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Die Erfindung betrifft einen Extruder mit einem Entgasungsdom und einem Füllstandssensor, der angeordnet ist zum Ermitteln eines Füllstands im Entgasungsdom.
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Extruder werden verwendet, um beispielsweise aus einem Granulat eine spritzfähige Masse herzustellen. Um Blasen zu vermeiden, enthalten die meisten Extruder einen Entgasungsdom. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung, mittels der ein Vakuum an die im Extruder verarbeitete Masse, das Extrudat, angelegt werden kann, sodass darin enthaltene Gasblasen entfernt werden können.
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Ändert sich die Fördergeschwindigkeit des Extruders oder die Viskosität des zu extrudierenden Materials, kann es vorkommen, dass im Entgasungsdom Extrudat flüssiges oder plastifiziertes Material oder Extrudat-Schaum aus Gas und Extrudat aufsteigt. Das ist unerwünscht, da die Gefahr besteht, dass Kunststoffmaterial in die Vakuumanlage, mittels der der Entgasungsdom mit Unterdruck beaufschlagt wird, eindringt und diese beschädigt.
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Aus der
DE 32 42 239 A1 ist eine Einrichtung zur Füllstandsüberwachung eines Entgasungsdoms bekannt, bei der Stickstoff über eine Zuleitung in den Entgasungsdom mit einem minimal höheren Druck als der vorherrschende Druck im Entgasungsdom eingebracht wird. Beim Aufsteigen von Schmelze kommt es zum Verschließen der Stickstoffzuleitung und damit zum Druckanstieg innerhalb derselben. Ab einem bestimmten Rückstaudruck reagiert ein Druckschalter und sendet an ein Signal an eine Ansteuereinheit. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Druckanstiegsmessung keine vollständig verlässliche Methode darstellt, mittels der das Aufsteigen von Schmelzeschaum detektierbar ist. Ist der aufsteigende Schaum offenporig, kann weiterhin Stickstoff in den Entgasungsdom gespült werden und es kommt dennoch zu keinem Druckanstieg und zu keiner Druckdifferenz, sodass das Aufsteigen des Schaums nicht detektierbar ist.
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Aus der
DE 38 16 981 A1 ist eine Einrichtung bekannt, in der ein Thermoelement das Aufsteigen von Kunststoffschmelze im Entgasungsdom registriert. Nachteilig hieran ist, dass ein Aufsteigen von Schmelze nur relativ langsam detektiert werden kann. Nachteilig ist zudem, dass bei aufsteigendem Schaum die Temperaturdifferenz zwischen der Atmosphäre im Entgasungsdom und der Schmelze so gering sein kann, dass kein verwertbares Signal erhalten wird. Aufsteigender Schaum kann daher nicht prozesssicher detektiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Füllstand im Entgasungsdom sowohl in Bezug auf die Schmelze als auch im Bezug auf Schaum, mit einer höheren Prozesssicherheit zu ermitteln.
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Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Extruder, bei dem der Füllstandssensor zum Messen der Dielektrizitätskonstante ausgebildet ist.
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Vorteilhaft an diesem Extruder ist, dass sowohl aufsteigende Schmelze als auch aufsteigender Schmelzeschaum mit einer hohen Prozesssicherheit erfassbar sind. Das verringert die Gefahr, dass Extrudat, sei es in Form von Flüssigkeit oder in Form von Schaum, in das Vakuumsystem eindringt und es beschädigt.
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Vorteilhaft ist zudem, dass der Vorteil der deutlich verbesserten Prozesskontrolle nicht mit einem erhöhten Aufwand kompensiert werden muss. Günstig ist es zudem, dass zur Detektion des Füllstands kein Verbrauchsmaterial, wie beispielsweise Stickstoffgas, notwendig ist. Die Füllstandsdetektion ist daher besonders einfach und Prozesssicher. Günstig ist es zudem, dass ein derartiger Füllstandssensor auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar ist.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass Änderungen des Füllstands schnell und feinfühlig detektierbar sind. Das ermöglicht eine verbesserte Prozesskontrolle.
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Synergistisch führen die oben genannten Vorteile dazu, dass der Extruder eine erhöhte Verfügbarkeit besitzt und eine verbesserte Produktqualität ermöglicht.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Extruder eine Vorrichtung verstanden, die zumindest eine motorisch angetriebene Schnecke zum Erwärmen, gegebenenfalls Kneten, und Fördern von Extrudat umfasst. Günstig ist es, wenn der Extruder zudem eine Mischvorrichtung umfasst, mittels der mehrere Ausgangskomponenten, beispielsweise Granulate und/oder Füllstoffe, miteinander gemischt werden können. Häufig umfassen Extruder zudem eine Heizvorrichtung.
