GP30 Ultraschall Durchfluss-Sensor IC

GP30 vereinfacht Elektronik für Ultraschall-Wasserzähler erheblich

Hochpräzise und dabei extrem stromsparend, so läutet der TDC-GP30 von acam ein neues Zeitalter für die voll statische Messmethode in der Ultraschall-Durchflussmessung ein. Der integrierte 32-Bit µP führt die mathematisch komplexe und rechenintensive Flussberechnung mit allen notwendigen Korrekturen extrem stromsparend durch, während der externe Mikroprozessor vollständig von dieser Aufgabe entlastet wird. acam ermöglicht dadurch kostensparende Entwicklungs-, Produktions- und Servicekonzepte.
Die acam-messelectronic gmbh, Teil der ams Gruppe und ein international operierendes Halbleiter-Unternehmen, das sich auf die Sensorbranche konzentriert, stellt mit dem TDC-GP30 ein neues Mitglied seiner UFC (Ultrasonic Flow Converter) Familie vor. Das Design neuer Ultraschall-Durchflussmessgeräte kann durch den TDC-GP30 enorm vereinfacht und verkürzt werden und ermöglicht es den Herstellern, preisgünstigere, kompaktere und stromsparendere Ultraschallzähler zu entwickeln. Der TDC-GP30 ist eine System-on-Chip-Lösung mit extrem niedrigem Stromverbrauch, der alle Messaufgaben bis zum kalibrierten Ausgabewert übernimmt.

TDC-GP30 arbeitet mit dem Time-of-flight Messprinzip

 

Der TDC-GP30 misst den Wasserdurchfluss mit Hilfe von hochpräzisen Zeitdifferenzen von Ultra-schallimpulsen in Richtung des Flusses sowie gegen den Fluss. Beim Einsatz in Kaltwasserzählern werden die gemessenen Laufzeiten des Ultraschallimpulses zusätzlich auch zur notwendigen Temperaturmessung des Wassers herangezogen und die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit damit nutzbringend eingesetzt.  

 

Ein auf Low-Power-Standard MCU Basis bisher nicht erreichbarer Wert

 

Bei einer Messrate von 8 Hz, typisch für Ultraschallwasserzähler, benötigt der gesamte TDC-GP30 inklusive aller Berechnungen und mathematischen Korrekturen des Flusses nur zirka 8µA. Dabei entfallen ca. 2µA auf permanente Funktionen wie 1.8V LDO und 32 kHz Oszillator und 6 µA auf die Flussmessung und die automatisch initiierte Berechnung des Flusses. Der 32-Bit µP benötigt dabei zirka 3.6µA (0.45µA/Messung) – ein auf Low-Power-Standard MCU-Basis bisher nicht erreichbarer Wert. Dies zeigt die Effektivität einer angepassten Rechnerarchitektur sowie dem darauf zugeschnittenen OP-Code. Die komplette Firmware ist entwickelt worden und wird betrieben in Assembler, um einen soweit wie möglich kompakten Code in Kombination mit höchster Performance und absolut minimalem Energieverbrauch zu erreichen Der extrem niedrige Stromverbrauch des Chips erlaubt den Einsatz von kostengünstigen Standard 2/3 AA oder AA Lithium-Thionylchlorid-Batterien. Bei einer Messfrequenz von 6-8 Hz kann damit bei Wasserzählern eine Betriebsdauer von mehr als 20 Jahren erreicht werden.

 

Intelligente Firmware eröffnet dem Kunden die gesamten Möglichkeiten des Chips.

 

Zusammen mit dem TDC-GP30 bietet acam optional auch eine Firmware für den integrierten Prozessor an, welche alle Funktionen bis zum kalibrierten Ausgabewert umfasst. Diese Firmware ist optimal auf den Prozessor abgestimmt, hochgradig durch den Kunden parametrisierbar und damit ein universell einsetzbares Werkzeug, um schnell und sicher Entwicklungen durchführen zu können. Für Kaltwasserzähler (bis 60 °C) wird die notwendige Temperaturmessung über die Ultraschalllaufzeit im Wasser durchgeführt, so dass kein zusätzlicher Temperatursensor benötigt wird.
Für Kunden, die ihre Firmware selbst entwickeln oder die von acam angebotene Lösung erweitern wollen, steht ein komfortabler Assembler mit grafischer Benutzeroberfläche zur Verfügung, welcher standardmäßig im Entwicklungssystem enthalten ist.   

