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Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der Temperatur eines stromdurchflossenen
Widerstandes Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der
Temperatur eines stromdurchflossenen Widerstandes, insbesondere eines Meßwiderstandes,
dessen Temperatur beispielsweise als Meßgröße in Strömungsmessern, Gasanalysengeräten
und Vakuummetern benutzt wird.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Anordnung ist
die Vakuummessung durch Pirani-Vakuummeter, die nachstehend ausführlich t,ehandelt
werden sollen. Ihre Arbeitsweise bei einer Verwendung in den anderen aufgeführten
und ähnlichen Anwendungsgebieten ist analog den hier beigebrachten Beispielen.
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Ein Pirani-Vakuummeter benutzt dieWärmeabgahe eines meist stromgeheizten
elektrischen Widerstandes mit großem Temperaturkoeffizienten zur Messung des Gasdruckes.
Hierbei wird die Wärme vom Wider stand, z. B. einem dünnen Wolframdraht, durch das
umgebende Gas abgeführt, dessen Wärmeleitfähigkeit mit dem Druck abnimmt. Diese
Wärmeabgabe wurde schon durch den im Gas stattfindenden Wärmetransport zu einem
Wärmefühler in Gestalt eines Thermoelementes gemessen. Doch sind jene Verfahren,
die den geheizten Widerstand selbst gleichzeitig als Meßorgan benutzen, wegen der
größeren zur Verfügung stehenden Anzeigeleistung günstiger. Für eine solche Messung
können folgende prinzipiell verschiedene Verfahren unterschieden werden: 1. Die
Spannung am Draht wird konstant gehalten, und die Stromänderung wird als Funktion
des Gasdruckes beohachtet.
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2. Der Widerstand (also auch die Temperatur des Widerstandes) wird
konstant gehalten, und die hierzu erforderliche Leistungsaufnahme wird als Funktion
des Gasdruckes beobachtet.
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3. Der durch den Widerstand fließende Strom wird konstant gehalten,
und die Widerstandsänderung (vor allem die am Widerstand liegende Spannung) wird
als Funktion des Gasdruckes beobachtet.
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Die bisher am häufigsten benutzte Meßanordnung ist die Wheatstonesche
Brücke, in deren einem Brükkenzweig sich der Widerstand befindet, dessen Wärmeabgabe
vom herrschenden Gasdruck abhängt. Diese Brückenschaltung benutzt das Prinzip 3;
sie ist relativ empfindlich. Um diese Meßgeräte empfindlicher zu machen, wurden
auch schon Röhrenverstärker für die Ausgangsspannung der Brücke und Regler für ihre
Stromversorger benutzt, doch hesaßen sie auch dann noch den großen Nachteil, daß
ihr Anwendungsbereich beschränkt ist und. nur von etwa lO=5Torr bis zu etwa 1 Torr
reicht. In einem etwas älterenVorschlag der Anmelderin wurde auf der Basis des Prin-
zips
2 eine Schaltung mit einem Magnetverstärker gezeigt, die den Meßhereich des Pirani-Vakuummeters
nach größeren Drücken zu, und zwar bis zu etwa 15 Torr ausweitete.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Anordnung geschaffen, durch
die sich der Arbeitsbereich eines Vakuummeters bis über den Atmosphärendruck (760
Torr) ausdehnen läßt. Dadurch ist es möglich, die Wärmeabgabe eines und desselben
Widerstandes zur Druckmessung, vom Atmosphärendruck beginnend und bis zu gutem Hochvakuum
reichend, auszunutzen.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Temperatur
des Meßwiderstandes innerhalb eines ersten Meßbereiches konstant gehalten und in
einem zweiten, vorzugsweise anschließenden Meßbereich geändert wird. Die Wärmeabgabe
wird dabei im zweiten Bereich größerer Drücke erhöht, und zwar durch einen nichtlinearen,
vorzugsweise spannungsempfindlichen Widerstand, der in die Regeleinrichtung derlieistungszufuhr
zum Meßwiderstand eingeschaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltung bewirkt, daß das Verhältnis Spannung
zu Strom an einem Widerstand in einem Bereich, der bei einem Pirani-Vakuummeter
einem ersten Druckbereich von etwa 0,1 bis zu etwa 3 Torr entspricht, automatisch
im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß auch sein elektrischer Widerstand
und seine Temperatur im wesentlichen konstant bleiben. Innerhalb eines zweiten Leistungsbereiches,
der beim erwähnten Vakuummeter einem Druckbereich von etwa 2 bis etwa 800 Torr entspricht,
wird das Verhältnis Spannung zu Strom
automatisch so geändert, daß
die Leistungsaufnahme und damit die Temperatur des Widerstandes immer mehr ansteigt.
