KR20040013341A - Circuit of the Peltier vacuum gauge based on time-sharing method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A time sharing type Peltier vacuum gauge driving circuit is provided to precisely measure a vacuum degree by using thermocouples and to perform heat source and temperature sensor functions through a time sharing method. CONSTITUTION: A time sharing type Peltier vacuum gauge driving circuit includes a square wave signal generating device, which generates square wave signals with maintaining a short dead time(7). A switch(3) is provided to connect the square wave signals to thermocouples(1) installed in a vacuum vessel(2) in order to heat or cool the thermocouples(1). The switch(3) is connected to a voltage meter in such a manner that the voltage meter measures the temperature of the thermocouples(1) during the dead time(7). The thermocouples(1) are heated or cooled based on the square wave signals.

Description

시간분할형 펠티어 진공게이지 구동회로{Circuit of the Peltier vacuum gauge based on time-sharing method}Circuit of the Peltier vacuum gauge based on time-sharing method

본 발명은 진공게이지의 구동회로에 관한 것으로, 특히 펠티어(Peltier) 진공게이지 구동회로에 관한 것이다. 진공게이지는 진공 영역의 측정 범위와 동작 방식에 따라 다양한 종류가 있으며, 펠티어 진공게이지는 진공 측정의 범위로 볼 때 저진공게이지이며, 동작 방식으로는 열전도형 진공게이지(thermal conduction gauge)에 속한다. 저진공게이지는 보통 대기압(760 Torr)에서 10-4Torr 정도의 진공도를 측정한다. 한편,열전도형 진공게이지로는 피라니(Pirani) 진공게이지, 열전쌍(thermocouple) 진공게이지 등이 있으며, 진공도에 따라 기체 분자의 의한 열전도가 달라지는 원리를 이용한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive circuit for vacuum gauges, and more particularly to a Peltier vacuum gauge drive circuit. There are various types of vacuum gauges depending on the measuring range and operating method of the vacuum region. The Peltier vacuum gauge is a low vacuum gauge in terms of the vacuum measuring range, and belongs to a thermal conduction gauge. Low vacuum gauges typically measure a vacuum of about 10 -4 Torr at atmospheric pressure (760 Torr). Meanwhile, the thermally conductive vacuum gauge includes a Pirani vacuum gauge, a thermocouple vacuum gauge, and the like, and the thermal conductivity of gas molecules varies according to the vacuum degree.

[도 1] 과 [도 2]는 기존의 열전도형 진공게이지 구동회로이다. 먼저 피라니게이지 구동회로 ([도 1])는 진공 용기(1) 속의 필라멘트(저항 Rs)가 휘스톤브리지의 한 쪽 팔을 이룬다. 진공도에 따른 필라멘트의 온도 변화는 저항 변화로 나타나고 브리지의 평형을 깨지게 하며, 이 비평형 신호는 차동 증폭기(2)를 거쳐 피드백(feedback)되어 브리지 전체에 걸리는 전압(3)을 수정하게 된다. 즉 필라멘트의 온도(저항)을 일정하게 하는, 압력에 따른 브리지의 전압을 측정함으로써 진공도를 간접적으로 알 수 있는 방법이다. 직류(DC) 구동 방식이며 신호 크기는 수볼트(Volt) 정도이다.1 and 2 are conventional thermally conductive vacuum gauge driving circuits. First, the piranha gauge drive circuit ([FIG. 1]) has a filament (resistance R s ) in the vacuum container 1 forming one arm of the Wheatstone bridge. The change in temperature of the filament with the degree of vacuum results in a change in resistance and breaks the balance of the bridge, which is fed back through the differential amplifier 2 to correct the voltage 3 across the bridge. That is, it is a method of indirectly knowing the degree of vacuum by measuring the voltage of the bridge according to the pressure which makes the temperature (resistance) of the filament constant. It is a direct current (DC) driving method and the signal magnitude is about several volts.

열전쌍게이지의 구동회로([도2])는 그림과 같이 교차접합(cross junction)을 구성하여 한 쪽은 필라멘트로, 다른 한 쪽은 열전쌍으로 사용하여 필라멘트와 온도 센서를 따로 구성하여 필라멘트의 온도를 전압계(6)로 직접 읽는 방식을 사용한다. 역시 직류(DC) 구동 방식이며 필라멘트는 정전류(5)로 구동된다. 신호 크기는 수십 밀리볼트(mVolt) 정도이다.As shown in the figure, the driving circuit of the thermocouple gauge ([Fig. 2]) forms a cross junction, one side is a filament and the other side is a thermocouple, and the filament and the temperature sensor are separately configured to control the temperature of the filament. Direct reading with the voltmeter (6) is used. It is also a direct current (DC) driving method and the filament is driven by a constant current (5). The signal magnitude is on the order of tens of millivolts (mVolt).

