DD236990A1

DD236990A1 - Schaltungsanordnung fuer piezoresistive drucksensoren mit korrekturverhalten

Info

Publication number: DD236990A1
Application number: DD27592185A
Authority: DD
Inventors: Manfred Kuehn; Fritz Schroeter; Reinhard Mueller
Original assignee: Elektro App Werke Veb
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1986-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer piezoresistive Drucksensoren, die zur Korrektur des Messgasdruckeinflusses auf das elektrische Ausgangssignal von Gasanalysatoren eingesetzt werden. Ziel der Erfindung ist es, das vom Messgasdruck beeinflusste Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren, wobei die Aufgabe darin besteht, fuer einen piezoresistiven Drucksensor eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe durch Einbeziehung von dehnungsabhaengigen Widerstaenden auf einer vom Messgasdruck beaufschlagten Membran das druckbeeinflusste Ausgangssignal eines Gasanalysators zu korrigieren. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass die zu korrigierende Spannung einmal mit Hilfe des mit den spannungsabhaengigen Widerstaenden R1 und R2 beschalteten Operationsverstaerkers OV1 und der mit den spannungsabhaengigen Widerstaenden R3 und R4 beschalteten Operationsverstaerkers OV2 korrigiert und invertiert zum anderen unkorrigiert und nicht invertiert einer Addierschaltung eines Ausgangs-Operationsverstaerkers OV3 zugefuehrt wird. Fig. 1

Description

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu korrigierende Spannung auf den Eingang eines nichtinvertierenden Operationsverstärkers geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers verbunden ist, dessen Ausgang wiederum auf einem Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers geschaltet ist und der invertierende Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers mit einem zweiten Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers verbunden ist, wobei der zwischen dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkersund Masse liegende Widerstand und der am Eingang des invertierenden Operationsverstärkers liegende Widerstand dehnungsabhängig sind und so auf der druckbeaufschlagten Membran angeordnet sind, daß mit steigendem Druck ihre Widerstandswerte zunehmen, während der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers liegende Widerstand und der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers liegende Widerstand ebenfalls dehnungsabhängig sind und so auf der druckbeaufschlagten Membran angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck abnehmen.

Bei der Addition des zu korrigierenden Signals mit dem invertierten, durch die Wirkung der dehnungsabhängigen Widerstände veränderten zu korrigierenden Signal wird eine relative Vergrößerung des Änderungsbetrages erzielt. Der relative Änderungsbetrag läßt sich durch die Wahl des Verhältnisses der Eingangswiderstände der Addierschaltung genau dosieren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1: elektrische Schaltung des piezoresistiven Drucksensors

Fig. 2: Membran des piezoresistiven Drucksensors mit vier dehnungsabhängigen Widerständen Fig.3: piezoresistiver Drucksensor—Gesamtdarstellung.

In Fig. 1 ist der Signalweg vom Eingang eines optischen Gasanalysators 1 bis zum Ausgang eines diesem nachgeschalteten piezoresistiven Drucksensors 4 dargestellt. Der optische Gasanalysator 1 wandelt die Meßgröße Gaskonzentration c in ein Ausgangssignal U_c;p, das nach den Gesetzen der kinetischen Gastheorie dem in der Meßküvette des optischen Gasanalysators 1 herrschenden Meßgasdruck ρ proportional ist.

