DE69803147T2

DE69803147T2 - Pirani, bei dem nur das Widerstandsfühlerelement beheizbar ist

Info

Publication number: DE69803147T2
Application number: DE69803147T
Authority: DE
Inventors: Daniel Granville Bills; Michael Dale Borenstein
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: JP2839244B1; US6227056B1; US6023979A; EP0893677B1; DE69803147D1; JPH1151797A; EP0893677A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeverlust-Meßeinrichtung, die die Gasleitfähigkeit für die Messung von Drücken nutzt, die von sehr niedrigen Drücken zu Drücken größer als der atmosphärische Druck reichen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Da die Rate der Wärmeübertragung durch ein Gas eine Funktion des Gasdrucks ist, können unter bestimmten Bedingungen Messungen der Wärmeübertragungsraten von einem erwärmten Fühlerelement auf das Gas mit einer geeigneten Kalibrierung verwendet werden, um den Gasdruck zu ermitteln. Dieses Prinzip wird in der wohlbekannten Pirani-Meßeinrichtung verwendet (in schematischer Form in den Fig. 1a und 1b gezeigt), in der der Wärmeverlust mit einem Wheatstone-Brücken-Netz gemessen wird, welches sowohl zum Erwärmen des Fühlerelements als auch zum Messen seines Widerstands dient.
Wie in Fig. 1a gezeigt, umfaßt in einer Pirani-Meßeinrichtung der Druckfühler einen temperaturempfindlichen Widerstand RS, der als ein Arm einer Wheatstone-Brücke angeschlossen ist. R2 ist typischerweise ein temperaturempfindlicher Widerstand, der so konfiguriert ist, daß er einen vernachlässigbaren Temperaturanstieg aufgrund des Stroms i&sub2; aufweist. R3 und R4 sind typischerweise feste Widerstände. RS und typischerweise R2 werden der Vakuumumgebung ausgesetzt, deren Druck zu messen ist. Fig. 1b erläutert eine alternative Brückenkonfiguration.
Pirani-Meßeinrichtungen wurden mit konstantem Strom 11 (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, welches den Gasdruck widerspiegelt. Pirani-Meßeinrichtungen wurden ferner mit konstantem Widerstand RS betrieben (wie im US-Patent 2.938.387 gezeigt). In dieser Betriebsart wird die Rate, mit der Energie zugeführt wird, mit den Änderungen des Gasdrucks variiert, so daß die Änderungsrate der zugeführten Energie die Änderungen des Gasdrucks widerspiegelt. Jedes Betriebsverfahren hat verschiedene Vor- und Nachteile, jedoch bezieht sich die folgende Beschreibung insbesondere auf das Konstantwiderstand-Verfahren und die Konfiguration der Fig. 1a.
Die Spannung VB wird automatisch geregelt, um die Spannungsdifferenz zwischen A und C in Fig. 1a auf 0 Volt zu halten. Wenn der Potentialabfall von A nach C gleich 0 ist, wird die Brücke als ausgeglichen bezeichnet. Im Brückengleichgewicht gelten folgende Bedingungen:
iS = i&sub2;, (1)
i&sub4; = i&sub3; (2)
und
iSRS = i&sub4;R4, (3)
i&sub2;R2 = i&sub3;R3 (4)
Durch Dividieren von Gleichung 3 durch die Gleichung 4 und Verwendung von Gleichung 1 und 2 ergibt sich
RS = βR2 (5)
wobei
β = R4/R3 (6)
Somit ist im Brückengleichgewicht RS ein konstanter Bruchteil β von R2.
Um einen stationären Zustand im RS bei einem beliebigen gegebenen Druck zu erreichen, muß Gleichung 7 erfüllt sein:
in RS eingegebene elektrische Leistung = von RS abgestrahlte Leistung + Leistungsverlust an den (7) Enden von RS + Leistungsverlust von RS an das Gas
Eine herkömmliche Pirani-Meßeinrichtung wird bezüglich mehrerer bekannter Drücke kalibriert, um eine Beziehung zwischen einem unbekannten Druck PX und dem Leistungsverlust an das Gas oder bequemer der Brückenspannung zu ermitteln. Unter der Annahme, daß die Endverluste und die Strahlungsverluste konstant bleiben, kann anschließend der unbekannte Druck des Gases PX durch den Leistungsverlust an das Gas oder in bezug auf die Brückenspannung im Brückengleichgewicht direkt ermittelt werden.
Da Pirani-Meßeinrichtungen so konfiguriert sein können, daß sie einen weiten Bereich aufweisen, und da sie relativ einfach und kostengünstig sind, besteht seit langem das Bedürfnis, diese Meßeinrichtungen als Ersatz für sehr viel teuerere Meßeinrichtungen verwenden zu können, wie z. B. Kapazitätsmanometer und Ionisations-Meßeinrichtungen. Bestehende Konfigurationen lassen jedoch bei einer genauen Druckmessung viel zu wünschen übrig, insbesondere bei niedrigen Drücken.
Vor 1977 lag die obere Druckgrenze von Pirani-Meßeinrichtungen etwa bei 20 Torr, weil in Vorrichtungen mit makroskopischer Größe bei höheren Drücken die Wärmeleitfähigkeit eines Gases im wesentlichen unabhängig vom Druck wird. Einer der vorliegenden Erfinder half bei der Entwicklung der CONVECTRON®- Meßeinrichtung, die seit 1977 vom Abtretungsempfänger (Granville-Phillips Company of Boulder Colorado) hergestellt und vertrieben wird, und die eine Konvektionskühlung des Fühlerelements verwendet, um eine verbesserte Empfindlichkeit von 20 bis 1000 Ton zu schaffen. Hundertausende von CONVECTRON -Meßeinrichtungen wurden weltweit verkauft. In letzter Zeit sind mehrere Nachahmungen auf dem Markt erschienen.
Obwohl die CONVECTRON®-Meßeinrichtung einen unbefriedigten Bedarf gestillt hat, weist sie mehrere Nachteile auf. Sie besitzt notwendigerweise große interne Abmessungen, um Raum für die Konvektion zu schaffen. Sie ist daher relativ groß. Da die Konvektion gravitationsabhängig ist, sind Druckmessungen bei höheren Drücken von der Ausrichtung der Fühlerachse abhängig. Da ferner der Druckbereich, in welchem die Gasleitungskühlung vorherrschend ist, nicht nahtlos mit dem Druckbereich überlappt, in dem die Konvektionskühlung auftritt, weist die CONVECTRON®-Meßeinrichtung eine begrenzte Empfindlichkeit von etwa 20 bis 200 Torr auf.
Um diese Schwierigkeiten vermeiden zu helfen, wurden Mikrominiatur-Pirani-Fühler entwickelt, die Fühler-Wand-Abstände in der Größenordnung einiger Mikrometer verwenden, statt der viel größeren Abstände von z. B. 0,5 Zoll, die vorher verwendet wurden. Siehe z. B. die US-Patente 4.682.503 von Higashi u. a. und 5.347.869 von Shie u. a. W. J. Alvesteffer u. a. beschreiben in einem Artikel, der erschienen ist in J. Vac. Sci. Technol. A13(6), Nov/Dez 1995, die neueste Arbeit an Pirani-Meßeinrichtungen, die den vorliegenden Erfindern bekannt ist. Die Verwendung solch kleiner Fühler-Wand-Abstände schafft eine druckunabhängige Wärmeleitfähigkeit selbst bei Drücken über dem atmosphärischen Druck. Solche mikroskopischen Fühler weisen eine gute Empfindlichkeit von einem niedrigen Druck bis oberhalb des atmosphärischen Drucks auf und funktionieren in einer beliebigen Ausrichtung.
Es gibt mehrere Probleme bei den früheren Versuchen, Mikrominiatur-Meßeinrichtungen zu entwickeln. Obwohl Mikrominiatur-Fühler eine gute Empfindlichkeit über einen großen Druckbereich unabhängig von der Ausrichtung zur Verfügung stellen, ist ihre Konfiguration extrem komplex und die Herstellung erfordert zahlreiche aufwendige Verarbeitungsschritte in einer hochspezialisierten Anlage, die Hunderttausende von Dollar kostet.
Mikrominiatur-Fühler leiden unter dem gleichen Typ von durch die Umgebungstemperatur hervorgerufenen Fehlern wie makroskopische Fühler. Alle Wärmeverlustausdrücke in Gleichung 7 sind abhängig von der Umgebungstemperatur und von der Fühlerelementtemperatur bei einem beliebigen gegebenen Druck. Daher wird jeder Versuch einer Druckmessung mit einer Pirani-Meßeinrichtung ohne Temperaturkorrektur durch nicht druckabhängige Leistungsverluste beeinträchtigt, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden. Alle modernen Pirani-Meßeinrichtungen versuchen, die durch die Umgebungstemperaturänderungen hervorgerufenen Fehler zu korrigieren. Ein weit verbreitetes Mittel zum Korrigieren solcher Fehler besteht darin, für R2 ein temperaturempfindliches Kompensationselement RC in Serie mit einem festen Widerstand R zu verwenden, wie in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist.
Das britische Patent GB 2105047A offenbart das Vorsehen eines zusätzlichen Widerstands, um einen Potentialteiler zu schaffen. J. H. Lec meldet auf Seite 58 in Pressure Measurement in Vacuum, Chapman and Hall: London (1964), daß Hale in 1911 R2 aus dem gleichen Material und mit den gleichen physikalischen Abmessungen wie RS in dieser Pirani-Meßeinrichtung gefertigt hat. R2 wurde in seiner eigenen Vakuumumgebung gekapselt und in unmittelbarer Nähe zu RS plaziert. Wenn die Drücke bei R2 und RS gleich waren, wurde eine hervorragende Temperaturkompensation erreicht. Bei anderen Drücken ist jedoch dieses Mittel der Temperaturkompensation nicht sehr wirksam.
Um die zusätzlichen Kosten und die Komplexität der Evakuierung und Abkapselung von R2 in einem separaten Kolben zu vermeiden, wird R2 herkömmlicherweise in der gleichen Vakuumumgebung wie RS plaziert. Durch Herstellen von R2 mit einer relativ großen thermischen Masse und großen thermischen Verlusten kann die Selbsterwärmung von R2 vernachlässigbar gemacht werden. Leck empfiehlt, daß R2 "in zwei Sektionen gefertigt wird, z. B. einer aus Kupfer und der anderen aus Nichrom-Draht..., so daß der Gesamttemperaturkoeffizient (von R2) gerade demjenigen des Pirani-Elements selbst (RS) entspricht". Gemäß Leck wurde dieses Verfahren der Temperaturkompensation von Edwards High Vacuum of Great Britain in der METROVAC®-Markenmeßeinrichtung verwendet. Eine ähnliche Temperaturkompensationsanordnung wird in der CONVECTRON®- Markenmeßeinrichtung verwendet.
