Technologie czujników do monitorowania procesów w wytłaczaniu polimerów.

W przyszłości będzie ogromny popyt na materiały polimerowe ze względu na ich doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość właściwa, łatwość kształtowania (formowania) w skomplikowane kształty, wysoka odporność na czynniki środowiskowe itp. Wytłaczanie polimerów stanowi jedno z podstawowych podejść do przetwarzania tworzyw sztucznych (materiałów polimerowych). W większości procesów polimerowych materiały są przetwarzane w zamkniętych i ciśnieniowych cylindrach wytłaczarek. Monitorowanie parametrów procesu w czasie rzeczywistym ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości produktów.

W przetwarzaniu materiałów polimerowych, ciśnienie stopu i temperatura stopu są zwykle uważane za kluczowe parametry, które wskazują na jakość produktu. Pomiar jest kluczowym czynnikiem dla obserwacji funkcjonalności procesu oraz dla osiągnięcia lepszej wydajności sterowania procesem, a także dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ponadto modelowanie i optymalizacja stają się również ważne dla nowoczesnego przemysłu dla lepszego zrozumienia procesu i projektowania zaawansowanych strategii sterowania procesem wytłaczania. W idealnym przypadku monitorowanie procesu, modelowanie, optymalizacja i kontrola są ze sobą powiązane jako łańcuch, w którym monitorowanie (pomiar) jest na czele tego łańcucha.

Ekstruzja polimerów, pomiar ważnych parametrów procesu.

W wytłaczaniu polimerów można zidentyfikować znaczną liczbę kluczowych parametrów procesu takich jak: prędkość obrotowa ślimaków, temperatury matrycy i cylindra wytłaczarki, lepkość stopu, temperatura stopu, szybkość przepływu masy, ciśnienie stopu, wskaźnik płynięcia stopu, zużycie energii, szybkość chłodzenia, szybkość podawania materiału. Większość z nich jest silnie sprzężona ze sobą. Jednak niektóre parametry procesu, w tym wskaźnik płynięcia stopu i lepkość stopu, nie są łatwe do zmierzenia (monitorowania) w czasie rzeczywistym, chociaż są ważne w określaniu jakości produktu. Zwykle zarówno ciśnienie stopu, jak i temperatura stopu są używane jako główne wskaźniki (parametry) w określaniu jakości produktu i funkcjonalności wytłaczania.

Obserwacja głównych parametrów procesu wytłaczania daje możliwość oceny stanu procesu, a co za tym idzie jakości produktu. Co ważniejsze, wczesna diagnoza wahań procesu jest istotnym czynnikiem skutecznej kontroli procesu w celu uniknięcia możliwych wad produktu. Dlatego monitorowanie (pomiar) parametrów wytłaczarki jest kluczowym wymogiem w przemyśle przetwórstwa polimerów w celu oceny jakości funkcjonalnej procesu, jest to szczególnie istotne w przypadku wytłaczarek służących do prowadzenia badań, ponieważ umożliwia podejmowanie precyzyjnych decyzji dotyczących kontroli procesu. Jednak większość jednostek przetwórstwa polimerów nawet wytłaczarek laboratoryjnych to urządzenia za pomocą których trudno jest monitorować stan stopu wewnątrz jednostki przetwórczej podczas przetwarzania. Zwykłą praktyką jest monitorowanie jakości wyjściowego stopu na wyjściu z wytłaczarki. Jest to spowodowane tym, że cylindry wytłaczarek często nie są przystosowane pod względem mechanicznym do montażu pomiarowych czujników temperatury i ciśnienia we wszystkich strefach cylindra oraz nie posiadają możliwości podłączenia takich czujników oraz przetwarzania w czasie rzeczywistym danych pochodzących z tych czujników.

Pomiary temperatury topnienia polimerów w wytłaczarkach.

Temperatura stopu jest jednym z dwóch najważniejszych parametrów w przetwórstwie polimerów. Niemniej jednak pojawia się pytanie, czy możemy ją dokładnie zmierzyć? Dokładne oszacowanie temperatury stopu w cylindrze wytłaczarki jest naprawdę trudne, ponieważ zależy od wielu czynników związanych z procesem i budową wytłaczarki. Znaczenie ma rodzaj zastosowanych elementów grzewczych, moc grzałek cylindra, grubości oraz konstrukcja ścian cylindra oraz rodzaj zastosowanego materiału do budowy cylindra, umiejscowienie czujników temperatury oraz ich rodzaj. Bardzo ważnym czynnikiem jest rodzaj zastosowanych regulatorów temperatury oraz zastosowana metoda przetwarzania danych z czujników temperatury.

Oczywiste jest, że temperatura stopu zależy od ustawionych temperatur cylindra i matrycy, prędkości obrotowej ślimaka, geometrii ślimaka i rodzaju polimeru, ponieważ parametry te mogą wpływać na generowanie ciepła tarcia i lepkości. Ponadto jest całkiem oczywiste, że im wyższa temperatura cylindra i matrycy wytłaczarki, tym wyższa temperatura wyjściowego stopu. Chociaż matryce związane z wytłaczaniem różnią się geometrią, głównym oczekiwaniem każdego procesu jest uzyskanie jednorodnego termicznie przepływu stopu szczególnie w strefie transportu stopu w kierunkach promieniowym i osiowym z minimalnymi możliwymi przestrzennymi i czasowymi zmianami termicznymi.

Techniki oraz czujniki do pomiaru temperatury stopu polimerowego w wytłaczarkach.

Termopary.

Jest to powszechnie stosowana technika pomiaru temperatury stopu w przemyśle polimerów. Tego typu czujniki składają się z dwóch złączy, znanych jako złącza gorące i zimne. Zwykle złącze zimne powinno być utrzymywane w stałej i znanej temperaturze, podczas gdy złącze gorące jest wystawione na działanie mierzonego źródła ciepła. Pod wpływem różnicy temperatury między złączami (pomiarowym i odniesienia) powstaje różnica potencjałów, zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalną do różnicy temperatur. To wytworzone napięcie utrzymuje w przybliżeniu liniową zależność od wartości temperatury. Pomimo prostej konstrukcji, wykonanie dokładnych termopar o powtarzalnych charakterystykach nie jest łatwe. Ich własności metrologiczne zależą od jakości drutów użytych do wykonania termoelektrod. Istotny jest też dobór właściwego przyrządu (przetwornika), który zostanie użyty do pomiaru napięcia termoelektrycznego, ponieważ napięcia powstające w termoparach nie przekraczają kilkudziesięciu miliwoltów. W przypadku termopar z metali szlachetnych wartości te są mniejsze i wynoszą kilka miliwoltów.