Druckschwankungen entstehen durch Veränderungen des Durchflusses des Meßgases durch die Meßküvette und durch Veränderungen des atmosphärischen Druckes. Der hierdurch entstehende Meßfehler kann durch Nachschalten eines mit dem Meßgasdruck ρ beaufschlagten piezoresistiven Drucksensors 4 eliminiert werden. Die Übertragungsfunktion der elektrischen Schaltung 2 (Fig. 1) ist so gestaltet, daß sie den druckbedingten Fehler des optischen Gasanalysators 1 aufhebt. Hierzu ist die zu korrigierende Spannung U_c;p auf den Eingang eines nicht invertierenden Operationsverstärkers OV₁ geschaltet, dessen Ausgang mit dem Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers OV₂ verbunden ist, dessen Ausgang wiederum auf einen Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃ geschaltet ist und der invertierende Eingang des nicht invertierenden Operationsverstärkers OV₁ mit einem zweiten Eingang der Addierschaitung des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃ verbunden ist. Der zwischen dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers OVi und Masse liegende Widerstand R₂ und der am Eingang des invertierenden Operationsverstärkers OV₂ liegende Widerstand R₃ sind dehnungsabhängig und so auf der druckbeaufschlagten Membran 3 angeordnet, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck zunehmen, während die zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers OV₁ liegende Widerstand R₁ und der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers OV₂ liegende Widerstand R₄ ebenfalls dehnungsabhängig sind und so auf der druckbeaufschlagten Membran 3 angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck abnehmen. Die Widerstände R₅, R₆ und R₇ bestimmen die Verstärkung der Addierschaltung im Ausgangs-Operationsverstärker OV₃. Hierbei ist der Widerstand R₅ zwischen dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers OV₁ und dem invertierenden Eingang des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃ geschaltet, der Widerstand R₆ zwischen dem Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers OV₂ und dem invertierenden Eingang des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃ und der Widerstand R₇ zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Ausgangs-Operationsverstärkers OV₃. Die Anschlußpunkte der auf der Membran angeordneten dehnungsabhängigen Widerstände Ri bis R₄ sind mit den Buchstaben A, B, C und D bezeichnet.

Aus dieser Schaltungsanordnung resultiert folgende Signalverarbeitung: Das elektrische Ausgangssignal des optischen Gasanalysators 1 sei U_c;p

C j TD ~ C

Po sei der Normaldruck in der Meßküvette. Das korrigierte Ausgangssignal U_c ist dann:

Die dehnungsabhängigen Widerstände R₁, R₂, R₃, R₄ haben beim Normaldruck p₀ einheitlich den Wert R₀.

Die Widerstände R₁ bis R₄ werden durch die unterschiedliche Lage auf der druckbeaufschlagten, gegen Vakuum gedrückten Membran 3 unterschiedlich beeinflußt.

Die dehnungsabhängigen Widerstände R₁ und R₃ liegen annähernd in der Mitte der Membran 3. Sie werden gedehnt. Die dehnungsabhängigen Widerstände R₂ und R₄ liegen am Rand der Membran 3. Sie werden gestaucht.

Claims

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Erfindungsanspruch:

Schaltungsanordnung für piezoresistive Drucksensoren mit Korrekturverhalten bei Gasanalysatoren, bei denen vier dehnungsabhängige Widerstände auf einer mit dem Meßgasdruck beaufschlagten Membran befestigt sind, gekennzeichnet dadurch, daß die zu korrigierende Spannung (U_c;p) auf den Eingang eines nichtinvertierenden Operationsverstärkers (OV₁) geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines invertierenden Operationsverstärkers (OV₂) verbunden ist, dessen Ausgang wiederum auf einen Eingang einer Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers (OV₃) geschaltet ist und der invertierende Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers (OV₁) mit einem zweiten Eingang der Addierschaltung des Ausgangs-Operationsverstärkers (OV₃) verbunden ist, wobei der zwischen dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers (OVi) und Masse liegende Widerstand (R₂) und der am Eingang des invertierenden Operationsverstärkers (OV₂) liegende Widerstand (R₃) dehnungsabhängig sind und so auf der druckbeaufschlagten Membran (3) angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck zunehmen, während der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des nichtinvertierenden Operationsverstärkers (OV₁) liegende Widerstand (R₁) und der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers (OV₂) liegende Widerstand (R₄) ebenfalls dehnungsabhängig sind und so auf der druckbeaufschlagten Membran (3) angeordnet sind, daß ihre Widerstandswerte mit steigendem Druck abnehmen.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für piezoresistive Drucksensoren mit Korrekturverhalten, die zur Korrektur des Meßgasdruckeinflusses auf das elektrische Ausgangssignal von Gasanalysatoren einsetzbar sind. Die Schaltungsanordnung eignet sich besonders gut in Verbindung mit piezoresistiven Elementen in Halbleiter- und Dickschichttechnik. Auf Grund des hohen Eingangswiderstandes der Schaltung werden an die Belastbarkeit der Geberschaltung keinerlei Bedingungen gestellt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Einrichtungen bekannt, mit deren Hilfe das Ausgangssignal von optischen Gasanalysatoren über eine Potentiometerschaltung manuell korrigiert wird, nachdem der barometrische Wert an einem Barometer ermittelt worden ist (US-PS 4069420). Eine solche Korrektureinrichtung ist für die Prozeßüberwachung ungeeignet, da sie einen zu großen Wartungsaufwand erfordert. Weiterhin sind Einrichtungen bekannt, bei denen der dem Meßgasdruck proportionale Einfluß auf das Ausgangssignal dadurch eliminiert wird, daß der Meßgasdruck mit Hilfe eines Drucksensors erfaßt wird und das dem Druck proportionale Sensorsignal in einer Dividierschaltung mit dem zu korrigierenden Ausgangssignal verrechnet wird. Die Einrichtung eignet sich besonders für den Fall, daß eine Recheneinheit bereits vorhanden ist und mitgenutzt wird. Anderenfalls ist der Aufwand relativ groß.

Weiterhin sind Einrichtungen bekannt, bei denen derfür die Korrektur des Meßgasdruckeinflusses verwendete Drucksensor und die Korrekturschaltung auf das Referenzspannungsglied geschaltet sind und dabei die Referenzspannung druckproportional beeinflussen, während der Ausgang des Referenzspannungsgliedes dem Regelverstärker sowie dem Ausgangsverstärker eines Gasanalysators mit Regelung des Pilotsignals zugeführt wird (WP G 01 N / 254545.0). Diese Einrichtungen sind speziell in Meßeinrichtungen mit Regelung des Pilotsignals, aber sonst nicht anwendbar. Der Einsatz ist auch nur dann lohnend, wenn mehrere Meßsysteme gleichzeitig korrigiert werden müssen. Weiterhin ist bekannt, daß verschiedentlich auf die Korrektur des Ausgangssignals ganz verzichtet wird und die Gasanalysatoren einen den Druckschwankungen entsprechenden Zusatzfehler aufweisen (Infralyt, VEB Junkalor, DDR; Uras, H.u.B., BRD).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, das vom Meßgasdruck beeinflußte Ausgangssignal von Gasanalysatoren mit geringem Aufwand zu korrigieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die schnelle Entwicklung der Sensortechnik allgemein, aber ganz besonders die der für die Druckmeßtechnik angewendeten Technologien zur Erzeugung piezoresistiver Elemente (DMS, Dünnfilm-, Halbleiter- und Dickschichtwiderstände) eröffnen immer wieder neue Anwendungsmöglichkeiten. Eine solche Möglichkeit stellt auch ein piezoresistiver Drucksensor mit Korrekturverhalten dar, der in sich den bisher üblichen Drucksensor und die Verknüpfungsschaltung für die zu korrigierende Spannung vereinigt. Für die Ausführung eines piezoresistiven Drucksensor bietet sich ganz besonders die Halbleiter- und Dickschichttechnik mit den dort erreichten hohen K-Faktoren (Verhältnis der relativen Änderung des dehnungsabhängigen Widerstandes zur relativen Längenänderung) an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für piezoresistiven Drucksensor eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe durch Einbeziehen von dehnungsabhängigen Widerständen auf einer druckbeaufschlagten, gegen Vakuum gedrückten Membran das druckbeeinflußte Ausgangssignal eines Gasanalysators korrigiert werden kann.