专利名称：用超声信号表征物质压力-比容-温度关系的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于材料和流体测试装置领域，涉及一种通过测控活塞位置来调节体积而 检测物质压强、比容、温度间PVT关系和该物质中传递超声波信号的同步检测装置，即一种 用超声信号表征物质压力-比容-温度关系的装置。
背景技术：
物质的PVT关系，即物质的压力⑵、体积(V)、温度⑴之间的相互关系，作为物 质的基本性质，在材料和流体的生产、加工以及应用等方面有着十分重要的作用。目前常见的PVT检测技术有柱塞技术(直接加压法)与封闭液技术(间接加压 法)两种。直接加压法的测试设备主要由样品室、加热冷却系统、加压动力系统、传感器一 级数据采集控制系统等几部分组成。在测试时，将样品放入样品室中，并将其上下密封，然 后通过柱塞对其进行加压。其优点在于其原理简单，未引入任何非样品物质，以密封垫或环 取代了起封闭作用的液体介质，从而既保证了系统的气密性，又省去了诸多校准步骤。间接 加压法的测试设备相对于直接加压法而言，在样品室中增加了封闭液传压介质(通常为水 银)。测试时，样品完全浸没在传压介质中，加压动力系统驱动柱塞通过液体对聚合物试样 间接加压。间接法的优点在于引入了起封闭作用的液体介质，保证了系统良好的密封性，使 外部气体不会侵入到样品中，而且采用传压介质可使内部达到较高的真空度，使样品处于 流体静压状态下，受力均勻。采用以上两种技术的仪器设备只能获得样品的PVT数据，大多数生产者也只能根 据这一数据结果来制定生产工艺。而实际生产过程中影响因素繁多，在最终产出时的状态 仍不能确定。这就要求不仅在测试PVT的同时，采用超声波等无损检测技术直接表征其中 的凝聚态问题，进而与PVT等建立关系，取得更多物质性能和结构信息。为此，本发明开发 一种这样的同步检测装置。
发明内容本发明目的是提供一种通过测控活塞位置来调节体积而检测物质压强、比容、温 度间PVT关系和该物质中传递超声波信号的同步检测装置。本发明装置见图1，由驱动柱塞运动的传动部分、包容被测物的工作部分(储料 筒、柱塞、密封螺母、加热器)以及相关变量的测量部分(位移测量表盘、温度传感器、压力 传感器、PID温度控制仪和压力控制仪、超声波系统)组成。原料通过密封螺母与柱塞活塞 端密封在储料筒中；通过加热器对储料筒中原料进行加热，其温度由储料筒侧壁的热电偶 测得并通过PID温度控制仪控制；其压力由储料筒侧壁的压力传感器测得；通过直接或间 接测量柱塞位移，乘以料腔截面积得到瞬间的物料体积，进而计算出比容和密度等。传动部 分可以采用带、链或电机直接驱动柱塞运动而改变料腔体积。整个系统通过螺栓联结在固 定板上。传感器和超声波探头的安装布局见图2。在压力传感器和温度传感器安装的水平面内对位安装两个超声波探头和，通过信号传输线分别与超声波信号发送、接受通道连接， 发送、接受的超声波信号在处理系统(见图幻进行过滤、运算等，从而获取物质在该PVT状 态下的超声波传递速度、衰减系数和图像。在料腔的一个截面上，压力和温度传感器可对位安装，在垂直其90°的方向，保证 在一条直线上安装超声波发送探头和接受探头。这样，整个系统由PVT标定系统和超声波 检测系统组成。从而实现PVT和超声波同步测试。本压力-比容-温度测试装置的原理是通过直接加压的方法，测得不同压力、温度 下的比容，并根据超声波在不同介质中传播速度不同获得相应条件下的超声波信号。该装置的操作方法是(1)测试前，将被测物料进行干燥等前处理，除去水分及杂质，以免加热熔融时产 生气泡等不良结果。(2)连接好整个系统，开启电源、冷却水，启动温度、压力和位移测试仪表及超声波 系统，检验正常运行并能快速提取需要的信号数据。(3)将准备好的原料加入储料筒中，将储料筒温度加热到物料熔点之上某一温度， 并通过柱塞对物料加压，在该温度下保持一定压力一段时间，将可能产生的气体排出。检验 PVT和超声波信号数据稳定后可进行如下实验。(4)设定控制储料筒温度、压力和活塞位移中一个值，调节另外一个而测试第三个 变量，待稳定后记录不同温度、压力和储料筒中物料体积的对应数据组。