Basi di condizionamento del segnale per i sensori ^ICP® e Charge Output

Per la preparazione del montaggio e le tecniche di installazione, consultare il disegno di installazione e/o di massima incluso nel manuale del sensore. Selezionare la modalità operativa desiderata (accoppiamento CA o CC) e assicurarsi che i connettori dei cavi siano ben stretti per garantire un ritorno a terra affidabile. Se si utilizzano adattatori per connettori a saldare, ispezionare le giunzioni a saldare. In presenza di vibrazioni, utilizzare dei fermacavi, opportunamente distanziati per evitare l'affaticamento dei cavi. Sebbene gli strumenti ICP^® siano dispositivi a bassa impedenza, in ambienti estremi è consigliabile utilizzare cavi schermati e proteggere le connessioni dei cavi con guaine termorestringenti. Le istruzioni complete per l'installazione sono fornite con ogni sensore.

Se si utilizza un condizionatore di segnale PCB^®, accendere il condizionatore e osservare il voltmetro (o i LED) sul pannello frontale.

Gli indicatori tipici sono contrassegnati come mostrato nella Figura 10. L'area verde (o il LED) indica l'intervallo di polarizzazione corretto per il sensore ICP^® e i collegamenti corretti dei cavi. Il colore rosso indica una condizione di cortocircuito nel sensore, nel cavo o nei collegamenti. Il colore giallo indica il monitoraggio della tensione di eccitazione e la presenza di un circuito aperto.

Figura 10: Indicatori di guasto tipici

Deriva apparente dell'uscita (in caso di accoppiamento in c.a.)

I condizionatori di segnale con accoppiamento in c.a. richiedono un tempo sufficiente per caricare il condensatore di accoppiamento interno. Questo condensatore deve caricarsi attraverso la resistenza d'ingresso dello strumento di lettura e, se si utilizza un dispositivo di lettura in c.c., la tensione di uscita sembrerà andare lentamente alla deriva fino al completamento della carica. Un dispositivo di lettura da un megaohm richiederà 5 × 1 mega × 10 µF o 50 secondi per completare la carica. (Si ipotizza un funzionamento stabile dopo cinque costanti di tempo di scarica: 5 × Resistenza × Capacità. Vedere la sezione Costante di tempo di scarica del trasduttore)

I sistemi di sensori ICP^® trattano idealmente i segnali di interesse in modo proporzionale. Tuttavia, con l'aumentare della frequenza del misurando, il sistema diventa non lineare. Questo è dovuto ai seguenti fattori:

1.) Considerazioni meccaniche
2.) Limitazioni dell'amplificatore/dell'alimentazione
3.) Caratteristiche dei cavi

Ciascuno di questi fattori deve essere preso in considerazione quando si cerca di effettuare misure ad alta frequenza.

Considerazioni meccaniche

La struttura meccanica all'interno del sensore impone spesso un limite ad alta frequenza ai sistemi di rilevamento. La sensibilità, cioè, inizia ad aumentare rapidamente man mano che ci si avvicina alla frequenza naturale del sensore.

w = √(k/m) (Equazione 6)

dove:
w = frequenza naturale
k = rigidità dell'elemento sensibile
m = massa sismica

Questa equazione aiuta a spiegare perché i sensori più grandi o più massicci, in generale, hanno una frequenza di risonanza inferiore.

La Figura 11, qui sotto, rappresenta una curva di risposta in frequenza per un tipico accelerometro ICP^®.

Figura 11: Risonanza in frequenza di un accelerometro ICP^®

Si può notare che la sensibilità aumenta con l'aumentare della frequenza. Per la maggior parte delle applicazioni, è generalmente accettabile utilizzare questo sensore in un intervallo in cui la sensibilità si discosta di meno di ± 5%. Questo limite superiore di frequenza si verifica a circa il 20% della frequenza di risonanza. I sensori di pressione e di forza rispondono in modo simile.

Anche il montaggio svolge un ruolo importante per ottenere misure accurate ad alta frequenza. Consultare le procedure di installazione per un montaggio corretto.

