WO2016180547A1 - Verfahren zur verarbeitung eines messsignals einer druckmesszelle sowie eine messzellenanordnung - Google Patents

Verfahren zur verarbeitung eines messsignals einer druckmesszelle sowie eine messzellenanordnung Download PDF

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Felix Mullis
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Inficon AG
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
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    • G01L19/083—Means for indicating or recording, e.g. for remote indication electrical
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/08—Means for indicating or recording, e.g. for remote indication
    • G01L19/12—Alarms or signals

Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • the capacitance is formed by the thin, flexible membrane surface being arranged at a small distance from a further surface of a body and both opposing surfaces being made electrically conductive.
  • the diaphragm and body are made of non-conductive, dielectric material
  • the surfaces are coated with an electrically conductive coating, whereby
  • Capacitor electrodes are formed.
  • the membrane and / or the body can also be made of electrically conductive material itself, in which case the
  • the sensors can be characterized
  • Pressure sensors of this type are bar used generally only for higher pressures in the range of about 10 "1 mbar to a few.
  • Vacuum processes measurements of the pressure in vacuum are often performed in the range between atmosphere and 10 -6 mbar. Such measurements require a high sensitivity with high resolution and good reproducibility of the
  • Vacuum pressure measurement including only specially trained
  • Measuring cells are capable of the construction of the
  • EP 1 070 239 B1 discloses a known capacitive
  • Vacuum measuring cell which is constructed substantially entirely of ceramic and thus highly corrosion-resistant described.
  • a very thin Ceramic membrane used, for example, 60 ⁇ thickness, which stress-free and symmetrical in one
  • Ceramic housing is arranged. The distance of the capacitor electrodes or the
  • Membrane surfaces of the surface of the housing body is preferably in the range of 2 to 50 ⁇ .
  • the diameters of such membrane pressure measuring cells are preferably in the range of 5 to 80 mm.
  • Capacities formed and measured are in the range of 10 pF and 32 pF. Thanks to the new electronics we can now measure capacities in the range from 5 pF to 1000 pF. The measured capacity serves as a measure for the pressure to be measured. With pressure-dependent bending of the membrane, this capacity changes accordingly, whereby the pressure applied to the membrane pressure can be detected. This capacitance measurement has to be very precise and is not easy with the small capacitance values, since the small capacitances lead to that too
  • a transient for example, after a step-shaped change of the measurement signal to be completed as quickly as possible, i. the output signal of the
  • the object of the present invention was to provide a simple method for processing a measurement signal, in which a pronounced
  • Noise suppression is achieved, but at the same time a fast response to significantly changing
  • Measuring cell arrangement with a pressure measuring cell are specified in further claims.
  • Transfer unit having filter unit is generated from the measurement signal by a noise signal contained in the measurement signal at least reduced
  • a variant of the inventive method is that the pressure in the pressure cell is set at least proportional to the output signal. This provides a closed-loop control system that is extremely stable and robust.
  • the output signal is linear and thus ideally suited as an actual value for modern controllers (ustandsregler).
  • An embodiment variant of the method according to the invention consists in that the transfer function has a low-pass characteristic at least in the first order, the time constant of which is set as a function of the time change of the measurement signal.
  • Measurement signal is determined that a difference signal by a difference between the measurement signal and the
  • Mean value of the measurement signal is determined and that the change over time of the measurement signal from at least
  • Mean filter is determined for a discrete-time measurement signal where f is the time-discrete output signal, .alpha. is a variable, x is the time-discrete measurement signal, and n is a time-dependent index, where the variable .beta
  • Method are that the temporal change of the measurement signal by forming an average of the
  • Mean filter is determined for a discrete-time difference signal through
  • ⁇ corresponds to the sampling interval in the time discrete system and ⁇ is a variable whose value is at least proportional to the time change of the measurement signal, but does not fall below a minimum value a m in and a maximum value a ma x not
  • a m in particular between 0.0 and 0.1, in particular preferably between 0.0 and 0.01, and the maximum value amax in particular between 0.3 and 1.0.
  • the measurement signal in a is processed fast path for generating an output pulse, wherein the output pulse of the fast path is active at least as long as that during at most three
  • Sampling intervals measured measurement signal change is greater than the measured in the same period noise in the measurement signal or in the measurement signal change.
  • the switching signal of the slow path is active at least as long as the measured during longer than 2 * TS change of the measurement signal is greater than the measured noise in the measurement signal or the measurement signal change in the same period, wherein TS a predetermined minimum pulse width of Output pulse is, and that the variable ⁇ receives a value in response to an OR operation between the output pulse and the switching signal.
  • variable ⁇ at least after a predetermined transitional period after a
  • the value of ai is in the range from 0.01 to 0.9 and the value of 2 is in particular in the range from 0.0001 to 0.01.
  • Yet other embodiments of the inventive method are that a switch from a Value ⁇ to a value c (2 over a period of time Fin and / or that a switch from a value of a.2 to a value ⁇ over a period F ou t takes place.Furthermore, the invention relates to a
  • Pressure cell operatively connected diaphragm pressure measuring cell, which generates a pressure-dependent measurement signal, the one
  • Transfer unit having filter unit for
  • Measuring arrangement is that the output signal for adjusting the pressure in the pressure cell is usable, and in particular is used for pressure adjustment in a process chamber.
  • Measuring arrangement is that the transfer function has a low ass characteristic at least in the first order, the time constant is adjustable in function of the time change of the measurement signal.
  • Measuring arrangement consist in that an average value of the measuring signal can be determined, that a difference signal by a difference between the measuring signal and the Mean value of the measurement signal can be determined and that the change over time of the measurement signal at least from
  • Measuring arrangement consist in that the mean value of the measuring signal using an exponential
  • Average filter is determinable for a
  • Measuring signal and n is a time-dependent index, wherein the variable ßi in particular a value between 1 and 0, in particular preferably between 1 and 0.1, in particular preferably between 0.85 and 0.95. Further variants of the inventive
  • Measuring arrangement consist in that the temporal change of the measuring signal can be determined by forming an average value of the difference signal.
  • Measurement arrangement consist in that the temporal change of the measurement signal can be determined using an exponential mean filter, which is suitable for a
  • ⁇ corresponds to the sampling interval in the time discrete system and ⁇ is a variable whose value is at least proportional to the time change of the measurement signal, but does not fall below a minimum value a m in and a maximum value a ma x not
  • a m in particular between 0.0 and 0.1, in particular preferably between 0.0 and 0.01, and the maximum value a ma x is in particular between 0.3 and 1.0.
  • Measuring arrangement consist in that the transfer function by the formula where y is the time-discrete output signal, x is the time-discrete measurement signal, ⁇ is a variable whose value depends on the time change of the measurement signal, and n is a time-dependent index.
  • Measuring arrangement consist in that the measuring signal a fast path for generating an output pulse
  • the output pulse of the fast path is active at least as long as that measured during a maximum of three sampling intervals
  • Measuring arrangement consist in that the measuring signal is further applied to a slow path for generating a switching signal, wherein the switching signal of the slow path is active at least as long as the measured during longer than 2 * TS change of the measuring signal greater than the noise measured in the same period in the measurement signal or in the measurement signal change, where TS is a minimum
  • Pulse width of the output signal and that the variable ⁇ receives a value in response to an OR operation between the output pulse and the switching signal.
  • Messanix consist in that the variable ⁇ at least after a predetermined transitional time after a
  • the value for ⁇ is in the range from 0.01 to 0.9, and the value for a.2 is in particular in the range from 0.0001 to 0.01.
  • Measuring arrangement consist in that between the
  • Transition unit is provided in which a switching from a value ⁇ to a value c ⁇ 2 over a period Fj. n takes place and / or switching from a value «2 to a value oii over a period F ou t takes place.
  • Design variants can be combined in any way. Only those combinations of design variants are excluded, the combination by a
  • 1 is a measuring line arrangement with one with a
  • FIG. 2 shows a block diagram of the signal processing unit according to FIG. 1 with a calculation unit for
  • FIG. 3 shows a block diagram of a first embodiment of the calculation unit according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a block diagram of a second embodiment of the calculation unit according to FIG. 2,
  • Fig. 5 is a signal flow diagram, which in a
  • Fig. 6 is a block diagram of another
  • Fig. 7 is a block diagram for the inventive
  • Fig. 8 is a block diagram for the inventive
  • Embodiment variant with a transition unit between calculation unit and filter unit. 1 shows in a highly simplified block diagram a measuring line arrangement with a process chamber 1, a membrane pressure measuring cell 2, a vacuum pump 3, a
  • Signal processing unit 4 a control unit 5, a Ventilaktuator 6 and a valve 7. Die
  • Diaphragm pressure measuring cell 2 is used to determine the pressure in the process chamber 1, in which a preset pressure according to the specification of a vacuum process is set.
  • Vacuum processes include various processes, such as coating processes, etching processes, thermal treatment of workpieces, etc. Vacuum processes are often also operated with supporting gases, which are active as reactive gas or as inert gas in the
  • the gases are supplied into the process chamber 1 via the valve 7 actuated by the valve actuator 6, with which the gas inflow and the pressure in the process chamber 1 can be controlled.
  • the membrane pressure measuring cell 2 a measurement signal x is generated, which is processed in the signal processing unit 4 and the control unit 5 to a control signal s for the valve actuator 6.
