Massedrucksensoren und Schmelzedrucktransmitter arbeiten unter anspruchsvollen Bedingungen. Sie messen den Druck heißer Kunststoffschmelzen direkt im Extruderzylinder, vor oder nach einer Schmelzepumpe, am Siebwechsler oder im Werkzeug. Dabei müssen sie hohen Temperaturen, Druckschwankungen, abrasiven Füllstoffen und teilweise aggressiven Prozessmedien standhalten.
Trotz dieser robusten Auslegung entstehen viele Sensorschäden nicht während des normalen Messbetriebs. Häufig liegt die Ursache bereits in der Montage: Eine zu enge, exzentrische oder verschmutzte Einbaubohrung kann die empfindliche Messmembran mechanisch belasten. Ausgehärtete Polymerreste drücken auf die Sensorspitze, ein falsches Gewinde beschädigt den Anschluss und ein zu hohes Anzugsmoment kann zu Verspannungen, Nullpunktverschiebungen oder einem festgefressenen Sensor führen.
Auch beim Ausbau und bei der Reinigung besteht ein erhebliches Schadensrisiko. Wird ein Sensor aus einer kalten Maschine herausgeschraubt, kann erstarrte Kunststoffschmelze an der Membran haften und diese verformen oder abreißen. Drahtbürsten, Schraubendreher, Bohrer oder andere improvisierte Werkzeuge dürfen die Membran ebenfalls nicht berühren.
Dieser Beitrag erklärt, wie die Einbaubohrung vorbereitet und kontrolliert wird, welche Bedeutung Gewinde und Membransitz haben, wie das richtige Anzugsmoment ermittelt wird und warum Kaltstarts, Polymerreste und mechanische Reinigung zu den häufigsten Ursachen für vorzeitige Sensorausfälle gehören.
Inhaltsverzeichnis
- Warum die Montage die Lebensdauer des Sensors bestimmt
- Wie ein Massedrucksensor aufgebaut ist
- Warum die Einbaubohrung exakt gefertigt sein muss
- 1/2-20 UNF, M18 und andere Gewinde richtig unterscheiden
- Membransitz und Einbautiefe richtig ausführen
- Einbaubohrung fachgerecht reinigen und kontrollieren
- Messmembran und Schutzkappe richtig behandeln
- Massedrucksensor Schritt für Schritt montieren
- Das richtige Anzugsmoment verwenden
- Geeigneten Einbauort am Extruder auswählen
- Kaltstart und Ausbau bei erstarrter Schmelze vermeiden
- Überdruck und unzulässige Prozessbelastungen verhindern
- Nullpunkt, Ausgangssignal und Messkette prüfen
- Typische Montagefehler und ihre Folgen
- Praxisbeispiel: Neuer Sensor zeigt sofort einen Nullpunktfehler
- Beschädigte Sensoren richtig beurteilen
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen zur Montage von Massedrucksensoren
Warum die Montage die Lebensdauer des Sensors bestimmt
Ein Massedrucksensor misst den Druck der Kunststoffschmelze über eine sehr dünne, prozessberührte Membran. Diese Membran überträgt die Druckkraft auf das interne Messsystem. Abhängig von der Bauart erfolgt die Übertragung beispielsweise über eine gefüllte Kapillare zu einem weiter vom Prozess entfernten Dehnungsmessstreifen oder über ein anderes für hohe Temperaturen geeignetes Messprinzip.
Die Membran muss dünn genug sein, um auch kleine Druckänderungen zuverlässig zu erfassen. Dadurch ist sie jedoch empfindlicher gegenüber punktuellen mechanischen Belastungen als ein massiver Prozessanschluss. Eine kleine Delle, ein Kratzer oder eine einseitige Belastung kann bereits zu einer Nullpunktverschiebung, einer eingeschränkten Empfindlichkeit, einer erhöhten Hysterese oder zum vollständigen Ausfall führen.
Bei einer korrekt gefertigten Einbaubohrung wird der Sensor über das vorgesehene Gewinde geführt und am definierten Dichtsitz positioniert. Die Sensorspitze befindet sich dann in der vom Hersteller vorgesehenen Lage zur Innenwand des Extruders. Polymerdruck wird gleichmäßig auf die Messmembran übertragen, ohne dass metallische Bauteile oder die Schnecke die Sensorspitze berühren.
Ist die Bohrung dagegen zu klein, schief, verschmutzt oder zu flach, kann die Sensorspitze bereits beim Einschrauben mechanisch belastet werden. In diesem Fall wird der Sensor nicht durch den eigentlichen Prozess zerstört, sondern durch das Hineinzwingen in eine ungeeignete Aufnahme.
Wie ein Massedrucksensor aufgebaut ist
Massedrucksensoren unterscheiden sich von gewöhnlichen industriellen Drucksensoren. Die Kunststoffschmelze kann mehrere hundert Grad Celsius heiß sein. Die empfindliche Elektronik und das eigentliche Messelement müssen deshalb thermisch vom Prozess getrennt werden.
Typische Ausführungen besitzen eine prozessberührte Messmembran, einen starren Schaft oder eine flexible Kapillare und ein vom heißen Prozess entferntes Elektronik- beziehungsweise Anschlussgehäuse. Bei einfachen Messwertaufnehmern wird häufig ein nicht verstärktes mV/V-Signal ausgegeben. Massedrucktransmitter verfügen dagegen über eine integrierte Signalaufbereitung und liefern beispielsweise 4–20 mA, 0–10 V oder eine andere standardisierte Ausgangsgröße.
Einige Ausführungen sind zusätzlich mit einem Thermoelement oder Widerstandsthermometer ausgestattet. Damit lassen sich Schmelzedruck und Schmelzetemperatur an einer gemeinsamen Messstelle erfassen. Diese Funktion verändert jedoch nichts an den grundlegenden Anforderungen an Einbaubohrung, Gewinde und Membranschutz.
Abhängig vom Modell kann sich innerhalb des Sensors ein Druckübertragungsmedium befinden. Neben traditionellen Ausführungen stehen auch alternative Füllmedien und quecksilberfreie Sensoren zur Verfügung. Welche Ausführung für einen Prozess geeignet ist, muss anhand von Temperatur, Druckbereich, Materialanforderungen, regulatorischen Vorgaben und Prozessmedium geprüft werden.
