Eingebettete Sensorik geschützt durch Chip-in-Oil-Technik

Bei den OEM-Transmittern von Keller handelt es sich im doppelten Sinne um Embedded-Systeme. Zum einen sind Sensor und Folgeelektronik in das gleiche Gehäuse eingebettet, zum anderen eignet sich die Transmitter-Kapsel hervorragend zur Einbettung in applikationsspezifische Systeme. Das Ausgangssignal ist je nach Bedarf normiert und über Temperatur kompensiert, ratiometrisch oder digital. Die bei Keller entwickelte Chip-in-Oil-Technologie (CiO), mit ASIC unmittelbar neben dem Drucksensor, setzt den Trend zur Miniaturisierung in der Sensorik um. Markante Vorteile sind die damit erreichbare hoch kompakte Bauform, die hohe Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Störfelder und die hohe Vibrationsbeständigkeit durch kleine Massen und kurze Leitungswege. Das bietet dem Anwender eine Reihe von vorteilhaften Funktionalitäten. Dennoch wird die Druckmesskapsel nicht größer, die Außenmaße bleiben weiter dieselben.

Eingesinterte, druckfeste Glasdurchführungen liefern die Transmitter-Signale nach außen. Zusammen mit dem Edelstahlgehäuse wirken die Glasdurchführungen wie Durchführungskondensatoren und bilden einen Faraday’schen Käfig. Damit ist diese Technologie extrem robust gegen elektrische Felder. Selbst Feldstärken von 250 Volt por Meter bei Frequenzen bis vier Gigahertz können das Messsignal nicht beeinflussen.

Der ASIC ist als Mikrocontroller mit entsprechender Peripherie ausgelegt, so dass 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 Temperatur-Kompensation verwendet. Die OEM-Transmitter bieten zwei Ausgangssignale: einen ratiometrischen analogen Spannungsausgang und eine digitale Inter-Integrated-Circuit-Schnittstelle (I2C).

Der Trick beim ratiometrischen Format des Ausgangssignals ist, dass es eigentlich kein Format hat. Denn es ist abhängig von der Versorgungsspannung. Für die Anwendung in integrierten Systemen ist das ein Vorteil. Wird nämlich der nachfolgende Wandler 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. Mit der Nutzung ratiometrischer Signale lässt sich der Aufwand für die Signalübergabe vom Drucktransmitter an den A/D-Wandler der Folgeelektronik deutlich verringern. Kalibrierungsschritte werden dann überflüssig. Im Speziellen beim Anschließen an einen Mikrokontroller mit integriertem A/D-Wandler ist er gleich Null. Trotzdem ist eine Spanne des Ausgangssignals spezifiziert, nämlich 0,5 bis 4,5 Volt bei einer Speisespannung von 5,0 Volt. Mit einer stabilen Versorgungsspannung kann diese direkt als „Normsignal“ genutzt werden. Hinzu kommt ein Überspannungs- und Verpolungsschutz auf allen Leitungen bis ±33 VDC.

OEM-Transmitter in der Größe von Druckmesskapseln werden nie direkt an Feldbussysteme angeschlossen, sondern benötigen entsprechende Eingangsschnittstellen. Die I2C-Schnittstelle 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 zwei Leitungen. Jeder OEM-Transmitter hat eine eigene Adresse, die vom I2C-Master angesprochen wird. Momentan könnten von einem Master 128 unterschiedliche Adressen verwaltet werden. Die Druck- und Temperaturwerte werden durch einen Request des Masters erfasst und stehen an den Transmittern nach weniger als vier Millisekunden bereit um nach Protokoll ausgetaktet zu werden. Die Werte sind über Temperatur kompensiert und normiert und müssen nur noch von 15 Bit-Ganzzahl in einen einheitsbehafteten Druck oder eine Temperatur skaliert werden.

Im Gegensatz zur CiO-Version mit ratiometrischem Ausgang können die Versionen mit I2C auch mit nur 1,8 bis 3,6 VDC Versorgungsspannung arbeiten. So eignen sie sich für mobile, batteriebetriebene Anwendungen. Dazu gehört aber  die kurze Wandlungszeit von weniger als zehn Millisekunden, während der lediglich 1,5 mA gezogen werden und der Sleep-Mode. Falls der Master eine angemessen schnelle Kommunikation erlaubt, können somit über 250 Samples pro 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 zieht. Der Druckbereich der analogen Version reicht von zwei bis 1000 bar, digital von zwei bis 200 bar. Für hohe Dynamik empfiehlt sich die analoge Version, für Low Voltage und Low Power Applikationen die digitale Version.

Das Chip-in-Oil-Konzept bringt die Signalaufbereitung direkt in das schützende Gehäuse der Druckmesskapsel aus Edelstahl. Dort findet die Linearisierung, Temperaturkompensation und Parametrierung statt. Zur Integration in übergeordnete Systeme oder batteriebetriebene Geräte stehen Versionen mit ratiometrischem Spannungsausgang oder mit seriell-digitaler I2C-Schnittstelle zur Verfügung. ssc