DE1648555C - Druckmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrilTt ein Druekmeßgerüt, bei dem ein in einer Wheatstoneschen Brücke geschalteter, parallel zur Längsachse eines luilsenförmigen Behälters, der mit seinem olfenen Ende mit dem Innenraum des unter dem zu messenden Druck stehenden Behälters in Verbindung steht, gespannter Widerstandsdraht vorgesehen ist, wobei zwischen dem Widerstandsdraht und einem hierzu parallelliegenden Vergleichswiderstand eine vorgegebene Temperaturdilferenz aufrechterhalten wird. Dieses Druckmeßgerät ist insbesondere zur Anzeige von unterhalb einer Atmosphäre liegender Drucke bestimmt.

Es ist bereits bekannt, die Druckabhiingigkeit der Wärmeleitung von Gasen zur Druckmessung im Gebiet kleiner Drucke auszunutzen (»Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft«, Heft 4, S. 686, 1906). Nach diesem Vorschlag wird ein Platin-, Nickel- oder Wolfram-Widerstandsdraht ih einem an den unter uem zu messenden Druck stehenden Behälter angeschlossenen Rohr ausgespannt und elektrisch aufgeheizt. Dabei geht man davon aus, daß die bei der elektrischen Aufheizun» sich ergebende Temperaturerhöhung des Drahtes abhängig ist von der Wärmeleitung und somit vom Druck des den Widerstandsdraht umgebenden Cases. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Widerstandsdraht in eine Wheatstonesche Brücke geschaltet, so daß bei entsprechender Eichung der Druck unmittelbar in Abhängigkeit von d tj jeweils gemessenen Widerstand ablesbar ist. Die untere Grenze des Meßbereichs dieses bekannten Gerätes ergibt sich durch Wärmeverlust infolge Abstrahiutig von der Heizdrahtoberfläche sowie durch die Wärmeleitung der für den Widerstandsdraht erforderlichen Halterungen. Diese Grenze liegt, wenn die Druckmessung sich auf Luft bezieht, bei einem Wert von etwa 10 ³ Torr. Die obere Grenze des Meßbereichs ist dadurch gegeben, daß die Wärmeleitung eines Gases vom Druck weitgehend unabhängig wird, wenn die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle mit dem Drahtdurchmesser vergleichbar ist. Aus Herstellungsgängen und wegen der für die praktische Handhabung erforderlichen Widerstandsfähigkeit ist es nicht möglich, den Durchmesser ries Widerstandsdrahtes beliebig zu verkleinern. Daher liegt die obere Grenze des Meßbereichs derartiger Vakuummeter bei etwa 10 Torr, bezogen auf Luft (>■ Vakuumtechnik«, Heft 6, S. 175, 1957).

Man hat zwar schon versucht, den Meßbereich des vorgenannten Vakuummeters zu erweitern. Zu diescm Zweck hat man auch schon als Thermistoren bekannte tcmpcraturcmpfindliche Halbleite relemcnte mit negativem Temperaturkoeffizienten verwendet und Wärmcverluste durch Wärmeleitung durch Verwendung von dünnen Manganindrähten als Halterungen vermieden. Strahlungsverluste werden verringert durch Aufkleben von stark reflektierenden Metallfolien (»Review of Scientific Instruments«, 30, 891, 1959). Diese bekannten Geräte haben jedoch den Nachteil, daß sie recht störanfällig sind.

Man hat auch bereits versucht, den Meßbereich von Druckmeßgeräten für kleine Drucke zu größeren Drucken hin, d. h. über 10 Torr hinaus, zu erweitern. Da oberhalb dieses Druckes die Wärmeleitung in Oasen konstant ist, hat man zu diesem Zweck innerhalb des im Druckmeßgerät angeordneten Meßrohres einen Strömungszustand angeregt, der einen druckabhängig Wärmeübergang zur Folge hat.

Hierbei ist es jedoch erforderlich, daß der Strömungszustand mit hinreichender Genauigkeit reproduzierbar ist. Unter den in der Praxis herrschenden Bedingungen ist dies jedoch nicht ohne weiteres erreichbar. Dies gilt auch dann, wenn die Strömung dem zu messenden Gas in der Meßröhre mittels einer elektromagnetisch angeregten Stimmgabel aufgezwungen wird (»Leybolds Hochvakuum-Katalog«, HV 110, 1964, Thermotron III).

