紅外測溫儀在塑料加工中的應(yīng)用

王欣 王克儉

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院）

1. 前言

塑料加工又稱塑料成型加工，是將合成樹脂或塑料轉(zhuǎn)化為塑料制品的各種工藝的總稱，是塑料工業(yè)中一個較大的生產(chǎn)部門。

對在塑料工業(yè)中采用的許多工藝技術(shù)而言，產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗需要經(jīng)歷許多熱過程，工藝和生產(chǎn)中的溫度是一個十分重要的物理測量參數(shù)。在制造過程的各個階段，例如在注射成型工藝或熱成型中，必須監(jiān)測和分析幾個不同的溫度量程，以確保塑料產(chǎn)品的高質(zhì)量水平。因而當(dāng)前塑料加工對非接觸式溫度測量提出了挑戰(zhàn)。使用紅外傳感器系統(tǒng)的非接觸測溫被視為一項十分有效的工藝監(jiān)測與控制方法。紅外測溫儀則用來安全可靠地顯示相關(guān)弱點。此外，紅外測溫儀還可以幫助實現(xiàn)熱過程的可視化，進(jìn)而優(yōu)化并監(jiān)測具體過程。塑料加工者所生產(chǎn)的大量塑料制品通常在一卷或一板上的尺寸、厚度、質(zhì)地、色澤和壓花圖案等各不相同。基于框架條件，紅外測溫儀可適用于各種制品，以期完善和保障制造工藝。塑料工業(yè)中的拉伸定型、擠壓、吹塑、薄膜沖壓、吹膜冷卻、電線包膜、延壓被層、膠帶生產(chǎn)，熱熔膠等工藝都可應(yīng)用紅外測溫[1]。

2. 紅外測溫

2.1 紅外測溫儀的發(fā)展

紅外熱成像技術(shù)是將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見圖像的技術(shù)，利用這一技術(shù)研制的裝置統(tǒng)稱為紅外熱成像裝置或紅外熱像儀[2]。紅外測溫儀是一種非接觸、快速測溫度的儀器。通常它由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換元件、信號處理電路和數(shù)字顯示構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)上可把紅外測溫儀分成兩類，其中便攜式測溫儀是把前述各部件緊湊地結(jié)合在一起并以干電池作電源。它具有攜帶和使用方便的特點，因此其用途較廣，用量很大。它通用性強，專用性差，規(guī)格品種不多，使用精度不高。另一類合式紅外測溫儀是把光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換元件和前置放大器組合為一體，把信號處理電路和顯示器另外組合成一體，兩者之間用多芯電纜連接，用交流電源供電[3]。它的規(guī)格品種較多，專用性強，使用精度較高。紅外測溫儀能迅速有效地測量快速運動物體的溫度。他們易于集成到現(xiàn)有的過程控制系統(tǒng)中，直接測量產(chǎn)品的溫度，而不是測量爐子或者干燥箱的溫度，可以快速調(diào)整工藝參數(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量[4]。

國外紅外測溫儀發(fā)展很快，應(yīng)用已經(jīng)很普及。發(fā)展如此迅速有以下幾種原因：①應(yīng)用紅外測溫儀可以節(jié)約大量鉑、鍺等貴重金屬，降低消耗，總經(jīng)濟效益好；②對檢測儀表投資強度大，通過加強生產(chǎn)工藝的檢測提高產(chǎn)品質(zhì)；③紅外測溫儀的質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高；④紅外測溫儀的規(guī)格品種多，適應(yīng)性強；⑤紅外測溫儀的輔助配套件齊全，現(xiàn)場應(yīng)用方便；⑥生產(chǎn)廠對用戶服務(wù)好；⑦用戶技術(shù)素質(zhì)高。我國紅外測溫儀應(yīng)用的主要差距也就表現(xiàn)在上述幾個方面。影響測溫儀穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于紅外探測器。國外紅外探測器品種多、穩(wěn)定性好、他們使用的探測器有硅光電池[5][6]。

2.2 紅外測溫儀的原理及特點

圖1 紅外測溫儀[11]

了解紅外測溫儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎(chǔ)。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成[7]。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值[8]。

