KR20230086714A - 압력 센서 그룹 작동 방법 - Google Patents

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롤프 엔더레스
크리스찬 버그
마틴 우에스트
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인피콘 아크티엔게젤샤프트
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Abstract

공통 측정 부피(2)의 압력을 측정하도록 배열된 압력 센서 그룹(1)을 작동하는 방법으로서, 압력 센서 그룹은 적어도 제1 압력 측정 범위를 갖는 제1 압력 센서(1') 및 제2 압력 측정 범위를 갖는 제2 압력 센서(1'')를 포함하고, 제1 및 제2 압력 측정 범위는 중첩 압력 측정 범위에서 중첩되며, 제1 및 제2 압력 센서는 각각 간접 압력 측정 원리에 기초하고 기준 가스로 보정된 측정 신호를 출력하도록 구성되며, 방법은 a) 제1 측정 신호에 대한 가스 유형별 보정 데이터를 제공하는 단계로서, 보정 데이터는 유효 압력과 가스 유형 목록에 대한 제1 및 제2 측정 신호 각각의 의존성을 설명하는 단계; b) 제1 및 제2 측정 신호 각각의 제1 및 제2 측정값을 기록하는 단계; c) 제1 및 제2 보정 데이터를 고려하여, 기록된 제1 측정값과 기록된 제2 측정값의 조합과 가장 잘 일치하는 가스의 합성 유형을 결정하는 단계를 포함한다. 일 변형에서, 가스 유형과 무관한 합성 압력이 추가로 결정된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 장치 및 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

Description

압력 센서 그룹 작동 방법
본 발명은 적어도 두 개의 압력 센서 그룹을 작동시키는 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 압력을 측정하기 위한 다양한 측정 원리들이 알려져 있다. 이러한 측정 원리는 두 그룹, 즉 궁극적으로 면적당 힘을 결정하는 직접 압력 측정 원리 및 예를 들어, 가스의 열전도율의 압력 의존성과 같은, 압력에 대한 또 다른 물리량의 의존성을 이용하는 간접 압력 측정 원리로 나눌 수 있다. 간접 압력 측정 원리는 가스 유형에 다소 강한 의존성을 보여준다.
직접 가스 유형 독립 압력 측정 원리를 적용하는 압력 센서의 예로는 압전 다이어프램 압력 게이지(piezoelectric diaphragm pressure gauges), 커패시턴스 다이어프램 압력 게이지(capacitance diaphragm pressure gauges) 또는 광학 다이어프램 압력 게이지(optical diaphragm pressure gauges)가 있다.
간접 가스 유형 의존 압력 측정 원리를 사용하는 압력 센서의 예로는 피라니 센서(Pirani sensors), 냉음극 이온화 진공 게이지(예: 역 마그네트론) 또는 열음극 이온화 진공 게이지(예: Bayard-Alpert)가 있다.
압력 센서는 대부분 측정 원리로 인해 특정 압력 측정 범위용으로 설계되었다. 여러 압력 센서를 압력 센서 그룹에 결합하여 측정 범위를 늘릴 수 있다. 모두 간접 압력 측정 원리를 적용한 압력 센서 조합의 경우, 측정 불확실성은 가스 유형 의존성에 의해 증가하는데, 관련된 압력 센서에 따라 가스 유형 의존성이 다를 수 있기 때문이다. 또한, 어떤 가스 또는 어떤 가스 혼합물이 존재하는지 정확히 알 수 없는 경우가 많다.
본 발명의 목적은 압력 센서의 가스 의존성으로 인해 발생하는 어려움을 완화하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 압력 센서의 가스 유형 의존성으로부터 발생하는 측정 부정확성을 감소시키는 압력 센서 그룹을 작동하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적은 청구항 1항에 따른 방법에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 방법은 압력 센서 그룹을 작동하기 위한 방법이다. 압력 센서 그룹에 속하는 압력 센서는 공통 측정 부피에서 압력을 측정할 수 있는 방식으로 배열된다. 압력 센서 그룹은 적어도 제1 압력 측정 범위를 갖는 제1 압력 센서 및 제2 압력 측정 범위를 갖는 제2 압력 센서를 포함하고, 제1 및 제2 압력 측정 범위는 중첩 압력 측정 범위에서 중첩된다. 제1 압력 센서는 제1 간접 압력 측정 원리에 기초하고 기준 가스, 예를 들어, 질소로 보정된 제1 측정 신호를 출력하도록 배열된다.
제2 압력 센서는 제2 간접 압력 측정 원리를 기반으로 하며 동일한 기준 가스로 보정된 제2 측정 신호를 출력하도록 설정된다.
이 방법에는 다음 단계들이 포함된다.
a) 제1 측정 신호에 대한 가스 유형별(gas-type-specific) 제1 보정 데이터 및 제2 측정 신호에 대한 가스 유형별 제2 보정 데이터를 제공하는 단계로서,
제1 및 제2 보정 데이터는 기준 가스와 상이한 적어도 하나의 제1 가스 유형을 포함하는 가스 유형 목록에 대하여, 공통 측정 부피 내의 유효 압력 및 가스 유형에 대한, 각각의 제1 및 제2 측정 신호들의 의존성을 설명하는, 단계;
b) 실질적으로 제1 측정 신호의 제1 측정값과 제2 측정 신호의 제2 측정값을 동시에 기록하는 단계;
c) 제1 및 제2 보정 데이터를 고려하여, 합성 가스 유형을 기록된 제1 측정값과 기록된 제2 측정값의 조합과 가장 잘 일치하는 가스 유형 목록의 가스 유형으로 결정하는 단계.
