專利名稱：用于熱損失壓力測量的裝置和方法
相關(guān)的專利申請(qǐng)這份申請(qǐng)是2002年10月16日申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)第10/273,402號(hào)的繼續(xù)申請(qǐng)。上述申請(qǐng)的全部教導(dǎo)在此通過引證被并入。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)因?yàn)橥ㄟ^氣體的傳熱速率是氣體壓力的函數(shù)，所以在某些條件下從受熱的敏感元件到氣體的傳熱率通過適當(dāng)?shù)臉?biāo)定能用來確定氣體壓力。這項(xiàng)原則被用于眾所周知的皮拉尼真空壓力計(jì)(在

圖1a和1b中以示意的形式展示)，其中熱損失是用適合給敏感元件加熱和測量它的電阻的惠斯通電橋網(wǎng)絡(luò)測量的。
參照?qǐng)D1a，在皮拉尼真空壓力計(jì)中，壓力傳感器由作為惠斯通電橋的一個(gè)橋臂連接的熱敏電阻RS組成的。R2通常是為了使電流i2引起的溫度上升可以忽略而設(shè)計(jì)的熱敏電阻。R3和R4通常是固定電阻。RS和R2通常暴露在將測量其壓力的真空環(huán)境中。圖1b舉例說明替代電橋配置。
皮拉尼真空壓力計(jì)是在電流i1恒定不變的條件下(如美國專利第3,580,081號(hào)所示)或在RS兩端的電壓恒定不變的條件下操作的。在這些方法中，產(chǎn)生反映氣體壓力的電橋的電不平衡。皮拉尼真空壓力計(jì)也在電阻RS恒定不變的情況下操作(如美國專利第2,938,387號(hào)所示)。在這種模式中，能源供應(yīng)速率隨著氣體壓力方面的改變而改變，所以能量供應(yīng)方面的速率變化反映氣體壓力方面的變化。每種操作方法有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是下面的討論特別適合電阻恒定不變的方法和圖1a的配置。
為了維持在圖1a中的A和C之間的電壓差在零伏特，電壓VB受到自動(dòng)控制。當(dāng)從A到C的電位下降是零的時(shí)候，電橋被說成是平衡的。在電橋平衡時(shí)，存在下列的條件iS＝i2， (1)i4＝i3， (2)iSRS＝i4R4， (3)和i2R2＝i3R3 (4)用式4除式3，并且使用式1和2得出RS＝βR2 (5)其中β＝R4/R3 (6)因此，在電橋平衡時(shí)RS是R2的不變份額β。
為了在任何給定的壓力下在RS方面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)條件，式7必須得到滿足給RS的電功率輸入＝RS幅射的功率+在RS末端損失的功率+從RS到氣體損失的功率 (7)
傳統(tǒng)的皮拉尼真空壓力計(jì)是針對(duì)一些已知的壓力標(biāo)定的，以便確定未知壓力(Px)和對(duì)氣體或更方便地對(duì)電橋電壓的功率損失之間的關(guān)系。然后，假定末端損失和輻射損失保持恒定不變，于是未知的氣體壓力Px可以直接由丟失給氣體的功率確定或在電橋平衡時(shí)直接與電橋電壓相關(guān)。
因?yàn)槠だ嵴婵諌毫τ?jì)可能被設(shè)計(jì)成有寬廣的范圍并且是比較簡單和便宜的，所以長期以來感到需要能夠以這些真空壓力計(jì)作為諸如電容式壓力計(jì)和電離真空壓力計(jì)之類定價(jià)非常高的真空壓力計(jì)的替代品。然而，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)就精確的壓力測量而言還有許多需要改進(jìn)之處，尤其是在較低的壓力下。
在1977年之前，由于在較高的壓力下氣體的熱導(dǎo)率在宏觀尺寸裝置中實(shí)質(zhì)上變成與壓力無關(guān)這一事實(shí)，皮拉尼真空壓力計(jì)的壓力上限是大約20托。發(fā)明家之一從1977以后曾幫助開發(fā)由受讓人(Granville-Phillips Company of Boulder Colorado)生產(chǎn)和銷售的CONVECTRON真空壓力計(jì)，該真空壓力計(jì)利用敏感元件的對(duì)流冷卻提供增強(qiáng)的敏感性，從20托到1000托。在全世界已出售數(shù)十萬臺(tái)CONVECTRON真空壓力計(jì)。最近一些贗品已經(jīng)出現(xiàn)在市場上。
雖然CONVECTRON真空壓力計(jì)填補(bǔ)某種未得到滿足的需要，但是它有一些缺點(diǎn)。它為了提供對(duì)流空間必須有大的內(nèi)部尺寸。因此，它是比較大的。因?yàn)閷?duì)流依靠重力，所以在較高的壓力下壓力測量結(jié)果取決于傳感器軸線的取向。另外，因?yàn)闅怏w傳導(dǎo)冷卻占主導(dǎo)地位的壓力范圍與發(fā)生對(duì)流冷卻的壓力范圍不精確地重疊，所以CONVECTRON真空壓力計(jì)的敏感性被限制在大約20托到200托。