Diese Technik (die zwei oder mehr Materialien in R2 mit unterschiedlichen Widerstands-Temperaturkoeffizienten verwendet, um den Temperaturkoeffizienten von RS zu nähern) ist jedoch nur über einen kleinen Druckbereich wirksam. Tatsächlich kann die Kompensation nur bei einer oder höchstens bei mehreren Temperaturen genau gemacht werden, wie berichtet wird im US-Patent 4.541.286, welches diese Form von Temperaturkompensation in einer Pirani-Meßeinrichtung offenbart. Ferner haben die Erfinder festgestellt, daß Konfigurationen mit einer großen thermischen Masse die Antwortzeit der Meßeinrichtung auf plötzliche Änderungen der Umgebungstemperatur deutlich erhöht.
Die Erfinder haben ferner durch extensive Computersimulationen festgestellt, daß die Verwendung gleicher Temperaturkoeffizienten für RS und R2, wie von Leck empfohlen und im Stand der Technik praktiziert, keine vollständig genaue Temperaturkompensation schafft. Die Erfinder haben ferner festgestellt, daß bei Drücken kleiner als etwa 5·10&supmin;³ Torr die Endverluste alle anderen kombinierten Verluste überschreiten. Die relativen Verlustkomponenten, wie sie durch diese Untersuchung ermittelt worden sind (Strahlungsverlust-, Endverlust- und Gasverlust-Komponenten des Gesamtverlustes), sind im Graphen der Fig. 2 gezeigt. Bei 1·10&supmin;&sup5; Torr sind die Endverluste mehr als 1.000 mal größer als der Gasverlust, wobei die Strahlungsverluste etwa 100 mal größer sind als der Gasverlust.
Daher sind Temperaturänderungseffekte in Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik besonders problematisch bei sehr niedrigen Drücken, bei denen die Gasleitungsverluste sehr gering sind. Wärmeverlust-Meßeinrichtungen des Standes der Technik können sehr niedrige Drücke von z. B. 1·10&supmin;&sup5; Torr nicht genau messen. Die Erfinder haben entdeckt, daß diese Beschränkung ein Ergebnis des Versagens ist, die Endverluste im Fühlerelement ausreichend konstant zu halten, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Die Pirani-Meßvorrichtung nach Alvesteffer hat die Fähigkeit, einen Druck im Bereich von 10&supmin;&sup5; Torr anzuzeigen, stellt jedoch keine genaue Anzeige innerhalb dieses Bereiches zur Verfügung. Wenn z. B. die Endverluste in einer typischen Pirani-Meßeinrichtung nicht mit 1 zu 5.000 konstant gehalten werden, kann eine Druckanzeige bei 1·10&supmin;&sup5; Torr um 50% bis 100% abweichen.
Die folgende Analyse zeigt, warum Konfigurationen des Standes der Technik ungeeignet sind, Umgebungstemperaturänderungen bei niedrigen Drücken angemessen zu korrigieren. Der Bequemlichkeit halber werden bei der Untersuchung des Standes der Technik die Probleme unter Verwendung von Beispielen von Meßvorrichtungen mit relativ großer Beabstandung des Fühlerelements von der Wand erläutert. Es ist zu beachten, daß die gleiche Art von Problemen in viel komplexeren Geometrien von Mikrominiatur-Meßeinrichtungen mit Fühlerelement-Wand-Abständen in der Größenordnung von einigen Mikrometern existieren.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts 302 einer herkömmlichen Pirani-Meßeinrichtung, die ein Drahtfühlerelement 304 mit kleinem Durchmesser und ein Kompensationselement 303 verwendet. Diejenigen, die mit Pirani-Meßeinrichtungskonfigurationen vertraut sind, erkennen, daß die Komponenten in Fig. 3 nicht maßstabsgerecht gezeigt sind, um die Erläuterung und das Verständnis zu erleichtern. Typischerweise ist das Drahtfühlerelement 304 mit kleinem Durchmesser mit viel größeren elektrischen Verbindern 306, 307 elektrisch und thermisch verbunden, welche mit viel größeren Trägerstrukturen 308, 309 thermisch verbunden sind. Es sei TAL die Temperatur in der Trägerstruktur 308 am linken Ende des Fühlerelements 304, und TAR die Temperatur in der Trägerstruktur 309 am rechten Ende zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt t. Es seien TSL und TSR die Temperaturen am linken Fühlerelementverbinder 306 bzw. rechten Fühlerelementverbinder 307. Es seien TCL und TCR die Temperaturen am linken Kompensationselement-Verbinder 310 bzw. rechten Kompensationselement-Verbinder 311. Es seien TXL, und TXR die Temperaturen in einem Abstand ΔX von den Verbindern 306 bzw. 307. In Konfigurationen des Standes der Technik wurde offensichtlich angenommen, daß alle diese Temperaturen gleich sind. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß selbst scheinbar vernachlässigbare Differenzen große Bedeutung für die Niedrigdruckgenauigkeit haben.
Um die Temperaturkompensationsanforderungen besser zu verstehen, ist es wichtig, mehrere Tatsachen zu kennen.
(1) Bei niedrigen Drücken wird die Temperatur von RC vorherrschend bestimmt durch den Wärmeaustausch zwischen den Kompensationselementverbindungen und dem Kompensationselement. Dies liegt daran, daß bei einer Umgebungstemperatur und niedrigen Drücken die Abstrahlung und die Gasleitung sehr ineffiziente Mittel für den Wärmeaustausch vom Kompensationselement zu seiner Umgebung sind, im Vergleich zur Wärmeleitung durch die Enden des Kompensationselements. Bei niedrigen Drücken liegt daher die Kompensationselementtemperatur sehr nahe am Mittelwert der Temperaturen der Verbinder an jedem Ende des Kompensationselements, wie in Gleichung 8 gezeigt ist.
(2) Die Temperatur des elektrisch erwärmten Fühlerelements ändert sich von den Enden zur Mitte, wobei sie mit dem Abstand von den kühleren Trägern zunimmt. Unter Verwendung der Finite-Elemente-Analyse haben die Erfinder die Temperaturverteilung längs des Fühlerelements simuliert. Es wurde festgestellt, daß bei gleichen Widerstands-Temperaturkoeffizienten für RS und RC die Temperatur Tn eines beliebigen Segments n des Fühlerelements sich mit den Änderungen der Umgebungstemperatur TAVG des Kompensationselements RC bei konstantem Druck im Brückengleichgewicht ändert, um somit eine konstante Differenz ΔTn = Tn - TAVG aufrecht zu erhalten. Die Differenz ΔTn ist eine Funktion von β und R, wobei R = R2 - RC gilt.
(3) Gemäß Gleichung 5 wird der Fühlerelementwiderstand RS im Brückengleichgewicht auf einem Widerstand gleich dem β-fachen des Widerstandselements R2 gehalten. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, steigen auch die Temperaturen der Kompensationselement-Verbinder an, und somit die Temperatur und der Widerstand von RC gemäß Gleichung 8. Jeder Anstieg der Temperatur und somit des Widerstands von RC verursacht einen Anstieg der Temperatur und des Widerstands aller Segmente von RS im Brückengleichgewicht.
(4) Die Leistungsverluste an den Enden des Fühlerelements hängen vom Temperaturgradienten γ an den Enden des Fühlerelements gemäß Gleichung 9 ab:
Leistungsverlust am Ende = kγ (9)
wobei k eine Konstante ist und
Wenn γL und/oder γR aus irgendeinem Grund variieren ändern sich diese Endverluste und die Druckanzeige wird fehlerhaft.
Um einen signifikanten Mangel der Temperaturkompensation bei niedrigen Drücken des Standes der Technik genauer zu verstehen, sei angenommen, daß aus einem stationären Zustand TAR leicht erhöht wird, z. B. durch Änderungen der lokalen Umgebungstemperatur der rechten Trägerstruktur. Es sei angenommen, daß TAL unverändert bleibt. Da TAL als unverändert angenommen wird, bleiben TCL und TSL unverändert. Die Erhöhung von TAR bewirkt jedoch, daß TCR durch Leitung der Wärme durch die Verbindung ansteigt. Somit steigt
an. Ein Anstieg von TAVG veranlaßt einen Anstieg von und TXR im Brückengleichgewicht, was Änderungen von γL und γR erzeugt. Diese Änderungen von γL und γR ändern den Endverlust-Ausdruck in Gleichung 7, was einen Fehler in der Druckmessung hervorruft, in Abhängigkeit, von der Größe der Änderungen von γL und γR.
Die Erfinder haben ermittelt, daß, solange sich TAL nicht in im wesentlichen der gleichen Weise ändert wie TAR, die Fühlerelement-Endverluste nicht unverändert bleiben, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik waren nicht spezifisch dafür konfiguriert, TAL = TAR bis zu dem Grad aufrechtzuerhalten, der für eine genaue Niedrigdruckmessung erforderlich ist.
Um einen weiteren wichtigen Mangel der Temperaturkompensation des Standes der Technik zu verstehen, sei angenommen, daß aus einem stationären Zustand die Umgebungstemperatur erhöht wird und die Umgebungstemperaturbedingungen so beschaffen sind, daß TAL = TAR gilt. Ferner sei angenommen, daß die Fühlerelementverbinder alle die gleiche Länge aufweisen, jedoch der rechte Kompensationselement-Verbinder wesentlich länger ist als der linke Kompensationselement-Verbinder, wie es bei einer beliebten Pirani-Meßeinrichtung des Standes der Technik der Fall ist. Somit gilt TSL = TSR, jedoch läuft TCR aufgrund der angenommenen Längendifferenzen TCL nach. Während dieser Nachlaufzeit, wenn TCL ≠ TCR gilt, ändert sich TAVG, wodurch TXL und TXR im Brückengleichgewicht verändert werden. Somit ändern sich während der Nachlaufzeit γL und γR kontinuierlich, was Fehler bei der Niedrigtemperaturanzeige erzeugt.
