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用超聲信號表征物質(zhì)壓力-比容-溫度關(guān)系的裝置的制作方法

文檔序號:5888317閱讀:216來源:國知局
專利名稱:用超聲信號表征物質(zhì)壓力-比容-溫度關(guān)系的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于材料和流體測試裝置領(lǐng)域,涉及一種通過測控活塞位置來調(diào)節(jié)體積而 檢測物質(zhì)壓強(qiáng)、比容、溫度間PVT關(guān)系和該物質(zhì)中傳遞超聲波信號的同步檢測裝置,即一種 用超聲信號表征物質(zhì)壓力-比容-溫度關(guān)系的裝置。
背景技術(shù)
物質(zhì)的PVT關(guān)系,即物質(zhì)的壓力⑵、體積(V)、溫度⑴之間的相互關(guān)系,作為物 質(zhì)的基本性質(zhì),在材料和流體的生產(chǎn)、加工以及應(yīng)用等方面有著十分重要的作用。目前常見的PVT檢測技術(shù)有柱塞技術(shù)(直接加壓法)與封閉液技術(shù)(間接加壓 法)兩種。直接加壓法的測試設(shè)備主要由樣品室、加熱冷卻系統(tǒng)、加壓動力系統(tǒng)、傳感器一 級數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等幾部分組成。在測試時,將樣品放入樣品室中,并將其上下密封,然 后通過柱塞對其進(jìn)行加壓。其優(yōu)點在于其原理簡單,未引入任何非樣品物質(zhì),以密封墊或環(huán) 取代了起封閉作用的液體介質(zhì),從而既保證了系統(tǒng)的氣密性,又省去了諸多校準(zhǔn)步驟。間接 加壓法的測試設(shè)備相對于直接加壓法而言,在樣品室中增加了封閉液傳壓介質(zhì)(通常為水 銀)。測試時,樣品完全浸沒在傳壓介質(zhì)中,加壓動力系統(tǒng)驅(qū)動柱塞通過液體對聚合物試樣 間接加壓。間接法的優(yōu)點在于引入了起封閉作用的液體介質(zhì),保證了系統(tǒng)良好的密封性,使 外部氣體不會侵入到樣品中,而且采用傳壓介質(zhì)可使內(nèi)部達(dá)到較高的真空度,使樣品處于 流體靜壓狀態(tài)下,受力均勻。采用以上兩種技術(shù)的儀器設(shè)備只能獲得樣品的PVT數(shù)據(jù),大多數(shù)生產(chǎn)者也只能根 據(jù)這一數(shù)據(jù)結(jié)果來制定生產(chǎn)工藝。而實際生產(chǎn)過程中影響因素繁多,在最終產(chǎn)出時的狀態(tài) 仍不能確定。這就要求不僅在測試PVT的同時,采用超聲波等無損檢測技術(shù)直接表征其中 的凝聚態(tài)問題,進(jìn)而與PVT等建立關(guān)系,取得更多物質(zhì)性能和結(jié)構(gòu)信息。為此,本發(fā)明開發(fā) 一種這樣的同步檢測裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種通過測控活塞位置來調(diào)節(jié)體積而檢測物質(zhì)壓強(qiáng)、比容、溫 度間PVT關(guān)系和該物質(zhì)中傳遞超聲波信號的同步檢測裝置。本發(fā)明裝置見圖1,由驅(qū)動柱塞運動的傳動部分、包容被測物的工作部分(儲料 筒、柱塞、密封螺母、加熱器)以及相關(guān)變量的測量部分(位移測量表盤、溫度傳感器、壓力 傳感器、PID溫度控制儀和壓力控制儀、超聲波系統(tǒng))組成。原料通過密封螺母與柱塞活塞 端密封在儲料筒中;通過加熱器對儲料筒中原料進(jìn)行加熱,其溫度由儲料筒側(cè)壁的熱電偶 測得并通過PID溫度控制儀控制;其壓力由儲料筒側(cè)壁的壓力傳感器測得;通過直接或間 接測量柱塞位移,乘以料腔截面積得到瞬間的物料體積,進(jìn)而計算出比容和密度等。傳動部 分可以采用帶、鏈或電機(jī)直接驅(qū)動柱塞運動而改變料腔體積。整個系統(tǒng)通過螺栓聯(lián)結(jié)在固 定板上。傳感器和超聲波探頭的安裝布局見圖2。