DE102016206165B3

DE102016206165B3 - Pressure gauge with a measuring bridge and a balancing unit

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 beanspruchtPressure measuring device with a measuring bridge 1, which is connected to a temperature sensor 2, an adjustment unit 3 and an instrument amplifier 4, which also has a microcontroller 5 for control and evaluation, an operating element 6, a display unit 7 and a power supply 8, wherein the balancing unit 3 a active integrator 31, which is controlled by the microcontroller 5, and according to the invention for adjusting the measuring bridge 1 is used. Furthermore, a circuit for internal voltage regulation is claimed

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. The invention relates to a pressure gauge with a measuring bridge and a balancing unit according to the preamble of claim 1. Pressure gauges are used in many areas, mainly process measurement. The most commonly used pressure sensor is probably the Wheatstone measuring bridge, a circuit consisting of two resistive voltage dividers connected in parallel. As long as the ratio of the two voltage dividers is the same, the voltage of the transverse relationship is always zero regardless of the operating voltage. However, as soon as one of the bridge resistors, usually a strain gauge, is deformed by pressure and thus changes its resistance, the bridge is detuned and a well-evaluated transverse stress is created. The measuring range and the sensitivity are usually set by additional resistors.

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. The DE 40 00 326 A1 shows a pressure sensor with a membrane disposed on a thick-film strain gauges, which are preferably connected to form a Wheatstone bridge, wherein the branches of the bridge circuit have outside the active region of the membrane arranged compensation resistors. So they have the same temperature as the measuring resistors, without being subjected to the pressure to be measured.

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. DE 43 35 838 C1 shows a pressure measuring switch with a Wheatstone bridge and a downstream instrument amplifier, and a digital signal processor for control and evaluation. An adjustment of the measuring bridge is not provided.

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. The DE 196 53 592 C2 discloses a conditioning circuit for a resistive pressure sensor. Here, the bridge is electronically influenced by means of digital-to-analog converters.

Ein Temperaturmessaufnehmer auf der Membran ist aus der DE 10 2011 080 229 A1 bekannt. A temperature sensor on the membrane is out of the DE 10 2011 080 229 A1 known.

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. The DE 10 2007 007 406 B4 shows an electronic pressure switch with a resistive bridge and a downstream instrumentation amplifier. The resistance measuring bridge has strain gauges and is calibrated with a high resistance network.

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. The WO 1997 017597 A1 shows a pressure sensor with a measuring bridge, which is connected to a temperature sensor, an adjustment unit and a differential amplifier. The balancing unit is a temperature-stabilizing current source with an NTC resistor and an operational amplifier as a controlled current source for the current of the measuring bridge. For zero adjustment of the measuring bridge as sensor offset and signal zero point controller, a potentiometer designated P1 is provided.

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. What is missing from the state of the art, is a simple electronic adjustment option for the resistance bridge, which works not only during manufacture, but also on the finished device, does not require additional connection cables and minimizes the load on existing in modern devices microcontroller.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise zu beseitigen und ein Druckmessgerät mit einer vom Mikrocontroller gesteuerten Abgleicheinheit anzugeben. The object of the invention is to at least partially eliminate the abovementioned disadvantages and to specify a pressure measuring device with an adjustment unit controlled by the microcontroller.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. This object is achieved with the characterizing features of claim 1. The subclaims relate to the advantageous embodiment of the invention.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den Abgleich mit Hilfe eines von einem Mikrocontroller gesteuerten aktiven Integrators durchzuführen. The essential idea of the invention is to carry out the adjustment by means of an active integrator controlled by a microcontroller.

Der Vorteil besteht darin, dass auch am fertigen Gerät ein Abgleich vorgenommen, und somit auf wechselnde Betriebsbedingungen reagiert werden kann. The advantage is that even on the finished device made a balance, and thus can be responded to changing operating conditions.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.

Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät mit einer Kommunikationseinheit. The 1 shows a pressure measuring device according to the invention with a communication unit.

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. That in the 1 shown pressure gauge shows a resistive Wheatstone bridge 1 , which also has a resistive temperature sensor 2 and with an adjustment unit 3 and an instrument amplifier 4 connected is. A microcontroller 5 receives a pressure reading called a "P-signal", a temperature value labeled "Temp.", and a trim value labeled "Offset."

Der Mikrocontroller 5 ist mit Bedienelementen 6, zum Beispiel mit zwei Potentiometern SP und RP zur Einstellung des Schaltpunktes und der Empfindlichkeit verbunden. The microcontroller 5 is with controls 6 , for example, with two potentiometers SP and RP connected to the setting of the switching point and the sensitivity.

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. One also from the microcontroller 5 controlled display unit 7 Signals an operator the switching status and readiness for operation. It should be noted that the invention also without the controls 6 with fixed switching distance and predetermined sensitivity and of course without display of the operating voltage and the switching point can be realized.

