JP7290545B2 - ピラニ真空計 - Google Patents

Description

本発明は、ピラニ真空計に関し、より詳しくは、フィラメントへの給電開始（即ち、測定開始）直後から、気体分子の平均自由行程がフィラメント直径の１０倍の圧力（以下、「既定の圧力Ｐ_０」という）以下の圧力領域を精度よく測定できるようにしたものに関する。

この種のピラニ真空計は例えば特許文献１で知られている。このものは、真空チャンバや密閉容器などの測定対象物に装着可能な筒状のエンベロップと、エンベロップ内に設けられる線状のフィラメントと、フィラメントの周囲を囲う、フィラメントの長手方向両端が開口された金属製で円形の断面を持つ筒体と、筒体に取り付けられてその温度を測定する温度センサと、フィラメントに対する給電を制御すると共に、フィラメントの温度変化に伴う抵抗変化に基づいて気体圧力を指示する制御ユニットとを備える。

フィラメントは、制御ユニットの検出回路を構成するブリッジ回路にその一部として組み込まれ、例えば、定温度型のピラニ真空計では、ブリッジ回路の非平衡電圧が検出されると、フィラメントの抵抗（温度）が所定値に保持されるように、制御ユニットの電源回路によりブリッジ回路に対する給電電力（通電電流）をフィードバック制御してブリッジ回路の平衡を維持する。これにより、制御ユニットは、その給電電力（印加電圧）に基づいて気体圧力の指示値を得ることができる。このとき、温度センサで筒体の温度を測定し、この測定した温度を基に気体圧力の指示値を補正することで、特に１０^４Ｐａ以上の圧力（言い換えると、粘性流領域から大気圧近傍の圧力まで）にて気体圧力の変動に対する指示値の応答性が向上し、フィラメント周囲の気体温度の変動の影響を抑制して精度よく気体圧力を測定できる。

ところで、既定の圧力Ｐ_０以下の圧力領域では、フィラメントを支持している部材を介した固体熱伝導と輻射による熱エネルギーの移動とが支配的になる。このため、フィラメントに対する給電を開始し、測定を開始した当初は、筒体から、これより熱容量の大きいエンベロップに熱エネルギーの移動があり、また、エンベロップは接続される測定対象物からの熱流束の収支にも左右され、これに起因して気体圧力の指示値が不安定になるという問題がある。即ち、既定の圧力Ｐ_０以下の圧力領域では、筒体及びエンベロップの温度が所定温度に安定するまでの数十分以上の間、精度よく気体圧力の指示値が得られない。これを具体的に説明すると、既定の圧力Ｐ_０以下の圧力領域においては、輻射による熱伝導と固体熱伝導を考慮すると、単位時間あたりにフィラメントから奪われる熱量Ｑは次式１により表される。

Ｑ＝Ｉ^２Ｒ＝Ｑｇ＋Ｑｒ＋Ｑｓ・・・（式１） この場合、Ｑｇが気体分子により奪われる熱量、Ｑｒが輻射により奪われる熱量、Ｑｓが固体熱伝導により奪われる熱量、Ｉがフィラメントに流れる電流、Ｒが抵抗値である。

また、気体分子の平均自由行程λがフィラメントの直径ｄよりも十分大きい時、分子流領域での気体分子により奪われる熱量Ｑｇは次式２により表される。
Ｑｇ＝αΛＳ_１（Ｔ－Ｔ_０）ｐ・・・（式２） この場合、αが適用係数、Λが自由分子の熱伝導率、Ｓ_１がフィラメントの伝熱面積、Ｔがフィラメントの温度、Ｔ_０が筒体の温度、ｐが圧力である。
輻射により奪われる熱量Ｑｒは、次式３により表される。
Ｑｒ＝εσＳ_１（Ｔ^４－Ｔ_０ ^４）・・・（式３） この場合、εが固体の輻射率、σがステファン－ボルツマン定数である。
固体熱伝導Ｑｓにより奪われる熱量は、次式４により表される。
Ｑｓ＝λＳ_２（Ｔ－Ｔ_０）／Ｌ・・・（式４） この場合、λが固体の熱伝導率、Ｓ_２がフィラメントの断面積、Ｌが代表長さである。なお、フィラメントが螺旋状の場合には螺旋体とみなした最外径をフィラメントの直径ｄとし、これに実験的な補正係数を乗じて近似することで上記の式が利用できる。

