WO2006051081A1 - Schaltungsanordnung zum messen einer mechanischen verformung - Google Patents

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WO2006051081A1
WO2006051081A1 PCT/EP2005/055860 EP2005055860W WO2006051081A1 WO 2006051081 A1 WO2006051081 A1 WO 2006051081A1 EP 2005055860 W EP2005055860 W EP 2005055860W WO 2006051081 A1 WO2006051081 A1 WO 2006051081A1
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resistor
amplifier
circuit arrangement
circuit
resistors
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PCT/EP2005/055860
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Inventor
Jörg Schmidtke
Peter Strohm
Steffen Klein
Original Assignee
Bosch Rexroth Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/04—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges
    • G01L9/045—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges with electric temperature compensating means

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1, which serves for measuring a mechanical deformation, in particular caused by pressure.
  • a circuit arrangement of the generic type is known from US 5,134,885.
  • This known circuit arrangement makes it possible to measure a mechanical deformation caused by pressure by means of a bridge circuit of resistors whose respective resistance value changes as a function of the mechanical deformation exerted. Because these resistors are deformed by a pressure-receiving membrane, the signal generated at their bridge outputs is proportional to the applied pressure.
  • this known circuit arrangement furthermore has a first amplifier which pre-amplifies the bridge output signal generated by the bridge circuit with adjustable sensitivity and amplifies the pre-amplified one Signal to a second amplifier with which a zero-point adjustment of the generated measurement output signal is performed.
  • a resistance network is provided in the amplification circuit known from US Pat. No. 5,134,885, which contains a plurality of temperature detection resistors with a temperature-dependent resistance value and whose Output together with the output of the first amplifier is also coupled to the input of the second amplifier. This resistance network is adjusted so that it generates a compensation signal which compensates for the temperature-dependent zero-point drift of the measurement output signal at the second amplifier.
  • the zero-point drift compensation resistor network is designed so that both temperature-dependent zero point drifts of different sign and of different sizes can be taken into account.
  • the known compensation resistor network has in each case two temperature detection resistors with a positive temperature coefficient and two further temperature detection resistors with a negative temperature coefficient, the influence of which on the compensation output signal is influenced by respectively assigned adjustable resistors can.
  • Circuit arrangements of the generic type are generally housed together with the pressure-receiving membrane in a common housing, which thus forms after completion of adjustment of the membrane-specific parameters a fully functional pressure sensor with integrated electronics.
  • Such pressure sensors should be as compact as possible in practice, even at tight spaces
  • the present invention is accordingly based on the object, a circuit arrangement of the generic type so that the compensation of b ⁇ pending zero-point drift can be realized with the lowest possible Heidelbergungs ⁇ effort and in particular with a minimum space requirement.
  • the invention accordingly proposes to provide only a single temperature sensing resistor for the zero-point drift compensation resistor network, one end of which is selectively connectable to the supply voltage or the ground of the circuit via a switch, and the other end to a resistor arrangement of adjustable resistance acting on the coupled to the output of the first amplifier input of the second amplifier.
  • Direction of compensation can be set while adjusting the resistance of the resistor assembly a correct determination of the size of the compensation ermög ⁇ light. Because the structure according to the invention of the neutral point drift compensation resistor network requires significantly fewer circuit elements than the known resistor network, not only the production costs but also the area requirement are correspondingly reduced. The compensation circuit according to the invention can therefore also be used in compact pressure sensors.
  • Circuit arrangement are the subject of the dependent claims 2 to 9. If, for example, according to the teaching of claim 2, the switch consists of two resistors connected in parallel, each connected to the supply voltage or ground via a tunable resistor, it is according to claim 3 It is possible to set the direction of the zero point drift compensation, for example, by cutting one of the two adjustable resistors by means of a laser. Similarly, claims 4 and 5 provide a resistance arrangement in which the resistance value required in each case for the membrane used (which determines the size of the zero-point drift compensation) can be adjusted by means of laser cut-throughs. The invention thus allows the adaptation to the parameters of the membrane used via cheapest
  • a temperature dependency of the sensitivity of the membrane can finally be corrected by using a further resistor network of the type according to the invention, which is connected to an input of the first amplifier.
  • the circuit arrangement according to the invention has a bridge circuit B consisting of resistors R1 to R4, whose resistors R2 and R3 have a constant resistance value, while the respective resistance values are the bridge resistors R1 and R4 as a function of an adjacent one changes mechanical deformation p, which is generated by a pressure-receiving membrane, not shown.
