EP0340276A1

EP0340276A1 - Measuring device with sensors

Info

Publication number: EP0340276A1
Application number: EP19880909764
Authority: EP
Inventors: Dieter Waldmann
Original assignee: Nord Micro Elektronik Feinmechanik AG
Current assignee: Nord Micro Elektronik Feinmechanik AG
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1989-11-08
Also published as: WO1989003975A1; DE3736904A1; EP0316644A1

Abstract

Dispositif de mesure comportant des capteurs (S+, S-) dont la résistance électrique se modifie sous l'influence d'une grandeur à mesurer, et un circuit de mesure (1) électronique relié à l'un des capteurs (S+, S-), lequel circuit délivre un signal de sortie électrique en corrélation définie avec la grandeur à mesurer. Le circuit de mesure (1) délivre comme signal de sortie deux signaux périodiques d'amplitude constante et comprend deux circuits oscillateurs (4, 4') destinés à la production desdits signaux périodiques. Dans lesdits circuits oscillateurs (4, 4') est directement intégré respectivement au moins un capteur (S+, S-) de telle manière que sa résistance détermine une grandeur caractéristique (T, T') du signal périodique délivré par le circuit oscillateur (4, 4') respectif. La disposition des capteurs (S+, S-) intégrés dans les circuits oscillateurs (4, 4') est réalisée de telle manière que la valeur de la grandeur caractéristique (T, T') des signaux délivrés respectivement par les circuits oscillateurs (4, 4') subisse, sous l'influence de la grandeur à mesurer, une variation de même ampleur en sens contraire.Measuring device comprising sensors (S +, S-) whose electrical resistance changes under the influence of a quantity to be measured, and an electronic measuring circuit (1) connected to one of the sensors (S +, S- ), which circuit delivers an electrical output signal in correlation defined with the quantity to be measured. The measurement circuit (1) delivers as output signal two periodic signals of constant amplitude and comprises two oscillator circuits (4, 4 ') intended for the production of said periodic signals. In said oscillator circuits (4, 4 ') is directly integrated respectively at least one sensor (S +, S-) so that its resistance determines a characteristic quantity (T, T') of the periodic signal delivered by the oscillator circuit (4 , 4 ') respectively. The arrangement of the sensors (S +, S-) integrated in the oscillator circuits (4, 4 ') is carried out in such a way that the value of the characteristic quantity (T, T') of the signals delivered respectively by the oscillator circuits (4, 4 ') undergoes, under the influence of the quantity to be measured, a variation of the same magnitude in the opposite direction.

Description

Meßeinrichtung mit Sensorelementen Measuring device with sensor elements

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung mit Sensor¬ elementen, deren elektrischer Widerstandswert sich unter Ein¬ wirkung einer zu messenden Größe z.B eines Druckes ändert, und mit einer mit den Sensorelementen verbundenen elektroni¬ schen Meßschaltung, die ein zu der zu messenden Größe in ei¬ nem definierten Zusammenhang stehendes elektrisches Ausgangs¬ signal abgibt.The invention relates to a measuring device with sensor elements, the electrical resistance value of which changes under the influence of a variable to be measured, for example a pressure, and with an electronic measuring circuit connected to the sensor elements, which has a variable in relation to the variable to be measured ¬ outputs a defined, related electrical output signal.

Solche Meßeinrichtungen werden z.B. zur Messung von Gewichts¬ kräften in Wägeeinrichtungen verwendet. Die Sensorelemente sind dann an einem von der zu messenden Gewichtskraft beauf¬ schlagten Prüfkörper angebracht, der sich unter der Einwir¬ kung der zu messenden Gewichtskraft verformt. Entsprechend der Verformung des Prüfkörpers werden auch die Sensorelemente verformt, was zu einer Änderung des Widerstandswertes der Sen¬ sorelemente führt, die mittels einer geeigneten Meßschaltung gemessen werden kann und in einem definierten, durch einen Eichvorgang feststellbaren Verhältnis zu der jeweils wirk¬ samen Gewichtskraft steht. Einen weiteren Anwendungsfall für solche Meßeinrichtungen ist die Messung des Druckes in Flüs¬ sigkeiten oder Gasatmosphären. Die Sensorelemente sind dann auf einer sich unter der Wirkung des zu messenden Druckes ver¬ formenden Membran angebracht.Such measuring devices are e.g. used to measure weight forces in weighing devices. The sensor elements are then attached to a test body subjected to the weight to be measured, which deforms under the action of the weight to be measured. Corresponding to the deformation of the test specimen, the sensor elements are also deformed, which leads to a change in the resistance value of the sensor elements, which can be measured by means of a suitable measuring circuit and is in a defined relationship with the effective weight force which can be determined by a calibration process. Another application for such measuring devices is the measurement of the pressure in liquids or gas atmospheres. The sensor elements are then attached to a membrane deforming under the effect of the pressure to be measured.

