JPH0374934B2 - - Google Patents
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
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Description
【発明の詳細な説明】
〔工業上の利用分野〕
本発明は水晶振動子を利用して、その周囲の気
体圧力を測る気体圧力測定装置に関するものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a gas pressure measuring device that uses a crystal resonator to measure the gas pressure around the crystal resonator.
大気圧から10-3トール(Torr)迄の気体圧力
を1つのセンサで連続的に測りたいという工業的
要求には根強いものがある。
There is a strong industrial need to continuously measure gas pressure from atmospheric pressure to 10 -3 Torr with a single sensor.
水晶振動子の共振周波数が、その周囲気体の圧
力が低くなるにつれ増加するという現象を利用し
た水晶式気体圧力計は、ある程度前記の工業的要
求に答えるものであるが、測定下限が10トール程
度であるという大きな欠点を有している。又、熱
伝導型真空計、例えばピラニ真空計では測定下限
が10-4〜10-3トールであるが、測定上限が10トー
ル程度であり、これも前記水晶式気体圧力計と同
様の欠点を有している。 Quartz crystal gas pressure gauges, which utilize the phenomenon that the resonant frequency of a crystal oscillator increases as the pressure of the surrounding gas decreases, meet the above industrial requirements to some extent, but the lower measurement limit is around 10 Torr. It has the major drawback of being. In addition, thermal conduction type vacuum gauges, such as Pirani vacuum gauges, have a lower measurement limit of 10 -4 to 10 -3 Torr, but an upper measurement limit of about 10 Torr, which also has the same drawbacks as the crystal gas pressure gauge. have.
一方、水晶振動子の共振抵抗が、その周囲気体
の圧力に広い範囲で依存性を有することが、最近
明らかとなり、それを利用すれば、大気圧から
10-3トールまで1つのセンサで連続的に測定可能
な気体圧力計が実現できることが明らかとなつ
た。これは、例えば、月刊誌「計装」,1984年,
Vol.27,No.7「水晶振動子を使つた超小型真空セ
ンサの開発」の項に開示されている。 On the other hand, it has recently become clear that the resonant resistance of a crystal resonator depends on the pressure of the surrounding gas over a wide range.
It has become clear that it is possible to realize a gas pressure gauge that can continuously measure up to 10 -3 Torr with a single sensor. For example, the monthly magazine "Insou", 1984,
It is disclosed in Vol. 27, No. 7 "Development of ultra-compact vacuum sensor using crystal oscillator".
次に、水晶振動子の共振抵抗の圧力依存性を利
用した気体圧力計の動作原理を図面によつて説明
する。 Next, the operating principle of a gas pressure gauge that utilizes the pressure dependence of the resonance resistance of a crystal oscillator will be explained with reference to the drawings.
第1図は気体圧力と水晶振動子の特性値(共振
抵抗値と共振電流、共振周波数)の関係を示す図
である。共振周波数は気体の圧力が10トールを越
えると変化し始めるが、気体の圧力が10トール未
満では気体圧力に対する感度はほとんど零であ
る。一方、水晶振動子の共振抵抗は大気圧から
10-3トールまで、気体圧力に対して感度を有して
いる。この水晶振動を定電圧駆動すれば、同図に
おいてioで示すような共振電流一気体圧力曲線が
えられる。それは、前記共振抵抗値と同様に大気
圧から10-3トールまで気体圧力に対する感度を有
する。従つて、測定の容易さの点から、共振抵抗
値を測るよりは共振電流(又は共振電圧)を測る
方が良い。 FIG. 1 is a diagram showing the relationship between gas pressure and characteristic values of a crystal resonator (resonant resistance value, resonant current, and resonant frequency). The resonant frequency begins to change when the gas pressure exceeds 10 Torr, but the sensitivity to gas pressure is almost zero when the gas pressure is less than 10 Torr. On the other hand, the resonant resistance of a crystal resonator is
Sensitive to gas pressures up to 10 -3 Torr. If this crystal vibration is driven at a constant voltage, a resonance current-gas pressure curve as shown by io in the figure can be obtained. It has a sensitivity to gas pressure from atmospheric pressure to 10 -3 Torr as well as the resonant resistance. Therefore, in terms of ease of measurement, it is better to measure the resonant current (or resonant voltage) than to measure the resonant resistance value.
