Füllstand, Durchfluss und Druck in der Metallverarbeitung: Kühlschmierstoff, Prozesskühlung, Öle und Bäder überwachen

In einem Zerspanungsbetrieb, einem Walzwerk oder an einer Vorbehandlungslinie hängt die Qualität oft an einem Medium. Kommt der Kühlschmierstoff an der Schneide an? Fließt genug Wasser durch die Walze oder die Druckgussform, erreicht das Öl das Getriebe, und steht das Bad hoch genug? Solche Fragen stellen Instandhalter, Prozess- und Energieingenieure in Zerspanung, Schleiferei und Erodiertechnik, in Walzwerken, Gießereien, Schmieden und Presswerken. Ebenso fragen Anlagenbauer, die Kühlschmierstoff-, Emulsions- und Vorbehandlungsanlagen für Metallbetriebe liefern. Dieser Leitfaden folgt den Medien in der Reihenfolge, in der ein Teil ihnen begegnet: Kühlschmierstoff an der Werkzeugmaschine, Kühlwasser am heißen Prozess, Öl an Getriebe, Gerüst und Werkzeug, Bäder vor und während der Oberflächenbehandlung, zuletzt die Prozessgase. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; in drei davon ist ein Prozesssensor von KEYENCE im Einsatz.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Trennlinie verläuft zwischen Medium und Bauteil: Schichtdicke und Beschichtungsfehler prüfen die Stationen am Teil, hier geht es um Tank, Leitung, Bad und Kreislauf.
Die Medien der Metallverarbeitung sind oft verschmutzt oder aggressiv, häufig heiß und versorgen Anlagen, die es nur in diesem Umfeld gibt, etwa Walzgerüst, Druckgießmaschine und Tauchlackierung.
In den meisten Anwendungen sitzt der Sensor außerhalb des Mediums, außen am Rohr oder über der Oberfläche.
Öl ist das Medium mit der größten Spannweite, von wenigen Tropfen am Werkzeug bis zur Druckschmierung eines Getriebes.
Bei Prozessgasen ist das Rohr vorab zu klären, denn der Katalog des Anklemmbaren Durchflusssensors für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G nennt Stahl- und Edelstahlrohre, Kupfer steht nicht in der Liste.

Kühlschmierstoff, Kühlwasser, Öl und Bad: was hier gemessen wird und was nicht

Die Trennlinie verläuft zwischen Medium und Bauteil. Schichtdicke, Beschichtungsfehler und die Frage, ob ein Teil vollständig beschichtet ist, beantworten die Mess- und Prüfstationen am Teil selbst. Hier geht es um das, was die Schicht speist und das Werkzeug kühlt: Tank, Leitung, Bad und Kreislauf.

Drei Eigenschaften prägen diese Medien. Sie sind oft verschmutzt oder aggressiv, etwa Emulsion mit Schaum, Walzöl oder Bachwasser in der Walzenkühlung. Sie sind häufig heiß, bis hin zu Wasser von 160 bis 170 °C in Temperiergeräten für Gießformen. Und sie versorgen Anlagen, die es nur in der Metallverarbeitung gibt: Walzgerüst, Hubbalkenofen, Druckgießmaschine, Schmiedelinie, Tauchlackierung.

In den meisten Anwendungen sitzt der Sensor außerhalb des Mediums, außen am Rohr oder über der Oberfläche. Schwimmer und Tauchsonden bilden die Technikklasse, die im Medium misst; der Leitfaden zum Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR nennt bei ihnen das Risiko einer instabilen Erkennung. Auch Medien außerhalb der Kühlkreise gehören dazu. An einem Prototyp zur Aufbereitung von Rückständen aus der Aluminiumherstellung wurde ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-H an einem Edelstahlrohr getestet. Der Test verlief positiv.

