DE2334788A1

DE2334788A1 - Piezomesswandler-verstaerkeranordnung mit nullungseinrichtung

Info

Publication number: DE2334788A1
Application number: DE19732334788
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Dr Sc Baumgartner; Franz Meier; Hans-Joachim Wolf
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1972-07-28
Filing date: 1973-07-09
Publication date: 1974-02-07
Also published as: FR2195116B1; ATA586673A; US4009447A; AT351301B; DE2334788B2; USB381006I5; JPS4946775A; FR2195116A1; GB1384856A; CH542434A

Description

KISTLER INSTRUMENTE AG WINTERTHUR

Piezomesswandler-Verstärkeranordnung mit Nullungseinrichtung

In der Mess- und Regeltechnik ergibt sich die grundlegende Aufgabe der Verstärkung einer sehr kleinen elektrischen Grosse in eine solche die zu Mess-, Registrier-.und Regelzwecken weiter verwendet werden kann. Dazu ' werden verschiedene Bauarten von Messverstärkern verwendet. Als wichtige Unteraufgabe bei solchen Vorgängen muss jeder Messverstärker vor Beginn eines Messvorganges auf einen bestimmten Ausgangswert, meistens auf Wert = 0 Ausgangsgrösse, gebracht werden, wenn der Messwert am Messwertaufnehmer = 0 ist.

309886/1077

Erst dann beginnt der zu messende Vorgang. Nach Abschluss dieses Vorganges, wenn der Messwert ζ. B. wieder Null ist, wird der Messverstärker wieder auf den Wert = 0 Ausgangsgrösse gebracht und dort gehalten bis ein neuer Messvorgang eingeleitet wird. In den meisten Fällen handelt es sich um Messverstärker die eine Spannung als Ausgangssignal abgeben, üblicherweise in der Grösse 0 bis "t 10 V.

Bei solchen Messverstärkern handelt es sich also darum, vor Beginn einer Messung durch einen Schaltvorgang den Ausgangswert des Verstärkers auf Null Volt zu setzen, was als Nullungs- oder Resetvorgang bezeichnet wird.

Die weitere Betrachtung bezieht sich nun hauptsächlich auf Elektrometer- und Ladungsverstärker wie sie z.B. in der piezoelektrischen Messtechnik gebraucht werden, um die relativ schwachen Signale von piezoelektrischen Messwandlern in proportionale Mess- und Regelspannungen umzuwandeln. Für die Einschaltung der Nullungsvorgänge werden in solchen Messverstärkern mechanische Relais verwendet. Wegen der Betriebssicherheit und der kleinen Baugrösse haben sich dazu die sogenannten "Reed Relais" eingeführt wie dies in der Patentschrift CH 502 690 beschrieben ist. An allen solchen Relais werden die Umschaltvorgänge mittels mechanisch bewegten Leitern durchgeführt. Zu deren Bewegung werden magnetische und elektrische Felder auf- und abgebaut, wodurch Nachteile und unerwünschte Nachwirkungen entstehen.

309888/1077

Erstens erfordern solche Nullungsvorgänge relativ viel Zeit und zweitens befinden sich immer in der Umgebung dieser Relais Störladungen, die auf den Glasoberflächen in Nähe der eingeschmolzenen Kontaktlamellen sitzen und nicht mehr abgeleitet werden können. Das Resultat nach einem solchen "Nullungsvorgang" ist eine durch Influenz erzeugte Restspannung, die auch nach wiederholten Nullungsvorgängen nicht mehr abzubauen ist.

Die verschiedensten Vorschläge sind gemacht worden, um diese Schwierigkeiten zu beheben, ohne jedoch befriedigende Lösungen zu bringen.

