DE3641842A1

DE3641842A1 - Verfahren und vorrichtung zur druckmessung in einem gasfoermigen medium

Info

Publication number: DE3641842A1
Application number: DE19863641842
Authority: DE
Inventors: Paul Prof Dr Leiderer
Original assignee: Individual
Current assignee: Leiderer Paul Prof Dr 7735 Allensbach De
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1986-12-08
Publication date: 1988-06-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Druckes in einem gasförmigen Medium und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Unter den zahlreichen bisher bekannten Verfahren zur Druckmessung in gasförmigen Medien gibt es einige, bei denen als Sensorelement ein Schwingquarz dient, wie es beispielsweise aus der DE-OS 33 45 750 bekannt ist. Typischerweise ist bei derartigen Wandlern der Sensorquarz von dem äußeren Druckmedium isoliert; der zu messende Druck wirkt auf eine Membran und wird über ein geeignetes Lager auf den Schwingquarz übertragen. Die dadurch hervorgerufene Änderung der Resonanzfrequenz des Quarzes ist dann ein Maß für den wirkenden Druck. Wegen der hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Quarzkristallen verfügen derartige Anordnungen über gute Stabilität und zeigen nur geringe Hystereseeffekte. Allerdings sind sie im Bereich niedriger Drucke (≦ etwa 10 Pa) wegen zu geringer Empfindlichkeit in der Regel nicht einsetzbar.

Für den Meßbereich von etwa 10^-2 bis 10 Pa ist das Quarzfaden-Vakuummeter von Klumb und Heilingbrunner einsetzbar, wie es in H. Klumb und O. Heilingbrunner, Glas- und Hochvakuumtechnik 2, 269 (1953) bzw. in F. X. Eder, Moderne Meßmethoden der Physik, VEB Dt. Verlag der Wissenschaften, Berlin 1968, S. 218 beschrieben ist. Dieses Gerät beruht auf der Dämpfung eines schwingenden Quarzglasfadens. Auch hier dient die Resonanzamplitude als Maß für den Gasdruck. Wegen des Fadens ist das Gerät aber gegen Erschütterungen sehr empfindlich und nur bei niedrigem Druck einzusetzen.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Messung des Druckes in einem gasförmigen Medium und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, die vom Bereich niedriger Drucke bis zum normalen Atmosphärendruck funktionsfähig ist und sich durch einfachen und robusten Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 2 gelöst. Damit läßt sich mit ein- und demselben Meßkopf ein sehr weiter Druckbereich von normalem Atmosphärendruck (∼10⁵ Pa) bis zum Hochvakuum (∼10^-3 Pa) erfassen. Der Einsatz des Schwingquarzes anstelle des Glasfadens erlaubt nicht nur eine deutliche Vereinfachung bei der Rückkopplung des Systems, sondern führt auch zu einer sehr geringen Erschütterungsempfindlichkeit. Zudem erlaubt die höhere Betriebsfrequenz eine wesentliche Erweiterung des Meßbereiches zu höheren Drucken hin.

Vorteilhaft wird als Schwingquarz ein Stimmgabel-Quarz verwendet. Es hat sich gezeigt - wie weiter unten erläutert wird - daß ein solcher auch noch über den Bereich des Atmosphärendrucks hinaus noch verwertbare Signale liefert.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der im folgenden die Grundlagen und ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erörtert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Druckmeßgerätes

Fig. 2a-c den Anzeigeverlauf in verschiedenen Meßbereichen.

Das Kernstück des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers ist ein Schwingquarz in Form einer Stimmgabel, wie er ähnlich als frequenzbestimmendes Element in Quarzuhren Verwendung findet. Der Quarzkristall ist von einem gasförmigen Medium umgeben, dessen Druck gemessen werden soll. Wird der Quarz zu Schwingungen angeregt, so führen die beiden Arme der Stimmgabel oszillierende Bewegungen aus und übertragen kinetische Energie auf die umgebenden Gasmoleküle. Dieser Energieentzug führt zu einer Dämpfung der Quarzschwingung, die um so ausgeprägter ist, je höher die Dichte und damit der Druck des Gases ist. Bei der Beschreibung der Energieübertragung kann man zwei Bereiche unterscheiden, je nachdem, ob die mittlere freie Weglänge l eines Gasmoleküls zwischen zwei Stößen mit anderen Molekülen größer oder kleiner als die charakteristische Gefäß- bzw. Quarzabmessung a ist.

