FR2829237A1 - Appareil et procedes de mesure de pression par perte de chaleur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure de la pression d'un gaz dans un environnement qui comprend les étapes suivantes : prévoir un élément de détection résistif (12); prévoir un élément de compensation résistif (14) qui est en circuit avec l'élément de détection (12), et qui est exposé à un environnement bien adapté; appliquer des courants à travers l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14) depuis une source électrique (32, 38), les courants ayant un rapport défini, et l'intensité du courant qui traverse l'élément de détection (12) étant beaucoup plus grande que l'intensité du courant qui traverse l'élément de compensation (14); et un circuit de mesure (49) étant connecté à l'élément de détection (12) et à l'élément de compensation (14), pour déterminer la pression du gaz dans l'environnement auquel l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14) sont exposés, en fonction de la réponse électrique de l'élément de détection (12) et de l'élément de compensation (14).

Description

Du fait que le taux de transfert de chaleur à travers un gaz est fonction

de la pression du gaz, dans certaines conditions, on peut utiliser des mesures du taux de transfert de chaleur entre un élément de détection chauffé et le gaz, avec un étalonnage approprié, pour déterminer la pression du gaz. Ce principe est utilisé dans la jauge de Pi ran i bien connue (représentée de manière schématique sur les figures 1a et 1b), dans laquelle la perte de chaleur est mesurée à l'aide d'un réseau à pont de Wheatstone, qui sert à chauffer l'élément de détection et à

mesurer sa résistance.

Par référence à la figure 1a, dans une jauge de Pirani, le capteur de pression comprend une résistance sensible à la température RS, formant une branche du pont de Wheatstone. R2 est typiquement une résistance sensible à la température, conçue pour avoir une élévation de température négligeable sous l'effet du courant i2. R3 et R4 sont typiquement des résistances fixes. RS, et typiquement R2, sont exposées à l'environnement de vide, dont la pression doit

étre mesurée.

Les jeuges de Pirani ont été mises en _uvre avec un courant constant i (tel que décrit dans le brevet US N 3 580 081), ou avec une tension constante aux bornes de RS. Dans ces procédés, il se crée un déséquilibre électrique du pont, qui reflète la pression du gaz. Les jauges de Pirani ont également été mises en _uvre avec une résistance constante RS (tel que décrit dans le brevet US N 2 938 387). Dans ce procédé, la quantité d'énergie qui est foumie varie avec les changements de pression du gaz, de sorte que le taux de changement de l'énergie fournie reflète les changements de la pression du gaz. Chaque procédé de mise en _uvre présente différents avantages et inconvénients, mais la discussion ciaprès concerne en particulier le procédé à résistance constante et la

configuration de la figure 1a.

La tension VB est régulée automatiquement pour maintenir la différence de potentiel entre les points A et C de la figure 1a à zéro volts. Lorsque la chute de potentiel entre A et C est nulle, le pont est dit équilibré. A l'équilibre du pont, il existe les conditions suivantes:

IS =;2 (1)

i4 = i3 (2) isRS = i4R4 (3) et i2R2 = i3R3 En divisant l'équation 3 par l'équation 4, et en utilisant les équations 1 et 2, on obtient:

RS =, R2 (5)

o,=- (6) R3 En conséquence, à l'équilibre du pont, RS est une fraction constante, de R2. Pour obtenir un régime permanent de RS, pour toute pression donnée, I'équation 7 doit être satisfaite: Energie électrique introduite dans RS = Energie rayonnée par RS + (7) Energie perdue aux extrémités de RS + Energie perdue vers le gaz par RS Une jauge de Pirani classique est étalonnée à l'aide de plusieurs pressions connues, pour déterminer la relation entre une pression inconnue, Px, et la perte d'énergie vers le gaz, ou, plus commodément, vers la tension du pont. Ensuite, en supposant que les pertes aux extrémités et les pertes par rayonnement restent constantes, la pression inconnue Px du gaz peut être déterminée directement par la perte d'énergie vers le gaz, ou bien être apparentée à la tension du pont à

l'équilibre de ce dernier.

Du fait que les jauges de Pirani peuvent être conçues de façon à avoir un grand rayon d'action et qu'elles sont relativement simples et peu onéreuses, on souhaite depuis longtemps pouvoir utiliser ces jauges en remplacement de jauges beaucoup plus onéreuses, telles que des manomètres capacitifs et des jauges d'ionisation. Cependant, les structures existantes laissent plus qu'à désirer en ce qui concerne la précision des mesures de pression, en particulier aux basses pressions. Avant 1977, la limite de pression supérieure des jauges de Pirani était d'environ 20 Torrs, du fait que, dans des dispositifs macroscopiques, aux pressions élevées, la conductivité thermique d'un gaz devient essentiellement indépendante de la pression. L'un des présents inventeurs a contribué à la mise au point de la jauge CONVECTRON@, produite et commercialisée par le concessionnaire (Granville-Philips Company, Bouider, Colorado) depuis 1977, qui utilise le refroidissement par convection de l'élément de détection, pour offrir une meilleure sensibilité entre 20 et 1000 Torrs. Des centaines de milliers de jauges CONVECTRON ont été vendues partout dans le monde. Récemment, plusieurs

imitations sont apparues sur le marché.

Bien que la jeuge CONVECTRON réponde à un besoin insatisfait, elle présente plusieurs inconvénients. Elle a, par nécessité, de grandes dimensions intemes, pour offrir un espace suffisant pour la convection. Elle est par conséquent relativement grande. Du fait que la convection dépend de la pesanteur, des mesures de pression aux pressions élevées dépendent de l'orientation de l'axe du capteur. De plus, du fait que la plage de pressions dans laquelle le refroidissement par conduction de gaz est prédominant ne chevauche pas précisément la plage de pressions dans laquelle le refroidissement par convection se produit, la jauge CONVECTRON a une sensibilité limitée,

comprise entre 20 et 200 Torrs.

Pour permettre d'éviter ces difficultés, il a été mis au point de capteurs Pirani microminiatures qui utilisent des écartements capteur- paroi de l'ordre de quelques microns, plutôt que les écartements beaucoup plus grands, par exemple 1,27 cm (0,5 pouce), précédemment utilisés. Voir, par exemple, le brevet US N 4 682 503 aux noms d'Higashi et al. et le brevet US N 5 347 869 aux noms de Shie

et al. Dans un article apparaissant dans J. Vac. Sci. Technol. A 13(6), Nov. / Dec.

1995, W.J. Alvesteffer et al. décrivent les travaux les plus récents sur les jauges Pirani que connaissent les présents inventeurs. L'utilisation de ces petits écartements capteur- paroi offre une conductivité thermique dépendante de la température, même à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. En conséquence, ces capteurs microscopiques présentent une bonne sensibilité, sur une plage allant des basses pressions à des pressions supérieures à la pression

atmosphérique, et fonctionnent dans toutes les orientations.

Les tentatives antérieures de développer des jauges microminiatures ont soulevé un certain nombre de problèmes. Bien que les capteurs microminiatures offrent une bonne sensibilité sur une large plage de pressions, indépendamment de l'orientation, leur structure est très complexe et leur fabrication nécessite de nombreuses étapes de traitement élaborées dans un équipement hautement

spécialisé, coûtant plusieurs centaines de milliers de dollars.

Les capteurs microminiatures sont sujets aux mêmes types erreurs dépendants de la température ambiante que les capteurs macroscopiques. Tous les termes de pertes de chaleur de l'équation 7 dépendent de la température

amblante et de la température de l'élément de détection, à toute pression donnée.

En conséquence, toute tentative de mesure de pression à l'aide d'une jauge de Pirani, sans correction de température, sera perturbée par des pertes d'énergie non dépendantes de la pression, provoquées par des changements de la température amblante. Toutes les jauges de Pirani modernes tentent de corriger les erreurs provoquées par les changements de température ambiante. Un moyen largement utiilsé pour corriger ces erreurs consiste à utiliser pour R2 un élément de compensation sensible à la température, RC, monté en série avec une

résistance fixe R. comme on le voit sur les figures 1 a et 1 b.

Le brevet britannique GB N 2 105 047 A décrit la prévision d'une résistance additionnelle pour réaliser un diviseur de tension. A la page 58 du document

Pressure Measurement in Vacuum, Chapman and Hall: Londres (1964), J.H.

Leck remarque que Hale, en 1911, a fabriqué une jauge de Pirani dont R2 et RS étaient constituées du même matériau et avaient les mêmes dimensions physiques. Lorsque les pressions au niveau de R2 et RS sont égales, on obtient une excellente compensation de température. Cependant, à d'autres pressions,

ce moyen de compensation de température n'est pas très efficace.

Pour éviter le coût supplémentaire et la complexité dus au pompage et au scellement de R2 dans une ampoule séparée, R2 est commodément placée dans le même environnement de vide que RS. Le fait de doter R2 d'une relativement grande masse thermique et de grandes pertes thermiques permet de rendre l'auto-échauffement de R2 négligeable. J. H. Leck recommande de former R2 "en deux sections, par exemple une partie en cuivre et l'autre en fil de nichrome... de sorte que le coefficient de température global (de R2) corresponde exactement à celui de l'élément de Pirani lui-même (RS)." Selon J.H. Leck, ce procédé de compensation de température a été utilisé par Edwards High Vacuum, Grande Bretagne, dans la jauge de la marque METROVAC@. Un agencement de compensation de température analogue est utilisé dans la jeuge de la marque

CONVECTRON.