Typowa dokładność termopar wynosi około ±1°C. Spośród dostępnych termopar typy K i J są najczęściej stosowane w zastosowaniach wytłaczania polimerów. Termopary są oznaczane i symbolami literowymi. Najczęściej wykorzystuje się termopary o charakterystykach C, E, T, N, J i K. Zawierają one metale nieszlachetne takie jak żelazo, miedź, nikiel, platyna, rod i chrom.

Termopara typu C.

Termopary typu C-Wolfram-Ren wykonane są z wolframu jako odnoga dodatnia i z renu jako odnoga ujemna. Są używane w aplikacjach, w których temperatury sięgają 2315°C. Termopary typu C są używane w środowiskach obojętnych chemicznie lub w próżni, aby zapobiec awariom spowodowanym utlenianiem. Posiadają osłony ochronne z molibdenu, tantalu i inconelu z izolatorami z aluminium i tlenku magnezu.

Termopara typu E.

Termopary typu E wykonane są ze stopu niklu i chromu jako odnoga dodatnia i z konstantanu jako odnoga ujemna. Mają zakres temperatur od -201°C do 900°C i mogą być używane w silnie ujemnych temperaturach. Ze względu na wysoką czułość (68 µV/°C), ten typ termoelementu stosowany jest przede wszystkim w zakresie niskich temperatur kriogenicznych. Jest to materiał niemagnetyczny, co może być cenną zaletą w niektórych zastosowaniach specjalnych.

Termopara typu J.

Termopary typu J wykorzystują żelazo dla odnogi dodatniej i konstantan dla odnogi ujemnej. Stosowane są w środowiskach o wysokim narażeniu na utlenianie, w próżni, a także w środowiskach obojętnych i redukujących chemicznie. Termopary typu J muszą być ściśle monitorowane, ponieważ ich żelazna odnoga może rdzewieć. Ma ona duże znaczenie w przemyśle przetwórstwa tworzyw sztucznych. Zakres mierzonych temperatur wynosi od −40 do 750 °C. Ich czułość wynosi 55 µV/°C.

Termopara typu K.

Termopary typu K są zbudowane ze stopu chromelu dla odnogi dodatniej i stopu alumelu dla odnogi ujemnej. Alumel to stop wykonany głównie z niklu z niewielką zawartością aluminium, krzemu i manganu. Termopary typu K są używane w środowiskach obojętnych lub utleniających w zakresie temperatur od -184°C do 1260°C. Kodowanie kolorowe dla termopary typu K wykorzystuje kolor czerwony lub żółty. Zależność SEM od temperatury dla tego termoelementu jest prawie liniowa, a jego czułość wynosi 41 µV/°C.

Termopara typu N.

Termopara typu N wykorzystuje nicrosil, czyli stop niklowo-chromowy, jako odnogę dodatnią i nisil, czyli stop niklu, krzemu i magnezu, jako odnogę ujemną. Tego typu termopary mają zakres temperatur od 0°C do 1260°C. Ten termoelement ma bardzo dobrą stabilność termiczną, porównywalną z termoparami platynowymi. Wykazuje także znakomitą odporność na utlenianie aż do wysokich temperatur. Jest idealnym narzędziem do dokładnych pomiarów temperatury w powietrzu. Czułość wynosi 39 µV/°C.

Termopara typu T.

Termopary typu T wykorzystują miedź jako odnogę dodatnią i konstantan jako odnogę ujemną. Zakres temperatur dla termopary typu T wynosi od -201°C do 371°C. Jest to rzadko używany typ termoelementu. Jego zakres pomiarowy wynosi od −200 do 350 °C, a czułość 30 µV/°C.

Termopary z metali szlachetnych.

Termopary z metali szlachetnych lub termopary platynowe to typy B, R, S i P. Charakteryzują się one dokładnością nawet w bardzo wysokich temperaturach i mają długą żywotność.

Termopara typu B.

Termopara typu B-PtRh30-PtRh6 jest używana w aplikacjach o wysokich temperaturach i ma najwyższy limit temperatury spośród wszystkich termopar z najwyższą dokładnością i stabilnością termiczną. Jej zakres temperatur wynosi od 1371°C do 1704°C.

Termopara typu R.

Termopara typu R-PtRh13-Pt jest wykorzystywana do zastosowań wysokotemperaturowych i zawiera wyższy procent rodu niż termopara typu S, przez co jest ona droższa. Termopara typu R ma taką samą wydajność jak termopara typu S i może być używana w zastosowaniach niskotemperaturowych ze względu na swoją stabilność i wysoką dokładność. Ma zakres temperatur od -45°C do 1371°C. Czułość około 14 µV/°C.

Termopara typu S.

Termopara typu S-PtRh10-Pt jest używana w bardzo wysokich temperaturach w przemyśle biotechnologicznym i farmaceutycznym. Może być także wykorzystywana do zastosowań niskotemperaturowych ze względu na swoją dokładność i stabilność. Jej zakres temperatur pracy wynosi od -50°C do 1482°C. Czułość około 10 µV/°C.

Termopara typu P.

Natomiast termopara typu P ma taką samą krzywą w wysokich temperaturach jak termopara typu K i może być stosowana w środowiskach utleniających w zakresie temperatur sięgającym do 1260°C.

Czujniki temperatury rezystancyjne (RTD).

