Ultraschall-Durchflusssensoren für die Heizungsindustrie – Allengra
July 1, 2017, 9 minute read
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Das Ultraschallprinzip in Durchflusssensoren wird seit mehreren Jahrzehnten auch in der Heizungsindustrie eingesetzt. Aufgrund des hohen Stückpreises der Sensoren war die Technologie lange Zeit nicht interessant für den Einsatz in Massenprodukten der Heizungsbranche. Ein hochspezialisiertes Start-up hat dies nun verändert.
Die Allengra GmbH ist ein Innovator im Bereich der Präzisionsmesstechnik. Seit ihrer Gründung im Jahr 2005 durch den Ingenieur Dipl.-Ing. Raul Junker ist das Unternehmen führend in der Technologie der Ultraschall-Durchflussmessung. Mit Sitz in Ravenstein, nahe dem Wirtschaftszentrum Heilbronn, hat sich die Allengra GmbH eine Nische in der Herstellung hochwertiger, zuverlässiger Ultraschall-Durchflusssensoren geschaffen.
Diese Sensoren sind in zahlreichen Branchen unverzichtbar – von der Pharma- bis zur Petrochemie – und tragen entscheidend zur Effizienz und zum Erfolg der vielfältigen Kunden bei.
Als Raul Junker im Jahr 2000 einen Sensorchip-Hersteller aus Karlsruhe-Stutensee im Auftrag eines bekannten deutschen Wasserzählerherstellers kontaktierte, war allen Beteiligten klar, in welche Richtung sich der Wasserzählermarkt langfristig entwickeln muss. Obwohl die mechanische Wasserflussmessung weiterhin zu den am häufigsten eingesetzten Zählertypen gehört, bietet die Ultraschall-Durchflussmessung immer überzeugendere Vorteile. Als nicht-invasives Verfahren eignet sie sich besonders gut für den Einsatz in Heizsystemen und in der Industrie – z. B. zur Ermittlung von Verbrauchsmengen oder zur Prozessoptimierung mittels Regeltechnik.
Ultraschallsensoren verwenden keine mechanischen Zähler. Dadurch entstehen keine Abnutzungen einzelner Teile und die Messgenauigkeit bleibt über eine sehr lange Lebensdauer erhalten. Allerdings konnten die reinen Produktionskosten eines mechanischen Zählers zur Jahrtausendwende noch nicht mit denen eines Ultraschallsensors erreicht werden.
Im Jahr 2005 begann Junker mit dem Aufbau des Unternehmens Allengra mit dem Ziel, eine kostengünstige Alternative zum mechanischen Zähler zu entwickeln. Er hatte bereits eine klare Vorstellung von der Hydraulik und skizzierte bei einem Treffen mit dem Chip-Hersteller seine Idee auf einer Serviette. Der damalige Geschäftsführer Andreas Larsch war so überzeugt, dass er alle Ressourcen seines Unternehmens mobilisierte, um gemeinsam in wenigen Wochen einen funktionierenden Prototyp zu entwickeln.
Zur gleichen Zeit zeigte das weltweit tätige Unternehmen Viessmann Interesse an einem geeigneten Volumenstromsensor für den Einsatz in seinen Premium-Gasthermen. Viessmann entschied sich für die Zusammenarbeit mit Allengra aufgrund der messtechnischen Vorteile der Ultraschalltechnologie sowie der kompakten Bauweise des Sensors.
Der hochpräzise Time-to-Digital-Chip, das Herzstück der Sensorverarbeitung, war ideal für diese Anwendung geeignet. Mit Unterstützung des Chip-Herstellers konnte Allengra die Elektronik und das Design in kurzer Zeit fertigstellen. Die Entwicklungsarbeit begann im Sommer 2010 und bereits ein Jahr später lieferte Allengra den fertigen Serien-Volumenstromsensor an Viessmann.
Basierend auf neuen Chip-Generationen und inspiriert vom Erfolg mit Viessmann erweiterte Allengra bald die Funktionalität seiner Sensoren. Als 2013 ein weiterer Kunde aus der Heizungsbranche die Kombination von Druck- und Ultraschall-Durchflussmessung wünschte, startete Allengra eine neue OEM-Entwicklung und liefert seit 2016 Sensoren zur Integration in kompakte Hydraulikeinheiten.
Zusätzlich zur Durchfluss- und Druckmessung kombiniert dieser Sensor auch Temperatur- und DifferenztemperaturVor-/Rücklauf in einem einzigen Modul.
Die Vorteile der integrierten Sensorlösung sind:
Der Einsatz des Ultraschall-Durchflusssensors eignet sich auch hervorragend für eine weitere wichtige Anwendung in der Heizungsbranche: den hydraulischen Abgleich. Allengra-Sensoren werden seit Jahren erfolgreich in Viessmanns „Vitoflow“ in Heizkörperanlagen verwendet.
