DE102018216131A1 - Method and device for the simultaneous determination of the change in temperature and resistance of sensor resistances of a bridge circuit designed as a quarter or half bridge - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung der Temperatur- und Widerstandsänderung eines oder mehrerer Sensorwiderstände einer als Viertel- oder Halbbrücke ausgebildeten Brückenschaltung werden wenigstens zwei der Vergleichswiderstände mit voneinander verschiedenen Temperaturkoeffizienten α, γ gewählt. Es werden unterschiedliche Spannungen in der Brückenschaltung gemessen, von denen wenigstens eine Spannung an einem der Widerstände der Brückenschaltung abfällt und die so gewählt sind, dass aus einer oder mehreren der unterschiedlichen Spannungen die Spannung über der Brückenschaltung, eine Spannung über dem oder einem der Sensorwiderstände und eine Spannung über einem dazu parallelen Vergleichswiderstand bestimmbar ist. Aus den gemessenen Spannungen, bekannten Widerstandswerten der Widerstände und bekannten Temperaturkoeffizienten α, β, γ der Widerstände der Brückenschaltung wird dann die Temperaturänderung ΔT und daraus die Widerstandsänderung dR berechnet oder umgekehrt. Das Verfahren kommt ohne zusätzlichen Temperatursensor aus und ermöglicht u.a. eine genauere Bestimmung der Messgröße.In a method and a device for the simultaneous determination of the change in temperature and resistance of one or more sensor resistances of a bridge circuit designed as a quarter or half bridge, at least two of the comparison resistances with different temperature coefficients α, γ are selected. Different voltages are measured in the bridge circuit, of which at least one voltage drops across one of the resistors of the bridge circuit and which are selected such that the voltage across the bridge circuit, a voltage across the or one of the sensor resistors, and from one or more of the different voltages a voltage can be determined across a parallel comparison resistor. From the measured voltages, known resistance values of the resistors and known temperature coefficients α, β, γ of the resistors of the bridge circuit, the temperature change ΔT and therefrom the change in resistance dR is calculated or vice versa. The process does not require an additional temperature sensor and enables, among other things. a more precise determination of the measured variable.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur- und Widerstandsänderung eines oder mehrerer Sensorwiderstände einer Brückenschaltung, die von einer Spannungsquelle mit einer konstanten Betriebsspannung oder von einer Konstantstromquelle gespeist wird und als Viertel- oder Halbbrücke mit mehreren Widerständen ausgebildet ist.The present invention relates to a method and an apparatus for determining the change in temperature and resistance of one or more sensor resistors of a bridge circuit, which is fed by a voltage source with a constant operating voltage or by a constant current source and is designed as a quarter or half bridge with several resistors.
Die Wheatstonesche Brückenschaltung wird in vielen Anwendungen eingesetzt, um Messgrößen wie bspw. Druck, Kraft oder Magnetfelder zu bestimmen. Je nach Messgröße kommen hierbei unterschiedliche Sensorwiderstände in der Brückenschaltung zum Einsatz, bspw. magnetoresistive Sensoren, z.B. AMR- oder GMR-Sensoren, für die Bestimmung von Magnetfeldern. Die Brückenschaltung kann als Viertelbrücke mit nur einem Sensorwiderstand, als Halbbrücke mit zwei Sensorwiderständen oder auch als Vollbrücke mit vier Sensorwiderständen zur Anwendung kommen. In der Regel wird hierbei eine zur Änderung des Widerstands der Sendeelemente (Widerstandsänderung
Die Sensorwiderstände, auch als Sensorelemente bezeichnet, sowie die je nach Ausgestaltung der Brückenschaltung ebenfalls vorhandenen Vergleichswiderstände zeigen eine Temperaturabhängigkeit, die mit einem Temperaturkoeffizienten beschrieben werden kann. Dieser Temperaturkoeffizient wird häufig als konstant angenommen und ergibt damit ein näherungsweise lineares Temperaturverhalten der Widerstände. Unterscheidet sich das Temperaturverhalten der Sensorwiderstände vom Temperaturverhalten der Vergleichswiderstände, so kann sich dies negativ auf die Ausgangsspannung der Brückenschaltung auswirken und zu fehlerhaften Messsignalen führen. Weiterhin ist bei den Sensorwiderständen die Änderung des Widerstands
