Echtzeit-Triggervorhersage für Hypervelocity-, Impakt- und Ballistik-Tests

Das SATURN Echtzeit-Triggervorhersage-System (engl. "Trigger Prediction System") vereinfacht Experimente und Tests mit fliegenden Objekten, wie sie beispielsweise mit Beschleunigern, Leichtgaskanonen und anderen Testanlagen für Hochgeschwindigkeitsversuche durchgeführt werden. Das System nutzt Eingangssignale von Laserschranken, Triggerfolien ("Screens") und anderer Sensorik, um Positionen eines Objekts im Flug zu erkennen. Daraus berechnet es die Geschwindigkeit und sagt in Echtzeit den genauen Zeitpunkt voraus, zu dem das Objekt bestimmte Positionen entlang seiner Flugbahn erreichen wird. Auf der Grundlage dieser Informationen löst das System Hochgeschwindigkeitskameras, Blitzlichter, Röntgenblitzgeräte usw. aus, um verschiedene Flugpositionen, den Aufprall und andere interessante Ereignisse zuverlässig aufzuzeichnen.

Das System basiert auf einer Kombination aus einem SATURN Transient Recorder und Sequencer und der Trigger Setup Manager (TSM)-Software. Die spezialisierte Lösung spart Zeit und Aufwand bei der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Hochgeschwindigkeits-, ballistischen und Impaktversuchen. Das System kann mit einer unterschiedlichen Anzahl und unterschiedlichen Typen von Ein- und Ausgängen ausgestattet werden - perfekt abgestimmt auf die geplanten Tests und Experimente.

Neben Flexibilität und einfacher Bedienung wartet das System mit der Fähigkeit zur "Echtzeit-Trigger-Vorhersage" auf. Diese Funktion bestimmt automatisch die Geschwindigkeit des fliegenden Objektes und berechnet daraus in Echtzeit die zu erwartende Ankunftszeit an zuvor festgelegten Positionen. Das System erzeugt an diesen Positionen zeitgenaue Triggersignale für Kameras, Blitze und ähnliche Geräte, wobei die individuelle Reaktionszeit (Verzögerung) jeder angeschlossenen Komponente berücksichtigt werden kann. So lassen sich beispielsweise Blitze und Kameras mikrosekundengenau im Voraus auslösen, um den entscheidenen Moment zuverlässig aufzuzeichnen.

Trigger Setup Manager (TSM): Konfiguration verschiedener Triggerpositionen mit Einstellungen
für Triggermethode, Eingang und den zu schaltenden Ausgängen inkl. Verzögerung und Pulsdauer

Das System ist modular und erweiterbar. Es ist in verschiedenen Gehäusen erhältlich, von kleinen tragbaren Geräten bis hin zu Vielkanal-Racks für 19"-Schränke.

Das System kann mit unterschiedlichsten Arten von Eingängen bestückt werden, angefangen bei Analogeingängen mit Messraten von wenigen KiloSamples bis zu GigaSamples pro Sekunde. Je nach gewähltem Gehäuse unterstützt das System bis zu 192 digitale I/Os (Ein-/Ausgänge). Bis zu 64 I/Os können als "lokale Kanäle" direkt im Hauptsystem bereitgestellt werden. Zusätzlich (oder alternativ) können bis zu 128 I/Os als "Remote-Kanäle" in zwei separaten Gehäusen bereitgestellt werden. Jedes dieser Subsysteme wird über ein robustes optisches Hochgeschwindigkeitskabel mit dem Hauptsystem verbunden. Das optische Kabel ermöglicht die Überbrückung großer Entfernungen, wie z.B. zwischen einem Bunker und dem Testfeld. Ein einziges Glasfaserkabelpaar reicht aus, um bis zu 64 digitale Ein-/Ausgangssignale zwischen dem Hauptsystem und dem Subsystem zu übertragen. Das spart bei der Testvorbereitung sowohl Zeit als auch Kosten.

Ein typisches Beispiel sind Signale von Lichtschranken und Triggerfolien ("Make Screens"/"Break Screens" wie sie auch in Fragment-Tests eingesetzt werden). Solche Signale können entweder analog oder digital gemessen werden. Die Verwendung von Analogeingängen ermöglicht eine perfekte Feinabstimmung der Triggerbedingungen (Schwellwert, Schwellwertbereich, Impulsbreite, Gradient). Digitale Eingänge hingegen vereinfachen den Aufbau der Hardware erheblich und ermöglichen eine hohe Kanalzahl bei deutlich geringeren Kosten. Eine einzigartige Diagnosefunktion ermöglicht zusätzlich die Überprüfung des korrekten Anschlusses und des Zustands von Triggerfolien während der Testvorbereitung und hilft, kostspielige Fehlversuche zu vermeiden.

Die gleiche Flexibilität ist auch bei den Ausgängen gegeben. Das Spektrum reicht vom gängigen BNC-Anschluss (3V TTL, 5V, 12V, 24V) bis hin zu isolierten Halbleiterschaltern zum Schalten hoher extern angelegter Spannungen (z.B. zum Auslösen von Röntgenblitzen).

Darüber hinaus kann das System auch mit faseroptischen Ein- und Ausgängen ausgestattet werden. Es werden sowohl Glasfaser ("ST") als auch Kunststofffaser ("POF/Versatile Link") unterstützt. Die rein optische Verbindung bietet eine perfekte Isolierung und Schutz vor elektrischen Störungen. Die hohe Übertragungsrate ermöglicht die Überbrückung großer Entfernungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der systemweiten Synchronität über alle Kanäle.