Bedingt durch die mechanische Grosse und die Notwendigkeit der magnetischen Betätigung der Relais ergeben sich beim Bau von Miniaturverstärkern erhebliche Schwierigkeiten. Fast unlösbar werden diese Probleme jedoch wenn es gilt solche Miniaturverstärker mit den Piezomesswandlern zu einer Einheit zu verbinden. Besonders für industrielle Anwendung von Piezomesswandlern ergibt sich die Notwendigkeit Miniaturverstärker in unmittelbarer Nähe der Piezowandler anzuordnen, damit die Signalleitungen zu den Auswertegeräten aus einfachen unkritischen Kabelverbindungen bestehen können, die keinen besonders hohen Anforderungen betreff Isolation entsprechen müssen.

In Erkenntnis dieser Probleme geht die Erfindung neue Wege, indem sie zuerst die Anwendung von mechanisch betätigten Relais oder

309886/1077

Schaltern für solche Nullungs-Schaltungen von Miniaturverstärkern grundsätzlich vermeidet. An deren Stelle wendet sie steuerbare Halbleiterelemente an, die nicht durch die magnetische Wirkung eines Stromes, sondern beispielsweise durch eine elektrische Spannung gesteuert sind. Durch den Wegfall von jedem mechanisch bewegten Element fällt jede Influenz weg und der Energieaufwand ist für den Nullungsvorgang unverhältnismässig kleiner; ganz besonders aber wird der Zeitaufwand dazu um Grössenordnungen kleiner. Dadurch eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, insbesondere wenn die Schaltanordnung in einem Miniaturverstärker untergebracht werden soll, der in unmittelbarer Nähe oder direkt im Piezoniesswandler eingebaut werden soll. Bei einer bedeutenden Ausführungsform der Erfindung kann die Stromversorgung, Signalübertragung und die Auslösung einer Nullung über eine Leitung des Kabels übermittelt werden, womit einfache Steck- und Kabelverbindungen ermöglicht werden.

Ein wichtiger Vorteil der Nullungseinrichtung mit einem Halbleiter besteht darin, dass der Halbleiter den Eingangstransistor, der meistens ein Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode ist, vor Ueberspannungen schützt. Da die Eingänge von Elektrometer - und Ladungsverstärkern Eingangswiderstände in der Grössenordnung 10 ^Q aufweisen, genügen elektrostatische Ladungen, die oft durcJi Reibung entstehen, um am Eingang solcher Verstärker elektrische Spannungen von mehreren hundert Volt zu erzeugen, was zu einem elektrischen Durchbruch der Isolation im Eingangstransistor und zur Zerstörung dos Jetzleruii füliri. 309886/1077

Der Halbleiter im Nullungskreis ist dieser statischen Ladung auch ausgesetzt, und wenn die Spannung an diesem Element eine gewisse Grenzspannung^ die Durchbruchspannung,überschreitet, wird dieses Element leitend und führt die statische Ladung ab, ohne dadurch zerstört zu werden, wenn ein passender Strombegrenzungswiderstand eingeschaltet ist. Es ist möglichjHalbleiterelemente für die Nullungseinrichtung zu finden, deren Durchbruchspannung unter der Zerstörungsspannung des Eingangstransistor liegt, wodurch letzterer geschützt wird, s. Fig. 9.

Die Gedanken der Erfindung sind anhand von 12 Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine handelsübliche Messverstärkeranordnung nach dem Ladungsverstärkerprinzip.

Fig. 2 zeigt eine handelsübliche Messverstärkeranordnung nach dem Elektrometer verstärker prinzip.

309886/1077

ZJJ^/öö

-G-

Fig. 3 zeigt das Spannungs-Zeitdiagramm eines Nullungsvorganges mit handelsüblichen Anordnungen.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärker · anordnung mit Halbleiter Nullungsvorrichtung für Ein- Ausschaltung.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärkeranordnung mit Halbleiter Nullungsvorrichtung für stufenlose Wirkung.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärker anordnung mit Halbleiter Nullungsvorrichtung mit einer optoelektrischen Einrichtung.

Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärker anordnung unter Verwendung eines Elektrometerverstärkers mit Halbleiterelementen.

Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärkeranordnung mit Elektrometerverstärker und Lichtübertragung auf gegengeschaltete Dioden.

Fig. 9 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärker anordnung mit Anwendung der Ladungsverstärkungsschaltung.

