DE19960301C2 - Störgrößenkompensierende Schaltungsanordnung für einen Meßaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine störgrößenkompensierende Schal­ tungsanordnung für einen Meßaufnehmer, der einen meßgrößenab­ hängigen Widerstand hat, welcher sich additiv aus einem meß­ größenunabhängigen Grundwiderstand und einem meßgrößenabhän­ gigen Meßwiderstand zusammensetzt, wobei Grundwiderstand und Meßwiderstand gegenläufig störgrößenabhängig sind.

Ein Beispiel für einen solchen Meßaufnehmer ist ein GMR- Sensor, der wie viele Sensoren eine Temperaturabhängigkeit zeigt. Ein solcher GMR-Sensor ist beispielsweise in der WO 94/17426 A1 der Anmelderin beschrieben. Er ändert abhängig von einem externen Magnetfeld seinen Widerstand.

Bei solchen Meßaufnehmern mit meßgrößenabhängigem Widerstand wird üblicherweise die Widerstandsänderung in einen Span­ nungshub bzw. eine Stromänderung gewandelt.

Bei den hier in Betracht kommenden Meßaufnehmern setzt sich der meßgrößenabhängige Widerstand aus zwei Teilen zusammen: einem Grundwert, der meßgrößenunabhängig ist, und dem verän­ derlichen Meßwiderstand, der die Antwort des Meßaufnehmers auf die Meßgröße darstellt. Beim erwähnten GMR-Sensor ist der Grundwert magnetfeldunabhängig und der Meßwiderstand inner­ halb gewisser Grenzen nur von der Richtung des magnetischen Feldes abhängig.

Nun sind jedoch weitgehend alle Meßaufnehmer abhängig von ge­ wissen Störgrößen. Ein prominentes Beispiel ist, wie erwähnt, die Temperatur. Bei den betrachteten Meßaufnehmern sind so­ wohl der Grundwiderstand und als auch der Meßwiderstand stör­ größenabhängig, wobei die Störgrößenabhängigkeit gegenläufig verläuft. Beim erwähnten GMR-Sensor erhöht sich der Grundwiderstand mit steigender Temperatur und gleichzeitig wird die magnetfeldbedingte Änderung des Meßwiderstandes schwächer.

Eine im Stand der Technik bekannte Möglichkeit zum Ausgleich der Störgrößenabhängigkeit ist es, die Störgröße zu messen und das Meßsignal entsprechend zu korrigieren. Bei einer Tem­ peraturabhängigkeit ist dafür üblicherweise ein Temperatur­ fühler nötig. Darüber hinaus muß die Störgrößenabhängigkeit, beispielsweise die Temperaturabhängigkeit, des Meßaufnehmers einmal vermessen und in einer entsprechenden Korrekturkennli­ nie hinterlegt werden. Dies bedeutet beträchtlichen Aufwand.

Aus den japanischen Patent Abstracts zu JP 1-21317(A) und JP 11118516 A ist es bekannt, vier magnetorestriktive Elemente in einer Brückenschaltung durch eine Konstantstromquelle mit einem Strom zu beaufschlagen und als Meßsignal die Brücken­ spannung abzugreifen. In der Konstantstromquelle wird ein Temperaturwiderstand verwendet, der dafür sorgt, daß eine temperaturabhängige Empfindlichkeit der in der Brückenschal­ tung liegenden Sensorelemente durch einen temperaturabhängi­ gen Pegel des Konstantstromes kompensiert ist.

Aus der DE 30 07 747 ist eine Schaltungsanordnung für einen Sensor bekannt, bei der zusätzlich zum Sensorsignal ein wei­ teres, die Temperatur des Sensors anzeigendes Signal heraus­ geführt und zur Temperaturkompensation des Sensors verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung anzugeben, die bei einem Meßaufnehmer der erwähnten Art eine Störgrößenkompensation durchführt, ohne daß eine Messung der Störgröße erforderlich ist.

Diese Aufgabe ist durch die in Anspruch 1 definierte Schal­ tungsanordnung gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Meßsignaländerung, die durch eine störgrößenbewirkte Widerstandsänderung des Grundwiderstandes verursacht ist, durch eine Brückenverschaltung und Differenz­ auswertung zweier Meßaufnehmer mit identischer Störgrößenab­ hängigkeit eliminiert.

