Trafag удалось объединить высокодинамичный отклик испытательного стенда датчика и исключительную надежность мобильного датчика гидравлического давления за счет объединения тонкопленочных измерительных ячеек на стали и ASIC, разработанных собственными силами. Trafag ASIC TX с инновационной параллельной структурой смешанных сигналов является ключом к поведению отклика на почти неограниченной скорости.

Во многих приложениях, прежде всего в области испытаний, цель состоит в том, чтобы записать высокодинамичные кривые давления, например, чтобы проанализировать характеристики открытия и закрытия клапанов, отслеживать кривые давления взрывов и взрывных расширений давления или исследовать кратковременные пики давления в гидравлические системы. Датчики для промышленных приложений, представленные на рынке, как правило, не способны адекватно улавливать такие высокочастотные сигналы, потому что внутренняя электроника недостаточно эффективна или потому, что сигнал намеренно подавляется, чтобы система управления не была перегружена ненужной информацией. Вот почему на рынке предлагаются специальные преобразователи давления, специально разработанные для высокоскоростных приложений. Эти передатчики спроектированы с частотами отсечки (см. Вставку) от 5 до 50 кГц и имеют определенные преимущества и недостатки, которые часто связаны с используемой сенсорной технологией.

Технология пьезоэлектрических датчиков всегда была наиболее распространенной для измерения высокодинамичных кривых давления. С чисто теоретической точки зрения этот физический принцип измерения является наиболее подходящим, поскольку он обеспечивает сигнал только во время кривых динамического давления, но с очень хорошим интервалом отношения сигнал / шум и для высоких частот. Еще одно преимущество - принципиально высокая жесткость конструкции, допускающая очень высокие собственные частоты. С другой стороны, недостатками этой технологии являются высокая стоимость из-за очень чувствительного и сложного производства и сложной оценки сигнала (усилитель заряда), а также уязвимость смещения нулевой точки, что часто принимается многими пользователями. из-за отсутствия подходящих альтернатив.

Значительно менее дорогой альтернативой является пьезорезистивный принцип измерения, который позволяет использовать относительно простую электронику усилителя благодаря очень хорошему соотношению сигнал-шум, которое, однако, уступает пьезоэлектрическому принципу в отношении динамики и, прежде всего, жесткости из-за датчика. конструкция, залитая маслом. Однако основным недостатком пьезорезистивной технологии является уязвимость к дрейфу, которая особенно проявляется при высоких температурах.

Измерение динамического сравнения передатчиков с частотой отсечки от 1 до 10 кГц от различных производителей по сравнению с эталонным передатчиком с частотой 50 кГц (серая линия). Синяя линия показывает измерения прототипов Trafag с отсечкой 10 кГц.

Альтернатива: технология тонкой пленки на стали в сочетании с ASIC

Что касается дрейфа, технология тонкой пленки на стали, без сомнения, является лучшей, позволяя использовать высокие частоты, но имея очень маленькое отношение сигнал / шум по сравнению с двумя другими. В частности, когда дело доходит до оценки высокодинамичных сигналов, это предъявляет такие высокие требования к анализирующей электронике в преобразователе, что большинство производителей высокоскоростных преобразователей давления прибегают к одной из других сенсорных технологий. Компания Trafag, один из пионеров с почти 35-летним опытом, использует другой подход: с помощью собственной разработки ASIC (специализированная интегральная схема), точно адаптированной к требованиям сенсорной технологии Trafag с особыми функциями усилителя и фильтра. недостатки низкого отношения сигнал / шум могут быть устранены, а сенсорная технология, превосходящая по надежности и долговременной стабильности, может использоваться даже в ситуациях, когда другие производители достигают своих пределов. Благодаря скоординированной разработке двух основных технологий - сенсорного элемента «тонкая пленка - сталь» и ASIC-Trafag, можно сочетать быстродействие высокоскоростного датчика давления с надежностью датчика давления, созданного для самых суровых условий окружающей среды.

В процессе производства каждый датчик давления настраивается индивидуально путем калибровки по высокоточным стандартам давления. Во время этого процесса параметры коррекции для линеаризации, коррекции нулевой точки и диапазона сохраняются на микросхеме передатчика, в данном случае непосредственно в ASIC Trafag. Чувствительный элемент состоит из напыленных тонкопленочных резисторов в виде моста Уитстона, которые сжимаются или расширяются в зависимости от деформации мембраны, вызванной давлением. Каждый входной сигнал чувствительного элемента, возникающий в результате изменения сопротивления, вызванного деформацией, корректируется в соответствии с параметром, сохраненным в ASIC, особенно в отношении линейности, нулевой точки и диапазона, а также температурной компенсации выше или ниже 25 ° C.

