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Heißleitervakuummeter Wärmeleitungsmanometer mit Meßwiderständen eines
negativen Temperaturkoeffizienten, sogenannte Heißleitervakuummeter, werden vielfach
für die Druckbestimmung im Bereich von 1 bis 103 Torr benutzt, weil sie sehr kleine
Abmessungen und damit eine geringe Wärmekapazität aufweisen. Nun verursachen jedoch
äußere Temperaturschwankungen und von der Fertigung herrührende, infolge der Feinheit
der Meß widerstände schwer zu unterdrückende Toleranzen oft störende Schwankungen
in der Anzeigegenauigkeit.
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Die dabei benutzten Brückenschaltungen sind schon in verschiedenen
Varianten bekannt. So wurde schon in den Hauptstromkreis einer Brückenschaltung
mit zwei Heißleiterwiderständen ein weiterer Widerstand gelegt, um die Größe der
angelegten Spannung regeln zu können. Um die Wärmeableitung von den Heißleitern,
deren Temperatur sich möglichst stark mit dem Gasdruck ändern soll, zum Gehäuse
weitgehend zu verringern, wurden sie an dünnen, schlecht leitenden Haltedrähten
aus einer Eisenlegierung aufgehängt.
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Ebenso wurde schon ein Kühlwassermantel vorgeschlagen, um den Einfluß
der Außentemperatur zu vermindern, und weiterhin temperaturempfindliche Widerstände
in diesen Kühlwassermantel eingebaut, um den Einfluß der Wassertemperatur zu kompensieren.
Bin gleiches Ziel verfolgte der Einbau des Meß-und des Vergleichswiderstandes in
annähernd gleiche wärmeleitend miteinander verbundene Gefäße oder die Verwendu1lg
zweier Widerstände mit positivem und zweier Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten.
Auch ein Nebenwiderstand zu einem der temperaturempfindlichen Widerstände oder zum
Brückeninstrument wurde schon benutzt, wobei dieser Nebenwiderstand ebenso wie ein
Verglieichswiderstand umschaltbar waren. Um nicht nur eine Druckanzeige zu erhalten,
sondern auch Scbaltvorgänge durch das Manometer bestätigen zu können, ist eine Röhrenschaltung
im Diagonalzweig vorgeschlagen worden. Ebenso wurde die Verwendung eines Wärmeleitungsmanometers
als Lecksuchgerat vorgeschlagen.
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Die vorstehend gemachten Vorschläge wurden zwar einzeln benutzt,
meist sogar ohne genaue Diskussion der Wirkungsweise, wurden aber bisher nicht zu
einer Brückenschaltung kombiniert, die eine betriebssichere und stets zuverlässige
Druckmessung ermöglichte.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine solche betriebssichere Anzeige
durch entsprechende Wahl von geeigneten Zusatzwiderständen in überraschend einfacher
Weise verwirklicht werden kann. Es wird vorgeschlagen, in einem Wärmeleitungsmanometer
mit einer Meßbrückenschaltung und je einem Widerstand eines negativen Temperaturkoeffizienten
in zwei hintereinanderliegenden Brückenzweigen, von denen
einer als Fühlorgan dient
und in einer an den Meßraum anzuschließenden Kammer untergebracht ist, der andere
als Vergleichswiderstand dient, zwecks selbsttätiger Kompensation des Einflusses
der Außen temperatur parallel zum Anzeigegerät im Diagonalzweig einen temperaturabhängigen
Widerstand eines positiven Temperaturkoeffizienten zu schalten, jeden der beiden
hintereinanderliegenden Brückenzweige mindestens mit einem Widerstand positiven
Temperaturkoefflzienten zu versehen, wobei ein Widerstand eines dieser beiden Zweige
regulierbar ist und wenigstens alle temperaturabhängigen Widerstände innerhalb eines
gemeinsamen Gehäuses oder in einer gemeinsamen Meßröhre mit abgetrennter Kammer
für das Fühlorgan untergebracht sind.
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Die Vorteile des gemachten Vorschlages, dessen einzelne Elemente
an sich bekannt sind, können durch folgende Überlegungen gezeigt werden: Der temperaturabhängige
Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, der parallel zum Anzeigegerät
liegt, wirkt Schwankungen der Empfindlichkeit der Schaltung entgegen, die durch
einen Wechsel der Außentemperatur hervorgerufen werden können. Ebenso wie diese
Maßnahme führt auch das Einschalten von je einem Widerstand (mit jedenfalls nicht
negativem Temperaturkoeffizienten) in die Vergleichsbrückenzweige zu einer Erhöhung
der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Druckmessung. Überdies wird durch diese
Maßnahme eine Kompensation der Nullpunktänderung in Abhängigkeit von der Temperatur
erreicht. Der Nullpunkt selbst wird mittels des regulierbaren Widerstandes in dem
Abgleichzweig eingestellt. Der gemeinsame Einbau aller temperaturempfindlichen Widerstände
in einem gemeinsamen Gehäuse mit zum Teil getrennten Kammern (davon eine für das
Fühlorgan) ist ein weiterer Teil der gemachten Vorschläge, die insgesamt die Betriebssicher
heit der Druckmessung gewährleisten. Die Kombination
der beschriebenen
Maßnahmen und die richtige Abstimmung der Widerstandswerte und der Temperaturkoeffizienten
ergibt eine überraschend große Betriebssicherheit bei allen praktisch vorkommenden
Temperaturen, deren Ausmaß weiter unten näher beschieben wird. Die nach der vorliegenden
Erfindung gebauten Heiß leitervaknummeter besitzen auch bei längerer Benutzungszeit
keine Anzeigeänderungen infolge Alterung und keine Nullpunktwanderung; sie besitzen
darüber hinaus eine sehr geringe Einstellzeit und eine sehr zuverlässige Druckanzeige,
die ohne Wartung über lange Zeiten erhalten bleibt.