Eine Meßeinrichtung mit einem Drucksensor der eingangs angege¬ benen Art ist in dem Aufsatz von Ralf Asmussen "Sensoren - Tastorgane der Mikroelektronik", veröffentlicht in SENSOREN 86/87, S. 137-138, Sonderpublikation der VDI-Z, VDI-Verlag, beschrieben. Bei dieser Meßeinrichtung sind vier gleichartige Sensorelemente zu einer sogenannten Vollbrücke zusammengeschaltet. Die infolge des zu messenden Druckes auftretende Änderungen des Widerstandeswertes der Sensorelemente werden mittels einer Meßschaltung ausgewertet, die als sehr aufwendige und damit teure Analogschaltung ausgeführt ist. Um genaue und über lange Zeit reproduzierbare Meßsignale zu erhalten, sind zur Kompensation von Temperatureinflüssen mehrere Temperatur¬ sensoren in die Meßschaltung einbezogen. Dennoch können Meß¬ genauigkeiten, die infolge von durch Temperaturänderungen bedingten Änderungen des Widerstandswertes der Sensorelemente auftreten, nur unvollkommen ausgeglichen werden. Insbesondere können infolge von temperaturbedingter Nullpunktsdrift der als Analogschaltung ausgeführten Meßschaltung auftretende Meß¬ fehler nicht völlig vermieden werden. Außerdem ist von Nach¬ teil, daß die Meßschaltung der bekannten Meßeinrichtung als Ausgangssignal eine dem zu messenden Druck ihrem Betrag nach entsprechende Gleichspannung abgibt. Ein solches Ausgangs¬ signal kann ohne Gefahr von Störungen nicht über größere Entfernungen übertragen werden. Es ist daher erforderlich, das Ausgangssignal der Meßschaltung vor seiner Übertragung entweder mittels eines Analog-Digital-Wandlers zu digitali¬ sieren oder zumindest einem Spannungs-Frequenz-Wandler zu¬ zuführen. In beiden Fällen entstehen zusätzlich Kosten.A measuring device with a pressure sensor of the type specified at the beginning is in the article by Ralf Asmussen "Sensors - Sensing Devices of Microelectronics", published in SENSORS 86/87, pp. 137-138, Special publication by VDI-Z, VDI-Verlag, described. In this measuring device, four identical sensor elements are interconnected to form a so-called full bridge. The changes in the resistance value of the sensor elements that occur as a result of the pressure to be measured are evaluated by means of a measuring circuit which is designed as a very complex and therefore expensive analog circuit. In order to obtain accurate and reproducible measuring signals over a long period of time, several temperature sensors are included in the measuring circuit to compensate for temperature influences. Nevertheless, measuring accuracies that occur as a result of changes in the resistance value of the sensor elements caused by temperature changes can only be incompletely compensated for. In particular, measurement errors occurring as an analog circuit due to temperature-related zero point drift cannot be completely avoided. It is also disadvantageous that the measuring circuit of the known measuring device emits as output signal a direct voltage corresponding to the amount to be measured. Such an output signal cannot be transmitted over longer distances without the risk of interference. It is therefore necessary either to digitize the output signal of the measuring circuit prior to its transmission by means of an analog-digital converter or at least to supply it to a voltage-frequency converter. In both cases there are additional costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine aufwen¬ dige Meßschaltung vermieden ist und die Meßschaltung unmittel¬ bar ein störsicher übertragbares Ausgangssignal abgibt und daß durch Temperatureinflüsse bedingte Änderungen des Wider¬ standswertes der Sensorelemente ebenso wie durch temperatur¬ bedingte Nullpunktdrift der Meßschaltung verursachte Meß¬ fehler vermieden sind, ohne daß dazu besondere Temperatur¬ sensoren erforderlich sind.The invention is based on the object of designing a measuring device of the type mentioned at the outset in such a way that an expensive measuring circuit is avoided and the measuring circuit immediately emits an interference-free transferable output signal and that changes in the resistance value of the sensor elements caused by temperature influences as well as by Measurement errors caused by the temperature drift of the measuring circuit are avoided without special temperature sensors being required.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Meßschaltung als Ausgangssignal zwei periodische Signale konstanter Amplitude abgibt und zwei Oszillatorschaltungen zur Erzeugung der periodischen Signale umfaßt, in welche Oszillatorschaltungen jeweils wenigstens ein Sensorelement derart ,umittelbar einbezogen ist, daß sein Widerstandswert eine Kenngröße des von der jeweiligen Oszillatorschaltung abgegebenen periodischen Signales bestimmt, und daß bezüglich der in die Oszillatorschaltungen einbezogenen Sensorelemente die Anordnung derart getroffen ist, daß sich unter Einwirkung der zu messenden Größe der Wert der Kenngröße der von der Oszillatorschaltung jeweils abgegebenen Signale gegenläufig um jeweils den gleichen Betrag ändert. Im Falle der erfin¬ dungsgemäßen Meßeinrichtung können somit zunächst weder durch temperaturbedingte noch durch sonstige Nullpunktdrifte der Meßschaltung verursachte Meßfehler auftreten, da die Meßschal¬ tung als Ausgangssignal Signale konstanter Amplitude abgibt. Da es sich dabei um periodische Signale handelt, können diese störsicher übertragen werden, ohne daß wie beim Stand der Technik eine Analog-Digital-Wandlung oder dergleichen erfor¬ derlich wäre. Die beiden periodischen Signale werden mittels zweier Oszillatorschaltungen erzeugt, in die das jeweilige Sensorelement unmittelbar eingebunden ist, so daß Änderungen des Widerstandswertes der Sensorelemente infolge der zu messenden Größe unmittelbar Änderungen der durch den Wider¬ standswert der Sensorelemente bestimmten Kenngröße der perio¬ dischen Signale hervorrufen. Im Falle der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist die Anordnung der Sensorelemente so ge¬ troffen, daß sich unter der Einwirkung der zu messenden Größe der Wert der Kenngröße der von den Oszillatorschaltungen abge¬ gebenen Signalen gegenläufig vorzugsweise um jeweils den gleichen Betrag ändert. Dies hat zur Folge, daß die Differenz des Wertes der Kenngröße der beiden periodischen Signale der zu messenden Größe entspricht. Dies ist zunächst insofern von Vorteil, als sich gegenüber einer Meßeirichtung mit nur einer Oszillatorschaltung und nur einem Sensorelement die doppelte Empfindlichkeit ergibt. Ein wesentlicher Vorteil der erwähn¬ ten Maßnahmen liegt aber darin, daß sich temperaturbedingte Änderungen des Widerstandswertes der Sensorelemente nicht nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirken können. Da sich der Widerstandswert der Sensorelemente im Falle von Tempera¬ turänderungen jeweils gleichsinnig um den gleichen Betrag ändern,,also für alle Sensorelemente entweder zu- oder ab¬ nimmt, ändert sich auch der Wert der Kenngröße beider perio¬ dischen Signale gleichsinnig um jeweils den gleichen Betrag. Dies bedeutet aber, daß lediglich der Mittelwert der Kenn¬ größen, nicht aber die Differenz der Werte der Kenngröße der periodischen Signale und damit die Meßgenauigkeit der Meßein¬ richtung durch Temperaturänderungen beeinflußt wird. Im Falle der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung sind also besondere Temperatursensoren weder zum Ausgleich temperaturbedingter Nullpunktdrifte der Meßschaltung noch zur Kompensation tempe¬ raturbedingter Änderungen des Widerstandswertes der Sensor¬ elemente erforderlich. Nachdem außerdem^wie bereits erwähnt. Analog-Digital-Wandler oder dergleichen zur Gewährleistung einer störsicheren Übertragung des Ausgangssignals der Meß¬ schaltung überflüssig sind und die Meßschaltung im wesent¬ lichen lediglich zwei Oszillatorschaltungen umfaßt, weist die erfindungsgemäße Meßeinrichtung eine im Vergleich zum Stand der Technik wenig aufwendige Meßschaltung auf.According to the invention, this object is achieved in that the Measuring circuit emits two periodic signals of constant amplitude as the output signal and comprises two oscillator circuits for generating the periodic signals, in which oscillator circuits in each case at least one sensor element is directly involved in such a way that its resistance value determines a parameter of the periodic signal emitted by the respective oscillator circuit, and with respect to of the sensor elements included in the oscillator circuits, the arrangement is such that, under the influence of the variable to be measured, the value of the parameter of the signals emitted by the oscillator circuit changes in opposite directions by the same amount. In the case of the measuring device according to the invention, measurement errors caused by temperature-induced nor by other zero point drifts of the measuring circuit can thus initially occur, since the measuring circuit emits signals of constant amplitude as the output signal. Since these are periodic signals, they can be transmitted without interference, without an analog-digital conversion or the like being necessary as in the prior art. The two periodic signals are generated by means of two oscillator circuits, in which the respective sensor element is directly integrated, so that changes in the resistance value of the sensor elements as a result of the size to be measured immediately cause changes in the characteristic variable of the periodic signals determined by the resistance value of the sensor elements. In the case of the measuring device according to the invention, the arrangement of the sensor elements is such that, under the influence of the variable to be measured, the value of the parameter of the signals emitted by the oscillator circuits changes in opposite directions, preferably by the same amount. As a result, the difference in the value of the parameter of the two periodic signals corresponds to the variable to be measured. This is advantageous to the extent that the sensitivity is twice that of a measuring device with only one oscillator circuit and only one sensor element. A major advantage of the measures mentioned, however, is that temperature-related Changes in the resistance value of the sensor elements cannot adversely affect the measuring accuracy. Since the resistance value of the sensor elements changes in the same direction in the case of temperature changes, that is to say either increases or decreases for all sensor elements, the value of the parameter of both periodic signals also changes in the same direction by the same amount Amount. However, this means that only the mean value of the parameters, but not the difference between the values of the parameter of the periodic signals and thus the measuring accuracy of the measuring device, is influenced by temperature changes. In the case of the measuring device according to the invention, special temperature sensors are therefore neither necessary to compensate for temperature-related zero point drifts in the measuring circuit nor to compensate for temperature-related changes in the resistance value of the sensor elements. After also ^ as mentioned earlier. Analog-digital converter or the like to ensure interference-free transmission of the output signal of the measuring circuit and the measuring circuit essentially comprises only two oscillator circuits, the measuring device according to the invention has a measuring circuit which is not very expensive in comparison with the prior art.

Sofern die beiden periodischen Signale nicht zur weiteren Verarbeitung unmittelbar einer elektronischen Datenverarbei¬ tungseinrichtung, einer ProzeßSteuerung oder dergleichen zugeführt werden, ist nach einer Ausführungsform der Erfin¬ dung vorgesehen, daß die Meßschaltung eine.Auswerteschaltung umfaßt, der die von den Oszillatorschaltungen abgegebenen periodischen Signale zugeführt werden und die die Differenz der Werte der Kenngrößen der beiden periodischen Signale er¬ mittelt. Die so ermittelte Differenz der Werte der Kenngrößen kann dann mittels einer geeigneten Einrichtung, erforder¬ lichenfalls unter Berücksichtigung eines Eichfaktors oder einer Eichkurve (Kalibrierdaten), als Meßwert der zu messen¬ den Größe angezeigt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin¬ dung ist vorgesehen, daß die Auswerteschaltung außerdem den Mittelwert der Kenngrößen der beiden periodischen Signale ermittelt. Da nämlich, wie oben erläutert, Temperaturände¬ rungen, den Mittlewert der Kenngröße der beiden periodischen Signale beeinflussen, ist es durch die angegebenen Maßnahmen auf einfache Weise möglich, parallel zur eigentlichen Messung eine Temperaturmessung vorzunehmen, ohne daß dazu besondere Temperatursensoren oder dergleichen erforderlich wären. Es genügt vielmehr, den Mittelwert der Kenngrößen, erforder¬ lichenfalls unter Berücksichtigung von Kalibrierdaten einer Anzeigeeinrichtung zuzuführen oder sonstwie in der erforder¬ lichen Weise weiterzuverarbeiten.If the two periodic signals are not fed directly to an electronic data processing device, a process control or the like for further processing, according to one embodiment of the invention it is provided that the measuring circuit comprises an evaluation circuit which supplies the periodic signals emitted by the oscillator circuits and the difference between the values of the parameters of the two periodic signals is determined. The difference between the values of the parameters determined in this way can then be displayed as a measured value of the variable to be measured by means of a suitable device, if necessary taking into account a calibration factor or a calibration curve (calibration data). In a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that the evaluation circuit also determines the mean value of the parameters of the two periodic signals. Since, as explained above, temperature changes influence the mean value of the parameter of the two periodic signals, it is possible in a simple manner to carry out a temperature measurement parallel to the actual measurement without the need for special temperature sensors or the like. Rather, it is sufficient to supply the mean value of the parameters, if necessary taking into account calibration data, to a display device or to process them in some other way in the required manner.