이상과 같이 열전도형 게이지로 진공도를 측정하는 구동회로는 크게 필라멘트를 가열하기 위해 전류를 흘리는 부분과 진공도에 따른 필라멘트의 온도 변화를 측정하는 부분으로 구성되어 있고, 피라니 진공게이지는 휘스톤브리지를 이용, 필라멘트를 온도 센서로 동시에 사용하고 있고, 열전쌍게이지는 열원과 온도 센서를 각각 따로 구성한 것을 특징으로 하고 있다.As described above, the driving circuit for measuring the vacuum degree with a thermal conductivity gauge is composed of a portion for flowing a current to heat the filament and a portion for measuring the temperature change of the filament according to the vacuum degree, and the Piranha vacuum gauge is a Wheatstone bridge. The filament is used simultaneously as a temperature sensor, and the thermocouple gauge is characterized by a heat source and a temperature sensor configured separately.

1) 저진공용 진공게이지인 펠티어 진공게이지의 구동회로를 제공하는 것이 그 첫번째 목적이며,1) The first object is to provide a driving circuit for the Peltier vacuum gauge, which is a vacuum gauge for low vacuum.

2) 기존에 저진공용으로 사용하고 있는 열전도형 진공게이지 구동회로(열원과 온도 센서를 따로 구성하는 회로, 또는 필라멘트를 휘스톤 브리지의 한쪽 팔로 사용하여 진공도를 측정하는 회로)에 비하여, 열전쌍 만을 사용하여 진공도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록하며,2) Compared to the conventional thermally conductive vacuum gauge drive circuit (a circuit consisting of a heat source and a temperature sensor or a circuit measuring the degree of vacuum using a filament as one arm of the Wheatstone bridge), the thermocouple alone Can be used to measure the degree of vacuum more accurately,

3) 더나아가서, 기존의 열전쌍게이지, 피라니게이지로 정확하게 측정할수 없었던진공 영역인 10 - 760 Torr 에서 진공도를 보다 정확이 측정하는 회로를 제공함을 목적으로 한다.3) Furthermore, it aims to provide a circuit that more accurately measures the degree of vacuum in the vacuum area of 10-760 Torr, which could not be accurately measured by conventional thermocouple gauges and pyranage gauges.

도 1은 기존의 피라니게이지의 구동회로1 is a driving circuit of a conventional piranha gauge

도 2는 기존의 열전쌍게이지의 구동회로2 is a driving circuit of a conventional thermocouple gauge

도 3는 대표도로서 시간분할형 펠티어 진공게이지 구동회로3 is a representative diagram of a time division type Peltier vacuum gauge driving circuit.

도 4는 시간분할형 구동회로를 응용하여 두개의 열전쌍을 이용, 차동 (differential) 신호를 측정하여, 노이즈(noise)와 시간에 대한 압력 변화에 따른 문제점을 개선한 펠티어 진공게이지 구동회로FIG. 4 is a Peltier vacuum gauge driving circuit that improves a problem caused by noise and pressure change over time by measuring a differential signal using two thermocouples by applying a time division driving circuit.

* 도면 주요부분에 대한 부호설명* Code description for main parts of drawing

[도면1][Figure 1]

1, 4: 진공 용기(vacuum chamber)1, 4: vacuum chamber

2: 휘스톤브리지의 비평형 신호를 검출, 되먹임(feedback)을 통해 브리지 전압을 교정하는 차동 증폭기   2: Differential Amplifier for Detecting and Feedbacking Unbalanced Signals at Wheatstone Bridge

3: 휘스톤브리지에 걸리는 전압3: voltage across Wheatstone Bridge

R, R1, R2: 휘스톤브리지를 구성하는 저항들   R, R 1 , R 2 : Resistors constituting Wheatstone Bridge

[도면2][Figure 2]

4: 진공 용기4: vacuum vessel

5: 필라멘트를 가열하기 위한 전압원(voltage source)   5: voltage source for heating the filament

6: 열전쌍의 온도를 측정하는 전압계(voltmeter)6: voltmeter measuring the temperature of the thermocouple

[도면3]   [Figure 3]

1: 열원이자 온도 센서로 사용되는 열전쌍   1: Thermocouple used as a heat source and temperature sensor

