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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen
von Drücken mit einem Stimmgabel-Quarzoszillator.
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Es gibt ein herkömmliches Verfahren, bei dem ein Stimmgabel-
Quarzoszillator (nachstehend einfach als "Gabeloszillator" bezeichnet) (wie
zum Beispiel derjenige, das in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldungs-
Veröffentlichung Nr. 64 (1989)-38547 beschrieben ist) verwendet werden
kann, um Drücke (in erster Linie Vakuumdrücke) zu messen. Es ist bekannt,
daß der Resonanzwiderstand eines Gabel oszillators entsprechend dem Gasdruck
zunimmt, wenn eine gasförmige Substanz in dem Gebiet der Molekularströmung
ist, und entsprechend dem Quadrat des halben Drucks zunimmt, wenn eine
gasförmige Substanz in dem viskosen Strömungsgebiet ist. Bei dem
herkömmlichen Verfahren wird diese Eigenschaft des Gabeloszillators
ausgenutzt. Es ist auch bekannt, daß der Gabeloszillator ein nützliches
Druckmeßmittel ist, da mit ihm ein großer Bereich von Drücken, von dem
Atmosphärendruck bis zu Drücken von 10&supmin;² bis 10&supmin;³ Torr gemessen werden kann.
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Bei dem herkömmlichen Verfahren, bei dem der Gabeloszillator
verwendet wird, um diese Drücke zu messen, wird der Gabeloszillator in die
Atmosphäre einer bestimmten gasförmigen Substanz gestellt, deren Druck
gemessen werden soll, und eine Oszillatorschaltung verwendet, um bei dem
Gabeloszillator Schwingungen hervorzurufen. Der Druck der gasförmigen
Substanz kann dann aus der Differenz ΔZ (= Z-Z&sub0;) zwischen dem
Resonanzwiderstand Z zu diesem Zeitpunkt und dem Eigenresonanzwiderstnad
Z&sub0; des Gabeloszillators (dem Wert im Hochvakuum) bestimmt werden.
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Bei dem herkömmlichen Verfahren, bei dem der Gabeloszillator
verwendet wird, um den Druck zu messen, wie dies oben beschrieben wurde,
variiert die Temperatur des Gabeloszillators während des Meßprozesses
gewöhnlich in unbestimmter Weise, was große Fehler beim Messen des Drucks
in dem unteren Druckbereich verursachen kann. Dies würde in unvorteilhafter
Weise jede genaue Druckmessung unmöglich machen.
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Der oben beschriebene Eigenresonanzwiderstand Z&sub0; bleibt über einen
großen Temperaturbereich (-20ºC bis +60ºC) stabil, wobei er sich in diesem
Temperaturbereich nur um einige kohm (kΩ) ändert, während der Wert der
Widerstandsdifferenz ΔZ in dem Druckbereich zwischen 10&supmin;¹ und 10&supmin;² Torr um
mehrere kohm abnimmt, und in dem Druckbereich zwischen 10&supmin;² und 10&supmin;³ Torr
um mehrere zehn Ohm abnimmt, was bedeutet, daß der Wert von ΔZ abnimmt,
wenn der Druck verringert wird. Die Änderung des Eigenresonanzwiderstandes
Z&sub0;, die durch eine Änderung der Temperatur des Gabeloszillators verursacht
wird, kann nicht vernachlässigt werden. Dies hat daher Begrenzungen bei der
Druckmessung mit dem Gabeloszillator zur Folge.
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Um zu verhindern, daß der Eigenresonanzwiderstand Z&sub0; des
Gabeloszillators durch eine Änderung der Temperatur des Gabeloszillators
beeinflußt wird, gibt es eine weitere Druckmeßsonde, wie sie in der Figur
6 wiedergegeben ist, wobei diese Druckmeßsonde einen in einen
Aluminiumblock 42 eingebetteten Gabeloszillator 41, sowie ein Heizelement
43 und einen Temperaturfühler 44, die ebenfalls in den Aluminiumblock
eingebettet sind, umfaßt, wodurch der Gabeloszillator 41 auf einer
konstanten Temperatur gehalten wird.
