DE3212218A1

DE3212218A1 - Verfahren zur temperaturkompensation eines wandlers

Info

Publication number: DE3212218A1
Application number: DE19823212218
Authority: DE
Inventors: Stephen Arthur Solihull West Midlands Briggs
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1982-12-09
Also published as: JPS57184977A; FR2503375A1; CA1175677A; FR2503375B1; US4490803A

Description

LUCAS INDUSTRIES LIMITED Birmingham, B19 2XF, Großbritanniea

Verfahren zur Temperaturkompensation eines

Wandlers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturkompensation eines Wandlers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und insbesondere zur Temperaturkompensation von resistiven oder Widerstands-Brückenschaltungen sowie kompensierte Brückenschaltungen, die unter Berücksichtigung des obigen Verfahrens hergestellt sind.

Es ist üblich, Wandler vorzusehen, die vier piezoresistive Dehnungs- bzw. Spannungsmesser oder Dehnungsmeßstreifen haben, welche in einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind, wobei die Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) jedes piezoresistiven Elementes im wesentlichen konstant über dem Temperaturbereich sind, in dem der Wandler arbeiten soll. Infolge von Herstel-

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lungstoleranzen sind jedoch die Widerstandswerte der vier Brückenelemente selten gleich bei einem Null-Wert der Eingangsgröße, auf die der Wandler ansprechen soll, wobei die Wandler-Ausgangsspannung bei einem Null-Eingangssignal als Null-Fehler bezeichnet wird. Zusätzlich sind die TCR-Werte der Brückenelemente selten gleich, so daß sich der Null-Fehler ebenfalls mit der Temperatur ändert.

Außerdem ändert sich auch die Wandlerempfindlichkeit - ausgedrückt als eine Änderung der Ausgangsspannung für eine gegebene Änderung eines Eingangswertes und bei einer Einheitsversorgungsspannung über der Brücke - mit der Temperatur.

Es wurde bereits daran gedacht, den Null-Fehler und die Änderung dieses Fehlers als Ergebnis einer Temperaturänderung zu verringern, indem zwei Kompensationswiderstände eingefügt werden, die jeweils parallel und in Reihe zu ausgewählten piezoresistiven Elementen der Brückenschaltung liegen, wobei die Kompensationswiderstände sehr niedrige Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes haben. Auch wurde bereits angeregt, die Wandlerempfindlichkeit im wesentlichen konstant zu halten, indem Widerstands/ Thermistor-Netzwerke in die Brückenversorgung und in jede Hälfte der Brückenschaltung auf jeder Seite der Ausgangsverbindungen eingeführt werden. Die Komponenten der relativ komplizierten Netzwerke, die für die obige Empfindlichkeitskompensation erforderlich sind, treten miteinander und mit den Null-Kompensationswiderständen in Wechselwirkung. Die Kompliziertheit dieser üblichen Kompensationsanordnungen macht es schwierig oder unmöglich, eine Null-Pegel-Kompensation und eine Empfindlichkeitskompensation so vorzusehen, daß die Eigenschaften des kompensierten

.... . .3212:

Wandlers genau vorhergesagt werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch das eine resistive Brückenschaltung mittels vier Widerständen kompensiert werden kann, die einen im wesentlichen konstanten Widerstandswert über einem vorbestimmten Temperaturbereich haben, wobei diese Kompensation einen verringerten Null-Fehler, der im wesentlichen konstant über diesem Temperaturbereich ist, und außerdem eine Brückenempfindlichkeit, die im wesentlichen konstant über diesem Bereich ist, liefern soll; diese Kompensation für einen Null-Fehler und für die Empfindlichkeit soll so erfolgen, daß der sich ergebende Null-Fehler und die Empfindlichkeit voraussagbar sind, so daß eine Vielzahl kompensierter Wandler mit im wesentlichen identischen Eigenschaften hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung sieht also ein Verfahren zur Temperaturkompensation eines Wandlers vor, der vier Widerstände aufweist, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind; dieses Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte:

Verbinden eines ersten und eines zweiten Kompensationswiders tandes jeweils in Reihe und parallel mit einem ausgewählten Widerstand von zwei benachbarten Widerständen in der Brückenschaltung,