2: 진공 용기   2: vacuum container

3: 열전쌍을 가열/냉각을 위한 전류 구동시의 스위칭  3: Switching when driving currents for heating / cooling thermocouples

4: 열전쌍의 온도 측정시의 스위칭   4: Switching when measuring thermocouple temperature

5: 순방향 전류 구동(열전쌍 접합점의 가열)   5: forward current drive (heating of thermocouple junction)

6: 역방향 전류 구동(열전쌍 접합점의 냉각)   6: Reverse Current Drive (Cooling of Thermocouple Junction)

7: 열전쌍의 온도 측정을 위한 대기 시간(dead time)   7: Dead time for measuring thermocouple temperature

8: 열전쌍에 전류 구동시의 온도 변화8: Temperature change when driving current in thermocouple

TH, TL, △T: 열전쌍의 시간별 온도와 그 차이T H , T L , ΔT: Time and temperature difference of thermocouple

[도면4]   [Figure 4]

1: 열원이자 온도 센서로 사용되는 열전쌍   1: Thermocouple used as a heat source and temperature sensor

2: 진공 용기   2: vacuum container

3: 열전쌍을 가열/냉각을 위한 전류 구동시의 스위칭   3: Switching when driving currents for heating / cooling thermocouples

4: 열전쌍의 온도 측정시의 스위칭   4: Switching when measuring thermocouple temperature

5: 두 열전쌍의 온도 차이를 증폭하는 차동 증폭기   5: Differential Amplifier Amplifies Temperature Difference Between Two Thermocouples

6: 입력 신호의 위상을 180˚바꾸는 위상 시프트   6: Phase shift to shift the phase of the input signal 180˚

7: 짧은 대기시간(dead time)을 가지는 구형파 전류 구동7: Square wave current drive with short dead time

본 발명은 하나의 열전쌍으로 구성되어 있는 펠티어 진공게이지의 구동회로에 관한 것으로 시간 분할 방식을 통하여 열원과 온도 센서의 기능을 가능하게 함을 특징으로 한다. 상기 발명에 의한 시간 분할형 펠티어 진공게이지 구동회로는,The present invention relates to a drive circuit of a Peltier vacuum gauge consisting of one thermocouple, characterized in that the function of the heat source and the temperature sensor is enabled through a time division method. The time division type Peltier vacuum gauge driving circuit according to the present invention,

● 짧은 대기 시간(dead time)을 포함하는 구형파 신호 발생 장치;  A square wave signal generator comprising a short dead time;

● 열전쌍을 가열/냉각하기 위해 상기 발생 신호를 열전쌍에 연결하거나, 대기 시간 동안 열전쌍의 온도를 측정하기 위해 전압계에 연결해주는 스위치;   A switch that connects said generation signal to a thermocouple to heat / cool the thermocouple or to a voltmeter to measure the temperature of the thermocouple during standby time;

● 상기 발생 신호에 의해 가열/냉각되는 열전쌍;   A thermocouple heated / cooled by the generated signal;

● 대기 시간 동안 온도를 측정하는 전압계;A voltmeter to measure temperature during standby time;

등을 포함함을 특징으로 한다.And the like.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.   우선, 펠티어 효과(Peltier effect)에 대하여 설명하면 다음과 같다. 임의의 일정한 온도 T에서 상이한 전도선 A, B로 이루어진 열전쌍에 전류를 흘리게 되면 두 전도체의 전기화학 퍼텐셜 차이에 의하여 열전쌍의 접합점에서 [수학식 1]과 같이 열(Q)의 시간에 대한 미분량의 차이가 발생한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the Peltier effect will be described. When current flows through a thermocouple consisting of different conductors A and B at a certain temperature T, the differential amount of time of heat (Q) at the junction of the thermocouples is represented by Equation 1 due to the difference in electrochemical potential of the two conductors. Difference occurs.

여기에서, ΔS는 두 전도선의 열기전력의 차이고,I는 전류이다. 따라서, 전류의 방향에 따라 열전쌍의 접합점은 가열 또는 냉각이 가능하며, 이것을 펠티어 효과라고 부른다.Here, Δ S is a coach, I open the power line is two conductive current. Therefore, depending on the direction of the current, the junction of the thermocouple can be heated or cooled, which is called the Peltier effect.

