DE60307871T2

DE60307871T2 - Vorrichtungen und verfahren zur wärmeverlustdruckmessung

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Publication number: DE60307871T2
Application number: DE60307871T
Authority: DE
Inventors: D. Michael Boulder BORENSTEIN
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: US6865952B2; AU2003279271A1; US20040216528A1; ATE337543T1; EP1552265B1; KR20050051705A; EP1552265A1; FR2847982B1; WO2004036169A1; JP2006503290A; DE60307871D1; US20030097876A1; CN100374839C; US20040216527A1; TW200411154A; US6938493B2; FR2847982A1; CN1711465A; US6945119B2

Description

Hintergrund
Weil die Rate des Wärmetransfers durch ein Gas eine Funktion des Gasdrucks ist, können unter bestimmten Bedingungen Messungen von Wärmetransferraten von einem erhitzten Sensorelement zum Gas bei geeigneter Kalibrierung verwendet werden, um den Gasdruck zu bestimmen. Dieses Prinzip wird im wohlbekannten Pirani-Messinstrument (in schematischer Form in 1a und 1b dargestellt) verwendet, bei dem Wärmeverlust mit einem Wheatstone-Brückennetzwerk gemessen wird, das sowohl zum Erhitzen des Sensorelements als auch zum Messen dessen Widerstands dient.
Bezug nehmend auf 1a besteht in einem Pirani-Messinstrument der Drucksensor aus einem temperaturempfindlichen Widerstand RS, der als ein Arm einer Wheatstone-Brücke angeschlossen ist. R2 ist typischerweise ein temperaturempfindlicher Widerstand, der so gestaltet ist, dass er aufgrund des Stroms i₂ einen vernachlässigbaren Temperaturanstieg besitzt. R3 und R4 sind typischerweise feste Widerstände. RS und typischerweise R2 werden der Vakuumumgebung ausgesetzt, deren Druck gemessen werden soll. 1b zeigt eine alternative Brückenkonfiguration.
Pirani-Messinstrumente wurden mit einem konstanten Strom i₁ (wie im US-Patent 3,580,081 gezeigt) oder mit einer konstanten Spannung über RS betrieben. Bei diesem Verfahren wird ein elektrisches Ungleichgewicht der Brücke erzeugt, das den Gasdruck widerspiegelt. Pirani-Messinstrumente wurden auch mit konstantem Widerstand RS betrieben (wie gezeigt im US-Patent 2,938,387). Bei dieser Betriebsart wird die Rate, mit der Energie zugeführt wird, mit Veränderungen im Gasdruck variiert, so dass die Veränderungsrate der zugeführten Energie Veränderungen im Gasdruck widerspiegelt. Jede Betriebsweise besitzt verschiedene Vorteile und Nachteile, aber die nach folgende Diskussion bezieht sich insbesondere auf das Verfahren des konstanten Widerstands und den Aufbau von 1a.
Die Spannung V_B wird automatisch gesteuert, um den Spannungsunterschied zwischen A und C in 1a bei null Volt zu halten. Wenn der Spannungsabfall von A zu C null ist, bezeichnet man die Brücke als im Gleichgewicht befindlich. Im Gleichgewichtszustand der Brücke ergeben sich die folgenden Zustände: iS = i2, (1) i4 = i3, (2) iSRS = i4R4 (3)und i2R2 = i3R3 (4)
Wenn man Gleichung 3 durch Gleichung 4 teilt und Gleichung 1 und 2 verwendet, erhält man RS = βR2 (5)wobei β = R4/R3 (6)
Somit ist im Brückengleichgewicht RS ein konstanter Bruchteil β von R2.
Um bei jedem gegebenen Druck einen stationären Zustand bei RS zu erhalten, muss Gleichung 7 erfüllt sein: in RS eingegebene elektrische Leistung = von RS abgestrahlte Leistung + aus den Enden von RS verlorene Leistung + von RS an das Gas verlorene Leistung (7)
Ein konventionelles Pirani-Messinstrument wird gegenüber mehreren bekannten Drücken kalibriert, um eine Beziehung zwi schen einem unbekannten Druck P_X und dem Leistungsverlust an das Gas oder einfacher an die Brückenspannung zu bestimmen. Dann kann unter der Annahme, dass Endverluste und Strahlungsverluste konstant bleiben, der unbekannte Druck des Gases P_X direkt durch den Leistungsverlust an das Gas oder in Verbindung mit der Brückenspannung im Brückengleichgewicht bestimmt werden.
Weil Pirani-Messinstrumente derart gestaltet sein können, dass sie einen weiten Bereich umfassen, und relativ einfach und günstig sind, besteht seit langem die Notwendigkeit, diese Messinstrumente als einen Ersatz für teurere Messinstrumente wie Kapazitätsmanometer und Ionisierungs-Messinstrumente verwenden zu können. Die existierenden Ausgestaltungen lassen jedoch im Sinne einer genauen Druckmessung, insbesondere bei geringen Drücken, viel zu wünschen übrig.
Vor 1977 war wegen der Tatsache, dass in Vorrichtungen makroskopischer Größe bei höheren Drücken die thermische Leitfähigkeit eines Gases im Wesentlichen unabhängig vom Druck wird, die obere Druckgrenze von Pirani-Messinstrumenten etwa 20 Torr. Einer der angegebenen Erfinder half dabei, das CONVECTRON^®-Messinstrument zu entwickeln, das vom Anmelder (Granville-Phillips Company aus Boulder, Colorado) seit 1977 produziert und verkauft wird und eine Konvektionskühlung des Sensorelements verwendet, um eine gesteigerte Sensitivität von 20 bis 1.000 Torr zu liefern. Hunderttausende von CONVECTRON^®-Messinstrumenten wurden weltweit verkauft. Jüngst erschienen einige Nachahmungen auf dem Markt.
Obwohl das CONVECTRON^®-Messinstrument ein unerfülltes Bedürfnis gestillt hat, hat es mehrere Nachteile. Notwendigerweise besitzt es große innere Abmessungen, um den Raum für die Konvektion bereitzustellen. Deshalb ist es relativ groß. Weil die Konvektion schwerkraftabhängig ist, hängen Druckmessungen bei höheren Drücken von der Ausrichtung der Sensorachse ab. Weil der Druckbereich, bei dem Gasleitungskühlung dominiert, nicht sauber mit dem Druckbereich überlappt, bei dem Konvektionskühlung auftritt, besitzt das CONVECTRON^®-Messinstrument eine begrenzte Sensitivität von etwa 20 bis 200 Torr.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wurden Mikrominiatur-Pirani-Sensoren entwickelt, die Entfernungen zwischen Sensor und Wand in der Größenordnung einiger Mikrometer anstelle der zuvor verwendeten deutlich größeren Abstände, z.B. 1.27 cm (0.5 in), verwenden. Siehe beispielsweise die US-Patente 4,682,503 von Higashi et al. und 5,347,869 von Shie et al. W.J. Alvesteffer et al. beschreiben in einem Artikel, der in J. Vac. Sci. Technol. A 13(6), Nov./Dez. 1995 erschienen ist, die jüngste Arbeit betreffend Pirani-Messinstrumenten, die den angegebenen Erfindern bekannt ist. Die Verwendung solch geringer Abstände zwischen Sensor und Wand liefert selbst bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks eine druckabhängige thermische Leitfähigkeit. Somit besitzen solche mikroskopischen Sensoren eine gute Sensitivität von einem niedrigen Druck bis hin zu einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks und funktionieren in jeder Ausrichtung.
Es gibt eine Anzahl von Problemen bei früheren Versuchen, Mikrominiatur-Messinstrumente zu entwickeln. Obwohl Mikrominiatur-Sensoren eine gute Sensitivität über einen großen Druckbereich unabhängig von der Ausrichtung liefern, ist ihr Design extrem komplex und die Herstellung erfordert zahlreiche komplizierte Bearbeitungsschritte mit hoch spezialisierter Ausrüstung, die Hunderttausende von Dollar kostet.
Mikrominiatur-Sensoren leiden unter derselben Art von durch die Umgebungstemperatur verursachten Fehlern wie makroskopische Sensoren. Alle Wärmeverlustterme in Gleichung 7 sind abhängig von der Umgebungstemperatur und von der Temperatur des Sensorelements bei jedem gegebenen Druck. Deshalb wird jeder Versuch bei der Druckmessung mit einem Pirani-Messinstrument ohne Temperaturberichtigung durch nicht vom Druck abhängige Leistungsverluste, die durch Veränderungen in der Umgebungs temperatur hervorgerufen werden, durcheinander gebracht. Alle modernen Pirani-Messinstrumente versuchen die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufenen Fehler zu korrigieren. Ein weit verbreitetes Mittel zum Korrigieren solcher Fehler liegt darin, für R2 ein temperaturempfindliches Kompensationselement RC in Reihe mit einem festen Widerstand R zu verwenden, wie in 1a und 1b gezeigt ist.
Das britische Patent GB 2105047 A offenbart den Einsatz eines zusätzlichen Widerstands, um einen Spannungsteiler zu schaffen. J.H. Leck bemerkt auf Seite 58 von "Druckmessung im Vakuum", Chapman und Hall, London (1964), dass Hale im Jahre 1911 R2 in seinem Pirani-Messinstrument aus demselben Material und mit denselben physikalischen Abmessungen wie RS machte. R2 wurde in seiner eigenen Vakuumumgebung abgedichtet und in enger Nähe zu RS angeordnet. Wenn die Drücke bei R2 und RS gleich waren, wurde eine herausragende Temperaturkompensation erzielt. Bei anderen Drücken ist dieses Mittel der Temperaturkompensation jedoch nicht sehr effektiv.
Um die zusätzlichen Kosten und die Komplexität der Vakuumbildung und des Abdichtens von R2 in einem gesonderten Kolben zu vermeiden, wird R2 konventionellerweise in derselben Vakuumumgebung wie RS angeordnet. Indem man R2 eine relativ große thermische Masse und große thermische Verluste zuordnet, kann die Selbsterhitzung von R2 vernachlässigbar gemacht werden. Leck empfiehlt, dass R2 "in zwei Abschnitte, beispielsweise einen aus Kupfer und den anderen aus Nickelchrom-Draht unterteilt ist ... so dass der Gesamttemperaturkoeffizient (von R2) genau dem des Pirani-Elements selbst (RS) entspricht." Nach Leck wurde dieses Verfahren der Temperaturkompensation von Edwards High Vacuum aus Großbritannien in dem Messinstrument der Marke METROVAC^® verwendet. Eine ähnliche Anordnung zur Temperaturkompensation wird im Messinstrument der Marke CONVECTRON^® verwendet.