  • the diaphragm pressure measuring cell 2 measures on the one hand as precisely as possible, but on the other hand also quickly, in order to
  • a pressure in a pressure cell of any kind similar to the process chamber according to FIG. 1 - measured with a pressure measuring cell 2.
  • the measuring signal x measured with the pressure measuring cell 2 is likewise processed in a signal processing unit 4 in order to obtain a stable, noise-free output signal y, which nevertheless reacts rapidly to changes.
  • the invention now relates - again with a view to the embodiment according to FIG. 1 - to the
  • Signal processing unit 4 basically done in an analog or digital manner, in the following on the special provisions when a signal processing is carried out in an analogous manner or in a digital manner, not further discussed, since such provisions
  • the output signal y of the signal processing unit 4 is in the control unit 5, for example with a so
  • the controller realized in the control unit 5 is responsible in particular for the optimum tracking of the control signal s for the valve actuator 6 or for the valve 7.
  • FIG. 2 shows schematically and simplified a block diagram for illustrating the processing steps which are carried out in the signal processing unit 4 (FIG. 1) according to FIG
  • Realization of the individual processing steps of the inventive algorithm is, for example, a
  • Signal processor used which is programmed accordingly. Of course, other tasks can be done by the signal processor, provided that the processor capacity is sufficient. In particular, it is conceivable that the controller of the control unit 5 is implemented in the same signal processor.
  • the measuring signal x is fed to a filter unit 10, which generates the output signal y.
  • the filter unit 10 with the measurement signal x and the Output signal y form the actual signal path of the signal processing unit 4 (FIG. 1).
  • the remaining, to be explained components, such as calculation unit 11 and decision unit 12, are to determine the
  • y is the time-discrete output signal
  • x is the time-discrete measurement signal
  • n is a time-dependent index
  • ⁇ is a variable whose value essentially determines the time constant of the filter unit 10.
  • Process chamber is detected in order to react accordingly quickly.
  • Noise signal component has a low-pass characteristic, wherein the time constant ⁇ for a first-order filter can be determined as follows:
  • the choice of values for the variable is critical to the present invention. If the measuring signal x contains only a noise signal when the pressure value is stable, the value for as small as possible ( m i n ) should be selected, for example 0.01. This is the existing in the measurement signal x
  • Output signal y is particularly suitable for use in the downstream controller of the control unit 5 (FIG. 1), since a stable output signal leads to a lower activity of the valve actuator 6 or of the valve 7 and thus to a reduced load on these components, and thus their probability of failure known systems is considerably reduced.
  • Detect process chamber delay which requires a different value for the variable, namely, for example, a value of ⁇ between 0.3 and 1.0 (a m ax).
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a block diagram of a first embodiment for determining the temporal change of the measuring signal x.
  • the measurement signal x is in a smoothing unit 13
  • difference unit 14 determines the difference to the unchanged measurement signal x, which is also referred to below as difference signal e.
  • the difference signal e represents a measure of the temporal change of the measurement signal x and is at this
  • the smoothing unit 13 realized by means of exponential mean value filter is characterized by the recursive formula where f is the time-discrete output signal, .alpha. is a variable, x is the time-discrete measurement signal, and n is a time-dependent index, where the variable .beta. is applied to the exponential mean-value filter to generate the
  • Difference signal f in particular a value between 1 and 0, in particular preferably between 1 and 0.1,
  • Embodiment variants according to FIG. 3 thus generates a
  • Fig. 4 is again a schematic representation, a block diagram of another embodiment of the
  • Measuring signals x also referred to as ⁇ / ⁇ , in two stages, the first stage to the single stage according to FIG. 3 is identical.
  • a further processing of the difference signal e is carried out with a mean value filter 15, which in turn can be realized, for example, as an exponential mean value filter.
  • variable ⁇ 2 is given a value between 1 and 0, in particular between 0.5, for the exponential mean value filter for determining the temporal change of the measurement signal x and 0.01, in particular between 0.05 and 0.15.
  • Invention is the resulting change in time ⁇ / ⁇ or ( ⁇ / ⁇ ) ⁇ of the measured signal x at best
  • Embodiment variant has been explained according to FIG. 3.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the
  • Embodiments of the invention it is proposed to limit the range of values for the values at the bottom and at the top. Accordingly, it is provided according to the further embodiment variant of the present invention shown in FIG. 5, to provide a m i n and a ma x, which according to the flowchart shown in FIG. 5, to provide a m i n and a ma x, which according to the flowchart shown in FIG. 5,
  • the temporal change ⁇ / ⁇ of the measuring signal x is scaled by a factor k (as in connection with those in FIGS Characters. 3 and 4 illustrated embodiments already explained).
  • the scaled time change ⁇ / ⁇ is denoted by ⁇ .
  • the following is a series of decisions aimed at limiting the determination of within a range of values between a minimum value m in and a maximum value c * . Between the extreme values a m in and a m ax, the value for ⁇ is set according to the result of the calculation unit 11 (FIG. 2), be it according to FIG. 3, be it according to FIG.
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the
  • slope determining unit 50 are framed in dashed lines and is also referred to below as a slope determining unit 50.
  • Function blocks 20 and 30 are also referred to as fast path 20 and slow path 30.
  • Filter unit 10 (Fig. 2) are formulated:
  • Measurement signals x that do not change as a function of time can be heavily filtered to a maximum
  • Receive noise reduction It has been shown that values between 0.0001 ( ⁇ «10s) and 0.01 ( ⁇ * 100ms) are suitable for the parameter a 2 .
  • a preferred value for the parameter c ⁇ 2 is 0.001 ( ⁇ ⁇ ls).
  • Measurement signals x that change as a function of time need less filtering.
  • the parameter ⁇ defines the damping factor. This is therefore typically chosen larger than the parameter 2. It has been shown that values between 0.01 ( ⁇ ⁇ 100 ms) and 0.9 ( ⁇ * 0.1 ms) are suitable for the parameter ⁇ .
  • the function block "fast” 20 detects and responds within a sampling interval ⁇ (the
  • Measurement signal changes are detected by the function block "slow" 30.
  • the measurement signal x is applied to the calculation unit 11 which has been illustrated and explained in detail in FIG. 4. Correspondingly, those embodiments are also valid for this embodiment variant of the invention.
  • the output signal ⁇ / ⁇ of the calculation unit 11 is fed to an absolute value unit 21, in which the amount of ⁇ / ⁇ is determined and supplied to an addition unit 25. In a further amount unit 22, the amount of the value also determined in the calculation unit 11 is determined
  • Addition unit 25 is supplied, in which the difference
  • Result is supplied to a threshold detector 26 which generates a trigger when a predetermined threshold value is exceeded, which is supplied to a monoflop 27.
  • the monoflop 27, for example, as a retriggerable
  • Monoflop is formed, generated upon receipt of a
  • "retriggerable” means that a trigger arriving during the time lapse restarts the internal time of monoflop 27 and the active one
  • the signal ⁇ / ⁇ represents a measure for the change in the measurement signal x.
  • the signal CF ⁇ h is obtained. This is now a measure of the "noise floor" of the measurement of the measurement signal change ⁇ / ⁇ .
  • the binary control signal "trigger" which is used to drive the monoflop 27 becomes.
  • damping factors ⁇ i, ⁇ 2 and ⁇ 3 should in particular have the following values: for ⁇ i in the range 0.1 to 0.001 ( ⁇ ⁇ 9 ms to ls),
  • Pressure monitoring and pressure adjustment system can
  • any rapid pressure change (pressure jump) in the process chamber 1 produces a
  • the width of this pulse depends on the chosen damping factors ßi and ß2 Especially small pressure changes in real vacuum systems have time constants in the range> 10ms
  • the output pulse FC has at least the pulse width TS
  • the preferred range of values for the pulse width TS is for example between 50ms (especially for small fast vacuum systems) and 5s (especially for large inert vacuum systems).
  • a typical value for the pulse width TS is 500 ms, for example, the scaling factor CF has a value of 0.15.
  • Measuring signals x having a frequency of less than are therefore processed by the functional block "slow" 30 in the embodiment variant shown in FIG.
  • Function block "slow” 30 very good result can be obtained.
  • An execution variant for the function block “slow” 30 (see Fig. 6) is shown in Fig. 8.
  • Function block "slow" 30 calculates a switching signal SC as an output signal as follows: where SS is a measure of the change of the measurement signal x over a longer period, for example, greater than 2 ⁇ TS (ie twice the pulse width TS) and thus is typically seconds, and SSN is a measure of the noise of the measurement signal x. Both SSN and SS are determined using mean filters of the type already described.
  • ⁇ 5 in the range 0.01 to 0.0001 ( ⁇ ⁇ 100ms to 10s), in particular 0.001 ( ⁇ * ls) as typical value; and for ß s in the range 0.01 to 0.0001 ( ⁇ ⁇ 100ms to 10s),
  • the signal SS calculated in the manner just described is essentially a measure of the sum of the change in the measurement signal x and the noise of the measurement signal x.
  • the signal SSN independent of (slow) changes of the measuring signal x is now calculated. This thus represents a measure of the noise of the measurement signal x, and by comparison with the signal SS one obtains the sought
  • Scaling connected to a multiplier 34, the second input is acted upon by a scaling factor CS to generate the output signal SSN. It has been shown that the scaling factor CS has a value of 50, for example.
