DE102013013902A1

DE102013013902A1 - Temperaturverlaufermittlung im Schmelzraum

Info

Publication number: DE102013013902A1
Application number: DE201310013902
Authority: DE
Inventors: Bernhard Praher
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: AT512647A4; AT512647B1; DE102013013902B4

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Temperatur (T) einer Schmelze in einem Schmelzeraum (1), insbesondere in einem Schneckenvorraum, einer Spritzgießmaschine, wobei der Temperaturverlauf (TLauf) im Schmelzeraum (1) in Abhängigkeit der gemittelten Temperatur (T1) in einem ersten Ultraschalllaufweg (S1), der gemittelten Temperatur (T2) in einem zweiten Ultraschalllaufweg (S2), des minimalen Abstands (A1) des ersten Ultraschalllaufwegs (S1) von einem Mittelpunkt (X) einer radialen Messebene (M) und des minimalen Abstands (A2) des zweiten Ultraschalllaufwegs (S2) vom Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Schmelze in einem Schmelzeraum, insbesondere in einem Schneckenvorraum, einer Spritzgießmaschine, mit den Schritten Senden eines ersten Ultraschallsignals von einem Ultraschallsender in den Schmelzeraum, Empfangen des vom Ultraschallsender gesendeten ersten Ultraschallsignals von einem ersten Ultraschallempfänger, wobei ein erster Ultraschalllaufweg zwischen dem Ultraschallsender und dem ersten Ultraschallempfänger durch die Schmelze führt, Berechnen der gemittelten Temperatur im ersten Ultraschalllaufweg in Abhängigkeit der Laufzeit des ersten Ultraschallsignals entlang des ersten Ultraschalllaufwegs. Zudem betrifft die Erfindung ein Vorrichtung zum Bestimmen der Temperatur einer Schmelze in einem Schmelzeraum, insbesondere in einem Schneckenvorraum, einer Spritzgießmaschine, mit einem Ultraschallsender, von dem ein erstes Ultraschallsignal in den Schmelzeraum sendbar ist, einem ersten Ultraschallempfänger, wobei ein erster Ultraschalllaufweg zwischen dem Ultraschallsender und dem ersten Ultraschallempfänger durch die Schmelze führt, einer Berechnungsvorrichtung, durch die in Abhängigkeit der Laufzeit eines vom Ultraschallsender gesendeten ersten Ultraschallsignals entlang des ersten Ultraschalllaufwegs die gemittelte Temperatur der Schmelze im ersten Ultraschalllaufweg berechenbar ist. Weiters betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine mit einer solchen Vorrichtung.
Ein wichtiger Aspekt zur Herstellung qualitativ hochwertiger Spritzgussteile liegt darin, die Temperatur der Schmelze vor dem Einspritzen möglichst genau zu erfassen. Die Qualität der Spritzgießproduktion ist zudem abhängig vom verwendeten Kunststoff, der Größe des herzustellenden Spritzgießteils, der Merkmale der Plastifiziereinheit und vieler weiterer Punkte.
Um beispielsweise im Schmelzestrom die Temperatur zu messen, ist aus der DE 199 44 709 A1 bereits eine Vorrichtung zur Führung einer Polymerschmelze bekannt, wobei zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger ein Ultraschallimpuls den Schmelzestrom durchdringt, wobei ein Ausgangssignal zur Bestimmung des Parameters aus dem Ultraschallimpuls erzeugt wird. Ein solcher Parameter kann die Viskosität, die Durchflussmenge, die Schmelzzusammen-setzung, die Schmelzetemperatur oder die Strömungsgeschwindigkeit sein.
Auch aus der JP 01-195013 A , der JP 53-130764 A , der US 5,951,163 und der JP 09-254219 A gehen Spritzgießmaschinen bzw. Verfahren hervor, bei denen die Ultraschallmessung zur Bestimmung der Schmelzetemperatur eingesetzt wird.
Generell sind noch weitere Möglichkeiten bekannt, durch die die Schmelzetemperatur in einer Spritzgießmaschine bestimmt werden kann.
Die einfachste Möglichkeit der Schmelzetemperaturmessung besteht durch Abspritzen der Schmelze in einen Behälter (z. B. PTFE) und Messung der mittleren Schmelzetemperatur mittels eines Einstichthermometers. Um zumindest die axiale Schmelzetemperaturverteilung im Schneckenvorraum abzuschätzen, besteht die Möglichkeit mittels eines dünnen Temperaturfühlers die Temperatur im Abspritzstrahl zu messen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Integration eines geeigneten Temperaturfühlers in der Düse bzw. in einem Messadapter zwischen Düse und Massezylinder. Mittels Thermoelementen bzw. Widerstandsthermometern aufgebaute Schmelzetemperatursensoren können wandschlüssig oder in die Schmelze ragend ausgeführt sein. Tiefenverstellbare Ausführungen sind ebenfalls dokumentiert. Mittels eines tiefenverstellbaren Thermoelementes wurde in einem Dokument [O. Amano, S. Utsugi, Temperature measurements of polymer melts in the heating barrel during injection molding. Part 2: Three-dimensional temperature distribution in the reservoir, Polymer Engineering and Science 29, 1989, pp. 171–177] die axialen Temperaturprofile als Funktion der Schneckenposition für verschiedene radiale Positionen des Thermoelements im Schmelzekanal bestimmt und mittels der ermittelten Daten auf die dreidimensionale Temperaturverteilung im Schneckenvorraum zurückgerechnet. Neben Thermoelementen und Widerstandsthermometern sind auch Infrarot-Pyrometer verfügbar, welche für den Einsatz im Spritzguss konzipiert worden sind.
