TEST CIRCUIT FOR ELECTRICALLY MEASURING MECHANICAL QUANTITIES

Abstract: 1. A circuit for the electric measurement of mechanical variables, comprising a Wheatstone bridge (1) and in which circuit the fault-encumbered measured voltage (UM' ) supplied by this Wheatstone bridge (1) is converted, by active compensation by means of a correction resistance for generating a correction voltage (UKO ) of one amplifier (4, 9) each for the correction voltage (UKO ) on the one hand and the fault-encumbered measured voltage (UM' ) on the other hand, and of a subsequent subtracting element (6) for the two amplified voltages, into a fault-free output measured voltage (UM ), characterised in that the Wheatstone bridge (1) simultaneously forms the correction resistance by means of its total resistance, that, for the purpose of active compensation of the sensitivity fluctuation of the Wheatstone bridge (1), the product of the total resistance and the bridge factor of the Wheatstone bridge (1) is constant with respect to temperature and that a constant current source (2) is provided for supplying the Wheatstone bridge (1).

Description: Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Messschaltung zum elektrischen Messen mechanischer Grössen, mit einer eine Messspannung abgebenden Wheatstone-Brücke, einem Korrekturwiderstand zur Erzeugung einer Korrekturspannung und je einem Verstärker für die Korrekturspannung einerseits und die Messspannung andererseits sowie einem nachgeschiteten Subtrahierglied für die beiden verstärkten Spannungen. Beim elektrischen Messen mechanischer Grössen unter Temperatur änderung während des Messvorganges stellen sich insbesondere zwei Probleme ein, nämlich Nullpunktsänderungen des Systems infolge Temperaturänderungen und Empfindlichkeitsänderungen des Systems infolge Temperaturänderungen. Um diesen beiden, das Messergebnis verfälschenden Einflüssen entgegenzuwirken ist im Stand der Technik die aktive und die passive Kompensation bekannt. Die vorliegende Erfindung baut auf der aktiven Kompensation auf. Ganz allgemein ist es bekannt, zu Messung mechanischer Grössen, z.B. Drücke, Verschiebungen, Beschleunigungen usw., Halbleitermessaufnehmer einzusetzen. Sie nutzen den piezoresistiven Effekt von Silizium aus, das dielektrisch isoliert auf eine Siliziummembran in Form der Wheatstoneschen Brückenschaltung aufgebraht ist. Die mechanische Belastung der Halbleiterelemente führt zu elektrischen Spannungsänderungen, die in der Messbrückenschaltung die folgende Form hat: EMI1.1 UM bedeutet die elektrische Messspannung , gdie Dehnung, US die an die Brücke angelegte Speisespannung, B den Brückenfaktor und p den Druck. Diese Gleichung genügt der idealen Wheatstone-Brücke, in der alle vier aktiven Widerstandszweige dem Betrag nach und im Temperaturkoeffizienten gleich sind. Im Gegensatz hierzu verhält sich aber der reale Druckaufnehmer. Trotz hoher Fertigungsgenauigkeit reagiert evauf Temperaturschwankungen sehr empfindlich. Sein Brückenfaktor nimmt z.B. mit steigender Temperatur ab. Dies hat zur Folge, dass die Messspannung trotz konstanten Druckes sinkt und so einen sich verkleinernden Druck vortäuscht. Weiterhin ist ein temperaturabhängiger Fehlabgleich bei der realen Brücke vorhanden, der sich als additive Grösse erweist. Die Gleichung des realen Messaufnehmers lautet daher UM = CB < T) Us + UoS(T) UOS ist die Fehlspannung bzw. Offsetspannung. Um die Temperatureinflüsse auf Empfindlichkeit und Fehlspannung auszuschalten, bedient man sich sowohl der passiven als auch der aktiven Kompensation. Bei der aktiven Kompensation - soweit sie für die Erfindung wesentlich ist- wird ein Messwertaufnehmer in Form einer Wheatstone-Brücke, zwei Verstärker, ein Substrahierglied und ein Fühlerglied zusammengeschaltet. Das Fühlerglied besteht aus einem sehr kleinen Widerstand, der in der Zuleitung der Brückenspeisung liegt. Die an ihm abfallende Spannung wird durch den Brückenstrom erzeugt: EMI2.1 mindert sich der Brückenstrom 1B aufgrund von Temperatureinflüssen auf die Brücke, indem der Brückenwiderstand steigt bzw. fällt, so wird die