阅读说明：本技术 一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置和方法 (Device and method for measuring rubber viscosity in metering section of rubber extruder on line ) 是由 刘彦昌 林广义 于芳 马冲 梁振宁 胡亚菲 梁栋 于博全 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置和方法,属于橡胶加工性能测量技术领域,该在线测量装置包括安装在所述橡胶挤出机的计量段机筒上的压力传感器,所述计量段机筒内转动安装有由驱动装置驱动的螺杆,所述压力传感器用于测量所述螺杆的螺槽中橡胶熔体的压力,所述压力传感器与示波器相连,所述示波器与数据处理系统相连,所述示波器用于显示所述压力传感器的齿状迹线,从而测量所述压力传感器锯齿状迹线斜率；所述数据处理系统可根据平均表观粘度表达式计算计量段中橡胶的平均表观粘度。该在线测量方法包括上述在线测量装置。本发明实现了橡胶挤出机计量段中橡胶熔体粘度的在线测量,有利于改善挤出加工过程的控制。(The invention discloses a device and a method for measuring the viscosity of rubber in a metering section of a rubber extruder on line, belonging to the technical field of rubber processing performance measurement, wherein the device comprises a pressure sensor arranged on a metering section cylinder of the rubber extruder, a screw driven by a driving device is rotatably arranged in the metering section cylinder, the pressure sensor is used for measuring the pressure of a rubber melt in a screw groove of the screw, the pressure sensor is connected with an oscilloscope, the oscilloscope is connected with a data processing system, and the oscilloscope is used for displaying a toothed trace of the pressure sensor so as to measure the slope of the sawtooth trace of the pressure sensor; the data processing system can calculate an average apparent viscosity of the rubber in the metering section from the average apparent viscosity expression. The online measuring method comprises the online measuring device. The invention realizes the on-line measurement of the viscosity of the rubber melt in the metering section of the rubber extruder and is beneficial to improving the control of the extrusion processing process.)

一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置和方法

技术领域

本发明属于橡胶加工性能测量技术领域，尤其涉及一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置和方法。

背景技术

橡胶熔体是一种典型的非牛顿流体，粘度是其重要的物性参数之一。在橡胶挤出过程中，计算螺杆体积流率、粘性生热和功率消耗等都需要挤出机计量段中的橡胶熔体粘度的数据。然而，非牛顿流体的粘度具有剪切速率和温度的依赖性，将随剪切速率和温度的变化而不同。

为了获得一定加工条件下的橡胶熔体粘度数据，往往使用标准方法测量，如毛细管流变仪、振荡圆盘流变仪和挤出流变仪。尽管毛细管流变仪和振荡圆盘流变仪可以测量橡胶挤出加工剪切速率和温度下的粘度，但需要大量费时实验，并且不能用于在线测量。而且，从挤出线取胶转运到毛细管流变仪和振荡圆盘流变仪的期间，将发生额外的松弛效应，使粘度测量数据掺假。挤出流变仪虽然能避免上述的额外松弛效应，但它测量的是挤出机头中的胶料粘度，而胶料在挤出机头中的流动、剪切速率和温度与在挤出机计量段中是不同的，采用挤出流变仪的粘度数据来计算螺杆体积流率、粘性生热和功率消耗等，将产生较大的误差。

因此，在橡胶加工性能测量技术领域中，对于在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置和方法仍存在研究和改进的需求，这也是目前橡胶加工性能测量技术领域中的一个研究热点和重点，更是本发明得以完成的出发点。

发明内容

为了克服标准方法测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的缺点，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种简单、可靠在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置。

作为同一种构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种简单、可靠在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置，包括安装在所述橡胶挤出机的计量段机筒上的压力传感器，所述计量段机筒内转动安装有由驱动装置驱动的螺杆，所述压力传感器用于测量所述螺杆的螺槽中橡胶熔体的压力，所述压力传感器与示波器相连，所述示波器与数据处理系统相连，所述示波器用于显示所述压力传感器的齿状迹线，从而测量所述压力传感器锯齿状迹线斜率；

