DE19944709A1

DE19944709A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Führung einer Polymerschmelze

Info

Publication number: DE19944709A1
Application number: DE19944709A
Authority: DE
Inventors: Hermann Westrich; Tobias Binner
Original assignee: Barmag AG; Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: SAURER GMBH & CO. KG, 41069 MOENCHENGLADBACH, DE
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2000-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Führung einer Polymerschmelze mit einer Schmelzeleitung. Die Schmelzeleitung ist einem Fördermittel nachgeordnet und führt die Polymerschmelze in einem Schmelzestrom. Hierbei wird der Schmelzestrom mittels eines Ultraschallimpulses sensiert. Dabei ist ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger an der Schmelzeleitung derart angebracht, daß der Ultraschallimpuls den Schmelzestrom durchdringt und anschließend vom Ultraschallempfänger aufgenommen wird. Aus dem empfangenen Ultraschallimpuls wird durch den Ultraschallempfänger ein Ausgangssignal zur Bestimmung eines Parameters der Polymerschmelze erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung einer Polymerschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Führung einer Polymerschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Bei einer kontinuierlichen Verarbeitung von Kunststoffschmelzen zu Fertigprodukten wie beispielsweise Fäden, Folien oder Bändchen ist für die Qualität des Fertigproduktes die Schmelzeführung ein wesentliches Kriterium. Der von einem Fördermittel erzeugte Schmelzestrom sollte dabei möglichst gleichmäßig und mit möglichst gleichmäßigen Eigenschaften der Endverarbeitung zugeführt werden. So wird beispielsweise bei einer aus der EP 0 580 071 bekannten Vorrichtung der Schmelzedruck mittels eines Sensors in einer Schmelzeleitung erfaßt und einer Extrudersteuerung aufgegeben. Damit läßt sich der Schmelzestrom mit im wesentlichen gleichbleibender Druckeinstellung in der Schmelzeleitung führen.

Neben dem Schmelzedruck sind die Schmelzetemperatur, die Schmelzeströmung und die Schmelzeviskosität relevante Parameter, um eine gleichmäßige Qualität des Fertigproduktes zu gewährleisten.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine insbesondere auf die physikalischen Eigenschaften der Polymerschmelze gezielte gleichmäßige Führung eines Schmelzestroms ermöglichen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität der Polymerschmelze zur Verfügung zu stellen, welches im Online- Betrieb in einem Prozeß einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Schallwellen in ihrer Ausbreitung durch ein strömendes Medium beeinflußt werden. Die Beeinflussung können hierbei durch Laufzeitunterschiede, Frequenzänderungen oder Phasenverschiebungen registriert werden. Hierzu wird mittels eines Ultraschallsenders ein Ultraschallimpuls abgegeben, der den Schmelzestrom durchdringt und anschließend von einem Ultraschallempfänger empfangen wird. Der Ultraschallempfänger erzeugt ein Ausgangssignal, welches von den Änderungen des Ultraschallimpulses abhängt. Damit können Parameter des Schmelzestroms wie z. B. die Durchflußmenge ermittelt werden, ohne daß der Schmelzestrom behindert wird. Damit lassen sich auch vorteilhaft dynamische Strömungsvorgänge des Schmelzestroms erfassen. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger können hierbei vorteilhaft direkt an der Außenwand der Schmelzeleitung befestigt werden, da bekanntlich Ultraschallwellen auch Festkörper durchdringen.

Das Ausgangssignal wird vorteilhaft durch einen Vergleich zwischen dem empfangenen Ultraschallimpuls und dem gesendeten Ultraschallimpuls erzeugt. Hierbei werden die durch die Schmelze bedingten Veränderungen besonders deutlich.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels einer Auswertelektronik im Ultraschallempfänger aus dem empfangenen Ultraschallsignal die Viskosität der Polymerschmelze ermittelt. Hierzu kann in der Auswertelektronik ein Kennlinienfeld hinterlegt sein, um aus dem empfangenen Ultraschallimpuls die entsprechende Viskosität zu bestimmen. Es ist jedoch auch möglich, über Rechnungen bzw. Fuzzy-Logiken eine Auswertung der Empfangssignale vorzunehmen. Dabei können die Viskositätswerte zur Anzeige gebracht werden oder zur Qualitätsbewertung herangezogen werden. Die Bestimmung der Viskosität der Polymerschmelze innerhalb des Schmelzestroms ist zur Führung der Polymerschmelze besonders vorteilhaft, da bekanntlich die Viskosität einer Schmelze temperaturabhängig ist. Damit läßt sich über die Viskosität die Schmelzetemperatur ermitteln.

