Bei der Prozessführung mittels eines Extruders ist neben der Drehzahl der Extruderwel- len auch deren Drehmoment ein wichtiger Prozessparameter. Die Erfassung des Dreh- moments zusammen mit der Drehzahl erfolgt üblicherweise am Motor und gibt Auf- schluss über das mittels der Getriebe-Eingangswelle in das Getriebe eingeleitete Drehmoment, das zusammen mit der Drehzahl der Getriebe-Eingangswelle die vom Getriebe aufgenommene mechanische Leistung bestimmt. Diese beiden Parameter werden zusammen mit weiteren Prozessparametern, wie Temperatur-und Druckverlauf des Produktes im Extruder, zur Steuerung oder Regelung des Extruderprozesses he- rangezogen.

Während die Drehzahl der Extruderwellen im Extruder-Prozessraum über die bekann- ten Übersetzungsverhältnisse zwischen der Getriebe-Eingangswelle und den jeweiligen Getriebe-Abtriebswellen einfach berechnet werden können, ist dies für die von den je- weiligen Extruderwellen im Extruder-Prozessraum in das Produkt eingetragenen Dreh- momente nicht der Fall. Einerseits ist der Getriebeveriust nicht immer bekannt, und an- dererseits weiss man nie genau, wie sich die gesamte Getriebe-Ausgangsleistung auf die verschiedenen Extruderwellen eines Mehrwellenextruders im Betrieb verteilt. Dies ist aber für die Prozessüberwachung wichtig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Extruder der eingangs genann- ten Art bereitzustellen, der diese Unzulänglichkeiten beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch einen Extruder gemäss Anspruch 1 gelöst, der gegenüber dem eingangs beschriebenen Extruder dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Verbin- dungsbereich zwischen der Getriebe-Abtriebswelle und der Extruderwelle eine Dreh- moment-Erfassungseinheit zur berührungslosen Erfassung des über die Getriebe- Abtriebswelle und den Verbindungsbereich auf die Extruderwelle übertragbaren Dreh- moments zugeordnet ist.

Somit lässt sich das tatsächliche Drehmoment der Extruderwelle bzw. der Extruderwel- len im Produkt nach dem Getriebe bestimmen. Eine starke Schwankung des Drehmo- ments bei jeder einzelnen der Extruderwellen oder zwischen den jeweiligen Drehmo- menten der verschiedenen Extruderwellen bei jeweils konstanten Drehzahlen der Extruderwellen bzw. der Getriebe-Eingangswelle oder des Motors ist z. B. ein Indiz für Inhomogenitäten des Produktes oder eine schlechte Vermischung des Produktes wäh- rend des Prozesses. Die Erfindung ermöglicht nun eine genaue Kenntnis des zeitlichen Verlaufs des Drehmoments sämtlicher Extruderwellen eines Mehrwellenextruders.

Bei einer bevorzugten Ausführung weist die Drehmoment-Erfassungseinheit die folgen- den Elemente auf : > ein magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist, wobei das magneto-elastische Element zumindest mit der Getriebe-Abtriebswelle, dem Ver- bindungsbereich oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle krafts'chlüssig verbunden ist ; und > einen Magnetfeld-Sensor in der Umgebung des magneto-eiastischen Elements, der Änderungen des Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann.

Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem magneto-elastischen Element und der Getriebe-Abtriebswelle treten in dem magneto-elastischen Element Materialspan- nungen auf, die zu einer Veränderung, insbesondere einer Richtungsänderung seiner Magnetisierung führen. Dadurch ändert sich auch das Magnetfeld in der Umgebung des magneto-elastischen Elements. Diese Änderung des Magnetfeldes, die vom Magnet- feld-Sensor erfasst wird, ist eine Funktion des von der Getriebe-Abtriebswelle übertra- genen Drehmoments. Der Magnetfeld-Sensor lässt sich somit zu einem berührungslos arbeitenden Drehmoment-Sensor kalibrieren.

Zweckmässigerweise sind mindestens zwei Teilbereiche des magneto-elastischen Ele- ments mit einem Teilabschnitt der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle kraftschlüssig verbunden. Dies reicht aus, um eine Materialspannung auf das magneto-elastische Element zu übertragen, die eine Funktion des am Teilabschnitt anliegenden Drehmoments ist.

