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技術 2つの圧力センサの出力信号を評価するための方法、及び2つの圧力測定センサを有する圧力測定装置、並びにこの装置を備えた圧力測定ヘッド

出願人 ウンアクシスバルツェルスアクチェンゲゼルシャフト
発明者 ルドルフストッカーアーミンレオストエックリマーティンボーシュ
出願日 1994年12月15日 (24年10ヶ月経過) 出願番号 1994-311837
公開日 1995年8月11日 (24年2ヶ月経過) 公開番号 1995-209122
状態 特許登録済
技術分野 流体圧力測定 特定目的付指示記録装置と料金計量装置
主要キーワード デカード 移行域 ヒーターコイル 限界圧力値 圧力測定センサ 測定出力信号 有効測定範囲 高圧範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

目的

圧力測定装置に関し、複数の圧力センサを組み合わせて個々のセンサ測定範囲より広い測定範囲を正確且つ連続的に測定することを目的とする。

構成

例えば、冷陰極電離センサピラニセンサとを組合わせ、各センサによる各測定範囲がオーバーラップする過渡域(ΔP)に重み付け技術を適用し、各センサ特性曲線を明確に且つ連続的に移行させる(UA)。

概要

背景

絶対圧力バールから超高真空までの範囲における圧力を測定するための種々の測定原理が知られている。しかし、今日知られている真空測定原理には、いずれも欠点があり、その主なものは下記の通りである。
−限られた測定範囲
ガスの種類に左右されること、
−温度,汚染劣化のような撹乱要因に影響されること、及び、
コスト的要因、が挙げられる。

特に、制約される測定範囲に関して、上記問題を解決するための手がかりは、圧力媒体の作用を受けるそれぞれ異なる測定原理に基づいた複数の圧力センサを使用し、これらを組合わせることにある。この目的を達成するためには、下記の解決策が知られている。

1.それぞれが異なる測定原理に従って作用する少なくとも2つの別々に構成されたセンサからの測定信号を共通の評価装置において処理する。一方のセンサの信号に呼応して、即ち、このセンサに割当てられている圧力範囲限界圧力値に達すると、第2のセンサにスイッチされる。圧力範囲に応じて一方又は他方のセンサの信号が評価測定装置に於いて表示される。尚、この技術の一例としては、Balzersの装置PKG100,TRG300,IMG300や、Leybold社の装置COMBIVAC,COMBITRONのピラニセンサ冷陰極又は熱陰極電離センサの組合わせを挙げることができる。

このアプローチの利点は、その測定範囲が広いことであるが、特に2つの別々のセンサ装置を必要とすること、及び、例えば2つの継手フランジのような取付け手段を設けねばならないことからコストが高くなり、更に、一方のセンサから他方のセンサへの切換えに伴ない、圧力範囲に於いて現われる出力信号が連続的ではなく、且つ明確でもないことにある。ガスの種類に依存する等の撹乱要因は、利用される測定原理が多様であるだけに極めて複雑になり、上記切換えに伴なう飛越しも極めて大きくなる恐れがある。例えば、上記切換え範囲における安定した圧力調整は不可能である。

2.コスト及びスペース需要を軽減するため、異なる測定原理に従って作用する異なる測定センサを共通のフランジに一体的に設けることも知られている。又、上記項目1で述べたようなセンサ信号の評価に関する問題を解決する試みも知られている。例えば、Thyracont Electronic社(Passau)の装置VSKP45Mでは、圧電抵抗膜センサとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込んでいる。熱陰極電離マノメータとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込むことも、例えば、C.Edelmann等の論文「Feingeraetetechnik 24 」,S.408-411 (1975)や、ヨーロッパ特許第0233784号、及び米国特許第4755669号、並びに、AML社の測定管AIG17P等から公知である。

上記問題に対して、ガス摩擦マノメータと熱陰極電離マノメータとを組合わせて1つのフランジに組込むことも、例えば、米国特許第4747311号に於いて知られている。上述のように、これら公知例では、いずれの場合にも範囲の限界に達するとセンサ信号が切換わり、その出力信号が交互に表示されるだけである。しかし、上記項目1に述べたアプローチよりはコストが節減される。

3.ガス摩擦マノメータとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込み、両方のセンサの出力信号が広い圧力範囲にわたり切換えに伴なう飛越しをもつことなく連続的な圧力信号を生成するように処理することもヨーロッパ特許第0347144号に於いて知られている。

4.ガス摩擦マノメータとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込むと共に、両方のセンサの信号を組合わせることにより、ガスの種類に殆ど関係なく出力信号を生成することもヨーロッパ特許第0379841号(米国特許第4995264号)にて知られている。

5.広範囲に亘って高感度を示す高度計を開発するために、膜圧力センサと、ピラニセンサに相当する熱伝導センサとを組合わせることも米国特許第3064478号に於いて知られている。

