CH657703A5

CH657703A5 - METHOD FOR MEASURING A VACUUM BY HEATING PIRANI AND VACUUM METER FOR ITS DESIGN.

Info

Publication number: CH657703A5
Application number: CH445782A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Reich
Original assignee: Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg
Priority date: 1981-08-08
Filing date: 1982-07-21
Publication date: 1986-09-15
Also published as: GB2105472A; FR2511152A1; FR2511152B1; JPS5830633A; DE3131506A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen eines Vakuums mittels Wärmeleitung nach Pirani gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Vakuummeter zur Ausführung dieses Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3. The invention relates to a method for measuring a vacuum by means of thermal conduction according to Pirani according to the preamble of patent claim 1 and to a vacuum meter for carrying out this method according to the preamble of patent claim 3.

Bei den sogenannten geregelten Wärmeleitungs-Vakuum-metern nach Pirani ist ein Messdraht in eine Wheatsto-ne'sche Brücke geschaltet. Die an dieser Brücke liegende Speisespannung wird so geregelt, dass der Widerstand und damit die Temperatur des Messdrahtes unabhängig von der Wärmeabgabe konstant ist. Das bedeutet, dass die Brücke immer abgeglichen ist. Diese Regelung hat eine Zeitkonstante von wenigen Millisekunden, so dass die Geräte sehr schnell auf Druckänderungen reagieren. Da der Wärmeübergang vom Messdraht auf das Gas mit zunehmendem Druck zunimmt, ist die an der Brücke anliegende Spannung ein Mass für den Druck. Neben der kleinen Einstellzeit haben s geregelte Wärmeleitungs-Vakuummeter nach Pirani noch den Vorteil eines relativ grossen Messbereichs. Aufgrund dieser Vorteile werden Wärmeleitungs-Vakuummeter dieser Art bevorzugt zur Steuerung von Drücken oder für Drucküberwachungsaufgaben herangezogen. Dazu ist es häufig io erforderlich, zwischen dem Druckaufnehmer (der Messbrücke mit der Messröhre) und dem Versorgungsgerät, das u. a. den Verstärker für die Erzeugung der geregelten Brük-kenspannung enthält, relativ lange und — je nach den örtlichen Verhältnissen — unterschiedliche Messkabel vorzu-ls sehen. In the so-called regulated thermal conduction vacuum meters according to Pirani, a measuring wire is connected in a Wheatsto-ne bridge. The supply voltage at this bridge is regulated so that the resistance and therefore the temperature of the measuring wire is constant regardless of the heat emission. This means that the bridge is always balanced. This regulation has a time constant of a few milliseconds, so that the devices react very quickly to pressure changes. Since the heat transfer from the measuring wire to the gas increases with increasing pressure, the voltage applied to the bridge is a measure of the pressure. In addition to the short response time, regulated Pirani thermal conduction vacuum gauges also have the advantage of a relatively large measuring range. Because of these advantages, heat conduction vacuum gauges of this type are preferably used to control pressures or for pressure monitoring tasks. It is often necessary to do this between the pressure transducer (the measuring bridge with the measuring tube) and the supply device, which u. a. contains the amplifier for the generation of the regulated bridge voltage, relatively long and - depending on the local conditions - different measuring cables.

Dadurch besteht die Gefahr einer unerwünschten Verfälschung der Druckanzeige, da diese nur dann unverfälscht wiedergegeben wird, wenn der Leitungswiderstand klein ist gegen den gesamten Widerstand der Messbrücke. There is therefore a risk of undesired falsification of the pressure display, since this is only reproduced in an unadulterated manner if the line resistance is small against the entire resistance of the measuring bridge.

