-
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 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 249 534 A1 ).
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 101 15 715 B4 ),
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.