第2図は、本発明の対象である水晶式気体圧力
計の電子回路ブロツク図である。大きくは、
PLL回路部と、表示変換回路部と、表示部とか
ら構成される。前記PLL回路部は、電圧又は電
流によつて制御される周波数可変発振器1、水晶
振動子5の共振電流を電圧として増幅する増幅器
2、前記増幅器2の出力信号と前記周波数可変発
振器1の出力信号との位相を比較しその位相差に
比例する信号を出力する位相比較器3と、前記位
相比較器3のパルス状出力信号を直流電圧に直す
低域波器4とから成る。前記低域波器4の出
力電圧は前記周波数可変発振器1の発振周波数を
制御する。圧力センサである前記水晶振動子5
は、前記周波数可変発振器1の出力端子と前記増
幅器2の入力端子に接続される。PLL回路の動
作原理は既に広く知られているので、ここでは省
略するが前記周波数可変発振器1の発振周波数
は、前記周波数可変発振器1の出力信号即ち前記
水晶振動子5の駆動電圧と、前記増幅器2の出力
信号即ち前記水晶振動子5を流れる電流との位相
差が零になるように常に制御されている。即ち、
前記水晶振動子5は常に、それ自身の共振周波数
にて駆動されていることであり、水晶式気体圧力
計を実用化する上で重要な意味をもつ。というの
は、第1図に示すように、水晶振動子の共振周波
数は気体圧力によつて変化するからである。次に
表示変換回路部は、前記増幅器2の信号を更に増
幅する主増幅器6、前記主増幅器6の出力信号を
直流にする整流器7、前記整流器7の出力電圧の
極性を反転するインバータ8、及び前記インバー
タ8の出力電圧にバイアスをかけるためのバツフ
ア9とから成る。前記バイアス量は可変抵抗器9
aによつて任意に変えることができる。表示部
は、気体圧力をデジタル的に、又は、アナログ的
に表示する部分で、本例ではメータ10により構
成されていて前記メータ10の振れ角から気体圧
力を読み取るものである。 FIG. 2 is a block diagram of an electronic circuit of a quartz crystal gas pressure gauge, which is the object of the present invention. Broadly speaking,
It is composed of a PLL circuit section, a display conversion circuit section, and a display section. The PLL circuit unit includes a variable frequency oscillator 1 controlled by voltage or current, an amplifier 2 that amplifies the resonant current of the crystal oscillator 5 as a voltage, an output signal of the amplifier 2 and an output signal of the variable frequency oscillator 1. It consists of a phase comparator 3 which compares the phases of the two and outputs a signal proportional to the phase difference, and a low frequency converter 4 which converts the pulsed output signal of the phase comparator 3 into a DC voltage. The output voltage of the low frequency generator 4 controls the oscillation frequency of the variable frequency oscillator 1. The crystal resonator 5 which is a pressure sensor
is connected to the output terminal of the variable frequency oscillator 1 and the input terminal of the amplifier 2. The operating principle of the PLL circuit is already widely known, so it will not be described here, but the oscillation frequency of the variable frequency oscillator 1 is determined by the output signal of the variable frequency oscillator 1, that is, the driving voltage of the crystal resonator 5, and the amplifier. It is always controlled so that the phase difference with the output signal of No. 2, that is, the current flowing through the crystal resonator 5, is zero. That is,
The crystal resonator 5 is always driven at its own resonant frequency, which has an important meaning in putting the crystal gas pressure gauge into practical use. This is because, as shown in FIG. 1, the resonant frequency of the crystal resonator changes depending on the gas pressure. Next, the display conversion circuit section includes a main amplifier 6 that further amplifies the signal of the amplifier 2, a rectifier 7 that converts the output signal of the main amplifier 6 into DC, an inverter 8 that inverts the polarity of the output voltage of the rectifier 7, and and a buffer 9 for biasing the output voltage of the inverter 8. The bias amount is determined by the variable resistor 9.
can be arbitrarily changed depending on a. The display section is a section that displays the gas pressure digitally or analogously, and in this example, it is constituted by a meter 10, and the gas pressure is read from the deflection angle of the meter 10.