Die Schallgeschwindigkeit in einer Polymerschmelze ist temperaturabhängig und kann daher zur Temperaturmessung herangezogen werden. In einigen Publikationen [E.C. Brown, P. Olley, T.L.D. Collins, P.D. Coates, Ultrasonic investigations of process variation during single screw extrusion and injection moulding: real time detection of temperature Profile and material degradation, Proceedings of the 15th Annual Meeting of the Poylmer Processing Society, 1999] wurde eine derartige Schallgeschwindigkeitsmessung durch den Schmelzekanal im Düsenbereich realisiert. Die Messung mittels Ultraschall kann mit sehr kurzen Ansprechzeiten durchgeführt werden und das Ergebnis entspricht einem integralen Mittelwert der Temperaturverteilung entlang des Schalllaufweges.
In einem weiteren Dokument [N. Sombatsompop, W. Chaiwattanpipat, Temperature profiles of glass fibre-filled polypropylene melts in injection moulding, Polymer Testing 19, 2000, pp. 713–724; N. Sombatsompop, W. Chaiwattanpipat, Temperature Distributions of molten polypropylene during injection molding, Advances in Polymer Technology 19, 2000, pp. 79–86.] wurde ein aus zwei unterschiedlichen Thermoelementdrähten gebildetes Netz verwendet um an verschiedenen (radialen) Positionen in einem Messadapter vor der Düse die radiale Schmelzetemperaturverteilung während des Einspritzvorganges zu messen. Jeder Kontaktpunkt der sich kreuzenden Thermoelementdrähte entspricht einem Thermoelement. Die Verbindung zwischen den beiden Drahtarten wurde durch Punktschweißen bzw. durch 'Verweben' der Drähte und anschließender Lötung hergestellt.
Mit temperatursensitiven Fluoreszenz-Farbstoffen besteht die Möglichkeit der Messung einer radialen Temperaturverteilung im Schneckenvorraum. Dazu werden dem Polymer kleine Mengen temperatursensitive Fluoreszenzfarbstoffe beigemengt. Mittels einer Lichtquelle (z. B. Laser) werden die Fluoreszenz-Farbstoffe im Fokus einer Linse angeregt (um eine Anregung an verschiedenen radialen Messpunkten in der Schmelze zu ermöglichen ist die Linsenposition verstellbar). Das resultierende fluoreszierende Licht wird über einen Lichtwellenleiter ausgekoppelt und mittels eines Spektrometers analysiert. Das temperaturabhängige Spektrum kann zur Temperaturrückrechnung verwendet werden. Erste Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung (Messung der Temperaturverteilung im Schneckenkanal eines Extruders) mit dieser Methode erfolgten gemäß einem weiteren Dokument [A.J. Bur, S.C. Roth, Temperature Gradients in the Channels of a Single-Screw Extruder, Polymer Engineering and Science 44, 2004, pp. 2148–2157].
Zu den bisher bekannten Methoden zur Schmelzetemperaturbestimmung gibt es zahlreiche Nachteile, die im Folgenden näher angeführt sind. Bei den erstgenannten Patentschriften liegt der Nachteil darin, dass nur ein Mittelwert der Temperatur über den gesamten Schmelzebereich ermittelt wird. Es ist keine speziellere Unterteilung und Messung der Temperatur in unterschiedlichen Bereichen der Schmelze möglich. Bei den bisherigen Temperaturmessungen mittels Ultraschall war es somit bisher nicht möglich Temperaturverteilungen zu messen.
Beim Ausspritzen kommt es zu einer Schererwärmung der Schmelze (proportional zum Druckverlust in der Düse) welche in vielen Fällen nicht vernachlässigt werden kann. Die Messung der mittleren Temperatur bzw. des axialen Temperaturprofils durch Ausspritzen der Schmelze gibt nur eine qualitative Aussage. Zusätzlich können mit diesen Methoden keine Online-Messungen durchgeführt werden.