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Zur Messung und Regelung dient vorzugsweise die am Widerstand liegende
Spannung, deren Rückwirkung auf den Regler sich durch einen nichtlinearen Widerstand
mit steigender Spannung automatisch verringert. Als Regler dient in der bevorzugten
Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung ein Magnetverstärker mit einem sättigbaren
Magnetkern.
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Der magnetische Fluß in diesem Kern wird durch die am Widerstand liegende
Spannung verstärkt, durch den durch ihn fließenden Strom vermindert.
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Dadurch wird erreicht, daß der Widerstand sich im ersten Bereich auf
einer im wesentlichen konstanten Temperatur befindet. Die Regelung im zweiten Bereich
erfolgt nun so, daß die Einwirkung der Spannung in Abhängigkeit von ihrer Größe
vermindert wird. In diesem zweiten Bereich wird dadurch die Temperatur des Widerstandes
verändert, d. h. mit zunehmender Wärmeabgabe bei größeren Drücken erhöht.
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An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltungsschema einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig.
2 eine Kurvendarstellung der Durchlaßwiderstandskennlinie des in der Anordnung nach
Fig. 1 verwendeten spannungsempfindlichen Widerstandes, Fig. 3 eine Kurvendarstellung
der Arbeitskennlinie des sättigbaren Magnetkerns in der Anordnung nach Fig. 1, Fig.
4 eine Kurvendarstellung des Arbeitsbereiches eines Pirani-Vakuummeters entsprechend
der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen anderer Ausführungsformen
der Erfindung.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist der Meßwiderstand 22 mit einer Umhüllung 23
umgeben, die an ein nicht dargestelltes beliebiges Vakuumsystem angeschlossen werden
kann. Der Meßwiderstand kann aus beliebigen. elektrisch leitenden Werkstoffen bestehen,
vorzugsweise aber aus einem Metall mit einem großen Temperaturkoeffizienten des
elektrischen Widerstandes, z. B. aus Wolfram.
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Der Meßwiderstand ist an einen Magnetverstärker9 mit einem sättigbaren
Magnetkern 10 angeschlossen.
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Der Magnetkern 10 trägt die Wicklungen 11, 12, 13 und 14, von denen
die Wicklung 14 der Vorerregung des Kernes 10 dient. Die Wicklung 11 wird von dem
Strom durchflossen, der durch den Meßwiderstand 22 geht, während die Amperewindungen,
die durch die Spule 12 im Kern 10 erzeugt werden, von der Spannung am Meßwiderstand
22 abhängen. Die beiden Lastwicklungen 13 dienen der Regelung des Stromes, der dem
Meßwiderstand 22 zugeführt wird.
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Die Lastwicklungen 13 sind zu diesem Zweck mit den Enden der Sekundärwicklung
eines Transformators 15, 16, 17 verbunden, der aus einer Wechselstromquelle 18 gespeist
wird. Jede der Lastwicklungen 13 ist über einen Halbwellen-Trockengleichrichter
20 mit dem Meßwiderstand 22 verbunden. Hier ist auch der Glättungskondensator C3
eingeschaltet, der mit dem negativen Pol 201, d. h. der direkten Verbindung zwischen
den Meßwiderstand 22 und der Mittelanzapfung der Transformatorwicklung 15, verhunden
ist. Die Ausgangsspannung des Reglers herrscht zwischen den Schaltpunkten 201 und
202.
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Die Wicklung 12 ist über die Widerstände R5 und R6 und einen Thermistor
26 parallel zu dem Meß-
widerstand 22 geschaltet. Der Thermistor 26 dient zur Kompensation
von temperaturbedingten Änderungen in der Spule 12.