Limitazioni dell'amplificatore/alimentazione

Quando si eseguono test a frequenze estremamente elevate (>100 kHz), il tipo di sistema di rilevamento diventa importante. In generale, i sistemi amplificati in tensione rispondono a frequenze dell'ordine di 1 MHz, mentre la maggior parte dei sistemi amplificati in carica può rispondere solo a 100 kHz. Ciò è dovuto in genere alle limitazioni del tipo di amplificatore e agli effetti di filtraggio capacitivo. In questi casi, consultare le specifiche dell'apparecchiatura o chiamare la PCB per assistenza.

Considerazioni sui cavi e livello di corrente costante

Il funzionamento su cavi lunghi può influenzare la risposta in frequenza e introdurre rumore e distorsione quando la corrente disponibile non è sufficiente a pilotare la capacità del cavo.

A differenza dei sistemi charge-mode, dove il rumore del sistema è funzione della lunghezza del cavo, i sensori ICP^® forniscono un'uscita ad alta tensione e bassa impedenza, adatta a pilotare cavi lunghi in ambienti difficili. Sebbene non vi sia praticamente alcun aumento del rumore con i sensori ICP^®, il carico capacitivo del cavo può distorcere o filtrare i segnali a più alta frequenza, a seconda della corrente di alimentazione e dell'impedenza di uscita del sensore.

In genere, questa distorsione del segnale non costituisce un problema per i test a bassa frequenza fino a 10 kHz. Tuttavia, in caso di vibrazioni, urti, esplosioni o test transitori a frequenze più elevate su cavi di lunghezza superiore a 30 m, esiste la possibilità di distorsione del segnale.

Figura 12: Nomografo di guida del cavo

Ad esempio, quando si esegue un cavo di 30,5 m (100 piedi) con una capacità di 30 pF/ft, la capacità totale è di 3000 pF. Questo valore si trova lungo le linee diagonali della capacità del cavo. Supponendo che il sensore operi con un campo di uscita massimo di 5 volt e che il condizionatore di segnale a corrente costante sia impostato su 2 mA, è possibile calcolare che il rapporto sull'asse verticale sia pari a 5. L'intersezione tra la capacità totale del cavo e questo rapporto determina una frequenza massima di circa 10,2 kHz.

Il nomografo non indica se la risposta in ampiezza della frequenza in un punto è piatta, crescente o decrescente. Per motivi precauzionali, è buona norma aumentare la corrente costante (se possibile) al sensore (entro il suo limite massimo) in modo che la frequenza determinata dal nomografo sia circa 1,5-2 volte superiore alla frequenza massima di interesse.

Si noti che livelli di corrente più elevati esauriscono più rapidamente i condizionatori di segnale alimentati a batteria. Inoltre, la corrente non utilizzata dal cavo va direttamente ad alimentare l'elettronica interna e crea calore. Ciò può far sì che il sensore superi le specifiche di temperatura massima. Per questo motivo, non fornire corrente eccessiva su brevi tratti di cavo o quando si eseguono test a temperature elevate.

Test sperimentale di cavi lunghi

Per determinare le caratteristiche elettriche ad alta frequenza coinvolte in lunghi tratti di cavo, si possono utilizzare due metodi.

Il primo metodo, illustrato nella Figura 13, prevede il collegamento dell'uscita di un generatore di segnali standard a un amplificatore per strumentazione a guadagno unitario e bassa impedenza di uscita (<5 ohm) in serie con il sensore ICP^®. L'impedenza di uscita estremamente bassa è necessaria per ridurre al minimo la variazione di resistenza quando il generatore di segnale e l'amplificatore vengono rimossi dal sistema. Il metodo di prova alternativo, anch'esso illustrato nella Figura 13, incorpora un simulatore di sensore che contiene un generatore di segnale e l'elettronica del sensore comodamente confezionati insieme.