Verbinden eines dritten und eines vierten Kompensationswiderstandes jeweils in Reihe mit einem Spannungsversorgungsanschluß zur Brückenschaltung und parallel zur Schaltung,

wobei die Kompensationswiderstände die einzigen Kompensationselemente liefern, die so angeschlossen sind und im wesentlichen konstante Werte über dem Temperaturbereich haben, für den der Wandler zu kompensieren ist,

wobei die Werte der Kompensationswiderstände und die Stellungen des ersten und des zweiten Widerstandes derart sind, daß der Null-Fehler des Wandlers im wesentlichen verringert ist, und

wobei die Änderungen in diesem Fehler und in der Wandlerempfindlichkeit infolge von Temperaturänderungen über diesem Bereich ebenfalls verringert sind.

Die Werte der Kompensationswiderstände und die Stellungen des ersten und des zweiten Widerstandes werden besonders vorteilhaft durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 2 bestimmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den Patentansprüchen 3 bis 5.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht einer Membran einea Druckwandlers, der eine resistive Brückenschaltung umfaßt,

Fig. 2 und 3 alternative Konfigurationen, in denen die Brückenschaltung aufgebaut sein kann,

Fig. 4 ein Verfahren zum Bestimmen der

Stellungen von Null-Fehler-Kompensationswiderständen,

Fig. 5, 6, alternative Stellungen der NuIl- und 8 Fehler-Kompensationswiderstände,

bestimmt durch das Verfahren nach

Fig. 4,

Fig. 9, 10, Methoden zum Berechnen der Werte und 12 der Null-Fehler-Kompensationswiderstände für die jeweils in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Stellungen,

Fig. 13 und die Stellungen von zwei Empfindlichkeits-Kompensationswiderständen in

jeweiligen alternativen Verbindungskonfigurationen des Wandlers,

Fig. 15 eine Methode zum Berechnen der Werte der zwei Empfindlichkeits-Kompensationswiderstände,

Fig. 16 eine Methode zum Berechnen zusätzlicher Korrekturen, die erforderlich sind, damit die gewünschte Empfindlichkeit des Wandlers erhalten wird,

Fig. 17, 18, Methoden zum Berechnen zusätzlicher und 20 Korrekturen, die für die Null-Pegel-

Kompensationswiderstände und deren jeweils in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Stellungen in der Verbindungskonfiguration von Fig. 2 erforderlich sind,

Fig. 21, 22, Methoden zum Berechnen zusätzlicher und 24 Korrekturen, die für die Null-Pegel-Kompensationswiderstände in deren jeweils in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Stellungen und in der Verbindungskonfiguration von Fig. 3 erforderlich sind,

Fig. 25 eine Abweichung der Empfindlichkeit einer kompensierten Brückenschaltung von den erforderlichen Werten, und

Fig. 26 eine Abweichung von den erforderlichen Werten eines Null-Fehlers einer kompensierten Brückenschaltung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Siliziummembran lokal mit Germanium dotiert, um vier Widerstände R₁, R„, R , R. zu bilden, die in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sind. Die Membran 10 bildet einen Teil eines Druckwandlers eines Typs, der von der Firma Kulite Sensors Limited, Basingstoke, England, erhältlich ist und der so aufgebaut ist, daß eine Dehnung der Membran aufgrund eines steigenden Druckes die Widerstandswerte der Widerstände R₁ und R₄ ansteigen und die Widerstandswerte der Widerstände R₀ und R_ abfallen läßt. An-Schlüsse 11, 12, 13, 14, 15 sind auf der Membran 10 zwischen den Widerstandselementen der Brückenschaltung vor-

gesehen.

Die Brückenschaltung kann in der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration aufgebaut werden, in der eine Versorgungsspannung V an den Anschlüssen 13, 15 liegt und in der die Brückenausgangsspannung vom Anschluß 14 und einem Element erhalten wird, das die Anschlüsse 11 und 12 verbindet. Diese Konfiguration wird im folgenden als "natürliche" Konfiguration N bezeichnet.

Alternativ kann die Brückenschaltung in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration aufgebaut sein, bei der die Versorgungsspannung V am Anschluß 14 und einem Element liegt, das die Anschlüsse 11 und 12 verbindet, und bei der die Brückenausgangsspannung von den Anschlüssen 13 und 15 erhalten wird. Die letztere Konfiguration wird im folgenden als "unnatürliche" Konfiguration U bezeichnet.