所述数据处理系统可根据平均表观粘度表达式计算计量段中橡胶的平均表观粘度；

式中H为计量段螺槽深度，S为压力传感器锯齿状迹线斜率，V为螺杆旋转线转速，V＝πDN，D为螺杆直径，N为螺杆转速，θ为螺棱螺旋角，Φ为流动函数；

所述流动函数Φ的定义式为：式中Q为通过计量段的净体积流率；Q_D为计量段的拖曳体积流率，Q_D＝VzWH/2＝V WHcosθ/2＝αN，式中Vz为H处的顺螺槽速度，W为螺槽宽度，H为计量段螺槽深度，V为螺杆旋转线转速，θ为螺棱螺旋角，α为与螺杆几何参数有关的拖曳流动常数，N为螺杆转速。

作为一种改进，通过定时称量的挤出物重量除以橡胶密度和时间，或者通过测量的挤出物断面面积与测量的挤出线速度之乘积，可获得所述Q。

作为一种改进，所述驱动装置包括电机，所述螺杆转速N可通过安装在所述电机上的编码器测得。

作为一种改进，所述拖曳流动常数α应当考虑螺棱宽度、漏流和螺旋槽棱的影响。

作为一种改进，所述计量段机筒上还安装有用于测量所述螺杆的螺槽中橡胶熔体温度的温度传感器，所述温度传感器与所述数据处理系统相连。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的方法，采用上述在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)能够在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶熔体的剪切速率和温度依赖性的粘度；

2)提供了确定挤出过程局部状态的直接、可靠方法，有利于改善挤出加工过程的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1是本发明实施例提供的在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置的结构示意图；

图2是在计量段机筒上安装压力传感器的示意图；

图3为周期性锯齿状压力循环的示意图；

图中：1-机头，2-计量段机筒，3-温度传感器，4-压力传感器，5-示波器，6-数据处理系统，7-螺杆。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1和图2共同所示，一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置，包括与机头1可拆连接(如螺钉)的计量段机筒2，安装在橡胶挤出机的计量段机筒2上的压力传感器4，计量段机筒2内转动安装有由驱动装置(图中未示出)驱动的螺杆7，在驱动装置的驱动下，螺杆7可在计量段机筒2内旋转，驱动装置包括电机，当然，驱动装置也可以采用电机驱动的减速器等等，为本领域的公知技术，在此不再赘述；压力传感器4用于测量螺杆7的螺槽中橡胶熔体的压力，压力传感器4与示波器5相连，示波器5与数据处理系统6相连，示波器5用于显示压力传感器4的齿状迹线，从而测量压力传感器4锯齿状迹线斜率。

数据处理系统6可根据平均表观粘度表达式计算计量段中橡胶的平均表观粘度；

式中H为计量段螺槽深度，S为压力传感器锯齿状迹线斜率，V为螺杆旋转线转速，V＝πDN，D为螺杆直径，N为螺杆转速，θ为螺棱螺旋角，Φ为流动函数。

流动函数Φ的定义式为：式中Q为通过计量段的净体积流率；Q_D为计量段的拖曳体积流率，Q_D＝VzWH/2＝V WHcosθ/2＝αN，式中Vz为H处的顺螺槽速度，W为螺槽宽度，H为计量段螺槽深度，V为螺杆旋转线转速，θ为螺棱螺旋角，α为与螺杆几何参数有关的拖曳流动常数，N为螺杆转速。

上述Q可用本领域技术人员熟知的许多在线测量和计算方法得到，例如通过定时称量的挤出物重量除以橡胶密度和时间，或者通过测量的挤出物断面面积与测量的挤出线速度之乘积，可获得Q。挤出物断面面积可采用激光轮廓测量仪在线测量；挤出线速度可通过编码器测量安装在机头口模处的接取输送装置辊筒的线速度获得，激光轮廓测量仪与测速编码器分别与数据处理系统6相连。

上述螺杆转速N可通过安装在电机上的编码器测得，编码器与数据处理系统6相连。

需要说明的是，数据处理系统6可以采用可编程控制器等等，为本领域公知技术，在此不再赘述。

为了减少平均表观粘度μ测量误差，拖曳流动常数α应当考虑螺棱宽度e、漏流和螺旋槽棱的影响，需要说明的是，拖曳流常数α仅与螺杆7几何参数有关，给定螺杆后，拖曳流常数是一个恒定值。

