JP2008508517A - 抵抗による熱損失式圧力センサの動作方法 - Google Patents

抵抗による熱損失式圧力センサの動作方法 Download PDF

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Abstract

抵抗加熱の熱損失式の圧力計において、異なるデューティ・サイクルで感知素子と補償素子との間で電流が切り替えられる。その結果、感知素子が補償素子に比べて加熱される。固定抵抗が、少なくとも補償素子に直列に配置される。感知素子の抵抗が補償素子と固定の抵抗素子との合成抵抗に一致する温度まで、感知素子を加熱するように、電流源が電流を加える。
【選択図】 図5

Description

関連出願
本出願は、2005年6月7日付の米国特許出願第11/146,721号の継続出願である。この米国特許出願第11/146,721号は、2005年3月1日付の米国特許出願第11/070,819号の継続出願である。この米国特許出願第11/070,819号は、2004年7月28日付の米国特許出願第10/900,504号の部分継続出願である。上記出願の教示の全体は、ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。
気体を通じての伝熱速度は、気体圧力の関数である。したがって、特定の条件のもとで、加熱されている感知素子からの伝熱速度の測定を、適切な較正をともなって、気体の圧力を測定するために使用することができる。この原理が、広く知られたピラニ真空計(Pirani gauge)において使用されている。
多くのピラニ真空計は、温度に敏感な感知抵抗および補償抵抗を、ホイートストン・ブリッジの別々のアームに有している。補償抵抗は、2つの抵抗を通って加えられる電流による自己発熱を最小限にするようなサイズである。感知抵抗の加熱によって得られる抵抗の差分が、周囲の環境の圧力を表わしている。
米国特許第6,658,941号に提示されているより最近の熱損失式圧力計の実施例においては、感知素子と補償素子とが同様の寸法であるが、感知素子に追加の加熱電流を加えることで、感知素子の温度を高めている。この場合も、感知素子の温度を上昇させることで、感知素子と補償素子の相対的な抵抗が、周囲の環境の圧力を表わしている。一実施例はホイートストン・ブリッジによる一方で、他の実施例は、感知抵抗に応答するフィードバック回路の制御のもとで、抵抗素子を流れる電流の比を一定にすることによる。
本発明は、熱損失式の圧力計の改良であって、精度の低い部品を用いることにより低コストで、より高い性能を提供する可能性を有する改良に関する。米国特許第6,658,941号の実施例のように電流源の比を制御するのではなく、本発明のシステムは、非対称な切り替え技法を使用して感知素子および補償素子への電力を制御する。
電気源が、好ましくは共通の電流源から、感知素子と補償素子との間で電流を切り替えるように接続されている。補償素子に比べて感知素子をより加熱するために、より長いデューティ・サイクルにわたって感知素子に電流が加えられる。測定回路が、感知素子および補償素子の電気的応答にもとづいて、これらの素子が暴露されている周囲の気体の圧力を求める。
特定の実施形態においては、感知素子および補償素子に固定のデューティ・サイクルで電流が加えられ、電流のレベルが制御される。他の実施形態においては、加えられる電流が固定され、感知素子および補償素子の少なくとも一方への電流のデューティ・サイクルが制御される。さらに他の実施形態においては、電流およびデューティ・サイクルの両方が制御される。
気体の圧力は、感知素子を通過する加熱電流のレベルおよび/または感知素子に生じる電圧にもとづいて求めることができる。
種々の実施形態においては、補償素子が固定抵抗性の素子と直列に配置されている。電気源が、感知素子の抵抗が補償素子と固定抵抗性の素子との合成抵抗に一致する温度まで、感知素子を加熱するように、電流を加える。特定の実施形態においては、固定抵抗性の素子が補償素子にのみ直列であり、切り替えられる電流を制御するために、補償素子と固定抵抗性の素子とをまたぐ電圧が、感知素子の電圧と比較される。他の実施形態においては、固定抵抗性の素子が、感知素子および補償素子の両方と直列であり、感知素子と固定抵抗性の素子とをまたぐ電圧との比較のために、固定抵抗性の素子の電圧が、補償素子と固定抵抗性の素子の電圧に加えられる。
