CH684805A5 - Verfahren zur Wandlung eines gemessenen Signals, Wandler zu dessen Ausführung sowie Messanordnung. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. einen Wandler zu dessen Ausführung, nach demjenigen von Anspruch 6, eine Messanordnung nach demjenigen von Anspruch 13.

Im ganzen Gebiet der Sensorik ist die Tendenz zu beobachten, immer mehr Aufgaben, die früher in einem Auswertegerät erfüllt wurden, in den Messkopf bzw. den Messwertaufnehmer zu verlegen. So werden z.B. immer mehr aktive Messbrücken, Signalverstärker bzw. Verarbeitungsschaltungen sowie Linearisierungsschaltungen, Analog/Digitalwandler etc. in den Messkopf verlegt. Dies ist seit einiger Zeit auch bei Sensoren für die Totaldruckmessung festzustellen. Dadurch werden die Vorteile erwirkt, dass auf kleinem Raum, thermisch gekoppelt, eine bessere und stabilere Anpassung der Auswerteelektronik an den eigentlichen Sensor erreichbar ist, eingekoppelte Signalfehler auf der Ubertragungsstrecke zwischen Sensor und Auswertegerät wegfallen, Messkopf-Ausgangssignale, Speisungen etc. so normiert werden können, dass an normierten Schnittstellen eines Auswertegerätes verschiedene Messköpfe frei austauschbar sind, sogar verschiedene Messkopftypen teilweise untereinander austauschbar sind.

Teilweise können derartige aktive Sensoren direkt an den Analog/Digitalwandlereingang von Auswertungsrechnern angeschlossen werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung sich unter einem Aspekt generell auf gemessene Signale bezieht, welche in der nachfolgend durch (4b) dargestellten und erläuterten Abhängigkeit von einer interessierenden, vom Sensor erfassten physikalischen Grösse stehen, bezieht sie sich insbesondere auf die Auswertung von Messsignalen, die bei Heissdraht-Vakuummeter abgegriffen werden, sog. Pirani-Vaku-ummeter.

Üblicherweise weisen Vakuummeter Ausgangssignale auf, welche in Messprinzip-spezifischer Art vom sensorseitig erfassten Druck abhängen. Dies bedeutet, dass das Ausgangssignal der Messköpfe erst über eine Kalibrierkurve bzw. Kalibriertabelle in Druckwerte umgesetzt werden muss. Da die Wärmeleitfähigkeit von Gasen, die grundsätzlich ausgewertet wird, sowohl bei tiefen Drucken, unterhalb ca. IO-2 mbar, sowie bei hohen Drucken, über ca. 10 mbar, asymptotisch an konstante Werte läuft und mithin in diesen Bereichen die Leitfähigkeits-Abhängigkeit vom Druck gering, die Abhängigkeitskurve flach wird, ist insbesondere dort die Messempfindlichkeit schlecht. In diesen Bereichen ist die Messung vermehrt anfällig auf Störungen, aufgrund des dort schlechten Signal/Noise-Verhältnisses.

Soll auch in diesen Bereichen gemessen werden, unter Einsatz von Analog/Digitalwandlern, so müssen diese dafür eine hohe Auflösung und Genauigkeit aufweisen, was aufgrund des Quantisierungsfehlers eine hohe Stufenzahl der A/D-Wandler erfordert.

Die vorliegende Erfindung bezweckt unter ihrem einen Aspekt, aus einem Messsignal obgenannter Art, insbesondere aus dem von einer Heissdraht-Vakuummeteranordnung abgegriffenen Signal, auf einfache Art und Weise eine einfach interpretierbare Ausgangssignalcharakteristik zu schaffen, einfach interpretierbar in dem Sinne, als dass man einfach daraus auf die interessierende, vom Sensor aufgenommene Grösse soll schliessen können.

