СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВСПЕНИВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к способу регистрации кинетических параметров вспенивающегося материала, а именно к записи высоты подъема пены (профиль подъема пены) и непрерывной записи температуры (температурный профиль) в течение всего процесса вспенивания, и может быть использовано при изучении кинетики процесса вспенивания различных пластических материалов, в частности пенополиуретанов.

В процессе производства пеноматериалов профиль подъема пены и температурный профиль позволяют получить значительную информацию о влиянии различных компонентов на процесс вспенивания, а также определить ряд кинетических параметров этого процесса (энтальпии химических реакций, обуславливающих вспенивание, энергии активации и константы скорости этих реакций).

Все вышеперечисленное дает возможность нахождения оптимального соотношения компонентов, входящих в состав рецептуры пеноматериала, что способствует решению задачи получения материала с заданными свойствами.

Известен способ определения кинетики вспенивания, основанный на измерении профиля подъема пены бесконтактным ультразвуковым методом, заключающийся в преобразовании в электрический сигнал изменений в расстоянии от отражающей поверхности, и температурного профиля с помощью термопары [1] Недостатком этого способа является влияние ряда факторов на погрешность измерения профиля подъема (градиент температур в воздушном слое между поверхностью пены и ультразвуковым сенсором, влажность, атмосферное давление), отражение сигнала от стенок контейнера, а также принципиальное ограничение точности измерения, связанное с длиной волны ультразвуковых колебаний. Все перечисленные факторы приводят к тому, что описанное в [1] устройство имеет точность измерения 0,7 мм при длине волны ультразвука 0,13 мм.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения кинетики вспенивания фотоэлектрическим методом, использующим эффект затенения оптронной протяженной системы за счет подъема пены в оптически прозрачном контейнере [2]
Недостатками данного способа, является следующие:
а) измерение высоты фактически производится вблизи стенок контейнера, что приводит к искажению профиля подъема из-за существенно разных условий вспенивания вблизи стенок контейнера и в его центре (трение о стенки, интенсивный теплоотвод, смачивание стенок контейнера);
б) к контейнеру, в котором происходит вспенивание предъявлены специальные требования (оптическая прозрачность);
в) реализация координатно-чувствительного фотоприемника большой протяженности (≥ 400 мм) и высокой точности (≅ 0,2 мм) является сложной технической задачей.

Цель изобретения повышение точности измерения профиля подъема пены при определении кинетики вспенивания.

Для достижения указанной цели измерение профиля подъема пены осуществляется бесконтактным фотоэлектрическим способом, заключающимся в преобразовании с помощью наклонной оптической системы осевого смещения светящейся марки, связанной с поверхностью пены, в поперечное смещение изображения этой марки в плоскости координатно-чувствительного фотоэлектрического преобразователя.

Положение марки в плоскости преобразователя однозначно связано с высотой подъема пены в любой момент времени и, тем самым, бесконтактным методом можно в динамике измерять профиль подъема пены.

На фиг. 1 поясняется способ измерения подъема пены; на фиг 2 изобpажено устpойство для осуществления способа.

В направлении вектора i на поверхность пены ПН направляется узкий пучок света, создающий за счет рассеяния от поверхности светящуюся марку М. Изображение светящейся марки М строится оптической системой с главными плоскостями НН' на поверхности координатно-чувствительного фотоприемника ФП. Условно примем за нулевой уровень точку М₀ образующуюся в результате пересечения вектора i и оси оптической системы OO'. Координатно-чувствительный фотоприемник расположен таким образом, что выполняется условие Чапского [3]

где Φ_Е- угол между главными плоскостями оптической системы
НН' и плоскостью ФП;
Φ_p- угол между главными плоскостями оптической системы НН' и вектором i;
а расстояние по оптической оси от точки M₀ до главной плоскости Н;
а' расстояние по оптической оси от точки до главной плоскости Н';
точка оптически сопряженная с точкой M₀ (изображение точки M₀).

В этом случае перемещение точки M вдоль вектора i будет приводить к перемещению точки M' по линии
Из литературы [3] известно, что в этом случае смещение точки M от точки M₀ связано с пеpемещением точки M' от точки следующим соотношением:

где y' смещение точки M' от точки
y смещение точки М от точки M₀.

Для более наглядной иллюстрации характера данной зависимости введем следующие обозначения констант:

где A и B вещественные коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров системы.