Vorzugsweise ist das magneto-elastische Element ein mindestens auf einem Teilbe- reich der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem getriebeseitigen Ende der Extruderwelle drehfest angebrachter magneto-elastischer Zylindermantel, wo- bei das zylindermantelförmige magneto-elastische Element insbesondere eine axiale und/oder eine entlang der Umfangsrichtung ausgerichtete Magnetisierung aufweist. Die Magnetfeld-Sensoren können dann so angeordnet werden, dass sie durch das Dreh- moment verursachte Änderungen der Richtung und/oder des Betrags des Magnetfeldes in der Umgebung des magneto-elastischen Zylindermantels erfassen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Drehmoment-Erfassungseinheit die folgenden Elemente auf : ein magneto-elastisches Element mit einer Magnetisierung, in dessen Umgebung ein durch die Magnetisierung erzeugtes Magnetfeld vorhanden ist, wobei das magneto-elastische Element zumindest durch einen magnetisierten Teilabschnitt der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle gebildet wird ; und einen Magnetfeld-Sensor in der Umgebung des magneto-elastischen Elements, der Änderungen des Magnetfeldes des magneto-elastischen Elements erfassen kann.

Beim Einwirken der durch ein Drehmoment verursachten Materialspannungen auf die magnetisierten Teilabschnitte der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebeseitigen Endes der Extruderwelle führen die in diesen magneto- elastischen Teilabschnitten herrschenden Materialspannungen zu einer Veränderung, insbesondere einer Richtungsänderung der Magnetisierung, wodurch sich auch das Magnetfeld in der Umgebung ändert. Wie schon weiter oben erläutert, ist diese Ände- rung des Magnetfeldes, die vom Magnetfeld-Sensor erfasst wird, ist eine Funktion des von der Getriebe-Abtriebswelle übertragenen Drehmoments. Der Magnetfeld-Sensor lässt sich somit auch hier zu einem berührungslos arbeitenden Drehmoment-Sensor kalibrieren.

Vorzugsweise wird das magneto-elastische Element durch mindestens einen axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder des getriebesei- tigen Endes gebildet. Bei einer axialen Magnetisierung tritt dann unter dem Einfluss ei- nes auf den axialen Teilbereich einwirkenden Drehmoments bei dem Magnetfeld der Umgebung eine tangentiale Komponente entlang der Umfangsrichtung auf. Durch einen geeignet ausgerichteten Magnetfeld-Sensor kann diese Komponente als Mass für das Drehmoment erfasst werden.

Zweckmässigerweise ist bei dem magneto-eiastischen Element in mindestens einem axialen Teilbereich der Getriebe-Abtriebswelle, des Verbindungsbereichs oder dem ge- triebeseitigen Ende der Extruderwelle ein zyiindermanteiförmiger Bereich magnetisiert.

Mittels eines in diesem axialen Teilbereich platzierten Magnetfeld-Sensors kann dann während einer gesamten Wellenumdrehung ein kontinuierliches Signal erfasst werden, das eine Funktion des zeitlichen Drehmomentverlaufs ist und über eine Kalibrierung zu einer kontinuierlichen Drehmomentanzeige in Echtzeit verwendet werden kann.

Der zylindermantelförmige magnetisierte Bereich des magneto-elastischen Elements kann eine axiale Magnetisierung und/oder eine entlang der Umfangsrichtung um die Achse ausgerichtete tangentiale Magnetisierung aufweisen. Es können aber auch ab- wechselnd axial und tangential magnetisierte zylindermantelförmige Bereiche aufeinan- derfolgen, denen jeweils ein geeignet ausgerichteter Magnetfeld-Sensor zugeordnet ist.

Auf diese Weise lassen sich mehrere verschiedene und voneinander weitgehend unab- hängige Erfassungen desselben Drehmoments an einer Extruderwelle durchführen.

