DE19860500A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Druckmessung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Druckmessung

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Druckmessung umfaßt einen ersten Drucksensor zum Erfassen eines Drucks in einem ersten Druckbereich, einen zweiten Drucksensor zum Erfassen eines Drucks in einem zweiten Druckbereich, wobei sich der erste und der zweite Druckbereich überlappen, und eine Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren des zweiten Drucksensors mittels des ersten Drucksensors durch Korrigieren der Ausgabe des zweiten Drucksensors, basierend auf den Ausgaben des ersten und des zweiten Drucksensors innerhalb des Überlappungsbereichs des ersten und des zweiten Druckbereichs, derart, daß die kalibrierte Ausgabe des zweiten Drucksensors in dem Überlappungsbereich im wesentlichen gleich der Ausgabe des ersten Drucksensors ist. Damit wird auf einfache und gleichzeitig genaue Art und Weise eine Kalibrierung des zweiten Drucksensors erreicht, was besonders vorteilhaft ist, wenn Druckmessungen im Vakuumbereich durchgeführt werden müssen, bei denen der erste Drucksensor ein Absolutdrucksensor ist, und der zweite Drucksensor z. B. ein Wärmeleitungs-Drucksensor oder ein Ionisations-Drucksensor etc. ist, der von der Gasart abhängig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Messen von Druck in einem großen Bereich unter Verwendung mehrerer Drucksensoren, die jeweils unterschiedliche aber überlap­ pende Meßbereiche haben, und insbesondere auf eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zum Messen von Druck im Vakuumbe­ reich.
Zur Messung von großen Druckunterschieden und insbesondere von Druckunterschieden im Vakuumbereich stehen unterschied­ liche Meßprinzipien zur Verfügung. Für nicht zu geringe Drücke können Membranen verwendet werden, deren Durchbiegun­ gen z. B. resistiv, kapazitiv oder induktiv erfaßt werden. Solche Drucksensoren werden auch als Absolutdruck-Sensoren gefertigt. Weiterhin existieren Wärmeleitungs-Meßröhren, die unter dem Stichwort Pirani bekannt sind. Wärmeleitungs-Meß­ röhren eignen sich im Gegensatz zu Absolutdruck-Sensoren, die einen Meßbereich von vielleicht 1000 bis 0,1 mbar haben, für den Feinvakuumbereich von z. B. 100 mbar bis 0,001 mbar. Im Gegensatz zu Absolutdruck-Sensoren hängt das Ausgangssignal der Wärmeleitungs-Meßröhren von der Art des Gases ab, dem beispielsweise ein Heizdraht ausgesetzt ist. Die Menge der von dem Heizdraht abgegebenen Wärmeenergie hängt dabei von der Dichte des denselben umgebenden Gases ab. Ist relativ viel Gas um den Heizdraht vorhanden, d. h. existiert ein relativ geringes Vakuum, so wird der Heizdraht mehr Wärmeenergie abgeben. Existiert dagegen um den Heiz­ draht herum ein Hochvakuum, so kann derselbe nicht besonders viel Wärmeenergie abgeben. Somit kann mittels einer Wärme­ leitungs-Meßröhre der Druck gemessen werden.
Wie es bereits erwähnt wurde, ist jedoch auch der Druckbe­ reich, der durch eine Wärmeleitungs-Meßröhre relativ genau erfaßt werden kann, zu niedrigeren Vakuumdrücken hin be­ grenzt. Um noch kleinere Drücke messen zu können, können Kaltkathoden-Meßröhren, die unter dem Stichwort "Penning" bzw. "Magnetron" bekannt sind, oder auch Heißkathoden- Meßsysteme, die unter dem Stichwort "Triode" oder "Bayart- Alpert" bekannt sind, eingesetzt werden. Da die unterschied­ lichen Meßprinzipien in der Technik bekannt sind, muß hier­ auf nicht näher eingegangen werden.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, sind die Druckbereiche der genannten Drucksensoren für den Grobvakuumbereich, den Feinvakuumbereich und den Hochvakuumbereich unterschiedlich, jedoch überlappend bzw. überschneidend.
Um bei Vakuumprozessen eine durchgehende Druckerfassung zu gewährleisten, werden Meßröhren unterschiedlicher Prinzipien kombiniert. Diese unterscheiden sich jedoch oft erheblich in ihren Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf die Gasartab­ hängigkeit, die Temperatur- und Langzeitdrift und die Stand­ zeit.
Die Vereinigung unterschiedlicher Meßprinzipien in einem Meßgerät wird durch diese Unterschiede erheblich erschwert. Würde beispielsweise ein Absolutdrucksensor für den Grobva­ kuumbereich und ein Pirani-Sensor für den Feinvakuumbereich kombiniert werden, so wird in einer Kennlinie am Übergang von dem Grobvakuumbereich, d. h. von dem Absolutdrucksensor, zu dem Feinvakuumbereich, d. h. dem Pirani-Drucksensor, eine Diskontinuität vorhanden sein, da der Pirani-Drucksensor gasartabhängig ist. So stellt sich die Aufgabe, diese Dis­ kontinuität zu vermeiden.