  • the task of the high-pass filter 34 is the separation of noise and slow changes in the measurement signal x. Under the
  • Fig. 9 shows a further embodiment of the
  • Filter unit 10 optimally fast and correspondingly abruptly between the two attenuation factors ⁇ and ⁇ 2 switches. It is conceivable that this abrupt changeover is not tolerated by all subsequent controllers in the control unit 5 (FIG. 1). Therefore, the switching between ai and .2 according to the embodiment of the invention further developed by activating a fade-in / fade-out Option to run less abruptly.
  • a transition unit 51 is provided between the determination unit 50 and the filter unit 10. The transition unit 51 is supplied with two additional parameters Fi n and F ou t.
  • the function of the transition unit 51 is explained below:
  • the two additional parameters Fi n and F ou t define two time periods which are used when the attenuation factor is switched from ⁇ to a.2 or vice versa, depending on the transition direction Time span Fi n or the time period F ou t is decisive: If it is necessary to switch from a2 to oil (ie a pressure change takes place), the time span Fi n comes up
  • Time span F ou t in the range 0 to 10s, in particular ls as a typical value.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Druckes in einer Druckzelle, wobei das Verfahren darin besteht, dass ein Messsignal (x) bestimmt wird, das zumindest proportional zu einem gemessenen Druck in der Druckzelle ist, dass ein Ausgangssignal (y) mit Hilfe einer eine Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit (10) aus dem Messsignal (x) erzeugt wird, indem ein im Messsignal (x) enthaltenes Rauschsignal zumindest reduziert, vorzugsweise eliminiert wird, dass eine zeitliche Änderung des Messsignals (x) bestimmt wird und dass die Übertragungsfunktion in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals (x) eingestellt wird. Ferner ist eine Messzellenanordnung angegeben.

Description

Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals einer
Druckmesszelle sowie eine MessZeilenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Verarbeitung eines Messsignals einer Druckmesszelle sowie eine MessZellenanordnung mit einer Druckmesszelle.
Es ist bekannt, Drücke bzw. Druckdifferenzen dadurch zu messen, indem eine dünne Membran druckbeaufschlagt wird und ihre daraus bewirkte Durchbiegung gemessen wird. Eine bekannte und geeignete Methode, die Durchbiegung solcher Membranen zu messen, besteht darin, dass die
Membrananordnung als variable elektrische Kapazität
ausgebildet wird, wobei über eine Messelektronik die
Kapazitätsänderung ausgewertet wird, welche mit der
Druckänderung korreliert. Die Kapazität wird ausgebildet, indem die dünne, biegsame Membranfläche in geringem Abstand gegenüber einer weiteren Fläche eines Körpers angeordnet ist und beide einander gegenüberliegenden Oberflächen elektrisch leitend ausgebildet sind. Wenn die Membran und der Körper aus nicht leitendem, dielektrischen Material
bestehen, werden dazu die Oberflächen beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Belag beschichtet, wodurch
Kondensatorelektroden ausgebildet werden. Die Membran und/oder der Körper können auch selbst aus elektrisch leitendem Material gefertigt sein, wobei dann die
Oberflächen wiederum die Kondensatorelektroden bilden. Bei Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich als Folge der Durchbiegung der Abstand zwischen den beiden Elektroden, was zu einer auswertbaren Kapazitätsänderung führt . Sensoren dieser Art werden in grossen Stückzahlen beispielsweise aus Silizium hergestellt. Sowohl der
flächige Grundkörper wie auch die Membran bestehen hierbei oft vollständig aus Silizium. Es gibt auch Ausführungen mit kombinierter Materialzusammensetzung, z.B. Silizium mit Glasunterlage. Die Sensoren lassen sich dadurch
kostengünstig herstellen. Drucksensoren dieser Art sind in der Regel nur für höhere Druckbereiche im Bereich von ca. 10"1 mbar bis zu einigen bar einsetzbar. Eine hohe
Auflösung bei tieferen Drucken ab etwa 10_1 mbar sind mit dem Werkstoff Silizium nicht mehr realisierbar. Für
typische Vakuumanwendungen sind Sensoren dieser Art nicht geeignet. Für die verschiedenen zu kontrollierenden
Vakuumprozesse werden Messungen des Druckes im Vakuum oft im Bereich zwischen Atmosphäre und 10-6 mbar durchgeführt. Derartige Messungen erfordern eine hohe Empfindlichkeit mit hoher Auflösung und guter Reproduzierbarkeit der
Vakuumdruckmessung, wozu nur speziell ausgebildete
Messzellen in der Lage sind, die von der Bauweise der
Hochdruckmesszelle völlig abweichen.
Für die Vakuumdruckmessung sind kapazitive
Membrandruckmesszellen besonders geeignet, die aus
korrosionsfesten Materialien wie AI2O3 hergestellt sind. In EP 1 070 239 Bl wird eine bekannte kapazitive
Vakuummesszelle, welche im Wesentlichen vollständig aus Keramik aufgebaut und somit in hohem Mass korrosionsfest ist, beschrieben. Um sehr tiefe Drücke bis 10"6 mbar bei hoher Genauigkeit messen zu können, wird eine sehr dünne Keramikmembran von beispielsweise 60 μπι Dicke verwendet, welche spannungsfrei und symmetrisch in einem
Keramikgehäuse angeordnet ist. Der Abstand der Kondensatorelektroden bzw. der
Membranoberflächen von der Oberfläche des Gehäusekörpers liegt hierbei bevorzugt im Bereich von 2 bis 50μσι. Die Durchmesser derartiger Membrandruckmesszellen liegen bevorzugt im Bereich von 5 bis 80 mm. Die dadurch
gebildeten und zu messenden Kapazitäten liegen im Bereich von 10 pF und 32 pF. Dank der neuen Elektronik können wir nun Kapazitäten im Bereich von 5 pF bis 1000 pF messen. Die gemessene Kapazität dient hierbei als Mass für den zu messenden Druck. Bei druckabhängiger Verbiegung der Membran verändert sich diese Kapazität entsprechend, wodurch der an der Membran anliegende Druck erfasst werden kann. Diese Kapazitätsmessung muss sehr präzise erfolgen und ist bei den kleinen Kapazitätswerten nicht einfach, da die kleinen Kapazitäten dazu führen, dass auch die durch
Druckänderungen hervorgerufenen Kapazitätsänderungen äusserst klein sind. Als Folge davon sind auch die hieraus erzeugten bzw. abgeleiteten elektrischen Signale äussert klein und damit störanfällig. Daher werden an Signalverarbeitungssysteme zur Verarbeitung von Drucksignalen gemäss den vorstehenden Ausführungen entsprechend hohe Anforderungen gestellt . Darüber hinaus werden Filteralgorithmen eingesetzt, um die Eigenschaften der gemessenen Drucksignale für die Weiterverwendung, beispielsweise zur Steuerung des Druckes in Prozesskammern, zu optimieren. Dabei wird versucht, einen Filteralgorithmus anzugeben, der zwei an sich widersprüchliche Ziele zur Verarbeitung von Drucksignalen gleichzeitig erreicht:
Erstens soll ein Einschwingvorgang, beispielsweise nach einer Schritt-förmigen Änderung des Messsignals, möglichst rasch abgeschlossen sein, d.h. das Ausgangssignal des
Filters sollte möglichst rasch zu einem stabilen
Ausgangssignal führen. Damit kann eine allenfalls
notwendige Aktion aufgrund einer Druckänderung rasch möglichst eingeleitet werden. Zweitens soll ein allfälliges Rauschsignal durch den Filteralgorithmus möglichst stark unterdrückt werden. Damit ist gemäss der ersten Bedingung ein möglichst schnelles Filter gefordert, nach der zweiten Bedingung hingegen eher ein langsames Filter erwünscht.
Zahlreiche Versuche sind bekannt, einen Filteralgorithmus und damit eine Übertragungsfunktion für einen Filter zur Verarbeitung des Messsignals anzugeben, um die beiden widersprüchlichen Ziele zu erreichen. Die bekannten
Filteralgorithmen basieren auf Kompromissen, die bei der vorliegenden Anwendung bei der Druckmessung mit
hochsensiblen Sensoren nicht zu zufriedenstellenden
Ergebnissen führen. In US 5 838 599 ist eine Variante für ein Filter
beschrieben, das sowohl kurze Einschwingvorgänge bei einer raschen Änderung des Eingangssignals als auch eine gute Reduktion von Rauschsignalanteilen im Eingangssignal im eingeschwungenen Zustand zulässt. Ferner ist auf US 2013/0016888 AI verwiesen, die ein aufwändiges Berechnungsverfahren mit einem linearen Filte: zur Elimination von Rauschen offenbart.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein einfaches Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals anzugeben, bei dem eine ausgeprägte
Rauschsignalunterdrückung erzielt wird, gleichzeitig aber eine schnelle Reaktion auf sich massgeblich ändernde
Messsignale möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine
Messzellenanordnung mit einer Druckmesszelle sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Bestimmung eines
Druckes in einer Druckzelle besteht darin,
- dass ein Messsignal bestimmt wird, das zumindest
proportional zu einem gemessenen Druck in der
Druckzelle ist,
- dass ein Ausgangssignal mit Hilfe einer eine
Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit aus dem Messsignal erzeugt wird, indem ein im Messsignal enthaltenes Rauschsignal zumindest reduziert,
vorzugsweise eliminiert wird,
- dass eine zeitliche Änderung des Messsignals bestimmt wird und
- dass die Übertragungsfunktion in Funktion der
zeitlichen Änderung des Messsignals eingestellt wird. Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass der Druck in der Druckzelle zumindest proportional zum Ausgangssignal eingestellt wird. Damit wird ein geschlossenes Regelsystem erhalten, dass äusserst stabil und robust ist.