[도 3]과 같이 진공 용기(2) 속에 열전쌍(1)을 두고 전류를 인가(5,6)하면 열전쌍의 접합점은 전류의 방향에 따라 가열/냉각을 반복하게 된다. 전류의 방향이 순방향(5), 혹은 역방향(6)일 때 스위칭(3)은 전류 구동 접점으로 연결되어 있다. 이 기간 중에는 열전쌍의 접합점은 열원으로서 동작하게 된다. 짧은 대기 시간(dead time: 7)동안에는  전류 구동을 끊고, 전압계로 스위칭(4)하여 열전쌍의 온도와 관계있는 전압을 보면  열전쌍의 접합점에서의 온도를 볼 수 있다(점선으로 표시). 두개의 연속적인 대기 시간간에 온도(TH, TL)를 읽으면 온도 진동의 진폭(△T)을 알게 되고 그 온도 진폭으로부터 진공도를 간접적으로 구할 수 있다. 여기서, 대기 시간은 구형파의 주기보다 충분히 짧아서 열전쌍의 전류 구동은 이상적인 구형파 구동에 가깝다고 가정한다. 정성적으로 온도 진폭은 진공도가 좋으면 기체 분자에 의한 열 손실이 적으므로 크고, 대기압 부근에서는 작아진다. 한편, 교류 구형파 구동을 하는 이유는 대기압 부근에서 기체분자의 비열 측정을 포함함으로써 대기압 부근에서도 좋은 민감도를 가지기 위해서이다.When the current is applied (5, 6) with the thermocouple 1 in the vacuum vessel 2 as shown in FIG. 3, the junction of the thermocouple repeats heating / cooling according to the direction of the current. When the current direction is forward 5 or reverse 6 the switching 3 is connected to a current drive contact. During this period, the junction of the thermocouples acts as a heat source. During a short dead time (7), the current drive is turned off, switched to a voltmeter (4) to see the voltage associated with the thermocouple's temperature. Reading the temperature T H , T L between two successive waiting times gives us the amplitude of the temperature oscillation (ΔT) and indirectly obtains the degree of vacuum from the temperature amplitude. Here, it is assumed that the waiting time is shorter than the period of the square wave so that the current driving of the thermocouple is close to the ideal square wave driving. Qualitatively, if the degree of vacuum is good, the temperature amplitude is large because there is little heat loss due to gas molecules, and it is small near atmospheric pressure. On the other hand, the reason for performing AC square wave driving is to have a good sensitivity even in the vicinity of the atmospheric pressure by including the specific heat measurement of the gas molecules in the vicinity of the atmospheric pressure.

시간 분할 방식으로, 열전쌍을 전류 구동(3)하는 동안에는 열전쌍의 접합점은 가열/냉각되는 열원으로서 작동하고, 대기 시간 동안 전압계로 연결(4)하는 동안에는 온도 센서로 사용함으로써, 하나의 열전쌍을 진공 센서로 사용하는 펠티어 진공게이지를 간단한 회로로 구성할 수 있다. 반면, 시간 분할형 진공게이지 구동회로의 단점으로는, 1)서로 다른 시간에서 온도를 측정하므로 일정하지 않은 노이즈(random noise)를 상쇄할 수 없고, 2)압력이 시간에 따라 급격히 변할 때  드리프트 에러(drift error)를 가져온다. (열전쌍도 저항체이므로 전류 구동에 의한 주울(Joule) 가열로 인하여, 압력이 변하면 열전쌍의 전체의 온도가 변하게 되기 때문이다.)In a time division manner, the thermocouple junction acts as a heat source to be heated / cooled during the current drive (3) of the thermocouple, and as a temperature sensor during the connection (4) to the voltmeter during standby time, so that one thermocouple is used as a vacuum sensor. Peltier vacuum gauge can be used as a simple circuit. On the other hand, the disadvantage of the time division type vacuum gauge driving circuit is that 1) the temperature is measured at different times so that it is not possible to cancel the random noise, and 2) the drift error when the pressure changes rapidly with time. (drift error) (Because the thermocouple is also a resistor, due to Joule heating by current driving, the temperature of the entire thermocouple changes when the pressure changes.)