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Der erfindungsgemäße Extruder besitzt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Vakuumvorrichtung, mittels der ein Unterdruck an den Entgasungsdom anlegbar ist.
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Unter dem Merkmal, dass der Füllstandssensor zum Messen einer Änderung der Dielektrizitätskonstante ausgebildet ist, wird insbesondere verstanden, dass der Füllstandssensor ein Signal, insbesondere ein elektrisches Signal, abgibt, aus dem eine Änderung der Dielektrizitätskonstante des Materials im Entgasungsdom bestimmbar ist. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Dielektrizitätskonstante direkt lesbar kodiert ist, maßgeblich ist, dass eine Änderung der Dielektrizitätskonstante aus dem abgegebenen Messsignal ermittelbar ist. Vorzugsweise ist der Füllstandssensor ausgebildet zum Abgeben eines Signals, aus dem die Dielektrizitätskonstante selbst ermittelbar ist.
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Die Dielektrizitätskonstante ist eine Materialkonstante. Ändert sich die Zusammensetzung des Materials im Entgasungsdom, weil beispielsweise im
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Entgasungsdom mehr Schmelze in Form von Flüssigkeit oder Gas vorhanden ist, so ändert sich die Dielektrizitätskonstante des Gesamt-Materials im Entgasungsdom. In anderen Worten ist der Füllstandssensor ausgebildet zum Messen einer Änderung der Gesamt-Dielektrizitätskonstante des Materials oder des Materialgemischs, das im Entgasungsdom vorhanden ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Füllstandssensor ausgebildet zum Messen der Gesamt-Dielektrizitätskonstante des Materials oder des Materialgemischs, das im Entgasungsdom vorhanden ist.
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Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass jede Änderung der Dielektrizitätskonstante des Materials im Entgasungsdom zu einer Änderung des Signals führt, das der Füllstandssensor abgibt. Beispielsweise ist es möglich, dass Füllstandsänderungen des Füllstands, die unterhalb eines vorgegebenen Niveaus erfolgen, nicht detektiert werden. Es ist in der Regel ausreichend, dass ein Ansteigen des Füllstands auf einen Wert, der größer ist als ein Soll-Füllstand, detektierbar ist.
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Beispielsweise umfasst der Füllstandssensor ein Sensorelement und eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum Abgeben eines elektrischen Wechselstroms an das Sensorelement und zum Ermitteln der Dielektrizitätskonstante aus einer Phasenverschiebung zwischen einer Stromstärke des Wechselstroms und einer Spannung des Wechselstroms.
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Der Blindwiderstand eines Kondensators hängt von der Kapazität des Kondensators ab. Die Kapazität des Kondensators wiederum ist abhängig von der Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den Polen des Kondensators. Der Füllstandssensor wird so in den Entgasungsdom eingeführt, dass er mit dem Entgasungsdom einen Kondensator bildet. Aus der Phasenverschiebung zwischen der Stromstärke und der Spannung eines elektrischen Wechselstroms, der zwischen den Füllstandssensor und den Entgasungsdom angelegt wird, kann folglich die Kapazitätsänderung dieses Kondensators und daraus die Änderung der Dielektrizitätskonstante ermittelt werden. Selbstverständlich ist es vorteilhaft, wenngleich nicht notwendig, wenn nicht nur eine Änderung der Dielektrizitätskonstante ermittelbar ist, sondern die Dielektrizitätskonstante selbst.