Die Erfinder haben festgestellt, daß, solange nicht die Fühlerelement- und Kompensationselement-Verbinder im wesentlichen identische physikalische Abmessungen und im wesentlichen identische thermische Eigenschaften aufweisen, die Fühlerelement-Endverluste nicht unverändert bleiben, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik sind nicht speziell so konfiguriert worden, daß die Fühler- und Kompensationselement- Verbinder identische physikalische Abmessungen und thermische Eigenschaften aufweisen.
Ein weiterer signifikanter Mangel entsteht (wie die Erfinder entdeckt haben) aus Differenzen in der Masse zwischen dem Kompensationselement und dem Fühlerelement. Es sei angenommen, daß die Masse des Kompensationselements wesentlich größer ist als diejenige des Fühlerelements, wie es typischerweise der Fall ist. Bei Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik ist es übliche Praxis, das Kompensationselement bezüglich des Fühlerelements groß zu machen und einen relativ großen Wärmeverlustpfad zu den Kompensationselementumgebungen zu schaffen, so daß die durch die elektrische Verlustleistung in RC entstehende Wärme leicht verteilt werden kann. Es sei angenommen, daß die Umgebungstemperatur aus einem stationären Zustand ansteigt und daß immer TAL = TAR gilt. Es erfordert somit eine lange Zeitspanne, bis das Kompensationselement eine neue stationäre Temperatur erreicht, im Vergleich zu der Zeitspanne, die es erfordert, bis TSL und TSR eine neue stationäre Temperatur erreichen. Während dieser Zeitspanne (die nach Beobachtung in einer beliebten Pirani-Meßeinrichtung des Standes der Technik mehrere Stunden dauert) ändert sich TAVG kontinuierlich, wodurch sich TXL und TXR im Brückengleichgewicht kontinuierlich verändern. Somit ändern sich γL und γR während der Nachlaufzeit, wobei die Fühlerelement-Endverluste nicht konstant bleiben, und wobei Fehler bei der Niedrigdruckmessung erzeugt werden.
Die gleiche Art von Problem tritt auf, wenn das Kompensationselement so konfiguriert ist, daß es bei einer Änderung der Umgebungstemperatur im Brückengleichgewicht die Temperatur mit einer anderen Rate ändert als das Fühlerelement. Konfigurationen des Standes der Technik, wie z. B. die Vorrichtung nach Alvesteffer, weisen diesen Mangel auf.
In ihren Untersuchungen haben die Erfinder festgestellt, daß, solange das Kompensationselement nicht so konfiguriert ist, daß es die Temperatur mit der gleichen Rate ändert wie das Fühlerelement, die Fühlerelement-Endverluste sich lange Zeit kontinuierlich ändern, nachdem die Umgebungstemperatur einen neuen Wert stabilisiert hat. Noch sind keine Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik entwickelt worden, die diese Anforderungen erfüllen.
Es war lange bekannt, für R2 ein Kompensationselement RC mit im wesentlichen dem gleichen Widerstands-Temperaturkoeffizienten wie das Fühlerelement in Serie mit einem temperaturunempfindlichen Widerstandselement R zu verwenden, um somit eine Temperaturkompensation für Gasverluste und Endverluste zu schaffen, die sich wie die Temperaturdifferenz zwischen dem Fühlerelement und seiner Umgebung ändern. Dieses Verfahren der Temperaturkompensation wurde in der CONVECTRON®-Meßeinrichtung über viele Jahre verwendet; und wird auch in der Alvesteffer-Meßeinrichtung verwendet.
Dieses Verfahren der Temperaturkompensation nimmt an, daß dann, wenn (1) die Widerstands-Temperaturkoeffizienten des Fühler- und des Kompensationselements gleich sind; und (2) die Änderung des Fühlerelementwiderstands veranlaßt werden kann, im Zusammenhang mit der Änderung des Kompensationselement-Widerstands anzusteigen, (3) die Temperatur des Fühlerelements im Zusammenhang mit den Umgebungstemperaturänderungen ansteigt. Die Erfüllung dieser beiden Annahmen ist selbstverständlich sehr wünschenswert, da dies sicherstellt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Fühlerelement und der umgebenden Wand bei Umgebungstemperatur konstant bleibt, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß Meßeinrichtungen des Standes der Technik, die einen konstanten Widerstand R in Serie mit einem temperaturempfindlichen Widerstand RC für R2 verwenden, nur eine teilweise Temperaturkompensation schaffen, wie im folgenden erläutert wird.
Es sei angenommen, daß in Fig. 1a R2 aus einem temperaturempfindlichen Kompensationselement RC und einem temperaturunempfindlichen Widerstand R besteht, so daß gilt:
R2 = RC + R (12)
Somit kann die oben hergeleitete Gleichung 5 für das Brückengleichgewicht geschrieben werden als
RS = β(RC + R) (13)
wobei β durch die obige Gleichung 6 definiert ist.
Ferner sei angenommen, daß dann, wenn die Umgebungstemperatur der Meßeinrichtung gleich T&sub1; ist, das Fühlerelement bei der Temperatur TS1 arbeitet und das Kompensationselement bei der Temperatur TC1 arbeitet. Wenn somit
TUMGEBUNG = T&sub1; (14)
gilt, kann Gleichung 13 geschrieben werden als
RS(T&sub1;)(1 + αS(TS1 - T&sub1;)) = β[RC(T&sub1;)(1 + αC(TC1 - T&sub1;)) + R] (15)
Hierbei ist RS(T&sub1;) der Widerstand des Fühlerelements bei der Temperatur T&sub1;, αS ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands von RS bei T&sub1;, RC(T&sub1;) ist der Widerstand des Kompensationselements bei der Temperatur T&sub1; und αC ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands von RC bei T&sub1;. Wenn somit
TUMGEBUNG = T&sub2;
gilt, kann Gleichung 13 geschrieben werden als
RS(T&sub1;)(1 + αs(TS2 - T&sub1;)) = β[RC(T&sub1;)(1 + αC(TC2 - T&sub1;)) + R] (16)
Lösen von Gleichung 15 für TS1 ergibt
Lösen von Gleichung 16 für TS2 ergibt
Subtrahieren der Gleichung 17 von Gleichung 18 ergibt die Temperaturänderung ΔT im Fühlerelement RS, wenn sich die Umgebungstemperatur von T&sub1; nach T&sub2; ändert. Somit gilt
Es ist zu beachten, daß ein effektives Kompensationselement so konfiguriert ist, daß seine Temperatur einer Umgebungstemperatur dicht folgt. In sehr guter Näherung gilt somit
TC2 - T&sub2; = TC1 - T&sub1; oder
TC2 - TC1 = T&sub2; - T&sub1; (20)
somit kann Gleichung 19 geschrieben werden als
Aus Gleichung 21 wird deutlich, daß die Temperaturänderung ΔT im Fühlerelement RS gleich der Änderung der Umgebungstemperatur T&sub2; - T&sub1; nur dann ist, wenn gilt
Meßeinrichtungen des Standes der Technik, die ein temperaturempfindliches Kompensationselement RC in Serie mit einem festen Widerstand R für R2 in Fig. 1a verwenden, schaffen nur eine teilweise Temperaturkompensation in Abhängigkeit von der Auswahl von β. Im Handel erhältliche Meßeinrichtungen weisen die von Alvesteffer u. a. beschriebene Konfiguration auf, die neueste Arbeit über Pirani-Meßeinrichtungen, die den vorliegenden Erfindern bekannt ist, erfüllen jedoch nicht Gleichung 22.
Als drittes Problem bei Meßeinrichtungskonfigurationen des Standes Technik haben die Erfinder festgestellt, daß die Größe der Verlustleistung in R2 die Genauigkeit beeinträchtigt. Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik, die wie in Fig. 1a konfiguriert sind, weisen den gleichen druckabhängigen Strom in RS auf wie im Kompensationselement im Brückengleichgewicht. Wenn sie wie in Fig. 1b konfiguriert sind, liegt im Gleichgewicht die gleiche druckabhängige Spannung über R2 an wie über RS. Selbstverständlich bewirkt ein druckabhängiger Strom in R2, daß die Temperatur von RC über die Umgebungstemperatur um ein Maß ansteigt, das sich mit dem Druck ändert.
Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik verwenden typischerweise ein Kompensationselement mit viel größeren physikalischen Abmessungen als das Fühlerelement, um die Wärme zu verteilen und somit eine übermäßige Temperatur im Kompensationselement zu verhindern. Wie oben erwähnt worden ist, verursachen unterschiedliche physikalische Abmessungen für das Fühler- und das Kompensationselement Meßfehler, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Ein viertes Problem besteht darin, daß Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik Verschiebungen der Druckanzeige bei niedrigen Drücken erzeugen, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik wurden in einer Vielzahl von Komponenten verwendet, bei dem Versuch, den Leistungsverlust durch das Fühlerelement unverändert zu halten, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Zum Beispiel wird im US-Patent 4.682.503 eine thermoelektrische Kühlung verwendet, um die Umgebungstemperatur zu regeln und somit die Umgebungstemperaturänderungen zu minimieren.