為了幫助避免這些困難，微縮型皮拉尼傳感器已被研制出來，它利用從傳感器到外壁留數(shù)量級(jí)為幾微米的間隔，而不是先前所用的非常大的間隔(例如，0.5英寸)。例如，見授權(quán)給Higashi等人的美國專利第4,682,503號(hào)和授權(quán)給Shie等人的美國專利第5,347,869號(hào)。W.J.Alvesteffer等人在刊登在J.Sci.Technol.A13(6)，1995年十一月/十二月號(hào)中的文章中描述關(guān)于發(fā)明家已知的皮拉尼真空壓力計(jì)的最近的工作。使用這樣小的從傳感器到外壁的間隔甚至在高于大氣壓力的壓力下也提供隨著壓力變化的熱導(dǎo)率。因此，這樣的微型傳感器從低壓到大氣壓力以上都具有良好的敏感性并且在任何取向都起作用。
在開發(fā)微縮型真空壓力計(jì)的早期嘗試中存在許多問題。雖然微縮型傳感器在大的壓力范圍內(nèi)提供與取向無關(guān)的良好的敏感性，但是它們的設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，而且制造需要很多在高度專用設(shè)備中的精細(xì)加工步驟，從而成本高達(dá)數(shù)十萬美元。
微縮型傳感器蒙受與宏觀傳感器相同類型的環(huán)境溫度引起的誤差。在任何給定的壓力下，式7中所有的熱損失項(xiàng)都取決于環(huán)境溫度和敏感元件溫度。因此，在用皮拉尼真空壓力計(jì)進(jìn)行壓力測量并且沒有溫度校正的情況下的任何嘗試都將被環(huán)境溫度變化所引起的非取決于壓力的功率損失混淆。所有現(xiàn)代的皮拉尼真空壓力計(jì)都嘗試校正環(huán)境溫度變化引起的誤差。用來校正這種誤差的得到廣泛使用的方法是把對(duì)溫度敏感的補(bǔ)償元件RC與固定電阻R串聯(lián)用于R2，如圖1a和1b所示。
英國專利GB 2105047A揭示為了提供分壓器準(zhǔn)備一個(gè)附加電阻。J.H.Leck在Pressure Measurement in V交流uum的第58頁(Chapman and HallLondon，1964)中注意到Hale在1911年用與在他的皮拉尼真空壓力計(jì)中的RS相同的材料和實(shí)際尺寸制作R2。R2被密封在它自己的真空環(huán)境中并且被放在非常接近RS的地方。當(dāng)壓力在R2和RS處相等的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了極好的溫度補(bǔ)償。然而，在其它壓力下這種溫度補(bǔ)償方法不是非常奏效。
為了避免給在分開的玻璃泡中的R2抽真空和密封造成的額外的費(fèi)用和復(fù)雜性，R2照慣例被放在與RS相同的真空環(huán)境之中。通過使R2有比較大的熱質(zhì)量和大的熱損失，R2自己的加熱能變成可忽略的。Leck推薦R2是“按兩段制造的，例如，一段為銅而另一段為鎳鉻絲……，以致(R2的)總溫度系數(shù)恰好與皮拉尼元件(RS)本身的溫度系數(shù)匹配”。依照Leck，這種溫度補(bǔ)償方法已被Edwards High V交流uum of Great Britain用在METROV交流牌真空壓力計(jì)中。類似的溫度補(bǔ)償安排被用在CONVECTRON牌真空壓力計(jì)中。
然而，這種技術(shù)(在R2中使用電阻溫度系數(shù)不同的兩種或多種材料來接近RS的溫度系數(shù))僅僅在狹窄壓力范圍內(nèi)是有效的。事實(shí)上，如同在揭示皮拉尼真空壓力計(jì)中的這種溫度補(bǔ)償形式的美國專利第4,541,286號(hào)中注意到的那樣，這種補(bǔ)償僅僅在一個(gè)或最多幾個(gè)溫度下能變成精確的。另外，發(fā)明家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)熱質(zhì)量大的結(jié)構(gòu)大大增加了真空壓力計(jì)對(duì)環(huán)境溫度突然改變的響應(yīng)時(shí)間。
發(fā)明家通過廣泛的計(jì)算機(jī)模擬還發(fā)現(xiàn)如同Leck推薦的那樣和如同在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)踐的那樣將相等的溫度系數(shù)用于RS和R2不提供完全正確的溫度補(bǔ)償。發(fā)明家還發(fā)現(xiàn)在低于大約5×10-3托的壓力下末端損失超過組合起來的所有其它損失。這項(xiàng)研究確定的各個(gè)有關(guān)的損失分量(總損失中的輻射損失分量、末端損失分量和氣體損失分量)是用圖2的曲線展示的。在1×10-5托下，末端損失比氣體損失高1000倍以上，而輻射損失比氣體損失高大約100倍。
