DE2353390A1 - Temperatur-kompensations-schaltung, insbesondere fuer temperatur- und druckmessfuehler - Google Patents

Description

EISENFÜHR & SPEISER Patentanwälte

DiPL Ing GÜNTHER EISENFUHR 235339Π DIPL-INODIETERk-SPEISER

B R E M E N - Dr her.Nat.hörst zinngrebe

UNS. ZEICHEN : β 258

ANMELDER /INH: BELL & HOWELL COMPANY

Aktenzeichen: Neuanmeldung

_DATUM: 22. Oktober 197 3

BELL & HOWELL COMPANY, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Illinois, 7100 McCormick Road, Chicago, Illinois 60645, V.St.A. ·

Temperatur-Kompensations-Schaltung, insbesondere für Temperatur- und Druck-Meßfühler . '

Die Erfindung beschäftigt sich mit einer Temperatür-Kompensations-Schaltung, die insbesondere zur Kompensation von temperaturbedingten Änderungen an Druck- oder Temperatur-Wandlern verwendbar ist. Wandler oder Meßfühler zeigen gewöhnlich einen Temperaturgang derart, daß sie bei einer anderen als der Eich-Temperatur Fehler in der Ausgangsgröße auftreten. Beispielsweise werden häufig Dehnungsmaße in einem Druck-Meßfühler benutzt, bei denen das mit den Maßen kommunizierende Medium eine Flüssigkeit ist, deren Temperatur von der Eich-Temperatur der Maße und damit.des Druck-Meßfühlers verschieden ist.

Bislang wurden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Kompensation von Temperatur-Abhängigkeiten von Meßfühlern vorgeschlagen. Beispielsweise wurden Drahtwiderstände benutzt, wobei der Temperaturkoeffizient des Drahtes so nahe wie möglich bei 0 lag«, Bei Dehnungsmaßen mit einem

^HZ/gs 409 810/1040

„!Λ"4!£ΜίίΟ

positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten wurde ein auf Draht gewickelter Widerstand, der den gleichen Temperaturkoeffizienten und einen möglichst gut angepaßten Temperaturverlauf hatte in Reihe mit dem Maß geschaltet. Diese drahtgewickelten Widerstände neigen jedoch dazu, aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Widerständen und iheer Beschichtung bzw. Befestigung zu brechen. Daher sind drahtgewickelte Widerstände unzuverlässig. Alternativ wurden Thermistoren in Kompensationsschaltungen verwendet, jedoch zeigen die Thermistoren einen nicht lineraren Temperaturkoeffizienten, der mit dem Temperaturgang des zu kompensierenden Meßfühlers nicht kompatibel ist. Weiterhin sind die Temperaturkompensations-Schaitungen im allgemeinen nur für einen speziellen Meßfühler einsetzbar, der eine bestimmte Kompensation bei einer bestimmten Temperatur benötigt, so daß die Kompensationsschaltungen nicht mit der erwünschten Vielseitigkeit einsetzbar sind·

Die Erfindung überwindet die Nachteile der mit Draht-Widerständen und Thermistoren arbeitenden Kompensations-Schaltungen.

Dazu sind bei der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung mehrere Dioden zwischen die Spannungsquelle und den Meßfühler geschaltet. Viele gegenwärtig zur Druckmessung entwickelte Halbleiter-Meßfühler besitzen einen insgesamt negativen Temperatür-Koeffizienten, der durch den negativen Temperaturkoeffizienten der einzelnen Dioden kompensiert wird. Die Anzahl der verwendeten Dioden wird so gewählt, daß die sich ergebende Ausgangsspannung so weitgehend temperaturunabhängig ist wie möglich. Da die Dioden eine Kompensation lediglich in diskreten Stufen schaffen, kann die Quellenspannung so variiert werden, daß die prozentuale Änderung der Ausgangsspannung aus dem Meßfühler aufgrund

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der Dioden.die gleiche ist wie die prozentuale Veränderung der Ausgangsspannung aufgrund der Ernpf indlichkej-tsveränderung des Meßfühlers bei entsprechender Temperaturveränderung» Folglich steht das Ausgangssiqnal zu der gemessenen physikalischen Größe in einer temperaturunabhängigen Beziehung.

