TW200411154A - Apparatus and methods for heat loss pressure measurement - Google Patents

Description

20041154 狄、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於藉由熱轉移來做氣體壓力之測量。 【先前技術】 因為透過氣體之熱轉移的速率係氣體壓力之一函數， 在某一條件下，自—已加熱後的感測元件至氣體罐（㈣）之 熱轉移速率的測量以及適當的校準係運用以決定氣體壓力 。此原理係運用於眾所週知的皮拉尼熱壓力計(Η⑽i 抑聯从於第1B圖^意形式所顯㈡，其中，熱 損耗係以-種惠斯登電橋（Wheatst_卜咖）網路所測量 ，該網路係作用以加熱感測元件及測量其電阻。 參考第1A圖’於-皮拉尼熱壓力計，壓力感測器係由 其連接作為一個惠斯登電橋的一臂之一溫度靈敏電阻rs 所組成。R2係典型為-溫度靈敏電阻，其為設計以具有可 忽略歸因於電流i2的溫度上升。R3與R4係典型為固定電 阻。RS與R2係典型為暴露至真空環境，其壓力係欲作測 量。第1B圖係說明一個替代的電橋架構。 皮拉尼熱壓力計係已藉著定電流ii(如美國專利第 3, 580, 081號所示）、或是藉著跨於RS之定電壓而操作。 於此等方法，產生電橋之一電氣不平衡以反映氣體壓力。 皮拉尼熱壓力計亦已經藉著定電阻Rs(如美國專利第 2, 938, 387號所示）而操作。於此模式，能量所供應之速率 係隨著於氣體壓力之變化而變動，故於供應能量之變化速 率係反映於氣體壓力之變化。各個操作模式係具有不同的 優點與缺點 圖之架構。 疋以下㈣述係特別關於定電阻方法與第忪 電壓VB係自動控制以 電壓差異為零伏特。當由 稱為平衡。於電橋平衡時 維持於第1A圖的A與c之間的 A至C之電位降為零，該電橋係 ’以下的條件係存在： (1) (2) (3) (4) 式（1 )與（2 )，則得到 (5) URS=i4R4，及 i2R2=i3R3 將式（3)除以式（4)且運用 RS= β R2 5 其中 β =R4/R3 (6) R2之一個定值分數 因此，於電橋平衡，RS係 (f r a c t i ο η ) /9 〇 欲於任何給定的壓力而達到 須滿足式（7) ·· 於RS之一穩態條件 係必 RS所輻射的功率+損耗於RS之末 輸入至RS之電力=由 端的功率+ 由RS之損耗至氣體的功率 (7) 一種習用的皮拉尼熱壓力計係校準於數個已知的壓力 ，以決定於未知的壓力Ρχ、與對於氣體或是更方便為對於 電橋電壓的功率損耗的之間的一關係。接著，假設末端損 耗與賴射損耗係維持定值，氣體之未知的壓力Ρχ係可直接 由損耗至氣體或是於電橋平衡之關於電橋電壓的功率所決 20041154 定0 —因為皮拉尼㈣力計係可設計為具有寬範圍且為相當 =及不叩貴’長久需要欲能夠運用此等計量器作為對於 =價格的計量器（諸如：電容I力計與離子化計量器）之 一替代者H現存的設計係距離針對準確摩力測量所 期望者為甚遠，尤其是於較低的壓力。 西元1977年之前，皮拉尼熱塵力計之壓力上限係約為 2〇托(T〇rr)，歸因於事實在於較高的壓力時之氣體的導熱 率係成為實質無關於巨觀尺寸裝置的壓力。本發明人之一 者係曾協助開發CONVECTRON®計量器，其為本申請案的受 讓人（美國科羅拉多州Boulder之Granvme-Phmips公 司）自從西元1 977年所製造及販售，其利用感測元件之對 流冷卻以提供自20至1〇〇〇按之增強的靈敏度。數十萬個 C0NVECTR0N®計量器係已經販售於世界各地。近來，數個仿 造品係已經出現於市場。 雖然C0NVECTR0N®計量器係滿足一尚未滿意的需要， 仍然具有數個缺點。其必須具有大的内部尺寸，以提供用 於對流之空間。因此，其為相當大。因為對流係與重力有 關’於較高壓力時之壓力測量係取決於感測器軸之方位。 此外，因為氣體對流冷卻為主導之壓力範圍係未適切重疊 於對流冷卻發生之壓力範圍，CONVECTRON^t量器係具有自 約為20至200掩之受限的靈敏度。 欲有助於避免此等困難，微小型的皮拉尼熱壓力感測 器係已開發，其利用規模為數個微米之感測器至壁部的間 20041154 距’而非為先前所運用之大許多的間距，例如〇.5英吋 (i n ·)。舉例而言，參照H i g a s h i等人之美國專利第 4，682,503號以及Shie等人之美國專利第5,347,869號。 於出現在 J_ Vac. Sci· Technol. A 13(6)(西元 1995 年 11月/12月）之一篇論文，w. j_ Alvesteffer等人係敘述 對於本發明人已知之皮拉尼熱壓力計的最近技術。運用該 種小的感測器至壁部之間距係提供一壓力相依導熱率，甚 至疋大氣壓力以上的壓力。因此，該等微小型的感測器具 有自低壓至南於大氣壓力者之良好的靈敏度，且作用於任 何方位。 關於開發微小型的計量器之前述企圖係存在多個問題 。雖然微小型的感測器係提供無關於方位之於一大壓力範 圍的良好靈敏度，其設計係極度複雜，且其製造係需要於 成本為數十萬美元的高度專用設備之多個精巧的處理步驟 〇 、士同巨觀的感測器，微小型的感測器係受患於相同型 式之周圍溫度引起的誤差。於式（7)之所有的熱損耗項係 取決於周圍溫度，且取決於任何給定的壓力下之感測元件 溫度。因此，任何企圖於其不具有溫度修正之一皮拉尼熱 β十的壓力’則里，將為由周圍溫度變化所引起之非壓力 :依功率知耗而混淆。所有現代的皮拉尼熱壓力計係企圖 仏正，、為由周圍溫度變化所引起的誤差。用於修正該等誤 差之一種廣為運用的方式係使用其串聯於一固定電阻R之 一溫度靈敏補償元件RC而作為R2，如於第1Α與1Β圖所 20041154 示0 曰英國專利GB 2彳05047A係揭示另一個電阻器之設置， 以提供—個分壓器。」· H. Leck於“真空之壓力測量” (Chapman and HaU: Lond〇n ( 1964))的第 58 頁指出里於 西元1911年’ Hale係於其皮拉尼_力計而作成曰如同的 的相同材料與實際尺寸之R2eR2係密封於其本身的真空環 境且置放為緊鄰於RSe當於^與Rs之壓力係相等，係： 成優越的溫度補償H於其他的壓力，此種溫度補作 方式係並非極為有效。 貝 欲避免抽真空及密封R2於一單獨的真空管之額外的成 本與複雜度，R2係習用為置放於與Rs相同的真空環境。 藉著使得R2具有相當大的熱質量與大的熱損耗，2自 我加熱係可忽略^ Leek係建議的是R2係“作成二段，例 如一者為銅而另一者為Nichrome金屬線…使得R2之整體 的溫度係數為剛好匹配皮拉尼熱壓力元件本身（Rs)者”。 根據Leek，此種溫度補償方法係已經為英國Edwards…… Vacuum公司所運用於METR〇VAC@商標的計量器。類似的温 度補俏配置係運用於標的計量器。 然而，此技術（運用二或多個材料於R2而具有不同的 電阻溫度係數以近似RS之溫度係數）係僅為有效於一窄範 圍的壓力。事實上，係僅可於一個溫度或最多為數個溫度 做補償，如同於美國專利第4,541,286號所指出，其揭示 此形式的溫度補償於一皮拉尼熱壓力計。此外，本發明人 已經發現的是，具有大的熱質量之架構係顯著增加該計量 20041154 器對於周圍溫度的突然變化之響應時間。 本發明人係透過廣泛的電腦模擬而亦發現的是，如同 由Leek所建議且如同於先前技藝所施行的，運用相等的溫 度係數於RS與R2係並未提供整體準確的_溫度補償。本發 明人亦已經發現的是，在小於約為5x1〇-3牦之壓力，末端 損耗係超過所有其他結合的損耗。由此研究所決定之相對 的損耗分量（即總損耗之輻射損耗、末端損耗與氣體損耗 分量）係顯示於第2圖。於1χ1 〇·5拢，末端損粍係大於氣 體損耗超過1〇〇〇倍，且輻射損耗係大於氣體損耗約為1〇〇 倍0 因此’於先前技藝的皮拉尼熱壓力計之溫度變化影響 ’在極低壓力時特別不易處理，在極低壓力時之氣體傳導 損耗係極低。先前技藝的熱損耗計量器係無法準確測量極 低的壓力，例如1 X1 0·5托。本發明人已發現的是，此限制 係當周圍溫度變化時無法維持感測元件的末端損耗為充分 定值之結果。Alvesteffer型式的皮拉尼熱壓力計係具有 指出於10 5牦之壓力的能力，但是未提供於該範圍内之一 準確指示。舉例而言，若末端損耗係未保持為定值至一典 型之皮拉尼熱壓力計的五千分之一，於1Χ10·5托之一壓力 指示係可能為偏離50%至1 〇〇〇/。。 以下的；7析係顯示為何先前技藝的設計不適以妥當修 正於低歷力時之周圍溫度變化。$ 了便於檢視先前技藝， 係運用其具有感測元件至壁部之相當大的間距之計量器的 實例而解說問冑。所應瞭解的是，相同型式的問題係存在 11 20041154 於更複雜許多的幾何性質之微小型計量器，其具有規模為 數個微米之感測元件至壁部的間距。 第3圖係一習用的皮拉尼熱壓力計之一部分3〇2的示 意代表圖，其運用一小直徑金屬線感測元件304與一補償 π件303。熟悉皮拉尼熱壓力計設計之人士所將理解的是 於第3圖之構件係非為依比例而顯示，以易於解說及瞭 解典型而㊂，小直控金屬線感測元件304係電氣且熱接 合至大許多的電氣連接器306、3〇7,其為熱接合至較大許 多的支撐結構308、309。令Tal係代表在任何給定時間\ 之於感測元件304的左端之支撐結構308的溫度且了…係 代表於右端之支撐結構309的溫度。令Tsl與Tsr係分1代 表於左側感測元件連接器306與右側感測元件連接器3〇7 的度。令TCL與了cr係分別代表於左側補償元件連接器 31〇與右側補償元件連接器31彳的溫度。令Τχί與了“係分 別代表距離連接器306與307為一段距離A X的溫度。於 先剷技藝的設計，已為明顯假設的是所有此等溫度係相同 。然而，本發明人已經發現的是，即使看來可忽略的差異 係承擔對於低壓力準確度之重大的重要性。 欲較佳瞭解溫度補償需求，注意以下的數個事實是很 重要的。 (1 )於低壓，RC之溫度係由補償元件連接與補償元件 之間的熱父換而主導決定。此係因為於周圍溫度與低壓時 ’相對於透過補償元件的末端之導熱，輻射與氣體傳導係 自補償元件而交換熱量至其周圍環境之極為無效率的方式 12 20041154 二此’於低壓，補償元件溫度係將極為接近 元件 ;固末=接器的溫度平均值，如於式⑷所示。 AVG 2~~ (8) (2)電氣加熱的感測元件之溫度係自末端至 動，隨著與冷卻器支撐之距離 、 丄☆ 連用有限元件分析 ，本”亡:系已經模擬沿著感測元件之溫度分佈。已經發