Zasada działania czujnika RTD, nieco podobna do termistora. Jest to platynowy drut lub cienka folia, czasami z dodatkiem innych metali szlachetnych, takich jak rod. Charakteryzuje się znaną rezystancją nominalną i dodatnią zmianą rezystancji w funkcji temperatury (tzn. dodatnim współczynniku temperaturowym). Czujniki RTD mogą być produkowane z różnymi wartościami rezystancji znamionowej, przy czym najbardziej powszechne są czujniki Pt100 i Pt1000 o rezystancji nominalnej odpowiednio 100Ω i 1000Ω w temperaturze 0⁰C. Powszechne sposoby konstruowania czujników obejmują nawijanie drutu platynowego wokół szklanego lub ceramicznego wspornika, lub wykorzystanie platyny w konstrukcji cienkowarstwowej.

Czujniki RTD mogą zapewniać pomiary temperatury z dobrą dokładnością w szerokim zakresie (od −200 °C do 850 °C). Zasada działania polega na pomiarze oporu elektrycznego elementu zwanego „elementem oporowym”, a temperatura jest określana na podstawie korelacji między zmianą oporu a temperaturą metalu, która jest w przybliżeniu liniowa w szerokim zakresie temperatur. Ich kluczowe cechy to wysoka stabilność, powtarzalność i dokładność, pod warunkiem, że są odpowiednio wysterowane przez źródło prądowe, a ich rezystancja jest mierzona jako napięcie na dwóch zaciskach za pomocą odpowiedniego układu analogowego. Zazwyczaj element oporowy jest podłączony do konfiguracji mostka pomiarowego, dostępne są różne konfiguracje połączeń: dwuprzewodowe, trzyprzewodowe i czteroprzewodowe, stosowane w celu kompensacji rezystancji przewodów.

Rys.1 Rezystancyjny czujnik temperatury PT-100 o krótkim czasie reakcji z przewodem kompensacyjnym.

Przy większych odległościach, do około 30m, stosuje się metodę trójprzewodową. Tutaj obwód monitoruje jedną stronę pętli prądowej za pomocą połączenia Kelvina, mierząc spadek napięcia na rezystancji pętli, a następnie kompensując ten spadek. Metoda ta zakłada, że spadek napięcia na drugim odprowadzeniu jest taki sam jak na odprowadzeniu Kelvina.

Metoda czteroprzewodowa wykorzystuje pełny pomiar Kelvina do monitorowania obu stron pętli prądowej czujnika RTD. Takie podejście zapewnia precyzję w eliminowaniu wpływu rezystancji przewodów, niezależnie od różnic pomiędzy dwoma przewodami źródła prądowego.

Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) są często używane w precyzyjnych zastosowaniach wymagających dokładności do dziesiątej części stopnia lub wyższej części stopnia i dlatego potrzebna jest linearyzacja. Linearyzacja może być realizowana przez obliczenia w oprogramowaniu lub przez tablicowanie. Dla bardzo dokładnej linearyzacji stosowane jest równanie Callendar-Van Dusena. Czujniki RTD są dokładniejsze niż termopary i z tego powodu powinny być stosowane do precyzyjnych pomiarów temperatury w wytłaczarkach.

Pomiar temperatury stopu polimerowego wewnątrz cylindra wytłaczarki za pomocą promieniowania podczerwonego IR

Koncepcja pomiaru temperatury za pomocą promieniowania podczerwonego IR opiera się na fakcie, że wszystkie materiały, których temperatura jest wyższa od zera stopni, emitują energię w postaci promieniowania podczerwonego. Ten sposób pomiaru temperatury to nieinwazyjna metoda, która mierzy temperaturę stopu poprzez wychwytywanie energii promieniowania IR emitowanej przez stopiony polimer. Pomiar jest dokonywany przez szafirowe okno połączone światłowodami z przetwornikiem. Sygnał prądowy można skorelować z rzeczywistą temperaturą źródła ciepła (tj. stopu polimeru). Regulacja emisyjności czujnika powinna odpowiadać charakterystykom emisji stopu polimeru. Związek między emitowaną energią a temperaturą jest podany przez równanie, które jest znane jako prawo Stefana Boltzmanna. Typowa głębokość pomiaru temperatury wynosi około 1-5 mm i jest zależna od właściwości materiału, w szczególności od emisyjności stopu, a zatem dość trudno jest określić rzeczywistą głębokość przepływu stopu, która jest istotna dla odczytu temperatury podawanego przez czujnik. Jedną z głównych zalet tych czujników jest ich krótki czas reakcji, który wynosi około 10 ms, a zatem mogą one wykrywać szybkie zmiany termiczne w przepływie stopu. Możliwe jest dokonanie 20 do100 pomiarów temperatury stopu w czasie jednej sekundy. Ponieważ końcówka sondy jest równa z wewnętrzną powierzchnią cylindra, zagląda do stopu całkowicie nieinwazyjnie, nie powodując żadnych błędów z powodu efektów ścinania polimeru lub pochłaniania ciepła.

Rys.2 Szafirowe okno 1/2-20UNF-2A do montażu światłowodowego pomiaru temperatury metodą IR.

Dlaczego okna szafirowe nadają się do pomiaru temperatury stopionego polimeru w wytłaczarkach?

Szafir jest pojedynczym kryształem - tlenku glinu (Al₂O₃) - który jest bezbarwny i optycznie czysty. Syntetyczny szafir jest hodowany w postaci brył o średnicy nie większej niż 300 mm o wysokiej czystości i optycznej przezroczystości. Okna szafirowe są niesamowicie twarde, mocne i odporne na zużycie. Mogą być narażone na ekstremalne środki ścierne, takie jak piasek i cząstki stałe, przy minimalnym wpływie na przejrzystość okna.

Dzięki temu okna szafirowe są idealnym materiałem do różnych zastosowań, takich jak wzierniki do wytłaczarek polimerów. Okna szafirowe wytrzymują ciśnienie jak żaden inny przezroczysty materiał, co sprawia, że okna szafirowe są materiałem transparentnym do urządzeń wysokociśnieniowych. W połączeniu z wyjątkową wydajnością termiczną i chemiczną szafiru, okno szafirowe jest dobrym narzędziem do pomiaru temperatury za pomocą promieniowania podczerwonego IR.

