Trafag NAH 8254 – Dynamiczny pomiar ciśnienia

     Wytrzymały przetwornik ciśnienia NAH 8254 do pomiaru bardzo dynamicznych krzywych ciśnienia został stworzony z optymalnego połączenia elementu czujnikowego z technologią cienkowarstwowej powłoki na stali, a także z samodzielnie skonstruowanego przez Trafag układu ASIC.

     W wielu zastosowaniach, zwłaszcza w środowiskach badawczych i kontrolnych, należy rejestrować wysoce dynamiczne krzywe ciśnienia, np. w celu analizy otwierania i zamykania zaworów, śledzenia krzywych ciśnienia wybuchów i podobnych do wybuchu rozkładów ciśnienia lub w celu badania krótkotrwałych szczytów ciśnienia w układach hydraulicznych. Przetworniki dostępne w handlu do zastosowań przemysłowych zazwyczaj nie są w stanie odpowiednio rejestrować takich sygnałów o wysokiej częstotliwości; z powodu niewystarczającej wydajności wewnętrznych układów elektronicznych lub z powodu celowego tłumienia sygnału, dzięki czemu sterownik przetwarzający nie jest przeciążony niepotrzebnymi informacjami. Dlatego na rynku dostępne są specjalne przetworniki ciśnienia, które zostały opracowane specjalnie do zastosowań wymagających dużej szybkości. Przetworniki te posiadają częstotliwości graniczne (patrz ramka) od 5 do 50 kHz i często mają pewne zalety i wady wynikające z zastosowanej technologii czujników.

Technologia piezoelektryczna

     Piezoelektryczna technologia czujników zawsze była najbardziej popularną metodą pomiaru bardzo dynamicznych krzywych ciśnienia. Fizyczna zasada pomiaru, która dostarcza sygnał tylko przy dynamicznych krzywych ciśnienia, ale z bardzo dobrym stosunkiem sygnału do szumu i przy wysokich częstotliwościach, jest z zasady najbardziej odpowiednia. Kolejną zaletą jest wysoka sztywność konstrukcji, która pozwala na bardzo wysokie częstotliwości drgań własnych. Wadą tej technologii są z jednej strony wysokie koszty spowodowane bardzo delikatną i wymagającą produkcją oraz złożoną oceną sygnału (wzmacniacz ładunku), a także podatność na znoszenie od punktu zerowego, które są jednak akceptowane przez wielu użytkowników, często przy braku bardziej odpowiednich alternatyw.

Dynamiczny pomiar porównawczy przetworników o częstotliwościach granicznych od 1-10 kHz różnych producentów w porównaniu do przetworników referencyjnych o częstotliwości 50 kHz (szara linia). Niebieska linia pokazuje pomiar prototypu firmy Trafag z częstotliwością wyłączania 10 kHz.

     Znacznie tańszą alternatywą jest piezorezystancyjna zasada pomiaru, która dopuszcza stosunkowo prostą elektronikę wzmacniacza dzięki bardzo dobremu stosunkowi sygnału do szumu, ale jest gorsza od zasady piezoelektrycznej pod względem dynamiki, a przede wszystkim sztywności dzięki wypełnieniu olejem konstrukcji czujnika. Główną wadą technologii piezorezystancyjnej jest jednak jej podatność na dryft, który występuje zwłaszcza w podwyższonych temperaturach.

Alternatywna technologia cienkowarstwowej powłoki na stali

     Technologia cienkowarstwowej powłoki na stali, bezsprzecznie najlepsza pod względem dryftu, również dopuszcza wysokie częstotliwości, ale ma bardzo niski stosunek sygnału do szumu w porównaniu z pozostałymi dwiema technologiami. Zwłaszcza w przypadku analizy sygnałów o wysokiej dynamice, nakłada to tak wysokie wymagania na elektronikę pomiarową przetwornika, że większość producentów szybkich przetworników ciśnienia przestawia się na jedną z dwóch pozostałych technologii czujników. Trafag, jeden z pionierów z około 35-letnim doświadczeniem w rozwoju i perfekcjonowaniu technologii cienkowarstwowej powłoki na stali, podchodzi do tej kwestii inaczej: Za pomocą opracowanego przez siebie układu scalonego ASIC (ang. application-specific integrated circuit), precyzyjnie dostosowanego do wymagań technologii czujników Trafag z określonymi funkcjami wzmacniacza i filtra, można wyeliminować wady niskiego stosunku sygnału do szumu, a technologia czujników, charakteryzująca się najwyższą wytrzymałością i długotrwałą stabilnością, może być stosowana wszędzie tam, gdzie inni producenci osiągają swoje granice. Dzięki dopasowanemu względem siebie rozwojowi dwóch podstawowych technologii: technologii cienkowarstwowej powłoki na stali elementu czujnikowego oraz ASIC, Trafag może łączyć charakterystykę reakcji szybkiego przetwornika ciśnienia z wytrzymałością przetwornika ciśnienia zbudowanego dla najtrudniejszych środowisk.

