JP3585969B2 - ２つの圧力センサの出力信号を評価するための方法、及び２つの圧力測定センサを有する圧力測定装置、並びにこの装置を備えた圧力測定ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、請求項１の前提部分に記載されているような、２つの圧力センサの出力信号を評価する方法，及び、請求項６の前提部分に記載されているような圧力測定装置、並びに請求項１４又は１５の前提部分に記載されているような圧力測定ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶対圧力１バールから超高真空までの範囲における圧力を測定するための種々の測定原理が知られている。しかし、今日知られている真空測定原理には、いずれも欠点があり、その主なものは下記の通りである。
−限られた測定範囲、
−ガスの種類に左右されること、
−温度，汚染，劣化のような撹乱要因に影響されること、及び、
−コスト的要因、
が挙げられる。
【０００３】
特に、制約される測定範囲に関して、上記問題を解決するための手がかりは、圧力媒体の作用を受けるそれぞれ異なる測定原理に基づいた複数の圧力センサを使用し、これらを組合わせることにある。この目的を達成するためには、下記の解決策が知られている。
【０００４】
１．それぞれが異なる測定原理に従って作用する少なくとも２つの別々に構成されたセンサからの測定信号を共通の評価装置において処理する。一方のセンサの信号に呼応して、即ち、このセンサに割当てられている圧力範囲の限界圧力値に達すると、第２のセンサにスイッチされる。圧力範囲に応じて一方又は他方のセンサの信号が評価測定装置に於いて表示される。
尚、この技術の一例としては、Ｂａｌｚｅｒｓの装置ＰＫＧ１００，ＴＲＧ３００，ＩＭＧ３００や、Ｌｅｙｂｏｌｄ社の装置ＣＯＭＢＩＶＡＣ，ＣＯＭＢＩＴＲＯＮのピラニセンサ／冷陰極又は熱陰極電離センサの組合わせを挙げることができる。
【０００５】
このアプローチの利点は、その測定範囲が広いことであるが、特に２つの別々のセンサ装置を必要とすること、及び、例えば２つの継手フランジのような取付け手段を設けねばならないことからコストが高くなり、更に、一方のセンサから他方のセンサへの切換えに伴ない、圧力範囲に於いて現われる出力信号が連続的ではなく、且つ明確でもないことにある。ガスの種類に依存する等の撹乱要因は、利用される測定原理が多様であるだけに極めて複雑になり、上記切換えに伴なう飛越しも極めて大きくなる恐れがある。例えば、上記切換え範囲における安定した圧力調整は不可能である。
【０００６】
２．コスト及びスペース需要を軽減するため、異なる測定原理に従って作用する異なる測定センサを共通のフランジに一体的に設けることも知られている。又、上記項目１で述べたようなセンサ信号の評価に関する問題を解決する試みも知られている。例えば、Ｔｈｙｒａｃｏｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ社（Ｐａｓｓａｕ）の装置ＶＳＫＰ４５Ｍでは、圧電抵抗膜センサとピラニセンサとを組合わせて１つのフランジに組込んでいる。熱陰極電離マノメータとピラニセンサとを組合わせて１つのフランジに組込むことも、例えば、Ｃ．Ｅｄｅｌｍａｎｎ等の論文「Ｆｅｉｎｇｅｒａｅｔｅｔｅｃｈｎｉｋ ２４ 」，Ｓ．４０８−４１１ （１９７５）や、ヨーロッパ特許第０２３３７８４号、及び米国特許第４７５５６６９号、並びに、ＡＭＬ社の測定管ＡＩＧ１７Ｐ等から公知である。
【０００７】
上記問題に対して、ガス摩擦マノメータと熱陰極電離マノメータとを組合わせて１つのフランジに組込むことも、例えば、米国特許第４７４７３１１号に於いて知られている。上述のように、これら公知例では、いずれの場合にも範囲の限界に達するとセンサ信号が切換わり、その出力信号が交互に表示されるだけである。しかし、上記項目１に述べたアプローチよりはコストが節減される。
【０００８】
３．ガス摩擦マノメータとピラニセンサとを組合わせて１つのフランジに組込み、両方のセンサの出力信号が広い圧力範囲にわたり切換えに伴なう飛越しをもつことなく連続的な圧力信号を生成するように処理することもヨーロッパ特許第０３４７１４４号に於いて知られている。
【０００９】
４．ガス摩擦マノメータとピラニセンサとを組合わせて１つのフランジに組込むと共に、両方のセンサの信号を組合わせることにより、ガスの種類に殆ど関係なく出力信号を生成することもヨーロッパ特許第０３７９８４１号（米国特許第４９９５２６４号）にて知られている。
【００１０】
５．広範囲に亘って高感度を示す高度計を開発するために、膜圧力センサと、ピラニセンサに相当する熱伝導センサとを組合わせることも米国特許第３０６４４７８号に於いて知られている。
【００１１】
