-
Die
Erfindung betrifft eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
-
Gasdruckmeßanordnungen,
häufig auch als Vakuummeßgeräte bezeichnet,
die nach dem Wärmeleitungsprinzip (Pirani-Prinzip) arbeiten,
sind seit langem bekannt. Eine ausführliche Darstellung
der physikalischen Umstände bei einer solchen Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
findet sich in der
DE
698 03 147 T2 , auf deren Offenbarungsgehalt zu Erläuterungszwecken
insgesamt hier verwiesen werden darf. Dieser Stand der Technik bildet
auch den Ausgangspunkt für die Lehre der vorliegenden Patentanmeldung.
-
Bei
einer Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung der in
Rede stehenden Art heizt grundsätzlich ein Heizelement
ein Meßelement auf, das in thermischem Kontakt mit dem
zu messenden Gas steht. Ist die Temperatur des Meßelementes
höher als die Umgebungstemperatur in dem zu messenden Gas, so
hängt die benötigte Heizleistung für
eine vorgegebene Temperatur bzw. hängt die Temperatur am
Meßelement für eine vorgegebene Heizleistung von
der Wärmeableitung über das Gas ab. Bei geringem Druck,
insbesondere im Bereich des Feinvakuums, ist diese Wärmeableitung
stark vom Gasdruck abhängig. Damit kann man aus der benötigten
Heizleistung bzw. aus der Temperatur des Meßelements auf den
Umgebungsdruck schließen.
-
Üblicherweise
sind das Heizelement und das Meßelement thermisch verbunden.
-
Bei
der bekannten, eingangs erläuterten Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
(
DE 698 03 147 T2 )
ist das Meßelement gleichzeitig Heizelement. Es handelt
sich um ein Widerstands-Meßelement, das in einer Wheatstone-Brückenschaltung
in einem Zweig angeordnet ist. Das Widerstands-Meßelement
weist einen temperaturabhängigen Widerstand mit positivem
Temperaturkoeffizienten oder negativem Temperaturkoeffizienten auf.
Deshalb kann als Meßgröße der Widerstand
des Widerstands-Meßelementes herangezogen werden.
-
Die
Wheatstone-Brückenschaltung ist an eine Versorgungsspannung
angeschlossen. Mißt man die Wärmeableitung bei
konstanter Versorgungsspannung anhand des Widerstands, so spricht man
von einer ungeregelten Brückenschaltung. Hält man
hingegen den Widerstand des Widerstands-Meßelementes konstant,
so muß man die Versorgungsspannung nachregeln. Dann spricht
man von einer geregelten Brückenschaltung.
-
3 der
Zeichnung zeigt den Stand der Technik mit einer ungeregelten Brückenschaltung 1. Ein
Widerstands-Meßelement 2 befindet sich in einem
Zweig der Brückenschaltung 1. Diese wird mit einer
konstanten Versorgungsspannung U versorgt. Ein Referenzwiderstand 3 im
parallelen Zweig der Brückenschaltung 1 ist lediglich
von der Umgebungstemperatur abhängig. Er ist beispielsweise
mit dem Korpus oder Gehäuse der Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
thermisch verbunden, so daß Änderungen der Umgebungstemperatur
bezüglich des Widerstands-Meßelementes 2 kompensiert
werden können. Ein Vergleicher 4, beispielsweise
ein Differenzverstärker, vergleicht die Spannungen an den Mittelabgriffen 5, 6 der
beiden Zweige. Das Differenzsignal ist ein Maß für
den Wärmeverlust am Widerstands-Meßelement 2 und
damit für den dort herrschenden Umgebungsdruck. 3 zeigt
noch einen dem Vergleicher 4 nachgeordneten Analog-Digital-Wandler 4' (A/D-Wandler),
so daß am Ausgang 7 der Meßanordnung
insgesamt ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung steht.
-
Die
in 3 dargestellte ungeregelte Wheatstone-Brückenschaltung
hat den Nachteil, daß das Widerstands-Meßelement 2 je
nach dem Ausmaß der Wärmeableitung seine Temperatur ändert.
Bei sehr niedrigen Drücken ist die Wärmeableitung
gering und die Temperatur des Meßelementes 2 hoch. Dadurch
ergeben sich hohe Verluste durch Wärmestrahlung, die vom
Druck des Gases unabhängig ist. Eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
der in Rede stehenden Art mit einer ungeregelten Wheatstone-Brückenschaltung 1 wird
daher üblicherweise nur für Druckmessungen im
Bereich größer als 10–2 mbar
eingesetzt.