ここで、フィラメントの温度Ｔと筒体の温度Ｔ_０が一定である条件にすると、式３、式４は定数となる。式１に式２を代入し、輻射による熱伝導と固体熱伝導で移動する熱量を供給するためだけに流れる電流をＩ_０、フィラメントの抵抗をＲとし、Ｑｒ＋ＱｓをＱ_０＝Ｉ_０ ^２Ｒとして書き換えると、Ｑ＝Ｉ^２Ｒ＝αλＳ_１（Ｔ－Ｔ_０）ｐ＋Ｉ_０ ^２Ｒとなる。そして、αΛＳ_１（Ｔ－Ｔ_０）を定数Ａとおくと、ｐ＝（Ｉ^２Ｒ－Ｉ_０ ^２Ｒ）／Ａとなる。すると、フィラメントを流れる電流Ｉを測定すれば、圧力測定ができることが判る。この場合、フィラメントの放射率εは、その材質により定まるため、既定の圧力Ｐ_０以下の圧力領域では、測定精度を高める上で筒体の温度Ｔ_０が重要となるものの、筒体は、通常、大気に接触している端子台に固定され、端子台がエンベロップに固定されている。このため、筒体の温度Ｔ_０が、フィラメントに対する給電開始からの時間経過と共にエンベロップの温度Ｔ_１との平衡した温度になる。すると、Ｔ_０の温度に加えＴ_１の温度を加味すれば、熱平衡に至るまでの間の圧力指示値の補正を行うことができることが判る。このような場合、エンベロップに、他の温度センサを更に取り付け、この測定したエンベロップの温度を基に気体圧力の指示値を補正すれば、測定開始直後（つまり、筒体の温度が安定する前）でも、気体圧力の指示値を安定して得ることができるが、これでは、部品点数が増加してコストアップを招来する。加えて、エンベロップに取り付けた温度センサの測定値は、エンベロップの熱容量に起因する時間遅れ要素を排除することが原理的に不可能であり、時間応答性の面から見た場合、気体圧力の指示値を即時に安定して得ることはできなかった。

特許第４８７８２８９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、部品点数を増加させることなく、筒体及びエンベロップの温度が所定温度に安定する前でも精度よく気体圧力を測定することができるピラニ真空計を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のピラニ真空計は、測定対象物に装着可能な筒状のエンベロップと、エンベロップ内に設けられる線状または螺旋状のフィラメントと、フィラメントの周囲を囲う、フィラメントの長手方向両端が開口された筒体と、筒体の温度を測定する温度センサと、フィラメントに対する給電を制御すると共に、フィラメントの温度変化に伴う抵抗変化に基づいて気体圧力を指示する制御ユニットとを備え、制御ユニットが、フィラメントに対する給電電力と温度センサで測定した筒体の温度とからエンベロップの温度を推測し、この推測した温度を基に、抵抗変化から検出される気体圧力の指示値を補正することを特徴とする。

本発明によれば、制御ユニットが、筒体の温度とフィラメントに投入された電力による発熱分とを演算することでエンベロップの温度を推測することができ、この推測した温度を基に、抵抗変化から検出される気体圧力の指示値を補正する構成を採用することで、エンベロップの温度を測定するための機器（温度センサ）を用いることなく、筒体及びエンベロップの温度が所定温度に安定する前でも、言い換えると、フィラメントへの給電開始（即ち、測定開始）直後から、既定の圧力Ｐ_０以下の気体圧力を精度よく測定することができる。

また、本発明においては、前記制御ユニットに、前記温度センサからの出力を直接取り込み、この取り込んだ出力値を基に気体圧力の指示値を補正する構成を採用することが好ましい。これによれば、制御ユニットの検出回路（ブリッジ回路）に影響を与えず、有利である。