Alternativ wird eine hinreichende Anzahl von Dioden verwendet, die einen insgesamt positiven Temperaturkoeffi zienten der Kombination aus Dioden und Meßfühler-'ergibt. Die Kompensationsschaltung weist ferner einen Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten in Reihe zwischen der Reihenschaltung aus Diode und Meßfühler und der Spannungsquelle auf. Zusätzlich wird ein Widerstand mit niedrigem Temperaturkoeffizienten in die Reihenschaltung eingeschaltet, um eine Eichung; für die gesamte Vorrichtung aus Meßfühler und Kompensationsschaltung zu schaffen.

In einer anderen Ausführungsform,sind der Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient und der Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient durch zwei Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizienten ersetzt, wobei der erste dieser Widerstände in Reihe zwischen die •'Spannungsquelle und die Reihenkombinatxon aus Dioden und Meßfühler geschältet ist. Der zweite Widerstand ist parallel zur -Reihenschaltung aus Dioden und Meßfühler geschaltet. Der Parallelwiderstand der 'beiden Widerstände an der Reihenkombination ist so gewählt, daß sich eine ebene thermische Ansprech-Charakteristik des Meßfühlers ergibt. Weiter wird das Verhältnis des Widerstandswertes des zweiten- Widerstandes zur Summe der Widerstandswerte der beiden Widerstände so gewählt, daß eine Eichung der Ausgangsspannung des Meßfühlers bei einer gegebenen Anregungsspannung erzielbar ist.

Bei einem Meßfühler,- bei dem der positive Temperaturkoeffi-

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zien't des Brückenwiderstande.s größer ist als der negative Temperatur-Koeffizient des Meßfaktors, weist die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung zwei Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizient auf,, wobei der erste Widerstand zwischen den Meßfühler und die Spannungsquelle und der zweite Widerstand direkt über den Meßfühler geschaltet sind. Der parallele Widerstandswert der beiden Widerstände am Eingang des Meßfühlers wird so gewählt, daß der Meßfühler eine ebene thermische Ansprech-Charakteristik hat. Das Verhältnis des Widerstandswertes des zweiten Widerstand des zum Widerstandswert der beiden Widerstände ist im Hinblick .auf die Eichung wählbar.

Die vorstehend erwähnten sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein teilweise in Blockform gehaltenes, schematisches Diagramm eines mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten temperaturkompensierten Meßfühlers;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Dioden-Grenzschicht-Spannung von der Temperatur;

Fig. 3 ein teilweise in Blockform gehaltenes Diagramm der Schaltung aus Fig. 1;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer Temperatur-Kompensations-Schaltung für einen Meßfühler mit insgesamt negativem Temperatur-Koeffizienten;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Temperatur-Kompensations-Schaltung;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer Ersatzschaltung für die Schaltung aus Fig. 5; ■

Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer Temperatur-Kompensations <-Scha,ltung für einen Meßfühler mit insgesamt pesitivem Temperaturkoeffizienten; und

Fig. 8 ein schematisches Diagramm einer Ersatzschaltung für die Schaltung aus Fig. 7.

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Die erfindungsgemäße Temperatur-Kompensations—Schaltung dient zum Ausgleich von Schwankungen des Ausgangs eines Meßfühlers, die in Schwankungen der Umgebungstemperatur ihre Ursache haben. Die Schwankungen, des Ausgangs aufgrund von Umgehngstemperatür-Veränderungen erzeugen Fehlersignale am Ausgang-des Meßfühlers. Fig. 1 zeigt daher' eine Kompensation des Meßfühlers, bei der eine Temperatur-Kompensations-Schaltung gemäß der Erfindung über den Eingang des Meßelementes des Meßfühlers gelegt ist.

