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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, die zum Messen einer insbesondere durch Druck hervorgerufenen
mechanischen Verformung dient.
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Eine
Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art ist aus der
US 5.134.885 bekannt. Diese bekannte
Schaltungsanordnung ermöglicht
die Messung einer durch Druck hervorgerufenen mechanischen Verformung
mittels einer Brückenschaltung von
Widerständen,
deren jeweiliger Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der ausgeübten mechanischen
Verformung ändert.
Da diese Widerstände durch
eine Druck aufnehmende Membran verformt werden, ist das an ihren
Brücken-Ausgängen erzeugte
Signal proportional zum einwirkenden Druck. Um ein dem gemessenen
Druck entsprechendes, für
die Weiterverarbeitung geeignetes Mess-Ausgangssignal erzeugen zu
können,
weist diese bekannte Schaltungsanordnung ferner einen ersten Verstärker auf, der
das von der Brückenschaltung
erzeugte Brücken-Ausgangssignal
mit einstellbarer Empfindlichkeit vorverstärkt und das vorverstärkte Signal
einem zweiten Verstärker
zuführt,
mit dem ein Nullpunktabgleich des erzeugten Mess-Ausgangssignals
durchgeführt
wird.
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Da
sich der Nullpunkt des erzeugten Mess-Ausgangssignals in Abhängigkeit
von der jeweils herrschenden Temperatur ändert, ist in der aus der
US 5.134.885 bekannten Verstärkungsschaltung ein
Widerstandsnetzwerk vorgesehen, das mehrere Temperaturerfassungs-Widerstände mit
temperaturabhängigem
Widerstandswert enthält
und dessen Ausgang zusammen mit dem Ausgang des ersten Verstärkers ebenfalls
mit dem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist. Dieses
Widerstandsnetzwerk ist so abgeglichen, dass es ein Kompensationssignal
erzeugt, das die temperaturabhängige
Nullpunktdrift des Mess-Ausgangssignals am zweiten Verstärker kompensiert.
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Da
die bekannte Verstärkerschaltung
einerseits in der Lage sein soll, auch bei Verwendung unterschiedlicher,
oftmals auch von verschiedenen Herstellern stammenden Membranen übereinstimmende Mess-Ausgangssignale
zu liefern, und da andererseits selbst gleichartige Membranen aufgrund
von Herstellungstoleranzen unterschiedliche Kennwerte aufweisen,
ist das Nullpunktdriftkompensations-Widerstandsnetzwerk so ausgelegt,
dass sowohl temperaturbedingte Nullpunktdriften verschiedenen Vorzeichens
als auch unterschiedlicher Größe berücksichtigt
werden können.
Zu diesem Zweck weist das bekannte Kompensations-Widerstandsnetzwerk
jeweils zwei Temperaturerfassungs-Widerstände mit positivem Temperatur-Koeffizienten
und zwei weitere Temperaturerfassungs-Widerstände mit negativem Temperatur-Koeffizienten
auf, deren Einfluss auf das Kompensations-Ausgangssignal durch jeweils
zugeordnete einstellbare Widerstände
beeinflusst werden kann. Durch geeignete Einstellung dieser Widerstände in Abhängigkeit
von den ermittelten Parametern der jeweils angeschlossenen Membran
ist es möglich,
die temperaturabhängige
Nullpunktdrift der angeschlossenen Membran sowohl hinsichtlich ihres Vorzeichens
als auch im Hinblick auf ihre Größe zu kompensieren.
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Schaltungsanordnungen
der gattungsgemäßen Art
werden in der Regel zusammen mit der druckaufnehmenden Membran in
einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht, das somit nach erfolgtem Abgleich der membranspezifischen
Parameter einen vollständig
funktionsfähigen
Drucksensor mit integrierter Elektronik bildet. Derartige Drucksensoren
sollen in der Praxis so kompakt wie möglich sein, um auch an beengten
Stellen eine Druckerfassung zu ermöglichen. Die zahlreichen Temperaturerfassungs-Widerstände und
die diesem zugeordne ten einstellbaren Widerstände des Kompensations-Widerstandsnetzwerks
der bekannten Schaltungsanordnung erfordern jedoch einen verhältnismäßig großen Schaltungsaufwand,
der sich nicht nur auf die Herstellungskosten negativ auswirkt,
sondern auch den Platzbedarf der gesamten integrierten Schaltung entsprechend
erhöht.
