Trafag rivoluziona la misura delle pressioni dinamiche

In molte applicazioni, soprattutto nel testing, l’obiettivo è quello di registrare curve di pressione altamente dinamiche per analizzare, ad esempio, l’andamento delle aperture e delle chiusure nel funzionamento delle valvole, oppure per tenere traccia delle curve di pressione delle esplosioni ed espansioni di pressione esplosive o per esaminare brevi, ma rapidi transitori di pressione nei sistemi idraulici. I trasmettitori di pressione per applicazioni industriali reperibili sul mercato non sono generalmente in grado di “catturare” adeguatamente tali segnali a frequenza elevata o perché l’elettronica interna non è abbastanza efficiente o perché il segnale viene deliberatamente smorzato affinchè il sistema di controllo non venga sovraccaricato di informazioni non necessarie. Questa è la ragione per cui sul mercato vengono offerti trasmettitori di pressione speciali appositamente sviluppati e in grado di valutare i rapidi transitori di pressione cui sono sottoposti. Questi trasmettitori sono progettati con frequenze di taglio (vedi riquadro) da 5 a 50kHz e presentano vantaggi e svantaggi spesso originati dalla tecnologia dei sensori utilizzati.

I sensori a tecnologia piezoelettrica sono sempre stati quelli più comunemente utilizzati per misurare curve di pressione altamente dinamiche. In termini puramente teorici, questo principio di misurazione fisica è quello più appropriato perché è il solo che fornisce un segnale durante le variazioni di pressione dinamica con alte frequenze con un rapporto segnale-rumore molto buono. Un altro vantaggio è la rigidità elevata della struttura che consente frequenze naturali molto elevate. D’altro canto, gli svantaggi di questa tecnologia sono a) gli alti costi dovuti al sistema di produzione molto sensibile e sofisticata b) la complessa valutazione del segnale che richiede un amplificatore di carica, c) la deriva del segnale della componente statica della pressione. Queste “carenze” sono spesso accettate dagli utilizzatori per la mancanza di alternative adeguate.

Un alternativa significativamente meno costosa è la misura con sensore a tecnologia piezoresistiva che consente un’elettronica di amplificazione relativamente semplice dovuta all’ottimo rapporto segnale-rumore, che è comunque inferiore al sensore piezoelettrico sia per la componente dinamica che soprattutto per la rigidità come risultato della costruzione del sensore che è annegato nell’olio. Il principale svantaggio della tecnologia piezoresistiva è la deriva del segnale che è particolarmente evidente alle alte temperature.

Per quanto riguarda la deriva del segnale, la tecnologia a film sottile su acciaio è senza dubbio la migliore, poiché permette alte frequenze pur avendo un basso rapporto segnale-rumore rispetto alle altre due tecnologie. In particolare, la valutazione di segnali altamente dinamici determina esigenze e aspettative così elevate sull’elettronica del sensore che la maggior parte dei produttori di trasmettitori di pressione torna a considerare una delle altre tecnologie di sensori. Trafag, uno dei pionieri di questa tecnologia con quasi 35 anni di esperienza, ha un approccio diverso: utilizzando l’ASIC sviluppato nei suoi laboratori e predisposto per rispondere esattamente ai requisiti della tecnologia del sensore Trafag con specifiche funzioni di amplificatore e filtro, ha eliminato gli svantaggi del basso rapporto segnale/ rumore. Questo fattore, unitamente alla robustezza e alla stabilità a lungo termine, assicurata dal sensore a film sottile su acciaio, fanno sì che il trasmettitore di pressione Trafag possa essere utilizzato in situazioni dove altri produttori non possono arrivare. A motivo dello sviluppo coordinato delle due tecnologie principali - l’elemento sensore a film sottile su acciaio e l’ASIC TX – Trafag ha combinato la reattività di un trasmettitore di pressione ad alta dinamicità con la robustezza di un trasmettitore di pressione costruito per gli ambienti più difficili.

