JP3213125B2 - 測定された信号を変換するための方法及び変換器、並びに測定装置及びピラニ測定回路 - Google Patents
測定された信号を変換するための方法及び変換器、並びに測定装置及びピラニ測定回路Info
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Description
ような信号変換方法と、請求項6の前文に示すような変
換器と、請求項13の前文に示すような測定装置と、請
求項16の前文に示すようなピラニ測定回路とに関す
る。
いて、今まで分析装置で行なわれてきた課題を測定ヘッ
ドあるいは測定値記録計に移す傾向が見うけられる。た
とえば、アクティブ測定ブリッジ、信号増幅器あるいは
処理回路並びに線形化回路、アナログ/デジタル変換器
等が測定ヘッドに移されている。これは数年来、全圧力
測定センサーの場合にも言えることである。それによっ
て、熱的に結合した小さいスペースでも本来のセンサー
への分析電子装置のよりよいかつ安定した適合が達成可
能であり、センサーと分析装置との間の伝送ライン上の
結合した信号誤りがなくなり、測定ヘッドの出力信号、
給電装置等は、分析装置の標準化したインターフェース
において、種々の測定ヘッドが自由に変換可能であり、
種々の異なる測定ヘッド形成でも部分的に互に変換可能
である。
は直接、分析コンピュータのアナログ/デジタル変換器
入力に接続されている。
測定信号であって、センサに捕捉された物理的な値の、
後に数式(4b)に示す依存関係を表す値に係わるもの
であるけれども、特に熱線(例えば加熱したワイヤ)を
用いたピラニ真空計で得られた測定信号の評価に関す
る。
測定原理ではセンサー側で検出した圧力に依存する出力
信号を有している。これは、測定ヘッドの出力信号が、
調整カーブあるいは調整表により圧力値に変換されなけ
ればならないことを意味している。基本的に分析される
ガスの熱伝導性は、約10-2ミリバール以下の低圧力の
ときでも、約10ミリバール以上の高圧力のときでも、
漸近的に一定値をとるが、この領域では、熱伝導性の圧
力依存性は少く、依存カーブは平らであるから、特にそ
こでは測定感度は悪い。この領域では、信号/ノイズ比
が悪いので測定は益々支障を起し易い。
て、この領域で測定するときは、この変換器はそのため
高分解能と精度を有していなければならない、そしてそ
れは、量子化誤差によりA/D変換器の高ステップ数を
必要とする。
おいて、前述の測定信号から、特に熱線式真空計装置
( Heissdraht-Vakuummeteranordnung)により調整され
た信号から、簡単な方法で容易に読み取ることができる
出力信号特性を造りだすことを目的とし、簡単にそれか
ら、センサーにより受けとられた関係値を推定できると
いう意味で簡単に読み取ることができる。
る真空計の場合のように、大きな測定範囲、好ましくは
60以上が、大凡そ10%の精度で達成される。
する2つの信号が、2つのバイポーラトランジスタのベ
ースエミッタ電圧の利用により形成され、そしてこれが
減算され、したがって入力信号商のlnに対応する信号
が得られることは米国特許第983863号から公知で
ある。したがって、入力信号商のlnに正比例する出力
信号が作り出される。
号、ドイツ国特許第3230405号(以下に論述)に
対応する英国特許第2105047号、および米国特許
第2030956号参照。
とき達成される。
係のある、そこのダイオードネットワークによる圧力と
の間の依存性補償のための公知の費用に比べれば、本発
明によるアプローチによって生ずる費用は極めて少く、
特性曲線の定存波比もかなり少く、その上圧力もかなり
大きい範囲に亘って所望の精度で検出可能である。
76年)、H.R.ハイドバーから公知のように、約1
0-4から1ミリバールの限られた圧力範囲内で、アナロ
グ乗算法を用いて圧力に依存する線形出力信号を達成す
るさらに他の公知のアプローチに対して、本発明により
実現された対数圧力依存によって、分析増幅器の所定の
信号変調率のとき、かなり大きな測定範囲が得られる。
F.フィヴェク・ウント・ゾーン出版、M.ヴッツ等の
「真空技術の理論と実際」第413頁から公知であるよ
うなアナログ対数比は、5×10-3ミリバール乃至10
ミリバールの圧力範囲における分析にのみ可能である。
変化する関係信号を検出できる、即ち熱線式真空計にお