本発明は、ヨーロッパ特許第０３４７１４４号に於いて公知の上記技術を起点にしている。上記特許に於けるものは、真空中に水晶発振器を配置し、ピラニセンサのように、ヒーターコイルから周囲への熱伝導を水晶発振器に対する加熱効果によって感知するものである。この場合、圧力が変化しても水晶発振器の共振周波数が一定に保たれるようにコイルの加熱電流を制御する。制御部材としてのヒーターコイルに供給される電気的加熱エネルギーは、第１のセンサ出力信号の形で測定され、水晶発振器の共振周波数は、第２のセンサ出力信号の形で測定される。共振周波数を一定に保つためヒーターコイルに供給すべき電力の圧力依存度は、低圧範囲に於いて低下し、一定の最小電力値で充分となり、共振電圧は高圧範囲において低下し始めるという所見に基づき、センサ出力信号の形を取る双方の量、即ち、加熱エネルギーと共振電圧を総合することにより７圧力デカードに亘る圧力識別を可能にする圧力識別特性曲線が得られる。
【００１２】
ヨーロッパ特許第０３４７１４４号に開示されている技術では、広い圧力範囲を測定できるが、そこに開示されている信号オーバーレイ技術は、水晶発振器の熱共振性に依存し過ぎるきらいがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、圧力範囲の過渡域、即ち中間域において、測定信号に飛越し又はヒステリシス効果が発生しないように、測定すべき圧力範囲全域に亘って公知の圧力センサを各センサに特異な測定範囲と組合わせることができる冒頭に示した方法を提供することにある。これにより、使用目的に応じて好適なセンサの組合わせを選択することができ、且つ、選択したセンサの組合わせによって測定技術的に明確に把握できる圧力範囲を上記ヨーロッパ特許第０３４７１４４号にて公知の方法で達成できる範囲よりも一層広くでき、特に、個別センサの場合よりも一層広い範囲を明確に測定することができる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１の特徴部分に記載した形態によって達成される。
【００１５】
特に好ましいセンサの組合わせは、ピラニセンサと冷陰極電離センサとの組合わせである。一方のセンサから他方のセンサへの上記移行制御に関し、本発明の好ましい組合わせは、冷陰極電離センサからの熱発生が熱陰極電離センサよりもはるかに少ないという点で、ピラニセンサと熱陰極電離センサとの組合わせを使用した場合よりもはるかに有利である。これにより、一方のセンサから他のセンサへの熱障害や排気による障害は著しく軽減される。従ってピラニセンサと熱陰極電離センサとを構造的に一体化する場合よりも、ピラニセンサと冷陰極電離センサとを組合わせる場合の方が構造を一層コンパクトにすることができる。
【００１６】
ピラニセンサの有効測定範囲は、１０^−３ ミリバール以下から１００ミリバール以上までであり、又、冷陰極電離センサの有効測定範囲は、例えば、Ｍａｘ Ｗｕｔｚの「Ｔｈｅｏｒｉｅ ｕｎｄ Ｐｒａｘｉｓ ｄｅｒ Ｖａｋｕｕｍｔｅｃｈｎｉｋ」，Ｆｒｉｅｄｒ． Ｖｉｅｗｅｇ ＆ Ｓｏｈｎ（Ｂｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇ／Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ）から公知のように、少なくとも１０^−８ ミリバールから１０^−２ ミリバールまでであることから、本発明に於ける組合わせ選択では、７デカードをはるかに上回る９圧力デカード以上の圧力範囲、即ち、例えば１０^−８ ミリバールから１００ミリバールまでをカバーする。そして、本発明が提案するセンサの出力信号の重み付けの組合わせにより、圧力範囲全域を明確に測定することができる。
【００１７】
この好ましいセンサ組合わせでは、請求項２に記載されているように、請求項１に記載の重み付け関数をピラニセンサの出力信号によって制御する。このときピラニセンサは、全圧力範囲、特に１０^−４ ミリバールから１０^−２ ミリバールまでの中間圧力範囲でも有効に測定することができる。好ましい実施態様では、上記重み付け関数をピラニ出力信号と、重み付けされて組合わされる出力信号からフィードバックされた信号とを組合わせることによって得られる。
【００１８】
請求項２に言及されている実施態様に続いて請求項３に記載されている実施態様では、特にバイポーラトランジスタにおけるアナログ回路技術による重み付け信号のオーバーレイの実現が容易になる。
【００１９】
基本的には、上述のように、アナログ技術によって、又は後述するようにパルス幅変調技術によって、或いは、場合によっては請求項４に記載されるようにディジタル化されたセンサ出力信号の演算処理によって行うことができる。
【００２０】
本発明に係る好ましいピラニセンサ／冷陰極電離センサの組合わせにも利用され、請求項１に規定される第２の実施態様に相当する乗算的な重み付けは、請求項５に記載されているように行うことが好ましい。この場合、上述のように、重み付け関数がピラニ出力信号とフィードバック信号とを組合わせることによって最適条件に制御される。尚、このフィードバック信号は重み付けされて組合わされた出力信号から形成される。
【００２１】
更に、本発明に係る圧力測定センサは、請求項６の特徴部分に記載した構成によって上記目的を達成するものであり、その好ましい実施態様は、請求項７から請求項１３までに規定されている。