Ein Meßfühler 10 besitzt Einaangsanschlüsse 11 und 12, über denen eine Temperatur-Kompensations-Einrichtung 13 sowie eine variable Anregungs-Spannungsquelle 14 verbunden sind. Der Meßfühler. 10 besitzt zwei Ausgangsklemmen 15und 16, an die eine Auswerte-Schaltung oder Aufzeichnungs-Einrichtung 17 angeschlossen ist. Der Meßfühler 10 repräsentiert allgemein einen Fühler, der Veränderungen einer physikalischen Größe, wie beispielsweise Temperatur oder Drücke überwacht. Der Meßfühler 10 gemäß der Zeichnung enthält eine Brückenschaltung aus vier Elementen oder Dehnungsmaßen 18,19,20 und 21, und ist damit für einen typischen Halbleiter-Druckfühler repräsentativ. In einem derartigen Fühler sind zwei Elemente einer Kompression und zwei andere Elemente einem Zug ausgesetzt, was die Pfeile an den Elementen in der Zeichnung andeuten sollen. ' "'*" ' . - ' _-.

In einem Halbleiter-Meßfühler gibt es zwei Eigenschaften, die temperaturempfindlich sind, und die eine fehlerhafte Ausgangsspanriung bei anderen als den Eichtemperatüren erzeugen können. Diese zwei Eigenschaften sind der Maßfaktor des Meßfühlers und der Widerstand, des Meßfühlers. In einem Halbleiter-Meßfühler besitzt der Maßfaktor einen negativen Temperatur-Koeffizienten, wobei also das Ausgangssignal mit

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abnehmender Temperatur sinkt. Gleichzeitig besitzt der Widerstand einen positiven Temperatur-Koeffizienten und sorgt für einen Anstieg des Ausgangssignals bei abnehmender Temperatur. Im allgemeinen herrscht der Einfluß des Maßfaktors vor, so daß der Halbleiter-Meßfühler insgesamt einen negativen Temperatur-Koeffizienten besitzt.

Eine relativ einfache und wirksame Art, diesen negativen Temperatur-Koeffizienten zu kompensieren, besteht gemäß der Erfindung darin, eine oder mehrere Dioden in Reihe mit dem Meßfühler zu verwenden. Der Strom I_T durch eine Diode als Funktion der Temperatur bestimmt sich nach folgender Gleichung: '

¹T = ¹BaC. (^X-^{e kT} J ^A/cm/ (

I= Sättigungsstrom in Sperrrichtung s a ti ■

Va = Spannungsabfall über der Dioden-Grenzschicht

q = Elektrische Ladung

k = Boltzmann'sehe Konstante

T = Absolute Temperatur der Diode

Die Gleichung kann umgeschrieben werden in der Form

qVa

T-T — T P IrT ■

¹T - sat. sat. ^{e Ki}

Bei Zimmertemperatur ist der Sättigungsstrom in Sperrrichtung relativ klein verglichen mit dem exponentiellen

term in Vorwärtsrichtung, so daß I , vernachlässig werden ■ sa t ·

kann. Wenn dann I„ eine Konstante ist

¹T ^{= K = 1}S^t? k^F" (2)

dann muß auch der Exponent eine Konstante sein:

r \

damit wird

Va =^g J T . (4)

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Man entnimmt dieser Gleichung, daß der Spannungsabfall über der Grenzschicht der Diode bei konstantem Strom in dem Gebiet, in welchem I ,' sehr klein ist,

Satt -

direkt proportional zur absoluten Temperatur ist.

Da Va der gesamte Spannungsabfall über der Grenzschicht ist, ist sie gleich der Sperrspannung Vg vermindert um die angelegte Spannung

V_B = Vg - Va = Vg -f~) ^- T ' - (5)

Man weiß, daß für bestimmte Haltleiterdioden bei 0 K die Sperrspannung Vg etwa gleich 1,21 V beträgt, .so daß die angelegte Spannung, aufgetragen "gegen die Temperatur, eine Kurve gemäß Fig·. 2 ergibt.

Man entnimmt der Fig. 2, daß eine Veränderung der Diodensperrspannung mit der Temperatur eine lineare Funktion mit negativer Steigung ist. Folglich können Dioden zur thermischen Kompensation von Halbleiter-Meßfühlern verwendet werden.

Für einen Meßfühler 10 mit einer aus vier Elementen bestehenden Brücke gemäß Fig. 1 ergibt sich die Ausaangsspannung e aus der folgenden Gleichung:

e = ^Ein GSN = E. GS - (6)

ο —3— m

wobei ·

E. = die Eingangsspannung an den Anschlüssen

11 und 12 ' ..■■'.·..

