基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量机理与实验

论文摘要

聚合物熔体温度是聚合物加工过程中重要变量之一，直接影响熔体流变性能、稳定性，对其准确测量与控制有利于提高产品质量，减少能源及原材料浪费。本文研究一种基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法，对于提高机电装备自动化水平，推动电容层析成像技术在高分子聚合物加工领域的应用，具有重要学术价值和实际意义。论文工作得到国家自然科学基金项目(项目号60801034)资助。论文对电容层析成像技术、聚合物熔体温度测量方法的国内外研究进展进行分析，提出一种基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法，对该测量方法机理进行系统研究，并搭建实验装置进行验证。论文主要工作包括：㈠提出一种基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法及系统，详细阐述该新型测量方法工作机理。该系统由电容式聚合物熔体温度场传感器、聚合物熔体温度场数据采集系统和聚合物熔体温度场成像系统等三个功能模块构成，基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法基本原理、拉东变换及逆变换、麦克斯韦方程等，推导出聚合物熔体温度场灰度向量的数学描述，进而获得聚合物熔体温度场的获取方法，方法具有非侵入、响应速度快、结构简单、容易实现的特点。㈡在实验基础上，建立聚合物熔体介电常数与温度关系模型，研究聚合物介电常数及其影响因素，聚合物极性影响最大，聚合物介电常数随其分子极性增强而增大；温度对聚合物介电常数影响随极化类型不同而异，温度对聚合物介电常数影响尚不清楚，故选取多种极性极性由弱到强、用途广泛聚合物材料，即低密度聚乙烯、聚碳酸酯、尼龙66。利用介电分析仪、宽频介电谱仪对其介电性能进行测试分析。结果表明，聚碳酸酯在测量温度范围内其介电常数与温度成一一对应关系；低密度聚乙烯在测试频率下都符合实验预期结果，可通过测量介电常数可推算其温度；尼龙66在2Hz、20kHz时不符合实验预期结果，其余测试频率下都符合。然后，建立聚合物熔体介电常数与温度关系模型。利用麦夸特通用全局优化法、BP神经网络两种方法，对低密度聚乙烯和尼龙66相关数据进行建模。利用麦夸特通用全局优化法对低密度聚乙烯数据拟合，f=1000Hz拟合效果最好，最大绝对残差为0.12℃；对尼龙66数据拟合，f=2kHz/2MHz时，拟合效果最好，最大绝对残差为0.52/0.37℃。利用MISO、SISO模式的BP神经网络对低密度聚乙烯进行建模，f=1000Hz时所建立模型最优，而且SISO模式的BP神经网络模型优于麦夸特通用全局优化模型，最大绝对残差为0.08℃；对尼龙66进行建模，MISO模式的BP神经网络模型各项指标均最优，最大绝对残差为0.29℃。㈢提出熔体温度场测量实验装置设计思路，该实验装置模拟聚合物熔体在挤出加工中的高温状态，利用基于电容层析成像技术的温度场测量方式及基于热电偶的温度测量方式测量聚合物熔体温度，为测量挤出成型过程中机头内熔体温度场做铺垫并提供实验验证的平台。然后，设计聚合物熔体温度场模拟实验装置，其包括电容式聚合物熔体温度场传感器、聚合物加热冷却模块、聚合物温度控制模块三部分。设计电容传感器总体结构，然后分别设计传感器绝缘管道、电极、信号线，解决了传感器绝缘管道耐高温高压问题、电极布置及与绝缘管道连接问题、高温下电极与信号线连接问题等；聚合物加热冷却模块的设计则先选择加热、冷却方式，然后计算加热功率，最后确定冷却装置结构；聚合物温度控制模块包括温控仪及相关器件，温度控制电路设计。最后，搭建聚合物熔体温度场测量系统，包括基于热电偶的聚合物熔体温度场测量系统、基于ECT的聚合物熔体温度场测量系统两部分。利用热电偶对聚合物熔体进行多点测量，测量结果与基于ECT的聚合物熔体温度场测量系统所测量结果比较。ECT的聚合物熔体温度场测量系统包括：热电偶选型、热电偶定位模块设计、温度采集模块设计、基于ECT的聚合物熔体温度场测量系统软硬件设计。㈣利用所设计的聚合物熔体温度场测量实验装置，对尼龙66进行测量。获得了尼龙66熔化冷却过程中介电常数分布图变化情况；从24℃升到300℃，温度与平均电容值的对应关系；从300℃降到24℃，温度与平均电容值的对应关系。实验结果表明，插入热电偶后将导致测量区域内介电常数变小，影响面积达90%以上，而且越靠近热电偶影响程度越大。另外可推断出，测量区域内某点影响程度与该点到热电偶之间距离成某种线性关系。另外，实验结果表明，利用电容层析成像技术可测得聚合物熔体介电常数分布，而且所测电容平均值与温度成一一对应关系，因此利用电容层析成像技术对聚合物熔体温度场测量完全可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出背景及研究意义
• 1.2 课题内容研究现状与发展
• 1.2.1 电容层析成像技术研究动态
• 1.2.2 聚合物熔体温度测量方法研究动态
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量原理及系统
• 2.3 聚合物熔体温度场灰度向量的数学表示
• 2.3.1 聚合物熔体温度场推导过程
• 2.3.2 聚合物熔体温度场图像重建算法分析比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于实验的聚合物熔体介电常数与温度关系模型
• 3.1 引言
• 3.2 聚合物材料选取
• 3.2.1 基于聚合物介电性能选取
• 3.2.2 基于聚合物用途选取
• 3.3 聚合物介电性能测试及结果分析
• 3.3.1 聚合物介电性能测试
• 3.3.2 聚合物介电性能测试结果分析
• 3.4 聚合物熔体介电常数与温度关系模型建立
• 3.4.1 基于麦夸特通用全局优化法的实验建模
• 3.4.2 基于 BP 神经网络的实验模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于 ECT 的聚合物熔体温度场测量实验装置
• 4.1 引言
• 4.2 熔体温度场测量实验装置设计思路
• 4.3 聚合物熔体温度场模拟实验装置设计
• 4.3.1 电容式聚合物熔体温度场传感器设计
• 4.3.2 聚合物加热冷却模块设计
• 4.3.3 聚合物温度控制模块设计
• 4.4 基于热电偶的聚合物熔体温度场测量系统
• 4.4.1 热电偶选型
• 4.4.2 热电偶定位模块设计
• 4.4.3 温度采集模块设计
• 4.5 基于 ECT 的聚合物熔体温度场测量系统
• 4.6 本章小结
• 第五章 聚合物熔体温度场测量验证实验
• 5.1 引言
• 5.2 聚合物熔体温度场测量验证实验原材料
• 5.3 聚合物熔体温度场测量验证实验过程
• 5.4 聚合物熔体温度场测量验证实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件