Пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері

1 Пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері, що містить шумовий резистивний перетворювач і вимірювальну схему, яка включає два смугових фільтри, два широкосмугових підсилювачі змінної напруги, помножувач та фільтр нижніх частот, при цьому входи помножувача з'єднані з виходами широкосмугових підсилювачів змінної напруги, входи яких з'єднані з виходами смугових фільтрів, фільтр нижніх частот, підключений до виходу помножувача, і цифровий вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені два розподільних конденсатори, блок змінного опору, розміщений в термостаті, диференційний підсилювач, який виконаний на базі двох операційних підсилювачів, автоматичний перемикач, генератор низької частоти, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор і другий фільтр нижніх частот, при цьому один вихід шумового резистивного перетворювача через перший рознім і з'єднувальний кабель та один вихід блока змінного опору з'єднані через перший розподільний конденсатор з одним входом диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний через другий розподільний конденсатор з виходом автоматичного перемикача, один вхід якого з'єднаний через другий рознім і з'єднувальний кабель з другим виходом шумового резистивного перетворювача, другий вихід автоматичного перемикача з'єднаний з другим виходом блока змінного опору, виходи диференційного підсилювача з'єднані з входами смугових фільтрів, вихід першого фільтра нижніх частот з'єднаний з входом підсилювача низької частоти, вихід якого з'єднаний з входом синхронного детектора, до виходу якого підключений другий фільтр нижніх частот та цифровий вольтметр, а керуючі входи автоматичного перемикача та синхронного детектора з'єднані з виходом генератора низької частоти 2 Пристрій за п 1 , який відрізняється тим, що шумовий резистивний перетворювач складається 3 двох циліндричних електродів з закругленими головками, які виготовлені з кольорових металів з високою електропровідністю та розміщені в термостійких керамічних або фторопластов их втулках, розміщених в корпусі екструдера, при цьому електроди підпружинені і встановлені з можливістю зміни відстані між ними, яка визначається в залежності від технологічних розмірів екструдера Винахід відноситься до області термометрії і може бути використаний для визначення температури розплавів полімерних матеріалів в екструдерах за інтенсивністю власних теплових шумів полімерної маси Для отримання готових полімерних матеріалів, а також для наповнення, змішування та гомогенізації компонентів, фарбування, дегазації розплавів, грануляції та інших процесів використовують екструдери, які розрізняються продуктивністю, числом і конструкцією черв'яків, способом обігріву, конструкцією формуючого інструмента, Найбільш ефективні двочерв'ячні екструдери з одночасним проведенням змішування, гомогенізації, пластикацм дегазації та грануляції Технологічна частіша екструдерів складається із збірного корпусу, в якому обертаються черв'яки, двох збірних черв'яків, змішувальних дисків, розвантажувальних пристроїв, пристосування для зміни фільтрів Кожна секція корпусу мар свердлення для встановлення датчиків температури, наприклад, термопар, та датчиків тиску Теплові режими головних технологічних процесів приготування полімерних матеріалів здебільшого визначають якість полімерних матеріалів, Проблемою є достовірне визначення температури полімерного матеріалу в кожній секції О (О ю 56014 екструдера, та дотримання необхідного температурного режиму В зв'язку з тим, що термопари захищені кожухами від рухомої маси полімеру, то вноситься додаткове запізнення по температурі, що збільшує динамічну похибку виміру температури розплаву полімеру Крім того, виникає додаткова статична похибка в зв'язку з різницею температур захисного кожуха та чутливого елементу датчика Не використовувати захисний кожух можливо лите в тому випадку, коли контроль температури розплаву полімеру здійснюється за його власними тепловими шумами, які пропорційні температурі розплаву полімеру Трудність використання шумів для вимірювання температури розплавів полімерів полягає у низькому рівні теплового шумового сигналу, який складає одиниці або десятки мікровольт Проблемою є вимірювання малої шумової напруги, яка може бути спів розмірним власним шумам вимірюваної апаратури, а ІНОДІ вона менш потужна Це технічне рішення також