Die einfachste Art, piezokeramischen Druckmesszellen zu kalibrieren

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1 Problemstellung: Aufbau einer einfachen und kostengünstigen Schaltung zur Signalverstärkung und Kalibrierung von keramischen Druckmesszellen mittels eines geeigneten ICs [1] und weniger diskreter Bauelemente oder in Kombination von IC und Mikroprozessor. Ziel ist ein abgeglichenes robustes Sensorsystem, das auf Grund der piezokeramischen Messzelle medienresistent ist und sich kostengünstig und einfach produzieren lässt. Sensorsystem (Sensorsystem = Piezokeramische Messzelle ME651 oder ME501/ME505 mit der Auswerteelektronik) Als Messzelle wurde in der vorliegenden Anwendungsbeschreibung beispielhaft die piezokeramische Druckmesszelle ME651 der Firma Metallux S.A. [] verwendet. Die beschriebenen Abgleichmethoden gelten für alle gängigen piezokeramischen Druckmesszellen, insbesondere für alle Messzellen der Firma Metallux S.A.. Die piezokeramischen Messzellen sind mit einer Wheatstoneschen Brücke aus Dickschichtwiderständen versehen (siehe Abbildung ), deren Widerstandswert (Brückenwiderstand R BR ) mit 11KO? spezifiziert wird und die bei Druckbeaufschlagung ein druckproportionales Signal von ca. mv/v CC erzeugen. Auf Grund der herstellungsbedingten Streuungen müssen diese Abbildung 1: Keramische Meßzelle ME651 Messzellen mit der Verstärkerelektronik individuell abgeglichen werden. Es werden im Folgenden zwei verschiedene Methoden des Abgleichs betrachtet: Der erste Abgleich mit einem speziellen IC und zwei externen Widerständen und der zweite Abgleich mit dem gleichen IC und einem zusätzlichen Mikroprozessor. V S (z.b 5Volt) V IN+ + V IN- Instrumenten- Verstärker I = f ( P-P ) 1 U I Ausgang- Stufe I Zum Abgleich von Fußpunkt und Spanne wurde unter Benutzung des Präzisionsverstärker-IC AM467 der Firma Analog Microelectronics, Mainz [1] eine einfache Schaltung entwickelt (siehe Abbildung 3), die neben der Keramik-Meßzelle und dem IC AM467 aus Einstell- und Festwiderständen sowie aus Kondensatoren besteht (Siehe Datenblatt AM467 [1]). Abbidung : Netzwerk einer relativen piezoresistiven Messzelle mit Auswerteelektronik Seite 1/5