Das Ausgangssignal ist linear und somit hervorragend als Istwert auch für moderne Regler ( ustandsregler) geeignet.
Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals eingestellt wird.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass ein Mittelwert des
Messsignals bestimmt wird, dass ein Differenzsignal durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal und dem
Mittelwert des Messsignals bestimmt wird und dass die zeitliche Änderung des Messsignals zumindest vom
Differenzsignal abgeleitet wird. Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass der Mittelwert des
Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Messsignal durch
Figure imgf000009_0001
definiert ist, wobei f das Zeit-diskrete Ausgangssignal, ßi eine Variable, x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi
insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist. Weitere AusführungsVarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals durch Bildung eines Mittelwertes des
Differenzsignals bestimmt wird.
Weitere AusführungsVarianten des erf indungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Differenzsignal durch
(Δχ/ΔΤ)η = β2·β η+(1-β2) · (Δχ/ΔΤ)η-1 definiert ist, wobei (Δχ/ΔΤ)η die Zeit-diskrete Änderung des Messsignals, ß2 eine Variable, e das Zeit-diskrete Differenzsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01,
insbesondere vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist. Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass die Zeitkonstante der
Übertragungsfunktion eines zeitdiskreten Systems durch
1-a
T = AT
a definiert ist, wobei ΔΤ dem Abtastintervall beim Zeitdiskreten System entspricht und α eine Variable ist, deren Wert zumindest proportional zur zeitlichen Änderung des Messsignals ist, jedoch einen Minimalwert amin nicht unterschreitet und einen Maximalwert amax nicht
überschreitet, wobei der Minimalwert amin insbesondere zwischen 0.0 und 0.1, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.0 und 0.01, und der Maximalwert amax insbesondere zwischen 0.3 und 1.0 liegt.
Noch weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel yn = α· χη+ (l-α) »yn- i definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal, x das Zeit-diskrete Messsignal, α eine Variable ist, deren Wert von der zeitlichen Änderung des Messsignals abhängig ist, und n ein Zeit-abhängiger Index ist.
Noch weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass das Messsignal in einem schnellen Pfad zur Erzeugung eines Ausgangspuls verarbeitet wird, wobei der Ausgangspuls des schnellen Pfads mindestens so lange aktiv ist, wie die während höchstens drei
Abtastintervalle gemessene Messsignaländerung grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal oder in der Messsignaländerung ist.
Noch weitere AusführungsVarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass das Messsignal ferner einem langsamen Pfad zur Erzeugung eines Schaltsignals
verarbeitet wird, wobei das Schaltsignal des langsamen Pfads mindestens so lange aktiv ist, wie die während länger als 2*TS gemessene Änderung des Messsignals grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal oder in der Messsignaländerung ist, wobei TS eine vorgegebene minimale Pulsbreite des Ausgangspulses ist, und dass die Variable α einen Wert in Abhängigkeit einer ODER- Verknüpfung zwischen dem Ausgangspuls und dem Schaltsignal erhält .
Noch weitere AusführungsVarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass die Variable α zumindest nach einer vorgegebenen Übergangszeit nach einem
Schaltvorgang entweder den Wert αι oder den Wert a2
annimmt, wobei der Wert für ai insbesondere im Bereich 0.01 bis 0.9 liegt und wobei der Wert für 2 insbesondere im Bereich 0.0001 bis 0.01 liegt.
Noch weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass ein Umschalten von einem Wert οίι auf einen Wert c(2 über eine Zeitspanne Fin erfolgt und/oder dass ein Umschalten von einem Wert a.2 auf einen Wert αι über eine Zeitspanne Fout erfolgt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine
Messzellenanordnung mit Druckzelle und einer mit der
Druckzelle wirkverbundenen Membrandruckmesszelle , die ein druckabhängiges Messsignal erzeugt, das einer eine
Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit zur
Erzeugung eines Ausgangssignals beaufschlagt ist, wobei eine zeitliche Änderung des Messsignals bestimmbar ist und die Übertragungsfunktion in Funktion der zeitlichen
Änderung des Messsignals einstellbar ist. Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemässen
Messanordnung besteht darin, dass das Ausgangssignal zur Einstellung des Druckes in der Druckzelle verwendbar ist, und dabei insbesondere zur Druckeinstellung in einer Prozesskammer verwendbar ist.
Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemässen
Messanordnung besteht darin, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tief ass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals einstellbar ist.
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass ein Mittelwert des Messsignals bestimmbar ist, dass ein Differenzsignal durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal und dem Mittelwert des Messsignals bestimmbar ist und dass die zeitliche Änderung des Messsignals zumindest vom
Differenzsignal ableitbar ist. Weitere AusführungsVarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass der Mittelwert des Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein
zeitdiskretes Messsignal durch
Figure imgf000013_0001
definiert ist, wobei f der Zeit-diskrete Mittelwert des Messsignals, ßi eine Variable, x das Zeit-diskrete
Messsignal und n ein Zeit -abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist. Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals durch Bildung eines Mittelwertes des Differenzsignals bestimmbar ist. Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein
zeitdiskretes Differenzsignal durch (Δχ/ΔΤ)η = β2·θη+ (l"ß2) · (Δχ/ΔΤ)η-1 definiert ist, wobei (Δχ/ΔΤ)η die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals, ß2 eine Variable, en das Zeit- diskrete Differenzsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist. Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die Zeitkonstante der Übertragungsfunktion eines zeitdiskreten Systems durch
1— a
T = ΔΤ
a definiert ist, wobei ΔΤ dem Abtastintervall beim Zeitdiskreten System entspricht und α eine Variable ist, deren Wert zumindest proportional zur zeitlichen Änderung des Messsignals ist, jedoch einen Minimalwert amin nicht unterschreitet und einen Maximalwert amax nicht
überschreitet, wobei der Minimalwert amin insbesondere zwischen 0.0 und 0.1, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.0 und 0.01, und der Maximalwert amax insbesondere zwischen 0.3 und 1.0 liegt.
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel
Figure imgf000015_0001
definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal , x das Zeit-diskrete Messsignal, α eine Variable ist, deren Wert von der zeitlichen Änderung des Messsignals abhängig ist, und n ein Zeit -abhängiger Index ist.
Weitere Ausführungs arianten der erf indungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass das Messsignal einem schnellen Pfad zur Erzeugung eines Ausgangspuls
beaufschlagt ist, wobei der Ausgangspuls des schnellen Pfads mindestens so lange aktiv ist, wie die während höchstens drei Abtastintervalle gemessene
Messsignaländerung grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal oder in der
MessSignaländerung ist.
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass das Messsignal ferner einem langsamen Pfad zur Erzeugung eines Schaltsignals beaufschlagt ist, wobei das Schaltsignal des langsamen Pfads mindestens so lange aktiv ist, wie die während länger als 2*TS gemessene Änderung des Messsignals grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal oder in der Messsignaländerung ist, wobei TS eine minimale
Pulsbreite des Ausgangssignals ist, und dass die Variable α einen Wert in Abhängigkeit einer ODER-Verknüpfung zwischen dem Ausgangspuls und dem Schaltsignal erhält. Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die Variable α zumindest nach einer vorgegebenen Übergangszeit nach einem
Schaltvorgang entweder den Wert oii oder den Wert 0(2
annimmt, wobei der Wert für αι insbesondere im Bereich 0.01 bis 0.9 liegt und wobei der Wert für a.2 insbesondere im Bereich 0.0001 bis 0.01 liegt.
