DE19617238A1 - Schaltung zur Temperaturkompensation eines Wärmeleitungsvakuummeters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für ein Wärrmeleitungsvakuummeter mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1.

Wärmeleitungsvakuummeter werden in einem Druckbereich eingesetzt, der sich vom oberen Ende des Hochvakuumbe­ reichs (ca. 10^-4 mbar) bis weit in den Grobvakuum-Be­ reich (ca. 1000 mbar) erstreckt. Wärmeleitungsvakuumme­ ter nutzen die Tatsache aus, daß von einem temperaturab­ hängigen Widerstandselement bei höheren Gasdrücken, also größerer Teilchenzahldichte, mehr Wärme abgeführt wird als bei niedrigeren Gasdrücken. Beim Wärmeleitungsvaku­ ummeter nach Pirani ist das temperaturabhängige Wider­ standselement z. B. ein Meßdraht, der in eine Wheatstone′sche Brücke eingeschaltet ist. Beim ungere­ gelten Pirani-Vakuummeter bewirkt eine Widerstandsände­ rung des Meßdrahtes eine Verstimmung der Brücke, welche als Maß für den Druck herangezogen wird. Beim geregelten Pirani wird die an der Brücke liegende Speisespannung ständig derart geregelt, daß der Widerstand und damit die Temperatur des Meßdrahtes unabhängig von der Wärme­ abgabe konstant bleiben. Der zur Konstanthaltung des Widerstandswertes benötigte Strom ist ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit und damit für den Druck des Gases.

Üblicherweise wird die Wheatstone′sche Brücke durch Nachführen der Brückenspeisespannung auf minimale Ver­ stimmung abgeglichen. Die Brückenspeisespannung ist da­ mit der zum Druck korrespondierende primäre elektrische Wert.

Die Umgebungstemperatur des Meßdrahtes hat auf das Meß­ prinzip einen störenden Einfluß, da sie über Strahlung und Wärmeleitung durch Befestigungsteile das thermische Gleichgewicht des Meßdrahtes mit seiner Umgebung mitbe­ stimmt. Um diesen störenden Einfluß der Umgebungstempe­ ratur zu kompensieren, ist es bekannt, in einen der Zweige der Wheatstone′schen Brücke einen temperaturab­ hängigen Widerstand mit geeigneter Charakteristik einzu­ schalten. Diese Temperaturkompensation ist jedoch unzu­ länglich, da der Spannungsabfall am Kompensationswider­ stand nicht nur von der Umgebungstemperatur sondern auch von dem Druck des Gases abhängt. Daraus resultiert das bei Wärmeleitungsvakuummetern generell bestehende Pro­ blem der unzulänglichen Temperaturkompensation in den Druck-Endbereichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für ein Wärmeleitungs-Vakuummeter vor zu­ schlagen, mit der insbesondere in den Druck-Endbereichen eine genaue Temperaturkompensation erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch, daß die Brückenschaltung neben dem ersten Zweig mit dem Meß­ widerstand mindestens zwei weitere Zweige mit tempera­ turabhängigen Kompensationswiderständen aufweist, be­ steht die Möglichkeit, für unterschiedliche Druckberei­ che Kompensationswiderstände mit verschiedenen, den Druckbereichen angepaßten Charakteristiken einzusetzen. Eine insgesamt verbesserte, und vor allem in den Druck- Endbereichen wesentlich genauere Temperaturkompensation ist dadurch möglich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbei­ spieles erläutert werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brücken­ schaltung mit 1 bezeichnet. Sie umfaßt die Zweigab­ schnitte 2 bis 5, 16, 17. Ihre verschiedenen Abgriffe sind mit 6 bis 9, 18 bezeichnet.

Der Abschnitt 2 mit dem Widerstand 11 sowie der Ab­ schnitt 3 mit dem Meßwiderstand bzw. Meßdraht 12 bilden den Meßzweig der Brücke 1. Ein erster Kompensationszweig umfaßt die Abschnitte 4 und 5, die jeweils mit einem temperaturunabhängigen Widerstand 13 bzw. 14 ausgerüstet sind. Zusätzlich ist im Abschnitt 5 oder 4 der tempera­ turabhängige Widerstand 15 vorgesehen, der in an sich bekannter Weise der Temperaturkompensation dient.

Parallel zum beschriebenen ersten Kompensationszweig ist ein weiterer Kompensationszweig vorgesehen. Er umfaßt die Abschnitte 16, 17 und den Zwischenabgriff 18. Beide Abschnitte sind wieder jeweils mit einem temperaturunab­ hängigen Widerstand 21 bzw. 22 ausgerüstet. Im Abschnitt 17 oder 16 befindet sich zusätzlich noch der tempera­ turabhängige Widerstand 23.

