(57)【要約】【課題】  測定子と測定部とを接続する測定ケーブルをケーブル長が異なるものに変更した場合でも、ケーブル長変更による変動を補償することができ、同じ圧力に対して同一の圧力表示値を示して測定誤差なく圧力測定ができること。【解決手段】  測定子１００と測定部３００と測定ケーブル２００とにより構成され、測定部３００が、フィラメント１０１及び測定ケーブル２００が抵抗として１辺を構成する抵抗ブリッジ回路３０１と、抵抗ブリッジ回路３０１に電流を供給するための電源３１１と、フィラメント１０１の抵抗値が常に一定になるように抵抗ブリッジ回路３０１に供給する電流を調整するフィードバック回路とを備えたピラニ真空計において、測定部３００に、ケーブル長の変更による抵抗ブリッジ回路３０１の平衡状態の変動及び該抵抗ブリッジ回路３０１への供給電流の変動を補償する測定ケーブル抵抗値変動補償手段３１６を備える。【選択図】  図１
2005114574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定系に接続される測定子と、該測定子とは別体に配置される測定部と、前記測定子のフィラメントと前記測定部とを接続する測定ケーブルとにより構成され、前記測定部が、前記フィラメント及び前記測定ケーブルが抵抗として１辺を構成する抵抗ブリッジ回路と、該抵抗ブリッジ回路に電流を供給するための電源と、前記フィラメントの抵抗値が常に一定になるように前記抵抗ブリッジ回路に供給する電流を調整するフィードバック回路とを備えたピラニ真空計において、
前記測定部に、前記測定ケーブルのケーブル長の変更による前記抵抗ブリッジ回路の平衡状態の変動及び該抵抗ブリッジ回路への供給電流の変動を補償する測定ケーブル抵抗値変動補償手段を備えていることを特徴とするピラニ真空計。
【請求項２】
前記抵抗ブリッジ回路は前記フィラメントを持つ辺を除く残り３辺の少なくとも１辺が可変抵抗回路で構成されるとともに、前記電源は可変定電圧電源で構成されており、前記測定ケーブル抵抗値変動補償手段が、前記測定子が予め定められた基準圧力の雰囲気中にあるときに前記抵抗ブリッジ回路が平衡状態となるように前記可変抵抗回路の抵抗値を設定するブリッジ回路平衡調整手段と、前記測定子が前記基準圧力の雰囲気中にあるときに前記平衡状態の前記抵抗ブリッジ回路に供給される電流が予め定められた一定電流値となるように前記可変定電圧電源の出力を調整するブリッジ電流調整手段とにより構成されていることを特徴とする請求項１記載のピラニ真空計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の熱伝導率が圧力によって変化することを利用して真空領域の圧力を測定するピラニ真空計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空雰囲気中では圧力が低いほど気体の熱伝導率が小さくなり、加熱された物体が冷え難いことが知られている。ピラニ真空計は、気体の熱伝導率が圧力によって変化することを利用して真空領域の圧力（１ｋＰａ〜０．１Ｐａ）を測定するものである。定温度型のピラニ真空計は、真空雰囲気中に置いた測定子のフィラメント（発熱体）に一定電流を流して加熱し、気体の圧力によるフィラメントの温度変化を抵抗値の変化で検出し、フィラメントの抵抗値を一定に保つようにすることでフィラメントの温度を一定に保ったときの電流値から気体の圧力を求めるようにしたものである。
【０００３】
この種のピラニ真空計の一例として、従来、図３に示すピラニ真空計が知られている。図３に示すように、この従来のピラニ真空計は、内部に例えば白金細線からなるフィラメント１０１を有し、真空槽のような被測定系にゲージポート等を介して接続される測定子１００と、この測定子１００とは離れて別体に配置される測定部３００’と、測定子１００のフィラメント１０１と測定部３００’とを接続する測定ケーブル２００とにより構成されている。フィラメント１０１のある測定子１００の内部は、真空槽内と連通し、真空槽内と同一圧力となるようになっている。
【０００４】
