软管及管材的挤出测量技术

过去几年，软管及管材生产商在测量和控制技术、产线控制方面进行了大量投资，以提高在线质量控制水平、工艺稳定性并降低成本。现在，配有控制系统的在线测量装置已成为挤出生产线的标准配置。使用到的设备有测量头，可以测量内径、外径、椭圆度、偏心率，并且最好能在挤出过程中测量出产品垂挂度(粘度很高时固化过程中熔体形成“垂挂”)，但不仅限于此。所使用的测量系统根据应用领域的不同而采用不同技术。本文对传统及创新测量技术进行了回顾，并探讨了它们在挤出生产线中的利弊。

软管和管材直径测量技术

软管和管材产品直径的测量一般采用两种已十分成熟的方法，分别是“扫描系统”和“线性CCD传感技术”。

◆扫描系统

扫描法是将激光束通过一个旋转镜面或旋转盘对测量区域进行扫描。在旋转镜面与光传感器之间放置两只透镜。第一只透镜使激光束几乎平行地穿过测量区域，第二只透镜则将光束导向光敏探测器上。被扫描的产品置于两只透镜间，在测量区域内进行扫描时对激光束产生影响。比较激光束通过整个测量区域所需的时间与激光扫描整个产品表面所需的时间，即可计算出产品的直径。在这种情况下，时间等价于直径(图1)。测量速率取决于镜面旋转速度。使用多面镜有望提高测量速率。这就要求镜面必须达到完全一致的表面加工精度。通常会进行多次测量，以获得合理的精确度。

◆线性CCD传感系统

线性CCD传感测量技术主要有两种。第一种方法是利用光学仪器(透镜组)使激光束聚焦在一个线性传感器上。通过计算物体阴影图像中变暗的二极管，就可以确定直径大小。这种方法的优点是无需移动部件，但透镜组的成本较高(图2)。

第二种是智能方法，即用激光点亮高分辨率线性CCD，通过计算衍射条纹来确定直径。这种方法测量速度非常快，只受到所选择的线性CCD传感器的限制。第二种方法的优点是省去了昂贵的透镜组以及移动部件。

扫描和线性传感技术的主要区别在于，线性CCD传感技术只依靠数字化方式，不需要移动部件，因此具有更高的准确性、可重现性和测量速度。线性传感器的测量头在两三个平面上测量直径。它们能测量直径为0.05至500mm范围内各种材质的不透明或透明材料部件。另外，某些模型测量速度可高达5000/轴/秒，因此是探测团块和颈缩现象的可靠工具。

直径、壁厚和偏心率测量技术

由于仅测量直径不能满足要求的应用，软管和管材生产商需要采用还能测量产品壁厚和偏心率的测量系统。除了质量控制和工艺优化，节约塑料材料并降低成本同样十分重要。举例来说，常规采用的是基于超声波的技术。这种方法适合单层产品壁厚的基本测量，但由于其功能以及对材料特性、塑料温度和耦合介质的依赖，因而具有局限性。目前，X光技术则能确保获得精确的产品参数测量结果，而不会受到环境或材料的影响。

◆超声技术

超声技术只部分适用于软管与管材的在线质量控制。比如，超声技术不能穿透用作复合管道中蒸汽阻隔层的铝质层，因此不能适用于此。测量橡胶软管时，超声信号在很大程度上会被孔隙和橡胶材料所吸收，因此也不能提供可靠的测量结果。而且，多层橡胶软管一般都含有增强织物，它会转移超声波回声，使测量无法进行。超声波测量通常在水浴中实现，其中，水被用作声音传播的耦合介质。鉴于超声波的传播速度，必须进行精确的温度补偿，以根据温度和材料计算偏心率。这种技术需要进行校准。另外，只有将超声技术和额外的重力系统相结合，才能估算出壁厚。

◆X-光技术

X光技术采用了成像原理。X光技术对材料没有限制，也不需要耦合介质。这种技术不受材料温度的局限，因此可以将X光测量设备直接结合到挤出生产线上，不需要额外的措施，也无需校准。可以装在挤出头(热测量)后面，也可以在生产线末端(最终质量控制)。通过4点在线测量，仅需一台设备即可获得壁厚、偏心率、内外直径和椭圆度的测量数据。该系统可用于最多三层不同材料的测量，测量值可以管材/管道截面的形式实现数字化或图形化的实时显示，让用户可完美地进行挤出工具的对中。在考虑最小值的同时自动控制生产线速度或挤出机转速(RPM)，这对于实现最高效率至为关键。这样，就可以确保软管的品质。在另一方面，控制最小值可确保只消耗必需的材料。X-光技术适用于直径为0.65至270 mm的产品。对X光技术安全性担忧是没有根据的，因为低能量的辐射没有相关性。实际上，当人们乘坐从纽约飞到法兰克福之类航班时，受到的辐射要高很多。

大型塑料管道的测量技术

对于用于建筑和公共服务领域的120mm以上直径大型塑料管道的测量，上述技术同样适用。但这些技术在功能(超声)、成本、测量范围、周边测量点数量(X光)以及测量直径上(激光)都存在局限性。目前，用于质量控制的更新技术已在测试中。它采用了瞄准材料的太赫兹脉冲激发高功率光纤激光。通过材料内、外层边缘反射的脉冲来确定壁厚。但用这种技术在测量厚壁和高阻尼材料如PVC时也是存在局限的。另外，激光器的耐久性有限，且成本昂贵。

◆毫米波（Millimeter waves）技术

雷达技术FMCW(调频连续波)是用于尺寸测量和下垂度记录的一种成本大为降低的创新性技术。这些系统工作脉冲处于亚太赫兹脉冲范围内，它在汽车领域用于距离测量已有一段时间了。它采用半导体技术，价格比较实惠，在实际使用中寿命不受限。在80到300 GHz的选择范围内，所有塑料材料都可以穿透，且吸收率低，因此可测得壁厚。有一个或两个连续旋转收发器在绕管材移动时，会持续收发调频毫米波。另一种方法是，用静态系统通过两只接收器在四个点上选择性地测量壁厚和管材的内外径。如果需要围绕管周完整测量壁厚，则需要用旋转测量头。这种情况下，也可以精确测出并显示下垂度。该测量方法应用了塑料材料前后端边界层信号反射的时间差。测量精度达到几微米，测量速度为500次/秒。毫米波技术可沿着完整的周长，精确测量120至2500mm的产品。不需要耦合介质，且不受温度或塑料材料的影响。另外，测量系统可自动调节并适应挤塑材料的特性，用户不需要校准。而且，该技术为挤塑机提供了校准和温度控制的信息，因此测量值可确保用于优化同心性，并最大限度地降低壁厚。

总结

随着对软管和管材生产品质要求的提高，依靠非破坏性测试(NDT)对塑料管道的挤出质量进行精确、可靠的控制变得尤为重要。此外，高效地使用材料以降低成本也是工厂管理的重点。测量和控制系统可以持续检测和控制重要的产品参数。因此，软管和管材生产商可选择具有不同功能和多种用途的各种的技术。

激光技术能对0.5至500mm范围内的管径进行可靠的在线测量。另外，X光测量系统可以测量直径高达270mm的产品的壁厚和偏心度。同时，市场上也出现了基于毫米波的创新技术用于在挤塑生产线上测量管径高达2500mm的大型塑料管道。该技术可用来精确测量用不同类型材料制成的常规大小的管材尺寸和下垂度。因此，挤塑生产线到底应该采用哪种测量技术，取决于应用领域、以及用户基于质量保障、工艺优化、成本节约等对测量和控制提出的要求等。