JPH08507864A - 測定セル、測定機器および接続ケーブルを備えた熱伝導形真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、給電電圧タップ（１２，１３）および測定電圧タップ（１４，１５）を備えたホイートストンブリッジ（１）を有する測定セル（１８）と、給電−測定機器（２１）と、複数の線路を含む接続ケーブル（１９）とが設けられている熱伝導形可調整真空計の作動方法、ならびにこの方法のための回路に関する。種々異なる長さの接続ケーブル（１９）に起因する測定エラーを回避し、線路長補償を自動化する目的で、以下のことを提案する。すなわち、測定セル（１８）内に設けられているホイートストンブリッジ（１）の給電電圧タップ（１２，１３）の電圧を、接続ケーブル（１９）の各線路のうちの１つ（２６）を介して検出し、測定値形成に際して考慮する

Description

【発明の詳細な説明】 測定セル、測定機器および接続ケーブルを備えた熱伝導形真空計 本発明は、給電電圧タップおよび測定電圧タップを備えたホイートストンブリ ッジを有する測定セルと、給電−測定機器と、複数の線路を含む接続ケーブルと が設けられている、熱伝導形可調整真空計の作動方法に関する。さらに本発明は 、この方法を実施するのに適した回路にも関する。 熱伝導形真空計は、比較的高いガス圧力のときつまり比較的大きい粒子密度の とき、比較的低いガス圧力のときよりも多くの熱が温度依存形抵抗素子から放熱 されることを利用している。熱伝導形ピラニ真空計の場合、温度依存形抵抗素子 は、ホイートストンブリッジ中に挿入接続された測定導線である。非可調整ピラ ニ真空計の場合、この測定導線の抵抗値の変化によりブリッジが離調し、このこ とが圧力に対する尺度として利用される。可調整ピラニ真空計の場合、抵抗値つ まりは測定導線の温度が放熱とは無関係に一定に保持されるよう、ブリッジに加 わる給電電圧が絶えず調整される。この場合、抵抗値の一定保持に必要な電流が 熱伝導度の尺度であり、ひいてはガス圧力に対する尺 度である。通常、ホイートストンブリッジは、ブリッジ給電電圧の追従調整によ り最小の離調となるよう補償調整される。したがってブリッジ給電電圧は、圧力 に対応する主要（１次的）な電気的値である。 熱伝導形真空計の場合、必然的に測定セルと測定機器とを互いに空間的に著し く隔てて作動させなければならないことが多い。このため、測定セルと測定機器 とを相応に長いケーブルを介して互いに接続することが必要とされる。ケーブル の構成部材であり通常は均一の電気特性を有する線路は、ケーブルが著しく長い 場合、もはや無視できない抵抗を有する。したがって測定機器において形成され ブリッジ給電電圧の追従調整に用いられる電圧（これは測定値としても利用され る）は、接続線路上での電圧降下に起因してもはや実際のブリッジ給電電圧とは 一致しなくなる。その結果測定エラーが生じ、これは接続ケーブルの長さが長く なるにつれて増大する。さらに別の測定エラーの原因は温度変動であり、つまり 接続ケーブルの線路の抵抗値の変動である。 従来技術による熱伝導形真空計の場合、測定セルと測定機器との間の接続を形 成した後、線路長の補償調整が手動で行われる。このため、ブリッジ電圧とケー ブル長に比例する電圧を入力するか、あるいは−マイクロプロセッサ制御形機器 であれば−ケーブル長自体を入力する。そして入力された値は、圧力測定値の形 成に際して考慮される。この形式の線路長補償は、ケーブルを交換するたびに新 たに−手動で−行わなければならない。さらにこの場合、温度ないし動作条件に 起因する接続ケーブルとブリッジの抵抗値変動により引き起こされる測定エラー は考慮されないままである。 したがって本発明の課題は、上述の測定エラーを回避し、しかも線路長補償を 自動化することである。 本発明によればこの課題は、冒頭で述べた形式の方法において、測定セル内に 設けられているホイートストンブリッジの１つの給電電圧タップの電圧を、接続 ケーブルの各線路のうちの１つを介して無電流平衡状態で検出し、測定値形成に 際して考慮することにより解決される。両方の電圧タップのうち一方の電圧値を 無電流平衡状態で検出することにより、接続ケーブルの１つの線路の抵抗値を算 出することができ、あるいは少なくとも、接続線路の抵抗に対応する電圧値Ｕ_L を形成することができる。