測定部３００’は、抵抗として１辺をなすフィラメント１０１及び測定ケーブル２００と、３個の抵抗素子３０２〜３０４とがブリッジ接続された抵抗ブリッジ回路３０１’を有している。抵抗ブリッジ回路３０１’の入力端子ｖ，ｗは、可変抵抗として働くトランジスタ３０６を介して直流の電源３１０に接続されている。一方、抵抗ブリッジ回路３０１’の出力端子ｘ，ｙは差動増幅器３０５の入力側に接続されており、この差動増幅器３０５の出力側はトランジスタ３０６のベースに接続されている。差動増幅器３０５とトランジスタ３０６は、フィラメント１０１の抵抗値が常に一定になるように抵抗ブリッジ回路３０１’に供給する電流を調整するフィードバック回路を構成している。そして、抵抗ブリッジ回路３０１’が平衡状態にある場合は、抵抗ブリッジ回路３０１’の出力端子ｘ，ｙの各電位は等しく、トランジスタ３０６のベース電流は一定値に保たれ、よって、抵抗ブリッジ回路３０１’の入力端子ｖ，ｗ間に印加される電圧も一定に保たれる。このとき、電源３１０に直列接続された抵抗素子３０８の両端電圧を測る圧力測定用電圧計３０９の表示値は、電源３１０から抵抗ブリッジ回路３０１’に供給される電流に対応し、圧力測定値として用いられる。抵抗素子３０８と圧力測定用電圧計３０９とにより表示部３０７が構成されている。
【０００５】
一方、フィラメント１０１の雰囲気の圧力が変化すると、気体の熱伝導率が変化することでフィラメント１０１の温度が変化し、その結果としてフィラメント１０１の抵抗値が変化して抵抗ブリッジ回路３０１’の出力端子ｘ，ｙ間に電位差が生じる。すると、トランジスタ３０６のベース電流が変化することにより、フィラメント１０１の抵抗値を元の値に戻すように抵抗ブリッジ回路３０１’の入力端子ｖ，ｗ端子間に印加される電圧が変化する。その結果、抵抗ブリッジ回路３０１’は新たな平衡状態となり、前記圧力測定用電圧計３０９の表示値は、このときの真空槽内の圧力に対応した値を示すこととなる。
【０００６】
しかし、この従来のピラニ真空計では、測定子１００のフィラメント１０１と測定ケーブル２００とが抵抗として抵抗ブリッジ回路３０１’の一辺をなす構成であるから、測定誤差の発生を回避するため、測定ケーブル２００のケーブル長さを変更することができないという問題点があった。
【０００７】
図４は、従来の別のピラニ真空計の構成を示す回路図である。この従来のピラニ真空計は、特開昭５８−３０６３３号公報に開示されたものである。
【０００８】
図４に示すように、この従来のピラニ真空計は、フィラメント１０１を有する測定子１００と、測定子１００に連結された測定子ヘッド内に収納された感圧部４００と、測定子１００及び感圧部４００とは離れて別体に配置される給電・表示装置６００と、感圧部４００と給電・表示装置６００とを接続する測定ケーブル５００とにより構成されている。感圧部４００は、フィラメント１０１と３個の抵抗素子４０２〜４０４とがブリッジ接続された抵抗ブリッジ回路４０１と、差動増幅器４０５とトランジスタ４０６とにより構成されるフィードバック回路とを有している。給電・表示装置６００は、抵抗ブリッジ回路４０１に電流を供給するための直流の電源６０４と、表示部６０１とを有している。表示部６０１は、電源６０４に直列接続された抵抗素子６０２と、抵抗素子６０２の両端電圧を測る圧力測定用電圧計６０３とにより構成されている。
【０００９】
このように、この従来のピラニ真空計は、測定子１００と感圧部４００とを近接させた構成とすることにより、前記図３のピラニ真空計とは違って、フィラメント１０１の抵抗値変化を長い測定ケーブルを介してフィードバック回路に伝達しなくてすみ、測定ケーブル５００の長さは自由に変えることができる。
【００１０】
しかし、図４に示す従来のピラニ真空計では、測定子１００が平穏な環境に置かれるとは限らず、温度、湿度、放射線等において過酷な環境に置かれた場合、感圧部４００を構成する電子素子である差動増幅器４０５やトランジスタ４０６の寿命を著しく短くし、あるいは誤動作を引き起こすおそれがあるという問題点があった。
【特許文献１】特開昭５８−３０６３３号公報（第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は前記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定系に接続される測定子とこの測定子とは別体に配置される測定部とを接続する測定ケーブルをケーブル長が異なるものに変更した場合でも、ケーブル長変更による変動を補償することができ、同じ圧力に対して同一の圧力表示値を示して測定誤差なく圧力測定を行うことができるピラニ真空計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本願発明は次のように構成されている。
【００１３】
