内嵌式颜色测量技术在熔体挤压生产中的应用邯郸

内嵌式颜色测量技术--在熔体挤压生产中的应用

内嵌式颜色测量技术--在熔体挤压生产中的应用 2011： 产品的颜色色度变化可以反映生产过程参数的变化或是反映出原材料或中间加料过程的变化。可连续工作的内嵌式颜色测量仪可以直接应用于挤压机出口成品的颜色测量，进而可以实现对生产全过程进行系统性的控制。使用这种方法可以在生产过程中实时地采取措施，为避免生产中的质量偏离事故提供了很好的技术手段。 众所周知，颜色测量分析可以作为定义产品质量特性的一个手段。这种分析通常应用于对最终产品的质量检验中。通常的产品颜色测量分析是通过从产品生产线上经过人工直接取样的方式，或是通过自动取样的方式来完成。 在各种不同模式的颜色测量分析方法之间存在很大的差异性：在常见的离线式（off-line）颜色测量分析方法中，不能立刻得到颜色测量分析结果，因此这也是离线式方法不能应用于实时过程，实现实时过程控制的原因。在线式（on-line）颜色测量分析方法在对最终产品的检测完成后仅仅几秒钟后就可以得出分析结果，但是由于这种普通颜色测量传感器不能用于生产过程的恶劣工况环境中，造成这种方法的一个不可克服的缺点，即只能在工艺生产过程中非常靠后的一个阶段才能使用，这就造成与流程前期存在非常长的时间滞后，因此其只适合于有限范围的实时过程控制。与上述两种颜色测量分析方法截然不同的是内嵌式（in-line）颜色测量分析方法，这种方法可以在极短的时间内提供出分析结果，而且由于这种测量方式可以允许测量传感器直接与高温高压的融熔流体接触，测量信号直接取自挤压机出口产品本身，因而这种分析方法尤其适用于那些需要对生产过程进行快速调节和修正的生产工艺过程中。

测量探头配置了一个蓝宝石镜头

不同颜色测量分析方法之间的比较 离线式颜色测量分析方法在生产中是最常见的，应用范围很广。这种分析方法一般包括下列步骤： ◆从产品生产线上采集样品 ◆将样品运送到分析实验室 ◆将样品材料调整、转换为可以测量分析的形式和规格（例如颜色贴片、颜色栅格等） ◆将样品材料的温度冷却到室温条件下 ◆用专用的颜色测量仪对样品进行测量 ◆将分析结果送往产品质量管理部门 ◆通过人工分析决定对工艺过程进行一定的调整和修正措施 ◆再次重复此过程 很明显：从开始由生产线上取样到最终记录分析结果并传送到产品质量控制部门需要经过以上一系列步骤才能完成，这中间需要花费很长的时间。另一个更大的问题是 ：在这一段时间中只能对着一个样品点进行分析，由于不可能根据过去的数据结果对现在的过程进行质量控制，因此如何通过颜色的检测来控制实际生产过程，仍然是不明了的。再一个问题是 ：对于突发性发生的颜色偏移情形（这在实际工况中也是常常发生的），离线式的颜色测量分析方法是不可能对此进行测量的，因此也就不可能对此种生产状况进行实时的判断并采取相应的措施。 在线式测量分析系统使得对半成品或中间过程的颜色质量控制成为可能。例如，在生产过程的中间阶段时，可以通过对半成品的颜色质量分析来控制质量。这些测量分析系统一般用于记录成品的实际状态参数，所有在生产过程中引起颜色偏离的因素均被简单地记录形成文件。但由于on-line在线式测量系统的整体响应时间较长，如果组成自动控制回路则会存在较大的系统滞后，严重影响生产系统的稳定性，因此这种分析方法不适用于采用负反馈控制的经典型过程控制系统中。 在一个内嵌式颜色测量系统中，测量传感器可以直接与挤出机出口处的熔融介质相接触，不仅实现了连续测量记录，而且由于传感器直接介入被测介质，因而为生产者提供了当被测介质产生颜色偏移时，直接观测工艺过程的机会。内嵌式颜色测量分析模式省却了执行离线式分析过程中的前六个步骤，并且不会产生类似在线式颜色测量时所无法克服的时间滞后现象。在挤压机生产过程中应用内嵌式颜色测量分析技术，可以在极短时间内提供出实时、准确的颜色变化信息，因此可以在产品链的早期就能提供给生产控制部门以准确的过程质量信息，以便于对生产过程进行决策和实时控制。 内嵌式颜色测量分析技术 为了检测、记录挤出机出口产品颜色值的变化，需要将颜色测量传感器通过螺纹连接方式安装在挤出机出口处的一个安装孔上（见图1）