在壓力傳感器和溫度傳感器安裝的水平面內(nèi)對位安裝兩個超聲波探頭和,通過信號傳輸線分別與超聲波信號發(fā)送、接受通道連接, 發(fā)送、接受的超聲波信號在處理系統(tǒng)(見圖幻進(jìn)行過濾、運算等,從而獲取物質(zhì)在該P(yáng)VT狀 態(tài)下的超聲波傳遞速度、衰減系數(shù)和圖像。在料腔的一個截面上,壓力和溫度傳感器可對位安裝,在垂直其90°的方向,保證 在一條直線上安裝超聲波發(fā)送探頭和接受探頭。這樣,整個系統(tǒng)由PVT標(biāo)定系統(tǒng)和超聲波 檢測系統(tǒng)組成。從而實現(xiàn)PVT和超聲波同步測試。本壓力-比容-溫度測試裝置的原理是通過直接加壓的方法,測得不同壓力、溫度 下的比容,并根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同獲得相應(yīng)條件下的超聲波信號。該裝置的操作方法是(1)測試前,將被測物料進(jìn)行干燥等前處理,除去水分及雜質(zhì),以免加熱熔融時產(chǎn) 生氣泡等不良結(jié)果。(2)連接好整個系統(tǒng),開啟電源、冷卻水,啟動溫度、壓力和位移測試儀表及超聲波 系統(tǒng),檢驗正常運行并能快速提取需要的信號數(shù)據(jù)。(3)將準(zhǔn)備好的原料加入儲料筒中,將儲料筒溫度加熱到物料熔點之上某一溫度, 并通過柱塞對物料加壓,在該溫度下保持一定壓力一段時間,將可能產(chǎn)生的氣體排出。檢驗 PVT和超聲波信號數(shù)據(jù)穩(wěn)定后可進(jìn)行如下實驗。(4)設(shè)定控制儲料筒溫度、壓力和活塞位移中一個值,調(diào)節(jié)另外一個而測試第三個 變量,待穩(wěn)定后記錄不同溫度、壓力和儲料筒中物料體積的對應(yīng)數(shù)據(jù)組。(5)在進(jìn)行PVT測試的同時,用超聲波系統(tǒng)獲取一組超聲波信號,通過超聲檢測系 統(tǒng)將信號保存下來,并與對應(yīng)的PVT數(shù)據(jù)對應(yīng)。這樣循環(huán)進(jìn)行,便獲得物料在一定PVT狀態(tài) 下的超聲波響應(yīng)。(6)實驗結(jié)束后,將儲料筒自然冷卻到該種聚合物樣品的頂出溫度,取下密封螺 母,將樣品從儲料筒下方頂出,測量樣品的質(zhì)量。(7)將物料PVT數(shù)據(jù)和對應(yīng)的超聲波信號進(jìn)行處理,作圖或數(shù)值分析,計算出物料 比容(或密度)和超聲波傳遞速度、衰減系數(shù)和相位差,分析這些信息的對應(yīng)關(guān)系。該方法不僅適用于單一組分的聚合物PVT檢測,也適用于混合、填充等改性后的 聚合物;還適用于食品、推進(jìn)劑、煤漿等其他流態(tài)物質(zhì)。適用其他很多材料加工、物料輸運等 過程,測量簡便,適用范圍廣。

圖1為本發(fā)明所使用測試原理圖1安裝板,2固定螺栓,3溫度和壓強(qiáng)傳感器,4被測物料,5活塞,6活塞桿,7帶溫控 的加熱料筒,8超聲波探頭,9密封螺母圖2為本發(fā)明所使用傳感器和超聲波探頭的安裝布局圖3-1,3-2溫度、壓強(qiáng)傳感器,4被測物料,7帶溫控的加熱料筒,8_1、8_2超聲波探頭 圖3為本發(fā)明螺旋傳動標(biāo)定裝置的一種示意圖10帶扳桿的手動轉(zhuǎn)軸,11皮帶或鏈條12大、小帶輪或齒輪,13帶刻度的計數(shù)盤,14 下端螺絲聯(lián)結(jié)活塞的絲杠,7料筒,15加熱和冷卻系統(tǒng),8超聲波探頭,16支撐桿,3-1、3-2溫 度、壓強(qiáng)傳感器,5活塞[0024]圖4為所測得的聚丙烯PVT和超聲波速度的關(guān)系圖例(1)不同壓力下聚丙烯的比容隨溫度的變化(2)不同壓力下聚丙烯中超聲波聲速隨溫度的變化(3)壓力30MPa下超聲波聲速與聚丙烯密度的關(guān)系圖5為本發(fā)明所使用電機(jī)/帶或鏈傳動驅(qū)動的標(biāo)定裝置示意圖1-1下支撐板,1-2上支撐板17支撐架18電機(jī)19電機(jī)部件安裝座20 PVT-超 聲波單元圖6為本發(fā)明所使用直線電機(jī)或液壓缸直接驅(qū)動標(biāo)定裝置示意圖1-1下支撐板,17支撐架,1-2上支撐板,20 PVT-超聲波單元,21軸承固定座,22 軸承,23大帶輪或鏈輪的輪轂,12-1大帶輪或齒輪,12-1小帶輪或齒輪,6-1絲杠,11皮帶或 鏈條二4安裝小帶輪或鏈輪的電機(jī),25電機(jī)部件安裝座