請求項１の発明は、被測定系に接続される測定子と、該測定子とは別体に配置される測定部と、前記測定子のフィラメントと前記測定部とを接続する測定ケーブルとにより構成され、前記測定部が、前記フィラメント及び前記測定ケーブルが抵抗として１辺を構成する抵抗ブリッジ回路と、該抵抗ブリッジ回路に電流を供給するための電源と、前記フィラメントの抵抗値が常に一定になるように前記抵抗ブリッジ回路に供給する電流を調整するフィードバック回路とを備えたピラニ真空計において、前記測定部に、前記測定ケーブルのケーブル長の変更による前記抵抗ブリッジ回路の平衡状態の変動及び該抵抗ブリッジ回路への供給電流の変動を補償する測定ケーブル抵抗値変動補償手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載のピラニ真空計において、前記抵抗ブリッジ回路は前記フィラメントを持つ辺を除く残り３辺の少なくとも１辺が可変抵抗回路で構成されるとともに、前記電源は可変定電圧電源で構成されており、前記測定ケーブル抵抗値変動補償手段が、前記測定子が予め定められた基準圧力の雰囲気中にあるときに前記抵抗ブリッジ回路が平衡状態となるように前記可変抵抗回路の抵抗値を設定するブリッジ回路平衡調整手段と、前記測定子が前記基準圧力の雰囲気中にあるときに前記平衡状態の前記抵抗ブリッジ回路に供給される電流が予め定められた一定電流値となるように前記可変定電圧電源の出力を調整するブリッジ電流調整手段とにより構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるピラニ真空計は、測定子と、この測定子とは別体に配置される測定部と、前記測定子のフィラメントと前記測定部とを接続する測定ケーブルとにより構成され、前記測定部に前記フィラメント及び前記測定ケーブルが抵抗として１辺を構成する抵抗ブリッジ回路を備えたピラニ真空計において、前記測定部に、前記測定ケーブルのケーブル長の変更による前記抵抗ブリッジ回路の平衡状態の変動及び該抵抗ブリッジ回路への供給電流の変動を補償する測定ケーブル抵抗値変動補償手段が備えられている。これにより、測定ケーブルをケーブル長が異なるものに変更した場合でも、ケーブル長変更による変動を補償することができ、同じ圧力に対して同一の圧力表示値を示して測定誤差なく圧力測定を行うことができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態によるピラニ真空計の構成を示す回路概略図、図２は図１における可変抵抗回路の構成を示す図である。ここで図１において、前記図３に示される従来のピラニ真空計と同一部分には図３と同一の符号を付してある。
【００１７】
本実施形態によるピラニ真空計は、内部に例えば白金細線からなるフィラメント１０１を有し、真空槽のような被測定系にゲージポート等を介して接続される測定子１００と、測定子１００とは離れて別体に配置される測定部３００と、測定子１００のフィラメント１０１と測定部３００とを接続する測定ケーブル２００とにより構成されている。
【００１８】
測定部３００は、図１に示すように、抵抗ブリッジ回路３０１と、直流の可変定電圧電源３１１と、差動増幅器３０５及びトランジスタ３０６で構成されるフィードバック回路と、抵抗素子３０８及び圧力測定用電圧計３０９で構成される表示部３０７と、補償指令スイッチ３１７と、制御部３１６とを有している。
【００１９】
前記抵抗ブリッジ回路３０１は、抵抗として１辺をなすフィラメント１０１及び測定ケーブル２００と、可変抵抗回路３１２と、２個の抵抗素子３０２，３０３とをブリッジ接続して構成されている。この抵抗ブリッジ回路３０１の入力端子ｖ，ｗは、可変抵抗として働くトランジスタ３０６を介して可変定電圧電源３１１に接続されている。一方、抵抗ブリッジ回路３０１の出力端子ｘ，ｙは差動増幅器３０５の入力側に接続されており、この差動増幅器３０５の出力側はトランジスタ３０６のベースに接続されている。差動増幅器３０５とトランジスタ３０６は、フィラメント１０１の抵抗値が常に一定になるように抵抗ブリッジ回路３０１に供給する電流を調整するフィードバック回路を構成している。また、可変定電圧電源３１１に直列接続された抵抗素子３０８の両端電圧を測る圧力測定用電圧計３０９の表示値は、可変定電圧電源３１１から抵抗ブリッジ回路３０１に供給される電流に対応し、圧力測定値として用いられる。
【００２０】
抵抗ブリッジ回路３０１の１辺をなす前記可変抵抗回路３１２は、測定ケーブル２００のケーブル長を変更したときに、初期調整として、ケーブル長が変更された測定ケーブルが接続された測定子１００を予め定められた基準圧力Ｐ0の真空雰囲気中に置いたときに抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となるように、その抵抗値が設定し直されるものである。
【００２１】
この可変抵抗回路３１２は、図２に示すように、本実施形態では、各々の抵抗値が同一であって直列接続された複数個の抵抗素子３１３と、各抵抗素子３１３の接続点に一端が接続され、他端が共通接続された複数個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）によるスイッチ素子３１４と、これらのスイッチ素子３１４をオン・オフ制御するデコーダ３１５とにより構成されている。