309886/1077

Fig. 10 zeigt eine erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärker anordnung mit Koaxial-Uebertragung zum Signalaufbef eitungs gerät.

Fig. 11 zeigt eine Variante von Fig. 10 mit Lichtübertragung zur Oeffmmg des Gegenkopplungskreises.

Fig. 12 zeigt Einbaubeispiel eines piezoelektrischen Druckaufnehmers mit einem Verstärker- und einem Nullungseinrichtung als Dickfilm oder Hybridschaltung ausgeführt.

In Fig. 1 ist eine handdsübliche Messverstärkeranordnung gezeigt, die aus dein Piezokristall 1 besteht, auf den die Kräfte P wirken, mit den Abnahmeelektroden2 itri 3, die einerseits an die Masse 10, andererseits an den Gleichspannungsverstärker 4 angeschlossen sind. Dieser Verstärker ist als Ladungsverstärker mit Gegenkopplungskapazität 5 ausgebildet und hat eine Eingangsimpedanz von 10¹^ Q. Ueblicherweise ist er mittels Messleitung 12 mit dem Piezomesswandler, der aus Kristall 1 und Elektroden 2 und 3 besteht, verbunden. Dem Ladungsverstärker 4 liegt das Prinzip des Integrierverstärkers (siehe F. Kohlrausch: "Praktische Physik',¹ 1968, Bd. 2, S. 56) zugrunde, der auch als "Miller Integrator" bekannt ist. Er zeichnet sich jedoch gegenüber üblichen "Miller Integratoren" durch hohen EJngamisv.'iderstand und grosse Verstärkung aus.

309886/1077

Ladungsverstärker in Verbindung mit piezoelektrischen Aufnehmern zur Messung mechanischer Grossen benutzt, Bind u. a. auch in der Elektrorevue Nr. 48, November 1967, S. 2222, beschrieben.

Uebliche Kapazitätswerte des Gegenkopplungskondensators 5 liegen zwischen 10 pF und 0, 1 uF. Um bei nahezu statischen Messungen eine grosse Zeitkonstante RxC von z. B. 1000 Sek. zu erreichen, muss im Falle des 10 pF Kondensators der gesamte wirksame Iso-. lationswiderstand im Eingangskreis, dargestellt durch Widerstand 6, einen Wert von min. 10*'* Ω besitzen.

Vor Beginn einer Messung wird der Gegenkopplungskondensator durch Schliessen eines parallel liegenden Schalters 7 entladen, wobei der Schalter kurzzeitig auf Position Re (Reset) gesetzt wird. Für die folgende Messung ist dieser Schalter 7 wieder offen, also auf Op (Operation). Aus der Funktion ist ersichtlich, dass an Schalter 7 sehr hohe Isolationsanforderungen gestellt werden.

In Fig. 2 ist eine Variante einer piezoelektrischen Messanordnung gezeigt, welche nach dem Spannungsverstärkerprinzip bzw. Elektrometerprinzip arbeitet. Durch die zum Piezowandler 21 parallel geschaltete Kapazität 22 wird die Empfindlichkeit des als Impedanzwandler geschalteten Verstärkers 25 festgelegt.
Auch in diesem Fall wird vor Beginn einer Messung die Kapazität 22

309886/1077

mittels Relais 24 kurzgeschlossen. Auch hier gilt die Forderung, dass Relaiskontakt 24 in geöffnetem Zustand sehr hohe Isolationswerte aufweisen muss. Der Gleichspannungsverstärker 25 ist mit Differenzeingang versehen, er folgt den Spannungsänderungen, die am Eingang 26 vom Piezosystem her eingeleitet werden.

Bei den für den genannten Zweck üblicherweise verwendeten mechanischen Schaltern oder Relais sind wegen den geforderten hohen Isolations widerständen meist solche des Typs Zungen- oder "Reed Relais" bevorzugt. Diese "Reed Relais" enthalten in Glas eingeschmolzene Zungen, die von einem aussen aufzubringenden Magnetfeld betätigt werden.