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Ein spannungsempfindlicher Widerstand 27 mit einem nichtlinearen
negativen Koeffizienten ist parallel zur Wicklung 12 an das Potentiometer R6 angeschlossen,
das zur Einstellung der durch die Steuerwicklung 12 bzw. den nichtlinearen Widerstand
27 fließenden Zweigströme dient. Dieser spannungsempfindliche Widerstand 27 kann
an sich von jeder geeigneten Bauart sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß
ein Selengleichrichter mit der Durchlaßwiderstandskennlinie nach Fig. 2 am besten
geeignet ist.
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Ein der Anzeige dienendes Voltmeter 28 mißt den Spannungsabfall am
Meßwiderstand 22 und ist mit einem Kompensator 29 und einem Potentiometerwiderstand
R, in bekannter Weise zusammengeschaltet. Dieser Kompensator enthält ein gasgefülltes
Stabilisierungsrohr 34, den Glättungskondensator Ct, die Widerstände R2 und R3,
den Halbwellengleichrichter 30 sowie den Netztransformator 31.
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32, 33.
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Die zur Sättigung des Magnetkernes 10 dienende Erregerwicklung 14
erhält Gleichstrom über einen Gleichrichter 37, einen Stromregler 38 und einen Widerstand
R4. Diese sind in Reihe an den Transformator 15, 16, 17 angeschlossen. Die Wicklung
14 erhält ihren Strom von dem einen Ende des Widerstandes R4 und vom Schiebekontakt
41-. der längs des Widerstandes R4 bewegbar ist. Ein Glättungskondensator C2 ist
parallel zur Wicklung 14 geschaltet.
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Für normale Arbeitsbedingungen sind die Wicklungen 11 und 12 so ausgelegt,
daß sie in dem sättigbaren Magnetkern 10 gleiche Amperewindungszahlen mit entgegengesetzter
Flußrichtung hervorrufen.
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Wenn der Widerstand 22 die gewünschte Temperatur hat, wird daher der
von diesen Wicklungen erzeugte magnetische Fluß aufgehoben. Die Erregerwicklung
14 ist auf den Magnetverstärkerkern in solcher Richtung aufgewickelt, daß sie den
Fluß der Wicklung 12 verstärkt und dem Fluß der Wicklung 11 entgegenwirkt.
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In Fig.3 ist die zwischen den Schaltpunkten 201 und 202 herrschende
Ausgangsspannung A des Reglers in Abhängigkeit von der Feldstärke H, die in dem
sättigbaren Magnetkern 10 erzeugt wird, dargestellt. Unter Verwendung der geregelten
Vorsättigung V durch Spule 14 wird der Magnetfluß auf einen Sättigungswert eingestellt,
der durch den Punkt 42 auf der Kurve dargestellt ist. Falls erwünscht, können die
Erregerwicklung 14 und der zugehörige Speisekreis aus der Anordnung nach Fig. 1
weggelassen werden; anstatt dessen können die Spannungs-und die Stromwicklungen
11 und 12 so bemessen und eingeregelt werden, daß sidl ihr Fluß nicht gegenseitig
aufhebt, sondern eine resultierende FeldstärkeH erzeugt, die die erforderliche Vormagnetisierung
entsprechend dem Punkt 42 liefert.
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Durch den veränderbaren Widerstand R5 werden die Magnetflüsse, die
von der Wicklung 11 (S) und der Wicklung 12 (M) erzeugt werden, so eingeregelt,
daß sie einander aufheben und der Fühlwiderstand auf einer geeigneten Temperatur,
z. B. 1420 C, gehalten wird, wenn er einem extrem kleinen Druck von beispielsweise
weniger als l(f-5 mm Hg ausgesetzt wird. Die Kompensationsspannung für das Voltmeter
28 wird dann am Potentiometer Rt so eingestellt, daß das Voltmeter 28 beim Druck
»Null«, d. h. weniger als etwa 1F5 mm Hg, keine Spannung anzeigt. Das
Voltmeter
zeigt also keine Auslenkung, wenn der Fühlwiderstand die erwünschte Temperatur hat
und der Druck praktisch gleich Null ist.