G = der Maßfaktor des Meßfühlers S = die Dehnung sind.

Durch LogarithmJer.en der Ausdrücke und Bilden der Ableitung der.Ausgangsspannung e ergibt sich der prozentuale

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Ausgang	O	wie	folgt:	+ in	Io
log	Go	= log E	dG +	dS
de o_	_	dE. in +	G	S
e		E.
	m

log- G +· log S

(7)

Bei einem typischen Halbleiter-Meßfühler ist die Veränderung der Dehnung mit sich verändernder Temperatur vernachlässigbar, so daß dS = 0 für alle Temperaturen gesetzt werden kann. Daraus ergibt sich

de dE. ,_r

o_ = in + do /q\

e · ■ E. G ο . in

Zur Kompensation der Meßfühlerbrücke muß de = 0 für sämtliche Temperaturen werden, so daß im Ergebnis

dG und ■ * (9)

	= 0	dE. = in	dG
e O		Ein	G.
dE. in
E. in

Der Prozentsatz an angelegter Spannung muß gleich der negativen prozentualen Veränderung des Maßfaktors sein, um eine thermisch empfindliche Kompensation zu erhalten.

Ein schematisches Blockdiagramm des Meßfühlers mit der Kompensationsschaltung gemäß Fig. 1 zeigt Fig. 3, in der das Quadrat 20 den Meßfühler 10, die einzelne Diode 21 sämtliche Diode in der Kompensationsschaltung und das Quadrat 22 eine Spannungsquelle für den Meßfühler darstellen.

Man entnimmt aus dem Blockdiagramm der Fig. 3 für den Meßfühler die Kompensationsschaltung der Fig. 1, das

^ES - ^ED ⁺_ ^Ein (10)

A-O 9 819/1040

ist, wobei

E„ = die Spannungsquelle "'"".·-■

E. = die an die Meßfüh.lerbrücke angelegte Spannung

E = die Gesamtspannung an allen Dioden sind.

Da der Spannungsabfall Va über der Grenzschicht jeder Diode eine lineare Funktion mit negativer Steigung und direkt proportional zur'absoluten Temperatur ist, dann ist der gesamte Spannungsabfall E_D über den Dioden eine lineare Funktion mit negativer Steigung und direkter Proportionalität zu der absoluten Temperatur. Wenn daher

E„ konstant ist, dann muß E. in demselben Verhältnis S ' in

zunehmen, mit dem E_ für beliebige Temperaturänderung abnimmt, oder es muß sein dE_n = dE. . Wenn somit. D-

dG in

gleich, dem Ausdruck —p gemacht werden kann, wird eine exakte Kompensation erreicht sein.

Typische Halbleiterdioden haben eine thermische Abhängigkeit von nahezu 1· Millivolt pro Grad Fahrenheit und eine Durchlaßspannung von 0,6 V bei Zimmertemperatur oder 72 F, welcher Spannungsabfall mit zunehmender Temperatur abnimmt. Mehrere Dioden können erforderlich sein, um die Kompensation für einen Meßfühler zu liefern, bei dem die Ausgangsspannung etwas schneller bei einer Veränderung in dem Maßfaktor und damit eine Veränderung in der angelegten Spannung E. .abfällt als die Zunahme der Ausgangsspannung durch den negativen Temperaturkoeffizienten der Diode zwischen der Spannungsquelle und dem Meßfühler.

Im allgemeinen müssen beide Größen verändert werden, weil die Dioden nur einzelne Stufen der Veränderung ergeben und daher E_ß nur diskontinuierlich variabel ist. Die Anzahl der Dioden in der Kompensationsschaltung .13 wird so gewählt, daß die prozentuale Änderung der Diodenspannung so nahe wie möglich der prozentualen -Veränderung der angelegten Spannung E. aufgrund der Temperaturschwankung wird.

