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Verfahren zum Abgleichen einer Anzahl von Meßröhren für thermoelektrischeVakuummeßgeräte
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ab-
gleichen einer Anzahl von Meßröhren
für thermoelektrische Vakuummeßgeräte, deren Heizelementen jeweils ein Widerstand
parallel geschaltet ist.
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Bekanntlich enthalten solche Meßröhren ein Thermoelement und ein Heizelement,
und die von dem Thermoelement abgegebene Ausgangsspannung ist eine Funktion des
in der Meßröhre herrschenden Druckes, wenn dem Heizelement ein konstanter Strom
zugeführt wird.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß die verschiedenen Kenngrößen der
Elemente der Meßröhren, z. B. der elektrische Widerstand der Heizelemente, der Durchmesser
und die Länge der Heizelemente, die elektrischen Eigenschaften des Thermoelements
und die gegenseitige Lage des Thermoelements und des Heizelements in bestimmten
Grenzen streuen. Da die von dem Thermoelement abgegebene Spannung bei gleichem Druck
und gleichem Heizstrom eine Funktion dieser Kenngrößen ist, schwanken die Ausgangsspannungen
bei verschiedenen Meßröhren in einem mehr oder weniger großen Bereich. Für Präzisionsmessungen
ist es daher erforderlich, jede neu in Betrieb genommene Meßröhre zu eichen. Dies
bringt je-
doch in der Praxis beträchtliche Schwierigkeiten mit sich, weil
zur Durchführung der Eichung der Druck in der Meßröhre unter den unteren Grenzwert
des Meßbereichs gesenkt werden muß, der bei 0,001 mm Quecksübersäule liegt.
Die erforderlichen Anlagen stehen den Benutzern des Meßgeräts oft nicht zur Verfügung.
Abgesehen davon bedeutet das Eichen in jedem Fall einen zusätzlichen Zeitaufwand.
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Die Nachteile der Streuungen der Meßröhren treten noch stärker in
Erscheinung, wenn mehrere Meßröhren zur Durchführung parallel laufender Druckmessungen
gleichzeitig verwendet werden, da dann entweder jeder Meßröhre ein anderer Eingangsstrom
zugeführt werden muß oder getrennte Anzeigestromkreise erforderlich sind.
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Das Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens, mit
welchem beliebig viele Meßröhren bereits bei der Herstellung so abgeglichen werden
können, daß sie alle die gleiche Kennlinie für die Ausgangsspannung als Funktion
des Druckes bei konstantem Heizstrom haben.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der das Heizelement
umgebende Gasdruck in allen Meßröhren auf den gleichen Wert eingestellt wird, daß
jeder Parallelschaltung aus Heizelement und Widerstand der gleiche, konstante elektrische
Strom zugeführt wird und daß die Größe der Widerstände verändert wird, bis die Ausgangsspannungen
aller Thermoelemente gleich sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also der parallel zu dem
Heizelement geschaltete Widerstand so bemessen, daß eine bestimmte Beziehung zwischen
dem in der Meßröhre herrschenden Druck und der Ausgangsspannung des Therinoelements
hergestellt wird. Es hat sich gezeigt, daß durch diese einfache Maßnahme alle physikalischen
und elektrischen Eigenschaften berücksichtigt werden können, die den Zusammenhang
zwischen dem Druck und der Ausgangspannung beeinflussen. Es ist somit dem Hersteller
der Meßröhren möglich, verhältnismäßig einfach und schnell sämtliche hergestellte
Meßröhren so abzugleichen, daß der Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Druck
bei allen Röhren identisch ist. Diese Meßröhren sind daher untereinander in jeder
Beziehung austauschbar, so daß die Notwendigkeit einer Eichung durch den Benutzer
bei Inbetriebnahme einer neuen Meßröhre entfällt und bei Verwendung mehrerer Meßröhren
die Anzeige auf dem gleichen Anzeigegerät erfolgen kann.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.
Darin zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer Vakuurruneßeinrichtung
mit zwei Meßröhren und Fig. 2 eine Schaltung zum Abgleichen der Meßröhren nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung besteht aus drei Hauptteilen,
nämlich einem Stromversorgungstei], einem Eichteil und einem Meß- und Anzeigeteil.
Der Stromversorgungsteil enthält einen Eingangstransformator 11, einen Stromregelwiderstand
12 (Eisenwasserstoffwiderstand), einen verstellbaren Eichwiderstand 13 und
einen verstellbaren Hilfsheizwiderstand 14. Die Primärwicklung des Transformators
11 ist mit einer Wechselstromquelle über die Kontakte b,
c und d und den Schaltarm eines Schalters S 1 verbunden. Der Stromregelwiderstand
12 hält innerhalb eines festgelegten Bereiches der angelegten Spannungen einen im
wesentlichen konstanten Strom aufrecht.
