DE2722560C2

DE2722560C2 -

Info

Publication number: DE2722560C2
Application number: DE2722560A
Authority: DE
Inventors: Claus Dipl.-Phys. Dr. Ddr-1020 Berlin Dd Hartung; Rainer Ddr-1183 Berlin De Jurgeit
Original assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Current assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Priority date: 1976-06-08
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1987-08-13
Also published as: GB1585567A; DE2722560A1; US4154115A; FR2354548B1; JPS5322484A; FR2354548A1

Description

Die Erfindung betrifft eine nach dem Prinzip der Volumenmodulation arbeitende Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken. Eine derartige Vorrichtung kann im Hochvakuum, im Vorvakuum, bei Atmosphärendruck und bei Überdruck zur Druckmessung verwendet werden. Das Hauptanwendungsgebiet ist die Vakuumtechnik.

Druckmeßgeräte, die nach dem Prinzip der Volumenmodulation arbeiten, sind an sich bekannt. Dabei wird der so zu messende Gasdruck in einem Teilvolumen moduliert und die so erzeugten Druckschwankungen in elektrische Signale umgewandelt, die dem zu messenden Gasdruck proportional sind.

Eine nach diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung ist in der US-PS 34 25 281 (Barz) beschrieben. Sie dient zur direkten Messung des Absolutdruckes im mittleren Vakuumbereich. Diese Vorrichtung enthält eine sogenannte Testkammer, die ein Testvolumen definiert und einerseits von einer bewegbaren Wand (Druckmodulator) zur periodischen Variation der Größe des Testvolumens und andererseits von einer Kondensatoranordnung (Empfänger) begrenzt ist, welche die durch Volumenmodulation erzeugten Druckschwankungen empfängt und in elektrische Signale umwandelt. Als Antriebsmechanismus für den Druckmodulator sind elektromagnetische Mittel vorgesehen. Testvolumen und Gasvolumen stehen über eine definierte Öffnung miteinander in Verbindung.

Die Erfindungsbeschreibung enthält keinerlei Angaben über den für die Funktion der Vorrichtungen wesentlichen Abstand zwischen Druckmodulator und Empfänger. Es muß daher angezweifelt werden, daß gasartunabhängige Messungen in einem über mehrere Größenordnungen sich erstreckenden Druckbereich mit dieser Vorrichtung realisierbar sind.

Außerdem sind keine Maßnahmen vorgesehen zur Kompensation des vom Druckmodulator verursachten und auf den Empfänger übertragenen Rückstoßes, der als Störgröße den Meßbereich erheblich einschränkt.

Bekannt ist weiterhin ein Modulationsvakuummeter (US-PS 32 33 461/Heckl at al.), das allerdings keine durch Druckmodulator einerseits und Empfänger andererseits begrenzte geschlossene Modulationskammer aufweist, wie dies bei der Vorrichtung nach US-PS 34 25 281 (Barz) der Fall ist. Es weist ebenfalls keinerlei Mittel zur Rückstoßkompensation auf. Die hier beschriebene Lehre enthält jedoch Angaben zum Abstand zwischen Druckmodulator und Empfänger. Dieser Abstand soll kleiner (etwa 1/10) als die Schallwellenlänge sein. Diese allgemeine Lehre konkretisierend ist ein Abstandsbereich zwischen 1 und 5 mm beansprucht. Der Bereich kleiner als 1 mm ist demnach ausdrücklich ausgespart, vermutlich aus vom Anmelder nicht beherrschbaren strömungstechnischen und/oder technologischen Problemen.

Bekannt ist auch eine andere Vorrichtung zur Messung des absoluten Gasdruckes, die ebenfalls nach dem Prinzip der Volumenmodulation arbeitet und eine durch Druckmodulator einerseits und Empfänger andererseits begrenzte Modulationskammer aufweist (SU-Urheberschein 491 853/Solovjev).