ускладнюється тим, що корисний сигнал напруга теплового шуму (несе Інформацію про температуру об'єкта) так і перешкода - власний шум апаратури, є нерозрізнені по спектральному складу Тому малоефективними виявляються ВІДОМІ метода та пристрої вимірювання слабких шумових сигналів на фоні більш інтенсивних особистих шумів вимірювальної схеми Відомий пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері (див Впху Н G Temperature Measurement in Nuclear Reactors by Noise Thermometry // Nucl lustrum Meth - 1971, - Vol37, -Nl)r який містить вимірювальний шумовий резистивний перетворювач, опорний шумовий резистивний перетворювач, два синхронізованих перемикача, два малошумних підсилювача, два смугових фільтра, два широкосмугових підсилювача, перемножувач, диференційний операційний підсилювач з двома конденсаторами пам'яті, інтегратор, пристрій реєстрації та мікропроцесор, при цьому входи синхронізованих перемикачів з'єднані з виходами вимірювального шумового резистивного перетворювача та опорного шумового резистивного перетворювача, а виходи синхронізованих перемикачів з'єднані з входами двох малошумних підсилювачів, виходи яких з'єднані з входами двох смугових фільтрів, виходи яких з'єднані з входами двох широкосмугових підсилювачів, виходи яких з'єднані з входами перемножувача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані диференційний операційний підсилювач з двома конденсаторами пам'яті» інтегратор, мікропроцесор та пристрій реєстрації Дрейф нуля перемножувача, неідентичність параметрів двох підсилювачів та наявність двох конденсаторів пам'яті вносять додаткові похибки на результат вимірювання температури, що викликана часовою зміною їх параметрів Відомий пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері (див, Саватеев А В Шумовая термометрия, - Л, Энергоатомиздат, Ленингр, отд-ние, 1987, - с 7476,), який містить шумовий резистивний перетворювач, два малошумних підсилювача, перемножувач, інтегратор, вимірювач постійного струму, генератор шуму, фазорозщеплювач, при цьому входи малошумних підсилювачів з'єднані з шумовим резистивним перетворювачем, виходи малошумних підсилювачів з'єднані з входом перемножувача, з виходом якого послідовно з'єднані інтегратор, вимірювач постійного струму, генератор шуму, фазорозщеплювач, виходи якого з'єднані з другими входами малошумних підсилювачів Відсутність гальванічної розв'язки між входами малошумних підсилювачів призводять до проникнення власних шумів кожного з підсилювачів в суміжний канал, що вносить додаткову похибку вимірювання температури Відомий також пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері (див Стадник БІ , Микитин І П Термошумовий термометр, - Вісник Державного університету "Львівська політехніка" Автоматика, вимірювання та керування, - 1997, - №314, - с 8589), що містить шумовий резистивний перетворювач і вимірювальну схему, яка включає два смугових фільтра, два широкосмугових підсилювача змінної напруги, перемножувач та фільтр нижніх частот, при цьому входи перемножувача з'єднані з виходами широкосмугових підсилювачів змінної напруги, входа яких з'єднані з виходами смугових фільтрів, фільтр нижніх частот підключений до виходу перемножувача і цифровий вольтметр Крім того, відомий пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів містить два малошумних вхідних підсилювача, інтегруючій аналого-цифровий перетворювач, блок інтерфейсу і комп'ютер, При цьому потенційний вихід шумового резистивного перетворювачу другий вихід якого заземлений, з'єднаний з входами двох малошумних підсилювачів, виходи яких через смугові фільтри та широкосмугові підсилювачі змінної напруга з'єднані з входами перемножувача, а вихід перемножувача з'єднаний з входом фільтра нижніх частот, вихід якого з'єднаний з цифровим вольтметром і аналого-цифровим перетворювачем та блоком паралельного інтерфейсу зв'язку з комп'ютером Відсутність електричної розв'язки на входах малошумних підсилювачів (вихід шумового резистивного перетворювача безпосередньо підключений до входа двох малошумних підсилювачів) призводить до проникнення шумів кожного з підсилювачів в суміжний вимірювальний канал, що призводить до їх кореляції та виникнення додаткової похибки, яку важко компенсувати, а це знижує точність вимірювання температури об'єкту Для виключення впливу нестабільності значення опору первинного шумового резистивного перетворювача, що викликає додаткову похибку, потрібні