Trafag revolutioniert das Messen hochdynamischer Druckverläufe

Das hochdynamische Ansprechverhalten eines Prüfstandsensors und die extreme Robustheit eines Mobilhydraulik Drucktransmitters zu vereinen – dies gelingt Trafag durch die Kombination von Dünnfilm-auf-Stahl-Messzelle und eigenentwickeltem ASIC. Der Trafag ASIC TX mit innovativem Parallel-Mixed-Signal-Aufbau ist der Schlüssel zu einem fast unbeschränkt schnellen Ansprechverhalten.

In vielen Anwendungen, v.a. im Test- und Prüfumfeld, will man hochdynamische Druckverläufe erfassen, z.B. um das Öffnungs- und Schliessverhalten von Ventilen zu analysieren, Druckverläufe von Explosionen und explosionsähnlichen Druckausbreitungen zu verfolgen oder um kurzfristige Druckspitzen in hydraulischen Systemen zu untersuchen. Marktübliche Transmitter für Industrieanwendungen sind meist nicht in der Lage, derart hochfrequente Signale adäquat aufzuzeichnen – sei es, weil die interne Elektronik nicht leistungsfähig genug ist oder weil das Signal bewusst gedämpft wird, damit die verarbeitende Steuerung nicht mit unnötigen Informationen überlastet wird. Am Markt werden deshalb Spezialdruckmessumformer angeboten, die explizit für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt wurden. Diese Transmitter sind mit Grenzfrequenzen (siehe Informationen) von 5 bis 50 kHz ausgelegt und haben oft aufgrund der eingesetzten Sensortechnologie Vor- und Nachteile.

Seit jeher am verbreitetsten für die Messung von hochdynamischen Druckverläufen ist die piezoelektrische Sensortechnologie. Das physikalische Messprinzip, das nur während dynamischen Druckverläufen ein Signal liefert, dafür aber mit sehr gutem Signal-Rausch-Abstand und bei hohen Frequenzen, ist rein prinzipiell gesehen das geeignetste. Ebenfalls von Vorteil ist die prinzipbedingt hohe Steifigkeit der Konstruktion, die sehr hohe Eigenfrequenzen ermöglicht. Nachteile dieser Technologie sind einerseits die durch die sehr heikle und anspruchsvolle Fertigung und die komplexe Signalauswertung (Ladungsverstärker) bedingten hohen Kosten sowie die Driftanfälligkeit vom Nullpunkt, die aber von vielen Anwendern in Kauf genommen werden – oft in Ermangelung geeigneter Alternativen. Eine deutlich kostengünstigere Alternative ist das piezoresistive Messprinzip, das durch einen sehr guten Signal-Rausch-Abstand eine relativ einfache Verstärkerelektronik erlaubt, bezüglich Dynamik und vor allem Steifigkeit aufgrund der Ölfüllung des Sensoraufbaus aber dem piezoelektrischen Prinzip unterlegen ist. Zentraler Nachteil der piezoresistiven Technologie ist jedoch die Driftanfälligkeit, die besonders bei höheren Temperaturen auftritt.

Dynamische Vergleichsmessung von Transmittern mit Grenzfrequenzen von 1-10 kHz verschiedener Hersteller gegenüber Referenztransmitter mit 50 kHz (graue Linie). Die blaue Linie zeigt die Messung des Trafag-Prototypen mit 10 kHz Grenzfrequenz.

Alternative: Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie kombiniert mit ASIC

Die Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie, bezüglich Driftverhalten unbestritten die beste, erlaubt zwar auch hohe Frequenzen, hat aber im Verhältnis zu den anderen beiden einen sehr geringen Signal-Rausch-Abstand. Gerade wenn es um die Auswertung von hochdynamischen Signalen geht, stellt dies so hohe Anforderungen an die Auswerteelektronik im Transmitter, dass die meisten Hersteller von Hochgeschwindigkeits-Druckmessumformern auf eine der beiden anderen Sensortechnologien ausweichen. Trafag, einer der Pioniere mit rund 35 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und Perfektionierung der Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie, geht einen anderen Weg: Mittels eigenentwickeltem ASIC (application-specific integrated circuit), der mit spezifischen Verstärker- und Filterfunktionen genau auf die Anforderungen der Trafag-Sensortechnologie zugeschnitten ist, können die Nachteile des geringen Signal-Rausch-Abstandes eliminiert werden und die bezüglich Robustheit und Langzeitstabilität überlegene Sensortechnologie kann überall eingesetzt werden – auch da, wo andere Hersteller an ihre Grenzen stossen. So kann Trafag durch die aufeinander abgestimmte Entwicklung der zwei Kerntechnologien Dünnfilm-auf-Stahl-Sensorelement und ASIC das Ansprechverhalten eines Hochgeschwindigkeits-Druckmessumformers mit der Robustheit eines für raueste Umgebungen gebauten Drucktransmitters kombinieren.