Dabei soll weiter bezüglich der interessierenden Grösse, wie bei einem Vakuummeter bezüglich des gemessenen Druckes, ein grosser Messbereich, vorzugsweise über sechs Dekaden und mehr, erreicht werden, mit einer Genauigkeit in der Grössenordnung von 10%.

Dies wird bei Vorgehen nach dem Wortlaut von Anspruch 1 erreicht.

Gegenüber einem bekannten Ansatz zur Entzerrung der Abhängigkeit zwischen gemessenen Grössen, insbesondere der Spannung an einem Pirani-Meter, und der interessierenden, dort dem Druck, mittels Diodennetzwerken, ist der durch das erfindungsgemässe Vorgehen bewirkte Aufwand äusserst gering, die Welligkeit der Kennlinie ist wesentlich geringer, und zudem sind Drücke über einen wesentlich grösseren Bereich mit erwünschter Genauigkeit erfassbar.

Im Gegensatz zu einem weiteren bekannten Vorgehen, in einem eingeschränkten Druckbereich von ca. 10~4 bis 1 mbar mit Hilfe analoger Multiplikationstechniken ein linear vom Druck abhängiges Ausgangssignal zu erreichen, wie aus H. R. Hidber et al., Rev.Sci.lnstrum. 47, S. 912 (1976), bekannt, ergibt sich dank der erfindungsgemäss realisierten logarithmischen Druckabhängigkeit, bei vorgegebenem Signalhub von Auswertungsverstärkern, ein wesentlich grösserer Messbereich.

Auch der Einsatz analoger Logarithmierer, wie aus M. Wutz et al., «Theorie und Praxis der Vakuumtechnik», F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1988, S. 413, bekannt, ermöglicht nur die Auswertung in einem Druckbereich von 5 • 10~3 mbar bis 10 mbar.

Gemäss der vorliegenden Erfindung soll, wie erwähnt, ein über mehr als sechs Dekaden änderndes, interessierendes Signal erfassbar sein, d.h. an einem Heissdraht-Vakuummeter ein Druckbereich von mindestens 10-3 bis 103 mbar.

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5, ein erfindungsgemässer Wandler in Anspruch 6, bevorzugte Ausführungsvarianten davon in den Ansprüchen 7 bis 12 spezifiziert.

Im weiteren wird, dem Wortlaut von Anspruch 13 folgend, vorgeschlagen, einen Sensor, welcher ein zu messendes Signal abgibt, welches, wie in Anspruch 1 spezifiziert, mit einer interessierenden Grösse zusammenhängt, mit einem erfindungsgemässen Wandler zu kombinieren, womit ein Satz aufeinander abgestimmter Messwertaufnehmer/Auswerteelektronik-Einheit geschaffen wird.

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Eine bevorzugte Ausführungsvariante einer solchen Messanordnung, als Satz, zeichnet sich weiter nach dem Wortlaut von Anspruch 14 bzw. 15 aus.

Unter einem zweiten Aspekt geht die vorliegende Erfindung von einer bekannten Pirani-Messbrücken-schaltung aus, wie sie in Wutz et al., «Theorie und Praxis der Vakuumtechnik», F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1988, S. 413, dargestellt ist. Dabei wird das Pirani-Element in den einen Zweig einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Über der einen Brückendiagonale wird, als Brückenbetriebsspannung, die Ausgangsspannung eines Messoperationsverstärkers angelegt, im Sinne einer Gegenkopplung. Der Eingang des als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärkers liegt an der zweiten Diagonale der Wheatstone-Brücke. Im einen Zweig der Wheatstone-Brücke ist ein Temperaturkompensationswiderstand vorgesehen, der manuell abgeglichen wird. Eine Temperaturkompensation wird deshalb vorgesehen, weil sich Änderungen der Umgebungstemperatur, auf das Pirani-Element, gleich auswirken wie Druckänderungen und mithin zu Messfehlern führen. Mit der aus Wutz vorbekannten Temperaturkompensation kann letztere exakt nur bei einem Temperaturwert vorgenommen werden.

