acam messelectronic
Ultraschallzähler so günstig wie mechanische Typen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das Messprinzip
Um zu verstehen, welche Hürden auf dem Weg zur kompletten Ultraschallmessung auf einem Chip zu nehmen waren, ein kurzer Blick auf das Messprinzip: Der Sensor (Transducer) bestimmt den Zeitunterschied eines Schallsignals durch das Medium in Fließrichtung und entgegengesetzt der Fließrichtung. Dieser Zeitunterschied lässt sich sehr genau messen, und aus ihm kann die Fließgeschwindigkeit des Mediums berechnet werden.
Die hohe Messgenauigkeit erreicht acam mit dem Zeit-Digital-Wandler, dessen Auflösung im unteren Picosekundenbereich liegt. Damit lassen sich die Messungen auch unter veränderlichen Bedingungen wie Spannungs- und Temperaturschwankungen sehr präzise durchführen. Die Messung selbst erfordert eine Zeit von nur wenigen Mikrosekunden, die Methode ist also für Systeme geeignet, bei denen es auf eine möglichst geringe Stromaufnahme ankommt.
Fluide wie Wasser stellen besondere Ansprüche an die Genauigkeit der Zeitmessung, denn die Schallgeschwindigkeit ist in ihnen sehr hoch. Zudem ändert sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur, die Temperatur muss also ebenfalls mit hoher Genauigkeit gemessen werden. In Gasen hingegen liegt die Schallgeschwindigkeit niedriger, und es gilt, andere Herausforderungen zu lösen, wie z.B. ein wesentlich geringeres Empfangssignal. Zudem ist nicht nur die Temperatur, sondern auch der Druck beim Ergebnis zu berücksichtigen. Weil sich die Anforderungen der Messung in Gasen und in Fluiden unterscheiden, ist es laut Braun nicht sinnvoll, ein Analog-Frontend zu entwickeln, das für beide Anforderungen gleich gut ausgelegt ist. Weil derzeit der Markt für Wasserzähler mit Abstand der größte ist, hat acam den GP30 schwerpunktmäßig für den Einsatz in Wasserzählern konzipiert. Mit wenig zusätzlicher externer Elektronik ist er aber auch in Gaszählern einsetzbar – ebenfalls ein Markt mit hohem Zukunftspotential.
Dedizierter Prozessor
Um das Ziel der geringen Leistungsaufnahme trotz der erforderlichen komplexen Berechnungen zu erreichen, hat acam einen dedizierten 32-Bit-Controller entwickelt und auf dem Analog-Frontend integriert, das X-Fab in einem 0,18-µm-CMOS-Prozess fertigt. »Wir haben so einen hochdichten Code generieren können, die Befehle sind komfortabel und werden teilweise direkt in der Hardware ausgeführt«, erläutert Braun. Insgesamt liegt die Stromaufnahme bei einer Messrate von 8 Hz Messrate bei ca. 6 µA.
Und er macht noch auf eine weitere Besonderheit aufmerksam: Auf den Chips von acam ist ein Flash-Speicher integriert, »selbstverständlich ein Low-Power-Flash und im System über die Standard Schnittstellen programmierbar«. Die mit diesen Chips ausgestatteten Zähler lassen sich also im Feld und im Batteriebetrieb programmieren, erklärt Braun.
Aufbruch in neue Märkte
Mit den neuen System-on-Chip macht acam die Durchflussmessung so kostengünstig, dass das Unternehmen jetzt auch neue Marktsektoren anvisiert: Low-Cost-Industrie-Zähler, die nicht eichpflichtig sind. Hier spielt die geringe Stromaufnahme nur eine untergeordnete Rolle, es kommt vor allem auf Robustheit, niedrigen Druckverlust und natürlich den Preis an. Bisher nutzen viele Anwender für nichtinvasive Zähler vor allem die Vortex-Zähler, die gegenüber den bisherigen Ultraschall-Zählern deutlich kostengünstiger sind – allerdings auch sehr viel ungenauer. »Doch jetzt steigen in der Industrie die Ansprüche, und die Vortex-Zähler kommen an ihr Limit«, beobachtet Braun. Wenn kleine Flüsse gemessen werden sollen, was immer häufiger vorkommt, dann bietet sich der TPC-GP30 an. Über seine UART-Schnittstelle lässt er sich einfach an jeden Controller anschließen und liefert die genauen Flusswerte. »Erste Design-Ins laufen bereits, es entsteht eine ganz neue Gerätegeneration, die nicht teurer ist als die die Vortex-Zähler«, sagt Braun. »Die Produktionskosten für preisoptimierte Zähler können bis in den Bereich 10 Euro bei höheren Stückzahlen reduziert werden.« (ha)
Um zu verstehen, welche Hürden auf dem Weg zur kompletten Ultraschallmessung auf einem Chip zu nehmen waren, ein kurzer Blick auf das Messprinzip: Der Sensor (Transducer) bestimmt den Zeitunterschied eines Schallsignals durch das Medium in Fließrichtung und entgegengesetzt der Fließrichtung. Dieser Zeitunterschied lässt sich sehr genau messen, und aus ihm kann die Fließgeschwindigkeit des Mediums berechnet werden.
