DE3817336A1

DE3817336A1 - Druckmesswertaufnehmer mit digitaler kompensation

Info

Publication number: DE3817336A1
Application number: DE3817336A
Authority: DE
Inventors: Pierre-Oliver Lefort
Original assignee: Crouzet SA
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1987-05-22
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1988-12-15
Also published as: GB2205953B; FR2615618A1; GB2205953A; FR2615618B1; GB8812166D0; IT8867467A0; IT1219317B

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmeßwertaufnehmer mit Piezodehnungsmeßstreifen, die auf einem durch Druckeinwir kung deformierbaren Element angeordnet sind, das eine Meßbrücke bildet, wobei zur Kompensation der Temperaturein wirkung auf die Dehnungsmeßstreifen temperaturempfindliche Widerstände auf dem deformierbaren Element angeordnet sind, und zwar jeweils in symmetrischer Weise bezüglich einer spannungsfreien Linie.

Ein derartiger Meßwertaufnehmer ist insbesondere aus der FR-A-25 45 605 bekannt.

Weiterhin ist es, insbesondere aus der Veröffentlichung in Patent Abstracts of Japan, Band 10, Nr. 364 (P-524) (2421), vom 05. Dezember 1986 bekannt, Mittel vorzusehen, um zumin dest in Abhängigkeit von der Temperatur die von der Meßbrücke gelieferte Information gemäß einem Polynomansatz zu korrigieren.

Die bislang bekannten Korrektureinrichtungen beruhen jedoch auf Mikroprozessoren oder anderen komplexen Recheneinrich tungen, die Rechenoperationen in Form von Multiplikationen oder Divisionen durchführen und die somit die Kosten des Meßwertaufnehmers erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckmeßwertaufnehmer anzugeben, der ohne derartige komplizierte Einrichtungen auskommt und gleichwohl eine wirkungsvolle Kompensation ermöglicht.

Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung ein Druckmeßwert aufnehmer der eingangs genannten Art angegeben, der sich dadurch auszeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um zumin dest in Abhängigkeit von der Temperatur die von der Meß brücke gelieferte Information gemäß einem Polynomansatz zu korrigieren. Diese Korrektureinrichtungen umfassen einen Korrekturspeicher, der in Bereiche unterteilt ist, die jeweils den verschiedenen Termen des Polynomansatzes zugeordnet sind und die jeweils die vorgegebenen Korrek turdaten enthalten, Einrichtungen zur Adressierung der jeweiligen Daten im entsprechenden Speicherbereich, gesteuert durch die Meßbrücke und die temperaturempfind lichen Einrichtungen, sowie Einrichtungen zum Lesen der Speicherbereiche und zum Addieren der Daten dieser Bereiche, um die Information des korrigierten Druckes G _c zu erhalten.

Gemäß der Erfindung wird die korrigierte Druckinformation in einfacher Weise dadurch erhalten, daß man lediglich aus einem Speicher Korrekturdaten ausliest und mit ihnen eine Addition vornimmt.

Vorzugsweise wird die Korrektur durchgeführt gemäß dem nach stehenden Polynom G _c:

G _c = G ₀ + G₁V + K₂V ² + K₃V(T - T₀) + K₄(T - T₀) + K₅(T - T₀)²,

wobei G₀ und G ₁ Regelungskoeffizienten sind, K ₂ bis K ₅ Korrekturkoeffizienten sind, T die Temperaturinformation ist, T ₀ eine Referenztemperatur angibt und V die von der Meßbrücke gelieferte Information ist. Der Term K ₃ V (T-T₀) des Polynoms bezieht sich auf die Information V (T-T₀), die am Ausgang der Meßbrücke erhalten wird, die an die tempera turempfindliche Einrichtung angeschlossen ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Steu erungseinrichtungen für die Adressierung des Speichers beschränkt, die außer der Meßbrücke nur temperaturempfind liche Elemente umfassen. Die Anordung kann darüberhinaus Einrichtungen umfassen, die auch empfindlich auf andere Größen sind, welche die Dehnungsmeßstreifen beeinflussen, beispielsweise der Liniendruck bei einem Druckdifferenz meßwertaufnehmer.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Aus führungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine Schnittansicht einer Meßvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungs gemäßen Meßwertaufnehmers.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, weist die Meßvor richtung mit dem Druckmeßwertaufnehmer ein deformierbares Element 3 auf, in diesem Falle eine kreisförmige Platte aus Keramik. In dichtgekapselter Anordnung sind auf dieser Platte zwei Schalen 1 und 2 angebracht, die sich auf der einen und der anderen Seite des deformierbaren Elementes 3 befinden und somit zwei getrennte Kammern bilden, die getrennt mit zwei Drücken P 1 und P 2 beaufschlagt werden, deren Differenz zu messen ist.

Auf dem Keramikteil 3 sind mit üblichen Mitteln Piezodeh nungsmeßstreifen R 1, R 2, R 3 und R 4 in den Zonen maximaler Dehnung angeordnet. Somit sind, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, zwei Meßstreifen R 1 und R 4 in der Nähe der Einkapselung des Keramikteils angeordnet, während die anderen beiden Meßstreifen R 2 und R 3 sich im Zentrum des Keramikteils befinden, so daß die Dehnungsmeßstreifen R 1, R 2, R 3 und R 4 sich im wesentlichen auf einem Durchmesser des kreisförmigen deformierbaren Elementes 3 befinden.

Zwei andere Widerstände RT 1 und RT 2 sind ebenfalls auf dem Keramikteil angeordnet, und zwar jeweils in symmetrischer Weise bezüglich der spannungsfreien Linie, hier einem konzentrischen Kreis zum Umfang des deformierbaren Elemen tes, der durch diese anderen Widerstände hindurchgeht. Die Meßstreifen R 1, R 2, R 3 und R 4 sind gemäß einer Wheatstone Brücke 4 verbunden, und die Widerstände RT 1 und RT 2 sind ebenfalls mit einstellbaren Widerständen r gemäß einer weiteren Wheatstone Brücke 5 verbunden.

Die analogen elektrischen Signale, die von den beiden Meßbrücken 4 und 5 geliefert werden, werden jeweils an Verstärker 6 bzw. 7 angelegt. Mit Hilfe eines Umschalters 9 kann die Meßbrücke 4 wahlweise an eine stabilisierte Referenzspannung E oder an die Spannung VT angelegt werden, die von der Meßbrücke 5 geliefert wird. Dies ermöglicht es, die Temperatur des Keramikteils, also diejenige der Dehnungsmeßstreifen zu berücksichtigen.

Ein zweiter Umschalter 8 am Ausgang der Verstärker 6 und 7 ermöglicht es, die Informationen V, VT oder V (T-T₀) zu wählen und an einen Analog-Digital-Wandler 10 anzulegen, um sie in Digitalinformationen umzuwandeln und sie für die numerische bzw. digitale Berechnung des korrigierten Druckes G _c verwendbar zu machen. V ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 6, wenn die Meßbrücke 4 an die stabilisierte Referenzspannung E angeschlossen ist, und V (T-T₀) ist die Ausgangsspannung, wenn die Meßbrücke 4 an die Meßbrücke 5 über deren Verstärker 7 angeschlossen ist.

Da die Werte der Dehnungsmeßstreifen sich nicht nur in Abhängigkeit von den Deformationen ändern, denen das deformierbare Element unterliegt, sondern auch insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur, ist es erforderlich, die elektrischen Signale zu korrigieren, die von der Meßbrücke 4 geliefert werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Zu diesem Zweck führt man eine Eichung der Meßzelle durch, um die Parameter eines vorgegebenen Polynomansatzes zu identifi zieren. Es wird hier folgender Fall betrachtet:

wobei G _c die korrigierte Ausgangsinformaiton ist. Dabei werden folgende Bezeichnungen verwendet:

G₀ = Nullabweichung bei der Temperatur T₀;

V = Ausgangsinformation der Meßzelle, die gegenüber der zu messenden Größe empfindlich ist, angeschlossen an E;

T = Temperatur der Meßzelle oder eine Funktion dieser Temperatur;

K ₂...K ₅ = parameter gemäß der Eichung der Meßzelle.