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass zwischen der
Filtereinheit und der Entscheidungseinheit eine
Übergangseinheit vorgesehen ist, in der ein Umschalten von einem Wert αι auf einen Wert c<2 über eine Zeitspanne Fj.n erfolgt und/oder ein Umschalten von einem Wert «2 auf einen Wert oii über eine Zeitspanne Fout erfolgt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehenden
Ausführungsvarianten in beliebiger Weise kombinierbar sind. Lediglich diejenigen Kombinationen von Ausführungsvarianten sind ausgeschlossen, die durch Kombination zu einem
Widerspruch führen würden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Figuren im Detail erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine MessZeilenanordnung mit einer mit einer
Prozesskammer verbundenen Membrandruckmesszelle , mit der ein Messsignal bestimmt wird, das nach erfindungsgemässer Verarbeitung in einer Signalverarbeitungseinheit einem Ventil zugeführt wird,
Fig. 2 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitungseinheit gemäss Fig. 1 mit einer Berechnungseinheit zur
Verarbeitung des Messsignals ,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Berechnungseinheit gemäss Fig. 2,
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Berechnungseinheit gemäss Fig. 2,
Fig. 5 ein Signalflussdiagramm, das die in einer
Entscheidungseinheit ablaufenden
Verfahrensschritte dargestellt,
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer weiteren
Ausführungsvariante für die erfindungsgemässe Berechnungs- und Entscheidungseinheit mit einem schnellen und einem langsamen Signalpfad,
Fig. 7 ein Blockdiagramm für den erfindungsgemässen
schnellen Signalpfad gemäss Fig. 6,
Fig. 8 ein Blockdiagramm für den erfindungsgemässen
langsamen Signalpfad gemäss Fig. 6 und Fig. 9, ausgehend von Fig. 2, eine weitere
Ausführungsvariante mit einer Übergangseinheit zwischen Berechnungseinheit und Filtereinheit. Fig. 1 zeigt in einem stark vereinfachten Blockdiagramm eine MessZeilenanordnung mit einer Prozesskammer 1, einer Membrandruckmesszelle 2, einer Vakuumpumpe 3, einer
Signalverarbeitungseinheit 4, einer Steuereinheit 5, einem Ventilaktuator 6 und einem Ventil 7. Die
Membrandruckmesszelle 2 wird zur Bestimmung des Druckes in der Prozesskammer 1 eingesetzt, in dem ein nach Vorgabe eines Vakuumprozesses vorgegebener Druck eingestellt wird. Vakuumprozesse umfassen verschiedenste Verfahren, wie beispielsweise Beschichtungsverfahren, Ätzverfahren, thermische Behandlung von Werkstücken etc. Vakuumprozesse werden oft auch mit unterstützenden Gasen betrieben, die sowohl aktiv als Reaktivgas oder auch als Inertgas im
Prozess benötigt werden. Die Gase werden hierzu in die Prozesskammer 1 über das vom Ventilaktuator 6 angesteuerte Ventil 7 zugeführt, mit dem der Gaszufluss und der Druck in der Prozesskammer 1 steuerbar ist. Durch die Membrandruckmesszelle 2 wird ein Messsignal x erzeugt, das in der Signalverarbeitungseinheit 4 und der Steuereinheit 5 zu einem Steuersignal s für den Ventilaktuator 6 verarbeitet wird. Für eine präzise Prozessführung ist es notwendig, dass die Membrandruckmesszelle 2 einerseits möglichst präzise, anderseits aber auch schnell misst, um auf
Druckänderungen in der Prozesskammer 1 möglichst schnell und präzise reagieren zu können. Denkbar ist auch - bei einer vereinfachten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -, dass das AusgangsSignals y der Signalverarbeitungseinheit 4 nicht zur Steuerung des Druckes in einer Prozesskammer eingesetzt wird. Es handelt sich dann nicht um eine geschlossenes sondern um ein offenes System. Hierbei wird ein Druck in einer Druckzelle beliebiger Art - ähnlich wie bei der Prozesskammer gemäss Fig. 1 - mit einer Druckmesszelle 2 gemessen. Das mit der Druckmesszelle 2 gemessene Messsignal x wird ebenfalls in einer Signalverarbeitungseinheit 4 verarbeitet, um ein stabiles, rauschfreies und doch auf Änderungen rasch reagierendes Ausgangssignal y zu erhalten.
Die Erfindung bezieht sich nunmehr - wiederum mit Blick auf die Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 - auf die
Verarbeitung des Messsignals x im Kontext der bei einem Vakuumprozess vorhandenen Verhältnisse und bezweckt vor allem die optimale Signalverarbeitung des Messsignals x, wie es als Drucksignal bei solchen Vakuumprozessen
auftreten kann. Dabei kann die Signalverarbeitung in der
Signalverarbeitungseinheit 4 grundsätzlich in analoger oder digitaler Weise erfolgen, wobei im Folgenden auf die besonderen Vorkehrungen, wenn eine Signalverarbeitung auf analoge Weise oder auf digitaler Weise vorgenommen wird, nicht weiter eingegangen wird, da solche Vorkehrungen
(analog/digital Wandlung, Filterung zur Vermeidung von Aliasing, Wahl der Abtastfrequenz, etc.) dem Fachmann hinlänglich bekannt sind. Das Ausgangssignal y der Signalverarbeitungseinheit 4 wird in der Steuereinheit 5 beispielsweise mit einem so
genannten P-, PI-, PID- oder Zustands-Regler
weiterverarbeitet. Der in der Steuereinheit 5 realisierte Regler ist dabei insbesondere auf die optimale Nachführung des Steuersignals s für den Ventilaktuator 6 bzw. für das Ventil 7 verantwortlich.
Grundsätzlich sind die Ausführungen zu den Abläufen in der Signalverarbeitungseinheit 4 und zu deren
Blockschaltbildern sowohl für die Ausführungsvariante in einem geschlossenen System als auch für die
Ausführungsvariante in einem offenen System gültig. Fig. 2 zeigt schematisch und vereinfacht ein Blockdiagramm zur Illustration der Verarbeitungsschritte, die in der Signalverarbeitungseinheit 4 (Fig. 1) gemäss der
vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Zur
Realisierung der einzelnen Verarbeitungsschritte des erfindungsgemässen Algorithmus wird beispielsweise ein
Signalprozessor eingesetzt, der entsprechend programmiert wird. Selbstverständlich können vom Signalprozessor auch noch andere Aufgaben erledigt werden, sofern hierzu die Prozessorkapazität ausreichend ist. Insbesondere ist es denkbar, dass auch der Regler der Steuereinheit 5 im gleichen Signalprozessor realisiert ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Messsignal x einer Filtereinheit 10 zugeführt, die das Ausgangssignal y erzeugt. Die Filtereinheit 10 mit dem Messsignal x und dem Ausgangssignal y bilden den eigentlichen Signalpfad der Signalverarbeitungseinheit 4 (Fig. 1) . Die übrigen, noch zu erläuternden Komponenten, wie Berechnungseinheit 11 und Entscheidungseinheit 12, sind zur Festlegung der
Charakteristik der Filtereinheit 10 vorgesehen.
Die Filtereinheit 10 weist eine Filtercharakteristik auf, die in einem Zeit-diskreten System beispielsweise nach der folgenden Gleichung definiert ist: yn = α·χ η+ (1-α) ·νη-ι
Dabei ist y das Zeit-diskrete Ausgangssignal, x das Zeitdiskrete Messsignal, n ein Zeit-abhängiger Index und α eine Variable, deren Wert massgeblich die Zeitkonstante der Filtereinheit 10 bestimmt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist die optimale Einstellung des Wertes für die Variable a, und zwar so, dass ein Rauschsignal im Messsignal x
möglichst unterdrückt oder sogar eliminiert wird,
gleichzeitig aber ein sich ändernder Druck in der
Prozesskammer erkannt wird, um entsprechend schnell darauf reagieren zu können.
Die erwähnte Gleichung mit der Variablen α weist als
Filtercharakteristik zur Unterdrückung des
Rauschsignalanteils eine Tiefpass-Charakteristik auf, wobei die Zeitkonstante τ für einen Filter erster Ordnung wie folgt bestimmt werden kann: 1—
τ =ΔΤ
α
Die Wahl der Werte für die Variable ist entscheidend für die vorliegende Erfindung. Enthält das Messsignal x bei stabilem Druckwert lediglich ein Rauschsignal, so ist der Wert für möglichst klein ( min) zu wählen, beispielsweise 0.01. Damit wird das im Messsignal x vorhandene
Rauschsignal maximal unterdrückt und das gefilterte
Ausgangssignal y eignet sich vorzüglich für die Verwendung im nachgeschalteten Regler der Steuereinheit 5 (Fig. 1), denn ein stabiles Ausgangssignal führt zu einer geringeren Aktivität des Ventilaktuators 6 bzw. des Ventils 7 und damit zu einer reduzierten Belastung dieser Komponenten, womit deren Ausfallwahrscheinlichkeit gegenüber bekannten Systemen erheblich reduziert ist.
Auf der anderen Seite ist eine Veränderung des Messsignals x aufgrund einer tatsächlichen Druckänderung in der
Prozesskammer verzögerungsfrei zu detektieren, was einen anderen Wert für die Variable erforderlich macht, nämlich beispielsweise einen Wert für α zwischen 0.3 und 1.0 (amax) .
Die Anpassung des Wertes für die Variable α wird
erfindungsgemäss in Abhängigkeit der zeitlichen Änderung des Messsignals x vorgenommen, was im Folgenden im Detail erläutert wird.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsvariante zur Bestimmung der zeitlichen Änderung des Messsignals x. Im Wesentlichen wird das Messsignal x in einer Glättungseinheit 13,
beispielsweise unter Anwendung eines Mittelwert-Filters, geglättet. Es hat sich gezeigt, dass sich hierbei
insbesondere ein so genanntes exponentielles Mittelwert- Filter besonders eignet. Das Ausgangssignal f dieses
Filters wird auf eine Differenzeinheit 14 gegeben, welche die Differenz zum unveränderten Messsignal x bestimmt, was nachstehend auch etwa als Differenzsignal e bezeichnet wird.
Das Differenzsignal e stellt ein Mass für die zeitliche Änderung des Messsignals x dar und wird bei dieser
erfindungsgemässen Ausführungsvariante zur Einstellung des Wertes für die Variable α in der Filtereinheit 10 (Fig. 2) verwendet, wobei allenfalls noch eine Skalierung
erforderlich ist.