Nach einer Variante der Erfindung geben die Oszillatorschal¬ tungen jeweils ein Rechtecksignal ab, wobei als Kenngröße der Rechtecksignale jeweils deren Tastverhältnis durch den Wider¬ standswert des in die jeweilige Oszillatorschaltung einbezoge¬ nen Sensorelementes bestimmt ist. Derartige Signale können störsicher übertragen werden. Insbesondere kann durch bei der Übertragung der Signale auftretende Störeinflüsse eine Ände¬ rung von deren Tastverhältnis praktisch nicht erfolgen. Es besteht jedoch auch' die Möglichkeit, die Meßeinrichtung so auszubilden, daß als Kenngröße des von Oszillatorschaltungen jeweils abgegebenen periodischen Signales dessen Frequenz durch den Widerstandswert des in die jeweilige Oszillator¬ schaltung einbezogenen Sensorelementes bestimmt ist. Auch in diesem Falle ist eine störsichere Übertragung des Signale gewährleistet, und zwar in einem besonders hohen Maße dann, wenn die Oszillatorschaltungen Rechtecksignale abgeben.According to a variant of the invention, the oscillator circuits each emit a square-wave signal, the duty factor of the square-wave signals being determined by the resistance value of the resistance value of the sensor element included in the respective oscillator circuit. Such signals can be transmitted without interference. In particular, interference effects occurring during the transmission of the signals practically cannot change their duty cycle. However, there is also the possibility of designing the measuring device such that the frequency of the periodic signal emitted by oscillator circuits is determined by the resistance value of the sensor element included in the respective oscillator circuit. In this case, too, interference-free transmission of the signal is ensured, to a particularly high degree when the oscillator circuits emit square-wave signals.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Oszilla¬ torschaltung jeweils einen die Kenngröße des entsprechenden periodischen Signals bestimmenden, aus zwei Widerständen gebildeten Spanungsteilers enthalten, und daß wenigstens einer der Widerstände des Spannungsteilers durch ein Sensor¬ element gebildet ist. In diesem Falle ist es besonders vor- teilhaft, wenn die Widerstände der Spannungsteiler durch jeweils ein Sensorelement gebildet sind und die Anordnung der Sensorelemente derart getroffen ist, daß sich unter der Ein¬ wirkung der zu messenden Größe der elektrische Widerstands¬ wert eines Sensorelementes des Spannungsteilers vergrößert während sich der des anderen verringert, da dann eine Ver¬ dopplung der Empfindlichkeit des Meßeinrichtung erzielt wird.One embodiment of the invention provides that the oscillator circuit each contain a voltage divider which determines the characteristic of the corresponding periodic signal and is formed from two resistors, and that at least one of the resistors of the voltage divider is formed by a sensor element. In this case, it is particularly partial if the resistances of the voltage dividers are each formed by one sensor element and the arrangement of the sensor elements is such that the electrical resistance value of one sensor element of the voltage divider increases under the influence of the variable to be measured, while that of the other decreases, since the sensitivity of the measuring device is then doubled.

Nach einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Oszillatorschaltungen jeweils einen unter Verwendung eines Differenzverstärkers gebildeten astabilen Multivibrator um¬ fassen, der aus einem invertierenden Schmitt-Trigger gebildet ist, der sich selbst über einen Tiefpaß steuert, wobei wenig¬ stens einer der Widerstände des zu Mitkoppelung des Schmitt- Triggers vorgesehenen Spannungsteilers durch ein Sensorele¬ ment gebildet ist. Dabei kann außerdem vorgesehen sein, daß die Oszillatorschaltungen jeweils einen dem astabilen Multi- vibrators nachgeschalteten invertierenden Differenzverstärker umfassen, an dessen Ausgang das jeweilige periodische Signal ansteht und dessen Ausgang mit dem Fußpunkt des Spannungs¬ teilers des Schmitt-Triggers verbunden ist. Durch diese Aus¬ bildung der Oszillatorenschaltungen ist sichergestellt, daß Änderungen der VersorgungsSpannung und Nullpunktsdrifterschei¬ nungen der Differenzverstärker die Funktion der Oszillator¬ schaltungen und damit die Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung nicht nachteilig beeinflussen können, da die Differenzver¬ stärker während des Betriebes der Meßschaltung übersteuert sind. In diesem Zusammenhang ist im Hinblick auf die Tempe¬ raturstabilität der Meßschaltung von Vorteil, wenn nach Vari¬ anten der Erfindung alle Differenzverstärker als integrierte Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat (Vielfach-Operations- verstärker) bzw. alle in der Meßschaltung enthaltenen Ohm'sehen Widerstände auf einen gemeinsamen Substrat (Wider- stands-Array) ausgebildet sind.According to a variant of the invention, it is provided that the oscillator circuits each comprise an astable multivibrator which is formed using a differential amplifier and which is formed from an inverting Schmitt trigger which controls itself via a low-pass filter, at least one of the resistances of the for coupling the voltage divider provided to the Schmitt trigger is formed by a sensor element. It can also be provided that the oscillator circuits each comprise an inverting differential amplifier connected downstream of the astable multivibrator, at the output of which the respective periodic signal is present and the output of which is connected to the base of the voltage divider of the Schmitt trigger. This configuration of the oscillator circuits ensures that changes in the supply voltage and zero-point drift phenomena of the differential amplifiers cannot adversely affect the function of the oscillator circuits and thus the measuring accuracy of the measuring device, since the differential amplifiers are overdriven during operation of the measuring circuit. In this context, it is advantageous with regard to the temperature stability of the measuring circuit if, according to variants of the invention, all differential amplifiers are integrated as an integrated circuit on a common substrate (multiple operational amplifier) or all ohmic resistors contained in the measuring circuit are formed on a common substrate (resistor array).

Als Sensorelemente können nach Ausführungen der Erfindung sowohl Dehnungsmeßstreifen als auch piezoresistive Wandler vorgesehen sein, wobei erstere besonders für statische und letztere mehr für dynamische Messungen geeignet sind. Dabei ist es zweckmäßig, wenn alle Sensorelemente im unbelasteten Zustand den gleichen Widerstandswert besitzen. ι In den beigefügten Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:According to embodiments of the invention, both strain gauges and piezoresistive transducers can be used as sensor elements be provided, the former being particularly suitable for static and the latter more suitable for dynamic measurements. It is expedient if all sensor elements have the same resistance value in the unloaded state. ι In the accompanying drawings, embodiments of the invention are shown. Show it:

Figur 1: in schematischer Darstellung eine erfindungs¬ gemäße MeßeinrichtungFigure 1: a schematic representation of a measuring device according to the invention

Figur 2: in Form eines Diagramms das Ausgangssignal einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung als Funktion des Wertes der zu messenden Größe,FIG. 2: in the form of a diagram, the output signal of a measuring device according to the invention as a function of the value of the quantity to be measured,

Figur 3: in schematischer Darstellung eine Variante einer erfindugnsgemäßen Meßeinrichtung, undFigure 3: a schematic representation of a variant of a measuring device according to the invention, and