(5)在进行PVT测试的同时，用超声波系统获取一组超声波信号，通过超声检测系 统将信号保存下来，并与对应的PVT数据对应。这样循环进行，便获得物料在一定PVT状态 下的超声波响应。(6)实验结束后，将储料筒自然冷却到该种聚合物样品的顶出温度，取下密封螺 母，将样品从储料筒下方顶出，测量样品的质量。(7)将物料PVT数据和对应的超声波信号进行处理，作图或数值分析，计算出物料 比容(或密度)和超声波传递速度、衰减系数和相位差，分析这些信息的对应关系。该方法不仅适用于单一组分的聚合物PVT检测，也适用于混合、填充等改性后的 聚合物；还适用于食品、推进剂、煤浆等其他流态物质。适用其他很多材料加工、物料输运等 过程，测量简便，适用范围广。
图1为本发明所使用测试原理图1安装板，2固定螺栓，3温度和压强传感器，4被测物料，5活塞，6活塞杆，7带温控 的加热料筒，8超声波探头，9密封螺母图2为本发明所使用传感器和超声波探头的安装布局图3-1,3-2温度、压强传感器，4被测物料，7带温控的加热料筒，8_1、8_2超声波探头 图3为本发明螺旋传动标定装置的一种示意图10带扳杆的手动转轴，11皮带或链条12大、小带轮或齿轮，13带刻度的计数盘，14 下端螺丝联结活塞的丝杠，7料筒，15加热和冷却系统，8超声波探头，16支撑杆，3-1、3-2温 度、压强传感器，5活塞[0024]图4为所测得的聚丙烯PVT和超声波速度的关系图例(1)不同压力下聚丙烯的比容随温度的变化(2)不同压力下聚丙烯中超声波声速随温度的变化(3)压力30MPa下超声波声速与聚丙烯密度的关系图5为本发明所使用电机/带或链传动驱动的标定装置示意图1-1下支撑板，1-2上支撑板17支撑架18电机19电机部件安装座20 PVT-超 声波单元图6为本发明所使用直线电机或液压缸直接驱动标定装置示意图1-1下支撑板，17支撑架，1-2上支撑板，20 PVT-超声波单元，21轴承固定座，22 轴承，23大带轮或链轮的轮毂，12-1大带轮或齿轮，12-1小带轮或齿轮，6-1丝杠，11皮带或 链条二4安装小带轮或链轮的电机，25电机部件安装座
具体实施方式
具体实施例一该实例装置采用手动操作的形式驱动丝杠以便带动料筒中活塞的运动。按照图1和图2的原理，设计装配的检测装置如图3所示，该发明装置由带扳杆的 手动转轴10、皮带或链条11、大、小带轮或齿轮12、带刻度的计数盘13、下端螺丝联结活塞 的丝杠14、料筒7、加热和冷却系统15、超声波探头8、支撑杆16、温度传感器及其测量表和 压强传感器及其测量表组成。两超声波探头8相对安装在料筒7的两侧，与超声波探头呈90°方向上分别安装 有温度传感器3-1以及压力传感器3-2。首先用工作螺母9将料筒7下端封闭，转动摇柄带动滚珠丝杠14向上移动，使得 柱塞上升至料筒7上之上。调节温度控制器3-1-1控制加热圈15对料筒7进行加热到被测 聚合物(如聚丙烯)熔点之上某一温度(约180°C )。待温度稳定后将干燥好的聚丙烯粒料 加入到料筒7中，并转动摇柄带动滚珠丝杠14向下移动，使得柱塞下降至料筒锥面下边缘， 记录零点位置。继续转动摇柄使柱塞持续下降，直到压力表显示有一定压力(约IOMPa)，将 压力维持在该数值一段时间，并随时记录柱塞下降位移。待到在该温度(约180°C )下，柱塞位置不变压力仍保持在IOMPa左右时，说明排 气阶段结束。继续转动摇柄1通过柱塞对料筒7中的物料进行加压，在某一压力数值下读 取柱塞下降位置，并通过超声波检测装置记录该温度、压力下的超声波波形信号(30MPa、 50MPa、70MPa、90MPa、IOOMPa下各读取一次)。转动摇柄带动柱塞上升至零点以下某一位 置，将压力降低至IOMPa左右，记录该柱塞位置，并通过温度控制器将储料筒7的温度下降 5°C。温度稳定后，重复以上操作。之后每下降5°C测量一组不同压力(30MPa、50MPa、70MPa、 90MPaU00MPa)下的柱塞位置以及超声波信号，直至温度降低至软化温度或无法继续测量 时。