【００２２】
請求項１４に記載された本発明に係る圧力測定ヘッドは、請求項６から請求項１３までのいずれか１項に記載の圧力測定装置内に構成され、基本的には請求項１５に記載されているように、構造的にはヘッドと一体化されたピラニセンサ及び冷陰極電離センサの上記好ましい組合わせ形態を含むものである。
【００２３】
【実施例】
まず、図１を参照しながら本発明に係る信号処理技術の原理を説明する。
【００２４】
図１に於いては「Ｐ」型及び「Ｋ」型の２個のセンサ１，３が設けられている。センサ１及び３は、同一の感知物理量ｐに対応する出力信号Ｐ_ｐ 及びＰ_ｋ を生成する。その際、例えばセンサ１は、物理量ｐの高値域において、センサ３は物理量ｐの低値域においてそれぞれ領域別の各測定信号を出力する。
【００２５】
センサ１，３の各出力信号は、重み付けユニット５に供給される一方、測定値評価ユニット７にも供給される。測定値評価ユニット７は、物理量ｐを表わす信号として出力信号Ａを生成する。中間値域ΔＰが求められ、この中間値域内でセンサ１からセンサ３への移行域に関する測定が行われる。
【００２６】
多くの場合、重み付けユニットには測定値評価ユニット７の出力信号Ａも供給され、センサ出力信号及び測定値評価ユニットの出力信号に応じて重み付けユニット５内では、重み付け関数ｆが形成される。又、測定値評価ユニット７内では、センサ出力信号及び重み付け関数ｆに応じた出力信号Ａが形成される。
【００２７】
以下、重み付けの詳細について説明する。
【００２８】
センサ出力信号の加算的組合わせに際しては、式（１）
Ａ＝ｆｐ_ｐ ＋（１−ｆ）ｐ_ｋ （１）
に従って、図２に示す測定値評価ユニット７の出力信号Ａ（「算術的重み付け」）が形成される。
尚、図２は、出力特性が中間域において加算的に異なるセンサ（異なるオフセット）に対して好ましい実施態様を示したものである。
上記式（１） 内のｆは重み付け関数であり、中間値域ΔＰにおいて値「０」と値「１」との間を移行し、例えば、式（１）及び図１から明らかなように、ΔＰの左端では重み付け関数が値「０」をとり、右端では値「１」をとる。
【００２９】
第２の信号の組合わせの態様は、乗算的組合わせ（「幾何的重み付け」）である。この場合には式（２）
Ａ＝ｐ _ｐ ^ｆ ＊ｐ_ｋ ^{（１−ｆ）} （２）
に従って出力信号Ａが形成され、図３にこの形態が示されている。
尚、図３は、出力特性が中間域において乗算的に異なるようなセンサ（異なる感度）に対して好適な構成を示したものである。
【００３０】
図２の場合と同様、図３に於いても測定値評価ユニット７は破線で示されている。
【００３１】
上記２通りの基本的な重み付け方法のどちらが優れているかは、一方のセンサによる物理量ｐの測定から他方のセンサによる測定への移行に伴なって生ずると考えられるエラーの影響に応じて決定される。
【００３２】
冒頭にて述べたように、本発明は、その目的に於いて、多くのレベルに亘って明確な圧力測定を可能にするという主要な問題に取組むものである。即ち、単一のセンサでは達成できない広い領域に亘って明確な圧力測定を行うことができるようにすることにある。そのためには異なる圧力域に於いてそれぞれ領域別に測定する異なる圧力センサを使用しなければならない。本発明では、ピラニ圧力センサ１と冷陰極電離測定センサ３とを使用した。従って、図１及び図２では、物理量を表わすのに記号ｐを使用し、センサ出力信号を表わすのにｐ（ピラニの頭文字）及びｋ（冷陰極 ［Ｋａｌｔｋａｔｈｏｄｅ］の頭文字）を選んだ。
【００３３】
本発明が使用する上記２個の圧力センサによる圧力測定の場合、優先するのは加算的エラー、即ち電位点エラーではなく乗算的効果、即ち特性曲線勾配に関するエラーである。
【００３４】
そこで、もっと好ましい実施態様に於いては、本発明の主要課題である圧力測定の問題を解決するために、第２の重み付け方式、即ち、図３及び式（２） に示されるような圧力センサ出力信号を乗算的に組合わせる方式を選択する。
【００３５】
次に、この圧力測定の問題を更にに詳細に説明する。
【００３６】
本願にその一体的部分として添付した優先権証明書、及び同出願人による米国出願第９３７３４号に対応するスイス出願第０２２７８／９２号から、ピラニ圧力センサを用いて圧力の対数に比例する出力信号を得る方法は知られており、これは基本的には、バイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧とコレクタ電流との対数依存関係を利用する方法である。センサの電気的出力信号がバイポーラトランジスタのベース・エミッタ区間をトリガーすることにより、コレクタ電流に比例する出力信号は、感知された圧力値の対数に比例することになる。
【００３７】
冷陰極電離センサの出力信号でも同様の結果が得られる。
【００３８】
尚、上記関係は次のように略記することができる：
Ｕ_Ａ ＝ｌｏｇ Ａ
Ｕ_ｐ ＝ｌｏｇ ｐ_ｐ （３）
Ｕ_ｋ ＝ｌｏｇ ｐ_ｋ
但し、上記Ｕは、例えばボルト、ｐは例えばミリバールを単位とする。
【００３９】
