CN107624158A - 用于处理压力测量单元的测量信号的方法以及测量单元装置 - Google Patents

用于处理压力测量单元的测量信号的方法以及测量单元装置 Download PDF

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CN107624158A CN201680026505.2A CN201680026505A CN107624158A CN 107624158 A CN107624158 A CN 107624158A CN 201680026505 A CN201680026505 A CN 201680026505A CN 107624158 A CN107624158 A CN 107624158A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定压力单元内的压力的方法，其中，该方法包括，确定测量信号(x)，该测量信号(x)至少与所测量的压力单元中的压力成比例，通过至少减少、优选地消除包含在测量信号(x)中的噪声信号，借助具有传递函数的滤波器单元(10)从所述测量信号(x)产生输出信号(y)，确定所述测量信号(x)的随时间的变化，并且根据所述测量信号(x)的随时间的变化来设定所述传递函数。此外，本发明还涉及一种测量单元装置。

Description

用于处理压力测量单元的测量信号的方法以及测量单元装置
本发明涉及用于处理压力测量单元的测量信号的方法以及具有压力测量单元的测量单元装置。
已知的是，如此测量压力或压差，使薄膜承受压力并且测量其由此造成的弯曲。已知的适用于测量这种膜的弯曲的方法在于，膜布置被设计为可变电容，其中，通过测量电子装置分析与压力变化相关的电容变化。如此设计该电容，其中易弯曲的薄膜表面相对于主体的另一个表面近距离布置并且导电地构造两个彼此对置的表面。当膜和主体由不导电的介电材料构成时，所述表面为此被涂覆例如导电的涂层，由此形成电容电极。膜和/或主体本身也可以由导电材料制造，其中，所述表面于是又形成电容电极。在膜承受压力时，两个电极之间的距离因为弯曲而变化，这导致可分析的电容变化。这种传感器例如由硅大批量地制造。在此情况下，扁平的基体和膜通常都完全由硅构成。还有具有组合材料成分的实施方式，例如带有玻璃基底的硅。传感器由此可以低成本制造。这种压力传感器一般只能被用于在约10-1mbar至几巴范围内的较高压力范围。在从约10-1mbar起的较低压力下的高分辨率无法再用材料硅实现。这种传感器并不适用于典型的真空应用场合。为了各种待控的真空处理，真空下的压力测量通常在大气压与10-6mbar之间的范围内执行。这样的测量要求真空压力测量的具有较高分辨率的高灵敏度以及良好的可再现性，为此，只有专门设计的测量单元能够完全不同于高压测量单元的结构。
电容式膜压力测量单元特别适用于真空压力测量，其由耐蚀材料如Al2O3制造。在EP1070239B1中描述了一种已知的电容式真空测量单元，其基本上完全由陶瓷构成并因而非常耐蚀。为了能够在高精度情况下测量低至10-6mbar的很低的压力，采用例如60μm厚的很薄的陶瓷膜，其无应力地对称布置在陶瓷壳体内。
在此情况下，电容器电极或膜表面距壳体表面的距离优选在2μm至50μm范围内。这种膜压力测量单元的直径优选在5mm至80mm范围内。由此形成的待测电容在10pF到32pF的范围内。借助新的电子装置，我们现在能够测量5pF至1000pF范围内的电容。所测得的电容此时用作待测压力的量度。当膜根据压力弯曲时，该电容相应地变化，由此可以检测加在膜上的压力。该电容测量必须很精确地进行且在小电容值的情况下并不简单，因为小的电容导致了由压力变化引起的电容变化也是极小的。其结果就是由此产生的或导出的电信号极小并因而易受干扰。
因此，对根据之前的实施方式的用于处理压力信号的信号处理系统相应提出了高要求。此外，采用以下的滤波器算法以便优化被测压力信号的性能以便继续应用，例如用于控制处理室内的压力。此时尝试提供一种滤波器算法，其同时达成用于处理压力信号的两个相互矛盾的目的：其一，应该尽可能快速结束例如在测量信号的阶梯形变化之后的起振过程，即，滤波器的输出信号应该尽可能快速导致稳定的输出信号。为此，可能因为压力变化而尽可能快速启动或许所需要的行动。其二，应该通过所述滤波器算法尽可能强地抑制可能的噪声信号。为此，根据第一条件要求尽可能快速的滤波器，而根据第二条件相反期望缓慢的滤波器。
已知进行了大量的尝试来提供一种滤波器算法并进而提供一种用于用来处理测量信号的滤波器的传递函数，以获得两个相互矛盾的目的。已知的滤波器算法基于折中，其在本应用中在利用高度敏感的传感器测量压力时并未导致令人满意的结果。
在US5838599中描述了一种针对滤波器的变型，其不仅允许在输入信号急速变化时的短暂的起振过程，也允许起振状态下输入信号中的噪声信号成分的良好降低。
另外参考US2013/0016888A1，其公开了一种利用用于消除噪声的线性滤波器的复杂的计算方法。
本发明的任务在于，提供一种用于处理测量信号的简单方法，其中，实现了明显的噪声信号抑制，但同时对显着改变的测量信号的快速响应是可能的。
