DE2755211A1

DE2755211A1 - Anordnung zur direkten messung hydrostatischer druecke

Info

Publication number: DE2755211A1
Application number: DE19772755211
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Phys Germer
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1977-12-10
Filing date: 1977-12-10
Publication date: 1979-06-13

Description

"Anordnung zur direkten Messung hydrostatischer DrUcke"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur direkten Messung hydrostatischer Drücke unter Verwendung einer Brücke schaltung, in deren Zweigen Halbleiter-Elemente angeordnet sind und aus deren Ausgangsspannung eine dem Druck proportionale elektrische Größe ableitbar ist.
Eine derartige Anordnung ist bekannt, so z.B. aus der US-PS 3 270 562. Dabei ist in zwei einander benachbarten Brückenzweigen je ein druckempfindliches Halbleiter-Element aufgenommen. Diese Halbleiter-Elemente befinden sich in zwei voneinander getrennten Kammern eines Gehäuses, deren eine dem zu messenden hydrostatischen Druck ausgesetzt ist, während die andere allseitig geschlossen ist, so daß ihr Inneres und damit auch der in ihr befindliche Halbleiter nicht von dem zu messenden Druck beeinflußt wird. Bekanntlich hängt der elektrische Widerstand derartiger Halbleiter-Elemente nicht nur in hier erwünschter Weise von dem auf sie ausgeübten Druck, sondern auch in unerwünschter Weise von der Temperatur ab. Aus diesem Grunde dient der nicht dem Druck unterworfene Halbleiter bei der bekannten Anordnung lediglich der Temperaturkompensation.
Diese bekannte Anordnung ist nicht nur sehr aufwendig, sondern sie hat darüber hinaus auch den Nachteil, daß sie eine große Wärmeträgheit aufweist, denn es dauert sehr lange, bis der zur Temperaturkompensation dienende Halbleiter, der ja nicht von dem Druckmedium berührt wird, die gleiche Temperatur angenommen hat wie der mit dem Druckmedium in ständiger Berührung stehende eigentliche Druckaufnehmer. Bei Messungen, bei denen mit häufigen Temperaturänderungen zu rechnen ist, treten daher Meßfehler auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Temperaturkompensation auch bei schnellen Temperaturänderungen aufrechterhalten bleibt.
Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Halbleiter-Elemente dem zu messenden Druck ausgesetzt sind und daß sie aus Materialien bestehen, die zwar gleiche Temperaturabhängigkeit, jedoch entgegengesetzte Druckabhängigkeit aufweisen.
Derartige Materialien, die vorzugsweise Verwendung finden können, sind z.B. InSb- und Te-Kristalle. Diese können entweder, wie bei der bekannten Anordnung, als Halbbrücke oder als Vollbrücke geschaltet sein.
Derartige Halbleiter-Materialien haben also die Eigenschaft, daß daraus hergestellte Drucksensoren entgegengesetztes Verhalten zeigen, d.h., während der eine unter Druckeinwirkung seinen Widerstand erhöht, erniedrigt sich der Widerstand des anderen. Dadurch bleibt der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung zweier solcher Sensoren stets gleich, sofern auch die Temperatur konstant bleibt. Hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit zeigen jedoch beide Materialien die gleichen Eigenschaften, d.h., bei beiden nimmt die Empfindlichkeit gegenüber einer Druckänderung mit zunehmender Temperatur ab. Folglich verkleinert sich auch das Ausgangssignal der Brücke mit zunehmender Temperatur.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, diese Empfindlichkeitsabnahme dadurch zu kompensieren, daß die Speisespannung der Brücke entsprechend dieser Abnahme erhöht wird, so daß die Diagonalspannung der Brücke konstant bleibt.
Dazu kann die Stromversorgungsschaltung für die Brücke mit einem Regelkreis versehen sein, der die Brückenspeisespannung in Abhängigkeit vom Briickenstrom nachführt.
An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 eine an sich bekannte Brückenschaltung mit den vorgeschlagenen Halbleiter-Elementen, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung einer derartigen Meßbrücke, Fig. 3 die Abhängigkeit der Brückenausgangsspannung von dem Druck und der Temperatur im Bereich von 0 bis +500C, und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen Druckaufnehmer der erfindungsgemäßen Art.