所以，在現(xiàn)有技術(shù)的皮拉尼真空壓力計(jì)中溫度變化的影響在氣體傳導(dǎo)損失非常低的非常低的壓力下是特別麻煩的。現(xiàn)有技術(shù)的熱損失真空壓力計(jì)不能精確地測量非常低的壓力，例如，1×10-5托。發(fā)明家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)限制是當(dāng)環(huán)境溫度改變的時(shí)候維持敏感元件的末端損失充份地恒定不變失敗的結(jié)果。Alvesteffer型的皮拉尼真空壓力計(jì)有能力指出在10-5托范圍內(nèi)的壓力，但是在那個(gè)范圍內(nèi)不提供精確的指示。例如，如果在典型的皮拉尼真空壓力計(jì)中末端損失不被保持恒定到5000中的一個(gè)部份，那么在1×10-5托的壓力指示可能偏離50％到100％。
下面的分析說明為什么現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)不適合在低壓下適當(dāng)?shù)匦Ｕh(huán)境溫度變化。為了在檢查現(xiàn)有技術(shù)方面方便，問題是用從傳感器元件到外壁留出比較大的間隔的真空壓力計(jì)的例子來解釋的。人們應(yīng)該理解同樣類型的問題存在于從敏感元件到外壁只留大約幾微米間隔的微縮型真空壓力計(jì)的復(fù)雜得多的幾何學(xué)之中。
圖3是使用小直徑金屬絲敏感元件304和補(bǔ)償元件303的傳統(tǒng)的皮拉尼真空壓力計(jì)的一部分302的示意表達(dá)。熟悉皮拉尼真空壓力計(jì)設(shè)計(jì)的人將領(lǐng)會(huì)到為了易于解釋和理解圖3中元器件沒有依比例繪制。通常，小直徑金屬絲敏感元件304與大得多的電連接器306、307形成電熱接合，后者與大得多支撐結(jié)構(gòu)的308、309形成熱接合。在任何給定的時(shí)間t讓TAL表示敏感元件304左端的支撐結(jié)構(gòu)308的溫度，而TAR表示右端的支撐結(jié)構(gòu)309的溫度。讓TSL和TSR分別表示左邊的敏感元件連接器306和右邊的敏感元件連接器307的溫度。讓TCL和TCR分別表示左邊的補(bǔ)償元件連接器310和右邊的補(bǔ)償元件連接器311的溫度。讓TXL和TXR分別表示距連接器306和307的距離為ΔX處的溫度。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中，顯然已經(jīng)假定這些溫度全部是相同的。然而，發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甚至表面上可忽略的差異對(duì)于低壓精確性也呈現(xiàn)很大的重要性。
為了更好地理解溫度補(bǔ)償需求，注意一些事實(shí)是重要的。
(1)在低壓下，RC的溫度主要是由補(bǔ)償元件接線和補(bǔ)償元件之間的熱交換確定的。這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度和低壓下輻射和氣體傳導(dǎo)從補(bǔ)償元件到其周圍的熱交換相對(duì)于通過補(bǔ)償元件末端的熱傳導(dǎo)是非常無效的方法。因此，在低壓下補(bǔ)償元件溫度將非常接近在每個(gè)補(bǔ)償元件末端的連接器的溫度的平均值，如式8所示。
TAVG＝(TCL+TCR)/2 (8)(2)電加熱的敏感元件的溫度從末端變化到中心，隨著距較冷的支撐的距離逐漸增加。，發(fā)明家們已經(jīng)使用有限元分析模擬沿著敏感元件的溫度分布。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在RS和RC的電阻溫度系數(shù)相等的情況下，敏感元件的任何區(qū)段n的溫度Tn在恒定不變的壓力在電橋平衡時(shí)隨著補(bǔ)償元件RC的平均溫度TAVG的改變變化以便維持恒定不變的溫差ΔTn＝Tn-TAVG。溫差ΔTn是β和R的函數(shù)，其中R＝R2-RC。
(3)依照式5，敏感元件電阻RS在電橋平衡時(shí)將被維持在β乘電阻元件R2的電阻值。隨著環(huán)境溫度增加，補(bǔ)償元件連接器在溫度方面也增加，因此RC的溫度和電阻依照式8將增加。在RC的溫度和電阻方面的任何增加都引起在電橋平衡時(shí)RS的所有區(qū)段的溫度和電阻增加。
(4)敏感元件末端的功率損失依照式9取決于在敏感元件末端的溫度梯度末端功率損失＝kγ (9)
其中k是常數(shù)，而γL＝TXL-TSL(在左端) (10)γR＝TXR-TSR(在右端) (11)如果γL和或γR由于任何理由改變，那么末端損失將改變，而且壓力指示將是誤差的。