Der in den Kessel integrierte Sensor oder ein im Messkit eingebauter Sensor ermittelt den Strömungswiderstand des gesamten Heizkreises. Daraus werden die Voreinstellungen der Heizkörperventile berechnet und an den Installateur übermittelt. Die Integration der Ultraschall-Durchflusssensoren im Heizkreisverteiler ermöglicht die Ausweitung der Messung auf Flächenheizkreise – z. B. in Fußbodenheizungen. So kann ein dauerhafter hydraulischer Abgleich in Kombination mit einem Regelventil erfolgen.
Alle Flächenheizkreise einer Anlage lassen sich somit dauerhaft aufeinander abstimmen. Änderungen im Heizbedarf einzelner Kreise können einfach ausgeglichen werden. Wird die Heizkreispumpe in die Regelung einbezogen, kann sie zur Energieeinsparung mit minimaler Drehzahl betrieben werden.
Da der hydraulische Abgleich für neue Systeme sowie für Erweiterungen und Umbauten inzwischen verpflichtend ist, leistet Allengra mit Energieeinsparungen von bis zu 15 % bereits heute einen wichtigen Beitrag.
Integrierte Schnittstellen und erweiterte Funktionalität ermöglichen neue Features in der Ultraschall-Durchflussmessung. Der Hauptvorteil dieser One-Chip-Lösung liegt in der deutlich erhöhten Robustheit und Genauigkeit der Messung. Im Jahr 2015 entwickelte Allengra auf Basis dieses neuen Chips eine sehr kompakte und kostengünstige Sensorvariante für verschiedenste Anwendungen – von Heizungsanlagen über Industrieanlagen bis hin zu Dosiersystemen – geeignet für alle flüssigen, wasserähnlichen Medien mit oder ohne Zusätze.
Auf Grundlage vieler Projekte und Teststände kristallisierten sich bei Allengra bestimmte Basiselemente für die Sensorik heraus: ein Sensor für Rohrdruck, einer für Differenzdruck, ein Sensor für statischen Druck, ein Temperatursensor, ein Sensor für Durchfluss und Volumen sowie ein Aktor mit Ventil zur Durchflussregelung. Diese Anforderungen führten zur Idee des „Smart Valve“.
Ab 2015 entwickelte Allengra ein einfaches, kompaktes Sensorsystem mit bewährtem Aktor und keramischer Ventilsteuerung. Einige Bestandskunden beteiligten sich an der Entwicklung. In den darauffolgenden Jahren zeigten immer mehr Firmen Interesse am OEM-Produkt zur Aufwertung ihrer Heizungs- und Dosieranwendungen. Nach drei Jahren intensiver Tests wurde das Smart Valve auf der ISH 2017 in Frankfurt vorgestellt.
„Das Smart Valve bietet viele Vorteile. Es enthält nur eine Platine mit allen wichtigen Schnittstellen, ein Verbindungskabel und besteht aus nur einem Gehäuse, das alle fünf Sensoren auf kleinstem Raum vereint – ohne zusätzliche Dichtstellen für den OEM. Vor wenigen Jahren war eine solche Anwendung noch ein Traum.“ – Raul Junker, Gründer und Inhaber der Allengra GmbH.
Für das Smart Valve investierte Allengra in eine eigene Prototypenlinie für Keramiktechnologie, die geringe Drehmomente und hohe Dichtheit ermöglicht. Die Aktoren wurden in Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Getriebeentwickler optimiert. Zur Realisierung aller Anforderungen in Konstruktion und Fertigung investierte Allengra zusätzlich in eine neue Fräsmaschine mit direkter CAD/CAM-Anbindung und erweiterte den Maschinenpark mit mehreren Kunststoffspritzgussmaschinen.
Das Ultraschall-Regelventil deckt einen Temperaturbereich von 5–100 °C und Drücke zwischen 0–6 bar ab. Die Kommunikation erfolgt über UART, PWM, Impulsausgang oder andere Wege. Die Energieversorgung übernimmt eine langlebige Lithiumbatterie. Das Smart Valve besteht größtenteils aus Kunststoff (bei Bedarf auch Messing). Da die Sensoren keine mechanischen Teile besitzen, beeinträchtigen Schwebstoffe, Schmutz oder Sand die Langzeitstabilität und Genauigkeit nicht.
Besonders gut eignet sich das Regelventil auch für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie, da durch den Verzicht auf Toträume die hygienischen Anforderungen leicht erfüllt werden können. Allengra plant in den kommenden Jahren die Entwicklung eines weiteren Regelventils für Gas und Luft auf demselben Prinzip.
Die Synergie zwischen innovativen Kunden, Partnern und dem hervorragenden Allengra-Team machte die Umsetzung möglich.
Mit der Einweihung unseres neuen Produktionsgebäudes im Jahr 2017 ist das Smart Valve nun serienreif.
