DD236994A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSORS WITH CORRECTIVE BEHAVIOR - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer einen piezoresistiven Drucksensor, der zur Korrektur des Messgasdruckeinflusses auf das elektrische Ausgangssignal von Gasanalysatoren eingesetzt werden kann. Ziel der Erfindung ist es, das vom Messgasdruck beeinflusste Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren, wobei die Aufgabe darin besteht, eine Schaltung anzugeben, mit deren Hilfe durch Einbeziehen von dehnungsabhaengigen Widerstaenden auf einer messgasdruckbeaufschlagten Membran das druckbeeinflusste Ausgangssignal eines Gasanalysators korrigiert werden kann. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass die zu korrigierende Spannung einmal auf den Eingang eines invertierenden Operationsverstaerkers geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Addierschaltung eines Ausgangsoperationsverstaerkers verbunden ist und zum anderen auf einen weiteren Eingang der Addierschaltung geschaltet ist, wobei der dehnungsabhaengige Widerstand am Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstaerkers mit steigendem Druck groesser wird, waehrend der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des invertierenden Operationsverstaerkers liegende dehnungsabhaengige Widerstand mit steigendem Druck kleiner wird. Fig. 1The invention relates to a circuit arrangement for a piezoresistive pressure sensor, which can be used to correct the Meßgasdruckeinflusses on the electrical output signal of gas analyzers. The aim of the invention is to correct the influenced by measuring gas pressure output of gas analyzers with little effort, the task is to provide a circuit by means of which the pressure-influenced output of a gas analyzer can be corrected by incorporating stretch-dependent resistors on a messgasdruckbeaufschlagten membrane. According to the invention, this object is achieved in that the voltage to be corrected is connected once to the input of an inverting operational amplifier, the output of which is connected to an input of an adder circuit of an output operation amplifier and is connected to another input of the adder circuit, wherein the strain-dependent resistor on Input of the non-inverting operational amplifier becomes larger with increasing pressure, while the expansion-dependent resistance between the output and the inverting input of the inverting operational amplifier decreases with increasing pressure. Fig. 1
Description
-2- 759 18-2- 759 18
Ursprungssignals eine relative Vergrößerung der Korrekturwirkung erzielt wird. Eine Dosierung dieser Korrekturwirkung ist durch Einstellen der Eingangswiderstände der Addierschaltung möglich.Origin signal relative enlargement of the correction effect is achieved. A dosage of this correction effect is possible by adjusting the input resistances of the adder circuit.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The invention will be explained below using an exemplary embodiment. In the drawing show:
Fig. 1: elektrische Schaltung des piezoresistiven DrucksensorsFig. 1: electrical circuit of the piezoresistive pressure sensor
Fig. 2: Membran des piezoresistiven Drucksensors mit zwei dehnungsabhängigen Widerständen Fig.3: piezoresistiver Drucksensor — Gesamtdarstellung.Fig. 2: Diaphragm of the piezoresistive pressure sensor with two strain-dependent resistors Fig.3: piezoresistive pressure sensor - overall view.
In Fig. 1 ist der Signalweg vom Eingang eines optischen Gasanalysators 1 bis zum Ausgang eines diesem nachgeschalteten piezoresistiven Drucksensors 4 dargestellt. Der optische Gasanalysator 1 wandelt die Eingangsgröße Gaskonzentration с in ein Ausgangssignal Uc; p, das nach den Gesetzen der kinetischen Gastheorie dem in der Meßküvette herrschenden Meßgasdruck ρ proportional ist. Druckabweichungen Λ ρ entstehen durch Veränderungen des Durchflusses des Meßgases durch die Meßküvette und durch Veränderungen des atmosphärischen Druckes. Der hierdurch entstehende Meßfehler kann durch Nachschalten eines mit dem Meßgasdruck ρ beaufschlagten piezoresistiven Drucksensors 4 eliminiert werden. Die Übertragungsfunktion der elektrischen Schaltung 2 (Fig. 1) ist so gestaltet, daß sie den druckbedingten Fehler des optischen Gasanalysators 1 aufhebt. Hierzu ist die zu korrigierende Spannung Uc:p einmal auf den Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers OV1 geschaltet, dessen Ausgang mit einem Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV2 verbunden ist und zum anderen auf einen weiteren Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV2 geschaltet ist. Hierbei ist der dehnungsabhängige Eingangswiderstand R1 des invertierenden Operationsverstärkers OV1 so auf der Membran 3 angeordnet, daß sein Widerstandswert mit steigendem Druckauf die Membran 3 größer wird, während der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des invertierenden Operationsverstärkers OV1 liegende dehnungsabhängige Widerstand R2 so auf der Membran 3 angeordnet ist, daß sein Widerstandswert mit steigendem Druck auf die Membran 3 kleiner wird, Die Widerstände R3, R4 und R5 bestimmen die Verstärkung der Addierschaltung im Ausgangs-Operationsverstärker OV2. Hierbei ist der Widerstand R3 zwischen dem invertierenden Eingang des invertierenden Ausgangs-Operationsverstärkers OV2 und dem Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers OV1 geschaltet, der Widerstand R4 zwischen dem Ausgang des Gasanalysators 1 und dem invertierenden Eingang des invertierenden Operationsverstärkers OV2. Der Widerstand R5 ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers OV2 