该任务通过权利要求1的特征来完成。有利的实施方式以及具有压力测量单元的测量单元装置在其它权利要求中提供。
根据本发明的用于确定压力单元内的压力的方法在于：
-确定测量信号，该测量信号至少与所测量的压力单元中的压力成比例，
-通过至少减少、优选地消除包含在测量信号中的噪声信号，借助具有传递函数的滤波器单元从所述测量信号产生输出信号，
-确定测量信号的随时间的变化，
-根据测量信号的随时间的变化设定所述传递函数。
根据本发明的方法的一个实施方式变型在于，将压力单元内的压力设定成至少与输出信号成比例。由此得到一个非常稳定且鲁棒的封闭控制系统。
所述输出信号是线性的，并因此非常适合作为现代控制器(状态控制器)的实际值。
根据本发明的方法的一个实施方式变型在于，所述传递函数至少在一阶具有低通特性，其时间常数根据测量信号的随时间的变化来设定。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，确定测量信号的平均值，从而通过在测量信号与测量信号的平均值之间求差来确定差分信号，并至少从该差分信号导出测量信号的随时间的变化。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，使用指数平均值滤波器来确定测量信号的平均值，该指数平均值滤波器针对时间离散测量信号由下式限定：
fn＝β1·xn+(1-β1)·fn-1
其中，f是时间离散输出信号，β1是变量，x是时间离散测量信号，n是时间相关指数，其中变量β1尤其具有介于1和0之间的、尤其优选介于1和0.1之间的、尤其优选介于0.85和0.95之间的值。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，通过求差分信号的平均值来确定测量信号的随时间的变化。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，使用指数平均值滤波器来确定测量信号的随时间的变化，该指数平均值滤波器针对时间离散差分信号由下式限定：
(Δx/ΔT)n＝β2·en+(1-β2)·(Δx/ΔT)n-1
其中，(Δx/ΔT)n是测量信号的时间离散变化，β2是变量，e是时间离散差分信号，n是时间相关指数，其中变量β2尤其具有介于1和0之间的、尤其优选介于0.5和0.01之间的、尤其优选介于0.05和0.15之间的值。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，时间离散系统的传递函数的时间常数由下式限定：
其中，ΔT对应于时间离散系统中的采样间隙，α是变量，其值至少与测量信号的随时间的变化成比例，但不低于最小值αmin并且不大于最大值αmax，其中最小值αmin尤其介于0.0与0.1之间，尤其优选介于0.0与0.01之间，最大值αmax尤其介于0.3与1.0之间。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，所述传递函数由下式限定：
yn＝α·xn+(1-α)·yn-1
其中，y是时间离散输出信号，x是时间离散测量信号，α是变量，其值取决于测量信号的随时间的变化，n是时间相关指数。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，所述测量信号在用于产生输出脉冲的快速路径中被处理，其中该快速路径的输出脉冲至少在最多三个采样间隔内所测量的测量信号变化大于相同时间段内在该测量信号或测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，所述测量信号还在用于产生切换信号的缓慢路径中被处理，其中该缓慢路径的切换信号至少在比2*TS长的期间内所测量的测量信号变化大于相同时间段内在该测量信号或测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的，其中TS是输出脉冲的预定最小脉冲宽度，并且变量α根据输出脉冲与切换信号之间的“或”逻辑而获得值。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，变量α至少在切换过程后的预定过渡时间之后处于值α1或值α2，其中，α1的值尤其在0.01至0.9的范围内，α2的值尤其在0.0001至0.01的范围内。
根据本发明的方法的另外的实施方式变型在于，经过时间段Fin实现从值α1切换到值α2和/或经过时间段Fout实现从值α2切换到值α1。
本发明还涉及一种测量单元装置，该测量单元装置具有压力单元和与该压力单元有效连接的膜压力测量单元，该膜压力测量单元产生与压力相关的测量信号，该测量信号被施加到具有传递函数的滤波器单元以产生输出信号，其中可以确定测量信号的随时间的变化，并且可以根据该测量信号的随时间的变化设定所述传递函数。
根据本发明的测量装置的实施方式变型在于，所述输出信号可用于设定压力单元中的压力，并且同时尤其可用于设定处理室室中的压力。
