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Stand der Technik
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In verschiedenen Bereichen der Technik, wie beispielsweise den Naturwissenschaften oder der Medizintechnik, müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der -Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungseigenschaften oder Ähnliches. Ein wichtiges Beispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Erfassung eines Drucks des Mediums. Drucksensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage, 2010, Seiten 134-136 bekannt.
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Drucksensoren für die Anwendung in Fahrzeugen (Powertrain, Getriebe etc.) erreichen heutzutage eine Genauigkeit im Ausgangssignal von bis zu 0,5% bezogen auf den Nenndruck, d.h. z.B. 0,2 bar für einen Drucksensor mit 40 bar Nenndruck, über einen eingeschränkten Temperaturbereich, d.h. einen Kerntemperaturbereich von z.B. 0°C bis 100°C.
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Thermomanagement-Systemen für Elektrofahrzeuge erfordern zur Regelung einen Druck- und Temperatursensor oder eine Kombination derselben. Je nach Betriebsmodus können diese Sensoren entweder auf der Saug- oder Druckseite des Thermomanagement-Systems „geschaltet“ werden und haben entsprechend unterschiedliche Anforderungen. Für die Saugseite ist eine genaue Druckmessung mit einer Abweichung von kleiner 0,08 bar bei einem niedrigen Betriebsdruck von 2 bis 5 bar erforderlich. Für die Druckseite ist eine hohe Genauigkeit mit einer Abweichung kleiner 0,3 bar bei einem höheren Betriebsdruck von 15 bis 20 bar erforderlich. Auch bei anderen Anwendungen ist häufig eine besonders hohe Genauigkeit im niedrigen Messbereich wü nschenswert.
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Trotz der durch diese Drucksensoren bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Drucksensoren. So werden mit heutiger Technik die Anforderungen an die erhöhten Genauigkeiten im niedrigen Druckbereich nicht erreicht. Die Schwierigkeit liegt darin, dass die Empfindlichkeit der Membran auf die Auswerteschaltung abgestimmt ist, so dass die Verstärkung gerade für den gesamten Druckbereich passt und somit der in der Auswerteschaltung des ASICs vorhandene Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) optimal ausgenutzt wird, d.h. für kleine Drücke steht nur ein eingeschränkter Bereich des A/D-Wandlers zur Verfügung. Eine mögliche Abhilfemaßnahme wäre, einen sehr großen A/D-Wandler im ASIC zu integrieren, was aber sehr teuer wäre und bei geringen Drücken die Gefahr von Störungen erhöht, da sehr kleine Messbereichsunterschiede aufgelöst werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeidet und der insbesondere in der Lage ist, die Einhüllende der oben genannten Anforderungen bezüglich des Ausgangssignals in kostengünstiger Weise zu erfüllen, d.h. ohne einen sehr großen A/D-Wandler vorzusehen.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines Mediums weist ein Drucksensorelement mit einer Messschaltung auf. Die Messschaltung ist zum Ausgeben eines Schaltungssignals in Abhängigkeit von dem Druck des Mediums ausgebildet. Der Drucksensor weist weiterhin eine Auswerteschaltung auf. Die Auswerteschaltung ist zum Ausgeben eines den Druck des Mediums anzeigenden Sensorsignals ausgebildet. Die Auswerteschaltung ist zum Verstärken des Sensorsignals in Abhängigkeit von der Größe des Schaltungssignals ausgebildet.
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Somit wird die Verstärkung des Schaltungssignals dem gemessenen Druck des Mediums angepasst, ohne einen sehr großen A/D-Wandler in der Auswerteschaltung zu integrieren.