Trotzdem diese zum neuesten Stand der Technik gehörenden "Reed Relais" hohe Isolationswerte und relativ kurze Schaltzeiten ergeben, haben sie für diese Anwendung eine Reihe schwerer Nachteile. So benötigt z. B. das Magnetfeld, das zur Betätigung erforderlich ist, relativ grosse Energie, bewirkt aber andererseits unerwünschte Induktionswirkungen und Störladungen. Diese Störungen bewirken nach Rückschaltung des Relais 7 und 24 auf Stellung Op den gefürchteten Nullsprung, der unregelmässig ist und positive oder negative Spannungswerte erreichen kann. Hauptursache dieser Störungen sind Ladungen auf der Innenwand der Glasrohr chen von handelsüblichen "Reed Relais". Durch diese Störladungen wird die gewünschte Ausgangslage vor Messungsbeginn, nämlich Spannung am Gegenkopplungskondensator 5 und 22= O und somit im Falle eines idealen Verstärkers, Aus -

309886/1077

gangsspannung des Verstärkers = 0, um einen Betrag, welcher der Grössenordnung einiger Zehntel pC am Eingang entspricht, verfälscht. Da die Ladungen an der Glasinnenwand der "Reed Relais",welche wie dargestellt in erster Linie den Nullsprung verursachen, sich verändern, kommt eine Kompensation, z. B. durch entsprechende

Nullpunktverschiebung im Verstärker, praktisch nicht in Frage.

Auf Pig. 3 ist der zeitliche Ablauf eines NullungsVorganges dargestellt wie er mit einem Oszillographen aufgenommen werden kann. Das Ausgangssignal Ua, gezeichnet durch Linie 34, fällt während der Nullungsphase 32, wenn der Relaiskontakt 7 bzw. 24 kurzgeschlossen, also auf Re geschaltet wird, auf den Wert = 0. Nach Rückschalten, d. h.

Oeffnen auf Stellung Op tritt der Nullsprung auf einen teilweise unregelnaässig und teilweise reproduzierbaren Wert 35 an, der positiv oder negativ sein kann. Die nun einsetzende Messung ist deshalb mit diesem Anfangs fehler behaftet, was im Falle von kleinen Messgrössen oft zu unbefriedigenden Messresultaten führte.

Die Erfindung behebt den Grund dieser Schwierigkeiten, indem die mechanischen Relais 7 bzw. 24 durch steuerbare Halbleiterelemente ersetzt werden, die ohne magnetische Felder beeinflussbar sind und infolge Wegfall jeder mechanischen Kontaktbewegung viel schneller und mit wesentlich geringerem Energieaufwand betätigt werden können. Die Unterbrechung ist weniger abrupt, dadurch wird der durch Rauschen verursachte Fehler vermindert. Ebenfalls fallen Fehler, bedingt durch Reibungselektrizität und Thermospannungen weg.

3Q9886/1077

Durch die wesentlich kleineren Dimensionen des Halbleiter elemente s in den erfindungsgemässen Piezomesswandler-Verstärkeranordnung ist ferner die Möglichkeit geboten, miniaturisierte Verstärker sowohl nach dem Ladungsverstärker wie auch nach dem Elektrometerverstärkerprinzip zu bauen. Die Piezomesswandler-Verstärker anordnung kann in ein Gehäuse eingebaut werden, oder in zwei Gehäuse eingebaut und mit einem Kabel verbunden werden, wobei das Kabel den schwierigen Bedingungen in Bezug auf Temperatur und Vibrationen, bei denen der Piezomesswandler funktionieren muss, angepasst ist.