Aus der DE-PS 3 230 405 ist es nun weiter bekannt, zur automatischen Temperaturkompensation an einer Pirani-Messschaltung im einen Brückenzweig, als Temperaturkompensationselement, einen temperaturempfindlichen Widerstand vorzusehen, diesen mit einem weiteren thermisch zu koppeln, welcher, einem Eingang eines Additionsverstärkers vorgeschaltet, letzterem ein von einer Referenzspannung abgeleitetes Signal temperaturabhängig zuführt.

Unter dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bezweckt sie, ausgehend von der bekannten Anordnung nach Wutz, deren Einfachheit beibehalten werden soll, eine temperaturkompensierte Pirani-Messschaltung vorzuschlagen, deren Kompensation gar genauer ist, betrachtet über den Messbereich, als die aus der genannten Patentschrift vorbekannte, wesentlich kompliziertere Kompensationsschaltung.

Zu diesem Zweck zeichnet sich die erfindungsgemässe Pirani-Messschaltung nach dem Wortlaut von Anspruch 16 aus, bevorzugte Ausführungsvarianten nach den Ansprüchen 17 und 18.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Fig. 1 in doppelt logarithmischer Darstellung, den Verlauf der einem Pirani-Vakuummeter zugeführten elektrischen Leistung Qel bei konstant gehaltener Temperatur in Abhängigkeit vom Druck p des Messgases;

Fig. 2 schematisch, in einer Darstellung gemäss analoger Programmiertechnik, den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemässen Wandlers, zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 3 und 4 je bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Wandlers;

Fig. 5 schematisch, einen erfindungsgemässen Messkopf mit Sensor und integriertem erfindungsge-mässem Wandler;

Fig. 6 komplette Messkopfschaltung mit erfindungsgemässer Pirani-Messschaltung.

Das Prinzip von Wärmeleitungs-Vakuummetern bzw. Pirani-Vakuummetern ist beispielsweise nach M. Wutz et al., «Theorie und Praxis der Vakuumtechnik», F. Vieweg & Sohn, 4. Aufl. (1988), S. 409 ff., bekannt.

Da die Wärmeleitung eines Gases Funktion des Gasdruckes ist, wird dabei die elektrische Heizleistung an einem Heizdraht einer Messzelle gemessen, welche in das zu messende Gas eingetaucht wird, wobei die Drahttemperatur konstant gehalten wird. Da die Leitungsbilanz dann ausgeglichen ist, entspricht die zugeführte elektrische Leistung Qel der über Wärmeleitung abgeführten Leistung. Es ergibt sich bekanntlich die folgende Abhängigkeit zwischen zugeführter elektrischer Leistung Qel und zu messendem Gasdruck p:

Es bedeuten darin weiter:

e die Empfindlichkeit der Messzelle,

g ein die Geometrie der Zellenanordnung berücksichtigender Faktor,

Po Störeffekte, welche einem Nulldruck p0 gleichzusetzen sind.

In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der zugeführten elektrischen Leistung Qel vom Gasdruck p dargestellt. Wird (1) nach dem Gasdruck p aufgelöst, so ergibt sich:

Es zeigen:

(1)Qel= £ (p +- —"

o 1 + g • p

(2) p =

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Wie durch asymptotische Betrachtung ohne weiteres ersichtlich, bezeichnen die Ausdrücke: e po die bei sehr tiefen Drücken (p « 10-4 mbar) umgesetzte elektrische Leistung,

e (po + 1/g) die bei hohen Drücken (p » 1 bar) umgesetzte elektrische Leistung. Die zugeführte elektrische Leistung Qel ergibt sich zu wo Ud die über dem Messdraht abfallende Spannung ist und Rd der elektrische Widerstand des Messdrahtes Im temperaturabgeglichenen Zustand;

oder zu

(3a) Qel =

wenn, beispielsweise nach Wutz, S. 413, U die Ausgangsspannung der Brücke ist.

