DE4324119C2

DE4324119C2 - Verfahren zur Wandlung eines gemessenen Signals, Wandler sowie Messanordnung und Pirani-Messschaltung

Info

Publication number: DE4324119C2
Application number: DE4324119A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Stocker
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2013-07-20
Also published as: US5475623A; JPH06160226A; FR2693814A1; CH684805A5; IT1265164B1; JP3213125B2; ITMI931570A1; FR2693814B1; DE4324119A1; ITMI931570A0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Umwandlung eines gemessenen Signals (x) in ein von einer interessierenden Größe (y) abhängiges Signal, wobei das gemessene Signal (x) zumindest in Näherung wie folgt mit der interessierenden Größe (y) zusammenhängt: DOLLAR F1 wobei k¶1¶, k¶Z¶ und k¶N¶ Konstanten sind. Erfindungsgemäß wird diese Gleichung angenähert durch die Gleichung DOLLAR A ln y = prop. ([ln(x-k¶N¶) -ln (k¶Z¶-n)]) DOLLAR A wobei prop. "proportional" bedeutet. Zur Bestimmung der Größe y werden mindestens zwei bipolare Transistoren eingesetzt und die Abhängigkeit ihrer Basisemitterspannungen von ihren Kollektorströmen ausgenutzt. Mittel zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Transistoren können vorgesehen sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. einen Wandler zur Durchführung des Verfahrens und eine Messanordnung mit dem Wandler.

Im ganzen Gebiet der Sensorik ist die Tendenz zu be obachten, immer mehr Aufgaben, die früher in einem Auswertegerät erfüllt wurden, in den Messkopf bzw. den Messwertaufnehmer zu verlegen. So werden z. B. im mer mehr aktive Messbrücken, Signalverstärker bzw. Verarbeitungsschaltungen sowie Linearisierungsschal tungen, Analog/Digitalwandler etc. in den Messkopf verlegt. Dies ist seit einiger Zeit auch bei Sensoren für die Totaldruckmessung festzustellen. Dadurch wer den die Vorteile erwirkt, dass auf kleinem Raum, thermisch gekoppelt, eine bessere und stabilere An passung der Auswerteelektronik an den eigentlichen Sensor erreichbar ist, eingekoppelte Signalfehler auf der Uebertragungsstrecke zwischen Sensor und Auswer tegerät wegfallen, Messkopf-Ausgangssignale, Speisun gen etc. so normiert werden können, dass an normier ten 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 er läuterten Abhängigkeit von einer interessierenden, vom Sensor erfassten physikalischen Grösse stehen, bezieht sie sich insbesondere auf die Auswertung von Messignalen, die bei Heissdraht-Vakuummeter abgegrif fen werden, sog. Pirani-Vakuummeter.

Ueblicherweise weisen Vakuummeter Ausgangssignale auf, welche in Messprinzip-spezifischer Art vom sen sorseitig 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. 10^-2 mbar, sowie bei ho hen Drucken, über ca. 10 mbar, asymptotisch an kon stante Werte läuft und mithin in diesen Bereichen die Leitfähigkeits-Abhängigkeit vom Druck gering, die Ab hängigkeitskurve flach wird, ist insbesondere dort die Messempfindlichkeit schlecht. In diesen Bereichen ist die Messung vermehrt anfällig auf Störungen, auf grund 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 Stu fenzahl der A/D-Wandler erfordert.

Die vorliegende Erfindung bezweckt unter ihrem einen Aspekt, aus einem Messignal obgenannter Art, insbe sondere aus dem von einer Heissdraht-Vakuummeteran ordnung abgegriffenen Signal, auf einfache Art und Weise eine einfach interpretierbare Ausgangssignal charakteristik zu schaffen, einfach interpretierbar in dem Sinne, als dass man einfach daraus auf die in teressierende, vom Sensor aufgenommene Grösse soll schliessen können.

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

Aus der US-A-4 983 863 ist es bekannt, zwei zum na türlichen Logarithmus (ln) zweier Eingangssignale proportionale Signale durch Ausnützung der Basisemit terspannung zweier Bipolartransistoren zu bilden und diese zu subtrahieren, so dass ein Signal erhalten wird, das dem ln des Eingangssignalquotienten ent spricht. Damit wird ein Ausgangssignal geschaffen, das direkt proportional zum ln des Eingangssignalquo tienten ist.

Im weiteren wird auf die DE-A-37 42 334, die GB-A-2 105 047, die der DE-A-32 30 405 (unten abgehandelt) entspricht, sowie auf die US-A-2 030 956.

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

Gegenüber einem bekannten Ansatz zur Entzerrung der Abhängigkeit zwischen gemessenen Grössen, insbesonde re der Spannung an einem Pirani-Meter, und der inter essierenden, dort dem Druck, mittels Diodennetzwer ken, ist der durch das erfindungsgemässe Vorgehen be wirkte 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. Instrum. 47, S. 912 (1976), bekannt, ergibt sich dank der er findungsgemäss realisierten logarithmischen Druckab hängigkeit, bei vorgegebenem Signalhub von Auswer tungsverstärkern, ein wesentlich grösserer Messbe reich.

Auch der Einsatz analoger Logarithmierer, wie aus M. Wutz et al., "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1988, S. 413, be kannt, ermöglicht nur die Auswertung in einem Druck bereich von 5.10^-3 mbar bis 10 mbar.

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

Bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäs sen 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 fol gend, vorgeschlagen, einen Sensor, welcher ein zu messendes Signal abgibt, welches, wie in Anspruch 1 spezifiziert, mit einer interessierenden Grösse zu sammenhängt, mit einem erfindungsgemässen Wandler zu kombinieren, womit ein Satz aufeinander abgestimmter Messwertaufnehmer/Auswerteelektronik-Einheit geschaf fen wird.

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 Er findung von einer bekannten Pirani-Messbrückenschal tung 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. Ueber der einen Brückendiagonale wird, als Brückenbetriebsspannung, die Ausgangsspannung ei nes Messoperationsverstärkers angelegt, im Sinne ei ner Gegenkopplung. Der Eingang des als Differenzver stärker ausgebildeten Operationsverstärkers liegt an der zweiten Diagonale der Wheatstone-Brücke. Im einen Zweig der Wheatstone-Brücke ist ein Temperaturkompen sationswiderstand vorgesehen, der manuell abgeglichen wird. Eine Temperaturkompensation wird deshalb vorge sehen, weil sich Aenderungen der Umgebungstemperatur, auf das Pirani-Element, gleich auswirken wie Druckän derungen und mithin zu Messfehlern führen. Mit der aus Wutz vorbekannten Temperaturkompensation kann letztere exakt nur bei einem Temperaturwert vorgenom men werden.

Aus der DE-PS-32 30 405 ist es nun weiter bekannt, zur automatischen Temperaturkompensation an einer Pi rani-Messschaltung im einen Brückenzweig, als Tempe raturkompensationselement, einen temperaturempfindli chen Widerstand vorzusehen, diesen mit einem weiteren thermisch zu koppeln, welcher, einem Eingang eines Additionsverstärkers vorgeschaltet, letzterem ein von einer Referenzspannung abgeleitetes Signal tempera turabhängig 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 vor zuschlagen, deren Kompensation gar genauer ist, be trachtet über den Messbereich, als die aus der ge nannten Patentschrift vorbekannte, wesentlich kompli ziertere Kompensationsschaltung.

Zu diesem Zweck zeichnet sich die erfindungsgemässe Messanordnung mit Pirani-Messschaltung nach dem Wort laut von Anspruch 16 aus, bevorzugte Ausführungsvari anten nach den Ansprüchen 17 und 18.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise an hand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in doppelt logarithmischer Darstellung, den Verlauf der einem Pirani-Vakuummeter zuge führten elektrischen Leistung Q_EL bei kon stant gehaltener Temperatur in Abhängigkeit vom Druck p des Messgases;

Fig. 2 schematisch, in einer Darstellung gemäss ana loger Programmiertechnik, den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemässen Wandlers, zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfah rens;

Fig. 3 und 4 je bevorzugte Ausführungsformen eines erfin dungsgemässen Wandlers;

Fig. 5 schematisch, einen erfindungsgemässen Mess kopf mit Sensor und integriertem erfindungs gemässem Wandler;

Fig. 6 komplette Messkopfschaltung mit erfindungsge mässer Pirani-Messschaltung.

Das Prinzip von Wärmeleitungs-Vakuummetern bzw. Pira ni-Vakuummetern ist beispielsweise nach M. Wutz et al., "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", F. Vie weg & Sohn, 4. Aufl. (1988), S. 409 ff., bekannt.

Da die Wärmeleitung eines Gases Funktion des Gasdruc kes 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 Lei tungsbilanz dann ausgeglichen ist, entspricht die zu geführte elektrische Leistung Q_EL der über Wärmelei tung abgeführten Leistung. Es ergibt sich bekanntlich die folgende Abhängigkeit zwischen zugeführter elek trischer Leistung Q_EL und zu messendem Gasdruck p:

Es bedeuten darin weiter:
ε die Empfindlichkeit der Messzelle,
g ein die Geometrie der Zellenanordnung berücksichtigender Faktor,
p_o Störeffekte, welche einem Nulldruck p_o gleichzusetzen sind.

In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der zugeführten elek trischen Leistung Q_EL vom Gasdruck p dargestellt.

Wird (1) nach dem Gasdruck p aufgelöst, so ergibt sich:

Wie durch asymptotische Betrachtung ohne weiteres er sichtlich, bezeichnen die Ausdrücke:
εp_odie bei sehr tiefen Drücken (p << 10^-4 mbar) umgesetzte elektrische Lei stung,
ε(p_o + 1/g) die bei hohen Drücken (p << 1 bar) umge setzte elektrische Leistung.

Die zugeführte elektrische Leistung Q_EL ergibt sich zu

wo U_D die über dem Messdraht abfallende Spannung ist und R_D der elektrische Widerstand des Messdrahtes im temperaturabgeglichenen Zustand;
oder zu

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

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

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

Es bedeuten:
U: Ausgangsspannung der Pirani-Anordnung,
U₀: deren asymptotischer Wert bei tiefen Drücken p,
U_∞: deren asymptotischer Wert bei hohen Drücken p.

Da Abhängigkeiten, wie sie spezifisch für die Abhän gigkeit der Gaswärmeleitung und des Gasdruckes 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 interes sierende physikalische Grösse y, entsprechend dem Druck p beim Vakuummeter, zu schliessen, wird nach folgend zu einer verallgemeinerten Schreibweise über gegangen, und es ergibt sich aus (4a) der Ausdruck:

Dieser Ausdruck kann mit genügender Näherung ersetzt werden durch

Wird (5) logarithmiert, so ergibt sich

(6) lny ≈ lna + b[ln(x - k_N) - ln(k_z - x)] bzw.

(6a) lny = prop.[ln(x - k_N) - ln(k_Z - x)] + const.

bzw. mit der Spannung an einer Pirani-Vakuummesszelle

(6b) lnp ≈ lna' + b'[ln(U - U₀) - ln(U_∞ - U)] bzw.

(6c) lnp = prop.[ln(U - U₀) - ln(U_∞ - 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 Abhängig keit von der Messspannung U bzw. dem Messignal x, was erlaubt, einen ausserordentlich weiten Bereich des Druckes bei vorgegebenem Ausgangssignalhub zu erfas sen, analog zur Darstellung von Fig. 1.

In Fig. 2 ist die analoge Programmierung des Ausdruc kes 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, ge mäss den Ausdrücken (6, 6b) gebildet.

Die Differenzsignale bzw. davon abhängige Signale werden je einer Funktionsgeneratoreinheit 5 bzw. 7 zugeführt. Die den erwähnten Differenzen entsprechen den Eingangssignale an Eingängen E₅ bzw. E₇ werden, gegebenenfalls entsprechend gewandelt, als Kollektor ströme I_C1 bzw. I_C2, je einem Bipolartransistor T₁ bzw. T₂ zugeführt und als Ausgangsgrösse der Wandler 5 bzw. 7 an Ausgängen A₅ bzw. A₇, ein Signal ausge wertet, welches proportional zur jeweiligen Basis- Emitter-Spannung U_BE1 bzw. U_BE2 ist. Bekanntlich gilt zwischen Kollektorstrom und Basis-Emitter-Spannung an einem Bipolartransistor die Abhängigkeit:

(7) U_BE = λ^-1.(lnI_C - lnI_S),

wobei bedeutet

mit e: Elementarladung,
K: Boltzmann-Konstante,
T: absolute Temperatur,
und weiter bedeutet
I_S den Kollektorsperrstrom.

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

Die beiden zur Wandlung vorgesehenen Transistoren T₁ und T₂ werden bevorzugterweise als aufeinander abge stimmtes Paar gewählt und thermisch eng gekoppelt, so dass sowohl Sperrströme wie auch Temperatur und damit λ im wesentlichen gleich sind.

Eine erste bevorzugte Realisation der Funktionswand lereinheit gemäss Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Dem nicht invertierenden Eingang eines ersten Opera tionsverstärkers OP₁ wird die Pirani-Messbrückenspan nung U bzw. das Messignal x zugeführt, dem invertie renden Eingang, über den Widerstand R₀, die sich asymptotisch für grosse Druckwerte gemäss Fig. 1 ein stellende Pirani-Spannung U_∞ bzw. k_Z. Der Operations verstärker OP₁ ist über einen ersten Bipolartransi stor T₁ gegengekoppelt, dessen Kollektor mit dem invertierenden Operationsverstärkereingang, dessen Emitter mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Seine Basis ist auf Masse bzw. Bezugs potential gelegt.

Einem zweiten Operationsverstärker OP₂ wird, am in vertierenden Eingang, die Spannung U₀ zugeführt, ent sprechend 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 Ein gang 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 T₁ verbunden ist. Der Ausgang der Wandlerschaltung ist mit U_OUT bezeichnet.

Die gezeigte Schaltung arbeitet wie folgt:
Die rechte Stufe mit OP₁, T₁ gibt, mit λ₁ sowie I_S1 für Transistor 1, in bekannter Art und Weise, wie beispielsweise aus Miklos Herpy, "Analoge integrierte Schaltungen", Franzis Verlag, München, S. 307, be kannt, eine Ausgangsspannung, mit Bezug auf Bezugspo tential ab, welche sich ergibt zu

(8) U₀₁ = λ₁ ^-1(ln(U_∞ - U) - (lnR₀ + lnI_S1)),

und die gleich der Basis-Emitter-Spannung U_BE1 ist.

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

(9) Δ = U - I_C2R₀ - U₀,

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

(10) U_OUT = G.Δ,

wobei G die open-loop-Verstärkung des Operationsver stärkers OP₂ bezeichnet, und dass weiter die beiden Operationsverstärker/Transistorstufen über die Glei chung

(11) U_BE2 = U_OUT + U₀₁

verbunden sind, so ergibt sich aufgrund der hohen open-loop-Verstärkung G eine Ausgangsspannung

(12) U_OUT = λ^-1{ln(U - U₀) - ln(U_∞ - U)},

sofern gilt:

(13) λ₁ = λ₂ = λ

I_S1 = I_S2.

Dabei können unterschiedliche Sperrströme I_S der bei den Transistoren T₁ 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 Ausgangsspan nung der Wandlereinheit nach Fig. 3 mit Ausdruck (6a) bzw. (6c) zeigt, dass bis auf einen linearen Verstär kungsfaktor und eine additive Konstante die Ausgangs spannung U_OUT der besagten Wandlerschaltung logarith misch von dem mit der Pirani-Messanordnung gemessenen Gasdruck p abhängig ist, der Logarithmus der Aus gangsspannung ist dem zu messenden Druck proportio nal.

In Fig. 4 ist eine weitere, heute bevorzugte Wandler schaltung dargestellt. Wiederum ist in dieser Schal tung sowohl als Messignal die Ausgangsspannung U der Pirani-Brücke dargestellt wie auch, verallgemeinert, das Messignal x. Bei dieser Wandlerkonfiguration wird das Messignal bzw. die Messspannung U über einen Wi derstand R₀ dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP zugeführt, dessen invertie rendem Eingang der asymptotisch bei kleinen Drücken eingenommene Spannungswert U₀ zugeführt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über die Ba sis-Kollektor-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 Be zugspotential, wie dargestellt auf Masse, gelegt. Ei ne abstimmbare Gleichstromquelle Q ist zwischen den verbundenen Emittern der Transistoren T₃ und T₄ und Bezugspotential geschaltet. Der Quellenstrom I₀ ist auf den Wert

abgeglichen. Für die Differenzspannung Δ am Opera tionsverstärkereingang gilt weiterhin Ausdruck (9), ebenso gilt für die Ausgangsspannung U_OUT und die beiden Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T₃ und T₄ weiterhin (11).

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

Mit der heute bevorzugten Anordnung gemäss Fig. 4, eingesetzt zur Auswertung der Pirani-Vakuummeter-Aus gangsspannung 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 einge stellten Gasdruck p von ca. ±10% erreicht. In Anbe tracht des extrem grossen Messbereiches ist diese Ge nauigkeit, mit den einfachen vorgeschlagenen Mitteln erreicht, verblüffend.

Das vorgeschlagene Vorgehen und insbesondere die be vorzugterweise eingesetzten Wandlerschaltungen gemäss den Fig. 3 und 4 bzw. auch andere sich dem Fachmann nun eröffnende Möglichkeiten, das Vorgehen nach Fig. 2 zu realisieren, ergibt, aufgrund des geringen elek tronischen Schaltungsaufwandes, die Möglichkeit, den Funktionswandler direkt in einen Messkopf bzw. Mess wertaufnehmer zur Erfassung der Messgrösse x einzu bauen bzw., im hier spezifisch angesprochenen Fall, direkt einen Sensor mit mindestens einer Pirani-Vaku ummeterzelle bzw. einer Pirani-Vakuummeter-Messzellenbrücke, mit einem Wandler zu einem Vakuummeter- Messkopf zu integrieren.

Ein solcher Messkopf ist in Fig. 5 schematisch darge stellt.

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 Aus senrohr 26 und den Pirani-Messdraht 27. Ausserhalb des thermisch leitenden, thermisch weitgehend iso liert, im Gehäuse 20 montierten Rohres 26 ist ein Temperaturkompensationselement 28 angeordnet, elek trisch Teil der Wheatstone-Brückenelemente, welche, abgesehen vom Pirani-Heizdraht, auf einer Elektronik platine 30 montiert sind.

Schematisch dargestellt bei 32 ist der Kühlkörper für die verwendeten, anhand von Fig. 3 bzw. 4 beschriebe nen Transistoren. Der Messkopf wird über einen Stec keranschluss 34 mit einem Anschluss 36 zum Anzeigege rät oder Messrechner verbunden. Auf der Elektronik platine 30 ist nebst der erwähnten Messbrücke der er findungsgemässe Wandler in bevorzugter Ausführungs form gemäss den Fig. 3 oder 4, bei der heutigen Aus führungsform gemäss Fig. 4, aufgebaut.

In Fig. 6 ist die Schaltung einerseits der erfin dungsgemässen Pirani-Messschaltung gestrichelt umran det 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 R₁, R₃, R₂, ein temperaturabhängiges weiteres Element, wie darge stellt in Form des PTC-Widerstandselementes. Letzte res ist mit dem Pirani-Element 38 thermisch eng ge koppelt und entspricht dem Element 28 von Fig. 5.

Die Messspannung wird durch einen als Differenzver stärker betriebenen Operationsverstärker OP_pi an der einen Messbrückendiagonale abgegriffen, das Ausgangs signal des Operationsverstärkers OP_pi ist als Brüc kenbetriebsspannung an die zweite Brückendiagonale gelegt. Mit C sind Stabilisierungskapazitäten be zeichnet.

Der Messbrückenzweig mit dem PTC-Element weist einen Zwischenabgriff auf. Zwischen letzterem und demjeni gen Brückenpunkt, an welchem das Pirani-Element und der Widerstand R₁ angeschlossen sind, ist eine Span nungsquelle mit Referenzspannung U_ref1 angeschlossen, mit den Anschlusspunkten je über Widerstände R ver bunden. Bei Zimmertemperatur sind die Widerstände des Pirani-Messdrahtes einerseits und von R₁ im wesentli chen 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 tem peraturabhängigen Kompensationsschaltelement und der Abgleichmöglichkeit an U_ref1. 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 zu sätzlichen Merkmal, dass zwischen den beiden Basen von T₃ und T₄ ein weiterer PTC geschaltet und auf ei ne weitere Referenzspannung U_ref2 gelegt ist, welches PTC-Element thermisch eng mit den Transistoren T₃, T₄ gekoppelt ist. Unterschiede der Transistoren T₃, T₄ bezüglich Sperrströme und λ werden damit kompensiert.

Claims

1. Verfahren zur Wandlung eines gemessenen Signals (x, U), welches mindestens in erster Näherung wie folgt mit einer interessierenden Grösse (y, p) zusam menhängt:
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) lny = prop.([ln(x - k_N) - ln(k_Z - x)]),
wobei prop. "proportional" bedeutet,
und diese Funktion, durch Einsatz mindestens zweier Bipolartransistoren und Ausnützung der Abhängigkeit ihrer Basisemitterspannungen von ihren Kollektorströ men zum Erhalt eines Ausgangssignals nach
(c) y' = lny,
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, da durch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Sperr ströme der Transistoren abgeglichen werden.

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

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass das Messignal die Aus gangsspannung einer Pirani-Vakuummeteranordnung ist und:
k_N die asymptotisch, bei Druckverkleinerung eines Messgases, von der Anordnung abgegebene Span nung ist und
k_Z die asymptotisch für hohe Druckwerte abgegebene Spannung.

6. Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wandler-Bipolartransistoren vor gesehen sind, dass ihren Kollektoren je ein Strom proportional zu
(x - k_N) sowie
(k_Z - x)
zugeführt wird und die resultierenden Basisemitter spannungen der Transistoren zur Bildung eines Aus gangssignals
lny = prop.{ln(x - k_N) - ln(k_Z - 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 (T₁) mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in den Rückkoppe lungspfad eines Operationsverstärkers (OP₁) geschal tet ist.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (T₂) mit seiner Kollektor- Basis-Strecke zwischen Ausgang und nicht invertieren dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (OP₂) geschaltet ist und dass die beiden Emitter der Transistoren (T₁, T₂) verbunden sind und der Wandler ausgang (U_OUT) mit dem Ausgang des zweiten Opera tionsverstärkers (OP₂) verbunden ist.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 6 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass der eine Transistor (T₃) mit seiner Kollektor-Basis-Strecke an einem Opera tionsverstärker (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 Ba sis auf Bezugspotential gelegt sind, die Emitter der beiden Transistoren (T₃, T₄) verbunden sind und der Verbindungspunkt mit einer vorzugsweise abgleichbaren Stromquelle (Q) auf Bezugspotential gelegt ist.

12. Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da durch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Tem peraturabhängigkeit der Transistoren (T₃, T₄) ein weiteres temperaturabhängiges Schaltelement vorgese hen 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 gekennzeichnet, dass er mit einem Sensor für eine aufzunehmende interessie rende Grösse, der ein Messignal (x) abgibt, verbunden ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, dass der Wandler und der Sensor in einem Mess wertaufnehmer 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 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Pirani-Mess schaltung mit einer Brückenschaltung mit dem Pirani- Element (38) umfasst, und dass ein Brückenzweig (PTC, R₂) einen Zwischenabgriff aufweist und dass über Wi derstandselemente (R) eine Spannung (U_ref1) 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 gekennzeich net, dass die Temperaturkompensation mittels nur ei nes temperaturabhängigen Elementes, vorzugsweise ei nes PTC- oder NTC-Widerstandselementes, in der Brücke erfolgt, welches mit dem Pirani-Element (38) ther misch 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.