20 Dieser Nachteil ist bekannt, und man hat ihn schon durch eine Anordnung von zwei zusätzlichen Messleitungen zur hochohmigen Messung der unmittelbar am Messsystem anliegenden Spannung zu beseitigen versucht. Dadurch ist jedoch ein zusätzlicher Aufwand notwendig. Ausserdem ist eine solche Massnahme störempfindlich. Weiterhin ist es möglich, mit Hilfe eines dem Anzeigegerät vorgelagerten Spannungsteilers einen Kabellängenausgleich vorzunehmen. Nachteilig an dieser Massnahme ist, dass der Abgleich erst nach Inbetriebnahme des Messgerätes mit einem bestimmten Kabel vorgenommen werden kann, was bei jeder örtlichen Veränderung die Anwesenheit von qualifiziertem Fachpersonal voraussetzt. 20 This disadvantage is known, and attempts have already been made to eliminate it by arranging two additional measuring lines for high-resistance measurement of the voltage present directly on the measuring system. However, this requires additional effort. Such a measure is also sensitive to interference. It is also possible to use a voltage divider upstream of the display device to carry out a cable length compensation. A disadvantage of this measure is that the adjustment can only be carried out with a specific cable after the measuring device has been commissioned, which requires the presence of qualified specialist personnel for every local change.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein für die Ausführung dieses Verfahrens geeignetes Vakuummeter vorzuschlagen, bei denen die Messgrösse unabhängig von Lei-tungs- und Kontaktwiderständen ist. The object of the present invention is to propose a method of the type mentioned at the outset and a vacuum meter suitable for carrying out this method, in which the measured variable is independent of line and contact resistances.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass 40 der infolge der geregelten Speisespannung fliessende Brük-kenspeisestrom als Mass für eine Druckanzeige verwendet wird. Eine derartige Messgrösse ist unabhängig von Leitungsund Kontaktwiderständen. Ausserdem hat diese Lösung nicht die Nachteile der oben erwähnten, vorbekannten Vor-45 schläge zur Beseitigung von Verfälschungen der Druckanzeige. According to the invention, this object is achieved in that the bridge supply current flowing as a result of the regulated supply voltage is used as a measure for a pressure display. Such a measurement variable is independent of line and contact resistances. In addition, this solution does not have the disadvantages of the previously known proposals for eliminating falsifications of the pressure display.

Eine weitere zweckmässige Verfahrensmassnahme besteht darin, dass die Energieversorgung eines zumindest die Messröhre, die Bauteile der Wheatstone'schen Brücke und die so Bauteile eines Verstärkers umfassenden Druckaufnehmers ebenfalls über den Brückenspeisestromkreis erfolgt. A further expedient method measure consists in that the energy supply of a pressure transducer comprising at least the measuring tube, the components of the Wheatstone bridge and the components of an amplifier in this way also takes place via the bridge feed circuit.

Dadurch kann auf ein vier getrennte Leiter enthaltendes Kabel zwischen dem Druckaufnehmer und einem Versorgungs- und Anzeigegerät verzichtet werden. Dieses in Druck-55 überwachungs- oder Drucksteuerungsfällen häufig sehr lange Kabel benötigt dann nur noch zwei Leiter. This eliminates the need for a cable containing four separate conductors between the pressure sensor and a supply and display device. This cable, which is often very long in pressure monitoring or pressure control cases, then only requires two conductors.

Ein für die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignetes Vakuummeter der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass in einen Teil des Brückenspei-60 sestromkreises, der innerhalb des Versorgungs- und Anzeigegerätes liegt, eine Strommess- und Stromanzeigevorrichtung geschaltet ist. A vacuum meter of the type mentioned at the outset which is suitable for carrying out the method according to the invention is characterized in that a current measuring and current display device is connected to a part of the bridge feed circuit which lies within the supply and display device.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausfüh-65 rungsbeispielen erläutert werden. Alle — stark schematisierten — Figuren zeigen jeweils links einen Druckaufnehmer 1 und rechts ein Versorgungs- und Anzeigegerät 2 (gestrichelt dargestellt). Beide Teile sind durch ein je nach Further advantages and details of the invention will be explained with reference to exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3. All - highly schematic - figures each show a pressure sensor 1 on the left and a supply and display device 2 on the right (shown in dashed lines). Both parts are by one depending

25 25th

30 30th

35 35

3 3rd

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Anwendungsfall unterschiedlich langes Kabel 3 miteinander verbunden. Use case cable 3 of different lengths connected together.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 umfasst der Druckaufnehmer 1 eine Messröhre 4, deren Innenraum mit einem nicht dargestellten Rezipienten verbunden ist, in dem der Druck z. B. zu steuern oder zu überwachen ist. In the embodiment of Figure 1, the pressure sensor 1 comprises a measuring tube 4, the interior of which is connected to a recipient, not shown, in which the pressure z. B. to control or monitor.

Innerhalb der Messröhre 4 befindet sich ein Messdraht 5, der in eine Wheatstone'sche Messbrücke 6 mit weiteren Widerständen 7, 8,9 geschaltet ist. Im Druckaufnehmer 1 befindliche Leitungsabschnitte 11 und 12 sind Bestandteile des Brüclcenspeisestromkreises. Leitungsabschnitte 13 und Inside the measuring tube 4 there is a measuring wire 5, which is connected to a Wheatstone measuring bridge 6 with further resistors 7, 8, 9. Pipe sections 11 and 12 located in the pressure sensor 1 are components of the bridge feed circuit. Line sections 13 and

14 dienen der Übertragung von Brückenspannungsschwankungen zu einem Verstärker 15. 14 are used to transmit bridge voltage fluctuations to an amplifier 15.

