In Extrusions-, Spritzguss- und Polymeranlagen beeinflussen sowohl der Schmelzedruck als auch die tatsächliche Temperatur der Kunststoffschmelze die Prozessstabilität und Produktqualität. Werden beide Messgrößen nur getrennt oder an weit auseinanderliegenden Stellen erfasst, lassen sich Zusammenhänge zwischen Druckänderungen, Materialtemperatur und Maschinenzustand häufig nur eingeschränkt beurteilen.
Ein Massedrucksensor mit integriertem Thermoelement kombiniert die Druck- und Temperaturmessung an einem gemeinsamen Prozessanschluss. Dadurch können Druck und Temperatur nahezu am selben Messpunkt erfasst und gemeinsam in einer Anzeige, einem Regler oder der Maschinensteuerung ausgewertet werden.
Die kombinierte Bauweise spart einen zusätzlichen Montageport und ermöglicht eine kompakte Messstelle. Sie ersetzt jedoch nicht in jeder Anwendung einen separaten Massetemperaturfühler. Entscheidend ist, wo sich die Temperaturmessstelle im Sensor befindet und wie weit sie tatsächlich in den Schmelzestrom hineinragt.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Druck und Temperatur gemeinsam messen?
- Wie funktioniert ein kombinierter Massedrucksensor?
- Wie wird der Schmelzedruck erfasst?
- Wie wird die Schmelzetemperatur gemessen?
- Kombisensor oder separate Temperatursonde?
- Die richtige Einbauposition im Extruder
- Reaktionszeit und Aussagekraft der Temperaturmessung
- Ausgangssignale und Signalverarbeitung
- Typische Verdrahtungsfehler
- Druck und Temperatur gemeinsam auswerten
- Praxisbeispiel an einer Extrusionslinie
- Wichtige Auswahlkriterien
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen
Warum Druck und Temperatur gemeinsam messen?
Der Druck in der Kunststoffschmelze entsteht unter anderem durch Materialviskosität, Durchsatz, Schneckendrehzahl, Werkzeuggeometrie sowie den Strömungswiderstand von Siebwechslern, Filtern und Düsen. Die Schmelzetemperatur beeinflusst wiederum die Viskosität und damit auch den erforderlichen Druck.
Steigt die Temperatur, sinkt bei vielen thermoplastischen Kunststoffen die Viskosität. Unter ansonsten gleichen Bedingungen kann dadurch der Schmelzedruck abnehmen. Umgekehrt kann eine zu kalte oder unzureichend plastifizierte Schmelze zu höheren Drücken führen.
Die gleichzeitige Betrachtung beider Messgrößen hilft deshalb, verschiedene Ursachen voneinander zu unterscheiden. Ein steigender Druck bei weitgehend gleichbleibender Temperatur kann beispielsweise auf einen zunehmenden Strömungswiderstand hinweisen. Ändern sich Druck und Temperatur gleichzeitig, kommen zusätzlich Veränderungen des Materials, der Heizleistung, des Durchsatzes oder der Scherbeanspruchung infrage.
Typische Aufgaben der kombinierten Messung sind:
- Überwachung des Schmelzedrucks vor Werkzeug, Düse oder Siebwechsler
- Erkennung von Filter- und Siebverschmutzungen
- Kontrolle der tatsächlichen Schmelzetemperatur
- Stabilisierung von Extrusions- und Dosierprozessen
- Schutz von Maschine, Werkzeug und Sensorik vor Überdruck
- Dokumentation von Prozesswerten für Qualitätsnachweise
Wie funktioniert ein kombinierter Massedrucksensor?
Ein kombinierter Massedrucksensor enthält zwei elektrisch getrennte Messsysteme. Der Druck wird über eine frontbündige Membrane erfasst. Die Temperaturmessung erfolgt über ein integriertes Thermoelement oder, abhängig von der Sensorausführung, über ein Widerstandsthermometer.