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Günstige Ausführungsmöglichkeiten der Lehre der Erfindung seien an
Hand der Schaltskizze (Abb. 1) erläutert. Gemäß der Grundschaltung bestehen zwei
benachbarte Brückeuzweige aus temperaturabhängigen Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizienten,
also aus Heißleiterwiderständen 1 und 2, von welchen ersterer mit dem Rezipienten,
dessen Gasdruck bestimmt werden soll, in Verbindung steht. Letzterer dient als Vergleichswiderstand
und steht unter Atmosphãrendruck. Sonst sind sie möglichst von gleicher Dimensionierung
und in zwei getrennten Kammern einer einzigen Meßröhre untergebracht, so daß beide
Zweige mit Hilfe einer zusätzlichen Kühleinrichtung für die Meßröhre auf einer konstanten
niedrigen Temperatur gehalten werden können.
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Schaltet man zunächst zusätzlich zu einem der beiden anderen Brückenwiderstände3und4
einen Widerstand 7 bzw. 8 aus einem Material, beispielsweise Eisen oder Nickel mit
positivem Temperaturkoeffl zienten in Serie, so erreicht man vor allem eine Nullpunktstabilisierung,
die im gewünschten Meßbereich die Schwankungen des Vollausschlages auf wenigstens
+2°/o zu beschränken erlaubt. Den anderen dieser bei den Widerstände, beispielsweise
den Widerstand 7, bildet man regulierbar aus, um den Nullpunkt einstellen zu können.
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In weiterer Ausführung des Erfindungsvorschlages wird parallel zum
Brückeninstrument 5 ein Kaltleiter 6 geschaltet, vorzugsweise von einem mit dem
Innenwiderstand des Brückeninstrumentes übereinstimmenden Widerstandswert. Durch
ihn werden Empfindlichkeitsänderungen der Einrichtung kompensiert.
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In demselben Sinne wirkt sich eine Gleichheit der Hauptwiderstände
3 und 4 aus, wenn sie aus Kaltleitern mit übereinstimmenden, Temperaturkoeffizienten
bestehen. Da nämlich der Widerstand mit steigender Temperatur wächst, führt Erwärmung
zu einem Anwachsen des Stromes in den Heißleiterzweigen 1 und 2 der Brücke, welche
beispielsweise bei 40° C zu einer Empfindlichkeitssteigerung bis zu 5 bis 10 °/o
führt. Da sich jedoch auch dabei der Nullpunkt der Meßanordnung verschiebt, ist
dann der Kompensationskaltleiter 8 zur Nullpunktstabilisierung erforderlich. Man
hat weiter noch zu einer Kompensation von Empflndlicbkeitsänderungen die Möglichkeit,
in den Hauptkreis der Brücke einen Heißleiter 9 anzuordnen.
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Seine bei Temperatursteigerung eintretende Widerstandsabnahme führt
zu einer Vergrößerung der Leistungsaufnahme bei Temperaturerhöhung. Endlich kann
man auch noch in Serie zum Meßinstrument einen Kompensationswiderstand 5 a legen.
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Durch Kombination aller angeführten Kompensationsmöglichkeiten ergibt
sich bei richtiger Abstim mung der Widerstandswerte und der Temperaturkoeffizienten
eine überraschend hohe Unabhängigkeit der Druckanzeige von der Raumtemperatur in
einem Temperaturbereich yon 15 bis 45° C. Dies wird da-
durch erreicht, daß wenigstens
alle temperaturabhängigen Kompensations- und Meßwiderstände in einer einzigen metallischen
Meßröhre unterzubringen sind, die man beispielsweise mittels einer Kühlvorrichtung
noch auf gleicher Meßtemperatur hält.
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Es empfiehlt sich weiterhin bei der praktischen Ausbildung des Meßgerätes
in an sich bekannter Weise auf eine feine Ausführung der Zuleitungselektroden für
die Heißleitermeßwiderstände 1 und 2 Wert zu legen, da sonst leicht die Wärmeableitung
über diese Elektrode die für die Druckbestimmung maßgebende Wärmeableitung über
den Gas inhalt überwiegt, was natürlicherweise einen die Meßempfindl ichkeit herab
setzenden Faktor bildet. Vorzugsweise verwendet man Platinelektroden, deren Dicke
20 > und deren Länge 50 mm nicht übersteigt.