Der Abstand zwischen den die Modulationskammer begrenzenden Membranen wird durch einen Zwischenring bestimmt, dessen Stärke den freien Wärmeaustausch zwischen den Membranen und dem zwischen ihnen befindlichen zu analysierenden Gas erlaubt. Dadurch soll die Isothermie des Prozesses der Kompression und Expansion gesichert werden. Dies ist gleichbedeutend der in der US-PS 32 33 641 (Heckl at al.) beschriebenen Lehre, den Abstand zwischen Druckmodulator und Empfänger klein gegen die Schallwellenlänge auszubilden. Eine konkrete Bemessung dieses Abstandes ist nicht genannt. Mittel zur Rückstoßkompensation sind auch hier nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Prinzip der Volumenmodulation arbeitende Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken in der Weise auszubilden, daß durch eine zweckmäßige Gestaltung der Modulationskammer sowie des Druckmodulators eine für gasartunabhängige Druckmessungen erforderliche vollständige isotherme Modulation erfolgen kann und daß durch geeignete Mittel zur Kompensation des vom Druckmodulator verursachten und auf den Empfänger übertragenen Rückstoßes Störeinflüsse vermieden werden und der Meßbereich zu kleinen Drücken hin (bis zu 10^-5 Torr) ausgedehnt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung des im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Typs erfindungsgemäß der Abstand zwischen Druckmodulator und Empfänger kleiner als 1 mm ist und als Mittel zur Kompensation des vom Druckmodulator verursachten und auf den Empfänger übertragenen Rückstoßes außerhalb der Modulationskammer ein Körper angeordnet ist, der zum Druckmodulator in Gegenphase schwingt. Bei einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung hat der Abstand zwischen Druckmodulator und Empfänger seinen Maximalwert in der Mitte der Modulationskammer und wird zum Rand hin Null, derart, daß das Verhältnis der Auslenkung des Druckmodulators zu dessen Abstand vom Empfänger an allen Punkten gleich ist. Das heißt also, daß die Modulationstiefe über die gesamte Modulationskammer konstant ist, so daß störende Gasströmungen vermieden werden.

Zweckmäßigerweise besteht der Druckmodulator aus einem scheibenförmigen Piezoelement, das auf einer Metallmembran aufgebracht ist.

Die Verwendung eines piezokeramischen Druckmodulators trägt infolge seiner geringen Masse zur Verringerung des Rückstoßes bei.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung besteht der Druckmodulator aus einem scheibenförmigen Piezoelement auf einer Metallmembran, auf der eine Kunststoffschicht aufgebracht ist, deren der Modulationskammer zugewandte Seite als Hohlfläche ausgebildet ist.

Eine Möglichkeit, die Drift der Druckmodulatoramplitude zu kontrollieren, ist dann gegeben, wenn mechanisch mit dem Druckmodulator verbundene metallische Teile, die gemeinsam mit dem Druckmodulator schwingen, und die Membran des Empfängers einen Kondensator bilden.

Die Gegenkopplung oder Regelung des phasengerechten Rückstoßes des zum Druckmodulator in Gegenphase schwingenden Körpers kann durch ein Signal erfolgen, welches mit einem dem genannten Körper zugeordneten rückstoßempfindlichen Mikrophon empfangen wird. Dadurch wird der summare Rückstoß, den der Empfänger mißt, klein gegen das durch die Druckschwankungen verursachte Meßsignal.

Zur Kompensation des vom Druckmodulator verursachten und auf den Empfänger einwirkenden Rückstoßes werden weitere ergänzende Maßnahmen vorgeschlagen, die einzeln oder in Kombination anwendbar sind.

Eine Verminderung des Rückstoßes läßt sich beispielsweise durch einen rückstoßunempfindlichen Aufbau eines als Empfänger verwendeten Kondensatormikrophons erreichen, indem alle beim Druckempfang wirksamen Kondensatorplatten eine identische Struktur aufweisen und aus gleichem Material bestehen.

Zur elektronischen Kompensation des Rückstoßsignals am als Empfänger verwendeten Kondensatormikrophon kann außerhalb der Modulationkammer ein zweites Kondensatormikrophon angeordnet sein, das nur den Rückstoß empfängt.