■ 409819/10-40 '■" , ■

Wenn dennoch eine Schwankung der Ausgangsspannung bei sich ändernder Temperatur vorliegt, dann kann die Spannungsquel.le hinsichtlich der von ihr abgegebenen Spannung ebenfalls variiert werden, um auf diese Weise die Kompensation zu verbessern. Dazu wird die Spannungsquelle 14 variabel gemacht und die Spannung kann in Kombination mit der Anzahl der Dioden auf eine gewünschte Kompensation eingestellt werden.

Die Meßfühler können thermisch durch Verwendung von Dioden und ohne Verändern der Anregungsspannung aus der Spannungsquelle dadurch kompensiert werden, daß Kompensationsschaltungen gemäß den Fig. 4 bis 8 benutzt werden.

Man entnimmt der Fig. 4, daß mehrere Dioden 40 in Reihe zwischen einem Meßfühler 41 und einer SpannungsqueLle 42 geschaltet sind. Die Dioden 40 sind so zahlreich, daß sich ein insgesamt positiver Temperaturkoeffizient für den Meßfühler einschließlich der Dioden ergibt. Danach kann eine genauere Kompensation durch ein Widerstands-Netzwerk 44 in Verbindung mit den Dioden 40 erzielt werden.

Die Dioden 40 und das Widerstandsnetzwerk 44 sind in Reihe zwischen den Meßfühler 41 und die Spannungsquelle'42 geschaltet. Während die Gesamtwirkung der Dioden darin besteht, einen positiven Temperaturkoeffizienten zu erzeugen, besitzt das Widerstandsnetzwerk 44 einen positiven Temperaturkoeffizienten zur Kompensation des gesamten positiven Temperaturkoeffizienten der Dioden 40 mit dem Meßfühler 41. Das Widerstandsnetzwerk 44 weist einen ersten Widerstand 46 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und einen zweiten Widerstand 47 mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten auf. Der Widerstand 46 ist so gewählt, daß die Meßfühlervorrichtung gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich wird.

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Der Widerstandswert des zweiten Widerstandes 47 in Kombination mit dem Widerstandswert des ersten Widerstandes 46 ist so gewählt, daß eine Eichung der Ausgangsspahnung des' Meßfühlers bei einer gegebenen Anregungsspannung erzielt wird.

'Der Ausgang des Meßfühlers 41 ist mit einer Auswerteschaltung 43 verbunden, die beispielsweise das Aufzeichnen der Ausgangsspannung aus dem Meßfühler gestattet und sie in Beziehunq zu einer Einaangs-Variablen setzt, beispielsweise zu Druck, was für ein DehnungsmaJ} typisch ist. '

Ci - .

Die sich aus der Hinzufügung von Dioden 40 und Widerstandsnetzwerk 44 zu dem Meßfühler 41 ergebende Vorrichtung besitzt eine im wesentlichen ebene thermische Ansprech— Charakteristik über den gesamten normalen Temperatur-Arbeitsbereich. -

Die für einen gegebenen Meßfühler erforderliche Anzahl von Dioden kann aus der Lösung einer quadratischen Gleichung berechnet werden: _r

f
(k

- ^kB^kD^kG)

)7

J ^J

) = G J

² Ci-k_Bk_Dk ^ν ' ~ ^{Β χ} - ^{Β G}

wobei die Indizes 1 und 2 sich auf Temperaturwerte,

B sich auf die Meßfühlerbrücke,. D sich auf Diode,

¹ ' G sich auf die Empfindlichkeit des

Meßfühlers beziehen und

E = die Anregungsspannung in Volt, . E = den VoHausschlag in Volt,

G. '= die Empfindlichkeit, in Volt pro Einheit der Eingangsvariablen, ·

4O981'9/ 1 040 - -

V_n = dip Dicdensperrspannung in Volt,

k = Ί + ⁽-^TCx⁾ ^^T)

TC . XfT_n - X? T^

T = Tempera txir bedeuten.

Die Lösunq für η ercibt sich als reelle Zahl, die bewirkt, daß die Empfindlichkeit an zwei Temperaturwerten qleich ist. De η praktisch nur eine ganze Zahl sein kann (es gibt nur eine ganzzahlige Anzahl von Dioden), wird als Lösuna die nächst größere ganze Zahl genommen, die zu einem positiven Temperaturkoeffizienten (TC) der Empfindlichkeit führt.