Okna szafirowe przepuszczają promieniowanie o długości fali poniżej 190 nanometrów do ponad 5 mikrometrów, dlatego jest idealnym materiałem do zastosowań UV i IR. Dzięki swojej odporności termicznej i chemicznej okno szafirowe może być wystawione na działanie ekstremalnych temperatur, znacznie większych niż jakikolwiek inny materiał, i nadal transmitować  promieniowanie UV, widzialne i IR przez lata bez degradacji. Okna szafirowe są idealnym materiałem do pirometrii w procesie wytłaczania. Przepuszczają szeroki zakres długości fal, jednocześnie bezpiecznie izolując gorące strefy do 2000^oC bez zmiany kształtu i minimalnego obniżenia parametrów mechanicznych.

Możliwe sposoby montażu sond do pomiaru temperatury w wytłaczarkach.

Rys. 3 Rodzaje oraz sposoby montażu czujników temperatury w wytłaczarkach polimerów.

Układ A ilustruje sondę, którą można zamontować równo ze ścianą cylindra/matrycy wytłaczarki, co nie zakłóca przepływu laminarnego stopionego polimeru. Taka sonda może zapewnić pomiar temperatury stopionego polimeru, który przepływa bardzo blisko ściany cylindra.

Układy B, C i D pokazują sondy jest zanurzone w stopie polimeru, mogą one mierzyć temperaturę stopu na pewnej głębokości wewnątrz przepływu. Są to jednak inwazyjne metody pomiaru temperatury (zakłócają one stabilność przepływu stopu), a odczyt temperatury może być zakłócony przez efekty nagrzewania ścinającego.

Układ E pokazuje czujniki produkowane z izolowanymi termicznie elementem termicznym. Izolowany czujnik jest wyposażony w wewnętrzną termiczną, aby uniknąć wpływu temperatury metalowej ściany cylindra na pomiar, podczas gdy konstrukcja nieizolowana nie obejmuje żadnych izolacji termicznej. Główne zalety tych typów montowanych w ścianie cylindra wytłaczarki czujników temperatury polegają na tym, że są łatwe w użyciu, a także powinny wymagać mniej konserwacji. Jednak ich pomiary mogą być w dużym stopniu zależne od ustawionej temperatury ściany cylindra/matrycy, a także nie są w stanie uchwycić szybkich zmian/odchyleń temperatury topnienia ze względu na ich stosunkowo długi czas reakcji wynoszący około 1sekundy.

Dobór długości końcówki pomiarowej zależy od średnicy kanału i lepkości tworzywa. Długość może wynosić od 0 do 25mm w odstępach co 5 mm. Czujniki pomiarowe są wyposażone w termopary Fe-CuNi typu J, L, NiCr-Ni typu K lub rezystory termometryczne Pt100.

Układ F Ten czujnik temperatury działa na tej samej zasadzie, co inne Czujniki montowane w ścianie cylindra wytłaczarki. Ma ona możliwość przesuwania sondy w górę lub w dół względem korpusu czujnika ręcznie lub mechanicznie. Dlatego ten czujnik może być stosowany do rejestrowania profilu temperatury promieniowo w poprzek przepływu stopu polimeru. Niektóre z problemów przypisywanych tej technice to efekty ścinania cieplnego i czas potrzebny, aby sonda osiągnęła równowagę w każdej pozycji pomiarowej. Zwykle średnica wynosi około 3 mm, a zatem przepływ stopu może zostać zakłócony przez sondę przechodzącą, powodując jednocześnie większe efekty ścinania cieplnego.

Układ G Ten czujnik temperatury zawiera 3-5 czujników zamontowanych w korpusie sondy w zdefiniowanych odległościach. Ma ona możliwość jednoczesnego pomiaru temperatur (profilu temperatury) promieniowo w poprzek przepływu stopu polimeru. Problemem tej techniki pomiaru są efekty ścinania cieplnego wynikające z wymiarów sondy Zwykle średnica wynosi około 4 mm, a zatem przepływ stopu może zostać zakłócony przez sondę przechodzącą, powodując jednocześnie większe efekty ścinania cieplnego.

Układ H oraz I ukazuje możliwość montażu większej ilości czujników temperatury w kanale, w którym płynie stop polimeru. Takie rozwiązanie pozwala jednocześnie mierzyć temperatury stopu w różnych miejscach kanału podczas wytłaczania i wykrywać niejednorodne temperatury, które występują w większości typowych operacji wytłaczania, zwłaszcza gdy wytłaczarka pracuje z dużą prędkością ślimaka i gdy temperatury stopu są wyższe niż temperatura cylindra.

Rys. 4 Czujniki temperatury stosowane w wytłaczarkach o różnym kształcie końcówki pomiarowej.

Rys. 5 Czujniki temperatury stosowane w wytłaczarkach o regulowanej długości końcówki pomiarowej.

Rys. 6 Czujniki temperatury o nieizolowanej i izolowanej termicznie końcówce pomiarowej.

Rys. 7 Czujniki temperatury stosowane w wytłaczarkach z różnymi kształtami końcówek pomiarowych.

Pomiary ciśnienia stopu w wytłaczarce za pomocą przetworników ciśnienia.

Ciśnienie stopu jest parametrem przepływu powszechnie mierzonym w wytłaczaniu polimerów głównie w pobliżu końcówki ślimaka i/lub w strefie matrycy. Wysokotemperaturowy przetwornik ciśnienia topnienia jest urządzeniem elektronicznym, które przekształca zmienną fizyczną (ciśnienie) w sygnał elektryczny odbierany przez różne urządzenia kontrolne, pomiarowe i regulacyjne. W tym celu membrana przetwornika jest połączona z mostkiem pomiarowym, który jest wrażliwy na niewielkie zmiany rezystancji. Sygnał wyjściowy z przetwornika ciśnienia może być prądowy 4-20 mA lub napięciowy 0-10V lub transmitowany za pomocą protokołów cyfrowych takich jak CanOpen, IO-LINK, HART) Cała konstrukcja jest więc tak zbudowana, aby przenosić nacisk wywierany przez medium na membranę stykową do części transdukcyjnej, czyli membrany pomiarowej, na której znajduje się tensometr, zwracając uwagę na to, aby znajdowała się ona z dala od źródła ciepła. Następnie mostek tensometryczny przekształca ciśnienie w sygnał elektryczny.

