KR20050051705A - 열 손실 압력 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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디. 보렌스테인 미셸
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헬릭스 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

주위의 가스 압력을 측정하기 위한 열 손실 게이지는 저항성 감지 엘리먼트 및 저항성 보상 엘리먼트를 포함한다. 저항성 보상 엘리먼트는 상기 감지 엘리먼트를 구비한 회로에 있으며 실질적으로 매치하는 환경에 노출된다. 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트에는 전원이 접속되어 상기 엘리먼트들을 통해 전류를 공급한다. 감지 엘리먼트를 통하는 전류는 보상 엘리먼트를 통하는 전류보다 실질적으로 크다. 감지 엘리먼트 및 상기 보상 엘리먼트에는 측정 회로가 접속되어, 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트의 전기적 응답을 기초로 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트가 노출되는 주위의 가스 압력을 결정한다.

Description

열 손실 압력 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR HEAT LOSS PRESSURE MEASUREMENT}
본 출원은 2002년 10월 16일자 제출된 미국 출원 10/273,402호의 연속이다. 상기 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
가스를 통한 열 전달 속도는 가스압의 함수이기 때문에, 특정한 조건에서 가열된 감지 엘리먼트로부터 가스로의 열 전달 속도 측정은 적절한 교정에 의해 가스압을 결정하는데 사용될 수 있다. 이러한 원리는 감지 엘리먼트를 가열하고 그 저항을 측정하는 휘스톤(Wheatstone) 브리지 망에 의해 열 손실이 측정되는 공지된 피라니(Pirani) 게이지(도 1a 및 1b에 개략도 형태로 도시됨)에 이용된다.
도 1a를 참조하면, 피라니 게이지에서 압력 센서는 휘스톤 브리지의 하나의 아암으로서 접속된 온도 민감성 저항(RS)으로 구성된다. R2는 전형적으로 전류(i2)로 인한 무시해도 좋은 온도 상승을 갖도록 설계된 온도 민감성 저항이다. R3 및 R4는 전형적으로 고정 저항이다. RS 및 전형적으로 R2는 압력이 측정되어야 하는 진공 환경에 노출된다. 도 1b는 다른 브리지 구조를 나타낸다.
피라니 게이지는 (미국 특허 3,580,081호에 도시된 바와 같이) 정전류(i1)에 의해, 또는 RS를 교차하는 정전압에 의해 작동하였다. 이러한 방법에서는 가스압을 반영하는 브리지의 전기적 불균형이 일어난다. 피라니 게이지는 또한 (미국 특허 2,938,387호에 도시된 바와 같이) 정저항(RS)에 의해 작동하였다. 이 모드에서 에너지가 공급되는 속도는 가스압의 변화에 따라 달라지므로, 공급된 에너지의 변화율은 가스압의 변화를 반영한다. 각각의 작동 방법은 다른 장점 및 단점을 갖지만, 다음 설명은 특히 정저항 방법 및 도 1a의 구조에 관련된다.
전압(VB)은 도 1a에서 A와 C 사이의 전압 차를 0 볼트로 유지하도록 자동 제어된다. A에서 C로의 전위 강하가 0이면, 브리지는 균형 상태라고 한다. 브리지 균형에서는 다음 조건이 존재한다:
iS = i2 (1)
i4 = i3 (2)
iSRS = i4R4 (3)
i2R2 = i3R3 (4)
식(3)을 식(4)으로 나누고 식(1) 및 식(2)을 이용하면,
RS = βR2 (5)
(6)
이와 같이, 브리지 균형에서 RS는 R2의 일정한 비율이다.
임의의 주어진 압력에서 RS의 안정 상태 조건을 달성하기 위해, 식(7)이 만족되어야 한다:
RS에 입력된 전력 = RS에 의해 방사된 전력 +
RS 단부로 손실된 전력 + RS에 의해 가스로 손실된 전력 (7)
종래의 피라니 게이지는 가스에 대한 또는 더욱 종래에는 브리지 전압에 대한 전력 손실과 미지 압력(Px) 사이의 관계를 결정하기 위해 각각의 기지의 압력에 대해 교정된다. 그리고 단부 손실 및 방사 손실이 그대로 일정하다고 가정하면, 미지의 가스압(Px)은 브리지 균형에서 브리지 전압에 관련된 또는 가스에 대해 손실된 전력에 의해 직접 결정될 수도 있다.
피라니 게이지는 넓은 범위를 갖도록 설계될 수 있으며 비교적 간단하고 저렴하기 때문에, 이러한 게이지를 전기용량 마노미터나 이온화 게이지와 같은 훨씬 고가의 게이지의 대용물로서 사용하고자 하는 욕구가 있다. 그러나 기존의 설계들은 특히 낮은 압력에서 정확한 압력 측정에 대해 유감스러운 점이 많다.
1977년 이전에 피라니 게이지의 압력 상한치는 더 높은 압력에서 가스의 열 전도율은 미시적인 크기의 디바이스에서 압력에 실질적으로 관계없다는 사실에 기인하여 약 20 Torr였다. 본 발명자들 중 하나는 감지 엘리먼트의 대류 냉각을 이용하여 20 내지 1,000 Torr의 향상된 감도를 제공하며 1977년 이래로 양수인(Boulder Colorado의 Granville-Phillips Company)에 의해 제조 및 판매되는 CONVECTRON 게이지의 개발을 도왔다. 세계적으로 수십만 개의 CONVECTRON 게이지가 판매되었다. 최근 시장에는 몇몇이 모조품이 출현하였다.
CONVECTRON 게이지는 만족스럽지 않은 욕구를 채웠지만, 몇 가지 단점을 갖는다. 이는 부득이 대류를 위한 공간을 제공하는 넓은 내부 면적을 갖는다. 따라서 비교적 넓다. 대류는 중력에 의존하기 때문에, 더 높은 압력에서의 압력 측정은 센서 축의 방향에 좌우된다. 또한, 가스 전도 냉각이 뛰어난 압력 범위는 대류 냉각이 일어나는 압력 범위를 적절히 오버랩하지 않기 때문에, CONVECTRON 게이지는 약 20 내지 200 Torr의 제한된 감도를 갖는다.
이러한 어려움을 효과적으로 피하기 위해, 이전에 사용된 훨씬 큰 공간보다, 예를 들어 0.5 인치보다 몇 미크론 정도의 센서 대 벽을 이용하는 초소형 피라니 센서가 개발되었다. 예를 들어 Higashi 등의 미국 특허 4,682,503호 및 Shie 등의 5,347,869호를 참조한다. W.J.Alvesteffer 등은 1995년 11월/12월 J. Vac. Sci. Technol. A 13(6)에 실린 논문에서 본 발명자들에게 공지된 피라니 게이지에 대한 가장 최근의 연구를 기술하고 있다. 이러한 작은 센서 대 벽 공간의 이용은 대기압 이상의 압력에서도 열 전도율에 의존하는 압력을 제공한다. 따라서, 이러한 극소형 센서는 저압으로부터 대기압 이상으로 우수한 감도를 가지며 어떠한 방향으로도 기능을 한다.
초소형 게이지를 개발하고자 하는 종래의 시도들에는 많은 문제점이 있다. 초소형 센서들이 방향과 관계없이 넓은 압력 범위에 대해 우수한 감도를 제공하지만, 그 설계는 극도로 복잡하고 제조는 수십만 달러가 드는 매우 전문화된 기기에서의 상당히 정교한 처리 단계들을 필요로 한다.
초소형 센서들은 극소형 센서들과 같은 종류의 대기 온도로 인한 오차를 겪게 된다. 식(7)에서 모든 열 손실 항들은 대기 온도 및 임의의 주어진 압력에서의 감지 엘리먼트 온도에 좌우된다. 따라서, 온도 보정 없이 피라니 게이지에 의한 어떠한 압력 측정 시도도 대기 온도 변화에 의한 비-압력 의존 전력 손실로 혼동될 것이다. 모든 최신식 피라니 게이지는 대기 온도 변화로 인한 오차를 보정하고자 한다. 이러한 오차를 보정하기 위해 널리 사용되는 수단은 도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같이 R2에 대해 고정 저항(R)과 직렬로 온도 민감성 보상 엘리먼트(RC)를 사용하는 것이다.
영국 특허 GB 2105047A는 전위 분배기를 제공하는 추가 저항기의 설비를 개시한다. Pressure Measurement in Vacuum(Chapman and Hall: London(1964))의 58쪽에서 J.H. Leck은 1911년에 Hale이 그의 피라니 게이지에서 RS와 동일한 재료 및 물리적 단위의 R2를 만들었다는 점에 주목하고 있다. R2는 그 자체 진공 환경에 밀봉되어 RS에 근접하게 배치되었다. R2 및 RS에서의 압력이 동일할 때, 우수한 온도 보상이 이루어졌다. 그러나 다른 압력에서 이러한 온도 보상 수단은 매우 효과적이진 않다.
개별 진공관에서 배기 및 R2를 밀봉하는 추가 비용 및 복잡성을 피하기 위해, 종래에 R2는 RS와 동일한 진공 환경에 배치된다. 비교적 큰 열량 및 큰 열 손실을 갖는 R2를 제조함으로써, R2의 발열(self heating)이 무시할 수 있을 정도가 될 수 있다. Leck은 R2를 2개의 섹션, 예를 들어 하나는 구리로 다른 하나는 니크롬 전선으로 만들어 (R2의) 전체 온도 계수가 피라니 엘리먼트 자체(RS)의 온도 계수와 정확히 맞게 할 것을 권한다. Leck에 의하면, 이러한 온도 보상 방법은 영국의 Edwards High Vacuum에 의해 METROVAC 상표 게이지에 이용되었다. 비슷한 온도 보상 장치가 CONVECTRON 상표 게이지에 사용된다.