Die mittels exponentiellem Mittelwert-Filter realisierten Glättungseinheit 13 ist durch die rekursive Formel
Figure imgf000023_0001
definiert, wobei f das Zeit-diskrete Ausgangssignal, ßi eine Variable, x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi beim exponentiellen Mittelwert- Filter zur Erzeugung des
Differenzsignals f insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 1 und 0.1,
insbesondere vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist. Die Berechnungseinheit 11 gemäss Fig. 2 in der
Ausführungsvarianten gemäss Fig. 3 erzeugt somit ein
Differenzsignal e wie folgt: θη = fn _ Xn
In Fig. 4 ist, wiederum in schematischer Darstellung, ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsvariante der
Berechnungseinheit 11 (Fig. 2) gezeigt. Es handelt sich hierbei um die Erzeugung der zeitlichen Änderung des
Messsignales x, auch etwa als Δχ/ΔΤ bezeichnet, in zwei Stufen, wobei die erste Stufe zur einzigen Stufe gemäss Fig. 3 identisch ist. Gemäss Fig. 4 wird eine weitere Bearbeitung des Differenzsignals e mit einem Mittelwert- Filter 15 vorgenommen, das wiederum beispielsweise als exponentielles Mittelwert-Filter realisiert sein kann.
Demzufolge gelten die gleichen Definitionen, siehe obige Formeln, wie bereits bei der ersten Stufe. Einzig der Wert für die Variable ß, entsprechend wurde sie hier ß2 genannt, weist einen anderen Wert auf : die Variable ß2 erhält beim exponentiellen Mittelwert-Filter zur Bestimmung der zeitlichen Änderung des Messsignals x insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere zwischen 0.5 und 0.01, insbesondere zwischen 0.05 und 0.15.
Die zeitliche Änderung Δχ/ΔΤ des Messsignales x kann demzufolge wie folgt aus dem zeitdiskreten Differenzsignal e definiert werden: (Δχ/ΔΤ)η = β2·θη+ (l-ß2) * (Δχ/ΔΤ)η-1 wobei (Δχ/ΔΤ)η die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals x, en das Zeit-diskrete Differenzsignal e und n ein Zeit-abhängiger Index ist.
Auch bei dieser AusführungsVariante der vorliegenden
Erfindung ist die hierdurch erhaltene zeitliche Änderung Δχ/ΔΤ bzw. (Δχ/ΔΤ)η des Messsignals x allenfalls zu
skalieren, wie dies bereits im Zusammenhang mit der
Ausführungsvariante gemäss Fig. 3 erläutert worden ist.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung, wobei es sich hier um eine
besondere Ausgestaltung der Entscheidungseinheit 12 (Fig. 2) handelt. Gemäss den bereits anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten Ausführungsvarianten beinhaltet die
Entscheidungseinheit 12 allenfalls eine Skalierung des durch die Berechnungseinheit 11 erhaltenen zeitlichen
Änderung Δχ/ΔΤ des Messsignals x. In Fortführung dieser
Ausführungsvarianten der Erfindung wird vorgeschlagen, den Wertebereich für die Werte am unteren und am oberen Ende zu begrenzen. Entsprechend ist es gemäss der in Fig. 5 dargestellten weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung vorgesehen, ein min und ein max vorzusehen, wobei diese gemäss dem in Fig. 5 gezeigten Flussdiagram zum
Tragen kommen:
Die zeitliche Änderung Δχ/ΔΤ des Messsignals x wird mit einem Faktor k skaliert (wie im Zusammenhang mit den in den Figuren. 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten bereits erläutert). Die skalierte zeitliche Änderung Δχ/ΔΤ wird mit Λ bezeichnet. Es folgt nun eine Reihe von Entscheidungen, die zum Ziel haben, die Festlegung von innerhalb eines Wertebereichs zwischen einem minimalen Wert min und einem maximalen Wert c * zu begrenzen. Zwischen den Extremwerten amin und amax wird der Wert für α entsprechend dem Resultat der Berechnungseinheit 11 (Fig. 2), sei diese gemäss Fig. 3, sei sie gemäss Fig. 4 realisiert, eingestellt.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung, wobei hier in schematischer
Darstellung ein Blockdiagramm für die in Fig. 2
dargestellten Berechnungseinheit 11 und
Entscheidungseinheit 12 gezeigt ist, die in Fig. 2
strichliniert umrahmt sind und im Folgenden auch etwa als Steigungsbestimmungseinheit 50 bezeichnet wird.
In allen nachfolgend angegeben konkreten Zahlenbeispielen (insbesondere für die Zeitkonstante τ) wird von einer typischen Abtastzeit ΔΤ (auch etwa als Zykluszeit
bezeichnet) von 1ms ausgegangen. Selbstverständlich dient die Abtastzeit ΔΤ von 1ms nur als Beispiel. Die Abtastzeit ΔΤ wird grundsätzlich im Rahmen der verfügbaren
Rechenleistung und der notwendigen Reaktionszeit des
Gesamtsystems gewählt.
Wie in Fig. 6 ersichtlich ist, besteht die
Steigungsbestimmungseinheit 50 zunächst aus zwei
Funktionsblöcken - nämlich dem Block „schnell" 20 und dem Block „langsam" 30. Diese beiden noch zu erläuternden
Funktionsblöcke 20 und 30 werden auch als schneller Pfad 20 und als langsamer Pfad 30 bezeichnet. Zunächst können in qualitativer Hinsicht die folgenden Grundsätze in Bezug auf die Parameter αι und a2 der
Filtereinheit 10 (Fig. 2) formuliert werden:
Messsignale x, die sich in Funktion der Zeit nicht ändern (d.h. wenn keine Druckänderungen vorhanden sind), können stark gefiltert werden, um eine maximale
Rauschunterdrückung zu erhalten. Es hat sich gezeigt, dass sich für den Parameter a2 Werte zwischen 0.0001 (τ « 10s) und 0.01 (τ * 100ms) eignen. Ein bevorzugter Wert für den Parameter c<2 ist dabei 0.001 (τ ~ ls) .
Messsignale x, die sich in Funktion der Zeit ändern (d.h. wenn Druckänderungen vorhanden sind) , brauchen weniger stark gefiltert zu werden. In diesem Fall definiert der Parameter αι den Dämpfungsfaktor. Dieser wird deshalb typischerweise grösser als der Parameter 2 gewählt. Es hat sich gezeigt, dass sich für den Parameter αι Werte zwischen 0.01 (τ ~ 100ms) und 0.9 (τ * 0.1ms) eignen. Ein
bevorzugter Wert für den Parameter αι ist dabei 0.1 (τ = 9ms) .
Wie bereits erwähnt wurde, besteht die
Steigungsbestimmungseinheit 50 zunächst aus den beiden
Funktionsblöcken „schnell" 20 und „langsam" 30, wobei der Funktionsblock „schnell" 20 ein Ausgangssignal FC für schnelle Änderungen und der Funktionsblock „langsam" 30 ein Ausgangssignal SC für langsame Änderungen erzeugt, woraus ein Steuersignal SW durch eine „ODER" -Verknüpfung wie folgt erhalten wird:
SW = FC ODER SC
Ein aktives Steuersignal SW führt dazu - wie sich aus dem Flussdiagramm von Fig. 6 nach dem ODER-Tor ergibt -, dass in der Filtereinheit 10 (Fig. 2) der Wert ai verwendet wird. Andererseits wird c<2 in der Filtereinheit 10
verwendet, wenn das Steuersignal SW inaktiv ist.
Der Funktionsblock „schnell" 20 detektiert und reagiert innerhalb eines Abtastintervalls ΔΤ (wobei das
Abtastintervall ΔΤ wiederum beispielsweise 1ms beträgt) auf schnelle Änderungen des Messsignals x, ist aber relativ unempfindlich auf langsame bzw. konstante
Messsignaländerungen. Die langsamen bzw. konstanten
Messsignaländerungen werden vom Funktionsblock „langsam" 30 detektiert .
Die Grenze zwischen langsamen und schnellen Messsignalen x wird durch den Funktionsblock „schnell" 20 angezeigt: i
Ist die Frequenz des Messsignals x kleiner als - ^, so handelt es sich aus Sicht des Funktionsblockes „schnell" 20 um ein langsames Messsignal x, ansonsten um ein schnelles Messsignal x. Auf die Bedeutung dieser Aussagen und die sich hieraus ergebende Reaktion wird im Zusammenhang mit den Erläuterungen der Funktionsblöcke 20 und 30 im Detail eingegangen .