Beide Signale werden über einen gemeinsamen Sensoranschluss beziehungsweise ein gemeinsames Kabelgehäuse aus dem Prozess geführt. Die Auswertung erfolgt jedoch über separate elektrische Kanäle. Der Druckausgang kann beispielsweise als mV/V-, 0–10-V- oder 4–20-mA-Signal ausgeführt sein, während das Thermoelement eine Thermospannung liefert.
Ein Kombisensor liefert daher nicht automatisch ein gemeinsames Ausgangssignal für beide Messgrößen. Anzeige, Regler oder SPS müssen passende Eingänge für den jeweiligen Druckausgang und den verwendeten Temperaturfühlertyp besitzen.
Wie wird der Schmelzedruck erfasst?
Die heiße Kunststoffschmelze wirkt direkt auf die frontbündige Messmembrane des Sensors. Die Membranbewegung wird über ein geschlossenes Übertragungssystem auf ein Dehnungsmessstreifen-Messelement übertragen. Dieses befindet sich in größerem Abstand zum heißen Prozess.
Je nach Bauform besitzt der Sensor einen starren Schaft oder zusätzlich eine flexible Kapillarverbindung zwischen Fühlerschaft und Elektronik beziehungsweise DMS-Gehäuse. Die flexible Ausführung schützt das empfindliche Messelement vor hohen Umgebungstemperaturen und erleichtert den Einbau an schwer zugänglichen Stellen.
Die Membrane muss bündig mit der Innenwand der Prozessbohrung abschließen. Sitzt sie zu tief, kann sich Kunststoff vor der Membrane ansammeln und verhärten. Ragt der Sensor zu weit in den Schmelzekanal hinein, können Membrane und Schaft durch Strömungskräfte oder bei der Montage beschädigt werden.
Wie wird die Schmelzetemperatur gemessen?
Bei vielen kombinierten Dynisco-Massedrucksensoren wird ein Thermoelement Typ J verwendet. Es erzeugt eine kleine Thermospannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle abhängt. Der angeschlossene Regler oder Messeingang muss deshalb für Thermoelement Typ J konfiguriert sein und eine geeignete Vergleichsstellenkompensation besitzen.
Die Temperaturmessung erfolgt am selben Prozessanschluss wie die Druckmessung. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass exakt die mittlere Temperatur des gesamten Schmelzestroms erfasst wird. Eine wandnahe oder nur gering eintauchende Messstelle kann stärker durch die Temperatur des Extruderzylinders oder Werkzeugs beeinflusst werden.
Für die Beurteilung sind deshalb folgende Punkte wichtig:
- Position des Thermoelements innerhalb der Sensorausführung
- Eintauchtiefe der Temperaturmessstelle
- Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze
- Temperaturunterschied zwischen Schmelze und Maschinenwand
- Wärmeleitung über Schaft und Prozessanschluss
- Reaktionszeit des Temperaturfühlers
Für Trendüberwachung und die Zuordnung von Druck- und Temperaturänderungen ist die kombinierte Messung sehr hilfreich. Soll dagegen ein Temperaturprofil über den Rohrquerschnitt aufgenommen oder die Kerntemperatur der Schmelze möglichst genau bestimmt werden, kann eine separate eintauchende Massetemperatursonde geeigneter sein.
Kombisensor oder separate Temperatursonde?
| Kriterium | Massedrucksensor mit Thermoelement | Separate Massetemperatursonde |
|---|---|---|
| Montageaufwand | Nur ein gemeinsamer Prozessanschluss erforderlich | Zusätzliche Montagebohrung erforderlich |
| Messposition | Druck und Temperatur am gleichen Anschluss | Temperaturmessstelle frei positionierbar |
| Eintauchtiefe | Durch die Sensorkonstruktion festgelegt | Je nach Ausführung fest, einstellbar oder zurückziehbar |
| Temperaturprofil | Nur ein definierter Messpunkt | Mit verstellbarer Sonde teilweise über den Querschnitt erfassbar |
| Platzbedarf | Kompakte Lösung | Zwei getrennte Messstellen |
| Austausch | Bei einem Defekt wird häufig die gesamte Sensoreinheit ausgebaut | Druck- und Temperatursensor können unabhängig ersetzt werden |
| Typischer Einsatz | Prozessüberwachung und kompakte Maschinenmessstellen | Präzisere Massetemperaturmessung und Temperaturprofile |
Die richtige Einbauposition im Extruder
Die Einbauposition bestimmt, welche Prozessveränderungen der Sensor erkennen kann. Ein Sensor vor dem Siebwechsler erfasst beispielsweise den Druckaufbau durch die Schnecke und den zunehmenden Widerstand des Filters. Eine zusätzliche Messstelle hinter dem Siebwechsler ermöglicht die Bestimmung des Differenzdrucks über dem Filter.
