一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置和方法

本发明属于聚合物熔体物性参数在线测量，更具体地说，是涉及一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置和方法。

背景技术：

1、聚合物精密成型制品广泛应用于航空航天、医疗工程、电子设备以及建筑工程等领域。挤出和注射是聚合物制品的主要精密成型加工方式，无论是挤出成型还是注射成型加工过程中，聚合物熔体密度的在线测量直接对挤出成型的米重和壁厚控制、注射成型的注射重量重复精度控制都起着决定性的作用。但由于现有的传感器的种类或测量环境等存在着诸多限制，如响应速度、熔体成型过程中温度和压力较高件等限制，目前市场上没有任何一种传感器能够直接对聚合物熔体的密度进行在线测量。因此，通过可以在高温高压下工作的特殊电容传感器，同时还具有对不同熔体物性的快速响应特性的优点，通过建立不同温度压力下的熔体的密度-电容软测量模型，实现聚合物精密成型过程中熔体密度的在线测量，对提高聚合物精密成型制品的几何尺寸精度有着非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电容进行聚合物熔体密度测量装置，可模拟聚合物成型过程中不同温度和压力下熔体状态，得到不同温度压力的熔体密度和对应的电容值，实现对当前状态下的熔体的密度和电容进行测量。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置，包括传动机械、加料筒、电器控制；传动机械包括伺服电机、减速器、丝杆升降机，伺服电机的输出轴连接减速器的输入端，减速器的输出端连接丝杠升降机，伺服电机驱动丝杠升降机的丝杠实现直线升降运动；所述丝杠的末端依次连接轮辐式压力传感器、柱塞杆隔热云母片，柱塞杆隔热云母片的下面连接柱塞杆的顶端；丝杠升降机带动轮辐式压力传感器、柱塞杆隔热云母片、柱塞杆沿直线导轨做直线升降运动；

4、加料筒设置在柱塞杆的正下方，自上而下包括上压料段和熔体测量段，上压料段安装在支撑板的上面，支撑板安装在操作平台的上面，在上压料段与支撑板之间设有云母片，加热圈对上压料段进行加热；在操作平台上安装有对射型光电开关，对射型光电开关设置在上压料段的两侧；熔体测量段设置在上压料段的下面，加热棒对熔体测量段进行加热，在熔体测量段上还安装有温度传感器和电容传感器；

5、电器控制包括温度控制器、压力控制仪表、位移显示仪控表、蜂鸣器、急停旋钮、设备启动按钮、快速移动按钮、定距移动按钮、慢速移动按钮；电机换向旋钮，温度控制器控制温度并与温度传感器连接，压力控制仪表用于显示压力和控制电机并与轮辐式压力传感器相接，位移显示仪控表与直线位移传感器连接并测量柱塞杆的位移。

6、优选地，所述电容传感器的探头由金属外壳、中心电极和绝缘层构成，工作时，探头的中心电极作为一个电极，金属外壳与料筒接触作为另一个电极。

7、优选地，在熔体测量段的底部安装有上底板，在上底板的下面可拆卸连接或可转动连接下底板。

8、优选地，在上底板上设有排气孔，下底板将排气孔堵住封闭。

9、一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的方法，包括以下步骤：

10、第一步，首先启动测量装置；

11、第二步，将温度控制器设定至目标温度，待料筒加热温度达到设定值后，将称重好的聚合物料粒从上压料段的入口加入，并保温分钟确保聚合物料粒熔融形成熔体；

12、第三步，将下底板打开，点击快速移动按钮，伺服电机带动柱塞杆快速下压对熔体排气；

13、第四步，待排气后，将下底板重新安装好，并对挤出的熔体进行称重；

14、第五步，设定压力控制仪表的目标压力，再次按快速移动按钮，此时柱塞杆会继续进行下压直至到达目标压力，如没到达目标压力，可以通过电机换向旋钮、定距移动按钮和慢速移动按钮进行压力细调直至到达目标压力；此时记录位移显示仪控表示数，可由此计算出熔体的体积并进一步计算出熔体的密度，此温度和压力下熔体的电容也可由电容传感器进行测量。

15、优选地，聚合物熔体密度的计算公式为：

16、

17、其中，ρ为不同温度和压力下聚合物熔体的密度，单位为g·cm-3；m0为放入测试装置料筒中的物料的质量，单位为g；v0为在标准大气压下聚合物熔体在一定温度下在料筒中的初始体积，其单位为cm-3；δv为料筒中聚合物熔体在一定压力下的体积变化量，其单位为cm-3；δh为柱塞杆挤压熔体后柱塞杆的位移量，其单位为cm，可由直线位移传感器进行测量；s为料筒的截面积，单位为cm-2。

18、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本测试装置可以在线同时获取同一温度、压力下的熔体密度和电容值，提高聚合物精密成型制品的几何尺寸精度。

技术特征：

1.一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置，其特征在于，包括传动机械、加料筒、电器控制；传动机械包括伺服电机(1)、减速器(2)、丝杆升降机(3)，伺服电机(1)的输出轴连接减速器(2)的输入端，减速器(2)的输出端连接丝杠升降机(3)，伺服电机(1)驱动丝杠升降机(3)的丝杠实现直线升降运动；所述丝杠的末端依次连接轮辐式压力传感器(27)、柱塞杆隔热云母片(28)，柱塞杆隔热云母片(28)的下面连接柱塞杆(17)的顶端；丝杠升降机(3)带动轮辐式压力传感器(27)、柱塞杆隔热云母片(28)、柱塞杆(17)沿直线导轨(16)做直线升降运动；

2.根据权利要求1所述的一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置，其特征在于，所述电容传感器(34)的探头由金属外壳、中心电极和绝缘层构成，工作时，探头的中心电极作为一个电极，金属外壳与料筒接触作为另一个电极。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置，其特征在于，在熔体测量段(32)的底部安装有上底板(36)，在上底板(36)的下面可拆卸连接或可转动连接下底板(37)。

4.根据权利要求3所述的一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置，其特征在于，在上底板(36)上设有排气孔，下底板(37)将排气孔堵住封闭。

5.一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的方法，其特征在于，聚合物熔体密度的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于电容进行聚合物熔体密度测量的装置和方法，涉及聚合物熔体物性参数在线测量技术领域。包括传动机械、加料筒、电器控制，传动机械包括伺服电机、减速器、丝杆升降机，伺服电机带动丝杆升降机实现升降运动，丝杠升降机带动柱塞杆挤压加料筒内的熔体，柱塞杆上安装有轮辐式压力传感器，加料筒上安装有温度传感器和电容传感器，电器控制可以控制柱塞杆运动，并实现熔体的温度、压力测量显示以及柱塞杆的位移测量显示。本发明可模拟聚合物成型过程中不同温度和压力下熔体状态，得到不同温度压力的熔体密度和对应的电容值，实现对当前状态下的熔体的密度和电容进行测量。

技术研发人员：许红,邱子岳,黄尧,高小龙,张世超,周瑞臣,庄俭,吴大鸣
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21