додаткові вимірювання температури Непрямі виміри, що базуються на роздільному вимірюванні напруга теплових шумів та електричного опору, з відключенням первинного перетворювача, призводять до збільшення часу вимірювання 56014 температури розплаву полімеру В основу винаходу покладена задача створення такого пристрою для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері, у якому введення нових елементів та зв'язків забезпечило би підвищення точності та швидкодії контролю температури розплавів полімерних матеріалів Поставлена задача розв'язується тим, що в пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері, який містить шумовий резистивний перетворювач і вимірювальну схему, яка включає два смугових фільтра, два широкосмугових підсилювача змінної напруги, перемножувач та фільтр нижніх частот, при цьому входи перемножувача з'єднані з виходами широкосмугових підсилювачів змінної напруги, входи яких з'єднані з виходами смугових фільтрів, фільтр нижніх частот підключений до виходу перемножувача і цифровий вольтметр, згідно з винаходом, введеш два розподілювальних конденсатора, блок змінного опору, розміщений в термостаті, диференційний підсилювач, який виконаний на базі двох операційних підсилювачу автоматичний перемикач, генератор низької частоти, послідовно з'єднанні підсилювач низької частоти, синхронний детектор і другий фільтр наших частот, при цьому один вихід шумового резистивного перетворювача через перший роз'єм і з'єднувальний кабель та один вихід блоку змінного опору з'єднані через перший розподілювальнии конденсатор з одним входом диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний через другий розподілювальнии конденсатор з виходом автоматичного перемикача, один вхід якого з'єднанний через другий роз'єм і з'єднувальний кабель з другим виходом шумового резиегавного перетворювача, другий вихід автоматичного перемикача з'єднаний з другим виходом блоку змінного опору, виходи диференційного підсилювача з'єднані з входами смугових фільтрів, вихід першого фільтра нижніх частот з'єднаний з входом підсилювача низької частоти, вихід якого з'єднаний з входом синхронного детектори, до виходу якого підключений другий фільтр нижніх частот та цифровий вольтметр, а керуючі входи автоматичного перемикача та синхронного детектора з'єднані з виходом генератора низької частоти При ньому шумовий резистивний перетворювач містить два циліндричних електрода з закругленими головками, які виготовлені з кольорових металів з високою електропровідністю та розміщені в термостійких керамічних або фторопластов их втулках, розміщених в корпусі екструдера, при цьому електроди під пружинені і встановлені з можливістю зміни відстані між ними, яка визначається в залежності від технологічних розмірів екструдера Саме введення в схему пристрою для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері двох розподілювальних конденсаторів, блоку змінного опору диференційного підсилювача, який виконаний на 6 базі двох операційних підсилювачів, автоматичного перемикача, генератора низької частоти, послідовно з'єднаних підсилювача низької частоти, синхронного детектора, другого фільтра нижніх частот, що включені зазначеним чином, дозволило підвищити точність контролю температури розплавів полімерних матеріалів Тому що, зменшене вплив власних шумів апаратури, які вносять додаткову похибку на результат контролю температури А введення в схему нової конструкції первинного перетворювача дозволяє також підвищити швидкодію контролю температури розплавів полімерних матеріалів та запобігти зносу первинного перетворювача Тому що, в якості чутливого елементу використовується сам полімерний розплав На малюнку наведена схема пристрою для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері Пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері містить шумовий резистивний перетворювач 1, до складу якого входять циліндричні електроди 2 та 3 з закругленими головками, які виготовлені з кольорових металів з високою електропровідністю та розміщують в термостійких керамічних або фторопластов их втулках 4 та 5, розміщених в корпусі екструдера 6 з черв'яком 7, циліндричні електрода 2 та 3 підключені до вимірювальної схеми за допомогою з'єднувальних кабелів 8 та 9 і розумів 10 та 11 Один вихід шумового резистивного перетворювача 1 підключений до першого входу автоматичного перемикача 12, до другого входу якого підключений перший вихід блоку змінного