Es ergibt sich aus (2) mit (3) bzw. (3a):

(4)p= /

bzw., unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen betreffs asymptotischen Verhaltens:

•/ //*- t/o*

<4a|PV i£-"*

Es bedeuten:

U: Ausgangsspannung der Pirani-Anordnung,

U0: deren asymptotischer Wert bei tiefen Drücken p,

U<x>: deren asymptotischer Wert bei hohen Drücken p.

Da Abhängigkeiten, wie sie spezifisch für die Abhängigkeit der Gaswärmeleitung und des Gasdruk-kes in Fig. 1 dargestellt sind, grundsätzlich in der Technik auch andernorts, beispielsweise an nicht linearen Netzwerken, auftreten können und sich das nachfolgend beschriebene Prinzip auch in solchen Fällen eignet, um aus einer gemessenen Grösse x, entsprechend U an der Vakuummeterzelle gemäss (4a), auf eine interessierende physikalische Grösse y, entsprechend dem Druck p beim Vakuummeter, zu schliessen, wird nachfolgend zu einer verallgemeinerten Schreibweise übergegangen, und es ergibt sich aus (4a) der Ausdruck:

* u3-

x -

(4b) y = ki

4- - v*

Dieser Ausdruck kann mit genügender Näherung ersetzt werden durch (5) y « a

/&-J

Wird (5) logarithmiert, so ergibt sich

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(6) In y = Ina + b [In (x-krg) -In (kz-x)] bzw.

(6a) In y = prop. [In (x-kN) -In (kz-x)] + const. bzw. mit der Spannung an einer Pirani-Vakuum-messzelie

(6b) Inp = Ina' + b' [In (U-U0) -In (U«,-U)] bzw.

(6c) Inp = prop. [In (U-U0) -In (lU-U)] + const.

Dabei sind die Konstanten a' und b' abhängig von der Messanordnung. Der Druck p bzw. die interessierende Grösse y erscheint in einer logarithmischen Abhängigkeit von der Messspannung U bzw. dem Messsignal x, was erlaubt, einen ausserordentlich weiten Bereich des Druckes bei vorgegebenem Ausgangssignalhub zu erfassen, analog zur Darstellung von Fig. 1.

In Fig. 2 ist die analoge Programmierung des Ausdruckes gemäss (6) bzw. (6b) dargestellt. In Fig. 2 sind sowohl die Pirani-Vakuummeter bezogenen Grössen wie auch die verallgemeinerten verwendet.

An zwei Differenzbildnern 1 und 3 werden die beiden Differenzen, die nachmals zu logarithmieren sind, gemäss den Ausdrücken (6, 6b) gebildet.

Die Differenzsignale bzw. davon abhängige Signale werden je einer Funktionsgeneratoreinheit 5 bzw. 7 zugeführt. Die den erwähnten Differenzen entsprechenden Eingangssignale an Eingängen Es bzw. E7 werden, gegebenenfalls entsprechend gewandelt, als Kollektorströme Ici bzw. Ic2, je einem Bipolartransistor Ti bzw. T2 zugeführt und als Ausgangsgrösse der Wandler 5 bzw. 7 an Ausgängen As bzw. A7, ein Signal ausgewertet, welches proportional zur jeweiligen Basis-Emitter-Spannung Ubei bzw. Ube2 ist. Bekanntlich gilt zwischen Kollektorstrom und Basis-Emitter-Spannung an einem Bipolartransistor die Abhängigkeit:

(7) Übe = ^ ~1 • (lnlc - lnls), wobei bedeutet

(7a) X =

/ermi e: Elementarladung, K: Boltzmann-Konstante, T: absolute Temperatur, und weiter bedeutet ls den Kollektorsperrstrom.