Im Falle des niedrigen Gasdruckes, also wenn die mittlere freie Weglänge größer ist als die Quarzabmessung von ca. 1 mm, kann man die Wechselwirkung des Gases mit der Stimmgabel als Summe von Einteilchenprozessen auffassen. Einzelne Gasmoleküle treffen unabhängig voneinander auf die Stimmgabeloberfläche mit thermischer Energie auf und nehmen im Mittelwegen der Relativbewegung der Stimmgabelarme bezüglich der umgebenden Behälterwand - bei der Reflexion kinetische Energie auf. Die dem Quarzoszillator pro Zeiteinheit entzogene Energie und damit dessen Dämpfung ist proportional zur Anzahl der pro Zeiteinheit auftreffenden Moleküle und deshalb auch direkt proportional zum Druck.

Eine gedämpfte erzwungene Schwingung läßt sich nämlich darstellen durch die Differentialgleichung:

wobei m die Masse des Oszillators, k die Dämpfungskonstante, D die Federkonstante und F _ext die periodisch wirkende äußere Kraft bedeuten. Die Dämpfungskonstante k ist umgekehrt proportional zur Amplitude A:

A∝1/k.

Die Dämpfungskonstante k setzt sich zusammen aus der Dämpfung durch das Gas k _G sowie aus Beiträgen k _R, die auch bei verschwindendem Druck vorhanden sind, wie Verluste durch die Halterung, Reibungsverluste im Quarz u. dgl.:

k = k _G+k _R

d. h.

Gesucht ist nun das Verhalten bei kleinen Gasdrucken (k _G → 0):

d. h.

Da bei niedrigen Drucken die Dämpfung durch das Gas proportional zum Druck ist und die Amplitude proportional zur gemessenen Spannung ist, gilt

U-U(p = 0) = -C · p.

Dabei ist p der Druck, U die angezeigte Spannung, U(p = 0) die angezeigte Spannung bei Druck 0, und C der Proportionalitätsfaktor.

Die Wirkungsweise des Sensors ist in diesem Bereich ähnlich der des beispielsweise in DE-OS 30 19 315 A1 beschriebenen Gasreibungsvakuummeters, das auf der Abbremsung einer rotierenden Kugel beruht und das sehr empfindlich ist. Anstelle der rotierenden Kugel liegt bei der Erfindung jedoch eine oszillierende Bewegung vor; für den Dämpfungsmechanismus ist dies jedoch ohne Auswirkung. Die Geschwindigkeit der Stimmgabelarme ist nämlich, ähnlich wie die Oberflächengeschwindigkeit der rotierenden Kugel, klein gegen die Geschwindigkeit der auftreffenden Gasmoleküle. Die Dämpfung wird durch die Viskosität des Gases bestimmt, die in diesem Druckbereich proportional zum Druck ist. Dazu kommt die Abhängigkeit von der Gasart (Molekül der Masse M) und von der Temperatur T in der Form (M/T) ^½. Der gleiche Faktor tritt bei Gasreibungsvakuummetern sowie bei Manometern auf, in denen die Wärmeleitfähigkeit von Gasen für die Druckmessung ausgenützt wird, z. B. bei der Pirani-Meßröhre.

Im Falle des hohen Gasdruckes, also wenn die mittlere freie Weglänge l kleiner ist als die Quarzabmessung, bricht das Bild von der Energieübertragung als Summe voneinander unabhängiger Einteilchenprozesse zusammen. Stattdessen kann von einer gedämpften Schwingung in einem viskosen fluiden Medium ausgegangen werden, in dem durch die Bewegung der Stimmgabelarme mehr oder weniger komplexe Strömungen angefacht werden. Die einfache Proportionalität zwischen Dämpfung und Druck gilt dann nicht mehr. Die Aussage "Höherer Druck bedeutet höhere Dämpfung" trifft jedoch weiterhin zu, da zusätzliche Gasmoleküle die Quarzschwingung immer behindern - wenn auch nicht mehr proportional zu ihrer Anzahl.

