Trafag revolutioniert das Messen hochdynamischer Druckverläufe

Mar 4, 2020 2:08:00 PM

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.

Prüfstandsmotor

 

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.

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

 

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.

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

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.

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Ansprechverhalten des Drucktransmitters NAH 20 kHz verglichen mit einem Stan-dardtransmitter

 

 

 

 

 

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Drucktransmitter NAH 8254 mit Grenzfrequenz 20 kHz zur Messung hochdynami-scher Druckverläufe: Er verbindet die robuste Bauweise eines Mobilhydrauliktrans-mitters mit einer raffinierten, ausserordentlich schnellen Elektronik.
Datenblatt: www.trafag.com/H72304

 

 

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By Steffen Witzemann

Steffen Witzemann ist „Head of Marketing & Business Development“ bei der Trafag GmbH. Neben der Steuerung von allen Marketing-Aktivitäten ist er auch zuständig für den Aufbau von neuen Märkten und Kunden. Steffen blickt bereits auf über 15 Jahre Berufserfahrung im Bereich Marketing, Vertrieb und Consulting zurück.

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