Temperatuurcompensatiestrategie voor miniatuur druksensoren
De druksensor werkt als een brug van Wheatstone (zie afbeelding 1), waarbij de uitgangsspanning (Vout span = Vout+ - Vout-) overeenkomt met het drukniveau en de weerstand van de brug (R = (R1+R2) * (R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)) het temperatuurniveau weergeeft. Om deze informatie te verkrijgen, voeren we verschillende spanningsuitgangsmetingen uit met behulp van gegevens die zijn afgeleid van de vervorming van het membraan. Deze vervorming beïnvloedt tegelijkertijd alle vier de weerstanden, waardoor hun waarden veranderen om de mate van membraanvervorming weer te geven, zoals geïllustreerd in afbeelding 2. De metingen worden uitgevoerd onder bekende druk- en temperatuuromstandigheden, binnen een vast temperatuurbereik (van een gedefinieerde minimum- tot maximumwaarde).
Doel
Deze tutorial beschrijft strategieën voor het meten en compenseren van temperatuureffecten. Hieronder vindt u een overzicht van vier benaderingen die u in uw faciliteiten kunt implementeren:
- 4-draads techniek
- 6-draadstechniek - Druksensor aangestuurd door stroom
- 6-draads techniek - druksensor aangestuurd door spanning
- 6-draadstechniek - Druksensor aangestuurd door spanning via een sensorbox
Elke methode biedt duidelijke voordelen en is geschikt voor specifieke toepassingen, waardoor een nauwkeurige drukmeting onder verschillende omgevingscondities wordt gegarandeerd.
- Afbeelding 1: Wheatstone Bridge - 4 wires
- Afbeelding 2: MEMS deformation
4-draadstechniek
Deze methode is het meest geschikt wanneer de toepassing geen hoge nauwkeurigheid vereist en/of geen grote temperatuurschommelingen hoeft te ondergaan. In dit geval leveren we één curve aan de gebruiker (Afbeelding 3).
Benodigde apparatuur: een nauwkeurige voedingsbron en een nauwkeurige voltmeter.
Afbeelding 3: Uitgangsspanning van de sensor afhankelijk van de druk
6-draadstechniek (stroomgestuurde sensor)
Voor de 6-draadsmethode zijn twee extra draden op de sensor aangebracht om temperatuurmetingen met een nauwkeurigheid van ±0,75°C mogelijk te maken. Deze draden maken temperatuurcompensatie mogelijk door metingen uit te voeren bij verschillende temperatuurniveaus. Deze aanpak is het meest nauwkeurig en biedt ook de mogelijkheid om direct temperatuur te meten.
Deze methode wordt het best geïllustreerd met een schakelschema van een brug van Wheatstone (figuur 4). De opstelling omvat:
- 2 draden voor positieve voeding: en
- 2 draden voor negatieve voeding: en
- 2 draden voor sensoruitgang: en
De draden voor de sensoruitgang ( en ) zijn rechtstreeks gekoppeld aan het drukniveau dat op de sensor wordt toegepast. Deze configuratie garandeert een hoge precisie in zowel druk- als temperatuurmetingen, waardoor het een robuuste oplossing is voor veeleisende toepassingen.
Optie 1: Acquisitiekaart met een stroominjector
Bij deze methode wordt een bekende stroom geïnjecteerd en wordt de voedingsspanning van de sensor gemeten om de weerstand van de brug van Wheatstone te berekenen. Deze weerstand geeft informatie over de temperatuur en maakt compensatie voor de effecten daarvan mogelijk. Het acquisitieschema wordt hieronder getoond. De gebruiker krijgt twee curven:
Temperatuur versus weerstandscurve (Afbeelding 5):
Deze curve illustreert de relatie tussen de weerstand van de sensor en de temperatuur, berekend met de formule waar:
R = Vsup * Iinjected, with R= sensor’s resistance; I= injected current; Vsup= Vsup+ – Vsup- (dat is de meting van de voedingsspanning van de sensor).
Druk versus uitgangsspanning (Afbeelding 6):
Deze curve geeft informatie over de druk op basis van de uitgangsspanning (Vout+ - Vout-), de voedingsspanning van de sensor (Vsup) en de temperatuur van de sensor (gekoppeld aan zijn weerstand). Elk temperatuurniveau heeft een unieke curve (Vout/Vsup, P). Daarom moet de gebruiker de bedrijfstemperatuur kennen om de brug op de juiste waarde voor te balanceren.