Warum die Einbaubohrung exakt gefertigt sein muss
Die Einbaubohrung ist kein gewöhnliches Gewindeloch. Sie besteht aus mehreren genau aufeinander abgestimmten Bereichen. Dazu gehören das Anschlussgewinde, eine Führungsbohrung, der Dichtsitz und der Bereich für die Sensorspitze. Durch diese Geometrie wird der Sensor geführt, abgedichtet und in der richtigen Tiefe positioniert.
Bei vielen Dynisco-Massedrucksensoren ist eine Einbaubohrung mit 1/2-20 UNF-Gewinde und einem 45°-Dichtsitz üblich. Das bedeutet jedoch nicht, dass jede Bohrung mit einem passenden Gewinde automatisch geeignet ist. Tiefe, Durchmesser, Konzentrizität und Sitzgeometrie müssen ebenfalls der Zeichnung des konkreten Sensors entsprechen.
Für eine typische Dynisco-Standardbohrung werden spezielle Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt. Diese erzeugen nicht nur das Gewinde, sondern auch die erforderliche Führungsbohrung und den 45°-Sitz. Eine improvisierte Bearbeitung mit einem gewöhnlichen Spiralbohrer und einem Standardgewindebohrer kann dazu führen, dass die Spitze an der Bohrungswand anliegt oder der Sensor nicht auf der vorgesehenen Dichtfläche sitzt.
| Bereich der Einbaubohrung | Aufgabe | Mögliche Folge bei fehlerhafter Ausführung |
|---|---|---|
| Anschlussgewinde | Führt und befestigt den Sensor | Beschädigte Gewindeflanken, Verkanten, Fressen oder unzureichender Halt |
| Führungsbereich | Hält die Sensorspitze konzentrisch zur Bohrung | Seitliche Belastung oder Quetschung der Sensorspitze |
| 45°-Dichtsitz | Erzeugt bei geeigneten Standardanschlüssen die vorgesehene metallische Abdichtung | Schmelzeaustritt, ungleichmäßige Vorspannung oder falsche Einbautiefe |
| Bohrung für die Sensorspitze | Schafft den erforderlichen Freiraum um die Membran | Mechanischer Kontakt, Membranverformung oder blockierte Druckübertragung |
| Einbautiefe | Positioniert die Membran im vorgesehenen Verhältnis zur Prozesswand | Stagnierende Schmelze oder Kontakt mit Schnecke und bewegten Maschinenteilen |
Die Herstellerzeichnung des konkreten Sensormodells hat immer Vorrang. Selbst innerhalb einer Produktfamilie können sich Prozessanschluss, Spitzenlänge, Dichtsitz oder Einbautiefe unterscheiden. Vor der Bearbeitung einer neuen Bohrung müssen deshalb Sensorzeichnung, Gewindeangabe und Einbaukontur abgeglichen werden.
1/2-20 UNF, M18 und andere Gewinde richtig unterscheiden
Der Anschluss 1/2-20 UNF gehört zu den verbreiteten Prozessanschlüssen für Schmelzedrucksensoren. Die Bezeichnung bedeutet, dass es sich um ein Unified-National-Fine-Gewinde mit einem Nenndurchmesser von einem halben Zoll und 20 Gewindegängen pro Zoll handelt.
Bei einer typischen Aufnahme besitzt die Maschinenbohrung ein Innengewinde 1/2-20 UNF-2B. Der Sensor verfügt über das passende Außengewinde. Entscheidend ist nicht nur der ungefähre Außendurchmesser. Auch Steigung, Flankenprofil und Toleranzklasse müssen zusammenpassen.
Ein metrisches Gewinde darf nicht in eine optisch ähnliche UNF-Bohrung eingeschraubt werden. So können beispielsweise M12-, M14-, M18- oder andere metrische Anschlussvarianten auf den ersten Blick ähnlich wirken, sind aber nicht kompatibel. Bereits die ersten Gewindegänge können beschädigt werden, wenn ein Sensor mit falscher Steigung gewaltsam eingeschraubt wird.
Neben 1/2-20 UNF sind unter anderem M18 × 1,5, M10 und kundenspezifische Prozessanschlüsse verfügbar. Bei Ersatzbeschaffungen sollte deshalb nicht allein anhand des bisherigen Sensordurchmessers bestellt werden. Erforderlich sind die vollständige Typenbezeichnung, das Anschlussgewinde, die Spitzengeometrie und möglichst die Maßzeichnung.
Das Gewinde dient bei vielen Standardausführungen in erster Linie zur Positionierung und Vorspannung. Die eigentliche Prozessabdichtung erfolgt über den dafür vorgesehenen Sitz. Dichtband, Hanf oder andere improvisierte Gewindedichtmittel sind bei einem solchen Anschluss normalerweise nicht die richtige Lösung. Sie können die Einbautiefe verändern, den Dichtsitz beeinträchtigen oder Verunreinigungen in den Prozess einbringen.
Membransitz und Einbautiefe richtig ausführen
Der Membransitz bestimmt, wie weit die Sensorspitze in den Prozess hineinragt. Bei korrekter Ausführung liegt die Messmembran in der vom Hersteller vorgesehenen Position. Häufig befindet sie sich annähernd bündig mit der Innenkontur oder so weit zurückgesetzt, wie es die jeweilige Bauart vorsieht.
Ragt die Sensorspitze zu weit in den Extruderzylinder hinein, kann sie von Schneckengängen, Misch- oder Knetelementen mechanisch erfasst werden. Selbst wenn kein direkter Kontakt stattfindet, kann eine zu weit vorstehende Membran einer übermäßig starken abrasiven Strömung ausgesetzt sein.
Sitzt der Sensor zu tief in der Bohrung, entsteht vor der Membran ein Totraum. In diesem Bereich bewegt sich die Schmelze weniger als im Hauptstrom. Polymer kann dort lange verweilen, thermisch abbauen und verkoken. Diese Ablagerung dämpft die Druckübertragung und kann zu langsamen, unplausiblen oder driftenden Messwerten führen.