Das U.S.-Patent Nr. 5,583,297 beschreibt einen Kombi-Sensor, der als Kombi-Sensor VSKP45 M zusammen mit einem Meß- und Regelgerät VD 75 von der Firma Thyracont-Elektronic GmbH, Passau, verkauft wird. Dieses System wurde bereits 1990 entwickelt und angeboten. Eine öffentliche Vorstellung erfolgte am 17./18. Februar 1993 in Regensburg beim 3. Symposium Mikrosystemtechnik. In diesem Kombi-Sensor ist ein piezoresistiver Absolutdruck-Sensor mit einem miniaturi­ sierten Pirani-Sensor kombiniert. Zur Überwindung der Dis­ kontinuität werden die Signale beider Sensoren in einer nachgeschalteten Elektronik gegeneinander gewichtet. In dem Überschneidungsbereich wird daher ein fließender Übergang gewährleistet, derart, daß ein Benutzer, der eine Kennkurve des Meßsystems von niedrigen Vakuumdrücken bis zu hohen Vakuumdrücken aufnimmt, diese Diskontinuität nicht sehen wird. Bei einem bestimmten Schwellenwert beginnt die Gewich­ tung, derart, daß bei diesem Schwellenwert der ausgegebene Wert zu 100% der Ausgabe des piezoresistiven Absolutdruck- Sensors und zu 0% der Ausgabe des Pirani-Sensors entspricht. Bei einem zweiten Schwellenwert endet die Gewichtung, der­ art, daß dort die Ausgabe zu 0% dem piezoresistiven Absolut­ druck-Sensor entspricht, jedoch zu 100 der Ausgabe des Pi­ rani-Sensors. In dem Bereich zwischen den beiden Schwellen­ werten existiert ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ab­ stand zu Beginn der Gewichtung und dem prozentualen Anteil der beiden Sensoren am Meßergebnis. Damit wird ein weicher Übergang geschaffen, derart, daß die Diskontinuität nicht mehr sichtbar ist.
Obwohl diese Technik zufriedenstellend funktioniert, ist sie darin nachteilhaft, daß im Überschneidungsbereich und im folgenden Pirani-Bereich das Meßergebnis von der Gasart ab­ hängt, wie es später ausgeführt wird. Insbesondere hat keine Kalibrierung des Pirani-Sensors stattgefunden. Weiterhin wird bereits in einem Bereich, in dem der Absolutdruck-Sen­ sor unter Umständen noch wahre Druckwerte liefert, der Aus­ gabewert bereits wenn auch nur bis zu einem gewissen prozen­ tualen Anteil von dem Pirani-Sensor beeinflußt, derart, daß bereits in dem Überschneidungsbereich eine gewisse Gasartab­ hängigkeit künstlich eingeführt wird.
Das U.S. Patent 4,995,264 betrifft einen Kombi-Sensor, der die Masse des Gases und somit die Gasart berücksichtigt. Nachteil an diesem System ist jedoch die Tatsache, daß für den gleichen Meßbereich zwei unterschiedliche Sensoren ge­ braucht werden, wodurch das System aufwendig und teuer wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Druckmessung zu schaffen, die ohne übermäßigen Aufwand eine genaue Druckmessung über einem Druckmeßbereich erlauben, der derart groß ist, daß zu­ mindest zwei unterschiedliche Drucksensoren eingesetzt wer­ den müssen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Druckmessung nach Patentanspruch 1 oder durch ein Verfahren zur Druckmes­ sung nach Patentanspruch 14 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf ökonomische Art und Weise der zweite Drucksensor durch den ersten Drucksensor kalibriert werden kann. Eine derartige Kalibrierung ist deshalb möglich, da ein Über­ schneidungs- bzw. Überlappungsbereich zwischen dem Druckbe­ reich, in dem der erste Drucksensor arbeiten kann, und dem Druckbereich, in dem der zweite Drucksensor arbeiten kann, vorhanden ist. Liegt der Überschneidungsbereich derart, daß im Überschneidungsbereich beide Drucksensoren nicht zu stark an der Grenze ihres Druckbereichs arbeiten, so kann davon ausgegangen werden, daß der erste Drucksensor, der zu Anfang der Druckmessung auf irgendeine bekannte Art und Weise kali­ briert ist, auch im Überschneidungsbereich mit dem zweiten Drucksensor einen korrekten Ausgabewert liefert. Somit kann auch der zweite Drucksensor, der mit sehr hoher Wahrschein­ lichkeit einen anderen Ausgabewert liefert, da er nicht ka­ libriert ist, anhand des Ausgabewerts des ersten Drucksen­ sors im Überlappungsbereich so kalibriert werden, daß er denselben Ausgabewert im Überlappungsbereich wie der erste Drucksensor liefert.