Die Spannungen V_T und V-. sind diejenigen an den je-

Ju a

weiligen linken und rechten Anschlüssen der Brückenschaltung in der Verbindungskonfiguration der Fig. 2 oder der Fig. 3. Die Werte R__N und R_ßü bedeuten die Gesamtbrückeneingangswiderstände in die jeweiligen Verbindungskonfigurationen, und die Spannung V_D ist der Wert des Spannungsabfalles in der Versorgungsspannung über der Brücke in der jeweiligen Konfiguration.

Die Stellungen und Werte der Kompensationswiderstände werden wie folgt bestimmt, wenn der Wandler zwischen -54 ⁰C und +180 ⁰C arbeiten soll.

Der Wandler wird anfänglich einem Temperaturzyklus über dem obigen Bereich unterworfen ,bis wiederholbare Wer-

te der Ausgangsspannung für einen vorbestimmten Wert des Eingangsdruckes und der Versorgungsspannung V erhalten werden. Wenn der Wandler in der "natürlichen" Konfiguration (vgl. Fig. 2) angeschlossen ist und die Versorgungsspannung V auf 5 V eingestellt wird, dann

werden die folgenden Werte bei einer Temperatur von -25 ⁰C gemessen:

Wandlerausgangsspannung bei einem Druck

2
von 0 N/m ,

Widerstandswerte des Widerstandes R. bzw. R₂,

linksseitige bzw. rechtsseitige Spannung (vgl. oben),

Brückeneingangswiderstandswert in natürlicher Konfiguration (vgl. oben),

Brückeneingangswiderstandswert in unnatürlicher Konfiguration (vgl. oben),

Brückenempfindlichkeit, die durch 1,33

(V - V_rt)/V festgelegt ist, wobei V ρ ο s ρ

die Wandlerausgangsspannung bei 75 % des beabsichtigten Maximaldruckes bedeutet,

V_ß Spannung über der Brücke

^Vo	R₂
V	^VR
V
^RBN

Die obigen Messungen bei -25 ⁰C werden im folgenden und in der Zeichnung durch den Index C (kalt) gekennzeichnet.

Es sei darauf hingewiesen, daß in dieser Stufe des Verfahrens V_ = V vorliegt.

G S

Die obigen Messungen werden bei +125 ⁰C wiederholt, und diese letzteren Messungen werden im folgenden und in der Zeichnung durch den Index H (warm) gekennzeichnet.

Die Null-Ausgangsspannung V wird bei +180 ⁰C in der in Fig. 2 dargestellten Verbindungskonfiguration gemessen, und sie wird auch in dieser Konfiguration mit umgekehrter Polarität der Spannungsversorgung gemessen. Die Spannung V_Q wird auch bei +180 ⁰C in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration sowie mit umgekehrter Polarität der Versorgungsspannung gemessen. Aus diesen Messungen wird eine Konfiguration gewählt, in der eine Umkehr der Polarität der Versorgungsspannung zu einer Änderung des Vorzeichens der Spannung V führt, jedoch nicht wesentlich deren Größe ändert.

Die Änderung des Wandler-Null-Fehlers mit der Temperatur kann entweder positiv oder negativ abhängig von den relativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) der Brückenelemente sein. Zusätzlich kann der unkompensierte Null-Fehler selbst entweder positiv oder negativ sein. Das Ergebnis besteht darin, daß die Widerstände X und Υ für eine Null-Fehler-Kompensation in die beiden Zweige der Brücke eingeführt werden müssen. Zur Vereinfachung der Messung und des Rechenprozesses erfolgt die Null-Fehler-Kompensation unter der Anfangsannähme, daß

eine Seite der Brücke, in diesem Fall die rechte Seite, zwei Widerstände mit gleichen Werten und TCR-Faktoren umfaßt.

Die Werte der Null-Fehler-Kompensationswiderstände X, Y müssen so sein, daß V_ = V_ bei -25 ⁰C und bei +125 ⁰C

Jj R ο

vorliegt, wenn der Eingangsdruck 0 N/m ist. D. h., für jede der in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Anordnungen sollten die Werte der Null-Fehler-Kompensationswiderstände X, Υ so sein, daß

^VLC-^VRC^{=0 (1)}

und V_LH - V_RH - 0 (2)

vorliegen.