Durch derartige oder ähnliche Kombinationen magnetisierter axialer Teilbereiche mit ihnen jeweils zugeordneten passend ausgerichteten Magnetfeld-Sensoren lassen sich durch Mittelung der jeweils erfassten Signale letztendlich Störungen (z. B. durch Störfel- der weiterer bewegter magnetischer Maschinenteile oder durch Elektromotoren) der empfindlichen Magnetfeldmessungen weitgehend kompensieren.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das magneto-elastische Element ein permanent magnetisiertes Kupplungsstück, vorzugsweise mit axialer Magnetisierung, das zwischen dem Ende einer Getriebe-Abtriebswelle und dem getriebeseitigen Ende einer Extruderwelle eine drehfeste Verbindung herstellt. Dies ermöglicht einen leichten Ein-und Ausbau der magneto-elastischen Elemente, falls diese nach einer vorgegebe- nen Betriebsdauer eine"Auffrischung"der Magnetisierung benötigen.

Der Magnetfeld-Sensor ist vorzugsweise eine Hall-Sonde, deren kompakte und robuste Bauweise sich für die"harten"Bedingungen der Extruderwellen-Umgebung eignet. Mit ihr können sowohl absolute Magnetfeld-Werte als auch Magnetfeld-Änderungen ge- messen werden.

Der Magnetfeld-Sensor kann auch ein magnetorestriktives Material aufweisen, und zwar vorzugsweise eine mit einem magnetorestriktivem Material beschichtete Glasfa- ser. Derartige magnetorestriktive Glasfaser-Sensoren ermöglichen die Erfassung ex- trem kleiner Magnetfeld-Änderungen.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung weist der Magnetfeld-Sensor einen Abstandshalter auf, über den er gegen die Oberfläche des magneto-elastischen Elements gedrückt wird. Durch den Abstandshalter wird gewährleistet, dass der Mag- netfeld-Sensor stets dieselbe Entfernung von der Oberfläche des magnetisierten elasti- schen Materials aufweist. Dies ist wichtig, da das Magnetfeld ausserhalb des magneto- elastischen Materials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche sehr stark ab- nimmt.

Da die erfindungsgemässe Drehmoment-Erfassungseinheit mit ihrem magneto- elastischen Element und ihrem Magnetfeld-Sensor sehr kompakt ist, eignet sie sich vorzüglich für Mehrwellenextruder, insbesondere Zweiwellenextruder und Ringextruder, bei denen jeder Extruderwelle eine Drehmoment-Erfassungseinheit zugeordnet werden kann.

Da die erfindungsgemässe Drehmoment-Erfassung auch eine sehr kurze Ansprechzeit hat, eignet sie sich auch zur Absicherung eines Extruders gegen Überlastung, wobei eine individuelle Überwachung jeder Extruderwelle gegen Überlastung ermöglicht wird.

Ein Notstopp des Extruders erfolgt somit wirklich nur dann, wenn an einer der Extru- derwellen eine kritische Drehmomentspitze auftritt. Bei der bisher üblichen Erfassung des Drehmoments (zusammen mit Drehzahl) zwischen Motor und Getriebe konnte kei- ne Information über die Drehmomente in den einzelnen Extruderwellen gewonnen wer- den, so dass insbesondere nicht zwischen einem tatsächlichen kritischen Zustand (Überlastung einer der Extruderwellen) und einem nur scheinbaren kritischen Zustand (starke Belastung mehrerer Extruderwellen, aber keine Überlastung einer einzelnen Extruderwelle) unterschiedne werden konnte. Die erfindungsgemässe Drehmoment- Erfassung ermöglicht eine deutliche Verringerung solcher"blinder Alarme". Ein Not- stopp wird praktisch nur noch dann ausgelöst, wenn eine tatsächliche Gefährdung eine Extruderwelle auftritt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend aufzufassenden Aus- führungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei : Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Extruders zeigt ; und Fig. 2 einen Ausschnitt von Fig. 1 vergrössert zeigt.