Insbesondere bei kompakten Drucksensoren kann dieser erhöhte Platzbedarf
zu Problemen führen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden,
dass die Kompensation der temperaturabhängigen Nullpunktdrift mit geringstmöglichem
Schaltungsaufwand und insbesondere mit einem minimalen Flächenbedarf realisiert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Die
Erfindung schlägt
demgemäß vor, für das Nullpunktdriftkompensations-Widerstandsnetzwerk nur
einen einzigen Temperaturerfassungs-Widerstand vorzusehen, dessen
eines Ende über
einen Schalter wahlweise mit der Versorgungsspannung oder der Masse
der Schaltungsanordnung verbindbar ist und dessen anderes Ende über eine
Widerstandsanordnung mit einstellbarem Widerstandswert auf den mit
dem Ausgang des ersten Verstärkers
gekoppelten Eingang des zweiten Verstärkers einwirkt. Untersuchungen
mit den unterschiedlichsten Druckmembranen haben gezeigt, dass ein
solchermaßen aufgebautes
Nullpunktdriftkompensations-Widerstandsnetzwerk in der Lage ist,
stets eine hervorragende Kompensation zu gewährleisten; indem nämlich der
Temperaturerfassungs-Widerstand entweder mit der Versorgungsspannung
oder mit Masse verbunden wird, kann auf einfache Weise die Richtung der
Kompensation festgelegt werden, während die Einstellung des Widerstandswerts
der Widerstandsanordnung eine korrekte Festlegung der Größe der Kompensation
ermöglicht.
Dadurch, dass der erfindungsgemäße Aufbau
des Nullpunktdriftkompensations-Widerstandsnetzwerks deutlich weniger
Schaltungselemente als das bekannte Widerstandsnetzwerk erfordert,
werden nicht nur die Herstellungskosten sondern auch der Flächenbedarf
entsprechend verringert. Die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung kann
daher auch bei kompakten Drucksensoren verwendet werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind
Gegenstand der Unteransprüche
2 bis 9. Wenn der Schalter beispielsweise gemäß der Lehre des Anspruchs 2
aus zwei parallel geschalteten Widerständen gebildet ist, die jeweils über einen
abgleichbaren Widerstand mit der Versorgungsspannung bzw. mit Masse
verbunden sind, ist es gemäß Anspruch
3 möglich,
die Richtung der Nullpunktdrift-Kompensation beispielsweise dadurch
festzulegen, dass einer der beiden abgleichbaren Widerstände mittels
eines Lasers durchtrennt wird. In ähnlicher Weise schaffen die
Ansprüche
4 und 5 eine Widerstandsanordnung, bei der der jeweils für die verwendete
Membran erforderliche Widerstandswert (der die Größe der Nullpunktdrift-Kompensation
festlegt) mit Hilfe von Laserdurchtrennungen eingestellt werden
kann. Die Erfindung ermöglicht
somit die Anpassung an die Parameter der verwendeten Membran über billigste
Bauteile in Form laserabgleichbarer Widerstände, womit etwa im Vergleich
zu mechanischen Schaltern oder Potentiometern Kosten und auch Platz
gespart wird.
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Gemäß der Lehre
der Ansprüche
10 bis 12 kann schließlich
durch Verwendung eines weiteren Widerstandsnetzwerks der erfindungsgemäßem Art, das
an einen Eingang des ersten Verstärkers angeschlossen ist, auch
eine Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit der Membran korrigiert werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeich nung näher erläutert, deren einzige Figur
das teilweise nur schematisch dargestellte Blockschaltbild einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zeigt.