Trafag ASIC TX z równoległą, mieszaną strukturą sygnału (po lewej). Drobne struktury chipa są widoczne pod mikroskopem.

Podczas produkcji każdy przetwornik ciśnienia jest indywidualnie kalibrowany zgodnie z bardzo dokładnymi normami ciśnienia. Parametry korekcji linearyzacji, punktu zerowego i korekcji zakresu są zapisywane w układzie scalonym przetwornika, w tym przypadku bezpośrednio w układzie Trafag ASIC. Każdy sygnał wejściowy elementu czujnikowego, na którym w zależności od ciśnienia zmieniają się rozpylane opory cienkowarstwowe i wynikające z tego odkształcenia są odpowiednio korygowane na podstawie parametrów zapisanych w ASIC, a mianowicie liniowości, zerowania i zakresu oraz kompensacji temperatury powyżej lub poniżej 25°C.

Nieograniczone szybkie przetworniki ciśnienia

     Trafag ASIC TX, który łączy ponad 100 000 tranzystorów w „rozmiarach” zaledwie 2x2 mm, składa się z dwóch centralnych elementów: niezwykle wydajnego wzmacniacza analogowego i idealnie dopasowanego do niego wzmacniacza cyfrowego. Sygnał wejściowy elementu czujnikowego jest już korygowany przez wzmacniacz analogowy w 98-99 % i przekazywany bezpośrednio i w czasie rzeczywistym do elektroniki sygnałowej. Część cyfrowa jest potrzebna tylko dla pozostałych 1-2% wartości korekcji, które są następnie dodawane do sygnału wzmacniacza analogowego. Mocną stroną tej koncepcji jest bardzo wysoka prędkość przetwarzania sygnału (poza korekcją części cyfrowej), która jest całkowicie niezależna od częstotliwości próbkowania przetwornic analogowo-cyfrowych (A/D) i cyfrowo analogowych (D/A); tylko nieznacznie ograniczone przez analogową część elektroniki. Dzięki temu przetwornik ciśnienia Trafag jest niezwykle szybki i zwykle jest tłumiony elektronicznie, co sprawia, że nadaje się do danych zastosowań i jest niewrażliwy na zakłócenia (np. zakłócenia elektromagnetyczne EMC). W normalnych zastosowaniach przemysłowych, w których nie ma szczególnych wymagań co do prędkości sygnału, poszukuje się optymalnego kompromisu pomiędzy solidnością i wystarczająco szybką reakcją w celu uzyskania pożądanych wyników pomiarów. Duże prędkości sygnału wymagają zazwyczaj większego okablowania, niezależnie od wybranej zasady działania czujnika, ponieważ należy stosować specjalnie ekranowane kable. Zasadniczo ekranowanie musi być wykonane bardzo starannie, aby uniknąć sprzężenia zwrotnego, które na przykład wpływa na przetwornik pomiarowy i analizator z powodu fal napięcia zasilającego. Z drugiej strony istnieją też zastosowania, w których wymagane jest nawet większe tłumienie sygnału niż w przypadku zwykłego przemysłowego przetwornika ciśnienia; na przykład do wygładzania fal sygnału wysokiej częstotliwości mechanicznych pomp cieczy już w przetworniku, a nie dopiero w sterowniku.