Ein tiefer Sitz darf nicht automatisch durch stärkeres Anziehen korrigiert werden. Ebenso dürfen Unterlegscheiben oder Distanzstücke nur dann verwendet werden, wenn sie vom Hersteller für die konkrete Anschlussgeometrie vorgesehen sind. Ein beliebiger Distanzring kann verhindern, dass der Sensor am vorgesehenen Dichtsitz anliegt.
Zur Kontrolle der Bohrung ist eine passende Prüflehre beziehungsweise ein Gauge Plug wesentlich zuverlässiger als eine Sichtprüfung. Mit Markierfarbe kann geprüft werden, ob die Prüflehre gleichmäßig am vorgesehenen 45°-Sitz trägt. Werden zusätzlich andere Flächen berührt, ist die Bohrung möglicherweise verschmutzt, zu eng oder geometrisch falsch gefertigt.
Einbaubohrung fachgerecht reinigen und kontrollieren
Polymerreste in der Einbaubohrung gehören zu den häufigsten Ursachen für beschädigte Sensorspitzen. Nach dem Ausbau eines Sensors kann heiße Kunststoffschmelze in die freie Bohrung eindringen. Kühlt die Maschine anschließend ab, härtet das Material dort aus.
Wird der Sensor später ohne vorherige Reinigung wieder eingeschraubt, trifft seine Membran auf den erstarrten Kunststoff. Beim weiteren Anziehen wirkt das Material wie ein fester Stempel auf die Sensorspitze. Die Membran kann eingedrückt werden, obwohl das Gewinde scheinbar normal greift.
Für die Reinigung sollten passende Werkzeugsätze verwendet werden. Ein typischer Satz für eine 1/2-20-UNF-Bohrung enthält Werkzeuge für das Gewinde, den Führungsbereich und den Dichtsitz sowie eine Prüflehre. Der Kunststoff sollte sich während der Reinigung in einem weichen beziehungsweise halbgeschmolzenen Zustand befinden. Dadurch lässt er sich entfernen, ohne die Bohrungsgeometrie unnötig zu verändern.
Der Gewindebereich wird mit dem vorgesehenen Werkzeug von Rückständen befreit. Anschließend wird die Führungshülse eingeschraubt und das Reinigungswerkzeug kontrolliert durch die Bohrung geführt. Das Werkzeug darf nicht seitlich verkantet oder unkontrolliert hin- und herbewegt werden, weil dadurch Sitz und Führungsflächen beschädigt werden können.
Nach der Reinigung wird die Bohrung mit der Prüflehre kontrolliert. Erst wenn die Lehre am vorgesehenen Dichtsitz gleichmäßig trägt und sich keine Polymerreste mehr in der Aufnahme befinden, sollte der Sensor eingesetzt werden.
Auch zu häufiges oder zu aggressives Reinigen kann problematisch sein. Wird bei jedem Wechsel Material von der metallischen Bohrung abgetragen, kann die Aufnahme mit der Zeit zu tief oder zu groß werden. Reinigungswerkzeuge sind deshalb keine Fräswerkzeuge zur wiederholten Nachbearbeitung. Bei festgestellten Maßabweichungen muss die Bohrung fachgerecht vermessen und gegebenenfalls instand gesetzt werden.
Messmembran und Schutzkappe richtig behandeln
Die Schutzkappe an der Sensorspitze ist kein überflüssiges Verpackungsteil. Sie verhindert, dass die Membran bei Transport, Lagerung und Handhabung mit Werkzeugen, Werkbänken oder anderen Bauteilen in Berührung kommt.
Die Schutzkappe sollte erst unmittelbar vor dem Einsetzen in die geprüfte Einbaubohrung entfernt werden. Nach dem Ausbau und einer zulässigen Reinigung wird sie wieder angebracht, sobald der Sensor ausreichend abgekühlt ist und sicher gelagert werden kann.
Die Membran darf nicht mit dem Finger eingedrückt oder zur vermeintlichen Funktionsprüfung berührt werden. Auch ein weicher Gegenstand kann punktuell eine höhere Kraft erzeugen, als die Membran im normalen Prozess erfährt.
Zur Reinigung der Sensorspitze darf kein Schraubendreher, Messer, Schaber, Schleifpapier oder rotierendes Werkzeug verwendet werden. Auch Drahtbürsten und das Abbrennen von Polymerresten mit einer offenen Flamme sind ungeeignet. Sie können die Membran mechanisch, thermisch oder chemisch verändern.
Wenn der Hersteller eine Reinigung der Spitze zulässt, sollte der Sensor bei weicher Schmelze ausgebaut und die Oberfläche vorsichtig mit einem nicht scheuernden Tuch abgewischt werden. Lösungsmittel dürfen nur verwendet werden, wenn deren Eignung für Membranwerkstoff, Beschichtung, Dichtungen und Polymer eindeutig bestätigt wurde.
Ist Kunststoff bereits fest auf der Membran eingebrannt oder verkokt, sollte nicht versucht werden, ihn mit Kraft zu entfernen. In diesem Fall ist eine technische Beurteilung sinnvoller als ein Reinigungsversuch, der den Sensor endgültig beschädigt.
Massedrucksensor Schritt für Schritt montieren
Vor Beginn der Montage muss die Maschine drucklos, elektrisch sicher abgeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert sein. Die Temperatur der Anlage muss so beherrscht werden, dass vorhandenes Polymer ausreichend weich bleibt, gleichzeitig aber keine Gefahr durch austretende Schmelze oder heiße Oberflächen besteht.
Zunächst wird geprüft, ob Sensor und Einbaubohrung tatsächlich zusammenpassen. Dazu werden Typenbezeichnung, Prozessanschluss, Spitzenlänge, Druckbereich, Temperaturbereich und elektrische Ausführung mit der Anlagendokumentation abgeglichen.
Danach wird die Einbaubohrung gereinigt und mit einer passenden Prüflehre kontrolliert. Das Gewinde muss frei von beschädigten Flanken, Metallspänen, Korrosion und Kunststoffresten sein. Der Dichtsitz darf keine Riefen oder einseitigen Druckstellen aufweisen.
Sofern es die Betriebsanleitung vorsieht, kann auf das Sensorgewinde eine dünne Schicht eines für die Prozesstemperatur geeigneten Hochtemperatur-Trennmittels oder Anti-Seize-Mittels aufgetragen werden. Das Mittel gehört nur auf den dafür vorgesehenen Gewindebereich. Messmembran und Dichtsitz sollten nicht verunreinigt werden.