Diese Technik (unter Verwendung von zwei oder mehr Materialien bei R2 mit verschiedenen Widerstandstemperaturkoeffizienten, um den Temperaturkoeffizienten von RS anzunähern) ist jedoch lediglich über einen engen Druckbereich effektiv. In der Tat kann die Kompensation lediglich bei exakt einer Temperatur, oder höchstens bei mehreren Temperaturen, wie im US-Patent 4,541,286 bemerkt ist, das diese Form von Temperaturkompensation in einem Pirani-Messinstrument offenbart, durchgeführt werden. Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass Konfigurationen mit einer großen thermischen Masse die Reaktionszeit des Messinstruments auf plötzliche Veränderungen in der Umgebungstemperatur beträchtlich erhöhen.
Die Erfinder haben auch durch umfassende Computersimulationen herausgefunden, dass die Verwendung von gleichen Temperaturkoeffizienten für RS und R2, wie es von Leck empfohlen wird und im Stand der Technik praktiziert wird, keine vollständig genaue Temperaturkompensation liefert. Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass bei Drücken unterhalb von etwa 5 × 10^–3 Torr die Endverluste die Summe aller anderen Verluste übersteigen. Die relativen Verlustkomponenten, wie sie durch diese Untersuchung bestimmt wurden (Strahlungsverlust-, Endverlust- und Gasverlustkomponenten des Gesamtverlusts), sind im Graph aus 2 dargestellt. Bei 1 × 10^–5 Torr sind die Endverluste über 1.000 mal höher als der Gasverlust, und die Strahlungsverluste sind etwa 100 mal größer als der Gasverlust.
Deshalb sind Temperaturänderungseffekte bei Pirani-Messinstrumenten im Stand der Technik bei sehr geringen Drücken besonders problematisch, wo Gasleitungsverluste sehr niedrig sind. Wärmeverlust-Messinstrumente des Standes der Technik können sehr niedrige Drücke, beispielsweise 1 × 10^–5 Torr, nicht genau messen. Die Erfinder haben entdeckt, dass diese Einschränkung ein Ergebnis des Versäumnisses ist, Endverluste im Sensorelement ausreichend konstant zu halten, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Das Pirani- Messinstrument vom Alvesteffer-Typ besitzt die Fähigkeit, Druck im 10^–5 Torr-Bereich anzuzeigen, aber liefert innerhalb dieses Bereichs keine genaue Anzeige. Wenn beispielsweise die Endverluste in einem typischen Pirani-Messinstrument nicht auf 1/5000 konstant gehalten werden, kann eine Druckangabe bei 1 × 10^–5 Torr um 50% bis 100 abweichen.
Die folgende Analyse zeigt, warum Designs nach dem Stand der Technik schlecht geeignet sind, angemessene Korrekturen für Veränderungen der Umgebungstemperatur bei geringen Drücken durchzuführen. Bei der Untersuchung des Standes der Technik werden zum besseren Verständnis die Probleme unter Verwendung von Beispielsmessinstrumenten mit einem relativ großen Abstand zwischen Sensorelement und Wand erläutert. Es sollte klar sein, dass die gleichen Probleme bei den viel komplexeren Geometrien von Mikrominiatur-Messinstrumenten auftreten, bei denen die Abstände zwischen Sensorelement und Wand in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegen.
3 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts 302 eines konventionellen Pirani-Messinstruments, das ein Drahtsensorelement 304 mit kleinem Durchmesser und ein Kompensationselement 303 verwendet. Wer mit dem Design von Pirani-Messinstrumenten vertraut ist, wird erkennen, dass die Komponenten in 3 nicht maßstabsgetreu dargestellt sind, um die Erläuterungen zu vereinfachen und das Verständnis zu verbessern. Typischerweise ist das Drahtsensorelement 304 mit kleinem Durchmesser elektrisch und thermisch an viel größere elektrische Verbinder 306, 307 angeschlossen, die thermisch an viel größere Tragestrukturen 308, 309 angeschlossen sind. T_AL stellt die Temperatur in der Tragestruktur 308 am linken Ende des Sensorelements 304 dar, und T_AR stelle die Temperatur in der Tragestruktur 309 am rechten Ende zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt t dar. T_SL und T_SR sollen die Temperaturen am linken Sensorelementverbinder 306 bzw. am rechten Sensorelementverbinder 307 darstellen. T_CL und T_CR sollen die Temperaturen am linken Kompensationselementverbinder 310 bzw.
am rechten Kompensationselementverbinder 311 darstellen. T_XL und T_XR sollen die Temperaturen in einem Abstand ΔX von den Verbindern 306 bzw. 307 darstellen. In den Ausgestaltungen des Standes der Technik wurde offensichtlich angenommen, dass all diese Temperaturen gleich sind. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass selbst anscheinend vernachlässigbare Unterschiede von großer Wichtigkeit für die Genauigkeit bei einem niedrigen Druck sind.
Um die Temperaturkompensationsanforderungen besser zu verstehen, ist es wichtig, verschiedene Fakten zu erwähnen.

(1) Bei niedrigen Drücken wird die Temperatur von RC in erster Linie durch Wärmetausch zwischen den Kompensationselementverbindungen und dem Kompensationselement bestimmt. Dies liegt daran, dass bei Umgebungstemperatur und geringen Drücken Strahlung und Gasleitung sehr ineffektive Mittel zum Austausch von Wärme vom Kompensationselement zu dessen Umgebung sind, verglichen mit der Wärmeleitung durch die Enden des Kompensationselements. Somit wird die Temperatur des Kompensationselements bei geringen Drücken sehr nahe am Durchschnitt der Temperaturen der Verbinder an jedem Ende des Kompensationselements sein, wie in Gleichung 8 dargestellt ist.
(2) Die Temperatur des elektrisch erhitzten Sensorelements variiert von den Enden zum Mittelpunkt, indem sie mit zunehmendem Abstand von den kühleren Trägern zunimmt. Unter Verwendung einer begrenzten Elementenanalyse haben die Erfinder die Temperaturverteilung entlang des Sensorelements simuliert. Es wurde herausgefunden, dass bei gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstands für RS und RC die Temperatur Tn eines beliebigen Segments n des Sensorelementes mit Veränderungen in der Durchschnittstemperatur T_AVG des Kompensationselements RC bei konstan tem Druck und Brückengleichgewicht verändert wird, um eine konstante Differenz ΔTn = Tn – T_AVG aufrecht zu erhalten. Die Differenz ΔTn ist eine Funktion von β und R, wobei R = R2 – RC.
(3) Gemäß Gleichung 5 wird der Sensorelementwiderstand RS im Brückengleichgewicht bei einem Widerstand aufrecht erhalten, der β-mal der Widerstand des Widerstandselements R2 ist. Wenn die Umgebungstemperatur steigt, erhöht sich auch die Temperatur der Kompensationselementverbinder, und somit werden die Temperatur und der Widerstand von RC gemäß Gleichung 8 ansteigen. Jeder Anstieg in der Temperatur und deshalb im Widerstand von RC verursacht einen Anstieg der Temperatur und des Widerstands aller Segmente von RS im Brückengleichgewicht.
(4) Die Leistungsverluste aus den Enden des Sensorelements hängen vom Temperaturgradienten γ an den Enden des Sensorelements gemäß Gleichung 9 ab: aus dem Ende verlorene Leistung = kγ (9)wobei k eine Konstante ist und
Wenn γ_L und/oder γ_R aus irgendeinem Grund variieren, verändern sich die Endverluste und die Druckangabe wird fehlerbehaftet sein.

Um im Detail einen signifikanten Mangel der Temperaturkompensation bei geringen Drücken nach dem Stand der Technik zu verstehen, sei angenommen, dass von einem stationären Zustand ausgehend T_ARbeispielsweise durch Veränderungen der örtlichen Umgebungstemperatur der rechten Tragestruktur leicht erhöht wird. T_AL soll gleich bleiben. Da T_AL gleich bleiben soll, wird auch T_CL und T_SL gleich bleiben. Die Erhöhung von T_AR führt jedoch dazu, dass T_CR durch Wärmeleitung über die Verbindung ansteigt. Somit wird auch
ansteigen. Ein Anstieg von T_AVG wird auch einen Anstieg von T_XL und T_X _R bei Brückengleichgewicht hervorrufen, was wiederum Veränderungen von γ_L und γ_R erzeugt. Diese Veränderungen von γ_L und γ_R werden den Endverlustterm in Gleichung 7 verändern, was zu einem Fehler in der Druckmessung führt, der von der Größe der Veränderungen von γ_L und γ_R abhängt.
Die Erfinder haben bestimmt, dass, außer wenn sich T_AL im Wesentlichen auf dieselbe Weise wie T_AR verändert, die Endverluste des Sensorelements nicht unverändert bleiben, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik wurden nicht speziell dazu ausgestaltet, T_AL= T_AR in einem Maße aufrecht zu erhalten, das für eine genaue Messung niedrigen Drucks notwendig ist.
Um einen weiteren wichtigen Mangel der Temperaturkompensation nach dem Stand der Technik zu verstehen, sei angenommen, dass von einem stationären Zustand aus die Umgebungstemperatur erhöht wird und die Bedingungen der Umgebungstemperatur so sind, dass T_AL = T_AR. Es sei außerdem angenommen, dass die Sensorelementverbinder gleich lang sind, aber dass der rechte Kompensationselementverbinder beträchtlich länger ist als der linke Kompensationselementverbinder, wie es in einem gängigen Pirani-Messinstrument des Standes der Technik der Fall ist. Somit ist T_SL= T_SR, aber T_CR wird aufgrund der angenommenen Längenunterschiede hinter T_CL zurückbleiben. Während dieser Nachlaufzeit, in der T_CL ≠ T_CR ist, wird sich T_AVG verändern, wodurch T_XL und T_XR im Brückengleichgewicht verändert werden. Somit werden sich γ_L und γ_R während der Nachlaufzeit kontinuierlich verändern, was zu Fehlern bei der Angabe von geringen Drücken führt.
Die Erfinder haben bestimmt, dass, wenn die Sensorelementverbinder und Kompensationselementverbinder nicht im Wesentlichen identische physikalische Abmessungen und im Wesentlichen identische thermische Eigenschaften besitzen, die Endverluste des Sensorelements nicht unverändert bleiben, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik wurden nicht speziell darauf ausgerichtet, dass Sensorelementverbinder und Kompensationselementverbinder identische physikalische Abmessungen und thermische Eigenschaften besitzen.