Cependant, cette technique (utilisant deux matériaux ou plus pour R2, ayant des coefficients de température de résistance différents, pour approcher le coefficient de température de RS) est efficace uniquement sur une étroite plage de pressions. En fait, la compensation peut être effectuce de manière exacte à seulement une température, ou tout au plus à quelques températures, comme le décrit le brevet US N 4 541 286, qui décrit cette forme de compensation de température dans une jauge de Pirani. De plus, les inventeurs ont trouvé que des configurations ayant une grande masse thermique augmentent considérablement le temps de réponse de la jauge à des changements brusques de la température amblante. Les inventeurs ont également trouvé, par une simulation informatique approfondie, que l'utilisation de coefficients de température égaux pour RS et R2, tel que le recommande J.H. Leck, et tel que pratiqué dans la technique antérieure, ne permet pas une compensation de température tout à fait précise. Les inventeurs ont encore trouvé que, pour des pressions inférieures à environ 5 x

-3 Torr, les pertes aux extrémités excèdent toutes les autres pertes combinées.

Les composantes des pertes relatives, déterminées par cette recherche (composantes de pertes par rayonnement, pertes aux extrémités et pertes vers le gaz, des pertes totales) sont représentées sur le graphique de la figure 2. A 1 x -5 Torr, les pertes aux extrémités sont plus de 1000 fois supérieures aux pertes vers le gaz et les pertes par rayonnement sont environ 100 fois supérieures aux

pertes vers le gaz.

Par conséquent, les effets des changements de température dans les jeuges de Pirani de la technique antérieure sont particulièrement gênants aux très basses pressions, lorsque les pertes par conduction du gaz sont très faibles. Les jauges à perte de chaleur de la technique antérieure ne peuvent pas mesurer précisément de très basses pressions, par exemple, de 1 x 10-5 Torr. Les inventeurs ont découvert que cette limitation est une conséquence de l'incapacité à maintenir les pertes aux extrémités de l'élément de détection sufffisamment constantes lors des changements de température ambiante. La jeuge de Pirani du type Alvesteffer ont la capacité d'indiquer une pression de l'ordre de 10-5 Torr, mais n'offrent pas une indication précise à ce niveau de pression. Par exemple, si les pertes aux extrémités ne sont pas maintenues constantes à moins d'une partie pour 5000, dans une jeuge de Pirani typique, une indication de pression à une pression de

1 X 10-5 Torr peut être décalée de 50 à 100 %.

L'analyse ci-après montre pourquoi les structures de la technique antérieure conviennent mal à une correction adéquate des changements de température amblante aux basses pressions. Pour une question de commodité d'étude de la technique antérieure, on expliquera les problèmes à l'aide d'exemples de jauges

ayant un relativement grand écartement entre l'élément de détection et la paroi.

On comprendra que le même type de problèmes existe dans les géométries beaucoup plus complexes des jauges microminiatures, ayant des écartements

élément de détection - paroi de l'ordre de quelques microns.

La figure 3 est une représentation schématique d'une partie 302 d'une jeuge de Pirani classique utilisant un élément de détection 304 constitué d'un fil de petit diamètre et un élément de compensation 303. Les personnes qui connaissent la structure des jauges de Pirani comprendront que les composants de la figure 3 ne sont pas représentés à l'échelle, dans un but de simplicité d'explication et de compréhension. Typiquement, l'élément de détection 304 constitué d'un fil de petit diamètre est en liaison électrique et thermique avec des connecteurs électriques beaucoup plus gros 306, 307, qui sont en liaison thermique avec des structures de support beaucoup plus grandes 308, 309. TAL représente la température de la structure de support 308 à l'extrémité gauche de l'élément de détection 304 et TAR représente la température de la structure de support 309 à l'extrémité droite, à tout instant t donné. TSL et TSR représentent respectivement la température au niveau du connecteur gauche 306 de l'élément de détection et du connecteur droit 307 de l'élément de détection. TCL et TCR représentent respectivement la température au niveau du connecteur gauche 310 de l'élément de compensation et du connecteur droit 311 de l'élément de compensation. TXL et TXR représentent

respectivement la température à une distance X des connecteurs 306 et 307.

Dans les structures de la technique antérieure, on supposait apparemment que toutes ces températures étaient identiques. Cependant, les inventeurs ont trouvé que même des différences apparemment négligeables avaient une grande

importance en ce qui concerne la précision aux basses pressions.

Pour mieux comprendre les exigences de la compensation de température, il

est important de noter plusieurs faits.

(1) Aux basses pressions, la température de RC est déterminée essentiellement par l'échange thermique entre les connexions de l'élément de compensation et l'élément de compensation lui-même. Cela est dû au fait que, à température ambiante et aux basses pressions, le rayonnement et la conduction du gaz sont des moyens d'échange de chaleur entre l'élément de compensation et son environnement qui sont très inefficaces par rapport à la conduction thermique à travers les extrémités de l'élément de compensation. En conséquence, aux basses pressions, la température de l'élément de compensation sera très proche de la moyenne des températures des connecteurs à chaque extrémité de

l'élément de compensation, comme le représente l'équation 8.

T = Tc. +TCF (8) (2) La température de l'élément de détection chauffé électriquement varie entre ses extrémités et son centre, en augmentant en même temps que la distance par rapport aux supports de refroidissement. En utilisant une analyse par éléments finis, les inventeurs ont simulé la répartition de la température le long de I'élément de détection. Il s'est avéré qu'avec des coefficients de température de résistance égaux pour RS et RC, la température Tn de tout segment n de l'élément de détection varie en même temps que la température moyenne TAVG de l'élément de compensation RC, à une pression constante et à l'équilibre du pont, ce qui maintient une différence ATn = Tn - TAVG constante. La différence ATn est

une fonction de,B et de R. o R = R2 - RC.

(3) Selon l'équation 5, à l'équilibre du pont, la résistance RS de l'élément de

détection sera maintenue à une résistance égale à, fois la résistance R2.

Lorsque la température amblante augmente, la température des connecteurs de l'élément de compensation augmente également, et donc, la température et la résistance de RC augmentent selon l'équation 8. Toute augmentation de la température de RC, et donc de sa résistance, entrane une augmentation de la

température et de la résistance de tous les segments de RS, à l'équilibre du pont.

(4) Les pertes d'énergie aux extrémités de l'élément de détection dépendent du gradient de température aux extrémités de l'élément de détection, selon I'équation 9: Perte d'énergie aux extrémités = k (9) o k est une constante, et , = Tx. Ts à l'extrémité gauche (10) R = XR X SR à l'extrémité droite (11) Si L et R varient pour une raison quelconque, les pertes aux extrémités

changeront et l'indication de pression sera erronée.

Pour comprendre en détail une défcience importante de la technique antérieure en ce qui conceme la compensation de température aux basses pressions, supposons que TAR est augmentée légèrement depuis un régime permanent, par exemple par des changements de l'environnement de température ambiante local de la structure de support droite. Supposons que TAL reste inchangée. TAL étant supposoe ne pas changer, TCL et TSL restent inchangées. Cependant, I'augmentation de TAR va entraner l'augmentation de TCR

par conduction de chaleur à travers la connexion.

Etdecefait, TAVG = CE 2 CR va augmenter.

Une augmentation de TAVG va entraner une augmentation de TXL et TXR, à l'équilibre du pont, ce qui produira des changements des gradients L et R. Ces changements de L et R vont modifier les termes des pertes d'énergie aux extrémités dans l'équation 7, entranant une erreur de la mesure de pression dépendant de l'importance des changements de L et TR Les inventeurs ont déterminé que, à moins que TAL change d'une manière essentiellement identique à TAR, les pertes aux extrémités de l'élément de détection ne resteront pas inchangées à chaque changement de la température ambiante. Les jauges de Pirani de la technique antérieure n'ont pas été spécifiquement conçues pour maintenir TAL = TAR au degré nécessaire pour une

mesure précise aux basses pressions.

Pour comprendre une autre déficience importante de la compensation de température de la technique antérieure, supposons que la température amblante augmente, depuis un régime permanent, et que les conditions de température ambiante sont telles que TAL = TAR. Supposons en outre que les connecteurs de l'élément de détection ont une longueur égale, mais que le connecteur droit de I'élément de compensation est beaucoup plus long que le connecteur gauche de l'élément de compensation, comme c'est le cas dans une jauge de Pirani populaire de la technique antérieure. En conséquence, TSL = TSR, mais TCR sera

en retard par rapport à TCL, du fait des différences de longueurs supposées.

Pendant ce retard, lorsque TCL TCR, la température moyenne TAVG change, ce qui fait varier TXL et TXR à l'équilibre du pont. En conséquence, L et R varient continuellement pendant le retard, produisant des erreurs d'indication aux basses pressions. Les inventeurs ont déterminé que, à moins que les connecteurs de l'élément de détection et de l'élément de compensation aient des dimensions physiques et des propriétés thermiques essentiellement identiques, les pertes aux extrémités de iéélément de détection ne resteront pas inchangées lors de changements de la température amblante. Les jauges de Pirani de la technique antérieure n'ont pas été spécifiquement conçues pour que les connecteurs de l'élément de détection et de l'élément de compensation aient des dimensions physiques et des propriétés

thermiques identiques.