Eine Messung unmittelbar vor dem Werkzeug oder der Düse zeigt dagegen, unter welchen Bedingungen die Schmelze in das formgebende Bauteil eintritt. Diese Position ist häufig besonders relevant für Produktqualität, Maßhaltigkeit und Prozessreproduzierbarkeit.
Der Einbau sollte möglichst in einem gut durchströmten Bereich erfolgen. Toträume, Ablagerungszonen und Stellen mit stark wechselnder Strömung können zu verzögerten oder nicht repräsentativen Messwerten führen.
Vor der Montage müssen Einbaubohrung, Gewinde, Dichtfläche und Bohrungstiefe kontrolliert werden. Verhärtete Kunststoffreste sind mit geeignetem Reinigungswerkzeug zu entfernen. Die empfindliche Membrane darf dabei weder mechanisch gereinigt noch mit harten Werkzeugen berührt werden.
Reaktionszeit und Aussagekraft der Temperaturmessung
Druckänderungen werden von einem Massedrucksensor üblicherweise schneller erfasst als Temperaturänderungen. Die Druckmembrane reagiert unmittelbar auf den Prozessdruck, während sich die Temperaturmessstelle zunächst thermisch an die Schmelze angleichen muss.
Bei einer schnellen Änderung von Durchsatz, Drehzahl oder Heizleistung kann der Druckwert daher bereits deutlich reagieren, während die angezeigte Temperatur noch nahezu konstant bleibt. Das ist nicht automatisch ein Sensorfehler, sondern kann durch die unterschiedliche Dynamik der beiden Messgrößen entstehen.
Für Regelfunktionen sollten deshalb Reaktionszeit, Filterung und Abtastrate der Messkanäle berücksichtigt werden. Eine zu starke digitale Dämpfung kann kritische Druckspitzen verdecken. Eine völlig ungedämpfte Temperaturanzeige kann dagegen kleine elektrische Störungen unnötig stark darstellen.
Ausgangssignale und Signalverarbeitung
Massedrucksensoren und -transmitter sind mit unterschiedlichen elektrischen Ausgängen erhältlich. Die Wahl hängt von Leitungslänge, vorhandener Auswertung und Störumgebung ab.
| Signal | Eigenschaften | Typische Auswertung |
|---|---|---|
| mV/V | Unverstärktes DMS-Signal, Versorgung und Auswertung durch externen Verstärker erforderlich | Dynisco-Anzeige, Messverstärker oder spezieller Reglereingang |
| 0–10 V | Verstärktes Spannungssignal, einfach auszuwerten, bei langen Leitungen empfindlicher gegen Spannungsabfälle und Störungen | SPS, Anzeige oder Maschinenregler mit Spannungseingang |
| 4–20 mA | Störsichere Signalübertragung, besonders für größere Leitungslängen geeignet | SPS, Prozessanzeige oder Regler mit Stromschleifeneingang |
| Thermoelement | Kleine temperaturabhängige Thermospannung, passende Ausgleichsleitung und Vergleichsstellenkompensation erforderlich | Thermoelementeingang Typ J oder geeigneter Temperaturmessumformer |
| RTD | Widerstandsänderung, je nach Ausführung in 2-, 3- oder 4-Leiter-Technik | Pt100-Eingang, Temperaturtransmitter oder Regler |
Bei einem kombinierten Sensor müssen Druck- und Temperaturkanal getrennt skaliert und verarbeitet werden. Ein Sensor mit 4–20-mA-Druckausgang und Thermoelement Typ J benötigt beispielsweise einen analogen Stromeingang für den Druck sowie einen Thermoelementeingang für die Temperatur.