Somit erhält man zwei analoge Informationen. Die eine Information V _s, die von der Meßbrücke 4 geliefert wird, hat die Form:

V _S=kGE ,

wobei G die zu messende physikalische Größe ist, E die Ver sorgungsspannung der Meßbrücke ist und k den Skalierfaktor der Meßzelle angibt.

V _s hängt von dem zu messenden Druck und der Temperatur ab. Die andere Information wird von der Temperaturmeßbrücke 5 geliefert und hängt nur von Temperatur ab.

Man stellt fest, daß das Korrekturpolynom einen Term von der Form K ₃ V (T-T₀) enthält, der von zwei Meßwerten abhängt. Diese Information kann erhalten werden, indem man als Ver sorgungsspannung der Meßbrücke die Spannung verwendet, die von der Temperaturmeßbrücke 5 erzeugt wird, welche eine Funktion von (T-T₀) ist. Diese drei Informationen werden dann mit dem Analog-Digital-Wandler 10 digitalisiert, hier einem Spannungs-Frequenz-Wandler mit Zähler, und zwar am Ausgang des Umschalters 8.

Man muß nunmehr die korrigierte Digitalinformation auswer ten, indem man die Koeffizienten des Fehlermodels verwendet, die durch das Polynom definiert sind. Diese Koeffizienten werden berechnet aus den Daten der Eichung, die aus den drei Informationen erhalten werden, welche aus der Kette der Erfassung stammen. Dies ermöglicht es, einerseits eventuelle Abweichungen des analogen Teiles und der Umwandlung, ande rerseits Nichtlinearitäten zu berücksichtigen, die insbeson dere bei den Messungen der Temperaturinformationen und dem Produkt V (T-T₀) auftreten können.

Diese Korrektur wird realisiert durch eine Additionsserie der verschiedenen Terme des Polynoms. Zu diesem Zweck ist eine Speicher, der in Bereiche unterteilt ist, die den Termen des Polynoms, mit Ausnahme von G ₁V, zugeordnet sind, auf den Phasenausgang der Eichung des Meßwertaufnehmers programmiert, so daß er die folgenden Informationen enthält:

- G₀ als Nullabweichung bei der Temperatur T₀,
- K ₂ V ² in dem Speicher an den Adressen, die den n 1 hochwer tigen Bits der digitalisierten Information V entsprechen,
- K ₃ V (T-T₀) an den folgenden Adressen, die um n 2 hochwerti ge Bits der digitalisierten Information V (T-T₀) erhöht sind, und

in gleicher Weise die Informationen K ₄ (T-T₀) und K ₅ (T-T₀)² an den geeigneten Adressen.

Für eine sinnvolle Wahl der Adressen und der Anzahl von Bits, die für jede Art von Information erforderlich sind, speichert man somit sämtliche Korrekturterme bis auf den Term G ₁ V, der seinerseits direkt am Ausgang des Wandlers 10 erhalten wird, und zwar durch Einstellung der Verstärkung der Wandlerkette. Diese Terme sind direkt adressierbar aufgrund der digitalen Informationen, die von dem Wandler teil geliefert werden.

Es genügt, nacheinander die Addition dieser verschiedenen Terme vorzunehmen, um die korrigierte Information zu erhalten. Es wird darauf hingewiesen, daß der erforderliche Speicherplatz, um eine richtige Korrektur zu erhalten, um so kleiner ist, je kleiner die Koeffizienten K _i sind. In der Tat ist die erforderliche Auflösung zur Adressierung der verschiedenen Terme gleich dem Wert von ε _i/(K _i×Imax.), wobei ε _i der zulässige Fehler für den Term i und Imax. der Maximalwert dieses Termes ist. Die Terme K _i×Imax. haben im allgemeinen einen Wert, der relativ kleiner als 0,05 ist, wobei die erforderliche Auflösung der Adressierung in der Größenordnung von 20 ε _i liegt. Für ε _i = 0,01% ist es somit erforderlich, eine Auflösung von 0,2% vorzusehen, also 500 Adressierungsstellen pro Term.