いて少くとも10-3乃至103 ミリバールの圧力範囲を
検出可能である。
例が請求項2乃至5に、本発明による変換器が請求項6
に、その好ましい実施例の変形例が請求項7乃至12に
明記されている。
項1に明記されているように、関係値に関連している測
定すべき信号を発し、かつ本発明による変換器と組合わ
されたセンサーが提案されており、それによって互に調
和したセットの測定値記録装置(レコーダー)/分析電
子装置ユニットが作られる。
しい実施例の変形がさらに請求項14又は15の記述に
よって示されている。
ブラウンシュヴァイク,F.フィーヴェク・ウント・ゾ
ーン出版、ヴッツらの「真空技術の理論と実際」、第4
13頁に示されているように、公知のピラニ測定ブリッ
ジ回路からスタートしている。この場合、ピラニ素子
は、ホイートストンブリッジの1つのブランチに接続さ
れている。一方のブリッジ対角線上に、ブリッジ作動電
圧として、逆フィードバックのため、測定オペアンプの
出力電圧がかけられる。サム・アンド・ディファレンス
(sum-and difference) 増幅器として形成されたオペア
ンプの入力は、ホイートストンブリッジの第2の対角線
にある。ホイートストンブリッジのブランチに温度補償
抵抗が設けられており、これは手動で調整される。周囲
温度変化が圧力変化と同様にピラニ素子に影響を与え
て、測定ミスを生ずるので、温度補償が設けられてい
る。ヴッツから公知の温度補償では、後者の温度補償は
ある温度のときのみ確実に行なわれる。
ラニ測定回路の自動温度補償のため、ブリッジのブラン
チに温度補償素子として、温度に敏感な抵抗を設けるこ
とが公知であり、この抵抗を加算増幅器の入力の前に接
続されているさらに他の抵抗と熱的に結合し、この後者
の抵抗に標準電圧から生ずる信号を温度依存で供給す
る。
ツによる公知の装置からスタートして、その簡易性を維
持しながら、温度補償されたピラニ測定回路を提案する
ことを目的としており、その補償は、全測定範囲に亘っ
て見るとき、前記特許公報から公知であるかなり複雑な
補償回路よりも全く正確である。
本発明のピラニ測定回路は、請求項17及び18による
好ましい実施例の変形に示されている。本発明を例示的
に図により説明する。
は、たとえば、F.フィーヴェック・ウント・ゾーン社
第4版(1988年)、M.ヴッツ等の「真空技術の理
論と実際」、第409頁以下によって公知である。
ら、電熱パワーは、測定すべきガス内に浸漬されている
分析器の熱線で測定される。その場合、線条温度は一定
に保たれる。パワー精算はバランスしているので、供給
された電力(パワー)QELは、熱導体を経て排出された
パワーに相当する。周知の如く、供給された電力QELと
測定すべきガス圧力Pとの間には下記数式(1)の関係
がある。
リーを考慮した係数p0 はゼロ圧力p0 に等しい干渉効
果を意味している。図1に、供給した電力QELとガス電
圧Pとの関係が図示されている。上記式(1)をガス圧
力Pによって解くと次式(2)のようになる。
は、非常に低い圧力(p《10-4ミリバール)のとき変
換した電力、ε(p0 +1/g)は、高圧力(p》1バ
ール)のとき変換した電力、を示している。供給した電
力QELは式(3)のようになる。
温度平衡状態における測定ワイヤの電気抵抗である。ま
た、たとえば上記ヴッツの第413頁により、Uがブリ
ッジの出力電圧であれば、式(3a)となる。
慮に入れると式(4a)が得られる。
ときの漸近値、U∞は高圧力Pのときの漸近値を示す。
に対して図1に図示されているような関係は、基本的に
は当技術において他の場所でも、たとえば非線形ネット
ワークにも生ずることがあるので、下記の原理はまた、
式(4a)による真空計セルにおけるUに対応する測定
値xから、真空計の圧力Pに対応する関連した物理的値
Yを推定するような場合にも適しているので、下記に一
般化した表示法に変えられる。そして式(4a)から式
(4b)が得られる。
り、
左右される。圧力pあるいは関連するディメンションy
は、測定電圧Uあるいは測定信号xと対数関係で示さ
れ、そしてそれが、図1の図表と同様に、所定の出力信
号変調率のとき極めて広範囲の圧力を検出する。
るアナログプログラミングが示されている。図2では、
ピラニ真空計に関する数値も、一般化した数値も使用さ
れている。
(6),式(6b)により後で対数で表わされる双方の
差が図示されている。