Die Werte von V__, und V_o„ werden in der obigen Weise gemessen. Die Größe V_Lc kann durch V_ßC, R_1c, R_2C/ ^x und Y ausgedrückt werden, und der Wert V"_L kann durch V_ntr, R₁₁ „, R-„, X und Y ausgedrückt werden, wodurch die

cn IxI <irl

Gleichungen (1) und (2) zwei Gleichungen werden, deren Unbekannte X und Y sind und die für die in den Fig. 5 bis 8 gezeigten alternativen Anordnungen in quadratische Gleichungen für X und Y (vgl. Fig. 9 bis 12) jeweils aufgelöst werden können, wobei die Koeffizienten von X unc Y aus den zuvor gemessenen Werten erhältlich sind. In diesen Gleichungen gilt:

^VR =V^VB

Die quadratischen Gleichungen können geprüft werden, um zu bestimmen/ welche dieser Gleichungen reelle und positive Wurzeln liefert, und diese Prüfung erfolgt mittels des in Fig. 4 gezeigten Flußdiagrammes. Die quadratische Gleichung, die eine reelle und positive Wurzel liefert, ist diejenige, die die erforderlichen Stellungen der Null-Fehler-Kompensationswiderstände X und Y anzeigt. Für das Flußdiagramm werden die folgenden Werte berechnet:

^Ac	^{= v}oc	<^R1C
^AH	^{= V}0H	<^R1H
^Fc	= V /	'V

Die Gleichungen (4) und (5) werden verwendet, um die Ausgangsspannung V in die Ausdrücke im Flußdiagramm von Fig. 4 einzuführen. Da die Spannung V nahezu Null ist, können Messungen dieses Wertes mit einer beträchtlichen Genauigkeit erhalten werden, was eine richtige Auswahl der richtigen Wurzeln aus dem Flußdiagramm erleichtert .

Nach der Bestimmung der richtigen Stellungen für die Null-Fehler-Kompensationswiderstände X und Y werden die Werte dieser Widerstände für ihre geeigneten Stellun-

gen aus den Werten berechnet, die aus den Werten der Gleichungen in den Fig. 9 bis 12 gewählt sind.

Der Widerstandswert IL, der Brücke nimmt insgesamt mit steigender Temperatur zu. Jedoch hängt der Temperaturkoeffizient des Wandlermeß- oder Kalibrierfaktors, d. h. die Änderung der Empfindlichkeit S abhängig von einem Temperaturanstieg, vom Dotierungspegel der Brückenwiderstände ab und ist so eingestellt, daß er immer negativ ist. D. h., die Änderung in der Wandlerausgangsspannung für eine Einheitsdruckänderung und eine Einheitsbrückenspannung V-, sinkt mit steigender Temperatur. Es ist so möglich, den Wert eines Widerstandes R zu berechnen, der - wenn er in Reihe mit der Brückenspannungsversorgung liegt - bewirkt, daß die Brückenspannung mit der Temperatur bei gleicher Rate oder Geschwindigkeit zunimmt, bei der deren Empfindlichkeit - wenn unkompensiert - abfallen würde. Dieser Reihenwiderstand R kann

so bewirken, daß die Empfindlichkeit mit der Temperatur konstant bleibt. Die zusätzliche Verwendung eines weiteren Widerstandes R parallel zur Brücke ermöglicht es, daß die Empfindlichkeit auf einen vorbestimmten Pegel einstellbar ist.

Der Wandler ist in der zuvor gewählten Konfiguration der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Konfigurationen verbunden, d. h., in der Verbindungskonfiguration, in der bei +180 ⁰C eine Umkehr der Polarität der Versorgungsspannung

V eine Umkehr der Polarität der Null-Druck-Ausgangsspannung

V , aber nicht von deren Größe, bewirkt. Die Widerstände

R und R sind in den Fig. 13 und 14 jeweils in der natürlichen (N) und der unnatürlichen (U) Konfiguration verbunden .