제1 및 제2 보정 데이터는 예를 들어, 수학적 함수와 이 함수의 적어도 하나의 파라미터의 조합으로 정의될 수 있다. 보정 데이터는 테이블 값(룩-업 테이블에서)으로 정의될 수도 있다. 표 값들을 보간(interpolating)하여 보정 곡선을 판독할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명으로 공통 측정 부피에 존재하는 가스의 유형에 대한 정보를 간단한 방식으로 얻을 수 있음을 인식하였다. 이하, 자세히 설명하겠지만 이 정보는 압력 센서의 측정 신호를 기반으로 압력 측정의 정확도를 개선하는데 사용될 수 있다. 그러나 가스 유형에 대한 이 정보는 그 자체로 가치가 있다.
실제로, 압력 센서 그룹은 본 발명의 방법에 따라 작동될 때 놀랍게도 간단한 방식으로 잔류 가스 분석기의 작업을 적어도 부분적으로 수행할 수 있다.
가스 유형 목록은 질소(N2), 산소(O2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 크세논(Xe), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O)와 같은 순수 화학 물질 목록일 수 있다. 그러나 가스 유형 목록에는 가스 혼합물 목록도 포함될 수 있다.
예를 들어, 동일한 가스의 다른 혼합 비율은 목록에 별도의 항목이 있을 수 있으며 각각 고유한 보정 데이터가 있다. 예를 들어, 이러한 목록에는 100% N2, 90% N2+10% Ar, 80% N2+20% Ar 등의 항목이 포함될 수 있다. 가스 농도에 대한 보정 데이터의 민감도에 따라 5%, 2%, 1% 등의 증분들이 제공되어 충분한 정확도로 가스 유형 의존성을 설명하는 보정 데이터를 제공할 수 있다. 가스 유형 목록은 서로 다른 화학 물질 그룹들을 하나의 목록 항목으로 결합할 수 있다. 예를 들어, 피라니(Pirani) 센서의 경우 공기, 질소 및 산소에 대한 보정 데이터가 함께 처리된다. 예를 들어, 가스 유형 목록은 분자량 목록으로 정의할 수도 있다. 이 경우 동일한 분자량을 가진 화학 물질은 단일 목록 항목에 포함된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 가스 유형 목록이라는 용어는 목록 항목들이 유한한 개수의 목록 항목들에 의해 결정되지 않고 연속적으로 실행되는 파라미터에 의해 결정되는 목록의 일반화된 형식을 의미하는 것으로 의도된다. 이 파라미터는 예를 들어, 가스의 혼합 비율일 수 있다. 추가 실시예로서, 이 파라미터는 평균 분자량일 수 있다. 이 경우 제1 및 제2 보정 데이터는 수학 공식을 통해 또는 파라미터의 각각의 값에 대한 테이블 값의 보간을 통해 이 연속 파라미터의 함수로 정의된다. 가스 유형 목록의 이러한 일반화된 형태는 특히 여전히 언급되고 균형있는 방법("최적 맞춤")에 기초하는 본 발명에 따른 방법의 변형의 경우에 중요한 역할을 한다.
보정 데이터는 예를 들어, 측정 데이터일 수 있다. 또는 압력 센서의 이론적인 속성에서 보정 데이터를 도출할 수도 있다. 예를 들어, 보정 데이터는 특히 각 압력 센서의 기하학적 모양과 치수를 고려한 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 할 수 있다.
방법의 실시예들은 종속항 2항 내지 11항의 특징으로부터 기인한다.
방법의 일 변형은 다음의 추가 단계를 포함한다.
d) 합성 가스 유형에 대한 기록된 제1 측정값 및 제1 보정 데이터의 함수로서 및/또는 합성 가스 유형에 대한 기록된 제2 측정값 및 제2 보정 데이터의 함수로서 합성 압력을 결정하는 단계.
본 발명의 발명자들은 존재하는 가스의 유형에 대해 이전에 결정된 정보에 기초하여 전체 압력 측정 범위에 걸쳐 전체 압력 측정 범위에서 높은 측정 정확도가 달성되며 그룹의 적어도 두 개의 압력 센서의 복합 압력 측정 범위로 발생한다는 것을 인식했다. 측정 부피에 존재하는 가스 유형에 대한 지식 부족으로 인해 발생하는 결정된 압력의 불확실성은 이 방법의 변형에서 감소되거나 이상적으로는 완전히 사라진다. 이 변형에서 가스 유형에 독립적인 합성 압력도 결정된다.
방법의 일 변형에서, 제1 및 제2 압력 센서는 진공 압력 센서이다.
진공 압력 센서는 본 발명에 따른 방법으로부터 특히 큰 이점을 얻는데, 이는 측정할 압력이 낮을수록 가스 유형 의존성을 나타내는 간접 압력 측정 방법에 의존해야 할 가능성이 더 높기 때문이다.
방법의 일 변형에서 제1 압력 센서는 피라니 센서이다. 피라니 센서는 일반적인 가스 유형 의존성을 가지고 있는데, 예를 들어, 기준 가스로 질소로 보정된 센서의 경우 예를 들어, 수증기에 대해 2배로 너무 높은 측정값을 나타내고, 예를 들어, 희가스 크세논에 대해 3배로 너무 낮은 측정값을 나타낸다.
본 발명에 따른 방법이 없다면, 이는 큰 측정 불확실성의 원인이 된다. 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 이러한 가스 유형 의존성은 유용한 정보 소스가 된다.