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Unter einem Drucksensorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement zu verstehen, welches die eigentlichen Messsignale bezüglich des Drucks und/oder der Messwerte liefert, die zur Erfassung des Drucks des Mediums genutzt werden. Beispielsweise kann das Sensorelement eine als Messbrücke ausgebildete Sensormembran mit einem oder mehreren piezoresistiven Elementen und/oder anderen Arten von sensitiven Elementen umfassen, wie dies bei Drucksensoren üblich ist. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensoren kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage, 2010, Seiten 134-136 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Unter einer Auswerteschaltung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische und/oder elektronische Schaltung zu verstehen, deren elektrischen und insbesondere elektronischen Bauteile so zusammengeschlossen oder angeordnet sind, dass sie eine Auswertung eines Signals erlauben. Die Bauteile können beispielsweise Bauteile zur Signalverarbeitung sein. Weitere Bauelemente einer solchen Schaltung können ein Gel als Schutz gegenüber dem Medium und Berührung, Bauteile der Aufbau- und Verbindungstechnik, insbesondere Bonddrähte, Kleber und dergleichen, ein Kunststoff-Moldkörper mit Stanzgitter und Kondensatoren sein. Bei den Bauteilen zur Signalverarbeitung kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (application specific integrated circuit - ASIC) handeln, die auch als „Custom Chip“ bekannt ist. Eine derartige Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wird. Das Sensorelement und die integrierte Schaltung (ASIC) können sich auf zwei getrennten Chips oder auf einem gemeinsamen Chip befinden. Beispielsweise kann das Drucksensorelement zur Erfassung eines Drucks einen Glassockel sowie einen auf diesem angeordneten Siliziumchip als Sensorelement aufweisen, auf dessen Oberfläche beispielsweise eine Messbrücke vorgesehen ist, die beispielsweise in Form einer Wheatstone-Brücke aus piezoresistiven Widerstandselementen aufgebaut sein kann. Die für die Druckerfassung notwendige Membran kann durch Ätzen der Siliziumchiprückseite hergestellt sein. Das Sensorelement kann mit dem Glassockel verbunden sein und beinhaltet mindestens die Messbrücke.
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Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteschaltung ausgebildet, das Sensorsignal umso stärker zu verstärken desto kleiner das Schaltungssignal. Somit wird das Schaltungssignal umso mehr verstärkt desto kleiner der gemessene Druck ist.
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Bei einer Weiterbildung umfasst die Auswerteschaltung einen ersten Signalpfad mit einer ersten Vorverstärkung und einen zweiten Signalpfad mit einer zweiten Vorverstärkung, wobei die erste Vorverstärkung größer als die zweite Vorverstärkung ist. Entsprechend werden zwei Signalpfade vorgesehen, die das Schaltungssignal einmal mit hoher Vorverstärkung (wichtig für die Messung der kleinen Drücke) in einem Signalpfad und einmal mit niedriger Vorverstärkung (Messung der hohen Drücke) auf einem zweiten Signalpfad auswerten.
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Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteschaltung ausgebildet, auf den ersten Signalpfad zu schalten, falls das Schaltungssignal einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, und auf den zweiten Signalpfad zu schalten, falls das Schaltungssignal den vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Somit wird zwischen einem hohen Druckbereich und einem niedrigen Druckbereich für die Verstärkung des Schaltungssignals unterschieden.
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Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteschaltung ausgebildet, digital auf den ersten Signalpfad oder den zweiten Signalpfad zu schalten. Somit müssen keine analogen Elemente geschaltet werden, die ggf. längere Einschwingzeiten haben, bis wirklich der richtige Verstärkungsfaktor „anliegt“.
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Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteschaltung ausgebildet, gleichzeitig auf den ersten Signalpfad und den zweiten Signalpfad zu schalten, wobei die Auswerteschaltung weiterhin ausgebildet ist, das Signal im zweiten Signalpfad zur Plausibilisierung des Signals im ersten Signalpfad zu verwenden. Während der Phasen, in denen niedriger Druck gemessen wird, kann somit das Signal im Signalpfad für den hohen Druck zur Plausibilisierung verwendet werden.
