Capteurs de débit ultrasoniques pour l’industrie du chauffage – Allengra
July 1, 2017, 11 minute read
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Le principe ultrasonique dans les capteurs de débit est utilisé depuis plusieurs décennies dans l’industrie du chauffage. En raison du prix élevé unitaire de ces capteurs, cette technologie n’était pas rentable pour les produits grand public dans le secteur du chauffage pendant longtemps. Une start‑up hautement spécialisée a désormais changé la donne.
Allengra GmbH est un innovateur dans le domaine des instruments de haute précision. Depuis sa création en 2005 par l’ingénieur Dipl.-Ing Raul Junker, l’entreprise est leader en technologie de débitmètres à ultrasons. Basée à Ravenstein, près du centre économique de Heilbronn, Allengra GmbH s’est spécialisée dans la production de capteurs de débit à ultrasons fiables et de haute qualité.
Ces capteurs sont essentiels dans de nombreuses industries, de la pharmaceutique à la pétrochimie, garantissant que l’expertise d’Allengra contribue significativement à l’efficacité opérationnelle et au succès de sa clientèle diversifiée.
En 2000, lorsque Raul Junker a contacté un fabricant de puces de capteurs basé à Karlsruhe‑Stutensee pour le compte d’un célèbre fabricant allemand de compteurs d’eau, il était évident pour tous que le marché des compteurs eau devait évoluer durablement. Bien que les compteurs mécaniques restent encore largement utilisés, la mesure de débit par ultrasons offre des avantages de plus en plus convaincants. Méthode non intrusive, elle est particulièrement adaptée aux systèmes de chauffage et à l’industrie pour mesurer les volumes consommés ou optimiser des processus via l’automatisation.
Les capteurs à ultrasons n’utilisent aucun compteur mécanique. Il n’y a donc aucune usure des pièces et la précision de mesure reste inchangée pendant une durée de vie très longue. Toutefois, à l’aube des années 2000, le coût de production des compteurs mécaniques restait inférieur à celui des capteurs à ultrasons.
En 2005, Junker a fondé Allengra avec pour objectif de développer une alternative économique au compteur mécanique. Il avait déjà une idée précise de l’hydraulique et a esquissé un schéma sur une serviette lors d’une réunion avec le fabricant de puces. Le directeur général de l’époque, Andreas Larsch, a été tellement convaincu qu’il a mobilisé toutes les ressources de son entreprise pour réaliser un prototype fonctionnel en quelques semaines.
Parallèlement, l’entreprise mondiale Viessmann recherchait un capteur de débit volumétrique adapté à ses chaudières murales haut de gamme à gaz. Viessmann a choisi de collaborer avec Allengra en raison des avantages métrologiques évidents de la technologie ultrasonique et de la compacité du capteur.
La puce Time‑to‑Digital haute précision, cœur du traitement du capteur, convenait parfaitement à cette application. Grâce au soutien du fabricant de puces, Allengra a finalisé le design et l’électronique en peu de temps. Les travaux de développement ont débuté à l’été 2010, et dès l’année suivante, Allengra a livré à Viessmann le capteur de débit volumétrique en série.
Portée par les nouvelles générations de puces et inspirée par le succès avec Viessmann, Allengra a rapidement élargi les fonctionnalités de ses capteurs. En 2013, un autre client du secteur du chauffage envisageait de combiner mesure de pression et débit ultrasonique. Allengra a lancé un nouveau développement OEM et, depuis 2016, fournit des capteurs intégrés dans des modules hydrauliques compacts.
En plus du débit et de la pression, ce capteur intègre également la mesure de température et de la température différentielle (aller/retour) dans un seul module.
Les avantages de la solution intégrée :
L’utilisation du capteur de débit ultrasonique s’avère également idéale pour une autre application majeure dans le chauffage : l’équilibrage hydraulique. Les capteurs Allengra sont utilisés avec succès depuis des années dans les systèmes de chauffage par radiateurs “Vitoflow” de Viessmann.