그러나 (R2에 RS의 온도 계수에 가까운 다른 저항 온도 계수를 갖는 2개 이상의 재료를 사용하는) 이러한 기술은 좁은 범위의 압력에 대해서만 효과적이다. 사실, 피라니 게이지의 이러한 온도 보상 형태를 개시하고 있는 미국 특허 4,541,286호에 기재된 바와 같이, 하나 또는 기껏해야 몇몇의 온도에서만 보상이 정확히 이루어질 수 있다. 또한, 발명자들은 큰 열량을 갖는 구조가 대기 온도의 급작스런 변화에 대한 게이지의 응답 시간을 상당히 증가시킨다는 것을 알아냈다.
발명자들은 또한 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, Leck이 권하고 종래 기술에서 실시된 바와 같이 RS 및 R2에 대해 동일한 온도 계수를 이용하는 것은 전체적으로 정확한 온도 보상을 제공하지 않는다는 것을 알아냈다. 발명자들은 또한 약 5 × 10-3 Torr 미만의 압력에서 단부 손실은 결합된 다른 모든 손실을 초과한다는 것을 알아냈다. 이러한 연구에 의해 결정된 것과 같은 상대적 손실 성분들(총 손실의 방사 손실, 단부 손실 및 가스 손실 성분)을 도 2의 도표에 나타낸다. 1 × 10-5 Torr에서 단부 손실은 가스 손실보다 1000배 이상 크고 방사 손실은 가스 손실의 약 100배이다.
따라서, 종래 피라니 게이지에 있어서의 온도 변화 영향은 가스 전도 손실이 매우 낮은 상당한 저압에서 특히 문제가 된다. 종래 기술의 열 손실 게이지는 매우 낮은 압력, 예를 들어 1 × 10-5 Torr를 정확히 측정할 수 없다. 발명자들은 대기 온도가 변할 때 감지 엘리먼트에서의 단부 손실을 충분히 일정하게 유지하는데 있어서 이러한 한계가 실패의 결과임을 알아냈다. Alvesteffer형 피라니 게이지는 10-5 Torr 범위의 압력을 나타내는 성능을 갖지만, 그 범위 내의 정확한 표시를 제공하지 않는다. 예를 들어, 단부 손실이 전형적인 피라니 게이지에서 5,000의 한 부분으로 일정하게 유지되지 않으면, 1 × 10-5 Torr에서의 압력 표시는 50% 내지 100% 벗어날 수도 있다.
다음의 분석은 종래의 설계가 저압에서 대기 온도 변화에 대해 충분히 보정되기에 적합하지 않은 이유를 나타낸다. 종래 기술을 조사하는데 있어서 편의상, 벽과 센서 엘리먼트와의 공간이 비교적 큰 게이지의 예를 이용하여 문제를 설명한다. 몇 미크론 정도의 센서 엘리먼트 대 벽 공간을 갖는 훨씬 더 복잡한 구조의 초소형 게이지에 동일한 유형의 문제가 있는 것으로 이해해야 한다.
도 3은 작은 지름의 전선 감지 엘리먼트(304) 및 보상 엘리먼트(303)를 이용하는 종래의 피라니 게이지의 일부(302)의 개략도이다. 피라니 게이지 설계를 잘 알고 있는 사람들은 설명 및 이해를 용이하게 하기 위해 도 3의 성분들을 비율에 맞게 도시하지 않은 것으로 인식할 것이다. 전형적으로, 작은 지름의 전선 감지 엘리먼트(304)는 훨씬 더 큰 전기 접속기(306, 307)에 전기적 및 열적으로 결합되며, 전기 접속기(306, 307)는 훨씬 더 큰 지지 구조물(308, 309)에 열적으로 결합된다. TAL은 감지 엘리먼트(304)의 좌측 단부에 있는 지지 구조물(308)의 온도를 나타내고 TAR은 임의의 주어진 시간(t)에 우측 단부에 있는 지지 구조물(309)의 온도를 나타내는 것으로 한다. TSL 및 TSR은 각각 좌측 감지 엘리먼트 접속기(306) 및 우측 감지 엘리먼트 접속기(307)의 온도를 나타내는 것으로 한다. TCL 및 TCR은 각각 좌측 보상 엘리먼트 접속기(310) 및 우측 보상 엘리먼트 접속기(311)의 온도를 나타내는 것으로 한다. TXL 및 TXR은 각각 접속기(306, 307)로부터 거리 △X에서의 온도를 나타낸다. 종래 설계에서, 이들 온도는 모두 동일한 것으로 분명히 가정하였다. 그러나 발명자들은 표면상으로 무시할 수 있는 차이라도 저압 정확성에 매우 중요하게 나타난다는 것을 알아냈다.
온도 보상 요건을 더욱 잘 이해하기 위해, 몇 가지 사실에 주목하는 것이 중요하다.
(1) 저압에서 RC의 온도는 보상 엘리먼트 접속부와 보상 엘리먼트 사이의 열 교환에 의해 눈에 띄게 결정된다. 이는 대기 온도 및 저압에서 방사 및 가스 전도는 보상 엘리먼트의 단부를 통한 열 전도에 비해 보상 엘리먼트로부터 그 주위로 열을 교환하는 매우 비효율적인 수단이기 때문이다. 따라서, 저압에서 보상 엘리먼트 온도는 식(8)에 나타낸 바와 같이 보상 엘리먼트의 각 단부에서의 접속기 온도의 평균에 매우 가까워지게 된다.
(8)
(2) 전기적으로 가열된 감지 엘리먼트의 온도는 단부에서 중심으로 변화하여, 냉각기 지지부로부터의 거리에 따라 상승한다. 유한 엘리먼트 분석을 이용하여 발명자들은 감지 엘리먼트에 따른 온도 분포를 시뮬레이션하였다. RS 및 RC에 대한 저항의 동일한 온도 계수로 감지 엘리먼트의 임의의 세그먼트(n)의 온도(Tn)는 일정한 차(△Tn=Tn-TAVG)를 유지하도록 브리지 균형에서의 일정 압력에서 보상 엘리먼트(RC)의 평균 온도(TAVG)의 변화에 따라 달라지는 것을 알아냈다. 차(△Tn)는 β 및 R의 함수이며 R=R2-RC이다.
(3) 식(5)에 의하면, 브리지 균형에서 감지 엘리먼트 저항(RS)은 저항 엘리먼트(R2)의 β배의 저항으로 유지될 것이다. 대기 온도가 상승함에 따라, 보상 엘리먼트 접속기 또한 온도가 상승하여 RC의 온도 및 저항은 식(8)에 따라 증가하게 된다. 어떠한 온도 상승 및 그에 따른 RC 저항의 증가는 브리지 균형에서 RS의 모든 세그먼트의 온도 및 저항을 증가시킨다.
(4) 감지 엘리먼트의 단부 밖으로의 전력 손실은 식(9)에 따라 감지 엘리먼트의 단부에서 온도 변화도()에 좌우된다:
단부 밖으로 손실된 전력 = k (9)
여기서 k는 상수이며
좌측 단부에서 (10)
우측 단부에서 (11)
L 및/또는 R이 어떤 이유로 달라지면, 단부 손실은 변경되고 압력 표시에 오차가 생기게 된다.
저압에서의 온도 보상의 종래 기술에서 상당한 결함을 상세히 이해하기 위해, 안정된 상태로부터 TAR이 예를 들어 우측 지지 구조물의 국소 대기 온도 환경의 변화에 의해 약간 상승한다고 가정한다. TAL은 변하지 않고 그대로인 것으로 가정한다. TAL은 변하지 않은 것으로 가정하기 때문에, TCL 및 TSL은 변하지 않게 된다. 그러나 TAR의 상승은 접속을 통한 열 전도에 의해 TCR을 상승시키게 된다. 따라서, 이 상승하게 된다. TAVG의 상승은 브리지 균형에서 TXL 및 TXR을 상승시키게 되며, 이는 L 및 R을 변화시키게 된다. 이러한 L 및 R의 변화는 식(7)에서 단부 손실 항을 변화시켜, L 및 R의 변화량에 따라 압력 측정값에 오차를 발생시키게 된다.
발명자들은 TAL이 실질적으로 TAR과 동일한 방식으로 변하지 않으면, 대기 온도가 변할 때마다 감지 엘리먼트 단부 손실이 변하게 된다. 종래 기술의 피라니 게이지는 정확한 저압 측정에 필요한 정도로 TAL=TAR을 유지하도록 특정하게 설계되지 않았다.
종래 기술의 온도 보상에 있어서 다른 중요한 결함을 이해하기 위해, 안정 상태로부터 대기 온도가 상승하고 대기 온도 상태가 TAL=TAR이라고 가정한다. 또한, 감지 엘리먼트 접속기들은 길이가 동일한 것으로 가정하지만, 우측 보상 엘리먼트 접속기는 통상의 종래 기술 피라니 게이지의 경우와 같이 실질적으로 좌측 보상 엘리먼트 접속기보다 길다. 따라서, TSL=TSR이지만 추정되는 길이 차 때문에 TCR은 TCL에 뒤떨어지게 된다. TCL≠TCR인 경우의 이러한 지체 시간 동안, TAVG가 변경되어 브리지 균형에서 TXL 및 TXR이 변하게 된다. 따라서, L 및 R은 지체 시간 동안 계속해서 변경되어, 저압 표시에 있어 오차를 발생시키게 된다.
발명자들은 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트 접속기들이 실질적으로 동일한 물리적 단위 및 실질적으로 동일한 열 특성을 갖지 않으면, 대기 온도가 변할 때 감지 엘리먼트 단부 손실이 변하게 된다고 판단했다. 종래 기술의 피라니 게이지는 감지 및 보상 엘리먼트 접속기들이 동일한 물리적 단위 및 열 특성을 갖도록 특정하게 설계되지 않았다.
다른 상당한 결함은 (발명자들이 알아낸 바와 같이) 보상 엘리먼트와 감지 엘리먼트 사이의 크기 차로부터 발생한다. 보상 엘리먼트의 크기는 전형적인 경우와 같이 감지 엘리먼트보다 실질적으로 큰 것으로 가정한다. 종래 기술의 피라니 게이지에 의해 감지 엘리먼트에 비해 보상 엘리먼트를 크게 만들고 보상 엘리먼트 주위에 상대적으로 큰 열 손실 경로를 제공하여 RC에서의 전력 소산으로부터 발생하는 열이 쉽게 소산될 수 있게 하는 것이 통상적인 실시이다. 안정 상태로부터 대기 온도가 상승하고 항상 TAL=TAR인 것으로 가정한다. 따라서, TSL 및 TSR이 새로운 안정 상태 온도에 이르는데 걸리는 시간에 비해 보상 엘리먼트가 새로운 안정 상태 온도에 이르는데 시간이 오래 걸리게 된다. (통상의 종래 기술의 피라니 게이지에서 몇 시간의 지속 기간으로 관측된) 이 시간 동안 TAVG는 계속해서 변화하여 브리지 균형에서 TXL 및 TXR을 계속해서 변경시키게 된다. 따라서, L 및 R은 지체 시간 동안 계속해서 변경되어, 감지 엘리먼트 단부 손실이 일정하게 유지되지 않게 되고, 저압 측정에 있어 오차를 발생시키게 된다.
보상 엘리먼트가 브리지 균형에서 대기 온도의 변화에 따라 감지 엘리먼트와는 다른 속도로 온도를 변화시키도록 설계되면 동일한 유형의 문제가 발생한다. Alvesteffer형 디바이스와 같은 종래 기술의 설계는 이러한 결함을 갖는다.
발명자들은 그들의 연구로부터 보상 엘리먼트가 감지 엘리먼트와 동일한 속도로 온도를 변화시키도록 설계되지 않으면, 대기 온도가 새로운 값에서 안정화된 후 감지 엘리먼트 단부 손실이 계속해서 오래 변화한다고 판단하였다. 그러나 종래 기술의 피라니 게이지는 이러한 요건을 만족하도록 설계되지 않았다.
R2에 대해 온도 둔감성 저항 엘리먼트(R)와 직렬로 감지 엘리먼트와 실질적으로 동일한 저항 온도 계수를 갖는 보상 엘리먼트(RC)를 사용하여 감지 엘리먼트와 그 주위의 온도 차에 따라 변동하는 가스 손실 및 단부 손실에 대한 온도 보상을 제공하는 것이 오랫동안 공지되었다. 이러한 온도 보상 방법은 여러 해 동안 CONVECTRON 게이지에 채용되었으며 Alvesteffer 게이지에도 사용되었다.
이러한 온도 보상 방법은 (1) 감지 및 보상 엘리먼트 저항의 온도 계수가 동일하고; (2) 감지 엘리먼트 저항의 변동이 보상 엘리먼트 저항의 변동에 따라 증가할 수 있게 되면, (3) 감지 엘리먼트의 온도는 대기 온도 변화에 따라 상승한다. 물론 이러한 두 가지 가정을 만족하면 대기 온도에서 가열된 감지 엘리먼트와 주위 벽 사이의 온도 차가 대기 온도 변화에 따라 확실히 일정하게 유지될 수 있기 때문에 매우 바람직하다.
그러나 발명자들은 R2에 대해 온도 민감성 저항(RC)과 직렬인 정저항(R)을 이용하는 종래 기술의 게이지가 다음에 설명하는 바와 같이 단지 부분적인 온도 보상을 제공한다는 점을 알아냈다.
도 1a에서 R2는 다음 식이 성립하도록 온도 민감성 보상 엘리먼트(RC) 및 온도 둔감성 저항(R)으로 구성된다고 가정한다.
R2 = RC + R (12)
따라서 브리지 균형에 대해 상기에 유도된 식(5)는 다음과 같다.
RS = β(RC + R) (13)
여기서 β는 상기 식(6)으로 정의된다.
또한, 게이지의 대기 온도 환경이 T1과 동일할 때 감지 엘리먼트는 온도(TS1)에서 작동하고 보상 엘리먼트는 온도(TC1)에서 작동하는 것으로 가정한다. 따라서,
TAMBIENT = T1 (14)
일 때 식(13)은 다음과 같다.
RS(T1)(1 + αS(TS1 - T1)) = β[RC(T1)(1 + αC(TC1 - T1)) + R] (15)
여기서, RS(T1)은 온도(T1)에서 감지 엘리먼트의 저항이고, αS는 T1에서 RS 저항의 온도 계수이고, RC(T1)은 온도(T1)에서 보상 엘리먼트의 저항이고, αC는 T1에서 RC 저항의 온도 계수이다. 따라서,
TAMBIENT = T2
일 때 식(13)은 다음과 같다.
RS(T1)(1 + αS(TS2 - T1)) = β[RC(T1)(1 + αC(TC2 - T1)) + R] (16)
TS1에 대해 식(15)을 풀면,
(17)
TS2에 대해 식(16)을 풀면,
(18)
식(18)에서 식(17)을 빼면 대기 온도가 T1에서 T2로 변할 때 감지 엘리먼트(RS)의 온도 변화(△T)가 주어진다. 따라서,
(19)
효과적인 온도 보상 엘리먼트는 그 온도가 대기 온도에 가까워지게 따라간다는 점에 주목한다. 따라서, 매우 우수한 근사법으로,
TC2 - T2 = TC1 - T1
또는
TC2 - TC1 = T2 - T1 (20)
따라서, 식(19)은 다음과 같다.
(21)
식(21)으로부터 단지
(22)
이면, 감지 엘리먼트(RS)에서의 온도 변화(△T)가 대기 온도(T2 - T1)의 변화와 동일해짐이 명백하다.
도 1a에서 R2에 대해 고정 저항(R)과 직렬로 온도 민감성 보상 엘리먼트(RC)를 사용하는 종래 기술의 게이지는 β의 선택에 따라 단지 부분적인 온도 보상만을 제공한다. 본 발명자들에게 공지된 피라니 게이지에 대한 가장 최근의 연구로서 Alvesteffer 등에 의해 설명된 설계를 갖는 상용화된 게이지는 식(22)을 만족하지 않는다.
종래 기술의 게이지 설계가 갖는 세 번째 문제로서, 발명자들은 R2에서의 전력 소산 레벨이 정확도에 악영향을 준다는 점을 알아냈다. 종래 기술의 피라니 게이지는 도 1a와 같이 구성될 경우 RS에 브리지 균형에서의 보상 엘리먼트에서와 동일한 압력 의존 전류를 갖는다. 도 1b와 같이 구성될 경우, 균형에서 RS에서와 같이 R2에 동일한 압력 의존 전압이 인가된다. 물론, R2의 압력 의존 전류는 압력에 따라 변하는 양만큼 RC의 온도를 대기 온도 이상으로 상승시키게 된다.
종래 기술의 피라니 게이지는 전형적으로 감지 엘리먼트보다 물리적 단위가 훨씬 큰 보상 엘리먼트를 사용하여 열을 소산시킴으로써 보상 엘리먼트의 과도한 온도를 방지한다. 상술한 바와 같이, 감지 및 보상 엘리먼트의 상이한 물리적 단위는 대기 온도가 변할 때 측정 오차를 발생시킨다.
네 번째 문제는 대기 온도가 변할 때 종래 기술의 피라니 게이지는 저압에서 압력 표시의 전환을 일으킨다는 점이다. 종래 기술의 피라니 게이지는 대기 온도가 변할 때 감지 엘리먼트에 의해 손실된 전력이 변하지 않도록 유지하기 위한 시도에 있어서 다양한 성분들을 사용했다. 예를 들어, 미국 특허 4,682,503호에서는 대기 온도를 제어하여 대기 온도 변화를 최소화하기 위해 열전기 냉각이 사용된다.
미국 특허 4,541,286호에 개시된 디바이스에서, 열 민감성 엘리먼트는 브리지의 보상 아암에 인접하게 장착된다(실제로는 상용 버전의 진공 담(enclosure) 외부에 접착된다). Alvesteffer 등은 브리지에 (여기서 R4로 지정된) 추가 엘리먼트를 사용하여, 저항의 온도 계수가 대기 온도에서의 보상 엘리먼트와 비교하여 작동 온도에서의 감지 엘리먼트와 약간 다르다는 사실을 보상하는데 도움을 준다. 이러한 종래 기술의 하드웨어 조정의 각각은 대기 온도 변화로 인한 오차를 일부 없애지만, 이들 중 어떤 것도 실질적으로 모든 오차를 없애지 못한다. 따라서, 종래 기술의 피라니 게이지는 대기 온도가 변할 때 저압에서 압력 표시의 상당한 전환을 일으킨다.
미국 특허 5,608,168호에 개시된 다른 종래의 시스템은 브리지의 각종 전기적 측정치(또는 이들의 근사치)를 연결하여 온도 의존 저항의 값 또는 온도를 결정하고, 이 파라미터를 고려하여 압력 측정치를 결정한다. 그러나 이 시스템은 온도나 다른 값들을 측정해야 하는 필요 때문에 복잡성이 증가하였다.
따라서, 이러한 문제들을 극복하는 개선된 피라니형 게이지가 필요하다.
본 발명의 상기 및 그 밖이 목적, 특징 및 이점들은 첨부 도면에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예의 보다 상세한 설명으로부터 명백해지며, 각 도면들에서 동일 부분에는 동일 부호를 붙인다. 도면들은 반드시 비율에 맞게 도시한 것은 아니며, 본 발명의 원리를 설명할 때 적절히 강조할 수 있다.
도 1a 및 1b는 종래의 피라니 게이지의 간소화된 개략도이다.
도 2는 발명자들의 연구를 통해 알아낸 바와 같이, 종래의 피라니 게이지의 열 손실 성분을 나타내는 도표이다.
도 3은 감지 엘리먼트로 작은 지름의 전선을 사용한 종래의 피라니 게이지의 개략도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 개선된 열 손실 게이지의 일부이며, 도 4b는 도 4a에 나타낸 부분의 단면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 개선된 열 손실 게이지 단부들의 확대된 단면도이다.
도 5b는 열 전도 플레이트와 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트 사이의 간격을 각각 유지하기 위한 본 발명에 따른 메커니즘의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 감지 엘리먼트의 독립적인 가열 장치를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 감지 엘리먼트의 다른 독립적인 가열 장치를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 감지 엘리먼트의 또 다른 독립적인 가열 장치를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 보상 엘리먼트와 병렬로 접속된 트림 저항을 갖는 도 7의 회로 일부의 개략도이다.
본 발명은 상당히 개선된 저압, 중간 및 고압 측정 정확도를 제공하여 정확한 압력 측정 범위가 단일 게이지 내에서 보다 낮은 압력 및 보다 높은 압력으로 확장될 수 있도록 상승적으로 협력하는 열 손실 압력 측정에 대한 개선을 제공한다.
제 1 개선예로서, 작은 지름의 전선 감지 엘리먼트가 작은 지름의 전선 보상 엘리먼트와 동일 평면에 간격을 두고 배치되며, 2개의 평행한 평면 열 도전성 플레이트가 각각 감지 및 보상 엘리먼트로부터 15 미크론 간격으로 떨어져 있다. 이와 같이, 발명자들은 대류에 의존하지 않고 간단한 구조로 높은 상대 감도를 달성하였다. 초소형 피라니 게이지 설계의 극도의 복잡성 및 비용과 감지 엘리먼트의 대류 냉각의 단점을 동시에 피한다.
발명자들은 이 극도로 간단하고 소형인 저가의 측정 수단이 매우 복잡한 초소형 피라니 게이지로 얻어지는 것과 훨씬 큰 위치 민감성 대류 냉각 피라니 게이지로 얻어진 것에 비해 대기압에 이르기까지의 결과를 제공한다는 것을 알아냈다. 의외로, 이 개선예는 또한 초소형 Alvesteffer 게이지에 있는 감지 엘리먼트의 단 3%의 부피를 갖는 감지 엘리먼트를 제공한다. 새로운 디바이스의 보상 엘리먼트는 Alvesteffer형 보상 엘리먼트의 0.5% 미만의 부피를 갖는다.
본 발명은 또한 개선된 온도 보정을 제공한다. 발명자들은 감지 엘리먼트의 단부에서 온도 변화도()를 일정하게 더욱 잘 유지함으로써 저압 측정의 정확도가 상당히 개선될 수 있다는 것을 알아냈다(식(10) 및 식(11) 참조). 발명자들은 의 불변성이 다음에 의해 동시에 달성될 수 있음을 알아냈다:
1. 실질적으로 동일한 물리적 단위, 열 특성 및 저항 특성을 갖는 감지 및 보상 엘리먼트의 사용;
2. 실질적으로 동일한 물리적 단위, 열 특성 및 저항 특성을 갖는 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트 접속부의 사용;
3. 모든 접속부에 대해 실질적으로 균일한 온도 영역에 대해 실질적으로 동일하고 큰 열 전도성을 갖는 엘리먼트 접속부의 사용; 및
4. 동일한 진공 환경에 감지 및 보상 엘리먼트의 배치.
본 발명에서 게이지는 다음과 같이 설계되기 때문에 식(22)을 항상 만족한다.
RC(TA) - RS(TA) (23)
여기서 TA는 대기 온도이고,
C = S (24)
β = 1 (25)
다른 현저한 개선점은 보상 엘리먼트에 무시할 수 있는 정도의 가열을 제공함으로써 실현된다. 발명자들은 종래의 휘스톤 브리지를 변형하여 감지 엘리먼트에 대해 독립적인 가열 수단을 제공하는 동시에, 브리지의 다른 3개의 아암 중 임의의 아암에 실질적으로 영점 가열을 발생시켰다. 따라서, 보상 엘리먼트는 감지 엘리먼트와 동일한 물리적 특성은 물론 동일한 단위로 제조될 수 있다. DC 가열 전류는 감지 엘리먼트에만 사용되고 제한된다. 비교적 작은 AC 신호가 브리지 균형을 감지하는데 사용된다.
추가적인 성능 개선점은 모든 압력에서 정확한 압력 표시를 하는 새로운 압력 보상 방법을 제공함으로써 실현된다. 특히, 발명자들은 브리지 균형에서 미지의 압력(PX)의 정확한 표시가 식(26) 형태의 간단한 식으로부터 계산될 수 있다는 점을 알아냈다.
P = f(VS, IS) (26)
VS는 감지 엘리먼트에 걸친 전압 강하이고, IS는 감지 엘리먼트에서의 전류이다. 식(26)의 항들은 3차원 커브 피팅(curve fitting) 소프트웨어를 이용하여 중요한 압력 및 온도 범위에 걸친 압력(PC) 및 대기 온도 전개의 다수의 기지값들에 대한 교정 방법으로 구한 VSC 및 ISC 쌍의 값으로부터 유도된다. VSX 및 ISX는 브리지 균형에서 미지 압력(PX)에서 측정되어 식(26)에 대입된다. 그리고 마이크로프로세서 등을 이용하여 PX가 계산된다.
이러한 방식으로 본 발명은 피라니 게이지 정확도, 제조 비용 및 패키지 크기에 있어서 상당한 진보성을 제공한다.
본 발명은 또한 주위의 가스 압력을 측정하기 위한 열 손실 게이지를 포함한다. 상기 게이지는 저항성 감지 엘리먼트, 및 상기 감지 엘리먼트를 구비한 회로에 있으며 실질적으로 매치하는 환경에 노출되는 저항성 보상 엘리먼트를 포함한다. 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트에는 전원이 접속되어 상기 엘리먼트들을 통해 전류를 공급한다. 감지 엘리먼트를 통하는 전류는 보상 엘리먼트를 통하는 전류보다 실질적으로 크다. 감지 엘리먼트 및 상기 보상 엘리먼트에는 측정 회로가 접속되어, 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트의 전기적 응답을 기초로 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트가 노출되는 주위의 가스 압력을 결정한다.
어떤 실시예에서는, 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트에 개별 전류가 흐른다. 감지 엘리먼트의 저항이 일정 수의 옴 값을 더한 보상 엘리먼트의 결합 저항에 일치하는 온도로 감지 엘리먼트를 가열하도록 전류가 공급된다. 보상 엘리먼트가 비-온도 민감성 저항 엘리먼트와 직렬로 배치되는 실시예에서는, 감지 엘리먼트의 저항이 보상 엘리먼트 및 비-온도 민감성 저항 엘리먼트의 결합 저항에 일치하는 온도로 감지 엘리먼트를 가열하도록 전류가 공급된다. 감지 엘리먼트에 흐르는 가열 전류 및 그에 따른 감지 엘리먼트 상의 전압을 기초로 가스 압력이 결정된다. 일 실시예에서, 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트에는 개별 DC 전류가 흐른다. 보상 엘리먼트를 통하는 전류는 감지 엘리먼트를 통하는 미리 결정된 미소량의 전류이므로 전류들은 정해진 비율을 갖는다. 피드백 회로는 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트를 통하는 전류의 레벨을 제어한다. 다른 실시예에서, 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트에 모두 감지 전류가 흐르고, 감지 엘리먼트에는 개별 가열 전류가 흐른다.
또 다른 실시예에서, 감지 및 보상 엘리먼트는 길이가 다르다. 어떤 실시예에서 보상 엘리먼트는 감지 엘리먼트보다 5% - 8% 정도 길이가 더 짧고 5% - 8% 정도 저항이 더 낮다. 특정 실시예에서 보상 엘리먼트는 감지 엘리먼트보다 6% - 7% 정도 길이가 더 짧고 6% - 7% 정도 저항이 더 낮다. 다른 실시예에서 감지 및 보상 엘리먼트 중 하나와 병렬인 저항이 배치되어 상대 저항을 트림(trim)한다.
다음은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명이다. 우선 종래의 피라니 게이지 설계에 대한 4개의 카테고리의 개선예에 대해 본 발명을 설명한다. 특히 바람직한 실시예에서 4개의 개선예는 함께 사용되며, 실질적으로 개선된 성능 특성을 갖는 피라니 게이지를 제공하도록 상승적으로 결합된다. 이후에 본 발명이 추가 실시예를 설명한다.