Um bei der Führung der Polymerschmelze die Gleichmäßigkeit des Schmelzestroms zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Ausgangssignal des Ultraschallempfängers einer Steuereinheit aufgegeben wird, die in einem Regel- oder Steuerkreis zur Beeinflussung des Schmelzestroms eingeschlossen ist. Damit kann registrierten Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten schnell entgegengewirkt werden.

Besonders vorteilhaft kann hierbei das Ausgangssignal in einer Temperaturregelung der Polymerschmelze einbezogen werden. Diese Variante der Erfindung ist besonders vorteilhaft, um eine möglichst gleichbleibende Viskosität der Polymerschmelze zu erreichen. Durch die Temperaturregelung läßt sich im wesentlichen eine Regelung der Viskosität vornehmen.

Ebenso dient eine weitere Ausführung der Erfindung dazu, um mit dem Ausgangssignal des Ultraschallempfängers die Förderleistung des Fördermittels zu steuern. Damit können vorteilhaft Durchflußabweichungen im Schmelzestrom minimiert werden. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Durch die Erfindung wird zudem ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Polymerschmelze gegeben, das schnell und problemlos operative Kontrollmessungen ohne Eingriff in den Schmelzestrom ermöglicht. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß in Abhängigkeit von der Viskosität der Polymerschmelze sich die Ausbreitungseigenschaft der Ultraschallwellen in der Polymerschmelze ändern. Aus dieser Änderung der Ausbreitungseigenschaft, die durch Laufzeitunterschiede, Pegelunterschiede, Frequenzunterschiede oder Phasenunterschiede registriert werden, läßt sich das empfangene Ultraschallsignal zu einem Viskositätswert auswerten. Zur Auswertung können formelmäßige Abhängigkeiten, Kennlinienfelder, Fuzzy-Logiken oder neuronale Netze eingesetzt werden. Die Ergebniswerte werden dabei vorzugsweise zu Anzeige gebracht oder zur Qualitätsbewertung herangezogen.

Um möglichst eine hohe Meßempfindlichkeit zu erreichen, ist die Ultraschallstrecke im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Schmelzestroms ausgebildet. Dabei wird der gesamte Querschnitt des Schmelzestroms von dem Ultraschallimpuls gleichmäßig durchdrungen.

Bei der Verfahrensvariante, bei welcher die Viskosität aus der Laufzeitdifferenz ermittelt wird, ist die Anordnung des Ultraschallsenders und des Ultraschallempfängers besonders günstig, bei welchem zwischen dem Sender und dem Empfänger der Ultraschallimpuls an der gegenüberliegenden Wandung der Schmelzeleitung reflektiert wird. Es ist jedoch auch möglich, den Sender und den Empfänger in gleicher Höhe in einer Wand zu plazieren. Dabei wird der Effekt der Schallmitnahme durch die Schmelze ausgenutzt.

Die Erfindung wird im nachfolgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Temperaturregelung;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Regelung der Förderleistung.