Figura 13: Prova dei cavi lunghi

Per verificare la risposta in frequenza/ampiezza con uno di questi sistemi, impostare il generatore di segnali per fornire l'ampiezza massima del segnale di misura previsto. Osservare il rapporto tra l'ampiezza del generatore e quella visualizzata sull'oscilloscopio. Se il rapporto è 1:1, il sistema è adeguato per il test. (Se necessario, tenere conto del guadagno del condizionatore di segnale o dell'oscilloscopio). Se il segnale di uscita è crescente (ad esempio, 1:1,3), aggiungere una resistenza in serie per attenuare il segnale. L'uso di un resistore variabile da 100 ohm consente di impostare più comodamente la resistenza corretta. Questa è l'unica condizione che richiede l'aggiunta di una resistenza. Se il segnale è in diminuzione (ad esempio, 1:0,75), è necessario aumentare il livello di corrente costante o ridurre la capacità del cavo.

Potrebbe essere necessario installare fisicamente il cavo durante il test del cavo per riflettere le condizioni reali incontrate durante l'acquisizione dei dati. In questo modo si compensano i potenziali effetti induttivi del cavo che sono in parte funzione della geometria del percorso del cavo.

Con i sensori ICP^®, ci sono due fattori che devono essere presi in considerazione quando si acquisiscono informazioni a bassa frequenza. Si tratta di:

1.) La costante di tempo di scarica caratteristica di un sensore (un valore fisso unico per ciascun sensore).2.) La costante di tempo del circuito di accoppiamento utilizzato nel condizionatore di segnale. (È importante che entrambi i fattori siano facilmente comprensibili per l'utente, per evitare potenziali problemi.

Costante di tempo di scarica del trasduttore

La costante di tempo di scarica è il più importante dei limiti a bassa frequenza, perché è quello su cui l'utente non ha alcun controllo.

Si considerino i sensori ICP^® mostrati in precedenza nella Figura 6. L'elemento sensibile varia notevolmente da un sensore all'altro. Mentre l'elemento sensibile varia notevolmente nella configurazione fisica dei vari tipi (e gamme) di sensori di pressione, forza e accelerazione, la teoria di base del funzionamento è simile per tutti. L'elemento sensibile, quando agisce su un misurando con funzione a gradino (pressione, forza o accelerazione) a t = to, produce una quantità di carica, ∆q, linearmente proporzionale a questo input meccanico.

Nei sensori ICP^® al quarzo, questa carica si accumula nella capacità totale, Ctotal, che comprende la capacità dell'elemento sensibile, più la capacità d'ingresso dell'amplificatore, il condensatore di distanza ed eventuali capacità vaganti aggiuntive. (Nota: un condensatore di distanza, che sarebbe in parallelo con il resistore, viene utilizzato per ridurre la sensibilità della tensione e non è mostrato). Il risultato è una tensione secondo la legge dell'elettrostatica: ∆V=∆q/Ctotale. Questa tensione viene poi amplificata da un amplificatore di tensione MOSFET per determinare la sensibilità finale del sensore. Da questa equazione, più piccola è la capacità, maggiore è la sensibilità alla tensione. Sebbene ciò sia vero, esiste un limite pratico in cui una capacità inferiore non aumenta significativamente il rapporto segnale/rumore.

Nei sensori ICP^® ceramici, la carica proveniente dal cristallo viene in genere utilizzata direttamente da un amplificatore di carica integrato. In questo caso, solo il condensatore di retroazione (situato tra l'ingresso e l'uscita dell'amplificatore) determina la tensione in uscita e, di conseguenza, la sensibilità del sensore.

Sebbene il principio di funzionamento sia leggermente diverso per i sensori al quarzo e in ceramica, gli schemi (Figura 6) indicano che entrambi i tipi di sensori sono essenzialmente circuiti resistenza-capacitore (RC).

