Ultraschall-Durchflusssensor für den Massenmarkt der Gas-Wandgeräte

Bild 1: Das Gas-Wandgerät von Viessmann nutzt einen modernen Durchflusssensor auf Ultraschall-Basis.Acam

Das Ultraschall-Prinzip bei Durchflusssensoren ist im Grunde nichts Neues, doch bisher war der Stückpreis zu hoch und die Geräte zu groß für den Einsatz in einem massentauglichen Gas-Wandgerät. Der Sensorentwickler und Hersteller Allengra konnte mithilfe des Chipherstellers Acam einen voll funktionsfähigen Sensor in kompaktem Design an Viessmann für deren Vitodens 300-W liefern (Bild 1). Viessmann ist damit der erste Hersteller von Gas-Wandgeräten, der einen Ultraschall-Durchflusssensor in eine seiner Gerätefamilien integriert hat.

Die Effizienz erhöhen

Herkömmliche Gas-Brennwertgeräte brauchen einen Bypass, um ihren Kesselmindestvolumenstrom einzuhalten. Wenn die Wärmeabnahme plötzlich sinkt und sich damit der Volumenstrom verringert, während der Brenner weiter läuft, könnte das Geräte überhitzen. Wenn das Heizsystem weniger Wärme abnimmt als das Gerät gerade erzeugt, springt beim Premium-Gas-Wandgerät von Viessmann ein Regelalgorithmus ein. Er sorgt für die dynamische Anpassung und Optimierung der Brennerleistung und -laufzeit in Abhängigkeit des aktuellen Volumenstroms. Vorrichtungen wie effizienzmindernde Bypass- oder Überströmeinrichtungen sind deshalb nicht mehr notwendig.

Im Vitodens 300-W wird der Volumenstromsensor darüber hinaus für den innovativen automatisierten hydraulischen Abgleich der Heizungsanlage eingesetzt. Dabei werden in Verbindung mit der Software Vitosoft oder Vitoflow die einzelnen Heizkörper präzise vermessen und aufeinander eingestellt. Gemäß Fachliteratur ist damit eine Effizienzsteigerung der gesamten Anlage um bis zu 15 % möglich.

Bild 2: Ultraschall-Durchflusssensoren haben sehr viele Vorteile gegenüber mechanischen Lösungen. Allerdings sind sie auch teurer in der Herstellung.Acam

Auf einer Serviette skizziert

Der Weg bis hierher war jedoch lang. Als Raul Junker im Jahr 2000 für einen namhaften deutschen Wasserzählerhersteller mit dem Chiphersteller Acam aus Karlsruhe-Stutensee in Kontakt tritt, versteht er schnell in welche Richtung der Wasserzählermarkt sich langfristig entwickeln muss. Die mechanische Wasserdurchflussmessung gehört zwar immer noch zu den am häufigsten eingesetzten Zählerarten, doch die Ultraschall-Durchflussmessung bietet dem gegenüber sehr viele Vorteile (Bild 2). Einziger entscheidender Nachteil: Bisher waren die reinen Herstellungskosten der mechanischen Zähler nicht zu erreichen.

2005 macht sich Junker selbstständig und beginnt den Aufbau der Firma Allengra, mit dem Ziel, eine preisgünstige Gegenvariante zum mechanischen Zähler zu entwickeln. Von der Hydraulik hat er bereits eine klare Vorstellung und zeichnet bei einem Treffen mit dem Acam-Geschäftsführer Andreas Larsch eine Skizze auf eine Serviette. Larsch ist von der Idee überzeugt und innerhalb von zwei Wochen stellen sie in einer ersten Zusammenarbeit einen funktionsfähigen Prototypen fertig. Bald interessiert sich ein namhafter deutscher Hersteller von Komponenten aus der Heizungsbranche für den Sensor und unterstützt Junker. Der erinnert sich: „Man hat uns dort beigebracht, wie man den Volumenstromsensor ordentlich qualifiziert.“

Günstiger Preis und kompakte Bauweise

2010 spricht Viessmann Junker auf den Sensor an. Zu diesem Zeitpunkt war Viessmann auf der Suche nach einem geeigneten Volumenstromsensor für seine Premium-Gas-Wandgeräte. Der Komponentenhersteller Acam hatte in diesem Zusammenhang bereits eines der qualifizierten Muster an Viessmann weitergegeben, welches dort erfolgreich getestet werden konnte.

