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化，節約塑料材料并降低成本同樣十分重要。舉例來說，常規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。有一個或兩個連續旋轉收發器在繞管材移動時，會持續收發調頻毫米波。另一種方法是，用靜態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、工藝優化、成本節約等對測量和控制提出的要求等。
