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Beschreibung zur Gebrauchsmusteranmeldung : ttheissleitervakuummeter.
fi Wärmeleitungsmanometer mit Messwiderständen eines negativen Temperaturkoeffizienten,
sogenannte Heissleitervakuummeter, werden vielfach für die Druckbestimmung im Bereich
von 1 Torr bis 10-3 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 Messwiderstände schwer
zu unterdrückende Toleranzen, oft störende Schwankungen in der Anzeigegenauigkeit.
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Die dabei benutzten Brückenschaltungen sind schon in verschiedenen
Varianten bekannt. Es wurde schon in den Hautpstromkreis 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.
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Ein gleiches Ziel verfolgt der Einbau des Mess-und des Vergleichswiderstandes
in annähernd gleiche, wärmeleitende miteinander verbundene Gefäße oder die Verwendung
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
e. ar. gleichswiderstand
umschaltbar waren. Um nicht nur eine Druckanzeige
zu erhalten, sondern auch Schaltvorgänge durch das Manometer bestätigen zu können,
ist eine Röhrenschaltung im Diagonalzweig vorgeschlagen worden. Ebenso wurde die
Verwendung eines Wärmeleitungsmanometers als Lecksuchgerät 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 betriebbssichere und stets zuverlässige Druckmessung
ermöglichte.' Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine solche betriebssichere Anzeige
durch entprechende 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 Temperatukoeffizienten
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 Aussentemperatur parallel zum Anzeigegerät im Diagonalzweig einen temperaturabhängigen
Widerstand eines positiven Temperaturkoeffizienten zu schalten, jeden der beiden
hintereinanderliegenden Brückenzweige mindestens mit einem Widerstand positiven
Temperaturkoeffizieten 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 ækannt sind, können duæch 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 hergorgerufen 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 Nullpunktsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur
erreicht. Der Nullpunkt selbst wird mittels des regulierbaren Widerstandes in dem
Abgleichzweig eingestellt.
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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 Betriebssicherheit
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 beschrieben wird. Die nach der vorliegenden Erfindung
gebauten Heißleitervakuummeter besitzen auch bei längerer Benutzungszeit keine Anzeigeänderungen
infolge Alterung und keine Nullpunktswanderung ; sie besitzen darüber hinaus eine
sehr geringe Einstellzeit und eine sehr zuverlässige Druckanzeige, die ohne Wartung
über lange Zeiten erhalten bleibt.
| Günstige Ausführungsmöglbhkeiten der Lehre der Erfindung seien |
| anhand der Schaltskizze, Abbildung 1, erläutert. Gemäß der |
| Grundschaltung bestehen zwei benachbarte Brückenzweige aus |
temperaturabhänigen Widerständen mit negativem Tempeeturkoeffizienten, 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 Atmosphärendruck. Sonst sind sie möglichst von gleicher Dimensionierung
und in zwei getrennten Kammern einer einzigen Meßrähre 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 Brückenwiderstände
3 und 4 einen Widerstand 7 bzw. 8 aus einem Material, beispielsweise Eisen oder
Nickelmit positivem Temperaturkoeffizienten in Serie, so erreicht man vor allem
eine Nullpunktstabilisierung, die im gewünschten Meßbereich die Schwankungen des
Vollausschlages auf wenigstens ! 2 % zu beschränken erlaubt. Den anderen dieser
beiden 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 Brückenistrumentes 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 400 C zu einer Empfindlichkeitssteigerung bis zu 5-10 % 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 Kompenstion von Empfindlichkeitsänderungen die Möglichkeit, in den
Hauptkreis der Brücke einen Heißleiter 9 anzuordnen. 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 Abstimmung der Widerstandswerte und der Temperaturkoeffizienten
eine überraschend hohe Unabhängigkeit der Druckanzeige von der Raumtemperatur in
einem Temperaturbereich von 150 C bis 450 C. Dies wird dadurch 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 Heißleitermeßwider-
| . stände 1 und 2 Wert zu legen, da sonst leicht die-Wärmeab- |
| i |
| leitung über diese Elektrode die für die Druckbestimmung maß- |
gebende Wärmeableitung über den Gasinhalt überwiegt, was natürlicherweise einen
die Meßempfindlichkeit herabsetzenden Faktor bildet. Vorzugsweise verwendet man
Platinelektroden, deren Dicke 20/u und deren Länge 50 mm nicht übersteigen.
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Die praktische Erprobung der erfindungsgemäßen Heißleitervakuummeter
zeigte wesentliche Vorzüge gegenüber älteren Ausführungen, insbesondere aber auch
gegenüber thermoelektrischen Vakuummetern. 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 % 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. Dabei ist infolge der nahezu völligen Unabhängigkeit von
der Temperatur die Schaltung in Abhängigkeit von einem bestimmten, einzustellenden
Druckwert im Arbeitsbereich zwischen 10 und 5.10-4 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 anstelle eines Meßinstrumentes einen Verstärker,
beispielsweise einen stabilen Röhrenverstärker mit Nullpunktkompensation führt,
der auf seiner Ausgangsseite ein empfindliches Relais 12 und dieses seinerseits
ein Leistungsrelais 13 steuert.
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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 Heißleitervakuummetern 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 Molekulargewicht
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 Ausschlagänderung des Vakuummeters bemerkbar, die am besten mit
Hilfe der beschriebenen Anordnung verstärkt wird.