本発明の以上の目的、特徴、および利点、ならびに他の目的、特徴、および利点が、添付の図面に示されている本発明の好ましい実施形態についての以下のより詳細な説明から、明らかになるであろう。添付の図面においては、種々の図の全体を通じて、同一部品を指し示すために同一参照符号が使用されている。図面は必ずしも比例尺でなく、本発明の原理を説明することに重点がおかれている。
以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1は、本発明を具現化する制御および測定の回路の概略図である。センサ制御回路の目的は、感知素子Rsの温度を、補償素子Rcの温度よりも一定量だけ高い温度に正確に維持することにある。このように温度を維持するためには、感知素子の電圧および/または感知素子を流れる電流が必要とされる。電圧および/または電流は測定されて、次いでここでの言及によって全体が本明細書に取り入れられたものとする米国特許第6,023,979号および米国第6,658,941号に記載の方法で、圧力に変換される。共用の電流源I1からの電流が、スイッチS3を使用して感知素子Rsと補償素子Rcのいずれかを通るように交互に切り替えられる。各サイクルの間において、電流が感知素子Rsを通って流れる時間の割合は、電流が補償素子Rcを通って流れる時間の割合よりも大きい。したがって、Rsで消費される平均電力は、Rcにおいて消費される平均電力よりも大きい。これにより、RsがRcよりも高い温度に上昇することになる。
低い圧力において、熱は、抵抗から周囲の環境に容易に伝導しない。その結果、低い圧力では、所与の入力で抵抗Rsの温度は大きく増加する。すなわち、所与の温度までの上昇に必要な電力が少なくなる。温度に依存しない差分抵抗RdをRcと直列に接続して、RsがRcとRdとの和に等しくなるレベルまで抵抗Rsを駆動することによって、抵抗Rsが抵抗Rcをどの程度上回るかを容易に求めることができる。この結果、これら抵抗の等しさを維持するために必要とされる電気的入力を、圧力を計算するために使用することができる。代わりに、例えば直列抵抗Rdを使用することなく、ディジタル化されてマイクロプロセッサにおいて処理されるRsおよびRcの測定値によるものとしてもよい。
電流が交互に切り替えられるときに素子の温度つまり抵抗値が変化することがないように、この処理のサイクル期間はセンサ配線の熱時定数よりも極めて短く保たれる。
固定抵抗RdがRcと直列に挿入され、温度依存性の抵抗と温度に依存しない抵抗との和が形成されている。スイッチS3が電流源I1からの電流を抵抗Rcに通しているとき、スイッチS1が閉じられ、コンデンサC1がRdの上部のピーク電圧V1(信号v1)に充電される。次いで、S3が電流源I1からの電流を抵抗Rsに切り替えると、スイッチS1が開かれてスイッチS2が閉じられて、コンデンサC2がRsの上部のピーク電圧V2(信号v2)に充電される。このようにして、電圧V1およびV2が、信号v1およびv2のピーク値まで充電される。
RsおよびRcの下部が共に接続されているため、Rsの抵抗値がRc+Rdに等しい(Rs=Rc+Rd)とき、V1はV2に等しくなる。差V1−V2が、高利得積分増幅器A1において増幅され、この増幅器A1が、等しい電圧および等しい抵抗という状態を維持するための適切なレベルに共用の電流源I1を駆動する。増幅器A1の利得は、V1およびV2の間の誤差の無視できるように十分大きい。また、増幅器A1の時間応答は、切り替えサイクル時間の間に電流源I1が電流値を変化することがないように保証するため、十分に遅い。