Damit kann der zweite Drucksensor durch eine Kalibrierein­ richtung auf einfache Art und Weise mittels des ersten Drucksensors kalibriert werden, indem die Ausgabe des zwei­ ten Drucksensors basierend auf den Ausgaben des ersten und des zweiten Drucksensors innerhalb des Überlappungsbereichs des ersten und des zweiten Drucksensors korrigiert wird, derart, daß die kalibrierte Ausgabe des zweiten Drucksensors in dem Überlappungsbereich im wesentlichen gleich der Aus­ gabe des ersten Drucksensors in dem Überlappungsbereich ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen detailliert beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zur Druckmessung;
Fig. 2 ein allgemeines doppelt logarithmisches Diagramm, in dem der Zusammenhang zwischen dem angezeigten Druck und dem wahren Druck eines Sensors darge­ stellt ist, der von dem Typ des Gases abhängig ist, dessen Druck gemessen werden soll;
Fig. 3 ein doppelt logarithmisches Diagramm, das den Zu­ sammenhang zwischen dem angezeigten Druck und dem wahren Druck darstellt, wobei jedoch eine Kalibrie­ rung des zweiten Drucksensors anhand des ersten Drucksensors in einem Bereich dargestellt ist, in dem die Kennlinien für den gasartabhängigen Sensor nicht parallel verlaufen; und
Fig. 4 ein Diagramm im doppelt logarithmischen Maßstab, das den Zusammenhang zwischen dem angezeigten Druck und dem wahren Druck darstellt, um zu verdeutli­ chen, wie ein dritter Drucksensor auf einen zweiten Drucksensor, der gemäß den Fig. 2 und 3 kalibriert worden ist, kalibriert werden kann.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für eine Vorrichtung zur Druckmessung, die einen ersten Drucksensor 10, einen zweiten Drucksensor 20 sowie einen dritten Drucksensor 30 aufweist. Der erste Drucksensor hat bei einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem der Vakuumbe­ reich gemessen werden soll, einen schematisch auf einem Bildschirm 40 dargestellten ersten Druckbereich I, während der zweite Drucksensor einen auf dem Bildschirm 40 schema­ tisch dargestellten Druckbereich II aufweist, und der dritte Drucksensor 30 einen auf dem Bildschirm 40 schematisch dar­ gestellten dritten Druckbereich III aufweist, in dem er ver­ nünftige Ergebnisse liefern kann. Die drei Drucksensoren 10, 20, 30 sind über eine Kalibriereinrichtung 50 mit dem Bild­ schirm 40 verbunden. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß statt des Bildschirms auch ein Drucker oder ein anderes Ausgabegerät eingesetzt werden kann, um eine Anzeige zu liefern. Alternativ könnte jedoch statt des Bildschirms 40 auch eine Tabelle, eine Digitalanzeige oder ähnliches ausge­ geben werden, um eine Kennlinie der in Fig. 1 dargestellten Druckmeßvorrichtung auszugeben.
Die Kalibriereinrichtung, auf deren Funktionalität nachfol­ gend eingegangen wird, kann durch einen Personalcomputer, einen Mikrocontroller und dergleichen implementiert sein. Der erste Drucksensor 10, der den höchsten Meßbereich I auf­ weist, der beispielsweise den Grobvakuumbereich von 1000 bis 0,1 mbar umfassen kann, wird bevorzugterweise auf irgendeine bekannte Art und Weise kalibriert. Derselbe wird üblicher­ weise ein Absolutdruck-Sensor sein, der als Membransensor ausgeführt sein kann. Erfindungsgemäß wird der zweite Druck­ sensor 20, der bei einem bevorzugten Beispiel der vorlie­ genden Erfindung ein Wärmeleitungs-Sensor, d. h. ein Pira­ ni-Sensor oder ein Ionisations-Drucksensor etc., ist, durch die Kalibriereinrichtung 50 anhand des ersten Drucksensors 10 kalibriert. Der zweite Drucksensor ist bevorzugterweise für den Feinvakuumbereich geeignet, der sich beispielsweise über einen Meßbereich von 100 bis 0,001 mbar erstrecken dürfte. Der dritte Drucksensor 30 schließlich ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Hochvakuum-Sensor ausgeführt und ist beispielsweise ein Ionisations-Manometer, ein Bayart-Alpert-Sensor, ein Pen­ ning-Sensor und dergleichen. Der Hochvakuumbereich III könn­ te sich von 0,01 bis vielleicht 10-9 mbar erstrecken. Es sei darauf hingewiesen, daß die angegebenen Bereichsgrenzen für den Grobvakuum-, den Feinvakuum- oder den Hochvakuum-Bereich lediglich ungefähre Grenzen sind. Es ist jedoch daraus deut­ lich, daß alle drei Meßbereiche I, II, III einen bestimmten Überlappungsbereich aufweisen, wie es in Fig. 1 auf dem Bildschirm des Monitors 40 schematisch angedeutet ist.