Le capteur, intégré à la chaudière ou dans un kit de mesure, permet de déterminer la résistance à l’écoulement du circuit de chauffage, puis de calculer les réglages préliminaires des vannes thermostatiques et de les transmettre à l’installateur. L’intégration des capteurs à ultrasons dans le répartiteur de chauffage permet d’étendre la mesure aux circuits de chauffage de surface, tels que le plancher chauffant. Un équilibrage hydraulique permanent peut alors être réalisé en combinaison avec une vanne de régulation.
Tous les circuits de surface d’un système peuvent ainsi être coordonnés entre eux. Il est donc possible de réagir facilement aux fluctuations ponctuelles de la demande de chauffage. Avec la régulation de la pompe, elle peut tourner à la vitesse minimale pour économiser de l’énergie.
Depuis que l’équilibrage hydraulique est devenu obligatoire pour les nouvelles installations ainsi que pour les extensions et modifications, Allengra contribue déjà à des économies d’énergie allant jusqu’à 15 %.
Les interfaces intégrées et les fonctions étendues ouvrent de nouvelles possibilités dans la mesure de débit ultrasonique. L’avantage principal de cette solution sur puce unique réside dans une robustesse et une précision accrues. En 2015, Allengra a mis au point une version très compacte et économique, adaptée aux installations de chauffage, aux sites industriels et aux systèmes de dosage, pour tous les liquides de type eau, avec ou sans additifs.
Grâce à ses nombreux bancs d’essai, Allengra a identifié les composants de base des capteurs : capteur de pression de tuyau, de pression différentielle, de pression statique, de température, de débit/volume, ainsi qu’un actionneur et une vanne de régulation. Cette configuration a donné naissance au concept de “Smart Valve”.
En 2015, Allengra a conçu un système simple et compact, combinant un actionneur éprouvé et une commande de vanne céramique. Des clients existants ont participé au développement. Les années suivantes, d’autres entreprises ont manifesté leur intérêt pour ce produit OEM destiné à améliorer leurs applications de chauffage et de dosage. Après trois ans de tests intensifs, le Smart Valve a été présenté à l’ISH 2017 à Francfort.
« Le Smart Valve offre de nombreux avantages. Il ne contient qu’un seul circuit imprimé avec toutes les interfaces nécessaires, un câble de connexion, et est logé dans un seul boîtier qui regroupe les cinq capteurs dans un espace réduit, sans points d’étanchéité supplémentaires pour l’OEM. Il y a quelques années encore, cette application relevait du rêve. » – Raul Junker, fondateur et propriétaire d’Allengra GmbH.
Pour le Smart Valve, Allengra a également investi dans une ligne de prototypage pour la technologie céramique, offrant un faible couple et une étanchéité élevée. Les actionneurs ont été élaborés, testés et optimisés avec un concepteur de boîtes de vitesses expérimenté. Pour répondre à toutes les exigences mécaniques et de fabrication, Allengra a acquis une nouvelle fraiseuse avec connexion CAD/CAM directe et a étendu son parc de machines avec plusieurs presses à injection plastique.
La vanne de régulation ultrasonique couvre une plage de température de 5–100 °C et des pressions de 0–6 bar. La communication peut se faire via UART, PWM, sortie impulsionnelle, entre autres. Alimentée par une batterie lithium de longue durée, la Smart Valve est presque entièrement en plastique (laiton si nécessaire). Avec l’absence de pièces mécaniques, les particules en suspension, la saleté ou le sable n’affectent ni la stabilité à long terme ni la précision.
Ce dispositif est particulièrement adapté à l’industrie agroalimentaire, car l’absence de zones mortes facilite la conformité aux normes d’hygiène. Allengra envisage prochainement de développer une autre vanne de régulation, basée sur le même principe, destinée au gaz et à l’air.
La synergie entre nos clients innovants, nos partenaires et notre remarquable équipe a rendu cette réalisation possible.
Avec l’inauguration de notre nouveau bâtiment de production en 2017, nous pouvons désormais confirmer que la Smart Valve est prête pour la production en série.