為了詳細(xì)地理解在低壓下溫度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)有技術(shù)方面的重大缺陷，假定從穩(wěn)定狀態(tài)開始，TAR被略微地增加，例如由于右邊支撐結(jié)構(gòu)的局部環(huán)境溫度環(huán)境方面的改變。假定TAL保持不變。因?yàn)榧俣═AL不變化，所以TCL和TSL將保持不變。然而，TAR增加將由于通過連接線的熱傳導(dǎo)引起TCR增加。因此，TAVG＝(TCL+TSL)/2將增加。TAVG的增加將在電橋平衡時(shí)引起將引起γL和γR變化的TXL和TXR的增加。在γL和γR方面的這些改變將改變式7中的末端損失項(xiàng)，在壓力測量方面引起取決于γL和γR的變化大小的誤差。
發(fā)明家們已經(jīng)確定，除非TAL以實(shí)質(zhì)上與TAR相同的方式改變，只要環(huán)境溫度改變，敏感元件末端損失就將不保持不變。現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)尚未被明確地設(shè)計(jì)成維持TAL＝TAR到精確的低壓測量所必需的程度。
為了理解現(xiàn)有技術(shù)中溫度補(bǔ)償?shù)牧硪环N重大缺陷，假定從穩(wěn)定狀態(tài)開始，環(huán)境溫度逐漸增加，而且環(huán)境溫度條件是這樣的，以致TAL＝TAR。進(jìn)一步假定，那些敏感元件連接器有相等的長度，但是如同在流行的現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)中那樣，右邊的補(bǔ)償元件連接器實(shí)質(zhì)上比左邊的補(bǔ)償元件連接器長。因此，TSL＝TSR，但是，TCR將因?yàn)榧俣ǖ拈L度差異落在TCL后面。在這個(gè)滯后時(shí)間期間，當(dāng)TCL≠TCR時(shí)，TAVG將改變，因此改變電橋平衡時(shí)的TXL和TXR。因此，γL和γR在滯后時(shí)間期間將不斷地改變，從而在低壓力指示方面產(chǎn)生誤差。
發(fā)明家們已經(jīng)確定，除非敏感元件和補(bǔ)償元件的連接器有實(shí)質(zhì)上同一的實(shí)際尺寸和實(shí)質(zhì)上同一的熱性質(zhì)，否則當(dāng)環(huán)境溫度改變的時(shí)候，敏感元件末端損失將不保持不變。現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)尚未被這樣明確地設(shè)計(jì)，以致敏感元件和補(bǔ)償元件的連接器具有同一的實(shí)際尺寸和熱性質(zhì)。
另一個(gè)重大缺陷(如同發(fā)明家們發(fā)現(xiàn)的那樣)起因于補(bǔ)償元件和敏感元件之間質(zhì)量的差異。假定補(bǔ)償元件的質(zhì)量實(shí)質(zhì)上大于敏感元件的，通常是這種情形。采用現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)，常見的做法是使補(bǔ)償元件相對(duì)于敏感元件成為大的并且把比較大的熱損失路徑提供給補(bǔ)償元件環(huán)境，以致起因于RC方面的電功率損耗的熱量能被輕易地驅(qū)散。從穩(wěn)定狀態(tài)開始，假定環(huán)境溫度逐漸增加而且TAL總是等于TAR。因此，相對(duì)于TSL和TSR都將達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)溫度所花費(fèi)的時(shí)間，補(bǔ)償元件達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)溫度將花費(fèi)比較長的時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間(在流行的現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)中已觀察到是幾小時(shí)的持續(xù)時(shí)間)期間，TAVG將不斷地改變，因此不斷地改變電橋平衡時(shí)的TXL和TXR。因此，γL和γR將在滯后時(shí)間期間改變，敏感元件末端損失將不保持恒定不變，而且誤差將在低壓測量中產(chǎn)生。
如果補(bǔ)償元件是為在電橋平衡時(shí)隨著環(huán)境溫度變化以不同于敏感元件的速率改變溫度設(shè)計(jì)的，那么同一類型的問題將出現(xiàn)。諸如Alvesteffer型裝置之類的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)就有這種缺陷。
發(fā)明家們已經(jīng)依據(jù)他們的研究確定，除非補(bǔ)償元件已被設(shè)計(jì)成以與敏感元件相同的速率改變溫度，否則在環(huán)境溫度已經(jīng)穩(wěn)定在新的數(shù)值之后，敏感元件末端損失繼續(xù)長期改變。然而，現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)尚未被設(shè)計(jì)成符合這個(gè)要求。