Ein weiterer signifikanter Mangel ergibt sich (wie die Erfinder herausgefunden haben) aus Unterschieden in der Masse zwischen dem Kompensationselement und dem Sensorelement. Es sei angenommen, dass die Masse des Kompensationselements beträchtlich größer ist als die des Sensorelements, was typischerweise der Fall ist. Bei Pirani-Messinstrumenten nach dem Stand der Technik ist es allgemeine Praxis, das Kompensationselement im Vergleich zum Sensorelement relativ groß zu machen und einen relativ großen Wärmeverlustweg zu der Umgebung des Kompensationselements zu schaffen, so dass die Wärme, die aus der Zerstreuung elektrischer Leistung in RC herrührt, leicht verteilt werden kann. Es sei angenommen, dass die Umgebungstemperatur von einem stationären Zustand aus ansteigt und dass zu allen Zeiten T_AL = T_AR. Somit wird es für das Kompensationselement länger dauern, eine Temperatur eines neuen stationären Zustands zu erreichen, verglichen mit der Zeit, bis T_SL und T_SR die Temperatur eines neuen stationären Zustands erreichen. Während dieses Zeitraums (der in einem gängigen Pirani-Messinstrument des Standes der Technik Beobachtungen zufolge mehrere Stunden dauern kann) wird sich T_AVG kontinuierlich verändern, wodurch sich T_XL und T_XR im Brückengleichgewicht kontinuierlich verändern. Somit werden sich γ_L und γ_R während der Nachlaufzeit verändern, die Endverluste des Sensorelements werden nicht konstant bleiben und Fehler bei der Messung geringer Drücke werden auftreten.
Dieselben Arten von Problemen treten auf, wenn das Kompensationselement dazu ausgestaltet ist, bei Veränderung der Umgebungstemperatur im Brückengleichgewicht seine Temperatur in einer anderen Geschwindigkeit zu verändern als das Sensorelement. Ausgestaltungen des Standes der Technik, wie die Vorrichtung nach dem Alvesteffer-Typ, besitzen diesen Mangel.
Durch ihre Untersuchungen haben die Erfinder bestimmt, dass, wenn das Kompensationselement nicht darauf ausgerichtet ist, seine Temperatur in derselben Geschwindigkeit zu verändern wie das Sensorelement, die Endverluste des Sensorelements sich weiterhin verändern, lange nachdem sich die Umgebungstemperatur auf einem neuen Wert stabilisiert hat. Bislang wurden Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik nicht darauf ausgerichtet, diese Anforderung zu erfüllen.
Es war lange bekannt, für R2 ein Kompensationselement RC mit im Wesentlichen demselben Temperaturkoeffizienten des Widerstands wie das Sensorelement in Reihe mit einem temperaturunempfindlichen Widerstandselement R zu verwenden, um eine Temperaturkompensation für Gasverluste und Endverluste zu schaffen, die wie der Temperaturunterschied zwischen dem Sensorelement und seiner Umgebung variiert. Dieses Verfahren der Temperaturkompensation wurde über viele Jahre im CONVECTRON^®-Messinstrument verwendet und wird auch im Alvesteffer-Messinstrument verwendet.
Dieses Verfahren der Temperaturkompensation setzt voraus, dass, wenn (1) die Widerstands-Temperaturkoeffizienten des Sensorelements und des Kompensationselements gleich sind; und (2) die Änderung im Widerstand des Sensorelements derart eingestellt werden kann, dass sie gleichzeitig mit der Änderung des Widerstands im Kompensationselement ansteigt, dann (3) die Temperatur des Sensorelements gleichzeitig mit Änderungen der Umgebungstemperatur ansteigen wird. Ein Erfüllen dieser beiden Annahmen ist natürlich hochgradig wünschenswert, weil dies sicherstellen würde, dass der Temperaturunterschied zwi schen dem erhitzten Sensorelement und der Umgebungswand bei Umgebungstemperatur konstant bleiben würde, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass Messinstrumente des Standes der Technik, die einen konstanten Widerstand R in Reihe mit einem temperaturempfindlichen Widerstand RC als R2 verwenden, lediglich eine teilweise Temperaturkompensation liefern, wie nun erklärt wird.
Es sei angenommen, dass in 1a R2 aus einem temperaturempfindlichen Kompensationselement RC und einem temperaturunempfindlichen Widerstand R zusammengesetzt ist, so dass R2 = RC + R (12)
Somit kann die oben für das Brückengleichgewicht erhaltene Gleichung 5 geschrieben werden als RS = β(RC + R) (13)wobei β durch die obige Gleichung 6 definiert wird.
Außerdem sei angenommen, dass, wenn die Umgebungstemperatur des Messinstruments gleich T₁ ist, das Sensorelement bei einer Temperatur T_S1 arbeitet und das Kompensationselement bei Temperatur T_C1. Somit kann, wenn TUMGEBUNG = T1 (14)
Gleichung 13 geschrieben werden als RS(T1)(1 + αS(TS1 – T1)) = β[RC(T1)(1 + αC(TC1 – T1)) + R] (15)
Hier ist RS(T₁) der Widerstand des Sensorelements bei Temperatur T₁, α_S ist der Widerstands-Temperaturkoeffizient von RS bei T₁, RC(T₁) ist der Widerstand des Kompensationselements bei Temperatur T₁ und α_C ist der Widerstands-Temperaturkoeffizient von RC bei T₁. Somit kann, wenn TUMGEBUNG = T2
Gleichung 13 geschrieben werden als RS(T1)(1 + αS(TS2 – T1)) = β[RC(T1)(1 + αC(TC2 – T1)) + R] (16)
Auflösen von Gleichung 15 nach T_S1 liefert
Auflösen von Gleichung 16 nach T_S2 liefert
Wenn man Gleichung 17 von Gleichung 18 subtrahiert, erhält man die Temperaturänderung ΔT im Sensorelement RS, wenn sich die Umgebungstemperatur von T₁ nach T₂ ändert. Somit erhält man
Es sei bemerkt, dass ein effektives Kompensationselement so ausgestaltet ist, dass seine Temperatur der Umgebungstemperatur eng folgt. Somit ist für eine sehr gute Näherung TC2 – T2 = TC1 – T1 oder TC2 – TC1 = T2 – T1 (20)
Somit kann Gleichung 19 geschrieben werden als
Aus Gleichung 21 ist ersichtlich, dass die Temperaturveränderung ΔT im Sensorelement RS der Veränderung in der Umgebungstemperatur T₂ – T₁ lediglich dann entspricht, wenn
Messinstrumente des Standes der Technik, die ein temperaturempfindliches Kompensationselement RC in Reihe mit einem festen Widerstand R als R2 in 1a verwenden, liefern lediglich eine teilweise Temperaturkompensation abhängig von der Wahl von β. Kommerziell erhältliche Messinstrumente mit dem Design, wie es von Alvesteffer et al. beschrieben ist, welches das jüngste Werk bezüglich Pirani-Messinstrumenten ist, das den angegebenen Erfindern bekannt ist, würden Gleichung 22 nicht erfüllen.
Als drittes Problem bei den Ausgestaltungen von Messinstrumenten nach dem Stand der Technik haben die Erfinder herausgefunden, dass das Niveau an Wärmeableitung bei R2 die Genauigkeit negativ beeinflusst. Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik haben, wenn sie wie in 1a aufgebaut sind, im Brückengleichgewicht denselben druckabhängigen Strom in RS wie im Kompensationselement. Bei einem Aufbau wie in 1b liegt im Gleichgewicht dieselbe druckabhängige Spannung über R2 an wie über RS. Natürlich wird ein druckabhängiger Strom in R2 einen Temperaturanstieg von RC über die Umgebungstemperatur um einen Betrag hervorrufen, der mit dem Druck variiert.
Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik verwenden typischerweise ein Kompensationselement von viel größeren physikalischen Abmessungen als das Sensorelement, um die Wärme abzuleiten und somit eine überhöhte Temperatur im Kompensationselement zu verhindern. Wie oben bemerkt, verursachen unterschiedliche physikalische Abmessungen für das Sensorelement und das Kompensationselement Messfehler, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Ein viertes Problem liegt darin, dass Pirani-Messinstrumente nach dem Stand der Technik Veränderungen in der Druckangabe bei niedrigen Drücken hervorrufen, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik verwendeten eine Vielzahl von Komponenten beim Versuch, den Leistungsverlust durch das Sensorelement unverändert zu lassen, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Im US-Patent 4,682,503 wird beispielsweise thermoelektrische Kühlung verwendet, um die Umgebungstemperatur zu steuern und somit Änderungen der Umgebungstemperatur zu minimieren.
In der im US-Patent 4,541,286 offenbarten Vorrichtung ist ein thermisches Sensorelement angrenzend an den Kompensationsarm der Brücke befestigt (eigentlich an das Äußere des Vakuumbehälters in einer kommerziellen Version geklebt). Alvesteffer et al. verwenden ein zusätzliches Element (darin als R4 bezeichnet) in der Brücke, um einen Ausgleich für die Tatsache herzustellen, dass der Temperaturkoeffizient des Widerstands für das Sensorelement bei Betriebstemperatur geringfügig verschieden ist von dem des Kompensationselements bei Umgebungstemperatur. Obwohl jede dieser Hardware-Verbesserungen des Standes der Technik einige der Fehler beseitigt, die durch Veränderungen in der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden, konnte keine im Wesentlichen alle Fehler beseitigen. Somit erzeugen Pirani-Messinstrumente des Standes der Technik beträchtliche Änderungen in der Druckangabe bei niedrigen Drücken, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Ein anderes System des Standes der Technik, offenbart im US-Patent 5,608,168, verbindet verschiedene elektrische Messungen der Brücke (oder Näherungen davon) und bestimmt den Wert oder die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstands und berücksichtigt diesen Parameter bei der Bestimmung der Druckmessung. Dieses System besitzt jedoch aufgrund der Notwendigkeit, Temperaturen oder andere Werte zu messen, eine erhöhte Komplexität.
Somit besteht ein Verlangen nach einem verbesserten Messinstrument des Pirani-Typs, das diese Probleme überwindet.
GB-A-2368647 offenbart die Merkmale, die im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 genannt sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert Verbesserungen für die Wärmeverlustdruckmessung, die synergetisch zusammenwirken, um eine beträchtlich verbesserte Genauigkeit bei der Messung niedrigen Drucks, mittleren Drucks und hohen Drucks zu liefern, wodurch in einem einzigen Messinstrument der Bereich genauer Druckmessung auf niedrigere und auf höhere Drücke ausgeweitet werden kann.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmeverlustmessinstrument nach Anspruch 1 vorgesehen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von Gasdruck gemäß Anspruch 8 vorgesehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzen das Sensorelement und das Kompensationselement eine unterschiedliche Länge. In einigen Ausführungsformen ist das Kompensationselement etwa 5%–8% kürzer, und besitzt damit einen um 5%–8% geringeren Wi derstand, als das Sensorelement. In einer speziellen Ausführungsform ist das Kompensationselement 6%–7% kürzer, mit einem etwa 6%–7% geringeren Widerstand, als das Sensorelement. In anderen Ausführungsformen ist ein paralleler Widerstand über das Sensorelement oder das Kompensationselement hinweg angeordnet, um die relativen Widerstände abzugleichen.
