Einführung in die Wheatstone-Brücke

Das Herz der Drucksensoren von Merit Sensor ist eine Wheatstone-Brücke, die aus einer Gruppe von vier Widerständen auf einer geätzten Siliziummembran besteht. Wenn Druck auf die Membran ausgeübt wird, werden die Widerstände belastet und ändern ihren Widerstand.

In einer idealen Einstellung wären alle Widerstände perfekt aufeinander abgestimmt und völlig temperaturunabhängig.

In der realen Welt bestehen jedoch Unterschiede zwischen den Widerstandswerten jedes Widerstands. Darüber hinaus ändert die Temperatur auch die Widerstandswerte. Die temperaturbedingte Änderung der Widerstandswerte und des gesamten Brückenausgangs wird als Temperaturkoeffizient des Widerstands oder TCR bezeichnet.

Viele Anwendungen verlangen, dass a Drucksensor temperaturunabhängig arbeiten. Bei diesen Anwendungen muss der TCR des Drucksensors kompensiert werden.

Es gibt zwei allgemeine Methoden zur TCR-Kompensation – passiv und aktiv.

Bei der passiven Kompensation müssen die einzelnen Brückenwiderstandswerte gemessen werden, um die für die Kompensationswiderstände benötigten Werte zu bestimmen.

Bei der aktiven Kompensation zeichnet ein Mikrocontroller, Signalkonditionierer oder eine analoge Schaltung die Brückenausgabe über verschiedene Temperatur- und Druckbedingungen auf und passt die Sensorausgaben entsprechend an.

Brückenkonfigurationen

ein. Geschlossen – Eine Brücke, in der alle Widerstände verbunden sind (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1 – Geschlossene Brücke

In einer geschlossenen Brücke gibt es keine Möglichkeit, einzelne Widerstände zu messen, da immer Einflüsse von den anderen drei Widerständen der Brücke auftreten.

b. Halb offen – Eine Brücke, die in zwei Zweige geteilt und an einem Ende verbunden ist (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 – Halboffene Brücke

Im Gegensatz zur geschlossenen Brücke können bei einer halboffenen Brücke Messungen für jeden Widerstand vorgenommen werden, was von Vorteil ist, wenn die Leistung des Sensors bestimmt werden muss. Eine halboffene Brücke ermöglicht auch das Hinzufügen von entweder aktiver oder passiver Kompensation nach Bedarf.

Eine halboffene Brücke erfordert einen zusätzlichen elektrischen Anschluss.

c. Full Open – Eine Brücke, die in zwei Zweige unterteilt ist, die an beiden Enden offen sind (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 – Vollständig geöffnete Brücke

Ähnlich wie bei der halboffenen Brücke ermöglicht die vollständig offene Brücke die Messung jedes Widerstands. Neben der Möglichkeit, entweder aktive oder passive Kompensation zu verwenden, kann jede Hälfte der Brücke unabhängig mit Strom versorgt und gemessen werden. Dies ist vorteilhaft, da einige Signalkonditionierer, die üblicherweise in Drucksensoranwendungen verwendet werden, zwei unabhängige Zweige erfordern.
Die Konfiguration mit vollständig offener Brücke erfordert jedoch eine zusätzliche elektrische Verbindung, die über die der halboffenen Konfiguration hinausgeht.

Beispiele für Implementierungen

ein. Geschlossen – Da einzelne Widerstände in einer geschlossenen Brücke nicht gemessen werden können, kann eine geschlossene Brücke mit aktiver Kompensation oder in einer Anwendung verwendet werden, in der Sensorausgangsschwankungen aufgrund von Temperaturänderungen akzeptabel sind.

Abbildung 4 zeigt eine geschlossene Brücke mit aktiver Kompensation.

Abbildung 4 – Geschlossene Brücke mit Schnittstellengerät (Signalkonditionierungs-ASIC, Mikrocontroller, analoge Schaltung usw.)

Ein Beispiel für eine geeignete Anwendung für eine geschlossene Brücke, bei der die Temperaturunabhängigkeit nicht entscheidend ist, ist ein Druckschalter, bei dem die Absolutdruckmessungen nicht so wichtig sind wie das Erreichen einer Druckschwelle.

b. Half Open – Eine aktive Kompensation kann auf die halboffene Brücke angewendet werden, wie in Abbildung 4 oben gezeigt. Passive Kompensation kann auch auf die halboffene Brücke angewendet werden, wie unten in Abbildung 5 zu sehen ist.