電流計Isが、感知素子の電流を測定する。計器内の圧力が定常である場合には、増幅器A1は切り替えサイクルの両方の部分についてI1の電流を等しく保つ。これにより、電流計Isを通る電流は、電流源I1の電流のDCレベルに等しい定常のDCレベルとなる。したがって、電流計Isにおいて測定される電流は、ピーク感知素子電流Isに等しくなり、これは電流源I1の電流に等しい。Rsの平均電圧が、電流切り替えサイクルのサイクル時間よりも少し長い時定数を持つRCフィルタのC3に現れる。感知素子の平均電圧Vsおよび電流Isが、標準的なA/D変換技法を使用してディジタル形式に変換される。次いで、ディジタル・プロセッサが、米国特許第6,023,979号および米国特許第6,658,941号に記載されているような経験的な三次元表面の当てはめ技法を使用して開発されたアルゴリズムを使用して、VsおよびIsの関数として圧力を計算する。
この切り替え式の設計によれば、米国特許第6,658,941号の図7の実施例において使用されていた高精度な構成部品を少なくすることができる。従来の設計においては、2つの電流源が正確な電流比を有していた。正確な電流比にするために、整合させた2つの演算増幅器および高精度な抵抗が使用されていた。また、電流源を制御するフィードバック回路に正確な乗算比をもたらすために、高精度な抵抗が使用されていた。本設計においては、単一の電流源が、回路の両方のアーム部に電流を加える。さらに、電圧v1およびv2が、一方を他方に対して除算する必要なく、増幅器A1に直接戻される。電流および電圧の比を精密に制御するのではなく、本設計は、低コストのディジタル回路によって容易に制御される時間の比によるものである。
実際に機能する回路の設計が、図2に示されている。この回路において、S1が、電流が補償素子に切り替えられた後に閉じられ、電流が感知素子に切り替えられる前に開かれることと、S2が、電流が感知素子に切り替えられた後に閉じられ、電流が補償素子に切り替えられる前に開かれることとを保証するために、タイミング回路がディジタルのタイミング信号B、C、およびDを生成する。
この回路において、電流源I1は、FET Q1ならびに抵抗R1およびR2で構成されている。スイッチS3は、それぞれタイミング信号BおよびAによって駆動されるFET Q2およびQ3を備える。3kHzを超えるサイクル周波数であれば熱時定数の問題がなくなることが、実験データから明らかになっており、周波数が10kHzとなるように選択された。切り替えのデューティ・サイクルは、補償素子に対して25%で、感知素子に対して75%に設定された。最高約50%のディーティ・サイクルまで機能するが、より短いデューティ・サイクルが、補償素子の望ましくない自らの加熱を少なくする。
25%以下のデューティ・サイクルであれば、補償素子の温度を装置の外囲容器内の周囲の温度に近く保つことができ、不要な電力消費およびケースの温度の上昇を最小限にすることができる。なお、電力消費、すなわち補償素子の温度の上昇は、感知素子の温度上昇の1/(補償素子に対する感知素子の時間比)倍よりもわずかに小さい(約80%)。例えば、感知素子が70℃の温度上昇で動作しており、時間のうちの20%において補償素子に電力がもたらされている場合には、補償素子に電流が流れている時間は感知素子の1/4であり、補償素子の温度上昇は、約0.8×(1/16)×70℃=3.5℃になる。
トランスデューサおよび接続配線における温度勾配が、制御および測定の回路に小さなDC誤差を生み、圧力測定における誤差および不安定化につながる可能性がある。これらの熱電効果が、図3に電圧源Vth‐cおよびVth‐sとして示されている。これらの熱電効果を交流同期の検出の仕組みを使用して取り除くことができるように、上述した方法をさらに改善することが可能である。電流が2つの素子の間で交互に切り替えられるため、各素子の電圧を、各サイクル状態の間においてそれぞれ検出することができる。所与の素子に現れて検出される2つの電圧間の差が、より正確な抵抗および加熱電圧の測定値をもたらす。なぜならば、熱電誤差電圧が、両方の読み取り値に存在していることより、これらが相殺されるためである。