2 Das IC AM467 ist ein analoges IC und seinerseits besteht aus einem Eingangsverstärker und einer ratiometrischen Rail-to-Rail Ausgangsstufe. Es zeichnet sich durch einen geringen Offset und eine kleine Temperaturdrift aus. Das Ausgangssignal des ME651 von ca. Vcc= 5V soll mit Hilfe des AM467 in ein 0,5 bis 4,5V Ausgangssignal umgesetzt werden. Der Wert von 0,5V wird als Fußpunkt oder Offset bezeichnet, das Full Scale Signal beträgt 4,5V. Der einfache Schaltungsaufbau zur Kalibration der Ausgangswerte ist in der Abbildung 3 gezeigt und der Abgleich wird nachstehend beschrieben: Prinzipieller analoger Abgleich Der Abgleich des Sensorsystems in Fußpunkt und Full-Scale-Signal geht in zwei Schritten vor sich. Zunächst wird die Kombination Messzelle plus IC (= System) mit festgelegten externen Bauelementen im Messarbeitspunkt mit und ohne Druckbeaufschlagung bei Raumtemperatur vermessen. Mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus (Excel-Sheet: Kali_AM467.xls [3]) werden auf der Grundlage der gemessenen Ausgangsspannungswerte des Systems und der individuellen Messbrückenwerte die Werte der beiden Einstell- (Kalibrations-)widerstände ermittelt. Mit diesen Widerständen, die gegen die zuvor benutzten Messwiderstände ausgetauscht werden müssen, ist unter Berücksichtigung aller wirksamen Fehler (parasitären Effekte und Bauteile-Toleranzen) das gesamte System kalibriert. Detaillierte Vorgehensweise (für Abgleich mit diskreten Widerständen) Für die Signalauswertung des Sensorsystems werden insgesamt vier Widerstände R 1 bis R 4 benötigt (siehe Abbildung ). Die beiden Widerstände R und R 4 sind fest vorgegeben. Sie können e- benso wie die Kondensatoren C 1 bis C 4 vorweg auf der Verstärkerplatine montiert werden. Die Widerstände R 1 und R 3 werden als Messwiderstände bezeichnet und für alle Messzellen der gleichen Kategorie (gleicher Druckbereich, Brückenwiderstand, Mittelspannung und Versorgungsspannung) in die Messeinrichtung eingebaut. Mit den beschriebenen Bauteilen (R 1 bis R 4, C 1 bis C 4 ) befindet sich alle System der gleichen Kategorie im Messarbeitspunkt, der die anschließende Kalibration ermöglicht. Diese Einstellung gilt allgemein, das heißt, alle Systeme einer Kategorie können mit der gleichen Messeinrichtung vermessen werden. Die notwendigen Anfangsparameter für die Kalibration durch die Kalibiersoftware Excel-Sheet: (Kali_AM467.xls) sind die spezifizierten Kategoriedaten: Messzellenbrückenwiderstand (R BR ), Ausgangsmittelspannung der Messzelle (V BR ) und die Betriebsspannung des Systems (V CC ). Nach der Messung und Eingabe dieser drei Werte wird die Messzelle an die Auswerteschaltung angeschlossen. Das Ausgangssignal am IC AM467 wird bei Nulldruck und Volldruck (Fußpunkt und Full-Scale-Signal) gemessen und mit dem Wert für den angegebenen Maximaldruck der Messzelle (Pmax) in das Excel-Programm eingegeben. Mit den ermittelten Werten werden in dem Abgleichalgorithmus für jedes Einzelsystem individuell die beiden Widerstände R 1 und R 3 berechnet, die gegen die Messwiderstände R 1 und R 3 ausgetauscht und auf der Platine aufgelötet werden müssen. Mit dem Einsetzen dieser Widerstände ist die Kalibration abgeschlossen. In Abhängigkeit von der Genauigkeit der eingesetzten Widerstände sollte man einen Fußpunktwert von 0,5V und ein Full- Scale-Signal von 4,5V erhalten haben. Seite /5

3 R3 AM467 8 VCC C4 IN+ IN- 3 AMP Endstufe mit Kurzschlußschutz 1 C1 R R1 Vout 4 C C3 R4 Abbildung 3: Keramische Messzelle ME651 mit dem AM467 und Abgleichnetzwerk mit externen Widerständen Alle notwendigen elektronischen Komponenten der Verstärkerschaltung aus Abbildung 3 können auf einer einfachen runden Leiterplatte (Ø 14mm) untergebracht werden. Da die Kalibration durch das Auflöten der Kalibrationswiderstände auf die Leiterplatte stattfindet, kann diese Leiterplatte vor dem Abgleich auf die Messzelle montiert und in das vorgesehene Gehäuse eingebaut werden. Die Kalibration erfolgt dann mit der Montage der berechneten Abgleichwiderstände. Vorteil dieser Methode ist, dass alle einbaubedingten Einflüsse auf die Werte der Messzelle (Offsetverschiebung) im Abgleich mit berücksichtigt werden. Falls die Leiterplatte vor dem Einbau kalibriert werden muss, ist auf einen Stress freien Einbau zu achten, da sonst der Fußpunkt verschoben werden könnte. Abbildung 4: Messzelle mit der montierten Verstärkerplatine Seite 3/5