An der Werkzeugmaschine: Kühlschmierstoff im Kreislauf

An CNC-, Schleif- und Erodiermaschinen stellen sich drei Fragen: Fließt der Kühlschmierstoff zur Schneide, reicht der Füllstand im Tank, und stimmen Konzentration und Temperatur? In einem Erodier- und Zerspanungsbetrieb zeigt heute ein Schwebekörper den Durchfluss an. Ein Test mit dem anklemmbaren Durchflusssensor der Modellreihe FD-H direkt an Schläuchen von 12 und 16 mm verlief vor Ort erfolgreich. Bei einem Hersteller von Präzisionsteilen mit mehreren hundert CNC-Maschinen funktionierte die Messung an einem flexiblen Rohr von 16 mm sehr gut; an vielen seiner Maschinen fehlt bisher jede Durchflussüberwachung.

Bei einem Zerspanungsbetrieb ist ein Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR an einem Tank im Einsatz. Gefragt ist dort auch der Füllstand im Nahbereich an CNC-Maschinen, auf deren Kühlmittel rund 3 mm Schaum steht. An anderer Stelle geht es um den Füllstand eines automatischen Nachfüllsystems.

Die Konzentration ist eine eigene Aufgabe. Ein Konzept für eine Pilotanlage in der Fräserei sieht vor, sie zunächst mit festen Sollbereichen zu überwachen und in einem zweiten Schritt automatisch nachzudosieren; im selben Fall macht Schaumbildung Probleme. In einer Gießerei mit eigener Bearbeitung wird die Emulsion von Hand mit dem Refraktometer geprüft. Welche Geräteklasse die Konzentration erfasst, ist je Projekt zu klären; dieser Beitrag beschreibt sie als Anforderung.

Für den Durchfluss nennt der Katalog der Modellreihe FD-H das Kühlmittelmanagement von Schleif- oder CNC-Maschinen ausdrücklich als Anwendung, ebenso die Überwachung und Befüllung des Kühlmittelbehälters. Ein integrierter Temperatursensor liefert die Temperatur am selben Messpunkt. Der Radar-Füllstandssensor erfasst im Nahbereich bis 1,5 m, sein Leitfaden führt das Füllstandsmanagement von Kühlschmierstoffen als Anwendung. Bei Schaum auf dem Kühlmittel weist das Benutzerhandbuch darauf hin, dass eine dicke Schaumschicht das Signal abschwächen kann.

Auch Anlagenbauer brauchen den Wert. Ein Hersteller von Zentrifugen zur Kühlschmierstoffreinigung will Emulsionsleitungen von 2 Zoll mit rund 200 l/min überwachen; bisher wird dort nur der Druck erfasst. Ein Hersteller elektrochemischer Bearbeitungsanlagen hat den Durchfluss des Elektrolyten mit der Modellreihe FD-H getestet, mit sehr gutem Ergebnis.

Wo Hitze den Prozess bestimmt: Kühlwasser an Walze, Form und Ofen

An Walzen, Gießformen, Schmiedewerkzeugen und Öfen entscheidet das Kühlwasser über Qualität und Standzeit. Der technische Leitfaden zu den Durchflusssensoren beschreibt das für die Druckgussform: Schwankt der Durchfluss, drohen Schäden an der Gussform.

Den umfangreichsten dokumentierten Fall gibt es in der Walzenkühlung. Dort ist an einem Teil der Walzlinien ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-R im Einsatz, mit mehreren Messstellen je Linie. In einem anderen Walzwerk soll die Ölversorgung eines Walzgerüsts mit einem Durchflusssensor der Modellreihe FD-H überwacht werden; für die Hauptleitung der Walzenkühlung kommt dort die Modellreihe FD-R in Frage, dazu ein Füllstand in der Wassertasse eines Ofens. In einer weiteren Walzenkühlung fließt Bachwasser durch 3-Zoll-Leitungen, beschrieben als sehr schmutzig und aggressiv; auch dort kommt die Modellreihe FD-R in Frage. Die Modellreihe FD-R deckt DN40 bis DN200 bei Medientemperaturen von -20 bis +120 °C ab und überwacht auch die Temperatur.

An Gießformen wird es heißer. Ein Hersteller von Temperiergeräten für Gießformen will den Durchfluss in seinen Geräten mit der Modellreihe FD-H überwachen, angebunden über das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ, für Wasser von 160 bis 170 °C und für Ölkreise. Die Hochtemperaturausführung der Modellreihe FD-H reicht bis 180 °C, oberhalb von 140 °C ist die Anzeigeeinheit getrennt zu montieren. Für Gießformen nennt der Katalog die Temperierungssteuerung mit Durchflussrate und Temperatur.

