JPS6057016B2 - 圧力・差圧伝送器 - Google Patents

圧力・差圧伝送器

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JPS6057016B2
JPS6057016B2 JP51056079A JP5607976A JPS6057016B2 JP S6057016 B2 JPS6057016 B2 JP S6057016B2 JP 51056079 A JP51056079 A JP 51056079A JP 5607976 A JP5607976 A JP 5607976A JP S6057016 B2 JPS6057016 B2 JP S6057016B2
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JP
Japan
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circuit
output
pressure
bridge circuit
zero point
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JP51056079A
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俊次 白水
龍三 野田
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基板面に集積回路技術て形成した複数
個のひすみ抵抗素子を有する半導前式流体圧力センサを
内蔵する圧力・差圧伝送器に係り、特に入出力特性補償
回路系の改良を行つた圧力・差圧伝送器に関する。
半導体プレーナ技術の応用により、シリコンあるいは
ゲルマニウム等の単一結晶基板の一部(中央部)を流体
圧力に感応する起歪面として利用し、これに複数個のひ
すみ抵抗素子を拡散形成させた半導体圧力センサの開発
が盛んになつて来た。
この種のセンサは半導体バイポーラ集積回路の技術をそ
のまま応用できるので、従来の金属レバーにひずみゲー
ジを貼りつける方式や、金属機構と電磁コイルを組合わ
せた力平衡式のものに比べて、小形化高性能化が達成で
きる。 この種の半導体圧力センサは従来のセンサに比
較して、高域度であり、可動部が無いので摩耗しなく、
重力や加速度の影響を受けなく、繰り返しの精度が非常
に良い等の数々の利点を有している。
したがつて、圧力伝送器としての補償を施せば、極めて
精度の高い信頼性の良い伝送器とすることができる。半
導体センサに限らず、他のセンサでも工業用伝送器に応
用するためには、種々の補償が必要で、主なものとして
、直線性、温度ドリフトおよび零点遷移機能等の補償で
ある。これらの補償には種々のの手法が考えられている
が、半導体センサ特有の利点と生かした手法を用いる方
が望ましい。 半導体圧力センサは直線性補償を行う場
合に一つの大きな利点を持つている。
それはセンサの繰り返し圧力特性が極めて優れているこ
とと、非直線性があるとしても決つた方向性を持つてい
ることである。ピエゾ抵抗変化を利用する半導体ダイヤ
フラム式圧力センサの場合、入出力特性の非直線性は、
ダイヤフラム変形時の非線型成分によるものと考えられ
る。第1図に示したような半導体ダイヤフラム形圧力セ
ンサにおいいて、ダイヤフラムの径をa1厚さをh1流
体圧力をPとすると、ダイヤフラム上に形成された抵抗
ゲージ1,2の圧力による抵抗変化ΔRは、次のように
与えられる。但し、K1、K2は定数である。
ここで圧力Pに対する変化ΔRを非直線化しているのは
(1)式のK2Pl′3の項であり、ダイヤフラム変形
の非線型成分である。
従つて第2図の破線で示すように直線性からのすれはP
ll3の曲線の寄与で決つている。
このように一定の曲線てあれば直線性補償は電気的に容
易にできる。例えばこの補償を行うための電気回路系の
一例を示したものが第3図である。センサのゲージ抵抗
Rp,Rnはダミー抵抗である2個のRによつてブリッ
ジ回路3を構成する。ここでRp,Rnは圧力によつて
変化する方向が逆になつているものとする。そしてブリ
ッジ回路の供給電圧4は定電圧回路5によつて安定化さ
れるが、この供給電圧4にはブリッジの出力6をいつた
ん増幅器7を介した電圧が重畳される。このようにする
ことによつてブリッジ回路3には破線の帰還回路が構成
され、最終的にブリッジ回路3の出力(VOut)は増
幅器8から取り出される。このような回路構成において
は、圧力Pによるブリッジ回路3の出力をv(p)、帰
還をかけられた最終出力をVOut(p)とすると、た
だしA及びBは定数という形を取ることがわかる。
この場合ブリッジ回路3の出力v(p)が帰還.されな
にい場合の最終出力VOut(p)は、ゲージ抵拍只p
をR+ΔR,.RnをR−ΔRとし、電圧をEとすると
、となる。
VOut(p)は、ΔRに比例するのであるが、このΔ
Rは、第2図に示すように圧力Pの増大とともに歪んで
しまう。そこで、このΔRの25,コ′,1? トスv
八11會 ′D)n)自9自配t−t−1′―トートプ
J−TJ、に、ΔRの増大に比例してEをE+ΔEに増
大させるのである。すなわち、となるように、ブリッジ