Der Wert für den Widerstand R₄,- mit positivem Tempersturkoeffizienten und der Wert für den Widerstand R₄₇ mit dem niedrigen Temperaturkoeffizienten können aus den folaenden Gleichunaen berechnet werden:

^R" * ^R- [^(Εχ-^ην

B₁

^R47 ^{= R}S ~ ^R46
wobei R_p = der Brückenwiderstandswert und

^RS ^{= R}46^{f R}47 ^sind· -

Irr. Produktionsprozeß wird möglichst nach Automatisierung gestrebt. Jedoch ist in der .Temperaturkompensationsschaltung gemäß Fig. 4 der Widerstandswert des Widerstandes 46, der- einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, nur durch körperlichen Ersatz eines anderen Widerstandes variierbar. Folglich ist die Schaltung nach Fig. 4 nicht leich für automatische Herstellungsverfahren zuaänglich. Daher

8AP-OR₁GlNAL *°98 19/ 104 0

sieht eine alternative Tenperaturkompensations-Schaltung qemüß der Erfindung ihrer Kianung zur automatischen Produktion vor und ist schem-rt i sch in Fig. 5 dargestellt, wobei das. zucfehör ige Crrat:·.· schaltbild in Fia. 6 angegeben ist. In dieser T^rr^-er;= turiompensations-Schaltung. sind die Dioden 40 wieder ar> den Eingang des, Meßfühlers 41 angeschlossen, wobei die Anzahl der Dioden so gewählt ist, daß sich insaesarrt ein positiver Temperaturkoeffizient für die Dioden 40 und den Meßfühler 41 eraiht. Der Ausgang des Meßfühlers ist an eine AuswerteschaItuna. 4 3 angeschlossen, wahrend eine Cüelle 42 die Anrequngsspannung für den Meßfühler liefert.

In der TemperaturJcompensations-Schaltung gemäß Fig» 5 werden lediglich solche Widerstände verwendet, die einen niedrigen Temperaturkoeffizienten haben, wodurch der relativ teuere Widerstand 46 aus Fig. 4 mit positivem Temperaturkoeffizienten entfällt. In der Temperaturkompensations—Schaltung gemäß Fig. 5 ist ein erster Widerstand 5 zwischen die Spannungsquelle 42 und die Dioden 40 geschaltet. Ein zweiter Widerstand 51 ist über die Reihenkombination aus den Dioden" 40 und dem Meßfühler 41 celeot. Vorteilhafterweise besitzen die Widerstände 50 und 5. einen niedrigen Temperaturkoeffizienten. In der zu der Temperaturkompensations-Schaltur.g gemäß Fig. 5 gehörenden Ersatzschaltung gemäß Fig. 6 wird,der Parallel-Widerstandswert der Widerstände EO und 51 über der Reihenschaltung aus Dioden 40 und Meßfühler 41 durch einen einzigen Widerstand 55 dargestellt. Der Wert dieses Widerstandes ist so gewählt, daß sich eine exakte thermische Kompensation, für den Keßfühler 41 und seine zugeordnete Dioden 40 ergibt. Die Wirkung der Veränderung der Sperrspannung der Dioden 40 bei sich verändernder Temperatur an dem Eingang des Meßfühlers 41.wird durch das Verhältnis des Meßfühler-Brückenwiederstandes zu dem Widerstandswert des Widerstandes 55 bestimmt.

4098 19/1040 ' ^lftWlflffl

Der Widerstandswert des Widerstrindes 55 ist gleich dem

Widerstandswert äei parallelen Widerstände 50 u ti 51.

Außerdem int .in önr Ersatzschaltung die Spannungsquelle 42 durch ei r.e Sp^nminqsqcs-l 1 e ersetzt, wie sie über der

Reiherschaltunq aiiS DicdVn 10 und Γ-'eßf ühler 41 erscheint,

wenn eine bestimmte Anreguri.jsrpönnung bei vorqegebenen

Widerständen 50 und ^l angenommen wird.