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Solange der Druck auf weniger als 10 mm Hg bleibt, wird der von den
Steuerwicklungen 11, 12 erzeugte Fluß S, M aufgehoben, und die Ausgangs sp annung
bleibt bei dem Punkt 42. In diesem Zustand setzt die sättigbare Reaktanz dem Strom
durch die Wicklung 12, der zur Erwärmung des Meßwiderstandes 22 dient, eine verhältnismäßig
hohe Impedanz entgegen und hält die erwünschte Temperatur konstant.
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Wenn der Druck am Meßwiderstand 22 stark zunimmt, z. B. auf 4 Torr,
hat seine Temperatur das Bestreben, abzunehmen, und zwar wegen der bei höherem Druck
größeren Wärmeabgabe an das umgebende Gas. Während seine Temperatur abnimmt, nimmt
sein Widerstand auch in einem erheblichen Ausmaß ab.
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Dies hat zur Folge, daß der durch die Wicklung 11 fließende Strom
zunimmt und damit auch den von der Stromwicklung 11 erzeugten Fluß S auf den Wert
S' vergrößert (Fig. 3).
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Da die Spannung am Widerstand 22 dabei abnimmt, kann der von der
Spannungswicklung 12 jetzt erzeugte kleinere Fluß M' den jetzt größeren Fluß S'
nicht mehr kompensieren und verschiebt in Fig. 3 den Arbeitspunkt zum Punkt 44.
Der magnetische Kern wird dadurch mehr gesättigt und setzt dem Strom durch die Lastwicklungen
eine geringere Impedanz entgegen, so daß er größer wird und den Widerstand 22 höher
heizt. Der dadurch vergrößerte Widerstandswert des Meßwiderstandes 22 stellt das
ursprüngliche Verhältnis zwischen Strom und Spannung fast ganz wieder her, so daß
der Widerstand 22 im wesentlichen auf den ursprünglichen Widerstands- und Temperaturwerten
gehalten wird.
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Bei einer jetzt erfolgenden Druckabnahme auf beispielsweise 0,5 Torr
verschiebt sich der Arbeitspunkt in analoger Weise zum Punkt 43 in Fig. 3.
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Wird der Druck um den Widerstand weitergesteigert, z. B. auf über
10 mmHg, so wird die Sättigung der Reaktanz immer weiter gesteigert, so daß an den
Fühlwiderstand eine immer höhere Spannung gelegt wird.
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In diesem Druckbereich ist die an dem nichtlinearen Widerstand 27
liegende Spannung hoch genug, so daß ein merkbarer Strom durch ihn zu fließen beginnt.
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Der Widerstand 27 stellt also einen Kurzschluß für einen Teil des
Stromes dar, der sonst in vollem Umfange durch die Wicklung 12 fließen würde. Die
Rückwirkung des Stromes (über die Wicklung 11) bleibt in alter Größe bestehen, die
Rückwirkung der Spannung (über die Wicklung 12) nimmt jedoch ab.
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Der Strom in dieser Wicklung 12 nimmt nicht proportional zu dem Strom
in der Wicklung 11 zu, wie es vorher bei den niedrigeren Drücken der Fall war, und
der Fluß H erreicht einen höheren Wert, als wenn der spannungsempfindliche Widerstand
27 nicht vorhanden wäre. Hierdurch kann die an den Fühlwiderstand gelegte Spannung
bis zu einem Wert zunehmen, der den Fühlwiderstand wesentlich über 1420 C aufheizt.
Eine weitere Drucksteigerung ruft eine weitere zusätzliche Vergrößerung der an dem
Meßwiderstand 22 liegenden Spannung hervor und hat zur Folge, daß entsprechend der
Durchlaßwiderstandskennlinie (Fig. 2) des spannungsempfindlichen Widerstandes mehr
Strom an der Wicklung 12 vorbeifließt. Während der Gasdruck um den Fühlwiderstand
zunimmt, z. B. auf Atmosphärendruck, nimmt also die Sättigung der Reaktanz selbsttätig
zu und läßt
die Temperatur des Fühlwiderstandes ebenfalls ansteigen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 wird verstärkt, wenn
der Regler 9 so gebaut wird, daß er als Magnetverstärker eine große Verstärkung,
z. B. 30000 bis 50 000, besitzt. Die Arbeitsweise wird außerdem dadurch verbessert,
daß der Spannungsabfall an der Wicklung 11, vergleichen mit dem am Meßwiderstand
22, klein gemacht wird, und dadurch, daß der von der Wicklung 12 hervorgerufene,
verglichen mit dem durch den Fühlwiderstand fließenden Strom klein gehalten wird.