Dopo un ingresso a gradino, la carica inizia immediatamente a dissiparsi attraverso il resistore (R) e segue la curva di scarica RC di base dell'equazione:

q = Qe^-t/RC (Equazione 8)
Dove: q = carica istantanea (pC)
Q = quantità iniziale di carica (pC)
R = valore del resistore di polarizzazione (o di retroazione) (ohm)
C = capacità totale (o di retroazione) (pF)
t = tempo qualsiasi dopo t0 (sec)
e = base del log naturale (2.718)

Questa equazione è illustrata graficamente nella Figura 14. Si noti che il segnale di tensione in uscita da un sensore ICP^® non sarà a base zero come mostrato di seguito, ma piuttosto basato su una polarizzazione dell'amplificatore da 8 a 10 VDC.

Figura 14: Curva di scarica caratteristica

Il prodotto di R per C è la costante di tempo di scarica (DTC) del sensore (in secondi) ed è specificato nelle informazioni di calibrazione fornite con ciascun sensore ICP^®. Poiché la capacità fissa il guadagno ed è costante per un determinato sensore, la resistenza viene utilizzata per impostare la costante di tempo. I valori tipici della costante di tempo di scarica variano da meno di un secondo a un massimo di 2000 secondi.

Effetto del DTC sulla risposta a bassa frequenza

La costante di tempo di scarica di un sensore ICP^® stabilisce la risposta a bassa frequenza in modo analogo all'azione di un filtro RC del primo ordine, passa-alto, come mostrato nella Figura 15A. La Figura 15B è un diagramma di Bode della risposta a bassa frequenza.

Figura 15: Caratteristiche di trasferimento di un sensore ICP^®

Questa caratteristica di filtraggio è utile per eliminare i segnali a bassa frequenza generati da effetti termici sul meccanismo di trasduzione. Se lasciata passare, potrebbe causare derive o, in casi gravi, saturare l'amplificatore.

L'angolo inferiore teorico o frequenza (fo), è determinato dalle seguenti relazioni, dove DTC è uguale alla costante di tempo di scarica del sensore in secondi. Vedere la Tabella 1.

Effetto del DTC sulle forme d'onda temporali di lunga durata

Spesso è auspicabile misurare funzioni passo-passo o onde quadre di vari misurandi della durata di diversi centesimi della costante di tempo del sensore, soprattutto quando si calibrano staticamente sensori di pressione e forza.

Questa è una guida importante per questo tipo di misura: la quantità di segnale di uscita perso e il tempo trascorso in percentuale del DTC hanno una corrispondenza uno a uno fino a circa il 10% del DTC. La Figura 16 mostra la tensione di uscita rispetto al tempo con un ingresso a onda quadra. (Per letture precise, accoppiare in CC il condizionatore di segnale e lo strumento di lettura)

Figura 16: Risposta della funzione a gradini

Al tempo t = t0 viene applicato al sensore un misurando a gradini (psi o lb.) e lasciato permanere per l'1% del DTC, dopodiché viene bruscamente rimosso. La variazione della tensione di uscita ∆V, corrispondente a questo ingresso, viene immediatamente aggiunta alla tensione di polarizzazione del sensore e inizia a scaricarsi a t > t0. Quando t = t0 + (0,01 DTC), il livello del segnale è diminuito dell'1% di ∆V. Questa relazione è lineare solo fino a circa il 10% del DTC. (cioè, se il misurando viene rimosso a t = 0,1 DTC, il segnale di uscita si sarà scaricato di circa il 10% di ∆V)

Dopo 1 DTC, il 63% del segnale si sarà scaricato. Dopo 5 DTC, il segnale di uscita si è essenzialmente scaricato e rimane solo il livello di tensione di polarizzazione del sensore.

Quando si rimuove il misurando, il segnale di uscita scende al di sotto della tensione di polarizzazione del sensore della stessa quantità che si è scaricata. Per una precisione di misura minima dell'1%, la costante di tempo di scarica deve essere almeno 100 volte la durata di un evento a onda quadra, 50 volte la durata di una mezza rampa e 25 volte la durata di un impulso semisinusoidale. Costanti di tempo più lunghe miglioreranno l'accuratezza della misura.