Der Widerstandswert: des Ersatz-Widerstandes 5 5 wird aur. der lösung der folaenden Gleichur.q bestimmt:

wobei von den Indizes

B - die Keßfühlerbrücke betrifft; D - die Dioden betrifft;

G - die Empfindlichkeit des Meßfühlers betrifft; und wooe:

k = 1 + (TO^ t

TC = der Temperaturkoeffizient der einzelnen Komponenten

E = die Spannung des Vollausschlages V = die Diodensperrspannung
T = die Temperatur bedeuten.

Die Spannung am Ausgang der Ersatzquelle 56 wird so qewählt, daß eine Eichung bei einer gegebenen Temperatur möglich ist"; sie ist gleich der Anregungsspannung multipliziert mit dem Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 51 zu dem Gesamtwicerstandswert der Reihenschaltung aus den Widerständen 50 und 51. Nach Bestimmung des Wertes des Ersatzwiderstandes s'owie des-Wertes der Aus-· gangsspannung der Cuelle 56 können die Widerstandswerte dar einzelnen Widerstände 50 und 51 aus den folgenden Glei-

_BAD ORXBmfeiQ _aß^A 0 9 8 1 9 / 1 0 A 0

chungen berechnet werden;

50 . 55 £ 5 χ ^b- E--E . .

wo E "= "die Anrequnusenerqie am Ausgang der Quelle 42 und

η - die Anzahl der Dioden in dem Diodennetzwerk 40 sind.

Vorteilhafterweise können die Widerstände 50 ur\d !3'. -dicke oder dünne Schichtwiderstände sein, so daß ihre Widerstandswerte automatisch durch Entfernen eines Teiles der Schicht eingestellt werden können. Damit ist jene Schwieriakeit vermieden, die sonst beim manuellen Einloten verschiedener Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten zur Gewinnung des richtigen Widerstandswertes überwunden .werden müßte. . " . · \

In denjenigen Fällen, bei denen der Meßfühler einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt, der in Halbleiter-Dehnungsm.aßen mit hoher Dotierung auftreten kann, ist die Temperaturkompensatiönsschaltung gemäß Fig. 7 (mit zucehöriger Ersatzschaltung in Fig. 8) mit Vorteil verwendbar. Wenn der Meßfühler einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, ist es lediglich notwendig. Widerstände zu verwenden, die die an dem Meßfühler angelegte Spannung als Funktion der Temperatur erniedrigen, so daß.auf diese Weise eine ebene Temperatur-Abhängigkeit erzielt wird.

Ein erster Widerstand 62 mit niedrigem Temperaturkoeffizienten ist zwischen einer Spannungsquel.le 61 und einem Meßfühler 60 verbunden. Ein zweiter Widerstand 64 ist über die Eingangsanschlüsse des Meßfühlers 60 gelegt. ·

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Der Widerstandswert der Widerstände 62 und 64 kann als Teil des Innenwi'ierstandes der Quelle betrachtet werden, gesehen von den Einaangsanschlüssen des Meßfühlers 60 aus* Kenn Her Meßfühler von einer Konstant—Stromquelle * mit Spannunq versorgt wird, die im Verhältnis zur Last einen praktisch unendlichen Widerstandswert besitzt, würde die Spannung über der Meßfühlerbrücke sich einfach aus dem Produkt des Quellenstromes mal dem Brückenwiderstand eraeben. Wenn folglich die Temperatur zunimmt, würde die Spannung über der Brücke als direkte Funktion des .Brückenwiderstandes ansteigen. Wenn andererseits der Meßfühler von einer Konstant-Spannunqsguelle versorgt wird, die im Verhältnis zur Last praktisch einen verschwindenden Widerstandswert besitzt, dann würde sich die Meßfühler-Brückenspannung nicht mit der Temperatur ändern. Zwischen dem Fall der reinen Konstant—Strqmguelle- und demjenigen der reinen Konstant-Spannungsquelle gibt es einen Wert des Quellehinnenwiderstandes, bei dem die Zunahme an Brückenspannung aufgrund dieses Widerstandswertes genau den Abfall des Maßfaktors des Meßfühlers ausgleichen wird, so daß sich im Ergebnis keine Temperaturempfindlichkeit ergibt.

