METHOD AND CIRCUIT FOR CONVERTING A MEASURING CURRENT INTO AN IMPULSE RATE PROPORTIONAL TO THE MEASURING CURRENT

Abstract: 1. A method for converting a measuring current into a pulse rate proportional to the measuring current, characterized in that the measuring current (ix ) is compensated by a current which consists of small charges of the same size and opposite polarity to the measuring current, and in that the charges necessary per unit time form the desired pulse rate.

Description: Verfahren und Schaltung zur Umwandlung eines Messstromes in eine dem Messstrom proportionale Impulsrate Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung eines Messstromes in eine dem Messstrom proportionale Impulsrate sowie auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Schaltung. Aus den US-PSen 40 35 720 und 41 43 318 ist es bekannt, einen unbekannten Messstrom dadurch in eine dem Messstrom proportionale Impulsrate umzuwandeln, dass man den unbekannten Strom in eine bekannte Kapazität fliessen lässt, wodurch diese bis zu einer bekannten Spannung aufgeladen wird. Danac ] wird die Kapazität entladen, so dass der beschriebene Vorgang wiederholt werden kann. Nachteilig an dieser Methode ist, dass die erzielbare Dynamik, die Messgenauigkeit und auch die Messgeschwindigkeit von der Wahl der Kapazität abhängen. Wird z. B. eine relativ grosse bekannte. Kapazität gewählt, dann können Eingangsströme bis hinunter zu einigen pA nicht mehr verarbeitet werden, da es unzumutbar lange dauert, bis die Kapazität aufgeladen ist. Wird die Kapazität ausreichend klein gewählt (z. B. einige pF), dann haben die Eigenschaften einer solchen Kapazität Einfluss auf die Messgenauigkeit. Normalerweise sind Kapazitäten dieser Grössenordnung instabil, d. h., dass die Aufladungen nicht immer gleichmässig sind. Stabile Ausführungsformen von Kapazitäten dieser Grössenordnung sind nur mit relativ hohem Aufwand erzielbar. Um diese geschilderten Nachteile zu entschärfen, werden in den genannten US-Patentschriften Sensormittel für den Wert des Messstromes vorgeschlagen, um in Abhängigkeit des Messstromes den Schwellenwert, bei dem die Kapazität entladen wird, verändern zu können. Diese Massnahmen erfordern einen zusätzlichen Schaltungsaufwand. Ausserdem werden die Schwierigkeiten bei geringen Messstrom nicht beseitigt, da nach wie vor die Kapazität Einfluss auf das Messverfahren hat. Bei Ionisationsvakuummetern, Massenspektrometern und dergleichen ist es häufig erforderlich, Messströme im Bereich von 10 3 bis zu 10 12 A verarbeiten zu müssen. Ströme dieser Grössenordnung werden bisher meist mit Verstärkern in Spannungen umgesetzt und dann gemessen. Da eine Spannung jedoch nicht über neun Zehnerpotenzen in einem Bereich exakt verarbeitet werden kann, werden die Ströme entweder bei der Umwandlung logarithmiert oder in mehrere Spannungsbereiche umschaltbar umgeformt. Die Auswertung des Ausgangssignales kann durch Anzeige mit einem analogen Instrument oder durch Umsetzung in einen Zahlenwert und digitale Anzeige desselben geschehen. Bei der digitalen Auswertung des Signals stellt jede der beiden genannten Möglichkeiten der Strom-Spannungs-Umwandlung einen Umweg mit zusätzlichen Fehlerquellen und Kosten dar. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umwandlung eines Messstromes in eine dem Messstrom proportionale Impulsrate vorzuschlagen, welches sich durch einen grossen Dynamikbereich und eine hohe Linearität auszeichnet. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Messstrom durch kleine Ladungsmengen gleicher Grösse und dem Messstrom entgegengesetzter Polarität kompensiert wird und dass die pro Zeiteinheit benötigten Ladungsmengen die gewünschte Impulsrate bilden. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es - bei ausreichend kleinen Ladungsmengen - unempfindlich ist gegenüber Veränderungen der Kapazität und der Schwellenwerte, Es kommt nur darauf an, die Grösse der erzeugten Kompensationsladungen zu kennen. Kleine Ladungsmengen - z. B. in der Grössenordnung von einigen Picoamperesekunden - können mit grosser Genauigkeit hergestellt werden, so dass auch bei kleinen Strömen (10 9 bis 10 12 A) eine hohe Messgenauigkeit eingehalten werden kann. Desweiteren zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren durch#einen hohen Dynamikbereich und eine hohe Linearität aus. Es kann grundsätzlich zur Messung von -Strömen beider Polaritäten eingesetzt werden und eignet sich deshalb insbesondere zur Messung der Ausgangssignale von Ionisationskammern mit und ohne Sekundärelektronen Vervielfacher, wie sie in Vakuummetern und Quadrupolen verwendet werden. Das Ausgangssignal ist eine Frequenz, die sich digital gut auswerten lässt. Wesentlich an dem erfindungsgemässen Verfahren ist, dass ein Gleichgewicht zwischen einem gleichmässig fliessenden, zu messenden Strom und einem pulsierend fliessenden bekannten Strom entgegengesetzter Richtung herbeigeführt wird. Hieraus ergeben sich die Vorteile hinsichtlich der Linearität und der Toleranzempfindlichkeit. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten Blockschaltbildes erläutert werden. Der zu messende Strom 1x wird der Schaltung bei E zugeführt und fliesst in den Knotenpunkt K, an den der invertierende Eingang des Verstärkers V1, der Kondensator C und der Schalter S1 angeschlossen sind. Der Schalter S1 ist zunächst geöffnet. Da der Verstärker V1 und der Kondensator C so verschaltet sind, dass sie einen Integrator bilden, bewirkt der Messstrom, dass die Ausgangsspannung Ua des Verstärkers V1 nach der Beziehung EMI4.1 ihren Anfangswert verändert. Sie läuft abwärts bei einem positiven Eingangsstrom bzw. aufwärts bei einem negativen Eingangs strom. Unter- bzw. überschreitet sie dabei am Eingang des Verstärkers V2 den Wert 0 (oder einen anderen konstanten Wert), so gibt der als Komparator verschaltete Verstärker V2 an die Torschaltung T einen Impuls, welcher genau ein Taktsignal der Dauer To durch die Torschaltung passieren lässt. Dieser Impuls löst das Schliessen des Schalters S1 für die Dauer von To aus. Die Stromquelle IRef1 erzeugt einen Strom bekannter Amplitude, jedoch mit einer zu ix entgegengesetzten Polarität. Somit speist die Stromquelle IRef1 über den Schalter S1 mit jedem Taktsignal eine Ladung der Grösse Qo = -IRef . O in den Knoten K, in welchen auch ix fliesst. Um den Strom ix aufzuwiegen, benötigt man n = ix/Qo Impulse pro Zeiteinheit. Der Strom ix kanr EMI4.2 deshalb aufgewogen werden, solange der Messstrom ix mit 100 % der Taktimpulse noch kompensierbar ist, d. h., solange die Bedingung x < T Qo eingehalten wird. Ändert sich der Messstrom ix, so ändert sich auch die Häufigkeit der Auslösung einer Kompensationsladung QO' so dass eine ständige Kompensation des Messstromes mit den Impulsen erreicht wird. Veränderungen der Kapazität. C haben dabei in weiten Grenzen keinen Einfluss auf den Zusammenhang zwischen der Impulszahl n und dem Strom i x. Zur Bestimmung des quantitativen Zusammenhangs zwischen ix und n muss erreicht werden, dass x die Summe aller auf den Eingangsknoten K zufliessenden Ströme den Wert 0 hat. Der Eingangs strom des Verstärkers V1 soll vernachlässigbar gegen ix sein. Der Strom in den Kondensator C ist im zeitlichen Mittel 0. Somit gilt die Beziehung ix = n . Qo = n . IRef .To. Bei bekanntem Strom IRef1 und bekannter Pulsdauer T kann daher aus der Pulszahl n der Strom ix quantitativ bestimmt werden. Die Pulsrate kann am Ausgang A abgenommen werden. Neben der Stromquelle IRef1 ist eine weitere Stromquelle IReif2, vorgesehen. Der Stromquelle IRef2 ist der Schalter S2 zugeordnet, mit der die Stiomquelle IRef in Abhängigkeit von den von der Torschaltung T gelieferten Impulsen mit dem Knotenpunkt K verbunden werden kann. Mittels des Schalters S3 können die Impulse der Torschaltung T entweder dem Schalter S1 oder dem Schalter S2 zugeführt werden. Die zweite Stromquelle IRef2 kann entweder einen grösseren oder kleineren Strom als IRef1 liefern, so dass die Dynamik des Systems erhöht werden kan; die Stromquelle 1 kann aber auch einen Strom liefern, der gegenüber dem Strom von IRef eine umgekehrte Polarität hat, so dass Messströme ix mit beiden Vorzeichen verarbeitet werden können. Natürlich ist es auch möglich, mehr als zwei Referenz stromquellen IRef vorzusehen. Zur Erzielung eines gewünschten Umsetzerfaktors, z. B. zwischen 0,1 und 1 Hz/pA ist es erforderlich, Kompensationsladungsmengen von 1 bis 10 pAs genau genug dosieren zu können. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass Ströme im Bereich einiger nA für Zeiten von weniger als 1 ms in den Knotenpunkt geleitet werden. Da sich das Potential des Schalters S1 (bzw. S2)dabei nicht verändert, entstehen auch keine durch das Schalten bedingte Ladungsverschiebungen. Die Schalter S1 und S2 bestehen deshalb vorzugsweise jeweils aus einem Transistorpaar tBipolar- transistor, Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor oder Ioslierschicht-Feldeffekt-Transistor). Die beschriebene Schaltung zur Erzeugung von Kompensationsladungen gestattet den Wechsel des Messbereichs in der Zeit aufeinanderfolgender Pulse, die vorzugsweise ca. 50 ps lang sind. Somit kann ohne störende Umschaltzeit ein Dynamikbereich des Messstromes von bis zu 9 Dekaden erreicht werden. Als Integratoren können geeignete integrierte Operationsverstärker verwendet werden. Die Detektorfunktion wird ausreichend durch einen beliebigen Schmitt-Trigger erfüllt. Die Kapazität muss eine leckstromarme Ausführung, vorzugsweise mit Polysterol-Dielektrikum sein.

Claims: Verfahren und Schaltung zur Umwandlung eines Messstromes in eine dem Messstrom proportionale Impulsrate ANSPRUCHE 1. Verfahren zur Umwandlung eines Messstromes in eine dem Messstrom proportionale Impulsrate, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Messstrom durch kleine Ladungsmengen gleicher Grösse und dem Messstrom entgegengesetzter Polarität kompensiert wird und dass die pro Zeiteinheit benötigten Ladungsmengen die gewünschte Impulsrate bilden. 2. Schaltung für das Messverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Knotenpunkt (K) vorgesehen ist, an den der Eingang (E) und die Schaltungsmittel zur Erzeugung der Kompensations ladungen angeschlossen sind. 3. Schaltung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Entschei#dung über das Gleichgewicht des zu messenden Stromes (ix) und der dagegen aufzuwiegenden Ladungsmengen ein Inte grator und ein Komparator vorgesehen sind. 4. Schaltung nach Anspruch 3, d adu r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Integrator von einem Verstärker (V1) und einem Kondensator (C) und der Komparator von einem weiteren Verstärker (V2) gebildet werden. 5. Schaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Komparator (V2) eine Torschaltung (T) nachgeordnet ist. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltungsmittel zur Erzeugung der Ladungsmengen aus mindestens einer Stromquelle (IRef , IRef ) und einem Schalter (S1, S2) bestehen. 2 7. Schaltung nach Anspruch 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schalter (S1, S2) mit den Ausgangsimpulsen der Torschaltung (T) betätigbar ist. 8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei oder mehrere Stromquellen (IRef1 , Schalter (S1, S2) vorgesehen sind, die wahlweise mit der Torschaltung (T) über einen Schalter (S3) zur Bildung der Kompensationsladungsmengen verbindbar sind. 9. Ionisationsvakuummeter, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Schaltung nach einem der Patentansprüche 2 bis 8.

Inventors: HEINEN, RAYMOND, DR.
Applicants: LEYBOLD AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: G01R19
IPC codes: G01R19, H03K7, G01L21