Die beiden Basis-Emitter-Spannungs-abhängigen Signale werden entsprechend den Ausdrücken (6, 6a) an einer Überlagerungseinheit 9 überlagert und schliesslich, wiederum entsprechend den erwähnten Ausdrücken, an einer Gewichtungseinheit 10 linear verstärkt. Mit dem an der Überlagerungseinheit 9 zusätzlich zugeführten Additivsignal wird einerseits, gemäss den Ausdrücken (5) und (6) die als optimal befundene Näherung beim Übergang von (4) auf (5) berücksichtigt, anderseits eine Sperrstromdifferenz. Mit dem an der Einheit 10 berücksichtigten multiplikativen Faktor wird einerseits der für die optimale Näherung geeignet gefundene Exponent b von (5) und anderseits x berücksichtigt.

Die beiden zur Wandlung vorgesehenen Transistoren Ti und T2 werden bevorzugterweise als aufeinander abgestimmtes Paar gewählt und thermisch eng gekoppelt, so dass sowohl Sperrströme wie auch Temperatur und damit x im wesentlichen gleich sind.

Eine erste bevorzugte Realisation der Funktionswandlereinheit gemäss Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Dem nicht invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers OP1 wird die Pirani-Messbrücken-spannung U bzw. das Messsignal x zugeführt, dem invertierenden Eingang, über den Widerstand R0, die sich asymptotisch für grosse Druckwerte gemäss Fig. 1 einstellende Pirani-Spannung Uo° bzw. kz. Der Operationsverstärker OP1 ist über einen ersten Bipolartransistor Ti gegengekoppelt, dessen Kollektor mit dem invertierenden Operationsverstärkereingang, dessen Emitter mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Seine Basis ist auf Masse bzw. Bezugspotential gelegt.

Einem zweiten Operationsverstärker OP2 wird, am invertierenden Eingang, die Spannung U0 zugeführt, entsprechend der asymptotisch vom Pirani-Meter bei sehr kleinen Drucken abgegebenen Spannung, während über einen weiteren Widerstand R0 die Pirani-Messspannung U bzw. die Messgrösse x dem nicht invertierenden Eingang von OP2 zugeführt wird.

Zwischen nicht-invertierendem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers OP2 liegt die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors T2, dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors Ti verbunden ist. Der Ausgang der Wandlerschaltung ist mit üout bezeichnet.

Die gezeigte Schaltung arbeitet wie folgt:

Die rechte Stufe mit OP1, Ti gibt, mit Vi sowie Isi für Transistor 1, in bekannter Art und Weise, wie beispielsweise aus Miklos Herpy, «Analoge integrierte Schaltungen», Franzis Verlag, München, S. 307, bekannt, eine Ausgangsspannung, mit Bezug auf Bezugspotential ab, welche sich ergibt zu

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(8) Uoi = *.r1 On(U—U) - (InRo + InlsO),

und die gleich der Basis-Emitter-Spannung Ubei ist.

Unter Berücksichtigung, dass für die Differenzspannung a an OP2 gilt:

(9) a = U-lcaRo-Uo,

weiter für die Ausgangsspannung der Schaltung, die gleich der Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers OP2 ist, gilt:

(10) Uout = G • a,

wobei G die open-loop-Verstärkung des Operationsverstärkers OP2 bezeichnet, und dass weiter die beiden Operationsverstärker/Transistorstufen über die Gleichung

(11) Ube2 = Uout + U0i verbunden sind, so ergibt sich aufgrund der hohen open-loop-Verstärkung G eine Ausgangsspannung

(12) Uout = X"1 {In (U-Uo) -In (U-r-U)},

sofern gilt:

(13) A.1 = X2 = X lsi = Is2-

Dabei können unterschiedliche Sperrströme ls der beiden Transistoren Ti und T2, wie gestrichelt in Fig. 3 an R0 der linken Stufe eingetragen, durch Abgleich der beiden Widerstände R0 kompensiert werden.