Gemäß einer Anordnung wird ein Drahtsensorelement mit geringem Durchmesser in derselben Ebene, aber beabstandet von einem Drahtkompensationselement angeordnet, wobei zwei parallele flache thermisch leitende Platten jeweils 15 Mikrometer vom Sensorelement und vom Kompensationselement entfernt sind. Auf diese Weise erzielten die Erfinder eine hohe relative Sensitivität bei einfacher Geometrie, ohne auf Konvektion zu vertrauen. Die extreme Komplexität und die Kosten von Mikrominiatur-Ausgestaltungen von Pirani-Messinstrumenten und die verschiedenen Nachteile der Konvektionskühlung des Sensorelements werden gleichzeitig vermieden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass dieses extrem einfache, kleine und günstige Messmittel bis hin zum Atmosphärendruck Resultate liefert, die vergleichbar sind mit denen, die mit sehr komplexen Mikrominiatur-Pirani-Messinstrumenten oder mit viel größeren, positionsempfindlichen und konvektionsgekühlten Pirani-Messinstrumenten erhalten werden. Überraschenderweise liefert diese Verbesserung auch ein Sensorelement mit einem Volumen von lediglich 3% des Sensorelements im Alvesteffer-Mikrominiatur-Messinstrument. Das Kompensationselement in der neuen Vorrichtung besitzt ein Volumen von weniger als 0.5% des Kompensationselements des Alvesteffer-Typs.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine verbesserte Temperaturkorrektur. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Genauigkeit der Messung niedrigen Drucks deutlich verbessert werden kann, indem der Temperaturgradient γ an den Enden des Sensorelements konstant gehalten werden kann (siehe Gleichungen 10 und 11). Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Konstanz von γ erreicht werden kann durch gleichzeitiges Beachten folgender Maßnahmen:

1. Verwendung von einem Sensorelement und einem Kompensationselement mit im Wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, thermischen Eigenschaften und Widerstandseigenschaften (nicht erfindungsgemäß);
2. Verwendung einer Sensorelementverbindung und einer Kompensationselementverbindung mit im Wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, thermischen Eigenschaften und Widerstandseigenschaften;
3. Verwendung von Elementverbindungen mit im Wesentlichen identischen und großen thermischen Leitfähigkeiten hin zu einem Bereich von im Wesentlichen gleichmäßiger Temperatur für alle Verbindungen; und
4. Anordnung des Sensorelements und des Kompensationselements in derselben Vakuumumgebung.

In der zuvor erwähnten Anordnung wird Gleichung 22 immer erfüllt, weil das Messinstrument so ausgestaltet ist, dass RC(TA) = RS(TA) (23)wobei T_A die Umgebungstemperatur ist, und wobei αC = αS (24) β = 1 (25)
Eine weitere deutliche Verbesserung wird dadurch umgesetzt, dass ein vernachlässigbares Heizen im Kompensationselement vorgesehen wird. Die Erfinder haben die konventionelle Wheatstone-Brücke modifiziert, um unabhängige Heizmittel für das Sensorelement bereitzustellen, während in jedem anderen der drei Arme der Brücke im Wesentlichen keine Erwärmung erzeugt wird. Somit kann das Kompensationselement mit identischen Abmessungen zum Sensorelement sowie identischen physikalischen Eigenschaften (nicht erfindungsgemäß) hergestellt werden. Ein heizender Gleichstrom wird verwendet und lediglich auf das Sensorelement beschränkt. Ein relativ kleines Wechselstromsignal wird verwendet, um das Brückengleichgewicht zu detektieren.
Eine zusätzliche Funktionsverbesserung wird dadurch realisiert, dass ein neues Verfahren zur Druckkompensation geschaffen wird, das bei allen Drücken zu einer genauen Druckangabe führt. Insbesondere haben die Erfinder entdeckt, dass eine genaue Anzeige eines unbekannten Drucks P_X im Brückengleichgewicht aus einer einfachen Gleichung der Form von Gleichung 26 berechnet werden kann. P = f(VS, IS) (26)wobei VS der Spannungsabfall über dem Sensorelement und IS der Strom im Sensorelement ist. Die Einzelwerte aus Gleichung 26 werden aus gepaarten Werten von VS_C und IS_C abgeleitet, die durch Kalibrationsverfahren für mehrere bekannte Werte des Drucks P_C und der Umgebungstemperatur, die über den Druck- und Temperaturbereich von Interesse verteilt sind, unter Verwendung von dreidimensionaler Kurvenanpassungs-Software erhalten werden. VS_X und IS_X werden bei unbekanntem Druck P_X im Brückengleichgewicht gemessen und in Gleichung 26 eingesetzt. Anschließend wird P_X unter Verwendung eines Mikroprozessors oder dergleichen berechnet.
Auf diese Weise liefern die zuvor erwähnten Anordnungen beträchtliche Verbesserungen in der Genauigkeit des Pirani-Messinstruments, in den Produktionskosten und der Verpackungsgröße.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem ein Wärmeverlustmessinstrument zum Messen des Gasdrucks in einer Umgebung. Das Messinstrument umfasst ein Widerstands-Sensorelement und ein Widerstands-Kompensationselement in Schaltung mit dem Sensorelement, wobei beide einer im Wesentlichen gleichen Umgebung ausgesetzt sind. Eine elektrische Stromquelle ist mit dem Sensorelement und dem Kompensationselement verbunden, um Strom durch die Elemente fließen zu lassen. Der Strom durch das Sensorelement ist beträchtlich größer als der Strom durch das Kompensationselement. Eine Messschaltung ist mit dem Sensorelement und dem Kompensationselement verbunden, um Gasdruck in der Umgebung, der das Sensorelement und das Kompensationselement ausgesetzt sind, auf der Basis einer elektrischen Reaktion des Sensorelements und des Kompensationselements zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen fließen getrennte Ströme durch das Sensorelement und das Kompensationselement. Der Strom wird erzeugt, um das Sensorelement auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der der Widerstand des Sensorelements den kombinierten Widerstand des Kompensationselements plus den Wert einer konstanten Ohm-Zahl annimmt. In Ausführungsformen, bei denen das Kompensationselement in Reihe mit einem nicht temperaturempfindlichen Widerstandselement angeordnet ist, wird Strom erzeugt, um das Sensorelement auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der der Widerstand des Sensorelements den kombinierten Widerstand des Kompensationselements und des nicht temperaturempfindlichen Widerstandselements annimmt. Der Gasdruck wird auf der Basis des Heizstroms durch das Sensorelement und die daraus resultierende Spannung über dem Sensorelement bestimmt. In einer Ausführungsform fließen getrennte Wechselströme durch das Sensorelement und das Kompensationselement. Der Strom durch das Kompensationselement ist ein vorbestimmter Bruchteil des Stroms durch das Sensorelement, so dass die Ströme ein definiertes Verhältnis besitzen. Eine Rückmeldungsschaltung steuert die Stromniveaus durch das Sensorelement und das Kompensationselement. In einer anderen Ausführungsform fließt ein Sensorstrom sowohl durch das Sensorelement als auch das Kompensationselement, und ein getrennter Heizstrom fließt durch das Sensorelement.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorangehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung deutlich, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen gleiche Bezugszeichen sich in allen verschiedenen Ansichten auf gleiche Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei stattdessen besonderer Wert auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung gelegt wird.
1a und 1b sind vereinfachte schematische Diagramme von konventionellen Pirani-Messinstrumenten;
2 ist ein Graph, der die Komponenten des Wärmeverlusts in einem konventionellen Pirani-Messinstrument zeigt, wie sie durch die Untersuchungen der Erfinder entdeckt wurden;
3 ist eine schematische Darstellung eines konventionellen Pirani-Messinstruments unter Verwendung eines Drahtes geringen Durchmessers für das Sensorelement;
4a ist ein Ausschnitt eines verbesserten Wärmeverlustmessinstruments gemäß der vorliegenden Erfindung, und 4b ist ein Querschnitt des in 4a dargestellten Ausschnitts;
5a ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Enden eines verbesserten Wärmeverlustmessinstruments gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Träger und die Verbindungen des Sensorelements und des Kompensationselements gezeigt sind;
5b ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zum Aufrechterhalten des Abstands zwischen Wärmeleitplatten und einem Sensorelement bzw. Kompensationselement zeigt;
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine unabhängige Heizanordnung für ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein schematisches Diagramm, das eine andere unabhängige Heizanordnung für ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8 ist ein schematisches Diagramm, das noch eine weitere unabhängige Heizanordnung für ein Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine schematische Zeichnung eines Abschnitts der Schaltung aus 7 mit einem Abgleichwiderstand, der in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallel zum Kompensationselement geschaltet ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung folgt. Die Erfindung wird zunächst im Hinblick auf vier Kategorien von Verbesserungen gegenüber konventionellen Ausführungen von Pirani-Messinstrumenten beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die vier Verbesserungen zusammen verwendet und synergetisch kombiniert, um ein Pirani-Messinstrument mit beträchtlich verbesserten Funktionseigenschaften zu schaffen. Zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anschließend beschrieben.
Verbesserung 1 (nicht erfindungsgemäß)
Die erste Kategorie von Verbesserungen wird unter Bezugnahme auf die 4a und 4b diskutiert. 4a ist eine Seitenansicht eines Ausschnitts 10 eines verbesserten Wärmeverlustmessinstruments (nicht maßstabsgetreu). 4b ist eine Querschnittsansicht des Ausschnitts 10 entlang Linie 4b-4b in 4a. Wie in den 4a und 4b dargestellt, ist ein Drahtsensorelement 12 mit geringem Durchmesser in derselben Ebene und in einer Entfernung d beabstandet von einem Drahtkompensationselement 14 mit geringem Durchmesser angeordnet. Der Abstand d zwischen dem Sensorelement 12 und dem Kompensationselement 14 ist vorzugsweise etwa 0.762 mm (0.030 in.), aber kann von 0.254 mm bis 5.08 mm (0.010 in. bis 0.200 in.) reichen. Parallele Platten 16 und 16' sind in der Nähe von und parallel zu dem Sensorelement 12 und dem Kompensationselement 14 vorgesehen.