本発明は、ヨーロッパ特許第0347144号に於いて公知の上記技術を起点にしている。上記特許に於けるものは、真空中に水晶発振器を配置し、ピラニセンサのように、ヒーターコイルから周囲への熱伝導を水晶発振器に対する加熱効果によって感知するものである。この場合、圧力が変化しても水晶発振器の共振周波数が一定に保たれるようにコイル加熱電流を制御する。制御部材としてのヒーターコイルに供給される電気加熱エネルギーは、第1のセンサ出力信号の形で測定され、水晶発振器の共振周波数は、第2のセンサ出力信号の形で測定される。共振周波数を一定に保つためヒーターコイルに供給すべき電力の圧力依存度は、低圧範囲に於いて低下し、一定の最小電力値で充分となり、共振電圧高圧範囲において低下し始めるという所見に基づき、センサ出力信号の形を取る双方の量、即ち、加熱エネルギーと共振電圧を総合することにより7圧力デカードに亘る圧力識別を可能にする圧力識別特性曲線が得られる。

ヨーロッパ特許第0347144号に開示されている技術では、広い圧力範囲を測定できるが、そこに開示されている信号オーバーレイ技術は、水晶発振器の熱共振性に依存し過ぎるきらいがある。

概要

圧力測定装置に関し、複数の圧力センサを組み合わせて個々のセンサの測定範囲より広い測定範囲を正確且つ連続的に測定することを目的とする。

例えば、冷陰極電離センサとピラニセンサとを組合わせ、各センサによる各測定範囲がオーバーラップする過渡域(ΔP)に重み付け技術を適用し、各センサ特性曲線を明確に且つ連続的に移行させる(UA)。

目的

そこで本発明の目的は、圧力範囲の過渡域、即ち中間域において、測定信号に飛越し又はヒステリシス効果が発生しないように、測定すべき圧力範囲全域に亘って公知の圧力センサを各センサに特異な測定範囲と組合わせることができる冒頭に示した方法を提供することにある。これにより、使用目的に応じて好適なセンサの組合わせを選択することができ、且つ、選択したセンサの組合わせによって測定技術的に明確に把握できる圧力範囲を上記ヨーロッパ特許第0347144号にて公知の方法で達成できる範囲よりも一層広くでき、特に、個別センサの場合よりも一層広い範囲を明確に測定することができる。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
9件

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請求項1

高圧力範囲を対象として構成された第1の圧力センサと、低圧力範囲を対象として構成された第2の圧力センサとの2つの圧力センサ(1,3)であって、両方の圧力測定範囲中間域で互いにオーバラップするがこの中間域では同じ圧力に対して異なる出力信号特性値を有するような2つの圧力センサ(1,3)の出力信号を評価する方法において、a)pp :第1のセンサ(1)の出力信号、pk :第2のセンサ(3)の出力信号、f: 圧力pと共に連続的にかつ単調に変化する重み付け関数として、中間域に特に並列位置ずれする出力信号特性が存在する場合には、A=fpp +(1−f)pkで表わされる共通出力信号Aを形成し、b)実質的に勾配の異なる外挿過程の場合には,A=pp f *pk (1-f)で表わされる出力信号Aを形成し、前記第2のセンサ(3)の圧力範囲の上限圧及びそれ以下の範囲では重み付関数fを実質的に「0」に設定し、第1のセンサの圧力範囲の下限圧以上の範囲では実質的に「1」に設定することを特徴とする2つの圧力センサの出力信号を評価する方法。

請求項2

前記第1のセンサ(1)をピラニセンサで構成すると共に、前記第2のセンサを冷陰極電離センサ(3)で構成し、前記重み付け関数(f)が、前記第1のセンサ(1)の出力信号と依存関係にある信号、又はこれと共通な出力信号(A)と依存関係にある信号との組合わせによって与えられることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項3

λ=e/kT、e=電気素量、k=ボルツマン定数、T=絶対温度、U=c+ d*logppとして、f=1/(exp(−λU)+1)に従って重み付け関数fを求めることを特徴とする請求項2に記載の方法。

請求項4

前記各信号(Pp ,Pk ,A)をアナログ技術で処理することにより、又は、パルス幅変調センサ出力信号と依存関係の信号を共通の出力へ排除することにより、あるいはディジタル信号処理により重み付けを形成することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の方法。

請求項5

a及びbを定数とし、重み付け関数fを以下の式f=f(pp a *Ab )に従って形成することを特徴とする請求項1,2,4のいずれか1項に記載の方法。

請求項6

高圧力範囲を対象として構成された第1の圧力センサと、低圧力範囲を対象として構成された第2の圧力センサとの2つの圧力測定センサ(1,3)を具備し、両センサによる圧力範囲が中間域で互いにオーバラップするがこの中間域では同じ圧力に対し異なる出力信号特性値を有するような圧力測定装置に於いて、A:重み付け及び評価ユニットの出力信号、pp :第1のセンサ(1)の出力信号、pk :第2のセンサ(3)の出力信号、f:中間域にて「0」と「1」の間を連続的にかつ単調に推移する重み付け関数、として、前記センサ(1,3)の出力を重み付け及び評価ユニット(5,7)に伝送し、前記ユニットの出力信号Aが、少なくとも最初の近似値において、次式A=fpp +(1−f)pk又は、A=pp f *pk (1-f)によって与えられるように構成したことを特徴とする圧力測定装置。