Vergleich des Ausdruckes (12) für die Ausgangsspannung der Wandlereinheit nach Fig. 3 mit Ausdruck (6a) bzw. (6c) zeigt, dass bis auf einen linearen Verstärkungsfaktor und eine additive Konstante die Ausgangsspannung Uout der besagten Wandlerschaltung logarithmisch von dem mit der Pirani-Messanordnung gemessenen Gasdruck p abhängig ist, der Logarithmus der Ausgangsspannung ist dem zu messenden Druck proportional.

In Fig. 4 ist eine weitere, heute bevorzugte Wandlerschaltung dargestellt. Wiederum ist in dieser Schaltung sowohl als Messsignal die Ausgangsspannung U der Pirani-Brücke dargestellt wie auch, verallgemeinert, das Messsignal x. Bei dieser Wandlerkonfiguration wird das Messsignal bzw. die Messspannung U über einen Widerstand R0 dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP zugeführt, dessen invertierendem Eingang der asymptotisch bei kleinen Drücken eingenommene Spannungswert U0 zugeführt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über die Basis-Kol-lektor-Strecke eines Bipolartransistors T3 auf den nicht invertierenden Eingang dieses Verstärkers rückgeführt, der Emitter des Transistors T3 ist mit demjenigen eines weiteren Transistors T4 verbunden.

Basis und Kollektor des Transistors T4 sind auf Bezugspotential, wie dargestellt auf Masse, gelegt. Eine abstimmbare Gleichstromquelle Q ist zwischen den verbundenen Emittern der Transistoren T3 und T4 und Bezugspotentiai geschaltet. Der Quellenstrom l0 ist auf den Wert abgeglichen. Für die Differenzspannung a am Operationsverstärkereingang gilt weiterhin Ausdruck (9), ebenso gilt für die Ausgangsspannung Uout und die beiden Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T3 und T4 weiterhin (11).

Es ergibt sich unter Berücksichtigung von (14) wiederum die Ausgangsspannung gemäss (12), mit (13).

Mit der heute bevorzugten Anordnung gemäss Fig. 4, eingesetzt zur Auswertung der Pirani-Vakuum-meter-Ausgangsspannung U, wurden in einem Druckbereich von 10-3 mbar bis 103 mbar, d.h. über sechs Dekaden, eine Genauigkeit des Wandlerausgangssignals, bezogen auf den Druckwert, im Vergleich mit dem jeweils eingestellten Gasdruck p von ca. ± 10% erreicht. In Anbetracht des extrem grossen Messbereiches ist diese Genauigkeit, mit den einfachen vorgeschlagenen Mitteln erreicht, verblüffend.

Das vorgeschlagene Vorgehen und insbesondere die bevorzugterweise eingesetzten Wandlerschaltungen gemäss den Fig. 3 und 4 bzw. auch andere sich dem Fachmann nun eröffnende Möglichkeiten,

(14) lo =

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das Vorgehen nach Fig. 2 zu realisieren, ergibt, aufgrund des geringen elektronischen Schaltungsaufwandes, die Möglichkeit, den Funktionswandler direkt in einen Messkopf bzw. Messwertaufnehmer zur Erfassung der Messgrösse x einzubauen bzw., im hier spezifisch angesprochenen Fall, direkt einen Sensor mit mindestens einer Pirani-Vakuummeterzelle bzw. einer Pirani-Vakuummeter-Messzellenbrük-ke, mit einem Wandler zu einem Vakuummeter-Messkopf zu integrieren.

Ein solcher Messkopf ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.

Ein Messkopfgehäuse 20 mit einem Messrohr 21 mündet an einem Vakuumflansch 22 aus. Im Messrohr 21 ist das Pirani-Element 24 angeordnet, gebildet durch ein Aussenrohr 26 und den Pirani-Mess-draht 27. Ausserhalb des thermisch leitenden, thermisch weitgehend isoliert, im Gehäuse 20 montierten Rohres 26 ist ein Temperaturkompensationselement 28 angeordnet, elektrisch Teil der Wheatstone-Brückenelemente, welche, abgesehen vom Pirani-Heizdraht, auf einer Elektronikplatine 30 montiert sind.