In Fig. 7 ist der Funktionsblock „schnell" 20 gemäss Fig. 6 dargestellt. Das Messsignal x wird der Berechnungseinheit 11 beaufschlagt, die in Fig. 4 dargestellt und ausführlich erläutert worden ist. Entsprechend sind jene Ausführungen auch für diese Ausführungsvariante der Erfindung gültig. Das Ausgangssignal Δχ/ΔΤ der Berechnungseinheit 11 wird einer Betragseinheit 21 zugeführt, in der der Betrag von Δχ/ΔΤ bestimmt und einer Additionseinheit 25 zugeführt wird. In einer weiteren Betragseinheit 22 wird der Betrag des ebenfalls in der Berechnungseinheit 11 bestimmten
Differenzsignals e ermittelt. Das Betragssignal lel wird anschliessend in einem Mittelwertfilter 23 mit Parameter ß3 wiederum nach der folgenden Formel geglättet: hn = β3· I enl + (l-ßa) 'hn-i wobei das Ausgangssignal hn nach einer Skalierung mit dem Faktor CF in einer Multiplikatoreinheit 24 der
Additionseinheit 25 zugeführt wird, in der die Differenz
Δχ
zwischen dem Betragssignal und CF · h bestimmt wird. Das
ΔΤ
Ergebnis wird einem Schwellwertdetektor 26 zugeführt, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes ein Trigger erzeugt, der einem Monoflop 27 zugeführt wird. Das Monoflop 27, das beispielsweise als nachtriggerbares
Monoflop ausgebildet ist, erzeugt nach Erhalt eines
Triggers am Eingang einen Ausgangspuls FC, dessen Länge über die Pulsbreite TS einstellbar ist. In diesem Zusammenhang bedeutet „nachtriggerbar" , dass ein während des Zeitablaufs eintreffender Trigger die interne Zeit des Monoflops 27 jeweils erneut startet und der aktive
Schaltzustand dementsprechend zeitlich verlängert wird.
Wie bereits erläutert stellt das Signal Δχ/ΔΤ ein Mass für die Änderung des Messsignals x dar. Durch Filterung des Betrages des Differenzsignals e mit dem Mittelwertfilter 23 und anschliessender Skalierung mit dem Faktor CF erhält man das Signal CF · h . Dieses stellt nun ein Mass für das „Grundrauschen" der Messung der Messsignaländerung Δχ/ΔΤ dar. Durch Vergleichen der Signale CF■ h und dem Betrag von Δχ/ΔΤ erhält man somit das binäre Steuersignal „Trigger", welches zur Ansteuerung des Monoflops 27 verwendet wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Dämpfungsfaktoren ßi, ß2 und ß3 insbesondere die folgenden Werte haben sollen: Für ßi im Bereiche 0.1 bis 0.001 (τ ~ 9ms bis ls) ,
insbesondere 0.01 (τ ~ 100ms) als typischer Wert; für ß2 im Bereiche 0.1 bis 0.001 (τ * 9ms.. ls), insbesondere 0.01 (τ * 100ms) als typischer Wert; und für ß3 im Bereiche 0.01 bis 0.0001 (τ * 100ms bis 10s), insbesondere 0.001 (τ * ls) als typischer Wert.
Ausgehend von dem in Fig. 1 dargestellten
Drucküberwachungs- und Druckeinstellungssystem kann
folgendes festgehalten werden: Jede schnelle Druckänderung (Drucksprung) in der Prozesskammer 1 erzeugt einen „Trigger-Puls". Die Breite dieses Pulses hängt von den gewählten Dämpfungsfaktoren ßi und ß2 ab. Insbesondere kleine Druckänderungen in realen Vakuumsystemen weisen Zeitkonstanten im Bereich > 10ms auf. Um sicherzustellen, dass nicht innerhalb einer Druckänderung (Flanke) zwischen dem schnellen und langsamen Filter umgeschaltet wird, wird mittels des nachtriggerbaren Monoflops 27 dafür gesorgt dass der Ausgangspuls FC mindestens die Pulsbreite TS aufweist. Der bevorzugte Wertebereich für die Pulsbreite TS liegt beispielsweise zwischen 50ms (insbesondere bei kleinen schnellen Vakuumsystemen) und 5s (insbesondere bei grossen trägen Vakuumsystemen) . Ein typischer Wert für die Pulsbreite TS ist 500ms. Der Skalierungsfaktor CF weist beispielsweise einen Wert von 0.15 auf.
Bei Messsig 3nalen x, die kleinere
Figure imgf000031_0001
aufweisen, spricht der Funktionsblock „schnell" 20 (Fig. 6) nicht an bzw. spricht mit geringerer Zuverlässigkeit an, als was wünschenswert ist. Dies insbesondere deshalb, weil die Pulsbreite TS des Monoflops 27 (Fig. 7) zu kurz ist, um eine vollständige Signalperiode abdecken zu können.
Messsignale x mit einer Frequenz von kleiner als werden deshalb bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsvariante vom Funktionsblock „langsam" 30 verarbeitet. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bereits mit dem
Funktionsblock „schnell" 20 alleine - d.h. ohne dem
Funktionsblock „langsam" 30 - sehr gute Resultat erhalten werden können. Eine AusführungsVariante für den Funktionsblock „langsam" 30 (siehe Fig. 6) ist in Fig. 8 gezeigt. Dabei ist der Funktionsblock „langsam" 30 für Messsignale x mit Frequenz
1
von kleiner als - ^ ausgelegt, wobei die Frequenzen
typischerweise kleiner als 1Hz sind, falls man von einer Pulsbreite TS von beispielsweise 500ms ausgeht. Der
Funktionsblock „langsam" 30 berechnet ein Schaltsignal SC als Ausgangssignal wie folgt:
Figure imgf000032_0001
wobei SS ein Mass für die Änderung des Messsignals x über einen grösseren Zeitraum darstellt, der beispielsweise grösser als 2■ TS (d.h. der doppelten Pulsbreite TS) ist und somit typischerweise Sekunden beträgt, und wobei SSN ein Mass für das Rauschen des Messsignales x ist. Sowohl SSN als auch SS werden mit Hilfe von Mittelwertfiltern der bereits beschriebenen Art bestimmt. Die
Übertragungsfunktion der Mittelwertfilter wurde im
Zusammenhang mit der Beschreibung der Filtereinheit 10 von Fig. 2 erläutert.
SS wird mit den weiteren Mittelwertfiltern 35 und 38 (Fig. 8) analog zu den Mittelwertfiltern 13 von Fig. 4 und 15 von Fig. 7 ermittelt. Der einzige Unterschied liegt in der Grösse der Dämpfungsfaktoren ß5 und βε, welche nun für kleinere Frequenzbereiche optimiert sind. Es hat sich gezeigt, dass die Dämpfungsfaktoren ß5 und ß6 insbesondere die folgenden Werte haben sollen:
Für ß5 im Bereiche 0.01 bis 0.0001 (τ ~ 100ms bis 10s), insbesondere 0.001 (τ * ls) als typischer Wert; und für ßs im Bereiche 0.01 bis 0.0001 (τ ~ 100ms bis 10s),
insbesondere 0.001 (τ ~ ls) als typischer Wert.
Das auf die gerade beschriebene Art berechnete Signal SS ist im Wesentlichen ein Mass für die Summe von der Änderung des Messsignals x und vom Rauschen des Messsignals x. Mit einem Hochpassfilter 31 und einem weiteren Mittelwertfilter 33 wird nun das von (langsamen) Änderungen des Messsignals x unabhängige Signal SSN berechnet. Dieses stellt somit ein Mass für das Rauschen des Messsignals x dar, und durch Vergleichen mit dem Signal SS erhält man das gesuchte
Schaltsignal SC gemäss den vorstehend angegebenen
Bedingungen . Es hat sich gezeigt, dass der Dämpfungsfaktoren ß4
beispielsweise im Bereich 0.005 bis 0.00005 (τ 200ms bis 20s) liegen soll, insbesondere gleich 0.0005 (τ * 2s) sein soll. Das Ausgangssignal des Mittelwertfilters 33 wird zur
Skalierung mit einer Multiplikatoreinheit 34 verbunden, deren zweiter Eingang mit einem Skalierungsfaktor CS zur Erzeugung des Ausgangssignals SSN beaufschlagt ist. Es hat sich gezeigt, dass der Skalierungsfaktor CS beispielsweise einen Wert 50 hat. Aufgabe des Hochpassfilters 34 ist das Trennen von Rauschen und langsamen Änderungen im Messsignal x. Unter der
Annahme, dass das Rauschen des Messsignals über den
auswertbaren Frequenzbereich von 0 ... 1kHz (bei einem typischen AbtastIntervall ΔΤ von 1ms) normalverteilt ist, hat sich ein Hochpassfilter 34 gemäss folgender
Konfiguration als geeignet herausgestellt: Filtertyp: Hochpassfilter
Entwurfsmethode: Elliptisch
Abtastfrequenz : 1 kHz
Knickfrequenz im Durchlassbereich: 400 Hz
Schwankungen im Durchlassbereich: 3 dB
Knickfrequenz im Stoppbereich: 250 Hz
Dämpfung im Stoppbereich: 73 dB
Unter diesen Bedingungen ergibt sich ein Hochpassfilter vierter Ordnung, welches problemlos, d.h. mit vertretbarem Aufwand gerechnet und implementiert werden kann.
Fig. 9 zeigt eine weitere AusführungsVariante der
vorliegenden Erfindung, bei der die erfindungsgemässe
Filtereinheit 10 optimal schnell und entsprechend abrupt zwischen den beiden Dämpfungsfaktoren αι und οί2 umschaltet. Es ist denkbar, dass dieses abrupte Umschalten nicht von allen nachfolgenden Reglern in der Steuereinheit 5 (Fig. 1) toleriert wird. Deshalb kann das Umschalten zwischen ai und .2 gemäss der nun weiter ausgebildeten Ausführungsvariante der Erfindung durch Aktivieren einer Fade- in/Fade-out Option weniger abrupt ausgeführt werden. Hierzu - wie dies aus Fig. 9 ersichtlich ist - ist eine Übergangseinheit 51 zwischen der Bestimmungseinheit 50 und der Filtereinheit 10 vorgesehen. Der Übergangseinheit 51 werden zwei zusätzliche Parameter Fin und Fout zugeführt.