Das System verfügt über eine komfortable grafische Software, die sich dynamisch an die gewählten Ein- und Ausgangstypen anpasst. Unabhängig von ihrem Typ können alle Eingangs- und Ausgabesignale als ein einziges Projekt gespeichert werden. Die Signale können in verschiedenen Kurvenfenstern dargestellt und mit Cursorfunktionen detailliert analysiert werden. Verschiedene Exportfunktionen ermöglichen bei Bedarf die weitere Auswertung in einer beliebigen anderen Software.

Auf Wunsch kann das System mit einer auf die Testanlage zugeschnittenen Bedienoberfläche ausgestattet werden. So können z.B. zusätzliche Umgebungssensoren und Aktoren innerhalb desselben Systems erfasst bzw. gesteuert werden. Eine einzigartige Routing-Lösung ermöglicht den abwechselnden Betrieb mehrerer Testanlagen von einem Kontrollraum aus.

Beispiel für eine maßgeschneiderte Bedienoberfläche zur Steuerung eines Beschleunigers
(hier eine Leichtgaskanone, engl. "Light-Gas Gun" oder "LGG")

Das modulare Hard- und Softwarekonzept bedient eine Vielzahl von unterschiedlichen Testszenarien und erlaubt darüber hinaus auch eine nachträgliche Anpassung an steigende Anforderungen. So kann das System zum Beispiel mit zusätzlichen Kanälen ausgestattet werden, wenn sich Art oder Anzahl der benötigten Ein- und Ausgänge im Laufe der Zeit ändern.

Eckdaten des Triggervorhersage-Systems

Hardware & Software

• Mehrere unabhängig konfigurierbare Diagnose- und Triggerpositionen
• Triggervorhersage in Echtzeit (Genauigkeit <40ns)
• Einfach bedienbare grafische Oberfläche zur Auswahl und Konfiguration unterschiedlicher Triggerblöcke:
  • INITIAL (Starttrigger)
  • TRIGGER (direkter Trigger ohne Verzögerung)
  • TRIGGER DELAY (verzögerter Trigger)
  • TRIGGER DELAY WITH FALLBACK (verzögerter Trigger mit redundantem Auslösesignal)
  • VELOCITY 2P (Triggervorhersage basierend auf 2 Eingangssignalen)
  • VELOCITY 3P (redundante Triggervorhersage basierend auf 3 Eingangssignalen)
  • VELOCITY 3P 2x (redundante Triggervorhersage für 2 verschiedene Zielpositionen)
  • INTERLEAVED (2 ineinander verschachtelte verzögerte Trigger)
• Unterstützung unterschiedlichster analoger und digitaler I/Os (Ein-/Ausgänge) in einem System (s.u.)
  
• Einzigartige Diagnosefunktion für Triggerfolien (Kurzschlussfolien / Make Screens / Break Screens)
• Einfaches Erfassen, Speichern und Laden von Mess- und Ausgabesignalen als ein Projekt
• Komfortable Anzeige und Analyse der Signale in Kurvenfenstern mit Cursorn und mathematischen Funktionen
• Maßgeschneiderte Bedienoberflächen für zusätzliche Sensoren und Aktoren im selben System
  
  

Eingänge

• Erweiterbar von 2 bis 200 Eingangskanäle
• Verschiedene analoge und digitale Eingänge beliebig kombinierbar
• Auswahl an analogen Eingängen:
  
  • Messraten von kS/s bis GS/s
  • Standardmäßige und bei Bedarf individuell angepasste Spannungsbereiche
  • Single-Ended / Differentiell / Isoliert
  • Pro Eingangssignal mehrere unterschiedliche Trigger definierbar
• Auswahl an digitalen Eingangspaneln:
  • 8x BNC 5V TTL, 24V, 48V
  • 8x FIBER OPTIC ST (820nm)
  • 8x FIBER OPTIC POF / Versatile Link (660nm)
  • 8x TRIGGER FOIL (MAKE / BREAK SCREEN
  • …
    
    

Ausgänge

• Erweiterbar von 8 bis 192 digitale Ausgänge (Triggerausgänge)
  
• Verschiedene Ausgabepanel beliebig kombinierbar
• Auswahl an Ausgabepaneln:
  • 8x BNC 3.3V / 5V TTL
  • 8x 5V DRIVER BNC
  • 8x 12V DRIVER BNC
  • 8x 24V DRIVER BNC
  • 8x SOLID STATE SWITCH (ISOLATED) max. 700V DC
  • 8x RELAY ON/OFF
  • 8x RELAY ON/TRI/ON
  • 8x FIBER OPTIC ST (820nm)
  • 8x FIBER OPTIC POF / Versatile Link (660nm))
  • …
    
    

Zusätzliche Komponenten (optional)

• Konverterbox "TTL-BNC zu Fiber-Optic (ST/POF/Versatile Link)"
• Konverterbox "Fiber-Optic (ST/POF/Versatile Link) zu TTL-BNC"
• Konverterbox "Fiber-Optic (ST/POF/Versatile Link) zu IGBT/MOSFET/RELAY"
• Halbleiterschalter (MOSFET/IGBT) mit Fiber-Optic-Anschluss (ST oder POF/Versatile Link) zum Schalten hoher Spannungen und Ströme
• …

Das zuverlässige Aufzeichnen des Aufpralls oder beliebiger Flugpositionen bei Hochgeschwindigkeits-, Impakt- und Ballistik-Tests ist für den Testingenieur eine herausforderne Aufgabe.

Mit dem Triggervorhersage-System von AMOtronics ist es denkbar einfach!

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