Auf Fig. 4 ist der Gedanke des steuerbaren Halbleiterelementes zur Nullung des Ladungsverstärkers dargestellt. Dabei stellt 41 wiederum den Piezomesswandler dar, der über Leitung 50 mit dem Ladungsverstärker 44 verbunden ist. Letzterer ist wiederum mit Gegenkopplungskapazität 45 ausgerüstet, welche mit dem steuerbaren Halbleiterelement 47 kurzgeschlossen oder in offener Verbindung steht. D.er Steuerimpuls für Oeffnen (Op) oder Schliessen (Re) wird über Leitung 48 in das Halbleiterelement eingegeben. Wie im Falle des "Reed Relais" muss auch vom Halbleiterelement 47 sehr hohe Isolation in der Grössenordnung von min. 10 13 Q gefordert werden, was technisch mit FET Bauweise möglich ist.

Λ^?οη überragender Bedeutung ist aber, dass die Nullsprünge beim Halbleiterelement völlig reproduzierbar und damit kompensierbar sind. Dazu kann am Punkt 4G ein entsprechendes Kompensationssignal über Leitung 49 eingegeben werden.

309886/1077

In Fig. 5 ist nochmals eine erfindungsgemässe Piezomesswandler Ver stärker anordnung mit Piezokristall 51 und Ladungsv- erstärker 54 gezeigt. -Anstelle eines als Schalter betriebenen Halbleiterelementes wird ein solches verwendet, das sich zwischen Kurzschluss und höchstem Widerstand auf beliebige Zwischenstufen, also Werte von z.V. ΙΟ⁸, ΙΟ⁹, 10¹⁰, 10¹¹MsIO¹³Q einstellen lässt. Die Grosse des wirksamen Widerstandes kann durch das Steuersignal 58 reguliert werden. Diese Möglichkeit wird bei dynamischen Messungen zur Bestimmung der unteren Grenzfrequenz angewendet.

In Fig. 6 ist eine weitere Variante einer Piezomesswandler-Verstärkeranordnung mit Piezomesswandler 61 und Ladungsverstärker 64 gezeigt. Anstelle eines steuerbaren Halbleiterelementes wird ein optoelektronisches Schaltelement 67 zur vollständigen oder teilweisen Kurzschliessung des Gegenkopplungskondensators 65 angewendet. Dieses Schaltelement 67 besteht aus zwei gegeneinander geschalteten Photodioden 69, welche durch ein oder zwei lichtemittierende Dioden 68, über Steuerleitung 66, beleuchtbar sind.

Es sind aber auch andere Halbleiterelemente denkbar, die sich zur Nullung in die erfindungsgemässe Piezomesswandler-Verstärkeranordnung einsetzen lassen, wobei deren Widerstandswerte durch FeIdeffekte, Lichteffekte oder magnetische Effekte beeinflussbar sind.

ORIGINAL INSPECTED 30988 6/1077

Zunächst ist, ausser dem Bipolar-Transistor, dem Thyristor und dem MOS-Feldeffekt Transistor, der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor besonders gut geeignet, da sich mit ihm im Sperrzustand besonders hohe Widerstandswerte erreichen lassen. Eine Schaltung mit einem der vorgenannten Transistortypen als Nullungs-Einrichtung lässt sich erfindungsgemäss auch so variieren, dass nach Abschalten der Betriebsspannung des Verstärkers die Nullungs-Einrichtung niederohmig wird und dadurch den Gegenkopplungskondensator automatisch kurzschliesst. Bei entsprechender Schaltungsauslegung kann dann mit nur zweipoliger Verbindung zwischen Vorverstärker und Signalaufbereitungsteil, sowohl die Speisung als auch Signal und Reset-Befehl übertragen werden. Diese Möglichkeiten sollen an den weiteren Figuren näher erläutert werden.

Die bis anhin gezeigten erfindungsgemässen Piezomesswandler Verstärkeranordnungen können ohne weiteres auf bestehende Ladungs- oder Elektrometerverstärker für Piezomesswandler angewendet werden, bei denen der Piezomesswandler und der Verstärker getrennte Einheiten bilden, die durch hochisolierende Stecker und Leitungen miteinander verbunden sind. Für industrielle Anwendungen sind jedoch hochisolierende Verbindungsmittel infolge der erhöhten Störanfälligkeit unerwünscht.