=:，猎著對於RS# RC之相等的電阻溫度係數，於電 橋平衡之固定Μ力下，感測Μ之任㈣n I 隨著補償元件RC之平均溫度τ的變 又 '' 曰 AVG〜爻化而改變，以維持定 置” △TFTn-TAVG。差異係万與R之 ，R=R2-RC。 数 (3)根據式（5)，於電橋平衡時之感測元件電阻rs係 將維持為—電阻A乘以電阻元件R2。隨著周圍溫度提高， 補償疋件連接器亦為溫度提高，且因此Rc之溫度與電阻 係將根據式（8)而提高。於電橋平衡下，於rc之溫产及因 此於電阻之任何提高係引起於RS之所有段之溫度皿：電阻 的提高。 ⑷於感測元件之末端的功率損耗係取決於該感測元 件之末端的溫度梯度r，根據式（9 ) ·· 於末知彳貝耗之功率(9) (10) (11) 其中’ k係一個常數，且 Τ，於左端 T ，於右端 右r L與r R係因任何理由而變動，則末端損耗係將變 13 20041154 化，且壓力指示將為錯誤。 欲詳細瞭解於低壓力的溫度補償之先前技藝的顯著缺 失’假e又的是’ TAR係例如為由於右側支撐結構之局部周圍 温度環境中的變化而自一穩態所稍微升高。假設」Ή系維 持不變。因為tal係假設為不變，Tcl與Tsl係將維持不變 。然而，於tar之升高係由於透過連接之導熱而將引起丁α 升高。因此，TAVG=Zk^Zk係將升高。於Tavg之一升高係將 引起於電橋平衡時之於Txl與Txr的一升高，其將產生於r L與r r之變化。於r l與r r之此等變化係將改變於式（7) 之末端損耗項，而引起相依於7 l與γ R的變化大小之於壓 力測量的一誤差。 本發明人係已經決定的是，除非tal係以實質如同tar 之相同方式而變化，每當周圍溫度變化，感測元件末端損 耗係將不會維持不變。先前技藝的皮拉尼熱壓力計係並未 特定設計以維持TAL = TAR至準確的低壓測量所需要之程度。 欲瞭解於先前技藝的溫度補償之另一個重大的缺失， 假设的疋，周圍溫度係自一穩態而升高，且周圍溫度條件 係俾使TAL = TAR。進一步假設的是，感測元件連接器係相等 長度’但右側的補償元件連接器係實質為較長於左側的補 償兀件連接器，如同於一個常見之先前技藝的皮拉尼熱壓 力計之情形。因此，TSL=TSR而TCR係將落後在了CL之後，因 為假設之長度差異。於此落後期間，當Tcl^Tcr，Tavg係將 變化，因此改變於電橋平衡時之TXL與TXR。因此，γ L與 7 R係將於落後期間而連續變化，產生於低壓力指示之誤 20041154 差。 、本發明人係已經決定的是，除非感測元件與補償元件 連接器具有實質相同的實際尺寸與實質相同的熱性質，當 周圍溫度變化時，感測元件末端損耗係將不會維持不變。 先前技藝的皮拉尼㈣力計係並未特^設計以使得感測與 補償元件連接器具有相同的實際尺寸與熱性質。 如本發明人所已經發現，另-個重大的缺失係起自於 補償元件與感測元件之間的質量差異。假設的是，如同為 ，，之情形，補償元件之質量係實質為大於感測元件者。 藉著先前技藝的皮拉尼熱壓力計’常見的實務係將補償元 件作成為大於感測元件’而且提供一相當大的熱損耗路徑 至補償元件週遭’使得起自於Rc之電力耗散的熱量係可 易於消散。假設的是，周圍溫度係自-穩態而升高且恆為 TAL=TAR。因此，相對於TSL與TsR所將耗費以達到一新的穩 態溫度之時間，補償元件係將耗費一較長時間以達到一新 的穩態溫度。於此時間期間（於一個常見之先前技藝的皮 拉尼熱壓力計，已觀察為數個小時的持續期間），'代係將 持續變化，因此持續變化於電橋平衡時之TXL與了奸。因此 ，7[與7«係將變化於落後期間，感測元件末端損R耗係將 不會維持定值，且誤差係將產生於低壓力測量。 若補償元件係設計以不同於感測元件在電橋平衡時之 關於周圍溫度的變化之一速率而變化溫度，係發生相同型 式的問題。諸如Alvesteffer型式裝置之先前技藝的設計 係具有此缺失。 15 20041154 ”研九本發明人已經決定的是，除非補償元 度，感測：、 件末：損耗係在周圍溫度已經穩定化於一新值之後：持： -直變化、然而，先前技藝的皮拉尼熱壓力計 ： 設計以符合此需求。 将人 長期為已知較，針對R2而運用其具有與感測元 質相同的電阻溫度係數之—個補償元# Rc且串聯於 溫度不靈敏電阻元件R，藉以提供針對氣體損耗與末端損 耗之溫度補償’該等損耗係隨著介於感測元件與其週遭之 間的溫度差異而變化。此種溫度補償方法係已經多年運用 於讀EC職⑧計量器，且也運用於計量器 0 此種溫度補償方法假設的是••若（1)感測與補償元件之 電阻溫度係數為相等；及（2)於感測元件電阻的變化係可 作成隨著於補償元件電阻的變化而為前後升高，則⑶感 測兀件的溫度將隨著周圍溫度變化而為前後升高。誠缺， 滿足此二個假設係高度合意的，因為此舉將確保的是，於 加熱感測元件與在周圍溫度的環繞壁部之間的溫度差異係 將隨著周圍溫度變化而仍維持定值。 然而’本發明人係已經發現的是，其利用一個定值電 阻R為串聯於-溫度靈敏電阻RC以作為R2之先前技藝的 計量器，係提供僅有部分的溫度補償，如將為解說如後。 假設的是，於第1A圖，R2係由—溫度靈敏補償元件 RC與一溫度不靈敏電阻R所組成，使得： 16 (12) 丄 04