Im Folgenden wird die Funktion der Übergangseinheit 51 erläutert: Die zwei zusätzlichen Parameter Fin und Fout definieren zwei Zeitspannen, die bei einer Umschaltung des Dämpfungsfaktors von αι auf a.2 bzw. umgekehrt zur Anwendung kommen, wobei in Abhängigkeit der Übergangrichtung entweder die Zeitspanne Fin oder die Zeitspanne Fout massgebend ist: Muss von a2 auf ÖI umgeschaltet werden (findet also eine Druckänderung statt) kommt die Zeitspanne Fin zur
Anwendung, während der ein sanfter Übergang von a2 auf ι vorgenommen wird. In umgekehrter Richtung - wenn also nunmehr stabile Druckverhältnisse nach einer Druckänderung wiederum vorherrschen - muss von αι auf .2 umgeschaltet werden. Dies geschieht gemäss dieser Ausführungsvariante ebenfalls nicht mehr abrupt, sondern innerhalb der durch Fout definierten Zeitspanne. Wiederum resultiert ein
„sanfterer" Übergang von αι auf c<2.
Es hat sich gezeigt, dass sich für die beiden Zeitspannen Fin oder Fout beispielsweise die folgenden Werte eignen:
Für die Zeitspanne Fin im Bereiche 0 bis 100ms,
insbesondere 10ms als typischer Wert; und für die
Zeitspanne Fout im Bereiche 0 bis 10s, insbesondere ls als typischer Wert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines Druckes in einer
Druckzelle (2), wobei das Verfahren darin besteht,
- dass ein Messsignal (x) bestimmt wird, das zumindest proportional zu einem gemessenen Druck in der
Druckzelle (2) ist,
- dass ein Ausgangssignal (y) mit Hilfe einer eine
Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit (10) aus dem Messsignal (x) erzeugt wird, indem ein im Messsignal (x) enthaltenes Rauschsignal zumindest reduziert, vorzugsweise eliminiert wird, und
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine zeitliche Änderung des Messsignals (x)
bestimmt wird und
- dass die Übertragungsfunktion in Funktion der
zeitlichen Änderung des Messsignals (x) eingestellt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Druckzelle (2) zumindest proportional zum Ausgangssignal (y) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert des Messsignals (x) bestimmt wird, dass ein Differenzsignal (e) durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal (x) und dem Mittelwert des Messsignals (x) bestimmt wird und dass die zeitliche Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) zumindest vom Differenzsignal (e)
abgeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Messsignal (x) durch
Figure imgf000037_0001
definiert ist, wobei fn der Zeit-diskrete Mittelwert des Messsignals (x) , ßi eine Variable, xn das Zeit-diskrete Messsignal (x) und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch
gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) durch Bildung eines Mittelwertes des
Differenzsignals (e) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Differenzsignal (e) durch
( Δχ / ΔΤ ) η = ß2'en+ (l- ß2 ) · ( Δχ / ΔΤ ) η- ι definiert ist, wobei ( Δχ / ΔΤ ) η die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals (x) , ß2 eine Variable, e das Zeitdiskrete Differenzsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß 2 insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel yn = α·χη+ (1-α) ·νη- ι
definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal, x das Zeit-diskrete Messsignal, eine Variable ist, deren Wert von der zeitlichen Änderung des Messsignals (x) abhängig ist, und n ein Zeit-abhängiger Index ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (x) in einem schnellen Pfad (20) zur
Erzeugung eines Ausgangspuls (FC) verarbeitet wird, wobei der Ausgangspuls (FC) des schnellen Pfads (20) mindestens so lange aktiv ist, wie die während höchstens drei
Abtastintervallen gemessene MessSignaländerung grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal (x) oder in der Messsignaländerung ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (x) ferner einem langsamen Pfad (30) zur
Erzeugung eines Schaltsignals (SC) verarbeitet wird, wobei das Schaltsignal (SC) des langsamen Pfads (30) mindestens so lange aktiv ist, wie die während länger als 2*TS
gemessene Änderung des Messsignals (x) grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal (x) oder in der Messsignaländerung ist, wobei TS eine vorgegebene minimale Pulsbreite des Ausgangspulses (FC) ist, und dass die Variable α einen Wert in Abhängigkeit einer ODER- Verknüpfung zwischen dem Ausgangspuls (FC) und dem
Schaltsignal (SC) erhält.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable zumindest nach einer vorgegebenen Übergangszeit nach einem Schaltvorgang
entweder den Wert oii oder den Wert «2 annimmt, wobei der
Wert für c i insbesondere im Bereich 0.01 bis 0.9 liegt und wobei der Wert für a2 insbesondere im Bereich 0.0001 bis 0.01 liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten von einem Wert αι auf einen Wert c<2 über eine Zeitspanne Fin erfolgt und/oder dass ein Umschalten von einem Wert c<2 auf einen Wert αι über eine Zeitspanne Fout erfolgt.
13. Messzellenanordnung mit einer Druckzelle (2) und einer mit der Druckzelle (2) wirkverbundenen
Membrandruckmesszelle (2), die ein druckabhängiges
Messsignal (x) erzeugt, das einer eine Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit (10) zur Erzeugung eines
Ausgangssignals (y) beaufschlagt ist, dadurch
gekennzeichnet, dass eine zeitliche Änderung des
Messsignals (x) bestimmbar ist und dass die
Übertragungsfunktion in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals (x) einstellbar ist.
14. Messzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (y) zur Einstellung des Druckes in der Druckzelle (2) verwendbar ist.
15. Messzellenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) einstellbar ist.
16. Messzellenanordnung nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Mittelwert des Messsignals (x) bestimmbar ist, dass ein Differenzsignal (e) durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal (x) und dem
Mittelwert des Messsignals (x) bestimmbar ist und dass die zeitliche Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) zumindest vom Differenzsignal (e) ableitbar ist.
17. Messzellenanordnung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mittelwert des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein zeitdiskretes Messsignal (x) durch
Figure imgf000041_0001
definiert ist, wobei fn der Zeit-diskrete Mittelwert des Messsignals (x) , ßi eine Variable, xn das Zeit-diskrete
Messsignal (x) und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist.
18. Messzellenanordnung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) durch Bildung eines Mittelwertes des Differenzsignals (e) bestimmbar ist.
19. Messzellenanordnung nach Anspruch 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Δχ/ΔΤ) des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein
zeitdiskretes Differenzsignal (e) durch
(Δχ/ΔΤ)η = ß 2 »en+ (l-ß2) · (Δχ/ΔΤ)η-ι definiert ist, wobei (Δχ/ΔΤ)η die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals (x) , ß2 eine Variable, en das Zeit-diskrete Differenzsignal (e) und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 insbesondere einen Wert zwischen 1 und 0, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, insbesondere vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist.
20. Messzellenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel yn = α· χ η+ (l-α) · νη- ι definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal, xn das Zeit-diskrete Messsignal (x) , α eine Variable ist, deren Wert von der zeitlichen Änderung des Messsignals (x) abhängig ist, und n ein Zeit-abhängiger Index ist.
21. Messzellenanordnung nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messsignal (x) einem schnellen Pfad (20) zur Erzeugung eines Ausgangspuls (FC)
beaufschlagt ist, wobei der Ausgangspuls (FC) des schnellen Pfads (20) mindestens so lange aktiv ist, wie die während höchstens drei Abtastintervallen gemessene
Messsignaländerung grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal (x) oder in der
Messsignaländerung ist.
22. Messzellenanordnung nach Anspruch 21, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messsignal (x) ferner einem langsamen Pfad (30) zur Erzeugung eines Schaltsignals (SC) beaufschlagt ist, wobei das Schaltsignal (SC) des langsamen Pfads (30) mindestens so lange aktiv ist, wie die während länger als 2*TS gemessene Änderung des Messsignals (x) grösser als das im gleichen Zeitraum gemessene Rauschen im Messsignal (x) oder in der Messsignaländerung ist, wobei TS eine vorgegebene minimale Pulsbreite des Ausgangspulses (FC) ist, und dass die Variable einen Wert in
Abhängigkeit einer ODER-Verknü fung zwischen dem
Ausgangspuls (FC) und dem Schaltsignal (SC) erhält.
23. MessZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable zumindest nach einer vorgegebenen Übergangszeit nach einem Schaltvorgang entweder den Wert ai oder den Wert c<2 annimmt, wobei der Wert für ai insbesondere im Bereich 0.01 bis 0.9 liegt und wobei der Wert für c*2 insbesondere im Bereich 0.0001 bis 0.01 liegt.
24. MessZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Filtereinheit
(10) und der Entscheidungseinheit (12) eine
Übergangseinheit (51) vorgesehen ist, in der ein Umschalten von einem Wert oa auf einen Wert a.2 über eine Zeitspanne Fin erfolgt und/oder ein Umschalten von einem Wert c<2 auf einen Wert ai über eine Zeitspanne Fout erfolgt.
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EP0734774B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders

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