Une autre déficience importante (comme l'ont découvert les inventeurs) provient de la différence de masse entre l'élément de compensation et l'élément de détection. Supposons que la masse de l'élément de compensation soit beaucoup plus grande que celle de l'élément de détection, comme c'est le cas en général. Avec les jauges de Pirani de la technique antérieure, il était habituel de faire en sorte que l'élément de compensation soit plus grand que l'élément de détection, et que le chemin des pertes de chaleur vers l'environnement de l'élément de compensation soit relativement grand, de façon que la chaleur qui résulte de la dissipation de l'énergie électrique dans RC puisse être facilement dispersée. A partir d'un régime permanent, supposons que la température amblante augmente et que TAL = TAR à tout instant. En conséquence, il faudra plus longtemps à l'élément de compensation pour atteindre une nouvelle température de régime permanent par rapport au temps nécessaire à TSL et TSR pour atteindre une nouvelle température de régime permanent. Pendant ce temps (qu'une observation a révélé durer plusieurs heures dans une jauge de Pirani populaire de la technique antérieure), TAVG change continuellement, ce qui fait changer TXLet TXR continuellement à l'équilibre du pont. En conséquence, et TR varieront pendant le temps de retard, les pertes aux extrémités de l'élément de détection ne resteront pas constantes, et des erreurs de mesures aux basses

pressions sont produites.

Le même type de problème se produit si l'élément de compensation est conçu pour changer de température en une proportion différente de celle de I'élément de détection, avec un changement de température ambiante à l'équilibre du pont. Des structures de la technique antérieure, telles que le dispositif du type

Alvesteffer, présentent cette déficience.

Suite à leurs recherches, les inventeurs ont déterminé que, à moins que l'élément de compensation ait été conçu pour changer de température dans la même proportion que l'élément de détection, les pertes aux extrémités de l'élément de détection continuent à changer longtemps après que la température ambiante s'est stabilisoe à une nouvelle valeur. Là encore, les jauges de Pirani de

la technique antérieure n'ont pas été conçues pour satisfaire à cette exigence.

On sait depuis longtemps utiliser pour R2 un élément de compensation RC, ayant essentiellement le même coefficient de température de résistance que l'élément de détection, monté en série avec un élément de résistance R non sensible à la température, de façon à offrir une compensation de température pour les pertes vers le gaz et les pertes aux extrémités qui varie de la même manière que la différence de température entre l'élément de détection et son environnement. Ce procédé de compensation de température a été utilisé dans la jauge CONVECTRON pendant de nombreuses années, et est également utilisé

dans la jauge d'Alvesteffer.

Ce procédé de compensation de température suppose que, (1) si les coefficients de température de résistance de l'élément de détection et de l'élément de compensation sont égaux, et (2) s'il est possible de faire en sorte que la résistance de l'élément de détection varie en tandem avec la variation de la résistance de l'élément de compensation, alors (3) la température de l'élément de détection augmentera en tandem avec les changements de la température ambiante. Il est bien évidemment très souhaitable de satisfaire à ces deux suppositions, car cela garantirait que la différence de température entre l'élément de détection chauffé et la paroi environnante, à température ambiante, reste

constante lorsque la température amblante change.

Cependant, les inventeurs ont trouvé que les jauges de la technique antérieure qui utilisent une résistance R constante, montée en série avec une résistance RC sensible à la température, pour R2, n'offrent qu'une compensation

partielle de la température, comme nous allons l'expliquer ci-après.

Supposons que, sur la figure 1 a, R2 est constituée d'un élément de compensation RC sensible à la température et d'une résistance R non sensible à la température, de sorte que

R2=RC+R (12)

En conséquence, I'équation 5 obtenue ci-dessus, pour l'équilibre du pont, peut s'écrire:

RS =,B (RC + R) (13)

o, est définie par l'équation 6 ci-dessus.

En outre, on suppose que, lorsque l'environnement de température ambiante de la jauge est égal à T., I'élément de détection fonctionne à la température Ts' et l'élément de compensation fonctionne à la température Tc'. En conséquence, 1 5 lorsque: Tambiante = T1 (14) I'équation 1 3 peut s'écrire: RS(T,) (1 + as(Ts' -T.)) = [RC(T,) (1 + ac(Tc' -T,))+ R] (15) Ici, RS(T') est la résistance de l'élément de détection à la température T., as est le coefficient de température de résistance de RS à T', RC(T1) est la résistance de l'élément de compensation à la température T', et ac est le coeffficient de température de résistance de Rc à T'. En conséquence, lorsque: Tambiante = T2, I'équation 13 peut s'écrire: RS(T,) (1 + as (Ts2 - T.)) = [RC(T,) (1 + ac (TC2 - T.)) + R] (16) La résolution de l'équation 15 pour Ts' donne: Ts' = tRSiT [RC(T,) (1 + ac(Tc' - T,))+ R]- 1 / as + T. (17) La résolution de l'équation 16 pour TS2 donne: Ts2 = [RS(T) [RC(T,) (1 + ac (TC2 - T.)) + R] -1] / as + T. (18) Si l'on soustrait l'équation 17 de l'équation 18, on obtient la variation de température AT de l'élément de détection RS lorsque la température amblante passe de T1 à T2. Et donc, T = Ts2 - Ts' = c (Tc2 - T (RS(T,)s (19) Il convient d'observer qu'un élément de compensation effficace est conçu de telle sorte que sa température suive étroitement la température amblante. En conséquence, avec une très bonne approximation, TC2 -T2 = Tc - T. ou TC2 - Tc1 = T2 - T1 (20) Et donc, I'équation 19 peut s'écrire: (RS(T,))(as) (21) 11 ressort de manière évidente de l'équation 21 que la variation de température AT de l'élément de détection RS sera égale à la variation de la température ambiante T2 - T', si et seulement si: p(RC(T,) (ac = 1 (22) (RS(T,))as) Les jauges de la technique antérieure qui utilisent un élément de compensation RC sensible à la température, monté en série avec une résistance fixe R. pour R2 sur la figure 1 a, permettent seulement une compensation partielle de la température selon le choix de,. Des jeuges disponibles dans le commerce, ayant la structure décrite par Alvesteffer et al., qui constituent les travaux les plus récents sur les jauges de Pirani connus par les présents inventeurs, ne satisfont

pas à l'équation 22.

En troisième problème concernant les structures de jauges de la technique antérieure, les inventeurs ont trouvé que le niveau de dissipation d'énergie dans R2 a un rôle néfaste sur la précision. Dans les jauges de Pirani de la technique antérieure, lorsqu'elles sont configurées à la manière de la figure 1a, le même courant dépendant de la pression passe à travers RS et à travers l'élément de compensation à l'équilibre du pont. Lorsqu'elles sont configurées à la manière de la figure 1 b, à l'équilibre, la même tension dépendante de la pression est appliquée aux bornes de R2 et aux bomes de RS. Bien évidemment, un courant dépendant de la pression dans R2 amènerait la température de RC à augmenter à une température supérieure à la température ambiante d'une quantité qui varie

avec la pression.

Les jauges de Pirani de la technique antérieure utilisent typiquement un élément de compensation ayant des dimensions physiques plus grandes que celles de l'élément de détection, pour dissiper la chaleur et ainsi empêcher une température excessive dans l'élément de compensation. Comme on l'a dit ci dessus, des dimensions physiques différentes pour l'élément de détection et l'élément de compensation provoquent des erreurs de mesure lors des

changements de la température amblante.

Un quatrième problème réside dans le fait que les jauges de Pirani de latechnique antérieure produisent des décalages des indications de pressions aux basses pressions, lorsque la température amblante varie. Les jauges de Pirani de la technique antérieure ont utilisé toute une variété de composants pour tenter de maintenir inchangée la perte d'énergie de l'élément de détection lorsque la température amblante varie. Par exemple, dans le brevet US N 4 682 503, un refroidissement thermoélectrique est utilisé pour réquler la température ambiante

et ainsi minimiser les changements de température amblante.

Dans le dispositif décrit dans le brevet US N 4 541 286, un élément sensible à la chaleur est monté en contiguté du bras de compensation du pont (plus précisément, dans une version commerciale, il est collé à l'extérieur de l'enceinte sous vide). Alvesteffer et al. utilisent un élément additionnel (appelé ici R4) dans le pont, pour permettre la compensation du fait que le coeffcient de température de résistance de l'élément de détection à la température de fonctionnement est légèrement différent de celui de l'élément de compensation à la température amblante. Bien que chacun de ces dispositifs de la technique antérieure éliminent certaines des erreurs causées par les changements de température ambiante, aucun d'eux n'élimine pratiquement toutes les erreurs. En conséquence, les jauges de Pirani de la technique antérieure produisent des décalages importants des indications de pressions aux basses pressions, lorsque la température

amblante varie.