R2=RC+R 因此’針對電橋平衡之上文所推㈣式（5)係可改寫為 RS^ (RC+R) (13) 其中，召係由上述的★〖 4妁式（6 )所定義 再者，假設當該計量薄夕田m 、、目丨I - ^ 里為之周圍溫度環境係等於丁彳，减 測凡件係操作於溫度T,而n w A m L S1而且補償元件係操作於溫度T( 囚此，當 1 TAMBIENT(周圍溫度）=下1 式（13)係可改寫為： (ι)(1 α s(TsrTi) )==/5 [RCiT^i 1 + α c(TcrTi))+ R j(15) 在此’ RS (T1)係感測元件 J千於溫度厂之電阻，α s係rs 於丁彳之電阻溫度係數， RC(T1)係補償元件於溫度Τι之電阻 ’且（3： c係RC於T1之電阻、、w疮7么 1电I且纟皿度係數。因此，當 Tambient (周圍溫度）=丁2 式（1 3 )係可改寫為： RS{T,)(Ua siTs^T,) ) = ^ [RCiTJi 1 + α C(TC2-T1))+ R ](16)針對Ts1以求解式（1 5 )係得到 (14) 丨C1

Ts lRkj[RC^1 + α〇(^α + 針對「Ts2以求解式（1 6 )係得到： 及兩7 [Λ0(Γΐ )(1 + aC (心2 - η ) + Λ) 一 1] / ㈣ 7； (17) 丨(xs女Τ' (18) 由式（18)而減去式（17)係得到當周圍溫度為變化自] 17 20041154 至丁2之於感測元件Rs的溫 △T = TS2-TS〜趣丫 口此 Γ。） (19) ρ用in 2相補償元件係設計使得其溫度為密切跟 心周1度。因此’對於—極為良好的近似，

Tc2"T2 = Tc1 -T1 或 式（1^)係可改寫為： RC^A(ac\ (20) 尊 1) Jk F2 ^Τι) (21) 由式（21 )為明確的县，& β、， 係將荨於周圍溫度的變化了 _了 ^ (RC(T,)V- Λ 2 ! ’只要： % 丁。2 - Tci = T2 -T1 因此 Δ T=yff 於感測元件RS之溫度變化△ τ β RS{Tx)las (22) 於第1A圖之先前技蓺的呌 贫的计里态（其運用串聯於一固定 電阻R之一溫度靈敏補償元杜p 件RC以作為R2)係提供僅有部 分的溫度補償，取決於石之選取。具彳A丨vesteffe「等人 所述的設計之制的計量昨卩對於本發明人為已知之皮 拉尼熱壓力計的最近技術）係將不滿足式（2 2 )。 關於先前技藝的計量写、今斗* — 筑』|里态β又汁之一第三個問題，本發明 人已發現的是，於R2 <功率耗散的位準係不利地影響準 綠度。當構成於第Μ _，先前技藝的皮拉尼熱壓力計於 RS係具有如同於電橋平衡時的補償元件之相同的壓力相依 電流。當構成於第1B «，於電橋平衡時，相同的壓力相 依電壓係如同跨於RS而施加跨於R2。誠然，於R2之一壓 18 20041154 力相依電流係將引起RC之溫度為上升至周圍溫产以上， 其上升量為隨著壓力而變化。 先前技藝的皮拉尼熱壓力計係典型運用其相較於感測 元件為大許多的實際尺寸之補償元件，以散熱且因此防止 於補償元件有超過的溫度。如上所指出，對於感測與補償 元件之不同的實際尺寸係引起當周圍溫度變化時的測量誤 差0 一第四個問題係在於當周圍溫度變化時，先前技藝的 皮拉尼熱壓力計係產生於低壓力之壓力指示的變化。先前 技藝的皮拉尼熱壓力計係已運用種種的構件以企圖維持感 測元件所損耗的功率不隨著周圍溫度變化而改變。舉例而 言，於美國專利第4,682,503豸，係運用電熱式冷卻以老 制周圍溫度且因此使得周圍溫度變化為最小。 於美國專利帛4,541,286號所揭示的裝置中，一熱每 =件係安裝為鄰近於電橋之補償臂（商用的方式中實際肩 膠著至真空包殼的外部)。A|vesteffe「#人係運用另一. 一件（在此私示為R4)於電橋以有助於補償，其針對事實名 :··相較於周圍溫度之補償元件，對於操作溫度之感測夭 ^的電阻溫度係數為稍微不同。雖然此等先前技藝的硬韻 、況之各者係移除於周圍溫度的變化所引起之某些誤差， 但是ΐ均未實質移除所有的誤差。因此，當周圍溫度改變 •技云的皮拉尼熱壓力計係於低壓力產生壓力指示之 顯者的偏移。 揭示於美國專利第 5,608,1 68號之另一種先前的系統 20041154 係連結電橋之種種的電氣測量（或其近似值）而決定溫度相 依電阻之值或溫度’且將此參數納入考量以決定壓力測量 。然而，此系統係因為需要測量溫度或是其他的值而具有 增加的複雜度。 因此，存在對於克服此等問題之一種改良的皮拉尼型 式計量器之需求。 【發明内容】 本發明係提出對於熱損耗壓力測量之改良，其為協同 合作以提供顯著改良的低、中範圍與高壓力測量準確度， 因此，於單一個計量器允許準確的壓力測量之範圍為延伸 至較低及至較高的壓力。 作為一第一改良，藉著二個平行的扁平導熱板，一小 直径金屬線感測元件係定位於如同一小直徑金屬線補償元 件之相同平面且與該補償元件為分隔，各板係與感測及補 4員元件分隔15微米。以此方式，本發明人係已經達成高 的相對靈敏度於簡單的幾何結構而無須依賴於對流。同時 避免微小型的皮拉尼熱壓力計設計之極度複雜與成本以及 感測元件之對流冷卻的數個缺點。 本發明人係已經發現的是，此極度簡單、小、且不昂 貴的測量機構係提供高達大氣壓力之結果，其係可相比於 藉著極為複雜的微小型皮拉尼熱壓力計而得到者，且可相 比於藉著大許多之位置靈敏對流冷卻式皮拉尼熱壓力計而 得到者。令人驚訝的是，此改良亦提供一感測元件，其具 20041154 有一體積僅為微小型AlvpqtDff 〇〇/ Alvesteffer計量器的感測元件者之 3 。於新裝置之補# Δ1 f ff u 補仏70件係具有一體積為小於 Alvesteffer型式的補償元件之〇5%。 本發明亦提出改良式的、、田 '的，皿度修正。本發明人係已經發 現的疋，低麼力測景夕淮——^ 士* 、田命、, 丰確度係可藉著較佳維持感測元件 白。η 式（）與（11))為定值而顯著改 藉著： 發現的疋，7之定值係可達成，同時 1 ·運用具有實曾么 貫貝為相同的實際尺寸、熱性質與電 性質之感測元件與補償元件； 、 2 ·運用具有實質為相同的實際尺寸、熱性質與電 性貝之感測元件與補償元件連接； 3.對所有連接運用且古 一 /、有實質為相同且為大的導熱 元件連接至實質為均勻溫度之一區域；及 4·定位該感測元件與補償元件於相同的真空環境。 於本發明，式（2 2 )係&、史口 ^ 〖為滿足，因為該種計量器係 計使得： (23)