根据本发明的测量装置的实施方式变型在于，所述传递函数至少在一阶具有低通特性，其时间常数可以根据测量信号的随时间的变化来设定。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，可以确定测量信号的平均值，从而可以通过在所述测量信号与所述测量信号的平均值之间求差来确定差分信号，并且至少可以从该差分信号导出所述测量信号的随时间的变化。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，可以使用指数平均值滤波器来确定测量信号的平均值，该指数平均值滤波器针对时间离散测量信号由下式限定：
fn＝β1·xn+(1-β1)·fn-1
其中，f是测量信号的时间离散平均值，β1是变量，x是时间离散测量信号，n是时间相关指数，其中变量β1尤其具有介于1和0之间的、尤其优选介于1和0.1之间的、尤其优选介于0.85和0.95之间的值。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，可以通过求差分信号的平均值来确定测量信号的随时间的变化。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，可以使用指数平均值滤波器来确定测量信号的随时间的变化，该指数平均值滤波器针对时间离散差分信号由下式限定：
(Δx/ΔT)n＝β2·en+(1-β2)·(Δx/ΔT)n-1
其中，(Δx/ΔT)n是时间离散的测量信号的随时间的变化，β2是变量，en是时间离散差分信号，n是时间相关指数，其中变量β2尤其具有介于1和0之间的、尤其优选介于0.5和0.01之间的、尤其优选介于0.05和0.15之间的值。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，时间离散系统的传递函数的时间常数由下式限定：
其中，ΔT对应于时间离散系统中的采样间隔，α是变量，其值至少与测量信号的随时间的变化成比例，但不低于最小值αmin并且不大于最大值αmax，其中最小值αmin尤其介于0.0和0.1之间，尤其优选介于0.0和0.01之间，并且最大值αmax尤其介于0.3和1.0之间。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，所述传递函数由以下公式限定：
yn＝α·xn+(1-α)·yn-1
其中，y是时间离散输出信号，x是时间离散测量信号，α是变量，其值取决于测量信号的随时间的变化，n是时间相关指数。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，所述测量信号在用于产生输出脉冲的快速路径中被处理，其中该快速路径的输出脉冲至少在最多三个采样间隔内所测量的测量信号变化大于相同时间段内在该测量信号或测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，所述测量信号还在用于产生切换信号的缓慢路径中被处理，其中该缓慢路径的切换信号至少在比2*TS长的期间内所测量的测量信号变化大于相同时间段内在该测量信号或测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的，其中，TS是输出信号的最小脉冲宽度，并且变量α根据输出脉冲与切换信号之间的“或”逻辑而获得值。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，变量α至少在切换过程后的预定过渡时间之后处于值α1或值α2，其中，α1的值尤其在0.01至0.9的范围内，α2的值尤其在0.0001至0.01的范围内。
根据本发明的测量装置的另外的实施方式变型在于，在滤波器单元与判定单元之间设有过渡单元，在该过渡单元中，经过时间段Fin实现从值α1到值α2的切换和/或经过时间段Fout实现从值α2到值α1的切换。
要指出的是，之前的变型实施方式能以任意方式组合。只排除因组合而导致异议的变型实施方式组合。
在下文中，将参照附图详细说明本发明的实施方式，在附图中：
图1示出了具有与处理室相连的膜压力测量单元的测量单元装置，利用其来确定测量信号，该测量信号在信号处理单元中的根据本发明的处理之后被提供给阀，
图2示出了具有用于处理测量信号的计算单元的根据图1的信号处理单元的框图，
图3示出了根据图2的计算单元的第一实施方式的框图，
图4示出了根据图2的计算单元的第二实施方式的框图，
图5示出了说明在判定单元中进行的方法步骤的信号流程图，
图6示出了针对具有快速信号路径和缓慢信号路径的根据本发明的计算和判定单元的另一实施方式变型的框图，
图7示出了针对根据图6的根据本发明的快速路径的框图，
图8示出了针对根据图6的根据本发明的缓慢路径的框图，以及
图9(源于图2)示出了具有在计算单元与滤波器单元之间的过渡单元的另一实施方式变型。