Un autre système de la technique antérieure, décrit dans le brevet US N 5 608 168, relie différentes mesures électriques du pont (ou des approximations de ces mesures), détermine la valeur ou la température de la résistance dépendante de la température, et prend ce paramètre en compte pour déterminer la mesure de pression. Cependant, ce système est plus complexe du fait de la nécessité de

mesurer des températures ou d'autres valeurs.

Le brevet US N 6 023 979 décrit une jauge de Pirani ayant un pont de Wheatstone modifié, utilisant un courant de chauffage continu et un courant de détection alternatif pour mesurer la pression du gaz dans un environnement sous vide. Des parties du brevet US N 6 023 979 sont communes avec la présente

description.

La présente invention met à disposition des améliorations pour la mesure de pressions par perte de chaleur, qui coopèrent ensemble pour une bien meilleure précision de mesure aux basses, moyennes et hautes pressions, permettant ainsi d'étendre la plage des mesures de pressions précises à des pressions plus

basses et des pressions plus élevées, à l'aide d'une seule jauge.

A titre de première amélioration, un élément de détection constitué d'un fil de petit diamètre est placé dans le même plan qu'un élément de compensation constitué d'un fil de petit diamètre, et espacé de ce demier par deux plaques planes parallèles, conductrices de la chaleur, qui sont chacune espacées de 15.um des éléments de détection et de compensation. De cette manière, les inventeurs ont obtenu une sensibilité relativement élevoe dans une géométrie simple, sans utiliser la convection. Cet aménagement évite simultanément la très grande complexité et le coût élevé des structures de jeuges de Pirani de la technique antérieure, ainsi que les différents inconvénients du refroidissement par

convection de l'élément de détection.

Les inventeurs ont trouvé que ce moyen de mesure extrêmement simple, petit et peu onéreux, donne des résultats jusqu'à la pression atmosphérique, qui sont comparables à ceux obtenus avec des jauges de Pirani microminiatures très complexes et à ceux obtenus avec des jauges de Pirani beaucoup plus grandes, retroidies par convection et dépendantes de la position. De manière étonnante, cette amélioration donne également un élément de détection ayant un volume égal à seulement 3 % de celui de l'élément de détection dans la jeuge microminiature d'Alvesteffer. L'élément de compensation du nouveau dispositif a un volume inférieur à 0, 5 % de celui de l'élément de compensation du type Alvesteffer. La présente invention offre également une correction de température améliorée. Les inventeurs ont trouvé que la précision des mesures aux basses pressions peut être considérablement améliorce par le fait de maintenir plus constant le gradient de température aux extrémités de l'élément de détection (voir équations 10 et 11). Les inventeurs ont trouvé qu'il est possible d'obtenir un constant par le fait de simultanément: 1. Utiliser un élément de détection et un élément de compensation ayant des dimensions physiques, des propriétés thermiques et des propriétés de résistance essentiellement identiques; 2. Utiliser des connexions d'élément de détection et d'élément de compensation ayant des dimensions physiques, des propriétés thermiques et des propriétés de résistance essentiellement identiques; 3. Utiliser des connexions d'éléments ayant des propriétés de conductions thermiques élevées et essentiellement identiques, vers une région de température essentiellement uniforme pour toutes les connexions; et 4. Placer l'élément de détection et l'élément de compensation dans le même

environnement de vide.

Dans la présente invention, I'équation 22 est satisfaite à tout instant car la jauge est conçue de telle sorte que:

RC(TA) = RS(TA) (23)

OU TA est la température ambiante, et o aC = as (24)

,B = 1 (25)

Une autre amélioration importante est réalisée par le fait que le chauffage de l'élément de compensation est négligeable. L'élément de compensation peut être fabriqué avec des dimensions identiques à celles de l'élément de détection, ainsi

que des propriétés physiques identiques.

Une amélioration de performances supplémentaire est obtenue par le fait de prévoir un nouveau procédé de compensation de pression qui donne une indication de pression précise à toutes les pressions. En particulier, les inventeurs ont découvert qu'une indication précise d'une pression inconnue Px, à l'équilibre du pont, peut être calculée à partir d'une équation simple, de la forme de

I'équation 26.

p = f (VS, IS) (26) o VS est la chute de potentiel aux bornes de l'élément de détection et IS est l'intensité du courant dans l'élément de détection. Les termes particuliers de I'équation 26 sont déduits de paires de valeurs VSc et ISc obtenues par des procédés d'étalonnage, pour plusieurs valeurs connues de pression Pc et de température amblante, réparties sur les intervalles de pressions et de températures d'intérêt, à l'aide d'un logiciel d'adaptation de courbe tridimensionnelle. VSx et ISx sont mesurées à la pression inconnue Px, à I'équilibre du pont, puis remplacées dans l'équation 26. Ensuite, Px est calculée à

l'aide d'un microprocesseur ou analogue.

De cette manière, la présente invention offre des progrès considérables en ce qui concerne la précision des jauges, les coûts de production et la taille des dispositifs. La présente invention comprend en outre une jauge à perte de chaleur pour mesurer la pression d'un gaz dans un environnement. La jauge comprend un élément de détection résistif et un élément de compensation résistif en circuit avec l'élément de détection, qui a une réponse en température et des caractéristiques physiques correspondant essentiellement à celles de l'élément de détection résistif et qui est exposé à un environnement bien adapté. Une source de courant électrique est connectée à l'élément de détection et à l'élément de compensation pour appliquer des courants à travers les éléments. Les intensités des courants ont un rapport défini. Le courant qui traverse l'élément de détection

est beaucoup plus grand que le courant qui traverse l'élément de compensation.

Un circuit de mesure est connecté à l'élément de détection et à l'élément de compensation pour déterminer la pression du gaz dans l'environnement auquel l'élément de détection et l'élément de compensation sont exposés, en fonction de

la réponse électrique de l'élément de détection et de l'élément de compensation.

Dans des formes de réalisation préférées, des courants continus distincts

s'écoulent à travers l'élément de détection et l'élément de compensation.

L'intensité du courant qui traverse l'élément de compensation est égate à une fraction prédéterminée de l'intensité du courant qui traverse l'élément de détection, de sorte que ces intensités aient un rapport défini ou fixe. Le circuit de rétroaction réqule l'intensité des courants qui traversent l'élément de détection et I'élément de compensation, pour maintenir une relation définie entre la résistance de l'élément de détection et celle de l'élément de compensation. Le courant est appliqué par la source de courant électrique pour chauffer l'élément de détection à une température à laquelle la résistance de l'élément de détection correspond à la résistance combinée de l'élément de compensation plus un nombre d'ohms constant. Dans des formes de réalisation dans lesquelles l'élément de compensation est monté en série avec un élément résistif non sensible à la température, le courant est appliqué pour chauffer l'élément de détection à une température à laquelle la résistance de l'élément de détection correspond à la résistance combince de l'élément de compensation et de l'élément résistif non sensible à la température. La tension aux bomes de l'élément de détection et la tension aux bomes de l'élément de compensation sont multiplices par des multiplieurs ayant un rapport inversement proportionnel au rapport entre les intensités des courants traversant l'élément de détection et l'élément de compensation. Les tensions résultantes sont comparées dans le circuit de rétroaction. La pression du gaz est détermince en fonction de l'intensité du courant de chauffage traversant l'élément de détection et de la tension résultante

aux bornes de l'élément de détection.

Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus de l'invention, ainsi que

d'autres, vont ressortir de manière évidente à la lecture de la description plus

particulière ci-après des formes de réalisation prétérées de la présente invention, telle qu'illustrée par les dessins joints, dans lesquels les numéros de référence identiques font référence aux mêmes pièces à travers les différentes vues. Les dessins ne sont pas nécessairement à l'échelle, I'accent étant plutôt mis sur

l'illustration des principes de l'invention.

Les figures 1a et 1b sont des représentations schématiques simplifiées de jeuges de Pirani classiques; la figure 2 est un graphique présentant les composantes de la perte de chaleur dans une jeuge de Pirani classique, telles que découvertes par les recherches des inventeurs; la figure 3 est une représentation schématique d'une jauge de Pirani classique utilisant un fil de petit diamètre pour l'élément de détection; la figure 4a est une partie d'une jauge à perte de chaleur améliorée, et la figure 4b est une vue en coupe transversale de la partie présentée sur la figure 4a; la figure 5a est une vue en coupe transversale, agrandie, des extrémités d'une jauge à perte de chaleur améliorce, présentant les supports et connexions des éléments de détection et de compensation; la figure5b est une vue en coupe transversale présentant une forme de réalisation d'un mécanisme servant à maintenir un espace entre les plaques conductrices de la chaleur et, respectivement, un élément de détection et un élément de compensation; la figure 6 est un schéma présentant un agencement de chauffage indépendant pour un élément de détection; la figure 7 est un schéma présentant un autre agencement de chauffage indépendant pour un élément de détection selon la présente invention; et la figure 8 est un schéma présentant encore un autre agencement de

chauffage pour un élément de détection selon la présente invention.