图1为了检测、记录挤出机出口产品颜色值的变化，需要将颜色测量传感器通过螺纹连接方式安装在挤出机出口处的一个安装孔上。

这种被称作“专用挤出机颜色测量传感器”中与被测量介质接触的部分设计有保护套管，保护套管具有足够强度，可以保护其内部的敏感元件部分。在传感器顶端镶着一个由蓝宝石材料制成的镜头。由于蓝宝石的硬度很高，是世界上硬度仅次于金刚石的物质，因此蓝宝石特别适合于在挤压机工况中应用。我们知道，挤压机出口处的温度和压力非常高，而且此处由于被挤压材料流动对传感器产生的摩擦力也非常大，使用其他材料的镜头根本无法正常工作。 内嵌式颜色测量传感器设置在挤压机装置的要点如下：在安装颜色测量传感器时，第一，必须注意防止传感器碰触到那些机械移动部件，例如旋转部件。第二，需要保证被测介质在流动过程中，被测熔体必须能够始终完全接触并覆盖住蓝宝石镜头（见图2），不能脱离镜头。由于始终接触流动着的被测介质，所以我们不用担心镜头的污染问题，这是由于这种情况下蓝宝石镜头具有自清洁功能，可以保证其不受污染或被测介质的粘贴。

图2 被测熔体必须能够始终完全接触并覆盖住蓝宝石镜头。

被测介质流过镜头时，由氙气闪光灯发出的强闪光照射到蓝宝石镜头前的被测介质。为了能够做到这一点，闪光是通过六组复合玻璃传导光纤束传导到蓝宝石镜头的。被测介质的反射光束则通过复合玻璃传导光纤束中心位置的一条光纤反馈到一个专门的图像分析处理器。系统每隔10秒钟的时间重复测量分析一次。因此通过这种方式我们就可以得到连续的颜色测量信号。 校准和系统结构 这种专门的挤出机颜色测量传感器的特殊设计意味着测量仪可以在不中断工作的情况下可以很方便的进行校准。要做到这一点，那么必须保证光学级的光导纤维在传感器保护套中是不能旋转、扭动的，而且在标准黑白基准上进行校准。使用绿颜色控制标准是标准的检查方法。还可以利用周围环境条件进行校准。系统可以保存它的静态零点三个月时间，三个月后就需要进行重新校准。 系统中核心的颜色测量元件是CCD（CCD是Charge Coupled Device电荷耦合器件的缩写,它是一种半导体成像器件），系统还使用了专用的photometer（图像分析处理器）技术。专用图像处理器可测量的光波波长在360～780nm之间，这一波段涵盖了可见光的波谱范围。通过使用CCD技术与单色镜头组合，可以达到比一般的标准颜色测量装置更好的分析测量效果。 内嵌式颜色测量系统中包括专用图像处理器、氙气闪光灯、信号处理单元，一台使用Windows XP操作系统的主流配置计算机，以及安装在现场就地保护箱中的操作用触摸屏（见图3）,保护箱的防护等级为NEMA 4 。触摸屏保护箱的材质为不锈钢，这种保护箱具备防尘和防水设计，可以用于恶劣的工业现场环境。即使是在工业生产现场中非常严重的高温工况环境下，由于整个系统中设计有内置式空调，因此也可以长期稳定地工作。