Bei Messung mittels Thermoelementen bzw. Widerstandsthermometern sind eine Reihe von Messunsicherheiten gegeben: Ein Wärmeableitfehler ergibt sich aus der Tatsache, dass der Temperatursensor mit der Düse oder dem Messadapter über einen Schaft in einer direkten Verbindung steht. Es kann zu Temperaturgradienten kommen und Wärme kann über die Zuleitung bzw. das Schutzrohr geleitet werden. Dieser Effekt führt zu Verfälschungen des Messergebnisses. Bei wandbündigen Temperatursensoren kann dies dazu führen das eher die Düsenwandtemperatur als die Schmelzetemperatur gemessen wird. Zu einem Reibungsfehler bei in die Schmelze ragenden Thermoelementen kommt es bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten: An der Messspitze kommt es zu einem hohen Schergefälle mit der Folge das Energie dissipiert wird (infolge der Reibung wird Energie in Wärmeenergie umgewandelt). Da bei Thermoelementen versucht wird die Wärmeleitfähigkeit möglichst gering zu halten um den bereits erwähnten Wärmeableitfehler zu unterdrücken, kann nun diese Energie nur sehr langsam abgeführt werden und es kommt zu einer Erhöhung der Temperatur. Da in der Kunststoffverarbeitung Sensoren durch die hohen Drücke hohen mechanischen Belastungen unterliegen, müssen Thermoelemente/Widerstandsthermometer entsprechend robust ausgelegt werden. Wärme muss also durch die mechanisch stabile Ummantelung zur eigentlichen Sensorstelle geleitet werden, was einen zeitlichen Verzug der Messung zur Folge hat. Bei Schmelzetemperatursensoren (basierend auf Thermoelementen oder Widerstandsthermometern) liegen die Ansprechzeiten typischerweise im Sekundenbereich, für dynamische Messungen im Bereich des Spritzgießens können diese Ansprechzeiten deutlich zu hoch sein. Bei Messungen mit Infrarot-Pyrometer im Düsenbereich kann es durch Streuung und Reflexion der Infrarotstrahlung zu Fehlern kommen. Des Weiteren sind viele Polymere für Infrarotstrahlung teilweise durchlässig. Die Wärmestrahlung kommt nicht nur von der Oberfläche sondern auch aus tieferen Schichten (typischerweise 1 bis 8 mm). Der Emissionskoeffizient der Polymerschmelze muss bekannt sein um eine quantitative Messung durchführen zu können. Bezüglich des Emissionskoeffizienten und der Eindringtiefe der Infrarotstrahlung sind dadurch sehr aufwändige Kalibrierungen erforderlich.
Bei Thermoelementgitter handelt es sich um eine invasive Messmethode (Schmelzestrom wird gestört). Vor allem die Beständigkeit bei Dauerbelastung bei üblichen Spritzgießdrücken ist nicht dokumentiert.
Die Temperaturmessung mittels laserinduzierter Fluoreszenz benötigt empfindliche optische Geräte (Lichtquelle, Spektrometer). Der Messvorgang und die Kalibrierung sind als sehr aufwändig einzustufen. Der größte Nachteil der Methode ist die Tatsache, dass die Polymerschmelze für das Anregungslicht und das fluoreszierende Licht transparent sein müssen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen. Insbesondere soll eine exaktere Bestimmung der Temperatur der Schmelze möglich sein. Es sollen bessere Werte ermittelt werden können, um eine Produktion von qualitativ hochwertigen Spritzgießteilen garantieren zu können.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 durch die folgenden Schritte erreicht: Senden eines zweiten Ultraschallsignals vom Ultraschallsender in den Schmelzeraum, Empfangen des vom Ultraschallsender gesendeten zweiten Ultraschallsignals von einem zweiten Ultraschallempfänger, wobei ein zweiter Ultraschalllaufweg zwischen dem Ultraschallsender und dem zweiten Ultraschallempfänger durch die Schmelze führt, wobei beide Ultraschalllaufwege in einer radialen Messebene des Schmelzeraums liegen und jeweils einen minimalen Abstand zum Mittelpunkt der radialen Messebene aufweisen, Berechnen der gemittelten Temperatur im zweiten Ultraschalllaufweg in Abhängigkeit der Laufzeit des zweiten Ultraschallsignals entlang des zweiten Ultraschalllaufwegs, und Berechnen des Temperaturverlaufs im Schmelzeraum in Abhängigkeit der gemittelten Temperatur im ersten Ultraschalllaufweg, der gemittelten Temperatur im zweiten Ultraschalllaufweg, des minimalen Abstands des ersten Ultraschalllaufwegs vom Mittelpunkt der radialen Messebene und des minimalen Abstands des zweiten Ultraschalllaufwegs vom Mittelpunkt der radialen Messebene. Es wird somit nicht nur ein Ultraschallsignal in den Schmelzestrom geschickt, sondern es werden zwei Ultraschallsignale verwendet, um die Temperatur des Schmelzestromes näher zu bestimmen. Aus dem Unterschied der beiden Temperaturmessungen zueinander und der jeweiligen Position der durchgeführten Temperaturmessung kann auf den Temperaturverlauf in der Schmelze rückgeschlossen werden.