この方法は、以下の追加の構成を伴って、図1において説明した方法と同様に機能する。信号v1がサンプリングされて保持され、コンデンサC1に電圧V1を蓄えている時間期間において、信号v2が同時にサンプリングされて保持され、C3にV3が蓄えられる。次に、信号v2がサンプリングされて保持され、コンデンサC2に電圧V2を蓄えるとき、信号v1が同時にサンプリングされて保持され、コンデンサC4にV4が蓄えられる。4つのコンデンサに蓄えられた4つのDC電圧が、信号v1およびv2の以下の瞬時の電圧成分を表わす。
V1=電流が補償素子を流れているときのRcおよびRd+Vth‐cの電圧
V2=電流が感知素子を流れているときのRs+Vth‐sの電圧
V3=電流が補償素子を流れているときのRs+Vth‐sの電圧
V4=電流が感知素子を流れているときのRcおよびRd+Vth‐cの電圧
th‐cは、補償素子について電圧を測定しているときに生じる望ましくない熱電電圧であり、Vth‐sは、感知素子について電圧を測定しているときに生じる望ましくない熱電電圧である。
等しい利得を有する計装用増幅器A2およびA3が、それぞれ、V1−V4およびV2−V3に比例する出力電圧を生成する。これら2つの増幅器の出力においては、Vth‐cおよびVth‐sの影響がどちらも取り除かれている。これら2つの増幅器の出力は、先に説明したフィードバック・ループ内の高利得の積分増幅器A1および共用の電流源I1を使用した方法と同様に、維持される。これが、Rs=Rc+Rdを保証する。
感知素子の加熱電圧は、差電圧V2−V3を測定することによって、やはりVth‐sの影響を除いて検出される。このように、熱電誤差が、制御および測定の両機能において、この改善された方法を使用して取り除かれる。
いくつかの設計は、接続経路における制御できない浮遊抵抗を回避するために、固定抵抗器を補償素子に直列に配置することができない、という問題を抱えている。この問題が、米国特許第6,658,941号の図8において、2つではなく3つの差分電圧を積分増幅器に加えることによって対処されており、この手法を、ここでも同様に使用することができる。しかしながら、本発明の切り替え式の設計によれば、図4に示した別の手法を使用することが可能である。図4の回路は、感知素子の抵抗値が補償素子の抵抗値を一定のオーム数だけ上回って増加するように、両素子に正確な電流を加えるようにする。
切り替え式の設計においては、励起電流が固定抵抗を流れ、この固定抵抗の電圧が、補償素子への接続からサンプリングされた電圧に加えられる。これは、いくつかの方法で実行可能であるが、図4に示した方法は、電流デューティ・サイクルの長い方の状態の間において浮遊コンデンサが固定抵抗の電圧まで充電される「コンデンサ切り替え」技法を使用する。スイッチを設定して、このコンデンサが、電流デューティ・サイクルの短い方の状態の間において補償素子の検出電圧と直列に接続され、この補償素子の電圧用のサンプリングおよび保持のコンデンサを、2つの電圧の合計まで充電させる。これは、元の回路に3つのアナログ・スイッチおよび1つのコンデンサを追加することによって達成される。
この新規な方法は、より低いコストに加え、より高い性能をもたらす可能性を有している。前述のDC法は、小さな温度勾配からもたらされる熱電誤差を前提としている。この方法は、より高い電圧信号レベルが生み出されるという利点を有しており、熱電誤差を信号レベルに比べて小さいものにしている。さらに、電力の比が増加したとき、従来の方法において存在するような信号レベルの損失が存在しない。したがって、補償素子は、感知素子の電力に比べて極めて低い電力レベルで動作でき、望ましくない熱の浪費を少なくできる。この方法はパルスモードで動作するため、図4のAC測定技法を使用することによって、すべての熱電的な不安定性を取り除いて、さらなる性能の向上を達成することができる。計器の性能向上の重要な利点は、実現できる圧力範囲の拡大である。
図4において、固定抵抗Rdは、感知素子Rsおよび補償素子Rcの両方に直列である。したがって、抵抗の電圧は、信号v2およびv1の両方に存在する共通のレベルを有している。図4の回路は、先の設計と同様となるように、サンプリングされるv1のピーク値にRdの電圧をさらに加えている。このために、電流がRsおよびRdを通って流れるとき、Rdの電圧が、スイッチS6およびS7を閉じることによってC4に蓄えられる。電流がRcおよびRdを流れるサイクルの次の部分において、スイッチS6およびS7が開かれて、コンデンサC4がv1からS1までの部分に直列に接続される。このようにして、C1に蓄えられる電圧は、v1のピーク値とVC4との和である。