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Wie
aus dieser Figur ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eine Brückenschaltung
B aus Widerständen
R1 bis R4 auf, deren Widerstände
R2 und R3 einen konstanten Widerstandswert aufweisen, während sich
der jeweilige Widerstandswert die Brücken-Widerstände R1 und R4
in Abhängigkeit
von einer anliegenden mechanischen Verformung p ändert, die von einer nicht
gezeigten druckaufnehmenden Membran erzeugt wird. Am Schaltungsknoten
der Widerstände
R1 und R3 liegt eine Versorgungsspannung + an, während der Schaltungsknoten
der Widerstände
R2 und R4 mit Masse verbunden ist; das zwischen den Schaltungsknoten
der Widerstände
R1 und R2 und der Widerstände
R3 und R4 abgegriffene Brücken-Ausgangssignal
hat somit einen Spannungswert, der sich in Abhängigkeit vom anliegenden Druck ändert.
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Das
am Schaltungsknoten der Widerstände R1
und R2 anliegende Brücken-Ausgangssignal
wird dem invertierenden Eingang eines ersten Verstärkers V1
in Form eines Operationsverstärkers
zugeführt, während das
am Schaltungsknoten der Widerstände R3
und R4 anliegende Brücken-Ausgangssignal
dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Verstärkers V1
sowie dem nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Verstärkers V2
zugeführt
wird, bei dem es sich ebenfalls um einen Operationsverstärker handelt.
Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers V1 liegt am invertierenden
Eingang des zweiten Verstärkers
V2 an, wobei dessen Ausgangssignal das Mess-Ausgangssignal U der
Schaltung darstellt, das den gemessenen Druck widerspiegelt.
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Der
erste Verstärker
V1 verstärkt
das zugeführte
Brücken-Ausgangssignal,
wobei der jeweilige Verstärkungsfaktor über eine
nicht gezeigte Rückkopplungsschaltung
ggf. unter Berücksichtigung
der Kennlinie der verwendeten druckaufnehmenden Membran auf einen
vorbestimmten Wert einstellbar ist. Der zweite Verstärker V2
dient zur Einstellung des Nullpunkts der Schaltung, d.h. dieser
zweite Verstärker
V2 ist über
eine ebenfalls nicht gezeigte Rückkopplungsschaltung
in der Lage, die Nullschwelle des Ausgangssignals, ggf. ebenfalls
unter Berücksichtigung
der Kennlinie der jeweiligen druckaufnehmenden Membran, so einzustellen,
dass diese Nullschwelle dem Druckwert 0 entspricht.
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Zur
Kompensation einer temperaturabhängigen
Nullpunktdrift des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers V2
ist erfindungsgemäß ein Widerstandsnetzwerk
N vorgesehen, dessen Korrektursignal K am invertierenden Eingang
des zweiten Verstärkers
V2 anliegt. Das Widerstandsnetzwerk N besteht aus einer Parallelschaltung
zweier Widerstände 12
und 14, die jeweils über
einen laserabgleichbaren Widerstand 11 bzw. 13 mit der Versorgungsspannung +
bzw. mit Masse – verbunden
sind. Der Schaltungsknoten der Widerstände R12 und R14 ist mit dem
einen Ende eines Widerstands RT mit negativem Temperaturkoeffzienten
(NTC) sowie dem einen Ende eines diesem parallelgeschalteten Widerstands
R15 verbunden, dessen Widerstandswert so gewählt ist, dass er die nichtlineare
Kennlinie des NTC-Widerstands RT weitgehend linearisiert. Das jeweils
andere Ende der Widerstände
RT und R15 ist mit einem Ende einer Parallelschaltung aus Widerständen R23 bis
R25 verbunden, deren anderes Ende das dem zweiten Verstärker V2
zugeführte
Korrektursignal K liefert. Die beiden Widerstände R23 und R24 sind zudem
in Reihe mit einem laserabgleichbaren Widerstand R21 bzw. R22 geschaltet.
Die Widerstände R23
bis R25 haben jeweils einen unterschiedlichen Widerstandswert.
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Der
Abgleich des Widerstandsnetzwerks N wird wie folgt durchgeführt: Zunächst wird
die Richtung der bei einer Temperaturänderung hervorgerufenen Nullpunkdrift
der verwendeten Membran bestimmt. In Abhängigkeit davon wird entweder der
laserabgleichbare Widerstand R11 oder der laserabgleichbare Widerstand
R13 mittels eines Lasers vollständig
durchtrennt, so dass an dem dem temperaturfühlenden Widerstand RT zugewandten
Ende der Widerstände
12 und 14 entweder eine positive Spannung oder Masse anliegt. Das
entsprechende Korrektursignal K korrigiert die Nullpunktdrift demgemäß entweder
in negativer oder positiver Richtung.
