JPS6240649B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ガス圧力連続測定装置に関する。
これは高度真空から大気圧を超える圧力までの多
くの数量階層を含む測定範囲に亘り、線形にかつ
ガス種類に関係なく測定を行なうことを可能なら
しめる。測定しようとするガス圧力は小さい部分
容積において変調され、そしてこのようにして発
生された圧力振動は測定しようとするガス圧力に
比例する電気信号に変換される。

提案された装置は、測定すべきガス圧力を持つ
ている容積に連結し得るハウジングを有する。ハ
ウジング内に変調室が形成されており、これは規
制された開口を経て上記の容積と連結している。
この変調室は、一方の側を交流電圧源に接続され
た伝圧器、例えばピエゾ素子で、そして他方の側
を圧力変動を電気信号に変換する受信装置、例え
ばコンデンサ マイクロホンで区切られている。
伝圧器と受信装置との間の距離は、変調周波数に
おける音速に対し小さく保たれる。受信装置の出
力は電子工学的評価装置に接続される。

変調室における圧力変調は、ピエゾ電気的伝圧
器へ交流電圧がかけられてこれが電圧周波数の拍
子に合せて動くことにより起る。このようにして
変調室において生成された圧力変動は、コンデン
サ マイクロホンで電気振動に変換され、これは
さらに電子工学的評価装置へ導かれる。

新しい測定原理によつて作動する装置の主要な
応用領域は、真空工学である。従来知られた真空
計は、直接圧力を測定するものと、圧力に依存す
るガスのパラメータを測定するものとに分けるこ
とができる。第１に挙げた種類の真空計の利点
は、測定すべきガスの状態方程式が一致するなら
ばガスの種類に無関係であることである。この真
空計には、ガス圧力によつて薄板が変形されその
変形が測定されるもの（薄板―盒真空計）、及び
ガス圧力が流体を重力に抗して上昇させ、その高
さの変位が測定されるもの（流体真空計）が属す
る。

第２の種類の真空計には、圧力に依存するガス
熱伝導率を圧力測定に利用するピラニ真空計、自
立のガス放電電流の強さの圧力依存性を測定の基
礎とするペニング真空計、測定すべきガスの摩擦
係数の圧力依存性を利用する摩擦真空計、及び電
子の衝突によつて起こるガスのイオン化度の圧力
への依存性を測定するために用いるイオン化真空
計が属する。

薄板真空計は、複雑な製作工程を必要とし、従
つて高価につく。さらに不利な点は、零点設定が
うまく再現できないことである。

盒真空計は精密測定には適しない。

流体真空計の欠点は、測定容器内に測定流体の
蒸気圧が生ずること及び連続測定に当り測定範囲
が甚だ小いことである。

ガスのパラメータの圧力依存性を測定に利用す
る真空計は、ガスの種類に依存することと、測定
すべきパラメータと圧力との関係が非線形である
点が不利である。

ペニング真空計はさらに比較的大きく測定の正
確性に欠ける。

イオン化真空計においては測定すべきガスが分
解することがあり得る。

ピラニ真空計は極めて僅かな測定範囲しか持た
ない。

この発明の根底には、ガス圧力連続測定装置で
あつて、ガスの種類に無関係に直接ガス圧力を測
定できるものを提供するという問題がある。

この場合流体を利用してはならない。なお測定
によつてガスの組成に変化を生じてはならない。
絶対的測定精度は、状態方程式の理想ガスの状態
方程式からのずれが２％以下であるガスにあつて
は２％より良好でなければならない。装置は線形
であつて、それにより較正が一つの圧力点におい
て完全に行なわれ、そしてすべての測定範囲に対
し同一の測定目盛を使用し得るものでなければな
らない。

本発明によつて、この問題は、測定すべきガス
圧力が小さい部分容積内において変調され、そし
てこのようにして発生された圧力変動が測定しよ
うとするガス圧力に比例する電気信号に変換され
ることによつて、解決される。

測定すべきガスが、理想ガスに対する状態方程
式によつて良好な近似において記述し得るなら
ば、次の式が成立つ。

Ｐ・Ｖ＝Ｋ (1) ここにＰは測定すべき圧力、Ｋは定数、Ｖは変
調しようとする体積である。体積が二つの極端
V₁及びV₂間に変化されると、その結果の圧力差
は △Ｐ＝P₁−P₂＝Ｋ（１／Ｖ_１−１／Ｖ_２） (2) となる。

