In der industriellen Messtechnik unterscheidet man prinzipiell zwischen Messwertaufnehmern mit linearem und binärem Ausgang. Dies gilt auch für die Druckmesstechnik. Eine Kombination von beiden findet man jedoch selten. Dabei haben diese Sensoren klare Vorteile, nicht zuletzt in der Sicherheitstechnik.

OEM-Drucksensoren sind besonders unter sicherheitstechnischen Aspekten für Anwendungen geeignet, die direkt - ohne zwischengeschaltete Datenverarbeitung - auf ein Druckereignis reagieren müssen, wie beispielsweise zur Notabschaltung oder für Anwendungen, die eine reduzierte Anzahl an Bauteilen erfordern. Amsys hat den piezoresistiven OEM-Drucksensor AMS 5105 mit einem analogen, linearen Ausgang und mit zwei binären Ausgängen entwickelt. Die Kombination birgt Vorteile für den Anwender.

Für unveränderte Konfigurationen
Bei der AMS 5105-Serie handelt es sich um OEM-Drucksensoren mit zwei Schaltausgängen und einem linearen Spannungsausgang. Die verschiedenen Varianten ermöglichen die Absolutdruck- und Differenzdruckmessung sowie die bidirektionale differenzielle Druckmessung über einen weiten Druckbereich von 5 Millibar bis 7 Bar. Alle OEM-Sensoren werden bei der Herstellung individuell kalibriert, linearisiert und für den Temperaturbereich von -25 bis 85 ºC temperaturkompensiert. Hohe Messgenauigkeit und gute Langzeitstabilität sind das Ergebnis hochwertiger piezoresistiver Silizium-Messelemente in Kombination mit einem hochmodernen CMOS-ASIC.

Ein 15,2 x 15,2 mm² Keramikträger mit Dual-In-Line-Lötpins und ein Keramikgehäuse verleihen dem AMS 5105 hohe mechanische Stabilität und robuste Handhabbarkeit. Der Drucksensor ist für Anwendungen konzipiert, bei denen die Sensoren auf eine Konfiguration, wie zum Beispiel Schaltfunktion, Schaltpunkt, Hysterese oder Schaltverzögerung, eingestellt werden und während ihrer Betriebszeit nicht mehr verändert werden müssen. Sie finden dann als Druckschalter Verwendung, die keinen Prozessor benötigen oder bei denen die Kapazität des vorhandenen Prozessors auf Systemebene für andere Aufgaben genutzt werden muss.

Elektronische Abgleichung
Die eigentliche Druckmessung findet in der piezoresistiven Silizium-Druckmesszelle statt. Dort wird der zu messende Druck in ein differenzielles, druckproportionales, analoges Spannungssignal gewandelt. Anschließend wird dieses Spannungssignal im nachfolgenden ASIC verstärkt und über einen Multiplexer zum Analog-Digital-Wandler weitergeleitet. Hier findet die Umwandlung in einen 14-Bit-Digitalwert statt. Um standardisierte Ausgangswerte zu erhalten, werden die digitalisierten Signale in dem nachfolgenden μC-Block während der Herstellung elektronisch abgeglichen, das heißt kalibriert, linearisiert und kompensiert.

Zum Abgleich ermittelt man bei verschiedenen Drücken und Temperaturen für jeden einzelnen Sensor Korrekturkoeffizienten, die im EEPROM gespeichert werden. Im Mikroprozessor-Block des ASICs läuft ein zyklisches Programm ab, das auf Basis der jeweils digitalisierten Druck- und Temperaturwerte und der Korrekturkoeffizienten das korrigierte und normierte, digitale Drucksignal errechnet. Die so berechneten Digitalwerte werden in das Ausgangsregister geschrieben und zyklisch aktualisiert - typischerweise alle 0,5 ms bei 14 Bit ADC-Auflösung.
Der digitale Druckwert wird mit Hilfe eines internen Digital-Analog-Wandlers gewandelt (11 Bit) und kann als ratiometrischer Spannungswert von 0,5 bis 4,5 V ausgelesen werden. Das Temperatursignal kann nicht ausgelesen werden, sondern wird nur im Starter-Kit angezeigt. Die SIF-Einheit (die serielle Schnittstelle) dient zur Programmierung des ASICs und der Ausgangsparameter im I²C-Format.

Binäre Schaltausgänge
Unter binären Signalen versteht man zweiwertige Signale. Das heißt, es gibt nur diese zwei Signal-zustände. Auf eine entsprechende elektronische Schaltung übertragen bedeutet dies, es gibt nur den gesperrten oder den durchgeschalteten Ausgang. Man hat also einen elektronischen Schalter.

Im Digitalteil der Signalverarbeitung muss ein entsprechender Wert mit dem Starter-Kit als Schalt-wert programmiert werden. Bei Erreichen dieses Wertes schaltet der Ausgang von low auf high oder umgekehrt. Da die beiden Ausgänge Sink- und Source-fähig sind (maximal 4 mA) lassen sich bei geeigneter Anordnung der Lastwiderstände beide Ausgänge als Stromausgänge realisieren.
Da in dem ASIC die Möglichkeit integriert ist, an einem Ausgang (Switch 1 und/ oder Switch 2) zwei Schaltpunkte zu programmieren, können auch Zweipunktschalter, so genannter Window-Mode, realisiert werden.