人們久已知道為了提供氣體損失和末端損失隨敏感元件和其環(huán)境之間的溫差改變的溫度補(bǔ)償把電阻的溫度系數(shù)實(shí)質(zhì)上與敏感元件相同的補(bǔ)償元件RC與對(duì)溫度不敏感的電阻元件R串聯(lián)地用于R2。這種溫度補(bǔ)償方法在CONVECTRON真空壓力計(jì)中已經(jīng)使用許多年而且也被用于Alvesteffer真空壓力計(jì)。
這種溫度補(bǔ)償方法假定，如果(1)敏感元件和補(bǔ)償元件的電阻溫度系數(shù)是相等的；而且(2)敏感元件電阻的改變能隨著補(bǔ)償元件電阻的改變一前一后地出現(xiàn)，那么(3)敏感元件的溫度將隨著環(huán)境溫度變化一前一后地上升。當(dāng)然，滿足這兩個(gè)假定是非常符合需要的，因?yàn)檫@么做將保證被加熱的敏感元件和周圍壁面之間的溫差在環(huán)境溫度下將在環(huán)境溫度變化之時(shí)保持恒定不變。
然而，發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)把與對(duì)溫度敏感的電阻RC串聯(lián)的恒定不變的電阻R用于R2的現(xiàn)有技術(shù)真空壓力計(jì)如同現(xiàn)在將予以解釋的那樣僅僅提供部分的溫度補(bǔ)償。
假定在圖1a中，R2由對(duì)溫度敏感的補(bǔ)償元件RC和對(duì)溫度不敏感的電阻R組成，以致R2＝RC+R (12)因此，前面針對(duì)電橋平衡推演出的式5可以被寫成RS＝β(RC+R) (13)其中β是用上面的式6定義的。
進(jìn)而，假定當(dāng)真空壓力計(jì)的環(huán)境溫度環(huán)境等于T1的時(shí)候，敏感元件在溫度TSL下操作，而補(bǔ)償元件在溫度TCL下操作。因此，當(dāng)TAMBIENT＝T1(14)的時(shí)候，式13可以被寫成RS(T1)(1+αS(TS1-T1))＝β[RC(T1)(1+αC(TC1-T1))+R](15)在這里，RS(T1)是敏感元件在溫度T1下的電阻，αS是RS在T1的電阻溫度系數(shù)，RC(T1)是在補(bǔ)償元件溫度T1的電阻，而交流是RC在T1的電阻溫度系數(shù)。因此，當(dāng)TAMBIENT＝T2的時(shí)候，式13可以被寫成RS(T1)(1+αS(TS2-T1))＝β[RC(T1)(1+αC(TC2-T1))+R](16)對(duì)TS1求解式15，得到TS1=[βRS(T1)[RC(T1)(1+αC(TC1-T1))+R]-1]/αS+T1---(17)]]>對(duì)TS2求解式16，得到TS2=[βRS(T1}[RC(T1)(1+αC(TC2-T1))+R]-1]/αS+T1---(18)]]>從式18減去式17得到當(dāng)環(huán)境溫度從T1改變到T2的時(shí)候敏感元件RS的溫度變化ΔT。因此，ΔT=TS2-TS2=β(RC(T1)RS(T1))(αCαS)(TC2-TC1)---(19)]]>請(qǐng)注意，有效的補(bǔ)償元件是這樣設(shè)計(jì)的，以致它的溫度緊密跟隨環(huán)境溫度。因此，達(dá)到非常好的近似，
TC2-T2＝TC1-T1或TC2-TC1＝T2-T1(20)因此，式19可以被寫成ΔT=β(RC(T1)RS(T1))(αCαS)(T2-T1)---(21)]]>從式21顯而易見，只要β[RC(T1)RS(T1)][αCαS]=1---(22)]]>敏感元件RS的溫度變化ΔT就將等于環(huán)境溫度的變化T2-TL。
把對(duì)溫度敏感的補(bǔ)償元件RC與固定電阻R串聯(lián)地用于圖1a中的R2的現(xiàn)有技術(shù)真空壓力計(jì)僅僅提供部分的溫度補(bǔ)償，取決于β的選擇。商業(yè)上可得的真空壓力計(jì)有Alvesteffer等人描述的設(shè)計(jì)，發(fā)明家們已知的關(guān)于皮拉尼真空壓力計(jì)上的最近的工作不滿足式22。
作為現(xiàn)有技術(shù)真空壓力計(jì)設(shè)計(jì)的第三個(gè)問題，發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)R2中的功率耗散程度對(duì)精確性有負(fù)面影響?，F(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)在按1a配置的時(shí)候在電橋平衡時(shí)在RS中有與在補(bǔ)償元件中相同的隨壓力變化的電流。當(dāng)按圖1b配置的時(shí)候，在平衡時(shí)加到R2兩端的隨壓力變化的電壓與加到RS兩端的相同。當(dāng)然，R2中隨壓力變化的電流將使RC的溫度上升超出環(huán)境溫度隨壓力變化的數(shù)量。