Der Sensor wird zunächst von Hand eingeschraubt. Er muss sich ohne erhöhten Kraftaufwand bis zum Sitz führen lassen. Bereits in dieser Phase spürbares Klemmen ist ein Warnsignal. Der Sensor darf nicht mit dem Schraubenschlüssel in eine schwergängige oder falsch ausgerichtete Bohrung gezwungen werden.
Das endgültige Anziehen erfolgt ausschließlich am dafür vorgesehenen Sechskant und mit einem geeigneten Drehmomentschlüssel. Das Elektronikgehäuse, der elektrische Anschluss und der Übergang zwischen Schaft und Gehäuse dürfen nicht als Gegenhalte- oder Angriffspunkt verwendet werden.
Bei Sensoren mit flexiblem Schaft oder Kapillare muss der zulässige Mindestbiegeradius eingehalten werden. Die Kapillare darf nicht geknickt, gequetscht oder unter Zug montiert werden. Das Elektronikgehäuse wird an einem vibrationsarmen und thermisch geeigneten Punkt befestigt.
Nach der mechanischen Montage wird die elektrische Verbindung gemäß Anschlussplan hergestellt. Leitungen sollten getrennt von stark störenden Leistungskabeln, Frequenzumrichtern und Schützleitungen geführt werden. Schirmung und Erdung müssen zum Sensortyp und zum Anlagenkonzept passen.
Das richtige Anzugsmoment verwenden
Das Anzugsmoment erfüllt zwei Aufgaben: Der Sensor muss sicher am vorgesehenen Dichtsitz anliegen, darf dabei aber nicht übermäßig verspannt werden. Ein zu geringes Drehmoment kann zu einer unzureichenden Abdichtung führen. Ein zu hohes Drehmoment kann Gewinde und Dichtsitz beschädigen, den Nullpunkt verschieben oder dazu führen, dass sich der Sensor später nicht mehr zerstörungsfrei ausbauen lässt.
Für verbreitete Dynisco-Ausführungen mit 1/2-20-UNF-Anschluss werden in technischen Hinweisen häufig Montagewerte von etwa 100 bis 200 inch-pounds genannt. Das entspricht ungefähr 11 bis 23 Nm. In einzelnen Betriebsanleitungen wird für entsprechende Anschlüsse ein maximales Drehmoment von 500 inch-pounds beziehungsweise rund 56 Nm angegeben.
Diese Werte dürfen nicht als allgemeine Vorgabe für jeden Massedrucksensor verstanden werden. Bauform, Dichtsitz, Membrangeometrie, Gewinde, Trennmittel und Hersteller unterscheiden sich. Maßgeblich ist immer das Anzugsmoment in der Betriebsanleitung oder im Datenblatt des konkret eingesetzten Sensors.
| Montagesituation | Mögliche Auswirkung | Empfohlene Vorgehensweise |
|---|---|---|
| Drehmoment zu niedrig | Unvollständiger Sitz, mögliche Undichtigkeit oder instabile Messung | Modellspezifischen Sollwert mit kalibriertem Drehmomentschlüssel anwenden |
| Drehmoment zu hoch | Verspannung, Nullpunktverschiebung, Gewindefressen oder Sensorschaden | Nicht nach Gefühl oder mit Verlängerungsrohr anziehen |
| Sensor klemmt bereits beim Einschrauben | Falsches oder verschmutztes Gewinde, exzentrische Bohrung | Montage abbrechen, Sensor entfernen und Bohrung kontrollieren |
| Werkzeug am Gehäuse angesetzt | Verdrehung des Gehäuses oder Beschädigung von Kapillare und Elektronik | Werkzeug ausschließlich am vorgesehenen Sechskant ansetzen |
| Ungeeignetes Dichtmittel verwendet | Veränderte Einbautiefe, verschmutzter Dichtsitz oder Prozesskontamination | Nur freigegebene Trenn- und Schmiermittel auf dem vorgesehenen Gewindebereich verwenden |
Wurde ein Sensor mit deutlich zu hohem Drehmoment montiert, sollte nicht allein die Dichtheit betrachtet werden. Auch der elektrische Nullpunkt und das Verhalten bei Temperaturänderungen können beeinflusst sein. Eine Kontrolle vor dem Produktionsstart ist daher erforderlich.
Geeigneten Einbauort am Extruder auswählen
Der Einbauort entscheidet darüber, welche Prozessinformation der Sensor liefert und welchen mechanischen Belastungen er ausgesetzt ist. Typische Messstellen befinden sich im Extruderzylinder, vor einem Siebwechsler, vor und nach einer Schmelzepumpe, im Adapter oder unmittelbar vor dem Werkzeug.
Wird der Sensor zu weit stromaufwärts eingebaut, kann noch nicht vollständig aufgeschmolzenes Granulat an der Membran vorbeiströmen. Harte Partikel, Glasfasern oder andere Füllstoffe können abrasiv auf die Sensorspitze wirken.
Eine Messstelle unmittelbar vor dem Siebwechsler kann verwendet werden, um einen zunehmenden Druck durch ein zugesetztes Sieb zu erkennen. Hinter der Schmelzepumpe oder vor dem Werkzeug lässt sich dagegen beurteilen, welcher Druck dem nachfolgenden Prozess tatsächlich zur Verfügung steht.
Der Sensor darf nicht in den Bewegungsraum der Extruderschnecke oder anderer Maschinenteile hineinragen. Die konstruktive Auslegung muss den Abstand bei allen Betriebszuständen, thermischen Ausdehnungen und möglichen Fertigungstoleranzen berücksichtigen.
Toträume sollten vermieden werden. Bleibt Kunststoff längere Zeit vor der Membran stehen, kann er thermisch abbauen. Neben Messfehlern können dadurch Verfärbungen, Materialablagerungen oder unerwünschte Partikel im Endprodukt entstehen.
Außerdem sollte das Elektronikgehäuse nicht unnötig hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Ein längerer starrer Schaft oder eine flexible Kapillare kann die Elektronik thermisch vom Prozess trennen. Die zulässige Umgebungstemperatur des Gehäuses muss dennoch eingehalten werden.
