Sensoren zur Beladungserkennung und Schwingungsüberwachung in Waschmaschinen

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Moderne Waschmaschinen der oberen und mittleren Preisklasse haben fast alle eine automatische Beladungserkennung. Mit dieser Funktion kann die Waschmaschine flexibel auf die Füllmenge reagieren, den Wasserverbrauch optimal dem Ladezustand anpassen und die nötige Waschmittelmenge vorschlagen. Für diese Beladungserkennung kommen magneto-induktive Sensoren zum Einsatz.

Bei handelsüblichen Waschmaschinen spricht man heute typischerweise von einer Beladung bis zu 8 kg, was oftmals aber gar nicht ausgenutzt wird. Die automatischen Waschprogramme inklusive der Angaben für die richtige Menge an Waschpulver richten sich jedoch nach der maximalen Beladungsmenge. Wird diese also nicht ausgereizt, verschwendet man Wasser und Waschmittel.

Abhilfe schafft eine automatische Beladungserkennung. Aus dieser Information wird automatisch die richtige Menge Wasser und Waschmittel berechnet. Zudem gilt es, die Stärke der Schwingungen des Laugenbehälters zu überwachen, da bei zu starken Schwingungen die Trommel mit dem Gehäuse kollidiert. Durch geschickten Einsatz moderner Sensorik können beide Anforderungen von einem Sensor bedient werden. Einen Ansatz präsentiert Micro-Epsilon.
Induktiv magnetische Abstandsmessung
In jeder Waschmaschine sind Dämpfer integriert, welche dem Absinken des Laugenbehälters beim Beladen entgegenwirken und die Schwingungen beim Schleudervorgang verringern. Wird die Dämpferbewegung durch einen Wegsensor erfasst, so wird daraus die Beladungsmenge und die Trommelauslenkung ermittelt. Diese Bewegung erfasst Micro-Epsilon mit einem neuen Verfahren der Wegmessung. Die Sensoren tragen den Namen „Mainsensor“ für „Magneto-induktive Sensoren“.
Das dem Mainsensor zugrunde liegende Funktionsprinzip arbeitet mit Wirbelstrom und lässt sich folgendermaßen beschreiben: Eine mit Wechselstrom gespeiste Spule hat ein primäres Magnetfeld zur Folge. Nach der Maxwellschen Gleichung erzeugt dieses Magnetfeld in dem der Spule gegenüber angeordneten elektrisch leitfähigen Material Wirbelströme. In dem Feld des Wirbelstromsensors befindet sich eine spezielle Folie, welche den Wirbelstromsensor abhängig von der Magnetfeldstärke bedämpft. Damit lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Distanz zum Permanentmagneten und dem Ausgangssignal herstellen. Da für die Mainsensoren gedruckte Spulen Verwendung finden können, ist das Herstellungsverfahren nicht auf Halbleiterprozesse angewiesen.
Thomas Birchinger, Produktmanager der Mainsensoren über die Vorteile der Produkte: „Der Sensor verfügt über eine extrem hohe Grundempfindlichkeit, was eine sehr einfache und folglich kostengünstige Auswerteschaltung ermöglicht. Mit einem Wirbelstromsensor als technologischem Kern können dabei sowohl sehr schnelle als auch sehr hoch auflösende Ausführungen umgesetzt werden.“
Im Vergleich zu Hall-Sensoren können beispielsweise deutlich größere Messbereiche (aktuell sind 60 mm realisiert) erreicht werden. Als Ausgangssignal steht ein PWM-Signal zur Verfügung, das von einem Mikrokontroller einfach über eine Zeitmessung ausgelesen werden kann. Die Möglichkeiten mit diesem Messverfahren sind vielfältig. So bietet Micro-Epsilon aktuell eine Variante im M30-Edelstahl-Gehäuse und 40 mm Messbereich für industrielle Anwendungen. Bei höheren Stückzahlen kann auf ein Modell im Kunststoffgehäuse zurückgegriffen werden. Für OEM-Kunden wird der Sensor gemäß den Anforderungen und Möglichkeiten modifiziert.
Wegmessung am Dämpfer
Realisiert wurde dieser Sensor im Rahmen eines OEM-Projektes. Ein Permanentmagnet wird in den Dämpfer an die Kolbenstange integriert. Die Bewegung wird daraufhin von dem außen am Dämpfer angebrachten MDS-Sensor erfasst. Für eine schnelle Montage und sicheres Handling befindet sich der MDS-Sensor in einem Spritzgussgehäuse mit dem er schnell auf den Dämpfer aufgeclipst wird. Das am Signalausgang anliegende PWM-Signal wird in die Steuerung der Waschmaschine gespeist, woraus Rückschlüsse auf den Beladungszustand und der Schwingungen beim Schleudervorgang gezogen werden. Thomas Birchinger über die Anwendung: „Gerade in dieser Anwendung lassen sich die prinzipbedingten Vorteile besonders gut nutzen. So kann zum einen die Beladung mit sehr hoher Auflösung gemessen werden, während zum anderen die Bewegung des Laugenbehälters beim Schleudern mit hoher Dynamik erfasst wird.“ In einer zweiten Variante wird der Magnet direkt an den Laugenbehälter befestigt. Der Sensor misst in dieser Form die Bewegung des Behälters direkt. Gemessen wird in beiden Fällend die Abstandsänderung zwischen dem Magneten und der Sensorplatine.
Schwingungsüberwachung und Beladungserkennung
Bei diesem Projekt wurde ein neues Verfahren entwickelt, das zum Patent angemeldet wurde. Der Sensor wird dank der hohen Dynamik und des großen Messbereiches sowohl für die Beladungserkennung als auch für die Schwingungsüberwachung beim Schleudervorgang eingesetzt. Das berührungslose Verfahren ist sehr langlebig, da es verschleiß- und wartungsfrei arbeitet. An den bestehenden Komponenten der Waschmaschine ist mit dem Einsatz des MDS-Sensors keine gravierende Änderung nötig. Damit wird in einfacher Weise ein Mehrwert der Waschmaschine geschaffen, der Endkunden schnell vermittelt werden kann.
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