Trafag révolutionne la mesure d’évolutions de pressions hautement dynamiques

Le transmetteur de pression robuste NAH 8254 permettant de mesurer des évolutions de pressions hautement dynamiques résulte de la combinaison optimale d’un élément capteur à couche-mince-sur-acier associé à l’ASIC conçu par nos soins. 

Dans beaucoup d'applications, surtout dans le domaine des tests et des vérifications, on veut saisir des évolutions de pressions hautement dynamiques, afin d'analyser par ex. le comportement de vannes à l'ouverture et à la fermeture, de suivre les évolutions de pressions lors d'explosions et de propagations de pression explosives, ou pour analyser de brefs pics de pression dans des systèmes hydrauliques. En règle générale, les transmetteurs courants pour applications industrielles ne sont pas capables d'enregistrer de manière adéquate de tels signaux à haute fréquence; soit parce que l'électronique interne n'est pas assez puissante, soit parce que le signal est sciemment amorti afin de ne pas surcharger la commande traitante par des informations inutiles. C'est pourquoi on trouve sur le marché des convertisseurs de mesure de pression spéciaux qui ont été explicitement conçus pour des applications à haute vitesse. Ces transmetteurs sont prévus pour des fréquences limites (voir case) de 5 à 50 kHz et présentent certains avantages et inconvénients en raison de la technologie de capteurs utilisée.

La technologie de capteur piézoélectrique est, depuis toujours, la plus répandue pour mesurer des évolutions de pressions hautement dynamiques. Le principe de mesure physique qui ne fournit qu’un signal pendant des évolutions de pressions dynamiques, mais avec un très bon rapport signal-bruit et à hautes fréquences, est, sur le principe, purement et simplement le mieux adapté. La rigidité élevée de la construction, qui permet des fréquences de résonance très élevées, constitue également un avantage. Les coûts élevés dus à la fabrication très délicate et exigeante et à l’évaluation complexe du signal (amplificateur de charge) d’une part, et la prédisposition à la dérive du point zéro d’autre part, que beaucoup d’acheteurs acceptent, souvent par manque d’alternative, constituent les inconvénients de cette technologie.

Une alternative beaucoup moins coûteuse est le principe de mesure piézorésistive qui permet une électronique d’amplification relativement simple du fait d’un très bon rapport signal-bruit, mais qui, en raison du bain d’huile de la structure du capteur, reste inférieur au principe piézoélectrique concernant la dynamique et surtout la rigidité. La prédisposition à la dérive, qui apparaît particulièrement en cas de températures élevées, constitue cependant l’inconvénient central de la technologie piézorésistive.

Mesure comparative dynamique de transmetteurs avec des fréquences de coupure de 1-10 kHz de différents fabricants par rapport au transmetteur de référence à 50 kHz (ligne grise). La ligne bleue montre la mesure d'un prototype de Trafag à 10 kHz.

Technologie alternative de la couche-mince-sur-acier

La technologie de la couche-mince-sur-acier, incontestablement la meilleure concernant le comportement de dérive, permet certes des fréquences élevées, mais présente un rapport signal-bruit très faible par rapport aux deux autres. C’est justement lorsqu’il s’agit d’analyser des signaux hautement dynamiques que les exigences envers l’électronique d’analyse dans le transmetteur sont si élevées que la plupart des fabricants de convertisseurs de mesure à haute vitesse se rabattent sur une des deux autres technologies de capteur. Trafag, l’un des pionniers avec près de 35 ans d’expérience dans le développement et le perfectionnement de la technologie de la couche-mince-sur-acier, suit une autre voie : l’ASIC (application-specific integrated circuit) développé par nos soins, lequel, avec ses fonctions d’amplificateur et de filtre, est exactement taillé aux besoins de la technologie de capteurs Trafag, permet d’éliminer les inconvénients du faible rapport signal-bruit, et on peut utiliser partout la technologie de capteur, considérée comme supérieure concernant la robustesse et la stabilité à long terme, même là où d’autres fabricants atteignent leurs limites. Ainsi, grâce au développement concerté des deux technologies centrales que sont l’élément capteur à couche-mince-sur-acier et l’ASIC, Trafag peut combiner le mode de réponse d’un convertisseur de pression à haute vitesse avec la robustesse d’un transmetteur de pression construit pour les environnements les plus rudes.

Lors de la fabrication, chaque transmetteur de pression est équilibré par calibrage par rapport à des normes de pression de haute précision. Pour ce faire, on enregistre dans une puce dans le transmetteur (dans ce cas, directement dans l’ASIC de Trafag) des paramètres de correction pour la linéarisation, la correction du point zéro et de l’écart. Chaque signal d’entrée de l’élément capteur, sur lequel des résistances de couche mince déposées se modifient en fonction de la pression et de la déformation en résultant, est corrigé en conséquence sur la base des paramètres enregistrés dans l’ASIC, notamment concernant la linéarité, le point zéro et l’écart, ainsi que la compensation de température en deçà ou au-delà de 25 °C.

La technologie Trafag à mince couche sur acier se distingue par un comportement de dérive exceptionnellement bas. Le faible rapport signal-bruit est compensé par le ASIC TX parfaitement ajusté.