Rys.8 Czujnik seria HME firmy Gefran to przetworniki ciśnienia przeznaczone do stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze, specjalnie zaprojektowane do pomiaru ciśnienia stopu. Seria HME firmy Gefran to przetworniki ciśnienia z protokołem komunikacyjnym HART. Źródło materiały informacyjne firmy Gefran www.gefran.com.

Rys.9 Czujnik seria ME firmy Gefran to przetworniki ciśnienia przeznaczone do stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze, specjalnie zaprojektowane do pomiaru ciśnienia stopu. Źródło materiały informacyjne firmy Gefran www.gefran.com

W procesach wytłaczania zwłaszcza tych badawczych na znaczenie znajomości ciśnienia w strefach układu uplastyczniającego w celu monitorowania funkcjonalności procesu. Dla prawidłowej analizy procesu i rozwiązywania problemów bardzo pomocne byłoby posiadanie przetworników ciśnienia wzdłuż całej długości cylindra wytłaczarki. Niestety, jest to rzadkość w branży wytłaczania jednak bez przetworników ciśnienia wzdłuż cylindra nasza zdolność do skutecznego rozwiązywania problemów z wytłaczaniem jest znacznie zmniejszona.

Pomiar ciśnienia w strefach cylindra wytłaczarki można połączyć z pomiarem temperatury oraz konfiguracją ślimaka w danej strefie Zazwyczaj informacje dotyczące ciśnienia i temperatury stopu pomagają zrozumieć jakość funkcjonalną procesu i są bardzo przydatne w rozwiązywaniu problemów. Co więcej, te parametry zależą od właściwości materiału, geometrii maszyny i ustawień procesu. Oczywiste jest, że badanie wpływu parametrów wprowadzanych przez warunki przetwarzania na ciśnienie, właściwości stopu i przepustowość masową jest niezwykle istotne dla danego materiału i maszyny. Niektórzy badacze wykorzystują pomiary ciśnienia stopu jako ogólną miarę jakości funkcjonalnej procesu wytłaczania.

Ciśnienie stopu mierzone jest za pomocą przetwornika ciśnienia. Przetworniki ciśnienia mają cienką membranę, która styka się bezpośrednio ze stopionym tworzywem sztucznym. Wzrost ciśnienia stopu spowoduje odchylenie tej membrany, a ugięcie to jest miarą wielkości ciśnienia działającego na membranę. Istnieje kilka różnych typów przetworników ciśnienia. Budowa czujników oparta jest na dwóch głównych technologiach konstrukcyjnych: technologii ekstensometrycznego płynu wypełniającego pełniącego rolę przekładni hydraulicznej lub konstrukcji całkowicie bez płynów z krzemową technologią piezorezystancyjną.

Czujniki ciśnienia stopu w wytłaczarce wypełnione rtęcią.

Wiele kapilarnych przetworników ciśnienia jest wypełnionych rtęcią. Zasada działania opiera się na hydraulicznym przenoszeniu ciśnienia. Membrana kapilarnego przetwornika ciśnienia jest dość cienka, zwykle jej grubość wynosi od 0,100 do 0,125 mm - jest to mniej więcej grubość typowej kartki papieru. W rezultacie cienka membrana jest podatna na uszkodzenia mechaniczne. Gdy membrana przetwornika ciśnienia wypełnionego rtęcią pęknie, ciecz dostanie się do miejsca pracy i może zanieczyścić produkt. Z tego powodu przetworniki wypełnione rtęcią nie powinny być używane do wytłaczania materiałów medycznych, farmaceutycznych, wytłaczania opakowań do żywności lub żywności. Warto zauważyć, że ten rodzaj kapilarnego przetwornika ciśnienia jest często stosowany w przemyśle wytłaczania. Z technicznego punktu widzenia kapilarny przetwornik ciśnienia wypełniony rtęcią nie jest najlepszym rozwiązaniem. Ta seria przetworników ciśnienia przeznaczona jest do pracy w środowisku o wysokiej temperaturze.

Podstawowe parametry techniczne:

• Zakresy ciśnienia: 0-17 do 0-2000 barów
• Dokładność: < ±0,25% FS (H); < ±0,5% FS (M)
• Gwint 1/2-20UNF lub M18x1,5
• Temperatura pracy do 400°C

Czujniki ciśnienia stopu w wytłaczarce wypełnione mieszaniną sodu i potasu.

Przetworniki NAK jest przeznaczona do zastosowań w wysokich temperaturach, w których temperatury procesu mogą osiągnąć 540^oC takich jak polimery inżynieryjne o wysokiej temperaturze. Ta seria wykorzystuje standardowe zasady i konstrukcję czujników ciśnienia stopu, ale jako płynu hydraulicznego używa prawie nieściśliwego stopu NaK (Sód-Potas) do przenoszenia ciśnienia. Stop sodu z potasem, ciekły w temperaturze pokojowej ze względu na niebezpieczeństwo pożaru lub wybuchu w kontakcie stopu z powietrzem wszelkie operacje wykonuje się zwykle w próżni. Wielkość fizyczna ciśnienia jest przekształcana na sygnał elektryczny za pomocą technologii tensometrów. NaK jest substancją bezpieczną uznaną przez FDA. Ta seria przetworników ciśnienia przeznaczona jest do pracy w środowisku o wysokiej temperaturze do 540^oC. Wysokotemperaturowe czujniki ciśnienia należy stosować w przypadku wytłaczarek przeznaczonych do wytłaczania wysokotemperaturowych termoplastów oraz kompozytów takich jak PEEK i podobnych.

Podstawowe parametry techniczne:

• Zakresy ciśnienia: 0-17 do 0-1000 barów
• Dokładność: < ±0,25% FS (H); < ±0,5% FS (M)
• Gwint 1/2-20UNF lub M18x1,5
• Temperatura pracy do 540°C

Czujniki ciśnienia stopu w wytłaczarce wypełnione olejem diatermicznym.

