WO2004026559A1 - Direkte drehmoment-erfassung bei einem extruder - Google Patents

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WO2004026559A1
WO2004026559A1 PCT/CH2003/000489 CH0300489W WO2004026559A1 WO 2004026559 A1 WO2004026559 A1 WO 2004026559A1 CH 0300489 W CH0300489 W CH 0300489W WO 2004026559 A1 WO2004026559 A1 WO 2004026559A1
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extruder
magneto
shaft
elastic element
magnetic field
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PCT/CH2003/000489
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Christian Hilber
Manuel HÖHENER
Achim-Philipp Sturm
Jürgen SCHWEIKLE
Christoph NÄF
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Bühler AG
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Publication date
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
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Definitions

  • the invention relates to an extruder according to the preamble of claim 1 with a drive unit in which a motor is coupled to a gear, and at least one extruder shaft which extends in a process space and is equipped with processing elements and can rotate about its axis, wherein the transmission has at least one output shaft to which at least one shaft is connected in a rotationally fixed manner in a connection area.
  • the speed of the extruder shafts and their torque are important process parameters.
  • the detection of the torque together with the speed is usually carried out on the engine and provides information about the torque introduced into the transmission by means of the transmission input shaft, which together with the speed of the transmission input shaft determines the mechanical power consumed by the transmission.
  • These two parameters, together with other process parameters, such as the temperature and pressure curve of the product in the extruder, are used to control or regulate the extruder process.
  • the object of the invention is therefore to provide an extruder of the type mentioned at the outset which eliminates these shortcomings.
  • This object is achieved by an extruder according to claim 1, which is characterized in relation to the extruder described at the outset in that the connection area between the gearbox output shaft and the extruder shaft has a torque detection unit for contactless detection of the gearbox output shaft and the connection area on the Extruder shaft is assigned transmissible torque.
  • the actual torque of the extruder shaft or the extruder shafts in the product can thus be determined after the gear.
  • a strong fluctuation in the torque at each of the extruder shafts or between the respective torques of the different extruder shafts at constant speeds of the extruder shafts or the gearbox input shaft or the motor is e.g. an indication of inhomogeneities in the product or poor mixing of the product during the process.
  • the invention now enables precise knowledge of the time profile of the torque of all extruder shafts of a multi-shaft extruder.
  • the torque detection unit has the following elements:
  • the magnetic field sensor can thus be calibrated to a non-contact torque sensor.
  • At least two partial areas of the magneto-elastic element are expediently non-positively connected to a partial section of the gear output shaft, the connecting area or the gear end of the extruder shaft. This is sufficient to transfer a material tension to the magneto-elastic element, which is a function of the torque applied to the section.
  • the magneto-elastic element is preferably a magneto-elastic cylinder jacket which is attached in a rotationally fixed manner to at least a partial area of the transmission output shaft, the connection area or the gear-side end of the extruder shaft, the cylinder jacket-shaped magneto-elastic element being in particular an axial and / or an aligned along the circumferential direction Has magnetization.
  • the magnetic field sensors can then be arranged in such a way that they detect changes in the direction and / or the magnitude of the magnetic field in the vicinity of the magneto-elastic cylinder jacket caused by the torque.
  • the torque detection unit has the following elements:
  • a magneto-elastic element with a magnetization in the vicinity of which there is a magnetic field generated by the magnetization, the magneto-elastic element being formed by at least a magnetized section of the gearbox output shaft, the connecting region or the gearbox-side end of the extruder shaft;
  • a magnetic field sensor in the vicinity of the magneto-elastic element, which can detect changes in the magnetic field of the magneto-elastic element.
  • the material tensions caused by a torque act on the magnetized sections of the transmission output shaft, the connection area or the end of the extruder shaft on the transmission side, the material tensions prevailing in these magneto-elastic sections lead to a change, in particular a change in direction of the magnetization, as a result of which the magnetic field also changes in the area changes.
  • this change in the magnetic field which is detected by the magnetic field sensor, is a function of the torque transmitted by the transmission output shaft.
  • the magnetic field sensor can therefore also be calibrated to a contactless torque sensor.
  • the magneto-elastic element is preferably formed by at least one axial partial region of the transmission output shaft, the connecting region or the end on the transmission side.
  • a tangential component along the circumferential direction then occurs under the influence of a torque acting on the axial partial region in the magnetic field of the environment. This component can be detected as a measure of the torque by means of a suitably aligned magnetic field sensor.