さらに別の実施形態が、図5に示されている。図5は、図1の回路の改良に相当するが、この手法は、先の実施形態のいずれにも適用可能である。この回路において、主としてディジタル回路であってよいスイッチ・タイミング制御部STCが、電圧v1およびv2に応答して、スイッチS3が感知素子Rsに接続されている時間長さおよび補償素子Rcに接続されている時間長さについて、適切な時間長さを決定する。この手法においては、RsおよびRcに加えられるパルスの相対的な長さが制御されるため、電流源I1の電流を一定に保つことができる。
補償素子Rcへのパルスに対する感知素子Rsへの電流パルスの時間長さが、センサを指定の抵抗値にまで優先的に加熱する制御パラメータである。電流パルスの大きさは、好ましくは、固定であり、RsおよびRcの両方に対して同一である。Rcへのパルスの時間長さは、典型的には固定であるが、可変であってもよい。
さらに別の実施形態では、スイッチ・タイミング制御部STCから電流源I1まで破線によって示されているように、電流源の電流のレベルならびにRsおよびRcへのパルスの長さの両方が制御される。
本発明を、好ましい実施形態を参照しつつ詳しく示して説明したが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の技術的範囲から逸脱することなく、これらの実施形態において形態または細部について種々の変更が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、感知用の抵抗素子および補償用の抵抗素子は、一般的にはほぼ一致しているが、全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする米国特許出願公開第US-2003-0097876-A1号に教示されているように、いくらかの意図的な不一致が好都合であるかもしれない。
本発明の一実施形態を示す図である。 図1の実施形態をより詳細に示す図である。 同期検出技法を使用して熱電効果を低減するように設計された本発明の別の実施形態を示す図である。 接続経路の浮遊抵抗の影響を回避するための別の実施形態を示す図である。 電流のデューティ・サイクルを変化させる別の実施形態を示す図である。
符号の説明
I1 電流源
Rc 補償素子
Rs 感知素子

Claims (23)

  1. 周囲の気体の圧力を測定する熱損失式の圧力計であって、
    前記周囲にさらされた抵抗性の感知素子と、
    前記周囲にさらされ、前記感知素子の回路内に配置された抵抗性の補償素子と、
    前記補償素子に比べて前記感知素子をより加熱するために、より長いデューティ・サイクルにわたって前記感知素子に電流が加えられるように、前記感知素子と前記補償素子との間で電流を切り替えるように接続された電気源と、
    前記感知素子および前記補償素子の電気的応答にもとづいて、前記感知素子および前記補償素子がさらされている前記周囲の気体の圧力を求める測定回路とを備えた圧力計。
  2. 請求項1において、前記感知素子および前記補償素子への電流が、共通の電流源から切り替えられる圧力計。
  3. 請求項1において、前記気体の圧力が、前記感知素子を通過する加熱電流と、前記感知素子に生じる電圧のいずれか一方または両方にもとづいて求められる圧力計。
  4. 請求項1において、前記補償素子が、固定抵抗性の素子と直列である圧力計。
  5. 請求項4において、前記感知素子の抵抗が前記補償素子と前記固定抵抗性の素子との合成抵抗に一致する温度まで、前記感知素子を加熱するように、前記電気源が電流を加える圧力計。
  6. 請求項4において、前記補償素子と前記固定抵抗性の素子との全体にかかる電圧が、前記感知素子の電圧と比較されて、前記切り替えられる電流を制御する圧力計。
  7. 請求項4において、前記固定抵抗性の素子が、前記感知素子および前記補償素子の両方と直列であり、