In Fig. 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einer Schmelzeleitung 2, die an einem Ende mit einem Fördermittel 4 verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende (hier nicht gezeigt) kann beispielsweise mit einem Extrusionswerkzeug verbunden sein. Das Fördermittel 4 ist an einer Zuführung 5 angeschlossen. Am Umfang der Schmelzeleitung 2 ist ein Ultraschallsender 6 und ein Ultraschallempfänger 7 angeordnet. Der Ultraschallsender 6 und der Ultraschallempfänger 7 sind derart beabstandet voneinander an der Schmelzeleitung 2 angebracht, daß der von dem Ultraschallsender 6 abgegebene Ultraschallimpuls den Querschnitt der Schmelzeleitung 2 durchdringt und anschließend von dem Ultraschallempfänger 7 empfangen wird. Der Ultraschallempfänger 7 ist mit einer Ausgabeeinheit 21 gekoppelt.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird dem Fördermittel 4 über die Zuführung 5 ein Kunststoff in Form von Granulat oder Schmelze zugeführt. Das Fördermittel 4 kann beispielsweise als Pumpe oder Extruder ausgeführt sein. Das Fördermittel 4 erzeugt einen Schmelzestrom 1, so daß die Polymerschmelze die Schmelzeleitung 2 in dargestellter Pfeilrichtung durchströmt. Der Ultraschallsender 6 sendet einen Ultraschallimpuls 8 aus, der im wesentlichen quer zum Schmelzestrom 1 die Schmelzeleitung 2 durchdringt. Hierbei ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses 8 von der Schmelzeströmung und der Polymerschmelze abhängig. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird nun der Ultraschallimpuls 8 durch die dem Eintritt gegenüberliegende Rohrwand teilreflektiert. Der reflektierte Anteil des Ultraschallimpulses wird von dem Ultraschallempfänger 7 empfangen. Der empfangene Ultraschallimpuls weist nun in Abhängigkeit von der Schmelzeströmung und der Polymerschmelze Unterschiede auf, die sich beispielsweise in der Laufzeit, dem Pegel, der Frequenz oder der Phase bemerkbar machen und registriert werden. Aus diesen gemessenen Unterschieden können nun Parameter ermittelt werden, die den momentanen Schmelzestrom oder die momentane Polymerschmelze charakterisieren. Als Parameter können dabei die Viskosität, die Durchflußmenge, die Schmelzezusammensetzung, die Schmelzetemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit oder andere physikalische Eigenschaften der Polymerschmelze ermittelt werden. Die Parameter können hierbei über die Ausgabeeinheit 21 angezeigt werden oder zur Qualitätsauswertung weitergeleitet werden.

Um einen Parameter aus dem empfangenen Ultraschallsignal zu ermitteln, weist der Ultraschallempfänger 7 eine Auswertelektronik auf. Die Auswertelektronik kann hierbei durch eine Recheneinheit oder eine Fuzzy-Logik gebildet werden.

Die Anordnung des Ultraschallsenders 6 und des Ultraschallempfängers 7 ist in Fig. 1 beispielhaft angegeben. Der besondere Vorteil der dargestellten Anordnung liegt darin, daß sowohl der Sender als auch der Empfänger in einem Meßkopf integriert sind. Es ist besonders von Vorteil, da derartige Schmelzeleitungen in der Regel mit Heizmänteln umgeben sind, die eine Temperierung der Schmelze vornehmen. Somit ist der Heizmantel nur an einer Position zu unterbrechen. Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, daß der Ultraschallsender 6 und der Ultraschallempfänger 7 sich derart gegenüberstehen, daß der Ultraschallsender auf der einen Seite der Schmelzeleitung und der Ultraschallempfänger auf der gegenüberliegenden Seite der Schmelzeleitung angebracht sind. Dabei wird der vom Sender abgestrahlte Ultraschallimpuls direkt vom Empfänger aufgenommen.