In einer Schmiedelinie für Federn soll der Kühlmitteldurchfluss an zwei Stellen mit der Modellreihe FD-H überwacht werden. Für das Kühlbad der heißen Federn soll die Messung von der Sonde auf ein berührungsloses Verfahren wechseln. Für Abschreckbäder nennt der Leitfaden zum Radar-Füllstandssensor Abschreckflüssigkeitstanks und die Wärmebehandlung als Anwendungen.

Öl an Getriebe, Walzgerüst und Werkzeug

Öl ist das Medium mit der größten Spannweite, von wenigen Tropfen am Werkzeug bis zur Druckschmierung eines Getriebes. In einem Stahlwerk soll der Ölfluss der Getriebeschmierung an Leitungen von 40 bis 60 mm überwacht werden. Ein Betrieb mit mehr als einem Dutzend Umformanlagen will Emulsion, Schmiedeöl und Ziehöl überwachen, deren Viskositäten sich unterscheiden, meist an drei Stellen je Anlage. Nach dem Aus-Signal fließt dort etwas Öl nach, das die Überwachung berücksichtigen soll.

Für viskose Öle und Fett ist ein Anklemmbarer Durchflusssensor der Modellreihe FD-X vorgesehen. Sein Katalog nennt Schmier-, Betriebs- und Verarbeitungsöle sowie hochviskose Medien bis hin zu Fett, als Beispiel das Schmieröl einer Presse.

Ein Lohnfertiger will Ölstandsaugen durch Messwerte ersetzen: Durchfluss von Wasser und Öl an 18-mm-Leitungen mit der Modellreihe FD-H, Ölstand bis 1,5 m mit dem Radar-Füllstandssensor; für die Anbindung interessiert sich der Betrieb für das Netzwerk-Kommunikationsmodul. In einem Presswerk soll der Füllstand von Hydrauliköl in vier Behältern von rund 1,7 m Höhe mit einem Fernbereichsmodell des Radar-Füllstandssensors erfasst werden. Der Leitfaden zum Radar-Füllstandssensor führt das Füllstandsmanagement von Hydrauliköl als Anwendung.

Vorbehandlung und Beschichtungslinie: Füllstand und Zufuhr im Bad

Vor dem Beschichten durchläuft ein Metallteil Waschen, Entfetten und Vorbehandeln, danach Tauchbad, Lack oder Pulver. An einer Beschichtungslinie ist ein Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR am Tank einer Waschanlage im Einsatz.

Größer ist ein Konzept für eine Vorbehandlungslinie für Blechteile, die ein Anlagenbauer für einen Endanwender errichtet. Vorgesehen sind knapp dreißig Radar-Füllstandssensoren: etwa die Hälfte als Fernbereichsmodelle über übertunnelten Tauchbädern bei rund 50 °C und hoher Luftfeuchte, die übrigen mit Messabständen bis etwa 2 m an IBCs, Mischtanks und Pumpensümpfen. Weil die Bäder abgedeckt sind, soll die Anzeige außerhalb des Tunnels sitzen; beim Fernbereichsmodell lässt sich die Anzeigeeinheit vom Sensorkopf trennen und bis 30 m entfernt montieren.

An einer Tauchlackierlinie für Fahrzeugkomponenten wurde der Füllstand einer kathodischen Paste auf öliger Basis mit einem Nahbereichsmodell getestet. Der Test verlief sehr gut. In einer Tauchmaschine für Schrauben geht es um den Stand eines Klebers.

Kleine Mengen kommen am Schlauch an. Für Flussmittel, das vor dem Löten auf Aluminiumplatten gesprüht wird, beschreibt ein Konzept 100 bis 400 ml/min an einem Schlauch von 6/4 mm. An einer Druckgießmaschine wurde ein Trennmittelstoß von 1 bis 2 ml gemessen. Für solche Mengen kommt die Modellreihe FD-X in Frage, deren kleinster Momentandurchfluss bei 0,1 ml/min liegt.