Schematisch dargestellt bei 32 ist der Kühlkörper für die verwendeten, anhand von Fig. 3 bzw. 4 beschriebenen Transistoren. Der Messkopf wird über einen Steckeranschluss 34 mit einem Anschluss 36 zum Anzeigegerät oder Messrechner verbunden. Auf der Elektronikplatine 30 ist nebst der erwähnten Messbrücke der erfindungsgemässe Wandler in bevorzugter Ausführungsform gemäss den Fig. 3 oder 4, bei der heutigen Ausführungsform gemäss Fig. 4, aufgebaut.

In Fig. 6 ist die Schaltung einerseits der erfindungsgemässen Pirani-Messschaltung gestrichelt umrandet und mit I bezeichnet dargestellt, weiter, ebenso umrandet und mit II bezeichnet, die Schaltung des Wandlers gemäss Fig. 4. Bezüglich des Wandlerblockes II sind dieselben Bezugszeichen verwendet, wie sie in Fig. 4 verwendet wurden.

Die Wheatstone-Messbrücke umfasst das Pirani-Element 38 im einen Brückenzweig, die Widerstände Ri, R3, R2, ein temperaturabhängiges weiteres Element, wie dargestellt in Form des PTC-Widerstands-elementes. Letzteres ist mit dem Pirani-Element 38 thermisch eng gekoppelt und entspricht dem Element 28 von Fig. 5.

Die Messspannung wird durch einen als Differenzverstärker betriebenen Operationsverstärker OPpi an der einen Messbrückendiagonale abgegriffen, das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OPpi ist als Brückenbetriebsspannung an die zweite Brückendiagonale gelegt. Mit C sind Stabilisierungskapazitäten bezeichnet.

Der Messbrückenzweig mit dem PTC-Element weist einen Zwischenabgriff auf. Zwischen letzterem und demjenigen Brückenpunkt, an welchem das Pirani-Element und der Widerstand Ri angeschlossen sind, ist eine Spannungsquelle mit Referenzspannung Urefi angeschlossen, mit den Anschlusspunkten je über Widerstände R verbunden. Bei Zimmertemperatur sind die Widerstände des Pirani-Messdrahtes einerseits und von Ri im wesentlichen gleich, ebenso die Widerstandswerte von R3 und die Summe von PTC und R2.

Wie ersichtlich, wird damit eine höchst einfache Brückenschaltung realisiert, mit einem einzigen temperaturabhängigen Kompensationsschaltelement und der Abgleichmöglichkeit an Urefi. Selbstverständlich kann anstelle eines PTC-Elementes, im Brückenzweig mit R3, ein NTC-Element vorgesehen werden.

Die Wandlerstufe II entspricht der bereits anhand von Fig. 4 erläuterten, abgesehen vom wesentlichen zusätzlichen Merkmal, dass zwischen den beiden Basen von T3 und T4 ein weiterer PTC geschaltet und auf eine weitere Referenzspannung Uref2 gelegt ist, welches PTC-Element thermisch eng mit den Transistoren T3, T4 gekoppelt ist. Unterschiede der Transistoren T3, T» bezüglich Sperrströme und x werden damit kompensiert.

Claims (18)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Wandlung eines gemessenen Signals (x, U), welches mindestens in erster Näherung wie folgt mit einer interessierenden Grösse (y, p) zusammenhängt:

a) y = ki V ~

4* -x*

wobei bezeichnen:

y: interessierende Grösse,

x: gemessenes Signal,

k: Konstante,

in ein von der interessierenden Grösse (y) abhängiges Signal, dadurch gekennzeichnet, dass genähert gesetzt wird:

b) In y = prop. ([In (x-kN) -In (kz-x)]),

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wobei prop. «proportional» bedeutet, und diese Funktion, durch Einsatz mindestens zweier Bipolartransistoren und Ausnützung der Abhängigkeit ihrer Basisemitterspannungen von ihren Kollektorströmen zum Erhalt eines Ausgangssignals nach c) y = In y,

worin y' das Ausgangssignal ist, genähert realisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Transistoren thermisch eng gekoppelt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Sperrströme der Transistoren abgeglichen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl einer multiplikativen Konstanten und einer weiteren, additiven Konstanten, unter Berücksichtigung der Abhängigkeit zwischen der interessierenden Grösse y und der gemessenen x an einem Messwertaufnehmer, die Näherung von b) an a) optimiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Signal die Ausgangsspannung einer Pirani-Vakuummeteranordnung ist und:

kN die asymptotisch, bei Druckverkleinerung eines Messgases, von der Anordnung abgegebene Spannung ist und kz die asymptotisch für hohe Druckwerte abgegebene Spannung.

6. Wandler zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wandler-Bipolartransistoren vorgesehen sind, dass ihren Kollektoren je ein Strom proportional zu

(x-kw) sowie

(kz-x)

zugeführt wird und die resultierenden Basisemitterspannungen der Transistoren zur Bildung eines Ausgangssignals

In y = prop. {In (x-kN)-in (kz-x)}

voneinander subtrahiert werden.

7. Wandler, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in Analogtechnik aufgebaut ist.

8. Wandler, nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Transistor (Ti) mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in den Rückkoppelungspfad eines Operationsverstärkers (OPi) geschaltet ist.

9. Wandler, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (T2) mit seiner Kollektor-Basis-Strecke zwischen Ausgang und nicht invertierendem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (OP2) geschaltet ist und dass die beiden Emitter der Transistoren (Ti, T2) verbunden sind und der Wandlerausgang (Uout) mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OP2) verbunden ist.

10. Wandler, nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Transistor (T3) mit seiner Kollektor-Basis-Strecke an einem Operationsverstärker (OP) einen Rückführungspfad vom Ausgang an den nicht invertierenden Eingang bildet.

11. Wandler, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (T4) mit Kollektor und Basis auf Bezugspotential gelegt ist, die Emitter der beiden Transistoren (T3, T») verbunden sind und der Verbindungspunkt mit einer vorzugsweise abgleichbaren Stromquelle (Q) auf Bezugspotential gelegt ist.

12. Wandler, nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Transistoren (T3, T4) ein weiteres temperaturabhängiges Schaltelement vorgesehen ist, das mit mindestens einem der Transistoren thermisch gekoppelt ist, vorzugsweise ein PTC- oder NTC-Widerstandselement.

13. Messanordnung mit einem Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennnzeich-net, dass er mit einem Sensor für eine aufzunehmende interessierende Grösse, der ein Messsignal x abgibt, verbunden ist.

14. Anordnung, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler und der Sensor in einem Messwertaufnehmer integriert sind.

15. Anordnung, nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens ein Pirani-Vakuummeter umfasst.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Pirani-

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Messschaltung mit einer Brückenschaltung mit dem Pirani-Element (38), umfasst, und dass ein Brük-kenzweig (PTC, R2) einen Zwischenabgriff aufweist und dass über Widerstandselemente (R) eine Spannung (Urefi) zwischen einem mit dem Pirani-Element verbundenen Brückenpunkt und dem Zwischenabgriff geschaltet ist und weiter in der Brücke ein Temperaturkompensationselement (PTC) vorgesehen ist.

17. Anordnung, nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturkompensation mittels nur eines temperaturabhängigen Elementes, vorzugsweise eines PTC- oder NTC-Widerstandsele-mentes, in der Brücke erfolgt, welches mit dem Pirani-Element (38) thermisch gekoppelt ist.

18. Anordnung, nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass über der einen Diagonale der Messbrücke ein Differenzverstärker geschaltet ist, dessen Ausgangsspannung an der zweiten Diagonale der Messbrücke liegt.

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