Die einfachste Art, piezokeramischen Druckmesszellen zu kalibrieren

Die einfachste Art, piezokeramischen
Druckmesszellen zu kalibrieren
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. [2] 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 2), deren
Widerstandswert (Brückenwiderstand RBR) mit
11KO?spezifiziert wird und die bei Druckbeaufschlagung ein druckproportionales Signal von
ca. 2mV/VCC erzeugen. Auf Grund der herstel- Abbildung 1: Keramische Meßzelle ME651
lungsbedingten Streuungen müssen diese
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.
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 2 Einstell- und 2 Festwiderständen sowie aus 2 Kondensatoren besteht (Siehe Datenblatt AM467 [1]).
VS (z.B 5Volt)
IOUT = f ( P1 -P2 )
VIN+
+
VI NInstrumentenVerstärker
U
IOUT
I
AusgangStufe
Abbidung 2: Netzwerk einer relativen piezoresistiven Messzelle mit Auswerteelektronik
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Druckmesszellen zu kalibrieren
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. 10mVFS @ 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 R1 bis R4 benötigt (siehe Abbildung 2). Die beiden Widerstände R2 und R4 sind fest vorgegeben. Sie können ebenso wie die Kondensatoren C1 bis C4 vorweg auf der Verstärkerplatine montiert werden. Die Widerstände R1’ und R3’ 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 (R1’ bis R4, C1 bis
C4) 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 (RBR), Ausgangsmittelspannung der Messzelle (VBR) und die Betriebsspannung des Systems (VCC).
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 R1 und R3 berechnet, die gegen die Messwiderstände R1’ und R3’ 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 FullScale-Signal von 4,5V erhalten haben.
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AM467
VCC
8
R3
C1
R1
IN+
3
C4
IN-
AMP
2
Endstufe mit
Kurzschlußschutz
4
OUT
1
R2
C2
Vout
C3
R4
GND
GND
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
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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 R1’ und R3’ nicht mehr geändert werden. Man kann das System
dann im Messarbeitspunkt (siehe Kali-CAV467.xls) mit Hilfe des Prozessors im Fußpunkt und FullScale-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.
VC C
AM467
8
VCC
R3
C1
IN+
C4
IN-
3
AMP
Endstufe
1
R1
OUT
µ
R2
2
C2
4
VA/D
OUT
C3
R4
PWM
P
MC 9SO8
SH8
GND
GND
Abbildung 4: Kombination des AM5467 mit einem Mikroprozessor
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I2C
SPI
RS232
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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: www.analogmicro.de/german/standard/index.html
[2]
Datenblatt ME651: http://www.amsys.de/products/me651.htm
[3]
Dimensionierungshilfen: http://www.analogmicro.de/german/index.html
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