Die erforderliche Empfindlichkeit S_D muß für eine
gegebene Versorgungsspannung V folgende Bedingung er-

füllen:

Die Brückenspannungen V_ß und V„_H können durch die Versorgungsspannung V , die Reihen- und Parallel-Widerstände R , R und die Brückeneingangswiderstände Rg^ und Rg_H (Fig. 2 und 3) bei -25 ⁰C und +125 ⁰C ausgedrückt wer den, wobei die Werte der Widerstände R und R als konstant über dem obigen Temperaturbereich angenommen werden.

Die beiden Gleichungen für den jeweiligen kalten

(C) und warmen (H) Zustand haben R und R als deren

s ρ

Unbekannte, und sie können in die Gleichungen (9) und
(10) aufgelöst werden, wie dies aus Fig. 15 zu ersehen
ist. Empfindlichkeits-Kompensationswiderstände mit Werten entsprechend den berechneten Werten von R und R
sind in die Wandlerschaltung eingebaut. Diese Kompensationswiderstände können in dieser Stufe durch einstellbare Widerstandsvorrichtungen, beispielsweise Dekaden-Widerstandseinheiten, gebildet werden.

Null-Fehler-Kompensationswiderstände mit Werten entsprechend den berechneten Werten für X und Y sind ebenfalls in der Brückenschaltung an geeigneten Stellen, die in den Fig. 5 bis 8 gezeigt sind, angeschlossen. Es ist in dieser Stufe zweckmäßig, daß diese Kompensationswiderstände auch durch einstellbare Widerstandsvorrichtungen, beispielsweise Dekaden-Widerstandseinheiten, gebildet wer-

Wie bereits oben erwähnt wurde, sind die Null-Fehler-Kompensationswiderstände und die Empfindlichkeits-Kompensationswiderstände in Wechselwirkung. Zusätzlich hängen die Nähe der kompensierten Werte des Null-Fehlers und der Empfindlichkeit zu deren erforderlichen Werten über dem gewünschten Temperaturbereich von der Genauigkeit der Messungen ab, die für die verschiedenen Berechnungen verwendet werden. In dem hier beschriebenen besonderen Beispiel ist es erforderlich, daß das Wandler-

2
Ausgangssignal bei 0 N/m nicht +0,2 %des vollen Skalenausgangssignales über dem Temperaturbereich von -25 ⁰C bis +125 ⁰C überschreiten sollte. Es ist auch erforderlich, daß über dem gleichen Temperaturbereich die Änderung der Empfindlichkeit S nicht + 1 % von 8 mV je Volt der Versorgungsspannung V Überschreiten sollte. Um diese Beständigkeitswerte ohne übermäßig genaue Messungen zu erhalten, werden weitere Berechnungen zur Korrektur der zuvor bestimmten Werte der Kompensationswiderstände durchgeführt.

Wenn die Versorgungsspannung V auf +10 V eingestellt ist und die zuvor beschriebenen Kompensationswiderstände in der oben erläuterten Weise angeschlossen sind, werden die Wandlerausgangsspannung V bei Null-Eingangssignal, der Brückenspannungsabfall V_n, die Wandlerempfindlichkeit S und die Spannungen V_ sowie V_n an den Wandlerausgangs-

Jj K

anschlüssen (vgl. Fig. 2 und 3) gemessen. Diese Messungen erfolgen bei +125 ⁰C und -25 ⁰C in jedem Fall und werden wie oben durch die Indices H und C gekennzeichnet.

Wenn die Empfindlichkeits-Kompensationswiderstände R und R in der angegebenen Weise angeschlossen sind,

können die Brückenspannungsabfälle V_B_ und V jeweils abhängig von den Brückenwiderständen IL,,-, und R_aT, zusam-

d\* an

men mit den Widerständen R und R ausgedrückt werden:

ρ s ³

V^VBC - ^{1 + R}s ^(1/RBC ^{+ 1/R}p^{) (11)} V^VBH = ^{1 + R}s ⁽¹/^RBH ^{+ 1/R}p^{) (12)}·

Mit AS soll die Differenz zwischen den Empfindlichkeiten S und S - gemessen im vorhergehenden Schritt -

G ti.

und der gewünschten Empfindlichkeit S_D bei beiden Temperaturen bezeichnet werden. Palls AS positiv ist, sind die Korrekturen AV-.^ und AV^₀, die dem Brücken-Spannungsabfall entsprechen sollen, beide negativ.