本発明の実施形態のピラニ真空計の制御ユニットのブロック図。 ピラニ真空計のセンサ部の構成を説明する断面図。 フィラメントに対する給電開始から所定時間経過までにおける筒体の温度を測定したときのグラフ。 内部温度Ｔ_０に対する外部温度Ｔ_１のグラフ。 フィラメントに対する給電開始からの外部温度Ｔ_１の推測結果のグラフ。 所定圧力における内部温度Ｔ_０とフィラメントへの給電電力とから推測した外部温度Ｔ_１の推測結果のグラフ。 フィラメントへの給電開始直後からの印加電圧の変化を示すグラフ。 給電開始から所定時間経過後の外部環境温度における印加電圧の変化のグラフ。 補正後の印加電圧の経時変化を示すグラフ。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のピラニ真空計を説明する。以下において、上、下といった方向を示す用語は、測定対象物に対するピラニ真空計の装着姿勢である図１を基準にする。

図１及び図２を参照して、ＰＧは、本実施形態のピラニ真空計である。ピラニ真空計ＰＧは、センサ部Ｓｕと制御ユニットＣｕとを備え、センサ部Ｓｕは、図２に示すように、上端に取付フランジ１１を設けた円筒状のエンベロップ１を備える。エンベロップ１の下端は、端子台２により気密に閉塞されている。端子台２には、相互に電気的に絶縁させ且つ気密保持させて複数本の接続端子３ａ～３ｅが貫装されている。端子台２は、所謂ハーメチックシールで構成することができる。

エンベロップ１内には、接続端子３ａ（図２中、最左側）に支持させて上下方向に長手のフィラメントサポート４が設けられている。フィラメントサポート４は、上端をエンベロップ１の内方に向けて屈曲させた金属製の棒状または板状の部材で構成される。そして、フィラメントサポート４上端の屈曲部分４１と接続端子３ｂとの間に線状のフィラメント５が架設されている。フィラメント５としては、線径がφ２５μｍ程度の白金などの金属製線材が用いられる。また、フィラメント５の周囲には、接続端子３ｃに支持させて、且つ、フィラメント５を囲むようにして上下両端が開口された円形の断面を持つ筒体６が設けられている。この場合、筒体６は、熱伝導性に優れた例えば金属材料から構成され、フィラメント５の長さの８０％以上を覆うように定寸されている。筒体６の外表面には、熱電対等で構成される温度センサ７が取り付けられ、接続端子３ｄ，３ｅを介して出力できるようになっている。

一方、制御ユニットＣｕは、図示省略の給電回路を有する制御部Ｃｐと、フィラメント５が一部に組み込まれる検出回路Ｄｐを備える。検出回路Ｄｐは、増幅器（ＯＰアンプ）８ａと、フィラメント５と共にブリッジ回路を構成する３個の抵抗８ｂ～８ｄとを備え、制御部Ｃｐの給電回路を介してフィラメント５に所定電力（例えば、５Ｖ）が供給されると共に、増幅器（ＯＰアンプ）８ａ駆動用の電圧（例えば、１５Ｖ）が供給されるようになっている。なお、フィラメント５の温度変化に伴う抵抗変化から気体圧力を得る方法は、公知のものであるため、ここでは、検出回路Ｄｐの具体的構成を含め、これ以上の説明は省略する。

ところで、上記構成のピラニ真空計ＰＧでは、フィラメント５に対する給電を開始し、測定を開始した当初は、筒体６から、これより熱容量の大きいエンベロップ１に熱エネルギーの移動があるので、既定の圧力Ｐ_０以下の圧力領域では、筒体６及びエンベロップ１の温度が所定温度に安定するまでの数十分以上の間、精度よく気体圧力の指示値が得られない（なお、既定の圧力Ｐ_０は、一般に広く利用されるピラニ真空計の場合、気体分子の平均自由行程がフィラメントの直径２５×１０^－６ｍの１０倍程度になる圧力、即ち、窒素ガス、３００Ｋにて２７．２Ｐａとなる）。このため、筒体６及びエンベロップ１の温度が所定温度に安定する前でも精度よく気体圧力を測定することができるように構成しておくことが好ましい。本発明の実施形態では、制御ユニットＣｕの制御部Ｃｐに、温度センサ（以下、「内部温度センサ」ともいう）７からの出力を直接取り込み、この取り込んだ値からエンベロップ１の温度を推測し、気体圧力の指示値を補正するように構成した。以下に、気体圧力の指示値の補正につき、具体的に説明する。