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Bei einer solchen Druckmeßsonde hat der Aluminiumblock 42 jedoch eine
inhärente Wärmekapazität, die zur Folge hat, daß der Gabeloszillator 41 die
spezifische Temperatur, auf der er gehalten werden soll, nur mit einer
gewissen Zeitverzögerung erreicht. Ein Problem ist insbesondere die große
Reaktionszeit bei der Druckmessung mit der Sonde, und ein weiteres Problem
ist, daß die Meßschaltung eine zusätzliche Temperaturregel schaltung für das
Heizelement 43 und den Temperaturfühler 44 umfassen muß, was die
Meßschaltung kompliziert und teuer macht.
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Angesichts der obigen Probleme wird gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren vorgeschlagen, das ermöglicht, Druck mit hoher Genauigkeit
zu messen, ohne daß die zusätzlichen komplexen Ausrüstungen bei dem
Gabeloszillator vorgesehen werden müssen.
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In JP-A-60171428 und in den "Patent Abstracts of Japan", Band 10, Nr.
15 (P-422) (2072) wird ein von uns anerkanntes Gasmanometer beschrieben,
bei dem ein piezoelektrischer Vibrator verwendet wird, der mit variabler
Frequenz gesteuert wird und mit einer Peak-Halteschaltung gekoppelt ist,
die ein für den Wechselstromwiderstand bei Resonanz repräsentatives
Ausgangssignal liefert. Weiterhin wird in EP-A-0379840 ein Quarzstimmgabel-
Manometer beschrieben, bei dem eine Korrektur für die Verunreinigung der
Stimmgabel vorgenommen wird, wozu ein Bezugswert bestimmt wird, der
repräsentativ für die Resonanzfrequenz des neuen und nicht verunreinigten
Quarzes ist, wobei dafür eine identische Stimmgabel verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung ist in dem unten wiedergegebenen
Patentanspruch 1 festgelegt.
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Bei dem unten beschriebenen Beispiel wird, um den Resonanzwiderstand
Z zu bestimmen, der Gabeloszillator mit der festen Wechselspannung, die an
ihn angelegt wird, gesteuert, und dann der Resonanzstrom zu diesem
Zeitpunkt gemessen, und eine arithmetische Operation damit ausgeführt. Um
den Eigenresonanzwiderstand ZT bei der Temperatur T zu messen, wird eine
Spannung, die repräsentativ für einen Wert Zc des Resonanzwiderstandes Z&sub0;
bei einer vorgegebenen Bezugstemperatur (zum Beispiel 20ºC) ist, als
Bezugsspannung eingestellt, eine Spannung, die gleich der Differenz ΔZT
zwischen Z&sub0; und ZC bei der Temperatur T ist, aus der Resonanzfrequenz "f"
bestimmt, und ein Operationsverstärker freigegeben, um die zwei
Eingangsspannungen miteinander zu kombinieren. Das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers bestimmt den Eigenresonanzwiderstand bei der
Temperatur T. Auf diese Weise wird die Temperatur T im wesentlichen aus der
Resonanzfrequenz "f" bestimmt, und die Temperatur T wird benutzt, um die
Differenz ΔZT zu bestimmen.
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Die Werte Z&sub0;, ZT, Zc und ΔZT die hier verwendet werden, sind so
definiert, daß sie die folgende jeweilige Bedeutung haben.
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Z&sub0; ist definiert als der Eigenresonanzwiderstand des
Gabeloszillators, d.h. als der Wert des Resonanzwiderstandes im Hochvakuum.
Dieser Wert kann entsprechend der Änderung der Temperatur T variieren, und
Z&sub1; = Z&sub0; (t).
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Zc ist definiert als der Eigenresonanzwiderstand Z&sub0; bei einer
Bezugstemperatur T = Tc (zum Beispiel 20ºC). Folglich gilt Zc = Z&sub0; (T = Tc).
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Z (P, T) ist der Resonanzwiderstand in Gas mit dem Druck P, bei der
variablen Temperatur T.
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ΔZ ist die Resonanzwiderstands-Differenz: ΔZ = Z-Z&sub1;.
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ΔZT ist definiert als die Differenz zwischen Z&sub1; und Zc, d.h.
ΔZT = ZT-Zc.