Ein Verstärker 15 (Regelverstärker) ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Bestandteil eines Versorgungs- und Anzeigegerätes 2. Deshalb ist ein Verbindungskabel 3 vieradrig ausgebildet. Leitungsabschnitte 16 und 17 bilden den im Versorgungs- und Anzeigegerät liegenden Teil des Brük-kenspeisestromkreises. In den Leitungsabschnitt 17 ist ein Amperemeter 10 geschaltet. Bei innerhalb der Messröhre 4 auftretenden Druckänderungen ändert sich der im Brückenspeisestromkreis fliessende Strom, der vom Amperemeter 10 angezeigt wird und ein direktes Mass für den dort herrschenden Druck ist. An amplifier 15 (control amplifier) is part of a supply and display device 2 in the exemplary embodiment according to FIG. 1. Therefore, a connecting cable 3 is of four-wire design. Line sections 16 and 17 form the part of the bridge supply circuit located in the supply and display device. An ammeter 10 is connected in line section 17. When pressure changes occur within the measuring tube 4, the current flowing in the bridge feed circuit changes, which is indicated by the ammeter 10 and is a direct measure of the pressure prevailing there.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zum einen dadurch, dass der Verstärker 15 Bestandteil des Druckaufnehmers 1 ist. Dadurch ist es zwar nicht mehr erforderlich, die auftretenden Brückenspannungsschwankungen aus dem Druckaufnehmer herauszuführen. Dennoch ist das Kabel 3 wieder vieradrid ausgebildet, da die Spannungsversorgung für den Verstärker 15 (Spannungsquelle 21) im Versorgungs- und Anzeigegerät liegt. Die Spannungsquelle 21 ist über das Kabel 3 und Leitungsabschnitte 22 und 23 an den Verstärker The embodiment of FIG. 2 differs from the embodiment of FIG. 1 on the one hand in that the amplifier 15 is part of the pressure sensor 1. As a result, it is no longer necessary to lead the occurring bridge voltage fluctuations out of the pressure sensor. Nevertheless, the cable 3 is again four-wire, since the voltage supply for the amplifier 15 (voltage source 21) is in the supply and display device. The voltage source 21 is via the cable 3 and line sections 22 and 23 to the amplifier

15 angeschlossen. Ein weiterer Unterschied gegenüber Fig. 1 besteht darin, dass das Amperemeter 10 durch einen Widerstand 18 und ein den Widerstand 18 überbrückendes Spannungsmessgerät 19 ersetzt ist. Das Gerät 19 zeigt die über dem Widerstand 18 abfallende Spannung an. Diese Anzeige entspricht ebenfalls dem im Leitungsabschnitt 17 fliessenden Strom und kann deshalb als Druckmesswert herangezogen werden. 15 connected. Another difference compared to FIG. 1 is that the ammeter 10 is replaced by a resistor 18 and a voltage measuring device 19 bridging the resistor 18. The device 19 displays the voltage drop across the resistor 18. This display also corresponds to the current flowing in the line section 17 and can therefore be used as a pressure measurement.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Verstärker 15 ebenfalls Bestandteil des Druckaufnehmers 1. Um hierbei ein Verbindungskabel 3 mit nur zwei Adern verwenden zu können, sind zumindest Teile des Brüclcenspeisestromkreises s und des Versorgungsstromkreises identisch. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the amplifier 15 is likewise part of the pressure sensor 1. In order to be able to use a connecting cable 3 with only two wires, at least parts of the bridge supply circuit s and the supply circuit are identical.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 befindet sich im Versorgungs- und Anzeigegerät 2 ein Teilstromkreis 25, in den der Widerstand 18 und die Speisespannungsquelle 21 geschaltet sind. Dieser Stromkreis setzt sich im Druckaufnehmer 1 mit Leitungsabschnitten 26 und 27 fort. Diese.sind von einem Spannungskonstanthalter 28 überbrückt, dessen Ausgang über einen Leitungsabschnitt 29 zum Verstärker 15 führt und diesen mit konstanter Spannung versorgt. In the exemplary embodiment according to FIG. 3 there is a partial circuit 25 in the supply and display device 2, in which the resistor 18 and the supply voltage source 21 are connected. This circuit continues in the pressure sensor 1 with line sections 26 and 27. These are bridged by a voltage stabilizer 28, the output of which leads via a line section 29 to the amplifier 15 and supplies it with a constant voltage.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ausserdem ein im Brückenspeisestromkreis liegender Transistor 31 dargestellt, dessen Basis über eine Leitung 32 mit dem Ausgang des Verstärkers 15 verbunden ist. Der Transistor 31 bildet den veränderlichen Widerstand im Brückenspeisestromkreis, mit welchem der ständige Abgleich der Wheatstone'schen Brücke 6 erreicht wird. Die bei unterschiedlichen Drücken innerhalb der Messröhre 4 auftretenden Stromschwankungen in dem vom Teilstromkreis 25 und von den Leitungsabschnitten 26 und 27 gebildeten Brückenspeisestromkreis verursachen wieder unterschiedliche Spannungsabfälle über dem Widerstand 18, so dass am Anzeigegerät 19 der interessierende Druck abgelesen werden kann. Anstelle des Anzeigegerätes 19 können natürlich auch weitere elektronische Mittel vorgesehen sein, die beliebige Steuerungen oder Regelungen ver-3# anlassen. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, a transistor 31 lying in the bridge supply circuit is also shown, the base of which is connected to the output of the amplifier 15 via a line 32. The transistor 31 forms the variable resistance in the bridge feed circuit, with which the constant adjustment of the Wheatstone bridge 6 is achieved. The current fluctuations occurring at different pressures within the measuring tube 4 in the bridge supply circuit formed by the partial circuit 25 and by the line sections 26 and 27 again cause different voltage drops across the resistor 18, so that the pressure of interest can be read on the display device 19. Instead of the display device 19, it is of course also possible to provide further electronic means which start any controls or regulations ver-3 #.