先ず、上記ピラニ真空計ＰＧとして定温度型のものを用い、フィラメント５に対する給電開始（即ち、測定開始）から所定時間（２０分）経過までにおける室温からの筒体６の温度Ｔ_０を測定し、その結果を図３に示す。これによれば、時間の経過と共に、フィラメント５に対する給電電力は低下し、その後、一定の値を示す一方で、筒体６の温度Ｔ_０は、測定開始直後から温度が上昇し、その後、一定の値を示すようになる。このとき、エンベロップ１の外表面（大気と接する面）にも他の温度センサ（以下、「外部温度センサ」ともいう）を取り付けてその外部温度Ｔ_１を測定し、筒体６の温度Ｔ_０（以下、「内部温度Ｔ_０」ともいう」を横軸に、外部温度Ｔ_１を縦軸に取ったときの近似したグラフを図４に示す。これによれば、外部温度Ｔ_１が、内部温度Ｔ_０に対して略正比例して上昇していることが判る。

以上を考慮して、温度センサ７からの出力からエンベロップ１の温度Ｔ_１の推測を次式５により行った。
Ｔ_１＝ＡＴ_０＋ＢＥ＋Ｃ・・・（式５） この場合、Ａは、図４における内部温度Ｔ_０に対する外部温度Ｔ_１の傾きである。また、ピラニ真空計ＰＧの原理から圧力値に正比例してフィラメント５への投入電力Ｅが大きくなり、これに応じて、フィラメント５の周囲に位置する筒体６の温度Ｔ_０も上昇するので、Ｂは、圧力変動による温度Ｔ_０の温度変動を相殺するためにフィラメント５に対する投入電力Ｅにかける係数、Ｃは、調整のための定数とした。そして、フィラメント５に対する給電開始（即ち、測定開始）から所定時間経過までに外部温度Ｔ_１を実際に推測した結果を図５に示す。これによれば、給電開始直後から安定した外部温度Ｔ_１の推測が可能であることが判る。

次に、１０^－２Ｐａから大気圧（１０^５Ｐａ）までの各所定圧力にて、筒体６の温度Ｔ_０とフィラメント５への給電電力とからエンベロップ１の温度Ｔ_１を推測（算出）したときの結果を図６に示す。このとき、測定対象物を恒温槽とし、槽内を０℃、＋２５℃、＋５０℃に夫々設定し、十分に温度平衡に達した後に測定を開始している。これによれば、いずれの圧力においても恒温槽温度（外部環境温度）を良く再現していることが判る。更に、外部環境温度に対するブリッジ電圧の変動値を予め考慮するために、＋１０℃、＋２５℃、＋４０℃の環境に温度平衡に達するまでピラニ真空計ＰＧを放置し、フィラメント５への給電開始直後からの印加電圧を測定し、その結果を図７に示す。これによれば、給電開始直後から印加電圧は低下しはじめ、１０分前後経過後から安定した値になることが判る。また、外部環境温度が高ければ印加電圧は低い値に、外部環境温度が低ければ印加電圧は高い値になる。また、０、１０、２０分経過後の各外部環境温度における印加電圧の変化を測定し、その結果を図８に示す。これによれば、それぞれの経過時間後にて、温度を変化させると印加電圧は直線にのることが判り、温度に反比例していることが判る。同時に１０分以内に安定した指示値を示していることが判る。この外部環境温度差によるブリッジ電圧の変化を補正するために、Ｔ_１を用いて補正を行っている。補正前の印加電圧をＶ_０、補正後の印加電圧をＶ_１、Ｄを定数とすると、補正後の印加電圧Ｖ_１は、次式６で求められる。
Ｖ_１＝Ｖ_０×（１＋Ｄ×Ｔ_１）・・・（式６）