請求項7

前記重み付け及び評価ユニット(5,7)にて、前記重み付け関数(f)が、一方のセンサの出力により、又は一方のセンサの出力及び前記重み付け及び評価ユニット(5,7)の出力により制御されるように構成されていることを特徴とする請求項6に記載の装置。

請求項8

前記第1のセンサがピラニセンサであり、前記第2のセンサが冷陰極電離センサであることを特徴とする請求項7に記載の装置。

請求項9

前記第1のセンサがピラニセンサであり、前記第2のセンサが冷陰極電離センサであり、前記重み付け及び評価ユニットが、次式A=pp f *pk (1-f)に従って出力信号を形成することを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の装置。

請求項10

前記重み付け及び評価ユニットが、前記両センサの出力信号をそれぞれ対数化するための対数計算ユニットを備えることを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の装置。

請求項11

前記重み付け及び評価ユニットが、前記ピラニセンサの出力信号によって制御されるバイポーラトランジスタを備え、該バイポーラトランジスタに於ける入力側のベースエミッタ電圧出力側コレクタ電流との間の対数依存関係が前記重み付けに利用されるように構成されていることを特徴とする請求項9又は10に記載の装置。

請求項12

前記重み付け及び評価ユニットが、パルス幅制御された前記両センサの出力信号をオーバーレイユニットにてオーバーレイするパルス幅変調回路を備え、前記パルス幅変調に於けるパルスデューティ要素が前記ピラニセンサの出力信号、又は前記ピラニセンサの出力信号及びオーバーレイユニットの出力信号によって制御されるように構成されていることを特徴とする請求項9から11のいずれか1項に記載の装置。

請求項13

前記重み付けのためにトランジスタ回路パルス幅変調ユニット,又はディジタル信号処理ユニットを設けたことを特徴とする請求項6から12のいずれか1項に記載の装置。

請求項14

圧力媒体及び電気出力源収容孔を有する圧力測定ヘッドに於いて、前記請求項6から13のいずれか1項に記載の圧力測定装置を備えることを特徴とする圧力測定ヘッド。

請求項15

ピラニセンサ及び冷陰極電離センサを一体構造として備えることを特徴とする請求項14に記載の圧力測定ヘッド。

請求項16

前記センサの内、一方のセンサ(3)がエッジの鋭い点弧電極を有する冷陰極電離センサであることを特徴とする請求項14又は15に記載の圧力測定ヘッド。

請求項17

前記ピラニ/冷陰極電離センサの組合わせの代りに、ガス摩擦マノメータ/冷陰極電離センサの組合わせ、ピラニ/熱陰極電離センサの組合わせ、測定範囲の異なる2つの膜マノメータの組合わせ、の内、少なくともいすれか1つの組合わせを使用することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。

請求項18

前記ピラニ/冷陰極電離センサの組合わせの代りに、ガス摩擦マノメータ/冷陰極電離センサの組合わせ、ピラニ/熱陰極電離センサの組合わせ、測定範囲の異なる2つの膜マノメータの組合わせ、の内、少なくともいすれか1つの組合わせを使用することを特徴とする請求項6から13のいずれか1項に記載の装置。

請求項19

前記ピラニ/冷陰極電離センサの組合わせの代りに、ガス摩擦マノメータ/冷陰極電離センサの組合わせ、ピラニ/熱陰極電離センサの組合わせ、測定範囲の異なる2つの膜マノメータの組合わせ、の内、少なくともいすれか1つの組合わせを使用することを特徴とする請求項14から16のいずれか1項に記載の圧力測定ヘッド。

請求項20

前記圧力測定センサとして、3つ以上の圧力センサを使用することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。

請求項21

前記圧力測定センサとして、3つ以上の圧力センサを使用することを特徴とする請求項6から13のいずれか1項に記載の装置。

請求項22

前記圧力測定センサとして、3つ以上の圧力センサを使用することを特徴とする請求項14から16のいずれか1項に記載の圧力測定ヘッド。

技術分野

−それぞれの測定範囲が異なる2つの膜マノメータ、の少なくとも2組を組合わせるか、又は上述のセンサと組合わせてセンサ組合わせを構成し、明確に測定できる圧力範囲を広げることも可能である。

背景技術

0001

本発明は、請求項1の前提部分に記載されているような、2つの圧力センサ出力信号を評価する方法,及び、請求項6の前提部分に記載されているような圧力測定装置、並びに請求項14又は15の前提部分に記載されているような圧力測定ヘッドに関する。