Kaltstart und Ausbau bei erstarrter Schmelze vermeiden
Ein Kaltstart ist für Massedrucksensor und Extruder besonders kritisch. Befindet sich vor der Messmembran erstarrtes Polymer, wird beim Start zunächst keine normale hydrostatische Schmelzedruckkraft übertragen. Stattdessen können feste Materialpfropfen und mechanische Scherkräfte auf die Membran wirken.
Vor dem Anfahren muss die Anlage deshalb ausreichend lange auf Betriebstemperatur gehalten werden. Nicht nur die Heizbänder, sondern auch Zylinderwand, Werkzeug, Adapter, Siebwechsler und die in den Toträumen befindliche Kunststoffmasse müssen ausreichend durchgewärmt sein.
Eine angezeigte Solltemperatur bedeutet nicht automatisch, dass das gesamte Material bereits homogen geschmolzen ist. Die erforderliche Aufheiz- und Durchwärmzeit hängt von Maschinengröße, Polymer, Füllstoffen, Werkzeuggeometrie und vorausgegangener Stillstandszeit ab.
Auch der Ausbau darf nicht bei erstarrter Schmelze erfolgen. Zunächst muss die Anlage drucklos gemacht, abgeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert werden. Gleichzeitig sollte der Anschlussbereich noch so warm sein, dass das Polymer weich ist und nicht an der Membran zieht.
Wird ein kalter Sensor gewaltsam herausgeschraubt, kann festhaftendes Material die Membran verformen oder vollständig von der Spitze abreißen. Eine scheinbar schwergängige Verschraubung darf deshalb nicht mit immer größeren Hebeln gelöst werden, ohne den Zustand von Polymer und Gewinde zu prüfen.
Überdruck und unzulässige Prozessbelastungen verhindern
Ein korrekt montierter Massedrucksensor kann trotzdem beschädigt werden, wenn der tatsächliche Prozessdruck den zulässigen Bereich überschreitet. Kritische Situationen entstehen beispielsweise durch zugesetzte Siebe, geschlossene Ventile, blockierte Werkzeuge, fehlerhafte Schmelzepumpenregelung oder einen zu schnellen Maschinenstart.
Der Messbereich sollte nicht allein am üblichen Produktionswert ausgerichtet werden. Auch Anfahrspitzen, Reinigungszyklen, Materialwechsel und mögliche Störungen müssen berücksichtigt werden. Ein Sensor, der im Normalbetrieb dauerhaft nahe an seiner Messbereichsgrenze arbeitet, besitzt wenig Reserve für dynamische Druckspitzen.
Die zulässige Überlastbarkeit ist modellspezifisch. Sie darf nicht mit dem Berstdruck oder einem dauerhaft erlaubten Betriebsdruck verwechselt werden. Selbst wenn ein Sensor eine kurzzeitige Überlastung ohne sichtbaren Bruch übersteht, kann sich sein Nullpunkt verschieben oder die Messgenauigkeit dauerhaft verschlechtern.
Ein kleiner Messbereich verbessert zwar grundsätzlich die Auflösung im gewünschten Prozessfenster, kann aber bei unvorhersehbaren Druckspitzen zu einem erhöhten Schadensrisiko führen. Die Auswahl muss daher einen sinnvollen Kompromiss aus Messgenauigkeit, Prozessauflösung und Überlastreserve bilden.
Der Sensor ersetzt keine mechanische Überdruckabsicherung. Berstscheiben, Berstbolzen, Sicherheitsabschaltungen und andere Schutzmaßnahmen müssen unabhängig von der normalen Prozessmessung entsprechend dem Maschinen- und Sicherheitskonzept ausgelegt werden.
Nullpunkt, Ausgangssignal und Messkette prüfen
Nach der mechanischen Montage sollte der Sensor nicht sofort allein anhand des angezeigten Druckwertes bewertet werden. Einbaulage, Anzugsmoment, Temperatur und mechanische Vorspannung können den Nullpunkt beeinflussen. Deshalb ist die vom Hersteller vorgesehene Nullpunkteinstellung beziehungsweise Nullpunktkontrolle nach der Montage erforderlich.
Die Nullung darf nur unter den im Handbuch definierten Bedingungen durchgeführt werden. In der Regel muss sichergestellt sein, dass kein Prozessdruck anliegt und der Sensor einen stabilen thermischen Zustand erreicht hat. Wird bei vorhandenem Restdruck genullt, verschiebt sich die gesamte Messkurve.
Bei Sensoren mit mV/V-Ausgang müssen Speisespannung, Leitungsführung, Brückenwiderstand und Eingang des Anzeige- oder Regelgerätes zusammenpassen. Eine fehlerhafte Verdrahtung kann zu falscher Polarität, instabilem Nullpunkt oder fehlendem Messsignal führen.
Massedrucktransmitter mit 4–20-mA-Ausgang werden direkt in eine Stromschleife eingebunden. Hier müssen Versorgungsspannung, Bürde, Polarität und SPS-Skalierung geprüft werden. Ein Sensor mit einem Messbereich von 0 bis 500 bar muss im Leitsystem anders skaliert werden als ein Sensor mit 0 bis 1.000 bar, auch wenn beide 4 bis 20 mA ausgeben.
Zur Prüfung einer 4–20-mA-Signalkette kann ergänzend ein UPS4E Stromschleifen-Kalibrator eingesetzt werden. Damit lässt sich beispielsweise der tatsächliche Schleifenstrom messen oder ein definiertes Signal für die SPS simulieren.
Der UPS4E prüft jedoch weder die Einbaubohrung noch die Messmembran oder die physikalische Druckkennlinie des Massedrucksensors. Für mV/V-Sensoren wird außerdem ein für DMS-Brückensignale geeignetes Prüf- oder Simulationsgerät benötigt.