Nach ersten Gesprächen erarbeiteten beide Parteien eine gemeinsame Spezifikation. Junker stellte sich schließlich der schwierigen Herausforderung, den für Viessmann maßgeschneiderten Volumenstromsensor zu entwickeln. Erste Prototypen zeigen bereits vielversprechende Ergebnisse, der Weg zum Massenprodukt ist jedoch noch weit.

Die Motivation für Viessmann bestand dabei einerseits in dem günstigen Preis und andererseits in der kompakten Bauweise des Volumenstromsensors. Der GP2-Chip von Acam, der das Rechenherz des Sensors bildet, war einfach zu implementieren, somit konnte Allengra das Design und die Elektronik schnell zusammenbringen. Acam als Chiphersteller hat die Entwicklung nach Kräften unterstützt.

((Zitat)) „Viessmann stellte mir alles zur Verfügung, was ich zur Weiterentwicklung brauchte.“ ((Raul Junker, Allengra))

Für den Massenmarkt

Schon bald stellte sich die Frage, wo der neue Sensor produziert werden kann. Viessmann nahm dazu gemeinsam mit Junker zu diversen namhaften europäischen Firmen Kontakt auf. Es wurde jedoch schnell deutlich, dass kein geeigneter Partner zu finden war, welcher gleichermaßen über das notwendige Fertigungs- und Prüf-Know-how verfügte und dazu kostengünstig produzieren konnte. „Also überredete Viessmann mich, meine eigene Firma auszubauen, die sich ganz auf die Herstellung und Weiterentwicklung des Sensors konzentrieren sollte. So wurde meine Firma Allengra zum Hersteller. Viessmann stellte mir alles zur Verfügung, was ich zur Weiterentwicklung brauchte: Know-how, Labor- und Prüfkapazitäten, Material und moralische Unterstützung. Etwa alle vier Wochen fanden gemeinsame Projektbesprechungen statt, um den aktuellen Fortschritt und die nächsten Schritte zu besprechen. In dieser Zeit hat uns das Viessmann-Team auch maßgeblich bei der Entwicklung und Sicherung unserer Herstellungsmethoden unterstützt. Welches Unternehmen hätte so etwas schon riskiert? Zu diesem Zeitpunkt waren wir noch eine kleine Garagenfirma mit Zweitsitz in Rumänien.“

Bild 3: Der aktuelle Volumenstromsensor von Allengra verwendet den GP2-Chip von Acam. Derzeit erscheint eine weiter verbesserte Version des SoC.Acam

Der schließlich fertig entwickelte Volumenstromsensor (Bild 3) besetzt eine elementar wichtige Funktion im Vitodens 300-W. Von mechanischen Sensoren mit Flügel- oder Turbinenräder hatte Viessmann Abstand genommen: Die vielen Schwebstoffe und abrasiven Materialien im Wasserkreislauf beeinträchtigen die Arbeitsweise auf Dauer. Mit einem Durchflussmesser, der auf dem Ultraschall-Prinzip basiert, erreicht der Sensor eine größere Messdynamik von 5 l/h bis 2500 l/h, und der entstehende Druckabfall liegt mit maximal 35 mBar sehr niedrig. Ein Ultraschall-Durchflusssensor ist weniger empfindlich gegenüber Verschmutzung und insgesamt langzeitstabiler. Dazu schafft er ideale Voraussetzungen für technische Weiterentwicklungen.