Przetworniki tego typu są odpowiednie do stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze, średnia temperatura może wzrosnąć do 315°C przy zachowaniu bardzo dobrej stabilności. Zasada konstrukcyjna opiera się na hydraulicznym przenoszeniu ciśnienia. Pomiary fizyczne są przekształcane w pomiary elektryczne za pomocą technologii tensometrycznej. Płyn do napełniania czujników ciśnienia jest zatwierdzony przez FDA. Czujnik wypełniony olejem diatermicznym ma tę zaletę, że jest nietoksyczny, a zatem spełnia wymagania wielu krytycznych zastosowań w przemyśle spożywczym, medycznym i innych krytycznych zastosowaniach. Wadą systemu wypełnionego olejem jest to, że organiczny wkład olejowy może z czasem ulec degradacji w wysokich temperaturach. Podczas nieprzerwanej pracy w podwyższonych temperaturach wyższych niż 275°C niektóre cząsteczki o długich łańcuchach w oleju mogą ulegać degradacji i generować cząsteczki gazu. Podczas ciągłej pracy gazy te pozostają w roztworze w oleju i nie mają wpływu na działanie czujnika. Jeśli jednak czujnik zostanie przywrócony do temperatury pokojowej i zerowego ciśnienia, gaz może wydostać się z roztworu lub "odgazować" w krótkim czasie (od minut do godzin), tworząc pęcherzyk lub pęcherzyki w zamkniętym systemie napełnionym. W temperaturze pokojowej bez pracy i przy zerowym ciśnieniu gaz wywiera niewielkie dodatkowe ciśnienie, rzędu 4-8 barów, co powoduje pozorny wzrost wyjścia zerowego. Rzeczywista wielkość błędu będzie zależeć od procentowej zawartości oleju, która mogła ulec degradacji w czasie w temperaturze. Gdy czujnik zostanie przywrócony do pracy przy zwiększonym ciśnieniu i temperaturze, pęcherzyki gazu powrócą do roztworu. Testy wykazały, że gaz jest zwykle ponownie absorbowany w temperaturach przekraczających 100°C. Po ponownym wchłonięciu gazu czujnik odczytuje rzeczywiste ciśnienie z określoną dokładnością. Po zainstalowaniu czujnika i doprowadzeniu go do temperatury roboczej, a przed zastosowaniem ciśnienia, można go ponownie wyzerować bez żadnego wpływu na dokładność kalibracji.

Podstawowe parametry techniczne:

• Zakresy ciśnienia: 0-17 do 0-1000 barów.
• Dokładność: < ±0,25% FS (H); < ±0,5% FS (M)
• Gwint 1/2-20UNF lub M18x1,5
• Temperatura pracy do 315°C.

Czujniki ciśnienia stopu w wytłaczarce piezoelektryczne.

Ta nowoczesna technologia budowy czujników wykorzystuje czujniki ciśnienia z membraną, która jest połączona z przetwornikiem z materiału piezorezystancyjnego bez udziału płynu hydraulicznego. Zasada działania polega na tym, że opór przepływu prądu zmienia się, gdy materiał piezorezystancyjny jest naprężany lub ściskany. Zwykle ta zmiana oporu jest liniowa w funkcji przyłożonego naprężenia lub ściskania, a zatem sygnał elektryczny może być skorelowany z przyłożonym ciśnieniem. Technologia piezorezystancyjna jest w pełni wolna od płynów. Te innowacyjne czujniki to przetworniki, w których ciśnienie medium jest przenoszone bezpośrednio do krzemowego elementu czujnika przez grubą membranę o niezwykłej wytrzymałości mechanicznej około 15 razy większej niż w przypadku konwencjonalnego czujnika. Transdukcja naprężeń fizycznych powierzona jest mostkowi Wheatstone a wykonanemu za pomocą 4 piezorezystorów które charakteryzuje godna uwagi szybkość reakcji na zmiany ciśnienia stopu w wytłaczarce.

Podstawowe parametry techniczne:

• Zakresy ciśnienia: od 0-10 do 0-1000 barów
• Dokładność: < ±0,25% FS (H); < ±0,5% FS (M)
• Gwint 1/2-20UNF lub M18x1,5
• Temperatura pracy do 350°C.

Rys. 10 Innowacyjne czujniki ciśnienia stopu IMPACT to przetworniki ciśnienia, bez płynu przekładniowego, w których ciśnienie medium jest przenoszone bezpośrednio do krzemowego elementu czujnikowego przez grubą membranę. Transdukcja naprężeń fizycznych powierzona jest mostkowi Wheatstone a wykonanemu za pomocą 4 piezorezystorów. Źródło materiały informacyjne firmy Gefran www.gefran.com.

Obsługa czujników ciśnienia stopu polimerowego.

1. Upewnij się, że port, w którym zostanie zainstalowany czujnik, jest wolny od wszelkich pozostałości niestopionego polimeru z poprzednich procesów produkcyjnych. Osiąga się to za pomocą zestawu do czyszczenia otworów maszynowych.
2. W zastosowaniach, w których przetwornik będzie usuwany między seriami produkcyjnymi, takich jak wytwarzanie produktów spożywczych lub przewodów medycznych, należy usunąć czujnik tylko wtedy, gdy polimer osiągnie lub zbliży się do pełnej temperatury procesu. Zapewni to, że wyciągasz końcówkę przetwornika ze stopionego polimeru, a tym samym nie powoduje to nadmiernego efektu ciągnięcia membrany, który mógłby spowodować uszkodzenie końcówki i przetwornika.
3. Gdy czujnik zostanie usunięty z ekstrudera, a na końcówce znajdują się resztki materiału, nie wolno używać szczotki drucianej, koła drucianego lub ostrego narzędzia do jego usunięcia. Istnieją dwa dopuszczalne sposoby usuwania resztek materiału z końcówki dowolnego przetwornika ciśnienia:
   • Po wyjęciu czujnika Vertex ostrożnie wyczyść membranę miękką szmatką lub brązową wełną, gdy medium jest jeszcze plastyczne. Nie próbuj czyścić czujnika przez podgrzewanie zestalonego plastiku za pomocą palnika.
   • Można zastosować kąpiel rozpuszczalnikowa składająca się z glikolu która może być użyta do zmiękczenia polimeru i poprawy łatwości usuwania. Po prostu umieść końcówkę przetwornika ciśnienia (uważając, aby nie zanurzyć elektroniki) w kąpieli rozpuszczalnikowej na określony czas, do momentu, kiedy resztkowy polimer zmięknie. Kąpiel ta może być podgrzewana, aby zwiększyć efektywność i skrócić czas cyklu.

