EP0896659A1 - Schaltung zur temperaturkompensation eines wärmeleitungsvakuummeters - Google Patents

Schaltung zur temperaturkompensation eines wärmeleitungsvakuummeters

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EP0896659A1
EP0896659A1 EP97906191A EP97906191A EP0896659A1 EP 0896659 A1 EP0896659 A1 EP 0896659A1 EP 97906191 A EP97906191 A EP 97906191A EP 97906191 A EP97906191 A EP 97906191A EP 0896659 A1 EP0896659 A1 EP 0896659A1
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EP
European Patent Office
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compensation
branch
temperature
circuit
heat conduction
Prior art date
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Ceased
Application number
EP97906191A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard KÜSTER
Norbert Rolff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/10—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured
    • G01L21/12—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured measuring changes in electric resistance of measuring members, e.g. of filaments; Vacuum gauges of the Pirani type

Definitions

  • the invention relates to a circuit for a heat conduction vacuum meter with the features of the preamble of claim 1.
  • Thermal conduction vacuum gauges are used in a pressure range that extends from the upper end of the high vacuum range (approx. 10 ⁇ 4 mbar) to far into the rough vacuum range (approx. 1000 mbar).
  • Heat conduction vacuum meters take advantage of the fact that more heat is dissipated from a temperature-dependent resistance element at higher gas pressures, that is to say with a higher particle number density, than at lower gas pressures.
  • the temperature-dependent resistance element is, for example, a measuring wire which is connected to a Wheatstone bridge. In the Pirani vacuum meter, which is not valid, a change in the resistance of the measuring wire detunes the bridge, which is used as a measure of the pressure.
  • the supply voltage at the bridge is constantly regulated in such a way that the resistance and thus the temperature of the measuring wire remain constant regardless of the heat output.
  • the current required to keep the resistance value constant is a measure of the thermal conductivity and thus of the pressure of the gas.
  • the Wheatstone's bridge is usually reduced to a minimum by adjusting the bridge supply voltage. Mood matched. The bridge supply voltage is thus the primary electrical value corresponding to the pressure.
  • the ambient temperature of the measuring wire has a disruptive influence on the measuring principle, since it determines the thermal equilibrium of the measuring wire with its surroundings via radiation and heat conduction through fastening parts.
  • it is known to switch a temperature-dependent resistor with a suitable characteristic into one of the branches of the Wheatstone bridge.
  • this temperature compensation is inadequate since the voltage drop across the compensation resistor depends not only on the ambient temperature but also on the pressure of the gas. This results in the problem of inadequate temperature compensation in the pressure end regions which generally exists in the case of heat conduction vacuum meters.
  • the present invention is based on the object of proposing a circuit for a heat conduction vacuum meter with which an accurate temperature compensation can be achieved in particular in the pressure end regions.
  • the bridge circuit has, in addition to the first branch with the measuring resistor, at least two further branches with temperature-dependent compensation resistors, it is possible to use compensation resistors with different characteristics adapted to the pressure ranges for different pressure ranges. An overall improved temperature compensation, and especially in the pressure end areas, is possible. Further advantages and details of the invention will be explained with reference to an exemplary embodiment shown in the figure.
  • the bridge circuit is designated by 1. It comprises the branch sections 2 to 5, 16, 17. Their different taps are designated 6 to 9, 18.
  • Section 2 with resistor 11 and section 3 with measuring resistor or measuring wire 12 form the measuring branch of bridge 1.
  • a first compensation branch comprises sections 4 and 5, which are each equipped with a temperature-independent resistor 13 and 14, respectively.
  • section 5 or 4 provides the temperature-dependent resistor 15, which is used for temperature compensation in a manner known per se.
  • Another compensation branch is provided parallel to the first compensation branch described. It comprises the sections 16, 17 and the intermediate tap 18. Both sections are each equipped with a temperature-independent resistor 21 and 22, respectively. Section 17 or 16 also contains the temperature-dependent resistor 23.
  • the supply voltage UR is at the taps 6, 8 of the bridge circuit 1.