Im nachfolgenden wird ein erstes bevorzugtes Verfahren zum Kalibrieren des zweiten Drucksensors mittels des ersten Drucksensors beschrieben. Fig. 2 zeigt schematisch ein dop­ pelt logarithmisches Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einem angezeigten Druck pa, der entlang der Abszisse ange­ tragen ist, und einem wahren Druck pw darstellt, der entlang der Ordinate angetragen ist. Zur Verdeutlichung ist der Druckbereich des ersten Drucksensors 10 (Fig. 1) eingetra­ gen, der wie in Fig. 1 mit I bezeichnet ist. Analog dazu stellt der Bereich II den Druckbereich des zweiten Druck­ sensors dar. Zwischen beiden Druckbereichen existiert ein Überlappungsbereich 100, in dem sowohl der erste Drucksensor als auch der zweite Drucksensor vernünftige Ergebnisse lie­ fern. Die gestrichelte Linie 110 in Fig. 2 stellt den er­ wünschten Zusammenhang dar, bei dem der wahre Druck pw der angezeigte Druck pa ist. Wenn der erste Drucksensor richtig kalibriert ist, wird er bis zum Ende des ersten Druckbe­ reichs I Ausgabewerte liefern, die auf der Linie 110 liegen. Bei einem wahren Druck pw, der mit dem Buchstaben A bezeich­ net ist, wird der erste Drucksensor einen Wert A anzeigen, da er ein Absolutdrucksensor ist, der richtig kalibriert ist. Bei dem wahren Druck pw wird jedoch der zweite Druck­ sensor statt dem wahren Wert A einen Wert B anzeigen, wenn der erste Gastyp vorhanden ist. Derselbe könnte jedoch auch einen anderen Wert anzeigen, wenn ein anderer Gastyp vorhan­ den ist. Dies ist der Fall, da der zweite Drucksensor bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung gasartabhängig ist. Aus Fig. 2 ist zu sehen, daß in dem Übergangsbereich 100 abgesehen von der Kurve für das zweite Gas im obersten Bereich alle Kurven zu kleineren Drücken hin annähernd parallel verlaufen. Um nun den zweiten Drucksensor zu kalibrieren, ist es ausreichend, das Verhältnis des angezeigten Drucks A des ersten Drucksensors, der richtig kalibriert ist, und des angezeigten Drucks B des zweiten Drucksensors, der gasartabhängig ist, zu ermitteln (C = A/B), und im gesamten zweiten Druckbereich II des zweiten Drucksensors die Ausgabe desselben durch die Kalibriereinrichtung 50 (Fig. 1) mit dem Korrekturfaktor zu korrigieren (korrigierte Ausgabe des 2. Drucksensors = tatsächliche Ausgabe des 2. Drucksensors.C). Damit wird anschaulich gesprochen die Kennlinie für das erste Gas des zweiten Drucksensors auf die Linie 110, die pw = pa bedeutet, verschoben, derart, daß der zweite Drucksensor auf den ersten Drucksensor kalibriert ist. Solange die Kurven annähernd parallel verlaufen, ist damit der zweite Drucksensor automatisch und auf einfache Art und Weise unter Berücksichtigung des Ausgabewerts des ersten Drucksensors bei einem Druck und unter Berücksichtigung des Ausgabewerts des zweiten Sensors bei dem gleichen oder einem anderen Druck kalibriert. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß bei einem einzigen Druck A die Ausgabewerte des ersten und des zweiten Sensors genommen werden. Lediglich Voraussetzung ist, daß der erste und der zweite Drucksensor in dem Überlappungsbereich 100 ausgelesen werden. Wenn nämlich ein derartiger Zusammenhang zwischen angezeigtem und wahrem Druck, d. h. annähernd parallele Kennlinien, vorhanden ist, kann von jedem Druckwert unter Kenntnis der Steigung der Kennlinie auf jeden anderen Druckwert umgerechnet werden.
Für das in Fig. 2 gezeigte Korrekturverfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung steht bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ein gasartunabhängiger Absolutdruck-Sensor für den Grobvakuumbereich (Bereich I) zur Verfügung, der einen Meßbereich von beispielsweise 1000 bis 0,1 mbar hat. Für den Feinvakuumbereich findet ein gasartabhängiges Meßprinzip Verwendung, z. B. ein Wärmeleitfähigkeits-Meßprinzip in Form eines Pirani-Sensors. Beide Sensoren haben im Überlappungsbereich 100 einen aus­ reichenden Signalhub des elektrischen Ausgangssignals und beide Sensoren werden mit ausreichend hoher Abtastrate durch die Kalibriereinrichtung 50 ausgewertet und entsprechend ei­ ner gemeinsamen Druck-Skala normiert.
