JP2007285947A

JP2007285947A - 真空計

Info

Publication number: JP2007285947A
Application number: JP2006115115A
Authority: JP
Inventors: Daijiro Kato; 大二郎加藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】
ピラニ真空計で広い領域で精度の高い真空度を測定し、かつ、校正テーブルを不要にする。
【解決手段】
０℃におけるフィラメントの抵抗値Ｒ₀を求め(S1)、フィラメントの仕様からフィラメントの長さを決定し(S2)、フィラメント電流Ｉ_PGを求め(S3)、フィラメント抵抗値Ｒ_PGを求め(S4)、フィラメント表面温度Ｔを求め(S5)、係数Ａを求め(S6)、真空度に拠らないフィラメント電流Ｉ₀を求め(S7)、圧力Ｐを求める(S8)。作動電圧、ブリッジ回路の抵抗の抵抗値、フィラメントの物性値を用いて、A/D変換器の入力電圧に応じた圧力を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空計に関し、詳細には気体の熱伝導率が圧力に依存することを利用したピラニ真空計に関する。

ピラニ真空計は、気体の熱伝導率が圧力に依存することを利用した真空計であり、タングステンや白金の金属細線（フィラメント）を張り、通電加熱によって100〜300℃に加熱し、加熱電力とフィラメント温度の関係から圧力を求めるものである。その原理は、加熱したフィラメントに気体分子が衝突して熱を奪うことでフィラメントの温度が下がることを利用しており、そのフィラメント温度は電気抵抗の変化から知ることができる。

ピラニ真空計により測定可能な圧力の範囲は10³〜10^-1Pa程度である。フィラメントが細いほど低い圧力まで測定が可能である。その測定方式としては、加熱電流を一定にしてフィラメントの温度変化から圧力を測る方式（定電流方式）と、フィラメント温度が一定になるように加熱電力を調節しその電力から圧力を測る方式（定温度方式）とがある。この２つの方式を比較すると、定温度型の方が測定範囲が広く高い圧力まで測定することができる。

図３は、一般的なピラニ真空計の要部概略を示すものである。図３において、センサ本体２は一端が被測定真空空間に開放され、他端には絶縁部３が設けられている。センサ本体２には端子４とフィラメント支持体を兼ねた端子５が絶縁部３を貫通して設けられ、端子４と端子５を接続するようにフィラメント１が張られている。端子４，５は真空外部のブリッジ回路６に接続され、回路駆動のための電源７が接続される。フィラメント１が通電加熱され、ブリッジ回路６はフィラメント１が位置する空間の真空度（圧力）に応じた出力値を出力する。ピラニ真空計の出力値はＡ／Ｄ変換器８を経て、圧力に応じた強度の信号を得ることができるようになっている（例えば、特許文献１）。

ブリッジ回路６は一般的に図４のようなものである（例えば、特許文献２）。図４中においてＲ_PGとした部分（センサ部分）の両端がそれぞれ図３の端子４，５に接続される。抵抗Ｒ13，Ｒ14及びＲ24からなるブリッジの両端の電圧（Ｖ_Ｎ，Ｖ_Ｐ）を差動入力し、トランジスタＴＲを経てピラニ真空計からの信号としてＡ／Ｄ変換器８へ入力され、Ａ／Ｄ変換器８の出力を基に圧力が算出される。トランジスタＴＲの出力はブリッジ回路にフィードバックされ、センサ部分の抵抗値Ｒ_PGが一定値になるように制御される。圧力は、数式１に示すような簡潔な数式によって求めることができる。

ここで、Ｉはフィラメント電流、Ｉ₀は圧力が０Paのときのフィラメント電流、Ａは定数である。Ａ＝αΦπＬ（Ｔ−Ｔ_ａ）として求めることができ、ここで、αは気体の種類による定数、Φはフィラメント直径、πは円周率、Ｌはフィラメント長さ、Ｔはフィラメント温度、Ｔａは周囲温度である。図４の回路に対して、定電流方式では電流Ｉを一定に、定温度方式では温度Ｔを一定にして、これらの式から圧力Ｐを求めるのである。
特開平６−６６６６２号公報（段落０００３、第２図）特開２００１−１２４６５１号公報（段落０００３〜０００９、第２図）

上記数式により、高真空状態、すなわち圧力が低い状態では圧力によく一致した出力値を得る。一方、圧力が高くなるにともなって気体分子が奪う熱量は圧力にあまり依存しなくなり、ピラニ真空計による圧力の測定は原理上精度が悪くなる。測定される電流値に差がつかなくなるためである。そこで、その圧力範囲においても信頼できる真空計を別途用意し、Ａ／Ｄ変換器の出力値に圧力を対応付けた校正が行われる。より多くの校正点について圧力を変化させて行うと、校正された真空計はより精度が高く自然な出力値を得ることができる。