ίο Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Druckmeßgerät vorzugsweise für Drucke unterhalb einer Atmosphäre mit einem möglichst großen Meßbereich auch zu größere;. Drucken hin zu schaffen, durrh das Druckmessungen mit der erforderlichen Genauigkeit vorgenommen werden können, das jedoch gleichwohl die für die Praxis erforderliche Widerstandsfähigkeit besitzt. Außerdem soll das Gerät einfach und somit wirtschaftlich in der Herstellung sein.

ao Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Wärmeleitung in einer dünnen Gasschicht vom Druck abhängig ist, wenn der Abstand der Oberflächen, zwischen denen die Wärmeleitung erfolgen soll, kleiner oder etwa gleich der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle ist. Nach eirer Überschlagsrechnung ergibt sich dabei, daß bei einem Luftdruck von 760.Torr und bei Raumtemperatur die Wärnieleitung dann druckabhängig ist, wenn der Abstand der Oberflächen etwa 0,1 μ beträgt. Dies ist dadurch zu verwirklichen, daß das Gas, dessen Druck gemessen werden soll, sich in den Zwischenräumen einer Schüttung von kleinen Teilchen befindet. Durchmesser der Teilchen und Querschnitt der Meßkammer müssen so bemessen sein, daß zwischen Heizelement und Wandung mehrere Teilchenlagen angeordnet sind. Dadurch werden statistische ScY-vankungen des Wärmeüberganges, die bei der Handhabung der Meßröhre durch Lageveränderung der Teilchen ent-

*j stehen können, im Mittel hinreichend klein gehalten. Die Teilchengröße darf dabei nicht so klein sein, daß dadurch ein starker Anstieg des Strömungsleitwertes hervorgerufen wird. Dies würde zu einer nicht in Kauf zu nehmenden Vergrößerung der Einstellzeit führen.

Hiervon ausgehend wird bei einem Druckmeßgerät der obengenannten Art die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem hülsenförmigen Behälter eine Schüttung von Teilchen aus eine.n an sich bekannten Werkstoff mit großer Terns' peraturleitzahl sowie großer Härte und Elastizität vorge«ehen ist, deren Durchmesser nicht so klein ist, daß dadurch ein starker Anstieg des Strömungsleitwertes hervorgerufen wird, und außerdem so bemessen ist, daß zwischen dem Wiaerstandsdraht und der Wandung des hülsenförmigen Behälters mehrere Teilchenlagen angeordnet sind Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß die Teilchen kugelförmig oder nahezu kugelförmig, beispielsweise in Form von EHipsoiden oder Polyedern mit abgerundeten Ecken

β» ausgebildet sind. Zweckmäßig ist es außerdem, wenn

der Durchmesser der Teilchen etwa 0,6 mm beträgt.

Der Werkstoff, für die Teilchen soll chemisch

weitgehend indifferent sein. Er darf bei den in Frage

kommenden Temperaturen weder mit dem Luft-

«3 sauerstoff noch mit dem in dem Gas etwa enthaltenen Wasserdampf od. dgl. reagieren. Als Werkstoffe haben sich t. B. Wolfram sowie an sich bekannte Kupfer-Bcryllium-Lcgierungen oder auch

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Eiseii-Molybda'n-Kobuli-Legierungeii als besonders geeignet erwiesen. Geeignet sind ferner Karbide wie Wolframkarbid und Molybditnkarhid oder keramische Werkstolfe wie beispielsweise Berylliumoxyd und Aluminiumoxyd.

Eine bevorzugte Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Druckmeügeriites ergibt sich durch die Anordnung von zwei Kammern, die mit dom zu messenden Behälter in Verbindung gebracht werden können. Gemäß der Erfindung ist in einer der beiden Kammern eine Schüttung von kleinen kugelförmigen Teilchen und innerhalb dieser Schüttung ein aufheizbares Widerstandselement zentral angeordnet, während in der anderen Kammer lediglich ein aufheizbarer Widerstandsdraht ausgespannt ist. Beide Widerstandsdrähte liegen bei dieser Ausgestaltung des neuen Druckmeßgerätes jeweils in einer Wheatstoneschen Brücke, die mittels eines an sich bekannten Bereichsschallers wahlweise mit dem Stromversorgungs-und-anzeigegerät verbunden weruen können.

Zweckmäßig ist zur Aufrechterhaltung piner vorbestimmten Temperaturdifferenz zwischen dem eingeschalteten Widerstandsdraht und der jeweiligen Wandung der Kammer oder des hülsenförmigen Behälters ein an sich bekannter Regelkreis vorgesehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dts erfindungsgemäßen Druckmeßgerätes schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 das neue Druckmeßgerät mit der Anordnung von zwei Kammern im Längsschnitt,

F i g. 2 das neue Dr:.ckmeßgerät nach F i g. 1 mit eingezeichneter Schaltanordnung,