Eine Differentiation der Gleichungen (11) und (12) liefert Gleichungen (13) und (14) in Fig. 16, aus denen die Gleichungen (15) und (16) für AR und AR abge-

s ρ

leitet werden können.

Aus den Gleichungen (11) und (12) können 1/Rq_C und 1/R_D„ in Termen von V , R . R , V_Dr, und V_,„ ausgedrückt

oil 5 S ρ oL Uti

werden, und diese Terme werden für 1/R_B« und 1/Rg_C in die Gleichungen (15) und (16) eingesetzt. Der Vorteil dieses letzten Schrittes liegt darin, daß die Werte von V__c und V durch Messungen bestimmt wurden, die nach der Einführung der Kompensationswiderstände R und R durchgeführt wurden, so daß diese Werte zuverlässiger sind.

Ein Reihenwiderstand mit dem Widerstandswert R + AR und ein Parallelwiderstand mit dem Widerstandswert

R + Δκ werden für die zuvor angeschlossenen Widerstände R und R verwendet. Die End-Reihen- und Parallels ρ

Widerstände sind vorzugsweise Luftraum-Metallbahn-Widerstände der Reihe S102, die von der Firma Vishay Resistive Products Limited, Swindon, England, erhältlich sind.

Wie oben in den Gleichungen (1) und (2) angedeutet wurde, ist es für einen Mindest-Null-Fehler erforderlich, daß V₁. gleich V_, (Fig. 2 und 3) bei -25 ⁰C und +125 ⁰C sein sollte, wenn der Eingangsdruck 0 N/m beträgt. Zusätzlich können V_T_ und V_T„ durch die gemessenen Werte

IjO J-ifl

der Brückenwiderstände und die bekannten Werte der zuvor angeschlossenen Null-Fehler-Kompensationswiderstände X und Y ausgedrückt werden. Ausdrücke können für jede der vier geeigneten Positionen oder Stellungen der Widerstände X und Y (vgl. Fig. 5 bis 8) und für die zwei Verbindungskonfigurationen (vgl. Fig. 13 und 14) erhalten werden. Die erforderlichen Ausdrücke werden für die geeignete Anordnung der acht möglichen Anordnungen erhalten, und für diese Anordnung werden zwei Ausdrücke, nämlich für V__ bzw. für V_T„, erhalten.

Die Ausdrücke für die gewählte Anordnung werden nach V_T_, V_Trr und die Widerstände X und Y differenziert,

XjC lin

und die Differentiale werden verarbeitet, um Ausdrücke für ΔΧ und ΔΥ zu erhalten, die den Beträgen entsprechen, um die die zuvor angeschlossenen Widerstände X und Y geändert werden müssen, damit eine genauere Null-Kompensation geliefert wird. Die Fig. 17 bis 20 zeigen Ausdrücke für ΔΧ und ΔΥ, deren Widerstände X und Y in den in den Fig. 5 bis 8 jeweils gezeigten Positionen oder Stellungen sind, und die Brückenverbindungskoniiguration ist die in Fig. 13 gezeigte. Die Fig. 21 bis 24 zeigen Ausdrücke für ΔΧ und ΔΥ, wobei die Widerstände X und Y jeweils in den in Fig. 5 bis 8 gezeigten Posi-

tionen oder Stellungen sind, und die Brückenverbindungskonfiguration ist die in Fig. 14 dargestellte. Es sei darauf hingewiesen, daß die für ΔΧ und Δγ aus diesen Ausdrücken berechneten Werte entweder positiv oder negativ sind.

Null-Fehler-Kompensationswiderstände mit den Widerstandswerten X + ΔΧ und Y + ΔY werden für die ursprünglich angeschlossenen Widerstände verwendet. Vorzugsweise sind die schließlich eingefügten Null-Fehler-Kompensationswiderstände von der oben beschriebenen Vishay S102-Reihe.