Der Ultraschallempfänger kann kontinuierlich oder zeitgesteuert einen Ultraschallimpuls abgeben. Für den Fall, daß die Ausgangssignale des Ultraschallsenders 7 in einer Steuerung oder Regelung einbezogen sind, wird in regelmäßiger Zeitfolge oder kontinuierlich ein Ultraschallimpuls von dem Ultraschallsender 6 erzeugt. In den Fällen, in denen nur Betriebskontrollen, um beispielsweise die Viskosität der Schmelze zu bestimmen, wird ein Einzelimpuls von dem Ultraschallsender 6 erzeugt.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Hierbei ist das Fördermittel als ein Extruder 17 ausgeführt. Der Extruder 17 wird über einen Antrieb 19 angetrieben. Auf der Ausgangsseite des Extruders 17 ist eine Heizeinrichtung 20 angeordnet. Dem Extruder 17 wird über einen Trichter 18 ein Kunststoffgranulat zugeführt. Innerhalb des Extruders 17 wird das Kunststoffgranulat zu einer Polymerschmelze extrudiert. Vor Austritt aus dem Extruder 17 in eine an dem Extruder 17 angeschlossene Schmelzeleitung 2 wird die Polymerschmelze über die Heizeinrichtung 20 temperiert. Die Polymerschmelze wird als Schmelzestrom in der angeschlossenen Schmelzeleitung 2 vom Extruder weggeführt. An der Schmelzeleitung 2 sind ein Ultraschallsender 6 und ein Ultraschallempfänger 7 angebracht. Hierbei ist die Anordnung, wie bereits zuvor in Fig. 1 dargestellt, gewählt. Insoweit wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 Bezug genommen. Der Ultraschallempfänger 7 ist mit einer die Heizleistung des Heizers 20 regelnden Steuereinheit 16 verbunden. Hierbei wird der Steuereinheit 16 eine Sollvorgabe vorgegeben, die zu einer bestimmten Einstellung der Heizleistung der Heizvorrichtung 20 führt. Durch den Ultraschallempfänger wird aus dem empfangenen Ultraschallsignal die Viskosität der Polymerschmelze ermittelt. Das der momentanen Viskosität entsprechende Ausgangssignal des Ultraschallempfängers 7 wird der Steuereinheit 16 aufgegeben. In der Steuereinheit 16 erfolgt sodann ein Abgleich zwischen einem Sollwert und dem Meßwert. Bei entsprechender Abweichung wird die Heizeinrichtung 20 geregelt. Der Sollwert kann ein Viskositätswert oder bei einer Temperaturregelung auch eine Temperatur-Viskositäts-Kennlinie sein.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Spinnanlage dargestellt. Hierbei ist die Schmelzeleitung 2 zwischen einer Spinnpumpe 9 und einem Spinnbalken 11 angeordnet. An der Schmelzeleitung 2 sind, wie zu Fig. 1 bereits beschrieben, ein Ultraschallsender 6 und ein Ultraschallempfänger 7 angeordnet. Der Ultraschallempfänger 7 ist mit einer Steuereinheit 16 verbunden. Die Steuereinheit 16 ist mit einem Antrieb 10 gekoppelt, welcher die Spinnpumpe 9 antreibt. Der Spinnbalken 11 weist auf seiner Unterseite eine Spinndüse 12 auf. Die Spinndüse 12 enthält eine Vielzahl von Düsenbohrungen, durch die Polymerschmelze zu feinen strangförmigen Filamenten 13 extrudiert wird. Die Filamente 13 werden durch einen Fadenführer 14 zu einem Faden 15 zusammengeführt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung wird ein Schmelzestrom über die Zuführleitung 5 der Spinnpumpe 9 aufgegeben. Die Spinnpumpe 9, die als Einzelpumpe oder auch als Mehrfachpumpe ausführbar ist, fördert die Schmelze über die Schmelzeleitung 2 zu dem Spinnbalken 11. In dem Spinnbalken 11 wird die Schmelze zu Filamenten extrudiert. Um den Schmelzestrom zwischen der Spinnpumpe 9 und dem Spinnbalken 11 in der Schmelzeleitung 2 gleichmäßig zu führen, wird über die Ultraschallsensoren ein Parameter oder mehrere Parameter des Schmelzestroms bzw. der Polymerschmelze erfaßt und der Steuereinrichtung 16 aufgegeben. Hierbei könnte beispielsweise die Durchflußmenge ermittelt werden. In der Steuereinheit 16 erfolgt ein Soll/Ist-Vergleich, so daß bei unzureichender Durchflußmenge die Förderleistung der Spinnpumpe 9 durch die Antriebssteuerung erhöht wird. Dadurch wird gewährleistet, daß ein gleichmäßiger Schmelzestrom dem Spinnbalken 11 zugeführt wird.