0002

絶対圧力バールから超高真空までの範囲における圧力を測定するための種々の測定原理が知られている。しかし、今日知られている真空測定原理には、いずれも欠点があり、その主なものは下記の通りである。
−限られた測定範囲、
ガスの種類に左右されること、
−温度,汚染劣化のような撹乱要因に影響されること、及び、
コスト的要因、が挙げられる。

0003

特に、制約される測定範囲に関して、上記問題を解決するための手がかりは、圧力媒体の作用を受けるそれぞれ異なる測定原理に基づいた複数の圧力センサを使用し、これらを組合わせることにある。この目的を達成するためには、下記の解決策が知られている。

0004

1.それぞれが異なる測定原理に従って作用する少なくとも2つの別々に構成されたセンサからの測定信号を共通の評価装置において処理する。一方のセンサの信号に呼応して、即ち、このセンサに割当てられている圧力範囲の限界圧力値に達すると、第2のセンサにスイッチされる。圧力範囲に応じて一方又は他方のセンサの信号が評価測定装置に於いて表示される。尚、この技術の一例としては、Balzersの装置PKG100,TRG300,IMG300や、Leybold社の装置COMBIVAC,COMBITRONのピラニセンサ冷陰極又は熱陰極電離センサの組合わせを挙げることができる。

0005

このアプローチの利点は、その測定範囲が広いことであるが、特に2つの別々のセンサ装置を必要とすること、及び、例えば2つの継手フランジのような取付け手段を設けねばならないことからコストが高くなり、更に、一方のセンサから他方のセンサへの切換えに伴ない、圧力範囲に於いて現われる出力信号が連続的ではなく、且つ明確でもないことにある。ガスの種類に依存する等の撹乱要因は、利用される測定原理が多様であるだけに極めて複雑になり、上記切換えに伴なう飛越しも極めて大きくなる恐れがある。例えば、上記切換え範囲における安定した圧力調整は不可能である。

0006

2.コスト及びスペース需要を軽減するため、異なる測定原理に従って作用する異なる測定センサを共通のフランジに一体的に設けることも知られている。又、上記項目1で述べたようなセンサ信号の評価に関する問題を解決する試みも知られている。例えば、Thyracont Electronic社(Passau)の装置VSKP45Mでは、圧電抵抗膜センサとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込んでいる。熱陰極電離マノメータとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込むことも、例えば、C.Edelmann等の論文「Feingeraetetechnik 24 」,S.408-411 (1975)や、ヨーロッパ特許第0233784号、及び米国特許第4755669号、並びに、AML社の測定管AIG17P等から公知である。

0007

上記問題に対して、ガス摩擦マノメータと熱陰極電離マノメータとを組合わせて1つのフランジに組込むことも、例えば、米国特許第4747311号に於いて知られている。上述のように、これら公知例では、いずれの場合にも範囲の限界に達するとセンサ信号が切換わり、その出力信号が交互に表示されるだけである。しかし、上記項目1に述べたアプローチよりはコストが節減される。

0008

3.ガス摩擦マノメータとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込み、両方のセンサの出力信号が広い圧力範囲にわたり切換えに伴なう飛越しをもつことなく連続的な圧力信号を生成するように処理することもヨーロッパ特許第0347144号に於いて知られている。

0009

4.ガス摩擦マノメータとピラニセンサとを組合わせて1つのフランジに組込むと共に、両方のセンサの信号を組合わせることにより、ガスの種類に殆ど関係なく出力信号を生成することもヨーロッパ特許第0379841号(米国特許第4995264号)にて知られている。

0010

5.広範囲に亘って高感度を示す高度計を開発するために、膜圧力センサと、ピラニセンサに相当する熱伝導センサとを組合わせることも米国特許第3064478号に於いて知られている。

0011

本発明は、ヨーロッパ特許第0347144号に於いて公知の上記技術を起点にしている。上記特許に於けるものは、真空中に水晶発振器を配置し、ピラニセンサのように、ヒーターコイルから周囲への熱伝導を水晶発振器に対する加熱効果によって感知するものである。この場合、圧力が変化しても水晶発振器の共振周波数が一定に保たれるようにコイル加熱電流を制御する。制御部材としてのヒーターコイルに供給される電気加熱エネルギーは、第1のセンサ出力信号の形で測定され、水晶発振器の共振周波数は、第2のセンサ出力信号の形で測定される。共振周波数を一定に保つためヒーターコイルに供給すべき電力の圧力依存度は、低圧範囲に於いて低下し、一定の最小電力値で充分となり、共振電圧高圧範囲において低下し始めるという所見に基づき、センサ出力信号の形を取る双方の量、即ち、加熱エネルギーと共振電圧を総合することにより7圧力デカードに亘る圧力識別を可能にする圧力識別特性曲線が得られる。