Typische Montagefehler und ihre Folgen
Ein Montagefehler zeigt sich nicht immer unmittelbar durch einen vollständigen Sensorausfall. Häufig arbeitet der Sensor zunächst weiter, liefert aber einen verschobenen oder instabilen Messwert. Dadurch kann die Ursache fälschlicherweise in der Prozessregelung, der Elektronik oder dem Polymer gesucht werden.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Nullpunkt ist direkt nach der Montage deutlich verschoben | Zu hohes Anzugsmoment, verspannter Sitz oder seitliche Belastung | Drehmoment und Bohrungsgeometrie prüfen, Sensor drucklos beurteilen |
| Sensor lässt sich nur schwer einschrauben | Verschmutztes, beschädigtes oder falsches Gewinde | Montage abbrechen und Gewinde mit Prüflehre kontrollieren |
| Messwert reagiert sehr langsam | Totraum oder verkoktes Polymer vor der Membran | Einbautiefe und Zustand der Bohrung untersuchen |
| Schmelze tritt am Anschluss aus | Dichtsitz beschädigt, Bohrung falsch gefertigt oder Drehmoment ungeeignet | Dichtsitz und Sensoranschluss nach sicherem Ausbau prüfen |
| Sensor fällt nach einem Maschinenstart aus | Kaltstart, erstarrtes Polymer oder starke Druckspitze | Aufheizablauf, Drucktrend und Membran untersuchen |
| Membran ist eingedrückt | Polymerrest in der Bohrung, Werkzeugkontakt oder zu enge Aufnahme | Einbaubohrung vollständig vermessen und Reinigungsablauf prüfen |
| Sensorspitze ist abgeschert | Zu großer Überstand oder Kontakt mit Schnecke beziehungsweise Maschinenteil | Einbautiefe und Maschinenzeichnung kontrollieren |
| Sensor lässt sich nicht ausbauen | Gewindefressen, fehlendes Trennmittel oder überhöhtes Anzugsmoment | Temperaturzustand und Gewinde prüfen, nicht gewaltsam am Gehäuse drehen |
Bei wiederkehrenden Sensorausfällen sollte nicht automatisch ein robusteres oder teureres Modell eingesetzt werden. Zunächst müssen Bohrung, Einbauort, Anzugsmoment, Aufheizprozess und tatsächliche Druckspitzen untersucht werden. Ein Sensorwechsel allein beseitigt keine konstruktive oder prozessbedingte Ursache.
Praxisbeispiel: Neuer Sensor zeigt sofort einen Nullpunktfehler
An einem Extruder wird ein älterer Massedrucksensor aufgrund eines instabilen Messwertes ersetzt. Der neue Sensor besitzt laut Bestellung denselben Druckbereich und einen 1/2-20-UNF-Prozessanschluss. Nach dem Einschrauben zeigt das Auswertegerät jedoch bereits bei druckloser Maschine einen deutlich positiven Druckwert an.
Zunächst wird vermutet, dass der neue Sensor elektrisch fehlerhaft ist. Eine Prüfung der Verdrahtung und des Messverstärkers ergibt jedoch keine Auffälligkeit. Beim Ausbau fällt auf, dass sich der Sensor nur mit ungewöhnlich hohem Kraftaufwand lösen lässt.
Die anschließende Kontrolle der Einbaubohrung mit einem Reinigungswerkzeug und einer Prüflehre zeigt, dass sich am Ende der Bohrung eine harte Schicht aus abgebautem Polymer befindet. Der vorherige Sensor hatte etwas weiter zurückgesetzt gesessen. Beim Einschrauben des neuen Sensors wurde dessen Spitze gegen die Ablagerung gedrückt.
Zusätzlich war der Sensor ohne Drehmomentschlüssel angezogen worden. Um den vermeintlich schwergängigen Sitz zu überwinden, wurde ein langer Schraubenschlüssel verwendet. Die Membran wurde dadurch mechanisch belastet und der Sensoranschluss verspannt.
Nach fachgerechter Reinigung und Kontrolle der Bohrung lässt sich ein unbeschädigter Ersatzsensor zunächst von Hand und anschließend mit dem vorgesehenen Drehmoment montieren. Nach der thermischen Stabilisierung wird der Nullpunkt entsprechend der Herstelleranleitung eingestellt. Der Messwert bleibt nun im drucklosen Zustand stabil.
Das Beispiel verdeutlicht, dass ein passendes Anschlussgewinde allein keine korrekte Montage garantiert. Bohrungstiefe, Dichtsitz, Verschmutzung und Anzugsmoment sind ebenso entscheidend.
Beschädigte Sensoren richtig beurteilen
Ein auffälliger Massedrucksensor sollte zunächst im sicheren, drucklosen Zustand visuell kontrolliert werden. Dabei wird geprüft, ob die Membran eingedrückt, zerkratzt, aufgewölbt oder mit festem Polymer bedeckt ist. Auch beschädigte Gewindeflanken, Verfärbungen und Spuren eines einseitigen Kontakts können auf eine ungeeignete Einbaubohrung hinweisen.
Die Membran darf zur Prüfung nicht mechanisch belastet werden. Eine optisch unauffällige Membran schließt einen internen Schaden außerdem nicht aus. Überdruck, hohe Temperatur, eine geknickte Kapillare oder eine Verspannung können das Messsystem beeinträchtigen, ohne dass außen ein eindeutiger Schaden sichtbar ist.
Bei einem Sensor mit deutlicher Nullpunktverschiebung sollte zunächst ausgeschlossen werden, dass Restdruck, falsche Verdrahtung, unzureichende Aufwärmzeit oder eine ungeeignete Nullpunkteinstellung vorliegen. Erst danach kann beurteilt werden, ob eine Kalibrierung, Reparaturprüfung oder ein Austausch erforderlich ist.
Ist die Messmembran beschädigt, darf der Sensor nicht weiter betrieben werden. Je nach Bauart kann sich im Sensor ein Druckübertragungsmedium befinden. Ob es sich um Quecksilber, Öl, NaK oder ein anderes Medium handelt, muss anhand der genauen Typenbezeichnung und Dokumentation geprüft werden. Ein beschädigter Sensor darf nicht geöffnet oder unkontrolliert entsorgt werden.
Für eine belastbare Schadensanalyse sollten mindestens Fotos der Sensorspitze, des Gewindes, des Typenschildes und der Einbaubohrung vorliegen. Zusätzlich helfen Informationen zu Polymer, Füllstoffen, Prozesstemperatur, normalem Betriebsdruck, maximalen Druckspitzen, Einbauort, Anzugsmoment und dem Ablauf unmittelbar vor dem Ausfall.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
Für die Messung von Schmelzedruck in Extrudern, Spritzgussmaschinen, Schmelzepumpen und Kunststoffwerkzeugen stehen unterschiedliche Dynisco Massedrucksensoren zur Verfügung. Die Auswahl richtet sich unter anderem nach Druckbereich, Prozesstemperatur, Anschlussgewinde, Ausgangssignal, Schaftlänge, Einbauort und gewünschtem Druckübertragungsmedium.