  • a bridge circuit B consisting of resistors R1 to R4, whose resistors R2 and R3 have a constant resistance value, while the respective resistance values are the bridge resistors R1 and R4 as a function of an adjacent one changes mechanical deformation p, which is generated by a pressure-receiving membrane, not shown.
  • At the circuit node of the resistors Rl and R3 is a supply voltage + on, while the circuit node of the resistors R2 and R4 is connected to ground;
  • the bridge output signal picked between the circuit nodes of the resistors R1 and R2 and the resistors R3 and R4 thus has a voltage
  • the bridge output signal present at the circuit node of the resistors R1 and R2 is supplied to the inverting input of a first amplifier V1 in the form of an operational amplifier, while the bridge output signal applied to the circuit node of the resistors R3 and R4 is applied to the non-inverting input of the first amplifier V1 and the non-inverting input of a second amplifier Ver ⁇ V2 is supplied, which is also an operational amplifier.
  • the output signal of the first amplifier Vl is applied to the inverting input of the second amplifier V2, wherein its output signal is the measurement output signal U of the circuit, which reflects the ge measured pressure.
  • the first amplifier Vl amplifies the supplied
  • Bridge output signal wherein the respective Verstärkungs ⁇ factor via a feedback circuit, not shown, if necessary is adjustable to a predetermined value taking into account the characteristic of the pressure-receiving membrane used.
  • the second amplifier V2 is used to set the zero point of the circuit, that is, this second amplifier V2 is via a likewise not shown feedback circuit able to set the zero threshold of the output signal, possibly also taking into account the characteristic of the respective pressure-receiving membrane, that this zero threshold corresponds to the pressure value 0.
  • a resistance network N is provided according to the invention, whose correction signal K is present at the inverting input of the second amplifier V2.
  • the resistor network N consists of a parallel connection of two resistors 12 and 14, which are each connected via a laser-tunable resistor 11 and 13 to the supply voltage + or to ground -.
  • the circuit node of the resistors R12 and R14 is connected to the one end of a resistor RT having a negative temperature coefficient (NTC) and to the one end of a resistor R15 connected in parallel therewith, whose resistance value is chosen such that it matches the non-linear characteristic of the NTC resistor RT largely linearized.
  • NTC negative temperature coefficient
  • the respective other end of the resistors RT and R15 is connected to one end of a parallel circuit of resistors R23 to R25, the other end of which supplies the second amplifier V2 supplied correction signal K.
  • the two resistors R23 and R24 are also connected in series with a laser-tunable resistor R21 and R22.
  • the resistors R23 to R25 each have a different resistance value.
  • the adjustment of the resistance network N is carried out as follows: First, the direction of the zero-point drift of the membrane used in the case of a temperature change is determined. Depending on this, either the laser-tunable resistor RlI or the laser-equivalent resistor R13 is completely severed by means of a laser, so that either a positive voltage or ground is present at the end of the resistors 12 and 14 facing the temperature-sensing resistor RT. The corre sponding correction signal K accordingly corrects the zero-point drift in either the negative or positive direction.
  • the extent of the temperature-induced zero drift of the membrane used is determined. From this, a resistance value for the parallel connection is calculated from the resistors R23 to R25, which gives the correction signal K a suitable degree of compensation. Thereafter, either the laser tunable resistor R21 and / or the laser tunable resistor R22 is completely cut by the laser or both resistors R21 and R22 are left intact. It can be seen that a total of four different resistance values can be achieved in this way, with that one of these discrete resistance values being selected which comes closest to the calculated resistance value. It has been shown in practice that with four discrete resistance values with a suitable choice of the respective individual resistance values, the characteristics of the conventional membranes can be taken into account.
  • the compensation measure of the temperature-induced zero-point drift is to be set even more precisely, this can be achieved without problems by increasing the number of parallel-connected resistors.
  • An even finer adjustment of the resistance value can optionally also be achieved in that the laser-tunable resistors R21 and R22 are not completely severed, but are changed in their resistance value by means of the laser.
  • the described adjustment of the resistor network N can be done simultaneously with the balancing of the other circuit components such as in particular the feedback circuits done.
