Ein Hersteller von Haushalts-, Gastronomie- und Hotelleriewaren war auf der Suche nach einem geeigneten Durchflusssensor für seine neueste Generation Kaffeevollautomaten.

Bild: Allengra

Ultraschall-Durchflussmessung Abgebrühter Sensor für aufgebrühten Kaffee

30.10.2020

Über eine Entwicklungszeit von dreieinhalb Jahren haben ein Kaffeemaschinen- und ein Sensorhersteller an einem Durchflussmesser für Kaffeevollautomaten gearbeitet. Der daraus entstandene Ultraschallsensor ist vollgepackt mit smarter Technologie und trotzt den schwierigen Bedingungen innerhalb der Kaffeemaschinen.

Kaffeeautomaten für Verkäufsräume an Tankstellen brühen mehr als 250 Tassen pro Tag auf. Sie bereiten jede der vielen verschiedenen Sorten schnell zu und lassen sich kinderleicht bedienen. Die Betreiber der Raststätten achten bei der Anschaffung auf Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit ebenso wie auf einen einfachen Reinigungsprozess und einen zuverlässigen Service durch den Hersteller.

Ein bekannter Hersteller von Spezialitäten-Kaffeemaschinen ist WMF. Das Flaggschiff des Geislinger Unternehmens heißt WMF 9000 S+ und wurde speziell für den High-Performance-Bereich entwickelt. Sein Milchsystem bietet vier verschiedene Konsistenzen für Heiß- und bis zu drei Varianten für Kaltmilchschaum sowie heiße und kalte Milch.

Ein wichtiger Teil des Entwicklungsprozesses der Kaffeemaschine war ein smarter Durchflusssensor, der in der Lage sein sollte, Kalt- und Heißwasser sowie Milch zuverlässig und hochgenau zu messen. Dabei sind die Bedingungen in einer Kaffeemaschine für einen Durchflusssensor nicht gerade ideal: Der Berstdruck beträgt bis zu 32 bar, Temperaturen von bis zu 130 °C mit Dampf sind nicht unüblich.

Auch Chemikalien zum Säubern der Kaffeemaschine muss der Sensor dauerhaft trotzen. Gleichzeitig sollten seine Materialien beständig und für den Kontakt mit Lebensmittel geeignet sein.

Wenig Platz im Kaffeeautomaten

Das wichtigste Kriterium für WMF war der komplette Verzicht auf bewegte Teile im Durchflusssensor. Damit schieden Impeller und Vortex-basierte Sensoren von Anfang an aus. Zudem durfte er nur wenig Platz in der kompakten Kaffeemaschine einnehmen: Inklusive Elektronik waren höchstens 70 mm x 30 mm bei einem Rohranschluss von G3/8 Zoll vorgesehen.

Zusammengefasst las sich der Wunschzettel von WMF so: klein, präzise, stabil, schnelle Reaktionszeit, schnelle Temperaturmessung und für Lebensmittel und Trinkwasser zugelassen. Bei der Recherche nach der passenden Messkomponente stieß der Hersteller auf Allengra, einen Anbieter von Ultraschall-Durchflusssensoren aus Baden-Württemberg.

„Das Projekt war von Anfang an eine enge Zusammenarbeit. Die Ingenieure von WMF haben in jedem Entwicklungsschritt ihre Erfahrung und Unterstützung mit eingebracht“, sagt Raul Junker, Gründer und Inhaber von Allengra. So überwacht der Ultraschall-Durchflusssensor die Förderleistung der Pumpe über einen gewissen Zeitraum. Verändert sich dieser durch das Einlaufverhalten, wird nachgeregelt. Dadurch muss die Milchpumpe nun nicht mehr werksseitig kalibriert werden; das erledigt der Ultraschall-Durchflusssensor automatisch.

Außerdem soll die Milchmenge konstant gleich und genau regelbar bleiben, sowie ein leerer Behälter früh genug zu erkennen sein, um einen Hinweis zur Nachfüllung geben. Der Sensor detektiert auch Luftbläschen und informiert das System darüber.

Reaktionszeit von Umgebungstemperatur beeinflusst

Ultraschallsensoren verwenden keine mechanischen Zählwerke. Dadurch verschleißen Einzelteile nicht, und die Präzision der Messung bleibt bis zum Ende der Lebenszeit erhalten.

Der hochgenaue Time-to-Digital-Chip, der das Rechenherz des Allengra-Sensors bildet, eignete sich dabei ideal für die WMF-Maschine: Mit einer Reaktionszeit von 50 ms misst er kleinste Durchflüsse bis zu 1 ml/s. Gegenüber anderen Messtechniken bietet der Sensor auch den Vorteil eines totraumfreien Designs, für die Zulassung in der Lebensmittelindustrie ein Muss.

WMF testete den Sensor ausführlich. Dabei entdeckte die Firma unter anderem, dass die Reaktionszeit des Sensors von der Umgebungstemperatur beeinflusst wurde. Eine schnelle und präzise Temperaturmessung war notwendig (Reaktionszeit von 100 ms), um diesen Effekt auszugleichen.

Als Lösung implementierte Allengra eine Kombination aus der Time-of-Flight-Messung des Ultraschallsignals und den Werten des Platin-Temperatursensors. Mit dieser Methode lässt sich die Temperatur der Flüssigkeit sofort erfassen, ohne dass diese von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird.

Ein weiteres Problem: Bei metallischen Teilen und Flüssigkeiten kommt es schnell zu Kondensation, was die Genauigkeit des Sensors beeinflussen kann. Um seine Reaktionszeit sowie die Temperaturübertragung zu verbessern, testeten WMF und Allengra weitere unterschiedliche Materialien, um das Metall geeignet zu isolieren und eine Kondensation zu verhindern.

Erfahrung für neue Projekte gesammelt

Junker bezeichnet die Zusammenarbeit mit WMF als „eine Kollaboration auf sehr hohem technischen Niveau“. In der über dreijährigen Entwicklungszeit habe Allengra „viel neue Erfahrung im Bereich der hochfrequenten Ultraschallmessung gesammelt, die wir für unsere nächsten Projekte in der Lebensmittelindustrie, aber auch für neue Applikationen in den Bereichen Pharma, Getränkeindustrie und Automotive (Kraftstoffvolumenstrom) einsetzen werden.“ Eben überall dort, wo es auf hohe Präzision und Erkennung kleinster Durchflüsse ankomme.

Der Micro-Flow-Sensor von Allengra befindet sich mittlerweile bei WMF in der Serienproduktion und wird in den Modellen WMF 1500 S+, WMF 5000 S+ und WMF 9000 S+ eingesetzt. Er soll künftig alle qualitätsrelevanten Prozesse in den WMF-Kaffeemaschinen überwachen – in diesem Fall zum Beispiel die Dosiermengen und Ausgabetemperaturen der Kaffeespezialitäten sowie die Milchschaumkonsistenz.

Junker fasst zusammen: „WMF ist ein gutes Beispiel dafür, wie technologische Innovation – zum Nutzen des Kunden eingesetzt – die Wettbewerbsfähigkeit stärken und Marktführerschaft absichern kann.“

Bildergalerie

  • Die Kaffeemaschine WMF 9000 S+ kann unter anderem Milch in neun verschiedenen Varianten aufbereiten.

    Bild: WMF

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