 

Unterstützung in Entwicklung und Produktion


Auch bei der notwendigen Charakterisierung eines neuen Zählers/Messrohres in der Entwicklung unterstützt acam den Kunden in ganz entscheidender Weise. Der Kunde nimmt dabei (wie gewohnt) über n-Flüsse und m-Temperaturen die Kennlinie eines neuen Messrohrtyps auf und gibt diese in das Entwicklungssystem des TDC-GP30 ein. Eine darin integrierte „Calculation Engine“ berechnet aus diesen Kundeneingaben die entsprechenden Koeffizienten des Korrekturalgorithmus der acam-Firmware und stellt diese, eingebunden in einem downloadfähigen File, zur Verfügung. Diese Koeffizienten werden schließlich in der entsprechenden NVRAM-(nichtflüchtigen RAM)-Bereich des TDC-GP30 gespeichert.


Dieser Grundparametersatz wir dann für die Produktion eines so charakterisierten Zählertyps verwendet und entsprechend an jedes Messrohr der Produktion angepasst. Zur Parameteranpassung ist dann lediglich noch eine 2-Punkt Kalibrierung (zwei bekannte Flüsse bei einer bekannten Temperatur) erforderlich. Dies setzt natürlich eine entsprechende Produktionsstabilität der Mechanik (des Messrohres) voraus. Der Grundparametersatz kann unverändert verwendet werden, solange sich die Eigenschaft (der Charakter) des Messrohrtyps in ausreichend engen Toleranzen bewegt.

 

Ein professionelles Tooling rund um den TDC-GP30

 

acam beschäftigt sich bereits seit der Firmengründung mit der Ultraschall-Durchflussmessung. Jede neue Entwicklung von acam basiert auf einem intensiven Austausch mit seinen Kunden und berücksichtigt deren Wünsche und Anforderungen. acam versteht die Produktionsprozesse seiner Kunden und legt seine Produkte entsprechend aus. Genau zu messen ist eine Disziplin, die acam ebenso beherrscht wie seinen Kunden mit vorausschauendem Design einen klaren Wettbewerbsvorteil zu verschaffen.

Bei der Entwicklung des ICs TDC-GP30 zur Messung des Durchflusses mittels Ultraschalls orientierte sich acam wie gewohnt vor allem an Kundenbedürfnissen. Die wichtigsten Zielsetzungen bei der TDC-GP30-Entwicklung waren:

 

  • Eine leicht zu adaptierende universelle Lösung für Ultraschall-Wärmemengen- und Wasserzähler.
  • Eine Single-Chip-Lösung für unterschiedliche industrielle Anwendungen und für reine Fluss- und/oder Volumenmessung.
  • Alle Fluss-, Volumen- und Temperaturberechnungen werden direkt vom TDC-GP30 erledigt.
  • Ein externer μP wird nur noch für die Schnittstellen zu LCD, Funk- sowie andere Standard-Anwendungen verwendet und ist nicht mehr Teil der eichpflichtigen Elektronik.
  • ein integriertes Standard-Puls-Interface ermöglicht eine Eins-zu-Eins-Kopplung an die Elektronik mechanischer sowie hybrider Messgeräte. Pulse von mechanischen Messgeräten können äquivalent mit dem TDC-GP30 generiert werden. Vorhandene Prozessorlösungen für mechanische Zählertypen sowie deren Software bleiben damit beim Wechsel von einer mechanischen Flussmesseinheit (z.B. mit einem Propeller) mit einem Ultraschallmessrohr weitgehend unberührt.

 

Und nicht zu vergessen:

 

Komplette Trennung der Digitalisierung von Fluss und Volumen vom Gerätemanagement und der externen Kommunikation

 

Der TDC-GP30 funktioniert als komplette Frontendlösung mit integrierter digitaler Signalverarbeitung (32-Bit µP) bis zum eichfähigen Ausgangssignal und stellt bis zur digitalen Volumenausgabe über UART, Puls und SPI eine echte Single-Chip-Lösung dar, so dass die nachfolgende Standard-MCU ausschließlich für das Management der Kommunikation des Messgerätes - z.B. für Funk - eingesetzt werden kann.