現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)通常使用實(shí)際尺寸比敏感元件大得多的補(bǔ)償元件，以便耗散熱量并因此避免補(bǔ)償元件中溫度過高。如同前面注意到的那樣，敏感元件和補(bǔ)償元件不同的實(shí)際尺寸在環(huán)境溫度變化的時(shí)候引起測量誤差。
第四個(gè)問題是現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)當(dāng)環(huán)境溫度改變的時(shí)候在低壓下產(chǎn)生壓力指示漂移?，F(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)已經(jīng)在嘗試用敏感元件維持功率損失在環(huán)境溫度變化的時(shí)候不變的時(shí)候使用多種元器件。例如，在美國專利第4,682,503號(hào)中熱電冷卻被用來控制環(huán)境溫度并因此將環(huán)境溫度變化減到最小。
在美國專利第4,541,286號(hào)揭示的裝置中，熱敏元件是毗連電橋的補(bǔ)償橋臂安裝的(實(shí)際上在商用型中被粘貼到真空外殼的外部)。Alvesteffer等人把附加元件(在那里被指定為R4)用在電橋中以便幫助補(bǔ)償就操作溫度下的敏感元件而言與環(huán)境溫度下的補(bǔ)償元件相比較電阻的溫度系數(shù)略微不同這一事實(shí)。雖然這些現(xiàn)有技術(shù)硬件每個(gè)都準(zhǔn)備消除一些環(huán)境溫度改變引起的誤差，但是它們之中沒有一個(gè)實(shí)質(zhì)上消除所有的誤差。因此，當(dāng)環(huán)境溫度改變的時(shí)候，現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)在低壓下產(chǎn)生重大的壓力指示偏移。
美國專利第5,608,168號(hào)揭示的另一種現(xiàn)有的系統(tǒng)把電橋的各種電測量結(jié)果(或其近似值)聯(lián)系起來并且確定隨溫度變化的電阻的阻值或溫度，而且在確定壓力測量結(jié)果時(shí)考慮這個(gè)參數(shù)。然而，這個(gè)系統(tǒng)因?yàn)樾枰獪y量溫度或其它數(shù)值增加了它的復(fù)雜性。
因此，需要有一種克服這些問題的改進(jìn)皮拉尼型的真空壓力計(jì)。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供適合熱損失壓力測量的改進(jìn)，這些改進(jìn)相互合作協(xié)同地提供得到顯著改善的低、中、高壓力測量的精確性，因此，允許精確壓力測量的范圍在單一的真空壓力計(jì)之內(nèi)延伸到較低的和較高的壓力。
作為第一個(gè)改進(jìn)，小直徑金屬絲敏感元件被放置在與小直徑金屬絲補(bǔ)償元件相同的平面中而且用二個(gè)平行的平直導(dǎo)熱板將它與小直徑金屬絲補(bǔ)償元件隔開，每個(gè)導(dǎo)熱板與敏感元件和補(bǔ)償元件隔開15微米。以這種方式，發(fā)明家們不依靠對(duì)流就在簡單的幾何學(xué)方面實(shí)現(xiàn)了比較高的敏感性。微縮型皮拉尼真空壓力計(jì)設(shè)計(jì)的極端的復(fù)雜性和費(fèi)用以及對(duì)流冷卻敏感元件的一些缺點(diǎn)被同時(shí)避免。
發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種極簡單、小巧和便宜的測量裝置給出與用非常復(fù)雜的微縮型皮拉尼真空壓力計(jì)獲得的那些和用大得多的對(duì)位置敏感的對(duì)流冷卻皮拉尼真空壓力計(jì)獲得的那些可比的高達(dá)大氣壓力的結(jié)果。令人驚訝的是這項(xiàng)改進(jìn)還提供體積只有微縮型Alvesteffer真空壓力計(jì)中的敏感元件的3％的敏感元件。新裝置中的補(bǔ)償元件具有不足Alvesteffer型補(bǔ)償元件的0.5％的體積。
本發(fā)明還提供改良的溫度校正。發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，低壓力測量的精確性能通過更好地維持敏感元件兩端的溫度梯度γ恒定不變得到顯著改善(見式10和11)。