Nous allons maintenant décrire des formes de réalisation préférées de l'invention, en décrivant tout d'abord quatre catégories d'améliorations de structures de jauges de Pirani classiques, puis, dans une forme de réalisation particulièrement préférée, les quatre améliorations seront utilisées et combinées ensemble pour réaliser une jauge de Pirani ayant des performances réellement améliorées. Nous allons décrire la première catégorie d'amélioration par référence aux figures 4a et 4b. La figure 4a est une vue de côté d'une partie 10 d'une jauge à perte de chaleur améliorée (non représentée à l'échelle). La figure 4b est une vue en coupe de la partie 10, prise le long de la ligne 4b-4b de la figure 4a. Comme on le voit sur ces figures, un élément de détection 12 constitué d'un fil de petit diamètre est placé dans le même plan qu'un élément de compensation 14 constitué d'un fil de petit diamètre, à une distance d de ce dernier. L'écartement d entre l'élément de détection 12 et l'élément de compensation 14 est de préférence d'environ 762,um (0,030 pouce), mais il peut aller de 254,um à 5,08 x 103,um (0,010 pouce à 0,200 pouce). Des plaques parallèles 16 et 16' sont prévues à proximité de l'élément de détection 12 et de l'élément de compensation 14,

parallèlement à ceux-ci.

Les plaques parallèles 16 et 16' sont placées à une distance S de l'élément de détection 12 et de l'élément de compensation 14. S est de prétérence égale à 17,8,um (0,0007 pouce), mais elle peut aller de 5,08, um à 50,8,um (0,0002 pouce à 0,002 pouce). L'élément de détection 12 est constitué d'un matériau ayant un coefficient de température de résistance élevé, tel que le tungstène pur, qui peut

être plaqué d'or pour aider à garantir un pouvoir émissif constant.

Le diamètre de l'élément de détection 12 est de préférence de 1,27,um (0, 0005 pouce), mais il peut aller de 2,54,um à 50,8,um (0,0001 pouce à 0, 002 pouce). Bien qu'un fil de forme cylindrique soit préféré, d'autres formes, telles qu'un ruban, peuvent être utilisées pour l'élément de détection et l'élément de compensation. La longueur de l'élément de détection 12 est de préférence de 2,54 mm (1 pouce), mais elle peut aller de 0,635 mm à 7,62 mm (0,25 pouce à 3 pouces). L'élément de compensation 14 est constitué du même matériau que l'élément de détection 12, avec les mêmes dimensions physiques, et les mêmes

propriétés thermiques et propriétés de résistance.

La partie 10 de la jauge à perte de chaleur peut être installée dans un circuit de mesure du type présenté sur la fgure 6, d'une manière que nous allons décrire

plus en détail ci-après.

Les plaques parallèles 16 et 16' conduisent la chaleur, et tendent ainsi à égaliser les gradients de température le long de l'élément de détection 12 chauffé et entre les extrémités de l'élément de détection 12 et de l'élément de compensation 14. De cette manière, I'invention offre une sensibilité relativement grande dans une structure simple, sans utiliser la convection. Dans cette forme de réalisation, la précision des mesures aux basses pressions est considérablement améliorée grâce au fait d'utiliser des éléments de détection et de compensation ayant des dimensions physiques, ainsi que des propriétés thermiques et des propriétés de résistance, essentiellement identiques, et de placer les éléments de détection et de compensation dans le même environnement de vide. Grâce à cette structure, on évite simultanément la très grande complexité et le coût élevé des structures de jauges de Pirani microminiatures, ainsi que les inconvénients du refroidissement par convection de l'élément de détection. Cette amélioration permet d'obtenir des résultats de mesure de pression jusqu'à la pression atmosphérique, qui sont comparables à ceux obtenus avec des jauges de Pirani microminiatures très complexes et comparables à ceux obtenus avec des jauges de Pirani beaucoup plus grandes, refroidies par convection et dépendantes de la

position.

Une deuxième particularité générale réside dans un agencement de montage amélioré pour l'élément de détection et l'élément de compensation. La précision des mesures aux basses pressions est considérablement améliorée par l'utilisation de connexions de l'élément de détection et de l'élément de compensation ayant des dimensions physiques, ainsi que des propriétés thermiques et des propriétés de résistance, essentiellement identiques, et par I'utilisation de connexions d'éléments ayant des propriétés de conductions thermiques élevées et essentiellement identiques, vers une région de température

essentiellement uniforme pour toutes les connexions.

La figure 5a est une vue en coupe transversale, très agrandie, d'une extrémité de la partie de jauge 10 dans laquelle l'élément de détection 12 est supporté par des co nnecteu rs d 'élément de détection 20 et 20', et co n necté électriquement à ces derniers, et l'élément de compensation 14 est présenté supporté par des connecteurs d'élément de compensation 22 et 22', et connecté à ces derniers. La coupe de la figure 5a est prise le long de la ligne 5a-5a sur la figure 4a. De prétérence, des supports identiques (présentés sur la figure 5a) sont

prévus à chaque extrémité de la partie de jauge 10.

Les connecteurs 20, 20', 22 et 22' sont de préférence constitués d'un ruban de platine, de 25,4,um (0,001 pouce) d'épaisseur et de 1,52 mm (0, 060 pouce) de large. Les plaques 16 et 16' sont de préférence constituces d'un matériau isolant de l'électricité, ayant une grande conductivité thermique, tel que le nitrure d'aluminium. D' u ne a utre ma n iè re, les con necteu rs d 'élément de d étection et d'élément de compensation 20, 20', 22 et 22' peuvent être électriquement isolés des plaques 16 par de minces couches isolant de l'électricité 24 et 24', qui peuvent être un revêtement du type diamant sur du tungstène. Dans ce cas, les plaques 16 et 16' peuvent être constituées d'un matériau hautement conducteur de la chaleur, tel que le tungstène. De préférence, le matériau choisi a une conductivité thermique supérieure à 0,25 watts / cm / K. Les plaques 16 et 16' sont maintenues en position par de simples pinces serre-tôles (non représentées), à chaque extrémité. Les pinces exercent une force sumsante sur les plaques 16 et 16' pour encastrer l'élément de détection 12 et l'élément de compensation 14 dans les connecteurs 20, 20', 22 et 22', jusqu'à ce que les connecteurs 20 et 20' d'un côté, et 22 et 22' de l'autre, soient en contact étroit. En conséquence, I'écartement S entre l'élément de détection 12 et la surface des plaques 16 et 16' est déterminé par le diamètre de l'élément de détection et l'épaisseur d es connecteurs 20, 20', 22 et 22' en forme de ru bans minces. Cette caractéristique permet d'avoir un élément de détection, plus petit qu'un cheveu, espacé d'une distance comparable par rapport aux deux surfaces planes, d'une manière précise et non onéreuse, et d'avoir également des

connexions électriques pour des circuits supplémentaires.

Les plaques 16 et 16' forment une région de température essentiellement uniforme, en particulier lorsqu'elles sont isolées sous vide, avec une conductivité thermique minimale vers l'environnement extérieur. Les connecteurs 20, 20', 22 et 22', en forme de rubans minces, ont des dimensions identiques et forment un chemin court et de très grandes conductions thermiques vers ladite région de température uniforme, ce qui satisfait à plusieurs des conditions nécessaires au maintien d'un gradient de température constant aux extrémités de l'élément de détection. L'élément de détection 12 peut être adéquatement tendu, comme on le voit sur la figure 5b, par un ressort 26 en fil de petit diamètre, qui est comprimé pendant l'assemblage et qui supporte l'élément de détection 12 au voisinage dudit connecteur 21 de l'élément de détection 12. Le ressort 28 est utilisé d'une manière analogue pour tendre l'élément de compensation 14. Les ressorts 26 et 28 servent à maintenir un écartement précis de l'élément de détection 12 et de l'élément de compensation 14 par rapport aux plaques 16 et 16', lors des variations de la température ambiante. Un jeu suffisant doit être laissé dans les assemblages de l'élément de détection 12 et de l'élément de compensation 14, pour empêcher la rupture due à une différence de dilatation à la chaleur des éléments 12 et 14 et des plaques 16. Sans les ressorts 26 et 28, ce jeu changerait avec la température amblante, ce qui empêcherait le maintien d'un écartement constant S entre les plaques parallèles 16 et 16' et, respectivement, l'élément de

détection et l'élément de compensation, et entranerait des erreurs de mesure.

Dans la structure selon cette forme de réalisation, I'équation 22 est partiellement satisfaite par le fait que l'élément de détection 12 et l'élément de compensation 14 sont identiques en ce qui conceme les propriétés physiques, électriques et thermiques. De plus, R3 est réglée à la même valeur que R4 dans

la forme de réalisation de la figure 6, ce qui, selon l'équation 6, garantit que, = 1.

En conséquence, l'équation 22 est. à tout instant, totalement satisfaite par cette structure. Une troisième particularité majeure réside dans un appareil et un procédé servant à chauffer indépendamment l'élément de détection 12. Cette amélioration est illustrce sur la figure 6, dans laquelle un pont de Wheatstone 30 est modifié pour permettre un chauffage indépendant de l'élément de détection 12. Des circuits de la technique antérieure, utilisés avec un élément de compensation ayant les mêmes dimensions physiques et étant constitués du même matériau que l'élément de détection, comme dans la présente invention, font en sorte que l'élément de compensation ne fonctionne pas à la température amblante mais à la méme température que l'élément de détection. En conséquence, les jauges de Pirani ayant les améliorations décrites ci-dessus ne peuvent pas atteindre leur précision possible à l'aide des circuits de chauffage de la technique antérieure Par référence maintenant à la figure 6, un pont de Wheatstone 30 ayant des n_uds A, B. C et D est pourvu d'un élément de détection 12 ayant une résistance de valeur RS, connectée entre les n_uds B et C. Un élément de résistance non sensible à la température 15 (ayant une résistance R) et un élément de

compensation 14 (ayant une résistance RC) forment ensemble une résistance R2.

