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Bei herkömmlichen Schmelzedrucksensoren treten häufig Beschädigungen an den dünnen Messmembranen auf.
Mechanische Belastungen oder anhaftende Schmelze können die dünnen Membranen herkömmlicher Sensoren verformen (links) oder ganz abreißen (rechts) und damit zum Ausfall des Fühlers führen.
Schematischer Aufbau des Impact-Massedrucksensors mit seiner 1 bis 1,5 Millimeter dicken Membran (rot)
Füllmedienfrei – der piezoresistive Schmelzedrucksensor

Torsten Fuchs, Produktmanager Sensorik bei Gefran in Seligenstadt, erläutert die Anforderungen der Anwender: „In Verkaufsgesprächen fordern unsere Gesprächspartner aus dem Kunststoff- und Gummimaschinenbau und auch zunehmend in der Kunstoff und Gummi verarbeitenden Industrie eine Lösung der Überdruckabsicherung nach der neuen EN 1114-1.“ Das bedeutet, Kunststoffextruder und -schmelzepumpen sowie sonstige unter Überdruck stehenden Anlagenteile müssen gegen Überschreiten des maximal zulässigen Innendrucks gesichert sein. Für Druckaufnehmersysteme nach EN ISO 13849-1:2008, Performance Level c gilt damit, dass sie beim Erreichen eines Grenzwertes alle Druck erzeugenden Elemente über das Steuerungssystem abschalten.

Doch die extremen Bedingungen in der Schmelze beanspruchen die Drucksensoren stark. Eine zuverlässige Druckmessung ist deswegen nicht immer gegeben. Häufig treten bei herkömmlichen flüssigkeitsgefüllten Schmelzedrucksensoren mit dünnen Messmembranen durch Abrasion, Adhesion oder Korrosion Risse in der Membrane auf. Dabei ist nicht eindeutig zu erkennen, ob die Kunststoffschmelze den Riss wieder verschließt und so für einen plausiblen Druckwert sorgt. Speziell bei der Verarbeitung von Polycarbonat – beispielsweise zu Steg- und Wellplatten für die Bauindustrie – kommt es durch die anhaftende Schmelze zu Verformungen und damit falschen Messergebnissen oder zum Abreißen der Membran, was zum Totalausfall des Sensors führt. Andere moderne Materialien wie das zur Herstellung von Terrassenprofilen verwendete WPC (Wood Plastic Compound) sind abrasiv und zerstören auf Dauer die Sensormembran. Einige Unternehmen versuchen mit dem Einsatz von zwei herkömmlichen, redundanten Sensoren einen Sensorausfall zu erkennen und damit die Anforderungen der Extrudernorm zu erfüllen – eine vergleichsweise teure und aufwendige Alternative.

Widerstandsfähige Membran

Einen anderen Ansatz verfolgt der nach dem piezoresistiven Prinzip arbeitende Massedrucksensor Impact (Innovative Melt Pressure Accurate Transductor) von Gefran. Die Membran an der Fühlerspitze ist mit einer Dicke von 1 bis 1,5 mm um das 10- bis 15-fache stärker als die Membran herkömmlicher Sensoren. Zudem ist die Membran mit einer speziellen Verschleißbeschichtung vor dem Abschmirgeln durch abrasive Füllstoffe geschützt. Das patentierte Sensorelement ist ein Micro Electro Mechanical System (Mems), also eine Kombination von Sensoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat. In diesem Fall handelt es sich um einen quadratischen Silizium-Chip, der Membran und Messelement trägt. Das in der SOI-Technologie (Silicon On Insulator, Silizium auf Isolator) aufgebaute Sensorelement besteht aus einer Wheatstoneschen Messbrücke. Die piezoresistiven Widerstände der Messbrücke werden mittels Ionenimplantation auf das Substrat aus Silizium und der Isolationsschicht aus Siliziumoxid aufgebracht. Dabei sorgt die SiO2-Trennmasse dafür, dass der Sensor höhere Betriebstemperaturen aushält als herkömmliche piezoresistive Sensoren ohne eine solche Schicht: Der Chip arbeitet bei Temperaturen bis 350 °C. Ein fester, 5 mm langer Stößel überträgt den Druck von der Membran zum Chip. Das Sensorelement ist so empfindlich, dass die maximale Ausgangsspannung bereits bei einer Durchbiegung von 11 bis 14 µm bereit steht. Eine Materialermüdung ist aufgrund der geringen Durchbiegung auch bei dynamischen Prozessen ausgeschlossen. Damit eignet sich der Sensor neben der direkten Messung entlang der Extruderschnecke auch für Messungen direkt in der Düse von Spritzgießmaschinen.