Neben der mechanischen Übertragung der Schwingungen des Druckmodulators auf den Empfänger durch Rückstoß tritt eine mechanische Übertragung der Schwingungen durch elastische Deformation der Halterung des Druckmodulators und des Empfängers auf. Als Maßnahme zur Unterdrückung solcher Deformation wird vorgeschlagen, die Metallmembran des Druckmodulators topfförmig auszubilden und den Druckmodulator am Rand dieser topfförmigen Membran zu haltern.

Desgleichen kann die der Modulationskammer zugewandte Empfängermembran topfförmige Gestalt haben und ebenfalls an ihrem Rand gehaltert sein.

Die Druckmodulation in der Modulationskammer wird dadurch bewirkt, daß an den Druckmodulator eine Wechselspannung angelegt wird, so daß dieser sich im Takt der Frequenz der Spannung bewegt. Die auf diese Weise in der Modulationskammer erzeugten Druckschwankungen werden von dem Empfänger, vorzugsweise ein Kondensatormikrophon, in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches an eine elektronische Auswertungsanordnung weitergeleitet wird.

Wenn das zu messende Gas in guter Näherung durch die Zustandsgleichung für ideale Gase beschrieben werden kann, so gilt

p · V = K, (1)

wobei p der zu messende Druck, K eine Konstante und V das Volumen ist, das moduliert werden soll.

Wird das Volumen zwischen zwei Extremen V₁ und V₂ variiert, so ist die resultierende Druckdifferenz

Setzt man für K in (2) den Wert aus (1) ein, so folgt

Bei konstanter Volumenmodulation ist deswegen die Druckvariation dem Absolutdruck proportional. Der Proportionalitätsfaktor wird durch die geometrischen Verhältnisse gegeben und enthält keine gasartabhängigen Größen.

Bei einer Meßbandbreite von 1 Hz kann bei Verwendung eines Kondensatormikrophons als Empfänger und unter der Voraussetzung, daß sich Erschütterungen, die vom Druckmodulator aus direkt über das Gehäuse an den Empfänger übertragen werden, kompensieren oder vermeiden lassen, in einem Druckbereich von mehr als 6 Größenordnungen der Druck mit der Genauigkeit, mit der die Zustandsgleichung des zu messenden Gases mit der Zustandsgleichung für ideale Gase übereinstimmt, linear und gasartunabhängig gemessen werden.

Durch Wahl der Größe der Modulationskammer und der Empfindlichkeit der Membran des Empfängers läßt sich der Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung in weiten Grenzen verändern.

Es lassen sich mehrere Vorrichtungen mit unterschiedlichem Einsatzbereich durch eine elektronische Auswertungsanordnung in einem Gerät zusammenfassen, wodurch der Meßbereich des Gerätes über alle mit dem Meßverfahren erfaßbaren Druckbereiche ausgedehnt werden kann.

Die nach dem Prinzip der Volumenmodulation arbeitende erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber bekannten Vakuummeßgeräten des gleichen Typs wesentliche Vorteile auf.

Mit nur einem Meßkopf sind mit hoher Genauigkeit kontinuierliche Druckmessungen über einen mehrere Größenordnungen umfassenden Meßbereich linear und gasartunabhängig durchführbar.

Eine derartige Vorrichtung gestattet einen lageunabhängigen Betrieb. Sie ist sofort meßbereit und druckeinbruchsicher. Ihre Handhabung ist einfach.

Weitere Vorteile sind ihre geringe Masse, geringe räumliche Abmessungen und ihre einfache Bauweise, die sich günstig auf die Herstellungstechnologie auswirkt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den Axialschnitt eines Gasdruck-Meßkopfes nach der Erfindung in schematischer, vergrößerter Darstellung,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Systems Druckmodulator-Empfänger in einem Meßkopf nach Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist innerhalb eines vakuumdichten Gehäuses 1, das mittels Vakuumschliff 2 mit dem Volumen verbindbar, ist, welches den zu messenden Gasdruck aufweist, eine Modulationskammer 3 ausgebildet. Diese Modulationskammer 3 ist einerseits durch einen Druckmodulator 4 und andererseits durch einen Empfänger 5 zur Umwandlung des Druckes in ein elektrisches Signal begrenzt. Der Abstand zwischen Druckmodulator 4 und Empfänger 5 hat seinen Maximalwert α _max in der Kammermitte und wird zum Rand der Modulationskammer 3 hin Null.