Rys.11 Widok membrany czujnika ciśnienia stopionego polimeru prawidłowo zamontowanego w otworze portu pomiarowego.

Pomiar momentu obciążenia ślimaków lub pomiary momentu obrotowego ślimaków wytłaczarki.

Moment obrotowy jest jednym z parametrów ściśle monitorowanych podczas wytłaczania, ponieważ koreluje z ilością siły potrzebnej do obrotu dwóch ślimaków. Przetwarzany polimer generuje zapotrzebowanie na moment obrotowy w pewnym zakresie podczas pracy w stanie ustalonym, co zależy od polimeru i jego masy cząsteczkowej. Należy jednak również podkreślić, że wytłaczarka ma ograniczenie co do wielkości momentu obrotowego, jaką może dostarczyć ze względów konstrukcyjnych oraz bezpieczeństwa użytkowania.

Dynamika momentu obrotowego obciążenia ślimaków wytłaczarek wydaje się oferować cenne szczegóły dotyczące mechanizmu przetwarzania i zachowania materiałów wewnątrz cylindra wytłaczarki. W idealnym przypadku zmiany momentu obrotowego obciążenia ślimaków mogłyby zapewnić integralny pomiar zachowania (stanu materiału polimerowego) na całej długości ślimaka i cylindra wytłaczarki, stąd mogłoby to mieć potencjał do zapewnienia wczesnego i również bardziej dogłębnego wskazania niestabilności przetwarzania. Zatem obserwacja dynamiki zmian obrotowego obciążenia śruby (wahań momentu obrotowego) na ślimakach, które zostały wygenerowane z powodu zmiennego zachowania materiałów podczas przetwarzania i analiza przyczyn związanych z tymi wahaniami momentu obrotowego powinny być przydatne do zrozumienia mechanizmu przetwarzania i zebrania przydatnych informacji do rozwiązywania problemów.

Bezpośrednie metody pomiaru momentu obrotowego ślimaków wytłaczarki.

Bezpośrednie pomiary momentu obrotowego obciążenia ślimaków można zrealizować za pomocą czujnika momentu obrotowego. Moment obrotowy można zmierzyć bezpośrednio, instalując czujnik momentu obrotowego, a następnie można monitorować dynamikę momentu obrotowego podczas obrotów ślimaków. Wytłaczarki mogą być wyposażone we wbudowane czujniki momentu obrotowego jednak nie są one powszechne, ponieważ wymagają odpowiedniego miejsca i są dość kosztowne. Szeroko stosowanym podejściem do pomiaru momentu obrotowego jest sprzęgło pomiaru momentu obrotowego. To sprzęgło zawiera wiele czujników tensometrycznych w określonym układzie. Czujniki tensometryczne mierzą moment obrotowy na podstawie ich odkształcenia i odpowiadającej mu zmiany rezystancji. Ponadto miernik momentu obrotowego zawiera również zaawansowane obwody elektroniczne do konwersji, filtrowania i wzmacniania sygnału oraz konwersji do ostatecznej postaci cyfrowej, którą można łatwo przesłać, wykorzystać w systemie sterowania lub poddać dalszemu przetwarzaniu. A rynku dostępne są różne produkty o różnych klasach dokładności. Naprawdę dobrą klasą jest 0,05% – prawdopodobnie wystarczająca do niemal każdego zastosowania. Inną wielkością jest powtarzalność. Można oczekiwać wartości około ± 0,02%. Miernik momentu obrotowego zazwyczaj nie ma dużej przeciążalności. Typowy maksymalny moment dynamiczny jest 1,5 krotnością momentu nominalnego. Jeśli próg zostanie przekroczony, miernik momentu obrotowego może zostać uszkodzony. W przypadku awarii moment obrotowy prawie na pewno przekroczy zakres miernika momentu obrotowego. Z tego powodu miernik należy zabezpieczyć przed nadmiernymi przeciążeniami za pomocą sprzęgła bezpieczeństwa (sprzęgła przeciążeniowego). Miernik momentu obrotowego jest dodatkowym elementem w ciągu wału napędowego. Dlatego zmienia zachowanie skrętne. Z mechanicznego punktu widzenia miernik momentu obrotowego jest dodatkowym sprzęgiem w systemie. Dlatego też powinien on tolerować pewne niewspółosiowości (takie jak niewspółosiowość promieniowa, osiowa i kątowa), które zawsze będą obecne.

Pośrednie metody pomiaru momentu obrotowego ślimaków wytłaczarki.