Im Bereich relativ hoher Drucke (l«a) weist das beschriebene Verfahren einen entscheidenden Vorteil gegenüber den Methoden auf, die allein auf einer Messung der Viskosität η bzw. der Wärmeleitfähigkeit basieren: Da für l«a sowohl η als auch unabhängig vom Gasdruck sind, geht die Empfindlichkeit von Reibungs- und Wärmeleitungsmanometern in diesem Bereich gegen Null. Der erfindungsgemäße Schwingquarz-Druckaufnehmer liefert dagegen selbst im Bereich des Atmosphärendrucks und darüber hinaus noch verwertbare Signale. Ursache dafür ist die Beschleunigung des umgebenden Gasvolumens durch die oszillierende Bewegung der Stimmgabelarme. Die vom Schwingquarz in das Gas abgestrahlte Leistung wird deshalb nicht nur von der Viskosität, sondern auch von der Masse des beschleunigten Gasvolumens bestimmt und ändert sich damit auch bei sehr kurzer mittlerer freier Weglänge noch mit dem Gasdruck.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Komponenten für ein Druckmeßgerät gemäß der Erfindung. Der Stimmgabelquarz mit einer Frequenz von beispielsweise 28 kHz ist das Rückkoppelelement in einer temperaturstabilisierten Oszillatorschaltung. Über eine Bohrung in der Gehäusekapsel steht der Quarz mit dem Gas, dessen Druck bestimmt werden soll, in Verbindung. Die Amplitude der über den Schwingquarz rückgekoppelten elektrischen Schwingung ist umso größer, je geringer die Dämpfung durch das Gas ist. Über einen Verstärker und einen Gleichrichter wird das Signal weiterverarbeitet und schließlich zur Anzeige gebracht. Die angezeigte Ausgangsspannung ist proportional zur Amplitude des Schwingquarzes.

Fig. 2 zeigt die Anzeige (in Millivolt) als Funktion des Druckes in verschiedenen Bereichen. Das untersuchte Gas ist in diesem Fall Luft bei 20°C.

In Fig. 2a ist der Bereich niederen Druckes (l < a) dargestellt, in dem - wie oben abgeleitet - in guter Näherung ein linearer Zusammenhang der Form

U-U(0) = -C · p

zwischen Druck p und angezeigter Spannung U besteht. U(0) ist die angezeigte Spannung bei Druck 0, der Proportionalitätsfaktor C beträgt hier 22 mV/Pa. Bei einer Genauigkeit der Anzeige von 10^-5 wird damit ein Druck von 10^-3 Pa noch aufgelöst.

Fig. 2b zeigt den Bereich hoher Drucke (l«a).

Einen Überblick über den Verlauf des Signals von 1 bis 10⁵ Pa gibt Fig. 2c.

Bei Einspeicherung der gesamten Kennlinie in einen Rechner läßt sich auch eine Umrechnung des Meßsignals in Absolutwerte des Drucks und damit direkt eine Anzeige in Pa erreichen.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung gegenüber anderen Druckaufnehmern lassen sich somit folgendermaßen zusammenfassen:

Gegenüber Quarzsensoren, bei denen die Frequenzänderung gemessen wird, ergibt sich eine höhere Empfindlichkeit bei niederen Drucken. Gegenüber Wärmeleitungsmanometern ergibt sich ein wesentlich erweiterter Meßbereich sowohl zu höheren als auch zu niedrigeren Drucken hin. Gegenüber dem Gasreibungsvakuummeter schließlich wird der Druckbereich zu hohen Drucken hin erweitert und die Ausführung vereinfacht.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Drucks in einem gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines temperaturstabilen Oszillators mit einem im Medium befindlichen, als Rückkoppelelement dienenden Schwingquarz aus der vom Druck abhängigen Dämpfung des Schwingquarzes und der daraus resultierenden Veränderung des Gütefaktors des Resonatorsystems der Gasdruck ermittelt wird.

2. Vorrichtung zur Messung des Druckes in einem gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem temperaturstabilen Oszillator mit einem im Medium befindlichen Schwingquarz sowie einer Meßeinrichtung zur Ermittlung der vom Druck abhängigen Dämpfung des Schwingquarzes und der daraus resultierenden Veränderung des Gütefaktors des Resonatorsystems besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingquarz ein Stimmgabel-Quarz ist.