Der Abstand α _max soll 1 mm nicht überschreiten. Er beträgt bei dem Ausführungsbeispiel 0,3 mm. Der Druckmodulator 4 besteht hier aus einem scheibenförmigen Piezoelement 6 auf einer Metallmembran 7, auf der eine Kunsstoffschicht 8, z. B. aus Epoxyharz bestehend, aufgebracht ist. Die der Modulationskammer 3 zugewandte Seite der Kunststoffschicht 8 ist als Hohlfläche ausgebildet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Membranen des als Empfänger 5 verwendeten Kondensatormikrophons identisch aufgebaut und bestehen aus gleichem Material.

Zur mechanischen Kompensation des Rückstoßes des Druckmodulators 4 ist außerhalb der Modulationskammer 3 ein Körper 9, hier eine Piezokeramik, angeordnet, der zum Druckmodulator 4 in Gegenphase schwinkt. Zur Gegenkopplung oder Regelung des phasengerechten Rückstoßes des Körpers 9 kann diesem ein rückstoßempfindliches Mikrophon 10 zugeordnet sein, das hier ebenfalls eine Piezokeramik ist. Um das Rückstoßsignal des Empfängers 5 elektronisch zu kompensieren, ist ein zweites Kondensatormikrophon 11 vorgesehen, das nur den Rückstoß empfängt. Der Gehäusedeckel 1 a übernimmt hier die Funktion einer Kondensatorplatte.

In der die Modulationskammer 3 begrenzenden Membran des Empfängers 5 befindet sich eine definierte Abpumpöffnung 12, welche über weitere Abpumpöffnungen 13 in der Vorrichtung die Verbindung herstellt zwischen der Modulationskammer 3 und dem den zu messenden Gasdruck aufweisenden Volumen (in der Zeichnung nicht dargestellt).

Die Öffnung 12 ist derart bemessen, daß sich der Gasdruck in der Modulationskammer innerhalb einer Modulationsperiode nicht an den Gasdruck des übrigen Volumens angleichen kann. Die Öffnung ermöglicht eine kontinuierliche Druckmessung, da sich der Gasdruck in einer Zeit, die groß gegen die Modulationsperiode ist an den äußeren Gasdruck angleicht. Andere Abpumpöffnungen 14 verbinden das genannte Volumen mit weiteren Zwischenräumen zwischen den einzelnen Funktionselementen des Meßsystems. Die Metallmembranen der Funktionselemente des Meßsystems sind gegeneinander und gegen ihre Aufnahmen durch Isolatoren 15 isoliert.

Der Druckmodulator 4 ist über die Leitung a an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen und seine Metallmembran 7 über die Leitung b mit dem Gegenpol 16 der Wechselspannungsquellen verbunden, welche der Anregung des Druckmodulators 4 und des zum Druckmodulator 4 in Gegenphase schwingenden Körpers 9 dienen. Der Gegenpol 16 wird für die Kontrollmessung der Druckmodulatoramplitude an Masse gelegt. Der Körper 9 ist über die Leitung c an eine Wechselspannungquelle angeschlossen und seine Metallmembran über die Leitung d mit der Leitung b und damit ebenfalls mit dem Gegenpol 16 der Wechselspannungsquellen verbunden.

Das Signal, welches das rückstoßempfindliche Mikrophon 10 abgibt, wird über die Leitung c aus dem Gehäuse 1 herausgeführt. Die Metallmembran des Mikrophons 10 ist über die Leitung f mit der Metallmembran des Körpers 9 verbunden. Die die Modulationskammer 3 begrenzende Membran des Empfängers 5 ist über die Leitung g an Masse angeschlossen. Zur Kontrolle der Amplitude des Druckmodulators 4 wird die Leitung g an eine Gleichspannungsquelle mit hohem dynamischen Innenwiderstand angeschlossen.