Bei Anwendungen, in denen ein geringer Schaltstrom an den binären Ausgängen gefordert wird - wie maximal 4 mA, beispielsweise für eine LED-Anzeige - kann man wahlweise an jedem Ausgang die Funktion Öffner, Schließer und/ oder Zweipunktschalter direkt realisieren. Insbesondere kann so mit dem einen Ausgang auch der Schaltzustand des anderen angezeigt werden, so zum Beispiel mit einer Dioden-Beschaltung. Ist das Schalten höherer Betriebsspannungen erforderlich, so ist eine externe Leistungsstufe hinzuzufügen, zum Beispiel ein intelligenter Low-Side Power-FET PROFET BSP75G oder ein High-Side Power-FET ISP452. Mit der Benutzung von integrierten Schaltern lassen sich insbesondere industrielle Druckwächter herstellen, die sich durch eine Vielzahl von Schutzfunktionen auszeichnen.

Ratiometrisches analoges Ausgangssignal
Man sieht, dass das Ausgangssignal einer piezoresistiven Silizium-Messzelle VOUT direkt von der Versorgungsspannung VS abhängig ist. Das heißt, dass sich das Signal der Messzelle synchron zur Änderung der Spannungsversorgung verhält, was man als Ratiometrie bezeichnet. Dieses Verhalten findet sich auch in dem Ausgangssignal des AMS 5105 von 0,5 bis 4,5 V.

Dieses Analogsignal hat unter dem Sicherheitsaspekt den Vorteil einer inhärenten Fehlerdiagnose. Wenn das Signal schon ohne Druck 0 V beträgt, weiß man, dass keine Versorgungsspannung (Kabelbruch) anliegt. Wenn das Signal bei minimalem Druck zwischen 0 und 0,5 V liegt, handelt es sich um einen Defekt im ASIC oder um eine Fehlkalibration. Wenn sich das Ausgangssignal bei maximalem Druck zwischen 4,5 V und 5 V befindet, muss eine Fehlkalibration vorliegen. Wenn das Signal 5 Volt beträgt, muss mit einem Kurzschluss nach Vcc gerechnet werden.
So lassen sich an Hand des Analogsignals bereits grobe Fehler analysieren, die man am Digitalsignal auf Anhieb nicht erkennen kann. Die Ratiometrie gilt nur für die analogen Ausgänge.

Kombination von linearen und binären Ausgängen
Mit den AMS 5105 Sensoren lassen sich einerseits einfache Druckschalter, wie Öffner oder Schließer mit Zustandskontrolle oder Druckanzeige und andererseits auch antivalente sowie ambivalente Schaltsysteme mit Druckkontrolle realisieren. Prinzipiell liegt der Vorteil der Kombination von linearem Analog-Ausgang mit binären Schaltausgängen in der Möglichkeit, in einer industriellen Anlage, in der druckabhängig geschaltet werden muss, den Druckzustand über das analoge Signal direkt zu kontrollieren. Wenn in einer solchen Anlage zum Beispiel durch ein Fehler im Schaltsystem nicht ordnungsgemäß geschaltet wird, kann mit Kenntnis des eingestellten Schaltpunktes (beispielsweise 50 Prozent maximaler Druck) am entsprechenden analogen Ausgangssignal (½ Full-Scale-Anzeige) das Fehlverhalten schon visuell erkannt werden. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen von Bedeutung. Ein weiteres Beispiel ist die Steuerung des Drucks - wie die Verringerung der Druckänderungsgeschwindigkeit - vor Erreichen des Schaltpunktes in einer Schaltanwendung. Das kann auf der Grundlage des Analogsignals realisiert werden. Ein weiterer Vorteil: da man am Schaltzustand eines Zweipunktschalters nicht erkennen kann, in welchem Bereich man sich auf der Druckkennlinie befindet, kann am Analogausgang die entsprechende Information abgelesen werden.

Für Stand-alone-Anwendungen
Die OEM-Sensoren der Amsys Serie AMS 5105, in denen ein linearer, analoger Ausgang und zwei binäre Schaltausgänge kombiniert sind, ist für Stand-alone-Anwendungen ohne zusätzlichen Mikroprozessor gedacht. Alle Schaltfunktionen sind entweder durch den Benutzer oder durch den Hersteller programmierbar, so dass keine digitale Zusatzelektronik zur Realisierung von Druckkontrollsystemen benötigt wird, wie zum Beispiel die direkte Ansteuerung eines Relais mit Schaltkontrolle. Durch die parallelen Ausgänge können ohne Zusatzbeschaltung Druckschalter mit Eigenkontrolle aufgebaut werden. Erhältlich sind die Sensoren für Absolutdruck-, Relativdruck- und Differenzdruckmessung sowie bidirektionale differenzielle Druckmessung. Sie sind in den verschiedenen Versionen im Druckbereich von 0 bis 5 Millibar und 0 bis 7 Bar einsetzbar.