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Ein zusätzlicher Vorteil des in Fig. 1 dargestellten Gerätes liegt
darin, daß die Ausgangsgröße des Magnetverstärkers groß genug ist, nicht nur das
Voltmeter 28 zu betreiben, sondern sogar unmittelbar ein Relais. Die Anordnung kann
also zur unmittelbaren Steuerung von Schaltvorgängen benutzt werden, ohne daß die
übliche Komplikation durch überempfindliche Relais, Unterbrecherkreise, Verstärker
usw. auftritt.
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Bei der beschriebenen bevorzugten Form der erfindungsgemäßen Einrichtung
wird der Gasdruck mit Hilfe des Voltmeters 28 gemessen, das an den Meßwiderstand
22 angeschlossen ist. Die ausgezogene Kurve C in Fig. 4 ist eine Darstellung der
Spannung am Meßwiderstand gegen den ihn umgebenden Luftdruck bei der Anordnung nach
Fig. 1. Die gestrichelte Kurve D ist eine Darstellung der mit derselben Anordnung
erzielten Werte, wobei aber der spannungsempfindliche Widerstand 27 entfernt wurde,
so daß die Temperatur des Meßwiderstandes über den ganzen untersuchten Druckbereich
hin konstant gehalten wurde. Diese Kurve D zeigt, daß Drücke über etwa 15 Torr praktisch
nicht mehr gemessen werden können.
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Beide Kurven nach Fig. 4 wurden unter Verwendung eines Wolframheizdrahtes
als Fühlwiderstand erzielt. Vor der Verwendung des Heizdrahtes in der Schaltung
wurde dessen Oberfläche dadurch geschwärzt, daß der Draht in Luft auf Rotglut gebracht
wurde. Der Draht wurde während der Messung in waagerechter Lage gehalten und hatte
einen Widerstand von 8,75 Ohm bei 270 C.
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Wie man aus den Kurven nach Fig. 4 erkennt, ist bei Verwendung des
spannungsempfindlichen Reglers 27 die Spannungsänderung bei einer Druckänderung
in dem Bereich von 0,1 bis etwa 800 mm Hg groß genug, um eine genaue Druckmessung
zu gewährleisten. Hält man andererseits durch Fortlassen von 27 den Fühlerwiderstand
auf einer konstanten Temperatur innerhalb des ganzen Bereiches höherer Drücke, so
erhält man eine Kurve, die über etwa 10 mm Hg zunehmend steiler wird, so daß sie
über etwa 15 mm Hg von geringem Anzeigewert ist. Unter etwa 0,1 mm Hg ist die Kurve
mit oder ohne den spannungsempfindlichen Widerstand so steil, daß es zur Messung
von so kleinen Gasdrücken vorzuziehen ist, den Meßwiderstand 22 in eine übliche
Brückenschaltung mit konstanter Spannung einzuschalten und dabei den Magnetregler
9 als eine spannungsregelnde Stromquelle für die Brücke zu verwenden.
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Fig. 5 ist ein Schaltschema einer abgewandelten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Unterschiedlich gegenüber der vorbeschriebenen Anordnung ist, daß
nur eine Steuerwicklung 53 vorgesehen ist und daß die Erregerwicklung 14 aus einer
Gleichstromquelle55 über eine einstellbare Anzapfung 56 gespeist wird. Eine Leitung
verbindet das positive Potential der Gleichrichter 20 mit dem einen Eingangsende
203 einer Wheatstoneschen Brücke mit
vier Zweigen. Eine Leitung
mit negativem Potential verbindet die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 15 des
Speisetransformators mit dem anderen Eingang 205 der Brücke. Der Meßwiderstand 22
des Pirani-Vakuummeters bildet den einen Arm der Brücke.