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Der Eichteil der Schaltung enthlt einen Schalter S 2,
einen Präzisionsnormwiderstand 16 und eine parallel dazu geschaltete Gleichrichterbrücke
17, die über Kontakte b von zwei Schaltern S 3 und
S 4 mit einem Gleichstrom-Milfivoltmeter 18 verbunden werden
kann.
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Der Meß- und Anzeigeteil der Schaltung ist mit Schaltern
S 5 und S 6 und Meßröhren 21 und 22 ausgestattet. Jede
Meßröhre enthält ein Heizelement 23
bzw. 24, das mit dem Schaltarm des Schalters
S5
bzw. S6 verbunden ist, und ein Thermoelement 25
bzw.
26, das über Kontakte d bzw. c der Schalter S 4
und
S3 mit dem Gleichstrom-Millivoltmeter 18 verbunden werden kann. Jedem
Heizelement 23 bzw. 24 ist ein Kompensationswiderstand 27 bzw.
28 parallel geschaltet. Die Schaltarme aller SchalterS1 bis S6 sind
mechanisch so miteinander verbunden, daß alle Schalter gemeinsam in ihre Stellungen
a, b, c bzw. d
gebracht werden. In der Stellung a ist die Meßeinrichtung
ausgeschaltet. Die Stellung b dient zur Eichung, die später noch erläutert
wird. In der Stellung c ist das Heizelement 24 der Meßröhre 22 an den Stromregelwiderstand
12 angeschlossen, und das Thermoelement, 26 der gleichen Meßröhre ist nüt
dem Meßinstrument 18 verbunden; in der Stellung d sind entsprechende
Verbindungen für das Heizelement 23
und das Thermoelement 25 der Meßröhre
21 hergestellt.
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Die Schalter S 5 und S 6 sind ferner so
angeschlossen, daß in der Stellung b die beiden Heizelemente 23 und
24 und in den Stellungen c und d
jeweils das nicht mit dem Stromregelwiderstand
12 verbundene Heizelernent parallel zu dem Hilfsheizwiderstand 14 geschaltet sind.
Dadurch wird erreicht, daß die jeweils nicht an einer Messung beteiligten Heizelemente
vorgewärmt werden, so daß sie nach dem Umschalten unmittelbar betriebsbereit sind.
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In der Schalterstellung c schickt der Stromregelwiderstand 12 einen
konstanten Strom durch das angeschlossene Heizelement 24, welches das Thermoelement
26 erwärmt. Bekanntlich hängt dann die vom Meßinstrument 18 angezeigte
Ausgangsspannung des Ihermoelements 26 innerhalb eines bestimmten Bereichs
niedriger Drücke, beispielsweise 10-4 bis 10-1 mm Hg, von dem in der Meßröhre
22 herrschenden Druck ab. Die Einrichtung wirkt somit als Vakuummeßgerät, wenn das
Innere der Röhre 22 mit einem Vakuumsystem verbunden ist. In der Schalterstellung
d zeigt das Meßgerät in entsprechender Weise den in der Meßröhre 21 herrschenden
Druck an.
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Trotz des stets gleichen und konstanten Heizstroms ist jedoch die
Anzeige des Meßgeräts 18 bei gleichem Druck in den Meßröhren nur dann gleich,
wenn die Meßröhren völlig gleiche Kennlinien der Ausgangsspannung als Funktion des
Drucks haben. Dies ist normalerweise nicht der Fall. Deshalb sind die Kompensationswiderstände
27 und 28 vorgesehen, die bereits bei der Herstellung für jede Meßröhre
so abgeglichen werden, daß alle Meßröhren die gleiche Kennlinie haben. Dies geschieht
mit der Schaltung von Fig. 2.
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Die Schaltung von Fig. 2 ist derjenigen von Fig. 1
weitgehend
gleich, und deshalb sind die einander entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen
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versehen, die jedoch in Fig. 2 einen Indexstrich tragen. Da ferner die Schaltung
von Fig. 2 nur zum Abgleichen von jeweils einer Meßröhre ausgeführt ist -, fehlen
der Hilfsheizwiderstand 14 und der Schalter S6 sowie die Schalterstellung
d bei den übrigen Schaltern. Der Arbeitsgang beim Abgleichen ist das Einstehen
des Eichwiderstandes 13'. Hierzu werden die Schalter S l' bis
S 5' in die Stellung b' gebracht, in welcher der Normwiderstand
16' parallel zum Eichwiderstand 13' geschaltet ist und der Spannungsabfall
im Nonnwiderstand 16' nach Gleichrichtung in der o Gleichrichterbrücke
17' am Gleichstrom-Miflivoltmeter 18' abgelesen werden kann. Der einstellbare
Abgriff 29' des Eichwiderstandes 13' wird verschoben, bis der Spannungsabfah
im Normwiderstand 16' einen vorher festgelegten Wert erreicht hat.