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Gemäß dem Druckmeßverfahren der vorliegenden Erfindung kann die
Differenz ΔZ aus dem tatsächlichen Eigenresonanzwiderstand ZT des
Gabeloszillators und dem Resonanzwiderstand Z, der dem Druck entspricht,
bestimmt werden, selbst wenn während des Meßprozesses Änderungen der
Temperatur des Gabeloszillators auftreten. Folglich kann der Druck immer
ohne irgendwelche Fehler mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
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Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden
Erfindung werden aufgrund der folgenden ausführlichen Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser ersichtlich werden,
wobei bei dieser Beschreibung auf die beigefügten Zeichnungen Bezug
genommen wird, die Folgendes darstellen:
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Die Figur 1 ist ein Diagramm, das die Kennlinien wiedergibt, die den
Zusammenhang zwischen der variierenden Temperatur des Gabeloszillators, der
bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
der entsprechenden Änderung der Resonanzfrequenz bzw. des
Eigenresonanzwiderstandes veranschaulicht.
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Die Figur 2 ist ein Diagramm, das die Kennlinie wiedergibt, die die
Druckdifferenz für den Gabeloszillator veranschaulicht.
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Die Figur 3 ist ein Blockschaltbild einer Meßschaltung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figur 4 ist ein Schaltbild einer arithmetischen Schaltung bei der
Ausführungsform der Figur 3.
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Die Figur 5 ist ein Blockschaltbild einer Meßschaltung gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figur 6 ist eine Vorderansicht eines Temperaturregelvorrichtung
eines herkömmlichen Gabeloszillators.
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Wie in der Figur 1 gezeigt ist, weist ein Stimmgabeloszillator
(nachstehend als "Gabeloszillator" bezeichnet), der für die Zwecke der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, eine mit dem Buchstaben "a"
bezeichnete, lineare Arbeitskennlinie auf, die den Zusammenhang zwischen
der Temperatur T und der Resonanzfrequenz f wiedergibt. Der Gabel oszillator
weist außerdem eine mit dem Buchstaben "b" bezeichnete, gekrümmte
Arbeitskennlinie auf, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur T und
dem Eigenresonanzwiderstand ZT wiedergibt. Ein solcher Gabeloszillator
sollte auch eine Arbeitskennlinie haben, wie sie in der Figur 2
wiedergegeben ist, wobei diese Arbeitskennlinie den Zusammenhang zwischen
dem Druck P einer bestimmten gasförmigen Substanz (Luft) und der
Resonanzwiderstandsdifferenz ΔZ = Z-ZT veranschaulicht.
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Ein Gabeloszillator 1 wie derjenige, der die oben beschriebenen
Arbeitskennlinien hat, kann verwendet werden, um eine Druckmeßschaltung,
wie sie in der Figur 3 wiedergegeben ist, zu verwirklichen. In der Figur
3, auf die nun Bezug genommen wird, umfaßt die Meßschaltung einen
Strom/Spannung-Wandler 2, einen Ganzwellengleichrichter 3, einen 1/10-
Abschwächer 4, einen Komparator 5, einen spannungsgesteuerten Abschwächer
6, einen Ganzwellengleichrichter 7, eine arithmetische Schaltung 8, einen
Frequenzzähler 9, einen Digital/Analog (D/A)-Umsetzer 10, und ein
Meßinstrument 11.
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Der Ganzwellengleichrichter 3, der 1/10-Abschwächer 4, der Komparator
und der spannungsgesteuerte Abschwächer 6 bilden eine stabilisierte
Wechselspannungsversorgung, und die stabilisierte
Wechselspannungsversorgung und der Gabeloszillator 1 bilden einen selbsterregten
Oszillator.
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Bei der Meßschaltung mit der oben beschriebenen Anordnung wird ein
Signal, das einem Resonanzstrom in der Oszillatorschaltung entspricht, über
den Strom/Spannung-Wandler 2 und den Ganzwellengleichrichter 7 auf einen
der Eingänge der arithmetischen Schaltung 8 gegeben. Da das Signal, das dem
Resonanzstrom entspricht, auch das Signal ist, das dem Resonanzwiderstand
Z entspricht, repräsentiert das Signal, das auf den einen Eingang der
arithmetischen Schaltung 8 gegeben wird, tatsächlich das mit dem
Resonanzwiderstand Z zusammenhängende Signal 1/Z. Ein Signal von dem
Frequenzzähler 9 und dem D/A-Umsetzer 10, das ΔZT repräsentiert, wird auf
den anderen Eingang der arithmetischen Schaltung 8 gegeben.
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Die arithmetische Schaltung 8 hat die in der Figur 4 wiedergegebene
Anordnung, die die Operationsverstärker OP&sub1; bis OP&sub3; und einen Teiler 15
umfaßt.
