JPH02266242A - 音さ水晶型圧力計およびこれを用いる圧力測定方法 - Google Patents
音さ水晶型圧力計およびこれを用いる圧力測定方法Info
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- JPH02266242A JPH02266242A JP2007262A JP726290A JPH02266242A JP H02266242 A JPH02266242 A JP H02266242A JP 2007262 A JP2007262 A JP 2007262A JP 726290 A JP726290 A JP 726290A JP H02266242 A JPH02266242 A JP H02266242A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
- G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L21/00—Vacuum gauges
- G01L21/16—Vacuum gauges by measuring variation of frictional resistance of gases
- G01L21/22—Vacuum gauges by measuring variation of frictional resistance of gases using resonance effects of a vibrating body; Vacuum gauges of the Klumb type
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
- G01L9/085—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、請求項1の前文に記載の音叉水晶、または結
晶マノメータまたは圧力計に関する。
晶マノメータまたは圧力計に関する。
(従来技術、および発明が解決しようとする課題〕ガス
摩擦圧力計に水晶結晶発振子または音叉型水晶発振子を
使用するのは公知のことである。水晶発振子は、通常の
周辺気圧の関数としての周波数依存および減衰特性の双
方を有するが、この2つの特性が測定に応用されるので
ある。低圧範囲(圧力く1ミリバール)における測定精
度を高めるため、発振水晶の減衰は、共振振動数におけ
る抵抗を計測することによって、好適に測定される。
摩擦圧力計に水晶結晶発振子または音叉型水晶発振子を
使用するのは公知のことである。水晶発振子は、通常の
周辺気圧の関数としての周波数依存および減衰特性の双
方を有するが、この2つの特性が測定に応用されるので
ある。低圧範囲(圧力く1ミリバール)における測定精
度を高めるため、発振水晶の減衰は、共振振動数におけ
る抵抗を計測することによって、好適に測定される。
これは、測定によって信軌すべき評価を可能にするため
には、低圧域における共振振動数の、圧力依存の変化量
が小さすぎるため、好適な測定法となるのである。
には、低圧域における共振振動数の、圧力依存の変化量
が小さすぎるため、好適な測定法となるのである。
ヨーロッパ公開特許EP−へ一0233054は、音叉
型水晶を測定環境に露出させるガス圧力センサを開示し
ている。共振振動数における音叉型水晶の抵抗測定につ
いての、前述の原理が使用されている。
型水晶を測定環境に露出させるガス圧力センサを開示し
ている。共振振動数における音叉型水晶の抵抗測定につ
いての、前述の原理が使用されている。
位相を合わせた、電気発振システム(PLL回路)およ
び評価回路によって、前記水晶抵抗の変化量は計測され
、適正に表示される。
び評価回路によって、前記水晶抵抗の変化量は計測され
、適正に表示される。
類似の測定原理はかなり長い間知られてきたが、そのよ
うな音叉型水晶センサを実際に使用することは、多くの
難点があって、これまで、制限されるか、殆ど不可能と
されてきた。この測定法に関する主な問題点は、測定す
る減衰値が、圧力のみならず、温度にもよることである
。これは高圧(〉1ミリバール)においては、無視し得
る問題である。しかし低圧においては、所要の測定が、
温度によって非常に損なわれることが可能である。
うな音叉型水晶センサを実際に使用することは、多くの
難点があって、これまで、制限されるか、殆ど不可能と
されてきた。この測定法に関する主な問題点は、測定す
る減衰値が、圧力のみならず、温度にもよることである
。これは高圧(〉1ミリバール)においては、無視し得
る問題である。しかし低圧においては、所要の測定が、
温度によって非常に損なわれることが可能である。
この干渉効果を減じるために、多くの可能性ある方法が
提案されている。例えば、英国特許EP−A−0233
054による装置においては、温度の影響を可能な限り
低く保っておくために、特別な、注文製造の水晶発振子
を使用する。音叉型水晶とともに、直列につなぐと温度
補正をもたらすN T C抵抗器を使う方法も提案され
ている(cf、EP−Am01.80297)。
提案されている。例えば、英国特許EP−A−0233
054による装置においては、温度の影響を可能な限り
低く保っておくために、特別な、注文製造の水晶発振子
を使用する。音叉型水晶とともに、直列につなぐと温度
補正をもたらすN T C抵抗器を使う方法も提案され
ている(cf、EP−Am01.80297)。
別室には、水晶を恒温的に制御するものもある(平田R
1他、J、 Vac Sci、 Technol、+
A5.2393+1987)。
1他、J、 Vac Sci、 Technol、+
A5.2393+1987)。
音叉型水晶発振子の減衰からくる、もう1つの重要な問
題点は、水晶の取付支持部に起因する。
題点は、水晶の取付支持部に起因する。
固定の仕方が貧弱な取付支持部は、測定値を不正確に、
あるいは再現不能のものにし、かつ、非常にわずかな電
力しか、水晶で転換されない。これは、測定を非常に誤
り易いものにし、そして特に後者は、測定量の条件によ
って結果する。水晶の適格な位置定めを必要とさせる、
水晶に直接作用するガスの衝撃、あるいは汚染物または
ゴミの粒子も、無視できない重要な問題点である。
あるいは再現不能のものにし、かつ、非常にわずかな電
力しか、水晶で転換されない。これは、測定を非常に誤
り易いものにし、そして特に後者は、測定量の条件によ
って結果する。水晶の適格な位置定めを必要とさせる、
水晶に直接作用するガスの衝撃、あるいは汚染物または
ゴミの粒子も、無視できない重要な問題点である。
EP−A−0233054で提案された、特殊な形状の
水晶による測定は、水晶の測定特性の向上を可能にする
ものであるが、実施に必要な条件を満たすものではない
。このように特殊な水晶発振子の使用はまたも製造コス
トの高昇を招き、標準的で好適な音叉型水晶発振子、例
えば、腕時計や置時計の、時間維持要素に使われるもの
と同様な水晶発振子を使えるようにすべききだからであ
る。
水晶による測定は、水晶の測定特性の向上を可能にする
ものであるが、実施に必要な条件を満たすものではない
。このように特殊な水晶発振子の使用はまたも製造コス
トの高昇を招き、標準的で好適な音叉型水晶発振子、例
えば、腕時計や置時計の、時間維持要素に使われるもの
と同様な水晶発振子を使えるようにすべききだからであ
る。
EP−A−0180297に提案されているような、N
TC抵抗器を水晶発振子に直列に接続させることによっ
て温度の影響を補正する方法は、ただ不適当な結果を招
くだけである。何故ならば、自由に補正されるのは、わ
ずかに数度の範囲であって、特に高位の成分は未補正の
ままに残るからである。しかも恒温制御は、コストが殆
ど容認しがたいまでに高くつく。従って、本提案は、誤
差または過誤の補正が非常に限られるのみならず、同時
に、複雑に過ぎ9、経費のかかるのが問題である。
TC抵抗器を水晶発振子に直列に接続させることによっ
て温度の影響を補正する方法は、ただ不適当な結果を招
くだけである。何故ならば、自由に補正されるのは、わ
ずかに数度の範囲であって、特に高位の成分は未補正の
ままに残るからである。しかも恒温制御は、コストが殆
ど容認しがたいまでに高くつく。従って、本提案は、誤
差または過誤の補正が非常に限られるのみならず、同時
に、複雑に過ぎ9、経費のかかるのが問題である。
従来の減衰測定回路、例えば米国特許第4507970
号の回路などにおいては、出力量が実質的に、直線的に
減衰によっているという事実を考慮に入れていない。真
空測定の場合は一般に、測定すべき圧力範囲にわたって
、相対精度の一定している方が望ましいので、従来の回
路の場合で、かつ、低圧測定を行うときは、非常に小さ
い減衰、それゆえに非常に小さい出力量の変化を解明し
なければならず、それがまたさらに、低圧における、干
渉への敏感性を高めることになる。
号の回路などにおいては、出力量が実質的に、直線的に
減衰によっているという事実を考慮に入れていない。真
空測定の場合は一般に、測定すべき圧力範囲にわたって
、相対精度の一定している方が望ましいので、従来の回
路の場合で、かつ、低圧測定を行うときは、非常に小さ
い減衰、それゆえに非常に小さい出力量の変化を解明し
なければならず、それがまたさらに、低圧における、干
渉への敏感性を高めることになる。
本発明の目的は、従って、比較的に低い設計コスト、低
い製造コスト、および堅牢な構造で、非常に高精度な測
定を行い、一方1.干渉の影響を実質的に排除し、もし
くは補正できる音叉水晶型圧力計を提供することにある
。
い製造コスト、および堅牢な構造で、非常に高精度な測
定を行い、一方1.干渉の影響を実質的に排除し、もし
くは補正できる音叉水晶型圧力計を提供することにある
。
更に特定していえば、本発明の目的は、低圧において、
水晶におよぶ温度の影響を排除、または補正し、干渉の
影響を減するため、水晶の明確な位置定め取付けがなさ
れており、それが小さくまとまって、良くシールドされ
た構造となっており、外部からの電気的および機械的性
質の干渉を防ぎ、測定回路においては、線形回路の圧力
範囲よりも更に低い圧力範囲において、測定感度を向上
する、音叉水晶型圧力計用の測定ヘッドを提供すること
にある。
水晶におよぶ温度の影響を排除、または補正し、干渉の
影響を減するため、水晶の明確な位置定め取付けがなさ
れており、それが小さくまとまって、良くシールドされ
た構造となっており、外部からの電気的および機械的性
質の干渉を防ぎ、測定回路においては、線形回路の圧力
範囲よりも更に低い圧力範囲において、測定感度を向上
する、音叉水晶型圧力計用の測定ヘッドを提供すること
にある。
これら問題点は、請求項1の特徴の部分に記載された技
術によって解決される。
術によって解決される。
本発明は、特に利点の多い、水晶および電気回路の配列
、取付支持部およびその他の圧力計要素の特殊設計、な
らびに適切な材料の選択に基づく。
、取付支持部およびその他の圧力計要素の特殊設計、な
らびに適切な材料の選択に基づく。
本発明による構成要素の配列および電気回路の設計が、
実質的に干渉の影響を排除する。
実質的に干渉の影響を排除する。
これまでに提案された、音叉マノメータまたは圧力計の
概念では、前述した欠点を排除することができなかった
。その理由は、これまでの研究において、水晶の取付け
にほとんど注意が払われなかったことにある。
概念では、前述した欠点を排除することができなかった
。その理由は、これまでの研究において、水晶の取付け
にほとんど注意が払われなかったことにある。
水晶の取付けの性質が、水晶の振動エネルギーに決定的
な影響を持つことが判明した。水晶の振動エネルギーを
吸収することのない、すなわち、理想剛体、または理想
弾性体より構成される取付、または取付支持部を選択す
るのが最も好ましいということである。
な影響を持つことが判明した。水晶の振動エネルギーを
吸収することのない、すなわち、理想剛体、または理想
弾性体より構成される取付、または取付支持部を選択す
るのが最も好ましいということである。
更に、水晶の周波数変換が低いと、もし、干渉の影響、
例えば高周波放電や、容器(測定容積)内のプラズマな
どが、水晶に作用すると、問題になる。水晶と測定回路
間の電路長さの最短化、効果的なシールドあるいはスク
リーン効果も、従って、考慮しなければならない。
例えば高周波放電や、容器(測定容積)内のプラズマな
どが、水晶に作用すると、問題になる。水晶と測定回路
間の電路長さの最短化、効果的なシールドあるいはスク
リーン効果も、従って、考慮しなければならない。
上述の諸問題にもとづき、音叉水晶型圧力計の場合は、
幾何学的および回路の原理に最大の注意を払わなければ
ならないことがわかる。しかし、従来の手段においては
、この点にほとんど、あるいは全く注意が払われていな
い。
幾何学的および回路の原理に最大の注意を払わなければ
ならないことがわかる。しかし、従来の手段においては
、この点にほとんど、あるいは全く注意が払われていな
い。
本発明は、音叉型水晶に固有の問題は、測定回路または
測定ヘッドに本発明による技術を組み込むことによって
、圧力測定中根源において排除できる、あるいは、干渉
の影響が、水晶に作用する前に大部分消去できるという
考えにもとづいている。このためには、電気的概念と機
械的概念を、互いに適合させなければならない。いいか
えれば、電気回路は、測定ヘッドの構造が、構造上の特
徴を利用して処理されているか、あるいは、回路が構造
上の特徴を助けるという方法で、設計しなければならな
い。
測定ヘッドに本発明による技術を組み込むことによって
、圧力測定中根源において排除できる、あるいは、干渉
の影響が、水晶に作用する前に大部分消去できるという
考えにもとづいている。このためには、電気的概念と機
械的概念を、互いに適合させなければならない。いいか
えれば、電気回路は、測定ヘッドの構造が、構造上の特
徴を利用して処理されているか、あるいは、回路が構造
上の特徴を助けるという方法で、設計しなければならな
い。
以下に、本発明の実施例について、図面を参照しつつ、
詳細に説明する。
詳細に説明する。
第1図は、本発明による測定ヘッドの基本構造を示す。
測定ヘッドlはケーシング5を有し、ケーシング5は、
2つのケーシング部分5a、5bを1体にしたものであ
って、実質的に、領域6および測定域7を包囲している
。測定域7は、容器10か、測定環境、または周辺大気
に接続している。測定ヘッドの形状および寸法は、変更
することが可能である。ケーシング部分5bは、測定フ
ランジとして構成され、所要の壁厚を有し、測定域7を
包囲している。上部ケーシング部分5aは、大気圧下に
おいて領域6を封じており、例えばプラスチック製とす
ることが可能である。本実施例においては、ケーシング
の上部分は約3 cmの直径を有する。
2つのケーシング部分5a、5bを1体にしたものであ
って、実質的に、領域6および測定域7を包囲している
。測定域7は、容器10か、測定環境、または周辺大気
に接続している。測定ヘッドの形状および寸法は、変更
することが可能である。ケーシング部分5bは、測定フ
ランジとして構成され、所要の壁厚を有し、測定域7を
包囲している。上部ケーシング部分5aは、大気圧下に
おいて領域6を封じており、例えばプラスチック製とす
ることが可能である。本実施例においては、ケーシング
の上部分は約3 cmの直径を有する。
領域6は、電気または電子回路20を収容し、測定域7
に対して封止されている。下部ケーシング部分5b内の
、アセンブリの前にある開口9は、音叉型水晶を固定す
るために使用され、次に説明する方法で封止される。音
叉水晶2は、それの円筒形保護ケーシング3とともに開
口9に挿入される。保護ケーシングを開口9内に固定さ
せる方法は非常に重要である。何故ならば、妥当な組立
てを行うことによって、2つの異なった利点が得られる
からである。ケーシング部分5b、または測定フランジ
の壁厚は、開口9の近傍において、挿し込んだ保護ケー
シングが、ケーシング部分5bに対し、妥当な長さi′
で接続されることを可能にするものでなければならない
。音叉型水晶の保護ケーシング3と測定フランジ間の結
合は、封止コンパウンド4によって得られる。この、封
止コンパウンド4による結合部は、測定域7を、領域6
に関して気密にするもの、すなわち、領域6および7の
圧力状態を互いに無縁にするものである。
に対して封止されている。下部ケーシング部分5b内の
、アセンブリの前にある開口9は、音叉型水晶を固定す
るために使用され、次に説明する方法で封止される。音
叉水晶2は、それの円筒形保護ケーシング3とともに開
口9に挿入される。保護ケーシングを開口9内に固定さ
せる方法は非常に重要である。何故ならば、妥当な組立
てを行うことによって、2つの異なった利点が得られる
からである。ケーシング部分5b、または測定フランジ
の壁厚は、開口9の近傍において、挿し込んだ保護ケー
シングが、ケーシング部分5bに対し、妥当な長さi′
で接続されることを可能にするものでなければならない
。音叉型水晶の保護ケーシング3と測定フランジ間の結
合は、封止コンパウンド4によって得られる。この、封
止コンパウンド4による結合部は、測定域7を、領域6
に関して気密にするもの、すなわち、領域6および7の
圧力状態を互いに無縁にするものである。
ケーシング、または音叉型水晶の減衰については、測定
フランジへの結合を、非常に大きな、もしくは非常に小
さな動こわさをもって構成させることが可能である。構
造的理由からすれば、動こわさの高い方、例えば、エポ
キシ樹脂か、はんだ合金を使用する方が、好適である。
フランジへの結合を、非常に大きな、もしくは非常に小
さな動こわさをもって構成させることが可能である。構
造的理由からすれば、動こわさの高い方、例えば、エポ
キシ樹脂か、はんだ合金を使用する方が、好適である。
比較的小さな動こわさば、シリコン結合によって得られ
る。材料を選ぶ場合は、活動的な、腐食性の、あるいは
化学的反応の強い物質は測定域に浸入し、従って封止コ
ンパウンドに接触するおそれがあるので、保護ケーシン
グと測定フランジを結合させるには、特に不活性な材料
を使用するのがよい。また、材料を選ぶときは、前述し
た干渉の問題、あるいは熱の影響により音叉型水晶に作
用する問題を考慮に入れなければならない。
る。材料を選ぶ場合は、活動的な、腐食性の、あるいは
化学的反応の強い物質は測定域に浸入し、従って封止コ
ンパウンドに接触するおそれがあるので、保護ケーシン
グと測定フランジを結合させるには、特に不活性な材料
を使用するのがよい。また、材料を選ぶときは、前述し
た干渉の問題、あるいは熱の影響により音叉型水晶に作
用する問題を考慮に入れなければならない。
保護ケーシング3、および音叉型水晶2の温度の不安定
さは、もし理想的な熱的結合の結果として、測定ヘッド
が、大型サーマルシンクまたは熱源として働くのであれ
ば、最適な方法で補正されることが可能である。もし測
定ヘッドが、少なくとも音叉型水晶の近傍において、熱
の良伝導性を有するならば、明らかに利点である。この
点において、合金は、その高い熱伝導性からみて、封止
コンパウンド4として使用するには、特に適している。
さは、もし理想的な熱的結合の結果として、測定ヘッド
が、大型サーマルシンクまたは熱源として働くのであれ
ば、最適な方法で補正されることが可能である。もし測
定ヘッドが、少なくとも音叉型水晶の近傍において、熱
の良伝導性を有するならば、明らかに利点である。この
点において、合金は、その高い熱伝導性からみて、封止
コンパウンド4として使用するには、特に適している。
しかし、高熱伝導性を有するプラスチックは更に好適で
ある。何故ならば、水晶発振子の電気的接触は、封止コ
ンパウンド4を通して行われるからである。適切な材料
選択とは別に、堅固さも、開口9、保護ケーシング3、
および封止コンバウンド4の形状によって影響される。
ある。何故ならば、水晶発振子の電気的接触は、封止コ
ンパウンド4を通して行われるからである。適切な材料
選択とは別に、堅固さも、開口9、保護ケーシング3、
および封止コンバウンド4の形状によって影響される。
特殊な実施例においては、封止コンパウンド4も、アセ
ンブリの一要素、例えば、保護ケーシング3と音叉型水
晶2を結ぶ管部分として構成されることができ、あるい
はケーシング部分5bの一部として形成させることも可
能である。そのアセンブリ要素は、測定フランジに、封
止可能に固定させることができる。また、音叉型水晶の
保護ケーシング3を、測定フランジに押圧固定させるこ
とによって直接挿入する方法で構成させることもできる
。この方法は、結合の剛性に関して非常に良好な特性を
結果させる。
ンブリの一要素、例えば、保護ケーシング3と音叉型水
晶2を結ぶ管部分として構成されることができ、あるい
はケーシング部分5bの一部として形成させることも可
能である。そのアセンブリ要素は、測定フランジに、封
止可能に固定させることができる。また、音叉型水晶の
保護ケーシング3を、測定フランジに押圧固定させるこ
とによって直接挿入する方法で構成させることもできる
。この方法は、結合の剛性に関して非常に良好な特性を
結果させる。
ここに記した実施例に示される、保護ケーシング3と、
ケーシング部分5bの間の小さな隙間は、測定ヘッドお
よび音叉型水晶間の、非常に堅固な、または剛性の高い
結合を行うのに役立つ。もしケーシング部分5bへの非
常に堅牢な結合を望むのであれば、保護ケーシング3を
、封止コンパウンド4で、開口9に、少なくともそのケ
ーシング全長!の1八。で、堅牢に固定させる。保護ケ
ーシングの直径が約3鵬で、長さが5−かそれ以上であ
る場合、この結合の長さ!′は2〜3 mmとなり、水
晶の減衰は非常に小さくなる。
ケーシング部分5bの間の小さな隙間は、測定ヘッドお
よび音叉型水晶間の、非常に堅固な、または剛性の高い
結合を行うのに役立つ。もしケーシング部分5bへの非
常に堅牢な結合を望むのであれば、保護ケーシング3を
、封止コンパウンド4で、開口9に、少なくともそのケ
ーシング全長!の1八。で、堅牢に固定させる。保護ケ
ーシングの直径が約3鵬で、長さが5−かそれ以上であ
る場合、この結合の長さ!′は2〜3 mmとなり、水
晶の減衰は非常に小さくなる。
水晶発振子の保護ケーシング3は、その間口12を除い
て水晶発振子を包囲し、水晶を汚染および測定域7に作
用する圧力の衝撃から保護する。
て水晶発振子を包囲し、水晶を汚染および測定域7に作
用する圧力の衝撃から保護する。
このため、開口12は、保護ケーシングに対して横に配
置され、容器10からの矢印の方向には向いていないの
で、従って、象、激な圧力変動が生じた場合も、有害な
圧力の影響が音叉型水晶には及ばないようになっている
。
置され、容器10からの矢印の方向には向いていないの
で、従って、象、激な圧力変動が生じた場合も、有害な
圧力の影響が音叉型水晶には及ばないようになっている
。
測定ヘッドにおいて、測定回路20は、音叉型水晶2、
またはその保護ケーシング3の直接上方に位置している
。この理由は、水晶と測定回路の温度状態をなるべつ同
一にしたいのと、測定回路と水晶間の電路長さを最小に
保つためである。更に、高周波回路を、容器に対して容
易にシールドできる。水晶2は、非常に低い周波数レベ
ルを吸収するだけであり、かつ、周波数変動が非常に小
さいために、干渉の効果は、測定性能に大きく影響し、
測定を誤らせるおそれがある。特に、例えば真空室にお
ける塗装工程中のように、容器中に高周波放電やプラズ
マが存在するときは、特に困難を生ずる。測定回路20
を水晶ケーシング3の真上に配置したのは、このことを
考慮したためである。測定回路20と水晶2の温度を同
一にするために、測定回路は、熱の良導体である結合部
8によって測定フランジに固定されている。すなわち、
水晶2と同じケーシング部分5bに、かつ、できる限り
水晶2に近く固定されている。
またはその保護ケーシング3の直接上方に位置している
。この理由は、水晶と測定回路の温度状態をなるべつ同
一にしたいのと、測定回路と水晶間の電路長さを最小に
保つためである。更に、高周波回路を、容器に対して容
易にシールドできる。水晶2は、非常に低い周波数レベ
ルを吸収するだけであり、かつ、周波数変動が非常に小
さいために、干渉の効果は、測定性能に大きく影響し、
測定を誤らせるおそれがある。特に、例えば真空室にお
ける塗装工程中のように、容器中に高周波放電やプラズ
マが存在するときは、特に困難を生ずる。測定回路20
を水晶ケーシング3の真上に配置したのは、このことを
考慮したためである。測定回路20と水晶2の温度を同
一にするために、測定回路は、熱の良導体である結合部
8によって測定フランジに固定されている。すなわち、
水晶2と同じケーシング部分5bに、かつ、できる限り
水晶2に近く固定されている。
最も好適な場合、熱伝導結合部8および封止コンパウン
ド4は、測定回路20と水晶2の温度パターンまたは温
度変動を同一にする。適切な材料選択と、アセンブリ素
子および構成要素の適切な配列によって、測定回路と音
叉型水晶間に設けられる熱ブリッジを最適にすることが
可能であり、本実施例においては、熱ブリッジは封止コ
ンパウンド4、ケーシング部分5b、および結合部8で
形成され、この方法で、それらの間の温度差が避けられ
る。このようにして、温度関連構成要素(電気的および
機械的要素)は、大部分が、熱力学的平衡に保たれる。
ド4は、測定回路20と水晶2の温度パターンまたは温
度変動を同一にする。適切な材料選択と、アセンブリ素
子および構成要素の適切な配列によって、測定回路と音
叉型水晶間に設けられる熱ブリッジを最適にすることが
可能であり、本実施例においては、熱ブリッジは封止コ
ンパウンド4、ケーシング部分5b、および結合部8で
形成され、この方法で、それらの間の温度差が避けられ
る。このようにして、温度関連構成要素(電気的および
機械的要素)は、大部分が、熱力学的平衡に保たれる。
前述の構造は、本発明による測定ヘッドの構造が、減衰
および温度に帰因する誤差、ならびに容器中に生ずる妨
害または干渉の影響を、大半排除することを示している
。これが測定回路の電気的設計の基礎を形成する。温度
補正効力を発揮する、あるいは温度の影響をうける、測
定回路の要素は、好適に水晶2の真上に配置され、特殊
な熱ブリッジ18を備える。
および温度に帰因する誤差、ならびに容器中に生ずる妨
害または干渉の影響を、大半排除することを示している
。これが測定回路の電気的設計の基礎を形成する。温度
補正効力を発揮する、あるいは温度の影響をうける、測
定回路の要素は、好適に水晶2の真上に配置され、特殊
な熱ブリッジ18を備える。
本実施例においては、測定回路20はプリント基板上に
構成され、温度補正要素19は、その下側に備えられて
いる。熱伝導結合部18によって、要素19と音叉型水
晶の最適温度結合ができている。温度結合とは、熱伝導
度の高い材料、すなわち、熱の良導体による結合を意味
するものと理解されたい。
構成され、温度補正要素19は、その下側に備えられて
いる。熱伝導結合部18によって、要素19と音叉型水
晶の最適温度結合ができている。温度結合とは、熱伝導
度の高い材料、すなわち、熱の良導体による結合を意味
するものと理解されたい。
第1図かられかるように、本実施例は、本質的に2つの
熱ブリッジ8,18を有する。熱の伝導性を高めるため
には、前記のような熱伝導結合を数個設けてもよいし、
あるいは回路を、直接熱伝導体に結合させても、あるい
は鋳込んだり、取付けたりしてもよい。この熱伝導体は
、そのま−下部ケーシング部分5bの一部とすることも
できるし、または、広い面積で接続させることもできる
。
熱ブリッジ8,18を有する。熱の伝導性を高めるため
には、前記のような熱伝導結合を数個設けてもよいし、
あるいは回路を、直接熱伝導体に結合させても、あるい
は鋳込んだり、取付けたりしてもよい。この熱伝導体は
、そのま−下部ケーシング部分5bの一部とすることも
できるし、または、広い面積で接続させることもできる
。
第2図は測定回路の実施例を示す。その詳細な構造はこ
の図からすぐにとらえることができると思われるので、
以下に、必要な機能的原理のみを説明する。基礎回路2
3は、自動発振フィードバック回路より成る。非自励発
振回路と比較すると、関連する回路費用を減するという
利点がある。例えば、PLL回路を使用することも可能
であるが、但し、これは過渡振動や安定化という問題に
つながるおそれがある。第2図からもわかる通り、音叉
型水晶2は、2つの演算増幅器24a、24bの間に接
続されている。第2の演算増幅器の出力は、フィードバ
ック路を経て、第1演算増幅器の入力端に供給される。
の図からすぐにとらえることができると思われるので、
以下に、必要な機能的原理のみを説明する。基礎回路2
3は、自動発振フィードバック回路より成る。非自励発
振回路と比較すると、関連する回路費用を減するという
利点がある。例えば、PLL回路を使用することも可能
であるが、但し、これは過渡振動や安定化という問題に
つながるおそれがある。第2図からもわかる通り、音叉
型水晶2は、2つの演算増幅器24a、24bの間に接
続されている。第2の演算増幅器の出力は、フィードバ
ック路を経て、第1演算増幅器の入力端に供給される。
このフィードバック路には静電容量ダイオード25が含
まれており、そのバイアスは、制御ループ26をこえて
制御される。静電容量ダイオードのかわりに、1個かそ
れ以上のトランジスタ、またはその他の制御素子(第4
図参照)を使うことも可能である。制御の結果として、
音叉型水晶の共振振動数の場合、フィードバック回路を
こえる利得が、正確に1に等しくなる。所要の制御電圧
は、圧力変動の測定量として使用されるが、端子30を
こえて、対応する評価回路または測定器15の供給され
、表示される。この制御電圧を使用する利点は、静電容
量ダイオード、あるいはトランジスタが、測定信号に対
数的効果を持ち、従って、低圧範囲において増大された
感度を得ることが可能である。ゼロ点(HV値、すなわ
ち、高真空において水晶の直列抵抗を調整する)、およ
び感度(大気圧;測定すべき圧力範囲についての測定ス
ケール調整)を設定するため、2個のレギュレータ、例
えば電位差計27.28が備えられている。接続部29
が、測定器15、または評価回路を接続するために備え
られている。
まれており、そのバイアスは、制御ループ26をこえて
制御される。静電容量ダイオードのかわりに、1個かそ
れ以上のトランジスタ、またはその他の制御素子(第4
図参照)を使うことも可能である。制御の結果として、
音叉型水晶の共振振動数の場合、フィードバック回路を
こえる利得が、正確に1に等しくなる。所要の制御電圧
は、圧力変動の測定量として使用されるが、端子30を
こえて、対応する評価回路または測定器15の供給され
、表示される。この制御電圧を使用する利点は、静電容
量ダイオード、あるいはトランジスタが、測定信号に対
数的効果を持ち、従って、低圧範囲において増大された
感度を得ることが可能である。ゼロ点(HV値、すなわ
ち、高真空において水晶の直列抵抗を調整する)、およ
び感度(大気圧;測定すべき圧力範囲についての測定ス
ケール調整)を設定するため、2個のレギュレータ、例
えば電位差計27.28が備えられている。接続部29
が、測定器15、または評価回路を接続するために備え
られている。
抵抗器RIは、負の温度係数のマークをつけられた、温
度依存抵抗器である(NTC抵抗器):R,=R,。・
eBIT。本発明により、NTC抵抗器は、自動回路か
ら取除かれ、従って、水晶の高周波振動(例えば、30
キロヘルツ)の作用を受けないことは明らかである。こ
のNTC抵抗器R。
度依存抵抗器である(NTC抵抗器):R,=R,。・
eBIT。本発明により、NTC抵抗器は、自動回路か
ら取除かれ、従って、水晶の高周波振動(例えば、30
キロヘルツ)の作用を受けないことは明らかである。こ
のNTC抵抗器R。
は、測定回路の温度測定に使用され、その場合、温度の
変動に起因する水晶発振子の内部抵抗の変化は、回路内
で補正される。NTC抵抗器は、温度の変動によ、て生
ずる誤差の二次条件を殆ど補正するために接続される。
変動に起因する水晶発振子の内部抵抗の変化は、回路内
で補正される。NTC抵抗器は、温度の変動によ、て生
ずる誤差の二次条件を殆ど補正するために接続される。
補助回路素子R2によって、HV値の線形誤差を補正す
ることも可能である。本実施例においては、R2は、弱
い正の温度係数: R2= RZm・(l+αt)を持
つ金属抵抗器である。R1およびR2双方とも、音叉型
水晶2と熱的に接触している。NTC抵抗器の高周波減
結合は、長い電路部分によって問題を生ずることなしに
、水晶2の最適温度位置窓めを可能にする。
ることも可能である。本実施例においては、R2は、弱
い正の温度係数: R2= RZm・(l+αt)を持
つ金属抵抗器である。R1およびR2双方とも、音叉型
水晶2と熱的に接触している。NTC抵抗器の高周波減
結合は、長い電路部分によって問題を生ずることなしに
、水晶2の最適温度位置窓めを可能にする。
第3図は、2個の抵抗R1およびR2のかわりに使用さ
れることが可能であり、温度補正の目的に使用される回
路群の1例を示す。R2は第2図に示す実施例における
ものと同じ抵抗器である。
れることが可能であり、温度補正の目的に使用される回
路群の1例を示す。R2は第2図に示す実施例における
ものと同じ抵抗器である。
R+のかわりに、トランジスタおよび直流電圧源UIを
使用してもよい。ここでも同様に、R2およびT1は、
音叉型水晶に熱的に接触している。
使用してもよい。ここでも同様に、R2およびT1は、
音叉型水晶に熱的に接触している。
本発明による測定ヘッドの設計、およびながんづく測定
原理は、高周波回路が完全に測定ヘッド内に位置し、短
い電路と限られた障害感受性を有することに特徴がある
。測定ヘッド内の回路は小さく、安定しており、製造す
るのに費用かがからないし、一方、調整可能なので、測
定ヘッドの交換が可能である。今のところ必要とされて
いる、水晶の熱的安定化なしに、熱の影響による干渉を
補正することができる。
原理は、高周波回路が完全に測定ヘッド内に位置し、短
い電路と限られた障害感受性を有することに特徴がある
。測定ヘッド内の回路は小さく、安定しており、製造す
るのに費用かがからないし、一方、調整可能なので、測
定ヘッドの交換が可能である。今のところ必要とされて
いる、水晶の熱的安定化なしに、熱の影響による干渉を
補正することができる。
外部測定器用端子および結合部のためのコネクタは、第
1図において参照番号21で示されている。明らかに、
そのコネクタの近傍に、あるいは領域6内に、他の、測
定回路のための回路素子、例えば制御要素および調整要
素が、外部から接近できなければならない結合部29と
一緒になっても差支えない。
1図において参照番号21で示されている。明らかに、
そのコネクタの近傍に、あるいは領域6内に、他の、測
定回路のための回路素子、例えば制御要素および調整要
素が、外部から接近できなければならない結合部29と
一緒になっても差支えない。
第4図は、制御可能な素子としてトランジスタを使用す
る、フィードバック回路の、もう1つの実施例を示す。
る、フィードバック回路の、もう1つの実施例を示す。
前の実施例と同様に、水晶2は、2個の演算増幅器2a
、 24bの間に接続されている。
、 24bの間に接続されている。
電源32は、回路の作動点に、必要な電流を供給する。
2個のトランジスタT + 、 T zは、フィードバ
ック路に接続されて、制御可能な回路要素を形成する。
ック路に接続されて、制御可能な回路要素を形成する。
制御は、例えばPIレギュレータ31によって行われ、
出力30を経て得られる制御電圧は、測定量、または減
衰信号として使われる。この回路の利点は、非常に良好
な、明らかに定められた、減衰信号の対数的依存性が、
水晶の直列抵抗について得られることである(log
R水晶に比例する減衰信号)。特性が製造によって変化
する静電容量ダイオードに比べ、トランジスタによる解
決は、物理的な理由から、その特性が良好な対数的で、
はっきり定まったパターンを持つという利点を提供する
。図かられかる通り、減衰信号は、温度修正回路網22
に供給される。
出力30を経て得られる制御電圧は、測定量、または減
衰信号として使われる。この回路の利点は、非常に良好
な、明らかに定められた、減衰信号の対数的依存性が、
水晶の直列抵抗について得られることである(log
R水晶に比例する減衰信号)。特性が製造によって変化
する静電容量ダイオードに比べ、トランジスタによる解
決は、物理的な理由から、その特性が良好な対数的で、
はっきり定まったパターンを持つという利点を提供する
。図かられかる通り、減衰信号は、温度修正回路網22
に供給される。
水晶発振子を有するフィードバック回路のある測定回路
と、回路的には別個の、水晶発振子に結合された温度修
正回路網を、本発明の実施例のように、使用することに
よって、高周波の作用を受ける長い電路を必要とせずに
、回路を位置させることが可能となる。
と、回路的には別個の、水晶発振子に結合された温度修
正回路網を、本発明の実施例のように、使用することに
よって、高周波の作用を受ける長い電路を必要とせずに
、回路を位置させることが可能となる。
特殊な使用には、補足電気/電子回路、または回路要素
を測定ヘッドに取付けるか、または、結合部を経て、回
路素子21を測定回路20に接続させることが可能であ
る。第2図を参照して説明した測定回路は、本発明の原
理を離れることなく、本発明に従って、多様に変更され
ることが可能である。
を測定ヘッドに取付けるか、または、結合部を経て、回
路素子21を測定回路20に接続させることが可能であ
る。第2図を参照して説明した測定回路は、本発明の原
理を離れることなく、本発明に従って、多様に変更され
ることが可能である。
回路が、温度の変動によって生じ、本発明による測定ヘ
ッドの構造にもかかわらず残留する誤差を補正す、るた
めの要素を含み、かつ、同じ要素が、熱ブリッジをヘッ
ドし水晶発振子に、理想的な接触によって結合され、水
晶発振子に関して一定の温度パターンを有することが重
要である。また、これら温度補正要素を、高周波回路か
ら取り去ることも(電路の長さ、シールド、および損失
に関する問題を減するために)重要である。温度の動揺
は、これら要素を測定ヘッド上に適切に配列させること
によって、最小にすることが可能である。
ッドの構造にもかかわらず残留する誤差を補正す、るた
めの要素を含み、かつ、同じ要素が、熱ブリッジをヘッ
ドし水晶発振子に、理想的な接触によって結合され、水
晶発振子に関して一定の温度パターンを有することが重
要である。また、これら温度補正要素を、高周波回路か
ら取り去ることも(電路の長さ、シールド、および損失
に関する問題を減するために)重要である。温度の動揺
は、これら要素を測定ヘッド上に適切に配列させること
によって、最小にすることが可能である。
以上に述べた実施例においては、音叉型水晶2と測定回
路3が、熱伝導可能にケーシング部分5bに結合される
。上述した通り、このようにしてケーシングは、これら
の要素の温度補正の働きをすることが可能である。特殊
な使用については、特に、もし測定ヘッドを、しばしば
温度が変動する環境内で使用しなければならない場合は
、ケーシングとの上記したような熱接触は不利な影響を
与える。そのような場合は、熱ブリッジを経て相互接続
している測定回路3と音叉型水晶2を、熱を絶縁する方
法で、ケーシングに挿入されることが可能である。この
目的のために、領域6と測定域7の間に、例えば間仕切
を形成することができる、共通の取付支持部を備えるこ
とが可能である。
路3が、熱伝導可能にケーシング部分5bに結合される
。上述した通り、このようにしてケーシングは、これら
の要素の温度補正の働きをすることが可能である。特殊
な使用については、特に、もし測定ヘッドを、しばしば
温度が変動する環境内で使用しなければならない場合は
、ケーシングとの上記したような熱接触は不利な影響を
与える。そのような場合は、熱ブリッジを経て相互接続
している測定回路3と音叉型水晶2を、熱を絶縁する方
法で、ケーシングに挿入されることが可能である。この
目的のために、領域6と測定域7の間に、例えば間仕切
を形成することができる、共通の取付支持部を備えるこ
とが可能である。
このようにして、これら構成要素は、ケーシングの外に
影響を与える温度の変動とは無縁になり、一方、音叉型
水晶と測定回路を熱的に結合させるという本発明の目的
は維持される。
影響を与える温度の変動とは無縁になり、一方、音叉型
水晶と測定回路を熱的に結合させるという本発明の目的
は維持される。
本発明による測定プローブは、補足手段を要せず、高精
度が得られるので、同一申請人により、同一の申請口に
提出された特許申請書に記述された測定方法と併せて、
経済的に使用するのに特に適しており、それによって更
に高度な測定精度が得られる。
度が得られるので、同一申請人により、同一の申請口に
提出された特許申請書に記述された測定方法と併せて、
経済的に使用するのに特に適しており、それによって更
に高度な測定精度が得られる。
第1図は、本発明による測定ヘッドの構造を示す図;
第2図は、電気/電子測定回路を示す図;第3図は、測
定回路の温度補正要素を示す図;第4図は、制御可能な
要素としてトランジスタを有する、フィードバック回路
の基本回路図、である。 1・・・測定ヘッド、 2・・・音さ水晶、3・
・・保持ケーシング、 4・・・封止コンパウンド、
5・・・ケーシング、5a、 5b・・・ケーシング部
、6・・・領域、 7・・・測定域、8・
・・熱伝導結合部、 9・・・開口、10・・・容器
、 12・・・3の開口、18・・・熱ブリ
ッジ、 20・・・測定回路。 19・・・温度補正要素、 バルツエルス アクチェンゲゼルシャフト 特許出願代理人
定回路の温度補正要素を示す図;第4図は、制御可能な
要素としてトランジスタを有する、フィードバック回路
の基本回路図、である。 1・・・測定ヘッド、 2・・・音さ水晶、3・
・・保持ケーシング、 4・・・封止コンパウンド、
5・・・ケーシング、5a、 5b・・・ケーシング部
、6・・・領域、 7・・・測定域、8・
・・熱伝導結合部、 9・・・開口、10・・・容器
、 12・・・3の開口、18・・・熱ブリ
ッジ、 20・・・測定回路。 19・・・温度補正要素、 バルツエルス アクチェンゲゼルシャフト 特許出願代理人
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、保護ケーシング内に取付けられ、自体が自己発振フ
ィードバック回路の一部である音叉水晶を有する音叉型
圧力計であって、該保護ケーシング(3)が、封止コン
パウンド(4)によるか、もしくは直接に測定ヘッド(
1)のケーシングに、あるいは取付支持部に直接装着さ
れ、かつ、測定回路(20)が直接、該測定ヘッド内に
おいて該音叉水晶(2)に接近して配置され、熱的に音
叉水晶に結合していることを特徴とする、音叉水晶型圧
力計。 2、該測定回路(20)が、熱伝導結合部(8)により
ケーシング(5b)に結合され、かつ、該結合部(8)
、該封止コンパウンド(4)、および該ケーシング(5
b)が、該測定回路および該音叉水晶(2)間に熱ブリ
ッジを形成することを特徴とする、請求項1記載の音叉
水晶型圧力計。 3、該取付支持部が、熱的絶縁の方法で該ケーシング(
5a、5b)内に固定され、かつ、該結合部(8)、該
該封止コンパウンド(4)、および該取付支持部が、該
測定回路および該音叉水晶(2)間に熱ブリッジを形成
することを特徴とする、請求項1記載の音叉水晶型圧力
計。 4、該保護ケーシング(3)が、少なくともその長さの
1/10以上、該ケーシング(1)、または該取付支持
部に、堅牢に結合されていることを特徴とする、上記請
求項のいずれかに記載の、音叉水晶型圧力計。 5、該測定回路が、該音叉水晶(2)に熱的に結合され
た少なくとも1個の温度に依存する素子(25、R_1
、R_2、T_1、U_1)を備えたことを特徴とする
、上記請求項のいずれかに記載の、音叉水晶型圧力計。 6、該少なくとも1個の温度に依存する素子が、温度補
正回路網に包含され、該回路網は該音叉水晶を具備する
該フィードバック回路(23)から、高周波の見地から
、減結合されていることを特徴とする、請求項5記載の
、音叉水晶型圧力計。 7、一方では、該フィードバック回路(23)の制御電
圧出力(30)と、また他方では、少なくとも1個の温
度に依存するNTC抵抗器(R_2)を含む分圧器の出
力とが、いずれの場合も、測定器の1端子(29)に供
給されることを特徴とする、請求項5または6記載の、
音叉水晶型圧力計。 8、該フィードバック回路が、フィードバック調整用可
変バイアスを有する静電容量ダイオード(25)を具備
することを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の
、音叉水晶型圧力計。 9、該フィードバック回路が、フィードバック調整用の
1つまたはそれ以上のトランジスタ(T_1、T_2)
を具備することを特徴とする、請求項1から7までのい
ずれかに記載の、音叉水晶型圧力計。 10、請求項8記載の音叉水晶型圧力計による圧力測定
方法であって、該静電容量ダイオード(25)のバイア
スが、制御ループによって制御され、それによって、該
音叉水晶(2)の共振振動数における該フィードバック
回路(23)の利得が、少なくとも1にほぼ等しく、か
つ制御電圧が、圧力依存測定量として、該測定器(15
)の計算および表示用回路に供給され、かつ、圧力単位
で較正可能な測定量出力として指示または表示されるこ
とを特徴とする、圧力測定方法。 11、請求項9記載の音叉水晶型圧力計による圧力測定
方法であって、該トランジスタまたはトランジスタ(T
_1、T_2)が、制御ループを介して制御され、それ
によって、該音叉型水晶(2)の共振振動数における該
フィードバック回路(23)の利得が、少なくとも1に
ほぼ等しくなり、かつ制御電圧が、圧力依存被測定量と
して、該測定器(15)の計算および指示用回路に供給
され、かつ、圧力単位による較正可能な測定量出力とし
て指示または表示されることを特徴とする、圧力測定方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH00204/89-7 | 1989-01-23 | ||
| CH00204/89A CH687276A5 (de) | 1989-01-23 | 1989-01-23 | Stimmgabelquarz-Manometer. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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