R2 et un condensateur 36 sont connectés en série et dans cet ordre entre les n_uds C et D. Une résistance 17 ayant une valeur R4 est connectée entre les n_uds A et B. et une résistance 19 ayant une valeur R3 est connectée entre les n_uds A et D. Un environnement de vide 34 renferme l'élément de détection 12 et l'élément de compensation 14. Une source de courant alternatif 38 est connectée entre les n_uds B et D, et un détecteur sélectif en fréquence 40 est connecté entre les n_uds A et C. Une source de courant continu 32 est connectée entre les n_uds B et C pour envoyer un courant au n_ud B. Un contrôleur 42 est connocté, par l'intermédiaire de liaisons de rétroaction automatique 46 et 47, de façon à commander la source de courant continu 32 et à recevoir une entrée de détection en tension provenant du détecteur sélectif en

fréquence 40 afin d'effectuer cette commande.

L'environnement de vide 34 comprend une partie 10 (représentée sur les figures 4a et 4b, et décrite ci-dessus par référence à ces figures), comprenant un élément de détection 12, un élément de compensation 14 et des plaques 16 et 16'. De plus, le procédé d'assemblage décrit ci-dessus par référence aux figures a et 5b est de préférence utilisé dans le circuit de la figure 6. Les connecteurs d'éléments 20 et 20', à une extrémité de l'élément de détection 12 (représentés sur la figure 5a), sont en liaison électrique avec le Point C du circuit de pont 30 de la figure 6, tandis que les connecteurs d'élément de détection 21 et 21' (non représentés), à l'autre extrémité de l'élément de détection 12, sont en liaison électrique avec le Point B sur la figure 6. Les connecteurs d'élément de compensation 22 et 22', à une extrémité de l'élément de connexion 14 (représentés sur la figure 5a), sont en liaison électrique, via un condensateur 36, avec le Point D de la figure 6, tandis que l'autre extrémité de l'élément de compensation 14 est connectée aux connecteurs d'élément de compensation 23

et 23', qui sont connectés au Point C, via une résistance 15.

Comme on le voit sur la figure 6, la source de courant continu 32 fournit un courant de chauffage I à l'élément de détection 12, qui est situé dans l'environnement de vide 34. Un condensateur 36 est prévu pour empêcher le courant provenant de la source de courant 32 de passer par R2, R3 et R4. En conséquence, à la différence des jeuges de Pirani de la technique antérieure, qui utilisent un pont de Wheatstone classique, aucune partie du courant de chauffage ou de la tension de chauffage qui traverse RS ne passe, à aucun moment, par R2. La source de courant alternatif 38 applique une tension au pont 30, en prod uisant ai nsi d es cou rants alternatifs d'intensités iS, i2, i3 et i4. En utilisant d e très petites valeurs pour is, i2, i3 et i4 et un détecteur sélectif en fréquence 40, il est possible de détecter l'équilibre du pont en produisant une quantité négligeable de chaleur dans n'importe lequel des bras 30. Le courant continu I provenant de la source 32 est régulé automatiquement par le contrôleur 42, de façon à garantir continuellement que la chute de potentiel du courant alternatif, iSRS, entre le point B et le point C soit égale à la chute de tension, i4R4, entre le point B et le point A, mesurée par la fonction de détection de tension altemative du détecteur sélectif en fréquence 40. Cette liaison de rétroaction automatique est indiquée par les

pointillés 46 et 47.

Le processeur 51 est connecté à un ampèremètre 49 et un voltmètre 48, et produit une sortie représentative de la pression dans l'environnement de vide 34, en fonction de l'intensité du courant de chauffage traversant l'élément de

détection 12 et de la chute de potentiel aux bornes de l'élément de détection 12.

En conséquence, I'élément de compensation 14 peut être formé avec les même dimensions physiques, et les mêmes propriétés thermiques et propriétés de résistance, que celles de l'élément de détection 12, et fonctionne encore à température ambiante, sans aucun chauffage électrique dépendant de la pression. Nous allons décrire une quatrième amélioration, par référence de nouveau à la figure 6. Dans cette amélioration, un appareil et un procédé améliorés sont

prévus pour l'étalonnage et l'exploitation de la jauge de Pirani.

Les inventeurs ont découvert qu'une indication précise d'une pression inconnue Px, à l'équilibre du pont, peut être calculée à partir d'une équation

simple, de la forme de l'équation 26.

P = f (VS,IS) (26) Cette découverte diffère des approches plus conventionnelles. On a considéré que l'indication de la pression dépend non seulement de la résistance de l'élément de détection, mais également d'autres facteurs tels que la température ambiante. En co nséquence, d es plans d'éta lonnage classiques nécessitent souvent des mesures derésistances et d'autres quantités, tant pour l'étalonnage que pendant l'exploitation. Cependant, les inventeurs ont découvert que, lorsque les améliorations décrites ci-dessus sont effectuées, les valeurs de VS et IS contiennent d es informations suffsantes concernant la tem pératu re pour prod uire une sortie de pression précise, de sorte qu'il soit possible d'éliminer les étapes consistant à mesurer séparément d'autres paramètres tels que la température ambiante. De cette manière, il est possible d'utiliser une table d'étalonnage tridimensionnelle pour déterminer la pression en fonction de la tension et de

l'intensité seules.

Afin d'étalonner la jauge présentée sur la figure 6, I'élément de détection 12 est exposé à une série de pressions et de températures ambiantes représentatives connues, réparties sur les intervalles de pressions et de températures d'intérêt. La chute de potentiel, VSc, mesurée par le voltmètre 48, et l'intensité du courant, ISC, mesurée par l'ampèremètre 49, sont enregistrées ensemble à l'équilibre du pont, avec chacune des pressions d'étalonnage représentatives connues, Pc. Ces valeurs peuvent être enregistrées par un programme exécuté par un processeur 51, ou être transférées à une autre unité de traitement pour des calcuis d'étalonnage. La pression Pc est tracée en fonction de la tension VSc et de l'intensité ISC. Chaque série de mesure, à une température d'étalonnage donnée, produit une fonction isotherme de la pression par rapport à la tension et à l'intensité. D'une façon significative, comme on l'a noté ci-dessus, les inventeurs ont découvert que ces fonctions isothermes peuvent être avantageusement combinées dans une seule table de donnces tridimensionnelle, pour définir une unique fonction d'étalonnage de la forme de l'équation 26. Une fois cette opération effectuée, le résultat est une série de points définissant une surface, o la hauteur de la surface représente la pression et est

une fonction des valeurs de tension et d'intensité mesurées.

Les données d'étalonnage obtenues peuvent être stockées dans une table à consulter, et les pressions mesurées peuvent être déterminées par interpolation entre les valeurs de pression stockées dans la table à consulter et les valeurs mesurées pour la chute de potentiel et l'intensité. Cependant, du fait que le nombre de points qu'il faut stocker pour produire une sortie précise sur un large intervalle de pressions, dans la forme de réalisation préférée, une équation d'approximation est obtenue pour la surface sur laquelle se trouve la valeur mesurée. Cette opération peut être effectuée facilement à l'aide d'un logiciel de traçage de surface trid imensionnelle. L'équation obtenue se présente so us la forme présentée par l'équation 26. Ensuite, pour mesurer une pression inconnue Px à une quelcouque température, on mesure VSx à l'aide du voltmètre 48 et ISx à l'aide de l'ampèremètre 49, à l'équilibre d u pont. La vale ur co rrecte de la pression peut alors être obtenue facilement par remplacement dans l'équation 26, donnant Px = f (VSx' lsx) (27) Pour des questions de commodité, I'équation 27 peut être stockée dans un processeur 51, et peut ensuite être utilisée pour calculer automatiquement Px lorsque VSx et ISx sont introduites dans le processeur 51. L'homme du métier comprendra que d'autres quantités pourraient être substituées à la tension et à l'intensité. Par exemple, une fonction de la forme de Px = 9 (W. R), o W est l'énergie appliquée à l'élément de détection 12 et R est la résistance de l'élément de détection 12, pourrait être utilisée à la place de I'équation 27. Dans ce cas, W et R peuvent être calculées à partir des sorties du voltmètre 48 et de l'ampèremètre 49. Ce qui est important, c'est que les deux paramètres choisis contiennent des informations concernant tant la tension que l'intensité, de sorte que les effets des changements de l'intensité et de la tension soient reflétés d'une manière différentielle sur le graphique d'étalonnage ou dans la table d'étalonnage créé à partir des valeurs des deux paramètres. En conséquence, les deux paramètres d'entrée pour la fonction peuvent par exemple être deux paramètres quelconques choisis parmi: I'énergie, I'intensité, la tension et la résistance. Pour généraliser, il est possible d'identifier une équation de la forme de p=h(X,Y) qui approxime la surface d'étalonnage, o X est le premier paramètre d'entrce, Y est le deuxième paramètre d'entrce, et P est la pression correspond ant aux valeurs du premier paramètre X et du deuxième paramètre Y. Cette équation est ensuite utilisée en tant qu'approximation pour la surface d'étalonnage

multidimensionnelle, pour calculer la pression.