具體實施方式
具體實施例一該實例裝置采用手動操作的形式驅(qū)動絲杠以便帶動料筒中活塞的運動。按照圖1和圖2的原理,設(shè)計裝配的檢測裝置如圖3所示,該發(fā)明裝置由帶扳桿的 手動轉(zhuǎn)軸10、皮帶或鏈條11、大、小帶輪或齒輪12、帶刻度的計數(shù)盤13、下端螺絲聯(lián)結(jié)活塞 的絲杠14、料筒7、加熱和冷卻系統(tǒng)15、超聲波探頭8、支撐桿16、溫度傳感器及其測量表和 壓強(qiáng)傳感器及其測量表組成。兩超聲波探頭8相對安裝在料筒7的兩側(cè),與超聲波探頭呈90°方向上分別安裝 有溫度傳感器3-1以及壓力傳感器3-2。首先用工作螺母9將料筒7下端封閉,轉(zhuǎn)動搖柄帶動滾珠絲杠14向上移動,使得 柱塞上升至料筒7上之上。調(diào)節(jié)溫度控制器3-1-1控制加熱圈15對料筒7進(jìn)行加熱到被測 聚合物(如聚丙烯)熔點之上某一溫度(約180°C )。待溫度穩(wěn)定后將干燥好的聚丙烯粒料 加入到料筒7中,并轉(zhuǎn)動搖柄帶動滾珠絲杠14向下移動,使得柱塞下降至料筒錐面下邊緣, 記錄零點位置。繼續(xù)轉(zhuǎn)動搖柄使柱塞持續(xù)下降,直到壓力表顯示有一定壓力(約IOMPa),將 壓力維持在該數(shù)值一段時間,并隨時記錄柱塞下降位移。待到在該溫度(約180°C )下,柱塞位置不變壓力仍保持在IOMPa左右時,說明排 氣階段結(jié)束。繼續(xù)轉(zhuǎn)動搖柄1通過柱塞對料筒7中的物料進(jìn)行加壓,在某一壓力數(shù)值下讀 取柱塞下降位置,并通過超聲波檢測裝置記錄該溫度、壓力下的超聲波波形信號(30MPa、 50MPa、70MPa、90MPa、IOOMPa下各讀取一次)。轉(zhuǎn)動搖柄帶動柱塞上升至零點以下某一位 置,將壓力降低至IOMPa左右,記錄該柱塞位置,并通過溫度控制器將儲料筒7的溫度下降 5°C。溫度穩(wěn)定后,重復(fù)以上操作。之后每下降5°C測量一組不同壓力(30MPa、50MPa、70MPa、 90MPaU00MPa)下的柱塞位置以及超聲波信號,直至溫度降低至軟化溫度或無法繼續(xù)測量 時。將壓力維持在IOMPa左右持續(xù)降溫,待到料筒7中物料完全固化后,將工作螺母9 自下方旋下,轉(zhuǎn)動搖柄通過柱塞將料筒7中完全固化的物料自下方頂出,將頂出的物料稱 重并記錄數(shù)據(jù)。通過該實驗獲得了聚合物樣品(聚丙烯)不同溫度(180°C _115°C,每5°C為一間隔)、不同壓力(30MPa、50MPa、70MPa、90MPa、IOOMPa)下的密度數(shù)據(jù)(由柱塞位置、儲料筒容 積以及樣品重量換算得出)以及同條件下的超聲波聲速數(shù)據(jù)(由超聲波波形信號處理后所 得),將聚丙烯密度與超聲波聲速相關(guān)聯(lián),得如圖4所示關(guān)系。圖4(1)說明用此裝置測試 的聚丙烯比容-溫度-壓強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系;圖4( 說明不同溫度和壓強(qiáng)下超聲波在熔體中的 傳遞速度,該曲線與聚合物密度-溫度曲線類似;圖4 C3)顯示出超聲波聲速與聚丙烯密度 (比容之倒數(shù))有良好的對應(yīng)關(guān)系,在生產(chǎn)中可將測得的超聲波信號與該圖相對應(yīng),得到實 際加工中的PVT狀態(tài),從而測控流體過程參數(shù)。具體實施例二該實例裝置用直線電機(jī)或液壓馬達(dá),通過連接桿直接帶動活塞運動。按照圖1和圖2的原理,設(shè)計裝配的檢測裝置如圖5所示,該發(fā)明裝置由下安裝板 1-1、支架17、上安裝板1-2、直線電機(jī)或液壓馬達(dá)18、驅(qū)動固定架19、PVT-超聲波檢測裝置 20。與實施例一不同,直線電機(jī)或液壓缸直線驅(qū)動連接桿運動,能瞬態(tài)測控活塞的位 移,從而計算出物料腔內(nèi)的體積。根據(jù)測試的壓力和溫度,便可繪制PVT曲線。獲取超聲波 信號的方法同實施例一,這樣可進(jìn)行PVT-超聲波信號的聯(lián)動、瞬態(tài)的分析。