Strömungs- und Temperatursensoren für heiße Medien

Beim Sintern werden pulvrige Stoffe vermischt und dann durch Erwärmung miteinander verbunden oder verdichtet. Zunächst werden die Pulvermassen so geformt, dass ein bestimmter Zusammenhalt der Partikel gegeben ist. Der auf diese Weise vorgepresste Grünling wird im Anschluss durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Das Sintererzeugnis erhält erst durch diese Temperaturbehandlung seine endgültigen Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind. Typische Anwendungen sind beispielsweise die Fertigung hochfester Keramiken und Metallwerkstoffe mit komplexen Geometrien zum Beispiel Schneidwendeplatten für den Werkzeugbau, Bauteile für Motoren und Transformatoren oder Mahlwerke für Kaffeemaschinen. Dabei geht es durchaus heiß zu. Bei Silikatkeramik beispielsweise liegen die Temperaturen beim Sintern zwischen 800 Grad Celsius und 1400 Grad Celsius, bei technischer Keramik bei bis zu 2500 Grad Celsius.

Da das Verfahren aufwendig ist, sind die Anforderungen an die Verfügbarkeit der Sinteröfen hoch. Der Prozess ist energieintensiv und damit kostenträchtig. Gleichzeitig muss das Sintern störungsfrei über Stunden oder sogar Tage unter definierten Bedingungen ablaufen. Andernfalls wird Ausschuss produziert, was bei den meist vollbeladenen Öfen inakzeptable finanzielle Einbußen verursacht.

Für eine zuverlässige Funktion ist die Kühlung der Anschlüsse der Heizelemente ein entscheidender Punkt. Hier darf es keine Ausfälle geben. Wasserkühlung gilt als Mittel der Wahl. Die Kühlkreisläufe müssen allerdings während des Betriebs überwacht werden, damit eine Überhitzung des Ofens und der Heizelementanschlüsse vermieden wird. Sensoren im Rücklauf erkennen beispielsweise anhand von Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur des Kühlmittels, ob die Pumpen korrekt funktionieren und ausreichend Kühlmittel die Heizelementanschlüsse umspült.

Die Auswahl geeigneter Sensoren für diesen Einsatzbereich ist nicht einfach. Kühlmitteltemperaturen von oft über 100 Grad Celsius setzen vielen Sensoren zu. Müssen bei großen Sinteröfen dann in regelmäßigen Abständen 20, 30 oder noch mehr Sensoren ausgetauscht werden, bedeutet das einen erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwand. Die Sensoren sollten also mit hohen Prozesstemperaturen zurechtkommen. Hinzu kommen weitere Anforderungen: So ist eine einfache Montage wünschenswert und auch Manipulationssicherheit wird bei Sinteröfen oft gefordert. Die thermischen Flexflow-Sensoren von Baumer erfüllen dieses Anforderungsprofil und haben sich mittlerweile in den Kühlkreisläufen zahlreicher Sinteröfen bewährt.

Die thermischen Strömungssensoren arbeiten nach dem kalorimetrischen Messverfahren. Dieses basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Flüssigkeiten und Gasen. Ein Körper höherer Temperatur gibt an seine Umgebung Energie in Form von Wärme ab. Die Höhe der Energieabgabe ist abhängig von der Temperaturdifferenz und dem Massefluss. Das lässt sich messtechnisch nutzen:

Ein beheizter Sensor wird durch die ihn umströmende Flüssigkeit abgekühlt, dabei ist der Grad der Abkühlung direkt abhängig von der vorbeiströmenden Masse. Neben der Fließgeschwindigkeit lässt sich so mit einem Sensor auch die Medientemperatur erfassen und überwachen. Das reduziert die Anzahl der Messstellen und minimiert den Aufwand für Installation, Service und Lagerhaltung.

Dank ihres symmetrischen und zentrierten Designs lassen sich die Sensoren unabhängig von Einbaulage und Ausrichtung im Prozess installieren. Die Sensoren gibt es mit unterschiedlichen Prozessanschlüssen und Stablängen von 16 bis 200 Millimeter. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Bei Sinteröfen wird üblicherweise die Version mit Dichtkegelanschluss verwendet. Die metallische Dichtung in Kombination mit einer zusätzlichen O-Ring Kunststoffdichtung ist druckfest bis 100 bar, lässt sich einfach in der Rohrleitung montieren und austauschen.

Die thermischen Strömungssensoren eignen sich für Fließgeschwindigkeiten von zehn bis 400 Zentimeter pro Sekunde und Temperaturen zwischen -25 und 150 Grad Celsius. Das heißt sie nehmen keinen Schaden, wenn die Kühlkreisläufe mit hohen Temperaturen gefahren werden.

Die Sensoren gibt es in Analogausführung (mit vier bis 20 Milliampere) oder mit frei einstellbaren Ausgängen mittels IO-Link. In den Kühlkreisläufen der Sinteröfen haben sich Ausführungen mit Analogausgang bewährt. Sie sind manipulationssicher. Bei Applikationen mit häufigen wechselnden Chargen oder unterschiedlichen Prozessschritten macht die IO-Schnittstelle Sinn. Sie ermöglicht die gleichzeitige Parametrierung mehrerer Sensoren. Das vereinfacht die Schaltpunktanpassung und spart Zeit. Alle Datensätze können zudem zentral in der Anlagensteuerung abgelegt und verwaltet werden, was eine fehlerfreie Konfiguration der Anlage gewährleistet. do