  • PTC positive temperature coefficient
  • a temperature compensation of the sensitivity of the membrane is also desired, this can be achieved by imprinting on the inverting input of the first amplifier V 1, as can be seen from the figure, a compensation signal which is influenced by a further resistor stand network N2 is generated, the structure of which corresponds to the be ⁇ described resistor network N.
  • a compensation signal which is influenced by a further resistor stand network N2 is generated, the structure of which corresponds to the be ⁇ described resistor network N.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Messen einer insbesondere durch Druck hervorgerufenen mechanischen Verformung mittels einer Brückenschaltung von Widerständen offenbart, deren Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der jeweiligen mechanischen Verformung ändert, wobei ein erster Verstärker das von der Brückenschaltung erzeugte Brücken-Ausgangssignal mit einstellbarer Empfindlichkeit vorverstärkt und das vorverstärkte Signal einem zweiten Verstärker zuführt, mit dem ein Nullpunktabgleich des von ihm erzeugten Mess-Ausgangssignals durchführbar ist, wobei am Eingang des zweiten Verstärkers ferner das Korrektursignal eines Widerstandsnetzwerks anliegt, das mindestens einen Temperaturerfassungs-Widerstand mit temperaturabhängigem Widerstandswert enthält und so abgeglichen ist, dass es eine temperaturabhängige Nullpunkt-Drift des Mess-Ausgangssignals kompensiert. ErfindungsgemäSS weist das Widerstandsnetzwerk nur einen einzigen Temperaturerfassungs-Widerstand auf, dessen eines Ende über einen Schalter wahlweise mit der Versorgungsspannung oder der Masse der Schaltungsanordnung verbindbar ist und dessen anderes Ende über eine Widerstandsanordnung mit einstellbarem Widerstandswert auf den mit dem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang des zweiten Verstärkers einwirkt.

Description

Beschreibung
SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM MESSEN EINER MECHANISCHEN
VERFORMUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schal¬ tungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die zum Messen einer insbesondere durch Druck hervorgerufenen mechanischen Verformung dient.
Eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art ist aus der US 5.134.885 bekannt. Diese bekannte Schaltungs¬ anordnung ermöglicht die Messung einer durch Druck hervor¬ gerufenen mechanischen Verformung mittels einer Brücken- Schaltung von Widerständen, deren jeweiliger Widerstands¬ wert sich in Abhängigkeit von der ausgeübten mechanischen Verformung ändert. Da diese Widerstände durch eine Druck aufnehmende Membran verformt werden, ist das an ihren Brücken-Ausgängen erzeugte Signal proportional zum einwir- kenden Druck. Um ein dem gemessenen Druck entsprechendes, für die Weiterverarbeitung geeignetes Mess-Ausgangssignal erzeugen zu können, weist diese bekannte Schaltungsanord¬ nung ferner einen ersten Verstärker auf, der das von der Brückenschaltung erzeugte Brücken-Ausgangssignal mit ein- stellbarer Empfindlichkeit vorverstärkt und das vorver¬ stärkte Signal einem zweiten Verstärker zuführt, mit dem ein Nullpunktabgleich des erzeugten Mess-Ausgangssignals durchgeführt wird.
Da sich der Nullpunkt des erzeugten Mess-Ausgangssig¬ nals in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Tempe¬ ratur ändert, ist in der aus der US 5.134.885 bekannten Verstärkungsschaltung ein Widerstandsnetzwerk vorgesehen, das mehrere Temperaturerfassungs-Widerstände mit tempera- turabhängigem Widerstandswert enthält und dessen Ausgang zusammen mit dem Ausgang des ersten Verstärkers ebenfalls mit dem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist. Dieses Widerstandsnetzwerk ist so abgeglichen, dass es ein Kompensationssignal erzeugt, das die temperaturabhängige Nullpunktdrift des Mess-Ausgangssignals am zweiten Verstär¬ ker kompensiert.