In der im US-Patent 4.541.286 offenbarten Vorrichtung wird ein wärmeempfindliches Element neben dem Kompensationsarm der Brücke montiert (in einer im Handel erhältlichen Version z. B. außen an die Vakuumumhüllung geklebt). Alvesteffa u. a. verwenden ein zusätzliches Element (hier mit R4 bezeichnet) in der Brücke, um die Kompensation durch die Tatsache zu unterstützen, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstands leicht verschieden ist für das Fühlerelement bei Betriebstemperatur im Vergleich mit dem Kompensationselement bei Umgebungstemperatur. Obwohl diese Hardware-Behelfsmaßnahmen des Standes der Technik jeweils bestimmte Fehler beseitigen, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden, beseitigt keine von ihnen im wesentlichen alle Fehler. Daher erzeugen Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik signifikante Verschiebungen der Druckanzeige bei niedrigen Drücken, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Ein weiteres System des Standes der Technik, das im US-Patent 5.608.168 offenbart ist, verknüpft verschiedene elektrische Messungen der Drücke (oder deren Näherungen) und ermittelt den Wert oder die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstands, und berücksichtigt diesen Parameter bei der Ermittlung der Druckmessung. Dieses System weist jedoch eine erhöhte Komplexität auf aufgrund der Notwendigkeit, Temperaturen oder andere Werte zu messen.
Es besteht daher Bedarf an einer verbesserten Pirani-Typ-Meßeinrichtung, die diese Probleme beseitigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung für eine Wärmeverlust-Druckmessung zu schaffen, die die im Anspruch 1 definierten Merkmale aufweist.
Eine weitere spezifischere Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte Pirani- Druckmeßeinrichtung zu schaffen, in der ein Kompensationselement physikalische Abmessungen aufweist, die im wesentlichen gleich denjenigen eines Fühlerelements sind, und beabstandet zum Fühlerelement in der gleichen Ebene wie das Fühlerelement angeordnet ist und aus dem gleichen Material wie das Fühlerelement gefertigt ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte Wärmeverlust- Druckmeßeinrichtung zu schaffen, die wärmeleitende Elemente aufweist, die nahe einem Fühlerelement plaziert sind, um Temperaturen über dem Fühlerelement auszugleichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte Wärmeverlust- Druckmeßeinrichtung zu schaffen, die Mittel enthält zum Aufrechterhalten eines gewünschten Abstandes zwischen dem Fühlerelement und den wärmeleitenden Elementen, um eine Expansion und eine Kontraktion des Fühlerelements in Reaktion auf Änderungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren.
Eine weitere Aufgabe ist, eine verbesserte Wärmeverlust-Druckmeßeinrichtung zu schaffen, die eine Gleichstrom-Heizspannung verwendet.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist, eine Wärmeverlust-Druckmeßeinrichtung zu schaffen, die eine Brückenschaltung mit zwei festen Elementen, einem Fühlerelement und einem Kompensationselement verwendet, wobei der Widerstand eines festen Brückenelements multipliziert mit dem Widerstand des Kompensationselements bei einer gegebenen Temperatur multipliziert mit einem Temperaturkoeffizienten des Kompensationselements für diese Temperatur im wesentlichen gleich dem Widerstand des anderen festen Brückenelements multipliziert mit dem Widerstand des Fühlerelements multipliziert mit dem Temperaturkoeffizienten des Fühlerelements für die gegebene Temperatur ist.
Diese und andere Aufgaben werden in der vorliegenden Erfindung gelöst durch Vorsehen einer Vielfalt von Verbesserungen, die synergetisch zusammenwirken, um eine deutlich verbesserte Niedrigbereich-, Mittelbereich- und Hochdruckbereich-Druckmeßgenauigkeit zu schaffen, was erlaubt, daß der Bereich der genauen Druckmessung zu niedrigeren und höheren Drücken innerhalb einer einzelnen Meßeinrichtung erweitert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Drahtfühlerelement mit kleinem Durchmesser in der gleichen Ebene wie ein Drahtkompensationselement mit kleinem Durchmesser mit zwei parallelen, flachen, wärmeleitenden Platten, die jeweils 15 um von den Fühler- und Kompensationselementen beabstandet sind, angeordnet und von diesem beabstandet. Auf diese Weise haben die Erfinder eine hohe relative Empfindlichkeit in einer einfachen Geometrie ohne Rückgriff auf die Konvektion erreicht. Die extreme Komplexität und die Kosten von Mikrominiatur-Pirani-Meßeinrichtungskonfigurationen und die verschiedenen Nachteile der Konvektionskühlung des Fühlerelements werden gleichzeitig vermieden.
Die Erfinder haben festgestellt, daß dieses extrem einfache, kleine und kostengünstige Meßmittel Ergebnisse bis zum atmosphärischen Druck liefert, die mit denjenigen vergleichbar sind, die mit sehr komplexen Mikrominiatur-Pirani-Meßeinrichtungen erhalten werden, und denjenigen, die mit viel größeren, positionsempfindlichen konvektionsgekühlten Pirani-Meßeinrichtungen erhalten werden. Überraschenderweise schafft diese Verbesserung ein Fühlerelement mit einem Volumen von nur 3% des Volumens des Fühlerelements in der Mikrominiatur- Alvesteffer-Meßeinrichtung. Das Kompensationselement in der neuen Vorrichtung besitzt ein Volumen von weniger als 0,5% des Kompensationselements nach Alvesteffer.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine verbesserte Temperaturkorrektur. Die Erfinder haben festgestellt, daß die Genauigkeit der Niedrigdruckmessung deutlich verbessert werden kann durch besseres Konstanthalten des Temperaturgradienten γ an den Enden des Fühlerelements (siehe Gleichungen 10 und 11). Die Erfinder haben festgestellt, daß die Konstanz von γ erreicht werden kann, durch gleichzeitiges:
1. Verwenden von Fühler- und Kompensationselementen mit im wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, Wärmeeigenschaften und Widerstandseigenschaften;
2. Verwenden von Fühlerelement- und Kompensationselement-Verbindungen mit im wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, Wärmeeigenschaften und Widerstandseigenschaften;
3. Verwenden von Elementverbindungen mit im wesentlichen identischen und großen Wärmeleitfähigkeiten bis zu einem Bereich von im wesentlichen gleichmäßiger Temperatur für alle Verbindungen, und
4. Anordnen der Fühler- und Kompensationselemente in der gleichen Vakuumumgebung.
In der vorliegenden Erfindung ist Gleichung 22 immer erfüllt, da die Meßeinrichtung so konfiguriert ist, daß
RC(TA) = RS (TA) (23)
wobei TA die Umgebungstemperatur ist, und wobei
αC = αS (24)
β = 1 (25)
Eine signifikante Verbesserung wird verwirklicht durch Vorsehen einer vernachlässigbaren Erwärmung im Kompensationselement. Die Erfinder haben die herkömmliche Wheatstone-Brücke modifiziert, um ein unabhängiges Heizmittel für das Fühlerelement vorzusehen, während nahezu keine Erwärmung in irgendeinem der anderen drei Arme der Brücke erzeugt wird. Somit kann das Kompensationselement mit identischen Abmessungen entsprechend dem Fühlerelement sowie mit identischen physikalischen Eigenschaften gefertigt werden. Ein Gleichstrom-Heizelement wird verwendet und auf nur das Fühlerelement beschränkt. Ein relativ kleines Wechselstromsignal wird verwendet, um das Brückengleichgewicht zu erfassen.
Auf diese Weise schafft die vorliegende Erfindung deutliche Fortschritte in der Pirani-Meßeinrichtungsgenauigkeit, den Herstellungskosten und der Verpackungsgröße.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1a und 1b sind vereinfachte schematische Diagramme von herkömmlichen Pirani-Meßeinrichtungen;
Fig. 2 ist ein Graph, der die Komponenten des Wärmeverlusts in einer herkömmlichen Pirani-Meßeinrichtung zeigt, wie sie durch die Untersuchungen des Erfinders entdeckt wurden;
Fig. 3 ist eine schematisch Darstellung einer herkömmlichen Pirani-Meßeinrichtung, die einen Draht mit kleinem Durchmesser für das Fühlerelement verwendet;
Fig. 4a ist ein Abschnitt einer verbesserten Wärmeverlust-Meßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 4b eine Querschnittsansicht des in Fig. 4a gezeigten Abschnitts ist;
Fig. 5a ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Enden einer verbesserten Wärmeverlust-Meßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Unterstützung und die Verbindung der Fühler- und Kompensationselemente zeigt;
Fig. 5b ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Mechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zum Aufrechterhalten des Abstands zwischen den wärmeleitenden Platten und einem Fühlerelement bzw. einem Kompensationselement zeigt; und
Fig. 6 ist ein schematisches Schaubild, das eine unabhängige Heizanordnung für ein Fühlerelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf vier Kategorien von Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Pirani-Meßeinrichtungskonfigurationen beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die vier Verbesserungen gemeinsam verwendet und synergetisch kombiniert, um eine Pirani- Meßeinrichtung mit wesentlich verbesserten Leistungseigenschaften zu schaffen.

