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Ultraschall-Sensorik: Regelungstechnik für hochgenaue Dosierungen

Wie Weltmarktführer Kärcher die nächste Generation ihrer Bodenreinigungsmaschinen mit kombinierten Sensoren in einem kompakten Regelventil ohne bewegte Teile intelligenter und genauer dosieren lässt.

Fachartikel von Bernhard Lermann, im Auftrag von Allengra

Lange war der Stückpreis bei Ultraschall-Durchfluss-Sensoren zu hoch und die Sensoren zu groß, um sie in Geräte für den täglichen Gebrauch zu integrieren. Die Allengra GmbH konnte bereits 2011 mit Hilfe eines süddeutschen Chipherstellers einen Ultraschallsensor für die Großserie in kompaktem Design für mehrere Hersteller von Gas Wandheizgeräten entwickeln und schließlich in Serie liefern. 2015 wird Kärcher, der Hersteller von Reinigungsgeräten und -systemen und Weltmarktführer in seinem Bereich, auf den Volumenstromsensor aufmerksam.

Kärcher arbeitet an einer neuen Generation von Bodenreinigungsmaschinen, die mit intelligenter Technologie ausgestattet sein sollen, um in Handhabung und Dosierung noch präziser zu sein. Die Entwicklungsabteilung möchte dazu Durchflussmessung und Regelung kombinieren und in ein kompaktes Regelventil mit einer Durchflussmessung ohne bewegte Teile integrieren, damit die Messung nicht von Verunreinigungen im Wasser beeinflusst wird. Dazu ist man auf der Suche nach einem Aktuator in den verschiedene Sensoren eingebaut sind, die feinste Durchflüsse genauso wie minimale Druckunterschiede messen können. Das agile Team von Allengra ist genau der richtige Partner für die Entwicklung eines kleinen, auf Reinigungsmaschinen zugeschnittenen Aktuators, der die Dosierung der Reinigungslösung hochgenau regeln soll. Ein Entwurf eines einfachen und kompakten Sensors mit einem gut evaluierten und getesteten Stellantrieb, kombiniert mit einem keramischen Ventilregelsystem, hatte Allengra bereits auf der ISH 2017 vorgestellt. Ein Regelventil in dieser kompakten Form mit Durchfluss- und Druckmessung  war zu dem Zeitpunkt ein Novum auf dem Markt und ist es noch heute. 

Drucksensor misst Flüssigkeitsniveau auf das Millibar genau

Für eine bestimmte Linie seiner Scheuersaugmaschinen benötigt Kärcher einen Aktuator mit Ultraschall-Durchflusssensor, der den Zufluss von Reinigungsmittel hochgenau misst, so dass dieser einfach zu kontrollieren und einzustellen ist. Ein zusätzlicher Drucksensor indiziert das Niveau im Frischwassertank, das sich zwischen 0 und 90 cm bewegt. “Die Messung sollte auf einer Skala von 0 bis 90 Millibar erfolgen. Eine anspruchsvolle Aufgabe, die wir mit unserem Drucksensor jedoch mit Bravour lösen konnten”, so Raul Junker, Gründer und Inhaber von Allengra. Als drittes wollte Kärcher bei der Zudosierung der Reinigungsflotte eine saubere und noch genauere Lösung als in den bisherigen Bodenreinigungsmaschinen. Dazu muss das Ventil für die Ausbringung der Reinigungsflotte nicht nur hundertprozentig dicht sein, sondern auch schnell schließen. Das Regelventil von Allengra bringt es dabei auf 1,4 Sekunden Verschlusszeit. 

Schnelle und kostengünstige Entwicklung dank moderner, platzsparender Sensorik

Da die Geräte von Kärcher in der gesamten Welt eingesetzt werden, ist Robustheit aller Bauteile eines der wichtigsten Kriterien. Sukzessive wurden weitere Mitarbeiter in das Projekt miteinbezogen und die Latte immer höher gelegt. Durch intensive Tests konnten Allengra und Kärcher zusammen das Regelventil immer weiter verfeinern. Mittlerweile befindet sich das Ultraschall-Regelventil im Feldversuch. Dieses Jahr noch erfolgt die Markteinführung. Für Kärcher wie für Allengra ist das Projekt ein Gewinn. Als agile Ideenschmiede mit einem dynamischen Team war Allengra ein wichtiger Partner für eine schnelle und kostengünstige Entwicklung eines hochspezialisierten Produkts, das sich alleine durch seine Größe dank moderner, platzsparender Sensorik leicht integrieren ließ. Das Projektteam von Kärcher war für Allengra ein professioneller Sparringspartner mit viel Entwicklungserfahrung und einer gewachsenen globalen Infrastruktur. Beides eröffnete für das Projekt Möglichkeiten, den neuen Regler bereits in die nächste Generation von Scheuersaugmaschinen zu integrieren.  

Keine Schwebeteilchen beeinflussen Langzeit-Stabilität und Messgenauigkeit

Das Ultraschall-Regelventil kann mit einer Mediumtemperatur  von 5-60 °C und einem Druck von 0 bis 1 bar umgehen. Bei Bedarf kann der Regler auf 6 bar Betriebsdruck angepasst werden. Die Kommunikation erfolgt z.B. über UART, PWM, einen Impulsausgang u. a. Die Stromversorgung kann auf Wunsch mit einer lange haltbaren Lithium-Batterie geleistet werden. Durch den Verzicht auf mechanische bewegte Teile in den Sensoren beeinflussen keine Schwebeteilchen, Schmutz oder Sand die Langzeit-Stabilität oder die Genauigkeit der Messung. Im nächsten Schritt soll eine WLAN- bzw. Bluetooth-Kommunikation sowie ein CAN-Bus in das SmartValve implementiert werden, um das Produkt für eine Integration in Industrie 4.0- und Automotive-Umgebungen fit zu machen. Außerdem sollen Toträume zukünftig eliminiert werden, um hygienischen Anforderungen zu entsprechen, die den Regler damit auch für die Lebensmittelindustrie qualifizieren.

“Mit Sensoren kommt Elektronik und Regelungstechnik in die Aktoren”

Allengra plant für die kommenden Jahre die Entwicklung eines weiteren Regelventils, das nach dem gleichen Prinzip auch für die Regelung von Gasen eingesetzt werden kann. Durch die Entwicklungsleistung in Zusammenarbeit mit Kärcher ist das SmartValve jetzt optimal  qualifiziert und bietet Allengra eine solide Basis für die Weiterentwicklung. Raul Junker fasst zusammen: “Wir haben während der Entwicklung immer wieder festgestellt: Nicht die Aktoren sind heute entscheidend, sondern die Sensorik, die in den Aktoren integriert werden. Mit den Sensoren kommt viel Elektronik und Regelungstechnik in das Produkt hinein, das macht es skalierbar und zukunftssicher, also genau das Richtige für eine moderne IoT-Umgebung.

Veröffentlicht durch folgende Fachmedien:

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