Przetworniki ciśnienia do trudnych zastosowań

Schematyczna budowa ASIC

Konwencjonalna konstrukcja (górna grafika) z w pełni cyfrowym przetwarzaniem sygnału jest ograniczona szybkością przetworników A/D lub D/A. Konstrukcja Trafag (dolny wykres) składa się z dwóch składowych sygnału, przy czym ścieżka główna (około 98 % sygnału) ze wzmocnieniem i korekcją punktu zerowego oraz zakresu jest czysto analogowa i dlatego bardzo szybka. Tylko sygnał korekcyjny (temperatura i nieliniowość) jest stosunkowo powolny. Ponieważ jednak zmiany temperatury mają również stałe czasowe w zakresie minutowym, udział ten nie jest krytyczny w stosunku do czasu. W tej części istotna jest tylko korekta nieliniowości, która w przypadku czujników Trafag wynosi zaledwie około 1% sygnału. Tak więc tylko 1% sygnału zależy od prędkości przetworników.

     W oparciu o sprawdzony przetwornik przemysłowy NAH 8254 w miniaturowej wielkości o rozmiarze klucza 19, firma Trafag oferuje specjalne wersje, w których można wybrać żądaną częstotliwość graniczną spośród różnych stopni, od ponad 20 kHz (odpowiada to 90% czasowi narastania 18 μs, 10…90% ciśnienia nominalnego) dla wysoce dynamicznych pomiarów ciśnienia do 11 Hz w celu maksymalnego wygładzenia sygnału. Zarówno cienkowarstwowa powłoka na stalowym elemencie czujnikowym, jak i podstawowa konstrukcja przetwornika sprawdziły się w ekstremalnych warunkach (drgania, wstrząsy, zmiany temperatury, szczyty wysokiego ciśnienia itp.) w trudnym środowisku maszyn budowlanych i leśnych oraz gwarantują wytrzymałość i niezawodność, niespotykaną w środowisku pomiarowym i testowym.

Reakcja przetwornika ciśnienia NAH 20 kHz w porównaniu z przetwornikiem standardowym.

Słowniczek

Częstotliwość graniczna – W przypadku wzmacniaczy, częstotliwość graniczna jest częstotliwością, przy której wzmocnienie pierwotnego sygnału jest o 3 dB niższe od maksymalnego wzmocnienia. Sygnał o wyższej częstotliwości niż częstotliwość graniczna jest nadal zapisywany, ale o wiele mniej dynamicznie i dokładnie.

Częstotliwość próbkowania – Częstotliwość, z jaką cyfrowa jednostka przetwarzania sygnału skanuje i przetwarza ciągły sygnał analogowy. Jeśli częstotliwość próbkowania jest nie więcej niż dwukrotnie wyższa niż najwyższa częstotliwość w oryginalnym sygnale, mogą wystąpić efekty aliasingu, które zniekształcają sygnał (twierdzenie Whittakera-Nyquista-Shannona).

Czas narastania – Czas, który upływa do momentu, gdy poziom sygnału wyjściowego osiągnie określoną wartość, np. 90% wartości skutecznej, po idealnej zmianie poziomu sygnału wejściowego o fali prostokątnej. Przeliczanie czasu narastania (tr = rise time) na częstotliwość graniczną (fg): fg =1 / (2π∙tr/2.2).

Szerokość pasma – Widmo częstotliwości pomiędzy dolną i górną częstotliwością graniczną, zwykle pomiędzy 0 Hz a maksymalną częstotliwością graniczną dla przetworników ciśnienia.

Trafag AG sensors & controls

Szwajcarska firma Trafag jest wiodącym międzynarodowym dostawcą wysokiej jakości czujników oraz mierników do pomiaru ciśnienia oraz temperatury. Oprócz szerokiej gamy znormalizowanych, konfigurowalnych produktów, Trafag opracowuje również indywidualne rozwiązania dla klientów OEM. Firma Trafag, założona w1942roku zgłówną siedzibą wSzwajcarii, dysponuje rozbudowaną siecią dystrybucyjną iserwisową wponad 40krajach na całym świecie. Pozwala to na indywidualne ikompetentne doradztwo dla klientów igwarantuje dostępność najlepszego możliwego serwisu. Wydajne działy rozwoju iprodukcji zapewniają szybkie iniezawodne dostarczanie produktów Trafag, charakteryzujących się najwyższą jakością iprecyzją, oraz błyskawiczne realizowanie żądań klientów.
Szczegółowe informacje – POLTRAF Sp. z o.o.