従って、式（２） から、組合わせ関数又は、出力信号Ｕ_Ａ は下記の式（４） で与えられる。
Ｕ_Ａ ＝ｆＵ_ｐ ＋（１−ｆ）Ｕ_ｋ （４）
【００４０】
従って、図４に示すようにピラニセンサ１の出力信号ｐ_ｐ は、対数計算ユニット９_ｐ を介して伝送され、冷陰極電離センサ３の出力信号は、対数計算ユニット９_ｋ を介して伝送される。どちらのユニット９も、例えば上記ベース・エミッタ／コレクタ依存関係利用の原理に基づいて構成されている。
【００４１】
乗算ユニット１１_ｐ 及び１１_ｋ に於いて、信号Ｕ_ｐ 及びＵ_ｋ は、重み付けユニット５の出力からの重み付け関数「ｆ」及び「１−ｆ」でそれぞれ重み付けされ、加算ユニット１３にて、例えばアナログプログラミングで加算されて式（４） を形成する。
【００４２】
ここで重み付け関数「ｆ」及び相補重み付け関数「１−ｆ」の形成について更に詳細に説明する。
【００４３】
本発明の重み付け技術を説明するため、システムを機能別に分離したブロック図で示す。
【００４４】
自明のことであるが、このシステムに於いてアナログプログラミング方式で行われる実施技術のほかに、アナログ回路技術やディジタル処理技術、又は他の技術によって実施することも可能である。好ましい実施技術としては、主としてアナログ技術により、及びパルス幅変調方法に従って行われる実施態様について以下に説明する。
【００４５】
公知のように、冷陰極電離センサ３の測定範囲上限を１０^−２ ミリバールに設定し、ピラニセンサ１の測定範囲下限を１０^−４ ミリバールに設定する。したがって１０^−２ ミリバールを超える圧力に対応する測定出力信号は、事実上もっぱらピラニセンサ１が生成し、１０^−４ ミリバール以下の圧力に対応する測定結果を出力するのは、事実上もっぱら冷陰極電離センサ３である。中間圧力、即ち１０^−４ ミリバールと１０^−２ ミリバールとの間の圧力については、測定信号の妥当性が冷陰極電離センサ３からピラニセンサ１へ連続的かつ単調に移行する。
【００４６】
従って、理想的な場合には：
ｐ＞１０^−２ ミリバールならば、ｆ＝１ （５ａ）
ｐ＜１０^−４ ミリバールならば、ｆ＝０ （５ｂ）
である。
【００４７】
ここで関数ｆの具体的な形式について、更には、関数ｆがいかなる量と依存関係にあるかについて問題が起こる。
【００４８】
（ａ） ユニット５に於いて、実際の圧力ｐ又は測定すべき物理量によって重み付け関数ｆを制御することは、関連の情報が必ずしも存在しないから多くの場合不可能である。
【００４９】
（ｂ） ピラニセンサ１は、全ての圧力範囲に亘って作動し続けることができ、従って全ての圧力範囲に亘って１つの出力信号が存在するから、ピラニセンサ１の出力信号による重み付け関数の制御は考慮に価する。しかし、１０^−４ ミリバールの圧力では測定精度が低下するから、重み付けユニット５においてピラニセンサの出力信号によって重み付け関数ｆを制御することが最適とは云えない。
【００５０】
（ｃ） 冷陰極電離センサ３は、ピラニセンサ１で測定される圧力１０^−２ ミリバールを下回る圧力で初めて作動できるから、冷陰極電離センサ３の出力信号による重み付け関数ｆの制御は適当な解決法ではない。
【００５１】
（ｄ） すでに重み付けされ、組合わされた出力信号値Ａによる重み付け関数ｆの制御は、この信号値が両センサ出力信号を組合わせたことで既に実際の圧力に極めて近似するから、それ自体優れた方法である。しかし、これに伴なうプロセスとして重み付け出力信号が自己調整のためフィードバックされると、安定性の問題又は振動現像を招く場合がある。
【００５２】
量ｐ_ｐ ，ｐ_ｋ ，ｐ，Ａだけによるｆの制御だけでなく、これらの量及びその他の量の組合わせも利用することができる。
【００５３】
（ｅ） いずれの観点についても、即ち、精度についても実現性についても、ピラニセンサ出力信号Ｐ_ｐ と重み付き組合わせ値Ａとの組合わせによる重み付け制御が最適の解決であることが判明した。この組合わせは
ｆ＝ｆ（ｐ_ｐ ^ａ ＊Ａ^ｂ ） （６）
で表わされる。
【００５４】
式（３） に示した対数比例出力信号Ｕ_ｐ 及びＵ_Ａ が存在すれば、この重み付け関数は簡略化されて、
ｆ′＝ｆ′（ａＵ_ｐ ＋ｂＵ_Ａ ） （６ａ）
となる。尚、上記式内のａ及びｂは任意の定数である。
【００５５】
この重み付け関係は、式（５ａ）及び（５ｂ）の条件を満たし、中間域では圧力と共に単調にかつ連続的に増大することになる。
【００５６】
図５は、測定値評価ユニットと組合わせたアナログ技術による重み付けユニットの上記（ｂ）に基づく好ましい実施態様を示す。ここでもバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧とコレクタ電流との間の対数依存関係を利用し、重み付き関係は下記の式（７ａ），（７ｂ）で表わされる。
ｆ＝１／〔ｅｘｐ（−λＵ）＋１〕 （７ａ）
１−ｆ＝１／〔ｅｘｐ（λＵ）＋１〕 （７ｂ）
但し、λ＝ｅ／ｋＴ、
ｅ＝電気素量、
ｋ＝ボルツマン定数、
Ｔ＝絶対温度、
である。
【００５７】
図５から明らかなように、信号Ｕは、下記の式（７ｃ）で表わされる。