angeordnet. Die Anschlußpunkte der auf der Membran 3 angeordneten dehnungsabhängigen Widerstände R1 und R2 sind mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet.In Fig. 1, the signal path from the input of an optical gas analyzer 1 is shown to the output of a piezo-resistive pressure sensor 4 connected downstream of this. The optical gas analyzer 1 converts the gas concentration input с into an output signal U c; p , which according to the laws of kinetic gas theory is proportional to the measuring gas pressure ρ prevailing in the measuring cuvette. Pressure deviations Λ ρ are caused by changes in the flow of the sample gas through the sample cell and by changes in the atmospheric pressure. The resulting measurement error can be eliminated by connecting a pressurized with the Meßgasdruck ρ piezoresistive pressure sensor 4. The transfer function of the electric circuit 2 (FIG. 1) is designed to cancel the pressure error of the optical gas analyzer 1. For this purpose, the voltage U c: p to be corrected is connected once to the input of an inverting operational amplifier OV 1 whose output is connected to an input of an adder circuit of the output operational amplifier OV 2 and to another input of the adder circuit of the output operational amplifier OV 2 is switched. Here, the strain-dependent input resistance R 1 of the inverting operational amplifier OV 1 is arranged on the membrane 3, that its resistance increases with increasing pressure on the membrane 3, while lying between the output and the inverting input of the inverting operational amplifier OV 1 strain-dependent resistor R 2nd is arranged on the diaphragm 3, that its resistance value decreases with increasing pressure on the diaphragm 3, The resistors R 3 , R 4 and R 5 determine the gain of the adder in the output operational amplifier OV second In this case, the resistor R 3 is connected between the inverting input of the inverting output operational amplifier OV 2 and the output of the inverting operational amplifier OV 1 , the resistor R 4 between the output of the gas analyzer 1 and the inverting input of the inverting operational amplifier OV 2 . The resistor R 5 is arranged between the inverting input and the output of the inverting operational amplifier OV 2 . The connection points of the diaphragm 3 arranged on the strain-dependent resistors R 1 and R 2 are denoted by the letters A, B and C.
Aus dieser Schaltungsanordnung resultiert folgende Signalverarbeitung: Das elektrische Ausgangssignal des optischen Gasanalysators 1 sei Uc; p The following signal processing results from this circuit arrangement: The electrical output signal of the optical gas analyzer 1 is U c; p
Po sei der Normaldruck in der MeßküvettePo is the normal pressure in the measuring cell
Das korrigierte Ausgangssignal Uc ist dannThe corrected output signal U c is then
Γ :-\-: Jb 2 ι Γ : - \ - : Jb 2 ι
Die dehnungsabhängigen Widerstände R1 und R2 haben beim Normaldruck p0 einheitlich den Wert R0. Unter Berücksichtigung, daß die dehnungsabhängigen Widerstände durch ihre unterschiedliche Lage auf der druckbeaufschlagten gegen Vakuum gedrückten Membran 3 einmal gedehnt-R1-und einmal gestaucht-R2-werden, erhält man die BeziehungThe strain-dependent resistors R 1 and R 2 have the normal value p 0 uniformly the value R 0 . Taking into account that the strain-dependent resistors are stretched once by their different position on the pressurized vacuum-pressed membrane 3-R 1 and once-upsetting-R 2 , the relationship is obtained
= v= v
ψ->* K ^-ß ψ -> * K ^ -ß
-с-с
Die piezoresistiven Koeffizienten α und β können je nach Lage der Widerstände auf der Membran unterschiedlich groß sein. Das Ausgangssignal Uc, p des optischen Gasanalysators 1 ist druckproportional, also gilt:The piezoresistive coefficients α and β may vary depending on the location of the resistors on the membrane. The output signal U c , p of the optical gas analyzer 1 is pressure-proportional, that is to say:
-з- 759-z-759
с ιс ι
Unter Vernachlässigung derA-Glieder 2. Ordnung istNeglecting the second-order A terms
) Π 1 - ) Π 1 -
j;j;
.eiin.eiin
ist, ergibt sich füris, results for
_ TT_ TT
Д)Д)
i-Qi-Q
= σ.= σ.
Mit po = 1 bar ist die KorrekturWith po = 1 bar is the correction
bei einer Druckabweichung um 10m bar mit einem Fehler der Größenordnung 0,1%, bei einer Druckabweichung um 30m bar mit einem Fehler der Größenordnung 10%, bei einer Druckabweichung um 100 m bar mit einem Fehler der Größenordnung 1 % erreicht.with a pressure deviation around 10m bar with an error of the order of 0.1%, with a pressure deviation around 30m bar with an error of the order of 10%, with a pressure deviation around 100 m bar with an error of the order of 1%.
Claims (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD27591885A DD236994A1 (en) | 1985-05-03 | 1985-05-03 | CIRCUIT ARRANGEMENT FOR PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSORS WITH CORRECTIVE BEHAVIOR |
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Publications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102018203251A1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-09-05 | Kuka Deutschland Gmbh | Measuring mechanical changes |
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1985
- 1985-05-03 DD DD27591885A patent/DD236994A1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
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DE102018203251A1 (en) * | 2018-03-05 | 2019-09-05 | Kuka Deutschland Gmbh | Measuring mechanical changes |
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PV | Patent disclaimer (addendum to changes before extension act) |