방법의 일 변형에서 제2 압력 센서는 열음극 이온화 진공 게이지이다. 특히, 베이야드-알퍼트(Bayard-Alpert) 유형의 열음극 이온화 진공 측정기가 사용된다. 이 측정 원리에서 질소로 보정된 센서는 수소의 경우 2.4배의 너무 낮은 압력을 나타내는 반면 크세논의 경우 2.5배의 너무 높은 압력을 출력한다. 이 변형은 특히 피라니 센서를 제1 압력 센서로 사용하는 변형과 결합될 수 있다. 두 센서의 완전히 다른 압력 측정 원리는 가스 유형 의존성이 크게 다르기 때문에 서로를 이상적으로 보완한다. 공통 측정 부피에서 가스 유형의 변화는 예를 들어, N2-보정된 피라니 및 열음극 센서에서 두 출력 압력의 편차로 뚜렷한 방식으로 나타난다. 예를 들어, 크세논의 경우 N2로 보정된 피라니 센서는 3배로 너무 낮은 값을 나타내는 반면 N2로 보정된 열음극 센서는 2.5배로 너무 높은 값을 나타낸다. 방법의 일 변형에서 제2 압력 센서는 냉음극 이온화 진공 게이지이다. 냉음극 이온화 진공 측정기는 특히 역 마그네트론일 수 있다.
이 변형은 제1 압력 센서인 피라니 센서와 함께 잘 작동한다.
방법의 일 변형에서, 제1 및 제2 가스 유형별 보정 데이터는 각각 제1 및 제2 인자에 의해 각각 정의되며, 제1 측정 신호 및 제2 측정 신호는 각각 곱해져서 유효 압력을 얻는다. 따라서 예를 들어, 제1 센서의 측정 신호 p1과 i 번째 가스 Gi의 경우 유효 압력에 대한 공식이 적용된다.
p eff =C 1 [G i ]p 1
그리고 제2 센서의 측정 신호 p2에 대해 다음이 적용된다.
p eff =C 2 [G i ]p 2 .
가스 유형 목록과 피라니 및 냉음극 압력 센서 유형에 대한 구체적인 계수가 포함된 표가 하기 기재된다.
방법의 일 변형에서, 목록의 각 가스 유형에 대해 각각의 가스 유형에 대한 제1 인자 및 각각의 가스 유형에 대한 제2 인자로부터의 몫을 형성함으로써 몫들의 목록이 형성되는데, 기록된 제1 측정값과 기록된 제2 측정값의 몫으로 기록된 몫이 형성되고, c) 단계에서 "합성 가스 유형을 결정하는 단계"는 기록된 몫이 가장 근접한 몫들의 목록으로부터의 몫들로 결정된다. 이는 몫 Q[Gi] 목록이 가스 유형 Gi 목록의 각각의 i에 대해 Q[Gi]=C1[Gi]/C2[Gi] 또는 그 역으로 정의됨을 의미한다. 기록된 지수는 기록된 측정값 p1(제1 압력 센서의) 및 p2(제2 압력 센서의)로부터 Q=p1/p2로 계산된다.
Q에 가장 가까운 목록 Q[Gi]으로부터의 몫은 Q*로 결정된다. 관련된 가스 유형은 합성 가스 유형 G*이다.
방법의 일 변형에서, c) 단계에서 "합성 가스 유형을 결정하는 단계"는 제1 및 제2 가스 유형별 보정 데이터에 기초하여 기록된 제1 측정값으로부터 시작하여 가스 목록으로부터 각각의 가스에 대하여, 이 가스가 공통 측정 부피에 존재하는 경우 제2 측정 신호에 대해 예상되는 값은 무엇인지 결정한다. 기록된 제2 측정값에서 이 값의 가장 작은 편차가 합성 가스 유형을 결정하는 기준으로 사용된다.
예를 들어, 이 변형에서는 한정된 가스 유형 목록에서 선택할 수 있다. 이 변형은 위에서 언급한 가스 유형 목록의 일반화된 형식에도 적합하다. 기록된 제2측정값으로부터 제2 측정 신호에 대한 보정 데이터로부터 예측된 값의 가장 작은 편차의 기준 결과로서, 예를 들어, 혼합비 또는 평균 분자량의 값에 대해 가스 유형 목록의 연속 파라미터에 대한 최상의 선택이 얻어진다. 이 연속 파라미터 선택은 합성 가스 유형을 정의한다.
방법의 일 변형에서, 일반적인 측정 부피의 압력이 변경됨에 따라, 제1 압력 센서로부터의 제1 측정값 및 제2 압력 센서로부터의 제2 측정값의 복수의 쌍들이 기록되고, 합성 가스 유형을 결정할 때 기록된 복수 쌍들의 조합과 가장 잘 일치하는 가스 유형이 선택된다.
이 방법의 변형은 서로 다른 가스의 보정 곡선이 유효 압력에 대한 의존성이 다른 경우(예: 단일 압력 값에서의 측정만으로는 관찰할 수 없는 서로 다른 기울기 또는 곡률로 인해)에 특히 유용하다. 공통 측정 부피의 압력 변화 조건은 예를 들어, 펌프를 켜거나 밸브를 열어 가스를 공통 측정 부피으로 유입함으로써 능동적으로 달성될 수 있다. 그러나 압력 변화 조건은, 예를 들어, 압력 센서들 중 하나의 측정 신호를 지속적으로 관찰하고 충분히 빠른 압력 변화율이 관찰되자마자 방법을 시작하여 대안으로 달성될 수 있다. 이러한 방식으로 측정 데이터는 가스 의존 보정 곡선의 다양한 진행이 구별 가능한 측정 결과에 반영되는 충분히 큰 압력 범위로부터 수집될 수 있다.