图1以极其简化的框图示出了测量单元装置，其具有处理室1、膜压力测量单元2、真空泵3、信号处理单元4、控制单元5、阀致动器6以及阀7。膜压力测量单元2用于确定处理室1中的压力，在该处理室中设定根据真空处理的规范所预定的压力。真空处理包括各种不同的方法，例如工件的涂覆方法、蚀刻方法、热处理等。真空处理通常也利用辅助气体来运行，该辅助气体在所述处理中根据需要既可作为活性气体也可作为惰性气体。为此，该气体通过阀致动器6所控制的阀7被送入处理室1中，可以通过该阀来控制处理室1内的气体流入和压力。通过膜压力测量单元2产生测量信号x，该测量信号在信号处理单元4和控制单元5中被处理成用于阀致动器6的控制信号s。为了精确的处理控制而需要膜压力测量单元2一方面尽可能精确地测量，而另一方面也要快速地测量，以便能够尽可能快速准确地对处理室1中的压力变化作出反应。
在本发明的简化实施方式中也可以想到，信号处理单元4的输出信号y不用于控制处理室中的压力。那么它不是封闭系统，而是开放系统。在此情况下，利用压力测量单元2来测量任何类型的压力单元(类似于根据图1的处理室)中的压力。用压力测量单元2测得的测量信号x同样在信号处理单元4中被处理，以便获得稳定的、无噪声的但还对变化作出快速反应的输出信号y。
现在(再次考虑根据图1的实施方式变型)本发明涉及在真空处理中存在的状况环境下的测量信号x的处理，并且首先考虑测量信号x的最佳信号处理，就像在这种真空处理时可能作为压力信号出现的那样。在这种情况下，信号处理单元4中的信号处理原则上可以以模拟方式或数字方式进行，其中，以模拟方式或以数字方式进行信号处理时的特殊预防措施将不在下面进一步讨论，因为这样的预防措施(模拟/数字转换、滤波以避免混叠、选择采样频率等)是本领域技术人员所熟知的。
信号处理单元4的输出信号y在控制单元5中例如用所谓的P-、PI-、PID-或状态控制器来进一步处理。在控制单元5中实现的控制器在此尤其负责用于阀致动器6或阀7的控制信号s的最佳跟踪。
原则上，对在信号处理单元4中的处理及其电路框图的说明不仅适用于封闭系统中的实施方式变型，也适用于开放系统中的实施方式变型。
图2简化地示意性示出了用于说明在根据本发明的信号处理单元4(图1)中执行的处理步骤的框图。为了实现本发明算法的各个处理步骤，例如使用被相应地编程的信号处理器。显然，也还可以由信号处理器完成其它任务，只要处理器能力足够用于此。尤其可以想到的是，控制单元5的控制器也在相同的信号处理器中实现。
从图2可以看出，测量信号x被提供到产生输出信号y的滤波器单元10。具有测量信号x和输出信号y的滤波器单元10形成信号处理单元4(图1)的实际信号路径。为了确定滤波器单元10的特性，提供了要说明的其余部件，诸如计算单元11和判定单元12。
滤波器单元10具有滤波器特性，该滤波器特性在时间离散系统中例如根据以下公式来限定：
yn＝α·xn+(1-α)·yn-1
在此，y是时间离散输出信号，x是时间离散测量信号，n是时间相关指数，α是变量，其值决定性地确定滤波器单元10的时间常数。本发明的目的是最佳地设定变量α的值，而且如此以使得测量信号x中的噪声信号被尽可能地抑制或甚至消除，但同时识别出处理室中的变化的压力，以便能够对此相应快速地作出反应。
包含变量α的上述公式具有作为用于抑制噪声信号成分的滤波器特性的低通特性，其中，一阶滤波器的时间常数τ可以如下进行确定：
变量α的值的选择对于本发明来说是至关重要的。如果测量信号x在稳定的压力值情况下只含有噪声信号，则α的值被选择得尽可能小(αmin)，例如为0.01。因此，存在于测量信号x中的噪声信号被最大程度抑制，经滤波的输出信号y优选适合用于控制单元5(图1)的下游控制器，因为稳定的输出信号导致阀致动器6或阀7的较小动作，并因此导致这些部件的降低的负荷，从而与已知系统相比，其故障概率显着降低。
另一方面，由于处理室中的实际压力变化导致的测量信号x的变化被无延迟地检测，这使得需要变量α的另一个值，即例如介于0.3和1.0(αmax)之间的α值。
根据本发明，根据测量信号x的随时间的变化进行变量α的值的调整，这将在下文中详细说明。
图3以示意图示出了用于确定测量信号x的随时间的变化的第一实施方式变型的框图。测量信号x基本上在平滑单元13中例如在使用平均值滤波器的情况下被平滑化。事实表明，在此情况下尤其是所谓的指数平均值滤波器是特别适用的。该滤波器的输出信号f被施加到差分单元14，该差分单元确定与不变的测量信号x的差，这在下文中也被称为差分信号e。
差分信号e是用于测量信号x的随时间的变化的量度，并且在根据本发明的本实施方式变型中被用于设定滤波器单元10(图2)中变量α的值，其中，必要时还需要进行缩放。
借助指数平均值滤波器实现的平滑单元13通过下面的递归公式来限定：
fn＝β1·xn+(1-β1)·fn-1
其中，f是时间离散输出信号，β1是变量，x是时间离散测量信号，n是时间相关指数，其中变量β1在用于产生差分信号f的指数平均值滤波器的情况下尤其具有介于1和0之间的、尤其优选介于1与0.1之间的、尤其优选介于0.85与0.95之间的值。
因此，根据图2的计算单元11在根据图3的实施方式变型中如下产生差分信号e：
en＝fn-xn