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Gängige zu extrudierende Kunststoffe haben eine Dielektrizitätskonstante zwischen εr = 2 und εr = 3 und es wurde angenommen, dass Änderungen so kleiner Dielektrizitätskonstanten, wie sie durch Extrudat-Schaum hervorgerufen werden, nicht prozesssicher detektierbar sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine hinreichend feinfühlige Detektion sehr wohl möglich ist, so dass der Füllstand auch bei Füllung mit Extrudat-Schaum hinreichend prozesssicher messbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Füllstandssensor zum Messen auch der elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet. Zwar handelt es sich bei dem Extrudat, also dem Material, dass vom Extruder verarbeitet wird und das ein Kunststoff oder ein Polymer oder ein sonstiges extrudierbares Material sein kann, in der Regel einen elektrischen Nichtleiter, das heißt aber nicht, dass nicht ein kleiner elektrischer Strom messbar sein kann. Das gilt insbesondere dann, wenn das Extrudat beispielsweise mit einem Füllstoff versehen ist, sodass die elektrische Leitfähigkeit sich hinreichend deutlich von der Leitfähigkeit der ansonsten im Entgasungsdom vorhandenen Luft oder dem entsprechenden im Entgasungsdom vorhandenen Gas unterscheidet. Durch das Messen der elektrischen Leitfähigkeit wird die Aussagekraft des Messergebnisses erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Füllstandssensor ein Admittanzsensor ist, das heißt, dass das Messergebnis der komplexe elektrische Widerstand oder der komplexe elektrische Leitwert des Materials zwischen dem Füllstandssensor und dem Entgasungsdom misst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Füllstandssensor eine elektrische Auswerteeinheit, die einen digitalen Speicher aufweist. In dem digitalen Speicher ist ein Kennfeld abgelegt, das eine Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante oder des elektrischen Widerstands oder der Admittanz zwischen dem Füllstandssensor und dem Entgasungsdom einerseits mit dem Füllstand des Entgasungsdoms kodiert.
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Das Kennfeld wird beispielsweise durch Vorversuche ermittelt. Beispielsweise wird das Extrudat mit einer Flüssigkeit oder einem Gas versehen. In Frage kommt als Flüssigkeit Wasser oder ein organisches Lösungsmittel. Als Gas kann beispielsweise Luft oder ein Schutzgas verwendet werden. Durch Zugabe dieses Fluids kommt es im Entgasungsdom zur Bildung eines Extrudat-Schaums. Der Füllstand des Entgasungsdoms kann beispielsweise optisch durch ein Fenster im Entgasungsdom festgestellt werden. Mit diesem optisch bestimmten Füllstand werden die Dielektrizitätskonstante und/oder die Admittanz zugeordnet. Durch verschiedene Mengen an zugegebenem Fluid kann der Füllstand im Entgasungsdom variiert werden, sodass ein Kennfeld für eine Vielzahl an Füllständen und zugeordneten Dielektrizitätskonstanten bzw. Admittanzen erhalten wird.
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Im Betrieb des Extruders wird die Dielektrizitätskonstante und/oder die Admittanz in regelmäßigen Abständen gemessen, beispielsweise alle 100 Millisekunden, zumindest aber einmal in 2 Sekunden. Aus dem so erhaltenen Messergebnis wird anhand des Kennfeldes der Füllstand ermittelt und mit einem Soll-Wert oder einem Soll-Intervall verglichen. Liegt der ermittelte Wert für den Füllstand außerhalb des Soll-Intervalls oder oberhalb des Soll-Werts, so wird eine Meldung ausgegeben. Da die Abhängigkeit des Füllstands von der Dielektrizitätskonstante und/oder der Admittanz von dem Extrudat abhängt, muss das Kennfeld in der Regel für jedes neue Extrudat neu aufgenommen werden. Das stellt aber in der Regel einen relativ geringen Aufwand dar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Extruder einen zweiten Füllstandssensor, der im gleichen Entgasungsdom wie der erste Füllstandssensor angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein genaueres Messergebnis erhalten. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die beiden Füllstandssensoren unabhängig voneinander ausgelesen werden. Beispielsweise ist es möglich, dass zur gleichen Zeit höchstens einer der Füllstandssensoren mit einem Hochfrequenzsignal beaufschlagt wird. Es ist aber auch möglich, dass beide Füllstandssensoren simultan mit einem Hochfrequenzsignal beaufschlagt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mehr als zwei Füllstandssensoren vorhanden sind, beispielsweise drei, vier oder mehrere.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Füllstandssensor eine Heizung. Das hat den Vorteil, dass sich Kunststoffdampf nicht auf dem Füllstandssensor abscheiden kann. Dieser Vorteil ist besonders bei Polyolefinen groß.
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Alternativ oder zusätzlich besitzt der Füllstandssensor eine Umspülvorrichtung zum Umspülen des Füllstandssensors mit einem Gas, insbesondere einem sauerstofffreien Gas. Das Gas kann beispielsweise zu mehr als 90 Vol.-% aus Stickstoff bestehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Extruders gemäß einer ersten Ausführungsform und
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2 ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Extruder gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt einen Extruder 10 mit einer Schnecke 12, die von einem schematisch eingezeichneten Antrieb 14 in Form eines Elektromotors angetrieben wird. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen Ein-Schnecken-Extruder, die Zahl der Schnecken ist jedoch für die Erfindung unerheblich. Die Schnecke 12 erstreckt sich entlang einer Längsachse L.