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Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteschaltung ausgebildet, basierend auf dem Ausgangsignal des ersten Signalpfads ein erstes Sensorsignal auszugeben und basierend auf dem Ausgangssignal des zweiten Signalpfads ein zweites Sensorsignal auszugeben. Somit wird die gleichzeitige Auswertung desselben Brückensignals einmal mit hoher Vorverstärkung (wichtig für die Messung der kleinen Drücke) in einem Signalpfad und einmal mit niedriger Vorverstärkung (Messung der hohen Drücke) auf einem zweiten Signalpfad vorgesehen. Es können somit beide Signal der Signalpfade ausgegeben werden, wie beispielsweise digital z.B. über eine SENT-Schnittstelle oder aber auch analog, und im Steuergerät zur Plausibilisierung und/oder Korrektur von Fehlern genutzt werden.
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Bei einer Weiterbildung ist das Schaltungssignal proportional zum Druck des Mediums. Somit ist das Schaltungssignal umso größer desto höher der Druck ist.
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Bei einer Weiterbildung umfasst die Auswerteschaltung eine pegelabhängige Signalverstärkung des Schaltungssignals. Eine solche pegelabhängige Signalverstärkung kann genutzt werden, um den Dynamikbereich des Drucksensors in Richtung kleinerer Drücke zu erweitern. Dies kann z.B. in Form eines logarithmischen Verstärkers realisiert werden. Dadurch ergeben sich bestimmte Vorteile. Es liegen beispielsweise keine Kennliniensprünge aufgrund kontinuierlicher Anpassung der Verstärkung vor. Es ist nur ein Signalpfad sowohl bei der Vorverstärkung als auch beim Ausgangssignal notwendig. Es ist eine applikationsspezifische Anpassung der Signalbandbreite möglich.
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Bei einer Weiterbildung weist die Auswerteschaltung einen umschaltbaren Vorverstärker zum Verstärken des Schaltungssignals auf. Durch die Nutzung einer Auswerteschaltung mit umschaltbarem Vorverstärker (vor A/D-Wandler) werden die Nachteile eines großen A/D-Wandlers vermieden und gleichzeitig höhere Genauigkeiten bei niedrigen Drücken ermöglicht. Die Nutzung einer Auswerteschaltung mit integriertem umschaltbarem Vorverstärker, der bei niedrigen Drücken höher verstärkt und bei höheren Drücken niedrig verstärkt, erlaubt, dass der Eingangsbereich des A/D-Wandlers immer optimal ausgenutzt wird. Die Auswerteschaltung, die den Vorverstärker schaltet, berücksichtigt bei der Ausgabe des Drucksignals (digital oder analog) diese Vorverstärkung und gibt ein entsprechendes Drucksignal aus. Ggf. muss im Übergangsbereich eine „Umschalthysterese“ vorgesehen werden, damit die Auswerteschaltung nicht an der Grenze oszilliert im Vorverstärkungsfaktor. Falls die Auswerteschaltung nicht selbständig anhand vorgegebener Grenzen den Vorverstärkungsbereich wählt, könnte er alternativ auch durch ein Signal von außen, wie beispielsweise vom Steuergerät, angewiesen werden, in welchem Bereich er messen soll. Dies wäre insbesondere vorteilhaft, wenn der gleiche Sensor mit gleicher Typteilenummer zwei verschiedene Messaufgaben mit unterschiedlichen Maximaldrücken abdecken soll, d.h. wenn der gleiche Sensor an verschiedenen Stellen eingesetzt werden und über ein entsprechendes Signal konfiguriert werden soll.
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Unter einem inkompressiblen Fluid ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fluid zu verstehen, das die Eigenschaft hat, unter Druckeinwirkung bei konstanter Temperatur sein Volumen nicht zu ändern, sich also nicht komprimieren zu lassen. Dabei ist zu beachten, dass völlige Inkompressibilität in der Realität nicht vorkommt, so dass alle realen Materialien kompressibel sind, wenn auch zum Teil in nur sehr geringem Maße. Dazu wird meist für Fluide die isotherme Kompressibilität als Größe angegeben. Inkompressibilität steht also für die Näherung einer unendlich geringen Kompressibilität bzw. eines unendlich hohen Kompressionsmoduls.
