JPS5815050B2 - ピラニ真空計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、外気温度の変動により生ずる出力変動に対
応して、これを補償する回路を組込むことにより、外気
温度の影響をなくし、精度の向上および測定範囲の拡大
をはかったピラニ真空計に関するものである。

一般に大気圧以下の圧力を測定する計器を真空計と呼び
、その測定方法、測定圧力範囲等において種々の真空計
が考案され、使用されている。

その中で、この発明の対象であるピラニ真空計は、気体
の熱伝導を利用した真空計である。

この熱伝導形真空計は、一般に構造が簡単であり、かつ
取扱いが容易であるが、一方、外気温度および／または
その他の外部の熱的条件の影響を受は易く、これが測定
精度および測定圧力範囲を制限する最大の原因となって
いる。

しかし、これら熱伝導形真空計は、測定圧力を電気的に
測定できることから工業的に広く利用されている。

通常のピラニ真空計の測定圧力範囲としては、５０〜１
×１１０−３１ｎｒＩＬＨ程度とされ、また、その測定
精度は一般に１０係以上の誤差を含んでいるといわれて
いる。

また、１０−４ｍｍＨｇ程度の圧力条件下においても十
分な感度を有しているものの外部の熱的変動に伴う誤差
のため、このような低圧においては測定値に対する信頼
性が乏しいのが実情である。

したがって、ピラニ真空計を用いて精度の高い測定を行
うためには外気温度を厳密にコントロールしなければな
らない。

この点について、従来のピラニ真空計のうち、定温度形
のものについて第１図により説明する。

第１図において、Ｐはピラニ管球で、タングステン、白
金、ニッケルなどの抵抗温度係数が大きい金属のフィラ
メントを用いた感圧素子と、これを囲む外囲器とからな
る。

Ｄは抵抗器であるが、定電圧形、定電流形においては外
気温度を補償するためにピラニ管球Ｐと同形で一定圧力
番こ封止した補償管を外囲器として用いる。

Ｒ，、Ｒ２は抵抗器、Ｒ８は測定出力取出用の抵抗器、
ＶＲは可変抵抗器、Ａは電流計、Ｍは微小電圧計、ａ、
ｂは測定端子、Ｅは電源を示す。

ピラニ管球Ｐ、抵抗器Ｄ 、 Ｒ１，Ｒ２からなるブリ
ッジ回路に電源Ｅから電流を供給することにより、ピラ
ニ管球Ｐのフィラメントが加熱され、外囲器温度よりも
数１０〜数１００℃高い温度に保つように可変抵抗器Ｖ
Ｒを用いて調整し、かつブリッジ回路を平衡させる。