-
4 zeigt
eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit einer
geregelten Wheatstone-Brückenschaltung 1. Auch
hier findet sich das Widerstands-Meß element 2 in
einem Zweig, ein Referenzwiderstand 3 findet sich im parallelen
Zweig der Brückenschaltung 1. Insoweit gleicht
der Aufbau der Anordnung aus 3.
-
Ein
Vergleicher 4 ist auch hier eingangsseitig an dem Mittelabgriff 5 am
Meßelement 2 und dem Mittelabgriff 6 am
Referenzwiderstand 3 angeschlossen. Bei dem Vergleicher 4 kann
es sich hier beispielsweise um einen Integralregler handeln. Dieser stellt
auch den Ausgang 7 für ein Druckmeßsignal
bereit.
-
Anders
als bei der Darstellung in 3 findet man
in 4 in Reihe mit der Brückenschaltung 1 eine
Rückkopplungseinheit 8. Die Rückkopplungseinheit 8 ist über
einen Steueranschluß 9 mit dem Vergleicher 4 verbunden. Über
die Rückkopplungseinheit 8 wird die effektiv an
der Brückenschaltung 1 anstehende Spannung so
geregelt, daß der Widerstand des Widerstands-Meßelementes 2 und
damit dessen Temperatur relativ zur Temperatur des Referenzwiderstands 3 auf
einen konstanten Wert fixiert ist. Anstelle des Signals am Ausgang 7 des
Vergleichers 4 kann man als Meßsignal auch die
Brückenspannung selbst verwenden. Auch hier ist dem Vergleicher 4 ein
A/D-Wandler 4' nachgeschaltet, so daß effektiv
am Ausgang 7 der Gasdruckmeßanordnung ein digitales
Signal für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung
steht.
-
Bei
der Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit geregelter
Wheatstone-Brückenschaltung 1 gemäß 4 ist
bei niedrigem Druck die Wärmeableitung vom Meßelement 2 gering.
Das Meßelement 2 benötigt nur eine geringe
Versorgungsspannung. Die Rückkopplungseinheit 8,
beispielsweise eine Transistorschaltung oder eine Thyristorschaltung,
regelt die effektive Versorgungsspannung an der Brückenschaltung 1 herunter.
Dabei fällt Verlustwärme an. Diese wird an ein
Gehäuse o. dgl. abgeführt. Dadurch kann der temperaturabhängige
Referenzwiderstand 3 beeinflußt werden. Regelmäßig
verwendet man massive Metallgehäuse mit hoher Wärmekapazität
und intensiver Wärmeableitung. Das sind teure Einrichtungen.
-
Der
analoge Regelkreis aus dem Vergleicher 4 und der Rückkopplungseinheit 8 hat
im übrigen ein Einschwingverhalten, das abhängig
vom Druck und von den verarbeiteten Signalen ist. Das kann zu Fehlern
im Ausgangssignal des Vergleichers 4 führen.
-
5 zeigt
eine typische Kennlinie einer Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
der in Rede stehenden Art. Aufgetragen ist das Signal U
a am
Ausgang
7 gegenüber dem Logarithmus des Druckes
P am Widerstands-Meßelement
2. Bei niedrigem Druck
ist die Signaländerung nur gering, da die Wärmeableitung über
das Gas gering ist und Wärmeverluste durch Strahlung und
durch die Aufhängung des Meßelements
2 überwiegen.
Bei hohem Druck am Meßelement
2 verläuft
die Kennlinie ebenfalls wieder flach (im einzelnen s. erneut die
DE 698 03 147 T2 ).
-
Grundsätzlich
ist es erwünscht, daß eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
der in Rede stehenden Art im gesamten Meßbereich eine vergleichsweise
hohe Auflösung zeigt. Um die flachen Bereiche der Kennlinie
besser erfassen zu können, müssen entweder teure
Analog-Digital-Wandler mit sehr hoher Auflösung eingesetzt
werden oder es müssen verschiedene Bereiche der Kennlinie
unterschiedlich analog verstärkt und mit mehreren Analog-Digital-Wandlern
gewandelt werden. Bauteilstreuungen der analogen Verstärker
führen zu Anzeigefehlern oder es ist für jedes
Meßgerät ein individueller Abgleich erforderlich.
