Welche Inline-Sensorik (Drehmoment, Temperatur, Feuchte) ist sinnvoll zur Prozessüberwachung in Mischern?
Für die Prozessüberwachung beim Mischen von Pulvern sind Drehmoment beziehungsweise Leistungsaufnahme, Temperatur und Feuchte die wichtigsten Messgrößen. Sie liefern jedoch unterschiedliche Informationen und müssen produktspezifisch interpretiert werden. Keine dieser Größen beweist für sich allein eine ausreichende Mischgüte. Besonders für die Bestimmung der Homogenität sind validierte, produktspezifische Korrelationen oder ergänzende PAT-Verfahren erforderlich.
Die Drehmoment- oder Leistungsaufnahme des Mischantriebs ist ein praxistaugliches indirektes Signal. Sie kann Veränderungen des Fließverhaltens, der Verdichtung, der Anhaftungsneigung oder des Füllgrads anzeigen. Bei Befeuchtungs-, Granulations- oder Desagglomerationsprozessen kann ein charakteristischer Drehmomentverlauf auf einen definierten Prozesszustand hinweisen. Ein Plateau im Drehmoment signalisiert jedoch nicht automatisch, dass jede Pulverkomponente homogen verteilt ist. Die Signale eignen sich besonders für Anlagenschutz, Erkennung von Blockaden, Überlastungen oder ungewöhnlichen Produktzuständen. Die Messung kann direkt an der Welle oder indirekt über die Wirkleistungsaufnahme des Motors erfolgen.
Die Temperaturmessung ist bei trockenen Pulvern vor allem für die Überwachung von Reibungswärme, Temperierprozessen, Trocknung und sicherheitskritischen Reaktionen relevant. Pt100-Sensoren oder Thermoelemente können in der Behälterwand, im Produktbereich oder im Temperiermantel installiert werden. Die Messstelle muss sorgfältig gewählt werden: Eine Wandtemperatur ist nicht automatisch identisch mit der Temperatur des gesamten Produktbetts. Mehrere Messstellen können sinnvoll sein, wenn Temperaturgradienten, lokale Erwärmung oder ungleichmäßige Wärmeübertragung erwartet werden.
Die Feuchtemessung ist besonders wichtig, wenn die Feuchte Fließfähigkeit, Staubverhalten, Agglomeration, Lagerstabilität oder die Qualität des Endprodukts beeinflusst. Dies gilt beispielsweise für Granulation, Befeuchtung, Trocknung und Coating. Systeme zur spektroskopischen Inline-Feuchtemessung (NIR) können Feuchte und bei geeigneter Kalibrierung auch weitere Qualitätsmerkmale schnell und berührungslos erfassen. Die Messung bezieht sich jedoch auf den Bereich, den der Sensor optisch erreicht. Deshalb müssen Messfenster, Anhaftungen, Partikelbewegung und die Repräsentativität der Messstelle berücksichtigt werden. NIR-Sensorik wird auch zur Überwachung von Pulvermischungen und zur Bestimmung eines Mischendpunkts eingesetzt.
Mikrowellen- oder kapazitive Feuchtesensoren können je nach Anwendung eine Alternative sein. Mikrowellenmessungen erfassen größere Produktvolumina als optische Oberflächenmessungen, benötigen aber ebenfalls eine produktspezifische Kalibrierung. Kapazitive Sensoren sind wirtschaftlich und robust, reagieren jedoch oft stärker auf Änderungen der Rezeptur, Dichte oder Temperatur.
Sinnvolle ergänzende Messgrößen sind Füllstand, Mischwerksdrehzahl, Druck, Vakuum, Sauerstoffrestgehalt, Gasdurchfluss, Schwingungen, Lager- und Dichtungstemperaturen. Bei staubexplosionsgefährdeten Produkten müssen Sensoren, Kabeldurchführungen und Prozessanschlüsse ATEX- oder IECEx-konform ausgeführt sein. Bei abrasiven Pulvern sind zudem verschleißfeste Sensorfenster und eine geschützte Einbauposition wichtig.
Eine direkte Inline-Partikelgrößenmessung im Mischraum ist bei trockenen Pulvern technisch aufwendig und kein Standard. Sie wird eher in speziellen Messstrecken oder nachgeschalteten Förderleitungen eingesetzt. Leitfähigkeit und pH-Wert sind dagegen typische Messgrößen für flüssige Systeme und für reine Trockenmischprozesse nicht relevant.
Die Prozessdaten werden über die Maschinensteuerung erfasst und können an ein Prozessleitsystem oder an übergeordnete Leit- und Produktionssysteme übergeben werden. Gängige Schnittstellen sind beispielsweise 4–20 mA, HART, IO-Link oder standardisierte Kommunikations- und Feldbusstandards. Dadurch lassen sich Chargenprotokolle, Trendkurven, Grenzwertüberwachungen, Alarme und zustandsorientierte Wartung realisieren.
