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Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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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.
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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.
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Üblicherweise sind das Heizelement und das Meßelement thermisch verbunden.
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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.
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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.
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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.
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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 102 mbar eingesetzt.
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4 zeigt eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit einer geregelten Wheatstone-Brückenschaltung 1. Auch hier findet sich das Widerstands-Meßelement 2 in einem Zweig, ein Referenzwiderstand 3 findet sich im parallelen Zweig der Brückenschaltung 1. Insoweit gleicht der Aufbau der Anordnung aus 3.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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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.
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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.
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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.
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Die zuvor beschriebenen, mit Impulsen arbeitenden Verfahren führen zu starken Temperaturänderungen am Meßelement selbst. Dadurch wird die Lebensdauer des Meßelements beeinträchtigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im einzelnen wird nun die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung,
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3 eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit einer ungeregelten Wheatstone-Brückenschaltung gemäß dem Stand der Technik,
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4 eine Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung mit einer geregelten Wheatstone-Brückenschaltung gemäß dem Stand der Technik,
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5 eine typische Kennlinie einer geregelten Wärmeleitungs-Gasdruckmeßanordnung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfassung der Zeiten insbesondere durch das simple Zählen von Zeittaktimpulsen ist präzise und weniger empfindlich als die Ermittlung von Spannungen oder Strömen.
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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.
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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.
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Ein besonders zweckmäßig konstruiertes Widerstands-Meßelement ist im übrigen Gegenstand einer zeitgleich eingereichten parallelen Patentanmeldung der Anmelderin.