Ｕ′_Br（測定機器において形成されるブリッジ給電電 圧）とＵ_Lとから、次式にしたがって実際のブリッジ給電電圧Ｕ_Brを求めること ができる。 （式１） Ｕ_Br＝Ｕ′_Br−２ｘＵ_L 測定値形成をたとえばマイクロプロセッサまたは適切なアナログ回路を用いて 行えば、上記の式にしたがって値Ｕ_Lを測定値形成に際して連続的に考慮するこ とができる。ケーブル交換や温度変化に伴って生じる接続線路の抵抗値変化が自 動的に考慮される。特別な手動の措置はもはや不要である。 次に、第１図〜第６図に示された実施例に基づき本発明のその他の利点ならび に詳細な点を説明する。 第１図に示されている回路には、分岐路２〜５を備えたホイートストンブリッ ジ１が含まれている。それらの分岐路中には測定導線６と抵抗７〜９が設けられ ている。各分岐路の間にはタップ１２〜１５が設けられており、この場合、タッ プ１２，１３は給電対角線を成し、タップ１４，１５は測定対角線を成す。タッ プ１２と１３には調整された給電電圧Ｕ_Brが加わり、その際、タップ１３はアー ス電位におかれている。測定対角線のタップ１４，１５は増幅器１６と接続され ており、この増幅器によって、測定導線の抵抗値（つまりはその温度）が放熱と は無関係に一定に保持されるよう、給電電圧が絶えず調整される。給電電圧に相 応する圧力を表示するために、周知のように表示装置１７が設けられている。 抵抗９はそれ自体周知のように、温度依存形に構成 されている。これにより、障害を及ぼす測定導線６の温度の影響を補償すること ができる。 ホイートストンブリッジ１は適切なケーシング内に配置されたその測定導線６ とともに、圧力センサないしは測定セル１８を形成している。すべては図示され ていないその他の構成部材（給電部、処理部、表示装置１７等）は、多心ケーブ ル１９を介して測定セル１８と接続された測定機器２１の構成部材である。ケー ブル１９には接続線路２２〜２６が含まれており、それぞれ差込接続部２７，２ ８を介してセンサないし測定機器２１と着脱可能に接続されている。接続線路２ ３，２４により、測定対角線のタップ１４，１５が増幅器１６と接続されている 。ブリッジ１が離調すると、ブリッジが再び同調するよう給電電圧Ｕ_Brが追従調 整される。接続線路２２，２５はブリッジ１の給電に用いられる。これらの接続 線路を通ってブリッジ給電電流Ｉが流れる。接続ケーブルが著しく長いと、接続 線路の抵抗をもはや無視することはできない。このためこれらの線路を介して電 圧Ｕ_Lが降下する。したがってブリッジ１を介して降下する実際の電圧Ｕ_Brはも はや、測定機器２１において形成されるブリッジ給電電圧Ｕ′_Brと一致しなくな る。この場合、Ｕ_Br，Ｕ′_BrおよびＵ_L間の上述の関係（式１）が成り立つ。 第１図による実施例の場合、その他の接続線路２２〜２５と同じさらに別の接 続線路２６が設けられてお り、この接続線路により給電電圧タップ１３が測定機器２１と接続されている。 給電電圧タップ１３は、線路２５を介して降下する電圧Ｕ_Lのためにアース電位 にはない。線路２６を介して、タップ１３における電圧の検出ないし測定が無電 流平衡状態で行われる。参照符号２９によりマイクロプロセッサまたはアナログ 回路が示されており、ここにおいて測定値の処理が行われる。補正値として電圧 Ｕ_Lが入力される。測定機器において形成されたブリッジ給電電圧Ｕ′_Brではな く実際のブリッジ給電電圧Ｕ_Brを表示できるよう、マイクロプロセッサまたはア ナログ回路により式１にしたがって電圧Ｕ_Lが考慮される。 給電電圧タップ１２における電圧の無電流平衡状態での測定によっても、電圧 Ｕ_Lを求めることができる。この場合、電圧Ｕ_Lは、タップ１２において測定され た電圧と測定機器において形成された給電電圧Ｕ′_Brとの差から得られる。 第２図による回路には付加的な構成素子が設けられており、それらの構成素子 によって測定導線６のゼロ点補正を行うことができる。これらの構成素子には、 測定機器２１内に設けられ調整器１６とマイクロプロセッサ２９との間に配置さ れた増幅装置−これは抵抗３１，３２，３３および増幅器３４から成る−と、セ ンサ１８内に設けられた可調整の抵抗３５Ｒ_pとが含まれている。