發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)γ的恒定性能通過同時(shí)(1)使用實(shí)際尺寸、熱性質(zhì)和電阻特性實(shí)質(zhì)上同一的敏感元件和補(bǔ)償元件；(2)使用實(shí)際尺寸、熱性質(zhì)和電阻特性實(shí)質(zhì)上同一的敏感元件和補(bǔ)償元件的連接線；(3)把對(duì)溫度實(shí)質(zhì)上均勻一致的區(qū)域有實(shí)質(zhì)上同一的大熱導(dǎo)的元件連接線用于所有的連接和(4)使敏感元件和補(bǔ)償元件位于同樣的真空環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明中，式22總是得到滿足，因?yàn)檎婵諌毫τ?jì)是這樣設(shè)計(jì)的，以致RC(TA)＝RS(TA) (23)其中TA是環(huán)境溫度，而且αC＝αS(24)β＝1 (25)另一個(gè)至多改進(jìn)是通過提供可忽略的加熱在補(bǔ)償元件中實(shí)現(xiàn)的。發(fā)明家們改造了傳統(tǒng)的惠斯通電橋以便為敏感元件提供獨(dú)立的加熱裝置，而在電橋的其它三個(gè)橋臂中產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上為零的加熱。因此，補(bǔ)償元件能被制成與敏感元件有同一尺寸以及同一的物理性質(zhì)。直流加熱電流僅僅被用于和局限于敏感元件。比較小的交流信號(hào)被用來感知電橋平衡。
另一種性能改進(jìn)是通過提供導(dǎo)致在所有的壓力下精確指示壓力的壓力補(bǔ)償新方法實(shí)現(xiàn)的。具體地說，發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電橋平衡時(shí)未知壓力PX的精確指示可以用具有式26的形式的一次方程計(jì)算。
P＝f(VS，IS) (26)其中VS是敏感元件兩端的電壓降而IS是敏感元件中的電流。式26的細(xì)節(jié)起源于借助標(biāo)定方法對(duì)散布在感興趣的壓力和溫度范圍上的多個(gè)已知的壓力P和環(huán)境溫度使用三維曲線擬合軟件獲得的成對(duì)的VSC和ISC數(shù)值。VSX和ISX是在電橋平衡時(shí)在未知壓力PX下測量的并且被代入式26。然后，使用微處理器之類的東西計(jì)算PX。
以這種方式，本發(fā)明在皮拉尼真空壓力計(jì)的精度、制造成本和組件尺寸方面提供重大改進(jìn)。
本發(fā)明進(jìn)一步包括用來測量環(huán)境氣體壓力的熱損失真空壓力計(jì)。真空壓力計(jì)包括在有敏感元件而且暴露在實(shí)質(zhì)上匹配的環(huán)境中的電路中的電阻型敏感元件和電阻型補(bǔ)償元件。電源被接到敏感元件和補(bǔ)償元件上以便施加通過元件的電流。通過敏感元件的電流實(shí)質(zhì)上大于通過補(bǔ)償元件的電流。測量電路系統(tǒng)被接到敏感元件和補(bǔ)償元件上，以便基于敏感元件和補(bǔ)償元件的電響應(yīng)確定敏感元件和補(bǔ)償元件暴露在其中的環(huán)境氣體壓力。
在一些實(shí)施方案中，分開的電流流過敏感元件和補(bǔ)償元件。電流被用來將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補(bǔ)償元件加上數(shù)字恒定不變的歐姆值的組合電阻相匹配的溫度。在補(bǔ)償元件與對(duì)溫度不敏感的電阻元件串聯(lián)放置的實(shí)施方案中，電流被用來將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補(bǔ)償元件和對(duì)溫度不敏感的電阻元件的組合電阻相匹配的溫度。氣體壓力是基于通過敏感元件的加熱電流和作為結(jié)果在敏感元件兩端發(fā)生的電壓確定的。在一個(gè)實(shí)施方案中，分開的直流電流流過敏感元件和補(bǔ)償元件。通過補(bǔ)償元件的電流是通過敏感元件的電流的預(yù)定的分?jǐn)?shù)，以致該電流有定義明確的比例。反饋電路控制通過敏感元件和補(bǔ)償元件的電流的水平。在另一個(gè)實(shí)施方案中，測知電流流過敏感元件和補(bǔ)償元件兩者，而分開的加熱電流流過敏感元件。
在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，敏感元件和補(bǔ)償元件有不同長度。在一些實(shí)施方案中，補(bǔ)償元件與敏感元件相比長度短大約5％-8％，電阻低5％-8％。在特定的實(shí)施方案中，補(bǔ)償元件與敏感元件相比短6％-7％，電阻低大約6％-7％。在其它的實(shí)施方案中，并聯(lián)電阻跨接敏感元件和補(bǔ)償元件之一以微調(diào)相對(duì)電阻。
附圖簡要說明本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面用類似的參考符號(hào)在不同的視圖中處處表示同一部份的附圖舉例說明的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的更具體的描述變得明顯。這些圖畫不必依比例繪制，而是強(qiáng)調(diào)舉例說明本發(fā)明的原則。