Pośredni pomiar momentu obrotowego śruby nie wymaga fizycznej instalacji mierników momentu obrotowego na maszynie. Można to osiągnąć po prostu monitorując zmienne elektryczne silnika wytłaczarki połączonego ze ślimakami. Podejścia do pośredniego szacowania momentu obrotowego za pomocą zmiennych elektrycznych silnika zależą od typu silnika podłączonego do wytłaczarki oraz zastosowanego przemiennika częstotliwości (falownika). Moment obrotowy silnika wraz z prędkością obrotową to najważniejsze wartość, którą należy kontrolować za pomocą falownika. Ale w jaki sposób mierzony lub(i) obliczany jest moment obrotowy silnika? Znajomość rzeczywistej wartości momentu obrotowego silnika jest kluczowa dla dobrej wydajności oraz bezpieczeństwa układu napędowego o zmiennej prędkości. Regulacja momentu obrotowego jest uważana za podstawowe zadanie napędów. Wiele napędów jest kontrolowanych prędkością. W algorytmach sterowania zaimplementowano również ograniczniki momentu obrotowego i rampy momentu obrotowego. Mają one chronić układy mechaniczne ślimaków przed nadmiernym momentem obrotowym. Z tych kilku linijek możemy już wyczytać, że informacje o momencie obrotowym silnika są niezbędne do optymalnego sterowania napędem i ochrony wytłaczarek. Większość zastosowań napędowych działa na zasadzie obliczania momentu obrotowego. Procesor falownika może obliczyć moment obrotowy wału silnika, na podstawie zmierzonych parametrów elektrycznych. Aby obliczyć moment obrotowy silnika, wystarczy pomiar prądu stojana silnika, informacje o strumieniu stojana, położeniu wirnika oraz znajomości modelu matematycznego silnika. Plus inteligentne oprogramowanie, które oblicza moment obrotowy silnika na podstawie tych danych. Brzmi to całkiem elegancko i łatwo. Nie są konieczne żadne dodatkowe czujniki do obliczenia momentu obrotowego silnika. Prąd stojana i tak musi być dokładnie mierzony do realizacji innych zadań sterowania, a zwłaszcza w celu skutecznej ochrony falownika, silnika i wytłaczarki. Strumień stojana jest określany przez całkowanie napięcia stojana. A położenie wirnika jest całką prędkości wirnika, którą można obliczyć nawet bez potrzeby enkodera prędkości. Zastosowanie enkodera obrotowego pozwala na dokładne określenie położenia wirnika i pozwala precyzyjnie i skutecznie regulować prędkość obrotowa silnika zwłaszcza w zakresie niskich obrotów. Zastosowanie pośredniej metody pomiaru momentu obrotowego w wytłaczarkach jest bardzo praktycznym rozwiązaniem, ponieważ pomiar jest dokładny i szybki oraz dostarcza dodatkowo wyniki precyzyjnych pomiarów prądu, mocy, częstotliwości, oraz ewentualnie zużycia energii. Wszystkie te parametry są wyświetlane oraz rejestrowane w sposób ciągły i mogą służyć a dalszej analizy. Należy zaznaczyć ze zawansowany technicznie falownik może dostarczyć znacznie więcej danych o pracy napędu wytłaczarki.

Rys.12 Zaawansowany technicznie napęd dwuślimakowej wytłaczarki laboratoryjnej o mocy 22 kW wyposażony w trzy sprzęgła przeciw przeciążeniowe oraz pomiar momentu obrotowego firmy SiTech3D.

Konkluzje dotyczące pomiaru temperatury, ciśnienia w cylindrach wytłaczarek oraz innych parametrów.

Temperatura topnienia dostarcza użytecznych informacji na temat stabilności termicznej procesu wytłaczania. Wydaje się, że większość wytłaczarek jest wyposażona w montowane w ścianie cylindra czujniki temperatury, których pomiary są w dużym stopniu zdominowane przez temperaturę grubej metalowej ściany cylindra. W tym przypadku zwłaszcza wytłaczarki laboratoryjne powinny być wyposażone w porty umożliwiające wprowadzanie sond do cylindra w każdej strefie cylindra. Bardzo ważne też jest zastosowanie odpowiednich regulatorów temperatury, które zapobiegają chwilowym przegrzaniom stref cylindra oraz odpowiednie rozmieszczenie czujników temperatury cylindra.
Możliwości pomiarowe czujników temperatury IR są obiecujące, ale są ograniczone pod względem głębokości penetracji i konieczności kalibracji. Ponadto pomiary profilu termicznego wyraźnie wykazały, że temperatura stopu znacznie różni się promieniowo w całym przepływie topnienia, a pomiary punktowe nie są w stanie uchwycić tych zmian. Oczywiste jest, że pomiary temperatury stopu są użytecznymi wskaźnikami stanu procesu. Monitorowanie (pomiar) temperatury w środowiskach badawczych może mieć wysoką dokładność pod warunkiem ze wytłaczarka będzie posiadała odpowiednie wyposażenie mechaniczne, elektryczne i elektroniczne.

Ciśnienie stopu jest również podstawowym pomiarem wytłaczania polimerów. Ważne jest mierzenie ciśnienia, aby obserwować jakość funkcjonalną procesu, a także zapewnić bezpieczeństwo procesu. Ponadto wydaje się, że sygnały ciśnienia stopu odzwierciedlają wahania procesu do znacznej głębokości, a zatem istnieje możliwość wyodrębnienia przydatnych informacji na temat stabilności procesu za pomocą pomiarów ciśnienia stopu.

Dynamika momentu obrotowego obciążenia ślimaków będzie przydatna w obserwacjach procesu wytłaczania, szczególnie w obserwowaniu wahań parametrów procesu. Najbardziej zaawansowane technicznie wytłaczarki firmy SiTech3D posiadają dodatkowe systemy pomiaru siły osiowej działającej na ślimaki które mogą pomóc w wyodrębnieniu przydatnych informacji na temat przebiegu wytłaczania.

Ostatecznie jasne jest, że obserwacja parametrów wytłaczania w czasie rzeczywistym jest niezwykle ważna dla obserwacji funkcjonalności procesu i jego stanu, szczególnie biorąc pod uwagę, że materiały są przetwarzane głównie w zamkniętych cylindrach wytłaczarek. Takie dane pomiarowe o procesie uzyskiwane w czasie rzeczywistym powinny pomóc w kontroli procesu wytłaczania i rozwiązywaniu problemów. Należy jednak wspomnieć, że wybór odpowiednich technik monitorowania powinien być starannie dokonywany w oparciu o wymagany poziom dokładności rejestrowania rzeczywistej dynamiki parametrów procesu. Jednakże, bez wątpienia polimery, tworzywa sztuczne, kompozyty matrycy polimerowej należą do głównych materiałów, których używamy w naszych codziennych zastosowaniach, a zatem dalsze ulepszenia są wysoce pożądane, aby jeszcze bardziej udoskonalić przetwarzanie polimerów, w szczególności w celu zaawansowanego monitorowania, optymalizacji i kontroli, a zatem ostatecznie w celu osiągnięcia jak najlepszej efektywności energetycznej.