発明が解決しようとする課題

0012

ヨーロッパ特許第0347144号に開示されている技術では、広い圧力範囲を測定できるが、そこに開示されている信号オーバーレイ技術は、水晶発振器の熱共振性に依存し過ぎるきらいがある。

課題を解決するための手段

0013

そこで本発明の目的は、圧力範囲の過渡域、即ち中間域において、測定信号に飛越し又はヒステリシス効果が発生しないように、測定すべき圧力範囲全域に亘って公知の圧力センサを各センサに特異な測定範囲と組合わせることができる冒頭に示した方法を提供することにある。これにより、使用目的に応じて好適なセンサの組合わせを選択することができ、且つ、選択したセンサの組合わせによって測定技術的に明確に把握できる圧力範囲を上記ヨーロッパ特許第0347144号にて公知の方法で達成できる範囲よりも一層広くでき、特に、個別センサの場合よりも一層広い範囲を明確に測定することができる。

0014

この目的は、請求項1の特徴部分に記載した形態によって達成される。

0015

特に好ましいセンサの組合わせは、ピラニセンサと冷陰極電離センサとの組合わせである。一方のセンサから他方のセンサへの上記移行制御に関し、本発明の好ましい組合わせは、冷陰極電離センサからの熱発生が熱陰極電離センサよりもはるかに少ないという点で、ピラニセンサと熱陰極電離センサとの組合わせを使用した場合よりもはるかに有利である。これにより、一方のセンサから他のセンサへの熱障害排気による障害は著しく軽減される。従ってピラニセンサと熱陰極電離センサとを構造的一体化する場合よりも、ピラニセンサと冷陰極電離センサとを組合わせる場合の方が構造を一層コンパクトにすることができる。

0016

ピラニセンサの有効測定範囲は、10-3メガバール以下から100メガバール以上までであり、又、冷陰極電離センサの有効測定範囲は、例えば、Max Wutzの「Theorie und Praxis der Vakuumtechnik」,Friedr. Vieweg & Sohn(Braunschweig/Wiesbaden)から公知のなように、少なくとも10-8メガバールから10-2メガバールまでであることから、本発明に於ける組合わせ選択では、7デカードをはるかに上回る9圧力デカード以上の圧力範囲、即ち、例えば10-8メガバールから100メガバールまでをカバーする。そして、本発明が提案するセンサの出力信号の重み付けの組合わせにより、圧力範囲全域を明確に測定することができる。

0017

この好ましいセンサ組合わせでは、請求項2に記載されているように、請求項1に記載の重み付け関数をピラニセンサの出力信号によって制御する。このときピラニセンサは、全圧力範囲、特に10-4メガバールから10-2メガバールまでの中間圧力範囲でも有効に測定することができる。好ましい実施態様では、上記重み付け関数をピラニ出力信号と、重み付けされて組合わされる出力信号からフィードバックされた信号とを組合わせることによって得られる。

0018

請求項2に言及されている実施態様に続いて請求項3に記載されている実施態様では、特にバイポーラトランジスタにおけるアナログ回路技術による重み付け信号のオーバーレイの実現が容易になる。

0019

基本的には、上述のように、アナログ技術によって、又は後述するようにパルス幅変調技術によって、或いは、場合によっては請求項4に記載されるようにディジタル化されたセンサ出力信号の演算処理によって行うことができる。

0020

本発明に係る好ましいピラニセンサ/冷陰極電離センサの組合わせにも利用され、請求項1に規定される第2の実施態様に相当する乗算的な重み付けは、請求項5に記載されているように行うことが好ましい。この場合、上述のように、重み付け関数がピラニ出力信号とフィードバック信号とを組合わせることによって最適条件に制御される。尚、このフィードバック信号は重み付けされて組合わされた出力信号から形成される。

0021

更に、本発明に係る圧力測定センサは、請求項6の特徴部分に記載した構成によって上記目的を達成するものであり、その好ましい実施態様は、請求項7から請求項13までに規定されている。

0022

請求項14に記載された本発明に係る圧力測定ヘッドは、請求項6から請求項13までのいずれか1項に記載の圧力測定装置内に構成され、基本的には請求項15に記載されているように、構造的にはヘッドと一体化されたピラニセンサ及び冷陰極電離センサの上記好ましい組合わせ形態を含むものである。

0023

まず、図1を参照しながら本発明に係る信号処理技術原理を説明する。

0024

図1に於いては「P」型及び「K」型の2個のセンサ1,3が設けられている。センサ1及び3は、同一の感知物理量pに対応する出力信号Pp 及びPk を生成する。その際、例えばセンサ1は、物理量pの高値域において、センサ3は物理量pの低値域においてそれぞれ領域別の各測定信号を出力する。