Das 4–20-mA-Drucksignal kann mit einem Druck UPS4E Stromschleifen-Kalibrator gemessen oder für die Prüfung der nachgeschalteten Anzeige beziehungsweise SPS simuliert werden. Für die Prüfung des Thermoelementkanals ist zusätzlich ein geeigneter Thermoelement-Simulator erforderlich.
Typische Verdrahtungsfehler
Bei kombinierten Sensoren entstehen Fehler häufig nicht im Prozessanschluss, sondern bei der elektrischen Zuordnung der einzelnen Leitungen. Druckversorgung, Druckausgang und Thermoelementanschlüsse dürfen nicht miteinander verwechselt werden.
Bei einem Thermoelement ist außerdem die Polarität zu beachten. Werden Plus- und Minusleitung vertauscht, bewegt sich der angezeigte Temperaturwert bei Erwärmung in die falsche Richtung oder zeigt deutlich unplausible Werte.
Zwischen Thermoelement und Auswertegerät sollte eine zum Thermoelementtyp passende Ausgleichs- beziehungsweise Thermoleitung verwendet werden. Ein Übergang auf gewöhnliche Kupferleitungen kann zusätzliche Thermospannungen und damit Messfehler verursachen.
Weitere typische Fehler sind:
- falsch eingestellter Thermoelementtyp im Regler,
- fehlende oder doppelte Vergleichsstellenkompensation,
- ungeeignete Leitungsführung neben Motor- oder Heizleitungen,
- einseitig oder mehrfach falsch aufgelegte Kabelschirme,
- falsche Skalierung des Drucksignals,
- nicht passende Versorgungsspannung des Transmitters,
- fehlende galvanische Trennung bei unterschiedlichen Massepotenzialen.
Druck und Temperatur gemeinsam auswerten
Der größte Nutzen eines kombinierten Sensors entsteht, wenn beide Messwerte gemeinsam betrachtet und über die Zeit aufgezeichnet werden. Einzelne Momentanwerte zeigen lediglich den aktuellen Zustand. Trends machen dagegen langsame Veränderungen und wiederkehrende Zusammenhänge sichtbar.
| Beobachtung | Mögliche Ursache |
|---|---|
| Druck steigt, Temperatur bleibt weitgehend konstant | Sieb oder Filter setzt sich zu, Werkzeugquerschnitt verändert sich oder Durchsatz steigt |
| Druck sinkt, Temperatur steigt | Viskosität nimmt durch höhere Schmelzetemperatur ab |
| Druck und Temperatur schwanken periodisch | Unregelmäßige Materialzufuhr, instabile Schneckendrehzahl oder schwankende Heizregelung |
| Temperatur steigt bei zunehmender Drehzahl | Zusätzliche Erwärmung durch Scherung und mechanische Energie |
| Druckspitzen ohne erkennbare Temperaturänderung | Kurzzeitige Blockade, Materialinhomogenität oder instabile Förderung |
Diese Zuordnungen sind Hinweise und keine eindeutigen Diagnosen. Materialeigenschaften, Maschinenaufbau, Messposition und Betriebszustand müssen immer mitbetrachtet werden.
Praxisbeispiel: Druckanstieg vor einem Siebwechsler
An einer Extrusionslinie wird vor dem Siebwechsler ein kombinierter Massedrucktransmitter installiert. Der Druckmessbereich beträgt 0 bis 350 bar, der Druckausgang 4–20 mA. Das integrierte Thermoelement Typ J erfasst gleichzeitig die Temperatur am Messpunkt.