線路３６を介 して、抵抗３５の一方の側 と増幅装置とが互いに接続されている。抵抗３５の他方の側には補償電圧Ｕ_A（ 測定機器内の構成素子３８）が印加される。ゼロ点補正は、圧力０のとき値０が 表示されるまで抵抗３５を調整することにより行われる。設定調整された補正電 圧は線路３６を介して測定機器へ伝送され、調整器により測定値に重畳される。 第３図による回路は第２図による回路に対応している。しかしこの場合、線路 抵抗補償とゼロ点補正が１つの接続線路を省略するようにして組み合わせられて おり、つまり各接続線路のうちの１つを２つの機能のために利用できる。この目 的で、給電電圧タップ１３は抵抗４１（Ｒ_vb）を介して抵抗３５と接続されてい る。線路２６，３６は１つの線路４０にまとめられている。しかもこの場合には スイッチ４２が設けられており、このスイッチにより共通の線路４０（２６，３ ６）を測定機器側でアース電位におくことができる。さらに、線路３７と補償電 圧Ｕ_Aの発生に用いられる構成素子３８との間に、抵抗４３（Ｒ_v）とスイッチ４ ４が設けられている。 ブリッジの給電線路上における電圧降下を測定するためには、スイッチ４２を 開いておく必要がある。ブリッジの給電電流は線路２５を介して測定機器のアー スへ流れる。抵抗４１と線路４０を介して給電電圧タップ１３は測定機器２１と 接続されているので、測定機器側でアース線路上での電圧降下と等しいないしは それに比例する電圧を無電流平衡状態で測定することができる。この場合、２つ の事例を区別しなければならない： ａ）スイッチ４２と４４が開かれていれば、点４５（線路４０における測定機器 側の点）のところで測定される電圧は、アース線路上での電圧降下Ｕ_Lと等しい 。 ｂ）スイッチ４２が開かれておりスイッチ４４が閉じられていれば、点４５にお ける電圧はゼロ点補償用のポテンショメータ３５の位置に基づき、アース線路上 での電圧降下と抵抗４１を介した電圧降下とに依存する。この事例の場合には、 まずはじめに抵抗３５の抵抗値を算出する必要がある。この抵抗値は、両方のス イッチ４２と４４が閉じられているときに次式にしたがって十分な精度で算出す ることができる： （式２） Ｕ_Rp／Ｕ_A＝Ｕ₀／Ｕ_A ＝Ｒ_p／（Ｒ_v＋Ｒ_p） （Ｕ₀＝ゼロ電圧） この場合、Ｒ_v＋Ｒ_vbはＲ_Lであるとする（線路の抵抗）。 式２からＲ_pを算出できる。抵抗Ｒ_pはここで は既知であるので、アース線路上における電圧降下に基づく電圧を算出すること ができる。 Ｕ_L＝Ｕ（点４５）−Ｕ_A／（Ｒ_v＋Ｒ_p＋Ｒ_vb） ｘ Ｒ_vb アース線路上における電圧降下が既知であれば、その後、式１からブリッ ジ電圧Ｕ_Br算出できる。 ゼロ点補償の測定中、スイッチ４４は閉じておかなければならない。スイッチ ４２は開いておくこともできるし閉じておくこともできる。このスイッチが閉じ られていれば、電圧Ｕ_Aの印加後に抵抗３５の設定調整に依存して線路３７は” ゼロ電圧”Ｕ₀に比例する電圧になる。この電圧値は増幅器３４を備えた加算器 へ供給されるかまたは−第５図参照−測定値処理に際してゼロ電圧を考慮するソ フトウェア部へ供給される。スイッチ４２が開かれているときには、電圧Ｕ₀を 算出するために抵抗Ｒ_vbにおける電圧降下を考慮する必要がある。 本発明による測定セル１８を市販されている既存の測定機器２１と互換性があ るようにすべきであるならば、タップ１３と抵抗３５との間の接続体として抵抗 ４１が必要である。整合された測定機器であれば、タ ップ１３と抵抗３５との間の接続を短絡することもできる。この場合、ゼロ点補 償の間はスイッチ４４を閉じておく必要がある。スイッチ４２の位置は任意であ る。 第４図には測定機器２１の実施形態が示されており、これは第３図による実施 形態にほぼ対応している。この場合には付加的に温度補償構成が設けられており 、これは構成素子４６と抵抗４７とから成る。構成素子４６へは、電圧Ｕ′_Brと 測定対角線タップ１５の電圧Ｕ₂（抵抗９における電圧降下）とが供給される。 これらの値から構成素子４６において温度依存形抵抗９の値に対応する電圧値Ｕ_T が形成され、これは次式にしたがって形成される： Ｕ_T＝（Ｕ₂／（Ｕ_Br−Ｕ₂））・ｋ この場合、ｋ＝比例係数である。 