  • a region in the form of a cylinder jacket is expediently magnetized in at least one axial sub-region of the transmission output shaft, the connection region or the end of the extruder shaft on the transmission side.
  • the cylindrical jacket-shaped magnetized region of the magneto-elastic element can have an axial magnetization and / or a tangential magnetization aligned along the circumferential direction about the axis.
  • alternately axially and tangentially magnetized cylindrical jacket-shaped regions can follow one another, each of which is assigned a suitably aligned magnetic field sensor.
  • several different and largely independent Perform pending acquisitions of the same torque on an extruder shaft.
  • the magneto-elastic element is a permanently magnetized coupling piece, preferably with axial magnetization, which establishes a rotationally fixed connection between the end of a transmission output shaft and the transmission end of an extruder shaft. This enables easy installation and removal of the magneto-elastic elements if they need a "refreshing" of the magnetization after a predetermined operating time.
  • the magnetic field sensor is preferably a Hall probe, the compact and robust construction of which is suitable for the "hard” conditions of the extruder shaft environment. It can be used to measure both absolute magnetic field values and magnetic field changes.
  • the magnetic field sensor can also have a magnetorestrictive material, specifically preferably a glass fiber coated with a magnetorestrictive material.
  • a magnetorestrictive material specifically preferably a glass fiber coated with a magnetorestrictive material.
  • the magnetic field sensor has a spacer, by means of which it is pressed against the surface of the magneto-elastic element.
  • the spacer ensures that the magnetic field sensor is always at the same distance from the surface of the magnetized elastic material. This is important because the magnetic field outside the magneto-elastic material decreases very strongly with increasing distance from the surface. Since the torque detection unit according to the invention with its magneto-elastic element and its magnetic field sensor is very compact, it is particularly suitable for multi-screw extruders, in particular twin-screw extruders and ring extruders, in which a torque detection unit can be assigned to each extruder shaft.
  • the torque detection according to the invention also has a very short response time, it is also suitable for protecting an extruder against overload, with individual monitoring of each extruder shaft against overload being made possible.
  • An emergency stop of the extruder therefore only really takes place if a critical torque peak occurs on one of the extruder shafts.
  • the torque detection according to the invention enables such "blind alarms" to be significantly reduced. An emergency stop is practically only triggered when an extruder shaft is actually endangered.
  • Fig. 2 shows a detail of Fig. 1 enlarged.
  • the two-shaft extruder arrangement shown in FIG. 1 has a motor 1, a gear 3, an extruder housing 10, and two extruder shafts 8, 9, which protrude into a process space inside the extruder housing 10 and are stored therein.
  • the gear 3 is driven by the engine 1 via a gear drive shaft (input shaft) 2. driven.
  • the first extruder shaft 8 and the second extruder shaft 9 are connected in a rotationally fixed manner to a first transmission output shaft (output shaft) 4 and a second transmission output shaft (output shaft) 5 via a first coupling piece 6 and a second coupling piece 7, respectively.
  • the two coupling pieces 6, 7 are made of steel. In contrast to the other shafts, however, the two coupling pieces 6, 7 were magnetized sufficiently strongly before they were installed in the extruder arrangement that they have permanent axial magnetization and generate a permanent magnetic field in their environment. Both the axial magnetization of the coupling pieces 6, 7 and the magnetic field generated by them are rotationally symmetrical. The magnetic field is similar to that of a bar magnet.
  • the coupling pieces 6, 7 magnetized in this way each form a magnetoelastic element, the magnetization of which can be reversibly changed in each case by mechanical material stresses.
  • an axial torque creates a material tension in the two coupling pieces, which causes a slight change in direction of the axial magnetization, i.e. a slight rotation of the axial magnetization of the unloaded state causes, so that in addition to an axial component there is also a tangential component of the magnetization in the two coupling pieces 6, 7.
  • a first magnetic field sensor 11 and a second magnetic field sensor 12 are arranged in a stationary manner close to the cylinder jacket-shaped surface of the two coupling pieces 6, 7 (and fastened to a fixed point of the extruder arrangement with a fastening device, not shown), in order to keep the magnetic field close to the surface of the to detect the first or the second coupling piece 6, 7.
  • the distance between the Surface and the magnetic field sensor is about 0.1 to 0.5 mm.
  • An electrical line 13 or 14 leads away from the two magnetic field sensors 11, 12 in order to discharge the electrical signal generated due to a magnetic field or a change in the magnetic field for further processing (amplification, filtering).