Неограниченно быстрый датчик давления

Trafag ASIC TX, объединяющий более 100 000 транзисторов на площади всего 2x2 мм, состоит из двух центральных элементов: высокопроизводительной аналоговой части усилителя и идеально согласованной цифровой части. Входной сигнал чувствительного элемента корректируется аналоговым усилителем до 98-99%, а затем передается в сигнальную электронику в реальном времени. Цифровая часть необходима только для оставшихся 1-2% значения коррекции, которое затем смешивается с аналоговым сигналом усилителя. Сильной стороной этой концепции является очень высокая скорость обработки сигналов (за исключением коррекции цифровой части), которая полностью не зависит от частот дискретизации аналого-цифровых (A / D) и цифро-аналоговых (D / A) преобразователей; лишь немного ограничивается аналоговой частью электроники. Это в целом делает датчик давления Trafag чрезвычайно быстрым, и он обычно имеет электронное демпфирование, чтобы быть пригодным для соответствующих применений и устойчивым к помехам (например, EMC).

В обычных промышленных приложениях без особых требований к скорости сигнала инженеры стремятся к оптимальному компромиссу между надежностью и достаточно быстрой реакцией для получения желаемых результатов измерения. Независимо от выбранного принципа датчика, высокие скорости сигнала обычно требуют значительных затрат на электромонтаж, поскольку необходимо использовать специально экранированные кабели. Как правило, экранирование должно выполняться очень тщательно, чтобы избежать, например, обратной связи, которая из-за пульсаций напряжения питания появляется как на передатчике, так и на блоке оценки.

С другой стороны, существуют также приложения, в которых требуется сильное демпфирование сигнала, обычно в обычных промышленных датчиках давления: например, для сглаживания высокочастотных пульсаций сигнала от механических жидкостных насосов уже на датчике, а не в системе управления.

Схематическое изображение ASIC TX

Обычная конструкция (диаграмма выше) с полностью цифровой обработкой сигнала ограничена скоростью аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразователя. Конструкция Trafag (диаграмма ниже) состоит из двух компонентов сигнала при условии, что основной тракт (около 98% сигнала) является чисто аналоговым с точки зрения усиления, коррекции нулевой точки и диапазона и, следовательно, очень быстрого. Только сигнал коррекции (температура и нелинейность) сравнительно медленный. Эта часть не чувствительна ко времени, поскольку при изменении температуры время отклика также находится в минутном диапазоне. В этой части важна только коррекция нелинейностей, которая в случае датчиков Trafag составляет только около 1% сигнала. Следовательно, только около 1% сигнала зависит от скорости преобразователя.

Обычная сигнальная цепочка, состоящая из одного пути

Цепочка сигналов ASIC для параллельных смешанных сигналов Trafag, содержащая отдельные тракты для усиления и компенсации

Преобразователи давления NAH 8254: для тяжелых условий эксплуатации

На основе зарекомендовавшего себя промышленного передатчика NAH 8254 в миниатюрном размере шириной 19 мм по всей поверхности Trafag предлагает специальные версии, для которых желаемая частота среза может быть выбрана из различных уровней, превышающих 20 кГц (это соответствует времени нарастания 18 мкс, 10… 90% номинального давления) для высокодинамичных измерений давления до 11 Гц для максимального сглаживания сигнала. Чувствительный элемент из тонкой пленки на стали и базовая конструкция преобразователя были испытаны в экстремальных условиях (вибрация, удары, изменение температуры, высокие пики давления и т. Д.) В суровых условиях строительной и лесохозяйственной техники и гарантируют непревзойденная прочность и надежность в области измерений и испытаний.

Преобразователь давления NAH 8254 с частотой отсечки 20 кГц для измерения высокодинамичных градиентов давления: он сочетает в себе прочную конструкцию мобильного гидравлического преобразователя с изысканной и чрезвычайно быстрой электроникой.

Частота среза

Для усилителей частота среза - это частота, при которой исходное усиление сигнала становится на 3 дБ меньше максимального усиления. Сигнал с более высокой частотой, чем частота среза, по-прежнему отображается, но он значительно менее динамичен и точен.

Частота выборки

Частота, с которой блок обработки цифрового сигнала производит выборку и обработку непрерывного аналогового сигнала. Если частота дискретизации больше не вдвое выше, чем самая высокая частота, встречающаяся в исходном сигнале, могут возникнуть эффекты наложения, которые могут привести к искажению сигнала (теорема выборки Найквиста-Шеннона).

Время нарастания

Время, которое проходит до тех пор, пока уровень выходного сигнала не достигнет предварительно определенного значения после идеального прямоугольного импульса входного сигнала, например 90% от фактической стоимости. Преобразование времени нарастания (tr = время нарастания) в частоту среза (fg): fg = 1 / (2π ∙ tr / 2.2)

Пропускная способность

Частотный спектр между нижней и верхней частотой среза для датчиков давления, как правило, между 0 Гц и максимальной частотой среза.