Ｕ＝ｃ ＋ｄＵ_ｐ （７ｃ）
【００５８】
Ｕ_Ａ を計算する場合と同様、特にバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧とコレクタ電流との上記対数依存関係に基づき、次いでＵ_ｐ →０及びＵ_ｐ →∞に関する極限値グラフで図５に示すｆ及び（１−ｆ）の推移を求めた。グラフから明らかなように、重み付け関数ｆは、極めてゆるやかな移行が特徴である。重み付け関数ｆは、正確に無限大の圧力で初めて値「１」に達し、「１」を基準に設定した任意の圧力値において値「０」に達するから、上記式（５ａ），（５ｂ） は、近値的に満たされるだけである。
【００５９】
図６には、上記原理（ｂ）に従い、パルス幅変調に基づいて重み付け関数を求める回路構成を略示した。Ｔが無安定マルチバイブレータ２０のパルス反復周期を表わすとして、
ＲＣ≫Ｔ
ならば
ｆ＝ｔ／Ｔ （８）
となる。
【００６０】
パルス幅ｔ及び、更に一般的にパルスデューティ要素は、ピラニセンサの出力信号及びＵ_ｐ （３）でそれぞれ制御される。これにより、例えば図６に示す線形重み付け関数ｆ及び１−ｆが得られる。これは、
ｔ＝ｃ′＋ｄ′Ｕ_ｐ （８ａ）
を選択して得た結果である。
【００６１】
問題に適合された他の制御ｔ＝ｔ（ｐ）も可能であることは云うまでもない（例えば、Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ及びＣｈ．Ｓｃｈｅｎｋの著作「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒ−Ｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」、 Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ （１９８８）， Ｋａｐ．１１．７ 及び１１．８を参照） 。
【００６２】
図７には、上記原理（ｅ）に基づく好ましい回路構成を示した。ピラニセンサ１を含むピラニ測定ブリッジ回路２１の出力信号ｐ_ｐ は、対数計算回路２２において対数化されたＵ_ｐ を形成する。調整可能な電源２４に於いて、ｐ→∞に対するＵ_ｐ の調整が行われ、電位差計回路２５に於いて、ｐ→∞に対する調整が行われる。
【００６３】
１０^−２ ミリバールに相当する基準値Ｕ_ｒｅｆ が供給される閾値感知ユニット２６を介して、冷陰極電離センサ３を含む冷陰極電離測定回路２８の高圧電源回路２７は、１０^−２ ミリバール以下の圧力値で作動される。出力信号Ｉ_ｋ は、「対数計算回路」２９において対数化される。「対数計算回路」２９の出力信号Ｕｋ 及び出力信号Ｕ_ｐ は、図６に関連して説明した原理に従って作用し、上記（ｆ）に従って出力信号Ｕ_Ａ がＵ_ｐ と相俟ってパルスデューティ要素ｔ／Ｔを制御する重み付け及び測定値評価回路５，７に供給される。
【００６４】
センサは、その測定回路で測定原理に固有の出力特性曲線Ｖ_ｐ ，Ｉ_ｋ を形成する。この特性曲線を圧力と対数依存関係にある信号Ｕ_ｐ ，Ｉ_ｋ に変換する態様は、ピラニ原理に関するスイス出願第０２２７８／９２号（その優先権証明書）に詳細に記述されている。尚、図７の冷陰極原理についても同様である。
【００６５】
Ｕ_ｐ 及びＵ_ｋ 曲線は、例えばガスの種類が較正ガスとは異なれば、それに応じて較正ガスの場合とは異なる曲線を画くという仮定の下に量Ｕ_ｐ 及びＵ_ｋ を破線で表わして、図７の構成で得られる測定特性曲線Ｕ_Ａ を図８に示した。
【００６６】
図９には、真空チェンバとのフランジ継手として実施した本発明に係る組合わせ測定ヘッドを略示した。冷陰極電離センサ３のプラズマ空間としての測定チェンバ３３にフランジ継手３１を介して圧力が作用する。図中、参照番号３４は、測定電流ケーブル及び高圧ケーブル３５を有する陽極端子であり、参照番号３７は陰極壁である。フェライトマグネットリング３８によってプラズマスペース３３内に必要な軸方向磁場が発生される。
【００６７】
参照番号３９は、エッジの鋭い構造が放電点弧を促進するように形成した陽極端子３４に設けた手段である。
【００６８】
陽極端子３４の位置に相当するフランジ軸線Ｒに対し偏心関係の位置にヒータコイル４５を含むピラニ測定装置４３が設けられる。冷陰極電離センサ３のための高圧電源２７（図７参照）はプリント回路板４７に設けられ、図７の２１，２２，２９に対応する測定回路は第２のプリント回路板４９に設けられ、重み付け及び出力信号評価ユニットは第３のプリント回路板５１にそれぞれ設けられる。
【００６９】
参照番号５３は、本発明の組合わせヘッドの取付けプラグであり、参照番号５４は、例えば上記した回路が配線されている各プリント回路板間の接続を略示している。
【００７０】
本発明の目的を達成するための以上説明した重み付け技術は、２個以上のセンサの組合わせにも応用することができ、これによって明確に測定できる範囲をさらに広げることができる。
即ち、
−ガス摩擦マノメータ／冷陰極電離センサ、
−ピラニ／熱陰極電離センサ、