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Der Frequenzzähler 9 und der D/A-Umsetzer 10 sprechen auf den
Eingangsresonanzfrequenz "f" an, wobei sie gemäß den in der Figur 1
wiedergegebenen Kennlinien arbeiten, und sie liefern den Widerstandswert
ΔZT, der die Temperatur des Gabeloszillators repräsentiert.
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Der Operationsverstärker OP&sub1; spricht auf das Eingangssignal ΔZT von
dem Frequenzzähler und dem D/A-Umsetzer, und auf die Eingangsbezugsspannung
Zc an, und liefert ein Ausgangssignal -(Zc+ΔZT). Danach werden das
Ausgangssignal -(Zc+ΔZT), das heißt, der Wert -ZT, und der Wert des
Resonanzwiderstandes Z von dem Ganzwellengleichrichter 7 zusammenaddiert,
wobei das Ergebnis Z-Z&sub1; auf den Operationsverstärker OP&sub2; gegeben wird,
dessen Ausgangssignal dann auf OP&sub3; gegeben wird, dessen Ausgangssignal
verwendet werden kann, um das Meßinstrument 11 zu steuern.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung ist klar ersichtlich, daß der
Punkt A in der Figur 1 im wesentlichen aus der Resonanzfrequenz "f"
bestimmt wird, und dann der Punkt B bestimmt wird. Folglich kann der
Eigenresonanzwiderstand Z&sub0; des Gabeloszillators 1 den Wert ZT für den
Eigenresonanzwiderstand bei jeder während des Meßprozesses auftretenden
Temperatur besser repräsentieren als der feste Wert im Hochvakuum gemäß dem
Verfahren des Standes der Technik. Eventuelle Fehler, die durch eine
Änderung der Temperatur des Gabeloszillators 1 verursacht werden, können
eliminiert werden.
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Als nächstes wird auf die Figur 5 Bezug genommen, in der eine weitere
Ausführungsform der Meßschaltung wiedergegeben ist. Diese Meßschaltung
weist eine digitale Anzeige auf, im Gegensatz zu der vorhergehenden
Ausführungsform, die eine analoge Anzeige aufweist. In der Figur 5 sind
ähnliche Bauteile mit der gleichen Kennziffer wie bei der vorhergehenden
Ausführungsform bezeichnet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von
der vorhergehenden Ausführungsform dadurch, daß der Resonanzwiderstand 1/Z
von dem Ganzwellengleichrichter 7 auf den A/D-Umsetzer 12 gegeben wird, der
das entsprechende digitale Ausgangssignal liefert Dieses digitale
Ausgangssignal wird, zusammen mit dem Ausgangssignal von dem Frequenzzähler
9, auf die Zentraleinheit (ZE) 13 gegeben, und die ZE 13 verarbeitet diese
Signale. Das Ausgangssignal der ZE 13 kann in digitaler Form auf einer
Anzeige 14 wiedergegeben werden. Die ZE 13 kann die gleichen Operationen
wie bei der vorherigen Ausführungsform ausführen, und sie kann einen
Speicher enthalten, um die Programme und die in der Figur 1 wiedergegebenen
Daten zu speichern.
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Bei dieser Ausführungsform kann, wie bei der vorhergehenden
Ausführungsform, der Druck aus dem Eigenresonanzwiderstand ZT bei der
Temperatur, die der Gabeloszillator während des Meßprozesses hat, bestimmt
werden, und außerdem können eventuelle Fehler, die durch
Temperaturänderungen verursacht werden, eliminiert werden.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ermöglicht das Verfahren
der vorliegenden Erfindung, eine eventuelle Änderung der Temperatur des
Gabeloszillators zu erfassen, und eine durch ΔZ repräsentierte
Druckdifferenz aus dem Eigenresonanzwiderstand Z&sub1; bei dieser Temperatur,
und dem Resonanzwiderstand Z, der dem Druck entspricht, zu bestimmen, und
dadurch den Druck zu bestimmen. Folglich können eventuelle Fehler, die
durch eine Änderung der Temperatur des Gabeloszillators während des
Meßprozesses verursacht werden, eliminiert werden, und der Druck kann mit
großer Genauigkeit gemessen werden. Da es keine Fehler infolge von
Temperaturänderungen gibt, kann der mögliche Meßbereich nach niedrigeren
Drücken erweitert werden, so daß ein breiterer Druckbereich als bisher
überdeckt wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre
bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, gilt als vereinbart, daß
verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne
den Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten
Patentansprüchen festgelegt ist, zu verlassen.