在图4中再次以示意图示出了计算单元11(图2)的另一实施方式变型的框图。在此情况下，其涉及在两个级别中产生测量信号x的随时间的变化(也被称为Δx/ΔT)，其中，第一级与根据图3的单级相同。根据图4，利用平均值滤波器15对差分信号进行进一步处理，该平均值滤波器又例如可以被实现为指数平均值滤波器。因此，与已经在第一级中提到的相同的限定(见上式)适用。仅有变量β的值(相应地在此被称为β2)具有另一个值：变量β2在用于确定测量信号x的随时间的变化的指数平均值滤波器的情况下尤其获得介于1和0之间的、尤其介于0.5和0.01之间的、尤其介于0.05和0.15之间的值。
因此，测量信号x的随时间的变化Δx/ΔT可以如下从时间离散差分信号e来限定：
(Δx/ΔT)n＝β2·en+(1-β2)·(Δx/ΔT)n-1
其中，(Δx/ΔT)n是测量信号x的时间离散的随时间的变化，en是时间离散差分信号，n是时间相关指数。
在本发明的该实施方式变型中，如已经结合根据图3的实施方式变型所描述的那样，由此获得的测量信号x的随时间的变化Δx/ΔT或者(Δx/ΔT)n必要时也要进行缩放。
图5示出了本发明的另一实施方式变型，其中，其在此是判定单元12(图2)的特殊实施方式。根据已结合图3和图4所描述的实施方式变型，判定单元12必要时包含由计算单元11获得的测量信号x的随时间的变化Δx/ΔT的缩放。在本发明的实施方式变型的改进中提出，限定值α的数值范围的上限和下限。根据图5所示的本发明的另外的实施方式变型相应地提供了根据图5所示的流程图使用的αmin和αmax：
测量信号x的随时间的变化Δx/ΔT用系数k来进行缩放(如已结合图3和图4所示的实施方式变型所描述的)。经缩放的随时间的变化Δx/ΔT用α'表示。以下是旨在限制在最小值αmin和最大值αmax之间的数值范围内的α的确定的一系列决定。在极值αmin和αmax之间，α值对应于根据图3、根据图4所实现的计算单元11(图2)的结果来设定。
图6示出了本发明的另一实施方式变型，其中，以示意图示出了用于图2所示的计算单元11和判定单元12的框图，计算单元11和判定单元12在图2中用虚线框出并且在下文中也被称为斜率确定单元50。
在下面给出的所有具体数值示例(尤其是针对时间常数τ)中，假定为1ms的典型采样时间ΔT(也称为周期时间)。显然，1ms的采样时间ΔT仅作为示例。采样时间ΔT原则上是在整个系统的可用计算能力和所需反应时间的范围内选择的。
如图6所示，斜率确定单元50首先由两个功能块组成，即块“快速”20和块“缓慢”30。这两个待说明的功能块20、30也被称为快速路径20和缓慢路径30。
首先，在定性方面，可以关于滤波器单元10(图2)的参数α1和α2来制定以下原理：
不根据时间而变化的测量信号x(即，当不存在压力变化时)可以被强烈地滤波，以便获得最大噪声抑制。事实表明，介于0.0001(τ≈10s)和0.01(τ≈100ms)之间的值适用于参数α2。参数α2的优选值在此为0.001(τ≈1s)。
根据时间改变的的测量信号x(即，当存在压力变化时)需要不太强烈地滤波。在此情况下，参数α1限定衰减系数。因此，参数α1一般被选择成大于参数α2。事实表明，介于0.01(τ≈100ms)和0.9(τ≈0.1ms)之间的值适用于参数α1。参数α1的优选值此时为0.1(τ＝9ms)。
如上所述，斜率确定单元50首先由两个功能块“快速”20和“缓慢”30组成，其中，功能块“快速”20产生用于快速变化的输出信号FC，功能块“缓慢”30产生用于的缓慢变化的输出信号SC，由此通过“或”逻辑如下获得控制信号SW：
SW＝FC或SC
主动控制信号SW(如从图6的流程图可以看出在“或”门之后)导致在滤波器单元10(图2)中使用值α1。另一方面，当控制信号SW无效时，在滤波器单元10中使用α2。
功能块“快速”20在采样间隔ΔT内(其中采样间隔ΔT又例如为1ms)检测到测量信号x的快速变化并对其作出反应，但对缓慢的或恒定的测量信号变化相对不敏感。缓慢的或恒定的测量信号变化由功能块“缓慢”30检测。
缓慢测量信号与快速测量信号x之间的界线通过功能块“快速”20表示：
如果测量信号x的频率小于则该测量信号从功能块“快速”20的角度看是缓慢测量信号x，否则是快速测量信号x。将结合功能块20和30的说明来详细讨论这些语句的意义和所产生的反应。
在图7中示出了根据图6的功能块“快速”20。测量信号x被施加到已在图4中被示出并详细说明的计算单元11。相应地，这些实施方式也适用于本发明的该实施方式变型。
计算单元11的输出信号Δx/ΔT被提供给绝对值单元21，在该绝对值单元中，确定Δx/ΔT的绝对值并且提供给加法单元25。在另一个绝对值单元22中求出也在计算单元11中确定的差分信号e的绝对值。绝对值信号|e|随后在平均值滤波器23中以参数β3再次按照以下公式进行平滑：
hn＝β3·|e|+(1-β3)·hn-1
其中，在乘法器单元24中以系数CF进行缩放之后的输出信号hn被提供给加法单元25，在这里确定绝对值信号与CF·h之间的差值。该结果被提供至阈值检测器26，该阈值检测器26在高出预定阈值时产生触发，该触发被提供至单稳触发器27。例如被设计为可再触发单稳触发器的单稳触发器27在输入端获得触发之后产生输出脉冲FC，其长度可以通过脉冲宽度TS来设定。在此情况下，“可再触发”是指在一定时间间隔内实现的触发总是重新启动单稳触发器27的内部时间并且于此相应地延长主动切换状态。