前記水晶振動子の共振電流の圧力特性は第1図
に示すように、周囲気体の圧力が低下するに従が
つて共振電流が増加するので、電圧として増幅
し、直流になおし、そのままメータを駆動すると
圧力が低下するに従がいメータの振れ角が増加
し、常識に反する表示になる。そこで、前記イン
バータ8によつて、前記直流電圧の極性を反転
し、更に前記バツフア9によつてバイアス電圧を
加えることにより、第3図に示すようなメータ駆
動電圧を得ることができる。第3図の例では、大
気圧においてメータ駆動電圧が10Vになるように
前記バイアス量が調整されている。このようにし
て、大気圧においてメータの針が完全に振れ、低
圧になるに従つてメータの振れ角を減小する通常
の圧力表示を得ることができる。 The pressure characteristics of the resonant current of the crystal resonator are shown in Figure 1. As the pressure of the surrounding gas decreases, the resonant current increases, so it is amplified as a voltage, converted to direct current, and directly drives the meter. As the pressure decreases, the deflection angle of the follower meter increases, resulting in an unconventional reading. Therefore, by inverting the polarity of the DC voltage using the inverter 8 and applying a bias voltage using the buffer 9, a meter driving voltage as shown in FIG. 3 can be obtained. In the example of FIG. 3, the bias amount is adjusted so that the meter drive voltage is 10V at atmospheric pressure. In this way, a normal pressure display can be obtained in which the meter needle swings completely at atmospheric pressure and the swing angle of the meter decreases as the pressure decreases.
しかしながら、水晶振動子の共振抵抗の圧力依
存性を利用する前述の従来構成による水晶式気体
圧力計においては、前記周波数可変発振器が前記
水晶振動子5の共振周波数で規制されていない
時、即ち前記PLL回路部が非同期状態にある状
態では前記整流器7の出力電圧はほぼ零ボルトに
なり、前記メータ10の振れ角はフルスケールを
上まわり、あたかも、気体圧力が大気圧をこえて
いるように見える。このように、従来構成による
水晶式気体圧力計においては、PLL回路部が必
同期状態になると、メータの指示が大気圧以上を
示し、誤つた指示を観測者に与えてしまうという
実用上重要な欠点があつた。
However, in the crystal gas pressure gauge with the above-described conventional configuration that utilizes the pressure dependence of the resonance resistance of the crystal oscillator, when the variable frequency oscillator is not regulated by the resonance frequency of the crystal oscillator 5, When the PLL circuit is in an asynchronous state, the output voltage of the rectifier 7 is approximately zero volts, and the swing angle of the meter 10 exceeds the full scale, making it appear as if the gas pressure exceeds atmospheric pressure. . In this way, in a crystal gas pressure gauge with a conventional configuration, when the PLL circuit section enters the required synchronization state, the meter reading indicates a pressure higher than atmospheric pressure, which is a practically important problem in that it gives an incorrect reading to the observer. There were flaws.
本発明は上記の事情に鑑み為されたもので、前
記整流器7の出力電圧を検出し前記PLL回路部
が非同期状態にあるが、又は同期状態にあるかを
表示することによつて、前述の従来技術の欠点を
解決する手段を提供するものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and detects the output voltage of the rectifier 7 and displays whether the PLL circuit section is in an asynchronous state or a synchronous state. It provides a means to overcome the shortcomings of the prior art.
以下、本発明を図によつて説明する。第4図は
本発明の実施例を示す図である。前記整流回路7
の出力の一部はコンパレータ11の正入力端子に
印加される。比較すべき基準電圧は抵抗器12と
13とによりプラス側電源電圧(+V)を分割す
ることによつて得られる。コンデンサ14は、前
記基準電圧を安定化するためにつけられる。具体
的には、前記基準電圧は雑音に対する余裕度を考
慮して約60ミリボルトに設定される。因みに、前
記PLL回路部が非同期状態の時、前記整流器7
の出力電圧は約2mVである。又、前記PLL回路
部が同期状態にあり、かつ、水晶振動子5の周囲
気体の圧力が大気圧の時、前記整流器7の出力電
圧は約400ミリボルトである。従つて前記コンパ
レータ11の基準電圧が約60ミリボルトであるこ
とは誤動作を起す確率は非常に小さい。15,1
6,20は抵抗器で抵抗器15,16はトランジ
スタ18のベース電流をきめる。又、抵抗器20
はフオト・ダイオード19に流れる電流を制限す
る。ダイオード17は、前記トランジスタ18の
ベースに過大な負電圧がかからないようにする保
護用ダイオードである。次に、本実施例の動作を
説明する。前記PLL回路部が同期状態にある時
は、前記整流器の出力電圧は少なくとも400ミリ
ボルトあるので、前記コンパレータ11の出力電
圧はプラス電源電圧レベルにある。従つて、前記
トランジスタ18はON状態にあり、前記フオ
ト・ダイオードには順方向の電流が流れ点灯す
る。この時、前記メータ10の針の振れ角はフル
スケールを越えないことは言うまでもない。もし
も、前記水晶振動子5の周囲の気体圧力が大気圧
を越えた場合、例えば、周囲の気体圧力が2気圧
になつても、前記整流器7の出力電圧は100ミリ
ボルト以上あるので、前記フオト・ダイオードは
点灯状態にある。この時、前記メータ10の針は
フルスケールを越えているが、前記フオト・ダイ
オードが点灯しているので、前記水晶振動子5の
周囲気体の圧力が大気圧以上であるということが
分かる。次に、前記PLL回路部が何らかの原因
で同期から外れ、非同期状態になつていると、前
記整流器7の出力電圧は約2ミリボルト程度に低