回路3の出力を帰還している。
このような帰還構成を用いると、(1)式で与えられる
ような非直線は極めて良く直線化できることがわかる。
ダイヤフラム式半導体圧力センサに関Jする限り、セン
サ単体の直線性の大小には無関係に補償が行い得る。工
業用圧力伝送器に応用する場合には、上述の直線性補償
の他に電気的出力の基準レベルを設定するための零点遷
移機能を持たせることと、温度・補償を行うことである
工業用圧力伝送器は、石油、化学プラントあるいは原子
力プラント等のプロセス制御を目的とするため、供給電
圧24〔v〕D−Cで電流出力4〜20〔WL,A〕あ
るいは電圧出力1〜5〔v〕の規格に統一された2線式
であ・る。従つて伝送器側て施すセンサ補償用付属電子
回路には、容量的にも動作的にも極めて厳しい条件が求
められる。特にリニアリティ補償と零点遷移機能とを両
立させるためには多くの問題が派生するのがさけられな
かつた。第4図は半導体圧力センサを用いた圧力伝送器
の従来の電気回路の系統図を示したものである。圧力セ
ンサのうち、流体圧力を受けて抵抗増加を示すゲージR
pと抵抗減少を示すゲージRnは2個のダミー抵抗Rと
結合されてブリッジ回路9を構成する。ブリッジ回路9
出力はブリッジ零点遷移用シリーズ抵抗10を介して、
回路系温度補償部11、増巾器12、を経て伝送器の入
出力端に24〔v〕電源とシリーズに結合された250
〔Ω〕の外部抵抗18に4〜20〔7nA〕が流れ、1
〜5〔V〕の出力19となる。一方ブリッジ回路9には
、4〜20〔M,A〕の出力を帰還させ、帰還用増巾系
13を介して制御された供給電圧が印加される。そして
出力→帰還回路→ブリッジ供給電圧の制御によつてセン
サ自体の非直線性を補償する。この場合、非直線性の補
償は、第3図のときと同様にゲージ抵抗Rp,Rnの変
化に応じて変化するブリッジ回路9の出力変化を供給電
圧に帰還することによつて達成している。また、零点遷
移は、実際には流体圧力を受けゲージ抵植只P,Rnが
増加或いは減少している場合、すなわち、上述のブリッ
ジ回路9の出力が存在する場合でもブリッジ零点遷移用
シリーズ抵抗10を強制的に調整し、ブリッジ回路9の
出力が見かけ上存在しないようにしているのである。
尚、回路系自体の温度変動は、前述の回路系温度補償部
11で補償されるが、センサ自体の温度変動はブリッジ
回路9内に設けたポジスタ、15およびブリッジ温度補
償回路14で補償される。ここで示した従来方式の欠点
は、零点遷移機能を用いた場合に生ずる出力の精度低下
現象である。通常の測定器と異り、圧力伝送器は大形プ
ラント等の例えば石油タンクの油圧又は流量を測定する
に際して、石油タンク内残留油量レベルを規準にしなけ
ればならない場合がある。従つて零点出力がいつも大気
圧レベルであるとは限らず、フル出力の±80%まで移
動できる必要がある。第4図の回路て+および一側に8
0%(F−S)零点遷移を行つた場合のブリッジ回路及
び直線性補償の動作状態と出力特性の一例を示したもの
が第5図である。すなわち、例えば+80%の零点遷移
を行つた場合、供給電圧の増加量、いわゆる帰還量はゲ
ージ抵抗の変化に応じて動作するのであるが、基本とな
る供給電圧は零点遷移を行なわない場合のままであり、
このため所定の電圧が正しく帰還されても圧力入力80
%に対応する電圧印加を行なうことができないのである
。また、−80%の零点遷点に対しても逆のことが同様
に言える。
これかられかるように、零点遷移を行わない状態での最
大出力を100%とすると、+8C%遷移では最大出力
が約80%×Lだけ減少し、−80%遷移では約80%
×Lだけ増加してしまう。なおここでLは直線性補償を
行わない場合のセンサ自体の非直線性である。このよう
に零点遷移を行うと、補償しない場合のセンサの非直線
性の大小によつて測定精度が変わつてしまう。従来方式
で零点遷移時に生ずるこの欠点は、ブリッジ回路内で零
点遷移を行い、その出力を帰還させてブリッジ供給電圧
を制御し、直線性補償を行うために帰因するものである
。本発明は従来方式のかかる欠点に鑑みてなされたもの
で、極めて高精度で、充分な零点遷移機能を有する半導
体式圧力伝送器を提供するものてある。
そして第6図は本発明に係る半導体式圧力伝送器回路図
の一実施例を示したものである。第5図の従来方式と根
本的に異るのは、センサが構成するブリッジ回路を零点
遷移回路と独立させたところにある。すなわち本発明は
、零点遷移の影響により直線性補償の精度が劣化しない
ように、直線性補償と零点遷移とをそれぞれ独立の回路
を設ける点に特徴を有する。これはブリッジ回路からは
電気的に未処理のまま出力を取り出し、2つの系統に分
けることにより実現している。すなわち、ブリッジ回路
の一方の出力端子の出力を直線性補償回路を介して安定
化電源回路に帰還するとともに、参照レベルと比較し感
圧素子の入力に対する電気的出力の基準レベルを設定す
る零点遷移回路に入力するのである。この方式を採用す
ることによつて、センサの直線性補償と零点遷移機能と
を互いに電気的に独立して動作させ得る。
従来方式のようにセンサの直線性によつて零点遷移時の
特性が変わることなく、所望の零点設定を行うことがで