Das anhand von Fig. 2 dargestellte Verfahren liefert somit eine automatische Kalibrierung und damit eine automatische Kennlinienzuordnung bzw. Kennlinienkorrektur, ohne daß die Kenntnis des Meßgases vorausgesetzt wird. Das Meßgas kann zudem eine Mischung aus unterschiedlichen Gasen sein. Damit wird ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Tech­ nik erreicht, bei dem bei einem Benutzer die Kenntnis der Gasart vorausgesetzt wurde, woraufhin nach einer manuellen Eingabe der Gasart durch den Benutzer ein Korrekturwert an­ hand einer eingespeicherten Tabelle ermittelt wurde. Diese manuelle Eingabe ist nun nicht mehr erforderlich. Weiterhin liefert das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur eine Kali­ brierung von Abweichungen aufgrund der Gasart sondern auf­ grund jeglicher Temperaturdriften usw.. Es sei darauf hin­ gewiesen, daß die Kalibrierung des zweiten Drucksensors um so genauer ist, je paralleler die Linien für die verschie­ denen Gase bzw. auch für andere Abweichungen, die herauska­ libriert werden müssen, verlaufen.
Ab einem bestimmten angezeigten Druck A, der gleich dem wah­ ren Druck ist, der auch als Übernahmeschwelle bezeichnet wird, wird dann auf dem Anzeigemonitor 40 nicht mehr die Ausgabe des ersten Drucksensors sondern die mit dem Korrek­ turfaktor beaufschlagte Ausgabe des zweiten Drucksensors zur Anzeige gebracht, derart, daß ein kontinuierlicher und weit­ gehend fehlerfreier Übergang zwischen dem ersten Druckbe­ reich I und dem zweiten Druckbereich II erreicht ist.
Anhand von Fig. 3 ist ein zweites bevorzugtes Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem der Überlappungsbereich zwischen dem ersten Druckbereich I und dem zweiten Druckbereich II, der in Fig. 3 mit dem Bezugs­ zeichen 200 angedeutet ist, in dem Bereich liegt, in dem die Kennlinien für die einzelnen Gase nicht mehr parallel ver­ laufen, da der bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Pirani-Drucksensor bereits an der Grenze seines Meßbereichs arbeiten muß. Dieser Fall kann auftreten, wenn der erste Drucksensor eine untere Grenze hat, die höher als bei dem anhand von Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt. In diesem Fall besteht eine Voraussetzung darin, daß sämtliche Kalibrierkurven für das erste, das zweite, das dritte, das vierte und das fünfte Gas etc. als Tabelle in der Kalibriereinrichtung 50 abgespeichert sind. Wieder ist die Übernahmeschwelle eingezeichnet, wobei dort der ange­ zeigte Druck A dem wahren Druck A entspricht, den ein erster Drucksensor liefern wird, der entlang der Kalibrierkurve 110 mißt, für die gilt, daß der wahre Druck gleich dem angezeig­ ten Druck ist. Liefert nun der zweite Drucksensor bei dem wahren Druck A einen angezeigten Druck B, so kann mittels der Werte A und B auf die Tabelle in der Kalibriereinrich­ tung zugegriffen werden, um die dieser Wertekombination entsprechende Kennlinie zu ermitteln. Bei dem in Fig. 3 dar­ gestellten Beispiel wäre dies die Kennlinie für das dritte Gas. Damit hat die erfindungsgemäße Vorrichtung automatisch ermittelt, daß das Gas des zweiten Drucksensors das dritte Gas ist. So kann die Kalibriereinrichtung 50 auf einfache Art und Weise den Unterschied zwischen der Kennlinie für das dritte Gas und der Absolut-Kennlinie 110 ermitteln, um für jeden wahren Druckwert den angezeigten Druckwert entspre­ chend zu korrigieren. In dem Bereich, in dem die Kennlinien parallel verlaufen, entspricht dies im wesentlichen dem Ver­ fahren nach Fig. 2. Diese Erweiterung des Verfahrens von Fig. 2 ist jedoch besonders dann vorteilhaft, wenn die Kenn­ linienkurven im doppelt logarithmischen Diagramm nicht mehr parallel verlaufen sondern gekrümmt sind. Damit wird eine wahre Kalibrierung des zweiten Drucksensors anhand der in der Kalibriereinrichtung 50 gespeicherten Tabelle verschie­ dener Gaskennlinien erreicht, wobei der Ausgabewert des er­ sten Drucksensors und der Ausgabewert des zweiten Drucksen­ sors verwendet werden, um auf die Tabelle zuzugreifen.