−それぞれの測定範囲が異なる２つの膜マノメータ、
の少なくとも２組を組合わせるか、又は上述のセンサと組合わせてセンサ組合わせを構成し、明確に測定できる圧力範囲を広げることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力測定装置の一実施例を示したブロック回路図である。
【図２】図１の実施例に於いて、出力特性が中間域で加算的に異なるようなセンサに対して好ましいブロック回路図である。
【図３】図１の実施例に於いて、出力特性が中間域において乗算的に異なるようなセンサに対して好ましいブロック回路図である。
【図４】図３に示す構成の他の形態を示したブロック回路図である。
【図５】ピラニセンサ及び冷陰極電離センサの各出力信号のための重み付け及び評価ユニットの構成を示した回路図である。
【図６】重み付け関数をパルス幅変調技術により実現する構成を備えた本発明に係る圧力測定装置の回路図である。
【図７】重み付け関数をピラニセンサの出力信号だけでなく、重み付けされて組合わされた測定出力信号のフィードバックによっても制御する構成を備えた本発明に係る圧力測定装置の回路図である。
【図８】図７の圧力測定装置構成で達成される測定特性を示したグラフである。
【図９】本発明に係る測定ヘッドの簡略化した断面図である。
【符号の説明】
１，３…圧力センサ
５…重み付けユニット
７…測定値評価ユニット
２１…ピラニ測定回路
２２，２９…対数計算回路
２６…閾値感知ユニット
２７…高圧電源
３１…フランジ継手
３３…測定チャンバ
３４…陽極端子
３７…陰極壁
３８…フェライトマグネットリング
４３…ピラニ測定装置
４５…ヒーターコイル
４７，４９，５１…プリント基板

Claims (38)

1. ピラニセンサが、高圧力範囲を対象として構成され、冷陰極電離センサが、低圧力範囲を対象として構成され、両方の圧力測定範囲が中間域でオーバラップし、該ピラニセンサ及び冷陰極電離センサは、前記中間域で異なる圧力対出力信号特性を有する、異なる圧力範囲に適用されるピラニセンサ（１）及び冷陰極電離センサ（３）の出力を共通的に評価する方法において、
   ａ）前記中間域の前記出力信号特性のオフセットを一致させるために、
   ｐ_ｐ：ピラニセンサ（１）の出力信号、
   ｐ_ｋ：冷陰極電離センサ（３）の出力信号、
   ｆ：圧力ｐと共に連続的にかつ単調に変化する重み付け関数として、
   Ａ＝ｆｐ_ｐ＋（１−ｆ）ｐ_k
   で表わされる共通出力信号Ａを形成し、
   ｂ）前記中間域の前記特性の異なる勾配を一致させるために、
   Ａ＝ｐ_ｐ ^ｆ＊ｐ_k ^(1-f)
   で表わされる出力信号Ａを形成し、
   前記冷陰極電離センサ（３）の圧力範囲の上限圧及びそれ以下の範囲では重み付関数ｆを実質的に「０」に設定し、ピラニセンサの圧力範囲の下限圧以上の範囲では実質的に「１」に設定することを特徴とする方法。
2. 前記重み付け関数（ｆ）が、前記ピラニセンサ（１）の出力信号と依存関係にある信号、又はこれと前記共通出力信号Ａと依存関係にある信号との組合せによって与えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. λ＝ｅ／ｋＴ、
   ｅ＝電気素量、
   ｋ＝ボルツマン定数、
   Ｔ＝絶対温度、
   Ｕ＝ｃ＋ｄｌｏｇｐ_ｐとして、
   ｆ＝１／（ｅｘｐ（−λＵ）＋１）
   に従って重み付け関数ｆを求めることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記各信号（ｐ_ｐ，ｐ_ｋ，Ａ）をアナログ技術で処理することにより、又は、パルス幅変調による断続信号によりセンサ出力信号と依存関係の信号を共通出力とすることにより、あるいはディジタル信号処理により、重み付けを形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. ａ及びｂを定数とし、重み付け関数ｆを以下の式
   ｆ＝ｆ（ｐ_ｐ ^a＊Ａ^b）
   に従って形成することを特徴とする請求項１，２，４のいずれか１項に記載の方法。
6. ピラニ圧力センサと冷陰極電離圧力センサを具備する圧力測定装置であって、ピラニ圧力センサが高圧力範囲を対象として構成され、冷陰極電離圧力センサが低圧力範囲を対象として構成され、この圧力範囲は、中間域でオーバラップし、前記ピラニ圧力センサ及び冷陰極電離圧力センサは、前記中間域で異なる圧力対出力信号特性を有する圧力測定装置において、
   Ａ：重み付け及び評価ユニットの出力信号、
   ｐ_ｐ：ピラニセンサ（１）の出力信号、
   ｐ_k ：冷陰極電離センサ（３）の出力信号、
   ｆ：中間域にて０と１の間を連続的にかつ単調に推移する重み付け関数、として、
   前記センサ（１，３）の出力を重み付け及び評価ユニット（５，７）に伝送し、前記ユニットの出力信号Ａが、少なくとも最初の近似値において、次式
   Ａ＝ｆｐ_ｐ＋（１−ｆ）ｐ_k
   又は、
   Ａ＝ｐ_ｐ ^f＊ｐ_k ^(1-f)
   によって与えられるように構成したことを特徴とする圧力測定装置。