Sensoren mit mV/V-Ausgang eignen sich für Anwendungen, in denen bereits ein passender Messverstärker, Druckanzeiger oder Regler vorhanden ist. Sie liefern ein direktes DMS-Brückensignal und müssen elektrisch auf das angeschlossene Auswertegerät abgestimmt werden.
Für eine direkte Einbindung in SPS-, DCS- oder Prozessleitsysteme können Massedrucktransmitter beziehungsweise Schmelzedrucktransmitter mit verstärktem Ausgangssignal eingesetzt werden. Besonders verbreitet sind 4–20-mA-Ausführungen. Abhängig vom Modell stehen auch Spannungsausgänge, HART-Kommunikation oder zusätzliche Temperaturmessung zur Verfügung.
Wenn Quecksilber als Druckübertragungsmedium für eine Anwendung nicht zulässig oder unerwünscht ist, können quecksilberfreie Massedrucksensoren geprüft werden. Die endgültige Eignung hängt vom konkreten Prozess, der Temperatur, dem Druckbereich und den regulatorischen Anforderungen ab.
Eine Übersicht weiterer Sensoren, Auswertegeräte und Lösungen für die Kunststoff- und Polymerverarbeitung bietet die Kategorie Dynisco-Produkte.
Neben dem Sensor selbst sollten auch geeignete Bearbeitungs-, Reinigungs- und Prüfwerkzeuge berücksichtigt werden. Eine korrekt gefertigte und regelmäßig kontrollierte Einbaubohrung ist häufig wirtschaftlicher als der wiederholte Austausch mechanisch beschädigter Sensoren.
Bei Massedrucktransmittern mit 4–20-mA-Ausgang kann der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator ergänzend für die elektrische Inbetriebnahme und Fehlersuche verwendet werden. Er prüft die Stromschleife und SPS-Skalierung, ersetzt aber weder einen Druckkalibrator noch die mechanische Kontrolle von Bohrung, Gewinde und Membran.
ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl anhand der vorhandenen Maschine und der tatsächlichen Applikationsdaten. Für ein Ersatzgerät sollten möglichst die vollständige Typenbezeichnung des bisherigen Sensors, Fotos, Maßzeichnungen, Anschlussgewinde, Druckbereich, Ausgangssignal, Schmelzetemperatur und Informationen zum eingesetzten Polymer bereitgestellt werden.
Fazit: Eine korrekte Einbaubohrung schützt den Massedrucksensor besser als jede nachträgliche Reparatur
Massedrucksensoren sind für hohe Drücke und Temperaturen in der Kunststoffverarbeitung ausgelegt. Ihre Messmembran bleibt dennoch ein empfindliches Präzisionsbauteil. Eine verschmutzte, falsch gefertigte oder zu tiefe Einbaubohrung kann den Sensor bereits während der Montage dauerhaft beschädigen.
Ein passendes Gewinde allein reicht nicht aus. Führungsbohrung, Dichtsitz, Einbautiefe und Freiraum um die Sensorspitze müssen der Herstellerzeichnung entsprechen. Vor jeder Montage sollte die Bohrung mit geeigneten Werkzeugen gereinigt und mit einer Prüflehre kontrolliert werden.
Die Schutzkappe bleibt bis kurz vor der Montage auf dem Sensor. Das Einschrauben erfolgt zunächst von Hand und anschließend mit einem Drehmomentschlüssel am vorgesehenen Sechskant. Das modellspezifische Anzugsmoment darf weder unterschritten noch überschritten werden.
Ebenso wichtig sind ein ausreichend langer Aufheizprozess, der Ausbau bei weicher Schmelze und die Vermeidung unzulässiger Druckspitzen. Werden diese Grundlagen eingehalten, lassen sich viele typische Nullpunktfehler, Membranschäden und vorzeitige Sensorausfälle vermeiden.
Häufige Fragen zur Montage von Massedrucksensoren
Welches Gewinde wird bei Massedrucksensoren verwendet?
Ein verbreiteter Anschluss ist 1/2-20 UNF. Daneben gibt es unter anderem M18 × 1,5, M10 und weitere hersteller- oder anwendungsspezifische Anschlüsse. Maßgeblich ist immer die vollständige Typenbezeichnung und Maßzeichnung des Sensors.
Kann ein 1/2-20-UNF-Sensor in jedes passende Gewindeloch eingeschraubt werden?
Nein. Neben dem Gewinde müssen Führungsbohrung, Dichtsitz, Tiefe und Freiraum für die Sensorspitze korrekt ausgeführt sein. Ein gewöhnliches Gewindeloch ohne die erforderliche Innengeometrie kann den Sensor beschädigen.
Warum besitzt die Standardbohrung häufig einen 45°-Sitz?
Der 45°-Sitz bildet bei entsprechenden Sensorausführungen die definierte Dicht- und Anlagefläche. Dadurch wird der Sensor in der vorgesehenen Tiefe positioniert und die Prozessverbindung abgedichtet.
Wie kann die Einbaubohrung kontrolliert werden?
Am zuverlässigsten erfolgt die Kontrolle mit einer passenden Prüflehre beziehungsweise einem Gauge Plug. Mit Markierfarbe kann zusätzlich geprüft werden, ob die Lehre gleichmäßig am vorgesehenen Dichtsitz trägt.
Warum muss die Bohrung vor jeder Montage gereinigt werden?
Ausgehärtete Polymerreste können beim Einschrauben direkt gegen die Messmembran drücken. Bereits eine kleine Ablagerung am Ende der Bohrung kann die Membran verformen oder den Sensor in einer falschen Tiefe positionieren.
Darf die Einbaubohrung mit einem normalen Bohrer gereinigt werden?
Improvisierte Bohrer können die Tiefe, Führung oder Dichtfläche verändern. Besser sind speziell für die jeweilige Anschlussgeometrie vorgesehene Reinigungswerkzeuge mit Führungshülse und anschließender Kontrolle durch eine Prüflehre.
Bei welcher Temperatur sollte die Bohrung gereinigt werden?