Bei der Herstellung wird jeder Drucktransmitter durch Kalibrierung gegen hochgenaue Drucknormale einzeln abgeglichen. Dabei werden Korrekturparameter für die Linearisierung, Nullpunkt- und Spannekorrektur in einem Chip im Transmitter gespeichert – in diesem Fall direkt im Trafag-ASIC. Jedes Eingangssignal des Sensorelementes, auf dem sich aufgesputterte Dünnfilmwiderstände abhängig vom Druck und der daraus resultierenden Deformation verändern, wird aufgrund der im ASIC gespeicherten Parameter entsprechend korrigiert – namentlich bezüglich Linearität, Nullpunkt und Spanne sowie Temperaturkompensation über- oder unterhalb von 25 °C.

Trafags Dünnfilm-auf-Stahl Technologie besticht durch hervorragend tiefes Driftverhalten. Der geringe Signal-Rausch Abstand wird durch den darauf abgestimmten ASIC TX kompensiert. So überzeugt die Sensortechnologie bezüglich Robustheit und Langzeitstabili

Unbeschränkt schnelle Drucktransmitter

Der Trafag ASIC TX, der auf einer «Grösse» von gerade mal 2x2mm mehr als 100´000 Transistoren vereinigt, besteht aus zwei zentralen Elementen: einem extrem leistungsfähigen Analogverstärkerteil und einem ideal darauf abgestimmten Digitalteil. Das Eingangssignal des Sensorelementes wird durch den Analogverstärker bereits zu 98– 99 Prozent korrigiert und der Signalelektronik in Echtzeit zugeführt. Der Digitalteil trägt die restlichen 1–2 Prozent des Korrekturwertes bei, welches dann dem Signal des Analogverstärkers beigemischt wird. Die Stärke dieses Konzeptes ist die sehr hohe Signalverarbeitungsgeschwindigkeit (abgesehen von der Korrektur des Digitalteils), die völlig unabhängig von Samplingraten von Analog-Digital-(A/D-) und Digital-Analog-(D/A-)Konvertern ist. Sie ist lediglich geringfügig beschränkt durch den Analogteil der Elektronik. Damit ist ein Trafag-Drucktransmitter generisch extrem schnell. Er wird normalerweise elektronisch gedämpft, um ihn für die entsprechenden Anwendungen geeignet und gegen Störeinflüsse (beispielsweise EMV) unempfindlich zu machen. In allgemeinen Industrieanwendungen, ohne besondere Anforderungen an die Signalgeschwindigkeit, wird ein optimaler Kompromiss gesucht zwischen Robustheit und ausreichend schnellem Ansprechverhalten, um die gewünschten Messaussagen zu machen. Hohe Signalgeschwindigkeiten erfordern unabhängig vom gewählten Sensorprinzip meist einen höheren Verkabelungsaufwand, da speziell geschirmte Kabel verwendet werden müssen. Grundsätzlich muss die Schirmung sehr sorgfältig gemacht werden, um beispielsweise Rückkoppelungen zu vermeiden, die aufgrund von Speisespannungsrippel sowohl auf den Messumformer als auch auf das Auswertegerät wirken. Umgekehrt gibt es auch Anwendungen, bei denen man sogar eine höhere Dämpfung des Signals wünscht, als dies bei einem normalen Industrie-Druckmessumformer üblich wäre – beispielsweise um hochfrequente Signalrippel von mechanischen Flüssigkeitspumpen, welche bereits im Transmitter anstatt erst in der Steuerung zu glätten.

Der Trafag ASIC TX mit parallel-mixed Signal Aufbau (links). Unter dem Mikroskop sind die feinen Strukturen des Chips sichtbar (rechts).