또한 이 변형에서는 목록 항목이 연속 파라미터로 정의되는 가스 유형 목록으로 작업할 수 있다.
이는 테이블에서 가장 적합한 가스로 "반올림"할 필요가 없기 때문에 결정된 압력의 정확도를 더욱 높일 수 있다. 연속 파라미터의 구성은 가스 혼합물의 측정 부피에 효과적으로 존재하는 상황을 더 잘 나타낼 수 있다.
방법의 일 변형에서, 기록된 제1 측정값, 기록된 제2 측정값 또는 합성 압력을 사용하여 공통 측정 부피에 존재하는 압력이 중첩 압력 측정 범위 내에 있는지 여부를 확인하고, 그렇지 않은 경우 합성 압력 및/또는 합성 가스 유형은 유효하지 않은 것으로 거부된다.
방법의 단계들에 사용되는 두 압력 센서의 압력 측정 범위 내에 있는 압력과 공통 측정 부피의 유효 압력이 일치하지 않는 경우, 결정된 합성 가스 유형 및 선택적으로 합성 압력은 합리적인 것이 아니다. 앞서 언급한 조건이 충족되는지 여부는 방법의 일부 단계들이 이미 수행된 후에만 사실로 판명될 수 있다. 방법의 현재 변형은 간단한 방법으로 품질 보증을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치인 청구항 12항에 따른 장치에 관한 것이다.
이 장치는 공통 측정 부피의 압력을 측정하도록 배열된 압력 센서 그룹을 포함한다. 압력 센서 그룹은 적어도 제1 압력 측정 범위를 갖는 제1 압력 센서 및 제2 압력 측정 범위를 갖는 제2 압력 센서를 포함하고, 제1 및 제2 압력 측정 범위는 중첩 압력 측정 범위에서 중첩된다. 제1 압력 센서는 제1 간접 압력 측정 원리에 기초하고 제2 압력 센서는 제2 간접 압력 측정 원리에 기초한다. 장치는 제1 보정 데이터 및 제2 보정 데이터를 저장하기 위한 수단을 더 포함한다.
장치의 실시예는 압력 센서들의 측정 신호를 처리하기 위해 제1 압력 센서의 제1 측정 신호 출력, 제2 압력 센서의 제2 측정 신호 출력, 및 제1 보정 데이터 및 제2 보정 데이터를 저장하는 수단에 작동적으로 연결된 제어 유닛을 포함한다. 장치는 추가로 합성 가스 유형 및/또는 합성 압력을 출력하도록 구성된다.
이 실시예에서, 합성 가스 유형은 내부 결과로 남을 수 있고, 예를 들어, 합성 압력만이 인터페이스를 통해 출력될 수 있다. 이를 통해 장치는 외부에서 단일 압력 센서처럼 작동할 수 있으므로 측정 부피의 가스 유형에 관계없이 압력에 대한 정확한 측정 결과를 제공한다.
또한 본 발명의 범위 내에는 청구항 14항에 따른 컴퓨터 프로그램 제품이다. 컴퓨터 프로그램 제품은 명령들이 본 발명에 따른 장치의 제어 유닛에 의해 실행될 때 제어 유닛이 본 발명에 따른 방법의 단계들 또는 방법의 변형들 중 하나를 수행하게 하는 명령들을 포함한다.
다음에서, 제1 압력 센서로 피라니 센서가 있는 압력 센서 그룹을 기준으로 한 실시예를 설명하고(계수 C1 형식의 보정 데이터), 인자들(factors)로 사용할 수 있는 구체적인 보정 데이터가 있는 제2 압력 센서로서 열음극 이온화 진공 게이지(계수 C2 형식의 보정 데이터)가 있는 압력 센서 그룹을 기반으로 한 실시예를 설명한다.
5*10E-2 ~ 5*10E-4 mbar의 압력 범위에서 다음이 근사적으로 적용된다.
압력 센서 1에 대하여 peff=C1[Gi]*p1 및
압력 센서 2에 대하여 peff=C2[Gi]*p2
아래 표의 각 라인은 가스 G1에 따라 판독된다. 이 압력 범위는 두 압력 센서의 중첩 압력 측정 범위에도 있다. 이 표는 질소 N2를 기준 가스로 적용하므로 질소의 경우 가스 유형 의존 계수는 1이다. 공기(air)와 산소(O2)는 여기에서 선택한 센서의 기준 가스 N2와 실질적으로 동일하게 작동하므로 표의 한 줄에 나열된다.
Figure pct00001
두 압력 센서의 공통 측정 부피에서 유효 압력(peff)이 표에 따라 가스 의존 요인에 의한 보정 유효 범위 내에 있는 경우, 제1 압력 센서는 측정값 p1=peff/C1 을 전달하고 제2 압력 센서는 측정값 p2=peff/C2 을 전달한다.
따라서 두 측정값의 몫은 다음과 같고
p1/p2=(C2*peff)/(C1*peff)=C2/C1,
peff의 정확한 값이 무엇이든 관계 없다. 중첩 압력 측정 범위 또는 근사치의 유효 범위는 이 실시예에서 20배 이상 확장된다.