Fig. 3 den prinzipiellen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit einer Schüttung in Abhängigkeit vom Luftdruck p.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, sind die beiden Meßkammern 3 und 4 in dem Gehäuse 1 angeordnet, das mittels des Flansches 2 mit dem in der Zeichnung nicht dargestellten Behälter, dessen Druck gemessen werden soll, verbunden werden kann. Dabei ist in die eine der beiden Kammern — in der Zeichnung die Kammer H — eine Schüttung von kleinen Teilchen eingefüllt. Als Gehäuse ist zweckmäßig ein Metallblock aus einem gut leitenden Metall, beispielsweise Kupfer, vorgesehen. Beide Kammern 3 und 4 stehen über die öffnungen 5 and 6 mit dem Innenraum des Flansches 2 in Verbindung. Dabei muß darauf geachtet werden, daß die Bohrungen, Schlitze od. dgl. für die Kammer 3 so eng sind, daß die eingefüllten Teilchen nicht nach außen gelangen können. Zum Einfüllen der Teilchen ist zweckmäßig ein mit einer Schraube 7 verschließbares Gewindeloch vorgesehen. In beiden Kammern 3 und 4 ist je ein aufheizbarer WifJerstandsdraht 8 und 9 vorgesehen. Der Widerstandsdraht 9 ist in der Kammer 4 mittels der Feder 10β, die an dem dem Flansch 2 zugekehrten Ende der Kammer in an sich bekannter Weise lösbar angeordnet ist, frei gespannt. Dagegen ist der Widerstandsdraht 8 in der mit Teilchen gefüllten Kammer 3 in einem Isolierröhrchen mit guter Wärmeleitfähigkeit eingebettet, das in an sich bekannter Weise zentrisch in Jer Kammer 3 gehalten wird. Zum Verschluß des dem Flansch 2 abgewandten Endes der Kammern 3 und 4 ist eine Verschlußplatte 10 vorgesehen. Die Verschlußplatte 10 enthält, wie aus F i g. t hervergeht, zugleich die aus einem an sich bekannten isolierenden Werkstoff bestehenden Halterungen 11, 12, 13 und 14 für die Widerstandsdrähte 8 und 9 sowie für die Vergleichswiüerstünde 15 und 16.

Wie aus F i g. 2 erkennbar, sind die beiden Widerstandsdrähle 8 und 9 je in einer Wliealsumeschen Brücke B₁ und /1, geschaltet. Die Veigldchswiderstände 15 und 16 sind innerhalb des Gehäuses 1 in di'für vorgesehenen Bohrungen angeordnet. Sie haben einen Widerstandswert, dessen Große dem des jeweils zugeordneten Widerslandsdrahtes 8 oder 9

ίο entspricht. Sie sind aus dem gleichen Werksiolf hergestellt wie die Widerstandsdrähte 8 und 9 und haben die gleichen Abmessungen wie diese. In dem Gehäuse 1 sind Bohrungen für die Vergleichswiderstände 15 und 16 in an sich bekannter Weise vorgesehen. Schwankungen der Umgebungstemperatur sind praktisch ohne Einfluß auf die Messungen, da die aufheizbaren Widerstünde 8 und 9 und die Vergleichswiderstände 15 und 16 aus dem gleichen Werkstoff bestehen und die y.'ichen Abmessungen

ao aufweisen. Die thermische Traglk.it des als Metallblock ausgebildeten Gehäuses 1 gewährleistet, daß auch schnelle Temperaturschwankungen ohne Einfluß -iuf die Messung sind.

Damit auch Schwankungen der Temperatur des

as Flanschanschlusses 2 auf das Meßergebnis ohne Einfluß sind, ist der Flansch 2 aus einem die Wärme schlecht leitenden Kunststoff gefertigt. Zur besseren Handhabung ist das Gehäuse 1 von einem Hüllrohr 17 umgeben. Dadurch wird außerdem verhindert, daß insbesondere metallische Gegenstände, die zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen wurden, mit dem Gehäuse 1 in Berührung kommen können. Die zur mechanischen Verbindung zwischen Gehäuse 1 und Hüllrohr 17 vorgesehenen Halterungen bestehen aus diesem Grunde gleichfalls aus einem an sich bekannten Werkstoff mk schlechter Wärmeleitfähigkeit. Um dagegen eine Abführung der Oberflächenwärme von der Außenwandung des Gehäuses 1 durch Konvektion in dem erforderlichen Umfang zu ermöglichen, ist das Hül'rohr 17, wie aus der Zeichnung hervorgeht, mit zahlreichen Bohrungen oder Schlitzen versehen.