Insgesamt ergibt sich somit bei der Messung mit Brückenschaltungen eine Ausgangsspannung, welche nicht nur von der zu messenden Größe, sondern auch von der Temperatur abhängt. Eine Kompensation des Temperatureinflusses bei der Messung mit einer Brückenschaltung ist daher für genaue Messergebisse unverzichtbar.Overall, when measuring with bridge circuits, this results in an output voltage that depends not only on the size to be measured, but also on the temperature. Compensation of the influence of temperature when measuring with a bridge circuit is therefore essential for accurate measurement results.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
In der
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperaturänderung und der Widerstandsänderung eines oder mehrerer Sensorwiderstände einer Brückenschaltung anzugeben, durch die eine genauere Bestimmung der Messgröße unabhängig von der Temperatur ermöglicht wird. The object of the present invention is to provide a method and a device for determining the change in temperature and the change in resistance of one or more sensor resistances of a bridge circuit, by means of which a more precise determination of the measured variable is made possible regardless of the temperature.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Temperaturänderung und die Widerstandsänderung eines oder mehrerer Sensorwiderstände der Brückenschaltung rechnerisch ermittelt. Die Brückenschaltung, bei der es sich auch um eine vorzugsweise Wheatstonesche Brückenschaltung handeln kann, wird in einer bevorzugten Verfahrensalternative von einer Spannungsquelle mit einer konstanten Betriebsspannung gespeist und kann als Viertel- oder Halbbrücke mit mehreren Vergleichswiderständen und einem oder mehreren Sensorwiderständen ausgebildet sein. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden für den Aufbau der Brückenschaltung wenigstens zwei der Vergleichswiderstände mit voneinander verschiedenen Temperaturkoeffizienten α, γ gewählt. Bei einer Viertelbrücke werden die wenigstens zwei Vergleichswiderstände mit voneinander verschiedenen bekannten Temperaturkoeffizienten hierbei vorzugsweise in einem zum Sensorwiderstand parallelen Zweig der Brückenschaltung angeordnet. Während einer Messung mit der Brückenschaltung werden dann unterschiedliche Spannungen in der Brückenschaltung gemessen, von denen wenigstens eine Spannung an einem der Widerstände der Brückenschaltung abfällt und die so gewählt sind, dass aus einer oder mehreren der unterschiedlichen Spannungen eine Spannung über der Brückenschaltung, eine Spannung über dem oder einem der Sensorwiderstände und eine Spannung über einem dazu parallelen Vergleichswiderstand bestimmbar ist. Die Spannung über der Brückenschaltung kann somit entweder direkt gemessen werden oder durch geeignete Messung mehrerer Spannungen innerhalb der Brückenschaltung bestimmt werden. Unter den Widerständen der Brückenschaltung sind hierbei bei einer Viertelbrücke ein Sensorwiderstand und wenigstens drei Vergleichswiderstände und bei einer Halbbrücke zwei Sensorwiderstände und wenigstens zwei Vergleichswiderstände zu verstehen. Aus den gemessenen Spannungen, ggf. einer bekannten Betriebsspannung, bekannten Widerstandswerten
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen bei bekanntem Temperaturverhalten der in der Brückenschaltung eingesetzten Widerstände die gleichzeitige Bestimmung der Temperaturänderung bzw. Temperatur und der durch die zu messende Größe verursachten Widerstandsänderung der Sensorwiderstände alleine anhand der Messung und Auswertung einzelner Spannungen der Brückenschaltung. Die Auswertung selbst kann mittels Software auf einem Rechner oder auch mit Hilfe eines geeignet programmierten Mikrocontrollers vorgenommen werden. Für die Bestimmung der Temperatur sind keine Temperatursensoren erforderlich. Voraussetzung ist jeweils nur die Kenntnis der einzelnen Widerstände der Brückenschaltung und deren vorzugsweise konstanter Temperaturkoeffizienten. Ein Abgleich der Widerstände der Brücke ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht mehr erforderlich, da durch die gleichzeitige Ermittlung von Temperatur bzw. Temperaturänderung und Widerstandsänderung der Sensorwiderstände eventuell auftretende Offsetspannungen automatisch korrigiert werden. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen damit eine genauere Bestimmung der Messgröße mit der Möglichkeit der Temperaturkompensation durch Bestimmung der Temperatur
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird in jedem der beiden parallelen Zweige der Brückenschaltung jeweils eine Spannung eines der Widerstände des jeweiligen Zweiges als eine der unterschiedlichen Spannungen gemessen.In an advantageous embodiment of the method, a voltage of one of the resistances of the respective branch is measured as one of the different voltages in each of the two parallel branches of the bridge circuit.