[도 4]은 서로 다른 시간에 온도를 측정하기 때문에 발생하는 상기 문제들을 해결하기 위하여 위상이 180˚ 다른 구형파를 2개의 열전쌍에 인가하고 그 전압차를 차동 증폭기로 측정하는 방법이다. 진공 용기(2)에 두 개의 열전쌍(1)은 대기 시간을 가지는 구형파(7)로 전류 구동(3)되는데 하나의 열전쌍은 위상 이동기 (phase shifter: 6)를 거쳐 180˚ 다른 위상을 갖게 된다. 따라서 한 주기의 전류 구동 동안 하나의 열전쌍은 가열/냉각되고 다른 하나의 열전쌍은 냉각/가열된다. 구형파의 대기 시간(4) 동안 두 열전쌍의 온도 차이를 차동 증폭기(5)로 측정하면 [도 3]과는 달리, 같은 시간에 온도차이(ΔT)를 알 수 있다. 따라서 동상 노이즈를 상쇄할 수 있고, 더욱이 주울 가열에 의한 두 개의 열전쌍의 온도 변화는 같으므로(주울 가열은 전류 방향에 관계없음) 압력 변화에 의한 드리프트 에러도 없앨 수 있다. 4 is a method of applying a square wave of 180 ° out of phase to two thermocouples and measuring the voltage difference with a differential amplifier in order to solve the problems caused by measuring temperature at different times. In the vacuum vessel 2, two thermocouples 1 are driven by a square wave 7 having a waiting time 3, and one thermocouple has a 180 ° different phase through a phase shifter 6. Thus, during one cycle of current driving, one thermocouple is heated / cooled and the other thermocouple is cooled / heated. When the temperature difference between the two thermocouples is measured by the differential amplifier 5 during the standby time 4 of the square wave, the temperature difference ΔT can be known at the same time, unlike in FIG. 3. Therefore, the in-phase noise can be canceled, and furthermore, since the temperature change of the two thermocouples by Joule heating is the same (Joule heating regardless of the current direction), the drift error due to the pressure change can be eliminated.

1) 시간 분할을 통해 하나의 열전쌍을 열원/온도 센서로 사용이 가능하므로, 간단한 회로 구성으로 펠티어 진공게이지 구동회로를 제작할 수 있다.1) Since a single thermocouple can be used as a heat source / temperature sensor through time division, a Peltier vacuum gauge driving circuit can be manufactured with a simple circuit configuration.

2) 두 개의 열전쌍의 사용, 위상에 180˚ 다른 전류 구동을 하여 두 열전쌍의 온도 차이를 동시간에 측정함으로써, 동상 노이즈를 상쇄하고, 압력 변화에 따른 신호 왜곡이 없는 펠티어 진공게이지 구동회로를 제작할 수 있다.2) By using two thermocouples and driving 180 ° of different current in phase to measure the temperature difference between the two thermocouples at the same time, the phase noise is canceled and the Peltier vacuum gauge driving circuit without signal distortion due to pressure change can be manufactured. Can be.

Claims (2)

펠티어 진공게이지 구동회로에 있어서,In the Peltier vacuum gauge drive circuit, 짧은 대기 시간(dead time)을 포함하는 구형파 신호 발생 장치;A square wave signal generating device having a short dead time; 열전쌍을 가열/냉각하기 위해 상기 발생 신호를 열전쌍에 연결하거나, 대기 시간 동안 열전쌍의 온도를 측정하기 위해 전압계에 연결해주는 스위치;A switch that connects the generated signal to a thermocouple for heating / cooling the thermocouple or a voltmeter to measure the temperature of the thermocouple during standby time; 상기 발생 신호에 의해 가열/냉각되는 열전쌍;A thermocouple heated / cooled by the generated signal; 대기 시간 동안 온도를 측정하는 전압계를 포함함을 특징으로 하는 시간 분할형 펠티어 진공게이지 구동회로A time division Peltier vacuum gauge drive circuit comprising a voltmeter for measuring temperature during standby time 펠티어 진공게이지 구동회로에 있어서,In the Peltier vacuum gauge drive circuit, 짧은 대기 시간(dead time)을 포함하는 구형파 신호 발생 장치;A square wave signal generating device having a short dead time; 상기 발생 신호의 위상을 180˚ 이동시키는 위상 이동기;A phase shifter for shifting a phase of the generated signal by 180 °; 열전쌍을 가열/냉각하기 위해 상기 발생 신호를 열전쌍에 연결하거나, 대기 시간 동안 두 개의 열전쌍의 온도 차이를 측정하기 위해 차동 증폭기에 연결해주는 스위치;A switch that connects the generated signal to a thermocouple to heat / cool the thermocouple or to a differential amplifier to measure the temperature difference between the two thermocouples during standby time; 상기 발생 신호에 의해 가열/냉각되는 두 개의 열전쌍;Two thermocouples heated / cooled by the generated signal; 대기 시간 동안 두 개의 열전쌍의 온도 차이를 측정하는 차동 증폭기를 포함함을 특징으로 하는 시간 분할형 펠티어 진공게이지 구동회로Time division Peltier vacuum gauge drive circuit comprising a differential amplifier for measuring the temperature difference between two thermocouples during standby time
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