補正後の印加電圧Ｖ_１の経時変化を示したグラフを図９に示す。外部温度が高ければ、補正後の印加電圧Ｖ_１は高い値に、外部温度が低ければ補正後の印加電圧Ｖ_１は低い値になることが判る。これにより、上記図３の温度Ｔ_０の測定値の変化に近似し、予め用意した圧力換算テーブルを推測温度Ｔ_１の値を用いてシフトさせれば、再現良い圧力値へ変換が可能になる。

以上の実施形態によれば、制御ユニットＣｕが、筒体６の温度Ｔ_０とフィラメント５に投入された電力Ｅによる発熱分とを演算することでエンベロップ１の温度Ｔ_１を推測することができ、この推測した温度Ｔ_１を基に、抵抗変化から検出される気体圧力の指示値を補正する構成を採用することで、エンベロップ１の温度Ｔ_１を測定するための機器（温度センサ）を用いることなく、筒体６の温度Ｔ_０が所定温度に安定する前でも、言い換えると、フィラメント５への給電開始（即ち、測定開始）直後から、既定の圧力Ｐ_０以下の圧力を精度よく測定することができる。また、制御ユニットＣｕに、温度センサ７からの出力を直接取り込み、この取り込んだ出力値を基に気体圧力の指示値を補正する構成を採用することで、制御ユニットＣｕの検出回路Ｄｐ（ブリッジ回路）に影響を与えず、有利である。また、上記ピラニ真空計ＰＧは、エンベロップ１の温度、ひいては、エンベロップ１が装着される測定対象物の温度も推測できるため、測定対象物の壁面温度を測定し、出力する機能も持つことが可能と判る。更に、本実施形態のピラニ真空計ＰＧを用いることで、測定精度保証は、５×１０^－２Ｐａ～１×１０^－１Ｐａの圧力範囲で±２０％、１×１０^－１Ｐａ～１×１０^４Ｐａの圧力範囲で±１０％、１×１０^４Ｐａ～１×１０^５Ｐａの圧力範囲で±２０％とでき、産業に資する手法となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、ピラニ真空計ＰＧとして定温度型のものを例に説明したが、定電圧（定電流）型のものであってもよく、また、フィラメント５としては、線状のものの他、螺旋状のものであってもよい。更に、大気圧より低い圧力を測定する当初（測定開始当初）に、外部温度が圧力測定に影響を与える真空計であれば、本発明は広く適用でき、このような真空計としては、熱電対真空計、サーミスタ真空計やバイメタル真空計が挙げられる。

Ｃｕ…制御ユニット、ＰＧ…ピラニ真空計、Ｔ_０…筒体６の温度、Ｔ_１…エンベロップ１の温度、１…エンベロップ、５…フィラメント、６…筒体、７…温度センサ。

Claims (2)

1. 測定対象物に装着可能な筒状のエンベロップと、エンベロップ内に設けられる線状または螺旋状のフィラメントと、フィラメントの周囲を囲う、フィラメントの長手方向両端が開口された筒体と、筒体の温度を測定する温度センサと、フィラメントに対する給電を制御すると共に、フィラメントの温度変化に伴う抵抗変化に基づいて気体圧力を指示する制御ユニットとを備えるピラニ真空計において、
   制御ユニットが、フィラメントに対する給電電力と温度センサで測定した筒体の温度とからエンベロップの温度を推測し、この推測した温度を基に、抵抗変化から検出される気体圧力の指示値を補正することを特徴とするピラニ真空計。
2. 前記制御ユニットに、前記温度センサからの出力を直接取り込み、この取り込んだ出力値を基に気体圧力の指示値を補正するように構成したことを特徴とする請求項１記載のピラニ真空計。

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