Cette amélioration offre une excellente compensation de température entre 0 C et 50 C, depuis des pressions inférieures à 10-4 Torr jusqu'à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Elle évite le besoin de mesurer l'énergie et la température comme c'est quelquefois le cas. Elle effectue une compensation pour tous les types d'erreurs induites par un changement de température ambiante, comme la variation des pertes par rayonnement, et pas simplement les pertes qui dépendent des changements de l'élément de détection par rapport aux variations de température de paroi, comme c'est le cas dans le brevet US N 4 682 503. L'amélioration évite la complexité de devoir réquler la température amblante à l'aide d'un refroidissement thermoélectrique, tel que décrit dans le brevet US N 5 347 869. De plus, ce procédé d'étalonnage et d'exploitation amélioré compense automatiquement le fait que le coefficient de température de résistance de l'élément de détection à la température de fonctionnement est légèrement différent de celui de l'élément de compensation à la température amblante. Par référence à la figure 7, la jauge 60 est une forme de réalisation d'une jauge de la présente invention qui diffère de celle qui est décrite sur la figure 6 en ce qu'elle n'utilise pas un pont de Wheatstone. Comme sur la figure 6, la jeuge 60 comprend un élément de détection 12 (ayant une valeur de résistance RS), un élément de résistance 15 non sensible à la température (ayant une résistance R), et un élément de compensation de la température 14 (ayant une résistance RC), les éléments 12 et 14 étant placés à l'intérieur d'un environnement de vide 34, suivant une disposition ou un agencement analogue. Bien que le circuit qui connecte les éléments 12, 14 et 15 dans la jauge 60 diffère de celui de la figure 6,

les éléments 12, 14 et 15 sont utilisés de la même manière que sur la figure 6.

Par exemple, I'élément de détection 12 est chauffé tandis que l'élément de résistance 15 non sensible à la température et l'élément de compensation de température 14 ne sont pas considérablement chauffés. De plus, la tension VS aux bomes de l'élément de détection 12 et l'intensité IS du courant qui le traverse

sont mesurées et utilisées pour déterminer la pression d'une manière analogue.

La jauge 60 comprend une source d'énergie 61 pour fournir l'énergie aux sources de courant électrique 62 et 64, par l'intermédiaire des lignes respectives 74 et 76. Les sources de courant électrique 62 et 64 sont dépendantes l'une de l'autre, et fournissent de préférence respectivement du courant continu à l'élément 12 et aux éléments 14 / 15. La source de courant électrique 64 fournit un courant d'une valeur ou d'une intensité qui est une fraction prédéterminée de celle du courant qui est foumi par la source de courant électrique 62. Dans l'exemple présenté sur la figure 7, la source de courant électrique 64 fournit 1/10 du

courant qui est fourni par la source de courant électrique 62.

Le courant IS fourni par la source de courant électrique 62 est envoyé à l'élément de détection 12 par la ligne 78, le n_ud 80 et la ligne 88. La fraction de courant fournie par la source de courant électrique 64 est envoyée à l'élément de résistance 15 non sensible à la température et à l'élément de compensation de température 14, par la ligne 100, le n_ud 102 et la ligne 103 (placée entre les éléments 14 et 15). Comme sur la figure 6, les éléments 14 et 15 compensent les changements de la température ambiante. Le fait d'envoyer une fraction du courant de détection IS à l'élément de compensation de température 14 rend l'élévation de température de l'élément de compensation 14 négligeable par rapport à celle de l'élément de détection 12. Dans l'exemple décrit sur la figure 7, lorsque le rapport entre l'intensité du courant de détection IS et l'intensité de la fraction de courant qui traverse l'élément de compensation de température 14 est égal à 10: 1,1'énergie dissipée dans l'élément de compensation de température 14 est inférieure à 1 / 100 de l'énergie dissipée dans l'élément de détection 12, du fait que l'énergie est proportionnelle au carré de l'intensité du courant (Energie = 12R). En conséquence, l'élévation de température de l'élément de compensation 14 est inférieure à 1 % de celle de l'élément de détection 12. Bien que l'on ait décrit un rapport de 10: 1 entre les intensités des courants pour les sources de courant électrique 62 et 64, d'autres rapports inférieurs ou supérieurs à 10: 1 peuvent être utilisés. L'intensité IS du courant est régulée pour chauffer l'élément de détection 12 à un niveau de température auquel la résistance RS augmente jusqu'à être égale à la résistance combince R + RC. C'est à cette température que les donnces d'étalonnage définissent la pression de l'environnement. Un circuit de

rétroaction maintient l'intensité du courant à ce niveau.

En particulier, la tension V2 aux bornes de la résistance combinée R + RC, qui représente la résistance R + RC, est envoyée à un circuit additionneur 70 par l'intermédiaire d'un multiplieur unité 66 (connecté aux n_uds 102 et 98), tandis que la tension V, aux bornes de la résistance RS, qui représente la résistance RS, est envoyée au circuit additionneur par l'intemmédiaire d'un multiplieur 68 (connecté aux n_uds 84 et 92). Du fait que R = V / I, et que l'intensité du courant qui traverse R + RC est égale à un dixième de l'intensité du courant qui traverse RS, la tension aux bornes de R + RC est égale à un dixième de la tension aux bornes de RS, lorsque les résistances sont égales. Par conséquent, pour comparer les tensions afin de déterminer si les résistances sont égales, la tension aux bomes de RS doit être multipliée par un dixième du multiple appliqué à la tension aux bornes de R + RC. Le multiplieur 68 multiplie la tension V' par -0,1 pour garantir que les multiplieurs aient un rapport inverse au rapport entre les intensités de courant IS et IS / 10. Le multiplieur négatif 68 permet au circuit additionneur 70 de soustraire les tensions de résistance normalisées pour émettre un signal d'erreur 110 indiquant une différence entre les résistances. Cette différence est amplifiée dans un amplificateur d'erreur à intégration élevé 72 ayant un gain élevé, et retournée pour la commande de l'intensité IS du courant. La sortie de l'amplificateur d'erreur 72 est renvoyée en parallèle aux sources de courant électrique 62 et 64 par la ligne ou la boucle de rétroaction 112, les n_uds 114 et les lignes 116 et 118, pour régler l'intensité du courant fourni par les sources de courant électrique 62/64 selon la nécessité. Les intensités des courants fournis par les sources de courant électrique 62/64 sont réglées de telle sorte les résistances RS de l'élément de détection 12 et R + RC des éléments /14 conservent un équilibre prédéterminé. Dans l'exemple présenté sur la figure 7, les résistances sont adaptées de telle sorte que RS = R + RC. D'une autre manière, d'autres rapports ou niveaux de résistance peuvent être utilisés lorsque RS est inférieure ou supérieure R + RC. De plus, bien qu'un circuit de rétroaction servant à commander les sources de courant électrique 62 /64 soit préféré, ce circuit de rétroaction peut autrement être omis et la base de données permettre différents rapports de tensions. Lorsque le circuit de rétroaction est

omis, le temps de réponse de la jauge 60 est typiquement plus long.

L'intensité du courant qui traverse l'élément de détection 12 est déterminée par un détecteur de courant 49, et la tension V, aux bornes de l'élément de détection 12, due à ce courant, est déterminée par un détecteur 48, qui est connecté aux n_uds 80 et 92 par les lignes 82 et 86. Les éléments 12 et 14 sont respectivement connectés aux n_uds 92 et 98 par les lignes 90 et 105, et la ligne 1586 est connectée à la terre par le n_ud 94. Le capteur 48 et les multiplieurs 66 et 68 ont des impédances d'entrée élevées, de sorte que la totalité du courant IS s'écoule à travers l'élément de détection 12. Comme dans la forme de réalisation précédente, les paramètres d'intensité et de tension peuvent être utilisés dans une base de données à consulter, pour déterminer la pression à laquelle les

éléments 12 et 14 sont exposés.

La jauge 60 est étalonnée d'une manière analogue à celle qui est décrite pour la jauge décrite sur la figure 6, o l'élément de détection 12 est exposé à une série de pressions représentatives et de températures ambiantes connues, réparties sur les intervalles de pressions et de températures d'intérêt. La chute de potentiel aux bornes de l'élément de détection 12 est mesurée par un voltmètre 48, et l'intensité du courant qui le traverse est mesurée par un ampèremètre 49, tandis que les résistances RS et R + RC sont maintenues à un équilibre prédéterminé, par exemple R = R + RC. Ces valeurs sont tracées pour créer la table de données tridimensionnelle et la surface décrites en relation avec la

figure 6.

En conséquence, pendant l'utilisation, une pression inconnue peut être déterminée par le fait de mesurer une tension et une intensité à travers l'élément

de détection 12, puis d'utiliser les procédés décrits pour la jauge de la figure 6.