Um eine noch genauere Bestimmung des Temperaturverlaufs zu erreichen, sind folgende weitere Schritte vorgesehen: Senden eines dritten Ultraschallsignals vom Ultraschallsender in den Schmelzeraum, Empfangen des vom Ultraschallsender gesendeten dritten Ultraschallsignals von einem dritten Ultraschallempfänger, wobei ein dritter Ultraschalllaufweg zwischen dem Ultraschallsender und dem dritten Ultraschallempfänger durch die Schmelze führt und in der radialen Messebene des Schmelzeraums liegt, Berechnen der gemittelten Temperatur im dritten Ultraschalllaufweg in Abhängigkeit der Laufzeit des dritten Ultraschallsignals entlang des dritten Ultraschalllaufwegs, und Berechnen des Temperaturverlaufs im Schmelzeraum zusätzlich in Abhängigkeit der gemittelten Temperatur im dritten Ultraschalllaufweg und des minimalen Abstands des dritten Ultraschalllaufwegs vom Mittelpunkt der radialen Messebene. Natürlich können auch beliebig weitere Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger vorgesehen sein, die die Temperaturverteilungsmessung noch verbessern.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist weiters vorgesehen, dass durch einen Drucksensor der Druck im Schmelzeraum gemessen wird, wobei die Berechnung der Temperatur in jedem Ultraschalllaufweg in Abhängigkeit des vom Drucksensor gemessenen Druckes erfolgt.
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden für eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11 erreicht durch zumindest einen zweiten Ultraschallempfänger, wobei ein zweiter Ultraschalllaufweg zwischen dem Ultraschallsender und dem zweiten Ultraschallempfänger durch die Schmelze führt, wobei von der Berechnungsvorrichtung die gemittelte Temperatur der Schmelze im zweiten Ultraschalllaufweg in Abhängigkeit der Laufzeit eines vom Ultraschallsender gesendeten zweiten Ultraschallsignals entlang des zweiten Ultraschalllaufwegs berechenbar ist, wobei beide Ultraschalllaufwege in einer radialen Messebene des Schmelzeraums liegen und jeweils einen minimalen Abstand zum Mittelpunkt der radialen Messebene aufweisen, und einer Vergleichsvorrichtung, durch die in Abhängigkeit der gemittelten Temperatur im ersten Ultraschalllaufweg, der gemittelten Temperatur im zweiten Ultraschalllaufweg, des minimalen Abstands des ersten Ultraschalllaufwegs vom Mittelpunkt der radialen Messebene und des minimalen Abstands des zweiten Ultraschalllaufwegs vom Mittelpunkt der radialen Messebene der Temperaturverlauf der Schmelze im Schmelzeraum im Bereich der radialen Messebene berechenbar ist. Somit dient die Berechnungsvorrichtung der Ermittlung der Temperatur in den einzelnen Ultraschalllaufwegen in Abhängigkeit der gemessenen Schallgeschwindigkeit. Die Vergleichsvorrichtung berücksichtigt zusätzlich die minimalen Abstände der Ultraschalllaufwege vom Mittelpunkt der Messebene, wodurch ein Rückschluss auf die Temperaturverteilung (Temperaturverlauf bzw. Temperaturgradient) möglich ist.
Besonders bevorzugt ist für eine solche Vorrichtung vorgesehen, dass die Messebene in ringförmige konzentrische Kreisabschnitte unterteilt ist und die Anzahl der Ultraschallempfänger so groß ist wie die Anzahl der ringförmigen Kreisflächen, in die die radiale Messebene unterteilt ist. Dadurch kann für jede einzelne ringförmige Kreisfläche eine durchschnittliche Temperatur ermittelt werden.
Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schmelzeraum von einer kreiszylinderförmigen Wandung begrenzt ist, wobei die radiale Messebene von einem kreisförmigen Innenumfang der Wandung des Schmelzeraums begrenzt ist. Dies gilt vor allem dann, wenn die radiale Messebene normal zur Längsachse des Schmelzeraums steht.
Für eine einfache und sichere Messung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ultraschallsender und jeder Ultraschallempfänger einen Signalkopf aufweist, wobei jeder dieser Signalköpfe im Bereich des kreisförmigen Innenumfangs der Wandung angeordnet ist. Somit müssen diese Signalköpfe nicht in den Schmelzeraum hineinreichen, sondern enden in unmittelbarer Nähe des Innenumfangs der Wandung des Massezylinders.
Schutz wird auch begehrt für eine Spritzgießmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen
1 schematisch einen Schnitt durch einen Massezylinder mitsamt Ultraschallsensoren,
2 die in ringförmige Kreisflächen unterteilte radiale Messebene,
3 die Anordnung der Ultraschallsensoren um die radiale Messebene und die einzelnen Ultraschalllaufwege und
4 eine radiale Messebene mit alternativer Anordnung der Ultraschallsensoren.