An den Abgriffen 6, 8 der Brückenschaltung 1 liegt die Speisespannung U_B. Beim geregelten Pirani wird sie mit Hilfe des Operationsverstärkers 24 derart geregelt, daß der Meßwiderstand 12 konstant bleibt. Dazu sind der Ein­ gang 25 des Operationsverstärkers 24 über die Leitung 26 mit dem Zwischenabgriff 7 des Meßzweiges und der Eingang 27 über die Leitung 28 mit einem der Zwischenabgriffe 9 oder 18 der Kompensationszweige verbunden. Die Brücken­ speisespannung ist das Maß für den Druck. Die Spannung U_B wird in an sich bekannter Weise dem Anzeigeinstrument 32 zugeführt.

Die Leitung 28 ist über die Leitungsabschnitte 33 und 34 mit den Abgriffen 9 bzw. 18 der beiden Kompensations­ zweige verbunden. In einem der beiden Abschnitte befin­ det sich der Widerstand 35, in dem anderen z. B. ein Feldeffekttransistor 36. Mit Hilfe der an das Gate ange­ legten Spannung UG kann der Feldeffekttransistor derart geschaltet werden, daß wahlweise einer der beiden Zwi­ schenabgriffe 9, 18 mit dem Eingang 27 des Operations­ verstärkers 24 verbindbar ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Kompen­ sationszweige 4, 5 und 16, 17 dargestellt. Zweckmäßig ist einer der beiden Widerstände 15, 23 für die Tempera­ turkompensation im oberen Druckbereich und der andere für die Temperaturkompensation im unteren Druckbereich optimiert. Bei dieser Lösung erfolgt die Umschaltung von einem Kompensationszweig zum anderen zweckmäßig im mitt­ leren Druckbereich. Um zu vermeiden, daß die Kennlinie einen Sprung hat, erfolgt die Umschaltung fließend. Der Schaltbereich ist über die Spannung U_G wählbar.

Für den Fall, daß die Temperaturkompensation in mehr als zwei Druckbereichen verbessert werden soll, kann die An­ zahl der vorhandenen Kompensationszweige entsprechend erhöht werden.

Claims (9)

1. Schaltung für ein Wärmeleitungs-Vakuummeter mit ei­ ner Brückenschaltung (1), die einen ersten Zweig (2, 3) mit einem Meßwiderstand (12) und einen zwei­ ten Zweig (4, 5) mit einem temperaturabhängigen Widerstand (15) zur Kompensation temperaturbeding­ ter Meßfehler aufweist, und mit einem der Regelung der Brückenspeisespannung (U_B) dienenden Operati­ onsverstärker (24), dessen erster Eingang (25) mit dem Zwischenabgriff (7) des Meßzweiges (2, 3) der Brückenschaltung und dessen zweiter Eingang (27) mit dem Zwischenabgriff (9) des Kompensationszwei­ ges (4, 5) der Brückenschaltung verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß parallel zum Kompensati­ onszweig (4, 5) mindestens ein weiterer Kompensati­ onszweig (16, 17) mit einem weiteren temperaturab­ hängigen Widerstand (23) vorgesehen ist und daß der zweite Eingang (27) des Operationsverstärkers (24) wahlweise mit den Zwischenabgriffen (9,18) der Kom­ pensationszweige (4, 5; 16, 17) verbindbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung des zweiten Eingangs (27) des Operationsverstärkers (24) auf einen der beiden Zwischenabgriffe (9, 18) der Kompensationszweige (4, 5; 16, 17) der Brückenschaltung (1) ein Transi­ stor (36) vorgesehen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (36) ein Feldeffekttransistor ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des Feldeffekttransistors (36) auf ei­ ner festen Spannung U_G liegt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kompensationszweige (4, 5; 16, 17) mit je einem temperaturabhängigen Wider­ stand (15 bzw. 23) vorgesehen sind.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden temperaturabhängigen Widerstände (15, 23) derart dimensioniert sind, daß einer zur Kompensation temperaturbedingter Meßfehler im unte­ ren Druckbereich und der andere zur Kompensation von temperaturbedingten Meßfehlern im oberen Druck­ bereich geeignet ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitungs-Vakuummeter ein geregeltes Wärmeleitungs-Vakuummeter ist.

8. Verfahren zum Betrieb einer Schaltung für ein gere­ geltes Wärmeleitungs-Vakuummeter mit einer Brücken­ schaltung (1), die einen Meßzweig (2, 3) mit einem Meßwiderstand (12) sowie mindestens zwei Kompensa­ tionszweige (4, 5; 16, 17) mit für unterschiedliche Druckbereiche optimierten Kompensationswiderständen (15, 23), wobei die Zwischenabgriffe (9, 18) der Kompensationszweige (4, 5; 16, 17) wahlweise mit einem der beiden Eingänge eines Operationsverstär­ kers (24) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung beim Übergang von einem Meßbe­ reich zum anderen vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung fließend geschieht.