개선예 1
도 4a 및 4b를 참조로 제 1 카테고리의 개선예를 설명한다. 도 4a는 개선된 열 손실 게이지(비율에 맞지 않음)의 일부(10) 측면도이다. 도 4b는 도 4a에서 라인(4b-4b)을 따라 취해진 부분(10)의 단면도이다. 도 4a 및 4b에 나타낸 바와 같이, 작은 지름의 전선 감지 엘리먼트(12)가 작은 지름의 전선 보상 엘리먼트(14)와 동일 평면에 간격을 두고 배치된다. 감지 엘리먼트(12)와 보상 엘리먼트(14)와의 간격(d)은 바람직하게는 0.030 인치 정도이지만, 0.010 인치 내지 0.200 인치 범위일 수도 있다. 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)에 인접하여 평행하게 평행 플레이트(16, 16')가 제공된다.
평행 플레이트(16, 16')는 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트로부터 간격(S)을 두고 배치된다. S는 바람직하게는 0.0007 인치이지만, 0.0002 인치 내지 0.002 인치 범위일 수도 있다. 감지 엘리먼트(12)는 순수 텅스텐과 같이 높은 저항 온도 계수를 갖는 재료로 만들어지며, 일정한 방사율을 확보하는데 도움이 되도록 금 도금될 수도 있다.
감지 엘리먼트(12)의 지름은 바람직하게 0.0005 인치이지만, 0.0001 인치 내지 0.002 인치 범위일 수도 있다. 원통 모양의 전선 형상이 바람직하지만, 감지 및 보상 엘리먼트에 모두 리본과 같은 다른 형상이 사용될 수도 있다. 감지 엘리먼트(12)의 길이는 바람직하게는 1 인치이지만, 0.25 인치 내지 3 인치 범위일 수도 있다.
보상 엘리먼트(14)는 감지 엘리먼트(12)와 동일한 재료로 만들어지며, 동일한 물리적 단위와 동일한 열 및 저항 특성을 갖는다.
열 손실 게이지의 일부(10)는 하기에 보다 상세히 설명하는 방식으로 도 6에 나타낸 형태의 측정 회로에 설치될 수 있다.
평행 플레이트(16, 16')는 열을 전도함으로써 가열된 감지 엘리먼트(12)를 따라 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)의 단부들 사이에 온도 변화도를 평준화하게 된다. 이와 같이, 본 발명은 대류에 의존하지 않고 간단한 구조로 높은 상대 감도를 달성한다. 이러한 발명의 실시예에서, 실질적으로 동일한 물리적 단위, 열 특성 및 저항 특성을 갖는 감지 및 보상 엘리먼트를 사용하여 감지 및 보상 엘리먼트를 동일한 진공 환경에 배치함으로써 저압 측정의 정확도가 상당히 개선된다. 이러한 설계를 이용하면, 초소형 피라니 게이지 설계의 극도의 복잡성 및 비용과 감지 엘리먼트의 대류 냉각에 관련된 단점을 동시에 피한다. 이러한 개선점은 매우 복잡한 초소형 피라니 게이지로 얻어지는 것과 훨씬 큰 위치 민감성 대류 냉각 피라니 게이지로 얻어진 것에 비해 대기압에 이르기까지의 압력 측정 결과를 가능하게 한다.
개선예 2
본 발명의 주요한 제 2 특징으로서, 감지 및 보상 엘리먼트에 개선된 장착 구조가 제공된다. 실질적으로 동일한 물리적 단위, 열 특성 및 저항 특성을 갖는 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트 접속부를 사용함으로써, 또한 모든 접속부에 대해 실질적으로 균일한 온도 영역에 대해 실질적으로 동일하고 큰 열 전도성을 갖는 엘리먼트 접속부를 사용함으로써 저압 측정의 정확도가 현저히 개선된다.
도 5a는 감지 엘리먼트(12)가 감지 엘리먼트 접속기(20, 20')에 전기 접속되어 지지되며 보상 엘리먼트(14)가 보상 엘리먼트 접속기(22, 22')에 전기 접속되어 지지되는 게이지 부분(10)의 일 단부의 매우 확대된 단면도이다. 도 5a의 단면은 도 4a의 라인(5a-5a)을 따라 취해진다. 바람직하게, (도 5a에 나타낸 바와 같이) 동일한 지지부가 게이지 부분(10)의 각 단부에 제공된다.
접속기(20, 20', 22, 22')는 바람직하게 두께가 0.001 인치, 폭이 0.060 인치인 백금 리본으로 만들어진다. 플레이트(16, 16')는 바람직하게 알루미늄 질화물과 같이 높은 열 전도성을 갖는 전기 절연 물질로 만들어진다.
혹은, 감지 및 보상 엘리먼트 접속기(20, 20', 22, 22')는 텅스텐 상의 다이아몬드형 코팅과 같은 전기 절연 박층(24, 24')에 의해 플레이트(16)와 전기적으로 절연될 수 있다. 이 경우, 플레이트(16, 16')는 텅스텐과 같이 높은 열 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 바람직하게, 선택된 재료는 0.25 W/㎝/K보다 큰 열 전도성을 갖는다.
플레이트(16, 16')는 각 단부(도시 생략)의 간단한 시트 금속 클램프에 의해 제 위치에 유지된다. 클램프는 플레이트(16, 16')에 충분한 힘을 가하여 접속기(20 및 20', 22 및 22')들이 완전히 접촉할 때까지 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)를 접속기(20, 20', 22, 22')에 끼워넣는다. 따라서, 감지 엘리먼트(12)와 플레이트(16, 16') 표면 사이의 간격(S)은 감지 엘리먼트의 지름 및 얇은 리본 접속기(20, 20', 22, 22')의 두께에 의해 결정된다. 본 발명의 이러한 특징은 추가 회로에 전기 접속을 제공하는 것은 물론, 머리카락보다 얇은 감지 엘리먼트가 정확하고 매우 적은 비용으로 2개의 평평한 표면으로부터 비교되는 간격으로 떨어질 수 있게 한다.
플레이트(16, 16')는 특히 최소 열 전도성을 갖는 진공에서 외부와 격리될 때 실질적으로 균일한 온도 영역을 제공한다. 얇은 리본 접속기(20, 20', 22, 22')는 상기 균일한 온도 영역에 대해 동일한 단위, 짧은 경로 및 매우 큰 열 전도성을 제공하여, 감지 엘리먼트의 단부에서 온도 변화도()의 불변성을 위한 여러 가지 조건을 만족한다.
감지 엘리먼트(12)는 조립 시에 로드되어 감지 엘리먼트(12)의 상기 접속기(21)에 인접한 감지 엘리먼트(12) 쪽을 향하는 작은 지름의 전선 스프링(26)에 의해 도 5b에 나타낸 바와 같이 적당히 팽팽해질 수 있다. 비슷한 방식으로 스프링(28)이 사용되어 보상 엘리먼트(14)를 팽팽하게 한다. 스프링(26, 28)은 대기 온도가 변할 때 플레이트(16, 16')에 대한 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)의 정확한 간격을 유지할 수 있게 한다. 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14) 어셈블리에 충분한 슬랙(slack)이 형성되어 엘리먼트(12, 14) 및 플레이트(16)의 상이한 열 팽창으로 인한 파손을 막아야 한다. 스프링(26, 28)이 없으면 이러한 슬랙은 대기 온도에 따라 변하여, 평행 플레이트(16, 16')와 감지 및 보상 엘리먼트 사이의 각각 일정한 간격(S) 유지를 방해하고 측정 오차를 발생시킨다.
이러한 발명의 실시예에 따른 설계에서, 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)는 물리적, 전기적, 열적으로 대등하다는 사실에 의해 식(22)이 부분적으로 성립한다. 또한, 도 6의 실시예에서 R3은 R4와 동일하게 설정되어, 식(6)으로부터 β = 1이 된다. 따라서, 이러한 설계에 의해 식(22)은 항상 완전히 성립한다.
개선예 3
본 발명의 주요한 제 3 특징은 감지 엘리먼트를 독립적으로 가열하기 위한 장치 및 방법이다. 이러한 개선은 도 6에 나타내며, 휘스톤 브리지(30)가 변형되어 감지 엘리먼트(12)의 독립적인 가열을 제공한다. 본 발명에서와 같이 감지 엘리먼트와 동일한 물리적 단위를 가지며 동일한 재료로 만들어진 보상 엘리먼트로 사용되는 종래 기술의 회로는 대기 온도가 아니라 감지 엘리먼트와 동일한 온도에서 보상 엘리먼트가 작동하게 한다. 따라서 상술한 발명의 개선점을 갖는 피라니 게이지는 종래 기술의 가열 회로를 이용하여 정확한 전위를 달성할 수 없다.
이제 도 6을 참조하면, 노드(A, B, C, D)를 가진 휘스톤 브리지는 저항치(RS)를 가지며 노드(B, C) 사이에 접속된 감지 엘리먼트(12)를 구비한다. (저항(R)을 갖는) 비-온도 민감성 저항 엘리먼트(15) 및 (저항(RC)을 갖는) 보상 엘리먼트(14)가 함께 저항(R2)를 구성한다. R2 및 커패시터(36)는 노드(C, D) 사이에 차례로 직렬 접속된다. 노드(A, B) 사이에는 저항치(R4)를 갖는 저항(17)이 접속되고, 노드(A, D) 사이에는 저항치(R3)를 갖는 저항(19)이 접속된다. 진공 환경(34)이 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)를 둘러싼다. AC 전압원(38)이 노드(B, D) 사이에 접속되고, 노드(A, C) 사이에 주파수 선택 검출기(40)가 접속된다. DC 전류원(32)이 노드(B, C) 사이에 접속되어 노드(B)에 전류를 제공한다. DC 전류원(32)을 제어하고 주파수 선택 검출기(40)로부터 그 제어를 위해 전압 검출 입력을 수신하도록 자동 피드백 링크 장치(46, 47)에 의해 제어기(42)가 접속된다.
(도 4a 및 4b에 도시하고 이들 도면을 참조로 상술한 바와 같이) 감지 엘리먼트(12), 보상 엘리먼트(14) 및 플레이트(16, 16')를 포함하는 부분(10)을 진공 환경(34)이 둘러싼다. 또한, 도 5a 및 5b를 참조로 상기에 설명한 조립 방법이 도 6의 회로에 바람직하게 이용된다. 감지 엘리먼트(12)의 일 단부의 엘리먼트 접속기(20, 20')는 도 6의 브리지 회로(30)에서 C 점에 전기적으로 접속되는 한편, 감지 엘리먼트(12)의 다른 단부의 감지 엘리먼트 접속기(21, 21')(도시 생략)는 도 6에서 B 점에 전기적으로 접속된다. (도 5a에 도시한) 보상 엘리먼트(14)의 일 단부의 보상 엘리먼트 접속기(22, 22')는 커패시터(36)를 통해 도 6의 D 점에 전기적으로 접속되는 한편, 보상 엘리먼트(14)의 다른 단부는 저항(15)을 통해 C 점에 접속된 보상 엘리먼트 접속기(23)에 접속된다.
도 6에 나타낸 바와 같이, DC 전류원(32)은 진공 환경(34)에 위치하는 감지 엘리먼트(12)에 가열 전류(I)를 공급한다. 전류원(32)으로부터의 전류가 R2, R3 및 R4에 제공되는 것을 막기 위한 수단으로서 커패시터(36)가 제공된다. 따라서, 종래의 휘스톤 브리지를 사용하는 종래 기술의 피라니 게이지와 달리, 언제라도 R2에 RS의 가열 전류 또는 가열 전압 부분이 제공되지 않는다.
AC 전압원(38)은 AC 신호 전류(iS, i2, i3, i4)를 발생시키는 브리지(30)에 AC 신호 전압을 공급한다. iS, i2, i3, i4에 대한 매우 작은 값들 및 주파수 선택 검출기(40)를 이용하면, 브리지(30)의 임의의 아암에서 발생된 무시할 수 있을 정도의 가열에 의해 브리지 균형이 검출될 수 있다. 전류원(32)으로부터의 DC 전류(I)는 제어기(42)에 의해 자동 제어되어, 주파수 선택 검출기(40)의 AC 전압 검출 기능에 의해 측정된 바와 같이 B 점으로부터 C 점으로의 AC 전압 강하(iSRS)가 B 점으로부터 A 점으로의 전압 강하(i4R4)와 계속적으로 확실히 동일해진다. 이러한 자동 피드백 링크 장치는 점선(46, 47)으로 나타낸다.
프로세서(51)가 전류계(49) 및 전압계(48)에 접속되고, 가열 전류 레벨을 기초로 감지 엘리먼트(12) 및 감지 엘리먼트(12)에 걸친 전압 강하에 의해 진공 환경(34)의 압력을 나타내는 출력을 생성한다.
이와 같이, 보상 엘리먼트(14)는 감지 엘리먼트(12)와 동일한 물리적 단위와 열 및 저항 특성을 갖도록 제조될 수 있고, 또한 어떠한 압력 의존 전기 가열 없이 대기 온도에서 작동할 수 있다.
개선예 4
다시 도 6을 참조하여 제 4 개선예를 설명한다. 이 개선예에서는 본 발명에 따라 피라니 게이지를 교정하고 작동시키기 위한 개선된 장치 및 방법이 제공된다.
발명자들은 브리지 균형에서 미지의 압력(PX)의 정확한 표시가 식(26) 형태의 간단한 식으로부터 계산될 수 있다는 점을 알아냈다.
P = f(VS, IS) (26)
이러한 발견은 보다 이전의 접근법들과 다르다. 압력 표시는 감지 엘리먼트의 저항이 아니라 대기 온도와 같은 다른 인자들에 좌우되는 것으로 간주되었다. 따라서, 종래의 교정 개요는 교정 및 동작중에 모두 저항 및 다른 수량의 측정을 종종 필요로 한다. 그러나 발명자들은 상술한 개선이 이루어질 때 정확한 압력 출력을 산출하기 위해 VS 및 IS의 값이 충분한 온도 정보를 통합하여 대기 온도와 같은 다른 파라미터들을 개별적으로 측정하는 단계들을 없앨 수 있는 것을 알아냈다. 이러한 방식으로, 3차원 교정 테이블을 사용하여 전압 및 전류 단독에 기초하여 압력을 결정할 수 있다.
도 6에 나타낸 게이지를 교정하기 위해, 감지 엘리먼트(12)는 중요한 압력 및 온도 범위에 대한 일련의 기지의 대표적인 압력 및 대기 온도 전개에 노출된다. 전압계(48)에 의해 측정된 전압 강하(VSC) 및 전류계(49)에 의해 측정된 전류(ISC)가 브리지 균형에서 각각의 기지의 대표적인 교정 압력(PC)과 함께 기록된다. 이러한 값들은 프로세서(51)에서 작동하는 프로그램에 의해 기록되거나 교정 연산을 위한 다른 처리 유닛에 전달될 수도 있다. 전압(VSC) 및 전류(ISC)에 대한 압력(PC)의 도표가 작성된다. 주어진 교정 온도에서의 각각의 연속한 측정은 압력을 전압 및 전류와 관련시키는 일정한 온도 함수를 산출한다. 중요하게, 상술한 바와 같이 발명자들은 이러한 일정 온도 함수가 단일 3차원 데이터 테이블에 유용하게 결합되어 식(26) 형태의 단일 교정 함수를 정의할 수 있음을 알아냈다. 이것이 행해지면, 결과는 곡면을 형성하는 일련의 점들이며, 곡면의 높이는 압력이고 측정된 전압 및 전류값들의 함수이다.
결과적인 교정 데이터는 검색 테이블에 저장될 수 있고, 측정된 압력들은 측정된 전압 강하 및 전류를 기초로 검색 테이블에 저장된 압력값들을 보간함으로써 결정될 수 있다. 그러나 넓은 범위의 압력에 대해 정확한 출력을 산출하기 위해 저장되어야 하는 점의 개수 때문에, 바람직한 실시예에서는 측정된 값들이 있는 곡면에 대해 근사식이 얻어진다. 이는 3차원 곡면 작성 소프트웨어를 이용하여 쉽게 이루어질 수 있다. 결과식은 식(26)에 나타낸 형태이다. 그리고 임의의 온도에서 미지의 압력(PX)을 측정하기 위해, 브리지 균형에서 전압계(48)에 의해 VSX가 측정되고 전류계(49)에 의해 ISX가 측정된다. 그리고 식(26)에 대입함으로써 압력의 보정값이 다음과 같이 쉽게 얻어질 수 있다.
PX = f(VSX, ISX) (27)
편의상, 프로세서(51)에 식(27)이 저장되어 VSX 및 ISX가 프로세서(51)에 입력되면 자동으로 PX를 자동으로 계산하도록 사용될 수 있다.
당업자들은 본 발명의 범위 내에서 전압 및 전류에 다른 수량이 대입될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, W가 감지 엘리먼트(12)에 공급된 전력이고 R이 감지 엘리먼트(12)의 저항인 PX = g(W, R) 형식이 식(27) 대신 사용될 수 있다. 이 경우, W 및 R은 전압계(48) 및 전류계(49)의 출력으로부터 계산될 수 있다. 중요한 것은 2개의 선택된 파라미터들이 전류 및 전압 모두에 관련된 정보를 포함하며, 전류 및 전압 변화의 영향이 두 파라미터 값을 기초로 생성된 교정 그래프 또는 테이블에 다르게 반영된다는 점이다. 따라서, 예를 들어 함수에 대한 2개의 입력 파라미터는 전력, 전류, 전압 및 저항을 포함하는 그룹 중에서 임의의 2개일 수도 있다. 일반화를 위해, 교정 곡면에 가까운
P = h(X, Y)
형식의 등식을 확인할 수 있으며, 여기서 X는 제 1 입력 파라미터이고, Y는 제 2 입력 파라미터이며, P는 제 1 파라미터(X) 및 제 2 파라미터(Y)에 대응하는 압력이다. 이 식은 다차원 교정 곡면에 대한 프록시로 사용되어 압력을 계산할 수 있다.
이 개선예는 10-4 Torr 미만의 압력으로부터 대기압 이상까지 0℃ 내지 50℃의 우수한 온도 보상을 제공한다. 이는 때때로 행해지는 전력 및 온도 측정의 필요성을 피한다. 이것은 미국 특허 4,682,503호의 경우와 같이 벽 온도 변동에 대한 감지 엘리먼트의 변동에 의존하는 손실뿐 아니라, 방사 손실의 변동과 같이 오차를 야기하는 모든 형태의 대기 온도 변동을 보상한다. 이 개선예는 미국 특허 5,347,869호에 개시된 것과 같이 열전기 냉각을 이용하여 대기 온도를 제어해야 하는 복잡성을 피한다. 또한, 이 개선된 교정 및 작동 방법은 고유 저항의 온도 계수가 대기 온도에서의 보상 엘리먼트에 대해서보다 작동 온도에서의 감지 엘리먼트에 대해 약간 다르다는 사실을 자동으로 보상한다.
추가 실시예들
도 7을 참조하면, 게이지(60)는 휘스톤 브리지를 채용하지 않는다는 점에 있어서 도 6에 나타낸 것과 다른 게이지의 실시예이다. 도 6에서와 같이, 게이지(60)는 (저항치(RS)를 갖는) 감지 엘리먼트(12), (저항(R)을 갖는) 비-온도 민감성 저항 엘리먼트(15) 및 (저항(RC)을 갖는) 온도 보상 엘리먼트(14)를 포함하며, 엘리먼트(12, 14)는 비슷한 방식 또는 배치로 진공 환경(34) 내에 배치된다. 게이지(60)에서 엘리먼트(12, 14, 15)를 접속하는 회로는 도 6과 다르지만, 엘리먼트(12, 14, 15)는 도 6에서와 비슷한 방식으로 이용된다. 예를 들어, 감지 엘리먼트(12)는 가열되는 한편, 비-온도 민감성 저항 엘리먼트(15) 및 온도 보상 엘리먼트(14)는 현저히 가열되지 않는다. 또한, 감지 엘리먼트(12)에 걸리는 전압(VS) 및 전류(IS)가 측정되어 비슷한 방식으로 압력을 측정하는데 이용된다.
게이지(60)는 라인(74, 76)을 통해 각각 전류원(62, 64)에 전력을 공급하는 전력원(61)을 포함한다. 전류원(62, 64)은 서로 의존하고 바람직하게 엘리먼트(12) 및 엘리먼트(14/15)에 각각 DC 전류를 공급한다. 전류원(64)은 전류원(62)에 의해 제공되는 미리 결정된 미소 크기 또는 레벨의 전류를 공급한다. 도 7에 도시한 예에서, 전류원(64)은 전류원(62)에 의해 제공된 전류량의 1/10을 제공한다.
전류원(62)에 의해 제공된 전류(IS)는 라인(78), 노드(80) 및 라인(88)을 경유하여 감지 엘리먼트(12)로 통한다. 전류원(64)에 의해 제공된 미소 전류는 라인(100), 노드(102) 및 (엘리먼트(14, 15) 사이에 위치하는) 라인(103)을 경유하여 비-온도 민감성 저항 엘리먼트(15) 및 온도 보상 엘리먼트(14)로 통한다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 엘리먼트(14, 15)는 대기 온도 변화를 보상한다. 온도 보상 엘리먼트(14)에 미소량의 감지 전류(IS)를 보내는 것은 감지 엘리먼트(12)에 비해 사소한 보상 엘리먼트(14)의 온도 상승을 일으킨다. 온도 보상 엘리먼트(14)에 흐르는 미소 전류에 대한 감지 전류(IS)의 비가 10:1 비율인 도 7에 나타낸 예에서, 온도 보상 엘리먼트(14)에서 소산된 전력은 전력에 대한 전류의 제곱 관계(전력 = I2R)로 인해 감지 엘리먼트(12)에서 소산되는 전력의 1/100 미만이다. 그 결과, 보상 엘리먼트(14)의 온도 상승은 감지 엘리먼트(12)의 온도 상승에 비해 1% 미만이다. 전류원(62, 64)에 대한 10:1의 전류비가 기재되지만, 10:1 미만 또는 이상의 다른 비율이 채용될 수도 있다. 전류(IS)는 저항(RS)이 결합 저항(R+RC)과 동일하게 증가하는 온도 레벨로 감지 엘리먼트(12)를 가열하도록 제어된다. 교정 데이터가 대기압을 정하는 온도에 있다. 피드백 회로는 전류를 그 레벨로 유지한다.
구체적으로, 저항(R+RC)을 나타내는 결합 저항(R+RC)에 걸리는 전압(V2)이 (노드(102, 98)에 접속된) 단일 곱셈기(66)를 통해 덧셈 회로(70)에 인가되는 한편, 저항(RS)을 나타내는 저항(RS)에 걸리는 전압(V1)이 (노드(84, 92)에 접속된) 곱셈기(68)를 통해 덧셈 회로(70)에 인가된다. R = V/I이고 R+RC에 흐르는 전류는 RS에 흐르는 전류의 1/10이기 때문에, R+RC에 걸리는 전압은 저항이 동일할 때 RS에 걸리는 전압의 1/10이다. 따라서, 전압을 비교하여 저항이 동일한지 여부를 판단하기 위해, RS에 걸리는 전압은 R+RC에 걸리는 전압에 인가된 곱셈기의 1/10만큼 곱해져야 한다. 곱셈기(68)는 전압(V1)에 -.1 곱하여 곱셈기들이 확실히 전류(IS, IS/10) 비의 역 비율을 갖게 한다. 음의 곱셈기(68)는 덧셈 회로(70)가 정규화된 저항 전압의 뺄셈을 행할 수 있게 하여 저항 차를 나타내는 오차 신호(110)를 제공한다. 그 차는 고이득 집적 오차 증폭기(72)에서 증폭되고 피드백되어 전류 레벨(IS)을 제어한다. 오차 증폭기(72)의 출력은 라인 또는 피드백 루프(112), 노드(114) 및 라인(116, 118)에 의해 전류원(62, 64)과 병렬로 피드백되어 필요에 따라 전류원에 의해 공급된 전류 레벨을 조정한다. 전류원(62/64)에 의해 공급된 전류는 감지 엘리먼트(12)의 저항(RS) 및 엘리먼트(15/14)의 R+RC가 미리 결정된 평형 상태를 유지하도록 조정된다. 도 7에 나타낸 예에서, 저항은 RS = R+RC가 되도록 맞춰진다. 혹은, RS가 R+RC보다 작거나 큰 다른 비율 또는 저항 레벨이 채용될 수도 있다. 또한, 전류원(62/64)을 제어하기 위한 피드백 회로가 바람직하지만, 대안적으로 이러한 피드백 회로는 생략되고 데이터베이스는 다른 전압비를 고려할 수도 있다. 피드백 회로가 생략되면, 게이지(60)의 응답 시간은 전형적으로 느려진다.
감지 엘리먼트(12)를 통하는 전류는 전류 센서(49)에 의해 결정되고, 그 전류에 의해 전압 엘리먼트(12)에 걸리는 전압(V1)은 라인(82, 86)에 의해 노드(80, 92)에 접속된 센서(48)에 의해 결정된다. 엘리먼트(12, 14)는 라인(90, 105)에 의해 노드(92, 98)에 각각 접속되고, 라인(86)은 노드(94)에 의해 접지에 접속된다. 센서(48) 및 곱셈기(66, 68)는 높은 입력 임피던스를 가지므로 모든 전류(IS)가 감지 엘리먼트(12)에 흐른다. 이전 실시예에서와 같이, 전류 및 전압 파라미터가 데이터베이스 검색에 사용되어 엘리먼트(12, 14)가 노출되는 압력을 결정한다.
게이지(60)는 감지 엘리먼트(12)가 중요한 압력 및 온도 범위에 대한 일련의 기지의 대표적인 압력 및 대기 온도 전개에 노출되는 도 6에 나타낸 게이지에 대해 설명한 것과 비슷한 방식으로 교정된다. 저항(RS, R+RC)이 미리 결정된 평형 상태, 예를 들어 RS = R+RC로 유지되는 동안 전압계(48)에 의해 감지 엘리먼트(12)에 걸리는 전압 강하가 측정되고 그에 흐르는 전류가 전류계(49)에 의해 측정된다. 이 값들은 도표로 작성되어 도 6과 관련하여 설명한 3차원 데이터 테이블 및 곡면을 제공한다.
그 결과, 사용에 있어서 감지 엘리먼트(12)에 걸리는 전압 및 전류를 측정하고 도 6의 게이지에 대해 설명한 방법을 이용함으로써 미지의 압력이 결정될 수 있다. 예를 들어, 측정된 전압 및 전류값은 특정 전압 및 전류값에 대한 압력값을 포함하는 저장된 교정 데이터와 비교된다. 전형적으로, 측정된 전압 및 전류값은 저장된 데이터 내에 포함된 값들에 정확히 부합하지 않는다. 따라서, 측정된 압력값은 저장된 전압/전류/압력 교정 데이터의 보간에 의해 결정된다. 바람직하게, 식(27)과 같은 근사식이 보간에 이용된다. 식(27)을 프로세서에 저장함으로써, 감지 엘리먼트(12)에 걸리는 측정된 전압 및 전류로부터 압력이 자동으로 계산될 수도 있다. 도 6의 게이지에서와 같이, 전압 및 전류 이외의 수량이 본 발명의 범위 내에서 압력을 결정하는데 이용될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 게이지(125)는 도시한 바와 같이 곱셈기(66)의 양(+)의 입력이 노드(102)에서 엘리먼트(14, 15) 사이에 위치하는 새로운 노드(120)로 이동한다는 점에서 게이지(60)(도 7)와 다른 본 발명에 따른 게이지의 실시예이다. 또한, 이득(K)을 갖는 제 3 곱셈기(121)가 포함된다. 곱셈기(121)는 도시한 바와 같이 노드(102) 및 (엘리먼트(14, 15) 사이에 위치하는) 새로운 노드(119)에 접속된다. 이러한 배치에서, 엘리먼트(14, 15) 사이의 라인(103)의 저항은 엘리먼트(15)의 저항(R)에 불명확한 증분값을 더하지 않는다. 그 결과, 필요하다면 라인(103)은 긴 전선이 될 수 있고 노드(119, 120) 사이의 저항은 실질적으로 게이지(125)의 정확도에 중요하지 않다. 이는 엘리먼트(15)가 트랜스듀서보다는 전자부품 패키지의 인쇄 회로 기판 위와 같이 보다 편리한 위치에 배치될 수 있게 하며, 보상 엘리먼트(14)의 단부 저항은 정확히 제어될 필요는 없다. 또한, 트랜스듀서에서 떨어져 엘리먼트(15)를 배치하면, 엘리먼트(15)가 보다 안정한 온도를 갖는 환경에 놓여 의도하지 않은 온도 민감도가 최소화된다. 엘리먼트(15)에 걸리는 전압 강하에는 곱셈기(121)에 의해 임의의 값(K)이 곱해져 원하는 결과를 얻을 수 있기 때문에 엘리먼트(15)의 저항(R) 값은 비용, 편의 또는 유효성을 기초로 선택될 수 있다.