In 1 ist allgemein eine Vorrichtung 4 zum Bestimmen der Temperatur T einer Schmelze in einem Schmelzeraum 1 einer Spritzgießmaschine abgebildet. Der Schmelzeraum 1 wird dabei von einer Wandung 2 begrenzt, die Teil des Massezylinders 11 ist. Um den Massezylinder 11 herum sind die Ultraschallsensoren US₀ bis US₅ angeordnet. Bevorzugt ist der Ultraschallsensor US₀ als Ultraschallsender ausgebildet, während die anderen Ultraschallsensoren US₁ bis US₅ als Ultraschallempfänger ausgebildet sind. Im Speziellen wird der Ultraschallimpuls über den Multiplexer 10 von der Pulser/Empfängereinheit 9 an den Ultraschallsender US₀ geführt. Jeder dieser Ultraschallsensoren weist einen Signalkopf 7 auf, der im Bereich der Wandung 2 angeordnet ist. Zwischen den Signalköpfen 7 und den einzelnen Ultraschallsensoren ist eine Verzögerungsleitung 13 angeordnet, die für den Schutz der Ultraschallsensoren US₀ bis US₅ vor Temperatur und Druck sorgen. Zusätzlich ist im Bereich der Wandung 2 auch ein Drucksensor 3 angeordnet, der den Druck P im Schmelzeraum 1 misst. Von den einzelnen Ultraschallempfängern US₁ bis US₅ wird die gemessene Schallgeschwindigkeit V in Abhängigkeit der Laufzeit t₁ bis t₅ an den Multiplexer 10 übermittelt. Die vom Multiplexer 10 gesammelten Daten werden weiter an den Pulser 9 (Empfängereinheit) geleitet. Von diesem gelangen sie weiter in den Steuer- und Auswerterechner 8. In diesem Steuer- und Auswerterechner 8 ist einerseits die Berechnungsvorrichtung 5 integriert, durch die die Temperatur T in Abhängigkeit der Laufzeit t und der zurückgelegten Distanz D ermittelt. Zusätzlich ist die Vergleichsvorrichtung 6 in diesen Steuer- und Auswerterechner 8 integriert, durch die der Temperaturverlauf T_Lauf in Abhängigkeit der gemittelten Temperaturen T und des Abstands A der Ultraschalllaufwege S vom Mittelpunkt berechnet werden. Dieser ermittelte Temperaturverlauf T_Lauf kann als Basis für die gesamte Produktionssteuerung dienen und/oder auf einer Anzeigevorrichtung 12 ausgegeben werden.
Um die Vorteile der Temperaturmessung mit Ultraschall (nicht invasiv, sehr kurze Ansprechzeiten) auch für die Temperaturverteilungsmessungen nutzen zu können, wurde dieses neuartige Messsystem entwickelt. Die radiale Messebene M im Schneckenvorraum wird dazu in n ringförmige Kreisflächen K diskretisiert (2 zeigt den Fall für n = 5). Es wird dabei für die Temperaturrückrechnung angenommen, dass die Temperatur T in jeder ringförmigen Kreisfläche K konstant ist. Die Radien können mit r_i = (R – R / n (i – 1)), wobei für i gilt (i = 1, 2, ..., n), berechnet werden, wobei R (= r₁) den Innenradius des Massezylinders 11 bezeichnet. Unter der Annahme, dass ein rotationssymmetrisches Temperaturprofil vorliegt kann mit der minimalen Anzahl an Ultraschallsensoren N_US,min = n + 1 eine Berechnung der Temperaturen T₁, T₂, ..., T_n durchgeführt werden. Dazu müssen Ultraschall-Laufzeitmessungen vom Sensor US₀ zu den Sensoren US₁, US₂, ..., US_n durchgeführt werden. 3 zeigt die Anordnung der Ultraschallsensoren für den Fall n = 5.
Die Winkel ϕ₁, ϕ₂, ..., ϕ_n-1, berechnen sich für den allgemeinen Fall mit der Formel ϕ_i = arcsin( n – i / n ). Aus den Laufzeitmessungen resultieren die Laufzeiten t₁, t₂, ..., t_n. Der Zusammenhang zwischen den Laufzeiten t, den Distanzen D der Schalllaufwege in den verschiedenen ringförmigen Kreisflächen K und der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit kann in einem linearen Gleichungssystem
dargestellt werden. Der Vektor T_Transit enthält die gemessenen Laufzeiten entlang der verschieden Schalllaufwege S₁, S₂, ..., S_n, die Distanzmatrix D die Längen der Schalllaufwege in den verschiedenen ringförmigen Kreisflächen K und der Vektor P die reziproken Schallgeschwindigkeiten V in den einzelnen Kreisflächen K. Durch Lösen der angeführten Gleichung können die temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeiten berechnet werden. Durch Kalibrationsmessungen kann ein Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Schallgeschwindigkeit bestimmt werden und so von den gemessenen Schalllaufzeiten auf die Temperaturen T in den ringförmigen Kreisflächen K und somit auf das radiale Temperaturprofil im Schneckenvorraum geschlossen werden. Durch Messung an verschiedenen axialen Positionen ist zudem eine dreidimensionale Messung der Temperaturverteilung im Schneckenvorraum möglich. Da die Schallgeschwindigkeit V auch vom Druck P abhängt, ist eine parallele Druckmessung nötig um den Einfluss zu kompensieren. 1 zeigt dazu die schematische Darstellung des Gesamtsystems.
In 2 ist gut erkennbar, dass die konzentrischen ringförmigen Kreisflächen K so gewählt werden, dass sie in regelmäßigen radialen Abständen r₁ bis r₅ um den Mittelpunkt X der radialen Messebene M angeordnet sind. In jedem dieser einzelnen Kreisflächen K₁ bis K₅ wird durch die vorliegende Erfindung eine Temperaturmessung durchgeführt, wodurch auf die Temperaturen T₁ bis T₅ rückgeschlossen werden können. Der Mittelpunkt X dieser radialen Messebene M ist der Ausgangspunkt für die Außenradien r₁ bis r₅ der einzelnen Kreisflächen K₁ bis K₅. Der Außenradius r₁ der äußersten Kreisfläche K₁ ist dabei gleichzusetzen mit dem Innenumfang der Wandung 2 des Schmelzeraums 1.
Gemäß 3 sind die einzelnen Ultraschallempfänger US₁ bis US₅ in Bezug auf den Ultraschallsender US₀ derart angeordnet, dass die Ultraschalllaufwege S₁ bis S₅ jeweils eine Sehne einer Sekante durch eine Kreisfläche K₁ bis K₅ bilden, wobei die jeweilige Sehne einer Tangente zur nächst kleineren Kreisfläche K entspricht. Dabei liegt der minimale Abstand A jedes Ultraschalllaufwegs S zum Mittelpunkt X der radialen Messebene M am Schnittpunkt der Tangente mit der nächst kleineren ringförmigen Kreisfläche K liegt. Dieser minimale Abstand A₁ bzw. A₂ ist auch in 4 ersichtlich. In 3 ist auch ersichtlich, dass die Distanzen D, die das Ultraschallsignal in den einzelnen Kreisflächen K zurücklegt, unterschiedlich lang sind. So ist dies Distanz D in der Kreisfläche K₁ am größten, während sie in der Kreisfläche K₅ am kleinsten ist. Für die Berechnung des Temperaturverlaufs wird immer nur auf diese Distanz D in der jeweiligen Kreisfläche K zurückgeschlossen. Da für den Ultraschalllaufweg S₂ die Distanz D in der Kreisfläche K₂ und die zurückgelegten Strecken in der Kreisfläche K₁ bekannt sind und zudem durch vorherige Messung die gemittelte Temperatur T₁ in der Kreisfläche K₁ bekannt ist, kann durch Berücksichtigung der Temperatur T₁ entsprechend der Länge des Ultraschalllaufweges S₂ in der Kreisfläche K₁ auf die Temperatur T₂ des Ultraschalllaufweges S₂ nur im Bereich der Kreisfläche K₂ rückgeschlossen werden. Dieselbe Berechnung setzt sich für die Temperaturberechnungen der Ultraschalllaufwege S₃ bis S₅ fort. Weiters ist in dieser 3 vorgesehen, dass durch eine Gerade zwischen Ultraschallsender US₀ und Mittelpunkt X der radialen Messebene M eine Bezugsgerade G für die Winkel ϕ₁, ϕ₂, ..., ϕ_n-1, gebildet wird.
In 4 ist dargestellt, dass nicht nur ein Ultraschallsender US₀ vorgesehen sein muss. Es können auch zwei unabhängige Ultraschallsender US₀ und Ultraschallempfänger US₁ und US₂ vorgesehen sein, wobei die Abstände A₁ und A₂ der jeweiligen Ultraschalllaufwege S₁ und S₂ zum Mittelpunkt X der radialen Messebene M unterschiedlich sind. Die minimalen Abstände A₁ und A₂ führen damit jeweils vom Mittelpunkt X zu dem Punkt, an dem der Ultraschalllaufweg S₁ bzw. S₂ den Außenradius der jeweils kleineren Kreisfläche K₂ bzw. K₃ tangential schneidet.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen somit darin, dass zum ersten Mal ein Temperaturverlauf einer Schmelze in einem Schmelzraum durch eine nicht invasive Messung bestimmt werden kann, wobei zusätzlich sehr kurze Ansprechzeiten (unter 1 Sekunde) und eine räumlich aufgelöste Temperaturmessung möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19944709 A1 [0003]
JP 01-195013 A [0004]
JP 53-130764 A [0004]
US 5951163 [0004]
JP 09-254219 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

O. Amano, S. Utsugi, Temperature measurements of polymer melts in the heating barrel during injection molding. Part 2: Three-dimensional temperature distribution in the reservoir, Polymer Engineering and Science 29, 1989, pp. 171–177 [0007]
E.C. Brown, P. Olley, T.L.D. Collins, P.D. Coates, Ultrasonic investigations of process variation during single screw extrusion and injection moulding: real time detection of temperature Profile and material degradation, Proceedings of the 15th Annual Meeting of the Poylmer Processing Society, 1999 [0008]
N. Sombatsompop, W. Chaiwattanpipat, Temperature profiles of glass fibre-filled polypropylene melts in injection moulding, Polymer Testing 19, 2000, pp. 713–724 [0009]
N. Sombatsompop, W. Chaiwattanpipat, Temperature Distributions of molten polypropylene during injection molding, Advances in Polymer Technology 19, 2000, pp. 79–86. [0009]
A.J. Bur, S.C. Roth, Temperature Gradients in the Channels of a Single-Screw Extruder, Polymer Engineering and Science 44, 2004, pp. 2148–2157 [0010]

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Temperatur (T) einer Schmelze in einem Schmelzeraum (1), insbesondere in einem Schneckenvorraum, einer Spritzgießmaschine, mit den Schritten: – Senden eines ersten Ultraschallsignals von einem Ultraschallsender (US₀) in den Schmelzeraum (1), – Empfangen des vom Ultraschallsender (US₀) gesendeten ersten Ultraschallsignals von einem ersten Ultraschallempfänger (US₁), wobei ein erster Ultraschalllaufweg (S₁) zwischen dem Ultraschallsender (US₀) und dem ersten Ultraschallempfänger (US₁) durch die Schmelze führt, – Berechnen der gemittelten Temperatur (T₁) im ersten Ultraschalllaufweg (S₁) in Abhängigkeit der Laufzeit (t₁) des ersten Ultraschallsignals entlang des ersten Ultraschalllaufwegs (S₁), gekennzeichnet durch die weiteren Schritte – Senden eines zweiten Ultraschallsignals vom Ultraschallsender (US₀) in den Schmelzeraum (1), – Empfangen des vom Ultraschallsender (US₀) gesendeten zweiten Ultraschallsignals von einem zweiten Ultraschallempfänger (US₂), wobei ein zweiter Ultraschalllaufweg (S₂) zwischen dem Ultraschallsender (US₀) und dem zweiten Ultraschallempfänger (US₂) durch die Schmelze führt, wobei beide Ultraschalllaufwege (S₁ _, S₂) in einer radialen Messebene (M) des Schmelzeraums (1) liegen und jeweils einen minimalen Abstand (A) zum Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) aufweisen, – Berechnen der gemittelten Temperatur (T₂) im zweiten Ultraschalllaufweg (S₂) in Abhängigkeit der Laufzeit (t₂) des zweiten Ultraschallsignals entlang des zweiten Ultraschalllaufwegs (S₂), und – Berechnen des Temperaturverlaufs (T_Lauf) im Schmelzeraum (1) in Abhängigkeit a. der gemittelten Temperatur (T₁) im ersten Ultraschalllaufweg (S₁), b. der gemittelten Temperatur (T₂) im zweiten Ultraschalllaufweg (S₂), c. des minimalen Abstands (A₁) des ersten Ultraschalllaufwegs (S₁) vom Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) und d. des minimalen Abstands (A₂) des zweiten Ultraschalllaufwegs (S₂) vom Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte – Senden eines dritten Ultraschallsignals vom Ultraschallsender (US₀) in den Schmelzeraum (1), – Empfangen des vom Ultraschallsender (US₀) gesendeten dritten Ultraschallsignals von einem dritten Ultraschallempfänger (US₃), wobei ein dritter Ultraschalllaufweg (S₃) zwischen dem Ultraschallsender (US₀) und dem dritten Ultraschallempfänger (US₃) durch die Schmelze führt und in der radialen Messebene (M) des Schmelzeraums (1) liegt, – Berechnen der gemittelten Temperatur (T₃) im dritten Ultraschalllaufweg (S₃) in Abhängigkeit der Laufzeit (t₃) des dritten Ultraschallsignals entlang des dritten Ultraschalllaufwegs (S₃), und – Berechnen des Temperaturverlaufs (T_Lauf) im Schmelzeraum zusätzlich in Abhängigkeit a. der gemittelten Temperatur (T₃) im dritten Ultraschalllaufweg (S₃) und b. des minimalen Abstands (A₃) des dritten Ultraschalllaufwegs (S₃) vom Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Messebene (M) im Schmelzeraum (1) in n ringförmige konzentrische Kreisflächen (K) diskretisiert wird, wobei der Außenradius (r) jeder ringförmigen Kreisfläche (K) mit r_i = (R – R / n (i – 1)) berechnet wird, wobei für den Index i gilt i = 1, 2, ..., n und wobei R = (r₁) den Innenradius (r₁) einer kreiszylinderförmigen Wandung (2) des Schmelzeraums (1) bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrischen ringförmigen Kreisflächen (K) so gewählt werden, dass sie in regelmäßigen radialen Abständen um den Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ultraschalllaufweg (S) einer Sehne einer Sekante in einer ringförmigen Kreisfläche (K) entspricht, wobei jede Sehne ident ist mit einer Tangente zur nächst kleineren ringförmigen Kreisfläche (K).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand (A) jedes Ultraschalllaufwegs (S) zum Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) am Schnittpunkt der Tangente mit der nächst kleineren ringförmigen Kreisfläche (K) liegt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Gerade zwischen Ultraschallsender (US₀) und Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) eine Bezugsgerade (G) gebildet wird, wobei die Winkel