Die parallelen Platten 16 und 16' sind in einer Entfernung S vom Sensorelement 12 und vom Kompensationselement 14 angeordnet. S ist vorzugsweise 0.01778 mm (0.0007 in.), aber kann von 0.00508 mm bis 0.0508 mm (0.0002 in. bis 0.002 in.) reichen. Das Sensorelement 12 besteht aus einem Material mit einem hohen Temperaturwiderstandskoeffizienten, wie reines Wolfram, das mit Gold überzogen sein kann, um bei der Gewährleistung einer konstanten Emission zu unterstützen.
Der Durchmesser des Sensorelements 12 beträgt vorzugsweise 0.0127 mm (0.0005 in.), aber kann von 0.00254 mm bis 0.0508 mm (0.0001 in. bis 0.002 in.) reichen. Obwohl eine zylindrische Drahtform bevorzugt wird, können andere Formen wie ein Band für das Sensorelement und das Kompensationselement verwendet werden. Die Länge des Sensorelements 12 ist vorzugsweise 2.54 mm (1 in.), aber kann von 6.35 mm bis 76.2 mm (0.25 in. bis 3 in.) reichen.
Der Ausschnitt 10 der Wärmeverlustmesseinrichtung kann in einer Messschaltung des Typs aus 6 auf eine Weise installiert sein, die unten detaillierter beschrieben wird.
Die parallelen Platten 16 und 16' leiten Wärme und gleichen daher Temperaturgradienten entlang des erwärmten Sensorelements 12 und zwischen den Enden des Sensorelements 12 und des Kompensationselements 14 aus. Auf diese Weise erzielt die Erfindung eine hohe relative Sensitivität mit einer einfachen Struktur, ohne auf Konvektion zu vertrauen. In diesem Beispiel, ist die Genauigkeit der Messung eines niedrigen Drucks beträchtlich verbessert, indem ein Sensorelement und ein Kompensationselement mit im Wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, thermischen Eigenschaften und Widerstandseigenschaften verwendet wird, und indem das Sensorelement und das Kompensationselement in derselben Vakuumumgebung angeordnet werden. Durch Verwendung dieses Designs werden gleichzeitig die extreme Komplexität und die Kosten von Mikrominiatur-Ausgestaltungen von Pirani-Messinstrumenten und die Nachteile, die mit der Konvektionskühlung des Sensorelements einhergehen, vermieden. Diese Verbesserung erlaubt Ergebnisse der Druckmessung bis hin zu Atmosphärendruck, die vergleichbar mit denen sind, die mit sehr komplexen Mikrominiatur-Pirani-Messinstrumenten erhalten werden, und denen, die mit viel größeren, positionsempfindlichen konvektionsgekühlten Pirani-Messinstrumenten erhalten werden.
Verbesserung 2 (nicht erfindungsgemäß)
Als ein zweites umfassendes Merkmal der Erfindung wird eine verbesserte Befestigungsanordnung für das Sensorelement und das Kompensationselement geschaffen. Die Genauigkeit der Messung geringen Drucks wird beträchtlich verbessert, wenn Sensorelementverbindungen und Kompensationselementverbindungen mit im Wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, thermischen Eigenschaften und Widerstandeigenschaften verwendet werden, und wenn Elementverbindungen mit im Wesentlichen identischen und großen thermischen Leitfähigkeiten hin zu einem Bereich von im Wesentlichen gleichförmiger Temperatur für alle Verbindungen verwendet werden.
5a ist eine deutlich vergrößerte Querschnittsansicht eines Endes des Messintrumentausschnitts 10, wobei das Sensorelement 12 von Sensorelementverbindern 20 und 20' getragen wird und mit diesen elektrisch verbunden ist, und das Kompensationselement 14 dargestellt ist als getragen von und elektrisch verbunden mit Kompensationselementverbindern 22 und 22'. Der Querschnitt von 5a verläuft entlang der Linie 5a-5a in 4a. Vorzugsweise sind identische Träger (wie in 5a dargestellt) an jedem Ende des Messintrumentausschnitts 10 vorgesehen.
Verbinder 20, 20', 22 und 22' sind vorzugsweise aus Platinband, das 0.001 in. dick und 6.09 mm (0.060 in.) breit ist. Die Platten 16 und 16' sind vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie Aluminiumnitrid.
Alternativ können die Sensorelementverbinder und Kompensationselementverbinder 20, 20', 22 und 22' von den Platten 16 durch dünne elektrisch isolierende Schichten 24 und 24' elektrisch isoliert sein, die als eine diamantartige Beschichtung auf Wolfram ausgebildet sein können. In diesem Fall können die Platten 16 und 16' aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit wie Wolfram gemacht sein. Vorzugsweise besitzt das ausgewählte Material eine thermische Leitfähigkeit, die größer ist als 0.25 W/cm/K.
Die Platten 16 und 16' werden durch einfache Blechmetallklemmen an jedem Ende (nicht dargestellt) in Position gehalten. Die Klemmen bringen eine ausreichende Kraft auf die Platten 16 und 16' auf, um das Sensorelement 12 und das Kompensationselement 14 in die Verbinder 20, 20', 22 und 22' einzubetten, bis sich die Verbinder 20 und 20' sowie 22 und 22' in di rektem Kontakt befinden. Somit wird der Abstand S zwischen dem Sensorelement 12 und der Oberfläche der Platten 16 und 16' durch den Durchmesser des Sensorelements und die Dicke der dünnen Bandverbinder 20, 20', 22 und 22' bestimmt. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung erlaubt es, dass ein Sensorelement, das kleiner ist als ein menschliches Haar, in einem vergleichbaren Abstand zu zwei flachen Oberflächen auf präzise und sehr billige Weise angeordnet wird, wobei elektrische Verbindungen zu zusätzlichen Schaltungen geliefert werden.
Die Platten 16 und 16' liefern einen Bereich von im Wesentlichen gleichmäßiger Temperatur, insbesondere wenn sie in einem Vakuum mit minimaler thermischer Leitfähigkeit zur Außenwelt isoliert sind. Die dünnen Bandverbinder 20, 20', 22 und 22' liefern identische Abmessungen, einen kurzen Weg und sehr große thermische Leitfähigkeiten hin zu diesem Bereich gleichmäßiger Temperatur, wodurch mehrere der Bedingungen für die Konstanz des Temperaturgradienten γ an den Enden des Sensorelements erfüllt werden.
Das Sensorelement 12 kann, wie in 5b gezeigt, durch eine Drahtfeder 26 geringen Durchmessers geeignet gespannt sein, die während des Zusammenbaus beaufschlagt wird und angrenzend an den Verbinder 21 des Sensorelements 12 auf das Sensorelement 12 wirkt. Die Feder 28 wird auf ähnliche Weise verwendet, um das Kompensationselement 14 zu spannen. Die Federn 26 und 28 dienen dazu, einen präzisen Abstand des Sensorelements und Kompensationselements 14 bezüglich der Platten 16 und 16' aufrecht zu erhalten, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Ein ausreichendes Spiel muss in die Anordnungen des Sensorelements 12 und des Kompensationselements 14 eingebaut sein, um ein Brechen aufgrund unterschiedlicher thermischer Expansion der Elemente 12 und 14 und der Platten 16 zu verhindern. Ohne die Federn 26 und 28 würde dieses Spiel sich mit der Umgebungstemperatur ändern, wodurch der Erhalt des konstanten Abstands S zwischen den parallelen Platten 16 und 16' und dem Sensorelement bzw. dem Kompensationselement verhindert würde und Messfehler verursacht würden.
In dem Design gemäß diesem Beispiel der Erfindung wird Gleichung 22 teilweise aufgrund der Tatsache erfüllt, dass das Sensorelement 12 und das Kompensationselement 14 physikalisch, elektrisch und thermisch identisch sind. Zusätzlich wird R3 im Beispiel aus 6 gleich R4 gesetzt, was nach Gleichung 6 gewährleistet, dass β = 1 ist. Somit wird Gleichung 22 bei dieser Ausgestaltung zu allen Zeitpunkten vollständig erfüllt.
Verbesserung 3 (nicht erfindungsgemäß)
Ein drittes wichtiges Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum unabhängigen Heizen des Sensorelements 12. Diese Verbesserung ist in 6 dargestellt, in der eine Wheatstone-Brücke 30 modifiziert ist, um ein unabhängiges Heizen des Sensorelements 12 zu liefern. Schaltungen des Standes der Technik, die zusammen mit einem Kompensationselement mit denselben physikalischen Abmessungen und aus demselben Material wie das Sensorelement ebenso wie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bewirken, dass das Kompensationselement nicht bei Umgebungstemperatur betrieben wird, sondern bei derselben Temperatur wie das Sensorelement. Somit können Pirani-Messinstrumente mit den oben beschriebenen erfinderischen Verbesserungen ihr Genauigkeitspotenzial bei Verwendung von Heizschaltungen des Standes der Technik nicht erreichen.
Bezug nehmend auf 6 ist eine Wheatstone-Brücke 30 mit Knoten A, B, C und D mit einem Sensorelement 12 mit einem Widerstandswert R ausgestattet, das zwischen den Knoten B und C angeordnet ist. Das nicht temperaturempfindliche Widerstandselement 15 (mit Widerstand R) und das Kompensationselement 14 (mit Widerstand RC) bilden zusammen den Widerstand R2. R2 und der Kondensator 36 sind in Reihe zwischen den Knoten C und D angeordnet. Der Widerstand 17 besitzt den Wert R4 und ist zwischen den Knoten A und B angeordnet, und Widerstand 19 mit Wert R3 ist zwischen den Knoten A und D angeordnet. Eine Vakuumumgebung 34 umgibt das Sensorelement 12 und das Kompensationselement 14. Eine Wechselspannungsquelle 38 ist zwischen den Knoten B und D angeordnet, und ein auf Frequenzen selektiver Detektor 40 ist zwischen den Knoten A und C angeordnet. Eine Gleichstromquelle 32 ist zwischen den Knoten B und C angeordnet, um einen Strom in Richtung des Knotens B bereitzustellen. Eine Steuereinrichtung 42 ist über automatische Rückmeldungsverbindungen 46 und 47 angeschlossen, um die Gleichstromquelle 32 zu steuern und um ein Spannungsdetektionseingangssignal vom auf Frequenzen selektiven Detektor 40 zum Zwecke dieser Steuerung zu empfangen.