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, The switching signal is output in an antivalent way via the PROFET ^TM semiconductor switch from Infineon. These are overload and over temperature protected DMOS transistors with a CMOS logic structure,

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. As the microcontroller 5 operating at 3.3 volts, a voltage regulator is required given the supply voltage of 24 volts. Since the low-drop voltage regulator (LDO) used here, however, can only be operated with an input voltage of maximum 6 volts because of its small size, the power supply was 8th According extended to the invention by a transistor regulator, which regulates the difference between the input and the output voltage of the LDO on the order of a base-emitter voltage of about 0.7 volts. Thus, the LDO receives an input voltage of about 4 volts.

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. With this voltage, the 3V / 4V-voltage converter for controlling the two PROFET ^TM are supplied advantageous. Another advantage of this control circuit is the avoidance of additional cross currents.

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. The communication with a higher-level unit takes place via the supply connections UB + and GND, one with the microcontroller 5 coupled receiver Rx evaluates the voltage UB, and the transmitter Tx affects the current IB at port UB + of the pressure gauge.

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. The actual adjustment takes place according to the invention with an active integrator 31 , which has a capacitive feedback operational amplifier OPV, the output of which via a resistor to the measuring bridge 1 as well as with an analog-to-digital converter input of the microcontroller 5 and its input with a tri-state output (0, 1 and Z) of the microcontroller 5 connected is.

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. Through the integrator 31 can the correction signal to the measuring bridge 1 be advantageously controlled with digital pulses. Another advantage of an active integrator 31 is that during the high-Z state of the digital output of the microcontroller 5 the current analog value of the integrator 31 remains stored, so only digital signals must be fed, if the analog output value should change. A digital-to-analog conversion via a pulse width modulation (PWM), however, would require a continuous dynamic in the control.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Messbrücke, vorzugsweise eine Wheatstone-Widerstandsmessbrücke Measuring bridge, preferably a Wheatstone resistance measuring bridge
22: Temperatursensor, vorzugsweise in PTC-Widerstand Temperature sensor, preferably in PTC resistor
33: Abgleicheinheit für die Messbrücke Adjustment unit for the measuring bridge
44: Instrumentenverstärker Instrumentation amplifiers
55: Mikrocontroller microcontroller
66: Bedienelement(e), Potentiometer Operating element (s), potentiometer
77: Anzeigeeinheit, vorzugsweise eine oder mehrere LED Display unit, preferably one or more LEDs
88th: Stromversorgung, vorzugsweise mit einem Low-Drop-Spannungsregler (LDO) Power supply, preferably with a low-drop voltage regulator (LDO)
99: Kommunikationseinheit mit einem Sender (Tx) und einem Empfänger (Rx) Communication unit with a transmitter (Tx) and a receiver (Rx)
3131: Aktiver Integrator mit einem Operationsverstärker (OPV) Active integrator with an operational amplifier (OPV)
GND GND: Masseanschluss ground connection
IB IB: Strom IB am Pin UB+ Current IB at pin UB +
OPV OPV: Zum aktiven Integrator 31 gehörender Operationsverstärker To the active integrator 31 belonging operational amplifier
OUT1 OUT1: Erster Schaltausgang First switching output
OUT2 OUT2: Zweiter Schaltausgang Second switching output
Rx Rx: Empfänger der Kommunikationseinheit 9 Receiver of the communication unit 9
Tx Tx: Sender der Kommunikationseinheit 9 Sender of the communication unit 9
UB UB: Spannung am IB am Anschluss UB+ Voltage at the IB at connection UB +
UB+ UB +: Anschluss für die Versorgungsspannung Connection for the supply voltage

Claims

Pressure gauge with a measuring bridge ( 1 ) with a temperature sensor ( 2 ), a matching unit ( 3 ) and an instrument amplifier ( 4 ), which also has a microcontroller ( 5 ) for control and evaluation, and a power supply ( 8th ), characterized in that the balancing unit ( 3 ) an active integrator ( 31 ) provided by the microcontroller ( 5 ) and for the adjustment of the measuring bridge ( 1 ) serves.

Pressure measuring device according to claim 1, characterized in that the active integrator ( 31 ) has an operational amplifier (OPV) whose output is connected both via a resistor to the measuring bridge ( 1 ) as well as with an analog-to-digital converter input of the microcontroller ( 5 ) and its input is connected to a tri-state output of the microcontroller ( 5 ) connected is.

Pressure gauge according to claim 1 or 2, characterized in that the power supply ( 8th ) in addition to a low-drop voltage regulator (LDO) has a transistor series regulator, which controls the difference between the input and output voltage of the low-drop voltage regulator (LDO) to 0.7 volts.