Schwimmender Sensor

„Herkömmliche piezoresistive Druckmesssysteme verwenden Chipbonden zur Befestigung der Sensoren. Dies kann jedoch bei hohen Temperaturen zu Ausdehnungsdifferenzen  – einem CTE-Mismatch – und damit zu einer Verfälschung des Sensor-Ausgangssignals führen. Der Sensor verzichtet auf Chipbonden und verwendet stattdessen das Floating-Konzept. Dabei sitzt der Sensor schwimmend in einem Keramikgehäuse aus Kovar – einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Ein Stößel und die enge Toleranz des Keramikträgers sorgen für die Befestigung bei konstanter Kraft-Weg-Übertragung. Mit diesem Konzept lassen sich auch flüssige Druckübertragungsmedien wie Quecksilber, Öl oder NaK und deren komplizierte Befüllung vermeiden. Da der Sensorchip auf der SOI-Technologie basiert, kann er problemlos im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden“, erklärt Dr. Ha-Duong Ngo, Leiter des Instituts für Mikrosensorik und Aktuatortechnologie der Technischen Universität Berlin (TUB). Er und sein Vorgänger Dr. Ernst Obermeier entwickelten mit ihrem Team den Sensor gemeinsam mit Gefran in rund fünf Jahren. Dabei übernahm das Team der TUB die Entwicklung von Design, Simulation und Prozess des SOI-Sensorelements. Das Unternehmen steuerte die Entwicklung des gesamten Sensorgehäuses bei. „Der Impact kann ohne konstruktive Eingriffe angebracht werden und eignet sich auch für die Nachrüstung bestehender Anlagen“, erklärt Torsten Fuchs. Auch der Austausch gegen bereits installierte Massedrucksensoren ist möglich, da der Sensor über die in der Extrusion üblichen Druckanschlüsse und Ausgangssignale verfügt. Weil er klein ist, eignet er sich besonders für die punktuelle Druckmessung.

Erfahrungen aus der Praxis

Hersteller von Extrudern und Extrusionsanlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen wie Battenfeld-Cincinnati oder Kraussmaffei Berstorff verbauen den Sensor in ihren Ein- oder Doppelschneckenextrudern mit Extrudersteuerung und setzen ihn darüber hinaus auch in Anwendungen mit Schmelzepumpen ein, die sie mit CE-Zertifikat oder Einbauerklärung ausliefern. „Der Impact zeigt mit dem Istwert des Kunststoffschmelze-Massedrucks einen der wichtigsten Prozessparameter an und sorgt dafür, dass der Extruder gemäß der neuen Extrudernorm sicher abgeschaltet wird“, erläutert Stefan Jovers, der für die Elektrokonstruktion bei Kraussmaffei Berstorff verantwortlich ist. Walter Kölbl, Direktor Electrical Engineering & Automation bei Battenfeld-Cincinnati betont: „Der Massedrucksensor erfüllt die mit der neuen Norm einhergehenden Sicherheitsanforderungen in einer für unsere Endkunden zumutbaren Art und Weise. Bei der Sensor-Lösung benötigen wir lediglich einen einzigen Sensor. Dieser wird zudem sämtlichen Anforderungen gerecht und lässt sich dabei genauso handhaben wie herkömmliche Massedruckfühler. Er misst absolut exakt, benötigt dazu jedoch eine Kalibrierung für den Druck-Nullpunkt im aufgeheizten Zustand.“ Andere Lösungen hätten für den Endkunden gravierende Nachteile, so Kölbl. Es wären pro Messstelle zwei flüssigkeitsgefüllte Sensoren sowie eine kostenintensive Auswertelektronik erforderlich. Bei Verwendung mechanischer Lösungen wie Sollbruchstellen, Berst- oder Dehnschrauben würden die Sicherheitsvorkehrungen zerstört, was zu einem Austritt von heißer Schmelze und damit zu neuen Gefahren führe, die ihrerseits durch weitere Maßnahmen unterbunden werden müssen. Zudem müsse der Anwender für solche Verschleißteile Ersatz vorhalten. Battenfeld-Cincinnati hält das für praxisuntauglich und unzumutbar für seine Kunden. Darüber hinaus misst der Impact-Fühler elektronisch, also ohne das üblicherweise verwendete Füllmedium Quecksilber. „Das schont die Umwelt und entspricht heute schon der ab 2017 in Kraft tretenden neuen RoHS-Richtlinie 2011/65/EU, die Quecksilber auch aus industriellen Messinstrumenten verbannen will“, so Kölbl.

Die Selbstüberwachung des Massedrucksensors erfasst, ob ein Leitungsbruch vorliegt, ein Sensor defekt ist, fehlt oder ob die Hilfsenergie weggefallen ist. Er überwacht die Versorgungsspannung und geht bei kritischen Abweichungen vom Sollwert in den Fehlerzustand, schaltet also ab. Zudem meldet er Druckunter- und -überschreitungen, überwacht die interne Spannung und zeigt fehlerhafte Programmabläufe an. Auch ein Überschreiten der maximalen Temperatur an der Elektronik sowie Fehler im Sensorsignalausgang oder in der ersten Verstärkerstufe zeichnet er auf. Der Sensor erfüllt die Namur-Richtlinien NE21 (Elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln der Prozess- und Labortechnik) und NE43 (Vereinheitlichung des Signalpegels für die Ausfallinformation von digitalen Messumformern mit analogem Ausgangssignal). Das Unternehmen liefert den Sensor auf Wunsch mit einem Relais zur Überdruckabschaltung. Als nächste Weiterentwicklung soll der Sensor in Temperaturbereichen bis  400 °C bestehen.