しかし、校正点を多くすると、校正を行うための様々な圧力の状態を作り出さなければならず、多くの圧力に対して校正するには多大な労力を要する。また、真空度（圧力）を一定に保つことは一般的に困難であり、連続的に真空度を変化させつつ、校正を行うということは現実的に不可能である。そのため、例えば用途毎に、細かく校正する範囲、粗く校正する範囲を策定し、校正を行っている。この校正が行われた点における圧力の測定値は別途用意した真空計に準じて精度が高いが、それ以外の点においては補間処理を行っている。例えば、圧力Ｐ₁からある圧力Ｐ₂の範囲において出力されるＡ／Ｄ変換機の出力値の範囲では全てＰ₁として出力、或いは、線形的な補間計算を行う等の処理が行われる。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、校正テーブルを使用せずに、かつ、比較的低真空域においても十分な精度を保つピラニ真空計を提供するものである。すなわち本発明は、金属細線からなるフィラメントと、前記フィラメントを抵抗の一つとし２個の出力端子を有する抵抗ブリッジ回路と、前記フィラメントに生じる電圧が大きくなると出力電圧が小さくなり、前記フィラメントに生じる電圧が小さくなると出力電圧が大きくなるように、反転入力端子と非反転入力端子が前記抵抗ブリッジ回路の前記２個の出力端子にそれぞれ接続された増幅器と、前記ブリッジ回路の信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を有するピラニ真空計において、０℃におけるフィラメントの抵抗値Ｒ₀を前記フィラメントの材質の抵抗率から求める工程と、前記フィラメントの長さを決定する工程と、前記ブリッジ回路を構成する抵抗の抵抗値、前記増幅器の作動電圧、前記Ａ／Ｄ変換器への入力電圧から前記フィラメントに流れる電流Ｉ_PGを求める工程と、前記ブリッジ回路を構成する抵抗の抵抗値、前記増幅器の作動電圧、前記フィラメントに流れる電流Ｉ_PGから前記フィラメントの測定時の抵抗値Ｒ_PGを求める工程と、０℃におけるフィラメントの抵抗値Ｒ₀と測定時の抵抗値Ｒ_PGから前記フィラメントの表面温度Ｔを求める工程と、真空度に拠らないフィラメント電流Ｉ₀を定める工程を経て、

から圧力Ｐを求める手段を有することを特徴とする。

本発明によれば数値演算処理で圧力を算出するので、校正テーブルを使用しないピラニ真空計を実現することができる。校正点がなくなり、測定において補間計算による誤差を抑えることができる。

計算によってのみ圧力を算出するので、校正テーブルの作成の必要がなくなり、校正点以外でも精度の高いピラニ真空計を提供することができる。また、数値演算処理に用いられる抵抗値や回路上の参照電圧等の精度により、誤差範囲を想定することができる。

本願発明に係るピラニ真空計による真空度の導出過程を図１に沿って説明する。本実施例においては、図４の駆動回路のＲ12を200kΩ，Ｒ14を1kΩ，Ｒ24を10kΩ，Ｒ13を1.5kΩの抵抗とした。

まず、０℃におけるフィラメントの抵抗値Ｒ₀を求める(ST.1)。抵抗値Ｒ₀は、基準温度でのフィラメントの抵抗率と温度係数から求めることができる。白金の場合、基準温度（20℃）での抵抗率は10.8μΩ・cm、温度係数は0.39%/℃であり、
抵抗値Ｒ₀＝抵抗値Ｒ₂₀／( 1 ＋ 0.0039 × Δｔ )＝10.8/( 1 + 0.0039 × 20 )≒10.01855［Ω］
である。

フィラメントの仕様からフィラメントの長さを決定する(ST.2)。本来、ピラニ真空計の製作の際に既知になっている値である。また、フィラメントの長さＬは計算によっても求めることが可能であるので、説明する。
抵抗値Ｒ₂₀＝抵抗率ρ₂₀ × フィラメント長さＬ／フィラメント断面積Ｓ
という式が成立する。抵抗率ρ₂₀は、
ρ₂₀＝ρ₀ × （ 1 + 0.0039 × Δｔ）
で求めることができる。ここで、ρ₀は0℃におけるフィラメントの抵抗率、Δｔは温度差である。
理科年表等の文献によれば、０℃における白金の抵抗率は、
ρ₀＝9.81×10^-8Ωｍ
である。フィラメントが曝される温度を40℃に調整している場合にはΔｔ＝20であるので、
ρ₂₀＝9.81×10^-8×( 1 + 0.0039 × 20 )＝10.58×10^-8[Ωｍ]、
Ｒ₂₀＝10.8、Ｓ＝( 0.025 / 2 )²× π であるので、
フィラメント長さＬ＝10.8×( 0.025 / 2 )²× π／10.58×10^-8≒50.108[mm]
となる。