본 발명의 또 추가 실시예들은 감지 엘리먼트(12) 및 온도 보상 엘리먼트가 길이는 물론 저항도 다르게 구성될 수 있다. 감지 엘리먼트(12) 및 온도 보상 엘리먼트(14)는 온도 보상 엘리먼트(14)의 저항이 감지 엘리먼트(12)보다 약간 작게, 예를 들어 약 10% 미만까지 작게 구성될 수 있다. 어떤 경우에는 감지 엘리먼트(12)보다 약간 작은 저항을 갖는 보상 엘리먼트(14)가 감지 엘리먼트(12)에 부합하는 저항을 갖는 보상 엘리먼트(14)에 대해 압력 신호의 더욱 개선된 대기 온도 보상을 제공할 수 있음을 알아냈다.
감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)가 동일한 길이 및 저항을 갖는 일 실시예에서, 보상 엘리먼트(14)의 저항은 보상 엘리먼트(14)와 전기적으로 병렬 접속된 트림 저항(126)에 의해 원하는 양으로 낮아질 수 있고, 일반적으로 감지된 또는 측정된 환경 외부에 배치된다. 도 9는 도 7에 나타낸 보상 엘리먼트(14)와 병렬로 접속된 트림 저항(126)의 예를 나타내며, 병렬 트림 저항(126)은 라인(124) 및 노드(122)에 의해 라인(103)에, 그리고 라인(128) 및 노드(130)에 의해 라인(105)에 접속된다. 병렬 트림 저항(126)이 보상 엘리먼트(14)와 병렬이면, 저항(126)은 보상 엘리먼트(14)의 일부가 된다. 일 실시예에서, 보상 엘리먼트(14)는 감지 엘리먼트(12)보다 약 4.5% 낮은 저항을 구비하여 약 300 mTorr에서 최적화된 온도 보상을 제공한다. 보상 엘리먼트(14)와 평행한 병렬 트림 저항(126)의 부가는 보상 엘리먼트(14)의 저항의 온도 계수 및 회로 다리의 Ω/℃를 모두 변화시킨다.
다른 실시예에서, 보상 엘리먼트(14)는 감지 엘리먼트(12)와 동일한 재료로 만들어지고 일반적으로 동일한 지름이지만, 감지 엘리먼트(12)에 비해 낮은 저항을 제공하도록 길이가 약간 더 짧다. 길이 차는 용량성 다이어프램 게이지에 의해 온도 범위에 대한 비교를 통해 실험적으로 결정된다. 길이 불일치 차는 충분히 작아 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)는 여전히 비슷한 온도 응답 및 물리적 특징을 갖지만, 보다 짧은 보상 엘리먼트(14)가 보다 양호한 온도 보상을 제공한다. 일 실시예에서, 보상 엘리먼트는 감지 엘리먼트(12)보다 약 6.4% 더 짧아(약 6.4% 작은 저항), 약 1 Torr에서 최적화된 센서 전압 커브를 온도 보상한다. 더 짧은 보상 엘리먼트(14)는 감지 엘리먼트(12)와 동일한 저항 온도 계수(Ω/Ω/℃)를 갖지만 Ω/℃는 다르다.
감지 엘리먼트(12)와 보상 엘리먼트(14) 사이의 최적의 길이 및 저항 불일치는 감지 엘리먼트(12) 및 보상 엘리먼트(14)의 길이, 위치 및 간격은 물론, 다른 부품에 대해 근접함에 따라 다른 게이지로 달라질 수 있다. 길이 불일치는 이전에 설명한 회로에 채용될 수 있다.
보상 엘리먼트(14)의 저항을 낮추기 위한 상황에 병렬 트림 저항(126)이 채용될 수 있으며, 보상 엘리먼트(14)의 길이 또는 저항은 감지 엘리먼트(12)보다 작지만 완전히 원하는 정도까지는 아니다. 또한, 감지 엘리먼트(12)에 대한 보상 엘리먼트(14)의 길이 또는 저항이 원하는 정도보다 낮으면, 감지 엘리먼트(12)의 저항을 감소시키기 위해 병렬 트림 저항(126)이 대신 감지 엘리먼트(12)와 병렬로 배치되어 보상 엘리먼트(14)의 저항이 감지 엘리먼트(12)의 저항에 비해 증가함으로써 상대 저항이 원하는 범위에 있게 된다. 이러한 경우, 병렬 트림 저항(126)은 감지 엘리먼트(12)의 일부가 된다. 도 7의 회로에 채용된 것과 같은 병렬 트림 저항(126)을 상기에 설명하였지만, 병렬 트림 저항(126)은 상술한 다른 회로에 채용될 수 있는 것으로 이해한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 기준으로 특별히 도시 및 설명하였지만, 당업자들은 첨부된 청구항에 의해 달성되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 상세가 다양하게 변할 수 있는 것으로 이해할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 다른 실시예의 특징들은 서로 치환되거나 결합할 수 있다. 또한, 게이지(60, 125)는 엘리먼트(12, 14, 15)에 DC 전류를 인가하는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시예들은 엘리먼트(12, 14, 15)에 AC 전류를 인가하는 것을 포함한다. 또한, 특정 단위 및 사양이 제공되었지만, 단위 및 사양은 상황에 따라 바로 달라질 수 있는 것으로 이해한다.

Claims (14)

  1. 주위의 가스 압력을 측정하기 위한 열 손실 게이지로서,
    저항성 감지 엘리먼트;
    상기 감지 엘리먼트를 구비한 회로에 있으며 실질적으로 매치하는 환경에 노출되는 저항성 보상 엘리먼트;
    상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트에 접속되어, 상기 엘리먼트들을 통해 전류를 공급하는 전원 - 상기 감지 엘리먼트를 통하는 전류는 상기 보상 엘리먼트를 통하는 전류보다 실질적으로 크고, 상기 감지 및 보상 엘리먼트는 길이가 다름 - ; 및
    상기 감지 엘리먼트 및 상기 보상 엘리먼트에 접속되며, 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트의 전기적 응답을 기초로 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트가 노출되는 상기 주위의 가스 압력을 결정하는 측정 회로를 포함하는 열 손실 게이지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트는 상기 감지 엘리먼트보다 짧은 것을 특징으로 하는 열 손실 게이지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 감지 및 보상 엘리먼트는 상기 보상 엘리먼트가 상기 감지 엘리먼트보다 5% - 8% 더 낮은 저항을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열 손실 게이지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 감지 및 보상 엘리먼트는 상기 보상 엘리먼트가 상기 감지 엘리먼트보다 6% - 7% 더 낮은 저항을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열 손실 게이지.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트는 상기 감지 엘리먼트보다 길이가 5% - 8% 더 짧은 것을 특징으로 하는 열 손실 게이지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트는 상기 감지 엘리먼트보다 길이가 6% - 7% 더 짧은 것을 특징으로 하는 열 손실 게이지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 감지 및 보상 엘리먼트 중 하나와 병렬인 저항이 배치되어 상기 보상 엘리먼트에 낮은 저항을 제공하는 것을 특징으로 하는 열 손실 게이지.
  8. 주위의 가스 압력을 측정하는 방법으로서,
    저항성 감지 엘리먼트를 제공하는 단계;
    상기 감지 엘리먼트를 구비한 회로에 있으며 실질적으로 매치하는 환경에 노출되는 저항성 보상 엘리먼트를 제공하는 단계;
    전원으로부터 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트를 통해 전류를 공급하는 단계 - 상기 감지 엘리먼트를 통하는 전류는 상기 보상 엘리먼트를 통하는 전류보다 실질적으로 큼 - ;
    상기 감지 및 보상 엘리먼트를 길이가 다르게 구성하는 단계; 및
    상기 감지 엘리먼트 및 상기 보상 엘리먼트에 접속된 측정 회로에 의해, 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트의 전기적 응답을 기초로 상기 감지 엘리먼트 및 보상 엘리먼트가 노출되는 상기 주위의 가스 압력을 결정하는 단계를 포함하는 가스 압력 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트를 상기 감지 엘리먼트보다 짧게 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 압력 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트가 상기 감지 엘리먼트보다 5% - 8% 더 낮은 저항을 갖도록 상기 감지 및 보상 엘리먼트를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 압력 측정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트가 상기 감지 엘리먼트보다 6% - 7% 더 낮은 저항을 갖도록 상기 감지 및 보상 엘리먼트를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 압력 측정 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트에 상기 감지 엘리먼트보다 5% - 8% 더 짧은 길이를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 압력 측정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 보상 엘리먼트에 상기 감지 엘리먼트보다 6% - 7% 더 짧은 길이를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 압력 측정 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 감지 및 보상 엘리먼트 중 하나와 병렬인 저항을 배치하여 상기 보상 엘리먼트에 낮은 저항을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스 압력 측정 방법.
KR1020057006598A 2002-10-16 2003-10-14 열 손실 압력 측정 장치 및 방법 KR20050051705A (ko)

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