Bei normalem Betrieb werden 175 bar und 230 °C gemessen. Der zugehörige Stromwert des Druckkanals beträgt:
4 mA + (175 bar / 350 bar × 16 mA) = 12 mA
Im weiteren Betrieb steigt der Druck langsam von 175 auf 260 bar, während die Temperatur mit etwa 230 °C nahezu konstant bleibt. Da sich weder Materialdurchsatz noch Schneckendrehzahl geändert haben, deutet der Verlauf auf einen zunehmenden Strömungswiderstand am Sieb hin.
Die gemeinsame Auswertung verhindert, dass der Druckanstieg vorschnell als Folge einer zu niedrigen Schmelzetemperatur interpretiert wird. Ein rechtzeitiger Siebwechsel kann geplant werden, bevor eine Überdruckabschaltung erfolgt oder der Prozess instabil wird.
Zur Prüfung des nachgeschalteten Druckkanals kann zunächst ein Stromsignal von 12 mA simuliert werden. Die SPS beziehungsweise Anzeige muss dabei 175 bar darstellen. Anschließend werden weitere Punkte, beispielsweise 4 mA für 0 bar und 20 mA für 350 bar, geprüft. Die elektrische Simulation kontrolliert die Skalierung der Auswertung, ersetzt jedoch keine Druckkalibrierung des Sensors.
Wichtige Auswahlkriterien
Der Sensor sollte nicht allein nach dem maximalen Extruderdruck ausgewählt werden. Ein unnötig großer Messbereich verschlechtert die nutzbare Auflösung im normalen Betriebsbereich. Gleichzeitig müssen Druckspitzen und zulässige Überlast berücksichtigt werden.
Für die Auslegung sind insbesondere folgende Angaben erforderlich:
- minimaler, normaler und maximaler Schmelzedruck,
- minimale und maximale Prozesstemperatur,
- verarbeiteter Kunststoff und mögliche Füll- oder Verstärkungsstoffe,
- vorhandenes Montagegewinde und genaue Einbaubohrung,
- benötigte Schaftlänge und flexible Verbindung,
- gewünschtes Druckausgangssignal,
- Thermoelement- oder RTD-Ausführung,
- elektrischer Anschluss und Kabellänge,
- Umgebungstemperatur am Sensorgehäuse,
- gegebenenfalls Anforderungen an Ex-Schutz oder funktionale Sicherheit.
Auch die chemische und abrasive Beanspruchung der Messmembrane muss berücksichtigt werden. Glasfasern, mineralische Füllstoffe oder aggressive Additive können den Verschleiß erhöhen. Die endgültige Eignung der Membran- und Beschichtungswerkstoffe ist deshalb anwendungsspezifisch zu prüfen.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
Dynisco TDA 432/463 Massedrucksensor
Der Dynisco TDA 432/463 kombiniert ein unverstärktes mV/V-Drucksignal mit einem integrierten Thermoelement Typ J. Die Baureihe eignet sich für Messketten, bei denen bereits ein passender DMS-Messverstärker, eine Anzeige oder ein Maschinenregler vorhanden ist.
Dynisco TDT 432/463 Massedrucktransmitter
Der Dynisco TDT 432/463 erfasst Schmelzedruck und Temperatur an einem Prozessanschluss und stellt den Druck als verstärktes Spannungssignal bereit. Dadurch kann der Druckkanal direkt mit geeigneten Spannungs- beziehungsweise Reglereingängen verbunden werden.
Dynisco TDT 432/463 F mit 4–20-mA-Ausgang
Der Dynisco TDT 432/463 F kombiniert die Druckmessung über einen störsicheren 4–20-mA-Ausgang mit einem integrierten Thermoelement. Diese Ausführung eignet sich besonders für längere Leitungswege und die direkte Einbindung in SPS- und Prozessleitsysteme.
Separate Dynisco-Massetemperaturfühler
Die Kategorie Dynisco-Massetemperatur umfasst Thermoelement- und RTD-Sonden mit unterschiedlichen Gewinden, Bauformen und Eintauchtiefen. Separate Fühler sind besonders sinnvoll, wenn die Temperatur weiter im Schmelzestrom gemessen, die Eintauchtiefe angepasst oder ein Temperaturprofil aufgenommen werden soll.