Die hohe Messgenauigkeit erreicht acam mit dem Zeit-Digital-Wandler, dessen Auflösung im unteren Picosekundenbereich liegt. Damit lassen sich die Messungen auch unter veränderlichen Bedingungen wie Spannungs- und Temperaturschwankungen sehr präzise durchführen. Die Messung selbst erfordert eine Zeit von nur wenigen Mikrosekunden, die Methode ist also für Systeme geeignet, bei denen es auf eine möglichst geringe Stromaufnahme ankommt.
Fluide wie Wasser stellen besondere Ansprüche an die Genauigkeit der Zeitmessung, denn die Schallgeschwindigkeit ist in ihnen sehr hoch. Zudem ändert sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur, die Temperatur muss also ebenfalls mit hoher Genauigkeit gemessen werden. In Gasen hingegen liegt die Schallgeschwindigkeit niedriger, und es gilt, andere Herausforderungen zu lösen, wie z.B. ein wesentlich geringeres Empfangssignal. Zudem ist nicht nur die Temperatur, sondern auch der Druck beim Ergebnis zu berücksichtigen. Weil sich die Anforderungen der Messung in Gasen und in Fluiden unterscheiden, ist es laut Braun nicht sinnvoll, ein Analog-Frontend zu entwickeln, das für beide Anforderungen gleich gut ausgelegt ist. Weil derzeit der Markt für Wasserzähler mit Abstand der größte ist, hat acam den GP30 schwerpunktmäßig für den Einsatz in Wasserzählern konzipiert. Mit wenig zusätzlicher externer Elektronik ist er aber auch in Gaszählern einsetzbar – ebenfalls ein Markt mit hohem Zukunftspotential.
Dedizierter Prozessor
Um das Ziel der geringen Leistungsaufnahme trotz der erforderlichen komplexen Berechnungen zu erreichen, hat acam einen dedizierten 32-Bit-Controller entwickelt und auf dem Analog-Frontend integriert, das X-Fab in einem 0,18-µm-CMOS-Prozess fertigt. »Wir haben so einen hochdichten Code generieren können, die Befehle sind komfortabel und werden teilweise direkt in der Hardware ausgeführt«, erläutert Braun. Insgesamt liegt die Stromaufnahme bei einer Messrate von 8 Hz Messrate bei ca. 6 µA.
Und er macht noch auf eine weitere Besonderheit aufmerksam: Auf den Chips von acam ist ein Flash-Speicher integriert, »selbstverständlich ein Low-Power-Flash und im System über die Standard Schnittstellen programmierbar«. Die mit diesen Chips ausgestatteten Zähler lassen sich also im Feld und im Batteriebetrieb programmieren, erklärt Braun.
Aufbruch in neue Märkte
Mit den neuen System-on-Chip macht acam die Durchflussmessung so kostengünstig, dass das Unternehmen jetzt auch neue Marktsektoren anvisiert: Low-Cost-Industrie-Zähler, die nicht eichpflichtig sind. Hier spielt die geringe Stromaufnahme nur eine untergeordnete Rolle, es kommt vor allem auf Robustheit, niedrigen Druckverlust und natürlich den Preis an. Bisher nutzen viele Anwender für nichtinvasive Zähler vor allem die Vortex-Zähler, die gegenüber den bisherigen Ultraschall-Zählern deutlich kostengünstiger sind – allerdings auch sehr viel ungenauer. »Doch jetzt steigen in der Industrie die Ansprüche, und die Vortex-Zähler kommen an ihr Limit«, beobachtet Braun. Wenn kleine Flüsse gemessen werden sollen, was immer häufiger vorkommt, dann bietet sich der TPC-GP30 an. Über seine UART-Schnittstelle lässt er sich einfach an jeden Controller anschließen und liefert die genauen Flusswerte. »Erste Design-Ins laufen bereits, es entsteht eine ganz neue Gerätegeneration, die nicht teurer ist als die die Vortex-Zähler«, sagt Braun. »Die Produktionskosten für preisoptimierte Zähler können bis in den Bereich 10 Euro bei höheren Stückzahlen reduziert werden.« (ha)
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