きる。次に第6図に基づいて、本発明に係る一方式を説
明する。センサで構成されるプリリツジ回路9の出力は
分岐点1において実線の矢印で示す出力と破線の矢印で
示す帰還へ分けられる。すなわち、直線性補償と零点遷
移とを独立した電気系統により行なうのである。
この破線で示す帰還側は電源安定化回路13,13″に
よつて安定化された、例えば24〔V〕電源の供給電圧
と、分岐点1からのブリッジ回路出力とが帰還回路によ
り重畳されて、ブリッジ回路9の供給電圧となる。この
ように直線性を補償するための回路(ブリッジ回路を含
む)には、補償特性の劣化原因となる零点遷移回路は存
在せず、従つて従来のように直線性補償は劣化すること
なく、精度良く動作する。一方、実線の矢印で示す出力
側は、零点遷移回路のシリーズ抵抗により可変できるよ
うにした参照レベルと比較出力されて所望の一定電位が
重畳される。
さらにこの零点遷移回路の出力は、ブリッジ回路の他方
の出力端子の出力が入力された電・気回路系の温度補償
部11の出力とともに比較出力回路12に加わり、外部
出力端19で4〜20(Rn,A)の出力電流又は1〜
5(V)の出力電圧となつて現われる。すなわち、零点
遷移回路20による零点遷移の影響は、上述の直線性補
償のための帰還回路には及ばない。
尚、電気回路系の温度補償11およびブリッジ回路系の
温度補償14,15は従来方式と同じである。以上詳述
した如く、本発明に係る回路方式を用いれば、センサの
直線性の良否に拘ることなく、又いかなる補償方式と採
用しようとも零点遷移によつて直線性の補償特性を劣化
せしめる欠点が除去される。しかも、零点遷移か、フル
出力±80%に止らず±100%以上が可能である。本
発明では半導体圧力センサを別個の付属電気回路で特性
補償する場合についてのみ述べたが、本発明の思想は、
半導体圧力センサと付属回路系とが同一半導体基板内に
形成された場合、いわゆる集積型センサにおいても共通
に当てはまることは言うまでも無い。又単なる半導体圧
力センサに止まらず、他のセンサ、例えば温度センサ、
磁気センサ、放射線センサ、光センサ等各種センサにも
適用可能であることは当業者にとつて容易に認められる
ことである。
【図面の簡単な説明】
第1図は半導体ダイヤフラム型圧力センサの一例の構成
の断面を示す図、第2図は圧力に対する抵抗変化の非直
線性の一例を示す曲線図、第3図は従来の半導体ダイヤ
フラム型センサの非直線性を補正するための帰還回路を
示す構成回路図、第4図は従来方式の圧力伝送器の電気
回路系を示す系統図、第5図は従来式回路で零点遷移を
行つた場合の出力の誤差を示す特性図、第6図は本発明
一実施例の圧力伝送器を示す電気回路系統図である。 第6図において、9はブリッジ回路、11は回路系温度
補償部、12は増幅器、13は安定化電源回路、14は
ブリッジ温度補償回路、15はポジユタ、18は外部抵
抗、19は出力端、20は零点遷移回路である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 ピエゾ抵抗素子からなり流体の圧力に感応する感圧
    素子と複数の抵抗素子からなり前記感圧素子の温度補償
    を行なう温度補償部とを有するブリッジ回路と、該ブリ
    ッジ回路の入力端子に供給する電圧を安定化させる安定
    化電源回路と、前記ブリッジ回路の一方の出力端子の出
    力を前記安定化電源回路に帰還して前記ブリッジ回路の
    入力端子に供給する電圧を制御し前記感圧素子の直線性
    補償を行なう直線性補償回路と、前記ブリッジ回路の前
    記一方の出力端子の出力と参照レベルを比較し前記感圧
    素子の入力に対する電気的出力の基準レベルを設定する
    零点遷移回路と、該零点遷移回路の出力と前記ブリッジ
    回路の他方の出力端子の出力に応じた信号とを比較出力
    する回路とを具備することを特徴とする圧力・差圧伝送
    器。
JP51056079A 1976-05-18 1976-05-18 圧力・差圧伝送器 Expired JPS6057016B2 (ja)

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JPS52139456A JPS52139456A (en) 1977-11-21
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JPS5832646B2 (ja) * 1978-09-08 1983-07-14 株式会社東芝 圧力伝送器
JPS5769497A (en) * 1980-10-15 1982-04-28 Copal Co Ltd Method of compensating temperature or like in displacement detector
JPS5790107A (en) * 1980-11-26 1982-06-04 Toyoda Mach Works Ltd Method for compensating temperature in semiconductor converter

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