RC(Ta)=RS(Ta) 其中，TA係周圍溫度，且其中

cx c= a S (24) β =1 (25) 另一個顯著的改良係藉著提供於補償元件之可忽略的 加熱而實現。本發明人已經修改習用的惠斯登電橋，以提 供針對感測元件之獨立的加熱機構，而產生實質為零的加 21 20041154 ，於電橋之其他三臂的任—者。因此，補償it件係可為藉 者與感測元件相同尺寸以及相同的物理性質而作成。係運 用直/;,L加熱電流而且限定僅至感測元件。係運用一相當 小的交流訊號以感測電橋平衡。 一個額外的性能改良係藉著提供一種壓力補償之新穎 方法而實現，其造成於所有壓力之準確的壓力指示。尤其 ，本發明人已經發現的是，於電橋平衡時之一個未知壓力 Ρχ的準確指示係可由式（26)之形式的一個簡式而計算： P=f(VS, IS) (26) 其中’ vs係跨於感測元件之電壓降，而丨s係於感測 兀件的電流。式（26)之細目係導自VSc與ISc之成對的值， 其為運用三維曲線逼近軟體，針對散佈於有關的壓力與溫 度範圍之壓力Pc的多個已知值與周圍溫度而得到。VSX與 丨s X係測畺於電橋平衡時於未知壓力下，且代入於式 (26 )。之後，Ρχ係運用一微處理器或類似者而計算。 以此種方式，本發明係提出於皮拉尼熱壓力計的準確 度、生產成本與封裝尺寸之顯著進步。 本發明更包括一種用以測量於一環境中的氣體壓力之 熱損耗計量器。該種計量器包括：一電阻性的感測元件與 一電阻性的補償元件，該補償元件係與感測元件於共同電 路且為暴露至一實質匹配的環境。一電源係連接至感測元 件與補償元件以施加電流通過該等元件。通過感測元件之 電流係實質為大於其通過補償元件之電流。測量電路係連 接至感測元件與補償元件，基於感測元件與補償元件之電 22 20041154 氣響應’以決定於感測元件與補償元件所暴露之環境的氣 體壓力。 於某些實施例中，單獨的電流係流通於感測元件與補 償元件。係施加電流以加熱感測元件至一溫度，於此溫度 ，感測元件之電阻係匹配於補償元件加上一個定量數目的 歐姆（Ω )值之組合電阻。於補償元件為定位串聯於一非溫 度靈敏的電阻元件之實施例，係施加電流以加熱感測元件 至一溫度，於此溫度，感測元件之電阻係匹配於補償元件 與非溫度靈敏的電阻元件之組合電阻。氣體壓力係基於透 % 過感測元件的加熱電流以及跨於感測元件的所得電壓而決 定。於一個實施例中，單獨的直流電流係流通於感測元件 與補償元件。通過補償元件的電流係通過感測元件的電流 之一預疋部分者’使得該等電流具有一定義比值。回授電 路係控制通過感測元件與補償元件之電流的位準。於另一 個實施例中，一感測電流係流通於感測元件以及補償元件 ，且一單獨的加熱電流係流通於感測元件。 於進一步的實施例，感測元件與補償元件係不同長度 ϋ 。於某些實施例，補償元件長度相較於感測元件而約為短 5%-8%，低5%-8%的電阻。於一個特定實施例，補償元件相 較於感測元件而約為短6%-7%，低6%-7%的電阻。於其他實 施例，一並聯電阻器係定位為跨於該感測與補償元件之一 者，以調整相對電阻。 【實施方式】 23 20041154 6猎由隨附圖式所示之本發明的較佳實施例之以下更為 ::的說明’本發明之上述及其他㈣、特點與優點係將 :=明，其中，類似的參考符號係指於不同圖式中的相同 部分。該等圖式未必依比例繪製，而是強調說明本發明的 本發月之較佳貫施例的說明係於後文。本發明係首先 根據料^的皮拉尼熱壓力計設計之四類的改良而說明 於特疋較佳實施例，該四類的改良係一起運用，且協 % :結合以提供-種皮拉尼熱壓力言十，其具有實質改良的性 能特徵。接著，本發明之另外的實施例係說明於其後。 改良1 ^ 乂第一類之改良係將參照第4Α與4Β圖而論述。第4八圖 係一種改良式的熱損耗計量器之—部分1G的側視圖（未依 比例繪製）。第4B圖係沿著於第4A圖之線4B_4B所取得之 部分10的截面圖。如於第4A與4B圖所示，一小直徑金屬 線感測元件12係位於一小直徑金屬線補償元件14之相同 平面且相隔一段距離d。介於感測元件12與補償元件Μ 之間的間ί巨d較佳為約0.030英吋，但是可為範圍自 〇·〇10央忖至G.2GG英忖。平行的板16與16，係設置為鄰 近且平行於感測元件1 2與補償元件14。 平行的板16與16,係定位為與感測元件12及補償元 件14相距-段距離s。s較佳為Q侧7英彳，但可為範圍 自0.0002英吋至0.002英吋。感測元件12係由一高的電 阻溫度係數之材料（諸如純鎢）所作成，其可為鍍金以有助 24 20041154 於確保一固定輻射率。 感測元件12之直徑較佳為〇 〇〇〇5英吋 自0.0001英吋至0.002英对。雖鈇一圓知人 ”、 央才雖然囫柱金屬線形狀係較 佳，其他的形狀（諸如帶狀）係彳運用於感測與補償元件。 感測元件12之長度較佳為]英忖，但是可為範圍自〇.25 英吋至3英吋。 補償元件14係由如同感測元件12之相同材料所作成 ，而具有相同的實際尺寸、且具有相同的熱與電阻性質。 熱損耗計量器之部分1〇係可安裝於第6圖所示的型式 之-測量電4，以將更為詳述於後文之 平行的板…，導熱，且因此傾向以 後的感測元件12與介於感測元件12與補償元件14的末端 之間的溫度梯度。以此方式，本發明係藉著一種簡單結構 =達成高相對靈敏度，^無須依賴於對流。於本發明之此 果施例，顯著改良低壓力測量的準確度，其藉著運用具有 =質相等的實際尺寸、熱性f與電阻性質之感測元件與補 鉍疋件，以及定位該感測元件與補償元件於相同的真空環 ^。運用此種設計，同時避免微小型的皮拉尼熱壓力計設 汁之極度的複雜與成本以及關聯於感測元件之對流冷卻的 缺點。此改良係允許壓力測量結果高達大氣壓力，可相比 於藉著極為複雜之微小型的皮拉尼熱壓力計而得到者，且 可相比於藉著更大之位置靈敏對流冷卻式的皮拉尼熱壓力 計而得到者。 改良2 25 20041154 纟月之第-個廣義特徵，一種改良的安裝配 "、供於感測與補償元件。係顯著改良低壓力測量之準 其藉著運用具有實質相同的實際尺寸、熱性質與電 =二_元件與補償元件連接，^著對於所有連接 ^用具有實質相同且大的熱傳導至一個實質均勾溫度的區 域之元件連接。 :圖係°十里為部分10的一端之大為放大的橫截面 回-中m件12係由感測元件連接器與，所 接：22電接’而補償元件14係顯示為為補償元件連 與22,所支撑且電氣連接。第…截面係沿著 於弟4A圖的線5A-5A所&^ y+ 於第5A Η所-、r 。較佳而言，相同的支撐(如 弟、A圖所不）係設置於計量器部分10的各端。 連接器20、20，、22與22,較佳為由厚〇 〇〇1英忖且寬 0 _ 0 6 0英口寸的名白離品备上 聿之Φ 作成。板16與16,較佳為具有高導熱 率之一電氧絕緣材料（諸如氮化鋁）而作成。 =者，感測與補償元件連接器20、20,、22與2 =的電氣絕緣層…’而與板16、16，為電氣絕： 二與24係可為於鎢之上的一類似鑽石塗層 ::16與16，係可為由一高導熱率材料(諸如鶴)。 :佳而言’選擇的材料係具有大於。·25瓦特祕之導熱 板16與16,係藉著簡單薄片金屬炎具而固定位 Μ未顯示）。夹具係施加充分的力量至板16“，，以 感測元件12與補償元件14嵌入連接器2〇、2〇，、22 2， 26 20041154 ，直到連接器20、20’、22與22，為密切接觸為止。因此， 於感測70件12以及板16與16,的表面之間的間距S係由 感測元件之直徑以及薄帶狀的連接器20、20，、22與22,之 厚度而決震。本發明之此特徵係允許小於人髮之一感測元 件而為間隔一個可比較的阳雠ώ _ Κ权妁距離自一個扁平的表面，精密且 極不昂貴以及提供電氣連接至另外的電路。