Par exemple, les valeurs de tension et d'intensité qui sont mesurées sont comparées aux données d'étalonnage stockées, qui contiennent des valeurs de pression pour des valeurs de tension et d'intensité particulières. Typiquement, les valeurs de tension et d'intensité mesurces ne correspondent pas exactement à l'une quelconque des valeurs contenues dans les données stockées. En conséquence, la valeur de la pression mesurée est déterminée par interpolation des données d'étalonnage pression I tension / intensité stockées. De prétérence, une équation d'approximation telle que l'équation 27 est utilisée pour effectuer l'interpolation. Le fait de stocker l'équation 27 dans le processeur permet de calculer la pression automatiquement à partir de la tension et de l'intensité mesurées à travers l'élément de détection 12. Comme dans la jauge de la figure 6, des quantités autres que la tension et l'intensité peuvent être utilisées pour

déterminer la pression, tout en restant dans le cadre de l'invention.

Par référence à la figure 8, la jauge 125 est une forme de réalisation de jauge selon la présente invention, qui diffère de la jauge 60 (figure 7) en ce que l'entrée positive (+) du multiplieur 66 est déplacée du n_ud 102 à un nouveau n_ud 120, placé entre les éléments 14 et 25, comme on le voit sur la figure. De plus, il est prévu un troisième multiplieur 121 de gain K. Le multiplieur 121 est connecté au n_ud 102 et à un nouveau n_ud 119 (placé entre les éléments 14 et 15), comme on le voit sur la figure. Dans cet aménagement, la résistance de la ligne 103 entre les éléments 14 et 15 n'ajoute pas une valeur incrémentielle incertaine à la résistance de l'élément 15. En conséquence, la ligne 103 peut être un très long fil, si nocessaire, et la résistance entre les n_uds 119 et 120 reste essentiellement sans conséquence sur la précision de la jauge 125. Cela permet de positionner l'élément 15 à des emplacements plus commodes, comme par exemple sur une carte à circuits imprimés d'un bo^'tier électronique, plutôt qu'au niveau du transducteur, et la résistance de la bome de l'élément de compensation 14 n'a pas besoin d'être étroitement réqulée. En outre, le fait de positionner l'élément 15 à distance du transducteur permet de placer l'élément 15 dans un environnement qui a une température plus stable, de sorte que les réactions non souhaitées à la température sont minimisées. La valeur de la résistance R de l'élément 15 peuvent être choisie en fonction du coût, de la commodité et de la disponibilité, du fait que la chute de potentiel aux bomes de l'élément 15 peut être multipliée par une quelconque valeur arbitraire K, par un multiplieur 121, pour

obtenir les résultats souhaités.

Bien que la présente invention ait été présentée et décrite par référence à des formes de réalisation prétérées, I'homme du métier comprendra que différentes modifications de formes et de détails peuvent être effectuées sans

sortir d u cad re de l' invention telle que décrite par les revend ications jo intes.

Par exemple, les particularités des différentes formes de réalisation de la présente invention peuvent être remplacées par d'autres, ou bien combinées ensemble. De plus, bien que les jauges 60 et 125 aient été décrites en ce qui concerne l'application d'un courant continu aux éléments 12, 14 et 15, d'autres formes de réalisation de la présente invention comprennent l'application d'un

courant alternatif aux éléments 12, 14 et 15.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de la pression d'un gaz dans un environnement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: prévoir un élément de détection résistif (12); prévoir un élément de compensation résistif (14) qui est en circuit avec l'élément de détection (12), et qui est exposé à un environnement bien adapté; appliquer des courants à travers l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14) depuis une source électrique (32,38; 62,64), les courants ayant un rapport défini, et l'intensité du courant qui traverse l'élément de détection (12) étant beaucoup plus grande que l'intensité du courant qui traverse l'élément de compensation (14); et un circuit de mesure (48, 49) étant connecté à l'élément de détection (12) et à l'élément de compensation (14), pour déterminer la pression du gaz dans I'environnement auquel l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14) sont exposés, en fonction de la réponse électrique de l'élément de détection

(12) et de l'élément de compensation (14).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à appliquer des courants distincts à travers l'élément de

détection (12) et l'élément de compensation (14).

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à appliquer des courants continus distincts à travers

l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14).

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à appliquer un courant à travers l'élément de compensation (14), qui est une fraction prédéterminée de l'intensité du courant qui

traverse l'élément de détection (12).

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à commander l'intensité des courants à travers I'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14), avec un circuit de rétroaction (42,46, 47; 112,114,116,118) pour maintenir une relation définie entre la résistance de l'élément de détection (12) et celle de l'élément de

compensation (14).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à monter l'élément de compensation (14) en série avec

un élément résistif non sensible à la température.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à appliquer un courant depuis la source électrique pour chauffer l'élément de détection à une température à laquelle la résistance de l'élément de détection correspond à la résistance combinée de l'élément de

compensation et de l'élément résistif (15) non sensible à la température.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à maintenir un rapport fixe entre le courant appliqué à l'élément de détection (12) et le courant appliqué à l'élément de compensation (14).

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, les étapes qui consistent à: multiplier la tension aux bomes de l'élément de détection (12) et la tension aux bornes de l'élément de compensation (14) et de l'élément résistif (15) non sensible à la température, par des multiplieurs (66, 68; 121) ayant un rapport inversement proportionnel au rapport entre les intensités des courants traversant l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14); et comparer les tensions résultantes dans le circuit de rétroaction (42, 46, 47;

112,114, 116, 118).

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à appliquer un courant depuis la source électrique (32, 38; 62, 64) pour chauffer l'élément de détection (12) à une température à laquelle la résistance de l'élément de détection (12) correspond à la résistance combinée

de l'élément de compensation (14) plus un nombre d'ohms constant.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, I'étape qui consiste à monter l'élément de compensation (14) en série avec

un élément résistif (15) non sensible à la température.

12. Jauge à perte de chaleur pour mesurer la pression d'un gaz dans un environnement, caractérisé en ce qu'il comprend: un élément de détection résistif (1 2); un élément de compensation résistif (14) en circuit avec l'élément de détection (12), et qui est exposé à un environnement bien adapté; une source de courant électrique (32,38; 62,64) connectée à l'élément de détection (12) et à l'élément de compensation (14) pour appliquer des courants à travers les éléments, les intensités des courants ayant un rapport défini, l'intensité du courant qui traverse l'élément de détection (12) étant beaucoup plus grande que l'intensité du courant qui traverse l'élément de compensation (14); et un circuit de mesure (48, 49) connecté à l'élément de détection (12) et à l'élément de compensation (14) pour déterminer la pression du gaz dans l'environnement auquel l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14) sont exposés, en fonction de la réponse électrique de l'élément de détection

(12) et de l'élément de compensation (14).

13. Jauge selon la revendication 12, caractérisée en ce que des courants distincts s'écoulent à travers l'élément de détection (12) et l'élément de

compensation (14).

14. Jauge selon la revendication 13, caractérisée en ce que des courants continus distincts s'écoulent à travers l'élément de détection (12) et l'élément de

compensation (14).

15. Jauge selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'intensité du courant qui traverse l'élément de compensation (14) est une fraction

prédéterminée de l'intensité du courant qui traverse l'élément de détection (12).

16. Jauge selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un circuit de rétronction (42, 46, 47; 112, 114, 116, 118) servant à commander l'intensité des courants à travers l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14), pour maintenir une relation définie entre la résistance de l'élément de détection (12) et celle de l'élément de compensation (14).

17. Jauge selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'élément de compensation (14) est monté en série avec un élément résistif (15) non sensible à

la température.

18. Jauge selon la revendication 17, caractérisée en ce que la source de courant électrique (32,38; 62,64) applique un courant pour chauffer l'élément de détection (12) à une température à laquelle la résistance de l'élément de détection (12) correspond à la résistance combinée de l'élément de compensation (14) et

de l'élément résistif (15) non sensible à la température.

19. Jauge selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'un rapport fixe est maintenu entre l'intensité du courant appliqué à l'élément de détection (12) et

l'intensité du courant appliqué à l'élément de compensation (14).

20. Jauge selon la revendication 19, caractérisée en ce que la tension aux bornes de l'élément de détection (12) et la tension aux bornes de l'élément de compensation (14) et de l'élément résistif (15) non sensible à la température sont multipliées par des multiplieurs (66, 68; 121) ayant un rapport inversement pro portionnel au rapport entre les intensités d es cou rants traversant l'élément de détection (12) et l'élément de compensation (14), et les tensions résultantes sont

comparées dans le circuit de rétroaction (42, 46, 47; 112,114,116,118).

21. Jauge selon la revendication 12, caractérisée en ce que la source de courant électrique (32, 38; 62, 64) applique un courant pour chauffer l'élément de détection (12) à une température à laquelle la résistance de l'élément de détection (12) correspond à la résistance combinée de l'élément de compensation (14) plus

un nombre d'ohms constant (15).

22. Jauge selon la revendication 21, caractérisée en ce que l'élément de compensation (14) est monté en série avec un élément résistif (15) non sensible à

la température.

23. Procédé de mesure de la pression d'un gaz caractérisé en ce que il met