Fazit: Zwei Messgrößen an einem kompakten Prozessanschluss
Ein Massedrucksensor mit integriertem Thermoelement ermöglicht die gleichzeitige Überwachung von Schmelzedruck und Temperatur an einem gemeinsamen Prozessanschluss. Das spart Einbauraum und erleichtert die Zuordnung von Druckänderungen zu thermischen Prozessveränderungen.
Besonders bei Extrudern, Siebwechslern, Adaptern und Werkzeugen liefert die kombinierte Messung wichtige Informationen über Materialfluss, Filterzustand und Prozessstabilität. Voraussetzung sind eine korrekt ausgeführte Einbaubohrung, die richtige Auswahl des Druckbereichs und eine getrennte, fachgerechte Auswertung beider Signale.
Für reine Trend- und Prozessüberwachung ist die integrierte Temperaturmessung häufig ausreichend. Wird eine möglichst repräsentative Kerntemperatur oder ein Temperaturprofil benötigt, kann eine separate eintauchende oder verstellbare Massetemperatursonde die bessere Lösung sein.
Häufige Fragen zu Massedrucksensoren mit Temperaturmessung
Gibt ein kombinierter Sensor Druck und Temperatur über ein gemeinsames Signal aus?
Üblicherweise nicht. Der Druck und das Thermoelement beziehungsweise RTD liefern getrennte elektrische Signale. Das Auswertegerät benötigt daher zwei geeignete Eingänge.
Misst das integrierte Thermoelement die tatsächliche Schmelzetemperatur?
Es misst die Temperatur an seiner konstruktiv festgelegten Messposition. Je nach Eintauchtiefe und Wärmeleitung kann der Wert stärker von der wandnahen Temperatur beeinflusst werden als bei einer tief in den Schmelzestrom eintauchenden Sonde.
Wann ist eine separate Massetemperatursonde sinnvoller?
Eine separate Sonde ist sinnvoll, wenn eine größere oder einstellbare Eintauchtiefe, eine Messung nahe der Strömungsmitte oder die Aufnahme eines Temperaturprofils benötigt wird.
Kann ein Thermoelement Typ J direkt an jeden Analogeingang angeschlossen werden?
Nein. Erforderlich ist ein Thermoelementeingang für Typ J oder ein geeigneter Temperaturmessumformer. Ein normaler Spannungs- oder Stromeingang bietet in der Regel keine passende Linearisierung und Vergleichsstellenkompensation.
Warum zeigt der Druckkanal schnellere Änderungen als die Temperatur?
Der Druck wirkt unmittelbar auf die Messmembrane. Die Temperaturmessstelle muss sich dagegen zunächst thermisch an die Schmelze angleichen. Deshalb besitzt der Temperaturkanal meist eine längere Reaktionszeit.
Kann ein 4–20-mA-Signal geprüft werden, ohne den Sensor mit Druck zu beaufschlagen?
Die Skalierung der Anzeige oder SPS kann durch Simulation eines 4–20-mA-Signals geprüft werden. Damit wird jedoch nur der elektrische Signalweg kontrolliert. Für die Prüfung des Sensors selbst muss ein definierter Druck aufgebracht werden.
Was verursacht einen falschen Temperaturwert trotz intaktem Sensor?
Häufige Ursachen sind vertauschte Thermoelementleitungen, ein falsch eingestellter Fühlertyp, ungeeignete Ausgleichsleitungen, zusätzliche Klemmstellen oder eine fehlerhafte Vergleichsstellenkompensation.
Welche Angaben werden für die Geräteauswahl benötigt?
Benötigt werden Druck- und Temperaturbereich, Kunststoff beziehungsweise Schmelze, Füllstoffe, Einbaugewinde, Bohrungsgeometrie, Schaft- und Kapillarlänge, gewünschtes Drucksignal, Temperaturfühlertyp, elektrischer Anschluss, Kabellänge sowie mögliche Ex- oder Sicherheitsanforderungen.