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Bei einer Weiterbildung weist die Auswerteschaltung in einem Übergangsbereich des Schaltungssignals eine Umschalthysterese auf. Dadurch wird vermieden, dass der ASIC an der Grenze im Vorverstärkungsfaktor oszilliert.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung der Messschaltung des Drucksensorelements,
- 3 eine schematische Darstellung der Auswerteschaltung und
- 4 eine Modifikation der Verstärkung der Auswerteschaltung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Drucksensor 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf. Der Drucksensor 10 weist weiterhin einen Druckstutzen 14 auf. Der Druckstutzen 14 kann in eine Aufnahmebohrung gesteckt und mit einem Befestigungsflansch befestigt werden. Alternativ kann der Druckstutzen 14 ein Außen- oder Innengewinde zum Einschrauben in die Aufnahmebohrung aufweisen. Weiterhin weist der Druckstutzen eine nicht näher gezeigte Dichtung zum fluiddichten Abdichten gegen eine Dichtfläche der Aufnahmebohrung auf. Die Dichtung kann beispielsweise ein in einer Nut um den Druckstutzen 14 angeordneter O-Ring sein. In dem Druckstutzen 14 ist ein Druckkanal 16 ausgebildet. Der Druckkanal 16 führt durch den Druckstutzen 14 bis zu dem zu messenden Medium.
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Der Drucksensor 10 weist weiterhin ein Drucksensorelement 18 auf. Das Drucksensorelement 10 ist zumindest teilweise in dem Sensorgehäuse 12 angeordnet. Der Drucksensor 10 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weiterhin eine Fluidkammer 20 auf. Die Fluidkammer 20 ist mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt. Das inkompressible Fluid kann ein Öl wie beispielsweise ein synthetisches Öl sein. Es wird jedoch explizit betont, dass die Erfindung auch bei anderen arten von Drucksensoren anwendbar ist, die keine derartige Fluidkammer aufweisen. Der Drucksensor 10 weist weiterhin einen Rahmen 22 auf. Der Rahmen 22 ist im Wesentlichen zylindrisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Drucksensor 10 weist weiterhin einen Schaltungsträger 24 auf. Der Schaltungsträger 24 ist bevorzugt eine Leiterplatte, kann aber auch aus Premold oder Keramik sein. Der Schaltungsträger 24 kann elektrische Leiterbahnen zum elektrischen Kontaktieren des Drucksensorelements 12 aufweisen. Der Drucksensor 10 weist weiterhin eine Membran 26 auf. Die Membran 26 ist mit dem Rahmen 22 fluiddicht verbunden. Die Fluidkammer 20 ist durch eine Teilfläche des Schaltungsträgers 24, den Rahmen 22 und die Membran 26 ausgebildet. Die Membran 26 verschließt eine Öffnung für die Fluidkammer 20 im Rahmen 22 fluiddicht. Die Membran 26 ist im Wesentlichen parallel zu der Teilfläche des Schaltungsträgers 24 ausgerichtet. Ein zentraler Bereich der Membran 26 ist zum Übertragen des Drucks des zu messenden Mediums auf die Fluidvorlage der Fluidkammer 20 im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Membran 26 beweglich. Das Drucksensorelement 12 ist in der Fluidkammer 20 auf der Teilfläche des Schaltungsträgers 24 angeordnet. Die Membran 26 trennt die Fluidkammer 20 von dem Druckkanal 16 des Druckstutzens 14.
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Das Drucksensorelement 18 weist eine Messschaltung 28 auf. Die Messschaltung 28 ist zum Ausgeben eines Schaltungssignals in Abhängigkeit von dem Druck des Mediums ausgebildet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Messschaltung 28 des Drucksensorelements 18. Die Messschaltung 28 umfasst vier Widerstände 30, die zu einer Wheatstone'schen Brücke geschaltet sind. Das Schaltungssignal ist daher eine Brückenspannung UBr. Das Schaltungssignal ist entsprechend proportional zum Druck des Mediums.