309886/1077

Für solche Anwendungen ist es deshalb vorteilhaft, wenn Miniaturverstärker gebaut werden können, die unmittelbar im oder am Piezomesswandler angeordnet sind. Dabei soll sowohl das Ladungs- wie auch das Elektrometerverstärkerprinzip anwendbar und, wenn immer möglich, sollen koaxiale Fernleitungen zu den Auswertgeräten möglich sein. Wie ersichtlich ist, lässt sich ein solcher Miniatur verstärker nur verwirklichen, wenn die Grosse und Funktionsweise der Nullungseinrichtung dies ermöglichen, es sei denn, man verzichte auf quasistatische Messungen.

In Fig. 7 ist eine Elektrometerverstärkerschaltung gezeigt, welche sich eignet in Miniaturausführung mit dem Piezomesswandler vereinigt zu werden, dies würde alle Teile innerhalb Rechteck 77 betreffen. Die Anpasselektronik mit Stromversorgung und Signalauswertungsausgang Ua ist in Rechteck 79 dargestellt und 78 stellt die koaxiale Uebertragungsleitung dar. Mit 71 ist wiederum der Piezomesswandler gezeigt, dem eine Kapazität 72 parallel geschaltet ist. In gewissen Fällen besteht diese allein aus Eigenkapazität des Messwandlers und Teilen desselben.

Der MOS FET 75 dient hier als Impedanzwandler und der P-Channel FET dient hier zum Kurzschliessen der Kapazität 72 oder direkt des Piezoelementes 71. Die Steuerung des FET 74 erfolgt durch

Ein- oder Ausschalten der Speisespannung über die Leitung 78 von der Anpass

309886/1077

■und Stromversorgungeinheit 79 her. Der FET 74 ist damit so geschaltet, dass im ausgeschalteten Zustand der Einheit 79 allfällige Ladungen, die durch'Krafteinwirkungen auf dem Piezomesswandler 71 entstehen können, dauernd kurzgeschlossen werden. P3rst bei Einschaltung wird durch die Spannung der FET 74 gesperrt, wobei dieser Oeffnungsvorgang . wenn nötig durch Kapazität 73 verzögert werden kann bis MOSFET 75 voll in Aktion ist. Zu Beginn der Messung ist damit gewährleistet, dass keine Restladungen von früheren Messungen in die neue Messung eingehen. Sollten sich durch andere Einflüsse, z.B. grössere Temperaturänderungen, Nullpunktsverschiebungen bemerkbar machen, so können diese leicht ausgeschaltet werden, indem die Messung durch Ausschaltung der Speisespannung kurzzeitig unterbrochen wird.

Anstelle des geschalteten FET 74 kann ein solcher mit anpassbarer Zwischenstellung, ähnlich Fig. 5, verwendet werden, welcher im gesperrten Zustand z. B. einen Widerstand von 10^ Ω ergibt. Für gewisse Anwendungen lassen sich damit, insbesondere bei dynamischen Messungen, Störungen durch Temperaturveränderungen automatisch korrigieren.

In Fig. 8 ist eine Variante von Fig. 7 gezeigt, mit dem Unterschied, dass an der Stelle des steuerbaren Ilalbleiterelementes 74 eine Anordnung aus zwei gegeneinandergeschalteten Dioden 86, die von di:r Lichtquelle 85 gesteuert werden, vorgesehen ist.

309886/1077

In Fig. 9 ist eine Anordnung gezeigt, die nach

dem Ladungsverstärkerprinzip arbeitet, ähnlich Fig. 4 und 5. Der Operationsverstärker 92 ist an den Piezomesswandler angeschlossen und wird durch die Leitungen 96 und 97 gespeist. Zur Kurzschliessung des Gegenkopplungskondensators 93 wird der N-Kanal FET 94 verwendet, der bei Einschaltung der Speisespannung sperrt und damit den Op Amp 92 in Funktion bringt. Widerstand 95 dient zum Schutz von FET 74. Das Messsignal wird über Leiter 98 und 99 abgenommen. Die Anordnung verlangt deshalb eine vieradrige Verbindung zwischen der Kombination 100 und der nicht gezeigten Anpasselektronik. In vielen Fällen, insbesondere für industrielle Anwendungen, sind die Dimensionen von Messwandler, Stecker und Kabel so gross, dass keine besonderen Schwierigkeiten für vieradrige Uebertragungsleitungen bestehen.