Fühlerspannung kleiner bzw. grösser: EMI3.1 Zur Kompensation der Fehlspannung wird die Fühlerspannung dem Temperaturgang der Fehlspannung entsprechend verstärkt und in der Zwischenstufe des Verstärkers mit der gleichgrossen und entgegengesetzten Fehlspannung addiert: a UFU - b Uos O Das nun fehlspannungsfreie Messsignal wird in einer Folgestufe auf seinen Endwert verstärkt. Zur Kompensation der Empfindlichkeitsschwankung regelt die Fühlerspannung gleichzeitig einen variablen Verstärkungsfaktor in jener Folgestufe, der dem Brückenfaktorschwung bei Temperaturanstieg entgegenwirkt: UM = cU5B(T) = LUSH A(T) ist der variable, temperaturabhängige Verstärkungsfaktor. Die aktive Kompensation ist in Fig. 1 dargestellt, wobei sich der der Wheatstone-Brücke und dem Fühlerglied zunächst nachgeschaltete Teil der Messschaltung auf die Kompensation der Fehlspannung und der sodann folgende Teil unter Verwendung eines Optokopplers auf die Kompensation der Empfindlichkeitsänderung infolge Temperatur änderung beziehen (vgl. auch Technical Report 77155, Okt. 1977, Neben der aktiven Kompensation ist auch die passive Kompensation bekannt. Die passive Kompensation der Fehlspannung bzw. der Messspannung der Brücke beruht auf der Tatsache, dass ein temperaturunabhängiger Widerstand mit einem temperaturabhängigen Widerstand in Reihe oder parallel geschaltet einen Widerstand ergibt, dessen Gesamttemperaturkoeffizient kleiner als der des temperaturabhängigen ist. Serienschaltung: EMI4.1 4'bedeutet den Gesamttemperaturkoeffizienten, den Temperaturkoeffizienten des temperaturabhängigen Widerstandes RT und R5 den Serienwiderstand. Parallelschaltung: EMI4.2 Rp bedeutet den Parallelwiderstand. Netzwerk aus Serien- und Parallelschaltung zur Beibehaltung des alten Widerstandsbeiwertes: EMI4.3 Schaltet man ein solches passives Netzwerk aus Widerständen ohne Verstärker in den Zweif der Brücke mit dem grösseren Temperaturkoeffizienten, so kann man mit der Wahl geeigneter Widerstandswerte die Differenz zweier Produkte zu Null machen; d.h. die Fehlspannung Uos wird temperaturunabhängig. (Abgleichbedingung: RT1 4 - RT2 RT3 = 0) Mit RTi = RTi (To) ¯ (I +# ¯ #T). Ti Die passive Kompensation der Empfindlichkeitsabnahme sieht einen temperaturunabhängigen Vorwiderstand in den Zuleitungen vor. Bei Temperaturzunahme steigt nun der Brückengesamtwiderstand und somit auch die an ihm liegende Spannung U auf Kosten der sich verringernden Spannung am Vorwiderstand: EMI5.1 RZ bedeutet den Vorwiderstand in der Zuleitung. Dadurch erhält die Brücke eine steigende Speisespannung, die der Verringerung des Brückenfaktors entgegenwirkt; denn es gilt bei gleicher Messspannung für zwei Temperaturen T1 und T2, dass die Produkte U (T). B (T) konstant sein müssen: U (T1) B (T= B (T2) U (T2) Die passive Kompensation besitzt folgende Nachteile: Das Ausgangssignal des Messwertaufnehmers ist klein und muss daher von einem Verstärker aufgebessert werden. Der immer vorhandene Fehlabgleich ist oftmals zu gross, um von einem üblichen Verstärker für eine konstante Temperatur kompensiert zu werden, Man behilft sich daher meist mit einem dem Aufnehmer parallel geschaltetem Potentiometer um mit einem Reihenwiderstand zwischen Brücke und Schleifer. Trotz hoher Widerstandswerte kann eine nachteilige Wirkung auf die Kompensationswiderstände nicht verhindert werden. Eine zweite Möglichkeit, die stochastischen und temperaturbedingten Schwankungen der Fehlspannung auszuschalten, besteht darin, zwischen Aufnehmer und Verstärker ein Hochpassfilter zu schalten. Schnelle Druckvorgänge werden dann weder in Amplitude noch Phase beeinflusst, allerdings werden langsame Druckänderungen verfälscht und statische Drücke unterdrückt. Die für die Korrektur der Empfindlichkeitsschwankung in Frage kommenden Reihenwiderstände dürfen bei den üblichen Spannungsquellen nicht zu gross und die Parallelwiderstände nicht zu klein gewählt werden. Der eigentliche Nachteil der passiven Kompensation liegt in der gegenseitigen Beeinflussung von Fehlerspannungs- und Empfindlichkeitskorrektur. Zwischen diesen beiden Grössen muss daher immer