ぞれ関数発生ユニット5あるいは7に送られる。入力E
5 あるいはE7 における上記差に相当する入力信号は、
場合によって適切に変換されて、コレクタ電流IC1ある
いはIC2として、それぞれバイポーラトランジスタT1
あるいはT2 に送られ、そして出力A5 あるいはA7に
おける変換器5あるいは7の出力値として、それぞれの
ベース/エミッタ電圧UBE1 あるいはUBE2 に比例して
いる信号が分析される。周知の如く、バイポーラトラン
ジスタにおけるコレクタ電力とベース/エミッタ電圧と
の間には次の関係がある。
対温度を意味する。そして更に、Is はコレクタ逆電流
を表す。
した信号は、式(6),(6a)によりヘテロダインユ
ニット9に重ね合わされ、そして最後に、再び上記の式
により、ウエイテングユニット(Gewichtungs einheit)
10にて線形増幅される。ヘテロダインユニット9に更
に供給されたアイデイテイブ信号によって、一方では式
(4)から式(5)への移行のとき式(5)及び式
(6)により最適と思われる近似値が考慮され、他方に
おいては逆電流差が考慮される。ユニット10において
考慮した乗算係数によって、一方では最適近似値に適し
ていると思われる式(5)の指数b、及び他方において
λが考慮される。
T1 及びT2 は、好ましくは互に調和した対として選択
され、そして熱的に密接に結合しているので、逆電流も
温度も、したがってλも実質的に同じである。
しい実施例が図3に図示されている第1のオペアンプO
P1 の非反転入力にピラニ測定ブリッジ電圧Uあるいは
測定信号xが送られ、反転入力に、抵抗R0 を経て、漸
近的に図1による大きな圧力値に調整されたピラニ電圧
U∞あるいはkZ が送られる。オペアンプOP1 は、第
1のバイポーラトランジスタT1 を経て負帰還し、その
コレクタが反転オペアンプ入力に、そのエミッタがオペ
アンプの出力に接続されている。そのベースがアースあ
るいは標準電位におかれている。
常に小さい電圧のとき漸近的にピラニ計から発生した電
圧に相当する電圧U0 が送られ、一方さらに他の抵抗R
0 を経て、ピラニ測定電圧Uあるいは測定値xが、OP
2 の非反転入力に送られる。
間に、トランジスタT2 のベース/コレクタラインがあ
り、そのエミッタがトランジスタT1 のエミッタに接続
されている。変換器回路の出力はUOUT で示されてい
る。
1 ,T1 を有する右のステップは、たとえばミュンヘン
市のフランツィス出版社、ミクロスヘルピイの「アナロ
グ集積回路」第307頁から知られているような公知の
方法で、トランジスタ1に対するλ1 及びIS1と、標準
電位に対する出力電圧とを発し、それは、
しい。
ンプOP2 の出力電圧に等しい回路の出力電圧には、
プンループの増幅度を示し、そしてさらに双方のオペア
ンプ/トランジスタステップは、式(11)により接続
されている。
圧は、式(12)のようになる。
に、双方のトランジスタT1 及びT2 の異なる逆電流I
S は、双方の抵抗R0 の調整によって補償される。
る式(12)と式(6a)、あるいは(6c)との比較
は、線形ゾーン係数および相加 (additive) 定数まで、
上記変換路回路の出力電圧UOUT は、対数的にピラニ測
定装置で測定したガス電圧Pに左右され、その出力電圧
の対数が測定すべき圧力に比例する。
図示されている。再びこの回路では、測定信号としてピ
ラニブリッジの出力電圧Uが図示されており、かつ測定
信号xが一般化されている。この変換器構成において、
測定信号又は測定電圧Uは、抵抗R0 を経てオペアンプ
OPの非反転入力に送られ、その反転入力には、小さい
電圧のとき漸近的に受け入れられる電圧値U0 が送られ
る。オペアンプOPの出力は、バイポーラトランジスタ
T3 のベース/コレクタラインを経てこの増幅器の非反
転入力にフィードバックされる。トランジスタT3 のエ
ミッタは、さらに他のトランジスタT4 のエミッタに接
続される。
は、標準電位、図ではアースにおかれる。同調可能な直
流電源Qが、トランジスタT3 及びT4 の接続したエミ
ッタと標準電位との間に接続されている。電源I0 は、
には、更に式(9)が適用され、同様に出力電圧UOUT
及びトランジスタT3 とT4 の双方のベース/エミッタ
電圧には更に式(11)が適用される。
3)を含む式(12)による出力電圧が得られる。
れる図4による好ましい装置によれば、10-3ミリバー