7. 前記重み付け及び評価ユニット（５，７）にて、前記重み付け関数（ｆ）が、一方のセンサの出力により、又は一方のセンサの出力及び前記重み付け及び評価ユニット（５，７）の出力により制御されるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記重み付け及び評価ユニットが、次式
   Ａ＝ｐ_ｐ ^f＊ｐ_k ^(1-f)
   に従って出力信号を形成することを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記重み付け及び評価ユニットが、前記両センサの出力信号をそれぞれ対数化するための対数計算ユニットを備えることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記重み付け及び評価ユニットが、前記ピラニセンサの出力信号によって制御されるバイポーラトランジスタを備え、該バイポーラトランジスタに於ける入力側のベース・エミッタ電圧と出力側のコレクタ電流との間の対数依存関係が前記重み付けに利用されるように構成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記重み付け及び評価ユニットが、パルス幅制御された前記両センサの出力信号をオーバーレイユニットにてオーバーレイするパルス幅変調回路を備え、前記パルス幅変調に於けるパルスデューティ要素が前記ピラニセンサの出力信号、又は前記ピラニセンサの出力信号及びオーバーレイユニットの出力信号によって制御されるように構成されていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記重み付けのためにトランジスタ回路，パルス幅変調ユニット，又はディジタル信号処理ユニットを設けたことを特徴とする請求項６から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 圧力媒体及び電気出力源の収容孔を有する圧力測定ヘッドに於いて、前記請求項６から１２のいずれか１項に記載の圧力測定装置を備えることを特徴とする圧力測定ヘッド。
14. 前記冷陰極電離センサはエッジの鋭い点弧電極を有することを特徴とする請求項１３に記載の圧力測定ヘッド。
15. ３個以上の圧力センサを用いることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
16. ３個以上の圧力センサを用いることを特徴とする請求項６から１２のいずれか１項に記載の装置。
17. ３個以上の圧力センサを用いることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の測定ヘッド。
18. 第１の圧力センサが高圧力範囲を対象として構成され、第２の圧力センサが低圧力範囲を対象として構成され、両方の圧力測定範囲が中間域でオーバラップし、前記第１及び第２のセンサは、前記中間域で異なる圧力対出力信号特性を有する、異なる圧力範囲での圧力測定のために構成された２個の圧力センサ（１，３）の出力信号を評価する方法において、
    ｐ_ｐ：第１のセンサ（１）の出力信号、
    ｐ_ｋ：第２のセンサ（３）の出力信号、
    ｆ：前記第２のセンサ（３）の圧力範囲の上限圧及びそれ以下の範囲では重み付関数ｆを実質的に０に設定し、前記第１のセンサの圧力範囲の下限圧以上の範囲では実質的に１に設定する重み付け関数として、
    Ａ＝ｐ_ｐ ^f＊ｐ_k ^(1-f)
    で表わされる出力信号Ａを形成して、前記中間域の前記特性の異なる傾きを一致させることを特徴とする方法。
19. 前記第１のセンサ（１）をピラニセンサで構成すると共に、前記第２のセンサを冷陰極電離センサ（３）で構成し、前記重み付け関数（ｆ）が、前記ピラニセンサ（１）の出力信号と依存関係にある信号、又はこれと共通出力信号Ａと依存関係にある信号との組合せによって与えられることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. λ＝ｅ／ｋＴ、
    ｅ＝電気素量、
    ｋ＝ボルツマン定数、
    Ｔ＝絶対温度、
    Ｕ＝ｃ＋ｄｌｏｇｐ_ｐとして、
    ｆ＝１／（ｅｘｐ（−λＵ）＋１）
    に従って重み付け関数ｆを求めることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記各信号（ｐ_ｐ，ｐ_ｋ，Ａ）をアナログ技術で処理することにより、又は、パルス幅変調による断続信号によりセンサ出力信号と依存関係の信号を共通出力とすることにより、あるいはディジタル信号処理により重み付けを形成することを特徴とする請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載の方法。
22. ａ及びｂを定数とし、重み付け関数ｆを以下の式
    ｆ＝ｆ（ｐ_ｐ ^a ＊Ａ^b）