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Ein zweiter Brückenwiderstand 70 und ein dritter Brückenwiderstand
72 sind miteinander in Reihe geschaltet und bilden den zweiten bzw. dritten Arm
der Brücke, ein vierter Brückenwiderstand 73 ist in Reihe mit dem Meßwiderstand
22 geschaltet und bildet den vierten Brückenarm. Die beiden Enden der Steuerwicklung
53 des Magnetreglers sind mit den Brückenausgängen 204 und 206 verbunden. Ein nichtlinearer
spannungsempfindlicher Widerstand 78 ist mit dem negativen Punkt 205 und mit einer
Anzapfung 81 verbunden, die längs des dritten Brückenwiderstandes 72 verschiebbar
ist. Das Voltmeter 28 ist parallel zu dem Meßwiderstand 22 geschaltet. Falls erwünscht,
kann dem Voltmeter eine Kompensationsspannung in ähnlicher Weise zugeführt werden,
wie es in der Schaltung nach Fig. 1 dargestellt ist, so daß die Voltmesserauslenkung
auf »Null« eingestellt werden kann, wenn der Druck praktisch Null ist.
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Bei der Anordnung nach Fig. 5 haben die Brückenarme solche Widerstände,
daß dann, wenn der Druck auf ein hohes Vakuum von z. B. weniger als 103 mm Hg gebracht
ist, die Brücke sich im Gleichgewicht befindet, d. h., daß kein Strom durch die
Steuerwicklung fließt und die Reaktanz einen Sättigungswert hat, wie er durch den
Punkt 42 der Kurve nach Fig. 3 angedeutet ist. Dieser Sättigungsgrad wird durch
die Erregerwicklung 14 eingestellt.
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Wenn der Druck erhöht wird, nimmt die Temperatur des Nleßwiderstandes
22 ab, bringt die Brücke aus dem Gleichgewicht und läßt einen Strom durch die Steuerwicklung
53 des Magnetreglers fließen. Dieser Strom fließt in solcher Richtung, daß er die
Brückenspannung erhöht (die Sättigung des Magnetkerns erhöht) und damit die Temperatur
des Meßwiderstandes 22 erhöht, so daß das Brückengleichgewicht wieder hergestellt
wird. Die Schaltung ist also bestrebt, den Meßwiderstand 22 auf einer konstanten
Temperatur zu halten, solange die Spannung an dem dritten Briickenarm 205-206, der
den linearen Widerstand 72 und den parallelen nichtlinearen Widerstand 78 enthält,
so klein ist, daß kein nennenswerter Strom durch den nichtlinearen Widerstand 78
fließt. Steigt jedoch der Druck um den Fühlwiderstand ausreichend an, z. B. auf
etwa 10 mm Hg, so ist die am nichtlinearen \N'iderstand 78 liegende Spannung ausreichend
hoch, und ein Strom beginnt durch diesen zu fließen.
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Dadurch wird der wirksame Widerstand des dritten Brückenarmes 205-206
herabgesetzt. Während der Widerstand des Brückenarmes 205-206 abnimmt, muß der Widerstand
des gegenüberliegenden Armes 203-204, der den Meßwiderstand 22 enthält, zunehmen,
damit das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Die Anordnung erfordert also, daß
zur Aufrechterhaltung des Brückengleichgewichtes dem Meßwiderstand immer höher werdende
Temperaturen gegeben werden.
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Eine Eichkurve ähnlich der ausgezogenen Kurve nach Fig. 4 wird durch
eine solche Einstellung der Scbaltungskonstanten erzielt, daß der Meßwiderstand
22 von 0,01 Torr an bis etwa 10 Torr eine konstante Temperatur hat. Oberhalb von
10 mm Hg wird die Wirkung des nichtlinearen Widerstandes 78 wesentlich, und die
Temperatur des Meßwiderstandes 22 nimmt mit steigendem Druck immer mehr zu.