Bezugszeichenliste

1

Schmelzestrom

2

Schmelzeleitung

3

Rohrwand

4

Fördermittel

5

Zuführung

6

Ultraschallsender

7

Ultraschallempfänger

8

Ultraschallimpuls

9

Spinnpumpe

10

Antrieb

11

Spinnbalken

12

Spinndüse

13

Filamente

14

Fadenführer

15

Faden

16

Steuereinheit

17

Extruder

18

Trichter

19

Antrieb

20

Heizeinrichtung

21

Ausgabeeinheit

Claims

1. Vorrichtung zur Führung einer Polymerschmelze mit einer Schmelzeleitung (2), welche einem Fördermittel (4) nachgeordnet ist und welche von der Polymerschmelze in einem Schmelzestrom durchströmt wird, und mit einem Sensor (6, 7) zur Erfassung eines Parameters des Schmelzestroms, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch einen Ultraschallsender (6) und einen Ultraschallempfänger (7) gebildet wird, und daß der Ultraschallsender (6) und der Ultraschallempfänger (7) derart an der Schmelzeleitung (2) angebracht sind, daß ein vom Ultraschallsender (6) erzeugter Ultraschallimpuls den Schmelzestrom durchdringt und anschließend vom Ultraschallempfänger (7) aufgenommen wird, wobei ein Ausgangssignal zur Bestimmung des Parameters aus dem Ultraschallimpuls erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallempfänger (7) eine Auswertelektronik aufweist, welche aus dem empfangenen Ultraschallimpuls die Viskosität als Parameter der Polymerschmelze bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallempfänger (7) mit einer Steuereinheit (16) verbunden ist und das Ausgangssignal der Steuereinheit (16) aufgibt, wobei die Steuereinheit (16) in einem Regel- oder Steuerkreis zur Beeinflussung des Schmelzestroms eingeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (16) in einem Regelkreis zur Regelung einer Heizleistung einer Heizeinrichtung (20) zur Temperierung der Polymerschmelze eingeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (16) in einem Steuerkreis zur Steuerung der Förderleistung des Fördermittels (4) eingeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ultraschallsender (6) und dem Ultraschallempfänger (7) eine Ultraschallstrecke ausgebildet ist, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Schmelzestroms liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (6) und der Ultraschallempfänger (7) in einer Ebene an der Schmelzeleitung angebracht sind, wobei der Ultraschallempfänger den im Innern der Schmelzeleitung reflektierten Ultraschallimpuls empfängt.

8. Verfahren zum Führen einer Polymerschmelze in einer Schmelzeleitung, bei welchem ein Schmelzestrom durch ein Fördermittel erzeugt wird und die Schmelzeleitung durchströmt, und bei welchem der Schmelzestrom zur Erfassung eines Parameters sensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sensierung des Schmelzestroms ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger vorgesehen sind, wobei der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger derart an der Schmelzeleitung angebracht sind, daß ein vom Ultraschallsender erzeugter Ultraschallimpuls den Schmelzestrom durchdringt und anschließend vom Ultraschallempfänger aufgenommen wird, und daß ein Ausgangssignal zur Bestimmung des Parameters aus dem Ultraschallimpuls erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal durch einen Vergleich zwischen dem empfangenen Ultraschallimpuls und dem gesendeten Ultraschallimpuls erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal mittels einer Auswertelektronik in eine Viskosität als Parameter der Polymerschmelze überführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer Steuereinheit aufgegeben wird, welches in einem Regel- oder Steuerkreis zur Beeinflussung des Schmelzestroms eingeschlossen ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit in einem Regelkreis zur Regelung der Heizleistung einer Heizeinrichtung zur Temperierung der Polymerschmelze eingeschlossen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit in einem Steuerkreis zur Steuerung der Förderleistung des Fördermittels eingeschlossen ist.

14. Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Polymerschmelze, bei welchem die Polymerschmelze als ein Schmelzestrom in einer Schmelzeleitung geführt wird, wobei ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger vorgesehen sind, wobei der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger derart an der Schmelzeleitung angebracht sind, daß ein vom Ultraschallsender erzeugter Ultraschallimpuls den Schmelzestrom durchdringt und anschließend vom Ultraschallempfänger aufgenommen wird, und wobei der empfangene Ultraschallimpuls zu einem Viskositätswert ausgewertet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger ausgebildete Ultraschallstrecke im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Schmelzestroms liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallimpuls zwischen dem Ultraschallsensor und dem Ultraschallempfänger in im Innern der Schmelzeleitung reflektiert wird.