このことにより温度依存性を考慮する補正信号を連続的に発生させることがで き、したがってこの信号を抵抗４７を介して増幅器３４を備えた調整器へ供給す ることで、精確な測定値形成に利用することができる。 第５図と第６図による実施例ではコンピュータユニット４８が設けられており 、このユニットは補正値Ｕ_L ，Ｕ₀およびＵ₂（第６図のみ）を考慮しながら測定値処理を行うために用いら れる。これに加えてユニット４８は、このユニットが所望の時点でゼロ点補償と 線路抵抗補償を行わせるような制御機能も有している。破線で示してあるのは、 トランジスタで構成されたスイッチ４２，４４の開閉ならびに補償電圧Ｕ_Aの印 加がユニット４８によって行われることである。既述の機器を用いて実施される 圧力測定では、ケーブルが変えられても、ケーブルの温度が変化しても、さらに は−既述の形式の温度補償構成が設けられていれば−測定導線に対し障害を及ぼ す温度の影響があっても、すべての測定範囲において測定エラーが十分に取り除 かれる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．給電電圧タップ（１２，１３）および測定電圧タップ（１４，１５）を備え たホイートストンブリッジ（１）を有する測定セル（１８）と、給電−測定機器 （２１）と、複数の線路を含む接続ケーブル（１９）とが設けられている、熱伝 導形可調整真空計の作動方法において、 測定セル（１８）内に設けられているホイートストンブリッジ（１）の１つ の給電電圧タップ（１２，１３）の電圧を、前記接続ケーブル（１９）の各線路 のうちの１つ（２６）を介して無電流平衡状態で検出し、測定値形成に際して考 慮することを特徴とする、 熱伝導形可調整真空計の作動方法。 ２．前記接続ケーブルのうち別の２つの線路（３６，３７）を介して、圧力０の ときに値０が表示されるまで前記測定セル内の可調整の抵抗（３５）を調整する ことによりゼロ点補正を行い、前記の両方の線路（３６，３７）を介して一方で は前記の可調整の抵抗（３５）へ補償電圧（Ｕ_A）が供給され、他方では該抵抗 （３５）は測定信号増幅器（３４）の入力側と接続されている、請求項１記載の 方法。 ３．給電電圧タップ（１２，１３）の電圧の無電流平衡状態での測定に用いる前 記接続ケーブル（１９） の線路（２６）をゼロ点補正のためにも用いる、請求項２記載の方法。 ４．測定ブリッジ（１）の構成部分である温度に依存する抵抗（９）の値または 温度を求め、相応の信号を温度に依存する補正信号として測定値形成に際して考 慮する、請求項２または３記載の方法。 ５．線路長補償のための、ゼロ点補正のための、および／または温度補償のため の信号を測定信号増幅器（３４）の入力側へ、または測定値処理に用いるコンピ ュータユニット（４８）の１つへ供給する、請求項１〜４のいずれか１項記載の 方法。 ６．ブリッジ（１）の給電および測定信号の伝送に用いられる線路（２２〜２５ ）のほかに１つの別の接続線路（２６）が設けられており、該接続線路は給電電 圧タップ（１２，１３）の電圧値の無電流平衡状態での測定に用いられることを 特徴とする、請求項１記載の方法を実施する回路。 ７．ブリッジ（１）の給電および測定信号の伝送に用いられる線路（２２〜２５ ）のほかに２つの別の線路（３７，４０）が設けられており、該接続線路はゼロ 点補正信号の伝送にも線路長補償信号の伝送にも用いられることを特徴とする、 請求項３記載の方法を実施する回路。 ８．測定機器側において前記の２つの別の線路（３７，４０）にスイッチ（４２ ，４４）が配属されており、 該スイッチにより、ゼロ点補正を可能にするかまたは線路長補償を可能にする回 路状態が導入される、請求項７記載の回路。 ９．前記測定セル（１８）の領域における温度変動に起因する測定エラーを回避 する手段（４６，４７）が設けられている、請求項６〜８のいずれか１項記載の 回路。 10．測定信号増幅器（３４）またはコンピュータユニット（４８）が設けられて おり、該増幅器またはコンピュータユニットへ、線路長補償、ゼロ点補正および または温度補償に用いられる信号が供給される、請求項９記載の回路。