Verbesserung 1

Die erste Kategorie von Verbesserungen wird mit Bezug auf die Fig. 4a und 4b beschrieben. Fig. 4a ist eine Seitenansicht eines Abschnitts 10 einer verbesserten Wärmeverlust-Meßeinrichtung (nicht maßstäblich). Fig. 4b ist eine Schnittansicht des Abschnitts 10 längs der Linie 4b-4b in Fig. 4a. Wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt, ist ein Drahtfühlerelement 12 mit kleinem Durchmesser in der gleichen Ebene wie ein Drahtkompensationselement 14 mit kleinem Durchmesser und mit einem Abstand d von diesem beabstandet angeordnet. Der Abstand d zwischen dem Fühlerelement 12 und dem Kompensationselement 14 beträgt vorzugsweise etwa 0,030 Zoll, kann jedoch im Bereich von 0,010 Zoll bis 0,200 Zoll (0,8 mm, 0,2 mm bis 5 mm) liegen. Es sind parallele Platten 16 und 16' nahe am Fühlerelement 12 und am Kompensationselement 14 und parallel zu diesen vorgesehen.
Die parallelen Platten 16 und 16' sind in einem Abstand S vom Fühlerelement 12 und vom Kompensationselement 14 angeordnet. S beträgt vorzugsweise 0,0007 Zoll, kann jedoch im Bereich von 0,0002 Zoll bis 0,002 Zoll liegen (18 um, 5 um bis 50 um). Das Fühlerelement 12 ist aus einem Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands gefertigt, wie z. B. reinem Wolfram, das mit Gold plattiert sein kann, um die Sicherstellung einer konstanten Emittivität zu unterstützen.
Der Durchmesser des Fühlerelements 12 beträgt vorzugsweise 0,0005 Zoll, kann jedoch im Bereich von 0,0001 Zoll bis 0,002 Zoll (13 um, 2 um bis 50 um) liegen. Obwohl eine zylindrische Drahtform bevorzugt wird, können andere Formen wie z. B. ein Band sowohl für das Fühlerelement als auch das Kompensationselement verwendet werden. Die Länge des Fühlerelements 12 beträgt vorzugsweise 1 Zoll, kann jedoch im Bereich von 0,25 Zoll bis 3 Zoll (2 cm, 0,5 bis 8 cm) liegen.
Das Kompensationselement 14 ist aus dem gleichen Material gefertigt wie das Fühlerelement 12, mit den gleichen physikalischen Abmessungen und mit den gleichen Wärme- und Widerstandseigenschaften.
Der Abschnitt 10 der Wärmeverlust-Meßeinrichtung kann in einer Meßschaltung des in Fig. 6 gezeigten Typs installiert sein, in einer Weise, die im folgenden genauer beschrieben wird.
Die parallelen Platten 16 und 16' leiten Wärme und tendieren somit dazu, die Temperaturgradienten längs des erwärmten Fühlerelements 12 und zwischen den Enden des Fühlerelements 12 und dem Kompensationselement 14 auszugleichen. Auf diese Weise erreicht die Erfindung eine hohe relative Empfindlichkeit mit einer einfachen Struktur und ohne Zurückgreifen auf die Konvektion. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Genauigkeit der Niedrigdruckmessung deutlich verbessert durch die Verwendung von Fühler- und Kompensationselementen mit im wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, Wärmeeigenschaften und Widerstandseigenschaften, und durch Anordnen der Fühler- und Kompensationselemente in der gleichen Vakuumumgebung. Unter Verwendung dieser Konfiguration werden die extreme Komplexität und die Kosten von Mikrominiatur-Pirani-Meßeinrichtungskonfigurationen und die Nachteile, die der Konvektionskühlung des Fühlerelements zugeordnet sind, gleichzeitig vermieden. Diese Verbesserung erlaubt Druckmeßergebnisse bis zum atmosphärischen Druck, die mit denjenigen vergleichbar sind, die mit sehr komplexen Mikrominiatur-Pirani-Meßeinrichtungen erhalten werden, und mit denjenigen vergleichbar sind, die mit viel größeren, positionsempfindlichen konvektionsgekühlten Pirani- Meßeinrichtungen erhalten werden.