В этом случае выражение (2) приводится к следующему виду:

Таким образом, положение изображения марки на поверхности координатно-чувствительного фотоприемника однозначно связано с высотой подъема пены:

По существу описанного способа разработано и реализовано устройство (фиг. 2). Устройство состоит из основания 1, на котором размещается контейнер 2 с вспениваемой композицией, связанного с основанием оптикоэлектронного блока в составе лазерного излучателя 3 для формирования светящейся марки на фотоповерхности пены, объектива 4 и координатно-чувствительного приемника 5, трехпозиционного датчика для измерения температуры в разных по высоте сечениях 6 и электронного блока 7, связанного с персональной ЭВМ 9 через контроллер 8. Программное обеспечение (10) позволяет управлять процессом съема и записи информации в эксперименте, рассчитать скорости процесса вспенивания (производные по высоте и температуре) в каждый момент времени и получить полный протокол эксперимента в желаемой форме.

В контейнер 2 заливают после перемешивания исследуемую композицию и запускают программу управления. При этом на поверхности залитой композиции за счет диффузного рассеяния излучения источника 3 образуется светящаяся марка, которая с помощью объектива 4 регистрируется координатно-чувствительным фотоприемником 5 как уровень композиции до начала процесса вспенивания. По мере подъема пены смещение связанной с поверхностью марки вдоль оси излучения преобразуется объективом 4 в поперечное смещение изображения данной марки по поверхности координатно-чувствительного фотоприемника 5 и приводит к изменению электрического сигнала с приемника.

Электрические сигналы с фотоприемника 5 и термодатчиков 6 после соответствующих преобразований в электронном блоке 7 поступают через контроллер 8 в ПЭВМ 9, которая проводит обработку результатов, а именно:
1. регистрацию текущего времени;
2. Регистрацию текущей высоты с квантованием по заданному временному интервалу;
3. регистрацию текущих температур с квантованием по заданному временному интервалу;
4. вычисление производной по высоте с заданным квантованием по времени;
5. вычисление производной по температуре с заданным квантованием по времени;
6. интерполяцию полученных результатов и устранение случайных ошибок в измерениях;
7. построение графиков, в том числе высоты подъема пены от времени (профиль подъема), скорости подъема пены от времени, температура пены от времени;
8. оформление протокола измерении;
9. архивирование результатов измерений.

Дальнейшая обработка результатов эксперимента с целью определения кинетических параметров процесса вспенивания проводится с помощью дополнительной программы, разработанной для частного случая вспенивания пенополиуретанов. Эта программа позволяет рассчитать конверсию реакционно-способных групп в любой момент протекания процесса, находить оптимальные значения энтальпий реакций, протекающих в исследуемой системе, а также дает возможность найти такие величины как энергии активации и константы скорости химических реакций, обуславливающих процесс вспенивания пенополиуретанов.

Для сравнения в таблице приведены технические характеристики, реализованного устройства к прототипа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изучать кинетику вспенивания полимерных материалов с более высокой точностью.

Использование: изобретение относится к способу регистрации кинетических параметров вспенивающегося материала, а именно к записи высоты подъема пены (профиль подъема пены) и непрерывной записи температуры (температурный профиль) в течение всего процесса вспенивания, и может быть использовано при изучении кинетики процесса вспенивания различных пластических материалов, в частности пенополиуретанов. Сущность изобретения: профиль подъема пены измеряют бесконтактным фотоэлектрическим способом, заключающимся в преобразовании с помощью оптической системы осевого смещения светящейся марки, создаваемой лазерным лучом и связанной с поверхностью пены, в поперечное смещение изображения этой марки в плоскости координатно-чувствительного фотоприемника. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 1 табл.

1. Способ регистрации кинетических параметров процесса вспенивания полимерных материалов, включающий бесконтактное измерение высоты подъема пены в течение всего процесса вспенивания и определение кинетических параметров вспенивания по результатам измерения, отличающийся тем, что измерение высоты подъема пены осуществляется с помощью лазерного луча, направленного на поверхность вспенивающегося материала и образующего на ней светящуюся марку. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смещение светящейся марки, связанной с поверхностью пены, вдоль направления подъема преобразуется в поперечное смещение изображения марки в плоскости координатно-чувствительного фотоприемника с помощью оптической системы, оптическая ось которой расположена под углом к направлению подъема пены, при этом

где Н_{п о д ъ е м а} высота подъема поверхности пены;
Y_{п о п е р} поперечное смещение изображения марки по фотоприемнику;
А и В вещественные коэффициенты, зависящие от параметров выбранного фотоприемника, оптической системы и максимальной измеряемой высоты подъема материала.