Strömungs- und Temperatursensoren für heiße Medien

Hitzebeständig

Wo es heiß hergeht, stoßen konventionelle Strömungssensoren oft an Grenzen. Kühlkreisläufe in Sinteröfen sind dafür ein gutes Beispiel, denn bei Temperaturen jenseits der 100°C sind die meisten Sensoren überfordert, quittieren nach kurzer Zeit den Dienst und müssen häufig ausgetauscht werden. Die thermischen Strömungssensoren FlexFlow dagegen funktionieren selbst bei Prozesstemperaturen bis +150°C zuverlässig. Kurzzeitige Temperaturspitzen beeinträchtigen ihre Funktion nicht. Da die Sensoren zudem ohne bewegliche mechanische Bauteile auskommen, sind sie nahezu wartungsfrei.


Hochfeste gesinterte Schneidwendeplatte mit komplexer Geometrie
Bild: © junrong/Shutterstock.com

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. Typische Anwendungen sind z.B. die Fertigung hochfester Keramiken und Metallwerkstoffe mit komplexen Geometrien z.B. Schneidwendeplatten für den Werkzeugbau, Bauteile für Motoren und Transformatoren oder auch Mahlwerke für Kaffeemaschinen. Dabei geht es durchaus heiß zu. Bei Silikatkeramik beispielsweise liegen die Temperaturen beim Sintern zwischen 800 und 1.400°C, bei technischer Keramik bei bis zu 2.500°C.

Hohe Anforderungen an Verfügbarkeit

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 wäre Ausschuss die Folge, was bei den meist vollbeladenen Öfen inakzeptable finanzielle Einbußen verursacht. Für eine zuverlässige Funktion ist dabei die Kühlung der Anschlüsse der Heizelemente ein entscheidender Punkt. Hier darf es nicht zu Ausfällen kommen. Wasserkühlung gilt deshalb als Mittel der Wahl. Die Kühlkreisläufe müssen allerdings während des Betriebs überwacht werden, damit eine Überhitzung des Ofens und der Heizelementanschlüsse zuverlässig vermieden wird. Sensoren im Rücklauf erkennen z.B. anhand von Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur des Kühlmittels, ob die Pumpen zuverlässig funktionieren und ausreichend Kühlmittel die Heizelementanschlüsse umspült. Die Auswahl geeigneter Sensoren für diesen Einsatzbereich ist aber nicht einfach. Kühlmitteltemperaturen von oft über 100°C setzen vielen Sensoren zu. Müssen dann bei großen Sinteröfen in regelmäßigen Abständen 20, 30 oder noch mehr Sensoren ausgetauscht werden, bedeutet dies einen erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwand. Hinzu kommen aber noch andere Anforderungen. So ist eine einfache Montage wünschenswert und auch eine Manipulationssicherheit wird bei Sinteröfen oft gefordert. Die thermischen FlexFlow-Sensoren erfüllen dieses Anforderungsprofil und haben sich deshalb mittlerweile in den Kühlkreisläufen zahlreicher Sinteröfen bewährt.

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Das kalorimetrische Messprinzip

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 optimal im Prozess installieren. Die Sensoren gibt es mit unterschiedlichen Prozessanschlüssen und Stablängen von 16 bis 200mm. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Bei Sinteröfen kommt üblicherweise die Version mit Dichtkegelanschluss zum Einsatz. Die metallische Dichtung in Kombination mit einer zusätzlichen O-Ring-Kunststoffdichtung ist druckfest bis 100bar, lässt sich einfach in der Rohrleitung montieren und im Fall der Fälle ist auch ein Austausch schnell und einfach möglich. Das hält Stillstandzeiten klein und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Die Strömungssensoren eignen sich für Fließgeschwindigkeiten von 10 bis 400cm/s und Temperaturen zwischen -25 und +150°C, nehmen also auch dann keinen Schaden, wenn die Kühlkreisläufe mit hohen Temperaturen gefahren werden. Die Sensoren gibt es entweder in Analogausführung (4 bis 20mA) oder mit frei einstellbaren Ausgängen mittels IO-Link. In den Kühlkreisläufen der Sinteröfen haben sich Ausführungen mit Analogausgang bewährt, da sie manipulationssicher sind. 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.

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