【００２２】
前記補償指令スイッチ３１７は、測定ケーブル２００のケーブル長を変更したときの初期調整時に、つまり、ケーブル長が変更された測定ケーブルが接続された測定子１００を予め定められた基準圧力Ｐ0の真空雰囲気中に置いたときに、人手による操作で作動されて、制御部３１６に補償動作の実行を指令する補償指令を与えるようになっている。
【００２３】
制御部３１６は、補償指令スイッチ３１７からの補償指令が与えられると、抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となって該抵抗ブリッジ回路３０１の出力端子ｘ，ｙ間電圧が零となるように、差増増幅器３０５の出力値に基づいて、デコーダ３１５に可変抵抗制御信号（可変抵抗制御データ）を与える。これにより、可変抵抗制御信号に対応するスイッチ素子３１４がオンとなり、抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となるように可変抵抗回路３１２の抵抗値が自動的に設定される。
【００２４】
また、制御部３１６は、平衡状態となった抵抗ブリッジ回路３０１に供給される電流が予め設定された一定の電流値Ｉ0となるように、圧力測定用電圧計３０９の測定値に基づいて、可変定電圧電源３１１に電流制御信号を与える。これにより、可変定電圧電源３１１の出力電圧が制御されて、可変抵抗回路３１２の抵抗値が設定し直されて平衡状態となった抵抗ブリッジ回路３０１に供給される電流が、予め設定された一定の電流値Ｉ0に自動的に調整される。
【００２５】
このように本実施形態では、制御部３１６は、測定ケーブル２００のケーブル長を変更したときの初期調整に際し、測定子１００が予め定められた基準圧力Ｐ0の真空雰囲気中にあるときに抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となるように可変抵抗回路３１２の抵抗値を自動的に設定するブリッジ回路平衡調整手段を構成している。また、制御部３１６は、測定ケーブル２００のケーブル長を変更したときの初期調整に際し、測定子１００が前記基準圧力Ｐ0の真空雰囲気中にあるときに平衡状態の抵抗ブリッジ回路３０１に供給される電流が予め定められた一定電流値Ｉ0となるように可変定電圧電源３１１の出力を自動的に調整するブリッジ電流調整手段を構成している。そして、本実施形態では、この制御部３１６は、測定ケーブル２００のケーブル長の変更による抵抗ブリッジ回路３０１の平衡状態の変動及び該抵抗ブリッジ回路３０１への供給電流の変動を補償する測定ケーブル抵抗値変動補償手段を構成している。制御部３１６は、例えばプログラムされたマイクロコンピュータで構成することができる。
【００２６】
このように構成される本実施形態によるピラニ真空計では、測定ケーブル２００のケーブル長を変更したときの初期調整として、制御部３１６による前述した測定ケーブル抵抗値変動補償が行われるようになっている。したがって、測定ケーブル抵抗値変動補償により抵抗ブリッジ回路３０１の１辺を構成する可変抵抗回路３１２の抵抗値と可変定電圧電源３１１の出力とが設定されると、それ以後は、前記図３の従来のピラニ真空計について前述したのと同様の動作によって圧力測定がなされるものであるから、ここでは、測定ケーブル２００をケーブル長が異なるものに変更した場合でも、同じ圧力に対して同一の圧力表示値を示して測定誤差のない圧力測定を可能にする補償原理について、以下に説明する。
【００２７】
ここで、測定ケーブル２００の抵抗値がＲであるとすると、基準圧力Ｐ0において抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となるように可変抵抗回路３１２の抵抗値を調節し設定したとき、フィラメント１０１、抵抗素子３０２、３０３及び可変抵抗回路３１２の各抵抗値Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ12、並びに抵抗ブリッジ回路３０１の電流ｉ1、ｉ2との間には次の関係が成り立つ。
【００２８】
【数１】
2005114574.tif 000003
【００２９】
次に真空槽内の圧力が変化し、圧力Ｐとなったとき、フィラメント１０１の抵抗値を元に戻すように、抵抗ブリッジ回路３０１の電流値がｉ1＋Δｉ1、ｉ2＋Δｉ2に調整されたとすると、このとき抵抗ブリッジ回路３０１は平衡状態を保っているから、式（２）の関係が成立する。
【００３０】
【数２】
2005114574.tif 000004
【００３１】