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Wie in 1 weiter gezeigt ist, weist der Drucksensor 10 weiterhin eine Auswerteschaltung 32 auf. Die Auswerteschaltung ist beispielsweise ein ASIC. Die Auswerteschaltung ist auf dem Schaltungsträger 24 angeordnet und zum Auswerten von Signalen des Drucksensorelements 12 ausgebildet. Die Auswerteschaltung 32 ist zum Ausgeben eines den Druck des Mediums anzeigenden Sensorsignals ist ausgebildet. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, ist die Auswerteschaltung 32 zum Verstärken des Sensorsignals in Abhängigkeit von der Größe des Schaltungssignals ausgebildet. Insbesondere ist die Auswerteschaltung 32 ausgebildet, das Sensorsignal umso stärker zu verstärken desto kleiner das Schaltungssignal ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Auswerteschaltung 32. Am Eingang der Auswerteschaltung liegt das Schaltungssignal in Form der Brückenspannung UBr an. Die Auswerteschaltung 32 umfasst einen ersten Signalpfad 34 mit einer ersten Vorverstärkung und einen zweiten Signalpfad 36 mit einer zweiten Vorverstärkung. Die erste Vorverstärkung ist größer als die zweite Vorverstärkung. Am Ausgang 38 wird das Sensorsignal abgegriffen. Die Auswerteschaltung 32 ist ausgebildet, auf den ersten Signalpfad 34 zu schalten, falls das Schaltungssignal einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, und auf den zweiten Signalpfad 36 zu schalten, falls das Schaltungssignal den vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Insbesondere ist die Auswerteschaltung 32 ausgebildet, digital auf den ersten Signalpfad 34 oder den zweiten Signalpfad 36 zu schalten. Die Auswerteschaltung 32 kann ausgebildet sein, gleichzeitig auf den ersten Signalpfad 34 und den zweiten Signalpfad 36 zu schalten, wobei die Auswerteschaltung 32 weiterhin ausgebildet ist, das Signal im zweiten Signalpfad 36 zur Plausibilisierung des Signals im ersten Signalpfad 36 zu verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteschaltung 32 ausgebildet sein, basierend auf dem Ausgangsignal des ersten Signalpfads 34 ein erstes Sensorsignal auszugeben und basierend auf dem Ausgangssignal des zweiten Signalpfads 36 ein zweites Sensorsignal auszugeben. Somit erfolgt die Auswertung in de Auswerteschaltung nicht durch einen einzigen Signalpfad, sondern durch die gleichzeitige Auswertung desselben Brückensignals UBr einmal mit hoher Vorverstärkung, was wichtig für die Messung der niedrigen Drücke ist, in einem ersten Signalpfad und einmal mit niedriger Vorverstärkung für die Messung der hohen Drücke auf einem zweiten Signalpfad. Alternativ könnten auch zwei A/D-Wandler verbaut/vorgesehen sein, die auf die entsprechenden Hübe der Signale abgestimmt sind.
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4 zeigt eine Modifikation der Verstärkung der Auswerteschaltung 32. Die Auswerteschaltung 32 kann alternativ zu der zuvor beschriebenen Verstärkung eine pegelabhängige Signalverstärkung des Schaltungssignals umfassen. Auf der X-Achse ist die Verstärkung V aufgetragen. Auf der Y-Achse ist das Schaltungssignal in Form der Brückenspannung UBr aufgetragen. Die Kurve 40 stellt den Zusammenhang zwischen Verstärkung V und Brückenspannung UBr an. Anhand der Kurve 40 ist zu erkennen, dass die Verstärkung V umso kleiner ist desto größer die Brückenspannung UBr ist. Dabei ist der Zusammenhang zwischen diesen Größen nicht linear, sondern z.B. exponentiell.
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Weiter alternativ zu den zuvor beschrieben Arten der Verstärkung kann die Auswerteschaltung einen umschaltbaren Vorverstärker zum Verstärken des Schaltungssignals aufweisen. Die Auswerteschaltung 32, die den Vorverstärker schaltet, berücksichtigt bei der Ausgabe des Drucksignals (digital oder analog) diese Vorverstärkung und gibt ein entsprechendes Drucksignal aus.