Durch das oben erläuterte Verfahren können Wandler hergestellt werden, bei denen das Ausgangssignal bei einem Eingangssignal von 0 N/m nicht mehr als + 0,7 % des vollen Skalenausgangssignales über einem Temperaturbereich von -54 ⁰C bis +180 ⁰C schwankt, und bei denen die oben festgelegte Empfindlichkeit S sich nicht um mehr als +0,6 % von 8 mV/Versorgungsspannung ändert. Das Verfahren liefert diese Ergebnisse ohne eine große Anzahl sehr genauer Messungen. Da ein wesentlicher Teil des Verfahrens eine Berechnung vorsieht, die sofort durch einen Rechner ausgeführt werden kann, sind die vier Kompensationswiderstände besonders einfach und schnell auszuwählen. Da weiterhin der Null-Fehler und die Empfindlichkeit der kompensierten Wandler ungefähr nahe auf die gewünschten Werte gebracht werden können, ist es möglich, eine Reihe von Wandlern mit im wesentlichen gleichen Eigenschaften herzustellen.

Die Widerstände der oben erwähnten Vishay S102-Reihe haben Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes von 2,5 ppm/°C. Es ist wünschenswert, Kompensa-

tionswiderstände mit sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten zu verwenden, da diese Widerstände beabstandet von der eigentlichen Meßeinheit angebracht werden und während kurzzeitigen oder transienten Temperaturänderungen nicht der gleichen Temperatur wie die Meßwiderstände R₁ bis R. unterliegen.

Obwohl nach der oben erläuterten Kompensation die Schwankung der Empfindlichkeit S der Brücke nicht +0,6 % von 8 mV/Versorgungsspannung überschreitet, kann die Neigung der in Abhängigkeit vom steigenden Druck P aufgetragenen Wandlerausgangsspannung V₁ eine Kurve 20 anstelle der geforderten linearen Beziehung 21 sein, wie dies in Fig. 25 gezeigt ist. Die Abweichungen der Kurve 20 von der Linie 21 über dem beabsichtigten Bereich des Druckes P können gemessen und zum Zusammenstellen einer Korrekturtabelle verwendet werden. Vorzugsweise nimmt die Korrekturtabelle die Form einer Nachschlagetabelle in einem Speicher eines Rechners an, der der gleiche Rechner sein kann wie derjenige, der für die obige Kompensation verwendet wurde. Da die Abweichungswerte im wesentlichen identisch für alle Brückenschaltungen in einer Reihe sind, wie dies oben erläutert wurde, kann zusätzlich die Korrekturtabelle für alle Brückenschaltungen dieser Reihe benutzt werden.

Wie oben erwähnt wurde, kann der Null-Fehler zwischen + 0,7 % des vollen Skalenausgangssignales über einem Temperaturbereich von -54 ⁰C bis +180 ⁰C schwanken. Die Fig. 26'zeigt typische Kurven 22, 23 des gegenüber der Temperatur T aufgetragenen Null-Fehlers E, wobei die Fläche zwischen den Kurven 22, 2 3 den Bereich des Null-Fehlers darstellt, der insbesondere über einer Reihe von genau gleichen Brückenschaltungen erhalten wird,

■-- . .- : .-■„ 3212213

die in der oben beschriebenen Weise kompensiert wurden.

Wenn der Wandler über einem kleinen Bereich von Eingangsdrücken verwendet werden soll, ist es erforderlich, eine weitere Korrektur vorzusehen, so daß der Null-Fehler kleiner als +0,2 % ist.

Die durch die Kurven 22, 23 dargestellten Werte können verwendet werden, um mittlere Werte 24 des Null-Fehlers V₁-, für die Brücken der Reihen und eine Korrekturtabelle zu bestimmen, die aufgrund der Abweichung dieser mittleren Werte von Null vorbereitet wird. Diese Korrekturtabelle kann eine Nachschlagetabelle sein, die in einem Rechner gespeichert ist, der der gleiche Rechner sein kann, der zur Durchführung der Kompensationsberechnungen verwendet wird. Die auf den mittleren Werten 24 beruhenden korrigierten Werte liefern einen Null-Fehler von +0,1 %, wie dies in Fig. 26 durch einen Doppelpfeil 25 angedeutet ist.