Abbildung 5 – Halboffene Brücke mit passiver Kompensation

Die Implementierung einer halboffenen Brücke mit passiver Kompensation in Abbildung 5 zeigt die hinzugefügten Komponenten sowie die zusätzliche elektrische Verbindung (Vin+), die zum Schließen der Brücke erforderlich ist. Die zusätzlichen Widerstände, wie sie genannt werden, bewirken eine Kompensation von Spanne, Null und Ausgangsimpedanz. Diese Komponenten müssen hinzugefügt werden, nachdem offene Brückenmessungen unter den erforderlichen Bedingungen durchgeführt wurden.

C. Full Open – Die Full Open Bridge hat eine Vielzahl von Implementierungen. Neben der Verwendung als vollständig offene Brücke kann sie als halb offene (Abbildung 5) oder geschlossene Brücke (Abbildung 4) verwendet werden. Abbildung 6 zeigt, wie eine vollständig offene Brücke für zwei Funktionen verwendet werden könnte – Temperatur und Druck.

Abbildung 6 – Vollständig geöffnete Brücke mit zwei Funktionen

Bei dieser Implementierung wird die eine Hälfte der Brücke als Temperatursensor und die andere als Drucksensor verwendet. Es wird nur die Hälfte des Druckausgangssignals vorhanden sein, da nur der Spannungshub der halben Brücke vorhanden ist. Dies ermöglicht jedoch den zusätzlichen Vorteil eines Mittels zum Messen der tatsächlichen Werkzeugtemperatur. Die Temperaturmessung ermöglicht eine genauere Eingabe für die Temperaturkompensation als eine Messung der Umgebungstemperatur.

Auswahl der geeigneten Konfiguration für Ihre Anwendung

Bei Entscheidungen über die Brückenkonfiguration sollte das gesamte Sensorsystem berücksichtigt werden. Zunächst muss der Benutzer entscheiden, ob die Temperaturunabhängigkeit wichtig ist und wenn ja, ob aktive oder passive Kompensation verwendet werden. Wenn eine aktive Kompensation gewählt wird und ein Signalkonditionierer oder ein anderes elektronisches Gerät verwendet wird, müssen die Anforderungen dieses Geräts erfüllt werden.

Seien Sie vorsichtig, da Geräte mit ähnlichen Funktionen sehr unterschiedliche Anforderungen haben können.

Wie zuvor erörtert, hat jede Konfiguration ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die zusätzlichen elektrischen Verbindungen einer vollständig offenen Brücke erhöhen die Komplexität der Montage, ermöglichen jedoch mehr Flexibilität sowie die Möglichkeit, Brückenprobleme einfacher zu beheben.

Letztendlich sollte die Wahl der Brückenkonfiguration auf einer gründlichen Analyse des Systems basieren.

 

 

 

 

 

 

 

Haftungsausschluss
Merit Sensor Systems stellt qualitativ hochwertige Produkte her, die innerhalb der Parameter des Datenblatts funktionieren. Typische Druck- und Temperaturleistungswerte werden nicht zu 100 % getestet, aber während der Qualifizierung validiert. Merit Sensor kann nicht garantieren, dass das Produkt nach der Montage und Nachbearbeitung durch den Kunden ordnungsgemäß funktioniert. Es liegt in der Verantwortung des Kunden, die Funktion des Merit Sensor-Produkts in der Endverpackung zu testen und zu qualifizieren. Der Kunde ist für die erforderlichen Kenntnisse zur Handhabung des Produkts verantwortlich und Merit Sensor übernimmt keine Haftung für Folgeschäden, die zu Ertragsverlusten oder Feldausfällen bei der Endanwendung führen können.
DIE INFORMATIONEN IN DIESEM DOKUMENT WERDEN IHNEN „WIE BESEHEN“ OHNE AUSDRÜCKLICHE ODER STILLSCHWEIGENDE GEWÄHRLEISTUNGEN ODER BEDINGUNGEN JEGLICHER ART BEREITGESTELLT. Merit Sensor Systems behält sich das Recht vor, dieses Dokument zu ändern und übernimmt keine Verantwortung für Fehler, die aus der Verwendung dieser Informationen resultieren. Alle Informationen in diesem Dokument dienen nur zur Veranschaulichung.