опору 13, який розміщений в термостаті 14 Другий вихід шумового резистивного перетворювача 1 та другий вихід блоку змінного опору 13 з'єднані з першим розподіл ювальним конденсатор 15 Вихід автоматичного перемикача 12 з'єднаний з другим розподілювальним конденсатором 16 Розподілювальнии конденсатор 15 підключений до першого входу даференційного підсилювача 17, тобто до входу операційного підсилювача 18 Другий розподілювальним конденсатор 16 підключений до входу операційного підсилювача 19, який теж входить до складу диференційного підсилювача 17, виходи якого з'єднані з входами смугових фільтрів 20 та 21, виходи яких з'єднані з входами широкосмугових підсилювачів 22 та 23 виходи яких з'єднані з входами перемножувача 24, вихід якого з'єднаний з послідовно з'єднаними фільтром нижніх частот 25, підсилювачем низької частоти 26, синхронним детектор 11, другим фільтром нижніх, частот 28, цифровим вольтметром 29 а керуючі входи автоматичного перемикача 1 2 та синхронного детектора 27 з'єднані з виходом генератора низької частоти ЗО Шумовий резистивний перетворювач, що складається з двох циліндричних електродів 2 та 31 закругленими головками, які виготовлені з кольорових металів з високою електропровідністю та розміщені в термостійких керамічних або фторопластов их втулках 4 та 5 екранують електроди від металевого корпусу екструдера 6, 56014 при цьому електрода 2 та 3 підпружинені, що дозволяє конструктивно виключити можливість зрізу контактів черв'яком 7, що обертається Відстань між електродами 2 та 3 визначається з розміру кроку черв'яка 7 та обирається як 1/3 від розміру його кроку Пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів в екструдері працює наступним чином Електроди занурюються в розплав полімеру Опір між електродами 2 та 3 в маках активної зони визначається електричними властивостями полімеру і дорівнює Rx Квадрат шумової напруги, яка знімається з роз'ємів Ю т а 1 1 , згідно рівняння Найквіста має вигляд Ц( 2 = 4kAfT x R x m 23 де k=1 38x10 Дж/К - стала Больцмана, Rx значення опору ДІЛЬНИЦІ полімерного матеріалу між контактам первинного перетворювача, Af смуга частот, в якій відбувається виділення шумових шумів, Т х - абсолютна температура первинного перетворювача за шкалою Кельвіна, Ця напруга за допомогою з'єднувальних кабелів 8 та 9 і роз'єми 10 та 1 1 , автоматичний перемикач 12 (при положенні як вказано на малюнку) і розподілювальні конденсатори 15 та 16 поступає на входи диференційного підсилювача 17, до складу якого входять операційні підсилювачі 18 та 19 Шумова напруга диференційним підсилювачем 17 першого підсилюється та розлінюється на дві протифазні напруги На виході операційного підсилювача 18 вихідна напруга находиться в фазі з вхідною напругою, а на виході підсилювача 19-у протифазі з вхідною Блок змінного опору 13 використовують для встановлення опору Ro, що відповідає опору розплаву полімеру при заданій температурі, тобто, з блоку змінного опору 13 знімаємо шумову напругу Uo, квадрат якої також визначається рівнянням (1), але з температурою То - яка задається термостатом 14 Це дозволяє формувати опорну шумову напругу, інтенсивність якого відповідає температурі То, заданій за технологічним регламентом За безперервної роботи автоматичного перемикача 12, який керується напругою генератора низької частоти ЗО, на один вхід диференційного підсилювача 17 почергово поступають напруги U x та Uo, а другий вхід підсилювача являється опорним Якщо напруги U x та Uo представити в комплексному вигляді, то на виходах диференційного підсилювача 17 дня двох положень автоматичного перемикача 12 отримуємо, U18 =К 1 8 (й х +й ш 1 8 ),й19=-К 1 9 (й х +й ш 1 9 ), (2) U 18 = K-| 8 (UQ + и ш - ] 8 ) , U 19 = - K i g ( U o +и ш -]д), (3) де Кіз, К-І9 - коефіцієнти передачі операційних ш 1 8 ш 1 9 підсилювачів 18 та 19, та - власні шуми операційних підсилювачів 18 119 Напруги (2) та (3) відокремлюються смуговими 8 фільтрами 20 та 21 від низькочастотних шумів нетеплового характеру і підсилюються широкосмуговими підсилювачами 22 та 23, які ш 2 2 мають власні шуми та корельовано між собою Враховуючи, що підсилювачі однакові, приймемо рівність їх підсилення Kis=Ki9 =К-і71 отримуємо ш 2 3 , що не 18 та 19 коефіцієнтів и22 = к 1 7 к 2 0 к 2 2 ( и І ! + и ш і В ) + к 2 2 и ш 2 2 и 2 з=-к, 7 к 2 1 к 2 з(и | ! +и ш і д )+к 2 зи ш 2 з (4) и 2 =к 1 7 к 2 О к 2 2 (и о +и ш 1 8 )+к 2 2 и ш 2 2 и 23 =-к 1 7 к 2 1 к 2 3 (іі 0 +и ш 1 9 )+к 2 3 и ш 2 3 2 (5) де, К20, К21, К22 та Кгз - коефіцієнти передачі фільтрів та підсилювачів ВІДПОВІДНО Напруги (4) та (5) почергово поступають на входи перемножувача 24 Враховуючи, що шуми підсилювачів 18, 19, 22 і 23 між собою не корельовано, а коефіцієнти кореляції між шумовими сигналами к17пх '' х та —К п 17 х наближується до одиниці, а також некорельованість шумів підсилювачів з інформативним сигналом на виході фільтра 25 нижніх частот в залежності від положення автоматичного перемикача 12 формуються ПОСТІЙНІ напруги (6) U 25 = S 24 K 25 [U 22U гз]= S 2 4 K 2 5 [(K, 7 K 2 0 K 2 2 (U 0 + К 2 2 и ш 2 2 )(-К, 7 К 2 |; 2 з(Ц ) (7) де S24 та К25 - крутизна перетворення перемножувача 24 і коефіцієнт передачі фільтра 25 нижніх частот ВІДПОВІДНО ПІСЛЯ математичних перетворень та нехтуючи членами другого порядку малості отримуємо такі вирази для цих постійних напруг U 2 5 - -К-І7 K20K21K22K23S24K25UX, (8) U 25- -К-І7 K20K21K22K23S24K25U0 , (9) Напруги (8) та (9) будемо розглядати як одну напругу, амплітуда якої змінюється від U25 до U 25 з частотою, що дорівнює частоті Q генератора низької частоти ЗО Напруга огинаючої U2s(^) частоти Q підсилюється підсилювачем змінної напруги 26, на виході якого отримуємо U 2 6 = '26 signsmQt (10) де К26 - коефіцієнт підсилення підсилювача 26 Змінна напруга (8) випрямляється синхронним детектором 27, згладжується фільтром нижніх частот 28 і вимірюється цифровим вольтметром 29, На виході фільтра нижніх частот 28 маємо напругу (11) 1 9 ? =-rK17 K20K21K22K23K24K25K26S27K28[UK ~ 1 де * результуючий коефіцієнт перетворення вимірювальної схеми Підставляючи в рівняння (11) значення U x 2 та Uo2 згідно формули (1) отримуємо U 2 9=4akAf[T x R x -T o Ro](12) При значенні R x =Ro=R, тобто, значення 56014 встановленого опору блока змінного опору 11 відповідає значенню опору полімеру, отримуємо: U29=4akAfR[Tx-T0](13) За формулою (13) на цифровому вольтметрі 29 буде відображена різниця температур між розплавом полімеру та температурою термостата 14. Вибір резистора Ro зряду R-i, R2 ... Rn-1 Rn здійснюється в залежності від типу полімеру, що переробляється в екструдері, та від його електричних характеристик Оскільки маса розплаву полімеру між електродами 2 та З постійна та обумовлюється кроком черв'яка 7, то значення опору Rx визначається власним питомим опором розплаву полімеру, яке знаходиться в 11 15 межах від 10 до 10 Ом м. В зв'язку з цим, значення опорів резисторів повинні розраховуватися на весь асортимент полімерів, що переробляються в екструдері. Температура термостата встановлюється згідно технології переробки кожного з типів полімерних матеріалів. Таким чином, пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів дозволяє з більшою точністю та швидкодією вимірювати різницю температур між розплавом полімеру та заданою температурою за технологічним регламентом. При цьому практично повністю виключається знос чутливого елементу датчика температури, так як в якості чутливого елементу використовується сам полімерний розплав. O % S V ш 1 10 Приклад. Досліджувався пристрій для контролю температури розплавів полімерних матеріалів, який виконаний за запропонованою схемою, в діапазоні температур 5О...35О°С. При переробці поліетилену різних марок використовувався блок змінного опору, що мав сумарне значення опору 10...200ГОм. Вхідний диференційний підсилювача складався з двох мало шумних операційних підсилювачів типу К140УД17А (Квазар). Смугові фільтри налагоджені на діапазон частот 50...150кГц. В якості перемножувача використана інтегральна мікросхема ПС501 з відкритими входами. Автоматичний перемикач виконаний на польових транзисторах та керується генератором низької частоти (175Гц) симетричним мультивібратором. Вимірювальний прилад використовувався типовий промисловий вольтметр. Після експлуатації шумовий резистивний перетворювач не був деформований. Приведена статична похибка вимірювань пристрою для контролю температури розплавів полімерних матеріалів не перевищила 0,5% в порівнянні з показами еталона (платинова термопара), що в п'ять раз менше похибки відомого пристрою. При цьому практично повністю виключена динамічна похибка, що суттєво вплинуло на контроль температури розплаву полімерного матеріалу. 23 24 > X | 26 ФІГ. Підписано до друку 05.05.2003 р. Тираж 39 прим. ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул. Артема, 77, м. Київ, 04050, Україна (044)236-47-24