Die Vakuumumgebung 34 umgibt einen Ausschnitt 10 (wie in den 4a und 4b gezeigt und oben unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben) mit einem Sensorelement 12, einem Kompensationselement 14 und Platten 16 und 16'. Zudem wird das zuvor unter Bezugnahme auf 5a und 5b beschriebene Verfahren des Zusammenbaus vorzugsweise in der Schaltung aus 6 verwendet. Elementverbinder 20 und 20' an einem Ende des Sensorelements 12 (in 5a dargestellt) sind elektrisch mit Punkt C in der Brückenschaltung 30 aus 6 verbunden, während Sensorelementverbinder 21 und 21' (nicht dargestellt) am anderen Ende des Sensorelements 12 elektrisch mit Punkt B aus 6 verbunden sind. Die Kompensationselementverbinder 22 und 22' am einen Ende des Kompensationselements 14 (in 5a dargestellt) sind elektrisch über den Kondensator 36 mit Punkt D aus 6 verbunden, während das andere Ende des Kompensationselements 14 mit Kompensationselementverbindern 23 verbunden ist, die über einen Widerstand 15 mit Punkt C verbunden sind.
Wie in 6 dargestellt ist, liefert die Gleichstromquelle 32 einen Heizstrom I zum Sensorelement 12, das in der Vakuumumgebung 34 angeordnet ist. Ein Kondensator 36 ist als ein Mittel zum Verhindern eines Stroms von der Stromquelle 32 durch R2, R3 und R4 vorgesehen. Somit ist anders als bei Pirani-Messinstrumenten des Standes der Technik, die eine konventionelle Wheatstone-Brücke verwenden, zu jedem beliebigen Zeitpunkt kein Anteil des Heizstroms oder der Heizspannung in RS auch in R2 vorhanden.
Die Wechselspannungsquelle 38 liefert ein Wechselspannungssignal zur Brücke 30, wodurch Wechselstromsignale i_S, i₂, i₃ und i₄ erzeugt werden. Bei Verwendung sehr geringer Werte für i_S, i₂, i₃ und i₄ und eines auf Frequenzen selektiven Detektors 40 kann das Brückengleichgewicht mit vernachlässigbarem Heizen, das in einem beliebigen Arm der Brücke 30 erzeugt wird, detektiert werden. Der Gleichstrom I von der Quelle 32 wird automatisch durch die Steuereinrichtung 42 angepasst, um kontinuierlich sicherzustellen, dass der Wechselspannungsabfall i_SRS von Punkt B nach C gleich dem Spannungsabfall i₄R4 von B nach A ist, wie gemessen von der Wechselspannungsdetektionsfunktion des auf Frequenzen selektiven Detektors 40. Diese automatische Rückmeldungsverbindung wird durch die gestrichelten Linien 46 und 47 angezeigt.
Ein Prozessor 51 ist mit dem Strommessgerät 49 und dem Spannungsmessgerät 48 verbunden und erzeugt ein Ausgangssignal, das den Druck in der Vakuumumgebung 34 auf der Basis des Niveaus des Heizstroms durch das Sensorelement 12 und des Spannungsabfalls über dem Sensorelement 12 angibt.
Somit kann das Kompensationselement 14 mit denselben physikalischen Abmessungen und thermischen Eigenschaften sowie Widerstandseigenschaften wie das Sensorelement 12 hergestellt werden und dennoch bei Betriebstemperatur vollständig ohne druckabhängiges elektrisches Heizen arbeiten.
Verbesserung 4
Eine vierte Verbesserung wird wieder unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. In dieser Verbesserung sind ein verbessertes Gerät und ein Verfahren zum Kalibrieren und Betreiben des Pirani-Messinstruments gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen.
Die Erfinder haben entdeckt, dass eine genaue Angabe eines unbekannten Drucks P_X im Brückengleichgewicht aus einer einfachen Gleichung der Form von Gleichung 26 berechnet werden kann. P = f(VS, IS) (26)
Diese Entdeckung unterscheidet sich von konventionelleren Ansätzen. Die Druckangabe wird dabei nicht nur als abhängig von dem Widerstand des Sensorelements angesehen, sondern auch als abhängig von anderen Faktoren wie der Umgebungstemperatur. Somit benötigen konventionelle Kalibrationsschemata oftmals Messungen des Widerstands und anderer Größen sowohl für die Kalibrierung als auch während des Betriebs. Die Erfinder haben jedoch entdeckt, dass, wenn die oben beschriebenen Verbesserungen gemacht werden, die Werte von VS und IS eine ausreichende Temperaturinformation beinhalten, um ein genaues Druckausgangssignal zu erzeugen, so dass es möglich ist, die Schritte des separaten Messens anderer Parameter wie der Umgebungstemperatur zu eliminieren. Auf diese Weise ist es möglich, eine dreidimensionale Kalibrationstabelle zu verwenden, um den Druck allein auf der Basis der Spannung und des Stroms zu bestimmen.
Um das in 6 dargestellte Messinstrument zu kalibrieren, wird das Sensorelement 12 einer Reihe von bekannten repräsentativen Drücken und Umgebungstemperaturen ausgesetzt, die über die interessierenden Druck- und Temperaturbereiche ver teilt sind. Der Spannungsabfall VS_C, wie er durch das Spannungsmessgerät 48 gemessen wird, und der Strom IS_C, wie er durch das Strommessgerät 49 gemessen wird, werden gemeinsam im Brückengleichgewicht mit jedem der bekannten repräsentativen Kalibrationsdrücke P_C aufgezeichnet. Diese Werte können durch ein Programm aufgezeichnet werden, das im Prozessor 51 arbeitet, oder können zu einer anderen Bearbeitungseinheit für die Kalibrationsberechnungen übermittelt werden. Der Druck P_C wird über der Spannung VS_C und dem Strom IS_C aufgetragen. Jede Reihe von Messungen bei einer gegebenen Kalibrationstemperatur liefert eine konstante Temperaturfunktion, die Druck in Verbindung zu Spannung und Strom setzt. Wie oben bemerkt, haben die Erfinder auf signifikante Weise entdeckt, dass diese konstanten Temperaturfunktionen hilfreich in einer einzigen Tabelle dreidimensionaler Daten kombiniert werden können, um eine einzige Kalibrationsfunktion der Form von Gleichung 26 zu definieren. Wenn dies gemacht wird, ist das Ergebnis eine Reihe von Punkten, die eine Oberfläche definieren, wobei die Höhe der Oberfläche der Druck ist und eine Funktion der gemessenen Spannungs- und Stromwerte.
Die sich ergebenden Kalibrationsdaten können in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden und die gemessenen Drücke können bestimmt werden, indem zwischen den in der Nachschlagetabelle gespeicherten Druckwerten auf der Basis des gemessenen Spannungsabfalls und Stroms interpoliert wird. Wegen der Anzahl von Punkten, die gespeichert werden muss, um ein genaues Ausgangssignal über einen breiten Druckbereich zu erzeugen, wird jedoch in der bevorzugten Ausführungsform eine Näherungsgleichung für die Oberfläche erhalten, auf der die gemessenen Werte liegen. Dies kann einfach unter Verwendung einer dreidimensionalen Oberflächenzeichnungs-Software erzielt werden. Die sich ergebende Gleichung ist von der Form, die in Gleichung 26 gezeigt ist. Anschließend wird, um einen unbekannten Druck P_X bei einer beliebigen Temperatur zu messen, im Brückengleichgewicht VS_X durch das Spannungsmessgerät 48 gemessen und IS_X durch das Strommessgerät 49 gemessen. Der korrekte Druckwert kann dann auf einfache Weise durch Einsetzen in Gleichung 26 erhalten werden, was ergibt PX = f(VSX, ISX) (27)
Gleichung 27 kann der Einfachheit halber im Prozessor 51 gespeichert werden, der anschließend verwendet werden kann, um P_X automatisch zu berechnen, wenn VS_X und IS_X in den Prozessor 51 eingegeben werden.
Fachleute werden erkennen, dass andere Größen anstelle der Spannung oder des Stroms innerhalb des Umfangs dieser Erfindung eingesetzt werden können. Beispielsweise kann eine Funktion der Form P_X = g(W, R), bei der W die an das Sensorelement 12 übertragene Leistung und R der Widerstand des Sensorelements 12 ist, anstelle von Gleichung 27 verwendet werden. In diesem Fall können W und R aus dem Ausgangssignal des Spannungsmessgeräts 48 und des Strommessgeräts 49 berechnet werden. Was wichtig ist, ist, dass die beiden ausgewählten Parameter Informationen sowohl hinsichtlich des Stroms als auch der Spannung beinhalten, so dass die Effekte der Veränderungen im Strom und in der Spannung unterschiedlich im Kalibrationsgraphen oder der Tabelle, die auf der Basis der Werte der beiden Parameter erzeugt werden, berücksichtigt werden. Somit können die beiden Eingangsparameter für die Funktion beispielsweise zwei beliebige aus einer Gruppe sein, die umfasst: Leistung, Strom, Spannung und Widerstand. Allgemein gesprochen ist es möglich, eine Gleichung der Form P = h(X, Y)zu identifizieren, die die Kalibrationsoberfläche annähert, wobei X der erste Eingangsparameter ist, Y der zweite Eingangsparameter und P der Druck entsprechend den Werten des ersten Parameters X und des zweiten Parameters Y. Diese Gleichung wird anschließend stellvertretend für die mehrdimensio nale Kalibrationsoberfläche verwendet, um den Druck zu berechnen.
Diese Verbesserung liefert eine exzellente Temperaturkompensation von 0°C bis 50°C bei Drücken von weniger als 10^–4 Torr bis hin zu Atmosphärendruck. Sie vermeidet die Notwendigkeit, Leistung und Temperatur zu messen, wie es manchmal getan wird. Sie gleicht alle Arten von Fehlern, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden, aus, beispielsweise eine Veränderung im Strahlungsverlust, nicht lediglich die Verluste, die von Veränderungen im Sensorelement gegenüber Veränderungen in der Wandtemperatur auftreten, wie es der Fall im US-Patent 4,682,503 ist. Die Verbesserung vermeidet die Komplexität, die Umgebungstemperatur unter Verwendung thermoelektrischer Kühlung steuern zu müssen, wie es im US-Patent 5,347,869 beschrieben ist. Zusätzlich gleicht dieses verbesserte Kalibrations- und Betriebsverfahren automatisch die Tatsache aus, dass der Widerstands-Temperaturkoeffizient für das Sensorelement bei Betriebstemperatur geringfügig verschieden von dem des Kompensationselements bei Umgebungstemperatur sein wird.