Da die bekannte Verstärkerschaltung einerseits in der Lage sein soll, auch bei Verwendung unterschiedlicher, oft¬ mals auch von verschiedenen Herstellern stammenden Membra¬ nen übereinstimmende Mess-Ausgangssignale zu liefern, und da andererseits selbst gleichartige Membranen aufgrund von Herstellungstoleranzen unterschiedliche Kennwerte aufwei¬ sen, ist das Nullpunktdriftkompensations-Widerstandsnetz- werk so ausgelegt, dass sowohl temperaturbedingte Null¬ punktdriften verschiedenen Vorzeichens als auch unter- schiedlicher Größe berücksichtigt werden können. Zu diesem Zweck weist das bekannte Kompensations-Widerstandsnetzwerk jeweils zwei Temperaturerfassungs-Widerstände mit positivem Temperatur-Koeffizienten und zwei weitere Temperaturerfas- sungs-Widerstände mit negativem Temperatur-Koeffizienten auf, deren Einfluss auf das Kompensations-Ausgangssignal durch jeweils zugeordnete einstellbare Widerstände beein- flusst werden kann. Durch geeignete Einstellung dieser Widerstände in Abhängigkeit von den ermittelten Parametern der jeweils angeschlossenen Membran ist es möglich, die temperaturabhängige Nullpunktdrift der angeschlossenen
Membran sowohl hinsichtlich ihres Vorzeichens als auch im Hinblick auf ihre Größe zu kompensieren.
Schaltungsanordnungen der gattungsgemäßen Art werden in der Regel zusammen mit der druckaufnehmenden Membran in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das somit nach erfolgtem Abgleich der membranspezifischen Parameter einen vollständig funktionsfähigen Drucksensor mit integrierter Elektronik bildet. Derartige Drucksensoren sollen in der Praxis so kompakt wie möglich sein, um auch an beengten
Stellen eine Druckerfassung zu ermöglichen. Die zahlreichen Temperaturerfassungs-Widerstände und die diesem zugeordne- ten einstellbaren Widerstände des Kompensations-Wider- standsnetzwerks der bekannten Schaltungsanordnung erfordern jedoch einen verhältnismäßig großen Schaltungsaufwand, der sich nicht nur auf die Herstellungskosten negativ auswirkt, sondern auch den Platzbedarf der gesamten integrierten
Schaltung entsprechend erhöht. Insbesondere bei kompakten Drucksensoren kann dieser erhöhte Platzbedarf zu Problemen führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass die Kompensation der temperaturab¬ hängigen Nullpunktdrift mit geringstmöglichem Schaltungs¬ aufwand und insbesondere mit einem minimalen Flächenbedarf realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kenn¬ zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen ge¬ löst.
Die Erfindung schlägt demgemäß vor, für das Nullpunkt- driftkompensations-Widerstandsnetzwerk nur einen einzigen Temperaturerfassungs-Widerstand vorzusehen, dessen eines Ende über einen Schalter wahlweise mit der Versorgungs- Spannung oder der Masse der Schaltungsanordnung verbindbar ist und dessen anderes Ende über eine Widerstandsanordnung mit einstellbarem Widerstandswert auf den mit dem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelten Eingang des zweiten Verstärkers einwirkt. Untersuchungen mit den unterschied- lichsten Druckmembranen haben gezeigt, dass ein solcherma¬ ßen aufgebautes Nullpunktdriftkompensations-Widerstands- netzwerk in der Lage ist, stets eine hervorragende Kompen¬ sation zu gewährleisten; indem nämlich der Temperaturerfas- sungs-Widerstand entweder mit der Versorgungsspannung oder mit Masse verbunden wird, kann auf einfache Weise die
Richtung der Kompensation festgelegt werden, während die Einstellung des Widerstandswerts der Widerstandsanordnung eine korrekte Festlegung der Größe der Kompensation ermög¬ licht. Dadurch, dass der erfindungsgemäße Aufbau des NuIl- punktdriftkompensations-Widerstandsnetzwerks deutlich weni¬ ger Schaltungselemente als das bekannte Widerstandsnetzwerk erfordert, werden nicht nur die Herstellungskosten sondern auch der Flächenbedarf entsprechend verringert. Die erfin¬ dungsgemäße Kompensationsschaltung kann daher auch bei kom¬ pakten Drucksensoren verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. Wenn der Schalter beispielsweise gemäß der Lehre des Anspruchs 2 aus zwei parallel geschalteten Widerständen ge¬ bildet ist, die jeweils über einen abgleichbaren Widerstand mit der Versorgungsspannung bzw. mit Masse verbunden sind, ist es gemäß Anspruch 3 möglich, die Richtung der Null¬ punktdrift-Kompensation beispielsweise dadurch festzulegen, dass einer der beiden abgleichbaren Widerstände mittels eines Lasers durchtrennt wird. In ähnlicher Weise schaffen die Ansprüche 4 und 5 eine Widerstandsanordnung, bei der der jeweils für die verwendete Membran erforderliche Wider¬ standswert (der die Größe der Nullpunktdrift-Kompensation festlegt) mit Hilfe von Laserdurchtrennungen eingestellt werden kann. Die Erfindung ermöglicht somit die Anpassung an die Parameter der verwendeten Membran über billigste
Bauteile in Form laserabgleichbarer Widerstände, womit etwa im Vergleich zu mechanischen Schaltern oder Potentiometern Kosten und auch Platz gespart wird.