将压力维持在IOMPa左右持续降温，待到料筒7中物料完全固化后，将工作螺母9 自下方旋下，转动摇柄通过柱塞将料筒7中完全固化的物料自下方顶出，将顶出的物料称 重并记录数据。通过该实验获得了聚合物样品(聚丙烯)不同温度(180°C _115°C，每5°C为一间隔)、不同压力(30MPa、50MPa、70MPa、90MPa、IOOMPa)下的密度数据(由柱塞位置、储料筒容 积以及样品重量换算得出)以及同条件下的超声波声速数据(由超声波波形信号处理后所 得)，将聚丙烯密度与超声波声速相关联，得如图4所示关系。图4(1)说明用此装置测试 的聚丙烯比容-温度-压强的对应关系；图4( 说明不同温度和压强下超声波在熔体中的 传递速度，该曲线与聚合物密度-温度曲线类似；图4 C3)显示出超声波声速与聚丙烯密度 (比容之倒数)有良好的对应关系，在生产中可将测得的超声波信号与该图相对应，得到实 际加工中的PVT状态，从而测控流体过程参数。具体实施例二该实例装置用直线电机或液压马达，通过连接杆直接带动活塞运动。按照图1和图2的原理，设计装配的检测装置如图5所示，该发明装置由下安装板 1-1、支架17、上安装板1-2、直线电机或液压马达18、驱动固定架19、PVT-超声波检测装置 20。与实施例一不同，直线电机或液压缸直线驱动连接杆运动，能瞬态测控活塞的位 移，从而计算出物料腔内的体积。根据测试的压力和温度，便可绘制PVT曲线。获取超声波 信号的方法同实施例一，这样可进行PVT-超声波信号的联动、瞬态的分析。具体实施例三该实例装置采用电机测速旋转传动丝杠以便带动料筒中活塞的运动。按照图1和图2的原理，设计装配的检测装置如图6所示，该发明装置由1-1下支 撑板，17支撑架，1-2上支撑板，20PVT-超声波单元，21轴承固定座，22轴承，23大带轮或链 轮的轮毂，12-1大带轮或齿轮，12-1小带轮或齿轮，6-1丝杠，11皮带或链条，24安装小带轮 或链轮的电机，25电机部件安装座组成。与实施例一不同，电机转数即小轮转数，大轮和小轮转数呈正比关系，这样可由电 机转数换算出丝杠旋转速度，再计算出丝杠竖直移动的距离，进而计算出物料腔内的体积。 根据测试的压力和温度，便可绘制PVT曲线。获取超声波信号的方法同实施例一，这样可进 行PVT-超声波信号的联动、瞬态的分析。
权利要求1.一种用超声信号表征物质压力-比容-温度关系的装置，其特征是装置的料筒内 料腔上端有活塞、下端用螺母密封，形成密闭料腔装被测物料；料筒安装加热和冷却装置来 控制料腔温度，通过驱动活塞上下运动调节料腔内物料体积；料筒上安装温度、压强和超声 波传感器来测试物料压力-比容-温度关系和物料中传递的超声波信号。
2.根据权利要求1所述的同步检测装置，其特征在于活塞螺纹联结于丝杠，再通过皮 带或齿轮与电机等旋转系统传动而将转动转换为直线运动，驱动活塞运动。
3.根据权利要求1所述的同步检测装置，其特征在于该装置料腔一组对边安装压强 传感器和温度传感器；另一组对边安装超声波探头。
专利摘要本实用新型涉及一种用超声信号表征物质压力-比容-温度关系的装置。该装置的料筒内料腔上端有活塞、下端用螺母密封，形成密闭料腔装被测物料。料筒安装加热和冷却装置来控制料腔温度，通过驱动活塞上下运动调节料腔内物料体积。活塞螺纹联结于丝杆，再通过皮带或齿轮与电机等旋转系统传动而将转动转换为直线运动，驱动活塞运动。采用位移传感器测量活塞位置，也可测量旋转系统转动角度换算出活塞位移，进而计算出料腔内物料的体积和比容及密度等。该装置料腔一组对边安装压强传感器和温度传感器；另一组对边安装超声波探头。这些传感器分别与测控主机联结，从而测控料腔内物料瞬时的压强和温度及超声波信号，实现物质压力-比容-温度关系和超声波同步测试。
文档编号G01N29/02GK201909775SQ20102013621
公开日2011年7月27日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者刘颖, 吴大鸣, 王克俭, 许菲 申请人:北京化工大学
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