Figur 4: das Schaltbild der Oszillatorschaltungen der Meßeinrichtung nach Figur 3.FIG. 4: the circuit diagram of the oscillator circuits of the measuring device according to FIG. 3.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung darge¬ stellt, die die eigentliche Meßschaltung, die insgesamt mit 1 bezeichnet ist, und eine insgesamt mit 2 bezeichnete Auswerte¬ schaltung umfaßt. Außerdem ist ein als einseitig eingespann¬ ter Balken 3 ausgebildeter Prüfkörper vorgesehen, an dem zwei Sensorelemente S+ und S-< angebracht sind, die in noch näher zu beschreibender Weise in die Meßschaltung 1 einbezogen sind. Bei den Sensorelemente S+ und S- handelt es sich um Deh¬ nungsmeßstreifen, die durch Kleben fest mit dem Balken 3 ver¬ bunden sind und bei Fehlen einer Last P jeweils den gleichen Widerstandswert aufweisen. Bekanntermaßen übt eine auf einen einseitig austragenden Balken 3 wirkende Last P auf diesen ein Biegemoment aus, das dem Produkt aus der Last P und dem Abstand der Last P von der Einspannung des Balkens 3 ent¬ spricht. Dieses Biegemoment ruft in dem Balken 3 Zug- und Druckspannung hervor. Wenn der Balken 3 wie im Falle der Figur 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die Last P senkrecht zu denjenigen Flächen wirkt, auf denen die Sensor¬ elemente S+ und S- jeweils in Richtung der Längsachse des Balkensi 3 gesehen den gleichen Abstand von der Last P auf¬ weisen, sind die im Bereich der Sensorelemente S+ bzw. S- wirkenden Zug- bzw. Druckspannungen dem Betrag nach gleich, wobei bei der in Figur 1 gezeigten Wirkungsrichtung der Last P im Bereich des Sensorelementes S+ eine Zug- und im Bereich des Sensorelementes S- eine Druckspannung vorliegt. Die Zug¬ bzw. Druckspannung ziehen Dehnungen bzw. Stauchungen des Balkens 3 nach sich, so daß die Sensorelernen e S+ bzw. S- gemeinsam mit diesem gedehnt bzw. gestaucht werden. Dies wiederum zieht Änderungen des Widerstandswertes des Sensor¬ elemente S+ und S- nach sich, da diese wie erwähnt als Deh¬ nungsstreifen ausgebildet sind und das in diesen in Form eines dünnen Drahtes oder einer dünnen Folie jeweils mäan- derförmiger Gestalt enthaltene Widerstandsmaterial ebenfalls den erwähnten Dehnungen bzw. Stauchungen unterworfen ist. Im einzelnen nimmt der Widerstandswert des Sensσrelementes S+, das eine Dehnung erfährt, zu, während der des Sensorelementes S-, das einer Stauchung unterworfen ist, abnimmt.FIG. 1 shows a measuring device according to the invention, which comprises the actual measuring circuit, which is denoted overall by 1, and an evaluation circuit denoted overall by 2. In addition, a test body designed as a beam 3 clamped on one side is provided, to which two sensor elements S + and S- <are attached, which are included in the measuring circuit 1 in a manner to be described in more detail. The sensor elements S + and S- are strain gauges which are firmly connected to the beam 3 by gluing and each have the same resistance value in the absence of a load P. As is known, a load P acting on a beam 3 discharging on one side exerts a bending moment thereon, which corresponds to the product of the load P and the distance of the load P from the clamping of the beam 3. This bending moment calls 3 tensile and Compressive stress. If the bar 3 has a rectangular cross section, as in the case of FIG. 1, and the load P acts perpendicularly to those surfaces on which the sensor elements S + and S-, viewed in the direction of the longitudinal axis of the bar i 3, have the same distance from the load P. have, the tensile or compressive stresses acting in the area of the sensor elements S + or S- are equal in amount, with the direction of action of the load P shown in FIG. 1 being a tensile and in the area of the sensor element in the area of the sensor element S + S- there is a compressive stress. The tensile and compressive stresses cause expansion or compression of the beam 3, so that the sensor learners e S + and S- are stretched or compressed together with the latter. This in turn entails changes in the resistance value of the sensor elements S + and S-, since, as mentioned, these are designed as stretch marks and the resistance material contained in them in the form of a thin wire or a thin foil, each in the form of a meandering shape, likewise the ones mentioned Is subject to stretching or compression. In particular, the resistance value of the sensor element S +, which undergoes an elongation, increases, while that of the sensor element S-, which is subjected to compression, decreases.

Die Meßschaltung 1 umfaßt außer den Sensorelementen S+ uns S- zwei gleichartige Oszillatorschaltungen 4 und 4¹, zwei Fest¬ widerstände R und R' gleichen Widerstandswertes sowie eine Konstantspannungsquelle 5, die eine Gleichspannung abgibt. Als Ausgangssignal gibt die Meßschaltung 1 an ihren Ausgängen 6 und 6', die den Ausgängen der Oszillatorschaltungen 4 und 4' entsprechen, zwei mittels der Oszillatorschaltungen 4 und 4' erzeugte Rechtecksignale konstanter Amplitude und konstan¬ ter Frequenz ab. Die in Figur 1 nur schematisch angedeuteten Oszillatorschaltungen 4 und 4¹ sind so ausgebildet, daß sich das Tastverhältnis T bzw. T' der von ihnen erzeugten Recht¬ ecksignale jeweils in Abhängigkeit einer an ihren Steuer¬ eingängen 7 bzw. 7' anliegnden Steuerspannung ändert. Die Steuerspannungen werden jeweils mittels eines Spannungs- teilers erzeugt, der im Falle der Oszillatorschaltung 4 aus dem Sensorelement S+ und dem Fes widerstand R und im Falle der Oszillatorschaltung 4¹ aus dem Sensorelement S- und dem Festwiderstand R' gebildet ist, Dabei ist jeweils der Fest- widerstand R bzw. R' mit seinem einen Anschluß mit der Kon- stantspannungsquelle 5 und mit seinem anderen Anschluß mit dem einen Anschluß des Sensorelementes S+ bzw. S- verbunden, dessen anderer Anschluß auf einem Bezugspotential, z.B. Masse, liegt. Der Abgriff der Spannungsteiler ist mit dem Steuereingang 7 bzw. 7' der jeweiligen Oszillatorschaltung 4 bzw. 4¹ verbunden.In addition to the sensor elements S + and S-, the measuring circuit 1 comprises two oscillator circuits 4 and 4 ^{1 of the} same type, two fixed resistors R and R 'of the same resistance value, and a constant voltage source 5 which emits a DC voltage. As the output signal, the measuring circuit 1 outputs at its outputs 6 and 6 ', which correspond to the outputs of the oscillator circuits 4 and 4', two square-wave signals of constant amplitude and constant frequency generated by the oscillator circuits 4 and 4 '. The oscillator circuits 4 and 4 ^{1, which} are only indicated schematically in FIG. 1, are designed such that the pulse duty factor T or T 'of the square-wave signals they generate changes in each case as a function of a control voltage applied to their control inputs 7 and 7'. The control voltages are each determined using a voltage divider generated, which is formed in the case of the oscillator circuit 4 from the sensor element S + and the Fes resistor R and in the case of the oscillator circuit 4 ¹ from the sensor element S- and the fixed resistor R ', in each case the fixed resistor R or R' with its one connection to the constant voltage source 5 and with its other connection to the one connection of the sensor element S + or S-, the other connection of which is at a reference potential, for example ground. The tap of the voltage divider is connected to the control input 7 or 7 'of the respective oscillator circuit 4 or 4 ¹ .

Aus den vorangegangenen Erläuterungen wird deutlich, daß sich das Tastverhältnis T bzw.T¹ mittels der Oszillatorschaltung 4 bzw. 4' erzeugten Rechtecksignale ausgehend von einem für beide Oszillatorschaltungen 4 bzw. 4* gleichen Wert, der bei fehlender Last P vorliegt, um jeweils einen gleichen Betrag, jedoch gegensinnig ändert, wenn eine Last auf den Balken 3 wirkt. Da einerseits zwischen den durch die Last P hervorge¬ rufenen Dehnungen bzw. Stauchungen des Balkens 3 im Bereich des Sensorelemente S+ bzw. S- und damit deren Widerstanswert und andererseits zwischen der an den Steuereingängen 7 bzw. 7' der Oszillatroschaltungen ^"4 bzw. 4' anliegenden Steuer¬ spannung ein linearer Zusammenhang besteht, ändert sich das Tastverhältnis T bzw. T¹ der von den Oszillatorschaltungen 4 bzw. 4' erzeugten Rechtecksignale in der Figur 2 in ausge¬ zogenen Linien dargestellten Weise in Abhängigkeit von der Last P. Aus Figur 2 wird .weiter deutlich, daß die Differenz der jeweils vorliegenden Werte der Tastverhältnisse T und T' der jeweils wirkamen Last P direkt proportional ist.From the preceding explanations it is clear that the pulse duty factor T or T ¹ generated by the oscillator circuit 4 or 4 'square wave signals based on a same value for both oscillator circuits 4 and 4 *, which is present when there is no load P, by one same amount, but changes in opposite directions when a load acts on the beam 3. Since, on the one hand, between the strains or compressions of the beam 3 caused by the load P in the area of the sensor elements S + or S- and thus their resistance, and on the other hand, between that at the control inputs 7 and 7 'of the oscillating circuits ^" 4 and 4 'There is a linear relationship between the applied control voltage, the pulse duty factor T or T ¹ of the square-wave signals generated by the oscillator circuits 4 or 4' in FIG. 2 is shown in solid lines as a function of the load P. From FIG 2 it is further clear that the difference between the respectively present values of the duty ratios T and T 'is directly proportional to the respectively effective load P.