예를 들어, 몫 p1/p2에 대해 7보다 큰 값이 결정되면 가스 헬륨(He)이 위 표의 가스 목록에 가장 적합하고(Q[He]의 표 값=7.38), 두번째로 가장 적합한 값(Q[H2]=4.80)은 이미 상대적으로 멀리 떨어져 있다. 따라서 본 발명에 따른 방법의 단계 c)에서 헬륨은 이 경우 합성 가스 유형으로 결정된다. 방법 변형의 단계 d)에서 합성 압력 p*는 가스 헬륨에 대한 계수, 즉 합성 가스 유형, 예를 들어, 다음 공식에 의해 결정될 수 있다.
p*=C1[He]*p1=0.8*p1.
대안으로 다음 공식이 적용될 수 있거나,
p*=C2[He]*p2=5.9*p2
두 압력 센서들의 측정값을 기반으로 한 평균값은 예를 들어, 다음과 같이 결정될 수 있다.
p*=C1[He]*p1+C2[He]*p2/2.
본 발명의 예시적인 실시예는 도면들을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다:
도 1은 본 발명에 의한 방법을 수행하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 3은 제1 및 제2 압력 측정 범위의 가능한 상대 위치 및 이에 따른 중첩 압력 측정 범위를 개략적으로 도시한다.
도 4는 이중 로그 다이어그램(double-logarithmic diagram)에서 가스 유형에 대한 피라니 센서에 의해 결정된 압력의 의존성을 도시한다.
도 5는 제1 및 제2 가스 의존 보정 곡선을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 의한 방법을 수행하기 위한 예시적인 장치(10)를 개략적으로 도시한다. 장치는 공통 측정 부피(2)의 압력을 측정할 수 있는 적어도 하나의 제1 압력 센서(1') 및 적어도 하나의 제2 압력 센서(1'')를 갖는 압력 센서 그룹(1)을 포함한다. 측정 부피(2)는 특히 점선으로 표시된 윤곽 영역에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이 진공 챔버의 부분적 부피일 수 있다. 제1 압력 센서(1')는 제1 측정 신호 출력(3')으로부터 제어 유닛(12)으로 제1 측정 신호(p1)를 전달하도록 설정된다. 제2 압력 센서(1'')는 제2 측정 신호 출력(3'')으로부터 제어 유닛(12)으로 제2 측정 신호(p2)를 전달하도록 설정된다. 점선으로 도시된 액티브 연결(active connections)은 예를 들어, 와이어(wire)로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 무선 신호(블루투스 등) 또는 광 신호 전송으로도 구현될 수 있다. 점선 화살표는 장치 요소 간의 정보 흐름을 도시한다. 장치는 제어 유닛으로 전송될 수 있는 가스 의존 보정 데이터를 저장하기 위한 수단(5)을 포함한다. 합성 가스 유형(G*) 및 합성 압력(p*)이 제어 장치에 의해 출력될 수 있다. 표시된 장치의 부품 또는 전체 장치를 공통 하우징에 설치할 수 있다. 특히, 압력 센서 그룹과 제어 유닛은 압력 센서 유닛을 형성하기 위해 공통 하우징에 결합될 수 있다. 추가로, 보정 데이터를 저장하기 위한 수단은 선택적으로 공통 하우징에 수용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 방법(100)의 흐름도를 도시한다. 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 제1 측정 신호에 대한 가스 유형별 제1 보정 데이터 K1[Gi] 및 제2 측정 신호에 대한 가스 유형별 제2 보정 데이터 K2[Gi]를 제공하는 단계(101)로서, 제1 및 제2 보정 데이터는 기준 가스와 상이한 적어도 하나의 제1 가스 유형(G1)을 포함하는 가스 유형 목록에 대하여, 공통 측정 부피 내에서 유효 압력(peff) 및 가스 유형에 대한, 각각의 제1 및 제2 측정 신호들의 의존성을 설명하는, 단계(101);
b) 실질적으로 제1 측정 신호의 제1 측정값(p1)과 제2 측정 신호의 제2 측정값(p2)을 동시에 기록하는 단계(102);
c) 제1 및 제2 보정 데이터를 고려하여, 합성 가스 유형(G*)을 기록된 제1 측정값(p1)과 기록된 제2 측정값(p2)의 조합과 가장 잘 일치하는 가스 유형 목록의 가스 유형으로 결정하는 단계(103).
단계 101, 102 및 103은 절차 시작(START) 전에 필요한 보정 데이터가 이미 사용 가능한 상태로 순차적으로 수행된다. 방법의 끝(END)에서 합성 가스(G*)를 알 수 있다.
선택적 단계 d)는 점선 사각형으로 표시되며, 추가로 실행되는 경우 합성 압력을 출력으로 제공하는 방법의 변형으로 이어진다. 이 추가 단계를 사용하면 합성 압력(p*)도 방법의 끝에서 알 수 있다.
추가 단계 d)는 합성 가스 유형에 대한 기록된 제1 측정값 및 제1 보정 데이터의 함수로서 및/또는 합성 가스 유형에 대한 기록된 제2 측정값 및 제2 보정 데이터의 함수로서 합성 압력을 결정하는 단계(104)를 포함한다.
따라서 c) 단계에서 알려진 합성 가스 유형에 따라 해당 보정 데이터 세트를 사용하여 압력 센서의 측정값을 가스 유형 독립적인 유효 압력으로 변환한다.