In Fig. 10 ist eine · Variante von Fig. 9 gezeigt,

welche ebenfalls nach dem Ladungsverstärkerprinzip geschaltet ist, jedoch mit einer zweiadrigen oder koaxialen Uebertragungsleitung ausgerüstet ist. Eine solche Anordnung eignet sich für einen höheren Grad der Miniaturisierung, bedingt dafür aber einen etwas höheren Aufwand. Der Piezomesswandler ist einerseits direkt mit

Operationsverstärker 103 und andererseits über Zenerdiode 102 mit demselben verbunden. Er kann in einer anderen Variante aber auch direkt an den + und - Eingang des Operationsverstärkers 103 angeschlossen werden. 309886/1077

Die Entladung des Gegenkopplungskondensator 104 ist wiederum durch p-FET 105 gesteuert, der durch Kondensator 106 verzögert betätigt werden kann. Durch Einschaltung des Speisestroms über Leiter 111 und 112 wird FET 105 wiederum gesperrt, wodurch Op Amp 103 in Funktionsstellung kommt. Dem durch die Leiter 111 und 112 eingegebenen konstanten Speisestrom überlagert sich das Signal des Piezomesswandler 101. Trennung des Signals vom Speisestrom erfolgt dann in der Signalaufbereitungseinheit 108.

In Fig. 11 ist eine Variante von Fig. 10 dargestellt mit dem Unterschied, dass der FET 105 durch Schaltung 115 ersetzt wird, in welcher wiederum zwei lichtgesteuerte Dioden so gegeneinander geschaltet sind, dass sie den Gegenkopplungskondensator mit Einschaltung des Speisestroms freigeben. Die Signalauswertung erfolgt wie in Fig. 10, indem die Variation des Speisestroms mittels Op Amp in eine Spannungsvariation umgewandelt wird.

Zum Schluss ist in Fig. 12 als Beispiel die räumliche Gestaltung eines

Miniaturverstärkers 120,eingebaut in einen

Piezomesswandler 121, gezeigt. Der Wandler ist geeignet für Druck-Kraft- oder Beschleunigungsmessung je nachdem die Krafteinleitpartie 123 als Membrane, als Kraftplatte oder als seismische Masse ausgebildet ist. Der Kristallsatz gibt seine Θ und O Ladung über

309886/1077

Kontaktfedern 130 an den Verstärker 120 ab. Dieser ist mit dem Stecker 124 zu einem Gehäuse ausgebildet. Im Verstärkergehäuse ist die Trägerplatte 128 montiert, auf welcher die verschiedenen HaIbleiterelemente bzw. Verstärker mit den Zubehörkomponenten montiert und miteinander nach bekannten Methoden verbunden sind.

Das Verstärkergehäuse 120 ist vom Wandlergehäuse 121 durch ein Glas- oder Keramikteil 127 isoliert. Die Steckerbuchse 126 ist vom Gewindeteil 125 ebenfalls durch Isolator 131 getrennt. Die ganze Verstärkereinheit 120 ist so konzipiert, dass sie ausserhalb des Piezowandlers 121 vollständig montiert und geprüft werden kann. Hierauf wird die Einheit in den Piezowandler eingeschoben und an den Ringpartien 132 dicht verschweisst. Hierauf kann eine niederohmige Kabelverbindung zur Speisestromeinheit und zur Signalverarbeitung geführt werden.

Aus diesen Erläuterungen geht hervor, dass die Erfindung neue Möglichkeiten auf dem Gebiete der Piezomesstechnik erschliesst. Durch die Verwendung neuer steuerbarer Halbleiterelemente ist ein wichtiger Schritt zum Ersatz der bis anhin in solchen Messgeräten verwendeten "Reed Relais" und Schalter getan. Dieser Schritt kann in bestehende Messverstärker eingeführt werden. Ganz besonders" aber ermöglicht dieser Schritt den Bau von Miniaturverstärkern, die in unmittelbarer Umgebung

30988 671077

oder direkt auf oder in Piezomesswandler eingebaut werden können.