Die Berechnung der Temperaturänderung
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Brückenschaltung, eine Messeinrichtung zur Messung unterschiedlicher Spannungen in der Brückenschaltung und eine Auswerteeinrichtung, die die Temperaturänderung
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung erfassen die Temperatur des einen oder der mehreren Sensorwiderstände der Brückenschaltung ohne einen zusätzlichen Temperatursensor und berechnen den Temperatureinfluss auf die Messergebnisse anhand von Formeln. Die Messdaten können dann anhand dieser Daten berechnet bzw. korrigiert werden. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich für alle Messanwendungen mit Brückenschaltungen, bspw. für die genaue Messung von Kraft, Druck oder Magnetfeld, letzteres insbesondere mit Hilfe von magnetoresistiven Sensoren. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.The proposed method and the associated device detect the temperature of the one or more sensor resistances of the bridge circuit without an additional temperature sensor and calculate the temperature influence on the measurement results using formulas. The measurement data can then be calculated or corrected on the basis of this data. The method and the device are suitable for all measurement applications with bridge circuits, for example for the precise measurement of force, pressure or magnetic field, the latter in particular with the aid of magnetoresistive sensors. Of course, this is not an exhaustive list.
FigurenlisteFigure list
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein Beispiel für eine Schaltungsanordnung mit einer Viertelbrücke zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; -
2 ein Beispiel für Spannungsverläufe innerhalb der Schaltungsanordnung der1 in Abhängigkeit von der WiderstandsänderungdR ; -
3 ein Beispiel für eine Schaltungsanordnung mit einer Halbbrücke zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; -
4 ein Beispiel für Spannungsverläufe innerhalb der Schaltungsanordnung der3 in Abhängigkeit der WiderstandsänderungdR ; und -
5 ein Beispiel für die Messung der Widerstände einer Brückenschaltung.
-
1 an example of a circuit arrangement with a quarter bridge for performing the proposed method; -
2nd an example of voltage profiles within the circuit arrangement of the1 depending on the change in resistancedR ; -
3rd an example of a circuit arrangement with a half bridge for performing the proposed method; -
4th an example of voltage profiles within the circuit arrangement of the3rd depending on the change in resistancedR ; and -
5 an example for the measurement of the resistances of a bridge circuit.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung nutzen bei einer Brückenschaltung, die als Viertelbrücke oder als Halbbrücke ausgebildet ist, wenigstens zwei Vergleichswiderstände mit voneinander verschiedenen, bekannten Temperaturkoeffizienten α, γ.The proposed method and the associated device use at least two comparison resistors with different, known temperature coefficients α, γ in a bridge circuit which is designed as a quarter bridge or a half bridge.
Im Folgenden wird das Verfahren zunächst anhand einer Viertelbrücke mit nur einem Sensorwiderstand und mindestens drei Vergleichswiderständen beispielhaft erläutert. Die Nutzung einer Viertelbrücke bietet Kostenvorteile, da Sensorelemente bzw. Sensorwiderstände in der Regel höhere Kosten verursachen als Vergleichswiderstände, die durch Standardwiderstände realisiert werden können. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird die Brückenschaltung als Halbbrücke realisiert, bei der zwei Sensorwiderstände und mindestens zwei Vergleichswiderstände eingesetzt werden. Hierbei ist die Ausgangsspannung der Brückenschaltung im Vergleich zur Viertelbrücke in der Regel doppelt so groß. In the following, the method is first exemplified using a quarter bridge with only one sensor resistor and at least three comparison resistors. The use of a quarter bridge offers cost advantages, since sensor elements or sensor resistors generally cause higher costs than comparison resistors that can be realized with standard resistors. In the second exemplary embodiment, the bridge circuit is implemented as a half-bridge, in which two sensor resistors and at least two comparison resistors are used. The output voltage of the bridge circuit is usually twice as large compared to the quarter bridge.
In der vorliegenden Patentanmeldung wird die reine Widerstandsänderung eines Sensorwiderstands durch
Die Simulation wurde mit dem Simulationstool LTSPICE zur Simulation von elektrischen Schaltkreisen erstellt. Aus dem oberen Diagramm der
Im Folgenden werden die Temperaturänderung
Für den Sensorwiderstand ergibt sich hierbei:
Für die Vergleichswiderstände ergibt sich:
Es gilt:
Damit lässt sich die Temperatur
Die
Für die Vergleichswiderstände ergibt sich:
Es gilt:
Mit Kenntnis der einzelnen Widerstände
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102004026460 A1 [0005]DE 102004026460 A1 [0005]
- EP 0565124 A1 [0006]EP 0565124 A1 [0006]
- DE 8804598 U1 [0007]DE 8804598 U1 [0007]
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