本发明的粘度装置的原理是：基于螺杆泵简化的平板、等温、牛顿流动模型以及稳态流动、不可压缩流体、忽略重力与惯性力等的假设，简化运动方程。需要说明的是，流动模型是为了计算速度分布等的一个物理模型，其为本领域的公知技术。上述平均表观粘度表达式的推导过程如下：

应用横螺槽速度v_x和顺螺槽速度v_z边界条件[v_x(0)＝0，v_x(H)＝V_x；v_z(0)＝0，v_z(H)＝V_z]，积分简化的运动方程，获得v_x和v_z的速度分布：

方程一

方程二

将v_z代入方程和v_x代入获得

方程三

方程四

由方程三和方程四，积分得

方程五

因为z＝Vtcosθ和x＝Vtsinθ，所以从方程五可得挤出机计量段机筒上一固定点处的压力时间函数表达式

方程六

在大多数橡胶挤出条件下，方程六表示的压力-时间曲线是周期性锯齿状压力循环，如图3所示，图3中t₀表示循环周期，t_f表示从压力最大值降到压力最小值所需要的时间；当螺槽推力侧在压力传感器4下方(图2中的点1)时，压力P₁最小；随着螺杆旋转，压力传感器4斜向穿过螺槽，并且压力稳定增加，直到螺槽拖曳侧到达压力传感器4(图2中的点2)，压力达到最大值P₂。

在方程一到方程六中，v_x为横螺槽速度，v_z为顺螺槽速度，Vx为H处的横螺槽速度，Vz为H处的顺螺槽速度，P为螺槽中的压力分布，μ为平均表观粘度，V为螺杆旋转线转速，H为计量段螺槽深度，t为时间，θ为螺棱螺旋角，Φ为流动函数,x为横螺槽方向坐标，z为顺螺槽方向坐标，y为沿螺槽深度方向坐标，W为螺槽宽度。

从点P₁到点P₂的直线斜率是S；根据方程六，可获得曲线的斜率S是：

方程七

从方程七，获得平均表观粘度

方程八

由方程七、方程八和流动函数的定义式可知，对于给定挤出机，螺杆几何参数D、θ、W和H是已知的,测量N和Q，可计算V和Φ；记录压力传感器锯齿状迹线，测量迹线斜率获得S。这样，从方程八可计算橡胶熔体的平均表观粘度μ。这些测量和计算都是在线进行的。

为了测量挤出机计量段中橡胶温度，计量段机筒2上还安装有用于测量螺杆7的螺槽中橡胶熔体温度的温度传感器3，温度传感器3与数据处理系统6相连。

实施例二：

本发明实施例还公开了一种在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的方法，采用上述在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置。

具体的说，如图1和图2所示，该在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置，包括与机头1可拆连接(如螺钉)的计量段机筒2，安装在橡胶挤出机的计量段机筒2上的压力传感器4，计量段机筒2内转动安装有由驱动装置(图中未示出)驱动的螺杆7，在驱动装置的驱动下，螺杆7可在计量段机筒2内旋转，驱动装置包括电机，当然，驱动装置也可以采用电机驱动的减速器等等，为本领域的公知技术，在此不再赘述；压力传感器4用于测量螺杆7的螺槽中橡胶熔体的压力，压力传感器4与示波器5相连，示波器5与数据处理系统6相连，示波器5用于显示压力传感器4的齿状迹线，从而测量压力传感器4锯齿状迹线斜率。

数据处理系统6可根据平均表观粘度表达式计算计量段中橡胶的平均表观粘度；

式中H为计量段螺槽深度，S为压力传感器锯齿状迹线斜率，V为螺杆旋转线转速，V＝πDN，D为螺杆直径，N为螺杆转速，θ为螺棱螺旋角，Φ为流动函数。

流动函数Φ的定义式为：式中Q为通过计量段的净体积流率；Q_D为计量段的拖曳体积流率，Q_D＝VzWH/2＝V WHcosθ/2＝αN，式中Vz为H处的顺螺槽速度，W为螺槽宽度，H为计量段螺槽深度，V为螺杆旋转线转速，θ为螺棱螺旋角，α为与螺杆几何参数有关的拖曳流动常数，N为螺杆转速。