  • the two magnetic field sensors 11, 12 now detect the instantaneous change in the magnetic field, which is a function of the torque currently applied to the coupling pieces 6, 7. Static torques with blocked extruder shafts 8, 9 as well as dynamic torques with rotating and (physically) working extruder shafts can be detected in this way.
  • the magneto-elastic coupling piece 6 or 7 and the magnetic field sensor 11 or 12 thus form an individual torque detection unit for each of the extruder shafts 8 and 9, which enables torque detection for each of the extruder shafts 8, 9 in real time.
  • FIG. 2 shows one of the two torque detection units 6, 11 from FIG. 1, in which two spacers 11a, 11b are additionally attached to the housing of the magnetic field sensor 11.
  • the sensor 11 is held by a fastening device (not shown) and pressed against the surface 6a of the coupling piece 6 with a small contact force. This ensures a constant distance between the sensor 1 and the surface 6a.
  • periodic disturbances in the sensor output signals can also be eliminated by means of electronic filters, smoothing or the like before they are used for displaying or recording the torque sales of the individual extruder shafts over time.
  • Periodic disturbances due to cyclically recurring fluctuations in distance between the sensor 11 and the surface 6a of the coupling piece 6 can also be used to measure the speed of the respective extruder shaft.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Extruder mit einer Antriebseinheit, in der ein Motor (1) mit einem Getriebe (3) gekoppelt ist, sowie mindestens einer sich in einem Prozessraum erstreckenden und mit Bearbeitungselementen bestückten Extruderwelle (8, 9), die sich um ihre Achse drehen kann. Das Getriebe (3) weist mindestens eine Abtriebswelle (4, 5) auf, die mit der mindestens einen Welle in einem Verbindungsbereich drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäss ist dem Verbindungsbereich zwischen der Getriebe-Abtriebswelle und der Extruderwelle eine Drehmoment-Erfassungseinheit (6, 7, 11, 12) zur berührungslosen Erfassung des über die Getriebe-Abtriebswelle und den Verbindungsbereich auf die Extruderwelle übertragbaren Drehmoments zugeordnet. Bei magneto-elastischen Elementen (6, 7) mit einer Magnetisierung wird eine geringfügige Richtungsänderung mit Magnetfeldsensoren (12, 13) detektiert. Hall, magneto-resistiv, magnetostriktiv mit Glasfaser über Abstandshalter gegen die Elemente (6, 7).

Description

Direkte Drehmoment-Erfassung bei einem Extruder
Die Erfindung bezieht sich auf einen Extruder gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einer Antriebseinheit, in der ein Motor mit einem Getriebe gekoppelt ist, sowie mindestens einer sich in einem Prozessraum erstreckenden und mit Bearbeitungselementen bestückten Extruderwelle, die sich um ihre Achse drehen kann, wobei das Getriebe mindestens eine Abtriebswelle aufweist, mit der mindestens einen Welle in einem Verbindungsbereich drehfest verbunden ist.
Bei der Prozessführung mittels eines Extruders ist neben der Drehzahl der Extruderwellen auch deren Drehmoment ein wichtiger Prozessparameter. Die Erfassung des Drehmoments zusammen mit der Drehzahl erfolgt üblicherweise am Motor und gibt Auf- schiuss über das mittels der Getriebe-Eingangswelle in das Getriebe eingeleitete Drehmoment, das zusammen mit der Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle die vom Getriebe aufgenommene mechanische Leistung bestimmt. Diese beiden Parameter werden zusammen mit weiteren Prozessparametern, wie Temperatur- und Druckverlauf des Produktes im Extruder, zur Steuerung oder Regelung des Extruderprozesses herangezogen.
Während die Drehzahl der Extruderwellen im Extruder-Prozessraum über die bekannten Übersetzungsverhältnisse zwischen der Getriebe-Eingangswelle und den jeweiligen Getriebe-Abtriebswellen einfach berechnet werden können, ist dies für die von den jeweiligen Extruderwellen im Extruder-Prozessraum in das Produkt eingetragenen Drehmomente nicht der Fall. Einerseits ist der Getriebeverlust nicht immer bekannt, und andererseits weiss man nie genau, wie sich die gesamte Getriebe-Ausgangsleistung auf die verschiedenen Extruderwellen eines Mehrwellenextruders im Betrieb verteilt. Dies ist aber für die Prozessüberwachung wichtig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Extruder der eingangs genannten Art bereitzustellen, der diese Unzulänglichkeiten beseitigt. Diese Aufgabe wird durch einen Extruder gemäss Anspruch 1 gelöst, der gegenüber dem eingangs beschriebenen Extruder dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Verbindungsbereich zwischen der Getriebe-Abtriebswelle und der Extruderwelle eine Drehmoment-Erfassungseinheit zur berührungslosen Erfassung des über die Getriebe- Abtriebswelle und den Verbindungsbereich auf die Extruderwelle übertragbaren Drehmoments zugeordnet ist.