Schematischer Aufbau des ASIC TX

Der konventionelle Aufbau (obere Grafik) mit voll digitaler Signalaufbereitung ist durch die Geschwindigkeit der A/D- bzw. D/A-Wandler beschränkt. Der Aufbau von Trafag (untere Grafik) besteht aus zwei Signalkomponenten, wobei der Hauptpfad (etwa 98 % des Signals) mit der Verstärkung und der Korrektur von Nullpunkt und Spanne rein analog und damit sehr schnell ist. Nur das Korrektursignal (Temperatur und Nichtlinearitäten) ist vergleichsweise langsam. Weil aber auch Temperaturänderungen Zeitkonstanten im Minutenbereich aufweisen, ist dieser Anteil nicht zeitkritisch. Einzig die Korrektur der Nichtlinearitäten ist in diesem Teil relevant, was im Fall von TrafagSensoren nur etwa 1% des Signals ausmacht. Somit ist nur gerade 1% des Signals von der Schnelligkeit der Wandler abhängig.

Konventionelle Signalkette bestehend aus einem Pfad
Trafag parallel mixed Signal ASIC Aufbau mit Verstärkungs- und Kompensationspfad

Drucktransmitter für raue Einsätze

Auf Basis des bewährten Industrietransmitters NAH 8254 in Miniaturgrösse mit Schlüsselweite 19 bietet Trafag spezielle Ausführungen an, bei denen die gewünschte Grenzfrequenz aus verschiedenen Stufen gewählt werden kann: von über 20 kHz (dies entspricht einer 90%-Anstiegszeit von 18 µs, 10…90% Nenndruck) für hochdynamische Druckmessungen bis zu 11 Hz für eine maximale Glättung des Signals. Sowohl das Dünnfilm-auf-Stahl-Sensorelement als auch der grundsätzliche Aufbau des Transmitters haben sich unter extremen Bedingungen (Vibration, Schock, Temperaturwechsel, hohe Druckspitzen usw.) im rauen Umfeld von Bau- und Forstmaschinen bewährt und garantieren eine Robustheit und Zuverlässigkeit, die im Mess- und Prüfumfeld ihresgleichen suchen.

Drucktransmitter NAH 8254 mit Grenzfrequenz 20 kHz zur Messung hochdynamischer Druckverläufe: Er verbindet die robuste Bauweise eines Mobilhydrauliktransmitters mit einer raffinierten, ausserordentlich schnellen Elektronik.

Datenblatt: www.trafag.com/H72304

Ansprechverhalten des Drucktransmitters NAH 20 kHz verglichen mit einem Standardtransmitter.Ansprechverhalten des Drucktransmitters NAH 20 kHz verglichen mit einem Standardtransmitter.
Ansprechverhalten des Drucktransmitters NAH 20 kHz verglichen mit einem Standardtransmitter.

Grenzfrequenz

Bei Verstärkern ist die Grenzfrequenz diejenige Frequenz, bei der die Verstärkung des Ursprungssignals um 3dB kleiner wird als die maximale Verstärkung. Ein Signal mit einer höheren Frequenz als der Grenzfrequenz wird zwar noch nachgezeichnet, doch erheblich weniger dynamisch und akkurat.

Abtastrate

Die Häufigkeit, mit der eine digitale Signalverarbeitungseinheit ein kontinuierliches, analoges Signal abtastet und verarbeitet. Wenn die Abtastrate nicht mehr als doppelt so schnell ist wie die höchste im Ursprungssignal vorkommende Frequenz, können Aliasing-Effekte auftreten, die zu einer Verzerrung des Signals führen (Nyquist-Shannon-Abtasttheorem).

Anstiegszeit

Die Zeit, die vergeht, bis ein Ausgangssignalpegel nach einem idealen, rechteckigen Eingangs-Signalpegelwechsel einen vordefinierten Wert, z.B. 90% des effektiven Werts, erreicht. Umrechnung der Anstiegszeit (tr = rise time) in die Grenzfrequenz (fg): fg = 1 / (2π∙tr/2.2)

Bandbreite

Das Frequenzspektrum zwischen der unteren und der oberen Grenzfrequenz, bei Drucktransmittern i.d.R. zwischen 0Hz und der maximalen Grenzfrequenz.

 

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