Verbesserung 2

Als zweites Hauptmerkmal der Erfindung wird eine verbesserte Montageanordnung für die Fühler- und Kompensationselemente geschaffen. Die Genauigkeit der Niedrigdruckmessung wird signifikant verbessert durch Verwenden von Fühlerelement- und Kompensationselementverbindungen mit im wesentlichen identischen physikalischen Abmessungen, thermischen Eigenschaften und Widerstandseigenschaften, und durch Verwendung von Elementverbindungen mit im wesentlichen identischen und großen Wärmeleitfähigkeiten bis zu einem Bereich von im wesentlichen gleichmäßiger Temperatur für alle Verbindungen.
Fig. 5a ist eine deutlich vergrößerte Querschnittsansicht eines Endes des Meßeinrichtungsabschnitts 10, wo das Fühlerelement 12 durch die Fühlerelementverbinder 20 und 20' unterstützt und elektrisch verbunden ist, wobei das Kompensationselement 14 durch die Kompensationselement-Verbinder 22 und 22' unterstützt und elektrisch verbunden gezeigt ist. Der Schnitt der Fig. 5a ist längs der Linie 5a-5a in Fig. 4a genommen. Vorzugsweise sind identische Träger (wie in Fig. 5a gezeigt) an jedem Ende des Meßeinrichtungsabschnitts 10 vorgesehen.
Die Verbinder 20, 20', 22 und 22' sind vorzugsweise aus einem Platinband gefertigt, das 0,001 Zoll dick mal 0,060 Zoll breit ist. Die Platten 16 und 16' sind vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt, wie z. B. Aluminiumnitrid.
Alternativ können die Fühler- und Kompensationselement-Verbinder 20, 20', 22 und 22' elektrisch von den Platten 16 isoliert sein mittels dünner elektrisch isolierender Schichten 24 und 24', die eine diamantartige Beschichtung auf Wolfram sein können. In diesem Fall können die Platten 16 und 16' aus einem hochwärmeleitfähigem Material wie z. B. Wolfram gefertigt sein. Das ausgewählte Material weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,25 Watt/cm/K auf.
Die Platten 16 und 16' werden durch einfache Metallblechklemmen an jedem Ende (nicht gezeigt) in Position gehalten. Die Klemmen üben eine ausreichende Kraft auf die Platten 16 und 16' aus, um das Fühlerelement 12 und das Kompensationselement 14 in den Verbindern 20, 20', 22 und 22' einzubetten, bis die Verbinder 20 und 20', und 22 und 22' in engen Kontakt kommen. Somit wird der Abstand S zwischen dem Fühlerelement 12 und der Oberfläche der Platten 16 und 16' bestimmt durch den Durchmesser des Fühlerelements und die Dicke der dünnen Bandverbinder 20, 20', 22 und 22'. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung erlaubt, ein Fühlerelement, das kleiner ist als ein menschliches Haar, genau und sehr kostengünstig vergleichbar beabstandet von zwei flachen Oberflächen zu halten und elektrische Verbindungen mit einer zusätzlichen Schaltung zu schaffen.
Die Platten 16 und 16' schaffen einen Bereich von im wesentlichen gleichmäßiger Temperatur, insbesondere wenn sie im Vakuum mit minimaler Wärmeleitfähigkeit zur Außenwelt isoliert sind. Die dünnen Bandverbinder 20, 20', 22 und 22' schaffen identische Abmessungen, kurze Wege und sehr große Wärmeleitfähigkeiten zu dem Bereich mit der gleichmäßigen Temperatur, wodurch mehrere der Bedingungen für die Konstanz des Temperaturgradienten γ an den Enden des Fühlerelements erfüllt werden.
Das Fühlerelement 12 kann, wie in Fig. 5b gezeigt, mittels einer Drahtfeder 26 mit kleinem Durchmesser geeignet gespannt sein, die während des Zusammenfügens belastet wird und auf dem Fühlerelement 12 neben dem Verbinder 21 des Fühlerelements 12 aufliegt. Die Feder 28 wird in ähnlicher Weise verwendet, um das Kompensationselement 14 zu spannen. Die Federn 26 und 28 dienen zum Aufrechterhalten einer genauen Beabstandung des Fühlerelements 12 und des Kompensationselements 14 relativ zu den Platten 16 und 16', wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. In die Anordnungen des Fühlerelements 12 und des Kompensationselements 14 muß ausreichend Spiel eingebaut sein, um ein Brechen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der Elemente 12 und 14 und der Platten 16 zu verhindern. Ohne die Federn 26 und 28 würde dieses Spiel die Umgebungstemperatur ändern, wodurch die Aufrechterhaltung einer konstanten Beabstandung S zwischen den parallelen Platten 16 und 16' und dem Fühler- bzw. dem Kompensationselement verhindert wird und Meßfehler hervorgerufen werden.
Bei der Konfiguration gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird Gleichung 22 teilweise erfüllt durch die Tatsache, daß das Fühlerelement 12 und das Kompensationselement 14 physikalisch, elektrisch und thermisch identisch sind. Zusätzlich ist in der Ausführungsform der Fig. 6 R3 gleich R4 gesetzt, was mit Gleichung 6 sicherstellt, daß β = 1 gilt. Somit wird Gleichung 22 durch diese Konfiguration immer erfüllt.