Um das von der Meßschaltung 1 erzeugte Ausgangssignal in zweckentsprechender Weise aufzubereiten, so daß es einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung oder dergleichen zur weiteren Verarbeitung zugeführt oder zur Anzeige gebracht werden kann, ist die Auswerteschaltung 2 vorgesehen, die über die Leitung 8 und 8' mit den Ausgängen 6 und 6' der Meßschal- tung 1 verbunden ist. Die Auswerteschaltung 2 umfaßt im we¬ sentlichen zwei Zählerschaltungen 9 und 9', einen Clock- Oszillator 10, eine Subtrahierschaltung II und eine Anzeige¬ einhei 12. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Rechtecksignale den Toren 13 und 13' der Zählerschaltungen 9 und 9' zugeführt sind, während der Ausgang des Clock-Oszil¬ lators 10 mit den Eingängen 14 und 14' der Zählerschaltungen 9 und 9' verbunden ist. Dies hat zur Folge, daß die Zähler¬ schaltungen 9 und 9' während der Zeit, in der die Rechteck¬ signale F und F' jeweils ihren oberen Spannungswert annehmen, aktiviert sind und die von dem Clock-Oszillator 10 den Ein¬ gängen 14 und 14' zugeführten Impulse auszählen. Dabei ist die Schwingungsdauer der mittels des Clock-Oszillators erzeug¬ ten Rechteckschwingung so gewählt, daß sie um ein Vielfaches geringer ist, als diejenige Zeit, für die die Rechtecksignale ihren oberen Spannungswert annehmen. An den Ausgängen 15 und 15' der Zählerschaltungen 9 und 9' steht dann jeweils ein Zählerstand an, der dem jeweiligen Tastverhältnis T bzw. T" der Rechtecksignale F und F* direkt proportional ist. Die jeweiligen Zählerstände werden dann der Subtrahierschaltung 11 zugeführt, die deren Differenz bildet, die dann mittels der Anzeigeeinheit 12 als Meßwert angezeigt wird. Um eine Eichung der Meßeinrichtung vornehmen zu können, ist die Fre¬ quenz der mittels des Clock-Oszillators 10 erzeugten Rechteck¬ schwingung mittels eines Trimmpotentiometers 16 so einstell¬ bar, daß der auf der Anzeigeeinheit 12 zur Anzeige kommende Meßwert mit der tatsächlich vorhanden Last P dem Zahlenwert nach übereinstimmt.In order to process the output signal generated by the measuring circuit 1 appropriately so that it can be supplied to an electronic data processing device or the like for further processing or displayed, the evaluation circuit 2 is provided, which is connected to the outputs 6 via the lines 8 and 8 ' and 6 'the measuring switch device 1 is connected. The evaluation circuit 2 essentially comprises two counter circuits 9 and 9 ', a clock oscillator 10, a subtracting circuit II and a display unit 12. The arrangement is such that the square-wave signals go to the gates 13 and 13' of the counter circuits 9 and 9 'are supplied, while the output of the clock oscillator 10 is connected to the inputs 14 and 14' of the counter circuits 9 and 9 '. The consequence of this is that the counter circuits 9 and 9 'are activated during the time in which the square wave signals F and F' each assume their upper voltage value and that the clock oscillator 10 inputs 14 and Count 14 'supplied pulses. The duration of the oscillation of the square wave generated by the clock oscillator is selected so that it is many times shorter than the time for which the square wave signals assume their upper voltage value. A counter reading is then present at the outputs 15 and 15 'of the counter circuits 9 and 9', which is directly proportional to the respective duty cycle T or T "of the square-wave signals F and F *. The respective counter readings are then fed to the subtracting circuit 11 which the difference of which forms, which is then displayed as a measured value by means of the display unit 12. In order to be able to calibrate the measuring device, the frequency of the square wave generated by the clock oscillator 10 can be adjusted by means of a trimming potentiometer 16 such that the measured value to be displayed on the display unit 12 corresponds to the actual load P in numerical value.

Es versteht sich, daß die Zählerschaltungen 9 und 9' nach jedem Zählvorgang zurückgesetzt werden, nachdem der jeweilge Zählerstand an die Subtrahierschaltung 11 übergeben wurde. Dies kann z.B. geschehen, in dem in nicht dargestellter Weise die Rechtecksignale invertiert und einen Reset-Eingang der jeweilgen Zählerschaltung 9 bzw. 9', evtl. mit geringer zeit¬ licher Verzögerung, zugeführt werden. Die in Figur 3 dargestellte erfindungsgemäße Meßeinrichtung dient zur Messung von Drücken. Zu diesem Zweck ist ein Druck¬ sensor 17 vorgesehen, der ein mittels einer Membran 18 herme¬ tisch erschlossenens Gehäuse 19 aufweist. Unter der Wirkung des zu (messenden Druckes verformt sich die Membran 18, und zwar wird sie nach innnen gewölbt, wenn der zu messende Druck höher als der in dem Gehäuse herrschende Druck ist, während sie sich nach außen wölbt, wenn der zu messende Druck ge¬ ringer als der in dem Gehäuse 19 herrschende Druck ist.It goes without saying that the counter circuits 9 and 9 'are reset after each counting process after the respective counter reading has been transferred to the subtracting circuit 11. This can be done, for example, by inverting the square-wave signals in a manner not shown and supplying a reset input to the respective counter circuit 9 or 9 ', possibly with a slight time delay. The measuring device according to the invention shown in Figure 3 is used to measure pressures. For this purpose, a pressure sensor 17 is provided which has a housing 19 which is hermetically sealed by means of a membrane 18. Under the effect of the pressure to be measured, the membrane 18 deforms, namely it is curved inwards if the pressure to be measured is higher than the pressure prevailing in the housing, while it bulges outwards if the pressure to be measured ge ¬ is lower than the pressure prevailing in the housing 19.

Auf der Membran 18 sind insgesamt vier als piezoresistive Wandler ausgebildete Sensorelemete Sl, S2, S3 und S4 ange¬ bracht. Dabei erfahren die auf der Außenseite der Membran 18 angebrachten Sensorelemente Sl und S2 und die an der Innen¬ seite der Membran 18 angebrachten Sensorelemente S3 und S4 bei einer Verformung der Membran 18 unter der Wirkung eines zu messenden Druckes jeweils Verformungen und damit Ände¬ rungen ihres Widerstandswertes, die für alle SensorelementeA total of four sensor elements S1, S2, S3 and S4 designed as piezoresistive transducers are attached. The sensor elements S1 and S2 attached to the outside of the membrane 18 and the sensor elements S3 and S4 attached to the inside of the membrane 18 experience deformations and thus changes in theirs when the membrane 18 is deformed under the effect of a pressure to be measured Resistance value for all sensor elements

51 bis S4 den gleichen Betrag, für die Sensorelemente Sl und51 to S4 the same amount, for the sensor elements Sl and

52 einerseits und die Sensorelemente S3 und S4 andererseits aber unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.52 on the one hand and the sensor elements S3 and S4 on the other hand have different signs.