Mutiges Traditionsunternehmen

Mittlerweile hat Allengra über 100.000 Sensoren für Viessmann hergestellt. Junker erklärt dazu: „Durch die Erfahrung, die wir gewonnen haben, können wir jetzt in einem Preisbereich mitspielen, wo wir vor Jahren noch das 20- bis 30-fache verlangen mussten.“ Aus einer kleinen Garagenfirma in Rumänien ist ein weiter wachsendes, 30-köpfiges Zulieferunternehmen geworden, das erfolgreich den hohen Anforderungen etablierter Konzerne gerecht wird und qualitativ hochwertige Produkte entwickelt und produziert.

Junker fasst zusammen: „Unterm Strich lässt sich sagen, dass Viessmann für ein Traditionsunternehmen der Heiztechnik einen sehr mutigen Schritt gegangen ist. Man kann das getrost als Pionierarbeit bezeichnen. Und mit Acam hatten wir einen sehr flexiblen Partner, der mit uns gerne das Risiko eingegangen ist und den benötigen Chip sehr schnell zu Verfügung gestellt hat.“

Bild 4: Beim TDC-GP30 hat Acam eine Single-Chip-Lösung für unterschiedliche industrielle Anwendungen und für reine Fluss- und/oder Volumenmessung entwickelt.Acam

Neue Einsatzmöglichkeiten

Mit dem Nachfolgechip GP30 will Acam eine neue Ära in der Ultraschall-Durchflussmessung einläuten (Bild 4). Junker arbeitet bereits an einem neuen Sensor auf Basis des GP30, der sich für sämtliche flüssige, wasserähnliche Medien eignet. Auch wenn der Hauptmarkt weiterhin aus Wasser-Volumenstromsensoren besteht, so finden sich auch im industriellen Bereich viele Anwendungen wie die Solarthermie oder Kühlanlagen, die eine präzise und robuste Volumenstrommessung benötigen.

Im GP30 hat Acam unter anderem einen 32-Bit-Mikroprozessor integriert. Der führt die mathematisch komplexe und rechenintensive Flussberechnung mit allen notwendigen Korrekturen extrem stromsparend durch, während der externe Mikroprozessor vollständig von dieser Aufgabe entlastet wird. Der GP30 funktioniert als komplette Frontendlösung mit integrierter digitaler Signalverarbeitung bis zum eichfähigen Ausgangssignal und stellt bis zur digitalen Volumenausgabe über UART, Puls und SPI eine echte Single-Chip-Lösung dar.

Sparsamer Rechenkünstler

Bei einer typischen Messrate von 8 Hz benötigt der gesamte GP30 inklusive aller Berechnungen und Korrekturen nur zirka 8 µA. Dabei entfallen etwa 2 µA auf permanente Funktionen wie 1,8-V-LDO und 32-kHz-Oszillator. Die restlichen 6 µA genügen für die Flussmessung und die automatisch initiierte Berechnung des Flusses. Die integrierte 32-Bit-MCU hat daran nur einen Anteil von 3,6 µA. Dies gelingt dank einer angepassten Rechnerarchitektur sowie dem darauf zugeschnittenen OP-Code. Acam programmiert den Baustein direkt in Assembler.

Der wesentliche Vorteil dieser Ein-Chip-Lösung liegt jedoch in einer deutlichen Robustheits- und Genauigkeitssteigerung. Durch den Wegfall von Bauteilen (unter anderem auch die aktuell noch notwendigen D/A- und A/D-Wandler) sinkt das Messrauschen und die EMV-Stabilität steigt. Außerdem sinken die Kosten, wodurch sich ganz neue Einsatzmöglichkeiten für Ultraschall-Volumenstromsensoren eröffnen. Auch im aktuellen Einsatzbereich – der Heizungsbranche – ist ein Trend für den Einsatz auch in Heizgeräten des mittleren Preissegments und damit eine klare Stückzahlsteigerung zu erwarten.

(lei)