ルから103 ミリバール、即ち60以上の圧力範囲にお
いて、約±10%のそれぞれ調整したガス電圧Pに比べ
て、圧力値に関して、変換器出力信号の精度が達成され
る。極端に大きな測定範囲から見ても、簡単な提案され
た手段によって達成されるこの精度は驚くべきことであ
る。
び図4などによる有利に使用された変換器回路は、当業
者に対して、図2によるアプローチを実現する新たな可
能性を与え、少ない電子回路コストにより、関数変換器
を直接測定ヘッドあるいは測定値xを検出する測定値レ
コーダー内に内蔵し、あるいは、特殊と言われる場合に
は、少くとも1つのピラニ真空計セル、又はピラニ真空
計の測定セルブリッジと、変換器とを有するセンサーを
直接、真空計測定ヘッドに組み込む可能性を与える。
示されている。
ング20が、真空フランジ22で終っている。測定パイ
プ21内に、外管26と、ピラニ測定ワイヤ27とを備
えて形成されたピラニ素子24が配置されている。伝熱
性の、断熱されてハウジング20内に取付けられたパイ
プ26の外側に、温度補償素子28が配置されており、
ピラニ熱線を除き、電子プレート30上に取付けられて
いるホイートストンブリッジ素子の電気部品が配置され
ている。
ランジスタの冷却体が32で概略的に図示されている。
測定ヘッドは、プラグ接続具34により、表示機器ある
いは測定計算機の端子36に接続されている。電子プレ
ート30上に、上記の測定ブリッジの他に、図4による
実施例の場合、図3又は図4による好ましい実施例に本
発明による変換器が取付けられている。
回路が破線で囲まれ、記号「I」で示されており、更
に、同様に囲まれた記号「II」には、図4による変換器
回路が図示されている。この変換器ブロックIIに関して
は、図4に使用したと同じ参照符号が使用されている。
ブランチのピラニ素子38と、抵抗R1 ,R3 ,R
2 と、PTC−抵抗素子の形で図示されるような温度に
関連(依存)したさらに他の素子とを含む。後者の素子
は、ピラニ素子38と熱的に密接に結合されており、そ
して図5の素子28に相当している。
ス増幅器として作動するオペアンプOPpiによって測定
ブリッジ対角線にかけられ、オペアンプOPpiの出力信
号がブリッジ作動電圧として第2のブリッジ対角線に加
えられる。安定化キャパシタンスがCで示されている。
チは、中間タップを有している。後者の中間タップと、
ピラニ素子および抵抗R1 が接続されているブリッジ点
との間に基準電圧Uref1を有する電圧源が接続されてお
り、それぞれ抵抗Rを経てそれ等の接続点に接続されて
いる。室温のとき、ピラニ測定ワイヤの抵抗とR1 の抵
抗とは実質的に等しく、同様にR3 の抵抗とPTC及び
R2 の合計した抵抗とが等しい。
度に関連(依存)した補償回路素子と、Uref1における
調整可能性とを有している最も簡単なブリッジ回路が実
現される。勿論、PTC−素子の代りに、R3 を有する
ブリッジブランチにNTC−素子を設けることができ
る。
PTCが接続されていて、更に他の基準電圧Uref2が加
えられ、それがPTC素子を熱的に密接にトランジスタ
T3,T4 に結合されているという主たる追加の特徴を
除けば、変換器ステップIIは、既に図4によって説明し
た変換器ステップに対応している。したがって、逆電流
及びλに関するトランジスタT3 ,T4 の相違は補償さ
れる。
題が解決され、測定信号の変換が容易に、且つ精度よく
実現される。
力と測定ガスの電圧Pとの関係を示す対数図表である。
した説明図である。
回路構成図である。
回路構成図である。
図である。
ドの回路図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 少くとも最初の近似計算において数式
(a)のように、 【数1】 このとき、関係値(y)に左右される信号のyは関係
値、 xは測定信号、 kは定数を示し、関係値(y,P)に関連している測定
信号(x,U)の変換方法において、 数式(b)によりyが近似的に決められ、 【数2】 このとき、propは「比例」を意味し、 そしてこれ等の関数が、少なくとも2つのバイポーラト
ランジスタの使用と、 【数3】 このとき、y′は出力信号である、上記式(c)のy′
により出力信号を得るためトランジスタのコレクタ電流
とそのベースエミッタ電圧との関係の利用とによって近
似的に実現されることを特徴とする、測定された信号を