このとき電流計Ａには電流■が流れ、これが測定出力取
出用の抵抗器Ｒ８１Ｌこも流れるので、この両端には、
Ｅ＝ＩＲｓなる電位差を生ずる。

なお、抵抗器Ｒｓとしては通常抵抗値が外気温度の影響
をほとんど受けないセ料が用いられる。

上記の電位差を測定出力として測定端子ａ、ｂから取出
し記録すれば、その時Ｃ圧力を知ることができる。

その結果の一例を第２図に曲線Ｌ１として示す。

ところで、ピラニ真空計はその原理から外気調度等に影
響されることはあきらかであるが、本発明者はこの外気
温度の変化と出力の変化との開扉を詳細に調査した。

その一例を示すのが第３図である。

第３図はクーラーの自動調節により室温が白組ＲＴに示
すように変化すると、それに対応してピラニ真空計の出
力も曲線■Ｐのように変化している。

さらに温度変化による出力変化を第２図に加えて示すと
、温度変化±ΔＴに応じ曲線Ｌ２．Ｌ３のようになる。

上記の結果から下記のことが判明した。

■ 温度が高い方向に変化すると測定出力は小さくなる
方向に変化し、温度が低い方向に変化すると測定出力は
大きくなる方向に変化する。

■ 変化量は出力の増加と共に増加し、その関係は直線
的であるか、または近似的に直線と見なすことができる
。

上記■、■の結果を第４図に示す。

第４図では横軸に出力電圧Ｅを、縦軸に温度変化率λを
とっである。

この発明は上記の知見に基づきなされたもので温度変化
によって測定出力が変動しないように温度補償回路を設
けたものである。

以下この発明について説明する。

第５図はこの発明の一実施例を示すものである１この図
において、Ｔｈは測温体であり周囲温度に応じた電圧を
発生する。

Ｃは変換器で、測温体Ｔｈの出力を適当な値に調整して
出力し、抵抗器Ｒ′８の出力に加えて測定端子ａ、ｂに
出力させるものである。

そして、抵抗器Ｒ′ｓと測温体Ｔ１１はピラニ管球Ｐの
近傍に配置され、同一の熱雰囲気になるようにする。

また、抵抗器Ｒ′ｓとしては後述するように適当な正の
温度係数を持つ抵抗体を用いるものとする。

なお、その他の符号は第１図に示すものと同じである。

上記の構成によれば、ある基準温度で測定端子ａ、ｂ間
Ｏこ得られる出力は、周囲の温度変化があっても、測温
体Ｔｈの発生電圧は基準温度のときの発生電圧に対し、
正または負に変化して温度補償を行うので、温度変化に
依存しない出力電圧が得られるようになる。

次Ｏこ、上記の動作、すなわち温度補償の原理について
詳細に述べる。

第４図は先に述べたように、従来のピラニ真空計の出力
電圧Ｅ（ｍＶ）とその時の温度変化率λ（ｍＶ／ ℃）
との関係の一例を示すものであるが、温度変化率λは一
般に下記のように表わすことができる。

λ＝−λ。

−ｋＥ ・・・・・・（１）ここ
に λ ：出力電圧Ｅにおける温度変化率 λ０：出力電圧Ｏにおける温度変化率 ｋ ：出力変化による温度変化率の勾配 Ｅ ：ある基準温度（ＴＯ）ｌこおける出力電圧たゾし
、測定範囲内で圧力が実質的にＯ である時の出力をＯとした また、 ΔＥ ・・・・・・（２）λ
＝□ ΔＴ ここに、 ΔＴ：温度変化量 ΔＥ：出力電圧ＥにおけるΔＴに伴う出力電圧変化量 したがって、ΔＴ（’Ｃ）変化したことによる出力電圧
変化量ΔＥは、第（１）式、第（２）式からΔＥ−−λ
ｏ’ΔＴ−ｋ −Ｅ−ΔＴ と表わすことができ、基準温度Ｔ。

からΔＴ温度変化した時の測定端子ａ、ｂにおける出力
電圧Ｅ′は、Ｅ’＝ Ｅ＋ΔＥ＝Ｅ−λｏ’ΔＴ−に−
Ｅ−ΔＴ・・・・・・（３） となる。

これに対し、抵抗器Ｒ／ｓとしてαなる正の温度係数を
有する抵抗を用いたとすれば、基準温度Ｔｏに対して、
ΔＴ変化した場合の抵抗値Ｒは下記のようになる。

Ｒ二Ｒ６（１＋α・ΔＴ） たゾし、Ｒｏ：基準温度Ｔ。

（こおける抵抗値したがって、ΔＴに対する抵抗器Ｒ′
ｓの抵抗値の変化量ΔＲは、 ΔＲ＝Ｒｏ・α・ΔＴ となり、この抵抗変化量に対応した電位差ΔＥ′はΔＥ
′二■・Ｒｏ・α・ΔＴ となる。

こ５で、ＩＲｏ＝Ｅ（基準温度Ｔ。における電位差）で
あるから、 ΔＥ ／ ＝α・Ｅ・ΔＴ ・・・・・・
（４）となる。

このΔＥ′は温度が基準温度Ｔ。よりΔＴだけ変化した
ときに抵抗器Ｒ′ｓに生じたものであり、したがって測
定端子ａ、ｂにおける出力電圧は、第（３）式に第（４
）式のΔＥ′が加わったものとなり、その時の出力電圧
Ｅ“は、 Ｅ“＝Ｅ′十ΔＥ′ ＝Ｅ−λ。