Fig. 1 zeigt eine Brückenschaltung mit vier druckempfindlichen Halbleiter-Elementen 1, 2, 3 und 4. Dabei bestehen die in den Brückenzweigen 1 und 4 enthaltenen Sensoren aus InSb, dessen Widerstandswert mit zunehmendem Druck ansteigt. Die Brückenwiderstände 2 und 3 bestehen aus Te, dessen Widerstandswert mit zunehmendem Druck abnimmt. In Reihe zu den BrUckenwiderständen 2 und 3 sind noch Kompensationswiderstände 2' und 3' geschaltet, deren Widerstandswerte etwa 5 96 der Widerstandswerte der Elemente 2 und 3 betragen und die aus Metall, z.B. aus Nickel, bestehen. Aufgabe dieser Kompensationswiderstände 2' und 3' ist es, eine eventuell noch verbleibende Nullpunktsdrift der Brücke zu kompensieren.
Da Metalle nur eine geringfügige Änderung des Widerstandes unter Einwirkung allseitigen Druckes zeigen und der Wert dieser Kompensationswiderstände klein ist gegenüber dem der Halbleiter, können diese Kompensationswiderstände zusammen mit den Halbleiter-Elementen in das Druckmedium eingebracht werden, so daß auch eine engste thermische Kopplung gewährleistet ist.
Mittels eines Instrumentes 5, z.B. eines Anzeige- oder Registriergerätes, kann die druckabhängige Ausgangsspannung der Brücke angezeigt werden.
Zur Speisung der Brücke kann eine beliebige Spannungsquelle ausreichender Konstanz Verwendung finden, die einen Strom I durch die Brücke fließen läßt. Zweckmäßiger ist es jedoch, der Temperaturabhängigkeit der Brückenwiderstände dadurch zu begegnen, daß die Ausgangsspannung U der Spannungsquelle in Abhängigkeit von dem durch die Brücke fließenden Strom I gesteuert wird: U = UO + al.
Dazu eignet sich beispielsweise eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Aus einer Spannungsquelle 6 fließt der rückenstrom über Widerstände 7 und 8 zur Brücke, deren Ausgang, gleich der Stromquelle 6, an Masse licgen kann. Mit Hilfe der Widerstände 7 und 8 läßt sich die Spannung UO einstellen, während der Faktor ar durch einen Widerstand 9 und die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker bestimmt wird. Auf diese Weise wird die Brückenspeisespannung in Abhängigkeit vom Brückenstrom nachgeführt.
Fig. 3 zeigt die Brückenausgangsspannung U (D) in Abhängigkeit von dem Druck im Temperaturbereich zwischen 0 und 500 C, wobei die Brückenspeisespannung ca. 1,2 V beträgt. Die Linearitätsabweichungen sind kleiner als 1 %.
Fig. 4 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Druckaufnehmer der vorgeschlagenen Art. In einem Gehäuse 13 sind, eingebettet in eine geeignete Flüssigkeit 14, z.B. Siliconöl, die druckempfindlichen Widerstände angeordnet, von denen nur zwei, nämlich die Widerstände 15 und 15', dargestellt sind.
Anschlußleitungen 16 sind isoliert und druckfest nach außen geführt. Uber eine Membran 17 aus geeignetem Material wird der zu messende Druck eingeleitet. Anstelle einer Flüssigkeit und einer diese bewahrenden Membran kann auch ein Silicongummi Verwendung finden, wodurch Aufbau und Herstellung vereinfacht werden.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Anordnung sind sehr hohe obere Grenzfrequenz, praktisch vollkommene Temperaturkompensation und außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Überlastungen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: Anordnung zur direkten Messung hydrostatischer Drücke unter Verwendung einer Brückenschaltung, in deren Zweigen Halbleiter-Elemente angeordnet sind und aus deren Ausgangsspannung eine dem Druck proportionale elektrische Größe ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Elemente (1, 2, 3, 4) dem zu messenden Druck ausgesetzt sind und daß sie aus Materialien bestehen, die zwar gleiche Temperaturabhängigkeit, jedoch entgegengesetzte Druckabhängigkeit aufweisen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Elemente aus eigenleitendem InSb- und eigenleitendem Te bestehen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu den aus Te bestehenden Elementen (2, 3) Kompensationswiderstände (2', 3') geschaltet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswiderstände (2', 3') aus Metall bestehen und ihr Widerstandswert etwa 5 , desjenigen der Halbleiter-Elemente (2, 3) beträgt.
5. Anordnung nach einem der AnsprUche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Brückenschaltung (1, 2, 3, 4) eine vom BrUckenstrom gesteuerte Spannungsquelle (6, 7, 8, 9) vorgesehen ist.