  • the controlled Pirani it is controlled with the aid of the operational amplifier 24 in such a way that the measuring resistor 12 remains constant.
  • the input 25 of the operational amplifier 24 is connected via line 26 to the intermediate tap 7 of the measuring branch and the input 27 via line 28 to one of the intermediate taps 9 or 18 of the compensation branches.
  • the bridge supply voltage is the measure of the pressure.
  • the voltage UR is supplied to the display instrument 32 in a manner known per se.
  • the line 28 is connected via the line sections 33 and 34 to the taps 9 and 18 of the two compensation branches.
  • the resistor 35 is located in one of the two sections, in the other there is, for example, a field effect transistor 36. With the aid of the voltage UG applied to the gate, the field effect transistor can be switched in such a way that one of the two intermediate taps 9, 18 can be selected can be connected to the input 27 of the operational amplifier 24.
  • two compensation branches 4, 5 and 16, 17 are shown.
  • One of the two resistors 15, 23 is expediently optimized for temperature compensation in the upper pressure range and the other for temperature compensation in the lower pressure range.
  • the switchover from one compensation branch to the other is advantageously carried out in the middle pressure range.
  • the switchover is fluid.
  • the switching range can be selected via the voltage UQ.
  • the number of the existing compensation branches can be increased accordingly.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für ein Wärmeleitungs-Vakuummeter mit einer Brückenschaltung (1), die einen ersten Zweig (2, 3) mit einem Messwiderstand (12) und einen zweiten Zweig (4, 5) mit einem temperaturabhängigen Widerstand (15) zur Kompensation temperaturbedingter Messfehler aufweist, und mit einem der Regelung der Brückenspeisespannung (UB) dienenden Operationsverstärker (24), dessen erster Eingang (25) mit dem Zwischenabgriff (7) des Messzweiges (2, 3) der Brückenschaltung und dessen zweiter Eingang (27) mit dem Zwischenabgriff (9) des Kompensationszweiges (4, 5) der Brückenschaltung verbunden ist; um eine relativ exakte Temperaturkompensation zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass parallel zum Kompensationszweig (4, 5) mindestens ein weiterer Kompensationszweig (16, 17) mit einem weiteren temperaturabhängigen Widerstand (23) vorgesehen ist und dass der zweite Eingang (27) des Operationsverstärkers (24) wahlweise mit den Zwischenabgriffen (9, 18) der Kompensationszweige (4, 5; 16, 17) verbindbar ist.

Description

Schaltung zur Temperaturkompensation eines Wärmelei- tungsvakuummeters
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für ein Wärmeleitungsvakuummeter mit den Merkmalen des Oberbe¬ griffs des Patentanspruchs 1.
Wärmeleitungsvakuummeter werden in einem Druckbereich eingesetzt, der sich vom oberen Ende des Hochvakuumbe¬ reichs (ca. 10~4 mbar) bis weit in den Grobvakuum-Be- reich (ca. 1000 mbar) erstreckt. Wärmeleitungsvakuumme¬ ter nutzen die Tatsache aus, daß von einem temperaturab¬ hängigen Widerstandselement bei höheren Gasdrücken, also größerer Teilchenzahldichte, mehr Wärme abgeführt wird als bei niedrigeren Gasdrücken. Beim Wärmeleitungsvaku¬ ummeter nach Pirani ist das temperaturabhängige Wider¬ standselement z.B. ein Meßdraht, der in eine Wheatstone'sehe Brücke eingeschaltet ist. Beim ungere¬ gelten Pirani-Vakuummeter bewirkt eine Widerstandsände¬ rung des Meßdrahtes eine Verstimmung der Brücke, welche als Maß für den Druck herangezogen wird. Beim geregelten Pirani wird die an der Brücke liegende Speisespannung ständig derart geregelt, daß der Widerstand und damit die Temperatur des Meßdrahtes unabhängig von der Wärme¬ abgabe konstant bleiben. Der zur Konstanthaltung des Widerstandswertes benötigte Strom ist ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit und damit für den Druck des Gases. Üblicherweise wird die Wheatstone'sehe Brücke durch Nachführen der Brückenspeisespannung auf minimale Ver- Stimmung abgeglichen. Die Brückenspeisespannung ist da¬ mit der zum Druck korrespondierende primäre elektrische Wert.