ein Kompromiss gebildet werden. Bei Alterung der Halbleiter aufnehmer ist ein erneuter Abgleich nicht mehr möglich. Die aktive Kompensation besitzt folgende Nachteile: Bei der aktiven Kompensation entfällt der oben erwähnte Kompromiss. Hier besitzt man zwei Korrekturglieder. Die Schwierigkeit besteht darin, zwei geeignete Korrekturglieder zu finden, zumal sie von ein und demselben Fühler abhängig sind. Dies ist aber bei den bekannten aktiven Kompensationsverfahren bisher nicht gelungen. Die Fehlspannungskorrektur ist zwar hinreichend genau, da der Stromabfall in der Brücke - d.h. das erste Korrekturglied- sich bei Temperaturanstiegen fast linear zur Temperatur verhält und die Fehlergrösse weitgehend von der Linearität der Offsetdrift über der Temperatur hängt. Hingegen verhält sich das zweite Korrekturglied, das die Empfindlichkeitsabnahme korrigieren soll, nichtlinear. Ferner ist zweite Korrekturglied selbst temperaturinstabil. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Der Temperaturkoeffizient des Korrekturgliedes beträgt 1 % pro Grad Celsius. Dadurch entsteht neben dem Fehlabgleich durch Nichtlinearität ein zusätzlicher Fehler von 0,1 bis 0,2 % pro Grad Celsius, da üblicherweise 10 bis 20 % Empfindlichkeitsminderungen in einem bestimmten Temperaturbereich ausgeglichen werden müssen. Der Gesamtfehler, der sich aus Offset- und Empfindlichkeitsfehler zusammensetzt, liegt in der Grössenordnung der Fehler der passiven Kompensation. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messschaltung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass sich mit ihr genauer messen lässt, wobei einerseits Nullpunktsänderungen infolge Temperaturänderungen und andererseits Empfindlichkeitsänderungen infolge Temperaturänderungen minimisiert werden sollen. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Wheatstone-Brücke zugleich den Korrekturwiderstand bildet und dass zur Versorgung der Wheatstone-Brücke eine Konstantstromquelle vorgesehen ist. Wie ersichtlich, benötigt man für die erforderliche Genauigkeit und Stabilität während des Messvorganges zwei geeignete voneinander unabhängige Korrekturglieder. Das erste Korrekturglied, um Fehlspannungsdriften kompensieren zu können, besteht in der Wheatstone-Brücke selbst, ohne durch externe Fühlerwiderstände die Aufnehmereigenschaften zu verändern, die letztlich wieder korrigiert werden müssten. Hierzu wird der Temperaturkoeffizient der Offsetspannung von dem Temperaturkoeffizienten der Brücke abgezogen: F = a TC Uos - b TC RB Das zweite Korrekturglied zur Verringerung der Empfindlichkeitsschwankungen gegenüber Temperatureinflüssen stellt die Stromquellenspeisung dar. In der Innenwiderstand der Quelle genügend hoch gegenüber den Widerstandsänderungen der Brücke, so bleibt der Strom durch die Brücke konstant. Dies hat zur Folge, dass die Brückenspannung der durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Widerstandsänderung folgt und somit die Empfindlichkeit exakt temperaturunabhängig bleibt. Die Messspannung an der Brückendiagonalen lautet: UM = R, RB (T) B (T)+ Uns( ) bedeutet den Konstantstrom. Das Produkt von Brückenwiderstand und Brückenfaktor RB (T) B(T) = konstant; d.h. der Fehler auf die Messspannung UM hängt nur noch von der Offsetspannungsdrift UoS(T) ab. Der Vorteil der erfindungsgemässen Messschaltung besteht darin , dass sich der Gesamtfehler um den Fehler verringert, der aus ungenügender Kompensation der Empfindlichkeitsschwankung bei anderen Verfahren entsteht. Mit anderen Worten, die Genauigkeit hängt nur noch von der Güte der Offsetspannungsdriftkompensation ab. Bei den untersuchten unkompensierten Aufnehmern konnten die Offsetspannungsdriften um Faktoren zwischen 50 bis 200 verringert werden. Der restliche Fehler verläuft in erster Näherung parabolisch im betrachteten Temperaturbereich F = a(T-T1) (T-T2) da der Fehler nur bei zwei bestimmten Temperaturen T1 und T2 exakt zu Null wird. Kennt man den Temperaturbereich, in dem der Messwertaufnehmer arbeiten soll, so kompensiert man denselben in diesem Bereich - er ist im allgemeinen kleiner als der handelsüblich angebotene Bereich -. Durch diese Anpassung bzw. Verkleinerung nimmt der Fehler quadratisch ab. Ferner besteht der Vorteil, die Aufnehmer universeller als bisher einsetzen und den speziellen Gegebenheiten, wie z.B. den unterschiedlichen Druckniveaus und Temperaturbereichen, z.B. in verschiedenen Windkanälen, besser anpassen zu können. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist auch die erfindungsgemässe Messschaltung sehr schnell, d.h. sie kann auch bei sehr schnell ablaufenden Vorgängen, z.B. bei der Druckmessung bei einem Berstversuch, eingesetzt werden. Die Konstantstromquelle kann vorzugsweise einstellbar ausgebildet sein. Dies dient dazu, den Brückenabgleich zu erzielen, d.h. die Messspannung zu Null zu machen. Weiterhin kann damit aber auch der Temperaturbereich verschoben werden, in dem gemessen werden soll. Der Verstärker für die Korrekturspannung der den Korrekturwiderstand bildenden Wheatstone-Brücke besitzt einen einstellbaren Verstärkungsfaktor. Damit wird der Temperaturbereich, in dem gemessen werden soll, festgelegt. Es versteht sich, dass mit kleiner werdendem Temperaturbereich die Messung genauer wird. Weiterhin kann auch der Verstärker für die Messspannung an der Wheatstone-Brücke einen einstellbaren Verstärkungsfaktor besitzen. Auf diese Weise wird der Messbereich der Brücke eingestellt, d.h. eine An passung an ein gewünschtes maximales Ausgangssignal erzielt. In der Messtechnik ergeben sich bei der Anwendung der bisherigen Schaltungen zwei unangenehme Effekte. Längere Zuleitungen vom Messwertaufnehmer zum Verstärker bedeuten nicht zu vernachlässigende Vorwiderstände, die die Kompensation verschlechtern und die Empfindlichkeit herabsetzen. Dagegen ist die Güte der jetzigen Schaltung von der Zuleitungslänge unanbhängig. Als letzter Vorteil sei die Linearität der Messspannung in Abhängigkeit des Druckes erwähnt. Sie ist um den Faktor 2 besser. Bei Spannungsspeisung ergibt sich für die Messspannung EMI10.1 Bei Stromspeisung EMI10.2 ; R/R bedeutet die relative Widerstandsänderung eines Brückenzweiges. In Fig. 2 ist die erfindungsgemässe Messschaltung prinzipiell verdeutlicht: Als Messwertaufnehmer dient die Wheatstone-Brücke 1, die von der Konstantstromquelle 2 gespeist wird. Da die Wheatstone Brücke 1 selbst als Fühlerglied benutzt wird, wird die Fühlerspannung über die Leitung 3 dem Verstärker 4 zugeführt und dort verstärkt. Uber die Leitung 5 gelangt die verstärkte Fühlerspannung zu dem Subtrahierglied 6. Parallel dazu wird die Messspannung über die Leitungen 7 und 8 dem zweiten Verstärker 9 zugeführt und gelangt verstärkt über die Leitung 10 ebenfalls zu dem Subtrahierglied 6. Am Ausgang des Substrahiergliedes 6 wird die Messspannung über die Leitung 11 abgegeben.

Claims: ELektrische Messschaltung zum Messen mechanischer Grössen Patentansprüche: 1. Elektrische Messschaltung zum elektrischen Messen mechanischer Grössen, mit einer eine Messspannung abgebenden Wheatstone-Brücke, einem Korrekturwiderstand zur Erzeugung einer Korrekturspannung und je einem Verstärker für die Korrekturspannung einerseits und die Messspannung andererseits sowie einem nachgeschalteten Subtrahierglied für die beiden verstärkten Spannungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wheatstone Brücke zugleich den Korrekturwiderstand bildet und dass zur Versorgung der Wheatstone-Brücke eine Konstantstromquelle vorgesehen ist. 2. Messschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle einstellbar ausgebildet ist. 3. Messschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker für die Korrekturspannung (Fühlerspannung) der den Korrekturwiderstand bildenden Wheatstone-Brücke einen einstellbaren Verstärkungsfaktor besitzt. 4. Messschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker für die Messspannung an der Wheatstone Brücke einen einstellbaren Verstärkungsfaktor besitzt.

Inventors: GATZEK, WOLFGANG, DIPL.ING.
Applicants: DEUTSCHE FORSCHUNGS- UND VERSUCHSANSTALT FUR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V.
Application year: 1980
Main classification: G01R17
IPC codes: G01R17