图3 安装在现场就地保护箱中的操作用触摸屏

功能组合 人们可以利用历史趋势记录的形式对颜色测量结果进行分析处理（见图4）。在一个计算机操作界面上可以同时显示出被测介质颜色测量数据，此数据随时与上下限设定值进行对比，并以红、绿指示灯的方式提示操作者注意。被测介质的实时测量值独立显示在趋势画面的另一侧。在工艺限定值允许范围内的测量值用绿颜色字体进行显示，达到控制限定值公差范围内时测量值用黄颜色进行显示，并且如果一旦超过限定值，数据会立刻由黄颜色变为红色，并进行闪光报警。同时，这些颜色切换信号不只是在屏幕上显示，而且在现场用同样颜色的红绿信号灯对当前的信号状态进行指示和报警。

图4 可以利用历史趋势记录的形式对颜色测量结果进行分析处理。

安装在生产现场的触摸屏可以显示计算机的操作画面，操作者可以从四种趋势对话页面（即dL*, da*, db*, dE*）中进行相应选择（见图4）。系统还提供了所有的标准光谱参照系，包括有常规的白色和黄色组合光谱格式。 实时过程控制 挤压机生产过程是一个具有高度复杂性的操作过程，这种操作过程中包含很多影响因素，每种影响因素都可能对最终产品的质量产生一定影响。而且相对于温度、压力和通过速度等过程影响因素来说，挤出机本身因为其独特的结构因素，会对最终产品有着很大的、决定性的影响。加之挤压机生产过程还会由于所处理材料存在的差异（如不同加工工艺生产出的原材料，或不同混合比例的原材料等），都会影响产品最终质量。 这些影响因素（无论是单独影响或综合影响）均会直接导致被挤压出的产品颜色出现变化。正是由此，利用内嵌式颜色测量分析方法去实时测量产品颜色的变化，就可以及时定义机器系统特性或进行过程参数的控制和优化。通过实践应用，人们可以越来越清楚的得到颜色测量值和产品质量缺陷之间存在的相关性关系。这种相关性是确切存在的，而且在一些过程中是特别明显的，例如：二氧化钛（TiO2）在挤压产品中的含量百分比的变化与其颜色亮度分析值之间存在非常大的相关性，其二氧化钛含量的变化导致产品颜色亮度发生明显变化（见图5）。

图5 二氧化钛含量的变化导致产品颜色亮度发生明显变化。

产品的颜色、色度波动变化的原因可以被归结于由于输送泵产生的脉动冲击或是由于某种液态色素媒介的沉降结果。可以进一步指出的是，通过颜色测量还可以发现、分析和诊断出挤出机存在的综合问题，如那些因同质化和某些测定方法所引起的问题，以及其他影响生产过程稳定性的波动等等生产系统中存在的综合性问题。 结论 当然，产品颜色色度分析并不是终端产品质量检验的必须环节，但是利用实时颜色测量技术却是一个可以实现稳定生产过程的非常好的方法，在一个产品生产过程中存在的任何扰动因素都会引起最终产品颜色色度方面产生变化。这些颜色色度值的偏离可以通过在产品生产过程中采取相应的应对措施来直接地消除掉，以求达到稳定的产品质量。 由于内嵌式颜色测量可以实现过程数据记录的连续性，在挤压机融熔体中应用内嵌式颜色测量可以建立一个非常好的生产模式，从而利用这种方法将生产过程作为一个整体系统来进行分析和优化。这种方法也可用于防止、杜绝不合格产品，避免产品品质污染，实现缺陷批次最小化，并可以优化配方组合，节约原材料或色素颜料，以及确保顺利实施精确的质量控制和生产工艺控制标准，使用这些方法都能避免因产品缺陷而不得不进行的产品召回或返工现象。 以上所有这些结论将能有效地促进原材料的节约和生产成本的降低。 (end)

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