フィラメント電流Ｉ_PGを求める(ST.3)。
Ａ／Ｄ変換器の入力電圧Ｖ_Bから、フィラメント電流Ｉ_PGを求める。図４に示したブリッジ回路図では、フィラメント電流Ｉ_PGは数式２で求めることができる。数式２においては、測定中に変化する値として読み取る必要があるのはＶ_Bのみであり、他はＲ12など各抵抗値や作動電圧Ｖ_CCから求めることができる。

フィラメント抵抗値Ｒ_PGを求める(ST.4)。数式３によりフィラメント抵抗値Ｒ_PGを求める。

フィラメント表面温度Ｔを求める(ST.5)。数式４によりフィラメント表面温度Ｔを求める。

係数Ａを求める(ST.6)。フィラメント温度Ｔから係数Ａを求める。係数Ａは、フィラメント表面温度Ｔ、気体ごとの定数αフィラメントの直径Φ、フィラメントの長さＬから数式５により求めることができる。窒素の場合は、α＝１．０８である。

真空度に拠らないフィラメント電流Ｉ₀を求める(ST.7)。
真空度によらないフィラメント電流Ｉ₀は、測定点に対して十分に高い真空度でフィラメントに流れる電流を測定することによって求めることができる。本実施例では10mAであった。

数式６により圧力Ｐを求める(ST.8)。数式６は、ピラニ真空計により圧力を求める数式である数式１にＩ₀を代入した形であり、Ｉ_PGはST.3で、Ｒ_PGはST.4で、ＡはST.7で求められている。これらの値を数式6に代入することにより、かくして、圧力Ｐを求めることができる。

図２に、Ａ／Ｄ変換器の読取値と圧力の関係を示した。縦軸が圧力、横軸がＡ／Ｄ変換器の読取値を示している。曲線（Ａ）が本願発明に係るピラニ真空計により求めた圧力、曲線（Ｂ）が校正テーブルを有する従来方式のピラニ真空計により求めた圧力である。曲線（Ｂ）は、Ａ／Ｄの読取値が小さい領域（〜1500000）では圧力の値が連続的に変化するが、それ以上になると段階的な値になる。これはＡ／Ｄ変換器の読取値のある範囲について同じ圧力を示す校正テーブルを有しているからである。Ａ／Ｄ変換器の読取値のわずかな違いで、数Paの変化を表示してしまうことになる。曲線（Ａ）は、Ａ／Ｄ変換器の読取値が1000000〜1500000においても、2500000〜3500000においても、圧力の変化を連続的に表示している。ブリッジ回路の各要素の値やフィラメントの物性値からの計算のみによって求めているので、校正テーブルは不要となる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で種々の変更を行うことができる。

系内の真空状態を測定する必要がある装置に組み込む真空計として利用することができる。実際の圧力に対してブリッジ回路の抵抗値や物性値のみから圧力値を算出するので校正の必要がなく、発光分光分析装置や質量分析装置のように装置内部に真空状態を形成する精密機器に最適である。

本願発明に係るピラニ真空計による真空度の導出過程を示すフローチャートである。本願発明に係るピラニ真空計と従来のものとによる測定結果を示す図である。ピラニ真空計の構造の概略を示したものである。ピラニ真空計を作動させるための一般的なブリッジ回路を示したものである。

符号の説明

１・・・・・フィラメント
２・・・・・センサ本体
３・・・・・絶縁部
４，５・・・端子
６・・・・・ブリッジ回路
７・・・・・電源
８・・・・・Ａ／Ｄ変換器

Claims

金属細線からなるフィラメントと、
前記フィラメントを抵抗の一つとし２個の出力端子を有する抵抗ブリッジ回路と、
前記フィラメントに生じる電圧が大きくなると出力電圧が小さくなり、前記フィラメントに生じる電圧が小さくなると出力電圧が大きくなるように、反転入力端子と非反転入力端子が前記抵抗ブリッジ回路の前記２個の出力端子にそれぞれ接続された増幅器と、
前記ブリッジ回路の信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を有するピラニ真空計において、
０℃におけるフィラメントの抵抗値Ｒ₀を前記フィラメントの材質の抵抗率から求める工程と、
前記フィラメントの長さを決定する工程と、
前記ブリッジ回路を構成する抵抗の抵抗値、前記増幅器の作動電圧、前記Ａ／Ｄ変換器への入力電圧から前記フィラメントに流れる電流Ｉ_PGを求める工程と、
前記ブリッジ回路を構成する抵抗の抵抗値、前記増幅器の作動電圧、前記フィラメントに流れる電流Ｉ_PGから前記フィラメントの測定時の抵抗値Ｒ_PGを求める工程と、
０℃におけるフィラメントの抵抗値Ｒ₀と測定時の抵抗値Ｒ_PGから前記フィラメントの表面温度Ｔを求める工程と、
真空度に拠らないフィラメント電流Ｉ₀を定める工程を経て、

から圧力Ｐを求める手段を有する
ことを特徴とするピラニ真空計。