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Durchfluss-Sensor Smarte Regelungstechnik für hochgenaue Dosierungen

| Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Wie die nächste Generation an Bodenreinigungsmaschinen mit kombinierten Sensoren in einem Regelventil ohne bewegte Teile intelligenter und genauer dosieren kann.

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Da die Geräte von Kärcher in der gesamten Welt eingesetzt werden, ist Robustheit aller Bauteile eines der wichtigsten Kriterien.
Da die Geräte von Kärcher in der gesamten Welt eingesetzt werden, ist Robustheit aller Bauteile eines der wichtigsten Kriterien.
(Bild: Allengra)

Lange waren 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 im 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. Im Jahr 2015 wurde Kärcher, ein führender Hersteller von Reinigungsgeräten und -systemen, auf den Volumenstromsensor von von Allengra aufmerksam.

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Handhabung und Dosierung optimieren

Kärcher arbeitete an einer neuen Generation von Bodenreinigungsmaschinen, die mit intelligenter Technologie ausgestattet sein sollten, um die Handhabung und Dosierung zu optimieren. Die Entwicklungsabteilung des Unternehmens wollte dazu Durchflussmessung und Regelung kombinieren und in ein kompaktes Regelventil mit einer Durchflussmessung ohne bewegte Teile integrieren, um den Einfluss von Verunreinigungen im Wasser auf die Messung auszuschließen. Aus diesem Grund suchten die Entwickler nach einem Aktuator, in den verschiedene Sensoren eingebaut sind, die sehr feine Durchflüsse ebenso messen konnten wie minimale Druckunterschiede.

Sie wurden fündig: Das agile Team von Allengra erwies sich als der geeignete Partner für die Entwicklung eines kleinen, auf Reinigungsmaschinen zugeschnittenen Aktuators, der die Dosierung der Reinigungslösung hochgenau regeln sollte. Den 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 stellte zu diesem Zeitpunkt ein Novum auf dem Markt dar – und tut dies noch heute.

Auf das Millibar genau messen

Für eine bestimmte Linie seiner Scheuersaugmaschinen benötigte 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 cm und 90 cm bewegt. „Die Messung sollte auf einer Skala von 0 Millibar bis 90 Millibar erfolgen. Eine anspruchsvolle Aufgabe, die wir mit unserem Drucksensor jedoch mit Bravour lösen konnten“, sagt Raul Junker, Gründer und Inhaber von Allengra.

Darüber hinaus forderte Kärcher bei der Zudosierung der Reinigungsflotte eine noch genauere Lösung als in den bisherigen Bodenreinigungsmaschinen. Dazu musste das Ventil für die Ausbringung der Reinigungsflotte nicht nur hundertprozentig dicht sein, sondern auch schnell schließen. Das Regelventil von Allengra brachte es auf 1,4 s Verschlusszeit.

Da die Geräte von Kärcher weltweit eingesetzt werden, stellt die Robustheit aller Bauteile eines der wichtigsten Kriterien dar. Daher wurden sukzessive weitere Mitarbeiter in das Projekt einbezogen und die Messlatte bei der Entwicklung immer höher gelegt. Durch intensive Tests konnten Allengra und Kärcher zusammen das Regelventil immer weiter verfeinern. Mittlerweile befindet sich das Ultraschall-Regelventil im Feldversuch. Noch im Jahr 2020 soll die Markteinführung erfolgen. Für Kärcher wie Allengra erwies sich das Projekt als Gewinn.

Als Ideenschmiede mit einem dynamischen Team war Allengra ein wichtiger Partner für eine schnelle und kostengünstige Entwicklung eines hochspezialisierten Produkts, das sich durch seine Größe dank moderner, platzsparender Sensorik leicht integrieren ließ.

Das Projektteam von Kärcher war für Allengra ein professioneller Sparringspartner mit viel Entwicklungserfahrung. Beides eröffnete für das Projekt Möglichkeiten, den neuen Regler bereits in die nächste Generation von Scheuersaugmaschinen zu integrieren.

Langzeit-Stabilität und Messgenauigkeit

Das Ultraschall-Regelventil kann mit einer Mediumtemperatur von 5 °C bis 60 °C und einem Druck von 0 bar 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 Smart Valve implementiert werden, um das Produkt für eine Integration in Industrie 4.0- und Automotive-Umgebungen fit zu machen. Außerdem sollen Toträume eliminiert werden, um den hygienischen Anforderungen zu entsprechen, die den Regler damit auch für die anspruchsvolle Lebensmittelindustrie qualifizieren können.

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