    前記感知素子と前記固定抵抗性の素子との全体にかかる電圧との比較のために、前記固定抵抗性の素子の電圧が、前記補償素子と前記固定抵抗性の素子の全体にかかる電圧に加えられて、前記切り替えられる電流を制御する圧力計。
  8. 請求項1において、前記感知素子の抵抗が、固定抵抗が加えられた前記補償素子の合成抵抗に一致する温度まで、前記感知素子を加熱するように、前記電気源が電流を加える圧力計。
  9. 請求項1において、前記感知素子および前記補償素子に固定のデューティ・サイクルで電流が加えられ、電流レベルが制御される圧力計。
  10. 請求項1において、前記感知素子および前記補償素子に加えられる電流は一定であり、前記感知素子および前記補償素子の少なくとも一方への電流のデューティ・サイクルが制御される圧力計。
  11. 請求項1において、前記感知素子および前記補償素子に加えられる電流と、前記感知素子および前記補償素子の少なくとも一方への電流のデューティ・サイクルとの両方が制御される圧力計。
  12. 周囲の気体の圧力を測定する方法であって、
    前記周囲にさらされた抵抗性の感知素子と抵抗性の補償素子との間で電流を切り替える工程であって、この電流は、前記補償素子に比べて前記感知素子をより加熱するために、より長いデューティ・サイクルにわたって前記感知素子に加えられる工程と、
    前記感知素子および前記補償素子の電気的応答にもとづいて、前記周囲の気体の圧力を求める工程とを備えた圧力測定方法。
  13. 請求項12において、前記感知素子および前記補償素子への電流が、共通の電流源から切り替えられる圧力測定方法。
  14. 請求項12において、前記気体の圧力が、前記感知素子を通過する加熱電流と、前記感知素子に生じる電圧のいずれか一方または両方にもとづいて求められる圧力測定方法。
  15. 請求項12において、前記補償素子が、固定抵抗性の素子と直列である圧力測定方法。
  16. 請求項15において、前記感知素子の抵抗が前記補償素子と前記固定抵抗性の素子との合成抵抗に一致する温度まで、前記感知素子を加熱するように、電気源が電流を加える圧力測定方法。
  17. 請求項15において、前記補償素子と前記固定抵抗性の素子との全体にかかる電圧が、前記感知素子の電圧と比較されて、前記切り替えられる電流を制御する圧力測定方法。
  18. 請求項15において、前記固定抵抗性の素子が、前記感知素子および前記補償素子の両方と直列であり、
    前記感知素子と前記固定抵抗性の素子との全体にかかる電圧との比較のために、前記固定抵抗性の素子の電圧が、前記補償素子と前記固定抵抗性の素子の全体にかかる電圧に加えられて、前記切り替えられる電流を制御する圧力測定方法。
  19. 請求項12において、前記感知素子の抵抗が、固定抵抗が加えられた前記補償素子の合成抵抗に一致する温度まで、前記感知素子を加熱するように、電気源が電流を加える圧力測定方法。
  20. 請求項12において、前記感知素子および前記補償素子に固定のデューティ・サイクルで電流が加えられ、電流レベルが制御される圧力測定方法。
  21. 請求項12において、前記感知素子および前記補償素子に加えられる電流は一定であり、前記感知素子および前記補償素子の少なくとも一方への電流のデューティ・サイクルが制御される圧力測定方法。
  22. 請求項12において、前記感知素子および前記補償素子に加えられる電流と、前記感知素子および前記補償素子の少なくとも一方への電流のデューティ・サイクルとの両方が制御される圧力測定方法。
  23. 周囲の気体の圧力を測定する熱損失式の圧力計であって、
    前記周囲にさらされた抵抗性の感知素子と抵抗性の補償素子との間で電流を切り替える手段であって、この電流は、前記補償素子に比べて前記感知素子をより加熱するために、より長いデューティ・サイクルにわたって前記感知素子に加えられる切替手段と、
    前記感知素子および前記補償素子の電気的応答にもとづいて、前記周囲の気体の圧力を求める処理手段とを備えた圧力計。
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