Mit den vorgeschlagenen erfindungsgemässen Piezomesswandler V er stärker anordnungen ergeben sich Anlagen, die sowohl für
Ladungs- wie auch für Elektrometerverstärker verwendbar sind. Sie ermöglichen zudem zweiadrige oder mehradrige Verbindungen zwischen Wandler-Verstärker und Anpass-Speiseeinheit. Die
Ungenauigkeiten, die früher mit dem gefürchteten Nullungssprung, aufgetreten sind, können behoben werden. Bei Messung rascher
zyklischer Vorgänge wie z. B. bei Messung von Druckdiagrammen in Verbrennungskraftmaschinen ist es ohne weiteres möglich nach jedem Vorgang eine kurze Nullung durchzuführen. Allfällige Fehler durch Fremdeinflüsse wie Temperaturgradienten etc. werden
dadurch eliminiert.

Diese Erfindung ermöglicht deshalb nicht nur genauere und zuverlässigere Messungen; sie erlaubt auch wesentliche konstruktive
Vereinfachungen, womit Preis und Betriebssicherheit günstig
beeinflusst werden; sie ermöglicht aber auch ganz neue Lösungen von Messproblemen.

309886/1077

Claims

Patentansprüche

Piezomeßwandler-Verstärkeranordnunp; mit einer VerstärkereingangsinRiedanz von mindestens 10 JZunü einer eingebauten ITuliungscinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullungseinrichtung eine fernsteuerbare HaIb-1eitereinrichtung enthält.
2. Piezomeßwandler-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, in Elektrometer- oder Ladungsverstärkerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung die Speicherkapazität für die piezoelektrische Ladung überbrückt.
3· Piezomeßwandler-Verstärkerkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist. .
Λ· Piezomeßv/andler-Verstärkerkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement ein Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode (MOS-FET) ist.·
5· Piezomeßwandler-Verstärkerkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement ein durch die Beleuchtungsstärke beeinflußbares Halbleiterelement ist.

309886/1077
6. Piezomeßwanaler-Versüärkerkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement einen durch ein äußeres Magnetfeld beeinflussbaren Widerstand aufweist.
7· Pieζomeßwandler-Verstärkerkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement einen durch Temperaturänderung beeinflußbaren Widerstand aufweist;
8. Piezonießv/andler-Verstärkerkombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer dem Halbleiterelement zugeführten Steuergröße stufenlos der Widerstand des Halbleiterelements einstellbar ist.
9· Piezomeßwandler-Elektrometer-Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verstärker und Speiseeinheit nur eine zweipolige elektrische Verbindung vorhanden ist, die sowohl zur Übermittlung des Nullungssignales wie auch zur Übermittlung der Meß-Signale dient.
10. Piezomeßwandler-LadungsVerstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine über Kabel fernsteuerbare ITullungseinrichtung.

309886/1077
11. Piezomeßwandler-Ladungsverstürkeranordnung nach einem der .Ansprüche 1-8 und 10, gekennzeichnet durch zweipolige elektrische Verbindung zwischen Ladungsverstärker und Stromversorgung, die sowohl zur Übermittlung des NuIlungssignales wie auch des Heß-Signales dient und Mittel in der Stroinversorgungseinheit, die Stromänderungen in der Speiseleitung in Spannungsänderungen umwandelt.
12. Piezoraeßwandler-Verstärkerkombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Miniaturverstärker als Einheit, die außerhalb des Wandlers komplett montiert, geprüft, anschließend in den Wandler eingesteckt und mit dem Wandler gehäuse verschweißt wird, im Steckerteil des Piezowandlers eingebaut ist.

BAD ORIGINAL 309886/1077

3* .

Leerse ι te