Somit lässt sich das tatsächliche Drehmoment der Extruderwelle bzw. der Extruderwellen im Produkt nach dem Getriebe bestimmen. Eine starke Schwankung des Drehmoments bei jeder einzelnen der Extruderwellen oder zwischen den jeweiligen Drehmomenten der verschiedenen Extruderwellen bei jeweils konstanten Drehzahlen der Extruderwellen bzw. der Getriebe-Eingangswelle oder des Motors ist z.B. ein Indiz für Inhomogenitäten des Produktes oder eine schlechte Vermischung des Produktes während des Prozesses. Die Erfindung ermöglicht nun eine genaue Kenntnis des zeitlichen Verlaufs des Drehmoments sämtlicher Extruderwellen eines Mehrwellenextruders.
Bei einer bevorzugten Ausführung weist die Drehmoment-Erfassungseinheit die folgenden Elemente auf:
> ein magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist, wobei das magneto-elastische Element zumindest mit der Getriebe-Abtriebswelle, dem Verbindungsbereich oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle krafts'chlüssig verbunden ist; und
> einen Magnetfeld-Sensor in der Umgebung des magneto-elastischen Elements, der Änderungen des Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann.
Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem magneto-elastischen Element und der Getriebe-Abtriebswelle treten in dem magneto-elastischen Element Materialspannungen auf, die zu einer Veränderung, insbesondere einer Richtungsänderung seiner Magnetisierung führen. Dadurch ändert sich auch das Magnetfeld in der Umgebung des magneto-elastischen Elements. Diese Änderung des Magnetfeldes, die vom Magnetfeld-Sensor erfasst wird, ist eine Funktion des von der Getriebe-Abtriebswelle übertragenen Drehmoments. Der Magnetfeld-Sensor lässt sich somit zu einem berührungslos arbeitenden Drehmoment-Sensor kalibrieren.
Zweckmässigerweise sind mindestens zwei Teilbereiche des magneto-elastischen Elements mit einem Teilabschnitt der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle kraftschlüssig verbunden. Dies reicht aus, um eine Materialspannung auf das magneto-elastische Element zu übertragen, die eine Funktion des am Teilabschnitt anliegenden Drehmoments ist.
Vorzugsweise ist das magneto-elastische Element ein mindestens auf einem Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle drehfest angebrachter magneto-elastischer Zylindermantel, wobei das zylindermantelförmige magneto-elastische Element insbesondere eine axiale und/oder eine entlang der Umfangsrichtung ausgerichtete Magnetisierung aufweist. Die Magnetfeld-Sensoren können dann so angeordnet werden, dass sie durch das Drehmoment verursachte Änderungen der Richtung und/oder des Betrags des Magnetfeldes in der Umgebung des magneto-elastischen Zylindermantels erfassen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Drehmoment-Erfassungseinheit die folgenden Elemente auf:
> ein magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist, wobei das magneto-elastische Element zumindest durch einen magnetisierten Teilabschnitt der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle gebildet wird; und
> einen Magnetfeld-Sensor in der Umgebung des magneto-elastischen Elements, der Änderungen des Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann. Beim Einwirken der durch ein Drehmoment verursachten Materialspannungen auf die magnetisierten Teilabschnitte der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle führen die in diesen magneto- elastischen Teilabschnitten herrschenden Materialspannungen zu einer Veränderung, insbesondere einer Richtungsänderung der Magnetisierung, wodurch sich auch das Magnetfeld in der Umgebung ändert. Wie schon weiter oben erläutert, ist diese Änderung des Magnetfeldes, die vom Magnetfeld-Sensor erfasst wird, ist eine Funktion des von der Getriebe-Abtriebswelle übertragenen Drehmoments. Der Magnetfeld-Sensor lässt sich somit auch hier zu einem berührungslos arbeitenden Drehmoment-Sensor kalibrieren.
Vorzugsweise wird das magneto-elastische Element durch mindestens einen axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes gebildet. Bei einer axialen Magnetisierung tritt dann unter dem Einfluss eines auf den axialen Teilbereich einwirkenden Drehmoments bei dem Magnetfeld der Umgebung eine tangentiale Komponente entlang der Umfangsrichtung auf. Durch einen geeignet ausgerichteten Magnetfeld-Sensor kann diese Komponente als Mass für das Drehmoment erfasst werden.