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Anschließend wird
das Ausmaß der
temperaturbedingten Nullpunkdrift der verwendeten Membran bestimmt.
Hieraus wird ein Widerstandswert für die Parallelschaltung aus
den Widerständen
R23 bis R25 berechnet, der dem Korrektursignal K einen geeigneten
Kompensationsgrad verleiht. Daraufhin wird entweder der laserabgleichbare
Widerstand R21 und/oder der laserabgleichbare Widerstand R22 mittels
des Lasers vollständig
durchtrennt oder es werden beide Widerstände R21 und R22 intakt gelassen. Es
ist ersichtlich, dass sich auf diese Weise insgesamt vier verschiedene
Widerstandswerte erzielen lassen, wobei derjenige dieser diskreten
Widerstandswerte gewählt
wird, der dem berechneten Widerstandswert am nächsten kommt. Es hat sich in
der Praxis gezeigt, dass mit vier diskreten Widerstandswerten bei
geeigneter Wahl der jeweiligen Einzel-Widerstandswerte die Kennlinien
der gebräuchlichen Membranen
berücksichtigt
werden können.
Wenn das Kompensationsmaß der
temperaturbedingten Nullpunkdrift noch genauer eingestellt werden
soll, kann dies durch eine Erhöhung
der Anzahl der parallelgeschalteten Widerstände problemlos erreicht werden.
Eine noch feinere Einstellung des Widerstandswerts kann ggf. auch
dadurch erzielt werden, dass die laserabgleichbaren Widerstände R21
und R22 nicht vollständig
durchtrennt, sondern mittels des Lasers in ihrem Widerstandswert
geändert
werden.
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Der
beschriebene Abgleich des Widerstandsnetzwerks N kann gleichzeitig
mit dem Abgleich der anderen Schaltungs komponenten wie insbesondere
der Rückkopplungsschaltungen
erfolgen.
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Ggf.
kann anstelle des NTC-Widerstands RT auch ein Widerstand mit positivem
Temperaturkoeffizienten (PTC) eingesetzt werden.
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Wenn
auch eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit der Membran
gewünscht
ist, kann dies dadurch erreicht werden, dass dem invertierenden
Eingang des ersten Verstärkers
V1, wie aus der Figur ersichtlich ist, ein Kompensationssignal eingeprägt wird,
das von einem weiteren Widerstandsnetzwerk N2 erzeugt wird, dessen
Aufbau dem des beschriebenen Widerstandsnetzwerks N entspricht.
Durch geeigneten Abgleich dieses Widerstandsnetzwerk N2 ist es möglich, sowohl
die Richtung als auch den Betrag der Empfindlichkeitsänderung
der jeweiligen Membran bei einer Temperaturschwankung zu berücksichtigen
und zu korrigieren. Der Abgleich des zweiten Widerstandsnetzwerks
N2 erfolgt in gleicher Weise wie der zuvor beschriebene Abgleich
des Widerstandsnetzwerks N.
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- B
- Brückenschaltung
- p
- mechanische
Verformung
- R1–R4
- Brücken-Widerstände
- +
- Versorgungsspannung
- –
- Masse
- V1
- Erster
Verstärker
- V2
- Zweiter
Verstärker
- U
- Mess-Ausgangssignal
- N
- Widerstandsnetzwerk
- N2
- Zweites
Widerstandsnetzwerk
- K
- Korrektursignal
- R12,
R14
- Widerstände für
-
- Nulldriftkompensationsrichtung
- R11,
R13
- laserabgleichbare
Widerstände
="=
- RT
- NTC-Widerstand
- R15
- Kompensationswiderstand
des NTC-Widerstands
- R23–R25
- Widerstände für Größe der
-
- Nulldriftkompensation
- R21,
R22
- laserabgleichbare
Widerstände
="=