Gemäß der Lehre der Ansprüche 10 bis 12 kann schlie߬ lich durch Verwendung eines weiteren Widerstandsnetzwerks der erfindungsgemäßem Art, das an einen Eingang des ersten Verstärkers angeschlossen ist, auch eine Temperaturabhän¬ gigkeit der Empfindlichkeit der Membran korrigiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeich- nung näher erläutert, deren einzige Figur das teilweise nur schematisch dargestellte Blockschaltbild einer erfindungs¬ gemäßen Schaltungsanordnung zeigt.
Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist die erfin¬ dungsgemäße Schaltungsanordnung eine Brückenschaltung B aus Widerständen Rl bis R4 auf, deren Widerstände R2 und R3 einen konstanten Widerstandswert aufweisen, während sich der jeweilige Widerstandswert die Brücken-Widerstände Rl und R4 in Abhängigkeit von einer anliegenden mechanischen Verformung p ändert, die von einer nicht gezeigten druck¬ aufnehmenden Membran erzeugt wird. Am Schaltungsknoten der Widerstände Rl und R3 liegt eine Versorgungsspannung + an, während der Schaltungsknoten der Widerstände R2 und R4 mit Masse verbunden ist; das zwischen den Schaltungsknoten der Widerstände Rl und R2 und der Widerstände R3 und R4 abge¬ griffene Brücken-Ausgangssignal hat somit einen Spannungs¬ wert, der sich in Abhängigkeit vom anliegenden Druck än¬ dert.
Das am Schaltungsknoten der Widerstände Rl und R2 anliegende Brücken-Ausgangssignal wird dem invertierenden Eingang eines ersten Verstärkers Vl in Form eines Opera¬ tionsverstärkers zugeführt, während das am Schaltungsknoten der Widerstände R3 und R4 anliegende Brücken-Ausgangssignal dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Verstärkers Vl sowie dem nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Ver¬ stärkers V2 zugeführt wird, bei dem es sich ebenfalls um einen Operationsverstärker handelt. Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers Vl liegt am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 an, wobei dessen Ausgangssignal das Mess-Ausgangssignal U der Schaltung darstellt, das den ge¬ messenen Druck widerspiegelt.
Der erste Verstärker Vl verstärkt das zugeführte
Brücken-Ausgangssignal, wobei der jeweilige Verstärkungs¬ faktor über eine nicht gezeigte Rückkopplungsschaltung ggf. unter Berücksichtigung der Kennlinie der verwendeten druck¬ aufnehmenden Membran auf einen vorbestimmten Wert einstell¬ bar ist. Der zweite Verstärker V2 dient zur Einstellung des Nullpunkts der Schaltung, d.h. dieser zweite Verstärker V2 ist über eine ebenfalls nicht gezeigte Rückkopplungsschal¬ tung in der Lage, die Nullschwelle des Ausgangssignals, ggf. ebenfalls unter Berücksichtigung der Kennlinie der jeweiligen druckaufnehmenden Membran, so einzustellen, dass diese Nullschwelle dem Druckwert 0 entspricht.
Zur Kompensation einer temperaturabhängigen Nullpunkt¬ drift des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers V2 ist erfindungsgemäß ein Widerstandsnetzwerk N vorgesehen, des¬ sen Korrektursignal K am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 anliegt. Das Widerstandsnetzwerk N besteht aus einer Parallelschaltung zweier Widerstände 12 und 14, die jeweils über einen laserabgleichbaren Widerstand 11 bzw. 13 mit der Versorgungsspannung + bzw. mit Masse - verbunden sind. Der Schaltungsknoten der Widerstände R12 und R14 ist mit dem einen Ende eines Widerstands RT mit negativem Temperaturkoeffzienten (NTC) sowie dem einen Ende eines diesem parallelgeschalteten Widerstands R15 verbun¬ den, dessen Widerstandswert so gewählt ist, dass er die nichtlineare Kennlinie des NTC-Widerstands RT weitgehend linearisiert. Das jeweils andere Ende der Widerstände RT und R15 ist mit einem Ende einer Parallelschaltung aus Widerständen R23 bis R25 verbunden, deren anderes Ende das dem zweiten Verstärker V2 zugeführte Korrektursignal K liefert. Die beiden Widerstände R23 und R24 sind zudem in Reihe mit einem laserabgleichbaren Widerstand R21 bzw. R22 geschaltet. Die Widerstände R23 bis R25 haben jeweils einen unterschiedlichen Widerstandswert.