Das Polymer sollte weich beziehungsweise halbgeschmolzen sein, damit es kontrolliert entfernt werden kann. Die Maschine muss dabei drucklos, sicher abgeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert sein.
Wie wird die Membran eines Massedrucksensors gereinigt?
Nur entsprechend der Herstelleranleitung. Häufig darf weiches Polymer vorsichtig mit einem nicht scheuernden Tuch entfernt werden. Schaber, Drahtbürsten, Schleifmittel und offene Flammen sind ungeeignet.
Darf die Messmembran mit dem Finger geprüft werden?
Nein. Die Membran ist sehr dünn und darf nicht eingedrückt oder punktuell belastet werden. Eine manuelle Druckprobe kann bereits eine bleibende Verformung verursachen.
Wann wird die Schutzkappe entfernt?
Die Schutzkappe sollte erst unmittelbar vor dem Einsetzen in die gereinigte und geprüfte Einbaubohrung entfernt werden. Bei Lagerung und Transport sollte die Membran weiterhin geschützt bleiben.
Welches Anzugsmoment benötigt ein 1/2-20-UNF-Massedrucksensor?
Das hängt vom konkreten Modell ab. Für verbreitete Dynisco-Ausführungen werden teilweise Werte von etwa 100 bis 200 inch-pounds beziehungsweise rund 11 bis 23 Nm genannt. Einzelne Handbücher nennen höhere zulässige Maximalwerte. Verbindlich ist ausschließlich die Dokumentation des konkreten Sensors.
Warum darf der Sensor nicht einfach besonders fest angezogen werden?
Ein zu hohes Drehmoment kann das Gewinde beschädigen, den Sensor verspannen, den Nullpunkt verschieben oder zu einem Festfressen im Anschluss führen. Mehr Drehmoment verbessert eine fehlerhafte Dichtfläche nicht.
Wo darf der Schraubenschlüssel angesetzt werden?
Ausschließlich am dafür vorgesehenen Sechskant des Prozessanschlusses. Elektronikgehäuse, Stecker, starrer Schaft und flexible Kapillare sind keine geeigneten Angriffspunkte.
Sollte Anti-Seize auf das Gewinde aufgetragen werden?
Wenn es die Herstelleranleitung vorsieht, kann ein für die Prozesstemperatur geeignetes Hochtemperatur-Trennmittel dünn auf dem Gewindebereich verwendet werden. Membran und Dichtsitz dürfen dabei nicht verunreinigt werden.
Warum zeigt ein neuer Sensor nach der Montage bereits Druck an?
Mögliche Ursachen sind mechanische Verspannung, ein zu hohes Anzugsmoment, Polymerreste in der Bohrung, Restdruck im Prozess oder eine noch nicht durchgeführte Nullpunkteinstellung. Auch Verdrahtung und SPS-Skalierung müssen geprüft werden.
Wann darf der Nullpunkt eingestellt werden?
Nur unter den vom Hersteller vorgegebenen Bedingungen. In der Regel muss der Sensor korrekt montiert, drucklos und thermisch stabil sein. Eine Nullung bei vorhandenem Restdruck führt zu einer falschen Messkurve.
Warum ist ein Kaltstart für die Membran gefährlich?
Erstarrtes Polymer kann als fester Körper auf die Membran wirken. Beim Anfahren entstehen dadurch punktuelle Kräfte und Scherbelastungen, die deutlich kritischer sind als normaler, gleichmäßig verteilter Schmelzedruck.
Kann der Sensor aus einem kalten Extruder ausgebaut werden?
Davon ist abzuraten. Festes Polymer kann an der Membran haften und sie beim Herausziehen verformen oder abreißen. Die Anlage muss drucklos und gesichert sein, der Kunststoff im Anschlussbereich sollte jedoch noch ausreichend weich sein.
Was passiert, wenn der Sensor zu weit in den Extruder hineinragt?
Die Sensorspitze kann einer unnötig hohen abrasiven Belastung ausgesetzt sein oder sogar mit Schnecke, Mischteilen oder anderen bewegten Komponenten in Kontakt kommen. Im Extremfall wird die Spitze abgeschert.
Was passiert, wenn der Sensor zu weit zurückgesetzt sitzt?
Vor der Membran kann ein Totraum entstehen. Dort verbleibt Schmelze, baut sich thermisch ab und kann verkoken. Das führt häufig zu trägen, gedämpften oder driftenden Messwerten.
Kann ein beschädigter Dichtsitz durch stärkeres Anziehen ausgeglichen werden?
Nein. Ein beschädigter oder falsch gefertigter Dichtsitz muss fachgerecht geprüft und instand gesetzt werden. Zusätzliches Drehmoment erhöht lediglich das Risiko weiterer Schäden.
Wie erkennt man eine mechanisch beschädigte Membran?
Mögliche Anzeichen sind Dellen, Kratzer, eine aufgewölbte Oberfläche, fest eingebrannte Ablagerungen, ein starker Nullpunktversatz oder fehlende Druckreaktion. Nicht jeder interne Schaden ist jedoch äußerlich sichtbar.
Darf ein Sensor mit beschädigter Membran weiterverwendet werden?
Nein. Der Sensor sollte aus dem Betrieb genommen und anhand seiner genauen Bauart beurteilt werden. Abhängig vom Modell kann ein internes Druckübertragungsmedium enthalten sein, das besondere Anforderungen an Handhabung und Entsorgung stellt.
Kann der UPS4E einen Massedrucksensor prüfen?
Der UPS4E eignet sich zur Prüfung der elektrischen 4–20-mA-Stromschleife eines entsprechenden Massedrucktransmitters. Er kann den Sensorstrom messen oder ein Signal zur Prüfung der SPS simulieren. Die Messmembran, Einbaubohrung und physikalische Druckmessung werden damit nicht geprüft.
Welche Angaben werden für die Auswahl eines Ersatzsensors benötigt?
Benötigt werden mindestens die bisherige Typenbezeichnung, Druckbereich, Ausgangssignal, Prozessanschluss, Spitzen- und Schaftlänge, Prozesstemperatur, Polymer, mögliche Füllstoffe, Einbauort und elektrische Anschlussbelegung. Fotos und Maßzeichnungen erleichtern die technische Zuordnung.