DE102016206165B3

DE102016206165B3 - Druckmessgerät mit einer Messbrücke und einer Abgleicheinheit

Info

Publication number: DE102016206165B3
Application number: DE102016206165.8A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2036-04-14

Abstract

Druckmessgerät mit einer Messbrücke 1, die mit einem Temperatursensor 2, einer Abgleicheinheit 3 und einem Instrumentenverstärker 4 verbunden ist, die außerdem einen Mikrocontroller 5 zur Steuerung und Auswertung, ein Bedienelement 6, eine Anzeigeeinheit 7 und eine Stromversorgung 8 aufweist, wobei die Abgleicheinheit 3 einen aktiven Integrator 31 aufweist, der vom Mikrocontroller 5 gesteuert wird, und erfindungsgemäß zum Abgleich der Messbrücke 1 dient. Weiterhin wird eine Schaltung zur internen Spanungsregelung beansprucht

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmessgerät mit einer Messbrücke und einer Abgleicheinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Druckmessgeräte werden in vielen Bereichen, hauptsächlich der Prozessmesstechnik verwendet. Der gebräuchlichste Drucksensor ist wohl die Wheatstone Messbrücke, eine Schaltung aus zwei parallel geschalteten resistiven Spannungsteilern. Solange das Verhältnis der beiden Spannungsteiler gleich groß ist, ist die Spannung der Querbeziehung unabhängig von der Betriebsspannung immer Null. Sowie sich jedoch einer der Brückenwiderstände, meist ein Dehnungsmessstreifen, durch Druck verformt und damit seinen Widerstand ändert, wird die Brücke verstimmt und es entsteht eine gut auswertbare Querspannung. Der Messbereich und die Empfindlichkeit werden in der Regel durch zusätzliche Widerstände eingestellt.
Die DE 40 00 326 A1 zeigt einen Drucksensor mit einer auf einer Membran angeordneten Dickfilm-Dehnungsmessstreifen, die vorzugsweise zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind, wobei die Zweige der Brückenschaltung außerhalb des aktiven Bereichs der Membran angeordnete Kompensationswiderstände aufweisen. So haben sie dieselbe Temperatur wie die Messwiderstände, ohne mit dem zu messenden Druck beaufschlagt zu werden.
DE 43 35 838 C1 zeigt einen Druckmessschalter mit einer Wheatstoneschen Messbrücke und einem nachgeschalteten Instrumentenverstärker, sowie einem digitalen Signalprozessor zur Steuerung und Auswertung. Ein Abgleich der Messbrücke ist nicht vorgesehen.
Die DE 196 53 592 C2 offenbart eine Konditionierschaltung für einen resistiven Drucksensor. Hier wird die Messbrücke elektronisch mit Hilfe von Digital-Analog-Wandlern beeinflusst.
Ein Temperaturmessaufnehmer auf der Membran ist aus der DE 10 2011 080 229 A1 bekannt.
Die DE 10 2007 007 406 B4 zeigt einen elektronischen Druckschalter mit einer resistiven Messbrücke und einem nachgeschalteten Instrumentenverstärker. Die Widerstandsmessbrücke weist Dehnungsmesstreifen auf und wird mit einem hochohmigen Widerstandsnetzwerk abgeglichen.
Die WO 1997 017597 A1 zeigt einen Drucksensor mit einer Messbrücke, die mit einem Temperatursensor, einer Abgleicheinheit und einem Differenzverstärker verbunden ist. Die Abgleicheinheit ist eine temperaturstabilisierende Stromquelle mit einem NTC-Widerstand und einem Operationsverstärker als gesteuerte Stromquelle für den Strom der Messbrücke. Zum Null-Abgleich der Messbrücke als Sensor-Offset und Signalnullpunkt-Regler ist ein mit P1 bezeichnetes Potentiometer vorgesehen.
Was dem Stand der Stand der Technik fehlt, ist eine einfache elektronische Abgleichmöglichkeit für die Widerstandsmessbrücke, die nicht nur während der Herstellung, sondern auch am fertigen Gerät funktioniert, ohne zusätzliche Anschlussleitungen auskommt und den in modernen Geräten vorhandenen Mikrocontroller möglichst wenig belastet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise zu beseitigen und ein Druckmessgerät mit einer vom Mikrocontroller gesteuerten Abgleicheinheit anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den Abgleich mit Hilfe eines von einem Mikrocontroller gesteuerten aktiven Integrators durchzuführen.
Der Vorteil besteht darin, dass auch am fertigen Gerät ein Abgleich vorgenommen, und somit auf wechselnde Betriebsbedingungen reagiert werden kann.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät mit einer Kommunikationseinheit.
Das in der 1 dargestellte Druckmessgerät zeigt eine resistive Wheatstonesche Messbrücke 1, die einen ebenfalls resistiven Temperatursensor 2 aufweist, und mit einer Abgleicheinheit 3 und einem Instrumentenverstärker 4 verbunden ist. Ein Mikrocontroller 5 erhält einen als „P-Signal“ bezeichneten Druckmesswert, einen mit „Temp.“ Bezeichneten Temperaturwert und einen mit „Offset“ bezeichneten Abgleichwert.
Der Mikrocontroller 5 ist mit Bedienelementen 6, zum Beispiel mit zwei Potentiometern SP und RP zur Einstellung des Schaltpunktes und der Empfindlichkeit verbunden.
Eine ebenfalls vom Microcontroller 5 gesteuerte Anzeigeeinheit 7 signalisiert einem Bediener den Schaltzustand und die Betriebsbereitschaft. Hier sei angemerkt, dass die Erfindung auch ohne die Bedienelemente 6 mit festem Schaltabstand und vorgegebener Empfindlichkeit und natürlich auch ohne Anzeige der Betriebsspannung und des Schaltpunktes realisierbar ist.
Das Schaltsignal wird antivalent über PROFET^TM Halbleiterschalter der Fa. Infineon, ausgegeben. Hierbei handelt es sich um gegen Überlast und Übertemperatur geschützte DMOS Transistoren mit einer CMOS-Logikstruktur,
Da der Mikrocontroller 5 mit 3,3 Volt arbeitet, ist angesichts der Versorgungsspannung von 24 Volt ein Spannungsregler erforderlich. Da der hier eingesetzte Low-Drop-Spanungsregler (LDO) wegen seiner geringen Baugröße jedoch nur mit einer Eingangsspannung von maximal 6 Volt betrieben werden kann, wurde die Stromversorgung 8 erfindungsgemäß um einen Transistor-Längsregler erweitert, der die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung des LDO auf die Größenordnung einer Basis-Emitter-Spannung von ca. 0,7 Volt regelt. So erhält der LDO eine Eingangsspannung von etwa 4 Volt.
Mit dieser Spannung werden vorteilhaft die 3V/4V-Spannungswandler zur Steuerung der beiden PROFET^TM versorgt. Ein weiterer Vorteil dieser Regelschaltung liegt in der Vermeidung von zusätzlichen Querströmen.
Die Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit erfolgt über die Versorgungsanschlüsse UB+ und GND, wobei ein mit dem Mikrocontroller 5 gekoppelter Empfänger Rx die Spannung UB auswertet, und der Sender Tx den Strom IB am Anschluss UB+ des Druckmessgerätes beeinflusst.
Der eigentliche Abgleich erfolgt erfindungsgemäß mit einem aktiven Integrator 31, der einen kapazitiv rückgekoppelten Operationsverstärker OPV aufweist, dessen Ausgang sowohl über einen Widerstand mit der Messbrücke 1 als auch mit einem Analog-Digital-Wandler-Eingang des Mikrocontrollers 5 verbunden ist, und dessen Eingang mit einem Tri-State-Ausgang (0, 1 und Z) des Mikrocontrollers 5 verbunden ist.
Durch den Integrator 31 kann das Korrektursignal zur Messbrücke 1 vorteilhaft mit Digitalimpulsen geregelt werden. Ein weiterer Vorteil eines aktiven Integrators 31 liegt darin, dass während des High-Z-Zustandes des Digitalausganges des Mikrocontrollers 5 der gegenwärtige Analogwert des Integrators 31 gespeichert bleibt, somit müssen nur dann digitale Signale eingespeist werden, wenn der analoge Ausgangswert sich ändern soll. Eine Digital-Analog-Wandlung über eine Pulsweitenmodulation (PWM) würde hingegen eine fortlaufende Dynamik bei der Ansteuerung erfordern.
Bezugszeichenliste