Effetto dell'accoppiamento sulla risposta a bassa frequenza

Come accennato in precedenza, se il condizionatore di segnale a corrente costante (mostrato nella Figura 5) è accoppiato in CC, la risposta a bassa frequenza del sistema è determinata solo dal DTC del sensore. Tuttavia, poiché molti condizionatori di segnale sono accoppiati in c.a., il DTC totale di accoppiamento può essere il fattore limitante per le misure a bassa frequenza.

Ad esempio, la Figura 7 illustra un tipico accoppiamento in c.a. attraverso un condensatore di accoppiamento da 10 µF (incorporato in molti condizionatori di segnale a corrente costante). Assumendo un'impedenza di ingresso di 1 megaohm sullo strumento di lettura (non mostrato), la costante di tempo di accoppiamento è semplicemente uguale a R per C, ovvero 10 secondi. (Come regola generale, la costante di tempo di accoppiamento deve essere almeno 10 volte superiore alla costante di tempo del sensore.

Quando si acquisiscono misure a bassa frequenza, i registratori a nastro e altri strumenti a bassa impedenza di ingresso riducono notevolmente la costante di tempo di accoppiamento. In questi casi, utilizzare un condizionatore di segnale che incorpori un accoppiamento CC o un'uscita tamponata.

Per sfruttare al meglio il DTC del sensore, soprattutto durante la calibrazione statica, è spesso essenziale accoppiare in CC il segnale di uscita. Il metodo più semplice consiste nell'utilizzare un condizionatore di segnale che incorpora un interruttore di accoppiamento CC. Tuttavia, anche i condizionatori di segnale standard possono essere adattati per l'accoppiamento in CC utilizzando un connettore a "T", come nella Figura 17.

Figura 17: Sistema di rilevamento accoppiato in c.c. adattato

La cosa importante da tenere presente è che lo strumento di lettura deve avere una capacità di offset zero per rimuovere la tensione di polarizzazione del sensore. Se il lettore non è in grado di rimuovere tutta o parte della tensione di polarizzazione, è possibile utilizzare una batteria "bucking" a corrente limitata o un alimentatore CC variabile, posto in linea con il segnale, per svolgere questo compito. È indispensabile che qualsiasi tensione contraria sia limitata in corrente, per evitare potenziali danni ai circuiti integrati del sensore.

Per comodità, diversi condizionatori di segnale a corrente costante prodotti da PCB incorporano circuiti di spostamento di livello per consentire l'accoppiamento in CC con una polarizzazione di uscita di zero volt. La maggior parte di queste unità dispone anche di una modalità di accoppiamento CA per un funzionamento dinamico senza deriva.

Si raccomanda di seguire le seguenti misure precauzionali per ridurre il rischio di danni o guasti ai sensori ICP^®:

1.) Non applicare più di 20 mA costanti al sensore. Non applicare più di 20 mA di corrente costante ai sensori ICP^® o agli amplificatori in linea.2.) Non superare la tensione di alimentazione di 30 VDC.3.) Non applicare tensione senza una protezione a corrente costante. Per il corretto funzionamento dei sensori ICP ^® è necessaria una corrente costante4.) Non sottoporre i sensori ICP ^® standard a temperature superiori a 250 °F (121 °C). Consultare un ingegnere di applicazioni PCB per discutere i requisiti di test in ambienti con temperature più elevate.5.) La maggior parte dei sensori ICP ^® ha una custodia ermetica interamente saldata. Tuttavia, a causa di alcuni parametri di progettazione, alcuni modelli sono sigillati con resina epossidica. In questi casi, l'umidità elevata o gli ambienti umidi possono contaminare l'elettronica interna. In questi casi, cuocere i sensori a 250 °F (121 °C) per una o due ore per far evaporare eventuali contaminanti.6.) Molti sensori ICP ^® non sono protetti dagli urti. Per questo motivo, è necessario prestare attenzione affinché l'amplificatore non venga danneggiato da forti urti meccanici. Maneggiare tali sensori con cura, in modo da non superare il limite massimo di shock indicato sulla scheda tecnica.