Wärmeleitungsmanometer
Das Prinzip der Druckmessung mit Hilfe der Wärmeleitung ist bekannt. Im Gasraum, dessen Druck zu messen ist, befindet sich ein Prüfkörper, welchem pro Zeiteinheit eine bestimmte Wärmemenge zugeführt wird. Diese zugeführte Wärmemenge geht auf verschiedenen Wegen an die Umgebung verloren.
Einer dieser Wege ist die Wärmeabgabe an das Gas oder an die Gefässwände durch Molekülstossvorgänge (Wärmeleitung im Gas). Im Bereich niedriger Drücke der Grössenordnung unterhalb 10 mm Hg ist die Wärmeleitung druckabhängig. Einer bestimmten geometrischen Anordnung des Prüfkörpers entspricht für einen bestimmten Druck eine bestimmte Wärmeabgabe. Ist diese nicht gleich der zugeführten Wärmemenge pro Zeiteinheit, so wird sich die Temperatur des Prüfkörpers verändern, bis das Gleichgewicht zwischen Wärmezufuhr und Wärmeabgabe sich einstellt. Die Gleichgewichtstemperatur dient als Mass für den Gasdruck.
Das Heizen des Prüfkörpers geschieht meist durch einen elektrischen Strom. Auch die Temperatur des Prüfkörpers wird meist elektrisch gemessen. Mit der Temperatur verändert sich der elektrische Widerstand; die Vakuummessung ist damit auf eine Widerstands- messung zurückgeführt.
Je grösser der Temperaturkoeffizient des Widerstandes ist, um so empfindlicher wird die Vakuummessung. Aus diesem Grunde werden für den Prüfkörper oft Halbleiter mit grossem Temperaturkoeffizient gewählt.
Ausser der Wärmeableitung durch die Molekülstösse des Gases sind folgende Mechanismen am Vorgang wesentlich beteiligt : die metallische Wärmeleitung der elektrischen Zuführungsdrähte und die Übertragung von Wärme durch Strahlung. Diese beiden Effekte sind druckunabhängig und verhindern also die Empfindlichkeit der Messmethode.
Die erste Massnahme, um die druckunabhängigen Komponenten zu verkleinern, ist die Tiefhal, tsung der Temperatur des Prüfkörpers. Die Wärmestrahlung nimmt bei abnehmender Temperatur rascher ab als die Wärmeleitung. Mit Halbleiterwiderständen ist es möglich, schon bei Temperaturen unterhalb 70 bis 800 C zu arbeiten. Hier ist die Strahlung schon sehr klein, die Empfindlichkeit der Halbleiterwiderstände aber noch gross genug, so dass ohne weiteres auch bei diesen Temperaturen die präzise Vakuummessung bis zu 10-2 mm Hg hinunter möglich ist. Als Vorteil wirkt sich in diesem Falle noch aus, dass die Cracktemperatur der meisten Öle und Fette höher liegt, so dass eine Verschmutzung viel weniger rasch auftritt als bei hohen Temperaturen.
Die zweite Massnahme zur Empfindlichkeäts- steigerung dient der Herabsetzung der Wärmeleitung in den Zuführungen. Diese wird dadurch klein gehalten, dass der Durchmesser der Zuführungen sehr klein gewählt wird. Auch hier ergibt sich daraus ein zusätzlicher Vorteil: Die Abhängigkeit der Wärmeleitung iim Gas vom Druck beginnt dort, wo die mittlere freie Weglänge der Moleküle im Gas den kleinsten am Prüfkörper vorhandenen Dimensionen vergleichbar wird. Wird beispielsweise ein Drahtdurchmesser der Zuführungen von 2.10- cm gewählt, was technisch noch angängig ist, so entspricht der mittleren freien Weglänge von 2.10-9 cm in Luft ein Druck von etwa 2,5 mm Hg. Tatsächlich misst ein so ausgeführtes Instrument Drücke bis hinauf zu etwa 5 mm Hg.
Alle oben geschilderten Erscheinungen und Methoden sind bekannt, wenn auch zum Teil nicht publiziert. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, unter Zugrundelegung alles obenaeschiliderten. darüber hinausgehende Massnahmen anzugeben, welche den Messbereich eines solchen Wärmeleitungsmanometers erheblich erweitern.
Sowohl die Wärmeableitung durch das Gas wie auch die Wärmeabstrahlung eines Körpers nehmen proportional mit der Oberfläche dieses Körpers zu.
Durch Vergrösserung seiner Oberfläche kann also das Verhältnis zwischen Strahlung und Leitung nicht verbessert werden.
Die Erfindung betrifft ein Wärmeleitungsmanometer, bestehend aus einem oder mehreren in einem zu prüfenden Vakuum aufgehängten Messwiderstandssystemen und mechanischen und elektrischen Mitteln zur Aufhängung der Messsysteme, zur Durchführung der elektrischen Zuführungen in das Vakuum und zur Messung des elektrischen Widerstandes der Systeme.
Dasselbe zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass jedes System aus mindestens einem aufzuheizenden Halbleiterwiderstand und mindestens einem mit dem genannten Halbleiterwidlerstand metallisch verbundenen und durch die Wärmeleitung Idieser Metallverbindung aufgeheizten Zusatzkörper besteht, wobei der bzw. die Zusatzkörper eine Oberfläche aufweisen, welche von praktisch gleicher Grösse oder grösser ist als diejenige des Halbleiterwiderstandes und für welche das Verhältnis zwischen Wärmeabgabe durch Strahlung und durch Leitung kleiner ist als für die Oberfläche des genannten Halbleiterwiderstandes.
