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Rohr-im-Rohr sorgt für einfachen Anschluss

Der Aufbau des Online-Rheometers ViscoSensor beinhaltet zahlreiche kostensenkende Faktoren
Rohr-im-Rohr sorgt für einfachen Anschluss

Der ViscoSensor ist ein Online-Rheometer für Kunststoffschmelzen. Er arbeitet mit Massedruckaufnehmern, um genaue und wiederholbare Messungen des Drucks der Kunststoffschmelze durchzuführen und kann in zwei Prüfmodi arbeiten: dem schubspannungsgeregelten Modus, in dem der Schmelzindex gemessen wird, oder dem schergeschwindigkeitsgeregelten Modus, in dem die scheinbare Viskosität gemessen wird.

Das charakteristische Merkmal des ViscoSensors ist seine konzentrische Verbindungsleitung, die als Rohr-im-Rohr-Anordnung aufgebaut ist. Dieser Aufbau verleiht dem Gerät viele kostensenkende Eigenschaften. So genügt beispielsweise eine einzige M18-Gewindebohrung, um den ViscoSensor an fast allen Extrudern, Reaktoren oder Kunststoffschmelzeleitungen zu installieren. Diese Druckaufnehmerbohrung sowie die kleinen Abmessungen vereinfachen die Installation und senken die Installationskosten. Durch die Anordnung der beiden Schmelzepumpen in einem Pumpengehäuse wird zum Antrieb nur ein einziger Motor benötigt.

Funktionsweise
Im Betrieb fließt die Kunststoffschmelze aus einem Extruder, einem Reaktor oder einer Kunststoffschmelzeleitung durch das innere Rohr der konzentrischen Verbindungsleitung in den ViscoSensor (Abb. 1). Die Kunststoffschmelze wird durch die erste Schmelzepumpe gefördert, wo die Strömungsgeschwindigkeit normalisiert und die Schmelze vom Prozessdruck isoliert wird. Der Massedruck der Kunststoffschmelze wird durch je einen Druckaufnehmer vor und hinter der Kapillardüse gemessen. Aus den beiden gemessenen Drücken wird die Druckdifferenz ermittelt, aus der wiederum die Schubspannung berechnet wird. Die Temperatur der Kunststoffschmelze wird mit einem Widerstandsthermometer gemessen, das sich neben dem zweiten Druckaufnehmer befindet. Anschließend gelangt die Kunststoffschmelze in die zweite Schmelzepumpe und wird von dieser durch das äußere Rohr der konzentrischen Verbindungsleitung zurück in den Prozess gefördert. Alle Ausgangsdaten, darunter Motor- und Pumpendrehzahl, Temperatur und Druck1 und 2, werden fortlaufend von der Auswerteeinheit erfasst. Der Computer berechnet aus diesen Daten den Schmelzindex oder die scheinbare Viskosität. Der ViscoSensor kann in zwei Prüfmodi arbeiten: dem Schmelzindex-Modus (schubspannungsgeregelter Modus), in dem die Motordrehzahl verändert wird, um die Druckdifferenz konstant zu halten, oder dem Viskositäts-Modus (schergeschwindigkeitsgeregelter Modus), in dem die Motordrehzahl konstant gehalten und die Änderung der Druckdifferenz fortlaufend gemessen wird.
Auswerteeinheit
Regelung und Auswertung erfolgen über die Auswerteeinheit RCU (Rheology Control Unit). In ihrem Gehäuse aus rostfreiem Stahl befinden sich der Mikrocomputer, die Stromversorgung, die Regler für die Motordrehzahl sowie die Signalaufbereitung für die Massedruckaufnehmer und die Widerstandsthermometer zur Messung der Schmelzetemperatur (Abb. 2). Es kann ausgestattet werden mit bis zu zehn analogen 4…20 mA-Ein-/Ausgängen zur Abbildung von Temperatur, Druck1 und 2, Motordrehzahl, Schmelzindex oder scheinbarer Viskosität. Zusätzlich können bis zu sieben digitale Ein-/Ausgänge vorgesehen werden. Die RCU hat eine serielle RS232- und eine RS485-Schnittstelle, über die das Prozessleitsystem der Anlage fortlaufend die vom ViscoSensor ermittelten Schmelzindex- und Viskositäts-Messdaten erfassen kann.
Der ViscoSensor liefert dabei für einen weiten Bereich von Schergeschwindigkeiten und Schubspannungen hochgenaue und wiederholbare Messdaten. Einige Kunststoffe, die in einer Anwendung geprüft werden sollten, wurden zunächst mit einem Dynisco-Kapillarrheometer der LCR-Serie analysiert. Anschließend wurden die ermittelten Messdaten mit den Messergebnissen des ViscoSensors verglichen. Die Messdaten des ViscoSensors stimmten exakt mit den Laborwerten überein, wie Abbildung 3 zeigt.
Unabhängigkeit vom Prozess
Ein wichtiges Kriterium für das Betriebsverhalten eines Online-Rheometers ist seine Unabhängigkeit vom Prozess. Dies bezieht sich auf die Fähigkeit des Rheometers, Veränderungen der Prozessbedingungen und Temperaturschwankungen auszugleichen. Beim Test in Abbildung 4 wird sowohl für den ViscoSensor als auch für den Prozess zu Beginn eine Solltemperatur von 200°C eingestellt und die Viskosität gemessen. Anschließend wird die Schmelzetemperatur des Extruders auf ca. 15°C über den Sollwert erhöht, danach auf 10°C unter den Sollwert gesenkt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, bleibt während des gesamten Tests die gemessene Viskosität auf dem gleichen Wert. Dies zeigt, dass beim ViscoSensor die Temperatur der Kunststoffschmelze innerhalb des Rheometers auf 200°C konstant gehalten wird.
Ansprechzeit
Ebenfalls ein wichtiges Kriterium bei einem Online-Rheometer ist seine Ansprechzeit. Sie besagt, wie schnell das Gerät auf Viskositätsänderungen in einem Prozess reagiert. Natürlich hängt dies von vielen Faktoren ab, u.a. dem Volumen des Rheometers (12cm³ beim ViscoSensor), den Viskositäten der Kunststoffvarianten und der Drehzahl des Rheometers. Abbildung 5 zeigt die kurze Ansprechzeit des ViscoSensors, wenn zwei thermoplastische Elastomere (TPE) von unterschiedlicher Qualität gemessen werden. Bei 220°C hat das erste TPE eine Viskosität von 350Pas und das zweite von 520Pas. Wie das Diagramm zeigt, beträgt die Zeit beim Übergang vom ersten auf den zweiten TPE weniger als zehn Minuten bei einer Schergeschwindigkeit von 2201/s. Eine Veränderung der Viskosität wird somit sehr früh erkennbar und die Ansprechzeit liegt im Bereich von weniger als einer Minute.
E cav 271
IM DETAIL Technische Daten
Schmelzindex: 0,1 bis 1500g/10min
Dynamischer Bereich: 25:1
Viskosität: 10 bis 105 Pas
Schubspannung: 3 Pa bis 800 kPa
Schergeschwindigkeit: 0,1 bis 4000 s-1 (Standard-Düsen)
Düsen: 1 bis 5 mm; 10 bis 40:1 L/D
Temperaturbereich: 40 bis 350°C
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