下するので、前記コンパレータ11の出力電圧は
マイナス電源電圧になる。すると、前記トランジ
スタ18はOFF状態になり前記フオト・ダイオ
ード19は消灯状態になる。この時、前記メータ
10の針はフルスケールを越えているが、前記フ
オト・ダイオード19が消灯しているので、前記
メータ10の針は何ら気体圧力を示していないこ
とが分かる。このように、前記フオト・ダイオー
ド19の点灯/消灯によつて、本水晶式気体圧力
計が実際に気体圧力を計測しているのか、計測し
ていないのかを、容易に知ることができるのであ
る。
Hereinafter, the present invention will be explained with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of the present invention. The rectifier circuit 7
A part of the output of is applied to the positive input terminal of the comparator 11. The reference voltage to be compared is obtained by dividing the positive power supply voltage (+V) by resistors 12 and 13. A capacitor 14 is provided to stabilize the reference voltage. Specifically, the reference voltage is set to about 60 millivolts in consideration of noise margin. Incidentally, when the PLL circuit section is in an asynchronous state, the rectifier 7
The output voltage of is about 2mV. Further, when the PLL circuit section is in a synchronous state and the pressure of the gas surrounding the crystal oscillator 5 is atmospheric pressure, the output voltage of the rectifier 7 is about 400 millivolts. Therefore, since the reference voltage of the comparator 11 is approximately 60 millivolts, the probability of malfunction occurring is extremely small. 15,1
6 and 20 are resistors, and resistors 15 and 16 determine the base current of the transistor 18. Also, resistor 20
limits the current flowing through photo diode 19. The diode 17 is a protection diode that prevents excessive negative voltage from being applied to the base of the transistor 18. Next, the operation of this embodiment will be explained. When the PLL circuit is in a synchronous state, the output voltage of the rectifier is at least 400 millivolts, so the output voltage of the comparator 11 is at the positive supply voltage level. Therefore, the transistor 18 is in the ON state, and a forward current flows through the photo diode, lighting it up. At this time, it goes without saying that the deflection angle of the needle of the meter 10 does not exceed the full scale. If the gas pressure around the crystal oscillator 5 exceeds atmospheric pressure, for example, even if the surrounding gas pressure becomes 2 atmospheres, the output voltage of the rectifier 7 will be 100 millivolts or more, so the photo The diode is in the lit state. At this time, the needle of the meter 10 exceeds the full scale, but since the photo diode is lit, it can be seen that the pressure of the gas surrounding the crystal resonator 5 is higher than atmospheric pressure. Next, if the PLL circuit section is out of synchronization for some reason and is in an asynchronous state, the output voltage of the rectifier 7 will drop to about 2 millivolts, so the output voltage of the comparator 11 will become the negative power supply voltage. Become. Then, the transistor 18 is turned off and the photo diode 19 is turned off. At this time, the needle of the meter 10 exceeds the full scale, but since the photo diode 19 is off, it can be seen that the needle of the meter 10 does not indicate any gas pressure. In this way, by turning on/off the photo diode 19, it is possible to easily know whether the crystal gas pressure gauge is actually measuring gas pressure or not. .
第5図は、本発明の他の実施例である。前記コ
ンパレータ11が前記フオト・ダイオード19を
十分に駆動する能力があれば、前記抵抗器15と
前記フオトダイオード19を直接に前記コンパレ
ータ11の出力端子に接続することによつて、前
記フオト・ダイオード19を点灯/消灯すること
ができる。 FIG. 5 shows another embodiment of the invention. If the comparator 11 has sufficient ability to drive the photo diode 19, the photo diode 19 can be driven by connecting the resistor 15 and the photo diode 19 directly to the output terminal of the comparator 11. can be turned on/off.