Zusammengefasst liefert die Kombination aus Drehmoment oder Leistungsaufnahme, Temperatur und Feuchte ein solides Bild des Pulverprozesses. Drehmoment zeigt mechanische Veränderungen, Temperatur erfasst Wärmeentwicklung und Feuchte beschreibt einen wesentlichen Einfluss auf Fließverhalten, Agglomeration und Produktstabilität. Für eine belastbare Endpunkterkennung müssen diese Signale mit Originalprodukt geprüft, kalibriert und gegen geeignete Qualitätsanalysen validiert werden.
So integriert amixon® Sensorik in Pulverprozesse
amixon® legt Prozesssensorik und Automatisierung projektspezifisch aus. Im Mittelpunkt stehen Messgrößen, die Produktzustand, Energieeintrag und Reproduzierbarkeit der Charge nachvollziehbar machen. Typische Signale sind Drehmoment oder Leistungsaufnahme des Antriebs, Produkttemperatur, Feuchte und Füllstand. Bei Vakuumprozessen kommen Druck, Gasatmosphäre, Brüdenverlauf und Kondensatmenge hinzu.
Drehmoment und Leistungsaufnahme liefern Hinweise auf Fließverhalten, Verdichtung, Anhaftungen, Befeuchtung und Veränderungen im Produktzustand. Bei Granulations-, Befeuchtungs- oder Desagglomerationsprozessen kann ein charakteristischer Signalverlauf auf einen definierten Prozesszustand hinweisen. Drehmoment allein ist jedoch kein allgemeingültiger Nachweis der Mischhomogenität. Seine Aussagekraft wird für jede Rezeptur mit Originalprodukt untersucht und kalibriert.
Die Temperaturüberwachung dient der Kontrolle von Reibungswärme, Temperierung, Trocknung und thermisch empfindlichen Produkten. Messstellen können im Produktbereich, in der Behälterwand oder im Temperiermantel angeordnet werden. Bei Vakuum-Mischtrocknern und Reaktoren der Baureihen VMT und AMT ergänzen Systemdruck, Produkttemperatur und Brüdenverlauf die Prozessüberwachung. Die Kombination dieser Messgrößen unterstützt die Beurteilung des Trocknungsfortschritts und die Definition eines reproduzierbaren Trocknungsendpunkts.
Die Feuchtemessung ist besonders relevant bei Befeuchtung, Granulation, Coating und Trocknung. Je nach Produkt können NIR-, Mikrowellen- oder kapazitive Messverfahren eingesetzt werden. Die Messstellen werden so ausgelegt, dass sie unter realen Bedingungen von Partikelbewegung, Staub, Abrasion und möglicher Anhaftung verlässliche Signale liefern. Ein integrierter Probenehmer kann die Inline-Daten durch gezielte Produktproben ergänzen.
Sensorik im Technikum
Im amixon® Technikum stehen nach Unternehmensangaben mehr als 35 Testmaschinen für Misch-, Veredelungs-, Vakuum- und Trocknungsversuche zur Verfügung. Einige dieser Testmischer verfügen über spezielle Sensorik im Mischwerkzeug, in der Behälterseitenwand und im Bodenbereich.
Damit lassen sich lokale mechanische Beanspruchungen im Produktbett an verschiedenen Positionen erfassen und räumlich auswerten. Die Messdaten zeigen, wie sich Kontaktkräfte, Scherbeanspruchungen und Energieeintrag im Mischraum verteilen. Sie helfen, die Produktbewegung besser zu verstehen und kritische Belastungszonen zu erkennen.
Diese Erkenntnisse sind besonders wertvoll für die Auslegung großer Pulvermischer. Sie unterstützen die Auswahl von Mischwerkzeug, Drehzahl, Füllgrad und Mischzeit. So kann das Scale-up von der Technikumsmaschine auf die Produktionsanlage mit Originalprodukt abgesichert werden.
Automatisierung und Endpunkt
amixon® Apparate werden auf Basis der User Requirement Specification ausgelegt. Sensorik, Messstellen, SPS-Funktionen, Chargenprotokollierung und Schnittstellen zum Leitsystem werden im Projekt definiert. Mischprogramme können in der SPS hinterlegt und chargenweise reproduzierbar ausgeführt werden.
Die Datenübergabe an SCADA-, MES- oder ERP-Systeme erfolgt über die vereinbarten Schnittstellen. Barcode-Scanner können die chargenbezogene Dokumentation ergänzen. In regulierten Umgebungen lassen sich Anforderungen an Datenintegrität, Benutzerrechte, Audit Trail und elektronische Chargendokumentation bei der Automatisierung berücksichtigen.
Ein zuverlässiger Endpunkt entsteht nicht durch einen einzelnen Sensorwert. amixon® ermittelt im Technikum, welche Kombination aus Drehmoment, Temperatur, Feuchte, Druckverlauf, Mischzeit und Produktanalyse für die jeweilige Rezeptur aussagekräftig ist. Diese Versuchsdaten bilden die Grundlage für die Sensorikauslegung und das Mischprogramm der späteren Produktionsanlage.