(2)のＫに(1)からの値を代入すると、 △Ｐ＝Ｖ（１／Ｖ_１−１／Ｖ_２）・Ｐ (3) となる。

従つて、一定体積の変調にあつては圧力変化は
絶対圧力に比例する。比例定数は幾何学的関係に
よつて与えられ、ガスの種類に依存する量を含ま
ない。

この圧力測定を実行するために、以下に述べる
ような構造を持つ装置を提案する。

測定すべきガス圧力を有する容積に連結し得る
ハウジング内に、規定された開口を有する変調室
が形成される。変調室の一方の側は交流電圧源に
接続された伝圧器で、他方の側は圧力を電気信号
に変換するための受信装置で区切られる。その中
で圧力が変調される変調室は、測定すべきガス圧
力が支配している容積と、伝圧器内の上記開口に
より連通されている。

これらの開口は、変調室におけるガス圧力が１
変調周期内に他の容積のガス圧力と均等化し得な
いような寸法にしてある。開口は、ガス圧力が変
調周期に対して大きい時間内には外部の圧力と均
等化するので、連続的な圧力測定を可能ならしめ
る。伝圧器と受信装置との間の距離は、変調周波
数における音速に対して小さく保たれる。

このようにして、理想ガスに対する方程式が考
慮に入れられる。

受信装置の出力は、それ自体公知の構造を持つ
電子工学的評価装置へ接続される。

しかしながら受信装置は変調室内に生じる圧変
動によるパルスのほかに伝圧器の運動によつて生
じる機械的なパルスすなわち反衝力を受ける。こ
れらのパルスは圧変調の信号に対して確定した位
相関係があり、従つてそれらの存在している圧範
囲（ほぼＰ＜10^-2トルから）においてこの反衝力
がとくに有害となる。圧測定装置を10^-5トルの範
囲において使用するためには、反衝力の補償手段
を装置に導入しなければならない。

従つて本発明の目的は、一方では交流電源に接
続された伝圧器により、また他方では圧の変動を
電気的信号に転換するための受信装置によつて限
定されており、かつ搬出開口を経て、測定すべき
容積と連結された閉鎖変調室のあるガス圧連続測
定装置において、伝圧器と受信装置との間の距離
は変調室の中央においてその最大値となり、縁に
向けてゼロとなつて伝圧器と受信装置との間の距
離に対する伝圧器の偏倚の比率がすべての点にお
いて同じであり、伝圧器の反衝力を機械的に補償
するための手段として伝圧器とは逆相に振動する
振動体が変調室外部に設けられていることを特徴
とするガス圧連続測定装置を提供することであ
る。

ガスの種類に無関係に測定を行うためには、伝
圧器表面と受信装置との間の距離を変調周波数に
おける音波長に比べて極めて小さく保つこと、す
なわち完全な等温変調が必要である。従つて本願
発明の実施例において説明している通り、上記距
離を１mm未満に選ぶ。受信装置としては例えばコ
ンデンサ・マイクロホンを用いるが、通常の寸法
のコンデンサ・マイクロホン、例えば1/2イン
チ・マイクロホン（直径約14mm）では、伝圧器が
全表面にわたつて変調されるのでないときに変調
室の内部にガス流（複数）が生じ得るような極め
て長い間隙を持つ。そのときはガスの気体動力学
的諸特性の相違及び粘性―及び分子状範囲におけ
るガスの挙動の相違に基いてガスの種類に依存す
る圧表示が現われる。それゆえ変調の深さ（伝圧
器振幅と、伝圧器から受信装置までの距離の比と
して定義される）を変調室全体にわたつて一定に
保つように努めなければならない。たとえば変調
室の縁では技術的に制約されて変調が行なわれに
くいが、変調室を特定な形にすることによつて解
決できるのであつて、その部分では上記流れを回
避するために伝圧器と受信装置との距離をゼロに
近づけるのである。

この装置の、ここに提起された実施態様におい
ては、伝圧器と受信装置との間の距離は変調室の
中央において最大値を有し、伝圧器の偏倚のそれ
の受信装置からの距離に対する比がすべての点に
おいて等しくなるように、縁へ行くにつれて零と
なる。なお伝圧器の反衝力を補償する手段が講じ
てある。伝圧器と受信装置との間の距離は1.0
mmの値をもつ。

