4. 4. Die
Luftdruckmessung
Um weitere Fehler bei der Kurvenauswertung
zu vermeiden, wird der aktuelle Absolutluftdruck
in der Messkammer zur Fehlerkorrektur benötigt.
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Allerdings ist
dieser Einfluss relativ gering, so dass der Luftdruck außerhalb der Kammer
gemessen werden kann.
Die Messwerte
sollen elektrisch so umgewandelt werden, dass die Signale von der vorhandenen
A/D - Karte verarbeitet werden können.
4. 4. 1. Der
Drucksensor
Weil der Fehler
ohne die Berücksichtigung des Luftdrucks gering ist, wurde ein preiswerter
Drucksensor mit hinreichender Genauigkeit gewählt. (s.o.)
Bei dem
verwendeten Drucksensor handelt es sich um einen Sensor der
Firma SENSYM
vom Typ SCX 15.AN. Er arbeitet in einem Temperaturbereich von 0 - 70 °C bis zu einem
Druck von 2 bar mit einer Toleranz von 1%.
Bild 9: Skizze des
Drucksensors. Der Drucksensor arbeitet als Messbrücke, an die eine
Referenzspannungsquelle angeschlossen werden muss.
Uout = 7,25 mV/bar V * Uref * Druck [bar]
4. 4. 2. Das
Druckinterface
Es wurde für
die benötigte Referenzspannungsquelle ein Baustein von der Firma Analog Devices
ausgewählt, mit einer Ausgangsspannung von 10V. Dabei handelt es sich um den
Baustein AD 584, der mit 15V gespeist wird und dem Datenblatt entsprechend
beschaltet ist.
Die folgende
Schaltung soll den Luftdruck messen und eine Ausgangsspannung von +/- 5V über einen Messbereich
von 0,5 - 1,2 bar liefern.-
Die Spannung
des Drucksensors wird mit einem Differenzverstärker verstärkt, weil die
Referenzspannungsquelle nicht erdfrei ist. Sie wird auch zur Verschiebung der
Eingangsspannung ( z.B. an IC 8 ) genutzt.
Bild 10: Schaltung zur
Luftdruckmessung mit einem Drucksensor.
Bei dieser
Schaltung wird an den Drucksensor eine Referenzspannung von 10V angelegt, die
bewirkt, dass UDR bei einem Druck von 0,5
bar
UDR = 7,25 mV/bar V * 10 V * 0,5 bar = 36,25 mV
und bei einem
Druck von 1,2 bar
UDR = 7,25 mV/bar V * 10 V * 1,2 bar = 87 mV
groß wird.
Diese Spannung wird über einen einstellbaren Messverstärker und einen
nachgeschalteten Differenzverstärker verstärkt. Für Uz gilt mit R34 = R35 und R36 = R37:
Uz
= ( 1 + ( R31 + R33 ) / ( P11 + R32 )) * R36 / R34 * UDR
Für die
Verstärkung des Differenzenverstärker wurde ein Wert von 10, und mit R31 = R33
= 100 kΩ , R32 = 82 kΩ und P11 = 50 kΩ
für den Messverstärker ein Wert von 2,52 bis 3,44 gewählt. Mit R34 = R35 = 4,7 kΩ
müssen R36 = R37 = 47 kΩ sein.
Uz nimmt in Abhängigkeit von der einstellbaren
Verstärkung folgende Werte an:
Mit Vges = 25,2
Uzmax1 = 2,52 * 10 * 87 mV = 2,20 V
Uzmin1 = 2,52 * 10 * 36,25 mV = 913,5 mV
Mit Vges = 34,4
Uzmax2 = 3,44 * 10 * 87 mV = 2,99 V
Uzmin2 = 3,44 * 10 * 36,25 mV = 1,24 V
Der
Spannungsteiler für die Referenzspannung Uref
muss so dimensioniert werden, dass der minimale und maximale Wert erreicht
wird. Weil die Ausgangsspannung Uout +/-
5V betragen soll, berechnet sich Uref wie
folgt:
Uref1 = Uzmax1
- Uzmin1 = 1,56 V
Uref2 = Uzmax2
- Uzmin2 = 2,12 V
Die Berechnung
der Verstärkung des letzten Differenzverstärkers erfolgt durch Teilung des
Ausgangsspannungsbereiches (=> 10V) durch den mittleren
Eingangsspannungsbereich.
V
= 10V / (( Uzmax1 + Uzmax2 - Uzmin1
- Uzmin2 ) / 2 )
V
= 20V / ( 2,19 V + 2,99 V - 0,91 V - 1,25 V ) = 6,64
Mit R40 = R41 =
10 kΩ und R42 = R43 = 68 kΩ wurde eine Verstärkung von 6,8
realisiert. Durch P11 lässt sich die Ausgangsspannung auf +/- 5V einstellen.
Der für Uref nötige Spannungsteiler wird, wie schon bei
der Temperaturmessung, hochohmig ausgelegt, um die Referenzspannungsquelle AD
584 möglichst wenig zu belasten. ( siehe 4.3.2 )
Gewählt wurden
für R38 = 56 kΩ, R39 = 10 kΩ und P12 = 10 kΩ.
U10Vref * R39 || ( R41 + R43 )
Udiffmin =
--------------------------------------------------
( R38 + P12 + ( R39 || (
R41 + R43 )
Udiffmin = 1,18 mV
U10Vref * (( R39 + P12 ) || ( R41 + R4 ))
Udiffmax =
------------------------------------------------------
R38 + (( R39 + P12 ) || (
R41 + R43 ))
Udiffmax = 2,63 mV
Die zur
Entstörung der Betriebsspannung eingesetzten Kondensatoren und Spulen haben
alle den Wert C = 1μF und L = 470 μH. Die Dioden schützen die
Operationsverstärker bei falscher Polung vor Zerstörung. Der Widerstand R44 = 1
kΩ und der Kondensator C23 = 1000 nF bilden einen Ausgangstiefpass mit der
Grenzfrequenz fg = 159 Hz. (=> Kap. 4.2.1 )