4. 4. Die Luftdruckmessung

 

Um weitere Fehler bei der Kurvenauswertung zu vermeiden, wird der aktuelle Absolutluftdruck in der Messkammer zur Fehlerkorrektur benötigt. /1/

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 )