采用毫米波检测原理的管材在线测量新技术


作者:西科拉(SIKORA) 日期:2017/09/28 来源:PT《现代塑料》

西科拉(SIKORA)公司的创新管材测量系统采用了毫米波检测原理,可支持在生产线热端或冷端控制最终产品质量,并对产品参数进行持续地在线监控,如内/外径、椭圆度、壁厚及熔垂度。将毫米波检测技术与处理器系统相结合,有助于优化生产工艺和提高管材质量,达到材料消耗的最小化(节省成本)及节省时间的目的。

塑料管材在输水、输气、输油以及输送化工产品管道领域得到了广泛应用。这些领域的规范和标准精确地界定了所用塑料管材外径和壁厚的尺寸范围。此外,塑料管材生产过程中的熔垂度也是一个重要参数。因此,塑料管材制造商在其生产过程中有必要采用测量和控制设备来监控这些指标,来确保管材质量满足标准要求。

现今,基于不同的技术原理,塑料管材生产过程中的品质保障有了多样化的技术手段,例如基于光学原理运用于外径测量的激光技术以及运用于同心度及壁厚测量的 X 射线技术。传统的超声波技术虽然仍运用于管道测量,但该技术在测量中常常遇到其局限性。

为了给塑料管材制造商提供更佳及更可靠的测量和控制设备,通过与德国Fraunhofer高频物理与雷达技术研究所(FHR)和南德塑料研究所(SKZ)共同合作,西科拉(SIKORA)研发了基于毫米波测量的创新型设备,它可通过非接触式测量方式在线检测外径范围为 90~3200 mm塑料管道的内/外径、椭圆度、壁厚及熔垂度(如图1所示)。得益于测量系统的创新理念,该设备可适应挤出塑料的特性,无需操作人员进行任何校准。通过使用该设备,塑料管材制造商不仅可以提高产品质量,还能确保挤出过程中显著的材料和成本节约。

图 1西科拉的基于毫米波技术的新系统适用于测量外径为 90~3200mm塑料管材的外径、椭圆度、壁厚及熔垂度

创新系统的测量原理和过程

该设备采用了 FMCW(调频连续波)雷达技术,这是一项用于测量尺寸和记录熔垂度的创新型技术,其投入成本更低。此类系统在亚太赫兹范围内工作,并在汽车工业中用于距离测量已有一段时间。它们采用了半导体技术,价格合理且使用寿命长。通过加大调频的带宽并增强了分辨率后,在 80~300 GHz 的选定区域内,所有塑料材料都能够被穿透,且吸收率小,因此此类系统可用来测量壁厚。

近年来,在毫米波波段中关于测量应用的频率研究使得该技术在测量精度方面取得了重大成就。只是美中不足的是,该技术仍无法适用测量实心物体的外包层。最新推出的毫米波测量技术可为所有类型的常用尺寸的管道外径、椭圆度和壁厚提供精确测量。

通过在管壁圆周轴向上设置若干固定或旋转的收发器,仪器能够连续地发送和接收调制的毫米波。该测量方法无需任何耦合介质,即便在没有被测物体材料类型及温度信息的情况下,也能够进行精确测量。

运用毫米波技术进行测量的工作原理是基于毫米波的时间差。通过采用一个或两个围绕管周连续旋转的收发器(如图2所示),仪器能够同时连续地发送和接收调频毫米波。然后根据毫米波的运行时间差,就可以得到管材的内/外径、椭圆度、壁厚以及熔垂度。旋转测量头不仅可以用于完整记录管材的壁厚,还可精确测量其熔垂度。另一种选择可采用 2 个收发器的固定式测量系统,通过管材圆周上的 4 点进行壁厚及内/外径测量。

图 2 配备旋转收发器的测量系统

塑料管道前后边界层反射无线电波,收发器探测并接收反射信号。通过不同材料交界面反射信号的时间差,可精确地测量计算出内外直径、椭圆度、壁厚和熔垂度。仪器的测量精度高达数微米,采样速率为每秒 500 次。通过对每个收发器上接收到的信号进行运算处理,就可以实时地得到所需要的测量数值(如图3所示)。在与仪器配合使用的数据显示处理装置上,测量数值以图形和数值两种方式显示,并可提供趋势图和统计学分析数据(如图4所示)。

图3 对接收到的信号进行分析计算并得出管材尺寸

图4 测量数值以图形和数字两种方式清晰地显示在处理系统上

优化管道质量,节约成本及时间

由于产品温度对使用毫米波技术的测量结果无任何影响,故该系统可安装在生产线热端或冷端来进行产品最终质量的控制。在第一段冷却水槽后,毫米波系统即可提供管材内/外径、椭圆度、壁厚尤其是熔垂度的精确测量值。该测量技术可应用于诸多类型的塑料管道材料,如 PE、HDPE、PP和PA6 等,也包括 PVC 材料(如图5所示)。即便是对于具有较大壁厚的管材,该系统也可提供精确的测量。此外,系统的检测效率也很高,例如在一条管道外径为 400 mm、壁厚为 27.5 mm、线速度为 0.5 m/min的生产线上,仪器操作人员通过该系统可在 10~30min内得到精确的测量值。

图5 PVC无线波吸收率:在80~300GHz的选定区域内,塑料材料都能够被穿透且吸收率小,从而可对大尺寸 PVC管道的壁厚进行精确测量

相比之下,运用超声波技术测量塑料管道壁厚则是一个挑战。由于高温条件下大量的声波被吸收,因此在生产线热端对大壁厚管道进行测量时会受到一定的限制。此外,不论是在生产线冷端还是热端,其测量结果的精确度都会因声波的温度依赖性而受到很大限制。由此,生产商在生产过程中不能最快地得到可靠且精确的管道尺寸信息,从而无法及时调整来避免废品产生。

毫米波测量系统的使用还可以帮助管材制造商节省大量材料。挤出塑料管的材料成本可占到总制造成本的90%,而借助毫米波系统对管道壁厚的精确控制可实现管道的最小米重,从而大幅降低材料的使用成本(根据生产线的生产量、使用的材料类型以及基本规范,在允许的最大和最小尺寸之间具有每年数百万欧元的成本节省潜力),提高制造商的市场竞争力。此外,毫米波测量系统带来的塑料管材的标准化生产还确保了管道的完美加工,从而可以节省时间。例如,优质管材很容易进行焊接。

结语

随着大型塑料管材质量要求的不断提高,行业规范对该类管材的产品尺寸进行了精确地界定。为此,确保挤出管材的精确尺寸/可靠质量变得愈发重要。基于毫米波技术的创新系统,可在生产线热端或冷端控制最终产品质量,并对产品参数进行持续地在线监控,如内/外径、椭圆度、壁厚及熔垂度。

毫米波技术适用于包括PVC在内不同类型材料的检测。弯曲表面产品以及多层管道的壁厚也可被精确测量。因此,将毫米波技术与处理系统相结合,有助于优化生产工艺和提高管材质量,达到材料消耗的最小化(节省成本)及节省时间的目的。