Benodigde apparatuur: Een acquisitiekaart met een stroominjector.
Optie 2: Acquisitiekaart zonder stroominjector maar met een ampèremeter
Bij deze methode wordt de in de sensor geïnjecteerde stroom samen met de voedingsspanning van de sensor gemeten om de weerstand van de brug van Wheatstone te berekenen. Deze weerstand geeft informatie over de temperatuur en maakt compensatie voor de effecten daarvan mogelijk. Het acquisitieschema wordt hieronder weergegeven. De gebruiker krijgt twee curven:
Temperatuur versus weerstandscurve (Afbeelding 5):
De 1e curve (figuur 5) geeft informatie over de temperatuur volgens de weerstand van de sensor die wordt berekend met de formule: R= Vsup * Imeasured, with R= sensor’s resistance; I= measured current via Amperemetre; Vsup= Vsup+ – Vsup- (dit is de voedingsspanning van de sensor).
Druk versus uitgangsspanning (Afbeelding 6):
De 2e curve (Afbeelding 6) geeft informatie over de druk volgens de uitgangsspanning (Vout+ – Vout-) en de meting van de voedingsspanning van de sensor (Vsup) en ook volgens de temperatuur van de sensor die gekoppeld is aan de weerstand. Voor elk temperatuurniveau is de curve (Vout/Vsup, P) anders, wat betekent dat de gebruiker de juiste temperatuur moet instellen.
Benodigde apparatuur: Een acquisitiekaart met een stroominjector.
Optie 3: Acquisitiekaart zonder stroominjector maar met een sensorbox
Als alternatief voor het gebruik van een stroominjector of ampèremeter kan een specifieke sensorbox gebruikt worden. Dit apparaat wordt aangesloten op de ingang van de acquisitiekaart en levert een voedingsspanning aan de sensor. Zijn uitgangsspanning maakt het mogelijk om de stroom te bepalen die door de sensor vloeit. Met deze informatie en de voedingsspanning kan de weerstand van de sensor (brug van Wheatstone) berekend worden. Deze weerstand geeft toegang tot informatie over de temperatuur en maakt compensatie voor de effecten daarvan mogelijk. Het acquisitieschema wordt hieronder weergegeven. De gebruiker krijgt twee curven:
Temperatuur versus weerstandscurve (Afbeelding 5):
De 1e curve (Afbeelding 5) geeft informatie over de temperatuur volgens de weerstand van de sensor die wordt berekend met de formule: R= f (Vsup, Vsens) = (Vsup * Isens), met R= weerstand van de sensor; Vsup= Vsup+ – Vsup– (dit is de meting van de voedingsspanning van de sensor); Vsens= uitgangsspanning van de sensor (die een beeld geeft van de stroom); Isens= berekende stroom (formule gegeven bij de sensor box).
Druk versus uitgangsspanning (Afbeelding 6):
De 2e curve (Afbeelding 6) geeft informatie over de druk volgens de uitgangsspanning (Vout+ – Vout-)en de meting van de voedingsspanning van de sensor (Vsup) en ook volgens de temperatuur van de sensor die gekoppeld is aan de weerstand. Voor elk temperatuurniveau is de curve (Vout/Vsup, P) anders, wat betekent dat de gebruiker de juiste temperatuur moet instellen.
Deze specifieke sensor box biedt het voordeel dat hij werkt met een acquisitiesysteem dat geen stroominjector nodig heeft, wat een veelzijdige en efficiënte oplossing biedt voor temperatuur- en drukcompensatie.
Benodigde apparatuur: een acquisitiekaart, de sensor box.
- Afbeelding 5: Sensorweerstand volgens temperatuur
- Afbeelding 6: Uitgangsspanning van de sensor volgens druk
*Disclaimer: De gepresenteerde gegevens zijn niet contractueel en worden rechtstreeks beïnvloed door de kwaliteit van het gebruikte materiaal, het acquisitiesysteem en de nauwkeurigheid van de voedingsbron.
Heeft u wellicht vragen?
Heeft u hulp nodig bij uw compensatiestrategie? Wij helpen u graag!