目的に適うように伝圧器は、金属薄板に貼られ
た板状のピエゾ素子から成つている。

伝圧器に対向して変調室の他の側を閉ざす受信
装置はコンデンサ マイクロホンであることが望
ましい。

コンデンサ マイクロホンの代りに、大気圧範
囲の圧力測定のためには、ピエゾ素子を受信装置
として使用することができる。

この装置の有利な実施態様においては、伝圧器
は、変調室に向いた側が凹面に形成された合成樹
脂材を被せた金属薄板上の板状ピエゾ素子から成
る。

伝圧器振幅のドリフトを制御することの可能性
は、伝圧器と機械的に結合して伝圧器と共に振動
する金属部分と受信装置の薄板とがコンデンサを
形成するように構成することによつて、与えられ
る。

伝圧器の反衝力を機械的に補償するための手段
として伝圧器とは逆相に振動する振動体を変調室
外部に設けるほかに、好ましくは上記伝圧器と逆
相で振動する振動体の順相反衝力の負フイードバ
ツクあるいは制御のために反衝力に敏感なマイク
ロホンが設けられる。

１ヘルツの測定帯域においてコンデンサ マイ
クロホンを受信装置として使用する場合、伝圧器
から直接ハウジングを経て受信装置へ伝達される
振動が補償され、あるいは回避され得るとの前提
の下で、６量階より多い圧力範囲において、測定
すべきガスの状態方程式が理想ガスの状態方程式
と一致する精度をもつて、圧力が線形にかつガス
種類に無鑑係に測定される。

変調室の大きさ及びコンデンサ マイクロホン
の薄板の感度を選択することにより、本発明によ
る装置の使用範囲は広い限界内で変化する。

異なる使用範囲を有する多くの装置を電子圧工
学的評価装置により１個の装置にまとめることが
でき、それによつて装置の測定範囲は、提案され
た測定装置をもつて遂行することができる圧力範
囲のすべてを超えて拡大することができる。

新しい測定原理に従つて作動するこの発明によ
る装置は、公知の真空測定装置に対し本質的な利
点を示す。

唯１個の測定ヘツドをもつて、高い精度をもつ
て多くの量階を含む測定範囲に亘り、線形にかつ
ガス種類に無関係に、連続的圧力測定を行なうこ
とができる。

このような装置は位置に関係なく使用すること
ができる。そして即刻測定を初めることができ、
かつ圧力侵入に対して安全である。その取扱は簡
単である。

なおこの他の利点は、軽量であり容積が小さく
構造が簡単であることであつて、これは製作技術
に対して有利に作用する。

以下この発明を一つの実施例について詳細に説
明する。

第１図からわかるように、測定しようとするガ
ス圧力を有する容積と真空密研磨部２により連結
し得る真空密ハウジング１の内部に変調室３が形
成されている。

この変調室３は圧力を電気信号に変換するため
に一方の側を伝圧器４により、他方の側を受信装
置５によつて区切られている。伝圧器４と受信装
置５との間の距離は変調室３の中央において最大
値amaxとなり、室の端へ行くにつれ零となる。
距離amaxは１mmを超えてはならない。この実施
例においてはamaxは0.3mmである。伝圧器４はこ
こでは金属薄板７上に置かれたピエゾ素子で構成
されており、金属薄板は例えばエポキシド樹脂か
ら成る合成樹脂層８で被覆されている。合成樹脂
層８の変調室３に向いた側は凹面形状に形成され
ている。

第１図に示された実施態様の装置においては受
信装置５として使用せられているコンデンサマイ
クロホンの金属薄板は同一に構成され同じ材料で
作られている。

伝圧器の反衝力を機械的に補償するために、変
調室３の外部にこの実施例ではピエゾ セラミツ
クの振動体９が装着されており、これは伝圧器に
対して逆相に振動する。振動体９の順相反衝力の
負フイードバツクまたは規制のために反衝力に敏
感なマイクロホン１０をこれに装着することがで
きる。これはこの実施例においては同様にピエゾ
セラミツクである。受信装置５の反衝力信号を
電子工学的に補償するためにさらに第２のコンデ
ンサ マイクロホン１１が設けられており、これ
は反衝力のみを受取る。ハウジングの蓋１ａはこ
の場合コンデンサ板として機能する。

変調室３を区切つている受信装置５の薄板には
規定された汲出開口１２があり、これはさらに装
置の他の汲出開口１３を通じて変調室３と測定し
ようとするガス圧力を有する容積（図には示して
ない）とを連通する。