도 3은 도 3a) 및 도 3b)에서 압력 축(p)에서 압력 센서 그룹의 제1(1') 및 제2(1'') 압력 센서의 제1(4') 및 제2(4'') 압력 측정 범위의 상대 위치에 대한 두 가지 가능성을 개략적으로 보여준다. 여기서 압력 축(p)은 개략적으로 이해되어야 하며, 예를 들어, 선형 축 또는 대수 축일 수 있다. 높은 압력은 낮은 압력보다 축에서 더 위로 당겨진다. 제1(4') 및 제2(4'') 압력 측정 범위가 겹치는 중첩 압력 측정 범위(6)가 존재한다. 방법의 단계 a)에서 제1 및 제2 측정 신호의 판독은 공통 측정 부피의 압력이 이 중첩 압력 측정 범위(6)에 있는 동안 발생한다. 도 3b)에 제2 압력 측정 범위(4'')가 제1 압력 측정 범위(4') 내에 완전히 포함되어 중첩 압력 측정 범위가 제2 압력 측정 범위(4')와 동일한 경우가 도시된다.
도 4는 특정 유형의 가스에 대한 피라니 센서에 의해 결정된 압력의 의존성을 이중 로그 표현으로 도시한다. 수평 방향으로 "유효" 압력(peff)이 플롯된다. 수직 방향에서 피라니 센서에서 판독한 압력 p(mbar)는 서로 다른 유형의 가스에 대한 유효 압력 peff(mbar)의 함수로 각각 별도의 곡선으로 표시된다; 다이어그램의 오른쪽 상단 영역에 있는 각각의 곡선의 레이블을 참조. 도면에 표시된 압력 범위는 10-3 mbar에서 102 mbar까지, 즉 5자릿수 이상의 두 축에서 확장된다. 이 경우 피라니 센서는 가스 유형 공기에 대한 압력(peff)을 표시하도록 보정되는데, 즉, 공기(air)에 대한 압력 곡선은 이중 로그 플롯에서 대각선의 직선이다. 따라서 표시된 각각의 곡선은 가스 유형에 따른 보정 곡선이다. 제1 압력 센서는 예를 들어, 피라니 센서일 수 있으므로 도 4에 표시된 곡선 세트는 가스 유형별 제1 보정 데이터를 나타낼 수 있다.
약 1 mbar 미만의 압력 범위에서 가스 유형의 영향은 peff와 피라니 센서로 측정된 압력(p) 사이의 인자로 설명될 수 있으며 이중-로그 다이어그램(double-logarithmic diagram)에서 곡선의 오프셋으로 나타난다. 본 발명자들이 인식한 바와 같이, 약 20배에 걸친 이들 보정 곡선의 필수 정보는 전술한 인자들에 의해 이미 충분히 정확하게 기술될 수 있어, 해당 인자들이 포함된 표는 가스 유형별 초기 보정 데이터의 메모리 절약형 형식이다.
유사하게, 제2 압력 센서에 대한 제2 보정 데이터는 곡선 세트 또는 인자들의 표로 제공될 수 있다.
도 5는 가스 G1(실선), 가스 G2(짧은 선 점선) 및 가스 G3(긴 선 점선)의 세 가지 가스에 대한 예시적이고 도식적인 보정 곡선을 도시한다. 좌측 절반에는 제1 압력 센서의 보정 곡선이 제1 측정 신호(p1)의 함수로 표시된다. 우측 절반에는 제2 압력 센서의 보정 곡선이 제2 측정 신호(p2)의 함수로 표시된다. 각각의 측정 신호에 대응하는 유효 압력(peff)은 세로축에 표시되며, 왼쪽 다이어그램의 특정 수직 위치는 오른쪽 다이어그램과 동일한 유효 압력에 해당한다. 보정 곡선은 본 발명의 기본 원리를 명확히 하는 예시적인 실시예로서 이해되어야 한다. 예를 들어, 다이어그램은 이중-로그 표현일 수 있다. 제1 센서의 가스 유형 의존성은 제2 센서의 가스 유형 의존성과 다르다. 제2 압력 센서에서 곡선의 기울기와 곡률의 변화가 명백하지만 이 실시예에서 제1 센서의 보정 곡선에서는 뚜렷하지 않다.
흰색 삼각형은 p1 축에서 제1 압력 센서의 결정된 제1 측정 신호를 나타낸다. 동시에 제2 압력센서는 p2 축에 검은색 삼각형으로 표시된 제2 측정신호를 판단하였다. 흰색 삼각형에서 시작하는 보조선으로 가스 유형에 따라 공통 측정 부피에서 예상되는 유효 압력과 이 유효 압력에서 예상되는 제2 측정 신호가 표시된다. 가스(G3)는 실제 측정된 값과 가장 잘 맞으므로 가스(G3)는 결과 가스(G*)로 정의된다. 이에 대한 기준은 예를 들어, -선택적으로 대수 - p2축의 거리일 수 있다. G*=G3에 대한 보정 곡선에서 합성 압력(p*)은 peff 축에서 판독할 수 있다.
이러한 여러 쌍의 제1 및 제2 측정 신호를 비교해야 하는 경우, 예를 들어, 제곱 거리의 합은 가장 적합한 가스를 결정하는 데 적합한 기준이다. 제1 및 제2 측정 신호의 역할은 실제로 측정된 제2 측정 신호에서 시작하여 p1 축에서 예상되는 측정 신호가 결정된다는 점에서 역전될 수 있고 - 대안으로 또는 추가로 - 측정된 제1 측정 신호로부터의 거리는 가장 적합한 가스에 대한 기준으로 결정된다.