したがって、表示部３０７の抵抗素子３０８を流れる電流Ｉ（＝ｉ1＋ｉ2）の変化ΔＩは、式（１’）、（１）及び（２）より、次式（３）となる。
【００３２】
【数３】
2005114574.tif 000005
【００３３】
一方、ケーブル長さの異なる測定ケーブルを用いた場合には、その抵抗値は前記Ｒとは異なる値Ｒ’を有する。前述と同様、基準圧力Ｐ0において抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となるように可変抵抗回路３１２の抵抗値を調節し設定したとき、フィラメント１０１、抵抗素子３０２、３０３及び可変抵抗回路３１２の各抵抗値Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ12’、並びに抵抗ブリッジ回路３０１の電流ｉ1’、ｉ2’との間には次の関係が成り立つ。
【００３４】
【数４】
2005114574.tif 000006
【００３５】
次に前述と同様、真空槽内の圧力が変化し、圧力Ｐとなったとき、フィラメント１０１の抵抗値を元に戻すように、抵抗ブリッジ回路の電流値がｉ1’＋Δｉ1’、ｉ2’＋Δｉ2’に調整されたとすると、このとき抵抗ブリッジ回路３０１は平衡状態を保っているから、式（５）の関係が成立する。
【００３６】
【数５】
2005114574.tif 000007
【００３７】
したがって、表示部の抵抗素子３０８を流れる電流Ｉ’（＝ｉ1’＋ｉ2’）の変化ΔＩ’は、式（４’）、（４）及び（５）より、次式（６）となる。
【００３８】
【数６】
2005114574.tif 000008
【００３９】
このとき、式（１’）、（１）、（４’）及び（４）より、次式（７）の関係が成立する。
【００４０】
【数７】
2005114574.tif 000009
【００４１】
式（７）のようになるから、前述した可変抵抗回路３１２の設定の際に、抵抗ブリッジ回路３０１への供給電流がＩ＝Ｉ’＝Ｉ0、すなわち、（ｉ1＋ｉ2）＝（ｉ1’＋ｉ2’）＝（ｉ10＋ｉ20） となるように可変定電圧電源３１１の出力を調整すれば、式（８’）、（８）となる。
【００４２】
【数８】
2005114574.tif 000010
【００４３】
したがって、式（３）、（６）及び（７）より、式（９）の関係が成立する。
【００４４】
【数９】
2005114574.tif 000011
【００４５】
すなわち、測定ケーブル２００をケーブル長が異なるものに変更した場合でも、同じ圧力Ｐに対して同一の圧力表示値を示し、測定誤差なく圧力測定を行うことができる。
【００４６】
前述したように、本実施形態によるピラニ真空計は、測定部３００に設けられた制御部３１６により、測定ケーブル２００のケーブル長を変更したときの初期調整として、測定子１００が予め定められた基準圧力Ｐ0の真空雰囲気中にあるときに抵抗ブリッジ回路３０１が平衡状態となるように可変抵抗回路３１２の抵抗値を自動的に設定するとともに、該平衡状態の抵抗ブリッジ回路３０１に供給される電流が予め定められた一定電流値Ｉ0となるように可変定電圧電源３１１の出力を自動的に調整するように構成されている。これにより、測定ケーブル２００をケーブル長が異なるものに変更した場合でも、同じ圧力Ｐに対して同一の圧力表示値を示し、測定誤差なく圧力測定を行うことができる。
【００４７】
なお、本実施形態では、抵抗ブリッジ回路３０１はフィラメント１０１を持つ辺を除く残り３辺のうちの１辺を可変抵抗回路で構成するようにしたが、これに限定されず、残り３辺のうちの２辺又は３辺を可変抵抗回路で構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は本発明の一実施形態によるピラニ真空計の構成を示す回路概略図である。
【図２】図１における可変抵抗回路の構成を示す図である。
【図３】従来のピラニ真空計の構成を示す回路図である。
【図４】従来の別のピラニ真空計の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００…測定子
１０１…フィラメント
２００…測定ケーブル
３００…測定部
３０１…抵抗ブリッジ回路
３０２，３０３…抵抗素子
３０５…差動増幅器
３０６…トランジスタ
３０７…表示部
３０８…抵抗素子
３０９…圧力測定用電圧計
３１１…可変定電圧電源
３１２…可変抵抗回路
３１３…抵抗素子
３１４…スイッチ素子
３１５…デコーダ
３１６…制御部
３１７…補償指令スイッチ
【図１】
2005114574.tif 000012
【図２】
2005114574.tif 000013
【図３】
2005114574.tif 000014
【図４】
2005114574.tif 000015