Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 11/2017, 10.11.2017

Schub für die Miniaturisierung

Mit den OEM-Transmittern der C-Serie schlägt die Keller AG ein neues Kapitel der integrierten Druckmesstechnik auf. Das Chip-in-Oil-Konzept bringt die Signalaufbereitung direkt in das mit Öl gefüllte, schützende Gehäuse der Druckmesskapsel. Vorteil: Zum einen sind Sensor und Folgeelektronik in das gleiche Gehäuse eingebettet, zum anderen eignet sich die Transmitter-kapsel bestens zur Einbettung in applikationsspezifische Systeme.

Autor: Daniel Hofer, Bernhard Vetterli, Keller AG für Druckmesstechnik, Winterthur

Bei den OEM-Transmittern der C-Serie mit dem Chip-in-Oil-Konzept findet die Linearisierung, Temperaturkompensation und Parametrierung im mit Öl gefüllten Gehäuse der Druckmesskapsel aus Edelstahl statt. Zur Integration in übergeordnete Systeme oder batteriebetriebene Geräte stehen Versionen mit ratiometrischem Spannungsausgang oder mit seriell-digitaler I2C-Schnittstelle zur Verfügung. Je nach Applikation sind unterschiedliche Bauformen lieferbar.

Im Klartext bedeutet CiO-Technologie, dass im gleichen Gehäuse unmittelbar neben dem Drucksensor ein Asic montiert wird, der dem Anwender eine Reihe von vorteilhaften Funktionalitäten bietet. Deshalb wird die Druckmesskapsel aber nicht grösser, die Aussenmasse bleiben dieselben. Dieses Transmitterkonzept ist in den Gehäusen «4L ... 9L», ab einem Durchmesser von 11 mm erhältlich.

Eingesinterte, druckfeste Glasdurchführungen liefern die Transmittersignale nach aussen. Im Innern erfolgt die Verdrahtung durch kurze, leichte Bonddrähte; alles unter Öl und daher Ausschluss von Luft. Es kann also beim Einbau des Druckaufnehmers auf den Anschluss filigraner Signalaufbereitungsplatinen samt vieladriger Verkabelung verzichtet werden. Ausserdem muss man diese Folgeelektronik nicht vor Feuchte und Betauung schützen.

Zusammen mit dem Edelstahlgehäuse wirken die Glasdurchführungen wie Durchführungskondensatoren und bilden einen Faradayschen Käfig. Damit ist die CiO-Technologie extrem robust gegen elektrische Felder. Selbst Feldstärken von 250 V/m bei Frequenzen bis 4 GHz können das Messsignal nicht beeinflussen. Die digitale Schnittstelle muss vom Gerätebauer selbst geschützt werden.

Der Asic ist als Mikrocontroller mit entsprechender Peripherie ausgelegt, sodass die Sensorsignale mit grosser Auflösung und Dynamik erfasst werden können. Zusätzlich zum eigentlichen Prozessdruck wird die Temperatur des Drucksensors gemessen und bei der Signalaufbereitung zur mathematischen Temperaturkompensation verwendet.

Die OEM-Transmitter bieten zwei Ausgangssignale: einen ratiometrischen analogen Spannungsausgang und eine digitale Inter-Integrated-Circuit-Schnittstelle (I2C). Der Trick mit dem ratiometrischen Format des Ausgangssignals ist, dass es eigentlich kein Format gibt. Denn es ist abhängig von der Versorgungsspannung. Für die Anwendung in integrierten Systemen ist das ein unschätzbarer Vorteil. Wird nämlich der dem Transmitter nachfolgende Analog/Digitalwandler mit derselben Versorgungsspannung betrieben, so ist der digitale Messwert immer korrekt. Das liegt daran, dass zwar die Höhe der Digitalisierungsstufen von der Versorgungsspannung abhängt, nicht aber die Zahl der Stufen – und auf die kommt es an.

Kalibrierung wird überflüssig

Mit der Nutzung ratiometrischer Signale lässt sich der Aufwand für die Signalübergabe vom Drucktransmitter an den A/D-Wandler der Folgeelektronik deutlich verringern und Kalibrierungsschritte werden überflüssig; speziell beim Anschliessen an einen Mikrokontroller mit integriertem A/D-Wandler ist er gleich Null. Trotzdem ist eine Spanne des Ausgangssignals spezifiziert, nämlich von 0,5 bis 4,5 V bei einer Speisespannung von 5,0 V.