Der Abgleich des Widerstandsnetzwerks N wird wie folgt durchgeführt: Zunächst wird die Richtung der bei einer Tem¬ peraturänderung hervorgerufenen Nullpunkdrift der verwende¬ ten Membran bestimmt. In Abhängigkeit davon wird entweder der laserabgleichbare Widerstand RlI oder der laserab- gleichbare Widerstand R13 mittels eines Lasers vollständig durchtrennt, so dass an dem dem temperaturfühlenden Wider¬ stand RT zugewandten Ende der Widerstände 12 und 14 entwe- der eine positive Spannung oder Masse anliegt. Das entspre¬ chende Korrektursignal K korrigiert die Nullpunktdrift demgemäß entweder in negativer oder positiver Richtung.
Anschließend wird das Ausmaß der temperaturbedingten Nullpunkdrift der verwendeten Membran bestimmt. Hieraus wird ein Widerstandswert für die Parallelschaltung aus den Widerständen R23 bis R25 berechnet, der dem Korrektursignal K einen geeigneten Kompensationsgrad verleiht. Daraufhin wird entweder der laserabgleichbare Widerstand R21 und/oder der laserabgleichbare Widerstand R22 mittels des Lasers vollständig durchtrennt oder es werden beide Widerstände R21 und R22 intakt gelassen. Es ist ersichtlich, dass sich auf diese Weise insgesamt vier verschiedene Widerstands¬ werte erzielen lassen, wobei derjenige dieser diskreten Widerstandswerte gewählt wird, der dem berechneten Wider¬ standswert am nächsten kommt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass mit vier diskreten Widerstandswerten bei ge¬ eigneter Wahl der jeweiligen Einzel-Widerstandswerte die Kennlinien der gebräuchlichen Membranen berücksichtigt wer- den können. Wenn das Kompensationsmaß der temperaturbeding¬ ten Nullpunkdrift noch genauer eingestellt werden soll, kann dies durch eine Erhöhung der Anzahl der parallelge¬ schalteten Widerstände problemlos erreicht werden. Eine noch feinere Einstellung des Widerstandswerts kann ggf. auch dadurch erzielt werden, dass die laserabgleichbaren Widerstände R21 und R22 nicht vollständig durchtrennt, sondern mittels des Lasers in ihrem Widerstandswert geän¬ dert werden.
Der beschriebene Abgleich des Widerstandsnetzwerks N kann gleichzeitig mit dem Abgleich der anderen Schaltungs- komponenten wie insbesondere der Rückkopplungsschaltungen erfolgen.
Ggf. kann anstelle des NTC-Widerstands RT auch ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) eingesetzt werden.
Wenn auch eine Temperaturkompensation der Empfindlich¬ keit der Membran gewünscht ist, kann dies dadurch erreicht werden, dass dem invertierenden Eingang des ersten Verstär¬ kers Vl, wie aus der Figur ersichtlich ist, ein Kompensa¬ tionssignal eingeprägt wird, das von einem weiteren Wider¬ standsnetzwerk N2 erzeugt wird, dessen Aufbau dem des be¬ schriebenen Widerstandsnetzwerks N entspricht. Durch geeig- neten Abgleich dieses Widerstandsnetzwerk N2 ist es mög¬ lich, sowohl die Richtung als auch den Betrag der Empfind¬ lichkeitsänderung der jeweiligen Membran bei einer Tempera¬ turschwankung zu berücksichtigen und zu korrigieren. Der Abgleich des zweiten Widerstandsnetzwerks N2 erfolgt in gleicher Weise wie der zuvor beschriebene Abgleich des Wi¬ derstandsnetzwerks N.