Weiter wird die störgrößenbeeinflußte Abhängigkeit des Meßwi­ derstandes korrigiert, indem die störgrößenabhängige Änderung des Grundwiderstandes zur Kompensation ausgenutzt wird.

Dieses erfindungsgemäße Konzept hat den Vorteil, daß die beim Stand der Technik erforderlichen zusätzlichen Bauteile, wie Temperaturfühler o. ä., entfallen können. Die Schaltungsanord­ nung regelt stattdessen nach dem realen, den Meßaufnehmern eigenen Störgrößen- bzw. Temperaturverhalten.

Die Erfindung zieht somit aus einer an sich bekannten Brüc­ kenverschaltung der Meßaufnehmer dadurch unerwarteten Vor­ teil, daß nicht nur eine störgrößenabhängige Änderung des Grundwiderstandes eliminiert wird, sondern diese Eliminierung auch dazu genutzt wird, die störgrößenabhängige Änderung des Meßwiderstandes zu kompensieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen vereinfachten Schalt­ plan einer störgrößenkompensierenden Schaltungsanordnung.

Diese Schaltungsanordnung verwendet zwei störgrößenabhängige Meßaufnehmer. Hierbei handelt es sich um zwei GMR-Sensoren S1, S2, die einen temperaturabhängigen Widerstand haben. Die­ ser Widerstand setzt sich aus einem magnetfeldunabhängigen Grundwiderstand und einem magnetfeldabhängigen Meßwiderstand­ additiv zusammen.

Die Sensoren S1 und S2 sind jeweils mit Widerständen R3, R4 parallel geschaltet und zu einer Brückenschaltung zusammenge­ faßt. Zwischen dem Sensor S1 und Widerstand R3 sowie zwischen dem Sensor S2 und dem Widerstand R4 wird das Potential abge­ griffen und über einen Widerstand R9 bzw. R10 einem Operati­ onsverstärker OP2 zugeführt, der als Differenzverstärker be­ schaltet ist. Im invertierenden Rückkopplungszweig des Opera­ tionsverstärkers OP2 befindet sich ein Widerstand R7. Vom nichtinvertierenden Eingang führt ein Widerstand R11 auf eine Bezugsspannung Vref2. Die Widerstände R9 und R10, R7 und R11 sind jeweils paarweise gleich; das Verhältnis aus R9 zu R7 legt das Verstärkungsverhältnis fest. Am Ausgang des Operati­ onsverstärkers OP2 befindet sich der Signalausgang OUT, an dem das Spannungssignal abgegriffen werden kann.

Da beide Sensoren S1, S2 das gleiche Temperaturverhalten zei­ gen und mittels des als Differenzverstärker beschalteten Ope­ rationsverstärkers OP2 eine Differenzauswertung erfolgt, hebt sich die temperaturbedingte Änderung des Grundwiderstandes der Sensoren S1, S2 gegeneinander auf. Damit sind der Grund­ widerstand und sein Temperatureinfluß eliminiert.

Die Brückenschaltung aus den Sensoren S1, S2 und den Wider­ ständen R3, R4 ist weiter in den negativen Rückkopplungszweig eines als Brückenspannungsregler fungierenden Operationsver­ stärkers OP1 eingebunden. Dabei ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 an die Verbindung zwischen den Widerständen R3 und R4 angeschlossen, der Ausgang des Opera­ tionsverstärkers OP1 an die Verbindung zwischen den Sensoren S1, S2, wobei noch ein Widerstand R2 zwischengeschaltet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist weiter über einen Widerstand R5 auf das Bezugspotential GND gelegt.

Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R6 zum Ausgang des Operationsver­ stärkers OP1 rückgekoppelt und zugleich über einen Widerstand R8 auf eine Referenzspannung gelegt.

Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende: Verändert sich der Grundwiderstand der Sensoren S1, S2 temperaturabhängig, verursacht der in die Brückenschaltung einfließende Strom ei­ nen veränderten Spannungsabfall an der Widerstandsbrücke. Dieser wird auf den positiven Eingang des als Brückenspan­ nungsregler fungierenden Operationsverstärkers OP1 so zurück­ gekoppelt, daß sich im eingeschwungenen Zustand des Operati­ onsverstärkers OP1 eine Erhöhung der Brückenspannung ein­ stellt. Die damit verbundene Erhöhung der Brückendiagonal­ spannung bewirkt eine Übersteuerung, die die temperaturbe­ dingte Abnahme des Meßwiderstandes der Sensoren S1, S2 aus­ gleicht.

Somit regelt der Brückenspannungsregler OP1 in der beschrie­ benen Beschaltung die Sensoren S1, S2 nach deren eigenem Tem­ peraturverhalten und gleicht temperaturbedingte Änderungen des Meßwiderstandes aus.

Die Spannung am Ausgang OUT ist auf die Referenzspannung Vref2 bezogen. Vref2 kann das Bezugspotential GND sein.

Bei unipolar versorgten Bauteilen ist es allerdings vorteil­ haft Vref2 erhöht zu legen.

Wird die in Fig. 1 dargestellte Schaltung nicht mit einem Spannungssignalausgang OUT versehen, sondern durch Einschal­ ten eines Widerstandes mit einem Stromausgang, kann man die zum Ausgleich einer Temperaturänderung erhöhte Brückenspan­ nung dazu nutzen Vref2 anzuheben, um den unterschiedlichen Strombedarf der Schaltung, der durch die veränderte Brücken­ spannung und veränderte Widerstände der Sensoren S1, S2 be­ wirkt ist, bei den verschiedenen Temperaturen kompensieren. Somit erübrigt sich dann ein separater Stromregler, der Tem­ peraturänderungen bei der Versorgung der Schaltung berück­ sichtigt.

Claims (6)

1. Störgrößenkompensierende Schaltungsanordnung für einen Meßaufnehmer, der einen meßgrößenabhängigen Widerstand hat, welcher sich additiv aus einem meßgrößenunabhängigen Grundwi­ derstand und einem meßgrößenabhängigen Meßwiderstand zusam­ mensetzt, wobei Grundwiderstand und Meßwiderstand gegenläufig störgrößenabhängig sind, wobei die Schaltungsanordnung
zwei Meßaufnehmer (S1, S2) mit identischer Stör­ größenabhängigkeit in einer Brückenschaltung (S1, S1, R3, R4) mit Differenzauswertung (OP2) zur Elimination der Störgrößen­ abhängigkeit des Grundwiderstandes aufweist und
einen Brückenspannungsregler (OP1, R5, R6, R2, R8), der die Brückendiagonalspannung gegenläufig zur Störgrößenabhän­ gigkeit des Meßwiderstandes einstellt und damit die Störgrö­ ßenabhängigkeit des Meßwiderstandes eliminiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung eine Parallelschaltung aus je einem Meßaufnehmer (S1, S2) in Reihe mit einem Widerstand (R3, R4) aufweist, wobei ein Differenzverstärker (OP2) jeweils zwi­ schen dem Meßaufnehmer (S1, S2) und dem jeweiligen Widerstand (R3, R4) das Potential abgreift.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung eine Parallelschaltung aus je einem Meßaufnehmer (S1, S2) in Reihe mit einem Widerstand (R3, R4) aufweist, wobei ein Differenzverstärker (OP2) jeweils zwi­ schen den Meßaufnehmern (S1, S2) und den jeweiligen Wider­ ständen (R3, R4) das Potential abgreift.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenspannungsregler einen rückgekoppelten Operati­ onsverstärker (OP1) aufweist, in dessen negativen Rückkopplungszweig die Brückenschaltung (S1, S2, R3, R4) so geschal­ tet ist, daß die Meßaufnehmer (S1, S2) im Rückkopplungszweig parallel liegen, wobei der invertierende Eingang des Operati­ onsverstärkers (OP1) über einen Widerstand (R5) auf Erde ge­ legt ist und der nichtinvertierende Eingang des Operations­ verstärkers (OP1) über einen Widerstand (R6) zum Ausgang des Operationsverstärkers (OP1) rückgekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R2) im negativen Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers (OP1) in Reihe mit der Brückenschaltung (S1, S2, R3, R4) liegt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vom nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers ein Widerstand (R11) auf eine Referenzspannung (Vref2) gelegt ist.