Dieser Widerstandswert wird durch den Widerstand 66 in Fiq. 8 repräsentiert. Der Widerstandswert dieses Ersatzwider Standes 66 für die Widerstände 62 und 64 ist gleich dem Parallel-Widerstandswert der' Widerstände 62 und f.A und kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden:

■ ^R62^R64 ^RB ^(kB - ^{1) k}B ⁶⁶ * ^R62^+R64 " y^{+ k}G^(kB - ²⁾ wobei von den Indizes

B sich auf die Meßfühlerbrücke; G sich auf die Empfindlichkeit des Meßfühlers beziehen ;

und
k = 1 + (TC )4 t

. TC= dem Temperaturkoeffizienten der Vorrichtung und T = die Temperatur bedeuten.

j- "v'-aa "409819/1040
BAD ORKSfNAL

Weiter wird die Anrequngsspannung, geliefert durch die Quelle 67 in Fie. 8 in der Ersatzschaltung so gewählt, daß sich bei Zimmertemperatur eine Eichung durchführen läßt, und kann bestimmt werden aus der folgenden Gleichung:

^Rc/i ■ ' - E
E = E ⁶⁴ Q
67 χ R _ + R„. G
■ 62. o4

wobei , "-'■-".-E = die Anregunqsspannung

E= die Ausgangsspannung des Meßfühlers

G = die Empfindlichkeit des Meßfühlers sind.

Aus diesen beüen Gleichungen können die Widerstandswerte für die Widerstände 62 und 64 berechnet werden, und zwar aus der gleichzeitigen Lösung dieser Gleichung.

• BAD ORKBfNAL

4098 19/1040 ' ' „

Claims (7)

1. Ansprü-fhe

   •1 lJ Kompensationsschaltung für einen bei einer bestimmten Temperatur qeeichten, mit negativem Temperaturkoeffizienten behafteten Wandler zur Umsetzung der Veränderungen einer variablen physikalischen Größe in ein elektrisches Signal, mit einer Spannungsquelle zur Versorgung des Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Spannunqsquelle (14) und den Wandler (10) mehrere Dioden (13) qeschaltet sind.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der.Spannunosquelle abgegebene Spannung variabel ist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden einen negativen Temperaturkoeffizienten haben und in Reihe an einen Eingangsanschluß des Wandlers angeschlossen sind.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Widerstand (50) mit niedrigem Temperaturkoeffizienten in Reihe mit den Dioden (40) zwischen den Wandler (41) und die Spannungsquelle (42)geschaltet ist; und daß ein zweiter Widerstand (51) mit niedrigem Temperaturkoeffizienten parallel zur Reihenschaltung aus Dioden und Wandler geschaltet ist.

   0 9819/1-0 AO
5. 5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Widerstandswert des ersten und zweiten Widerstandes in Parallel-Schaltung, gesehen vom Wandler aus, zum Widerstandswert des Wandlers: in' solchem Verhältnis steht, daß die thermische Empfindlichkeit kompensiert wird. .
6. 6.. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Widerstandswertes des zweiten Widerstandes zu dem gesamten Widerstandswert der Reihenschaltung aus erstem Und zweitem Widerstand so gewählt ist, daß sich eine vorgegebene Ausgangsspannunq bei gegebener Spannung der Spannungsquelle ergibt.
7. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß" die durch den negativen" Temperaturkoeffizienten der Dioden erzeugte Anstieg der Ausgangsspannung größer als der Abfall der Ausgangsspannung ist, der durch den negativen Koeffizienten des Wandlers hervorgerufen wird; daß zwei Widerstände (46,47) in Reihe zwischen, eine Spannunqsquelle (44) und den Wandler geschal- _; tet sind, wobei einer "der Widerstände einen positiven Tempera turkoef.fi zien ten besitzt. -

   8» Schaltung insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, für einen Wandler mit insgesamt positivem Temperaturkoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Widerstand (.62) mit niedrigem Temperaturkoeffizienten zwischen dem Wandler (60) und einer Spannungsquelle (61) zur Versorgung des Wandlers geschaltet ist und daß ein zweiter Widerstand (64) mit niedrigem Temperaturkoeffizienten über die Eingänge des Wandlers gelegt ist.

   A0 9819/ 1 OAO