板16與16係提供一實質為均勻溫度的區域，尤其是 當隔離於真空而具有最小的導熱率至外界。薄帶狀的連接 态20、20,、22與22’係提供相同的尺寸、短的路徑以及極 大的導熱至該均句溫度區域，因此滿足對於在感測元件之 末端的溫度梯度7之恆定性的數個條件。 如於第5Β ®所示’感測元件12係可由—小直徑的金 屬線彈簧26所適當拉势，碟# ▲ — 週田拉緊掉黃26係於組裝期間所載入且

，於感測元件12而鄰近於感測元件12之該連接器21。彈 簧28係以類似方式運用以拉緊補償元件μ。彈簧％與μ 係隨著周圍溫度變化而作用，以維持相對於板16幻6，之 感測元件12與補償元件14的精密間隔。充分的鬆他係必 須内建於感測元件12與補償元件14之組件，以防止歸因 於元件12與14及板16之不同的熱膨脹而造成斷裂。若無 彈簧26肖28,此鬆弛係將隨著周圍溫度而變化，因此妨 礙於平行的板16與16,及分別為感測與補償元件之間的固 定間距S之維護，且引起測量誤差。 設計，式（22)係藉著感測 電氣以及熱性質相同之事 於根據本發明之此實施例的 元件12與補償元件14為實際、 27 只而部分滿足。此外，於第6圖之眘 ®炙霄苑例中，R3係設定等 於R4，其由式（6)而確保的是石=彳。 x ^疋々1因此，式（22)係藉著 此種故計而恆為完全滿足。 改良3 本發明之-第三個主要特徵係用於獨立加熱感測元件 之一種裝置及方法。此改良係說明於第6圖，其中，係 修：-惠斯登電橋30,以提供感測元件12之獨立的加执 :先前技藝的電路(如同於本發明而運用具有與感測元； 尺寸且為相同材料所作成之一補償元件）係使補 件並非操作於周圍溫度而是在如同感測元件的相同溫 ^因此’具有上述的創新改良之皮拉尼熱壓力計係無法 错者運用先前技藝的加熱電路㈣成其準確度可能性。 見多考第6圖，具有節點a、b、c與d之一惠斯登電 橋3〇係設有具有電阻值RS之感測元件12,其為連接於節 點=與C之間。非溫度靈敏的電阻元件15(具有電阻R)與 補仏7G件14(具有電阻RC)係—起作成電阻R2。與電容 器36係串聯連接於節點°與〇之間。具有值R4之電阻器 17係連接於節點八與B之間，而具有值R3之電阻器19係 連接於節點…之間。真空環境34係包封該感測元件 ”補仏7G件14。父流電屋源38係連接於節點B與D之 門而4率選擇偵測器4〇係連接於節點a與c之間。直流 電流源32係連接於節點日與c之間，以提供電流至節點b 控制益42係經由自動回授連路46與47而連接，藉以控 制直抓電机源32 ’且藉以接收來自頻率選擇债測器4〇之 28 20041154 一電壓偵測輸入，用於該控制目的。 真空環i兄34係包封一部分1 〇 (如於第4A與4B圖所示 且參照該等圖式而如上所述），其包含：感測元件12、補 償元件14以及板16與16，。此外，參照第从與5B圖之 刖述的組裝方法較佳為運用於第6圖之電路。於感測元件 12的一端之元件連接器2〇與2〇，（顯示於第5A圖）係電氣 連接至第6圖之電橋電路30的點C，而於感測元件12的 另一端之感測元件連接器21與21，（未顯示）係電氣連接至 第6圖的點B。於楊償元件14的一端之補償元件連接器22 與22’（顯示於第5A圖）係透過電容器36而電氣連接至於 第6圖的點D，而補償元件彳4的另一端係連接至補償元件 連接器23 ’其係透過一電阻15而連接至點c。 如於第6圖所示，直流電流源32係供給加熱電流丨至 感測元件12，其位於真空環境34。一電容器36係提供作 為防止來自電流源32的電流存在於R2、R3與R4之一機構 。因此’不同於運用一習用的惠斯登電橋之先前技藝的皮 拉尼熱壓力計’於RS之加熱電流或加熱電壓的部分者無 論何時均不存在於R2。 交流電壓源38係施加一交流訊號電壓至電橋30，其 產生交流訊號電流is、i2、|3與丨4。運用對於is、j2、j3 與丨4之極小值以及頻率選擇偵測器40，係可偵測電橋平 衡而於電橋30的任一臂產生可忽略的加熱。來自電源32 之直流電流丨係由控制器42所自動調整，以持續確保自 點B至C之交流電壓降isRS等於自b至a之電壓降丨·4r4， 29 20041154 如由頻率選擇彳貞測器40之交流電壓偵測功能所測量的。 此自動回授連結係由虛線46與47所指出。 處理器51係連接至電流表49以及至電壓表48，基於 透過感測元件12的加熱電流之位準與跨於感測元件12的 電壓降’產生表示真空環境34的壓力之一輸出。 因此’補償元件14係可作成具有如同感測元件12之 相同的實際尺寸與熱及電阻性質，且仍為操作於周圍溫度 而無任何壓力相依的電氣加熱。 改良4 一第四個改良係將再次參照第6圖而敘述。於此改良