0025

センサ1,3の各出力信号は、重み付けユニット5に供給される一方、測定値評価ユニット7にも供給される。測定値評価ユニット7は、物理量pを表わす信号として出力信号Aを生成する。中間値域ΔPが求められ、この中間値域内でセンサ1からセンサ3への移行域に関する測定が行われる。

0026

多くの場合、重み付けユニットには測定値評価ユニット7の出力信号Aも供給され、センサ出力信号及び測定値評価ユニットの出力信号に応じて重み付けユニット5内では、重み付け関数fが形成される。又、測定値評価ユニット7内では、センサ出力信号及び重み付け関数fに応じた出力信号Aが形成される。

0027

以下、重み付けの詳細について説明する。

0028

センサ出力信号の加算的組合わせに際しては、式(1)
A=fpp +(1−f)pk (1)
に従って、図2に示す測定値評価ユニット7の出力信号A(「算術的重み付け」)が形成される。尚、図2は、出力特性が中間域において加算的に異なるセンサ(異なるオフセット)に対して好ましい実施態様を示したものである。上記式(1) 内のfは重み付け関数であり、中間値域ΔPにおいて値「0」と値「1」との間を移行し、例えば、式(1)及び図1から明らかなように、ΔPの左端では重み付け関数が値「0」をとり、右端では値「1」をとる。

0029

第2の信号の組合わせの態様は、乗算的組合わせ(「幾何的重み付け」)である。この場合には式(2)
A=p pf *pk (1-f) (2)
に従って出力信号Aが形成され、図3にこの形態が示されている。尚、図3は、出力特性が中間域において乗算的に異なるようなセンサ(異なる感度)に対して好適な構成を示したものである。

0030

図2の場合と同様、図3に於いても測定値評価ユニット7は破線で示されている。

0031

上記2通りの基本的な重み付け方法のどちらが優れているかは、一方のセンサによる物理量pの測定から他方のセンサによる測定への移行に伴なって生ずると考えられるエラーの影響に応じて決定される。

0032

冒頭にて述べたように、本発明は、その目的に於いて、多くのレベルに亘って明確な圧力測定を可能にするという主要な問題に取組むものである。即ち、単一のセンサでは達成できない広い領域に亘って明確な圧力測定を行うことができるようにすることにある。そのためには異なる圧力域に於いてそれぞれ領域別に測定する異なる圧力センサを使用しなければならない。本発明では、ピラニ圧力センサ1と冷陰極電離測定センサ3とを使用した。従って、図1及び図2では、物理量を表わすのに記号pを使用し、センサ出力信号を表わすのにp(ピラニの頭文字)及びk(冷陰極 [Kaltkathode]の頭文字)を選んだ。

0033

本発明が使用する上記2個の圧力センサによる圧力測定の場合、優先するのは加算的エラー、即ち電位点エラーではなく乗算的効果、即ち特性曲線勾配に関するエラーである。

0034

そこで、もっと好ましい実施態様に於いては、本発明の主要課題である圧力測定の問題を解決するために、第2の重み付け方式、即ち、図3及び式(2) に示されるような圧力センサ出力信号を乗算的に組合わせる方式を選択する。

0035

次に、この圧力測定の問題を更にに詳細に説明する。

0036

本願にその一体的部分として添付した優先権証明書、及び同出願人による米国出願第93734号に対応するスイス出願第02278/92号から、ピラニ圧力センサを用いて圧力の対数に比例する出力信号を得る方法は知られており、これは基本的には、バイポーラトランジスタのベースエミッタ電圧コレクタ電流との対数依存関係を利用する方法である。センサの電気的出力信号がバイポーラトランジスタのベース・エミッタ区間トリガーすることにより、コレクタ電流に比例する出力信号は、感知された圧力値の対数に比例することになる。

0037

冷陰極電離センサの出力信号でも同様の結果が得られる。

0038

尚、上記関係は次のように略記することができる:
UA=log A
Up =log pp
Uk =log pk
但し、上記Uは、例えばボルト、pは例えばメガバールを単位とする。

0039

従って、式(2) から、組合わせ関数又は、出力信号UAは下記の式(4) で与えられる。
UA =fUp +(1−f)Uk (4)

0040

従って、図4に示すようにピラニセンサ1の出力信号pp は、対数計算ユニット9p を介して伝送され、冷陰極電離センサ3の出力信号は、対数計算ユニット9k を介して伝送される。どちらのユニット9も、例えば上記ベース・エミッタコレクタ依存関係利用の原理に基づいて構成されている。

0041

乗算ユニット11p 及び11k に於いて、信号Up 及びUk は、重み付けユニット5の出力からの重み付け関数「f」及び「1−f」でそれぞれ重み付けされ、加算ユニット13にて、例えばアナログプログラミングで加算されて式(4) を形成する。