Die in Fig. 1 gezeigte Zweiwellenextruder-Anordnung besitzt einen Motor 1, ein Getrie- be 3, ein Extrudergehäuse 10, sowie zwei Extruderwellen 8,9, die in einen Prozess- raum im Innern des Extrudergehäuses 10 ragen und in diesem gelagert sind. Das Ge- triebe 3 wird über eine Getriebe-Antriebswelle (Eingangswelle) 2 durch den Motor 1 an- getrieben. Die erste Extruderwelle 8 und die zweite Extruderwelle 9 sind über ein erstes Kupplungsstück 6 bzw. ein zweites Kupplungsstück 7 mit einer ersten Getriebe- Abtriebswelle (Ausgangswelle) 4 bzw. einer zweiten Getriebe-Abtriebswelle (Aus- gangswelle) 5 drehfest verbunden.

Wie die Wellen 4,5, 8 und 9 bestehen auch die beiden Kupplungsstücke 6,7 aus Stahl.

Im Gegensatz zu den anderen Wellen wurden die beiden Kupplungsstücke 6,7 aber vor ihrem Einbau in die Extruderanordnung ausreichend stark magnetisiert, dass sie eine permanente axiale Magnetisierung besitzen und ein permanentes Magnetfeld in ihrer Umgebung erzeugen. Sowohl die axiale Magnetisierung der Kupplungsstücke 6,7 als auch das von ihnen erzeugte Magnetfeld sind rotationssymmetrisch. Das Magnet- feld gleicht dem eines Stabmagneten.

Die auf diese Weise magnetisierten Kupplungsstücke 6,7 bilden jeweils ein magneto- elastisches Element, dessen Magnetisierung jeweils durch mechanische Materialspan- nungen reversibel verändert werden kann. Im vorliegenden Falle der axial magnetisier- ten zylindrischen Kupplungsstücke, die Massiv-oder Hohlzylinder sein können, wird durch ein axiales Drehmoment eine Materialspannung in den beiden Kupplungsstücken erzeugt, die eine geringfügige Richtungsänderung der axialen Magnetisierung, d. h. eine leichte Drehung der axialen Magnetisierung des unbelasteten Zustands bewirkt, so dass neben einer axialen Komponente auch eine tangentiale Komponente der Magneti- sierung in den beiden Kupplungsstücken 6,7 vorliegt.

Durch diese Änderung des Vektors der Magnetisierung erfährt auch das die Kupplung- stücke 6,7 umgebende Magnetfeld in jedem Punkt eine Änderung des Magnetfeld- Vektors. Diese Änderungen des Magnetfelds zerstören jedoch nicht die Rotationssym- metrie des Magnetfeldes.

Dicht an der zylindermantelförmigen Oberfläche der beiden Kupplungsstücke 6,7 ist jeweils ein erster Magnetfeldsensor 11 und ein zweiter Magnetfeld-Sensor 12 ortsfest angeordnet (und mit einer nicht gezeigten Befestigungsvorrichtung an einem Fixpunkt der Extruderanordnung befestigt), um das Magnetfeld in der Nähe der Oberfläche des ersten bzw. des zweiten Kupplungsstücks 6,7 zu erfassen. Der Abstand zwischen der Oberfläche und dem Magnetfeidsensor beträgt etwa 0,1 bis 0,5 mm. Von den beiden Magnetfeld-Sensoren 11,12 führt eine elektrische Leitung 13 bzw. 14 weg, um das auf- grund eines Magnetfeldes oder einer Magnetfeld-Änderung erzeugte elektrische Signal zur weiteren Verarbeitung (Verstärken, Filtern) abzuführen.

Wird nun die Extruderanordnung in Betrieb gesetzt und ein Produkt in den Prozessraum (über nicht gezeigte Eingangs-und Ausgangsöffnungen des Extrudergehäuses) ins In- nere des Extrudergehäuses 10 gebracht, so wird über die Kupplungsstücke 6,7 jeweils ein Drehmoment von den Getriebe-Abtriebswellen 4,5 auf die Extruderwellen 8,9 über- tragen. Die durch das Drehmoment verursachte Magnetfeld-Änderung wird von den Magnetfeld-Sensoren 11,12 jeweils erfasst. Da entlang der gesamten Umfangsrichtung die axiale"Ruhe-Magnetisierung"gleich stark und die durch das Drehmoment hervorge- rufene Materialspannung in den Kupplungsstücken 6,7 ebenfalls entlang der Umfangs- richtung konstant ist, ist auch die vektorielle Magnetfeld-Änderung entlang einer kreis- förmigen, zur Achse der Kupplungsstücke 6,7 konzentrischen Umlaufbahn einheitlich.