紅外熱像儀的主要特點為：①為非接觸式測量，能夠檢測運動目標(biāo)、微小目標(biāo)及帶電目標(biāo)溫度；②測溫效率高，可直觀顯示物體表面溫度場；③溫度分辨率高，可同時顯示多點溫度值，并能準(zhǔn)確區(qū)分較小溫差；④顯示方式多樣，除一般的偽彩色和灰度顯示的熱成像，還可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；⑤可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和計算機處理[9]。遠(yuǎn)紅外線測溫儀優(yōu)勢在于雙頭定位的戶外專用模式，特別適用于戶外復(fù)雜環(huán)境下的精準(zhǔn)測溫，有效解決因環(huán)境溫度偏高、室外亮度過亮等導(dǎo)致普通測溫儀無法精準(zhǔn)測溫的頑疾。戶外即可快速檢測，無需進(jìn)入室內(nèi)，更安全，更實用。

3. 主要工藝流程和應(yīng)用

紅外測溫儀塑料成型生產(chǎn)中特點：①非破壞性，不接觸、不污染被測產(chǎn)品；②快速可靠，可連續(xù)、準(zhǔn)確、快速測量運動目標(biāo)的溫度；③靈活性，可對較大目標(biāo)、或小目標(biāo)區(qū)域的溫度測量[10]。

主要應(yīng)用如下：

1）吹塑薄膜：精確的溫度監(jiān)控與適當(dāng)?shù)募訜岷屠鋮s相配合，可以確保塑料的抗張力和厚度均勻性。工作流程如圖2所示。

圖2 吹塑薄膜工藝流程

2）擠出薄膜：控制溫度以保持正確的薄膜厚度和表面光潔均勻性，對壓模螺栓加熱器或壓膜插銷故障的檢測。工藝流程如圖3所示。

圖 3擠出薄膜工藝流程

3）雙軸定向薄膜：熱像儀安裝在成形筒處以控制冷卻滾筒安裝在預(yù)熱和冷卻設(shè)備處以控制加熱和冷卻量。

4）片料成型：紅外測溫儀可讓操作人員監(jiān)視片料的溫度并及時調(diào)節(jié)壓膜加熱器和冷卻滾筒溫度，以均衡產(chǎn)品的質(zhì)量[11]。

5）膜層成型：紙張、膠片或金屬箔進(jìn)行膜層成型過程在一個通常狹小并且難以測量的目標(biāo)，采用紅外熱像儀時，操作人員就可連續(xù)監(jiān)控并可由人工或自動及時調(diào)節(jié)壓膜加熱器和冷卻滾筒的溫度[12]。

6）疊層和壓花處理：使用紅外測溫儀去監(jiān)視橫向膜層的溫度并且控制加熱器[13]。

7）鋼板材熱沖壓成形的工藝流程：熱沖壓又常被稱為沖壓硬化技術(shù)。首先將初始強度為500～600 MPa的高強度板加熱到880～950℃，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，并處于保壓狀態(tài)，以20～300℃/秒的冷卻速度快速淬火冷卻，由于奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體，零件強度大幅提高，可以生產(chǎn)出強度高達(dá)1500 MPa沖壓件。確保多層材料疊層的正確溫度及后期的成型，可以幫助監(jiān)視材料的溫度分布在進(jìn)入熱成型機之前處于正確狀態(tài)[14]。工作流程如圖4所示。

圖4 鋼板材沖壓工藝流程[14]

4. 結(jié)論

估計在未來的工業(yè)生產(chǎn)中將有40%左右的工藝運用到測溫，它對節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率方面有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。因此塑料加工中的測溫顯得尤為重要，紅外測溫是新發(fā)展起來的快速非接觸測溫手段，解決了傳統(tǒng)測溫手段不能解決的許多測溫問題，具有非常好的發(fā)展前途。在生產(chǎn)中使用紅外測溫儀進(jìn)行測量時，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗，才能使測量出的溫度誤差降到最小，在生產(chǎn)中顯示出非接觸測溫的優(yōu)越性[15]。紅外測溫儀綜合了光學(xué)、光電子學(xué)、機械和電子等多方面技術(shù)，比傳統(tǒng)測溫儀復(fù)雜得多。它的發(fā)展有賴于基礎(chǔ)工業(yè)、研制人員的技術(shù)素養(yǎng)和生產(chǎn)工人的工藝水平，目前在各方面與國外相比還存在差距。在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，計算機模擬技術(shù)在熱成型加工中得到了廣泛的應(yīng)用。計算機模擬的目的是對制品壁厚分布進(jìn)行精確的確定，這對于復(fù)雜制品尤為重要[16]。因此對于塑料加工測溫技術(shù)還有著廣泛的前進(jìn)空間，需要不斷學(xué)習(xí)。