Weitere Ausführungsformen
Bezug nehmend auf 7 ist das Messinstrument 60 eine Ausführungsform eines Messinstruments, die sich von der in 6 dargestellten Ausführungsform darin unterscheidet, dass sie keine Wheatstone-Brücke verwendet. Wie in 6 umfasst das Messinstrument 60 ein Sensorelement 12 (mit einem Widerstandswert RS), ein nicht temperaturempfindliches Widerstandselement 15 (mit einem Widerstand R) und ein Temperaturkompensationselement 14 (mit einem Widerstand RC), wobei Elemente 12 und 14 in einer Vakuumumgebung 34 auf ähnliche Weise oder in einer ähnlichen Anordnung angeordnet sind. Obwohl die Schaltung, die die Elemente 12, 14 und 15 im Messinstrument 60 verbindet, sich von der in 6 unterscheidet, werden die Elemente 12, 14 und 15 auf ähnliche Weise wie in 6 verwendet. Beispielsweise wird das Sensorelement 12 erhitzt, während das nicht temperaturempfindliche Widerstandselement 15 und das Temperaturkompensationselement 14 nicht signifikant erhitzt werden. Zudem wird die Spannung VS über das Sensorelement und der Strom IS durch das Sensorelement 12 gemessen und verwendet, um den Druck auf ähnliche Weise zu bestimmen.
Das Messinstrument 60 umfasst eine Versorgungsquelle 61 zum Versorgen der Stromquellen 62 und 64 über Leitungen 74 bzw. 76. Stromquellen 62 und 64 sind unabhängig und liefern vorzugsweise Gleichstrom an das Element 12 und die Elemente 14/15. Die Stromquelle 64 liefert einen Strom einer Größenordnung oder eines Niveaus, das ein vorbestimmter Bruchteil des Stroms ist, der von der Stromquelle 62 geliefert wird. In dem in 7 dargestellten Beispiel liefert die Stromquelle 64 ein Zehntel der Strommenge, die von der Stromquelle 62 geliefert wird.
Der von der Stromquelle 62 gelieferte Strom IS wird über die Leitung 78, den Knoten 80 und die Leitung 88 durch das Sensorelement 12 geleitet. Der teilweise Strom, der von der Stromquelle 64 geliefert wird, wird über die Leitung 100, den Knoten 102 und die Leitung 103 (angeordnet zwischen Elementen 14 und 15) durch das nicht temperaturempfindliche Widerstandselement 15 und das Temperaturkompensationselement 14 geleitet. Wie bei 6 gleichen die Elemente 14 und 15 Veränderungen der Umgebungstemperatur aus. Das Leiten eines Bruchteils des Sensorstroms IS durch das Temperaturkompensationselement 14 lässt die Temperatur des Kompensationselements 14 nicht signifikant bezüglich der Temperatur des Sensorelements 12 steigen. In dem in 7 dargestellten Beispiel, bei dem das Verhältnis des Sensorstroms IS zum teilweisen Strom durch das Temperaturkompensationselement 14 10:1 ist, beträgt die im Temperaturkompensationselement 14 abgegebene Leistung aufgrund der quadratischen Beziehung von Strom zu Leistung (wobei Leistung = I²R) weniger als 1/100 der Leistung, die im Sensorelement 12 abgegeben wird. Somit ist der Temperaturanstieg des Kompensationselements 14 weniger als 1% des Temperaturanstiegs des Sensorelements 12. Obwohl ein Stromverhältnis von 10:1 für Stromquellen 62 und 64 beschrieben wurde, können auch andere Stromverhältnisse, die größer oder kleiner als 10:1 sind, verwendet werden. Der Strom IS wird gesteuert, um das Sensorelement 12 auf ein Temperaturniveau zu erhitzen, bei dem der Widerstand RS ansteigt, um gleich dem kombinierten Widerstand R + RC zu sein. Bei dieser Temperatur definieren die Kalibrationsdaten den Umgebungsdruck. Eine Rückmeldungsschaltung hält den Strom auf diesem Niveau.
Im Speziellen wird die Spannung V₂ über dem kombinierten Widerstand R + RC, die den Widerstand R + RC angibt, durch einen Einheitsvervielfacher 66 (verbunden mit den Knoten 102 und 98) an eine Summierschaltung 70 angelegt, während die Spannung V₁ über dem Widerstand RS, die den Widerstand RS angibt, durch einen Vervielfacher 68 (verbunden mit den Knoten 84 und 92) an die Summierschaltung 70 angelegt wird. Über R = V/I und die Tatsache, dass der Strom durch R + RC ein Zehntel des Stroms durch RS ist, ist die Spannung über R + RC ein Zehntel der Spannung über RS, wenn die Widerstände gleich sind. Deshalb muss, um einen Vergleich der Spannungen zu machen, um zu bestimmen, ob die Widerstände gleich sind, die Spannung über RS mit einem Zehntel des Vervielfachers multipliziert werden, der auf die Spannung über R + RC angewandt wird. Der Vervielfacher 68 multipliziert die Spannung V₁ mit –0.1, um sicherzustellen, dass die Vervielfacher ein umgekehrtes Verhältnis zu den Verhältnissen der Ströme IS und IS/10 besitzen. Der negative Vervielfacher 68 erlaubt es der Summierschaltung 70, eine Subtraktion der normalisierten Widerstandsspannungen durchzuführen, um ein Fehlersignal 110 zu liefern, das einen Unterschied zwischen den Widerständen angibt. Dieser Unterschied wird in einem integrierenden, stark verstärkenden Fehlerverstärker 72 verstärkt und als Rückmeldung zurückgeführt, um das Stromniveau IS zu steuern. Das Ausgangssignal des Feh lerverstärkers 72 wird parallel über die Leitung oder die Rückmeldungsschleife 112, den Knoten 114 und die Leitungen 116 und 118 zu den Stromquellen 62 und 64 zurückgeführt, um das Stromniveau nach Notwendigkeit anzupassen, das von den Stromquellen 62/64 geliefert wird. Die von den Stromquellen 62/64 gelieferten Ströme werden so eingestellt, dass die Widerstände RS des Sensorelements 12 und R + RC der Elemente 15/14 ein vorbestimmtes Gleichgewicht behalten. In dem in 7 dargestellten Beispiel sind die Widerstände so angepasst, dass RS = R + RC. Alternativ können andere Verhältnisse oder Widerstandsniveaus verwendet werden, wobei RS kleiner oder größer als R + RC ist. Zusätzlich kann, obwohl eine Rückmeldungsschaltung zum Steuern der Stromquellen 62/64 bevorzugt ist, alternativ eine solche Rückmeldungsschaltung weggelassen werden, wobei die Datenbank verschiedene Spannungsverhältnisse zulässt. Wenn die Rückmeldungsschaltung weggelassen wird, ist die Antwortzeit des Messinstruments 60 typischerweise langsamer.
Der Strom durch das Sensorelement 12 wird durch den Stromsensor 49 bestimmt, und die Spannung V₁ über dem Sensorelement 12 im Zusammenhang mit diesem Strom wird durch den Sensor 48 bestimmt, der über Leitungen 82 und 86 mit den Knoten 80 und 92 verbunden ist. Die Elemente 12 und 14 sind über die Leitungen 90 bzw. 105 mit den Knoten 92 bzw. 98 verbunden, und die Leitung 86 ist über den Knoten 94 mit Erde verbunden. Der Sensor 48 und die Vervielfacher 66 und 68 besitzen hohe Eingangsimpedanzen, so dass der gesamte Strom IS durch das Sensorelement 12 fließt. Wie in der früheren Ausführungsform können Strom- und Spannungsparameter in einer Nachschlagedatenbank verwendet werden, um den Druck zu bestimmen, dem die Elemente 12 und 14 ausgesetzt sind.
Das Messinstrument 60 wird auf ähnliche Weise kalibriert, wie es für das in 6 dargestellte Messinstrument beschrieben ist, wobei das Sensorelement 12 einer Reihe von bekannten repräsentativen Drücken und Umgebungstemperaturen, die über die interessierenden Druck- und Temperaturbereiche verteilt sind, ausgesetzt wird. Der Spannungsabfall über dem Sensorelement 12 wird durch das Spannungsmessgerät 48 gemessen, und der Strom durch das Sensorelement wird durch das Strommessgerät 49 gemessen, wobei die Widerstände RS und R + RC in einem bestimmten Gleichgewicht gehalten werden, beispielsweise RS = R + RC. Diese Werte werden aufgetragen, um die in Hinblick auf 6 beschriebene dreidimensionale Datentabelle und die Oberfläche zu liefern.
Bei der Anwendung kann somit ein unbekannter Druck bestimmt werden, indem die Spannung und der Strom über das Sensorelement 12 gemessen werden und anschließend die für das Messinstrument aus 6 beschriebenen Verfahren angewendet werden. Beispielsweise werden die Werte von Spannung und Strom, die gemessen wurden, mit den gespeicherten Kalibrationsdaten verglichen, die Druckwerte für besondere Spannungs- und Stromwerte enthalten. Typischerweise stimmen die gemessenen Werte von Spannung und Strom nicht exakt mit irgendwelchen in den gespeicherten Daten enthaltenen Werten überein. Folglich wird der Wert des gemessenen Drucks durch Interpolation der gespeicherten Spannungs-/Strom-/Druck-Kalibrationsdaten bestimmt. Vorzugweise wird eine Näherungsgleichung wie Gleichung 27 verwendet, um die Interpolation durchzuführen. Durch Speichern von Gleichung 27 im Prozessor kann der Druck automatisch aus der gemessenen Spannung und dem Strom über dem Sensorelement 12 berechnet werden. Wie beim Messinstrument aus 6 können andere Größen als Spannung und Strom zum Bestimmen des Drucks innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet werden.
Bezug nehmend auf 8 ist das Messinstrument 125 eine Ausführungsform eines Messinstruments gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich vom Messinstrument 60 (7) darin unterscheidet, dass der positive (+) Eingang des Vervielfachers 66 vom Knoten 102 zu einem neuen Knoten 120 versetzt wird, der, wie dargestellt, zwischen den Elementen 14 und 15 angeordnet ist. Zusätzlich ist ein dritter Vervielfacher 121 mit Verstärkung K beinhaltet. Der Vervielfacher 121 ist wie dargestellt mit dem Knoten 102 und einem neuen Knoten 119 (angeordnet zwischen den Elementen 14 und 15) verbunden. Bei dieser Anordnung fügt der Widerstand der Leitung 103 zwischen den Elementen 14 und 15 dem Widerstand R von Element 15 keinen unbestimmten zusätzlichen Wert hinzu. Dadurch kann die Leitung 103, falls notwendig, ein langer Draht sein, und der Widerstand zwischen den Knoten 119 und 120 bleibt im Wesentlichen ohne Auswirkungen auf die Genauigkeit des Messinstruments 125. Dies ermöglicht es, dass das Element 15 in geeigneteren Positionen angeordnet wird, z.B. auf einer Platine eines Elektronikpakets anstatt am Signalgeber, und dass der Widerstand des Abschlusses des Kompensationselements 14 nicht so genau gesteuert werden muss. Außerdem ermöglicht es die Anordnung des Elements 15 entfernt vom Signalgeber, dass das Element 15 sich in einer Umgebung befindet, die eine stabilere Temperatur besitzt, so dass unbeabsichtigte Temperatursensitivitäten minimiert werden. Der Wert des Widerstands R des Elements 15 kann auf der Basis von Kosten, Einfachheit oder Verfügbarkeit ausgewählt werden, da der Spannungsabfall über dem Element 15 durch den Vervielfacher 121 mit jedem beliebigen Wert K multipliziert werden kann, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten.