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In einem Abschnitt A der Schnecke 12, die in einem Schneckengehäuse 16 angeordnet ist, umfasst der Extruder 10 einen Entgasungsdom 18. Im vorliegenden Fall ist der Entgasungsdom 18 im Wesentlichen zylinderförmig und erstreckt sich entlang einer Zylinderachse Z, die sich senkrecht zur Längsachse L verläuft. Es ist jedoch weder notwendig, dass der Entgasungsdom 18 zylinderförmig ist, noch dass sich die etwaig vorhandene Zylinderachse Z senkrecht zur Längsachse L erstreckt. Die Lage des Entgasungsdoms 18 ist jedoch für die Messung des Füllstands unerheblich. Der Entgasungsdom 18 kann in jeder beliebigen Lage, beispielsweise oben, unten und/oder seitlich, relativ zum Extruder 10 angeordnet sein.
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Im Entgasungsdom 18 ist ein Sensorelement 20 eines Füllstandssensors 22 angeordnet. Das Sensorelement 20 erstreckt sich über eine aktive Länge B im Entgasungsdom 18. Zu einer Hüllfläche H der Schnecke 12 hat das Sensorelement 20 einen Abstand d, der klein ist gegen die aktive Länge B. Die Hüllfläche H ist diejenige Fläche, auf der sich alle zu äußerst liegenden Punkte der Schnecke 12 bewegen, wenn sich die Schnecke dreht. Bildlich gesprochen ist die Hüllfläche diejenige Fläche, die die Schnecke 12 aus einem weichen Körper herausarbeiten würde, wenn die Schnecke von diesem umgeben wäre. Die Hüllfläche ist in aller Regel eine Zylinderfläche und entspricht an den Stellen, an denen der Entgasungsdom 18 nicht ausgebildet ist, in guter Näherung der Innenfläche der Bohrung im Schneckengehäuse 16, in der die Schnecke 12 läuft. Beispielsweise ist der Abstand d kleiner als ein Zehntel der aktiven Länge B.
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Der Füllstandssensor umfasst zudem eine Ansteuereinheit 24, die einerseits mit dem Sensorelement 20 und andererseits mit dem Entgasungsdom 18 elektrisch verbunden ist. Der Entgasungsdom ist in aller Regel geerdet. Das Sensorelement 20 ist gegenüber dem Entgasungsdom 18 elektrisch isoliert. Die Ansteuereinheit 24 gibt einen Wechselstrom mit der Frequenz f = 100 kHz, und der Spannung U = 2 Volt ab. Günstig sind Frequenzen zwischen 50 kHz und 300 kHz und Spannungen zwischen 0,8 und 5 Volt, insbesondere 1 und 3 Volt.
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Aus der Phasenverschiebung φ zwischen der Stromstärke I und Spannung U sowie aus der Stromstärke I und der Spannung U wird eine Admittanz Y berechnet. Die Admittanz ist eine komplexe Größe, deren Realteil der Wirkleitwert ist und deren Imaginärteil der Blindleitwert ist.
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Der Extruder 10 umfasst eine Auswerteeinheit 26, die mit der Ansteuereinheit 24 zur Signalweiterleitung verbunden ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Ansteuereinheit 24 Bestandteil der Auswerteeinheit 26 ist. Es ist auch möglich, dass die Auswerteeinheit 26 Bestandteil einer in 2 schematisch eingezeichneten Maschinensteuerung des Extruders 10 ist. Die Auswerteeinheit 26 ermittelt aus den elektrischen Messdaten, die die Ansteuereinheit 24 erfasst, die Admittanz Y.
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Die Auswerteeinheit 26 umfasst einen digitalen Speicher 28, in der ein Kennfeld K gespeichert ist. Das Kennfeld K ist eine Verkörperung einer mathematischen Abbildung, die einer Vielzahl an Admittanzen Yi (i = 1, 2...) jeweils einen Füllstand Fi zuordnet. Der Füllstand F ist ein Maß dafür, wie hoch ein Extrudat 30, das von der Schnecke 12 gefördert wird, im Entgasungsdom 18 steht.
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In 1 ist der Füllstand F=0. Der Nullpunkt des Füllstandes ist jedoch beliebig festlegbar. Beispielsweise ist es auch möglich, dass als F=0 derjenige Füllstand festgelegt wird, oberhalb dessen ein Regeleingriff notwendig ist, um ein schematisch eingezeichnetes Vakuumsystem 32 zu schützen, mittels dem der Entgasungsdom 18 auf Unterdruck gehalten wird.