-
Grundsätzlich
ist es bekannt, das Widerstands-Meßelement lediglich durch
einzelne Pulse konstanter Energie aufzuheizen und die Abklingzeit zu
messen, bis eine untere Grenztemperatur erreicht wird (
DD-A-249 534 ). Eine solche
Zeitmessung kann mit guter Genauigkeit erfolgen und ist kostengünstiger
als eine A/D-Wandlung. Bei niedriger Wärmeableitung ergeben
sich jedoch lange Abklingzeiten, die eine träge Reaktion
der Gasdruckmeßanordnung zur Folge haben. Bei hoher Wärmeableitung
ist die Meßzeit zwar deutlich geringer, aber die Auflösung
ist sehr viel schlechter. Bei niedrigen Drücken wird überdies
die Auflösung durch eine erhebliche Wärmestrahlung
verringert, weil das Meßelement eben eine höhere
Temperatur erreicht.
-
Ein ähnliches
Verfahren arbeitet mit Heizpulsen konstanter Leistung und variabler
Länge (
DE-B-101
15 715 ), so daß ein Meßelement von einer
niedrigeren Temperatur auf eine höhere Temperatur aufgeheizt
wird. Bei dieser Schaltung werden die Aufheizzeiten bis zu einer
bestimmten Temperatur bei geringer Wärmeableitung klein
und bei höherer groß. Eine solche Gasdruckmeßanordnung
reagiert bei hohem Druck am Meßelement träge,
bei niedrigem Druck ist die Auflösung nicht sehr gut.
-
Die
zuvor beschriebenen, mit Impulsen arbeitenden Verfahren führen
zu starken Temperaturänderungen am Meßelement
selbst. Dadurch wird die Lebensdauer des Meßelements beeinträchtigt.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
anzugeben, die über den gesamten Meßbereich eine
hohe Meßgenauigkeit hat, eine hohe Lebensdauer des Widerstands-Meßelementes
gewährleistet und dabei relativ geringen schaltungstechnischen
Aufwand benötigt.
-
Das
zuvor aufgezeigte Problem ist bei einer Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird
eine digitale Baugruppe als Vergleicher eingesetzt. Auslesen und
Regeln der Wheatstone-Brückenschaltung erfolgt also nicht
durch toleranz- und offset-behaftete analoge Bauteile, sondern unmittelbar
durch eine digital arbeitende Baugruppe (beispielsweise einen Mikroprozessor
oder Mikrocomputer), die eine als Bauteil mit Ein-/Aus-Charakteristik
ausgeführte Rückkopplungseinheit ansteuert. Dabei
kann es sich beispielsweise um einen Schalttransistor o. dgl. handeln.
-
Erfindungsgemäß gibt
also der Vergleicher am Steueranschluß nur Ein/Aus-Schaltsignale
an die Rückkopplungseinheit ab. Die Rückkopplungseinheit wiederum
schaltet den Steuersignalen vom Steueranschluß folgend
die Versorgungsspannung der Wheatstone-Brückenschaltung
entweder ein oder aus. Die zum Konstanthalten des Widerstands des Widerstands-Meßelements
erforderliche Regelung der Versorgungsspannung der Brückenschaltung
erfolgt also nicht durch Veränderung des Spannungswertes,
sondern einfach durch schnelles Ein/Aus-Schalten der Versorgungsspannung.
-
Bevorzugt
ist es, daß auch im Aus-Zustand die Wheatstone-Brückenschaltung
mit einem geringen Strom versorgt wird, so daß weiterhin
ein Vergleichssignal an den Vergleicher abgegeben werden kann. Somit
empfiehlt es sich, daß auch im Aus-Zustand eine Rest-Versorgungsspannung
an der Brückenschaltung ansteht. Insbesondere läßt
sich das einfach dadurch realisieren, daß der Rückkopplungseinheit
ein Speisewiderstand parallel geschaltet ist.
-
Bevorzugt
befindet sich die Rückkopplungseinheit bei der erfindungsgemäßen
Gasdruckmeßanordnung zwischen der Brückenschaltung
und Masse. Dann liegt die Brückenschaltung konstant an
der Versorgungsspannung und wird zur Masse hin taktweise geschaltet.
-
Die
Meßgröße zur Druckmessung ist das Verhältnis
von Ein-Zeiten zu Aus-Zeiten über einen längeren
Meßzeitraum, die Gesamtmeßzeit. Ein größeres
Verhältnis von Ein-Zeiten zu Aus-Zeiten entspricht einer
größeren Heizleistung. Diese wiederum entspricht
einem höheren Gasdruck. Ist eine der drei Größen
festgelegt, beispielsweise die Gesamtmeßzeit, so muß nur
eine der beiden anderen Meßgrößen ermittelt
bzw. beeinflußt werden, weil sich die andere Meßgröße
als Differenz daraus ohne weiteres ergibt.
-
Zweckmäßig
ist es, die Ein-Zeiten und/oder die Aus-Zeiten durch Abzählen
von Zeittakten eines Zeitgebers des Vergleichers zu ermitteln. Das
geschieht insgesamt zweckmäßigerweise in einer
Auswertesoftware des Vergleichers.