본 발명에 따른 방법 및 그 모든 실시예는 적어도 하나의 압력 센서를 제로화하는 추가 단계와 결합될 수 있다. 다양한 유형의 압력 센서들에서 주어진 유효 압력에 대해 생성된 측정 신호는 시간이 지남에 따라 드리프트(drift)될 수 있다. 이 효과는 영점화에 의해 제거될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 방법의 정확성을 더욱 증가시킨다. 영점 측정 신호는 바람직하게는 영점화될 압력 센서의 측정 범위보다 적어도 1 내지 20배 낮은 유효 압력에서 결정된다. 충분히 낮은 압력이 있는지 확인하는 방법은 다양하다. 예를 들어, 피라니 센서를 제로화하기 위해 압력 측정 범위가 피라니 센서의 측정 범위보다 최소 20배 아래로 확장되는 이온화 진공 게이지를 사용하여 충분히 낮은 압력 달성을 확인할 수 있다. 다른 실시예로, 베이야드-알퍼트 유형의 이온화 진공 게이지를 영점화할 때 추출기 유형의 이온화 진공 게이지로 충분히 낮은 압력에 도달하는지 확인할 수 있다.
압력 센서를 영점 조정하기 위해 충분히 낮은 압력에 도달하는 것은 예를 들어, 오랜 시간 동안 일반적인 측정 부피를 펌핑(pumping down)하는 것과 같은 적절한 방법 단계를 통해 달성할 수도 있다. 충분히 낮은 압력의 달성은 대안적으로 압력 센서의 공통 측정 부피에 작동적으로 연결된 진공 펌프의 작동 파라미터로부터 도출될 수도 있다.
압력 센서의 드리프트와 가스 유형 의존성은 두 가지 별개의 현상이라는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 가스 유형이 변경될 때마다 압력 센서가 항상 0으로 재설정되더라도 여전히 가스 유형 의존성이 존재한다.
가스 혼합물 목록을 포함할 수 있는 가스 유형 목록을 처리할 수 있는 방식으로 돌아가서 다음과 같은 예시가 제공된다. 예를 들어, 피라니 센서의 경우 전체 열전도율에 대한 가스 혼합물의 각각의 구성 요소의 열전도율 기여도를 요약하는 것이 아이디어이다. 예를 들어, 다음 논문의 공식 11에서,
K. Jousten, On the gas species dependence of Pirani vacuum gauges, Vac. Sei. Technol. A 26, 3, May/Jun 2008,
혼합물에 포함된 각각의 가스 종들의 유효 수용 계수와 열 용량을 고려한 공식을 제공한다.
대안으로 하기 논문의 공식 17 및 18을 사용하는 피라니 센서에도 적합하다.
Ikhsan Setiawan et al, Critical Temperature Differences of a Standing Wave Thermoacoustic Prime Mover with Various Helium-Based Binary Mixture Working Gases, 2015 J. Phys.: Conf. Ser. 622 012010,
상기 논문은 관련된 각각의 가스 종들의 가스 분율, 열전도도 및 몰 질량을 기반으로 가스 혼합물의 열전도도를 나타내는 공식을 제공한다.
위의 두 공식은 가스 혼합물의 형태로 가스 유형 테이블을 생성하거나 하나 이상의 가스 유형의 일부를 연속 파라미터로 사용하는 데 적합하다. 후자는 위에서 설명한 "최적 맞춤" 절차에 유리하다.
유사하지만 다소 복잡한 절차가 이온화 진공 측정기로 가능하다. 여기서 전자의 에너지 분포, 가스의 이온화 포텐셜, 가스의 단편화 및 임의의 재조합은 이온 전류 예측을 위한 변수에 가능한 영향을 미치는 중요한 요소이다. 한편으로는 이온 수집기에서의 이온 전류와 다른 한편으로는 전자 방출 전류 및 압력의 비율로 정의되는 감도(S)가 실험 데이터 또는 시뮬레이션에서 알려진 경우, 결합된 이온 전류는 관련된 가스 유형의 분압으로 가중된 합으로 결정될 수 있다. 압력과 분압은 잔류 압력에 대한 차이로 간주되고, 컬렉터 전류(collector currents)는 잔류 압력에서 컬렉터 전류에 대한 차이로 간주된다.