Die Sensorelemente Sl und S2 ^'sind in eine insgesamt mit 20 bezeichnete Meßschaltung eingebunden, und zwar sind jeweils die Sensorelemente Sl und S3 sowie die Sensorelemente S2 und S4 zu einem Spannunsteiler zusammengeschaltet. Die Meßschal¬ tung 20 weist zwei Oszillatorschaltungen 21 und 21' auf, deren Bestandteil jeweils der durch die Sensorelemente Sl undThe sensor elements S1 and S2 ^' are integrated in a measuring circuit, designated overall by 20, namely the sensor elements S1 and S3 and the sensor elements S2 and S4 are connected together to form a voltage divider. The measuring circuit 20 has two oscillator circuits 21 and 21 ', the component of which is that of the sensor elements S1 and

53 bzw. S2 und S4 gebildete Spannungsteiler ist. Dabei sind die Oszillatorschaltungen 21 und 21' , die später im einzelnen beschrieben werden, derart ausgebildet, daß das Spannungs¬ teilerverhältnis des jeweiligen Spannungsteilers die Frequenz f bzw. f* eines von den Oszillatorschaltungen jeweils abge- benen Rechtecksignals konstanter Amplitude bestimmt. Wie sich anhand der mit a, b, c bzw. a¹, b', c¹ gekennzeichneten und einander jeweils entsprechenden Anschlüsse der Oszillator¬ schaltungen 21 und 21' für die Spannungsteiler verfolgen läßt, sind die beiden Spannungsteiler an die beiden Oszil¬ latorschaltungen 21 und 21' jeweils unterschiedlich ange¬ schlossen. Im einzelnen ist im Falle der Oszillatorschaltung 21 das an der Innenseite der Membran 18 angebrachte Sensor¬ elementιS3 mit dem Anschluß a verbunden, während das an der Außenseite der Membran angebrachte Sensorelement Sl mit dem Anschluß c verbunden ist. Umgekehrt ist im Falle der Oszil¬ latorschaltung 21, das an der Außenseite der Membran 18 angebrachte Sensorelement S2 mit dem Anschluß a* und das an der Innenseite der Membran 18 angebrachte Sensorelement S4 mit dem Anschluß c¹ verbunden. Der Abgriff der Spannungs¬ teiler ist im Falle beider Oszillatorschaltungen 21 und 21' mit dem jeweils verbleibenden Anschluß b bzw. b¹ verbunden.53 or S2 and S4 is formed voltage divider. The oscillator circuits 21 and 21 ', which will be described in detail later, are designed in such a way that the voltage divider ratio of the respective voltage divider determines the frequency f or f * of a square-wave signal of constant amplitude emitted by the oscillator circuits. As can be seen from the connections of the oscillator circuits 21 and 21 'for the voltage dividers which are identified by a, b, c and a ¹ , b', c ¹ and correspond to one another lets, the two voltage dividers are each connected to the two oscillator circuits 21 and 21 'differently. Specifically, in the case of the oscillator circuit 21, the sensor element S3 attached to the inside of the membrane 18 is connected to the terminal a, while the sensor element S1 attached to the outside of the membrane is connected to the terminal c. Conversely, in the case of the oscillator circuit 21, the sensor element S2 attached to the outside of the membrane 18 is connected to the connection a * and the sensor element S4 attached to the inside of the membrane 18 is connected to the connection c ¹ . The tap of the voltage divider is connected in the case of both oscillator circuits 21 and 21 'to the respectively remaining connection b or b ¹ .

Infolge der beschriebenen Art und Weise des Anschlusses der durch die Sensorelemente Sl und S3 bzw. S2 und S4 gebildeten Spannungsteiler ändern sich durch die unter der Wirkung eines zu messenden Druckes auftretenden Änderungen der Widerstands¬ werte der Sensorelemente Sl bis S4 die Frequenzen f und f' der von den Oszillatorschaltungen 21 und 21* erzeugten Recht¬ ecksignale, deren Frequenzen f und f' bei Übereinstimmung des zu messenden Druckes mit dem im Gehäuse 19 des Drucksensors 17 herrschenden Druckes übrigens miteinander übereinstimmen, gegensinnig um jeweils den gleichen Betrag, wie dies wieder aus Figur 2 ersichtlich ist. Demzufolge entspricht auch hier die Differenz der Frequenzen f und f' der von den Oszil¬ latorschaltungen 21 und 21* erzeugten Rechtecksignale dem jeweils zu messenden Druck.As a result of the described manner of connecting the voltage dividers formed by the sensor elements S1 and S3 or S2 and S4, the frequencies f and f 'change as a result of the changes in the resistance values of the sensor elements S1 to S4 which occur under the effect of a pressure to be measured. the rectangular signals generated by the oscillator circuits 21 and 21 *, the frequencies f and f 'of which, when the pressure to be measured corresponds to the pressure prevailing in the housing 19 of the pressure sensor 17, coincide with one another, in opposite directions by the same amount as this again Figure 2 can be seen. Accordingly, here too the difference between the frequencies f and f 'of the square-wave signals generated by the oscillator circuits 21 and 21 * corresponds to the pressure to be measured in each case.

Die Rechtecksignale werden von den Ausgängen 22 und 22' der Oszillatorschaltungen 21 und 21' über Leitungen 23 und 23' einer Auswertschaltung 24 zugeführt. Diese weist zwei Fre¬ quenzzählerschaltungen 25 und 25' auf, die jeweils die Fre¬ quenz f bzw. f' des entsprechenden Rechtecksignales ermit¬ teln. Die erhaltenen Zählerstände werden an eine Subtrahier¬ schaltung 26 übergeben, die die Differenz der Frequenzen f und f' bildet. Das Resultat wird einer elektrischen Rechen- einrichtung 27 zugeführt, in der eine Eichkurve gespeichert ist. Anhand der Eichkurve verarbeitet die Recheneinrichtung 27 die ihr zugeführten Resultate der Subtrahierschaltung 26 derart, daß der mittels mit der Recheneinrichtung 27 verbun¬ denen Anzeigeneinheit 28 angezeigte Meßwerte seinem Zahlen¬ wert nach mit dem jeweils vorhandenen Druck übereinstimmt.The square-wave signals are fed from the outputs 22 and 22 'of the oscillator circuits 21 and 21' via lines 23 and 23 'to an evaluation circuit 24. This has two frequency counter circuits 25 and 25 ', which each determine the frequency f and f' of the corresponding square-wave signal. The counter readings obtained are transferred to a subtractor circuit 26 which forms the difference between the frequencies f and f '. The result is an electrical computing device 27 supplied in which a calibration curve is stored. On the basis of the calibration curve, the computing device 27 processes the results of the subtracting circuit 26 supplied to it in such a way that the measured values displayed by means of the display unit 28 connected to the computing device 27 correspond in numerical value to the respectively existing pressure.

In Figur 2 sind zusätzlich zu den bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 beschriebenen, in ausge¬ zogenen Linien dasgestellten Verhältnissen bei einer Referenz¬ temperatur die Verläufe der Frequenzen f und f' in Abhängig¬ keit von dem zu messenden Druck p für zwei von der Referenz- temperatur abweichende Temperaturen strichliert bzw. strich¬ punktiert eingetragen. Dabei liegt die eine Temperatur ober¬ halb und die andere unterhalb der Referenztemperatur. Da Tem¬ peraturänderungen eine gleichsinnige Änderung des Widerstands¬ wertes aller Sensorelemente Sl und S4 um den gleichen Betrag bewirken, der zu messende Druck p aber nur dem Betrag nach gleiche Änderungen des Widerstandswertes der Sensorelemente Sl bis S4 bewirkt, diese aber für die in jeweils einem Span¬ nungsteiler enthaltenen Sensorelemente Sl und S3 bzw. S2 und S4 gegensinnig erfolgen, bleibt die einem bestimmten zu messenden Druck p entsprechende Differenz der Frequenz f und f* unabhängig von der jeweils vorliegenden Temperatur kon¬ stant, wie dies aus Figur 2 ersichtlich ist. Wie aus Figur 2 weiter ersichtlich ist, ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur lediglich der Mittelwert der Frequenz f und f, der wiederum für eine bestimmte Temperatur unabhängig von dem jeweils vorliegenden Druck p konstant ist.In FIG. 2, in addition to the conditions already described in connection with the exemplary embodiment according to FIG. 1 and shown in solid lines at a reference temperature, the courses of the frequencies f and f 'are dependent on the pressure p to be measured for two Temperatures deviating from the reference temperature are shown in dashed or dashed lines. One temperature is above and the other below the reference temperature. Since temperature changes bring about a change in the same direction of the resistance value of all sensor elements S1 and S4 by the same amount, but the pressure p to be measured causes only the same changes in the resistance value of sensor elements S1 to S4, but this for each in one Voltage divider contained sensor elements S1 and S3 or S2 and S4 take place in opposite directions, the difference in frequency f and f * corresponding to a specific pressure p to be measured remains constant regardless of the temperature present, as can be seen from FIG. As can further be seen from FIG. 2, depending on the temperature, only the mean value of the frequency f and f changes, which in turn is constant for a specific temperature regardless of the pressure p present in each case.