Prozessgase an Ofen, Laser und Drahtzug: Stickstoff und Argon

Prozessgase sind seltener gefragt als Kühlmedien, aber mit klaren Aufgaben. Ein Hersteller von Vakuumöfen will das Spülen mit Argon oder Stickstoff bei 8 bis 25 bar an Leitungen von 3 und 4 Zoll überwachen. In Betracht kommt ein Anklemmbarer Durchflusssensor für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G. Laut Katalog überwacht diese Modellreihe neben Druckluft Stickstoff und andere Gase, Argon nennt er nicht ausdrücklich. Ausdrücklich in der Gasliste steht Argon beim Anklemmbaren Durchflusssensor der Modellreihe FD-EC, der an Kunststoffschläuchen sitzt.

Beim Drahtziehen sollen Stickstoffverbrauch und Leckage erfasst und per Modbus/TCP übertragen werden, an Kupferleitungen von 1/2 bis 1 1/2 Zoll. Auch an einer Laserschweißanlage geht es um Stickstoff; dort sind die Rohrmaße noch offen. In beiden Fällen ist das Kupferrohr vorab zu klären: Der Katalog der Modellreihe FD-G nennt Stahl- und Edelstahlrohre, Kupfer steht nicht in der Liste. An der Laserschweißanlage wird deshalb geklärt, ob sich das Kupferrohr an einer Stelle durch Stahl oder Edelstahl ersetzen lässt.

Für die Pneumatik einer Fräsvorrichtung mit vier Spannkreisen kommt ein Kombinierter Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP in Frage, der Zylinder- und Aufsitzkontrolle als Funktion mitbringt. Den Druckluftverbrauch der Halle und je Maschine, auch mit der Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F, behandelt der Beitrag zur Prozesssensorik im Maschinenbau.

Häufige Fragen

F Kann ein anklemmbarer Durchflusssensor heißes Wasser aus einem Temperiergerät überwachen?

Die Hochtemperaturausführung der Modellreihe FD-H reicht bis 180 °C Rohroberflächentemperatur. Oberhalb von 140 °C wird die Anzeigeeinheit getrennt montiert. Ob eine konkrete Anwendung mit Wasser von 160 bis 170 °C stabil misst, klärt ein Test am realen Kreis.

F Wie wird der Füllstand im Kühlschmierstofftank gemessen, wenn Schaum auf der Oberfläche steht?

Der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR misst von oben, ohne Kontakt mit dem Kühlmittel; sein Leitfaden nennt das Füllstandsmanagement von Kühlschmierstoffen als Anwendung. Eine dicke Schaumschicht kann das Signal abschwächen; je nach Blasengröße wird die Ober- oder Unterseite des Schaums erfasst. In einer dokumentierten Anwendung stehen rund 3 mm Schaum auf dem Kühlmittel von CNC-Maschinen.

F Lässt sich die Konzentration des Kühlschmierstoffs gleich mit überwachen?

In den dokumentierten Anwendungen wird die Konzentration oft zusammen mit Durchfluss und Füllstand genannt und heute vielfach von Hand mit dem Refraktometer geprüft. Ein Konzept sieht vor, sie zuerst zu überwachen und später automatisch nachzudosieren. Welche Geräteklasse dafür passt, wird je Projekt geklärt.

F Auf welchen Gasleitungen arbeitet ein anklemmbarer Durchflusssensor für Gase?

Der Katalog der Modellreihe FD-G nennt Stahl- und Edelstahlrohre für Luft und Stickstoff. Kupferrohr steht nicht in der Liste; an einer Kupferleitung wäre an der Messstelle ein Stück Stahl- oder Edelstahlrohr nötig, was in einer dokumentierten Anwendung gerade geklärt wird. Argon an Kunststoffschläuchen nennt die Anleitung der Modellreihe FD-EC ausdrücklich.

F Eignen sich die Durchflusssensoren zur Abrechnung von Kühlwasser oder Gas?

Die Anleitungen der Modellreihen FD-G und FD-R sowie der Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F schließen das aus, die Geräte sind keine geeichten Messgeräte. Die dokumentierten Anwendungen zielen auf Überwachung und Fehlersuche, bei denen das genügt.

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