Die Umgebungstemperatur des Meßdrahtes hat auf das Me߬ prinzip einen störenden Einfluß, da sie über Strahlung und Wärmeleitung durch Befestigungsteile das thermische Gleichgewicht des Meßdrahtes mit seiner Umgebung mitbe¬ stimmt. Um diesen störenden Einfluß der Umgebungstempe¬ ratur zu kompensieren, ist es bekannt, in einen der Zweige der Wheatstone'sehen Brücke einen temperaturab¬ hängigen Widerstand mit geeigneter Charakteristik einzu¬ schalten. Diese Temperaturkompensation ist jedoch unzu¬ länglich, da der Spannungsabfall am Kompensationswider¬ stand nicht nur von der Umgebungstemperatur sondern auch von dem Druck des Gases abhängt. Daraus resultiert das bei Wärmeleitungsvakuummetern generell bestehende Pro¬ blem der unzulänglichen Temperaturkompensation in den Druck-Endbereichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für ein Wärmeleitungs-Vakuummeter vorzu¬ schlagen, mit der insbesondere in den Druck-Endbereichen eine genaue Temperaturkompensation erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich¬ nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch, daß die Brückenschaltung neben dem ersten Zweig mit dem Me߬ widerstand mindestens zwei weitere Zweige mit tempera¬ turabhängigen Kompensationswiderständen aufweist, be¬ steht die Möglichkeit, für unterschiedliche Druckberei¬ che Kompensationswiderstände mit verschiedenen, den Druckbereichen angepaßten Charakteristiken einzusetzen. Eine insgesamt verbesserte, und vor allem in den Druck- Endbereichen wesentlich genauere Temperaturkompensation ist dadurch möglich. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten Ausfuhrungsbei¬ spieles erläutert werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brucken¬ schaltung mit 1 bezeichnet. Sie umfaßt die Zweigab¬ schnitte 2 bis 5, 16, 17. Ihre verschiedenen Abgriffe sind mit 6 bis 9, 18 bezeichnet.
Der Abschnitt 2 mit dem Widerstand 11 sowie der Ab¬ schnitt 3 mit dem Meßwiderstand bzw. Meßdraht 12 bilden den Meßzweig der Brücke 1. Ein erster Kompensationszweig umfaßt die Abschnitte 4 und 5, die jeweils mit einem temperaturunabhängigen Widerstand 13 bzw. 14 ausgerüstet sind. Zusatzlich ist im Abschnitt 5 oder 4 der tempera- turabhangige Widerstand 15 vorgesehen, der in an sich bekannter Weise der Temperaturkompensation dient.
Parallel zum beschriebenen ersten Kompensationszweig ist ein weiterer Kompensationszweig vorgesehen. Er umfaßt die Abschnitte 16, 17 und den Zwischenabgriff 18. Beide Abschnitte sind wieder jeweils mit einem temperaturunab- hangigen Widerstand 21 bzw. 22 ausgerüstet. Im Abschnitt 17 oder 16 befindet sich zusatzlich noch der tempera¬ turabhängige Widerstand 23.