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1 zeigt zudem, dass der Extruder 10 einen zweiten Füllstandssensor 34 aufweist, der ebenfalls mit der Ansteuereinheit 24 verbunden ist und auf die gleiche Weise wie der Füllstandssensor 22 funktioniert. Die Auswerteeinheit 26 berechnet aus den Messwerten der beiden Füllstandssensoren 22, 34 einen gemeinsamen Messwert für den Füllstand F.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Extruders 10. Es ist zu erkennen, dass der Entgasungsdom 18 einen Entgasungsdomdeckel 36 aufweist, der lösbar an einem Entgasungsdomgrundkörper befestigt ist. Es ist zudem möglich, dass der Entgasungsdomdeckel ein Fenster umfasst, sodass von außen der Füllstand F feststellbar ist. Auf diese Weise kann der Füllstandssensor 22 kalibriert werden.
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Zum Kalibrieren des Füllstandssensors 22, in anderen Worten zum Ermitteln des Kennfelds K, wird dem Extrudat 30 eine Substanz zugegeben, die dazu führt, dass sich ein schematisch eingezeichneter Extrudat-Schaum 38 bildet. Beispielsweise ist die Flüssigkeit Wasser. Durch den Entgasungsdomdeckel 36 wird optisch der Füllstand F bestimmt. Mittels des Füllstandssensors 22 wird simultan die Admittanz Y und/oder lediglich die die Elektrizitätskonstante εr oder der ohmsche Widerstand W gemessen. Die gemessene Größe oder die gemessenen Größen werden im Kennfeld K miteinander verknüpft. Nach einer hinreichend großen Zahl an Messungen kann aus der Admittanz Y auf dem Füllstand F geschlossen werden. Dazu wird das Kennfeld K interpoliert. Beispielsweise werden mehr als 50 Admittanzen für unterschiedliche Füllstände F aufgenommen.
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In Betrieb ermittelt die Auswerteeinheit 26 in kurzem Zeitintervall, beispielsweise alle Δt = 0,1 sek, die Admittanz Y und daraus den Füllstand F. Überschreitet der Füllstand F einen Soll-Füllstand Fsoll so gibt die Auswerteeinheit 26 ein Alarm-Signal aus. Dieses Alarm-Signal wird beispielsweise an die Maschinensteuerung 27 des Extruders gesendet, die daraufhin die Drehzahl der Schnecke 12 erhöht. Alternativ oder zusätzlich wird das Alarm-Signal an eine Granulat-Zuführvorrichtung 40 gesendet, die daraufhin den Volumenzustrom an Polymermaterial drosselt. Wiederum alternativ oder zusätzlich wird das Alarm-Signal an das Vakuumsystem 32 gesendet, das beispielsweise den Unterdruck im Entgasungsdom 18 vermindert oder eine Vakuumpumpe abschaltet, um eine weiteres Ansteigen des Füllstands zu vermeiden und ein Ansaugen von Extrudat in die Vakuumpumpe zu verhindern
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Es ist auch möglich, dass zwei oder drei der genannten Maßnahmen eingeleitet werden. Es ist zudem möglich, dass weitere, hier nicht aufgeführte Maßnahmen getroffen werden.
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In den Figuren nicht eingezeichnet ist eine elektrische Heizung, mit der das Sensorelement 20 beheizbar ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich gasförmiges Extrudat oder Bestandteile davon auf dem Sensorelement 20 unterschlagen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Extruder
- 12
- Schnecke
- 14
- Antrieb
- 16
- Schneckengehäuse
- 18
- Entgasungsdom
- 20
- Sensorelement
- 22
- Füllstandssensor
- 24
- Ansteuereinheit
- 26
- Auswerteeinheit
- 28
- digitaler Speicher
- 30
- Extrudat
- 32
- Vakuumsystem
- 34
- zweiter Füllstandssensor
- 36
- Entgasungsdomdeckel
- 38
- Extrudat-Schaum
- 40
- Granulat-Zuführvorrichtung
- A
- Abschnitt
- B
- aktive Länge
- d
- Abstand
- F
- Füllstand
- H
- Hüllfläche
- K
- Kennfeld
- L
- Längsachse
- W
- ohmscher Widerstand (reelle Größe)
- Y
- Admittanz (komplexe Größe)
- Z
- Zylinderachse
- εr
- Dielektrizitätskonstante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3242239 A1 [0004]
- DE 3816981 A1 [0005]