，係提供一種改良式的裝置與方、法以校準及操作根據本^ 明之皮拉尼熱壓力計。 X 本發明人已經發現的是，於電橋平衡時之一未知壓力 Ρχ的準確指示係可為由式（26)之形式的—個簡單式而計算 P=f(VS, IS) 此發現係不同於較為習用的 為不僅取決於感測元件的電阻， 溫度之其他的因素。因此，習用 阻與其他量之測量，其用於校準 本發明人係已經發現的是，當作 之值係納入充分的溫度資訊，以 使得可能免除單獨測量諸如周圍 以此種方式，可能運用一個三維 (26) 方式。壓力指示係已經視· 而且亦為取決於諸如周圍 的校準設計係經常需要電 以及於操作期間。然而， 成上述的改良，VS與IS 提供一準確的壓力輸出， 溫度的其他參數之步驟。 的扠準表，而僅基於電壓 30 20041154 與電流以決定壓力。 為了校準於第6圖所示之計量器，感測元件12係暴露 至一組之已知的代表壓力與周圍溫度，其為散佈於有關的 壓力與温度範圍。由電壓表48所測量的電壓降％與由電 流表4 9所測量的電流| ς 电1 ISC係一起記錄於電橋平衡時，配合

已知的代表校準壓力P C 各者。此等諸值係由操作於處理 益i之一程式所記錄，或是可轉移至另一個處理單元以 供权準Si"异。壓力對電壓vse與電流ise而㈣。於 -給定的校準溫度之各組的測量係產生關聯心至電H 電流之一定值溫度函數。如上所述，顯著而言，本發明^ 已經發現的是，此等定值溫度函數係可有用結合於單一個 ;:=，以定義式(26)之形式的單-校準函數。當此 作成時，結果係其定義一表面之一組的點，其中，咳 表面之南度係廢力且為所測量的電麼與電流值之一函數。 •所造成的校準資料係可儲存於—個搜尋表，且所測量 了基於測篁的電壓降與電流，藉著内插儲存於搜 :=!值之間而決定。然而，於較佳實施例，因為必 須儲存產生準確輸出於—寬_力範圍之點的數目， 到針對測量值所在的表面。此舉係可藉著運用 圖軟體而易於達成。所得到的式子係於式（26) “之形式。之後’欲測量於任何溫度之一 ::電49橋平衡時…由電厂…所測量…由電χ 二:：測量。接著，麼力的正確值係可藉著代入於式 (26)而易於得到如後·· 31 (27) 20041154

Px=f(VSx, ISX) 為了方便式（27)係可儲存於處理器51，當vSx與 ISX係輸入至處理器51 ’其可接著運用以自動計算Ρχβ 熟悉此技藝人士將理解岐，於本發明内，其 他的量係可替代電壓與電流。舉例而言，形式》Px=(w， r)之-函數係可用以取代式（27)，其中，w係施加至感測 元件12之功率且R係感測元件12之電阻。於此例，㈧與r 係可由電壓表48與電流表49之輸出所計算。重要的是在 % 於’二個選擇的參數係包括關於電流與電壓二者之資訊， 俾使於電流與電壓#變化之影響冑不同反映於基於該二個 參數值所產生的校準圖形或表。因此，舉例而言，對於該 函數之二個輸入參數係可為一個群組之任二者，該群組包 括：功率、電流、電壓與電阻。概括而言，可能判別其形 式如後之一式： P=h(X, Y) 其近似於校準表面，其中，X係第一輸入參數，Y係第 二輸入參數，且P係對應於第一參數χ與第二參數γ的值 之壓力。之後，此式係可運用作為對於多維校準表面之一 取代者，以計算壓力。 此改良係提供自其為小於10·4牦至大氣壓力以上之自 攝氏零度至50度之優越的溫度補償。此係避免如有時進 行測量功率與溫度的需要。此係補償所有型式之周圍溫度 變化引發的誤差，諸如於輻射損耗之變化，而不僅是相依 於感測元件的變化至壁溫度變化之彼等損耗，如同於美國 32 20041154 專利第4,682，503號之情形。此改良係避免必須運用電埶 式的冷卻以控制周圍溫度之複雜性，如同“熱 、六國辱利第 5，347，869號所述者。此外，此改良的校準及操作方/ 自動補償’―其針對事實在於：相較於周圍溫度之補償元二 ，對於在操作溫度之感測元件的電阻溫度係數將為潜 同。 了不 進一步的實施例 參考第7圖，計量器60係不同於第6圖所繪製者之一 種計量器的一個實施例，其並未運用一惠斯登電橋。如於_ 第6圖，計量器60包括一感測元件12(具有一電阻值衫） 、一非溫度靈敏的電阻元件15(具有一電阻R)與一溫度補 償το件14(具有一電阻RC)，元件彳2與14係以一種類似方 式或配置而定位於一真空環境34。雖然於計量器6〇之連 接元件12、14與15的電路係不同於第6圖者，元件12、 Μ與15係以如同於第6圖之一種類似方式而利用。舉例 而言，係加熱感測元件12，而非溫度靈敏的電阻元件15 與溫度補償元件14並未顯著加熱。此外，跨於感測元件* 12之電壓Vs與通過感測元件12之電流|s係測量及利用 ’以一種類似方式而決定壓力。 计$器60包括一電源61，分別經由線路74與76以 t、應電力至電流源62與64。電流源62與64係互相依賴 的，且較佳為分別提供直流電流至元件12與元件14/1 5。 電I源64係提供一大小或位準之電流，該大小或位準為 由電流源62所提供者之一預定分數（fractj〇n)。於第7圖 33 20041154 所示之實例，電流源64係提供為由電流源62所提供的電 流之1/10量。 由電流源62所提供之電流丨S係藉由線路78、節點80 與線路88而導向通過感測元件12。由電流源64所提供之 分數的電流係藉由線路100、節點102與線路1〇3(定位於 元件14與15之間）而導向通過非溫度靈敏的電阻元件15 與溫度補償元件14。如同於第6圖，元件14與15係補償 周圍的溫度變化。導向感測電流IS的一部分通過溫度補 償元件14，使得補償元件14之溫度上升相對於感測元件 12為不顯著。於第7圖所繪製之實例，其中，感測電流丨s 對於通過溫度補償元件14的部分電流之比值係1 〇 : 1之比 例，耗散於溫度補償元件14之功率係小於耗散於感測元 件12之功率的1/100，此歸因於電流對於功率之平方關係 (其中功率= |2r)。結果，補償元件14之溫度上升係小於感 測元件12之溫度上升的1%。雖然敘述電流源62與64之 1〇: 1的一電流比值，小於或大於10:彳的其他比值係可 運用。係控制電流I s以加熱感測元件12至一溫度位準， 於此，電阻RS係增大以等於組合的電阻R+Rc。二該溫度 ’校準資料係定義環境壓力。-回授電路係維持電流於該 位準。 、以 明確而言，表示電阻R+RC之跨於組合的電阻r+rc 3 電壓V2,係透過單倍乘法器66(連接至節點1〇2與98^ 施加至一總計電路7〇，而表 ^ 段w ^ 电I丑Kb之跨於電阻RS的1 I、係透過一乘法器68 (連接至節 〇心）而施加至矣! 34 20041154 什電路70。由於r=v/丨，且通過r+R(：之電流係通過RS之 電/瓜的十为之一’當該等電阻為相等時，跨於R+RC之電壓 係跨於RS之電壓的十分之一。因此，欲作出該等電壓之 一比較以決定該等電阻是否為相等，跨於Rs之電壓係必 須乘以施加至跨於R+RC之電壓的乘法器的十分之一。乘法 器68係將電壓、乘以·〇 · 1，以確保該等乘法器為具有對 於電流IS與is/1 〇的比例之一反比。負乘法器68係允許 總汁電路70實行已經正規化的電阻電壓之減法，以提供 表不介於該'等電阻之間的差異之一誤差訊號11〇。該差異g 係於高增益積分誤差放大器72放大且回授，以控制電流 位準IS °吳差放大器72之輸出係經由線路或回授迴路112 節點114、以及線路116與11 8而並聯回授至電流源62 與64，如有必要而調整由電流源62/64所提供的電流之位 準。凋整由電流源62 /64所提供的電流，俾使感測元件】2 之電阻RS與元件15/14之電阻R+RC係維持一預定平衡。 於第7圖所示之實例，該等電阻係匹配使得RS=R+RC。或 者，其他的比值或電阻位準係可運用，其中，RS係小於或 β 大於R+RC。此外，雖然用於控制電流源62/64之一回授電 路係較佳，或者，該種回授電路係可省略，而藉著資料庫 以允許不同的電壓比值。當回授電路係省略，計量器 之響應時間典型為較緩慢。 通過感測元件12的電流係由電流感測器49所決定， 而歸因於該電流之跨於感測元件12的電壓、係由感測器 48所決定，感測器48係以線路82與86而連接至節點8〇 35 20041154 與92。元件12與技、 係y刀別由線路90盥1 〇 5而噹拉石μ 點92與98，且線路 ，、而連接至卽 器48以及乘法ϋ 66糸由節點94❿連接至接地。感測 is係流通於感測元件、具有向輸入阻抗’故所有的電流 壓參數係可運用於同Μ前的實施例’電流.與電 暴露之壓力。貞料庫搜尋，以決定元件12與14所 計量器60係以釙 十對繪製於第6圖的計量琴 似方式而校準，其中^ I里态所述之一類 主r ’感測元件12係暴露至一组p釦冲 表壓力與周圍溫度，复炎1 ^ 組已知代 ”為政佈於有關的壓力盥 跨於感測元件12之雷厭政/ # 刀皿度轭圍。 過其之電流传，著二 精著電壓表48所測量，且通 維持於一預定平衡，例如 電P RS與r+rc係

Rc。此等諸值係給圖以接 供關於第6圖所述的三維資料表與表面。 θ圖以k 結果，運用時，孫可、七— 跨於” 的壓力’其藉著測量 感心件12之電壓與電流且接著運用針對第6圖之 計量器所述的方法。舉例而言，測量之電壓與電 :較於：儲存的校準資料’後者含有針對特定的電里與電 /机值之壓力值。典型而言，電壓盘 ' 电&冤机的測量值並未 匹配於儲存資料所含有的任何值…b，測量壓力之J 猎者健存的電壓/電流/壓力校準資料之内插法而μ 佳而言，係運用諸如式（27)之一近似式以執行内插法。夢 者儲存式（27)於處理器，|力係可由跨於感測元件& 量電廢與電流而自動計算。在本發明之範嘴内，如同於第 圖之計量器，不同於電塵與電量之其他的量係可運用以 36 20041154 決定壓力。 % 參考第8圖，計量器125係根據本發明之一種計量器 的一個實施例，其與計量器60(第7圖）為不同在於，乘法 器66之正（+)輸入係由節點1〇2移動至一個新的節點 ，其如圖所示位於元件14與15之間。此外，具有增益κ 之一第二個乘法器1 21係納入。如圖所示，乘法器121係 連接至節點102與一個新的節點119(位於元件14與15之 間）。於此配置，介於元件14與15之間的線路1〇3之電阻 並未增加一不確定的增量值至元件15之電阻R。結果，若 需要時，線路1〇3係可為一長的金屬線，且介於^點^ 與120之間的電阻係維持對於計量器125之準確度而言實 貝為不重要。此係允許元件彳5為定位於更便利的位置， 諸如於-電子封裝之一印刷電路板而非於換能器，且補償 疋件14之末端電阻無須為如此緊密控制。再者，將元件 疋位為遠離換能器係允許元件15為於具有一更穩定的 ’皿度之％ +兄中’使得非有意的溫度靈敏度係最小化。元 ::，二阻R的值係可基於成本、便利性或可利用性而 ^ *於跨於元件15之電壓降係可藉著乘法器121而 乘以任意的值K以得到期望結果。 本發明之—、仓 . . 進一 v的實施例係可構成使得感測元件12

與溫度補償元件14 』兀仟U ㈤ 為電阻以及長度不同。感測元件12與 /皿度補償7C件1 4 冓成使得溫度補償元件14之電阻係 稍被小於感測元杜 ρ ^牛12，舉例而言，高達至約為小於1〇%。 已經發現於某虺愔 一月况的疋，相較於具有匹配於感測元件12 37 20041154 的電阻之一補償元件14，具有稍微小於感測元件12的電 阻之一補償元件14係可提供壓力訊號之進一步改良的周 圍溫度補償。 於一個實施例，其中，感測元件12與補償元件14具 有相等的長度與電阻，補償元件14之電阻係可藉著一調 整電阻器1 26而降低至期望的量，調整電阻器彳26係電氣 連接為並聯於補償元件14，且概括為定位在感測或測量環 去兄之外部。第9圖係繪出一調整電阻器12 6之一個實例， 凋整電阻器126係並聯連接於第7圖之電路所示的補償元 件14，其中，並聯的調整電阻器126係經由線路124與節 點122而連接至線路1〇3，且經由線路128與節點13〇而 連接至線路105。當並聯的調整電阻器126係並聯於補償 元件14，電阻器1 26係成為補償元件14之部分者。於一 個實施例中，補償元件14相較於感測元件12而提供約低 4.5%的電阻，以提供最佳化於約為3〇〇毫托（mT〇⑴之溫度 補償。並聯於補償元件彳4之並聯的調整電阻器126之加入 ’係改變電阻溫度係數與補償元彳14之電路接腳的 〇 於另-個實施例中，補償元# 14係由如同感測元件 12的相同材料所作成，且概括為如同感測元件12的相同 直徑，但是長度稍微較短，藉以提供相對於感測元件12 之較低的電阻。長度差異係以—電容隔板計（Gapacjtance d—gm gauge)藉著比較而憑經驗決定於一溫度範圍。 長度不匹配差異係；i夠小，使得感測元件12肖補償元件 38 20041154 14仍具有類似的溫度響應與實際特性，但是較短的補償元 件14係提供較佳的溫度補償。於一個實施例，補償元件 係相較於感測元件12而約為短6.4% (約為少6.4%的電阻） ’其溫度補償最佳化於約為1拢之感測器電壓曲線。一較 短的補償元件14具有一電阻溫度係數（ω/ω/°〇，其相同 於感測元件12，但是Ω /°C係不同。 介於感測元件12與補償元件14之間的最佳化的長度 與電阻不匹配，係可變動於不同的計量器之間，此取決於 感測元件12與補償元件14之長度、位置與間隔、以及對 於其他構件之鄰近度。長度不匹配係可運用於前述的電路 之任一者。 一並聯的調整電阻器1 26係可運用在降低補償元件14 的電阻之情況，其中，補償元件14的長度或電阻係小於 感測元件12，但未達到期望的完整程度。此外，若相對於 感測元件12之補償元件14的長度或電阻係低於期望者， 一並聯的調整電阻器126係可取代置放並聯於感測元件12 ，以降低感測元件12之電阻，使得補償元件14之電阻係 相對於感測元件1 2之電阻而提高，致使相對的電阻於期 望的範圍。於該種情形，並聯的調整電阻器126係成為感 測元件1 2之部分者。雖然並聯的調整電阻器126係已經於 上文敘述為運用於第7圖之電路，要瞭解的是，並聯的調 整電阻器1 2 6係可運用於上述的其他電路之任一者。 儘管本發明係已經關於其較佳實施例而特定顯示及說 明，熟悉此技藝人士將瞭解的是，可作成形式與細節之種 39 20041154 種變化，而未偏離由隨附的申請專利範圍所涵蓋之本發明 的範轉。 舉例而言，本發明之不同實施例的特徵係可為代入彼 此或是結―舍。此外，雖截計量器60與125係已敘述為施加 直流電流至元件12、14與15,本發明之其他實施例包括 施加交流電流至元件12、14與15。再者，雖然已經提供 特定的尺寸與規格，所瞭解的是，尺寸與規格係可為取決 於手邊的情況而變動。