    に従って形成することを特徴とする請求項１８，１９又は２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 第１の圧力センサが高圧力範囲を対象として構成され、第２の圧力センサが低圧力範囲を対象として構成され、この圧力範囲が中間域でオーバラップし、前記第１及び第２のセンサは、前記中間域で異なる圧力対出力信号特性を有する、２個の圧力測定センサを具備する圧力測定装置において、
    Ａ：重み付け及び評価ユニットの出力信号、
    ｐ_ｐ：第１のセンサ（１）の出力信号、
    ｐ_k ：第２のセンサ（３）の出力信号、
    ｆ：中間域にて０と１の間を連続的にかつ単調に推移する重み付け関数、として、
    前記センサ（１，３）の出力を重み付け及び評価ユニット（５，７）に伝送し、前記ユニットの出力信号Ａは、少なくとも最初の近似値において、次式
    Ａ＝ｐ_ｐ ^f＊ｐ_k ^(1-f)
    によって与えられるように構成したことを特徴とする圧力測定装置。
24. 前記重み付け及び評価ユニット（５，７）にて、前記重み付け関数（ｆ）が、一方のセンサの出力により、又は一方のセンサの出力及び前記重み付け及び評価ユニット（５，７）の出力により制御されるように構成されていることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. １つのセンサはピラニセンサ（１）であり、第２のセンサは冷陰極電離センサであることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 前記重み付け及び評価ユニットが、前記両センサの出力信号をそれぞれ対数化するための対数計算ユニットを備えることを特徴とする請求項２３から２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記重み付け及び評価ユニットが、前記ピラニセンサの出力信号によって制御されるバイポーラトランジスタを備え、該バイポーラトランジスタに於ける入力側のベース・エミッタ電圧と出力側のコレクタ電流との間の対数依存関係が前記重み付けに利用されるように構成されていることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
28. 前記重み付け及び評価ユニットが、パルス幅制御された前記両センサの出力信号をオーバーレイユニットにてオーバーレイするパルス幅変調回路を備え、前記パルス幅変調に於けるパルスデューティ要素が前記ピラニセンサの出力信号、又は前記ピラニセンサの出力信号及びオーバーレイユニットの出力信号によって制御されるように構成されていることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
29. 前記重み付けのためにトランジスタ回路，パルス幅変調ユニット，又はディジタル信号処理ユニットを設けたことを特徴とする請求項２３から２８のいずれか１項に記載の装置。
30. 圧力媒体及び電気出力源の収容孔を有する圧力測定ヘッドに於いて、前記請求項２３から２９のいずれか１項に記載の圧力測定装置を備えることを特徴とする圧力測定ヘッド。
31. 圧力測定センサ（１，３）として、ピラニセンサ、冷陰極電離センサ及びそのための測定回路を一体構造として備えることを特徴とする請求項３０に記載の圧力測定ヘッド。
32. 前記センサの内、一方のセンサ（３）がエッジの鋭い点弧電極を有する冷陰極電離センサであることを特徴とする請求項３０又は３１に記載の圧力測定ヘッド。
33. ガス摩擦マノメータ／冷陰極電離センサの組合せ、
    ピラニ／熱陰極電離センサの組合せ、
    測定範囲の異なる２つの膜マノメータの組合せ、の内、少なくともいずれか１つの組合せを使用することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
34. ガス摩擦マノメータ／冷陰極電離センサの組合せ、
    ピラニ／熱陰極電離センサの組合せ、
    測定範囲の異なる２つの膜マノメータの組合せ、の内、少なくともいすれか１つの組合せを使用することを特徴とする請求項２３に記載の装置。
35. 圧力媒体及び電気出力源の収容孔を有する圧力測定ヘッドに於いて、
    ガス摩擦マノメータ／冷陰極電離センサの組合せ、
    ピラニ／熱陰極電離センサの組合せ、
    測定範囲の異なる２つの膜マノメータの組合せ、の内、少なくともいずれか１つの組合せを使用する、前記請求項２３又は２４に記載の圧力測定装置を備えることを特徴とする圧力測定ヘッド。
36. 前記圧力測定センサとして、３つ以上の圧力センサを使用することを特徴とする請求項１８から２２のいずれか１項に記載の方法。
37. 前記圧力測定センサとして、３つ以上の圧力センサを使用することを特徴とする請求項２３から２９のいずれか１項に記載の装置。
38. 前記圧力測定センサとして、３つ以上の圧力センサを使用することを特徴とする請求項３０から３２のいずれか１項に記載の圧力測定ヘッド。

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