Es wird also deutlich, daß der Mittelwert des Frequenz f und f* ein Maß für diejenige Tempratur darstellt, der der Druck¬ sensor 17 bzw. die Sensorelemente Sl bis S4 ausgesetzt sind. Um neben der Druckmessung auch eine Temperaturmessung durch¬ führen zu können, genügt es also, die jeweiligen Zählerstände der Frequenzzähler 25 bzw. 25* einer in Figur 3 mit 29 be¬ zeichneten Schaltung zuzuführen, die deren Mittelwert und damit den Mittelwert der Frequenzen f und f* bestimmt und im wesentlichen eine Addier- und eine Subtrahierschaltung um¬ faßt. Der mittels der Schaltung 29 ermittelte Mittelwert der Frequenzen f und f* wird der elektronischen Recheneinrichtung 27 zugeführt, in der eine zweite Eichkurve abgespeichert ist, anhand derer sie den Mittelwert der Frequenzen f und f' der¬ art verarbeitet, daß auf einer zweiten, mit der elektroni¬ schen Recheneinrichtung 27 verbundenen Anzeigeeinheit 30 der der jeweils vorliegenden Temperatur entsprechenden Zahlenwert angezeigt wird.It is therefore clear that the mean value of the frequency f and f * represents a measure of the temperature to which the pressure sensor 17 or the sensor elements S1 to S4 are exposed. In order to be able to carry out a temperature measurement in addition to the pressure measurement, it is therefore sufficient to supply the respective counter readings of the frequency counters 25 and 25 * to a circuit denoted by 29 in FIG thus determining the mean value of the frequencies f and f * and essentially comprising an adding and a subtracting circuit. The mean value of the frequencies f and f * determined by means of the circuit 29 is fed to the electronic computing device 27, in which a second calibration curve is stored, by means of which it processes the mean value of the frequencies f and f 'in such a way that on a second, with the electronic computing unit 27 connected to the display unit 30, which is displayed as a numerical value corresponding to the prevailing temperature.

Bei der Verarbeitung der Differenz und des Mittelwertes der Frequenzen f und f* sowie bei der Anzeige der Zahlenwerte von Druck und Temperatur arbeitet die Recheneinrichtung 27 im Mul¬ tiplexbetrieb. Außerdem besitzt die elektronische Rechenein¬ richtung 27 einen Ausgang 31, über den die Zahlenwerte für den Druck und die Temperatur einer elektronischen Datenverar¬ beitungseinrichtung oder dergleichen zur weiteren Verwendung zugeführt werden können.When processing the difference and the mean value of the frequencies f and f * and when displaying the numerical values of pressure and temperature, the computing device 27 operates in multiplex mode. In addition, the electronic computing device 27 has an output 31, via which the numerical values for the pressure and the temperature can be fed to an electronic data processing device or the like for further use.

Das Schaltbild der Oszillatorschaltungen 21 und 21' der Meß¬ einrichtung nach Figur 3 ist in Figur 4 dargestellt. Demnach ist der eingentliche Oszillator jeweils durch einen astabilen Multivibrator gebildet, der einen Differenzverstärker 0P1 bzw. 0P1' aufweist, der bezüglich seines nichtinvertierenden Eingangs als Schmitt-Trigger beschaltet ist. Dabei bilden die Sensorelemente Sl und S3 bzw. S2 und S4 jeweils den die Schaltspannung des Schmitt-Triggers festlegenden Spannungs¬ teiler. Die Differenzverstärker 0P1 bzw. 0P1' steuern sich jeweils selbst, indem ihr Ausgang jeweils unter Zwischen¬ schaltung eines durch den Widerstand Rl bzw. Rl* und den Kondensator Cl bzw. Cl ' gebildeten Tiefpasses mit dem in¬ vertierenden Eingang verbunden ist. Infolge des Tiefpasses wird das Aus angssignal jeweils zeitlich verzögert auf den invertierenden Eingang gegeben, so daß sich an den Ausgängen der Differenzverstärker OP1 und 0P1' jeweils Rechtecksignale mit einer konstanten Amplitude einstellen, die im wesent- liehen der Sättigungsspannung der Differenzverstärker OPl und 0P1' entspricht. Die Frequenz der Rechtecksignale ist einer¬ seits durch die Zeitkonstante der Tiefpässe und andererseits durch das jeweils durch die Widerstandswerte der Sensorele - mente Sl und S3 bzw. S2 und S4 bestimmte Spannungsverhältnis bestimmt. (Die in Figur 3 eingetragenen Bezeichnungen der Anschlußpunkte für die Spannungsteiler sind übrigens in Figur 4 ebenfalls vorhanden.)The circuit diagram of the oscillator circuits 21 and 21 'of the measuring device according to FIG. 3 is shown in FIG. Accordingly, the ordinary oscillator is in each case formed by an astable multivibrator which has a differential amplifier 0P1 or 0P1 ', which is connected as a Schmitt trigger with regard to its non-inverting input. The sensor elements S1 and S3 or S2 and S4 each form the voltage divider which defines the switching voltage of the Schmitt trigger. The differential amplifiers 0P1 and 0P1 'each control themselves in that their output is connected to the inverting input with the interposition of a low-pass filter formed by the resistor Rl or Rl * and the capacitor Cl or Cl'. As a result of the low-pass filter, the output signal is given with a time delay to the inverting input, so that square-wave signals with a constant amplitude are set at the outputs of the differential amplifiers OP1 and 0P1 '. lie the saturation voltage of the differential amplifier OPl and 0P1 'corresponds. The frequency of the square-wave signals is determined on the one hand by the time constant of the low-pass filters and on the other hand by the voltage ratio determined in each case by the resistance values of the sensor elements S1 and S3 or S2 and S4. (The designations of the connection points for the voltage dividers entered in FIG. 3 are also present in FIG. 4, by the way.)

Den astabilen Multivibratoren ist jeweils ein mittels der Widerstände R2 und R3 bzw. R2' und R3' als invertierender Verstärker beschalteter Differenzverstärker 0P2 bzw. 0P2' nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Fußpunkt c bzw. c* des jeweiligen Spannungsteilers Sl und S3 bzw. S2 und S4 verbunden ist.The astable multivibrators are each followed by a differential amplifier 0P2 or 0P2 'connected as an inverting amplifier by means of the resistors R2 and R3 or R2' and R3 ', the output of which is connected to the base point c or c * of the respective voltage divider S1 and S3 or S2 and S4 is connected.

Wie in Figur 4 durch strichpunktierte Umrandungen angedeutet ist, sind die Differenzverstärker OPl bis 0P2 als integrierte Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat als Vierfach-Ope- rationsverstärker ausgebildet, während die Widerstände Rl bis R4 auf einem gemeinsamen Substrat als Widerstands-Array aus¬ geführt sind.As indicated in FIG. 4 by dash-dotted borders, the differential amplifiers OP1 to 0P2 are designed as an integrated circuit on a common substrate as a quadruple operational amplifier, while the resistors R1 to R4 are designed on a common substrate as a resistor array.

Es versteht sich, daß die beiden Oszillatorschaltungen 21 und 21' hinsichtlich der Dimensionierung ihrer Bauteile zweckmäßi¬ gerweise identisch sind. It goes without saying that the two oscillator circuits 21 and 21 'are expediently identical with regard to the dimensioning of their components.