具體實施例三該實例裝置采用電機(jī)測速旋轉(zhuǎn)傳動絲杠以便帶動料筒中活塞的運動。按照圖1和圖2的原理,設(shè)計裝配的檢測裝置如圖6所示,該發(fā)明裝置由1-1下支 撐板,17支撐架,1-2上支撐板,20PVT-超聲波單元,21軸承固定座,22軸承,23大帶輪或鏈 輪的輪轂,12-1大帶輪或齒輪,12-1小帶輪或齒輪,6-1絲杠,11皮帶或鏈條,24安裝小帶輪 或鏈輪的電機(jī),25電機(jī)部件安裝座組成。與實施例一不同,電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)即小輪轉(zhuǎn)數(shù),大輪和小輪轉(zhuǎn)數(shù)呈正比關(guān)系,這樣可由電 機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)換算出絲杠旋轉(zhuǎn)速度,再計算出絲杠豎直移動的距離,進(jìn)而計算出物料腔內(nèi)的體積。 根據(jù)測試的壓力和溫度,便可繪制PVT曲線。獲取超聲波信號的方法同實施例一,這樣可進(jìn) 行PVT-超聲波信號的聯(lián)動、瞬態(tài)的分析。
權(quán)利要求1.一種用超聲信號表征物質(zhì)壓力-比容-溫度關(guān)系的裝置,其特征是裝置的料筒內(nèi) 料腔上端有活塞、下端用螺母密封,形成密閉料腔裝被測物料;料筒安裝加熱和冷卻裝置來 控制料腔溫度,通過驅(qū)動活塞上下運動調(diào)節(jié)料腔內(nèi)物料體積;料筒上安裝溫度、壓強(qiáng)和超聲 波傳感器來測試物料壓力-比容-溫度關(guān)系和物料中傳遞的超聲波信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步檢測裝置,其特征在于活塞螺紋聯(lián)結(jié)于絲杠,再通過皮 帶或齒輪與電機(jī)等旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)傳動而將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動,驅(qū)動活塞運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步檢測裝置,其特征在于該裝置料腔一組對邊安裝壓強(qiáng) 傳感器和溫度傳感器;另一組對邊安裝超聲波探頭。
專利摘要本實用新型涉及一種用超聲信號表征物質(zhì)壓力-比容-溫度關(guān)系的裝置。該裝置的料筒內(nèi)料腔上端有活塞、下端用螺母密封,形成密閉料腔裝被測物料。料筒安裝加熱和冷卻裝置來控制料腔溫度,通過驅(qū)動活塞上下運動調(diào)節(jié)料腔內(nèi)物料體積?;钊菁y聯(lián)結(jié)于絲桿,再通過皮帶或齒輪與電機(jī)等旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)傳動而將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動,驅(qū)動活塞運動。采用位移傳感器測量活塞位置,也可測量旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動角度換算出活塞位移,進(jìn)而計算出料腔內(nèi)物料的體積和比容及密度等。該裝置料腔一組對邊安裝壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器;另一組對邊安裝超聲波探頭。這些傳感器分別與測控主機(jī)聯(lián)結(jié),從而測控料腔內(nèi)物料瞬時的壓強(qiáng)和溫度及超聲波信號,實現(xiàn)物質(zhì)壓力-比容-溫度關(guān)系和超聲波同步測試。
文檔編號G01N29/02GK201909775SQ20102013621
公開日2011年7月27日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者劉穎, 吳大鳴, 王克儉, 許菲 申請人:北京化工大學(xué)
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