Die beiden Magnetfeld-Sensoren 11,12 erfassen nun die momentane Magnetfeld- Änderung, die eine Funktion des an den Kupplungsstücken 6,7 momentan anliegenden Drehmoments ist. Sowohl statische Drehmomente bei blockierten Extruderwellen 8,9 als auch dynamische Drehmomente bei sich drehenden und (physikalisch) arbeitenden Extruderwellen können so erfasst werden.

Durch das magneto-elastische Kupplungsstück 6 oder 7 und den Magnetfeldsensor 11 bzw. 12 wird somit für jede der Extruderwellen 8 bzw. 9 eine individuelle Drehmoment- Erfassungseinheit gebildet, die eine Drehmoment-Erfassung für jede der Extruderwellen 8,9 in Echtzeit ermöglicht.

Der in Fig. 2 gezeigte vergrösserte Ausschnitt zeigt eine der beiden Drehmoment- Erfassungseinheiten 6,11 von Fig. 1, bei der zusätzlich zwei Abstandshalter 11 a, 11 b am Gehäuse des Magnetfeld-Sensors 11 angebracht sind. Der Sensor 11 wird durch eine (nicht gezeigte) Befestigungsvorrichtung gehalten und mit einer geringen Anpress- kraft gegen die Oberfläche 6a des Kupplungsstücks 6 gedrückt. Dadurch wird ein kon- stanter Abstand zwischen dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a gewährleistet. Diese, auch für Extruder, insbesondere Mehrwellenextruder wie Ringextruder, geeignete kom- pakte Drehmoment-Erfassungseinheit mit"schwimmendem"Magnetfeld-Sensor 11 ver- hindert Messwert-Verfälschungen am Sensor 11, die durch ungewollte Veränderungen des Abstands zwischen dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a des magneto- elastischen Kupplungsstücks 6 entstehen würden (unrunder Lauf der Kupplungsstücke).

Alternativ oder ergänzend können periodische Störungen der Sensor-Ausgangssignale auch durch elektronische Filter, Glättung oder dgl. beseitigt werden, bevor sie für die Anzeige oder Aufzeichnung des zeitlichen Drehmoment-Verkaufs der individuellen Extruderwellen verwendet werden.

Periodische Störungen durch zyklisch wiederkehrende Abstandsschwankungen zwi- schen dem Sensor 11 und der Oberfläche 6a des Kupplungsstücks 6 können aber auch zur Drehzahlmessung der jeweiligen Extruderwelle herangezogen werden.

Anstelle der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten magnetisierten gesonderten Kupplungsstü- cke 6,7, die über kraftschlüssige drehfeste Verbindungen ein Drehmoment erfahren, können aber auch gewisse Teilbereiche der Getriebe-Abtriebswellen 4,5 und/oder der Extruderwellen 8,9 magnetisiert werden. Anstelle der Drehmoment- Erfassungseinheiten 6, 11 oder 7, 12 der Fig. 1 erhält man dann Drehmoment- Erfassungseinheiten, die aus dem magnetisierten Teilbereich, über den Drehmoment übertragen wird, und einem ihm zugeordneten Magnetfeld-Sensor bestehen.

Bezugszeichenliste 1 Motor 2 Getriebe-Antriebswelle (Eingangswelle) 3 Getriebe 4 erste Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle) 5 zweite Getriebe-Abtriebswelle (Ausgangswelle) 6 erstes Kupplungsstück (magneto-elastisches Element) 7 zweites Kupplungsstück (magneto-elastisches Element) 8 erste Extruderwelle 9 zweite Extruderwelle 10 Extrudergehäuse 11 erster Magnetfeld-Sensor 12 zweiter Magnetfeld-Sensor 13 erste Signalleitung 14 zweite Signalleitung 6a Oberfläche des Kupplungsstücks 11 a erster Abstandshalter 11 b zweiter Abstandshalter