Zweckmäßig ist das erfindungsgemäße Druckrneßgerät so ausgebildet, daß zur Aufnahme der erforderliehen weiteren Widerstände M_x und M., für die Wheatstoneschen Brücken B₁ und B₂ sowie zur Aufnahme der Lötstellen der erforderlichen Stromzufiihrungen für die Widerstandsdrähte ein von dem Hüllrohr 17 sowit von der Verschlußplatte 10 und den Halterungen zur Verb-ndung des Gehäuses 1 mit dem Hüllrohr 17 abgegrenzter Raum 18 gebildet wird. Das zur Stromzuführung erforderliche Kabel 19 ist mittrls der an sich bekannten lösbaren Verbindung 20 mit dem Kopfende des Hüllrohres 17

verbunden. L/ie Brückenwiderstände M₁ und M₁ sind in an sich bekannter Weise jeweils als Widerstand mit Mittelanzapfung ausgebildet und aus Manganindraht gewickelt. Ihre Unterbringung in den von dem Hüllrohr 17 umschlossenen Raum 18 hat den Vorzug, daß ihre Stromwürtne direkt an die umgebende Luft abgegeben wird Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, ist zur wahlweisen Messung mittels der Kammer 3 oder mittels der Kammer 4 der Bereichsschalter S vorgesehen. Dadurch wird für das Gebiet höherer

Drucke, also bei der Vakuummessung für das Gebiet von 760 bis etwa 10-» Torr, die Brücke B₁, in der der Widerstandsdraht8 der Kammer 3 liegt, und für kleinere Drucke die Brücke B₁, in der der Wider-

standsdraht 9 der Kammer 4 liegt, eingeschaltet. Der Dereichsschalter S ist außerdem so geschaltet, daß er den limpftndliehkcilsbereich des den Drückenstrom !inzeigenden Instrumentes J dem jeweiligen auf Druck geeichten Anzcigchcreich anpaßt. Um unabhängig von dem jeweils in der Meßkainmer herrschenden Gasdruck eine vorbestimmte Tcmperaturdtffercnz zwischen tk-m aufgeheizten Widerstandsdraht, beispielsweise dem Widerstandsdraht 8, und dem entsprechenden Vergleichswiderstand 15 einzuregeln ist, to wie aus F i g. 2 hervorgeht, ein an sich bekannter Regelkreis vorgesehen. Durch den Regelverstärker R wird dem jeweils angeschlossenen Brückenkreis eine so große, vom Gasdruck in der Meßröhre abhängige elektrische Leistung zugeführt, daß die Brückendiagonalspannung, die den Regelverstärker steuert, zu Null wird. Dadurch wird erreicht, daß der jeweils in der Brücke liegende Heizwiderstand gegenüber dem zugehörigen Vergleichswiderstand die gewünschte Ubertcmperatur besitzt. Die eingeregelte ao Obertemperatur und damit der Leistungsbedarf der Meßröhre werden durch die Lage des MittelabgrifTes am Manganinwiderstand festgelegt. Die vom Regelverstärkcr R für den jeweiligen Brückenabgleich bereitgestellte elektrische Leistung dient als Meßwert. as

In Fig. 3 ist der prinzipielle Verlauf der Wärmeleitfähigkeit λ der Schüttungen kleiner Teilchen in Abhängigkeit vom Luftdruck ρ wiedergegeben. Der Verlauf der Kurve ist abhängig von dem für die Teilchen verwendeten Werkstoff und von der Teilchengröße. Daher ist es ohne weiteres möglich, die jeweils zu verwendende Schüttung den gewünschten Erfordernissen anzupassen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Druckmeßgerät, bei dem ein in einer Wheatstoneschen Brücke geschalteter, parallel zur

35 Längsachse eines hülsenförmigcn Behälters, der mit seinem offenen Ende mit dem Innenraum des unter dem zu messenden Druck stehenden Behälters in Verbindung steht, gespannter Widerstandsdraht vorgesehen ist, wobei zwischen dem Widerstandsdraht und einem hierzu parallelliegenden Vergleichswidcrstand eine vorgegebene Tempcraturdifferenz aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem hülsenförmigen Behälter (1) eine Schüttung von Teilchen aus einem an sich bekannten Werkstoff mit großer Temperaturleitzahl sowie großer Härte und Elastizität vorgesehen ist, deren Durchmesser nicht so klein ist, daß dadurch ein starker Anstieg des Strömungsleitwertes hervorgerufen wird, und außerdem so bemessen ist, daß zwischen dem Widerstandsdraht (8) und der Wandung des hülsenförmigen Behälters (1) mehrere Teilchenlagen angeordnet sind.

2. Druckmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen kugelförmig oder nahezu kugelförmig sind.

3. Druckmeßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesse der Teilchen etwa 0,6 mm beträgt.

4. Druckmeßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung von zwei mit dem unter dem zu messenden Druck stehenden Behälter in Verbindung stehender Kammern (3, 4) mit einspanntem, jeweils ir einer Wheatstoneschen Brücke (B₁, B₂), die mittels eines an sich bekannten Bereichsschalters (S" wahlweise an eine Stromquelle anschließbar sind geschalteten Widerstandsdraht (8, 9), wobei ein« der beiden Kammern (3, 4) die Schüttung vor Teilchen enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen