JPH02266243A - 圧力の測定プロセスと気体圧力ゲージ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、計測技術の分野にあり、低圧域の気体圧力（
ｇａｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を測定するプロセス（Ｐｒ
ｏｃｅｓｓ）およびそのプロセスを実施する装置に関す
る。

〔従来の技術〕

熱伝導および摩擦圧力計またはゲージはイオン化圧力計
（ｍａｎｏｍｅｔｅｒ）またはゲージ（ｇａｕｇｅ）と
同様に、低圧域の全圧力を測定するのに用いられる。

最近気体摩擦圧力計またはゲージに含まれるクォーツ（
ｑｕａｒｔｚ）圧力計またはゲージがまた用いられるよ
うになった。すべての間接的な測定プロセスは、気体タ
イプによるものである。気体摩擦プロセスは、すべの間
接的な測定プロセスと同様に、測定の環境、すなわちセ
ンサの影響地帯において分子タイプの機能として、異っ
た役割をしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ここでは、熱伝導および気体摩擦のプロセスについて論
じる。本発明の目的は、適切な手順によって、気体タイ
プへの依存を減少させることである。

またそれは気体タイプへの依存を減少した測定器具が如
何にして、提供され得るかを示すことである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明を、次の図面に関して、詳細に述べよう。

第１図　分子量（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｍａｓｓ）に関
する２個のセンサの圧力依存の関係を示すダイヤグラム 第２図　補償気体圧力ゲージの基本構造第３図　２個の
圧力測定センサの信号を組合せる基本回路のダイヤグラ
ム 使用する２個のセンサのタイプの動作原理は、夫々は違
うけれども、共通の重要な点を持っており、これからこ
の点について簡単に論じよう。熱伝導ゲージで間接的に
測定する場合は、圧力を測定するための加熱線を囲んで
いる円筒（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ）に対して、取囲んでいる
気体（そのモル熱容Ｍｌ（ｍｏｌａｒｔｈｅｒｌｌａｌ
　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）をもつ）の熱伝導を経て、
その加熱線から各々の分子または原子からエネルギーが
伝わるのに対して、気体摩擦ゲージで直接に測定する場
合は、測定要素に関して、分子または原子の直接活動が
用いられる。

気体摩擦ゲージ例えばクォーツ圧力計またはゲ−ジの場
合は、振動の制動が、分子の分子量に比例して増加する
。分子は振動部分（手足（］　ｉｍｂ）　）に直面する
のである。

分子の大きさが増大すると、このことは誤差（余りに高
い）を読むことになる。圧力の尺度として、直列抵抗が
、共振時に測定される（また２３．１．８９出願のスイ
ス特許、同一出願人／発明者“汚染補償°゛を参照され
たい）。この直列抵抗は、分子量Ｍのルート（ｒｏｏ　
ｔ）にもっばら比例する。に、Ｋｏｋｕｂｕｎ等、Ｊ、
Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、、　Ｖｏｌ、Ａ５＋
　２５４０頁ｆｆ。

１９８７を参照されたい。

熱伝導ゲージの場合、そこでは特定の運動エネルギー　
ポテンシャル（平衡状態）が基準として用いられ、そし
てその発散が圧力として説明されているが取囲む気体の
運動エネルギーの大きさは、同様な重要な役割をなして
いる。

暖かい物体は、気体中において熱伝導により、そして輻
射によっである限られた程度まで主としてエネルギーを
失なう。圧力変化により生じるこの平衡に対する変動は
、圧力の変化として記入される。温度に対する直接な電
気測定量として、加熱線の電気抵抗（温度に依存する）
を用いることができる。その源（ｓｏｕｒｃｅ）からシ
ンク（ｓｉｎｋ）への熱伝導は、分子的プロセスであり
、即ちより暖かい物体の分子または原子から、より冷い
物体の分子へ（統計熱力学）パルスやエネルギーの移動
がおこる。ビラニセンサ（Ｐｉｒａｎｉ　５ｅｎｓｏｒ
）の場合、例えば熱源として加熱線が放熱器（ｈｅａｔ
　５ｉｎｋ）として冷たい円筒によって包囲されている
。放射する線は、−時的に一定の方法で、そして−時的
に変化する方法で、熱を吸収する環境に直面している。

放熱器（円筒）の前に、空間的に位置した分子は、この
環境に属する。そしてより高いまたは低いスピードの増
加で、それらの質量に応じて放射される原子の弾性的な
衝撃に対して反動（ｒｅａｃｔ）する。

環境との交互作用は、重い分子が存在するとき、吸収す
るエネルギーが少なくより遅くなる。このように、顕微
鏡的に考えれば、そのような環境は、原材料の分子間の
機械的なプロセスを制動する。

観測では、例えばピラニゲージの場合、分子量が増加す
ると、誤った（余りに低い）圧力が読まれることを示し
ている。ある圧力範囲にわたって、パワーは本質的にＭ
のルートに逆比例する。下記文献を参照されたい。

１、　　Ｓ、Ｄｕｓｈｍａｎ　ａｎｄ　Ｊ、Ｍルａｆｆ
ｅｒｔｙ、　５ｃｉｅｎｔ、Ｆｏｕｎｄ。

ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、　Ｗｉｌｅ
ｙ　１９７２゜２、　　Ｃｈ、Ｅｄｅｌｍａｎｎ　ａｎ
ｄ　ＨｌＧ、５ｃｈｎｅｉｄｅｒ、　Ｖａｋｕｕｍｐｈ
ｙｓｉｋ　ｕｎｄ−ｔｅｃｈｎｉｋ、　Ａｋａｄ、Ｖｅ
ｒｌａｇｓｇｅｓｅｌｌｓｈａｆｔ　１９７８゜ 上に論じた現象の各々は、特別なセンサに不正確な振舞
を導き、そしてこれは興味あることとして、第１図が示
そうとしているように、反比例している。圧電形共振器
は、気体タイプへの依存（ｄｅｐｅｎ−ｄｅｎｃｅ）を
示し、それは木質的にＶＨに比例し、そしてビラニセン
サは、気体タイプ依存でありＶＴに逆比例している。摩
擦ゲージや熱伝導ゲージの測定結果を組合せて（ｃｏｍ
ｂ　ｉｎ　ｉｎｇ）または結合して（ｊｏｉｎｔｌｙ）
処理する考えを採用すると、このことは周囲の気体の分
子量に関して、同時に２個のセンサでなされる圧力測定
ではある程度の無関係さを導くことになる。

［実施例］ 第１図は、分子または原子の質量の関数としての圧力変
化ΔＰ、熱伝導ゲージの関数Ｗ、気体摩擦ゲージの関数
Ｇを示している。ＧとＷは共に、無作為な形で示され、
そして単に質的な経路（ｐａｔｈ）またはパターン（ｐ
ａｔｔｅｒｎ）を指示しようとするものである。２関数
を組合せたＧ−Ｗの関数は、破線で示されている。同じ
無作為の方法で、２関数の交叉で示されているのが、分
子量Ｍ＝２８の窒素分子で、圧力変化δＰに相応してい
る。これは単に組合せによりもたらされる補償が、相対
的であり、絶対的ではないことを示そうとするものであ
る。そのようにして、変化δＰは、一定例えばシステム
的な誤差に相当し、然し関数Ｇ−Ｗは、その圧力変化は
、２つの他の関数ＧおよびＷの何れよりも分子量に関し
ての依存が非常に少ないことを示している。

これは、実際にそうである。同じ媒体中にクオーッ圧力
計とピラニ圧力計を絶対圧力基準（ａｂｓｏｌｕｔｅｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ　ｎｏｒｍａｌ）に関して、例えば窒素
真空において同時に測定すると、Ｎ、分子がＨｚ分子と
次々に、１モルの同−比で交替しており、その時補償信
号の組合せの場合、ただ僅かの圧力変化のみが観測され
、それは２つの単独の信号のものより遥かに小さいもの
であり、これは公知の振舞によれば、より大きな不正確
さをもつ測定である。それ故、著しい改良がただ１信号
の加算または乗算でも得られるのである。

可能な組合せまたは連結（ｌｉｎｋ）としてＧおよびＷ
信号の線形重ね合わせ（ｌｉｎｅａｒ　５ｕｐｅｒ　ｉ
ｍｐｏｓｉｎｇ）または加法があり、これは回路上の見
地から最も単純な手順であり、またＧおよびＷ信号の乗
算は、最適な性質にも拘らず、ここでは参照していない
他の組合せと共に、幾らか複雑である。より良い気体タ
イプへの依存を無くすには正しい測定値（すなわち、高
真空での値を引いた測定値）に重み付けして対数化し、
その後加算することにより、達成される。

これらの両方の組合せの場合には、厳密な組合せは得ら
れない。気体タイプへの依存は、コンピュータの努力を
増した場合には、更に減少する。

然しなから、非常に精密な組合せが、異った気体の場合
にもたらし得る方法が、実験的な測定の目的を形成し、
また文献に述べられたような洗練された理論の使用を含
み、そしてその結果は、本発明のプロセスに従って動作
する装置に用いられる。

然しなから、異った測定原理から生ずる２つの信号の組
合せ、もしくは連結お−よび処理を行なうことによって
、測定の精密さに対する一般的な改善を達成することが
可能なのである。

１つの例が、ピラニゲージとクォーツゲージを同じ支持
の上に、２つのセンサが共通に少くとも過度に大きくな
い圧力容積（ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｏｌｕｍｅ）に置か
れるように、載せることを意味する。アナログ信号は、
ビラニセンサの出力信号とクォーツ圧力計の出力信号の
アナログ信号は、例えば加算器（オペアンプ）で加算さ
れ、またはアナログ乗算器で乗算される。加算器または
乗算器の出力電圧は、測定圧力に比例して振舞う、公知
のゼロ効果は、出力信号の組合せによる信号処理の前に
、ビラニセンサ内の出力から取除かれる。

アナログの方法のように処理する代りに、また２個のセ
ンサの信号をディジタル化し、それらを数学的に組合せ
ることが可能である。このことは、更に補正要素、パラ
メータ、例えば８Ｐ等を導くことを可能とする。クォー
ツクリスタル発振器（ｑｕａｒｔｚ　ｃｒｙｓｔａｌ　
ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）（音叉発振器）の場合、温度の
安定化は、同じ発明者の前に述べたスイス特許出願で扱
っている特別な問題である。そして部分的に、これは温
度の安定化を扱っている。

ピラニゲージは熱伝導センサであり、そして高度に安定
化された温度をもっているのでそれは、同時に音叉発振
器のサーモスタット的な制御（ｔｈｅｒｍｏ−ｓｔａｔ
ｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ）に使用される。このようにして
、ビラニ電池の消費のサーモスタット的な制御が随伴し
て用いられている。この提案によって、音叉発振器は自
由に、開口を備えたケーシング（ｃａｓｉｎｇ）に吊さ
れ、ケーシングは、加熱要素を備えており、加熱要素は
、その抵抗がゼロに等しくない温度係数をもつように選
ばれるその結果それは、サーモスタット的な制御機能か
ら離れてピラニ圧力計として用いることができる。これ
は、最適の構造である。望まれる形式におけるビラニ／
圧電センサ要素（ｐｉｒａｎｉ／ｐｉｅｚｏ　ｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ　５ｅｎｓｏｒ　ｅｌｅｍｅｎｔ）の有利な取
付について、２３．１．８９出願のスイス特許″Ｍｅｃ
ｈａｎｉｃａｌ　５ｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｔ
ｕｎｉｎｇ　ｆｏｒｋｑｕａｒｔｚ　ｍａｎｏｍｅｔｅ
ｒ”から知ることができる。

第２図に示された補償形の気体摩擦／熱伝導圧力計の回
路図の場合に、本発明によるプロセスを実施するための
測定装置の１実施例を示している。

その装置は、ケーシング１からなり、それは図示されて
いない測定する容積に接続されている。ケーシングは、
フランジ１０の中に測定容積の方に開いた穴２を持って
いる。その穴に、熱伝導センサ１２例えばフィラメント
１１と円筒１３を持つピラニ電池が置かれている。

圧力計はまた、摩擦センサ２２例えば、商業的に利用で
きる時計用クォーツを持ち、それはケース１の穴２２の
中に置かれている。両方のセンサは電気的に回路３に接
続されている。そのクォーツは、測定面積に結合するた
めの横の開口１５を具備しており、その結果クォーツは
測定容積に接続された圧力である。

またビラニセンサの場合には、開口１５が測定容積に結
合するために備えられている。両方の開口１５は、それ
らを同じ圧力容積に導くような方法で配置されている。

絶対圧力に関する如何なる変化もδＰ誤差として入り、
そして気体タイプ依存とは何も関係はない。ケーシング
１の電子回路３は、２個のセンサの出力信号を評価する
ためと同様に、クォーツとピラニ電池を動作するために
設計されている。従って、第１図のダイヤグラムによる
Ｇ・Ｗ機能装置の実現が可能である。組合わされた機能
のための信号は、アナログまたはディジタルの方法で、
回路的見地から処理される（後に述べる説明を参照され
たい）。後者の場合には、処理は、マイクロプロセッサ
例えば回路３に集積されたマイクロプロセッサにおける
プログラムの形で行うことができる。−δＰのような前
の較正定数により、ハードウェアまたはソフトウェアの
何れかの方法で導入される。ハードウェアとソフトウェ
アの解明の組合せが明らかに、また可能である。

そのような構造の利点は、ピラニー池信号を測定するク
ォーツの出力信号と適切に組合せる場合に、気体タイプ
依存の本質的な補償が得られることである。

第３図は、ビラニ電池の出力信号と音叉クォーツの出力
信号を重ね得ることを示す基本回路である。

ビラニセル１２の出力信号Ｗと音叉クォーツＧ出力信号
Ｇが組合せ回路（ｃｏｍｂｉｎａｔａｒｉａｌ　ｃｉｒ
ｃｕｉｔ）で加えられる。この回路は、加算回路Ｗ十Ｇ
であり、または乗算回路Ｗ−Ｇにおける乗算が行われる
。

出力信号Ｃ＋Ｗ＋δＰまたはＣ−Ｗ＋δＰは、更に加算
回路Ｘにおいて増幅回路■における正確な測定圧力値Ｇ
−Ｗを得るために一定誤差δＰに対し逆符号の値−δＰ
が加えられる。組合せ回路に供給する前に各センサから
の信号は、望ましくは、調節（ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔ
ｒｅａｔｍｅｎｔ）を受ける。そこでは、例えば値αと
βが信号、例えば加算の間ゼロ効果を取除くために加え
られるαと、例えば、乗算間の重み付係数β（ｗｅｉｇ
ｈｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ）とが関連させられる。

〔発明の効果〕 前に述べた加法または乗法は、数学的に一般に、熱伝導
ゲージと気体摩擦ゲージそして特別な場合に、ビラニ圧
力計とクォーツ圧力計からセンサ信号をアナログ方法に
代ってディジタル化して、行なわれることができ、そし
てプログラム中のデータとして処理されると言うことは
明らかなことである。誤差特性の基本に関して、すべて
熱伝導センサが同じく良好でクォーツゲージとよく組合
され得るということではない。このことは、また気体摩
擦とピラニゲージの組合せに関しても適用できる。然し
ながら、センサ信号のディジタル処理の場合には、補正
を加えることは容易であり、アナログではそのようには
いかないのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、２個のセンサについて、分子量に依る圧力の
ダイヤグラムを示したもの、第２図は、補償気体圧力ゲ
ージの基本構造を示したもの、第３図は、２個の圧力測
定センサの信号を組合せる基本回路を示したものである
。 １・・・ケーシング、　　　　２・・・穴、３・・・電
子回路、　　　　ｌＯ・・・フランジ、１１・・・フィ
ラメント、 １２・・・熱伝導センサ、ピラニー電池、１３・・・円
筒、　　　　　　　１５・・・横方向の開口、２２・・
・気体摩擦センサ、　α・・・付加される値、β・・・
重み付係数、　　　■・・・増幅回路、Ｘ・・・加算回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧力望ましくは真空測定のプロセスであって、熱伝
   導ゲージからの信号および気体摩擦ゲージからの信号を
   測定することが、共通の測定信号に処理されることを特
   徴とする圧力の測定プロセス。 ２、熱伝導ゲージの測定信号と、気体摩擦ゲージの測定
   信号が、共通の測定信号を形成するために、線形に重畳
   されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。 ３、熱伝導ゲージ測定信号と、気体摩擦ゲージの測定信
   号が共通の測定信号を形成するために加算することを特
   徴とする請求項１または２記載のプロセス。 ４、熱伝導ゲージの測定信号と気体摩擦ゲージの測定信
   号が共通信号を形成するために乗算することを特徴とす
   る請求項１記載のプロセス。 ５、信号が乗算の前に、重み付けされることを特徴とす
   る請求項４記載のプロセス。 ６、共通の測定信号を形成する前に、信号が重み付けす
   ること、および（または）ゼロ効果を除くこと、および
   （または）対数化することによる前のプロセスを受ける
   ことを特徴とする請求項１乃至５の１項に記載のプロセ
   ス。 ７、修正値が、共通測定信号と関連させていることを特
   徴とする請求項１乃至６の１項に記載のプロセス。 ８、修正値は、一定の変化値（システム的誤差）である
   ことを特徴とする請求項７記載のプロセス。 ９、ピラニゲージが熱伝導ゲージとして用いられ、また
   音叉クオーツゲージが気体摩擦ゲージとして用いられる
   ことを特徴とする請求項１乃至８の１項に記載のプロセ
   ス。 １０、ピラニゲージがクオーツクリスタルゲージに対す
   るサーモスタットとしてまたはクオーツクリスタルゲー
   ジのサーモスタットがピラニゲージとして用いられるこ
   とを特徴とする請求項９記載のプロセス。 １１、気体タイプに依存しない圧力の望ましくは真空の
   測定のための補償ゲージであって、熱伝導ゲージと気体
   摩擦ゲージを共通の測定面積に配置し、そして２個のゲ
   ージの信号が、共通の信号を形成するために組合されて
   いるそのゲージに結合している信号処理ユニットによる
   ことを特徴とする補償ゲージ。 １２、その信号処理ユニットの中に、修正値が共通信号
   に適用され得る機能を備えていることを特徴とする請求
   項１１記載の補償ゲージ。 １３、ピラニゲージと音叉クオーツゲージが共通の測定
   面積に置かれ、そしてその処理ユニットが加算ユニット
   であることを特徴とする請求項１１または１２記載の補
   償ゲージ。 １４、ピラニゲージと音叉クオーツゲージが共通の面積
   に置かれ、そしてその処理ユニットが乗算ユニットであ
   ることを特徴とする請求項１１または１２記載の補償ゲ
   ージ。 １５、信号の前処理回路が、ピラニゲージと音叉クオー
   ツゲージに従う信号を組合せるための回路の上流に備え
   られていることを特徴とする請求項１１乃至１４記載の
   補償ゲージ。 １６、その信号の前置処理回路が対数化の機能を含んで
   いることを特徴とする請求項１５記載の補償ゲージ。 １７、ゲージの信号をディジタル化する手段と、そのデ
   ィジタル信号を評価する手段が備えられていることを特
   徴とする請求項１１乃至１６記載の補償ゲージ。 １８、クオーツクリスタル圧力計のサーモスタット的な
   制御がピラニゲージの部分として構成されていることを
   特徴とする請求項１１乃至１７の１項に記載の補償ゲー
   ジ。