Bezugszeichenliste
B Brückenschaltung p mechanische Verformung R1-R4 Brücken-Widerstände
+ Versorgungsspannung Masse
Vl Erster Verstärker
V2 Zweiter Verstärker U Mess-Ausgangssignal
N Widerstandsnetzwerk
N2 Zweites Widerstandsnetzwerk
K Korrektursignal
R12, R14 Widerstände für Nulldriftkompensationsrichtung
RlI, R13 laserabgleichbare Widerstände ="=
RT NTC-Widerstand
R15 Kompensationswiderstand des NTC-Widerstands
R23-R25 Widerstände für Größe der Nulldriftkompensation
R21, R22 laserabgleichbare Widerstände ="=

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Messen einer insbesondere durch Druck (p) hervorgerufenen mechanischen Verformung mittels einer Brückenschaltung (B) von Widerständen (Rl bis R4) , deren Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der jeweiligen mechanischen Verformung ändert, wobei ein erster Verstärker (Vl) das von der Brückenschaltung erzeugte Brücken-Ausgangssignal mit einstellbarer Empfindlichkeit vorverstärkt und das vorverstärkte Signal einem zweiten
Verstärker (V2) zuführt, mit dem ein Nullpunktabgleich des von ihm erzeugten Mess-Ausgangssignals (U) durchführbar ist, wobei am Eingang des zweiten Verstärkers (V2) ferner das Korrektursignal (K) eines Widerstandsnetzwerks (N) anliegt, das mindestens einen Temperaturerfassungs-Wider- stand (RT) mit temperaturabhängigem Widerstandswert enthält und so abgeglichen ist, dass es eine temperaturabhängige Nullpunktdrift des Mess-Ausgangssignals (U) kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsnetzwerk (N) nur einen Temperaturerfas- sungs-Widerstand (RT) enthält, dessen eines Ende über einen Schalter (RlI bis R14) wahlweise mit der Versorgungsspan¬ nung (+) oder der Masse (-) der Schaltungsanordnung ver¬ bindbar ist und dessen anderes Ende über eine Widerstands- anordnung (R21 bis R25) mit einstellbarem Widerstandswert auf den mit dem Ausgang des ersten Verstärkers (Vl) gekop¬ pelten Eingang des zweiten Verstärkers (V2) einwirkt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Schalter aus zwei parallel geschal¬ teten Widerständen (R12, R14) gebildet ist, die jeweils über einen abgleichbaren Widerstand (RlI bzw. R13) mit der Versorgungsspannung (+) bzw. der Masse (-) der Schaltungs¬ anordnung verbunden sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Wahl der Richtung der Nullpunkt- drift-Kompensation dadurch erfolgt, dass einer der beiden abgleichbaren Widerstände (RlI bzw. R13) mittels eines Lasers durchtrennt wird.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung aus einer Anzahl parallel geschalteter Widerstände (R23 bis R25) mit unterschiedlichem Widerstandswert gebildet ist, von denen mindestens einige über einen jeweiligen Schalter (R21, R22) selektiv mit dem Temperaturerfassungs-Widerstand (RT) verbindbar sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der jeweilige Schalter aus einem mittels eines Lasers durchtrennbaren Widerstand (R21, R22) gebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturerfassungs- Widerstand (RT) ein Widerstand mit negativem Temperatur¬ koeffizienten (NTC) ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass dem Temperaturerfassungs-Widerstand (RT) ein Widerstand (R15) zur Linearisierung seiner Kennlinie parallel geschaltet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärker (Vl, V2) Operationsverstärker sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (Rl bis R4) der Brückenschaltung (B) von einer Membran mechanisch ver- formt werden.
10. Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1, bei der die Widerstände (Rl bis R4) der Brücken¬ schaltung (B) von einer Membran mechanisch verformt werden, gekennzeichnet durch ein Widerstandsnetzwerk (N2) nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1, das an einen Eingang des ersten Verstärkers (Vl) angeschlossen ist und so abgeglichen ist, dass es die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit der Membran korrigiert.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Widerstandsnetzwerk (N2) mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (Vl) verbun¬ den ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, da¬ durch gekennzeichnet, dass das Widerstandsnetzwerk (N2) gemäss dem Kennzeichnungsteil eines der Ansprüche 2 bis 7 ausgebildet ist.
PCT/EP2005/055860 2004-11-11 2005-11-09 Schaltungsanordnung zum messen einer mechanischen verformung WO2006051081A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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