-
Im
einzelnen wird nun die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der
Zeichnung zeigt
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung,
-
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung,
-
3 eine
Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit einer ungeregelten
Wheatstone-Brückenschaltung gemäß dem
Stand der Technik,
-
4 eine
Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit einer geregelten
Wheatstone-Brückenschaltung gemäß dem
Stand der Technik,
-
5 eine
typische Kennlinie einer geregelten Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung.
-
Die
in 1 dargestellte Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung
zeigt eine Versorgungsspannung U für eine Wheatstone-Brückenschaltung 1.
In einem Zweig der Wheatstone-Brückenschaltung 1 befindet
sich ein vom Umgebungsdruck und von der Umgebungstemperatur abhängiges
Widerstands-Meßelement 2. Im dazu parallelen Zweig
der Wheatstone-Brückenschaltung 1 befindet sich
ein von der Umgebungstemperatur abhängiger Referenzwiderstand 3.
Dieser ist von dem zu messenden Gasdruck nicht abhängig.
-
Ein
Vergleicher 4 ist an den Mittelabgriff 5 am Widerstands-Meßelement 2 sowie
den Mittelabgriff 6 am Referenzwiderstand 3 angeschlossen
und stellt an einem Ausgang 7 ein Druckmeßsignal
bereit. In Reihe mit der Brückenschaltung 1 ist
eine Rückkopplungseinheit 8 geschaltet, die über
einen Steueranschluß 9 mit dem Vergleicher 4 verbunden
ist und von diesem derart angesteuert wird, daß der Widerstand des
Widerstands-Meßelements 2 im wesentlichen konstant
bleibt, auch wenn sich der Umgebungsdruck am Widerstands-Meßelement 2 ändert.
Dafür muß die effektive Versorgungsspannung an
der Wheatstone-Brückenschaltung 1 verändert
werden. Das ist im allgemeinen Teil der Beschreibung ausführlich erläutert
worden.
-
Der
Vergleicher 4 ist nun erfindungsgemäß als
digital arbeitende Baugruppe mit einem Digitalsignal am Ausgang 7 ausgeführt,
beispielsweise als Mikroprozessor oder als Mikrocontroller mit integriertem
Komparator. Bei jedem Unterschreiten der Grenztemperatur wird die
Rückkopplungseinheit 8 vom Vergleicher 4 aus
eingeschaltet, bei Überschreiten der Grenztemperatur wieder
ausgeschaltet. Der Vergleicher 4 gibt also am Steueranschluß 9 nur Ein-/Aus-Schaltsignale
an die Rückkopplungseinheit 8 ab. Die Rückkopplungseinheit 8 verbindet
(Ein-Zustand) oder trennt (Aus-Zustand) den Steuersignalen vom Steueranschluß 9 folgend
die Versorgungsspannung U mit der/von der Wheatstone-Brückenschaltung 1.
Dadurch ergibt sich im Mittel eine Beeinflussung der effektiv an
der Wheatstone-Brückenschaltung 1 liegenden Versorgungsspannung,
so daß sich dadurch die Heizleistung am Widerstands-Meßelement 2 in
der gewünschten Weise ändert.
-
Die
zum Konstanthalten des Widerstands des Widerstands-Meßelementes 2 erforderliche
Regelung der Versorgungsspannung an der Brückenschaltung 1 erfolgt
also ausschließlich durch Ein-/Aus-Schalten der äußeren
Versorgungsspannung U.
-
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sorgt ein Speisewiderstand 10,
der zur Rückkopplungseinheit 8 parallel geschaltet
ist, dafür, daß auch im Aus-Zustand eine Rest-Versorgungsspannung
an der Brückenschaltung 1 ansteht, so daß unverändert ein
Vergleichssignal an den Vergleicher 4 abgegeben wird. Dieser
Speisewiderstand 10 ist so ausgelegt, daß auf
jeden Fall auch bei sehr geringer Wärmeableitung vom Widerstands-Meßelement 2 (sehr
niedriger Druck) das Widerstands-Meßelement 2 bei
ausgeschalteter Rückkopplungseinheit 8 abkühlt.
-
Die
erfindungsgemäß als Ein-/Aus-Schalter ausgelegte
Rückkopplungseinheit 8 kann bauartbedingt leicht
so ausgelegt werden, daß nur wenig Verlustwärme
an das Gehäuse abgegeben wird. Das Gehäuse muß also
nicht so aufwendig gestaltet werden wie im Stand der Technik.