如已经说明的，信号Δx/ΔT表示测量信号x的变化的量度。通过用平均值滤波器23对差分信号e的绝对值进行滤波并且随后利用因数CF进行缩放，获得信号CF·h。该信号现在是测量信号变化Δx/ΔT的测量的“本底噪声”的量度。通过信号CF·h与Δx/ΔT的绝对值的比较，由此获得二进制控制信号“触发”，该控制信号被用于控制单稳触发器27。
事实表明，衰减系数β1、β2和β3尤其应该具有以下值：
对于在0.1至0.001的范围内(τ≈9ms至1s)的β1，尤其是0.01(τ≈100ms)作为典型值，对于在0.1至0.001的范围内(τ≈9ms至1s)的β2，尤其是0.01(τ≈100ms)作为典型值，对于在0.01至0.0001的范围内(τ≈100ms至10s)的β3，尤其是0.001(τ≈1s)作为典型值。
从图1所示的压力监测和压力设定系统中可以确定如下内容：处理室1中的每次快速压力变化(压力突变)都产生一个“触发脉冲”。该脉冲的宽度取决于所选择的衰减系数β1和β2。尤其是真空系统中的小的压力变化具有在>10ms的范围内的时间常数。为了确保不在压力变化(边沿)内在快速滤波器与缓慢滤波器之间切换，借助可再触发单稳触发器27确保输出脉冲FC至少具有脉冲宽度TS。脉冲宽度TS的优选数值范围例如在50ms(尤其在小型快速真空系统情况下)和5s(尤其在大型迟缓真空系统)之间。脉冲宽度TS的典型值为500ms。缩放因数CF具有例如0.15的值。
在具有小于的频率的测量信号x情况下，功能块“快速”20(图6)未响应，或者说以低于预期的可靠性响应。这尤其是因为单稳触发器27(图7)的脉冲宽度TS太短而不能覆盖整个信号周期。因此在图6所示的实施方式变型中，具有小于的频率的测量信号x由功能块“缓慢”30处理。但要明确指出的是，已经可以单独利用功能块“快速”20(即，不用功能块“缓慢”30)获得非常好的结果。
针对功能块“缓慢”30(见图6)的一个实施方式变型如图8所示。在这种情况下，功能块“缓慢”30被设计用于具有小于的频率的测量信号x，其中，如果假定脉冲宽度TS为500ms，则频率一般小于1Hz。功能块“缓慢”30如下计算切换信号SC作为输出信号：
其中，SS表示在较长时间段内的测量信号x变化的量度，该时间段例如大于2TS(即两倍脉冲宽度TS)并且因此一般为秒级，并且其中，SSN是测量信号x的噪声的量度。SSN和SS二者都借助已经描述的类型的平均值滤波器来确定。已经结合图2的滤波器单元10的描述说明了平均值滤波器的传递函数。
SS利用类似于图4的平均值滤波器13和图7的平均值滤波器15的另外的平均值滤波器35、38(图8)来确定。唯一的区别在于衰减系数β5和β6的大小，其现在针对较小的频率范围进行了优化。
事实表明，衰减系数β5和β6尤其应该具有以下值：
对于在0.01至0.0001范围内(≈100ms至10s)的β5，尤其是0.001(τ≈1s)作为典型值，对于在0.01至0.0001范围内(τ≈100ms至10s)的β6，尤其是0.001(τ≈1s)作为典型值。
以刚刚描述的方式计算出的信号SS基本上是测量信号x的变化与测量信号x的噪声之和的量度。利用高通滤波器31和另一个平均值滤波器33，现在计算与测量信号x的(缓慢)变化无关的信号SSN。这因此表示测量信号x的噪声的量度，并且通过与信号SS相比较，根据上面给出的条件获得期望的切换信号SC。
事实表明，衰减系数β4例如应该在0.005至0.00005(τ≈200ms-20s)的范围内，尤其应该等于0.0005(τ≈2s)。
平均值滤波器33的输出信号与乘法器单元34相连接以便进行缩放，乘法器单元34的第二输入端被提供有缩放因数CS以产生输出信号SSN。事实表明，缩放因数CS例如具有值50。
高通滤波器34的任务是测量信号x中的噪声分离和缓慢变化。假定测量信号的噪声标准分布在0…1kHz(在1ms的典型采样间隔ΔT情况下)的可分析频率范围内，根据以下配置的高通滤波器34已经被证明是合适的：
在这些条件下得到四阶高通滤波器，其能够容易地、即以合理的成本来计算和实现。
图9示出了本发明的另一实施方式变型，其中，根据本发明的滤波器单元10在两个衰减系数α1和α2之间最佳地快速且相应突然地进行切换。可以想到，控制单元5(图1)内的所有后续的控制器并不允许这种突然切换。因此，在α1和α2之间的这种切换可以根据本发明的现在改进的实施方式变型通过启动淡入/淡出(Fade-in/Fade-out)选项而不太急速地进行。为此尤其如图9所示，在确定单元50与滤波器单元10之间设有过渡单元51。该过渡单元51被提供有两个附加参数Fin和Fout。
在下文中，说明过渡单元51的功能：两个附加参数Fin和Fout限定了两个时间段，它们被用在从衰减系数α1至衰减系数α2的或反之的切换中，其中，根据过渡方向，或是时间段Fin或是时间段Fout是决定性的：如果需要从α2切换至α1(即发生压力变化)，则使用时间段Fin，在此期间内实现从α2至α1的平滑过渡。在相反方向上，即当现在又在压力变化之后出现稳定压力状况时，必须从α1切换至α2。这根据本实施方式变型也不再突然，而是在由Fout限定的时间段内完成。再次导致从α1至α2的“平滑”过渡。