Für vier Terme liegt die Anzahl der Adressen somit in der Größenordnung von 2000 mit 9 bis 10 Bits pro Adresse.

Zur praktischen Realisierung und Umsetzung des Meßwert aufnehmers gemäß Fig. 3 ist festzuhalten, daß die Werte der Koeffizienten K ₂ V ², K ₃ V (T-T₀), K ₄ (T-T₀) und K ₅ (T-T₀)² in den Bereichen eines Speichers 12 abgespeichert sind. Es wird daran erinnert, daß der Term G ₁ V direkt erhalten wird, indem man die Verstärkung des Verstärkers 6 einstellt, während der Wert G ₀ ebenfalls in dem Speicher 12 abgespeichert ist.

Eine Folgesteuerung 11 gewährleistet die erforderliche Synchronisation zwischen den verschiedenen Elementen, den Umschaltern 8 und 9, den Bereichen des Speichers 12 sowie einem Addierer 13, um die Berechnung des Wertes von G _c vor zunehmen, der den gemessenen und hier mit der Temperatur kompensierten Druck darstellt. Der Wandler 10, der Addierer 13 und der Speicher 12 sind mit einem Adressen- und Datenbus verbunden, wobei die Daten parallel übertragen werden. Ein derartiger Aufbau kann selbstverständlich auch verwendet werden, um den Wert von G _c mit einem komplexeren Modell zu berechnen, bei dem außerdem beispielsweise die Terme von V ³ und (T-T₀)³ aufsummiert werden.

Claims

1. Druckmeßwertaufnehmer mit Piezodehnungsmeßstreifen, die auf einem Element angeordnet sind, das durch Druckein wirkung deformierbar ist und eine Meßbrücke (4) bildet, wobei zur Kompensation des Temperatureinflusses auf die Dehnungsmeßstreifen temperaturempfindliche Widerstände (5) auf dem deformierbaren Element jeweils in symmetri scher Weise bezüglich einer spannungsfreien Linie ange ordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um zumindest in Abhängigkeit von der Temperatur, die von der Meßbrücke gelieferte Information gemäß einem Polynomansatz zu korrigieren
und daß die Korrektureinrichtung folgendes aufweist:

- einen Speicher (12), der in Bereiche unterteilt ist, die jeweils den verschiedenen Termen des Korrektur polynomansatzes zugeordnet sind und jeweils vorgegebene Korrekturdaten enthalten,
- eine Einrichtung (8-11) zur Adressierung der jeweiligen Daten des jeweiligen Bereiches im Speicher, gesteuert durch die Meßbrücke (4) und die temperaturempfindlichen Einrichtungen (5), und
- eine Einrichtung (11, 13) zum Auslesen der Speicherbe reiche und zum Addieren der Daten dieser Speicherberei che, um die korrigierte Druckinformation (G _c) zu erhalten.

2. Druckmeßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur des gemessenen Druckwertes gemäß nachstehendem Polynomansatz für G _c erfolgt: G _c = G ₀ + G₁V + K₂V ² + K₃V(T - T₀) + K₄(T - T₀) + K₅(T - T₀)²,wobei G ₀ und G ₁ Regelungskoeffizienten sind, K ₂ bis K ₅ Korrekturkoeffizienten sind, T die Temperaturinformation ist, T ₀ eine Referenztemperaturinformation ist, V die von der Meßbrücke (4) gelieferte Information ist, und der Term K ₃ V (T-T₀) des Polynoms sich auf die Information V (T-T₀) bezieht, die am Ausgang der Meßbrücke (4) erhalten wird, welche an die temperaturempfindliche Einrichtung (5) angeschlossen ist.