Verbesserung 3

Ein drittes Hauptmerkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum unabhängigen Heizen des Fühlerelements 12. Diese Verbesserung ist in Fig. 6 gezeigt, wo eine Wheatstone-Brücke 30 so modifiziert ist, daß eine unabhängige Beheizung des Fühlerelements 12 geschaffen wird. Schaltungen des Standes der Technik, die mit einem Kompensationselement mit den gleichen physikalischen Abmessungen und hergestellt aus dem gleichen Material wie das Fühlerelement wie in der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, bewirken, daß das Kompensationselement nicht bei Umgebungstemperatur sondern bei der gleichen Temperatur wie das Fühlerelement arbeitet. Daher können die Pirani- Meßeinrichtungen mit den obenbeschriebenen neuartigen Verbesserungen nicht ihr Genauigkeitspotential unter Verwendung der Heizschaltungen des Standes der Technik erreichen.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist eine Wheatstone-Brücke 30 mit den Knoten A, B, C und D mit einem Fühlerelement 12 versehen, das den Widerstandswert RS aufweist und zwischen den Knoten B und C angeschlossen ist. Ein nicht-temperaturempfindliches Widerstandselement 15 (mit dem Widerstand R) und ein Kompensationselement 14 (mit dem Widerstand RC) bilden gemeinsam den Widerstand R2. R2 und der Kompensator 36 sind in Serie zwischen den Knoten C und D angeschlossen. Der Widerstand 17 mit dem Wert R4 ist zwischen den Knoten A und B angeschlossen, wobei der Widerstand 19 mit dem Wert R3 zwischen den Knoten A und D angeschlossen ist. Die Vakuumumgebung 34 umschließt das Fühlerelement 12 und das Kompensationselement 14. Eine Wechselstrom-Spannungsquelle 38 ist zwischen den Knoten B und D angeschlossen, wobei ein frequenzselektiver Detektor 40 zwischen den Knoten A und C angeschlossen ist. Die Gleichstromquelle 32 ist zwischen den Knoten B und C angeschlossen, um dem Knoten B zuzuführen. Die Steuervorrichtung 42 ist über automatische Rückkopplungsverbindungen 46 und 47 angeschlossen, um somit die Gleichstromquelle 32 zu steuern und für diese Steuerung einen Spannungserfassungseingang vom frequenzselektiven Detektor 40 zu empfangen.
Die Vakuumumgebung 34 umschließt einen Abschnitt 10 (wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt und oben mit Bezug auf diese Figuren beschrieben worden ist), der das Fühlerelement 12, das Kompensationselement 14 und die Platten 16 und 16' umfaßt. Außerdem wird bei der Schaltung der Fig. 6 vorzugsweise das vorher mit Bezug auf die Fig. 5a und 5b beschriebene Zusammenfügungsverfahren verwendet. Die Elementverbinder 20 und 20' an einem Ende des Fühlerelements 12 (in Fig. 5a gezeigt) werden elektrisch mit dem Punkt C der Brückenschaltung 30 der Fig. 6 verbunden, während die Fühlerelementverbinder 21 und 21' (nicht gezeigt) am anderen Ende des Fühlerelements 12 mit dem Punkt B in Fig. 6 elektrisch verbunden werden. Die Kompensationselement-Verbinder 22 und 22' an einem Ende des Kompensationselements 14 (in Fig. 5a gezeigt) werden über den Kondensator 36 mit dem Punkt D in Fig. 6 elektrisch verbunden, während das andere Ende des Kompensationselements 14 mit den Kompensationselement-Verbindern 23 und 23' verbunden wird, die über einen Widerstand 15 mit dem Punkt C verbunden werden.
Wie in Fig. 6 gezeigt, liefert die Gleichstromquelle 32 den Heizstrom I zum Fühlerelement 12, das in der Vakuumumgebung 34 angeordnet ist. Ein Kondensator 36 ist vorgesehen als ein Mittel, das verhindert, daß ein Strom von der Stromquelle 32 in R2, R3 und R4 vorhanden ist. Im Gegensatz zu Pirani-Meßeinrichtungen des Standes der Technik, die eine herkömmliche Wheatstone-Brücke verwenden, ist somit kein Anteil des Heizstroms oder der Heizspannung in RS zu irgendeinem Zeitpunkt in R2 vorhanden.
Die Wechselspannungsquelle 38 legt eine Wechselstrom-Signalspannung an die Brücke 30 an, die Wechselstrom-Signalströme iS, i&sub2;, i&sub3; und i&sub4; erzeugt. Unter Verwendung sehr kleiner Werte für iS, i&sub2;, i&sub3; und i&sub4; und des frequenzselektiven Detektors 40 kann das Brückengleichgewicht erfaßt werden mit vernachlässigbarer Erwärmung, die in irgendeinem Arm der Brücke 30 erzeugt wird. Der Gleichstrom I von der Quelle 32 wird automatisch von der Steuervorrichtung 42 eingestellt, so daß kontinuierlich sichergestellt ist, daß der Wechselstroinspannungsabfall iSRS vom Punkt B zu C gleich dem Spannungsabfall von i&sub4;R4 von B nach A ist, was gemessen wird durch die Wechselspannungserfassungsfunktion des frequenzselektiven Detektors 40. Diese automatische Rückführungsverbindung ist mit gestrichelten Linien 46 und 47 gezeigt.
Der Prozessor 51 ist mit dem Strommesser 49 und dem Spannungsmesser 48 verbunden und erzeugt eine Ausgabe, die den Druck in der Vakuumumgebung 34 anzeigt auf der Grundlage des Pegels des Heizstroms durch das Fühlerelement 12 und des Spannungsabfalls über dem Fühlerelement 12.
Das Kompensationselement 14 kann somit mit den gleichen physikalischen Abmessungen, thermischen Eigenschaften und Widerstandseigenschaften gefertigt sein wie das Fühlerelement 12 und immer noch bei Umgebungstemperatur ohne irgendeine druckabhängige elektrische Erwärmung arbeiten.

Verbesserung-4

Eine vierte Verbesserung wird mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Bei dieser Verbesserung sind eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen zum Kalibrieren und Betreiben der Pirani-Meßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Erfinder haben entdeckt, daß eine genaue Anzeige eines unbekannten Drucks PX im Brückengleichgewicht berechnet werden kann aus einer einfachen Gleichung der Form von Gleichung 26.
P = f(VS, IS) (26)
Diese Feststellung unterscheidet sich von herkömmlichen Lösungsansätzen. Die Druckanzeige wurde als nicht nur vom Widerstand des Fühlerelements, sondern auch von anderen Faktoren wie z. B. der Umgebungstemperatur abhängig betrachtet. Somit erfordern herkömmliche Kalibrierungsschemen häufig Messungen des Widerstands und andere Größen, sowohl für die Kalibrierung als auch während des Betriebs. Die Erfinder haben jedoch entdeckt, daß dann, wenn die obenbeschriebenen Verbesserungen vorgenommen worden sind, die Werte von VS und IS ausreichende Temperaturinformationen enthalten, um eine genaue Druckausgabe zu erzeugen, so daß es möglich ist, die Schritte der separaten Messung anderer Parameter wie z. B. der Umgebungstemperatur z eliminieren. Auf diese Weise ist es möglich, eine dreidimensionale Kalibrierungstabelle zu verwenden, um den Druck auf der Grundlage der Spannung und des Stroms allein zu ermitteln.
Um die in Fig. 6 gezeigte Meßeinrichtung zu kalibrieren, wird das Fühlerelement 12 einer Serie bekannter repräsentativer Drücke und Umgebungstemperatnren ausgesetzt, die über die interessierenden Druck- und Temperaturbereiche verteilt sind. Der Spannungsabfall VSC, der vom Spannungsmesser 48 gemessen wird, und der Strom ISC, der vom Strommesser 49 gemessen wird, werden zusammen im Brückengleichgewicht mit jedem der bekannten repräsentativen Kalibrierungsdrücke PC aufgezeichnet. Diese Werte können von einem Programm aufgezeichnet werden, das im Prozessor 51 läuft, oder können zu einer weiteren Verarbeitungseinheit für Kalibrierungsberechnungen übertragen werden. Der Druck PC wird über der Spannung VSC und dem Strom ISC skizziert. Jede Serie von Messungen bei einer gegebenen Kalibrierungstemperatur erzeugt eine Konstanttemperatur-Funktion, die den Druck zu Spannung und Strom in Beziehung setzt. Wie oben erwähnt worden ist, haben die Erfinder entdeckt, daß diese Konstanttemperatur-Funktionen sinnvoll in einer einzelnen dreidimensionalen Datentabelle kombiniert werden können, um eine einzelne Kalibrierungsfunktion der Form von Gleichung 26 zu definieren. Wenn dies durchgeführt ist, ist das Ergebnis eine Serie von Punkten, die eine Oberfläche definieren, wobei die Höhe der Oberfläche der Druck ist und eine Funktion der gemessenen Spannungs- und Stromwerte ist.
Die resultierenden Kalibrierungsdaten können in einer Nachschlagtabelle gespeichert werden, wobei gemessene Drücke ermittelt werden können durch Interpolation zwischen Druckwerten, die in der Nachschlagtabelle gespeichert sind, auf der Grundlage des gemessenen Spannungsabfalls und des Stroms. Aufgrund der Anzahl der Punkte, die gespeichert werden müssen, um eine genaue Ausgabe über einen weiten Bereich von Drücken zu erzeugen, wird jedoch in der bevorzugten Ausführungsform eine Näherungsgleichung für die Oberfläche erhalten, auf der die gemessenen Werte liegen. Dies kann leicht bewerkstelligt werden unter Verwendung einer dreidimensionalen Oberflächenskizzierungssoftware. Die resultierende Gleichung weist die in Gleichung 26 gezeigte Form auf. Um anschließend einen unbekannten Druck PX bei einer beliebigen Temperatur zu messen, wird im Brückengleichgewicht VSX vom Spannungsmesser 48 gemessen und ISX vom Strommesser 49 gemessen. Der korrekte Wert des Drucks kann anschließend leicht erhalten werden durch Einsetzen in Gleichung 26, wodurch sich ergibt:
PX = f(VSX, ISX) (27)
Der Bequemlichkeit halber kann Gleichung 27 im Prozessor 51 gespeichert sein, welcher anschließend verwendet werden kann, um automatisch PX zu berechnen, wenn VSX und ISX in den Prozessor 51 eingegeben werden.
Fachleute werden erkennen, daß andere Größen für die Spannung und den Strom innerhalb des Umfangs der Erfindung eingesetzt werden können. Zum Beispiel kann anstelle der Gleichung 27 eine Funktion der Form PX = g (W, R) verwendet werden, wobei W die dem Fühlerelement 12 zugeführte Leistung und R der Widerstand des Fühlerelements 12 ist. In diesem Fall können W und R aus dem Ausgang des Spannungsmessers 48 und des Strommessers 49 berechnet werden. Wichtig ist, daß die zwei ausgewählten Parameter Informationen bezüglich sowohl Strom als auch Spannung enthalten, so daß die Effekte von Änderungen in Strom und Spannung differentiell im Kalibrierungsgraphen oder der Tabelle wiedergegeben werden, die auf der Grundlage der Werte der zwei Parameter erzeugt werden. Somit können z. B. die zwei Eingangsparameter für die Funktion irgendwelche zwei aus einer Gruppe sein, die enthält: Leistung, Strom, Spannung und Widerstand. Verallgemeinert ist es möglich, eine Gleichung der Form
P = h(X, Y)
zu identifizieren, die die Kalibrierungsoberfläche nähert, wobei X der erste Eingangsparameter ist, Y der zweite Eingangsparameter ist und P der Druck ist, der den Werten des ersten Parameters X und des zweiten Parameters Y zugeordnet ist. Diese Gleichung wird anschließend als eine Näherung für die mehrdimensionale Kalibrierungsoberfläche verwendet, um den Druck zu berechnen.
Diese Verbesserung sorgt für eine hervorragende Temperaturkompensation von 0ºC bis 50ºC bei Drücken von weniger als 10&supmin;&sup4; Torr bis oberhalb des atmosphärischen Drucks. Sie vermeidet die Notwendigkeit, Leistung und Temperatur zu messen, wie es manchmal durchgeführt wird. Sie kompensiert alle Typen von durch Umgebungstemperaturänderungen hervorgerufenen Fehlern, wie z. B. Änderungen des Strahlungsverlustes, nicht nur diejenigen Verluste, die von den Änderungen des Fühlerelements abhängen, bis zu Wandtemperaturänderungen, wie es im US-Patent 4.682.503 der Fall ist. Diese Verbesserung vermeidet die Komplexität, die Umgebungstemperatur kontrollieren zu müssen unter Verwendung einer thermoelektrischen Kühlung, wie beschrieben ist im US-Patent 5.347.869. Außerdem kompensiert dieses verbesserte Kalibrierungs- und Betriebsverfahren automatisch die Tatsache, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstands für das Fühlerelement bei Betriebstemperatur sich leicht von demjenigen für das Kompensationselement bei Umgebungstemperatur unterscheidet.