事实表明，例如以下的值适用于这两个时间段Fin或Fout：
对于在0至100ms范围内的时间段Fin，尤其是10ms作为典型值，对于在0至10s范围内的时间段Fout，尤其是1s作为典型值。

Claims (24)

1.一种用于确定压力单元(2)中的压力的方法，其中，所述方法包括：
-确定测量信号(x)，所述测量信号(x)至少与所测量的压力单元(2)中的压力成比例，
-通过至少减少、优选地消除包含在所述测量信号(x)中的噪声信号，借助具有传递函数的滤波器单元(10)从所述测量信号(x)产生输出信号(y)，
其特征在于，
-确定所述测量信号(x)的随时间的变化，
-根据所述测量信号(x)的所述随时间的变化设定所述传递函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述压力单元(2)中的所述压力设定为至少与所述输出信号(y)成比例。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述传递函数至少在一阶具有低通特性，其中，所述传递函数的时间常数根据所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)来设定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述测量信号(x)的平均值，从而通过在所述测量信号(x)与所述测量信号(x)的所述平均值之间求差来确定差分信号(e)，并且至少从所述差分信号(e)导出所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用指数平均值滤波器来确定所述测量信号(x)的所述平均值，所述指数平均值滤波器针对时间离散测量信号(x)由下式限定：
fn＝β1·xn+(1-β1)·fn-1
其中，fn是所述测量信号(x)的时间离散平均值，β1是变量，xn是时间离散测量信号(x)，并且n是时间相关指数，其中，所述变量β1尤其具有介于1和0之间的值、尤其优选介于1和0.1之间的值、尤其优选介于0.85和0.95之间的值。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过求所述差分信号(e)的平均值来确定所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)。
7.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于，使用指数平均值滤波器来确定所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)，所述指数平均值滤波器针对时间离散差分信号(e)由下式限定：
(Δx/ΔT)n＝β2·en+(1-β2)·(Δx/ΔT)n-1
其中，(Δx/ΔT)n是所述测量信号(x)的时间离散的随时间的变化，β2是变量，e是时间离散差分信号，并且n是时间相关指数，其中，所述变量β2尤其具有介于1和0之间的值、尤其优选介于0.5和0.01之间的值、尤其优选介于0.05和0.15之间的值。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述传递函数由下式限定：
yn＝α·xn+(1-α)·yn-1
其中，y是时间离散输出信号，x是时间离散测量信号，α是变量，所述变量的值取决于所述测量信号(x)的所述随时间的变化，并且n是时间相关指数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述测量信号(x)在用于产生输出脉冲(FC)的快速路径(20)中被处理，其中，所述快速路径(20)的输出脉冲(FC)至少在最多三个采样间隔内所测量的测量信号变化大于相同时间段内在所述测量信号(x)或所述测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述测量信号(x)还在用于产生切换信号(SC)的缓慢路径(30)中被处理，其中，所述缓慢路径(30)的切换信号(SC)至少在比2*TS长的期间内所测量的测量信号(x)变化大于相同时间段内在所述测量信号(x)或所述测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的，其中，TS是所述输出脉冲(FC)的预定最小脉冲宽度，并且所述变量α根据所述输出脉冲(FC)与所述切换信号(SC)之间的“或”逻辑而获得值。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述变量α至少在切换过程后的预定过渡时间之后处于值α1或者值α2，其中，α1的值尤其在0.01至0.9的范围内，α2的值尤其在0.0001至0.01的范围内。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，经过时间段Fin实现从值α1到值α2的切换和/或经过时间段Fout实现从值α2到值α1的切换。