0042

ここで重み付け関数「f」及び相補重み付け関数「1−f」の形成について更に詳細に説明する。

0043

本発明の重み付け技術を説明するため、システムを機能別に分離したブロック図で示す。

0044

自明のことであるが、このシステムに於いてアナログプログラミング方式で行われる実施技術のほかに、アナログ回路技術やディジタル処理技術、又は他の技術によって実施することも可能である。好ましい実施技術としては、主としてアナログ技術により、及びパルス幅変調方法に従って行われる実施態様について以下に説明する。

0045

公知のように、冷陰極電離センサ3の測定範囲上限を10-2メガバールに設定し、ピラニセンサ1の測定範囲下限を10-4メガバールに設定する。したがって10-2メガバールを超える圧力に対応する測定出力信号は、事実上もっぱらピラニセンサ1が生成し、10-4メガバール以下の圧力に対応する測定結果を出力するのは、事実上もっぱら冷陰極電離センサ3である。中間圧力、即ち10-4メガバールと10-2メガバールとの間の圧力については、測定信号の妥当性が冷陰極電離センサ3からピラニセンサ1へ連続的かつ単調に移行する。

0046

従って、理想的な場合には:
p>10-2メガバールならば、f=1 (5a)
p<10-4メガバールならば、f=0 (5b)
である。

0047

ここで関数fの具体的な形式について、更には、関数fがいかなる量と依存関係にあるかについて問題が起こる。

0048

(a)ユニット5に於いて、実際の圧力p又は測定すべき物理量によって重み付け関数fを制御することは、関連の情報が必ずしも存在しないから多くの場合不可能である。

0049

(b)ピラニセンサ1は、全ての圧力範囲に亘って作動し続けることができ、従って全ての圧力範囲に亘って1つの出力信号が存在するから、ピラニセンサ1の出力信号による重み付け関数の制御は考慮に価する。しかし、10-4メガバールの圧力では測定精度が低下するから、重み付けユニット5においてピラニセンサの出力信号によって重み付け関数fを制御することが最適とは云えない。

0050

(c)冷陰極電離センサ3は、ピラニセンサ1で測定される圧力10-2メガバールを下回る圧力で初めて作動できるから、冷陰極電離センサ3の出力信号による重み付け関数fの制御は適当な解決法ではない。

0051

(d) すでに重み付けされ、組合わされた出力信号値Aによる重み付け関数fの制御は、この信号値両センサ出力信号を組合わせたことで既に実際の圧力に極めて近似するから、それ自体優れた方法である。しかし、これに伴なうプロセスとして重み付け出力信号が自己調整のためフィードバックされると、安定性の問題又は振動現像を招く場合がある。

0052

量pp ,pk ,p,Aだけによるfの制御だけでなく、これらの量及びその他の量の組合わせも利用することができる。

0053

(e) いずれの観点についても、即ち、精度についても実現性についても、ピラニセンサ出力信号Pp と重み付き組合わせ値Aとの組合わせによる重み付け制御が最適の解決であることが判明した。この組合わせは
f=f(pp a *Ab ) (6)
で表わされる。

0054

式(3) に示した対数比例出力信号Up 及びUAが存在すれば、この重み付け関数は簡略化されて、
f′=f′(aUp +bUA ) (6a)
となる。尚、上記式内のa及びbは任意の定数である。

0055

この重み付け関係は、式(5a)及び(5b)の条件を満たし、中間域では圧力と共に単調にかつ連続的に増大することになる。

0056

図5は、測定値評価ユニットと組合わせたアナログ技術による重み付けユニットの上記(b)に基づく好ましい実施態様を示す。ここでもバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧とコレクタ電流との間の対数依存関係を利用し、重み付き関係は下記の式(7a),(7b)で表わされる。
f=1/〔exp(−λU)+1〕 (7a)
1−f=1/〔exp(λU)+1〕 (7b)
但し、λ=e/kT、e=電気素量、k=ボルツマン定数、T=絶対温度、である。

0057

図5から明らかなように、信号Uは、下記の式(7c)で表わされる。
U=c +dUp (7c)

0058

UAを計算する場合と同様、特にバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧とコレクタ電流との上記対数依存関係に基づき、次いでUp →0及びUp →∞に関する極限値グラフ図5に示すf及び(1−f)の推移を求めた。グラフから明らかなように、重み付け関数fは、極めてゆるやかな移行が特徴である。重み付け関数fは、正確に無限大の圧力で初めて値「1」に達し、「1」を基準に設定した任意の圧力値において値「0」に達するから、上記式(5a),(5b) は、近値的に満たされるだけである。

0059

図6には、上記原理(b)に従い、パルス幅変調に基づいて重み付け関数を求める回路構成を略示した。Tが無安定マルチバイブレータ20のパルス反復周期を表わすとして、
RC≫T
ならば
f=t/T (8)
となる。

0060

パルス幅t及び、更に一般的にパルスデューティ要素は、ピラニセンサの出力信号及びUp (3)でそれぞれ制御される。これにより、例えば図6に示す線形重み付け関数f及び1−fが得られる。これは、
t=c′+d′Up (8a)
を選択して得た結果である。