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Die praktische Erprobung der erfindungsgemäß en Heißleitervakuummeter
zeigte wesentliche Vorzüge gegenüber älteren Ausführungen, insbesondere aber auch
gegenüber thermoelektrischen Vakuummetern.
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So ließen sich auch nach längerer Betriebszeit kaum Alterungserscheinungen
feststellen, insbesondere keine Schädigungen, die bei thermoelektrischen Vakuummetern
durch Überhitzung nach eingetretener Alterung verursacht wurden.
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Auch die Ansprechzeiten des Gerätes waren verhältnismäßig kurz. Beispielsweise
benötigte das Vakuummeter bei fest eingestelltem Druck nach Einschalten des stabilisierenden
Netzgerätes 10 nur eine Einstellzeit von 25 Sekunden für 95°/o des Endausschlages.
Wenn bei Betrieb mehrerer Meßstellen das Vakuummeter dauernd beheizt ist, dann ergeben
sich Ansprechzeiten von nur 2 bis 3 Sekunden. Bei thermoelektrischen Vakuummetern
ist hingegen eine dauernde Heizung sämtlicher Meßröhren nicht ratsam. Auch bei Druckänderung
folgt das Vakuummeter innerhalb weniger Sekunden mit seiner Anzeige. Dazu kommen
die Vorteile des verhältnismäßig großen Druckbereiches und einer leichten Verschiebbarkeit
der Eichkurve, besonders wenn man die Elektroden für die Heißleitermeßwiderstände
möglichst fein ausbildet, so daß der Meßbereich dem Druckumfang der Vorpumpe leicht
angepaßt werden kann. Der Leistungsbedarf beträgt bei erprobten Ausführungen beispielsweise
nur etwa 2 Watt.
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Die erfindungsgemäßen Wärmeleitungsvakuummeter mit Heißleiterzwergwiderständen
lassen sich in an sich bekannter Weise auch zur Betätigung von Vakuumschaltern oder
zum Lecksuchen verwenden.
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Dabei ist infolge der nahezu völligen Unabhängigkeit von der Temperatur
die Schaltung in Abhängigkeit von einem bestimmten einzustellenden Druckwert im
Arbeitsbereich zwischen 10 und 5.104 Torr auf lange Zeit mit hoher Sicherheit gewährleistet.
Im Prinzip besteht ein derartiges Schaltrelais gemäß Abb. 2 aus einem Heißleitervakuummeter
gemäß Abb. 1, das von einem stabilisierten Netzgerät gespeist wird und im Brückenzweig
an Stelle eines Meßinstrumentes einen Verstärker 11, beispielsweise einen stabilen
Röhrenverstärker mit Nullpunktkompensation, führt, der auf seiner Ausgangsseite
ein empfindliches Relais 12 und dieses seinerseits ein Leistungsrelais 13 steuert.
Die Einstellung des Regeldruckes erfolgt entweder durch Verschiebung des Brückenabgleichs
am Potentiometer 14 oder mittels Kompensation im Verstärker 11.
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Da die Druckanzeige von Heißleítervakuummetern abhängig ist vom Molekulargewicht
des Gases im Rezipienten, läßt sich dieses Vakuummeter mit der Verstärkerschaltung
in bekannter Weise zur Lecksuche verwenden, indem man an der mutmaßlichen
Stelle
der Rezipientenwandung von außen Gas zuführt, dessen Molekulargewicht von dem Molekula,rgewicht
des Gasinhaltes im Rezipienten abweicht, wenn an der mutmaßlichen Stelle ein Leck
vorhanden ist und deshalb Testgas in den Rezipienten einströmt, macht sich dies
bald durch eine Aussehlagänderung des Vakuummeters bemerkbar, die am besten mit
Hilfe der beschriebenen Anordnung verstärkt wird.
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PATENTANSPRtJCHE 1. Wärmeleitungsmanometer mit einer Meßbrückenschaltung
und je einem Widerstand eines negativen Temperaturkoeffizienten in zwei hintereinanderliegenden
Brückenzweigen, von denen einer als Fühlorgan dient und in einer an den Meßraum
anzuschließenden Kammer untergebracht ist, der andere als Vergleichswiderstand dient,
dadurch gekennzeichnet, daß zwecks selbsttätiger Kompensation des Einflusses der
Außentemperatur parallel zum Anzeigegerät (5) im Diagonalzweig ein temperaturabhängiger
Widerstand (6) eines positiven Temperaturkoeffizienten geschaltet ist, jeder der
beiden hintereinanderliegenden Brückeuzweige mit Widerständen (3, 4) eines nicht
negativen Temperaturkoeffizienten mindestens einen Widerstand (7, 8) positiver Temperaturkoefflzienten
enthält, ein Widerstand (7) eines dieser beiden Zweige regulierbar ist und wenigstens
alle temperaturabhängigen Widerstände (1, 2, 3, 4, 7, 8) innerhalb eines gemeinsamen
Gehäuses oder in einer gemeinsamen Meßröhre mit abgetrennter Kammer für das Fühlorgan
(1) untergebracht sind.