他の汲出開口１４は上記容積を測定装置の個々
の機能素子間の他の中間室と連通する。測定装置
の機能素子の金属薄板は、互いに、またその支持
物に対して絶縁されている。伝圧器４は導線ａを
経て交流電圧に接続され、またその金属薄板７は
導線ｂを経て交流電圧源の反対極１６へ接続され
ており、交流電圧源は伝圧器４及び伝圧器に対し
逆相に振動する振動体９を励起する役目をする。
反対極１６は、伝圧器の振幅の検出に対しては接
地される。振動９は、導線ｃを経て交流電圧源に
接続され、それの金属薄板は導線ｄを経て導線ｂ
と、従つて同様に交流電圧源の反対極１６と接続
される。反衝力に感ずるマイクロホン１０が発す
る信号は、導線ｅを経てハウジング１から外へ導
かれる。マイクロホン１０の金属薄板は導線ｆを
経て振動体９の金属薄板と接続されている。受信
装置５の変調室３を区切つている薄板は、導線ｇ
を経て接地されている。

伝圧器４の振幅の検出のために、導線ｇは高い
ダイナミツク内部抵抗を有する直流電圧源へ接続
される。受信装置５の変調室３へ向いた薄板は、
導線ｈを経て高いダイナミツク内部抵抗を有する
直流電圧源及び電子工学的評価装置（ここでは図
示されていない）に接続されており、この装置は
導線ｈを経て取出された測定信号をさらに処理加
工する。反衝力を補償する役目を行なうコンデン
サ マイクロホン１１の薄板は、導線ｉを経て高
いダイナミツク内部抵抗を有する直流電圧源へ接
続される。電気的遮蔽１７は、受信装置５及び反
衝力の補償をしているコンデンサ マイクロホン
１１の薄板及び導線ｇ・ｈ・ｉを励起交流電圧か
らシールドする役目をする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるガス圧力測定ヘツドの
軸方向断面図である。 図中の符号の説明、１…ハウジング、１ａ…ハ
ウジング蓋、２…真空密研磨部、３…変調室、４
…伝圧器、５…受信装置、６…ピエゾ素子、７…
金属薄板、８…合成樹脂層、９…振動体、１０…
反衝力感知マイクロホン、１１…コンデンサ マ
イクロホン、１２…汲出開口、１３…汲出開口、
１４…汲出開口、１５…絶縁物、１６…反対極、
１７…電気遮蔽、ａ…電気導線、ｂ…電気導線、
ｃ…電気導線、ｄ…電気導線、ｅ…電気導線、ｆ
…電気導線、ｇ…電気導線、ｈ…電気導線、ｉ…
電気導線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方では交流電源に接続された伝圧器によ
   り、また他方では圧の変動を電気的信号に転換す
   るための受信装置によつて限定されており、かつ
   搬出開口を経て、測定すべき容積と連結された閉
   鎖変調室のあるガス圧連続測定装置において、伝
   圧器４と受信装置５との間の距離は変調室３の中
   央においてその最大値となり、縁に向けてゼロと
   なつて伝圧器４と受信装置５との間の距離に対す
   る伝圧器４の偏倚の比率がすべての点において同
   じであり、伝圧器４の反衝力を機械的に補償する
   ための手段として伝圧器４とは逆相に振動する振
   動体９が変調室３外部に設けられていることを特
   徴とするガス圧連続測定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の記載において、前記
   伝圧器４が金属薄板７上に取付けられた板状ピエ
   ゾ素子６からなることを特徴とするガス圧連続測
   定装置。 ３ 特許請求の範囲第２項の記載において、前記
   伝圧器４は変調室３に向けられた側面が凹面とし
   て形成された合成樹脂層８を被せた金属薄板７上
   に設けた板状ピエゾ素子６からなることを特徴と
   するガス圧連続測定装置。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項までのうち
   のいずれか１つの項の記載において、前記受信装
   置５はコンデンサ・マイクロホンであることを特
   徴とするガス圧連続測定装置。 ５ 特許請求の範囲第１項の記載において、前記
   受信装置５がピエゾ素子であることを特徴とする
   ガス圧連続測定装置。 ６ 特許請求の範囲第１項から第４項までのうち
   のいずれか１つの項の記載において、前記伝圧器
   ４と機械的に結合されている金属部分と前記受信
   装置５の薄板とがコンデンサを形成することを特
   徴とするガス圧連続測定装置。 ７ 特許請求の範囲第１項の記載において、前記
   伝圧器４と逆相で振動する前記振動体９の順相反
   衝力の負フイードバツクあるいは制御のために反
   衝力に敏感なマイクロホン１０が設けられている
   ことを特徴とするガス圧連続測定装置。