Noch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können so ausgestaltet sein, dass das Sensorelement 12 und das Temperaturkompensationselement 14 sowohl hinsichtlich ihres Widerstands als auch der Länge verschieden sind. Das Sensorelement 12 und das Temperaturkompensationselement 14 können so ausgestaltet sein, dass der Widerstand des Temperaturkompensationselements 14 geringfügig niedriger ist als der des Sensorelements 12, beispielsweise bis hin zu etwa 10% geringer. Es wurde herausgefunden, dass in einigen Situationen ein Kompensationselement 14, welches einen geringfügig geringeren Widerstand besitzt als das Sensorelement 12, weiter verbesserte Umgebungstemperaturkompensation des Drucksignals gegenüber einem Kompensationselement 14 liefern kann, das einen Widerstand besitzt, der dem des Sensorelements 12 entspricht.
In einer Ausführungsform, bei der das Sensorelement 12 und das Kompensationselement 14 identische Längen und Widerstände besitzen, kann der Widerstand des Kompensationselements 14 durch einen Abgleichwiderstand 126, der elektrisch parallel zum Kompensationselement 14 geschaltet ist und im Allgemeinen außerhalb der Sensor- oder Messumgebung angeordnet ist, auf den gewünschten Betrag gesenkt werden. 9 zeigt ein Beispiel eines Abgleichwiderstands 126, der parallel zum Kompensationselement 14, das in der Schaltung von 7 dargestellt ist, geschaltet ist, wobei der parallele Abgleichwiderstand 126 über die Leitung 124 und den Knoten 122 mit der Leitung 103 verbunden ist, sowie über die Leitung 128 und den Knoten 130 mit der Leitung 105 verbunden ist. Wenn der parallele Abgleichwiderstand 126 parallel zum Kompensationselement 14 geschaltet ist, wird der Widerstand 126 ein Teil des Kompensationselements 14. In einer Ausführungsform ist das Kompensationselement 14 mit einem etwa 4.5% geringeren Widerstand als das Sensorelement 12 ausgestattet, um eine Temperaturkompensation zu liefern, die bei etwa 300 mTorr optimiert ist. Das Hinzufügen des parallelen Abgleichwiderstands 126 in Parallelschaltung zum Kompensationselement 14 verändert sowohl den Widerstands-Temperaturkoeffizienten als auch das Verhältnis Ohm/°C des Schaltungsarms des Kompensationselements 14.
In einer anderen Ausführungsform besteht das Kompensationselement 14 aus demselben Material und besitzt im Allgemeinen denselben Durchmesser wie das Sensorelement 12, ist aber geringfügig kürzer, um im Vergleich zum Sensorelement 12 einen geringeren Widerstand zu liefern. Die Längendifferenz wird empirisch durch Vergleich über einen Temperaturbereich mit einem Kapazitätsmembran-Messinstrument bestimmt. Der Unterschied der Längen ist klein genug, dass das Sensorelement 12 und das Kompensationselement 14 immer noch ähnliche Temperaturreaktionen und physikalische Eigenschaften besitzen, aber das kürzere Kompensationselement 14 liefert eine bessere Temperaturkompensation. In einer Ausführungsform ist das Kompensationselement etwa 6.4% kürzer (etwa 6.4% weniger Widerstand) als das Sensorelement 12, wobei diese Temperatur die Sensorspannungskurve optimal bei etwa 1 Torr kompensiert. Ein kürzeres Kompensationselement 14 besitzt einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten (Ohm/Ohm/°C), der identisch ist zu dem des Sensorelements 12, wobei aber Ohm/°C unterschiedlich ist.
Der ideale Längen- und Widerstandsunterschied zwischen dem Sensorelement 12 und dem Kompensationselement 14 kann abhängig von der Länge, Position und dem Abstand zwischen Sensorelement 12 und Kompensationselement 14 sowie deren Nähe zu anderen Komponenten zwischen verschiedenen Messinstrumenten variieren. Der Längenunterschied kann in jeder der zuvor beschriebenen Schaltungen verwendet werden.
Ein paralleler Abgleichwiderstand 126 kann in bestimmten Situationen zum Absenken des Widerstands des Kompensationselements 14 verwendet werden, wobei die Länge oder der Widerstand des Kompensationselements 14 geringer ist als der des Sensorelements 12, aber nicht im vollen gewünschten Ausmaß. Wenn die Länge oder der Widerstand des Kompensationselements 14 verglichen mit dem Sensorelement 12 geringer als gewünscht ist, kann zusätzlich ein paralleler Abgleichwiderstand 126 parallel zum Sensorelement 12 geschalten werden, um den Widerstand des Sensorelements so zu verringern, dass der Widerstand des Kompensationselements 14 im Vergleich zum Widerstand des Sensorelements 12 erhöht wird, um die relativen Widerstände in den gewünschten Bereich zu bringen. In einem solchen Fall wird der parallele Abgleichwiderstand 126 zu einem Teil des Sensorelements 12. Obwohl der parallele Abgleichwiderstand 126 oben bei seiner Verwendung in der Schaltung von 7 beschrieben wurde, ist es klar, dass der pa rallele Abgleichwiderstand 126 in jeder anderen der oben beschriebenen Schaltungen verwendet werden kann.
Auch wenn diese Erfindung im Speziellen unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird es einem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und in Details vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Beispielsweise können Merkmale verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sich gegenseitig ersetzen oder kombiniert werden. Obwohl die Messinstrumente 60 und 125 gemäß der Beschreibung einen Gleichstrom an die Elemente 12, 14 und 15 vorsehen, können zudem andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Wechselstrom an die Elemente 12, 14 und 15 vorsehen. Obwohl spezielle Abmessungen und Spezifikationen vorgestellt wurden, soll es außerdem klar sein, dass die Abmessungen und Spezifikationen abhängig von der jeweiligen Situation variiert werden können.

Claims

Wärmeverlustmessinstrument zum Messen von Gasdruck in einer Umgebung, enthaltend: ein Widerstands-Sensorelement (12); ein Widerstands-Kompensationselement (14), das einer Abgleichumgebung ausgesetzt ist, in Schaltungsverbindung mit dem Sensorelement (12); eine elektrische Stromquelle (32), die mit dem Sensorelement (12) und dem Kompensationselement (14) verbunden ist, um Strom durch die Elemente zu leiten, wobei der Strom durch das Sensorelement (12) stärker als der Strom durch das Kompensationselement (14) ist; eine Messschaltung (30), die mit dem Sensorelement (12) und dem Kompensationselement (14) verbunden ist, um den Gasdruck in der Umgebung zu ermitteln, der das Sensorelement (12) und das Kompensationselement (14) ausgesetzt sind, auf der Grundlage des elektrischen Ansprechverhaltens des Sensorelements (12) und des Kompensationselements (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) und das Kompensationselement (14) unterschiedliche Längen haben.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kompensationselement (14) kürzer als das Sensorelement (12) ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Sensor- und Kompensationselemente (12, 14) so gestaltet sind, dass das Kompensationselement (14) einen etwa 5% bis 8% geringeren Widerstand hat, als das Sensorelement (12).
Messvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Sensor- und Kompensationselemente (12, 14) so gestaltet sind, dass das Kompensationselement (14) einen etwa 6% bis 7% geringeren Widerstand hat, als das Sensorelement (12).
Messvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Kompensationselement (14) eine etwa 5% bis 8% geringere Länge hat, als das Sensorelement (12).
Messvorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Kompensationselement (14) etwa 6% bis 7% kürzer ist als das Sensorelement (12).
Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Parallelwiderstand (126) über eines der Sensor- und Kompensationselemente (12, 14) gelegt ist, um das Kompensationselement (14) mit geringerem Widerstand auszustatten.
Verfahren zum Messen von Gasdruck in einer Umgebung, enthaltend: Bereitstellen eines Widerstands-Sensorelements (12); Bereitstellen eines Widerstands-Kompensationselements (14), das einer Abgleichumgebung ausgesetzt ist, in Schaltungsverbindung mit dem Sensorelement (12); Durchleiten von Strom durch das Sensorelement (12) und das Kompensationselement (14) von einer elektrischen Stromquelle (32), wobei der Strom durch das Sensorelement (12) stärker als der Strom durch das Kompensationselement (14) ist; mit Hilfe einer Messschaltung (30), die mit dem Sensorelement (12) und dem Kompensationselement (14) verbunden ist, Ermitteln des Gasdrucks in der Umgebung, der das Sensorelement (12) und das Kompensationselement (14) ausgesetzt sind, auf der Grundlage des elektrischen Ansprechverhaltens des Sensorelements (12) und des Kompensationselements (14); dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) und das Kompensationselement (14) so gestaltet sind, dass sie unterschiedliche Längen haben.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner enthaltend das Ausgestalten des Kompensationselements (14) derart, dass es kürzer als das Sensorelement (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner enthaltend das Ausgestalten der Sensor und Kompensationselemente (12, 14) derart, dass das Kompensationselement (14) einen etwa 5% bis 8% geringeren Widerstand hat, als das Sensorelement (12).
Verfahren nach Anspruch 10, ferner enthaltend das Ausgestalten der Sensor- und Kompensationselemente (12, 14) derart, dass das Kompensationselement (14) einen etwa 6% bis 7% geringeren Widerstand hat, als das Sensorelement (12).
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin enthaltend das Ausgestalten des Kompensationselements (14) mit einer Länge, die etwa 5% bis 8% kürzer als die des Sensorelements (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin enthaltend das Ausgestalten des Kompensationselements (14) mit einer Länge, die etwa 6% bis 7% kürzer als die des Sensorelements (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin enthaltend das Anordnen eines Parallelwiderstands (126) über eines der Sensor- und Kompensationselemente (12, 14), um das Kompensationselement (14) mit niedrigerem Widerstand zu versehen.