An den Abgriffen 6, 8 der Bruckenschaltung 1 liegt die Speisespannung UR. Beim geregelten Pirani wird sie mit Hilfe des Operationsverstärkers 24 derart geregelt, daß der Meßwiderstand 12 konstant bleibt. Dazu sind der Ein¬ gang 25 des Operationsverstärkers 24 über die Leitung 26 mit dem Zwischenabgriff 7 des Meßzweiges und der Eingang 27 über die Leitung 28 mit einem der Zwischenabgriffe 9 oder 18 der Kompensationszweige verbunden. Die Brucken- speisespannung ist das Maß für den Druck. Die Spannung UR wird in an sich bekannter Weise dem Anzeigeinstrument 32 zugeführt. Die Leitung 28 ist über die Leitungsabschnitte 33 und 34 mit den Abgriffen 9 bzw. 18 der beiden Kompensations¬ zweige verbunden. In einem der beiden Abschnitte befin¬ det sich der Widerstand 35, in dem anderen z.B. ein Feldeffekttransistor 36. Mit Hilfe der an das Gate ange¬ legten Spannung UG kann der Feldeffekttransistor derart geschaltet werden, daß wahlweise einer der beiden Zwi¬ schenabgriffe 9, 18 mit dem Eingang 27 des Operations¬ verstärkers 24 verbindbar ist.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Kompen¬ sationszweige 4, 5 und 16, 17 dargestellt. Zweckmäßig ist einer der beiden Widerstände 15, 23 für die Tempera¬ turkompensation im oberen Druckbereich und der andere für die Temperaturkompensation im unteren Druckbereich optimiert. Bei dieser Lösung erfolgt die Umschaltung von einem Kompensationszweig zum anderen zweckmäßig im mitt¬ leren Druckbereich. Um zu vermeiden, daß die Kennlinie einen Sprung hat, erfolgt die Umschaltung fließend. Der Schaltbereich ist über die Spannung UQ wählbar.
Für den Fall, daß die Temperaturkompensation in mehr als zwei Druckbereichen verbessert werden soll, kann die An¬ zahl der vorhandenen Kompensationszweige entsprechend erhöht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schaltung für ein Wärmeleitungs-Vakuummeter mit ei¬ ner Brückenschaltung (1) , die einen ersten Zweig (2, 3) mit einem Meßwiderstand (12) und einen zwei¬ ten Zweig (4, 5) mit einem temperaturabhängigen Widerstand (15) zur Kompensation temperaturbeding¬ ter Meßfehler aufweist, und mit einem der Regelung der Brückenspeisespannung (UR) dienenden Operati¬ onsverstärker (24), dessen erster Eingang (25) mit dem Zwischenabgriff (7) des Meßzweiges (2, 3) der Brückenschaltung und dessen zweiter Eingang (27) mit dem Zwischenabgriff (9) des Kompensationszwei¬ ges (4, 5) der Brückenschaltung verbunden ist, da¬ durch gekennzeichnet, daß parallel zum Kompensati¬ onszweig (4, 5) mindestens ein weiterer Kompensati¬ onszweig (16, 17) mit einem weiteren temperaturab¬ hängigen Widerstand (23) vorgesehen ist und daß der zweite Eingang (27) des Operationsverstärkers (24) wahlweise mit den Zwischenabgriffen (9,18) der Kom¬ pensationszweige (4, 5; 16, 17) verbindbar ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung des zweiten Eingangs (27) des Operationsverstärkers (24) auf einen der beiden Zwischenabgriffe (9, 18) der Kompensationszweige (4, 5/ 16, 17) der Brückenschaltung (1) ein Transi¬ stor (36) vorgesehen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (36) ein Feldeffekttransistor ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des Feldeffekttransistors (36) auf ei¬ ner festen Spannung UQ liegt.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kompensationszweige (4, 5; 16, 17) mit je einem temperaturabhängigen Wider¬ stand (15 bzw. 23) vorgesehen sind.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden temperaturabhängigen Widerstände
(15, 23) derart dimenmsioniert sind, daß einer zur Kompensation temperaturbedingter Meßfehler im unte¬ ren Druckbereich und der andere zur Kompensation von temperaturbedingten Meßfehlern im oberen Druck¬ bereich geeignet ist.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitungs-Vakuummeter ein geregeltes Wärmeleitungs-Vakuummeter ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Schaltung für ein gere¬ geltes Wärmeleitungs-Vakuummeter mit einer Brücken¬ schaltung (1), die einen Meßzweig (2, 3) mit einem Meßwiderstand (12) sowie mindestens zwei Kompensa¬ tionszweige (4, 5; 16, 17) mit für unterschiedliche Druckbereiche optimierten Kompensationswiderständen (15, 23), wobei die Zwischenabgriffe (9, 18) der Kompensationszweige (4, 5; 16, 17) wahlweise mit einem der beiden Eingänge eines Operationsverstär- kers (24) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung. beim Übergang von einem Meßbe¬ reich zum anderen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung fließend geschieht.
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