黏度在线测试装置
1-料腔，2-加热/冷却部件，3-超声波发射探头，4-柱塞，5-流体，6-温度/压强传感器，7-超声波接受探头，8-毛细管口模
图2 基于超声波反射检测模式的黏度在线测试***示意图
1-熔体, 2-压强传感器,3-信号线, 4-温度-压力检测-超声波发射检测***,5-超声波探头,6-温度传感器,7-流道
图3 基于超声波透射检测模式的黏度在线测试***示意图
1-熔体, 2-压强传感器,3-信号线, 4-温度-压力检测-超声波发射检测***,5-超声波发射探头,6-温度传感器,7-超声波接受探头,8-流道
图4 高密度聚乙烯熔体黏度与超声波声速的对应曲线
图5 基于声速-黏度曲线方程拟合的高密度聚乙烯黏度预测值与直接实验值对比图
图6不同配比下高密度聚乙烯/聚丙烯（HDPE/PP）共混物黏度与声速的对应关系
图7不同配比下填充体系聚丙烯/碳酸钙（PP/CaCO3）黏度与声速的对应关系。
具体实施方式
实施案例一：应用图1所示意的实验装置，在同一温度（190℃）下施加不同载荷，测试不同压强下高密度聚乙烯（HDPE）的黏度-声速实验曲线，如图4所示。可以看到黏度与超声波声速是单调对应的。因此，可以用超声波表征黏度。重要的是，通过建立这种测试装置内熔体黏度与超声波声速对应曲线，只要监测超声波声速便可查到熔体黏度。例如，图4中，一定温度和载荷下，黏度与超声波声速对应关系可近似为
Figure 2013104493874100002DEST_PATH_IMAGE009
，其中A、B是反映不同材料的声速对黏度的敏感性的大小，由实验数据通过最小二乘法拟合得到，这样，只要测试一定温度和载荷下声速便可以计算出黏度，图5给出了基于声速-黏度曲线方程拟合的黏度预测值与直接测试实验值，二者对比发现，预测值非常接近实验值。这说明所建立的方法是可行的。
实施案例二：应用图1所示的实验装置，在26kPa对不同配比下高密度聚乙烯/聚丙烯（HDPE/PP）共混物进行测试，获得的黏度与声速的对应曲线如图6。离散点是实验值，连续线是用
Figure 534767DEST_PATH_IMAGE009
拟合得到的曲线。一定共混比下，从超声波声速可插值或计算得到共混物黏度。可见，所建立的方法可用于高分子共混体系。
实施案例三：应用图1所示的实验装置，在15kPa对不同重量填充比下的碳酸钙（CaCO3）填充聚丙烯（PP）进行测试，获得的黏度与声速的对应曲线如图7。离散点是实验值，连续线是用拟合得到的曲线。一定填充比下，从超声波声速可插值或计算得到复合材料黏度。可见，所建立的方法可用于高分子填充复合材料。

Claims (3)

1.一种在线测试流体黏度的方法，其特征在于，在一定温度和压力下，在标定装置上测试建立黏度与超声波声速对应曲线后，直接测定流道内流体中超声波传递速度，即可对应出流道内该温度和压力下流体黏度。
2.根据权利要求1所述的一种在线测试流体黏度的方法，其特征在于，建立黏度与超声波声速对应曲线的测试方法为：在标定装置流道出口的毛细管口模附近某一截面安装温度传感器和压强传感器测试温度和压强，同时通过超声波发射检测***采用反射或透射模式测试超声波的反射回波时间，即穿过厚度l流体所需要的传播时间Δt，便得到声速                                                
Figure 549236DEST_PATH_IMAGE001
；同时，加载装置驱动柱塞上下移动位置改变物料体积并推动经下端毛细管口模流出，采用现有毛细管流变仪测试理论计算得到剪切黏度
Figure 209893DEST_PATH_IMAGE002
；这样，在不同剪切速率、温度或压强下测试，可建立黏度
Figure 116669DEST_PATH_IMAGE002
~声速
Figure 6128DEST_PATH_IMAGE003
对应曲线，从曲线可回归二者的对应方程。
3.根据权利要求2所述的建立黏度与超声波声速对应曲线的测试方法，其特征在于，所用测试装置主要由料腔、加热/冷却部件、超声波发射探头、柱塞、温度/压强传感器、超声波接受探头、毛细管口模、螺栓和固定板组成；料腔外的加热-冷却***调节流体温度，流体密闭在料腔中，口模用固定板通过螺栓与料腔体连接安置在料腔内部下端；通过温度、压强和超声波发射接受***控制、检测和收集信号数据。
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