...,
der Sehnen bzw. Tangenten zu der Bezugsgerade (G) durch die Formel ϕ_i = arcsin( n – i / n ) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen – den Laufzeiten (t₁, t₂, ... t_n), – Distanzen (D) der Ultraschalllaufwege (S) in den verschieden ringförmigen Kreisflächen (K) und – temperaturabhängiger Schallgeschwindigkeit (V) in dem linearen Gleichungssystem
dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor (T_Transit) die gemessenen Laufzeiten (t) entlang der verschiedenen Ultraschalllaufwege (S) enthält, die Distanzmatrix D die Längen der Ultraschalllaufwege (S) in den verschiedenen ringförmigen Kreisflächen (K) enthält und der Vektor P die reziproken Ultraschallgeschwindigkeiten (V) in den einzelnen ringförmigen Kreisflächen (K) enthält, wobei in Abhängigkeit der gemittelten Temperatur (T) in jeder ringförmigen Kreisfläche (K) ein radialer Temperaturverlauf (T_Lauf) der Schmelze im Schmelzeraum (1) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Drucksensor (3) der Druck (P) im Schmelzeraum (1) gemessen wird, wobei die Berechnung der Temperatur (T) in jedem Ultraschalllaufweg (S) in Abhängigkeit des vom Drucksensor (3) gemessenen Druckes (P) erfolgt.
Vorrichtung (4) zum Bestimmen der Temperatur (T) einer Schmelze in einem Schmelzeraum (1), insbesondere in einem Schneckenvorraum, einer Spritzgießmaschine, mit – einem Ultraschallsender (US₀), von dem ein erstes Ultraschallsignal in den Schmelzeraum (1) sendbar ist, – einem ersten Ultraschallempfänger (US₁), wobei ein erster Ultraschalllaufweg (S₁) zwischen dem Ultraschallsender (US₀) und dem ersten Ultraschallempfänger (US₁) durch die Schmelze führt, – einer Berechnungsvorrichtung (5), durch die in Abhängigkeit der Laufzeit (t₁) eines vom Ultraschallsender (US₀) gesendeten ersten Ultraschallsignals entlang des ersten Ultraschalllaufwegs (S₁) die gemittelte Temperatur (T₁) der Schmelze im ersten Ultraschalllaufweg (S₁) berechenbar ist, gekennzeichnet durch – zumindest einen zweiten Ultraschallempfänger (US₂), wobei ein zweiter Ultraschalllaufweg (S₂) zwischen dem Ultraschallsender (US₀) und dem zweiten Ultraschallempfänger (US₂) durch die Schmelze führt, wobei von der Berechnungsvorrichtung (5) die gemittelte Temperatur (T₂) der Schmelze im zweiten Ultraschalllaufweg (S₂) in Abhängigkeit der Laufzeit (t₂) eines vom Ultraschallsender (US₀) gesendeten zweiten Ultraschallsignals entlang des zweiten Ultraschalllaufwegs (S₂) berechenbar ist, wobei beide Ultraschalllaufwege (S₁, S₂) in einer radialen Messebene (M) des Schmelzeraums (1) liegen und jeweils einen minimalen Abstand (A₁, A₂) zum Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) aufweisen, und – eine Vergleichsvorrichtung (6), durch die in Abhängigkeit a. der gemittelten Temperatur (T₁) im ersten Ultraschalllaufweg (S₁), b. der gemittelten Temperatur (T₂) im zweiten Ultraschalllaufweg (S₂), c. des minimalen Abstands (A₁) des ersten Ultraschalllaufwegs (S₁) vom Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) und d. des minimalen Abstands (A₂) des zweiten Ultraschalllaufwegs (S₂) vom Mittelpunkt (X) der radialen Messebene (M) der Temperaturverlauf (T_Lauf) der Schmelze im Schmelzeraum (1) im Bereich der radialen Messebene (M) berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zumindest einen Drucksensor (3), durch den der Druck (P) im Schmelzeraum (1) messbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebene (M) in ringförmige konzentrische Kreisabschnitte (K) unterteilt ist und die Anzahl der Ultraschallempfänger (US_n) so groß ist wie die Anzahl der ringförmigen Kreisflächen (K_n), in die die radiale Messebene (M) unterteilt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzeraum (1) von einer kreiszylinderförmigen Wandung (2) begrenzt ist, wobei die radiale Messebene (M) von einem kreisförmigen Innenumfang (r₁) der Wandung (2) des Schmelzeraums (1) begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (US₀) und jeder Ultraschallempfänger (US_n) einen Signalkopf (7) aufweist, wobei jeder dieser Signalköpfe (7) im Bereich des kreisförmigen Innenumfangs (r₁) der Wandung (2) angeordnet ist.
Spritzgießmaschine mit einer Vorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 11 bis 15.