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Die Schalter S l' bis S 5' werden dann in die
Stellung e' umgeschaltet, so daß nun der Norinwiderstand 16' von dem Stromregelwiderstand
12' getrennt ist und an seiner Stelle das Heizelement 23' der zunächst noch
nicht kompensierten Meßröhre 21' angeschlossen ist, während gleichzeitig über die
Kontakte e' der Schalter S Yund S 4' das Thermoelement
25' mit dem Miffivoltmeter 18' verbunden ist. Der Druck in der Meßröhre
21' wird nun auf etwa 10-4 mm Hg, also unter die untere Grenze des Betriebsbereichs
gesenkt. Parallel zu dem Heizelernent 23' ist ein einstellbarer Widerstand
32 geschaltet, und dieser Widerstand wird nun so eingestellt, daß der Zeiger
des Millvoltmeters 18' über die volle Skala ausschlägt. Der Widerstandswert
des einstellbaren Widerstandes 32 wird dann gemessen, und ein Kompensationswiderstand
27 (Fig. 1) mit dem ermittelten Widerstandswert wird parallel zu dem
Heizelement 23' endgültig eingebaut.
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Der gleiche Vorgang wird mit einer beliebigen Zahl von Meßröhren wiederholt,
wobei jedesmal der gleiche Druck in der Meßröhre eingestellt wird.
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Eine entsprechende Anzahl der so abgeglichenen Meßröhren wird dann
in jede Meßeinrichtung eingebaut, beispielsweise zwei Meßröhren in die Einrichtung
von Fig. 1.
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Es ist noch der Zweck des Eichteils dieser Meßeinrichtung zu erläutern,
wobei davon ausgegangen wird, daß das Meßgerät 18 die gleiche Kennlinie wie
das Meßgerät 18' der Abgleicheinrichtung von Fig. 2 hat. Ebenso ist der Normwiderstand
16 gleich dem Normwiderstand 16'.
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Vor Durchführung von Messungen werden die Schalter Sl bis
S6 in die Stellung b gebracht. Dadurch
wird der Normwiderstand
16 parallel zu dem Eichwiderstand 13 geschaltet, und die Ausgangsklemmen
der Gleichrichterbrücke 17 werden mit dem Millivoltineter 18 verbunden.
Der Abgriff 29 des Eichwiderstandes 13 wird so lange verschoben, bis
das Millivoltmeter 18 den gleichen Ausschlag zeigt wie das Millivoltmeter
18' vor Durchführung des Abgleichs. Da die Widerstandswerte der Normwiderstände
16 und 16' gleich sind, ist auch der durch den Normwiderstand
16 fließende Strom gleich dem Strom, der beim Abgleichen durch den Normwiderstand
16' floß. Der Eichteil im System nach Fig. 1
stellt also sicher, daß
der bei der Messung durch das Heizelement fließende Strom die gleiche Größe wie
beim Abgleichen hat. Dadurch werden insbesondere Unterschiede der Betriebskennlinien
der Stromregelwiderstände kompensiert.
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Wenn nun anschließend die SchalterS1 bis S6 in ihre Stellungc
gebracht werden, ist der Ausgangsspannungsbereich des 'Iherinoelements
26 der gleiche wie bei dem Abgleich mittels der Einrichtung von Fig. 2. Der
Druck in der Meßröhre kann also ohne weitere Eichung des Meßstromkreises am Meßgerät
18 abgelesen werden.
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Das gleiche gilt für die Meßröhre 21, wenn die Schalter
S 1 bis S 6 in ihre Stellung d gebracht werden. Ein
positiver Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes der Spule des Millivoltmeters
18 wird gleichfalls durch die Kompensationswiderstände 27 und
28 kompensiert, diese ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten des
elektrischen Widerstands haben. Bei steigender Umgebungstemperatur wird dann nämlich
ein fortschreitend größerer Teil des vom Stromregelwiderstand 12 kommenden konstanten
Stroms durch das Heizelement gehen. Dies bewirkt ein Steigen der Temperatur des
Heizelements, und die Erhöhung des Widerstandes ün Meßgerät wird durch die sie begleitende
Steigerung der Ausgangsspannung des Thermoelements gerade ausgeglichen.