Transmetteur de pression à rapidité illimitée

Le Trafag ASIC TX, qui réunit plus de 100 000 transmetteurs pour une dimension de 2x2 mm, se compose de deux éléments centraux : un amplificateur analogique très puissant, et une pièce numérique adaptée dans l’idéal à celui-ci. Le signal d’entrée de l’élément capteur est déjà corrigé à 98–99 % par l’amplificateur analogique et est transmis directement, en temps réel, au système électronique de signalisation. La pièce numérique est nécessaire uniquement pour les 1–2 % restant de la valeur de correction lesquels sont ensuite incorporés au signal de l’amplificateur analogique. La force de ce concept réside dans la vitesse très élevée du traitement du signal (sans parler de la correction de la pièce numérique), ladite vitesse étant complètement indépendante des taux d’échantillonnage des convertisseurs analogiques-numériques (A/D) et numériques-analogiques (D/A) ; le tout faiblement limité seulement par la pièce analogique de l’électronique. Ainsi, un transmetteur de pression Trafag, de manière générique, est extrêmement rapide et est normalement amorti de manière électronique afin de l’adapter aux applications correspondantes et de le rendre insensible aux influences perturbatrices (CEM par ex.).

Dans les applications industrielles normales sans exigences particulières envers la vitesse du signal, on cherche un compromis optimal entre la robustesse et le mode de réponse suffisamment rapide afin de pouvoir faire les mesures souhaitées. En règle générale, des vitesses de signalisation élevées exigent d’investir plus de travail dans le câblage, indépendamment du principe de capteur choisi, vu qu’il faut utiliser des câbles spécialement blindés. D’une manière générale, le blindage doit être réalisé avec minutie afin d’éviter, par exemple, des rétroactions lesquelles ont des effets aussi bien sur le convertisseur de mesure que sur l’appareil d’évaluation, en raison des variations de la tension d’alimentation.

À l’inverse, il y a aussi des applications pour lesquelles on souhaite même un amortissement plus élevé que ce qui serait habituellement le cas avec un convertisseur de mesure de pression industriel normal ; par exemple, afin d’aplanir dans le transmetteur, et non dans la commande, des variations du signal à haute fréquence de pompes de liquide mécaniques.

Le Trafag ASIC TX à structure de signal parallèle mixte (à gauche). Sous le microscope, on aperçoit les fines structures de la puce (à droite).

Structure schématique de l’ASIC TX

La structure conventionnelle (graphique supérieur) avec traitement du signal entièrement numérique est limitée par la vitesse du convertisseur A/D ou D/A. La structure de Trafag (graphique inférieur) se compose de deux composants de signalisation, sachant que le chemin principal (env. 98 % du signal), avec l’amplification et la correction du point zéro et de l’écart, est purement analogique et donc très rapide. Seul le signal de correction (température et non linéarités) est, par comparaison, lent. Maais comme des modifications de températures présentent aussi des constantes de temps en minutes, cette proportion n’est pas critique en termes de temps. Seule la correction des non linéarités est importante dans cette partie, ce qui ne représente que 1 % du signal environ pour les capteurs Trafag. Ainsi, seul 1 % du signal dépend de la rapidité du convertisseur.

Chaîne de signal conventionnelle se composant d’un chemin
Structure Trafag Mixed Signal ASIC avec chemin d’amplification et de compensation

Transmetteur de pression pour interventions dans des conditions difficiles

Sur la base du transmetteur industriel qui a fait ses preuves, le NAH 8254 de taille miniature avec un surpan de 19, Trafag propose des modèles spéciaux pour lesquels on peut choisir dans différents niveaux la fréquence limite souhaitée, allant de 20 kHz (cela correspond à un temps d’augmentation de 90 % de 18 µs, 10…90% pression nominale) pour des mesures de pression hautement dynamique, jusqu’à 11 Hz pour égaliser le signal au maximum. Ont fait leurs preuves dans des conditions extrêmes (vibration, choc, changement de températures, pics de pression élevés etc.), dans le milieu rude que sont les machines forestières et de construction, non seulement l’élément capteur couche-mince-sur-acier, mais également la structure de base du transmetteur, garantissant une robustesse et une fiabilité que l’on ne trouve pas sinon dans le domaine de la mesure et de la vérification.

Transmetteur de pression NAH 8254 à fréquence limite de 20 kHz pour mesurer des évolutions de pression hautement dynamiques : Il associe la robuste construction d’un transmetteur hydraulique mobile à une électronique raffinée particulièrement rapide.

Fiche technique: www.trafag.com/H72304

Ansprechverhalten des Drucktransmitters NAH 20 kHz verglichen mit einem Standardtransmitter.Ansprechverhalten des Drucktransmitters NAH 20 kHz verglichen mit einem Standardtransmitter.
Réactivité du transmetteur de pression NAH 20 kHz comparé à un transmetteur standard.

Fréquence limite

Concernant les amplificateurs, la fréquence limite est celle pour laquelle l’amplification du signal d’origine est de 3dB inférieure à celle de l’amplification maximale. Un signal ayant une fréquence plus élevée que la fréquence limite sera encore enregistré, mais de manière beaucoup moins dynamique et moins soignée.

Taux de balayage

La fréquence à laquelle une unité de traitement de signaux numérique balaye et traite un signal analogique continu. Lorsque la fréquence de balayage n’est plus deux fois plus élevée que la fréquence maximale présente dans le signal d’origine, des effets de repliement de spectre peuvent apparaître, lesquels conduisent à une déformation du signal (théorème de Nyquist-Shannon).

Temps d’augmentation

Le temps qui s'écoule jusqu’à ce qu'un niveau du signal de sortie atteigne une valeur prédéfinie, par ex. 90 % de la valeur effective, après un changement de niveau du signal d’entrée idéalement rectangulaire. Calcul du temps d’augmentation  (tr = rise time) dans la fréquence limite  (fg):  fg =1 / (2π∙tr/2.2)

Largeur de bande

Le spectre de fréquence entre la fréquence limite inférieure et supérieure, pour les transmetteurs de pression en règle générale entre 0 Hz et la fréquence limite maximale.