Zweckmässigerweise ist bei dem magneto-elastischen Element in mindestens einem axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle ein zylindermantelförmiger Bereich magnetisiert. Mittels eines in diesem axialen Teilbereich platzierten Magnetfeld-Sensors kann dann während einer gesamten Wellenumdrehung ein kontinuierliches Signal erfasst werden, das eine Funktion des zeitlichen Drehmomentverlaufs ist und über eine Kalibrierung zu einer kontinuierlichen Drehmomentanzeige in Echtzeit verwendet werden kann.
Der zylindermantelförmige magnetisierte Bereich des magneto-elastischen Elements kann eine axiale Magnetisierung und/oder eine entlang der Umfangsrichtung um die Achse ausgerichtete tangentiale Magnetisierung aufweisen. Es können aber auch abwechselnd axial und tangential magnetisierte zylindermantelförmige Bereiche aufeinanderfolgen, denen jeweils ein geeignet ausgerichteter Magnetfeld-Sensor zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich mehrere verschiedene und voneinander weitgehend unab- hängige Erfassungen desselben Drehmoments an einer Extruderwelle durchführen. Durch derartige oder ähnliche Kombinationen magnetisierter axialer Teilbereiche mit ihnen jeweils zugeordneten passend ausgerichteten Magnetfeld-Sensoren lassen sich durch Mittelung der jeweils erfassten Signale letztendlich Störungen (z.B. durch Störfelder weiterer bewegter magnetischer Maschinenteile oder durch Elektromotoren) der empfindlichen Magnetfeldmessungen weitgehend kompensieren.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das magneto-elastische Element ein permanent magnetisiertes Kupplungsstück, vorzugsweise mit axialer Magnetisierung, das zwischen dem Ende einer Getriebe-Abtriebswelle und dem getriebeseitigen Ende einer Extruderwelle eine drehfeste Verbindung herstellt. Dies ermöglicht einen leichten Ein- und Ausbau der magneto-elastischen Elemente, falls diese nach einer vorgegebenen Betriebsdauer eine "Auffrischung" der Magnetisierung benötigen.
Der Magnetfeld-Sensor ist vorzugsweise eine Hall-Sonde, deren kompakte und robuste Bauweise sich für die "harten" Bedingungen der Extruderwellen-Umgebung eignet. Mit ihr können sowohl absolute Magnetfeld-Werte als auch Magnetfeld-Änderungen gemessen werden.
Der Magnetfeld-Sensor kann auch ein magnetorestriktives Material aufweisen, und zwar vorzugsweise eine mit einem magnetorestriktivem Material beschichtete Glasfaser. Derartige magnetorestriktive Glasfaser-Sensoren ermöglichen die Erfassung extrem kleiner Magnetfeld-Änderungen.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung weist der Magnetfeld-Sensor einen Abstandshalter auf, über den er gegen die Oberfläche des magneto-elastischen Elements gedrückt wird. Durch den Abstandshalter wird gewährleistet, dass der Magnetfeld-Sensor stets dieselbe Entfernung von der Oberfläche des magnetisierten elastischen Materials aufweist. Dies ist wichtig, da das Magnetfeld ausserhalb des magneto- elastischen Materials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche sehr stark abnimmt. Da die erfindungsgemässe Drehmoment-Erfassungseinheit mit ihrem magneto- • elastischen Element und ihrem Magnetfeld-Sensor sehr kompakt ist, eignet sie sich vorzüglich für Mehrwellenextruder, insbesondere Zweiwellenextruder und Ringextruder, bei denen jeder Extruderwelle eine Drehmoment-Erfassungseinheit zugeordnet werden kann.