-
Bevorzugt
ist vorgesehen, daß der Vergleicher 4 einen Zeittaktgeber
zur Ermittlung der Ein- und Aus-Zeiten durch Zählen der
Zeittaktimpulse sowie, besonders bevorzugt, eine Auswertesoftware
aufweist. Das Schalten der Rückkopplungseinheit 8 erfolgt
zweckmäßigerweise dann synchron zum Zeittakt des
Zeittaktgebers.
-
Zur
Erhöhung der Meßgenauigkeit ist es bevorzugt,
daß die Signalauswertung im Vergleicher 4 durch
Ermittlung der Ein-Zeiten und der Aus-Zeiten innerhalb einer vorgegebenen
Gesamtmeßzeit erfolgt. Die Ein-Zeiten und Aus-Zeiten werden
also über die vorgegebene Gesamtmeßzeit summiert. Aus
zwei der drei voneinander abhängigen Größen "Summe
der Ein-Zeiten", "Summe der Aus-Zeiten", "Gesamtmeßzeit"
kann man die mittlere Heizleistung für das Widerstands-Meßelement 2 berechnen.
Wird eine der drei Größen konstant gehalten, beispielsweise
also die Gesamtmeßzeit, so reicht bereits eine der beiden
anderen Größen zur vollständigen Charakterisierung
und Bestimmung der Meßstrecke aus.
-
Eine
höhere Auflösung läßt sich bei
der erfindungsgemäßen Konstruktion einfach und
kostengünstig durch Verlängern der Gesamtmeßzeit
erreichen. Man kann dies auch dynamisch gestalten. Dazu gibt man
Untergrenzen für die Summe der Ein-Zeiten, die Summe der
Aus-Zeiten und die Gesamtmeßzeit vor. So wird bei niedrigen
Drücken und Heizleistungen die Gesamtmeßzeit verlängert,
um eine höhere Auflösung zu erreichen, bis die
Summe der Ein-Zeiten einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Umgekehrt wird man bei hohen Drücken und damit hoher Wärmeableitung
vom Meßelement 2 die Gesamtmeßzeit so
verlängern, daß die Summe der Aus-Zeiten einen
vorgegebenen Wert überschreitet.
-
Im
mittleren Bereich, also bei mittleren Drücken bezüglich
des gesamten Druckmeßbereichs weist die Kennlinie, wie 5 zeigt,
eine hohe Steigung auf. Daraus ergibt sich bereits von sich aus
eine hohe Auflösung. Hier kann man mit einer kurzen Gesamtmeßzeit
bereits eine gute Auflösung erreichen. Dadurch wird die
Reaktionszeit der Gasdruckmeßanordnung verringert.
-
Die
bevorzugt mittels der Auswertesoftware im Vergleicher 4 hinterlegte
Meßcharakteristik erlaubt eine optimierte Meßgenauigkeit
auch bei niedrigen und hohen Drücken des Gesamt-Meßbereichs und
eine besonders hohe Meßgeschwindigkeit im mittleren Druckbereich.
Aufwendige analoge Schaltungen können entfallen, Abgleiche
zwischen verschiedenen Verstärkerkanälen sind
nicht erforderlich. Die gesamte Auswertung erfolgt digital. Eine
Umwandlung von Analogsignalen in Digitalsignalen entfällt.
-
Die
Erfassung der Zeiten insbesondere durch das simple Zählen
von Zeittaktimpulsen ist präzise und weniger empfindlich
als die Ermittlung von Spannungen oder Strömen.
-
Die
Temperatur des Widerstands-Meßelementes 2 schwankt
nur sehr gering um seine Solltemperatur. Aufgrund der Reaktionszeit
des Vergleichers 4 ist die Temperaturschwankung typischerweise
um einen Faktor 10–5 kleiner als
die absolute Temperatur des Meßelements 2. Damit
ist eine hohe Lebensdauer des Meßelements 2 gewährleistet.
-
Bei
dem in 1 dargestellten Schaltplan ist die Anordnung der
Rückkopplungseinheit 8 masseseitig besonders zweckmäßig.
Aber auch die Schaltungsanordnung nach 2 mit Anordnung
der Rückkopplungseinheit 8 am Ende der Versorgungsspannung
U ist für die Erfindung geeignet. Auch andere Anordnungen
der Rückkopplungseinheit 8 sind denkbar.
-
Ein
besonders zweckmäßig konstruiertes Widerstands-Meßelement
ist im übrigen Gegenstand einer zeitgleich eingereichten
parallelen Patentanmeldung der Anmelderin.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 69803147
T2 [0002, 0005, 0014]
- - DD 249534 A [0016]
- - DE 10115715 B [0017]