【圖式簡單說明】 (一）圖式部分 第1A與1B圖係習用之皮拉尼熱壓力計的簡化示意圖 第2圖係顯示於一習用之皮拉尼熱壓力計的熱損耗分 量圖，如同透過本發明之研究所發現者； 第3圖係-習用之皮拉尼熱壓力計的示意代表圖，其 運用一小直徑金屬線為感測元件； 第4A圖係根據本發明之 奴月之種改良式熱損耗計量器的一 部分，且第4B圖係於第4a岡於-> μ、 乐圖所不之部分的橫截面圖； 第5Α圖係根據本發明 _ . . . ^ 知Θ之一種改良式熱損耗計量器之末

端的放大橫截面圖，其g| ; A 、頌不感測與補償元件之支撐及連接 第5B圖係顯示根據本 ^ ^之一種機構之一個實施例的 橫截面圖，该種機構係俾雜 /、維持7刀別介於導熱板與一感測元 40 20041154 件及補償元件之間的間隙； 第6圖係顯示根據本發明 s d之種用於一感測元件之獨 立式加熱配置的示意圖；

第7圖係顯示根據本發明之另 ^ m ^ L ^ 个I月之另一種用於一感測元件之 苟立式加熱配置的示意圖； 第8圖係顯示根據本發明之又一 ,a! ^ ^ 獨 禋用於一感測兀件之 司立式加熱配置的示意圖；及 第9圖係第7圖之電路之一部分的示意圖，於本發明 之 =實施例，該電路部分具有並聯連接於 碉整電阻器。 1 丁 (一）元件代表符號 10 熱損耗計量器之一部分 12 感測元件 14 補償元件 15 電阻元件 16 、 16’ 板

1 7、19 電阻器 連接器 2〇 ' 20,〜21' 21，' 22 > 22、23 24、24’ 電氣絕緣層 26、28 彈簧 30 惠斯登電橋 32 直流電流源 34真空環境 36電容器 41 ?0041154 38 交 流 電 壓源 40 頻 率 選 擇偵測器 42 控 制 器 46、 47 回 授連路 48 電 壓 表 (感測器） 49 電 流表 (感測器） 51 處 理 器 60 計 量 器 61 電 源 62、 64 電 流源 66、 68 乘 法器 70 總 計 電 路 72 誤 差 放 大器

74 W6 > 82 > 86 ^ 88 > 90 > 100 ^ 103 ^ 105 ^ 116 ^ 118 、124、128 線路

80 H 92 > 94 H 102 > 114 H 120 ' 122 〜 130 節點 110 誤差訊號 112 回授迴路 121 乘法器 125 計量器 126 調整電阻器 302 皮拉尼熱壓力計之一部分 303 補償元件 42 20041154 304 感測元件 306、307 連接器 308、309 支撐結構 310、311 連接器

Claims (1)

1. 20041154 拾、申請專利範圍： 1 · 一種熱損耗計量器，用以測量於一環境中的氣體壓 力，包含： 一電阻性的感測元件； 一電阻性的補償元件，其與該感測元件於共同電路， 且為暴露至一實質匹配的環境； 一電源，連接至該感測元件與補償元件，以供施加電 "IL通過該等元件，通過該感測元件之電流係實質大於通過 该補償元件之電流，該感測與補償元件係不同長度；及 測量電路，連接至該感測元件與補償元件，以基於該 感測元件與補償元件之電氣響應，決定於該感測元件與補 償7L件所暴露之環境中的氣體壓力。 2 ·如申請專利範圍第彳項之計量器，其中，該補償元 件係相較於該感測元件為短。 3 ·如申請專利範圍第2項之計量器，其中，該感測與 補償元件係構成以提供該補償元件具有相較於該感測元件 約低5% - 8%的電阻。 4 ·如申請專利範圍第3項之計量器，其中，該感測與 補償疋件係構成以提供該補償元件具有相較於該感測元件 約低6%-7%的電阻。 5 _如申請專利範圍第2項之計量器，其中，該補償元 件係長度相較於該感測元件約短5%-8〇/〇。 6 ·如申請專利範圍第5項之計量器，其中，該補償元 件係相較於該感測元件約短6%-7〇/〇。 44 20041154 ，其中，一並聯電 中之一者，以提供 7.如申請專利範圍第1項之計量器 阻裔係定位為跨於該感測與補償元件其 该補償元件較低的電阻。 8 _ —種測量於一環境中的氣體壓力 床，包含 提供一電阻性的感測元件； 提供一電阻性的補償元件，其與該._ 攸、 a，則疋件於共同電 絡’且為暴露至一實質匹配的環境； 施加來自-電源的電流通過該感測元件與補償元件， 通過該感測元件之電流係實質大於通過該補償元件之電流 構成該感測與補償元件為不同長度；及 藉著連接至該感測元件與補償元件之測量電路，基於 該感測元件與補償元件之電氣響應，以決定於該感測2件 與補償元件所暴露之環境中的氣體壓力。 9.如申請專利範圍$ 8項之方法，t包含：構成該補 償元件為較短於該感測元件。 10 ·如申請專利範圍第9項之方法，更包含：構成該感馨 測與補償元件，以提供該補償元件相較於該感測元件約低 5%-8%的電阻。 11 ·如申請專利範圍第1 〇項之方法，更包含：構成該 感測與補償元件，以提供該補償元件相較於該感測元件約 低6%· 7%的電阻。 12 ·如申請專利範圍第9項之方法，更包含：提供該補 償元件相較於該感測元件約短5%-8%之一長度。 45 20041154 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，更包含··提供該 補償元件相較於該感測元件約短6%-7%之一長度。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之方法，更包含：定位一 並聯電阻器為跨於該感測與補償元件其中之一者，以提供 該補償元件較低的電阻。 拾壹、圖式：

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