変換するための方法。 - 【請求項2】 双方のトランジスタが熱的に密接に結合
されている請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 トランジスタの異なる逆電流が調整され
る請求項1又は2に記載の方法。 - 【請求項4】 乗算定数及び更に他の加算定数の選択に
よって、関係値yと測定値レコーダーにおける測定値x
との間の関係を考慮して、上記数式(a)における数式
(b)の近似値が最適化される請求項1乃至3のいずれ
か1項に記載の方法。 - 【請求項5】 測定される信号がピラニ真空装置の出力
電圧であり、そしてkN が漸近的に測定ガスの圧力減少
のときに前記装置から発する電圧であり、kZ が漸近的
に高圧力値に対して発せられる電圧である、請求項1乃
至4のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項6】 少くとも近似的に数式(a)のように、 【数4】 このとき、yは関係値、 xは測定信号、 kは定数を示し、関係値に関連している測定信号(x)
の変換のための変換器において、 少くとも2つの変換用バイポーラトランジスタが設けら
れており、そのコレクタがそれぞれ (x−kN )及び(kZ −x) に比例する電流を供給され、そしてその結果得られるト
ランジスタのベース/エミッタ電圧が出力信号形成のた
めに以下の数式のように 【数5】 互いに演算されることを特徴とする変換器。 - 【請求項7】 変換器がアナログ技術で設計されている
請求項6に記載の変換器。 - 【請求項8】 一方のトランジスタ(T1 )が、そのエ
ミッタ/コレクタラインをオペアンプ(OP1 )のフィ
ードバックラインに接続されている請求項6又は7に記
載の変換器。 - 【請求項9】 第2のトランジスタ(T2 )が、そのコ
レクタ/ベースラインをさらに他のオペアンプ(O
P2 )の出力と非反転入力との間に接続されており、そ
してトランジスタ(T1 ,T2 )の双方のエミッタが接
続されており、変換器出力(UOUT )が第2のオペアン
プ(OP2 )の出力に接続されている請求項8に記載の
変換器。 - 【請求項10】 1つのトランジスタ(T3 )が、オペ
アンプ(OP)におけるコレクタ/ベースラインにより
出力から入力へのフィードバックラインを形成している
請求項6又は7に記載の変換器。 - 【請求項11】 第2のトランジスタ(T4 )のコレク
タ及びベースが標準電位に置かれており、双方のトラン
ジスタ(T3 ,T4 )のエミッタが接続されていて、そ
して接続点が好ましくは調整可能な電源(Q)によって
標準電位に置かれる請求項10に記載の変換器。 - 【請求項12】 トランジスタ(T3 ,T4 )の温度依
存関係補償のため、トランジスタの少くとも1つの熱的
に結合されている更に他の温度依存回路素子、好ましく
はPTC−抵抗素子あるいはNTC−抵抗素子が設けら
れている請求項6乃至11のいずれか1項に記載の変換
器。 - 【請求項13】 測定信号(x)を発する記録すべき関
係値のためのセンサーを有している測定装置において、 センサーが、請求項6乃至12のいずれか1項に記載の
変換器に接続されていることを特徴とする測定装置。 - 【請求項14】 変換器及びセンサーから測定値記録計
内に組み込まれている請求項13に記載の装置。 - 【請求項15】 センサーが、少くとも1つのピラニ真
空計を含む請求項13又は14に記載の装置。 - 【請求項16】 ブリッジブランチ(PTC,R2 )が
中間タップを有し、そして抵抗素子(R)を経て、ピラ
ニ素子に接続したブリッジ点と中間タップとの間に電圧
(Uref1)が接続され、そして更にブリッジに温度補償
素子(PTC)が設けられていることを特徴とする、ピ
ラニ素子を備えたブリッジ回路を有するピラニ測定回
路。 - 【請求項17】 温度補償が、ブリッジ内の温度依存素
子のみによって、好ましくはピラニ素子(38)に熱的
に結合されるPTC−抵抗素子又はNTC−抵抗素子に
よって行なわれる請求項16に記載の測定回路。 - 【請求項18】 測定ブリッジの対角線上に、サム・ア
ンド・ディファレンス増幅器が接続されており、その出
力電圧が、測定ブリッジの第2の対角線にかけられてい
る請求項16又は17に記載の測定回路。
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