又、本発明の実施例には記載しなかつたが、前
記コンパレータ11の代わりに、トランジスタな
どにより構成された他の電圧比較器を使用しても
本発明の実施例と同等の効果を有することは明白
である。又、前記フオト・ダイオード19の代わ
りに通常のランプを使つても同様の効果を有す
る。 Furthermore, although not described in the embodiments of the present invention, the same effect as in the embodiments of the present invention can be obtained even if another voltage comparator constituted by a transistor or the like is used instead of the comparator 11. is obvious. Furthermore, the same effect can be obtained even if a normal lamp is used in place of the photo diode 19.
以上述べてきたように、本発明によれば、わず
かの素子を使用することにより、水晶式気体圧力
測定装置が測定状態にあるか否かが容易に判断が
でき、間違いのない測定をすることができる。又
構成要素が少ないので、信頼性が高く、製造原価
をそれ程高めない、などの効果を有する。
As described above, according to the present invention, by using a small number of elements, it is possible to easily determine whether or not the crystal gas pressure measuring device is in the measurement state, and to perform error-free measurements. I can do it. In addition, since there are fewer components, reliability is high and manufacturing costs do not increase significantly.
第1図は水晶振動子の特性値(共振抵抗、共振
電流、共振周波数)と周囲気体圧力との関係を示
す図、第2図は本発明の水晶式気体圧力計の電子
回路ブロツク図、第3図はメータ駆動電圧と周囲
気体圧力との関係を示す図、第4図は本発明の実
施例、第5図は本発明の他の実施例である。
1…周波数可変発振器、2…増幅器、3…位相
比較器、4…低域波器、5…水晶振動子、6…
主増幅器、7…整流器、8…インバータ、9…バ
ツフア、10…メータ、11…コンパレータ、1
2,13,15,16,20…抵抗器、14…コ
ンデンサ、17…ダイオード、18…トランジス
タ、19…フオト・ダイオード。
Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the characteristic values of the crystal resonator (resonant resistance, resonant current, resonant frequency) and the ambient gas pressure; Fig. 2 is a block diagram of the electronic circuit of the crystal gas pressure gauge of the present invention; FIG. 3 is a diagram showing the relationship between meter drive voltage and ambient gas pressure, FIG. 4 is an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is another embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Frequency variable oscillator, 2... Amplifier, 3... Phase comparator, 4... Low frequency device, 5... Crystal resonator, 6...
Main amplifier, 7... Rectifier, 8... Inverter, 9... Buffer, 10... Meter, 11... Comparator, 1
2, 13, 15, 16, 20...Resistor, 14...Capacitor, 17...Diode, 18...Transistor, 19...Photo diode.
Claims (1)
波器、増幅器より成るフエーズ・ロツクド・ルー
プ回路(PLL回路)部と、前記周波数可変発振
器に接続された水晶振動子と、前記PLL回路部
に接続された表示変換回路部と、前記表示変換回
路部に接続された表示部とを有し、前記水晶振動
子の共振抵抗値、又は共振電流値、又は共振電圧
値から、前記水晶振動子の周囲気体の圧力を測定
する水晶式気体圧力計において、 前記水晶振動子の共振電流値に対応する電圧値
と、前記PLL回路部の同期・非同期状態を区別
するための基準直流電圧値とを比較する比較器、
および前記比較器の出力電圧によつて駆動される
表示器とから構成されることを特徴とする水晶式
気体圧力計。[Scope of Claims] 1. A phase locked loop circuit (PLL circuit) section consisting of a variable frequency oscillator, a phase comparator, a low-pass wave generator, and an amplifier, and a crystal resonator connected to the variable frequency oscillator; It has a display conversion circuit unit connected to the PLL circuit unit, and a display unit connected to the display conversion circuit unit, and from the resonant resistance value, resonant current value, or resonant voltage value of the crystal resonator, In a crystal gas pressure gauge that measures the pressure of gas surrounding the crystal oscillator, a voltage value corresponding to a resonance current value of the crystal oscillator and a reference direct current for distinguishing between synchronous and asynchronous states of the PLL circuit section are provided. A comparator that compares the voltage value with
and a display driven by the output voltage of the comparator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20757784A JPS6184536A (en) | 1984-10-03 | 1984-10-03 | Crystal type gas manometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20757784A JPS6184536A (en) | 1984-10-03 | 1984-10-03 | Crystal type gas manometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6184536A JPS6184536A (en) | 1986-04-30 |
JPH0374934B2 true JPH0374934B2 (en) | 1991-11-28 |
Family
ID=16542057
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20757784A Granted JPS6184536A (en) | 1984-10-03 | 1984-10-03 | Crystal type gas manometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6184536A (en) |
-
1984
- 1984-10-03 JP JP20757784A patent/JPS6184536A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6184536A (en) | 1986-04-30 |
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