Die obigen Korrekturen über den Bereichen des Druckes P und der Temperatur T wirken bei den Werten dieser Größen ein, denen der Wandler in der relevanten Zeit ausgesetzt ist.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Temperaturkompensation eines Wandlers * mit vier Widerständen, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, wobei Kompensationswiderstände parallel und in Reihe zu den Widerständen der Brücke und parallel und in Reihe zu der Brückenschaltung insgesamt geschaltet werden,

dadurch

gekennzeichnet

daß ein erster (X) und ein zweiter (Y) Kompensationswiderstand jeweils in Reihe und parallel zu einem ausgewählten Widerstand von zwei benachbarten Widerständen (R₁, R₀) der Brückenschaltung (10) vorgesehen werden, und daß ein dritter (R ) und ein vierter (R ) Wi-

s ρ

derstand jeweils in Reihe zu einem Spannungsversorgungsanschluß für die Brückenschaltung (10) und parallel zur Brückenschaltung (10) angeordnet werden, wobei die vier Kompensationswiderstände (X, Y, R , R ) die einzigen Kompensationselemente liefern und im wesentlichen konstante Werte über dem Temperaturbereich haben, für den die Brücke kompensiert werden soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

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daß die Positionen des ersten und des zweiten Widerstandes (X, Y) durch die folgenden Verfahrensschritte bestimmt werden:

(a) Messen der Werte von zwei benachbarten Widerständen

(R₁, R₂) der vier Brückenwiderstände vor dem Anschließen der Kompensationswiderstände und bei einer Vielzahl von vorbestimmten Temperaturpegeln,

(b) bei diesen Temperaturpegeln Messen der Brückenausgangsspannung (V ) bei einem Null-Pegel der Eingangsgröße (P), auf die der Wandler ansprechen soll, der Brückenempfindlichkeit (S), der Spannungspegel (V_T, Vp) an den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung und des Brückeneingangswiderstandes (R),

(c) aus diesen Messungen Bestimmen der erforderlichen Positionen (X₁ oder X₃, Y₁ oder Y₃) des ersten und des zweiten Kompensationswiderstandes (X, Y),

(d) Berechnen der Werte des ersten und des zweiten Kompensationswiderstandes (X, Y) entsprechend den erforderlichen Positionen,

(e) Berechnen der Werte des dritten und des vierten Kompensationswiderstandes (R ,R), und

s ρ

(f) Verbinden der Widerstände entsprechend den berechneten Werten in geeigneten Positionen in der Brückenschaltung.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch

die weiteren Verfahrensschritte:

(g) Messen der Brückenausgangsspannung (V ) bei einem Null-Pegel der Eingangsgröße (P) und bei einem oberen Temperaturpegel und in einer Brückenkonfiguration (N), in der der Verbindungspunkt (12) der benachbarten Widerstände (R₁, R₀) und ein entgegengesetzter Verbindungspunkt (14) Ausgangsanschlüsse für die Brücke liefern,

(h) Messen der Brückenausgangsspannung (V ) bei einem Null-Pegel der Eingangsgröße (P) und bei dem Temperaturpegel des vorhergehenden Schrittes und in einer Brückenkonfiguration (U), in der die Verbindungspunkte (12, 14) über der Spannungsversorgung (V ) angeschlossen sind,

(i) Wählen der einen Konfiguration (N oder U), in der eine Umkehr der Polarität der Versorgungsspannung (V ) am oberen Temperaturpegel die Polarität der Ausgangsspannung (V ), jedoch nicht wesentlich deren Größe, beeinflußt,

(j) Messen des Brückeneingangswiderstandswertes (R ) in der gewählten Konfiguration (N oder U), und

(k) Berechnen der Werte des dritten und des vierten Kompensationswiderstandes (R , R ) aus den in den Schritts ρ

ten (b) und (j) erhaltenen Werten.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
die zusätzlichen Verfahrensschritte:

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(1) in der gewählten Konfiguration (N oder U) und bei der Vielzahl von Temperaturpegeln erneutes Messen der Ausgangsspannung (V ) beim Null-Pegel-Eingangssignal, der Brückenempfindlichkeit (S), des Brückenspannungsabfalles (V_) und der Spannungen (V , V) an den Brückenausgangsanschlüssen,

(m) Verwenden der im vorhergehenden Schritt erhaltenen Werte zum erneuten Berechnen der Werte der Kompensationswiderstände (X, Y, R, R ), und

s ρ

(n) Einfügen von vier Kompensationswiderständen mit den im vorhergehenden Schritt erhaltenen Werten in die Brückenschaltung.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vielzahl von Temperaturen lediglich zwei Temperaturen (C, H) umfaßt, und daß die Brückenempfindlichkeit (S) aus den beiden Pegeln lediglich der Eingangsgröße (P) bestimmt wird.