참조 부호 목록
1 압력 센서 그룹
1' 제1 압력 센서
1'' 제2 압력 센서
2 공통 측정 부피
3' 제1 측정 신호 출력
3'' 제2 측정 신호 출력
4' 제1 압력 측정 범위
4'' 제2 압력 측정 범위
5 보정 데이터 저장 수단
6 중첩 압력 측정 범위
12 제어 유닛
G* 합성 가스 유형
p1 제1 측정 신호
p2 제2 측정 신호
peff 유효 압력
p* 합성 압력
100 방법
101 단계 a) 보정 데이터 제공
102 단계 b) 제1 및 제2 측정 신호 기록
103 단계 c) 합성 가스 유형 결정
104 단계 d) 합성 압력 결정
시작 방법의 시작
끝 방법의 끝

Claims (14)

  1. 공통 측정 부피(2)의 압력을 측정하도록 배열된 압력 센서(1', 1'') 그룹(1)을 작동하는 방법으로서, 압력 센서 그룹은 적어도 제1 압력 측정 범위(4')를 갖는 제1 압력 센서(1') 및 제2 압력 측정 범위(4'')를 갖는 제2 압력 센서(1'')를 포함하고, 제1 및 제2 압력 측정 범위는 중첩 압력 측정 범위(6)에서 중첩되며,
    제1 압력 센서(1')는 제1 간접 압력 측정 원리에 기초하고 기준 가스(Gref)로 보정된 제1 측정 신호를 출력하도록 구성되고, 제2 압력 센서(1'')는 제2 간접 압력 측정 원리에 기초하고 기준 가스로 보정된 제2 측정 신호를 출력하도록 구성되며,
    상기 방법은
    a) 제1 측정 신호에 대한 가스 유형별 제1 보정 데이터(K1[Gi]) 및 제2 측정 신호에 대한 가스 유형별 제2 보정 데이터(K2[Gi])를 제공하는 단계(101)로서, 제1 및 제2 보정 데이터는 기준 가스와 상이한 적어도 하나의 제1 가스 유형(G1)을 포함하는 가스 유형 목록에 대하여, 공통 측정 부피 내에서 유효 압력(peff) 및 가스 유형에 대한, 각각의 제1 및 제2 측정 신호들의 의존성을 설명하는, 단계(101);
    b) 실질적으로 제1 측정 신호의 제1 측정값(p1)과 제2 측정 신호의 제2 측정값(p2)을 동시에 기록하는 단계(102);
    c) 제1 및 제2 보정 데이터를 고려하여, 합성 가스 유형(G*)을 기록된 제1 측정값(p1)과 기록된 제2 측정값(p2)의 조합과 가장 잘 일치하는 가스 유형 목록의 가스 유형으로 결정하는 단계(103)들로 구성되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은
    d) 합성 가스 유형에 대한 기록된 제1 측정값(p1) 및 제1 보정 데이터의 함수로서 및/또는 합성 가스 유형에 대한 기록된 제2 측정값(p2) 및 제2 보정 데이터의 함수로서 합성 압력(p*)을 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 및 제2 압력 센서는 진공 압력 센서인, 방법.
  4. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 압력 센서(1')는 피라니 센서인, 방법.
  5. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 압력 센서(1'')는 특히 베이야드-알퍼트(Bayard-Alpert) 유형의 열 음극 이온화 진공 게이지인, 방법.
  6. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 압력 센서(1'')는 냉음극 이온화 진공 게이지, 특히 역 마그네트론인, 방법.
  7. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 가스 유형별 보정 데이터(K1[Gi], K2[Gi])는 각각 제1 인자 및 제2 인자(C1[Gi], C2[Gi])에 의해 정의되며, 이에 의해 제1 측정 신호 및 제2 측정 신호를 각각 곱해져서 유효 압력을 얻는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 가스 유형에 대한 제1 인자 및 각각의 가스 유형에 대한 제2 인자로부터의 목록으로부터 각각의 가스 유형에 대한 몫(Q[Gi])을 형성하여 몫들의 목록을 형성하고, 기록된 제1 측정값(p1)과 기록된 제2 측정값(p2)의 몫으로 기록된 몫(Q)이 형성되고, 이는 단계 c)에서 기록된 몫이 가장 가까운 몫들의 목록으로부터의 몫들(Q*) 중 어느 하나로 결정되는, 방법.
  9. 제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, c) 단계에서, 제1 및 제2가스별 보정 데이터에 기초하여 기록된 제1 측정값(p1)부터 시작하여 상기 가스 목록 중 각각의 가스에 대하여, 이 가스가 공통 측정 부피에 존재하는 경우 제2 측정 신호에 대해 어떤 값이 예상되는지 결정되고, 기록된 제2 측정값(p2)에서 이 값의 가장 작은 편차가 합성 가스 유형을 결정하는 기준으로 사용되는, 방법.
  10. 제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 압력 센서의 제1 측정값과 제2 압력 센서의 제2 측정값의 복수의 쌍들이 공통측정부피의 압력변화에 따라 각각 기록되고, 합성 가스 유형(G*)을 결정할 때 기록된 복수의 쌍들의 조합과 가장 일치하는 가스 유형이 선택되는, 방법.
  11. 제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 기록된 제1 측정값(p1), 기록된 제2 측정값(p2) 또는 합성 압력(p*)을 사용하여 공통 측정 부피에 존재하는 압력이 중첩 압력 측정 범위 내에 있는지 여부를 확인하고, 그렇지 않은 경우 합성 압력 및/또는 합성 가스 유형은 유효하지 않은 것으로 거부되는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치(10)로서, 장치는 공통 측정 부피(2)의 압력을 측정할 수 있도록 배열된 압력 센서 그룹(1)을 포함하고, 압력 센서 그룹은 적어도 제1 압력 측정 범위(4')를 갖는 제1 압력 센서(1') 및 제2 압력 측정 범위(4'')를 갖는 제2 압력 센서(1'')를 포함하고, 제1 및 제2 압력 측정 범위는 중첩 압력 측정 범위(6)에서 중첩되며, 제1압력센서(1')는 제1 간접 압력 측정 원리에 기초하고, 제2 압력 센서(1'')는 제2 간접 압력 측정 원리에 기초하며, 장치는 제1 보정 데이터 및 제2 보정 데이터를 저장하기 위한 수단(5)을 포함하는, 장치(10).
  13. 제12항에 있어서, 상기 장치(10)는 압력 센서들의 측정 신호를 처리하기 위해 제1 압력 센서의 제1 측정 신호 출력(3'), 제2 압력 센서의 제2 측정 신호 출력(3''), 및 제1 보정 데이터 및 제2 보정 데이터를 저장하는 수단(5)에 작동적으로 연결된 제어 유닛(12)을 포함하고, 합성 가스 유형 및/또는 합성 압력을 출력하도록 구성되는, 장치(10).
  14. 명령들이 제13항에 따른 장치(10)의 제어 유닛(12)에 의해 실행될 때 제어 유닛이 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법(100)의 단계들을 수행하게 하는 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
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