4 Statt der erwähnten Kalibrationswiderstände kann der Abgleich auch durch externe Trimmwiderstände oder auf einem Hybridsubstrat durch Laser trimmbare Dickschichtwiderstände realisiert werden. Für beide Methoden gilt die erwähnte Kalibiersoftware Excel-Sheet: (Kali_AM467.xls). Prinzipieller digitaler Abgleich Die zweite Methode der Signalverarbeitung basiert auf der Kombination von AM467 mit einem Prozessor und kann als digitaler Abgleich bezeichnet werden. Diese Schaltungsvariante empfiehlt sich insbesondere dann, wenn im übergeordneten System schon ein Prozessor notwendig ist und die Abgleich-Routine im Slave-Betrieb durchgeführt werden kann. Bei dem digitalen Abgleich müssen die beiden Kalibrationswiderstände R 1 und R 3 nicht mehr geändert werden. Man kann das System dann im Messarbeitspunkt (siehe Kali-CAV467.xls) mit Hilfe des Prozessors im Fußpunkt und Full- Scale-Wert abgleichen. Die Kalibration des Sensors erfolgt bei Null- und Nenndruck unter Raumtemperatur. Dazu werden die Ausgangswerte gemessen und die Korrekturwerte im Vergleich mit der idealen Kennlinie berechnet. Mit den berechneten Größen können die Messwerte verknüpft und damit auf die Sollwerte korrigiert werden Im Gegensatz zu dem anfangs beschriebenen analogen Abgleich, ist es mit dem Mikroprozessor leicht möglich, auch ein Temperaturkompensation durchzuführen. Diese ist bei den erwähnten Messzellen und bei der geringen Temperaturdrift des AM467 in den meisten Fälle jedoch nicht notwendig. Falls die Temperaturkompensation aus Gründen der Genauigkeit dennoch erwünscht sein sollte, muss der gesamte Sensor bei mindestens zwei Temperaturen mit Nulldruck (für die Fußpunktkalibration und die Temperaturkompensation des Offsets = TCO) und bei zwei Temperaturen bei maximalen Nenndruck (für die Full-Scale Kalibration und die Temperaturkompensation der Spanne = TCS) gemessen werden. Daraufhin können die Korrekturgrößen berechnet und die Messgrößen korrigiert werden. Die Kombination IC mit einem entsprechenden Mikroprozessor ist auf alle Fälle dann zu empfehlen, wenn digitale Ausgangssignale gefordert werden. C4 R3 AM467 IN+ 3 AMP IN- Endstufe 4 VCC 8 C1 1 R C C3 R1 R4 VA/D V CC µ P MC 9SO8 SH8 PWM IC SPI RS3 Abbildung 4: Kombination des AM5467 mit einem Mikroprozessor Seite 4/5

5 Zusammenfassung Die Anwendungsnotiz zeigt, dass es mit einem geeigneten IC und wenigen externen Elementen relativ einfach ist, einen Drucksensor mit einer piezoresitiven Messzelle aufzubauen. Die geringe Empfindlichkeit der Messzelle erfordert einen Präzisionsverstärker, der in Gestalt des AM467 auch eine einfache Kalibration des Nullpunktes und des Full-Scale-Signal zulässt und einen analogen Ausgang von beispielsweise 0,5 4,5V ermöglicht. Vorteil dieser Lösung ist der komplett analoge Signalpfad, der auch schnelle Messvorgänge (<0,05msec) erlaubt Möchte man darüber hinaus eine Temperaturkompensation durchführen und/oder digitale Ausgangssignale erhalten, dann ist der digitale Abgleich zu bevorzugen, der mit einem kostengünstigen Mikroprozessor durchgeführt werden kann. Besonders interessant an der vorgeschlagenen Schaltung ist der Kostenaspekt. Bei dem AM467 handelt es sich um ein Low-Cost-IC, das speziell für dese Anwendung entwickelt wurde. Weiterführende Literatur: [1] Datenblatt AM467: [] Datenblatt ME651: [3] Dimensionierungshilfen: Seite 5/5

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