13.一种测量单元装置，该测量单元装置具有压力单元(2)和与所述压力单元(2)有效连接的膜压力测量单元(2)，所述膜压力测量单元(2)产生与压力相关的测量信号(x)，所述测量信号(x)被施加到具有传递函数的滤波器单元(10)以产生输出信号(y)，其特征在于，能够确定所述测量信号(x)的随时间的变化，并且能够根据所述测量信号(x)的所述随时间的变化来设定所述传递函数。
14.根据权利要求12所述的测量单元装置，其特征在于，所述输出信号(y)能够用于设定所述压力单元(2)中的压力。
15.根据权利要求13或14所述的测量单元装置，其特征在于，所述传递函数至少在一阶具有低通特性，所述传递函数的时间常数能够根据所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)来设定。
16.根据权利要求15所述的测量单元装置，其特征在于，能够确定所述测量信号(x)的平均值，从而能够通过在所述测量信号(x)与所述测量信号(x)的所述平均值之间求差来确定差分信号(e)，并且至少能够从所述差分信号(e)导出所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)。
17.根据权利要求16所述的测量单元装置，其特征在于，能够使用指数平均值滤波器来确定所述测量信号(x)的所述平均值，所述指数平均值滤波器针对时间离散的测量信号(x)由下式限定：
fn＝β1·xn+(1-β1)·fn-1
其中，fn是所述测量信号(x)的时间离散平均值，β1是变量，xn是时间离散测量信号(x)，并且n是时间相关指数，其中，所述变量β1尤其具有介于1和0之间的值、尤其优选介于1和0.1之间的值、尤其优选介于0.85和0.95之间的值。
18.根据权利要求17所述的测量单元装置，其特征在于，能够通过求所述差分信号(e)的平均值来确定所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)。
19.根据权利要求16或18所述的测量单元装置，其特征在于，能够使用指数平均值滤波器来确定所述测量信号(x)的所述随时间的变化(Δx/ΔT)，所述指数平均值滤波器针对时间离散差分信号(e)由下式限定：
(Δx/ΔT)n＝β2·en+(1-β2)·(Δx/ΔT)n-1
其中，(Δx/ΔT)n是所述测量信号(x)的时间离散的随时间的变化，β2是变量，en是时间离散差分信号(e)，并且n是时间相关指数，其中，所述变量β2尤其具有介于1和0之间的值、尤其优选介于0.5和0.01之间的值、尤其优选介于0.05和0.15之间的值。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的测量单元装置，其特征在于，所述传递函数通过下式限定：
yn＝α·xn+(1-α)·yn-1
其中，y是时间离散输出信号，xn是时间离散测量信号(x)，α是变量，所述变量的值取决于所述测量信号(x)的所述随时间的变化，并且n是时间相关指数。
21.根据权利要求20所述的测量单元装置，其特征在于，所述测量信号(x)被施加到用于产生输出脉冲(FC)的快速路径(20)，其中，所述快速路径(20)的输出脉冲(FC)至少在最多三个采样间隔内所测量的测量信号变化大于相同时间段内在所述测量信号(x)或所述测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的。
22.根据权利要求21所述的测量单元装置，其特征在于，所述测量信号(x)还被施加到用于产生切换信号(SC)的缓慢路径(30)，其中，所述缓慢路径(30)的切换信号(SC)至少在比2*TS长的期间内所测量的测量信号(x)变化大于相同时间段内在所述测量信号(x)或所述测量信号变化中所测量的噪声期间一直是有效的，其中，TS是所述输出脉冲(FC)的预定最小脉冲宽度，并且所述变量α根据所述输出脉冲(FC)与所述切换信号(SC)之间的“或”逻辑而获得值。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的测量单元装置，其特征在于，所述变量α至少在切换过程后的预定过渡时间之后处于值α1或值α2，其中，α1的值尤其在0.01至0.9的范围内，α2的值尤其在0.0001至0.01的范围内。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的测量单元装置，其特征在于，在所述滤波器单元(10)与判定单元(12)之间设有过渡单元(51)，在所述过渡单元(51)中，经过时间段Fin实现从值α1到值α2的切换和/或经过时间段Fout实现从值α2到值α1的切换。
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