1: Messbrücke, vorzugsweise eine Wheatstone-Widerstandsmessbrücke
2: Temperatursensor, vorzugsweise in PTC-Widerstand
3: Abgleicheinheit für die Messbrücke
4: Instrumentenverstärker
5: Mikrocontroller
6: Bedienelement(e), Potentiometer
7: Anzeigeeinheit, vorzugsweise eine oder mehrere LED
8: Stromversorgung, vorzugsweise mit einem Low-Drop-Spannungsregler (LDO)
9: Kommunikationseinheit mit einem Sender (Tx) und einem Empfänger (Rx)
31: Aktiver Integrator mit einem Operationsverstärker (OPV)
GND: Masseanschluss
IB: Strom IB am Pin UB+
OPV: Zum aktiven Integrator 31 gehörender Operationsverstärker
OUT1: Erster Schaltausgang
OUT2: Zweiter Schaltausgang
Rx: Empfänger der Kommunikationseinheit 9
Tx: Sender der Kommunikationseinheit 9
UB: Spannung am IB am Anschluss UB+
UB+: Anschluss für die Versorgungsspannung

Claims

Druckmessgerät mit einer Messbrücke (1), die mit einem Temperatursensor (2), einer Abgleicheinheit (3) und einem Instrumentenverstärker (4) verbunden ist, die außerdem einen Mikrocontroller (5) zur Steuerung und Auswertung, sowie eine Stromversorgung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgleicheinheit (3) einen aktiven Integrator (31) aufweist, der vom Mikrocontroller (5) gesteuert wird und zum Abgleich der Messbrücke (1) dient.
Druckmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Integrator (31) einen Operationsverstärker (OPV) aufweist, dessen Ausgang sowohl über einen Widerstand mit der Messbrücke (1) als auch mit einem Analog-Digital-Wandler-Eingang des Mikrocontrollers (5) verbunden ist, und dessen Eingang mit einem Tri-State-Ausgang des Mikrocontrollers (5) verbunden ist.
Druckmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (8) neben einem Low-drop-Spannungsregler (LDO) einen Transistor-Längsregler aufweist, der die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Low-drop-Spannungsreglers (LDO) auf 0,7 Volt regelt.