上述Q可用本领域技术人员熟知的许多在线测量和计算方法得到，例如通过定时称量的挤出物重量除以橡胶密度和时间，或者通过测量的挤出物断面面积与测量的挤出线速度之乘积，可获得Q。挤出物断面面积可采用激光轮廓测量仪在线测量；挤出线速度可通过编码器测量安装在机头口模处的接取输送装置辊筒的线速度获得，激光轮廓测量仪与测速编码器分别与数据处理系统6相连。

上述螺杆转速N可通过安装在电机上的编码器测得，编码器与数据处理系统6相连。

需要说明的是，数据处理系统6可以采用可编程控制器等等，为本领域公知技术，在此不再赘述。

为了减少平均表观粘度μ测量误差，拖曳流动常数α应当考虑螺棱宽度e、漏流和螺旋槽棱的影响，需要说明的是，拖曳流常数α仅与螺杆7几何参数有关，给定螺杆后，拖曳流常数是一个恒定值。

本发明在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的方法的原理是：基于螺杆泵简化的平板、等温、牛顿流动模型以及稳态流动、不可压缩流体、忽略重力与惯性力等的假设，简化运动方程。需要说明的是，流动模型是为了计算速度分布等的一个物理模型，其为本领域的公知技术。上述平均表观粘度表达式的推导过程如下：

应用横螺槽速度v_x和顺螺槽速度v_z边界条件[v_x(0)＝0，v_x(H)＝V_x；v_z(0)＝0，v_z(H)＝V_z]，积分简化的运动方程，获得v_x和v_z的速度分布：

方程一

方程二

将v_z代入方程和v_x代入获得

方程三

方程四

由方程三和方程四，积分得

方程五

因为z＝Vtcosθ和x＝Vtsinθ，所以从方程五可得挤出机计量段机筒上一固定点处的压力时间函数表达式

方程六

在大多数橡胶挤出条件下，方程六表示的压力-时间曲线是周期性锯齿状压力循环，如图3所示，图3中t₀表示循环周期，t_f表示从压力最大值降到压力最小值所需要的时间；当螺槽推力侧在压力传感器4下方(图2中的点1)时，压力P₁最小；随着螺杆旋转，压力传感器4斜向穿过螺槽，并且压力稳定增加，直到螺槽拖曳侧到达压力传感器4(图2中的点2)，压力达到最大值P₂。

在方程一到方程六中，v_x为横螺槽速度，v_z为顺螺槽速度，Vx为H处的横螺槽速度，Vz为H处的顺螺槽速度，P为螺槽中的压力分布，μ为平均表观粘度，V为螺杆旋转线转速，H为计量段螺槽深度，t为时间，θ为螺棱螺旋角，Φ为流动函数,x为横螺槽方向坐标，z为顺螺槽方向坐标，y为沿螺槽深度方向坐标，W为螺槽宽度。

从点P₁到点P₂的直线斜率是S；根据方程六，可获得曲线的斜率S是：

方程七

从方程七，获得平均表观粘度

方程八

由方程七、方程八和流动函数的定义式可知，对于给定挤出机，螺杆几何参数D、θ、W和H是已知的,测量N和Q，可计算V和Φ；记录压力传感器锯齿状迹线，测量迹线斜率获得S。这样，从方程八可计算橡胶熔体的平均表观粘度μ。这些测量和计算都是在线进行的。

为了测量挤出机计量段中橡胶温度，计量段机筒2上还安装有用于测量螺杆7的螺槽中橡胶熔体温度的温度传感器3，温度传感器3与数据处理系统6相连。

综上，本发明实施例提供的在线测量橡胶挤出机计量段中橡胶粘度的装置和方法，能够实现橡胶挤出机计量段中橡胶熔体粘度的在线测量，提供了确定挤出过程局部状态的简单、直接、可靠方法，有利于改善挤出加工过程的控制。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。