Zusätzlich sind im Brückenspeisestromkreis des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 noch Schutzbarrieren 33 und 34 eingeschaltet, die ebenfalls Bestandteil des Druckaufnehmers 1 sind. Der Zweck dieser Schutzelemente ist eine explosionssichere Betriebsweise des Druckaufnehmers. Die Schutz-elemente können z.B. von Zener-Dioden gebildet werden, welche die Eigenschaft haben, möglicherweise auftretende, zu Funken führende Leistungsschwankungen nach oben zu begrenzen. Es besteht auch die Möglichkeit, diese Schutzelemente 33 und 34 im ausserhalb des Druckaufnehmers 1 In addition, protective barriers 33 and 34 are also switched on in the bridge supply circuit of the exemplary embodiment according to FIG. 3, which are also part of the pressure sensor 1. The purpose of these protective elements is an explosion-proof mode of operation of the pressure sensor. The protective elements can e.g. are formed by Zener diodes, which have the property of limiting any power fluctuations that may lead to sparks. There is also the possibility of these protective elements 33 and 34 in the outside of the pressure sensor 1

40 40

befindlichen Teil des Brückenspeisestromkreises anzuordnen, also z.B. im Betriebsgerät 2. to arrange part of the bridge feed circuit, e.g. in the control gear 2.

15 15

20 20th

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

657 703 PATENT CLAIMS

1. A method for measuring a vacuum by means of thermal conduction according to Pirani, in which a measuring wire arranged in a bridge circuit is used and the bridge supply voltage is regulated in such a way that the resistance and thus the temperature of the measuring wire are constant regardless of the heat output, characterized in that that the bridge supply current flowing as a result of the regulated supply voltage is used as a measure for a pressure display.

2. The method according to claim 1, characterized in that the energy supply of an amplifier associated with the bridge circuit within a pressure sensor is carried out via the bridge supply circuit.

3. Vacuum meter for carrying out the method according to claim 1 or 2, with a pressure sensor (1) containing the bridge circuit (6) with the measuring wire (5) and a supply and display device (2), characterized in that in one part (17 ; 25) of the bridge feed current circuit (11, 12, 16, 17; 25, 26, 27), which lies within the supply and display device (2), a current measuring and current display device (10; 18, 19) switched is.

4. Vacuum meter according to claim 3, characterized in that the current measuring and current display device is an ammeter (10).

5. Vacuum meter according to claim 3, characterized in that the current measuring and current display device in one of said part (17; 25) of the bridge supply circuit (11,12,17; 25,26,27) switched resistor (18) and on device (19) assigned to the resistor (18) for displaying the voltage drop across the resistor (18).

6. Vacuum meter according to one of claims 3 to 5, characterized in that the pressure sensor (1) comprises the components of a Wheatstone bridge (6) including a measuring tube (4) and the components of an amplifier (15).

7. Vacuum meter according to claim 6, in which the energy supply of the amplifier (15) takes place via the bridge feed circuit (25, 26, 27), characterized in that the pressure sensor (1) has electronic means (28) for keeping the supply voltage constant for the amplifier ( 15).

8. Vacuum meter according to claim 6 or 7, characterized in that the output of the amplifier is connected to the base of a transistor (31) connected in the bridge feed circuit (26, 26, 27).

9. Vacuum meter according to one of claims 3 to 8, characterized in that protective barriers (33, 34) are connected in the bridge feed circuit (25, 26, 27).