Claims

Patentansprüche Claims

1. Meßeinrichtung mit Sensorelementen (S+, S-, Sl S2, S3, S4), deren elektrischer Widerstandswert sich unter Ein¬ wirkung einer» zu messenden Größe ändert, und mit einer mit den Sensorelementen (S+, S-; Sl, S2, S3, S4) verbun¬ denen elektronischen Meßschaltung (1; 20), die ein zu der zu messenden Größe (P; p) in einem definierten Zu¬ sammenhang stehendes elektrisches Ausgangssignal ab¬ gibt, dadurch gekennzeichent, daß die Meßschaltung (1; 20) als Ausgangssignal zwei periodische Signale konstan¬ ter Amplitude abgibt und zwei Oszillatorschaltungen (4, 4'; 21, 21') zur Erzeugung der periodischen Signale um¬ faßt, in welche OszillatorSchaltungen (4, 4' j 21, 21') jeweils wenigstens ein Sensorelement (S+, S-; Sl, S2, S3, S4) derart unmittelbar einbezogen ist, daß sein Widerstandswert eine Kenngröße (T, T'j f, f) des von der jeweiligen Oszillatorschaltung (4, 4¹ ; 21, 21') abgegebenen periodischen Signals bestimmt, und daß bezüglich der in die Oszillatorschaltung (4, 4'; 21, 21') einbezogenen Sensorelemente (S+, S-; Sl, S2, S3, S4) die Anordnung derart getroffen ist, daß sich unter der Einwirkung der zu messenden Größe der Wert der Kenn¬ größe (T, T* ; f, f' ) der von den Oszillatorschaltungen (4, 4'; 21, 21') abgegebenen Signale gegenläufig um jeweils den gleichen Betrag ändert.1. Measuring device with sensor elements (S +, S-, Sl S2, S3, S4), the electrical resistance value of which changes under the influence of a variable to be measured, and with one with the sensor elements (S +, S-; Sl, S2, S3, S4) connected electronic measuring circuit (1; 20) which emits an electrical output signal related to the quantity to be measured (P; p) in a defined context, characterized in that the measuring circuit (1; 20 ) emits two periodic signals of constant amplitude as the output signal and includes two oscillator circuits (4, 4 '; 21, 21') for generating the periodic signals, in which oscillator circuits (4, 4 'j 21, 21') each have at least a sensor element (S +, S-; Sl, S2, S3, S4) is directly involved in such a way that its resistance value is a parameter (T, T'j f, f) of that of the respective oscillator circuit (4, 4 ¹ ; 21, 21 ') determined periodic signal, and that with respect to the oscillator circuit (4, 4 '; 21, 21') included sensor elements (S +, S-; S1, S2, S3, S4) the arrangement is such that the value of the parameter (T, T *; f, f ') of the oscillator circuits (4, 4'; 21, 21 ') emitted signals in opposite directions by the same amount.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (1; 20) eine Auswerteschaltung (2; 24) umfaßt, der die von den Oszillatorschaltungen (4, 4'; 21, 21') abgegebenen periodischen Signale zugeführt sind und die die Differenz der Werte der Kenngrößen (T, T'; f, f) der beiden periodischen Signale ermittelt.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring circuit (1; 20) comprises an evaluation circuit (2; 24) which of the oscillator circuits (4, 4 '; 21, 21 ') are delivered periodic signals and which determines the difference between the values of the parameters (T, T'; f, f) of the two periodic signals.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (2; 24) außerdem den Mittel¬ wert der Kenngröße (T, T' ; f, f) der beiden periodi¬ schen Signale ermittelt.3. Measuring device according to claim 2, characterized in that the evaluation circuit (2; 24) also determines the mean value of the parameter (T, T '; f, f) of the two periodic signals.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltungen (4, 4') jeweils ein Rechtecksignal abgeben und daß als Kenn¬ größe der Rechtecksignale jeweils deren Tastverhältnis (T, T') durch den Widerstandswert des in die jeweilige Oszillatorschaltung (4, 4') einbezogenen Sensorelemen¬ tes (S+, S-) bestimmt ist.4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, da¬ characterized in that the oscillator circuits (4, 4 ') each emit a square-wave signal and that as a characteristic of the square-wave signals in each case their duty cycle (T, T') by the resistance value of sensor elements (S +, S-) included in the respective oscillator circuit (4, 4 ') is determined.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch gekennzeichnet, daß als Kenngröße des von den Os¬ zillatorschaltungen (21, 21') jeweils abgegebenen perio¬ dischen Signales dessen Frequenz (f, f) durch den Wi¬ derstandswert des in die jeweilige Oszillatorschaltung (21, 21') einbezognen Sensorelementes (Sl, S2, S3, S4) bestimmt ist.5. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized by the fact that the frequency (f, f) by the resistance value of the periodic signal emitted by the oscillator circuits (21, 21 ') in each case as a characteristic variable sensor element (S1, S2, S3, S4) which is included in the respective oscillator circuit (21, 21 ').

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltungen (4, 4'; 21, 21') jeweils einen die Kenngröße (T, T'; f, f) des entsprechenden periodischen Signales bestimmenden, aus zwei Widerständen gebildeten Spannungsteiler enthal¬ ten und daß wenigstens einer der Widerstände des Span¬ nungsteilers durch ein Sensorelement (S+, S-; Sl, S2, S3, S4) gebildet ist.6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized by the fact that the oscillator circuits (4, 4 '; 21, 21') each determine the characteristic variable (T, T '; f, f) of the corresponding periodic signal, contain voltage dividers formed from two resistors and that at least one of the resistors of the voltage divider is formed by a sensor element (S +, S-; Sl, S2, S3, S4).

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Spannungsteiler durch jeweils ein Sensorelement (Sl, S2, S3, S4) gebildet sind und die Anordnung der Sensorelemente (Sl, S2, S3, S4) der¬ art getroffen ist, daß sich unter der Einwirkung der zu messenden Größe der elektrische Widerstand eines Sensor¬ elementes (Sl, S2) des Spannungsteilers vergrößert, während sich der des anderen (S3, S4) verringert.7. Measuring device according to claim 6, characterized in that the resistances of the voltage divider are each formed by a sensor element (Sl, S2, S3, S4) and the arrangement of the sensor elements (S1, S2, S3, S4) is such that the electrical resistance of a sensor element (S1, S2) of the voltage divider increases under the influence of the variable to be measured, while that of the other ( S3, S4) reduced.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillator¬ schaltungen (21, 21') jeweils unter Verwendung eines Differenzverstärkers (OPl, OPl') gebildeten astabilen Multivibrator umfassen, der aus einem invertierenden Schmitt-Trigger gebildet ist, der sich selbst über einen Tiefpaß steuert, wobei wenigstens einer der Wider¬ stände des zur Mitkoppelung des Schmitt-Triggers vorge¬ sehenen Spannungsteilers durch ein Sensorelement (Sl, S2, S3, S4) gebildet ist.8. Measuring device according to claim 5 and one of claims 6 or 7, characterized in that the oscillator circuits (21, 21 ') each comprise astable multivibrator formed using a differential amplifier (OPl, OPl'), which consists of an inverting Schmitt A trigger is formed which controls itself via a low-pass filter, at least one of the resistors of the voltage divider provided for coupling the Schmitt trigger being formed by a sensor element (S1, S2, S3, S4).

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltungen (21, 21') jeweils einen dem astabilen Multivibrator nachgeschalteten invertie¬ renden Differenzverstärker (0P2, 0P2') umfassen, an dessen Ausgang das jeweilige periodische Signal ansteht und dessen Ausgang mit dem Fußpunkt (c, c') des Span¬ nungsteilers des Schmitt-Triggers verbunden ist.9. Measuring device according to claim 8, characterized in that the oscillator circuits (21, 21 ') each comprise an inverting differential amplifier (0P2, 0P2') connected downstream of the astable multivibrator, at whose output the respective periodic signal is present and whose output is connected to the Base point (c, c ') of the voltage divider of the Schmitt trigger is connected.

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß alle Differenzverstärker (OPl, OPl', 0P2 0P2') der Meßschaltung (20) als integrierte Schaltung auf einen gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.10. Measuring device according to claim 8 or 9, characterized gekenn¬ characterized in that all differential amplifiers (OPl, OPl ', 0P2 0P2') of the measuring circuit (20) are designed as an integrated circuit on a common substrate.

11. Meßeinrichtung nach einem der Anssprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (20) ohm'sche Widerstände (Rl, Rl'j R2, R2' ; R3, R3'j R4, R4') umfaßt, die auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind. 11. Measuring device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the measuring circuit (20) comprises ohmic resistors (Rl, Rl'j R2, R2 '; R3, R3'j R4, R4') on a common substrate are formed.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement (S+, S-) jeweils ein Dehnungsmeßstreifen vorgesehen ist.12. Measuring device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a strain gauge is provided as the sensor element (S +, S-).

13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da¬ durch gekennzeichnet, daß als Sensorelement (Sl, S2, S3, S4) jeweils ein piezoresistiver Wandler vorgesehen ist. 13. Measuring device according to one of claims 1 to 11, da¬ characterized in that a piezoresistive transducer is provided as the sensor element (Sl, S2, S3, S4).