Durante la produzione ciascun trasmettitore di pressione viene calibrato individualmente avendo come riferimenti standard di pressione di alta precisione. Durante questo processo, i parametri di correzione della linearizzazione, del punto zero e dello span, vengono salvati nel chip nel trasmettitore, in questo caso direttamente nell’ASIC TX. L’elemento sensore è costituito da resistori a film sottile in una disposizione a ponte di Wheatstone che vengono compressi o espansi a seconda della deformazione, indotta dalla pressione, della membrana. Ogni segnale di ingresso dell’elemento sensore, provocato dal cambiamento di resistenza indotto dalla deformazione, viene corretto in base al parametro salvato nell’ASIC, in particolare per quanto riguarda la linearità, il punto zero e lo span e la compensazione della temperatura sopra e sotto i 25°C.

L’ ASIC TX di Trafag, che unisce oltre 100.000 transistor su un’area di soli 2x2mm, si compone di due elementi principali: il primo costituito da un amplificatore analogico ad alte prestazioni e l’altro, ad esso abbinato, digitale. Il segnale di ingresso dell’elemento sensore viene gestito e corretto dall’amplificatore analogico fino al 98-99% del suo valore e quindi trasmesso all’elettronica del segnale in tempo reale. La parte digitale interviene solo per il restante 1-2% del valore e si miscela poi con il segnale dell’amplificatore analogico. La forza di questo concetto è l’altissima velocità di elaborazione del segnale (ad eccezione della correzione della parte digitale), che è completamente indipendente dalle frequenze di campionamento dei convertitori analogico-digitale (A/D) e digitale-analogico (D/A). Ciò rende genericamente un trasduttore di pressione Trafag estremamente veloce, considerando anche la normale attenuazione elettronica che viene attuata per essere adatto agli standard richiesti dalle diverse applicazioni e resistente alle interferenze (ad esempio EMC).

Nelle normali applicazioni industriali senza requisiti particolari per la dinamica del segnale, gli ingegneri mirano a un compromesso ottimale tra robustezza e reattività sufficientemente veloce per ottenere il risultato voluto. Indipendentemente dal principio del sensore scelto, questo tipo di acquisizione veloce del segnale richiede generalmente un cablaggio non semplice, poiché devono essere utilizzati cavi appositamente schermati. Generalmente, la schermatura deve essere eseguita con molta attenzione al fine di evitare, ad esempio, il feedback, che a causa del ripple della tensione di alimentazione appare sia sul trasmettitore che sull'unità di acquisizione.

D’altra parte, ci sono anche applicazioni in cui è necessario smorzare il segnale in uscita, di solito nei normali trasmettitori di pressione industriali: ad esempio per filtrare, già sul trasmettitore di pressione, la parte di segnale ad alta frequenza rilevato sulle pompe meccaniche.

Basato sul già collaudato e affidabile trasmettitore industriale NAH 8254 con le sue ridotte dimensioni e chiave 19mm, Trafag offre versioni speciali per le quali è possibile selezionare la frequenza di taglio desiderata da vari livelli: da oltre 20kHz (tempo di salita corrispondente di 18μs, 10 ... 90% della pressione nominale) per misure di pressione altamente dinamiche fino a 11Hz per un massimo livellamento del segnale. Entrambi, l’elemento sensore in acciaio a film sottile e la struttura di base del trasmettitore, sono stati testati in condizioni estreme (vibrazioni, urti, sbalzi di temperatura, picchi di pressione, ecc.) e nel duro ambiente delle macchine edili e forestali, garantendo una robustezza e una affidabilità insuperate.

Trasmettitore di pressione NAH 8254 con frequenza di taglio 20kHz per la misura di pressione con elevati gradienti dinamici: alla robusta struttura di un trasmettitore utilizzato nel mobile hydraulic, esso combina una elettronica raffinata e straordinariamente veloce.

Avete domande sulla misurazione di curve di pressione altamente dinamiche? Saremo lieti di aiutarvi. Contattateci.