・ΔＴ−に−Ｅ・ΔＴ＋α・Ｅ・ΔＴ・・・・・・（５
） となる。

なお、厳密には抵抗器Ｒ′ｓの抵抗値がΔＲ変化したこ
とによる回路の電流■に変化が生ずるが、抵抗器Ｒ′ｓ
の抵抗値よりブリッジ回路における抵抗値が十分太きけ
れば、これは無視できる。

こＳで、抵抗器Ｒ′ｓの温度係数αを、α＝ｋに選べば
、出力電圧および温度変化の双方に比例した出力変化は
補償することができる。

α−ｋにするための具体的な手段としては、一般に温度
係数の大きな材料（例えば白金）と、温度係数の小さな
材料（例えばマンガニン）とを組合わせればよむ）。

これにより任意の温度係数のものを得ることができる。

このようにして、第（５）式における第３項と第４項は
消すことができるが、次に第２項の影響を除去する点に
ついて説明する。

第５図の実施例Ｑこおいては、測定端子ａ、ｂの間に抵
抗器Ｒ′ｓと変換器Ｃとが直列に入っている。

これによって、測温体Ｔｈおよび変換器Ｃにおい・て、
温度変化量ΔＴに対応して発生した電圧ΔＥ″を出力電
圧Ｅ“に加えることを意味する。

そして、ΔＥ″＝ｅ・ΔＴ たゾし、ｅ：測温体Ｔｈおよび変換器Ｃにおける単位温
度変化に対する起電力 。

であれば、測定端子ａ、ｂでの出力電圧Ｅ“は第（５）
式とΔＥ“から Ｅ″′−Ｅ“＋ΔＥ“ ＝Ｅ−λ。

・ΔＴ−に−Ｅ−ΔＴ＋α・Ｅ・ΔＴ＋ｅΔＴそして、
前述したようＯこα＝にであるからＥ″′＝Ｅ−λ。

・ΔＴ＋ｅ・ΔＴとなる。

こ＼で測温体Ｔｈと変換器Ｃの出力特性をｅ−λ。

と設定することによりＥ″′′′′二Ｅ度変化によって
生ずる影響を補償することができる。

これによれば第３図の室温の変化による出力の変化は曲
線Ｖ／ｐのように殆んど直線となった。

そして、測温体Ｔｈとしては熱電対、抵抗測温体、ある
いはサーミスタ測温体等が利用でき、また変換器Ｃとし
ては抵抗による分圧器を利用することができる。

なお、熱電対の起電力特性等は厳密には温度と直線関係
にはないが、通常のピラニ真空計の使用範囲においては
直線と考えて問題はない。

また、フ温度変化に対する出力の遅れは、ピラニ真空計
においては低圧側で大きく、高圧側で小さいという問題
があるが、これに対して抵抗器Ｒ′ｓに遅れの小さな材
料を使用し、測温体Ｔｈについて適当な断熱材で覆うこ
とにより遅れを大きくし、この影５響を実用上問題のな
い程度に小さくすることができる。

以下に実験例１〜３について述べる。実験例 １ この発明によるピラニ真空計にて外気温度変化１℃当り
の読取誤差をマクラウド真空計による測フ定値と比較し
て求めた結果を第１表に示す。

第１表かられかるように読取誤差はほとんどＯであり、
１０−’ ｍｍＨｇオーダでの圧力測定においても十分
信頼できる。

なお、測温体Ｔｈはクロメルアルメル熱電対を用い、変
換器Ｃは抵抗による分圧器を用いた。

第６図に変換器Ｃの構成を示す。

この場合には出力電圧 Ｅ＝０ にて、λｏ＝ｏ、ｏ
１２ ｒｎＶ／℃であり、クロメルアルメル熱電対の起
電力特性は、ΔＥ＝０．０４０５ｍＶ／’Ｃ（２０〜３
０℃）であるので、第６図に示すように、２９．６％の
ところにタップを出し、ΔＥ＝０．０４０５Ｘ Ｏ，２
９６キ０．０１２となるようにした。