Mit einer stabilen und genauen Versorgungsspannung kann diese Spanne auch direkt als Normsignal genutzt werden. Die Abtastrate von 2 kHz bietet einen erstaunlich guten Dynamikumfang für ein Produkt, das auf dem AD/DA-Prinzip basiert. Obendrein erlaubt die embedded Elektronik in CiO-Technologie einen permanenten Überspannungs- und Verpolungsschutz auf allen Leitungen bis ± 33 VDC.

Master bestimmt das Timing

OEM-Transmitter in der Grösse von Druckmesskapseln werden nie direkt an Feldbussysteme angeschlossen. Vielmehr verfügen die jeweiligen Koppelmodule über entsprechende Eingangsschnittstellen wie beispielsweise für die Inter-Integrated-Circuit-Schnittstelle. Sie gilt seit Jahren als serieller Standard zur Überwindung kurzer Strecken in embedded Systemen. Der I2C-Master benötigt für die seriellen Daten und den Takt für die synchrone Abfrage (Clock) zwei Leitungen. An den Master werden somit keine Anforderungen an das Timing gestellt, er bestimmt es. Jeder OEM-Transmitter hat eine eigene Adresse, die vom I2C-Master angesprochen wird. In der derzeitigen Konstellation könnten von einem Master 128 unterschiedliche Adressen verwaltet werden. Die Druck- und Temperaturwerte werden durch einen Request des Masters erfasst und stehen dann an den Transmittern (Slaves) nach weniger als 4 ms bereit, um nach einem vorgegebenen Protokoll ausgetaktet zu werden. Die Werte sind über die Temperatur kompensiert und normiert und müssen nur noch von Bit 15-Ganzzahl in einheitsbehafteten Druck- oder Temperaturwerte skaliert werden. Im Gegensatz zur CiO-Version mit ratiometrischem Ausgang können die CiO-Versionen mit I2C-Ausgang auch mit nur 1,8 bis 3,6 VDC Versorgungsspannung arbeiten. Diese Ausführungen sind damit bestens auf mobile, batteriebetriebene Anwendungen vorbereitet. Dazu gehört eine kurze Wandlungszeit von weniger als 10 ms, während der lediglich 1,5 mA gezogen werden, wie auch der bestens optimierte Sleep-Mode, in dem die Transmitter verharren, wenn sie nicht angefragt werden. Dieser Zustand ist typisch mit 0,1 µA spezifiziert.

Digitale Version liefert auch Temperaturinformation

Falls der Master eine angemessen schnelle Kommunikation erlaubt, können somit über 250 Samples/Sekunde erreicht werden. Je nach Format des Ausgangssignals – ratiometrisch oder digital – ändern sich typische Kenndaten. Mit dem analogen Ausgang kann der Transmitter bei Temperaturen zwischen - 40 °C bis + 150 °C eingesetzt werden, während der I2C-Ausgang die obere Grenze bei + 110 °C ziehen muss. Der Druckbereich der analogen Version reicht von 2 bar bis 1000 bar, bei der digitalen Version von 2 bar bis 200 bar.

Für einen erweiterten Dynamikumfang bei erhöhtem Stromverbrauch von maximal 8 mA sollte die analoge Version gewählt werden. Für Low-Voltage- und Low-Power-Applikationen empfiehlt sich die digitale Version, die auch die Temperaturinformation mitliefert.

Keller AG für Druckmessechnik
8404 Winterthur, Tel. 052 235 25 25
info@keller-druck.com



CiO-Konzept: Die empfindlichen Sensorsignale werden über ultrakurze Wire-Bond-Drähte mit dem Signalkonditionierungs-IC verbunden. (Bilder: Keller)


OEM-Transmitter der C-Serie sind in unterschiedlichsten Ausführungen verfügbar, ab Durchmesser 11 mm.


Ein C-Linie-OEM-Transmitter verbunden mit integriertem Analog/Digital-Konverter: Wird auf niedrige Leitungswiderstände geachtet, ist keine Kalibrierung nötig.

Auf einen Blick

Chip-in-Oil-Technologie

Die bei der Keller AG entwickelte Chip-in-Oil-Technologie (CiO) entspricht dem Trend zur Miniaturisierung in der Druckmesstechnik. Markante Vorteile sind die sehr kompakte Bauform, die hohe Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Störfelder und die hohe Vibrationsbeständigkeit durch kleine Massen und kurze Leitungswege. Bei der CiO-Technologie sind im gleichen Gehäuse unmittelbar neben dem Drucksensor eine integrierte Schaltung (Asic) montiert, die dem Anwender eine Reihe von vorteilhaften Funktionalitäten bietet. Zudem verändern sich die Aussenmasse der Druckmesskapsel nicht. Dieses Transmitterkonzept ist ab einem Durchmesser von 11 mm lieferbar.