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Die Anzapfung 81, die längs des dritten Brückenwiderstandes 72 verschiebbar
ist, bildet ein Mittel zum Einstellen der Beziehung zwischen dem linearen und dem
nichtlinearen Widerstandszweig, wodurch eine Einstellung des Druckes ermöglicht
wird, bei welchem die Temperatur des Meßwiderstandes 22 anzusteigen beginnt und
wodurch außerdem eine Einstellung der Größe der Temperaturzunahme in Abhängigkeit
von der Druckzunahme ermöglicht wird.
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Der nichtlineare Widerstand 78 muß nicht unbedingt einen negativen
Temperaturkoeffizienten haben. Ein nichtlinearer Widerstand mit einem positiven
Temperaturkoeffizienten kann auch verwendet werden, indem er parallel zu einem anderen
geeigneten Brückenzweig geschaltet wird, und zwar entweder zu dem zweiten Widerstand
70 oder dem vierten Widerstand 73.
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Fig. 6 ist ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung.
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Diese weist eine Wheatstonesche Brücke auf, deren Eingangspunkte 203,
205 mit der Sekundärwicklung 93 eines Transformators 94 verbunden sind. Der Meßwiderstand
22 bildet den ersten Brückenzweig203-204.
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Der zweite Brückenwiderstand 70 und der dritte Brückenwiderstand 72
sind in Reihe geschaltet und bilden den zweiten Brückenzweig 203-206 bzw. den dritten
Brückenzweig 205-206. Ein nichtlinearer spannungsempfindlicher Widerstand 78 ist
an dem Brükkeneingang 205 zwischen den Widerständen 72 und 73 und an eine Anzapfung
81 angeschlossen, die längs des dritten Brückenwiderstandes 72 verschiebbar ist.
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Ein vierter Brückenwiderstand 73 ist in Reihe mit dem Meßwiderstand
22 geschaltet und bildet den vierten Brückenzweig 204-205. Das Steuergitter 100
einer Verstärkerröhre 101 ist über einen Widerstand Rl5 mit dem Brückenausgang 206
zwischen den Widerständen 70 und 72 verbunden. Die Kathode 102 der Verstärkerröhre
ist über einen Kathodenwiderstand R16 mit dem anderen Brückenausgang 204 zwischen
dem Meßwiderstand 22 und dem Widerstand 73 verbunden. Ein Kondensator C4 ist parallel
zum Widerstand R16 geschaltet und bildet eine Überbrükkung für Wechselstrom.
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Das Bremsgitter 103 der Verstärkerröhre 101 ist mit der Kathodel02
verbunden, und das SchirmgitterlO4 ist über einen KondensatorC; mit dem negativen
Potential 105 der Anordnung verbunden. Die Anode 106 der Verstärkerröhre ist über
einen Anodenwiderstand R,7 mit dem Anodenpotential 107 verbunden. Ein Kondensator
C6 verbindet das Steuergitter der Verstärkerröhre mit dem Erdpotential 105 und trägt
mit dazu bei, diese erste Stufe zum Schwingen zu veranlassen. Die Widerstände R18
und R19 liefern die richtige Spannung für das Schirmgitter 104. Die Anode der Verstärkerröhre
ist über einen Kondensator C, mit dem Steuergitter 110 einer Leistungsendröhre 112
verbunden. Das Steuergitter dieser Röhre ist über einen Widerstand R20 mit dem Erdpotential
105 verbunden.
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Die Anode 114 der Endröhre ist über die Primärwicklung 116 des Transformators
94 mit dem Anodenpotential 107 verbunden. Das Schirmgitter 118 der Endröhre ist
über einen Widerstand R21 mit dem Erdpotential 105 verbunden. Ein Wechselstromüberbrükkungskondensator
C5 ist parallel zu dem Widerstand R2l geschaltet. Die Kathode 120 der Endröhre ist
über einen Kathodenwiderstand R22 und einen Kondensator C9 mit dem Erdpotential
105 verbunden.
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Die eine Seite eines Voltmeters 28 ist mit dem einen Ausgangspunkt
eines Doppelweggleichrichters
124 verbunden, dessen beide Eingangspunkte
an die Wicklung 126 des Transformators 94 angeschlossen sind. Der andere Ausgangspunkt
der Gleichrichteranordnung ist mit dem Erdpopential 105 verbunden.