また、出力、温度の双方に影響される部分は、ｋ＝ｏ、
ｏ０２１（’Ｃ−１）であったので、白金（温度係数α
１＝＋０．００３９２）と、マンガニン（温度係数α２
二〜＋ｏ、ｏｏｏｏ３；を用い、白金：マンガニン−５
３，２： ４６．８ の割合で直列に結合した、これ
は、 ０．００３９２Ｘ ０．５３２＋０．００００３Ｘ Ｏ
，４６８キ０．００２１となるからである。

そして、基準温度Ｔ。は２５℃とした。

比較例として、実験例１で使用したピラニ真空計を従来
の回路にして同様な測定を行った結果を第１表に示す。

これにより５〜１０℃の温度変化により従来の回路では
、Ｉ Ｘ １０−”ｒｎｍＨｇ程度の読取誤差が生じ、
また、１０ ’ｒｎｉＨｇオーダでは測定が不可能であ
った。

実験例 ２ この発明によるピラニ真空計を用いてアルミニウム中の
水素ガスの測定を行った。

また、同時にマクラウド真空計で比較のために測定した
結果を第７図に示す。

この図から明らかなように、両者での分析値はよく一致
し、この発明のピラニ真空計はマクラウド真空計に決し
て劣らないことが明白となった。

以上詳細に説明したように、この発明は出力測定用の抵
抗器の温度係数を出力電圧の変化率の勾配に等しくし、
また抵抗器と測温体をピラニ管球の近傍に設けて外気温
度に応じた電圧を作り、これから出力電圧の外気温度変
化に相当する電圧をとり出してこれを出力電圧に加える
ようにした温度補償回路を設けたので、外気温度が変化
してもそれに影響されない正しい測定が常に可能であり
、したがって測定精度を著しく改善でき、マクラウド真
空計と同程度の性能のものが得られる。

また、この発明によれば測定下限を従来のピラニ真空計
より広げることができる。

かように、この発明は簡単な構成で正確でかつ測定値の
校正を必要としないピラニ真空計が得られるので、従来
使用されない分野への使用も可能となり、その工業的意
義はきわめて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の定温度型ピラニ真空計の回路図、第２図
は第１図のピラニ真空計の圧力と出力電圧との関係を示
す図、第３図は第１図のピラニ真空計の外気温度に対す
る出力電圧の変動の状態を示す測定チャートの一例を示
す図、第４図は第１図のピラニ真空計の出力電圧と温度
変化率との関係を示す図、第５図はこの発明の一実施例
を示す回路図、第６図はこの発明に用いる測温体と変換
器の一例を示す回路図、第７図はこの発明によるピラニ
真空計を用いてアルミニウム中の水素ガスの測定とマク
ラウド真空計による同じ測定との比較を示す図である。 図中、Ｐはピラニ管球、Ｄ Ｉ Ｒ８ｔ Ｒ’Ｓ、 Ｒ
１゜Ｒ２は抵抗器、Ｅは電源、ＶＲは可変抵抗器、Ａは
電流計、Ｔｈは測温体、Ｃは変換器、ａ、ｂは測定端子
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ホイートストンブリッジ回路の一辺をピラニ管球で
   構成し、前記ホイートストンブリッジ回路に出力測定用
   の抵抗器を直列に接続し、この抵抗器の両端から出力電
   圧を得るピラニ真空計において、前記抵抗器を前記ピラ
   ニ管球の近傍に配置しかつその温度係数を前記出力電圧
   の温度変化率の均配に等しくし、さらに前記ピラニ管球
   の近傍に設けた測温体と、この測温体から前記出力電圧
   の外気温度変化Ｏこ相当する電圧をとり出し前記出力電
   圧に加える手段とからなる温度補償回路を設けたことを
   特徴とするピラニ真空計。