Da die erfindungsgemässe Drehmoment-Erfassung auch eine sehr kurze Ansprechzeit hat, eignet sie sich auch zur Absicherung eines Extruders gegen Überlastung, wobei eine individuelle Überwachung jeder Extruderwelle gegen Überlastung ermöglicht wird. Ein Notstopp des Extruders erfolgt somit wirklich nur dann, wenn an einer der Extruderwellen eine kritische Drehmomentspitze auftritt. Bei der bisher üblichen Erfassung des Drehmoments (zusammen mit Drehzahl) zwischen Motor und Getriebe konnte keine Information über die Drehmomente in den einzelnen Extruderwellen gewonnen werden, so dass insbesondere nicht zwischen einem tatsächlichen kritischen Zustand (Überlastung einer der Extruderwellen) und einem nur scheinbaren kritischen Zustand (starke Belastung mehrerer Extruderwellen, aber keine Überlastung einer einzelnen Extruderwelle) unterschiedne werden konnte. Die erfindungsgemässe Drehmoment- Erfassung ermöglicht eine deutliche Verringerung solcher "blinder Alarme". Ein Notstopp wird praktisch nur noch dann ausgelöst, wenn eine tatsächliche Gefährdung eine Extruderwelle auftritt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Extruders zeigt; und
Fig. 2 einen Ausschnitt von Fig. 1 vergrössert zeigt.
Die in Fig. 1 gezeigte Zweiwellenextruder-Anordnung besitzt einen Motor 1 , ein Getriebe 3, ein Extrudergehäuse 10, sowie zwei Extruderwellen 8, 9, die in einen Prozessraum im Innern des Extrudergehäuses 10 ragen und in diesem gelagert sind. Das Getriebe 3 wird über eine Getriebe-Antriebswelle (Eingangswelle) 2 durch den Motor 1 an- getrieben. Die erste Extruderwelle 8 und die zweite Extruderwelle 9 sind über ein erstes Kupplungsstück 6 bzw. ein zweites Kupplungsstück 7 mit einer ersten Getriebe- Abtriebswelle (Ausgangswelle) 4 bzw. einer zweiten Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle) 5 drehfest verbunden.
Wie die Wellen 4, 5, 8 und 9 bestehen auch die beiden Kupplungsstücke 6, 7 aus Stahl. Im Gegensatz zu den anderen Wellen wurden die beiden Kupplungsstücke 6, 7 aber vor ihrem Einbau in die Extruderanordnung ausreichend stark magnetisiert, dass sie eine permanente axiale Magnetisierung besitzen und ein permanentes Magnetfeld in ihrer Umgebung erzeugen. Sowohl die axiale Magnetisierung der Kupplungsstücke 6, 7 als auch das von ihnen erzeugte Magnetfeld sind rotationssymmetrisch. Das Magnetfeld gleicht dem eines Stabmagneten.
Die auf diese Weise magnetisierten Kupplungsstücke 6, 7 bilden jeweils ein magnetoelastisches Element, dessen Magnetisierung jeweils durch mechanische Materialspannungen reversibel verändert werden kann. Im vorliegenden Falle der axial magnetisierten zylindrischen Kupplungsstücke, die Massiv- oder Hohlzylinder sein können, wird durch ein axiales Drehmoment eine Materialspannung in den beiden Kupplungsstücken erzeugt, die eine geringfügige Richtungsänderung der axialen Magnetisierung, d.h. eine leichte Drehung der axialen Magnetisierung des unbelasteten Zustands bewirkt, so dass neben einer axialen Komponente auch eine tangentiale Komponente der Magnetisierung in den beiden Kupplungsstücken 6, 7 vorliegt.
Durch diese Änderung des Vektors der Magnetisierung erfährt auch das die Kupplungsstücke 6, 7 umgebende Magnetfeld in jedem Punkt eine Änderung des Magnetfeld- Vektors. Diese Änderungen des Magnetfelds zerstören jedoch nicht die Rotationssymmetrie des Magnetfeldes.
Dicht an der zylindermantelförmigen Oberfläche der beiden Kupplungsstücke 6, 7 ist jeweils ein erster Magnetfeldsensor 11 und ein zweiter Magnetfeld-Sensor 12 ortsfest angeordnet (und mit einer nicht gezeigten Befestigungsvorrichtung an einem Fixpunkt der Extruderanordnung befestigt), um das Magnetfeld in der Nähe der Oberfläche des ersten bzw. des zweiten Kupplungsstücks 6, 7 zu erfassen. Der Abstand zwischen der Oberfläche und dem Magnetfeldsensor beträgt etwa 0,1 bis 0,5 mm. Von den beiden Magnetfeld-Sensoren 11 , 12 führt eine elektrische Leitung 13 bzw. 14 weg, um das aufgrund eines Magnetfeldes oder einer Magnetfeld-Änderung erzeugte elektrische Signal zur weiteren Verarbeitung (Verstärken, Filtern) abzuführen.