0061

問題に適合された他の制御t=t(p)も可能であることは云うまでもない(例えば、U.Tietze及びCh.Schenkの著作「Halbleiter-Schaltungstechnik」、 Springer Verlag (1988), Kap.11.7 及び11.8を参照) 。

0062

図7には、上記原理(e)に基づく好ましい回路構成を示した。ピラニセンサ1を含むピラニ測定ブリッジ回路21の出力信号pp は、対数計算回路22において対数化されたUp を形成する。調整可能な電源24に於いて、p→∞に対するUp の調整が行われ、電位差計回路25に於いて、p→∞に対する調整が行われる。

0063

10-2メガバールに相当する基準値Uref が供給される閾値感知ユニット26を介して、冷陰極電離センサ3を含む冷陰極電離測定回路28の高圧電源回路27は、10-2メガバール以下の圧力値で作動される。出力信号Ik は、「対数計算回路」29において対数化される。「対数計算回路」29の出力信号Uk 及び出力信号Up は、図6に関連して説明した原理に従って作用し、上記(f)に従って出力信号UAがUp と相俟ってパルスデューティ要素t/Tを制御する重み付け及び測定値評価回路5,7に供給される。

0064

センサは、その測定回路で測定原理に固有出力特性曲線Vp ,Ik を形成する。この特性曲線を圧力と対数依存関係にある信号Up ,Ik に変換する態様は、ピラニ原理に関するスイス出願第02278/92号(その優先権証明書)に詳細に記述されている。尚、図7の冷陰極原理についても同様である。

0065

Up 及びUk曲線は、例えばガスの種類が較正ガスとは異なれば、それに応じて較正ガスの場合とは異なる曲線を画くという仮定の下に量Up 及びUk を破線で表わして、図7の構成で得られる測定特性曲線UAを図8に示した。

0066

図9には、真空チェンバとのフランジ継手として実施した本発明に係る組合わせ測定ヘッドを略示した。冷陰極電離センサ3のプラズマ空間としての測定チェンバ33にフランジ継手31を介して圧力が作用する。図中、参照番号34は、測定電流ケーブル及び高圧ケーブルを有する陽極端子であり、参照番号37は陰極壁である。フェライトマグネットリング38によってプラズマスペース33内に必要な軸方向磁場が発生される。

0067

参照番号39は、エッジの鋭い構造が放電点弧を促進するように形成した陽極端子34に設けた手段である。

0068

陽極端子34の位置に相当するフランジ軸線Rに対し偏心関係の位置にヒータコイル45を含むピラニ測定装置43が設けられる。冷陰極電離センサ3のための高圧電源27(図7参照)はプリント回路板47に設けられ、図7の21,22,29に対応する測定回路は第2のプリント回路板49に設けられ、重み付け及び出力信号評価ユニットは第3のプリント回路板51にそれぞれ設けられる。

0069

参照番号53は、本発明の組合わせヘッドの取付けプラグであり、参照番号54は、例えば上記した回路が配線されている各プリント回路板間の接続を略示している。

図面の簡単な説明

0070

本発明の目的を達成するための以上説明した重み付け技術は、2個以上のセンサの組合わせにも応用することができ、これによって明確に測定できる範囲をさらに広げることができる。即ち、
−ガス摩擦マノメータ/冷陰極電離センサ、
−ピラニ/熱陰極電離センサ、

--

0071

図1本発明に係る圧力測定装置の一実施例を示したブロック回路図である。
図2図1の実施例に於いて、出力特性が中間域で加算的に異なるようなセンサに対して好ましいブロック回路図である。
図3図1の実施例に於いて、出力特性が中間域において乗算的に異なるようなセンサに対して好ましいブロック回路図である。
図4図3に示す構成の他の形態を示したブロック回路図である。
図5ピラニセンサ及び冷陰極電離センサの各出力信号のための重み付け及び評価ユニットの構成を示した回路図である。
図6重み付け関数をパルス幅変調技術により実現する構成を備えた本発明に係る圧力測定装置の回路図である。
図7重み付け関数をピラニセンサの出力信号だけでなく、重み付けされて組合わされた測定出力信号のフィードバックによっても制御する構成を備えた本発明に係る圧力測定装置の回路図である。
図8図7の圧力測定装置構成で達成される測定特性を示したグラフである。
図9本発明に係る測定ヘッドの簡略化した断面図である。

0072

1,3…圧力センサ
5…重み付けユニット
7…測定値評価ユニット
21…ピラニ測定回路
22,29…対数計算回路
26…閾値感知ユニット
27…高圧電源
31…フランジ継手
33…測定チャンバ
34…陽極端子
37…陰極壁
38…フェライトマグネットリング
43…ピラニ測定装置
45…ヒーターコイル
47,49,51…プリント基板

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