Claims

1. Wärmeverlust-Meßeinrichtung zum Messen des Gasdrucks in einer Umgebung, mit:

einem ohmschen Fühlerelement (12), das einen ohmschen Widerstand besitzt, der sich in Abhängigkeit von Umgebungstemperaturänderungen ändert;

einem Kompensationselement (14) mit einem ohmschen Widerstand, der sich in Abhängigkeit von Umgebungstemperaturänderungen ändert;

einem Heizmittel (32), das mit dem Fühlerelement (12) verbunden ist, um an das Fühlerelement (12) eine Heizspannung anzulegen; und

Meßmitteln (48, 49), die mit dem Fühlerelement (12) und mit dem Kompensationselement (14) verbunden sind, um den Gasdruck in der Umgebung anhand relativer Temperaturen des Fühlerelements (12) bzw. des Kompensationselements (14) zu bestimmen und am Ausgang ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den bestimmten Gasdruck angibt,

wobei das Heizmittel (32) in der Weise arbeitet, daß es eine feste Differenz zwischen dem ohmschen Widerstand des Fühlerelements (12) und einem ohmschen Widerstand des Kompensationselements (14) bei Umgebungstemperatur erzeugt, ohne an das Kompensationselement (14) die Heizspannung anzulegen.

2. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Heizspannung eine Gleichspannung ist.

3. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Kompensationselement (14) physikalische Abmessungen hat, die im wesentlichen gleich jenen des Fühlerelements (14) sind, und sich in einer räumlichen Beziehung zu dem Fühlerelement (12) und in derselben Ebene wie das Fühlerelement (12) befindet und aus dem gleichen Werkstoff wie das Fühlerelement (12) hergestellt ist.

4. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtung ferner erste und zweite wärmeleitende Elemente (16, 16') umfaßt, wobei die ersten und zweiten wärmeleitenden Elemente (16, 16') erste bzw. zweite Oberflächen in der Nähe des Fühlerelements (12) besitzen.

5. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, bei der das Fühlerelement (12) einen Abstand im Bereich von 0,0002 Zoll bis 0,002 Zoll von jeder der ersten und zweiten Oberflächen hat.

6. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Abstände zwischen dem Fühlerelement (12) und den Oberflächen im wesentlichen gleich sind.

7. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 4, bei der die Oberflächen der wärmeleitenden Elemente (16, 16') aus einem Werkstoff mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,25 Watt/cm/K hergestellt sind.

8. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Meßeinrichtung ferner Mittel (26, 28) enthält, die gleiche Abstände zwischen dem Fühlerelement (12) und den Oberflächen trotz Umgebungstemperaturänderungen aufrechterhalten.

9. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 8, bei der die Mittel (26,28) zum Aufrechterhalten gleicher Abstände eine Federvorrichtung umfassen, die die Spannung im Fühlerelement aufrechterhalten.

10. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Spannungsquelle (38) umfaßt, die von dem Heizmittel (32) verschieden ist und im Kompensationselement (14) einen Signalstrom erzeugt.

11. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 10, bei der die Spannungsquelle (38) für die Erzeugung des Signalstroms eine Wechselspannungsquelle ist und bei der das Heizmittel (32) eine Gleichspannungsquelle enthält.

12. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Prozessor (51) umfaßt, der so programmiert ist, daß er den Gasdruck lediglich als Funktion ausschließlich von Variablen berechnet, die ein Parameterpaar bilden, das mit dem Strom und mit der Spannung in der Wärmeverlust-Meßeinrichtung in Beziehung steht.

13. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtung eine Brückenschaltung (30) mit vier Armen umfaßt: einen ersten Arm, der das Erfassungselement (12) enthält, einen zweiten Arm, der das Kompensationselement (14) enthält, und einen dritten und einen vierten Arm, wobei die dritten und vierten Arme gleiche Impedanzen besitzen, und wobei die Brückenschaltung Mittel (36) enthält, die das Anlegen der durch das Heizmittel (32) an das Fühlerelement (12) angelegten Leistung an das Kompensationselement (14) verhindern.

14. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 13, die ferner eine Spannungsquelle (38) enthält, die von dem Heizmittel (32) verschieden ist und der Erzeugung eines Signalstroms in jedem der vier Arme dient.

15. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 14, bei der die Spannungsquelle (38) für die Erzeugung des Signalstroms eine Wechselspannungsquelle ist und bei der das Heizmittel (32) eine Gleichspannungsquelle enthält.

16. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtung eine Brückenschaltung (30) mit vier Armen umfaßt: einen ersten Arm, der das Fühlerelement (12) enthält, einen zweiten Arm, der das Kompensationselement (14) enthält, einen dritten Arm, der ein festes drittes ohmsches Element (19) besitzt, und einen vierten Arm, der ein festes viertes ohrnsches Element (17) besitzt, wobei der ohmsche Widerstand des festen vierten ohmschen Elements (17) multipliziert mit dem ohmschen Widerstand des Kompensationselements (14) bei einer gegebenen Temperatur multipliziert mit einem Temperaturkoeffizienten des Kompensationselements (14) für die gegebene Temperatur im wesentlichen gleich dem Widerstand des festen dritten ohmschen Elements (19) multipliziert mit dem ohmschen Widerstand des Fühlerelements (12) multipliziert mit dem Temperaturkoeffizienten des Fühlerelements (12) für die gegebene Temperatur ist.

17. Wärmeverlust-Meßeinrichtung nach Anspruch 16, bei der die Brückenschaltung (30) Mittel (36) enthält, die das Anlegen der durch das Heizmittel (32) an das Fühlerelement (12) angelegten Leistung an das Kompensationselement (14) verhindern.