Diese Bedingung erfüllt beispielsweise ein hochglanzpoliertes Metall. Es ist darauf zu achten, dass dieser Zusatzkörepr möglichst auf gleiche Temperatur kommt wie der Prüfkörper selbst. Dies wird beispielsweise auf folgende Weise erreicht: Der metallische Zusatzkörper wird zwischen zwei Halbleiterwiderständen angebracht, mit denen er durch metallische Zuleitungen verbunden ist, welche so kurz sind, dass eine gute Wärmeleitung gesichert ist. Der Zusatzkörper wird also vor allem durch metallische Wärmeleitung aufgeheizt, da er sich sehr nahe den Halbleiterwiderständen befindet, jedoch auch zum Teil durch Strahlung.
Weiter ist es von Vorteil, wenn durch den Zusatzkörper die metallische Wärmeableitung Dadurch die Zuführungen nicht erhöht werden. Deshalb kann der Aufbau beispielsweise mit Vorteil so erfolgen, dass der Zusatzkörper mit den beiden Halbleitern elektrisch in Serie geschaltet ist, so dass wie bei einem einzigen Prüfkörper nur zwei metallische Zuleitungen zum ganzen System führen.
Mit diesen Massnahmen ist eine Erweiterung des Messbereiches gegen tiefe Drucke möglich, indem der Punkt, bei welchem die Wärmeleitung gegenüber der Wärmestrahlung vernachlässigbar klein wird, nach tiefen Drucken zu verschoben wird. Die Erweiterung des Messbereiches gegenüber dem Halbleiter allein beträgt eine bis zwei Zehnerpotenzen.
Wenn der Messbereich auch gegen höhere Drucke zu erweitert werden soll, so ist zu berücksichtigen, dass bei der bekannten Ausführung des Manometers mit nur einem Halbleiter wesentlich die dünnen Zuleitungen an der Messung der hohen Drucke beteiligt sind. Während bisher über die Form des Zusatzkörpers nichts ausgesagt wurzel kann nun zwecks Erweiterung des Messbereiches nach oben der Zusatzkörper so geformt werden, dass er in einer Dimension die Dicke der Zuleitungsdrähte nicht wesentlich überschreitet. Der Zusatzkörper wird damit zu einem Metallplättchen von beispielsweise 2.10-5 cm Dicke.
Dadurch wird der Anteil von geheiztem Material kleiner Dimension am ganzen System grösser und der Messbereich erweitert sich nach oben um einen Faktor 4 bis 5.
Die vorliegende Erfindung darf nicht verwechselt werden mit einer bekannten Ausführung, welche zu normalen Widerstands drähten eine sogenannt für Wärmestrahlung durchlässige Fläche als Zusatzkörper hinzufügt (DRP Nr. 703243).
Eine beispielsweise Ausführung des erfindungs- gemässen Manometers zeigt Fig. 1. Auf den in einem Flansch F eingesetzten Durchführungen D ruht ein Halter H, welcher das System S von Prüfkörpern trägt. Das System S befindet sich im zu messenden Vakuum und ist an seinen zwei Enden galvanisch mit den Stromdurchführungen D verbunden. Von D aus führen 2 Zuleitungsdrähte zu einer Brückenschaltung, in welcher in bekannter Weise der Widerstand des Systems S gemessen wird, wobei bekannte Verfahren zur Kompensation von Temperaturschwankungen angewendet werden können. Delr Widerstand des Systems S wird in an sich bekannter Weise ver glichen mit t dem Widerstand eines ähnlichen Systems, eventuell ohne Zusatzkörper, welches sich in einem abgeschmolzenen Hochvakuum befindet.
Fig. 2 zeigt das System S vergrössert. Je eine Zuleitung der beiden Halbleitungswiderstände R sind bei P mit dem Metallplättchen M verschweisst. M ist von grösserer Oberfläche wie beide Halbleiterwiderstände R zusammen, aber so dünn wie deren in der Zeichnung nur schematisch angedeutete Zuleitungen.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist in der gezeichneten Ausführung das Metallplättchen M zu sammengelegt; in diesem Falle kann es im offenen Teil gespreizt werden, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Dadurch wird die Fläche von M nochmals vergrössert.
Die obere Grenze eines solchen Manometers ist gegeben durch die Dicke der Zuleitungen und des Metallplättchens M. Für eine technisch noch realisierbare Dicke von 0,02 mm liegt sie bei 20 mm Hg.
Die untere Grenze liegt bei etwa 10-4 mm Hg, sofern die Temperatur von S nicht über 80 gewählt wird.
Diese Grenzen können natürlich nur ausgenützt werden, wenn die Brückenschaltung und das Messinstrument dies erlauben. Die Messkurve ist bekanntlich bei solchen Wärmeleitungsmanometern am oberen und unteren Ende stark abgeflacht. Die heutige Technik der elektrischen Messinstrumente erlaubt es, ohne komplizierte Schaltung diese Abflachungen auszugleichen und die Skala des Manometers zu linearisie fein. Es besteht die Möglichkeit, eine Serieschaltung von mehreren solchen Widerstandssystemen S vorzusehen, wobei immer abwechslungsweise ein Halb leiterwiderstand und ein Zusatzkörper sich folgt. Dieser Summierung ist nur eine Grenze gesetzt durch die entstehende Trägheit der Messanzeige und durch die mechanische Stabilität.
Es kann auch der Fall eintreten, da es sinnvoll ist, mehrere Systeme parallel zu schalten, dann nämlich, wenn die Anzeige mit möglichst hoher Stromstärke erfolgen soll, beispielsweise für Fernmessung.
Eine Steigerung der Empfindlichkeit ergibt sich dabei jedoch nicht.
Auch der vereinfachte Fall von nur einem Halbleiterwiderstand und einem oder mehreren damit metallisch verbundenen Zusatzkörpern ist möglich, doch ist dieser Fall ausführungs- und messtechnisch weniger interessant.