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Die andere Seite des Voltmeters ist über einen veränderbaren Widerstand
R23 und einen Potentiometerwiderstand R24 ebenfalls mit dem negativen Potential
105 verbunden. Der Schleifarm 130 des Potentiometers ist über einen Begrenzungswiderstand
R25 mit der positiven Gleichstromleitung verbunden. Durch richtige Einstellung des
Schleifarmes 130 kann dem Voltmeter eine solche Spannung zugeführt werden, daß es
eine Auslenkung »Null« zeigt, wenn der Meßwiderstand 22 die richtige Temperatur
hat und der ihn umgebende Gasdruck »Null« ist, d. h. beispielsweise weniger als
etwa 10- Torr beträgt.
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Bei der Anordnung nach Fig. 6 arbeitet die Verstärkerröhre 101 als
Oszillator und liefert über die Endverstärkerröhre 112 und den Transformator 94
eine Wechsel spannung an die Brücke. Bei extrem kleinem Gasdruck in der Umhüllung
23 des Meßwiderstandes 22 ist die Brücke im Gleichgewicht, und die von der Endröhre
112 über die Wicklung 93 abgegebene Eingangsleistung der Brücke reicht aus, um den
ILießwiderstand 22 auf der gewünschten Temperatur zu halten. Der Schleifarm des
Potentiometers R24 wird so eingestellt, daß er die dem Voltmeter 28 von der Fühlwicklung
zugeführte Spannung kompensiert, so daß das Voltmeter den Ausschlag Null zeigt.
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Wenn der Druck in der Umhüllung ansteigt, z. B. auf etwa 0,5 mm Hg
nimmt die Temperatur des Meßwiderstandes 22 wegen der stärkeren Wärmeleitung im
Gas ah und bringt die Brücke aus dem Gleichgewicht. Diese führt dann dem Steuergitter
der Verstärkerröhre 101 ein Signal zu. Das Signal wird verstärkt und an das Gitter
der Endrölire 112 gelegt. wodurch die Ausgangsleistung dieser Röhre erhöht wird,
der Primärwicklung des Transformators 94 und der Brücke mehr Energie zugeführt wird.
Hierdurch wird die dem Gitter 100 zugeführte Spannung erhöht, bis die Temperatur
des Meßwiderstandes 22 fast genau wieder ihren ursprünglichen Wert angenominen und
so die Brücke wieder das Gleichgewicht erreicht hat.
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Wenn der Druck um den Fühlwiderstand weiter zunimmt, z. B. auf etwa
15 mm Hg, ist die an die Brücke angelegte Spannung so hoch, daß ein wesentlicher
ins Gewicht fallender Stromanteil durch den nichtlinearen spannungsempfindlichen
Widerstand 78 zu fließen beginnt. Hierdurch wird die Endröhre 112 veranlaßt, mehr
Spannung als sonst an die Brücke zu legen. Hierdurch wird die Temperatur des Meßwiderstandes
22 zur Wiederherstellung des Brückengleichgewichtes auf höheren Werten gehalten.
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Die Meßwicklungl26 des Transformators erlaubt, die der Brücke zugeführte
Energiemenge mittels des Voltmeters 28 zu messen. Der veränderbare Widerstand R23
ist eine Empfindlichkeitssteuerung, durch die das Voltmeter 28 unmittelbar in Druckeinheiten
ablesbar gemacht werden kann.
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Wie bei den Anordnungen nach Fig. 1 und 5 hat die selbsttätige Temperaturzunahme
des Meßwiderstandes 22 auch bei der Anordnung nach Fig. 6 zur Folge, daß sie eine
Eichkurve ähnlich der in Fig. 4 dargestellten hat.
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PATENTANSPROCHE: 1. Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der Temperatur
eines stromdurchflossenen Widerstandes, insbesondere eines Meßwiderstandes in
einem
Pirani-Vakuummeter, mittels eines Gerätes, das die Leistungszufuhr zu ihm automatisch
regelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Widerstandes (22) innerhalb
eines ersten Bereiches konstant gehalten und in einem zweiten, vorzugsweise anschließenden
Bereich automatisch geändert wird.