High performance + ultra-low power 32-Bit CPU mit

 

  • 128 * 32 bit NVRAM (non-volatile RAM) für Firmwareparameter und Daten
  • 4k * 8 bit NVRAM (non-volatile RAM) für das Programm
  • 4k * 8 bit ROM für Systemfunktionen und Flusssoftware
  • Eichfähige (MID-compliant) Fluss-, Volumen- und Temperaturberechnung durch den TDC-GP30
  • Flexible Schnittstellen: SPI, UART, Puls (nur Fluss)
  • 8 μA bei 8 Hz Messrate inklusive aller notwendigen Berechnungen des integrierten µP
  • <5µA Betriebsstrom in typischer Wasserzähler Applikation durch adaptive Prozessteuerung in der Firmware
  • Wenig Platzbedarf der gesamten Lösung, benötigt kaum externe Bauteile

Datenblätter

 

Produkt

Beschreibung

 

TDC-GP30 Vol1

System-Integrated Solution for Ultrasonic Flow Meters

Volume 1: General Data and Frontend Description

 

TDC-GP30 Vol2

System-Integrated Solution for Ultrasonic Flow Meters

Volume 2: CPU, Memory and Firmware

 

TDC-GP30 Vol3

System-Integrated Solution for Ultrasonic Flow Meters
Volume 3: User Manual

 

TDC-GP30 Vol4

Firmware, Memory and ROM Overview

 

TDC-GP30 Vol5

System-Integrated Solution for Ultrasonic Flow Meters
Volume 5: Description Calibration Engine

 

TDC-GP30 Eval

GP30-DEV-KIT
Development System for TDC-GP30 Ultrasonic Flow Converter

 

GP30-Demo

SonoQ-Flow GP30-Demonstrator
Ultraschall Durchflussmesser DN20 für Wasser

GP30 Entwicklungskit

GP30 Entwicklungskit

Entwicklungskit GP30

Da Entwicklungskit GP30-DEV-KIT ist als Plattform PCB entwickelt worden, um einen schnellen und einfache Start-up und Evaluation des TDC-GP30 Ultrasonic Flow Converter zu ermöglichen. Das Evaluationskit bietet eine benutzerfreundliche Konfigurationsumgebung um die Enticklung zu vereinfachen und um den TDC-GP30 extensiv zu testen. Ebenso beinhaltet dieses Kit einen Assembler um den TDC-GP30 zu programmieren.

GP30 Demonstrator

Domonstrator GP30

Der Ultraschalldurchflussmesser ist als Demonstratorsystem für wässrige Medien auf Basis des TDC-GP30 der Fa. acam aufgebaut und ist geeignet zur Integration in Geräte, Maschinen und Vorrichtungen.

Dieses Demonstratorsystem besteht aus einer Messstrecke aus Messing mit dem Prozessanschluss 1“. Das System ist komplett funktionsfähig und für den Durchflussbereich von 1,0 – 75 l/min über den Medientemperaturbereich von 0 bis 90 °C abgeglichen. Die unterste sicher detektierbare Anlaufschwelle liegt bei 0,2 l/min, wodurch sogar eine Leckageerkennung von Tropfen detektierbar ist.

Das Demonstratorsystem des TDC-GP30 funktioniert als komplette Frontendlösung mit integrierter digitaler Signalverarbeitung (32-Bit µP) bis hin zum eichfähigen Ausgangssignal.

 

weitere Informationen

    Presse

    Produkt

    Beschreibung

    Wohlige Wärme

    Ultraschall-Durchflusssensor für den Massenmarkt der Gas-Wandgeräte

    Fachartikel von Georg Jedelhauser

    Ein deutsches Traditionsunternehmen für Heiztechnik, ein Technologie-Start-Up und ein mittelständischer Chiphersteller realisieren gemeinsam einen kompakten und kostengünstigen Durchflusssensor auf Ultraschall-Basis für Gas-Wandgeräte. Die Heizungsanlage wird dank des GP30 von Acam um bis zu 15 % effizienter.