Besteht die Aufgabe darin, mit Gasgemischen als Meßgas zu rechnen, so kann das in Fig. 3 dargestellte Verfahren ent­ sprechend erweitert werden. Hierzu ist es erforderlich, an mehreren Schwellenwerten A, A' die Ausgabe des zweiten Drucksensors zu bestimmen. Würde derselbe bei den Schwellen­ werten A, A' beispielsweise die beiden in Fig. 3 angedeute­ ten Werte 220 liefern, so kann anhand der Tabelle gefolgert werden, daß das Gasgemisch eine Mischung des dritten und vierten Gases ist. Durch Interpolation zwischen der Kenn­ linie für das dritte Gas und das vierte Gas kann somit eine neue Kalibrierkurve für das Gasgemisch erzeugt werden, der­ art, daß auch bei nicht abgespeicherten Gaskennlinien der zweite Drucksensor auf den ersten Drucksensor kalibriert werden kann. Ist die Situation nicht so eindeutig, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, so können noch mehr Schwellwerte verwendet werden, um die Änderung des angezeigten Drucks von einem Schwellwert zum nächsten, die auch als "Steigung" be­ zeichnet wird, zu berücksichtigen. Insbesondere ist die Steilheit als das Verhältnis der Differenz der Anzeigewerte (220) zu der Differenz der Schwellwerte (A minus A') defi­ niert. In einer Tabelle können dann nicht nur die Kennlinien für die verschiedenen Gase sondern auch die Steilheiten der Kennlinien für die verschiedenen Gase gespeichert werden. Mittels der durch die Kalibrierung ermittelten Steigungen einer zu bestimmenden Kennlinie können dann die dieser zu bestimmenden Kennlinie benachbarten abgespeicherten Kennli­ nien ermittelt werden, um anhand derselben die zu bestim­ menden Kennlinie durch Interpolation zu bestimmen.
Für häufig auftretende Gasgemische und Kombinationen von Gasen, die ein untypisches Verhalten zeigen, beispielsweise das fünfte Gas in der Zeichnung, bietet sich die Aufnahme und Abspeicherung eigener Kalibrierkurven an, um die Wieder­ findungsrate und somit die Meßgenauigkeit weiter zu verbes­ sern. Ist eine Interpolation notwendig, da die gemessene Wertereihe nicht in der abgelegten Tabelle gefunden wird, erfolgt, wie es bereits ausgeführt wurde, die Selektion von zwei der gemessenen Wertereihe benachbarten Kalibrierkurven.
Wenn mehrere benachbarte Kurven hierfür in Frage kommen, können als zusätzliche Näherungs-Kriterien die Steilheit- Werte herangezogen werden.
Im nachfolgenden wird auf Fig. 4 eingegangen, um das Kali­ brierverfahren für einen dritten Drucksensor darzustellen. Bevorzugterweise ist der dritte Drucksensor ein Hochvakuum­ sensor der bereits erwähnten Form. Fig. 4 zeigt gestrichelt eine Kurve 410 eines Pirani-Sensors, der anhand eines der Verfahren, die bezüglich Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben wur­ de, korrigiert worden ist, derart, daß sich als korrigierte Kurve des Pirani-Sensors die Kurve 420 ergab. Fig. 4 zeigt ferner verschiedene Kennlinien 430, 440, 450 für Hochvakuum­ sensoren, wobei die Aufgabe nun besteht, den Hochvakuum­ sensor, d. h. den dritten Drucksensor, der den Druckbereich III messen kann, auf den zweiten Drucksensor, der für den Druckbereich II anhand des ersten Drucksensors kalibriert worden ist, ebenfalls zu kalibrieren. Dazu wird, wie es in Fig. 2 beschrieben wurde, in einem Überlappungsbereich 300 zwischen dem zweiten Druckbereich II und dem dritten Druck­ bereich III eine wie in Fig. 2 oder Fig. 3 beschriebene Kor­ rektur durchgeführt. Dazu wird ein Schwellwert in dem Über­ lappungsbereich 300 gesetzt, um bei einer Druckabsenkung, die diese Schwelle erreicht, durch die Kalibriereinrichtung 50 (Fig. 1) gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig den Wert des Hochvakuumsensors neben dem Ausgabewert des Fein­ vakuumsensors zu erfassen. Weicht der Wert des Hochvakuum­ sensors von dem Wert des Feinvakuumsensors ab, so wird, wie es anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist, ein Kor­ rekturwert bzw. eine Korrekturkennlinie ermittelt, um den Anzeigewert des Hochvakuumsensors mit dem ermittelten Kor­ rekturwert zu beaufschlagen, d. h. zu multiplizieren bzw. zu dividieren. Damit erreicht die Kalibriereinrichtung 50 auch eine Kalibrierung des dritten Drucksensors basierend auf dem zweiten Drucksensor, der wiederum basierend auf dem ersten Drucksensor kalibriert worden ist. Damit ergibt sich eine kontinuierliche Kennlinie des Kombi-Sensors über einen großen Druckbereich.
In Abweichung von dem dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann, falls Sensoren zur Verfügung stehen, die von dem Druckbereich I bzw. von dem Druckbereich III so weit in den Druckbereich II reichen, daß sie einen gemeinsamen Überschneidungsbereich haben, auf die gleiche Art und Weise eine direkte Kalibrierung des dritten Druck­ sensors durch den ersten Drucksensor durchgeführt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Druckmessung, mit folgenden Merkmalen:
einem ersten Drucksensor (10) zum Erfassen eines Drucks in einem ersten Druckbereich (I);
einem zweiten Drucksensor (20) zum Erfassen eines Drucks in einem zweiten Druckbereich (II), wobei sich der erste Druckbereich (I) und der zweite Druckbereich (II) überlappen; und
einer Kalibriereinrichtung (50) zum Kalibrieren des zweiten Drucksensors (20) mittels des ersten Drucksen­ sors (10) durch Korrigieren der Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) basierend auf den Ausgaben des ersten und des zweiten Drucksensors (10, 20) innerhalb des Überlappungsbereichs (100; 200; 300) des ersten und des zweiten Druckbereichs (I, II), derart, daß die kali­ brierte Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) in dem Überlappungsbereich (100; 200; 300) im wesentlichen gleich der Ausgabe des ersten Drucksensors ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die für den Vakuumbereich geeignet ist, wobei der zweite Druckbereich (II) klei­ nere Drücke als der erste Druckbereich (I) umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Drucksensor (10) gasartunabhängig ist, und bei der der zweite Drucksensor (20) gasartabhängig ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der der erste Drucksensor (10) ein für den Grobvakuumbereich geeigne­ ter Drucksensor ist, und bei der der zweite Drucksensor (20) ein Drucksensor für den Feinvakuumbereich ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste Drucksensor ein Drucksensor für den Feinva­ kuumbereich ist, und bei der zweite Drucksensor ein Drucksensor für den Hochvakuumbereich ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste Drucksensor (10) ein für den Grobvakuumbe­ reich und einen Teil des Feinvakuumbereichs geeigneter Drucksensor ist, und bei der der zweite Drucksensor (20) ein Drucksensor für einen Teil des Feinvakuumbe­ reichs und den Hochvakuumbereich ist, wobei sich der Meßbereich des ersten und des zweiten Drucksensors (10, 20) im Feinvakuumbereich überlappen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen dritten Drucksensor (30) aufweist, der für einen drit­ ten Druckbereich (III) geeignet ist, der mit dem zwei­ ten Druckbereich (II) überlappt, und bei der die Kali­ briereinrichtung (50) angeordnet ist, um den dritten Drucksensor (30) mittels des zweiten Drucksensors (20) zu kalibrieren, indem die Ausgabe des dritten Druck­ sensors (30) basierend auf den Ausgaben des zweiten Drucksensors (20) und des dritten Drucksensors (30) in­ nerhalb des Überlappungsbereichs (300) des zweiten und des dritten Druckbereichs (II, III) korrigiert wird, derart, daß die kalibrierte Ausgabe des dritten Druck­ sensors (30) in dem Überlappungsbereich (300) im we­ sentlichen gleich der Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der erste Druck­ sensor (10) ein Grobvakuumsensor ist, der zweite Druck­ sensor (20) ein Feinvakuumsensor ist, und der dritte Drucksensor (30) ein Hochvakuumsensor ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kalibriereinrichtung (50) angeordnet ist, um bei einem Druck in dem Überlappungsbereich (100; 200) des ersten und des zweiten Druckbereichs (I, II) die Ausgaben des ersten und des zweiten Drucksensors zu erfassen, um einen Korrekturfaktor für die Ausgabe des ersten und des zweiten Drucksensors basierend auf dem Verhältnis der Ausgabe (A) des ersten Drucksensors (10) und der Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors (20) zu berechnen, und um die Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) in dem zweiten Druckbereich mit dem Korrekturfak­ tor zu beaufschlagen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der die Kalibriereinrichtung (50) eine Tabelle aufweist, in der Kalibrierkurven für den zweiten Drucksensor (20) für verschiedene Gase gespeichert sind, wobei eine Ka­ librierkurve für Ausgaben (pa) des zweiten Drucksensors (20) entsprechende wahre Druckwerte (pw) umfaßt, und wobei die Kalibriereinrichtung (50) basierend auf einer Ausgabe des ersten Drucksensors (10) und einer Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) im Überlappungsbereich die zu den Ausgaben gehörige Kalibrierkurve für den zweiten Drucksensor (20) auswählt und gemäß der Kali­ brierkurve die Ausgabe des zweiten Drucksensors im zweiten Druckbereich korrigiert.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der die Kalibriereinrichtung (50) eine Tabelle aufweist, in der Kalibrierkurven für den zweiten Drucksensor (20) für verschiedene Gase gespeichert sind, wobei eine Kalibrierkurve für Ausgaben (pa) des zweiten Druck­ sensors (20) entsprechende wahre Druckwerte (pw) um­ faßt, und wobei die Kalibriereinrichtung (50) angeord­ net ist, um bei einer Mehrzahl von Druckwerten (A, A') in dem Überlappungsbereich (200) die Ausgaben (220) des ersten und des zweiten Drucksensors (10, 20) zu erfas­ sen und basierend auf der Mehrzahl von Ausgaben (220) die zu dem zweiten Drucksensor (20) gehörige Kali­ brierkurve aus der Tabelle zu ermitteln, um gemäß der ermittelten Kalibrierkurve die Ausgaben des zweiten Drucksensors (20) im zweiten Druckbereich (II) zu kor­ rigieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der zweite Druck­ sensor (10) in einem Gasgemisch angeordnet ist, für das keine Kalibrierkurve in der Kalibriereinrichtung (50) gespeichert ist, wobei die Kalbriereinrichtung (50) angeordnet ist, um zumindest zwei Kalibrierkurven (3. Gas, 4. Gas) aus der Tabelle auszuwählen, die den Aus­ gaben der ersten und des zweiten Drucksensors (10, 20) am nächsten kommen, um aus diesen eine Kalibrierkurve für das Gasgemisch zu interpolieren, um die Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) gemäß der erzeugten Kali­ brierkurve zu korrigieren.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Kalibrierein­ richtung (50) angeordnet ist, um für die Auswahl von zumindest zwei Kalibrierkurven den Verlauf einer Mehr­ zahl von Ausgabewerten (A, A', 220) des ersten und des zweiten Drucksensors zu berücksichtigen.
14. Verfahren zur Druckmessung mit folgenden Schritten:
Empfangen einer Ausgabe (A) eines ersten Drucksensors (10), der für einen ersten Druckbereich (I) geeignet ist;
Empfangen einer Ausgabe (B) eines zweiten Drucksensors (20), der für einen zweiten Druckbereich (II) geeignet ist, wobei sich der erste und der zweite Druckbereich (I, II) überlappen; und
Kalibrieren der empfangenen Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors (20) mittels der Ausgabe (A) des ersten Drucksensors (10) durch Korrigieren der Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors (20) basierend auf einer Ausgabe (A) des ersten Drucksensors (10) und einer Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors innerhalb des Überlappungsbe­ reichs (100; 200) des ersten und des zweiten Druckbe­ reichs (I, II), derart, daß die kalibrierte Ausgabe des zweiten Drucksensors (20) in dem Überlappungsbereich im wesentlichen gleich der Ausgabe (A) des ersten Druck­ sensors ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt des Ka­ librierens folgende Teilschritte aufweist:
Bilden eines Verhältnisses einer Ausgabe (A) des ersten Drucksensors und einer Ausgabe (B) des zweiten Druck­ sensors (20), die bei einem Druck im Überlappungsbe­ reich (100; 200) empfangen werden; und
Beaufschlagen der Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors (20) mit dem Verhältnis, derart, daß der zweite Druck­ sensor (20) auf den ersten Drucksensor (10) kalibriert ist.
16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt des Ka­ librierens folgende Teilschritte aufweist:
Speichern einer Tabelle, in der Kalibrierkurven für den zweiten Drucksensor (20) enthalten sind;
Zugreifen auf die Tabelle mittels der Ausgaben (A, B) des ersten und des zweiten Drucksensors (10; 20);
Auswählen der Kalibrierkurve, die den Ausgaben des ersten und des zweiten Drucksensors (A, B) im wesentli­ chen entspricht; und
Korrigieren der Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors (20) mittels der ausgewählten Kalibrierkurve.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem eine Mehrzahl von Kalibrierkurven für den zweiten Drucksensor (20) abge­ speichert ist, bei dem jedoch für den speziellen Anwen­ dungsbereich des zweiten Drucksensors (20) keine Kali­ brierkurve gespeichert ist, bei dem der Schritt des Ka­ librierens folgende Schritte aufweist:
Erzeugen einer Mehrzahl von Ausgaben (220, A, A') des ersten und des zweiten Drucksensors (10, 20);
Auswählen zweier Kalibrierkurven (3. Gas, viertes Gas), die der Mehrzahl von Ausgaben am nächsten kommen;
Interpolieren zwischen den zwei ausgewählten Kalibrier­ kurven, um eine aktuelle Kalibrierkurve zu ermitteln; und
Korrigieren der Ausgabe (B) des zweiten Drucksensors (20) mittels der ausgewählten Kalibrierkurve.
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