Die der Modulationskammer 3 abgewandte Membran des Empfängers 5 ist über die Leitung h an eine Gleichspannungsquelle mit hohem dynamischen Innenwiderstand und an eine (hier nicht dargestellte) elektronische Auswertungsanordnung angeschlossen, die das über die Leitung herausgeführte Meßsignal weiterverarbeitet. Die Membran des der Rückstoßkompensation dienenden Kondensatormikrophons 11 ist über die Leitung i an eine Gleichspannungsquelle mit hohem dynamischen Innenwiderstand angeschlossen.

Der elektrische Schirm 17 dient der Abschirmung der anregenden Wechselspannung von den Membranen des Empfängers 5, des der Rückstoßkompensation dienenden Kondensatormikrophons 11 und von den Leitungen g, h, i.

Fig. 2 zeigt eine alternative Gestaltung des Druckmodulators 4 und des Empfängers 5, die geeignet ist, die mechanische Übertragung der Schwingungen des Druckmodulators 4 auf den Empfänger 5 infolge elastischer Deformation der Halterung des Druckmodulators 4 und des Empfängers 5 zu unterdrücken. Dabei ist die Metallmembran 7 des Druckmodulators 4 topfförmig ausgebildet und der Druckmodulator 4 am Rand dieser topfförmigen Membran 7 gehaltert. Desgleichen hat die die Modulationskammer 3 begrenzende Membran des Empfängers 5 topfförmige Gestalt und ist ebenfalls an ihrem Rand gehaltert.

Claims

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Gasdrücken, bei der das zu bemessende Gas in einem Teilvolumen moduliert wird und die so erzeugten Druckschwankungen in elektrische Signale umgewandelt werden, die dem zu messenden Gasdruck proportional sind, mit einer Modulationskammer, die eine definierte Öffnung (12) zum Gasvolumen hat und die einerseits von einem an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Druckmodulator und andererseits von einem Empfänger begrenzt ist, wobei der Abstand zwischen Druckmodulator und Empfänger klein gegen die Schallwellenlänge bei der Modulationsfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Druckmodulator (4) und Empfänger (5) kleiner als 1mm ist und daß als Mittel zur Kompensation des Rückstoßes des Druckmodulators (4) außerhalb der Modulationskammer (3) ein Körper (9) angeordnet ist, der zum Druckmodulator (4) in Gegenphase schwingt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Druckmodulator (4) und Empfänger (5) seinen Maximalwert in der Mitte der Modulationskammer (3) hat und zum Rand hin Null wird, derart, daß das Verhältnis der Auslenkung des Druckmodulators (4) zu dessen Abstand vom Empfänger (5) an allen Punkten gleich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmodulator (4) aus einem scheibenförmigen Piezoelement (6) besteht, das auf einer Metallmembran (7) aufgebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmodulator (4) aus einem scheibenförmigen Piezoelement (6) auf einer Metallmembran (7) besteht, auf der eine Kunststoffschicht (8) aufgebracht ist, deren der Modulationskammer (3) zugewandte Seite als Hohlfläche ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch mit dem Druckmodulator (4) verbundene metallische Teile und die Membran des Empfängers (5) einen Kondensator bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gegenkopplung oder Regelung des phasengerechten Rückstoßes des zum Druckmodulator (4) in Gegenphase schwingenden Körpers (9) ein rückstoßempfindliches Mikrophon (10) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Druckmodulator (4) und Empfänger (5) kleiner als 1 mm ist und daß als Mittel zur Kompensation des Rückstoßes des Druckmodulators (4) alle beim Druckempfang wirksamen Kondensatorplatten eines als Empfänger (5) verwendeten Kondensatormikrophons identisch aufgebaut sind und aus gleichem Material bestehen.

8. Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Druckmodulator (4) und Empfänger (5) kleiner als 1 mm ist und daß als Mittel zur Kompensation des Rückstoßes des Druckmodulators (4) an einem als Empfänger (5) verwendeten Kondensatormikrophon außerhalb der Modulationskammer (3) ein zweites Kondensatormikrophon (11) angeordnet ist, das nur den Rückstoß empfängt.