Wird nun die Extruderanordnung in Betrieb gesetzt und ein Produkt in den Prozessraum (über nicht gezeigte Eingangs- und Ausgangsöffnungen des Extrudergehäuses) ins Innere des Extrudergehäuses 10 gebracht, so wird über die Kupplungsstücke 6, 7 jeweils ein Drehmoment von den Getriebe-Abtriebswellen 4, 5 auf die Extruderwellen 8, 9 übertragen. Die durch das Drehmoment verursachte Magnetfeld-Änderung wird von den Magnetfeld-Sensoren 11 , 12 jeweils erfasst. Da entlang der gesamten Umfangsrichtung die axiale "Ruhe-Magnetisierung" gleich stark und die durch das Drehmoment hervorgerufene Materialspannung in den Kupplungsstücken 6, 7 ebenfalls entlang der Umfangsrichtung konstant ist, ist auch die vektorielle Magnetfeld-Änderung entlang einer kreisförmigen, zur Achse der Kupplungsstücke 6, 7 konzentrischen Umlaufbahn einheitlich.
Die beiden Magnetfeld-Sensoren 11 , 12 erfassen nun die momentane Magnetfeld- Änderung, die eine Funktion des an den Kupplungsstücken 6, 7 momentan anliegenden Drehmoments ist. Sowohl statische Drehmomente bei blockierten Extruderwellen 8, 9 als auch dynamische Drehmomente bei sich drehenden und (physikalisch) arbeitenden Extruderwellen können so erfasst werden.
Durch das magneto-elastische Kupplungsstück 6 oder 7 und den Magnetfeldsensor 11 bzw. 12 wird somit für jede der Extruderwellen 8 bzw. 9 eine individuelle Drehmoment- Erfassungseinheit gebildet, die eine Drehmoment-Erfassung für jede der Extruderwellen 8, 9 in Echtzeit ermöglicht.
Der in Fig. 2 gezeigte vergrösserte Ausschnitt zeigt eine der beiden Drehmoment- Erfassungseinheiten 6, 11 von Fig. 1 , bei der zusätzlich zwei Abstandshalter 11a, 11b am Gehäuse des Magnetfeld-Sensors 11 angebracht sind. Der Sensor 11 wird durch eine (nicht gezeigte) Befestigungsvorrichtung gehalten und mit einer geringen Anpresskraft gegen die Oberfläche 6a des Kupplungsstücks 6 gedrückt. Dadurch wird ein konstanter Abstand zwischen dem Sensor 1 und der Oberfläche 6a gewährleistet. Diese, auch für Extruder, insbesondere Mehrwellenextruder wie Ringextruder, geeignete kompakte Drehmoment-Erfassungseinheit mit "schwimmendem" Magnetfeld-Sensor 11 verhindert Messwert-Verfälschungen am Sensor 11, die durch ungewollte Veränderungen des Abstands zwischen dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a des magneto- elastischen Kupplungsstücks 6 entstehen würden (unrunder Lauf der Kupplungsstücke).
Alternativ oder ergänzend können periodische Störungen der Sensor-Ausgangssignale auch durch elektronische Filter, Glättung oder dgl. beseitigt werden, bevor sie für die Anzeige oder Aufzeichnung des zeitlichen Drehmoment-Verkaufs der individuellen Extruderwellen verwendet werden.
Periodische Störungen durch zyklisch wiederkehrende Abstandsschwankungen zwischen dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a des Kupplungsstücks 6 können aber auch zur Drehzahlmessung der jeweiligen Extruderwelle herangezogen werden.
Anstelle der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten magnetisierten gesonderten Kupplungsstücke 6, 7, die über kraftschlüssige drehfeste Verbindungen ein Drehmoment erfahren, können aber auch gewisse Teilbereiche der Getriebe-Abtriebswellen 4, 5 und/oder der Extruderwellen 8, 9 magnetisiert werden. Anstelle der Drehmoment- Erfassungseinheiten 6, 11 oder 7, 12 der Fig. 1 erhält man dann Drehmoment- Erfassungseinheiten, die aus dem magnetisierten Teilbereich, über den Drehmoment übertragen wird, und einem ihm zugeordneten Magnetfeld-Sensor bestehen.
Bezugszeichenliste
Motor Getriebe-Antriebswelle (Eingangswelle) Getriebe erste Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle) zweite Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle) erstes Kupplungsstück (magneto-elastisches Element) zweites Kupplungsstück (magneto-elastisches Element) erste Extruderwelle zweite Extruderwelle 0 Extrudergehäuse 1 erster Magnetfeld-Sensor 2 zweiter Magnetfeld-Sensor 3 erste Signalleitung 4 zweite Signalleitung a Oberfläche des Kupplungsstücks 1 a erster Abstandshalter 1 b zweiter Abstandshalter

Claims

Patentansprüche
1. Extruder mit einer Antriebseinheit (1 , 3), in der ein Motor (1 ) mit einem Getriebe (3) gekoppelt ist, sowie mindestens einer sich in einem Prozessraum erstreckenden und mit Bearbeitungselementen bestückten Extruderwelle (8, 9), die sich um ihre Achse drehen kann, wobei das Getriebe (3) mindestens eine Abtriebswelle (4, 5) aufweist, mit der mindestens einer Extruderwelle (8, 9) in einem Verbindungsbereich (6, 7) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbindungsbereich (6, 7) zwischen der Getriebe-Abtriebswelle (4, 5) und der Extruderwelle (8, 9) eine Drehmoment-Erfassungseinheit (6, 11 , 7, 12) zur berührungslosen Erfassung des über die Getriebe-Abtriebswelle (4, 5) und den Verbindungsbereich (6, 7) auf die Extruderwelle (8, 9) übertragbaren Drehmoments zugeordnet ist.
2. Extruder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment- Erfassungseinheit (6, 1 1 , 7, 12) die folgenden Elemente aufweist:
> ein magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung (6, 7), in dessen Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist, wobei das magneto-elastische Element (6, 7)zumindest mit der Getriebe- Abtriebswelle (4, 5), dem Verbindungsbereich (6, 7) oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle (8, 9) kraftschlüssig verbunden ist; und
> einen Magnetfeld-Sensor (11 , 12) in der Umgebung des magneto-elastischen Elements (6, 7), der Änderung des Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements (6, 7) erfassen kann.
3. Extruder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Teilbereiche des magneto-elastisches Elements mit einem Teilabschnitt der Getriebe- Abtriebswelle (4, 5), des Verbindungsbereichs (6, 7) oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle (8, 9) kraftschlüssig verbunden sind.
4. Extruder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magneto- elastische Element ein mindestens auf einem axialen Teilabschnitt der Getriebe- Abtriebswelle (4, 5), des Verbindungsbereichs (6, 7) oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle (8, 9) drehfest angebrachter magneto-elastischer Zylindermantel ist.
5. Extruder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindermantelförmige magneto-elastische Element eine axiale Magnetisierung aufweist.
6. Extruder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindermantelförmige magneto-elastische Element eine entlang der Umfangsrichtung des Zylinders ausgerichtete Magnetisierung aufweist.
7. Extruder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment- Erfassungseinheit die folgenden Elemente aufweist:
> ein magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist, wobei das magneto-elastische Element zumindest durch einen magnetisierten Teilabschnitt der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle gebildet wird; und
> einen Magnetfeld-Sensor (11 , 12) in der Umgebung des magneto-elastischen Elements, welcher Änderungen des Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann.
8. Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magneto-elastische Element durch mindestens einen axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle (4, 5), des Verbindungsbereichs (6, 7) oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle (8, 9) gebildet wird.
9. Extruder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem magneto-elastischen Element in mindestens einem axialen Teilbereich der Getriebe- Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle ein zylindermantelförmiger Bereich magnetisiert ist.
10. Extruder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindermantelförmige, magnetisierte Bereich des magneto-elastischen Elements eine axiale Magnetisierung aufweist.
11. Extruder nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindermantelförmige magneto-elastische Element eine Magnetisierung entlang der Umfangsrichtung um die Achse aufweist.
12. Extruder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magneto-elastische Element ein permanent magnetisiertes Kupplungsstück (6, 7) ist, das zwischen dem Ende der Getriebe-Abtriebswelle (4, 5) und dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle (8, 9) eine drehfeste Verbindung herstellt.
13. Extruder nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Sensor (11, 12) eine Hall-Sonde ist.
14. Extruder nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Sensor (11, 12) ein magnetorestriktives Material aufweist.
15. Extruder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld- Sensor (11 , 12) eine mit einem magnetorestriktivem Material beschichtete Glasfaser ist.
16. Extruder nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Sensor (11, 12) einen Abstandshalter (11a, 11 b) aufweist, über den er gegen die Oberfläche (6a) des magneto-elastischen Elements (6) gedrückt wird.
17. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder ein Mehrwellenextruder ist.
18. Extruder nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder ein Zweiwellenextruder ist.
19. Extruder nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder ein Ringextruder ist.
20. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Extruderwelle eine Drehmoment-Erfassungseinheit (6, 11 , 7, 12) zugeordnet ist.
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