圖1a和1b是傳統(tǒng)的皮拉尼真空壓力計(jì)的簡化示意圖；圖2是展示通過發(fā)明家們?cè)趥鹘y(tǒng)的皮拉尼真空壓力計(jì)中的研究發(fā)現(xiàn)的熱損失分量的曲線圖；圖3是把小直徑金屬絲作為敏感元件使用的傳統(tǒng)的皮拉尼真空壓力計(jì)的示意表達(dá)；圖4a是依照本發(fā)明改良的熱損失真空壓力計(jì)的一部分，而圖4b是在圖4a中展示的那個(gè)部分的截面圖；圖5a是展示依照本發(fā)明改良的熱損失真空壓力計(jì)的末端的放大截面圖，它展示敏感元件和補(bǔ)償元件的支撐和連接；圖5b是展示依照本發(fā)明用來分別維持熱導(dǎo)板、敏感元件和補(bǔ)償元件之間的間隔的機(jī)制的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖；圖6是展示依照本發(fā)明為敏感元件單獨(dú)加熱的安排的示意圖7是展示依照本發(fā)明為敏感元件單獨(dú)加熱的另一種安排的示意圖；圖8是展示依照本發(fā)明為敏感元件單獨(dú)加熱的又一種安排的示意圖；圖9是展示在本發(fā)明的實(shí)施方案中有調(diào)配電阻與補(bǔ)償元件并聯(lián)的圖7的一部分電路的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的描述如下。本發(fā)明是首先根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)的皮拉尼真空壓力計(jì)設(shè)計(jì)的四個(gè)改進(jìn)范疇描述的。在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，四種改進(jìn)一起使用，而且相互依存地組合起來提供有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)的性能特征的皮拉尼真空壓力計(jì)。然后，把本發(fā)明的附加實(shí)施方案描述在其后。
改進(jìn)1第一個(gè)改進(jìn)范疇將參照?qǐng)D4a和4b進(jìn)行討論。圖4a是改進(jìn)的熱損失真空壓力計(jì)的部分10的側(cè)視圖(不依比例繪制)。圖4b是沿著圖4a中的線4b-4b截取的部分10的截面圖。如圖4a和4b所示，小直徑金屬絲敏感元件12與小直徑金屬絲補(bǔ)償元件14位于同一平面中而且被隔開距離d。敏感元件12和補(bǔ)償元件14之間的間隔d優(yōu)選大約0.030英寸，但是變動(dòng)范圍可以從0.010英寸到0.200英寸。平行板16和16′是緊鄰而且平行于敏感元件12和補(bǔ)償元件14提供的。
平行板16和16′放置在離開敏感元件12和補(bǔ)償元件14的距離為S的位置。S優(yōu)選0.0007英寸，但是變動(dòng)范圍可以從0.0002英寸到0.002英寸。敏感元件12是用電阻溫度系數(shù)高的材料(例如，純凈的鎢)制成的，它可以是鍍金的以幫助保證發(fā)射率恒定不變。
敏感元件12的直徑優(yōu)選0.0005英寸，但是變動(dòng)范圍可以從0.0001英寸到0.002英寸。雖然圓柱形的金屬絲形狀是優(yōu)選的，但是諸如帶狀的其它形狀可以被用于敏感元件和補(bǔ)償元件兩者。敏感元件12的長度優(yōu)選1英寸，但是變動(dòng)范圍可以從0.25英寸到3英寸。
補(bǔ)償元件14是用與敏感元件12相同的材料制成的，有相同的實(shí)際尺寸、相同的熱性質(zhì)和電阻性質(zhì)。
熱損失真空壓力計(jì)的部分10可以以下面將更詳細(xì)地描述的方式安裝在圖6展示的那種類型的測量電路中。
平行板16和16′傳導(dǎo)熱量并借此趨向于使沿著被加熱的敏感元件12和在敏感元件12和補(bǔ)償元件14的末端之間的溫度梯度相等。以這種方式，本發(fā)明在不依賴對(duì)流的情況下用簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高的相對(duì)敏感性。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案中，低壓測量的精確性通過使用實(shí)際尺寸、熱性質(zhì)和電阻性質(zhì)實(shí)質(zhì)上同一的敏感元件和補(bǔ)償元件以及使敏感元件和補(bǔ)償元件位于相同的真空環(huán)境中得到重大改進(jìn)。采用這種設(shè)計(jì)，微縮型皮拉尼真空壓力計(jì)設(shè)計(jì)的極端復(fù)雜性和費(fèi)用以及與敏感元件的對(duì)流冷卻相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)被同時(shí)避免。這項(xiàng)改進(jìn)允許用來測量結(jié)果高達(dá)與用非常復(fù)雜的微縮型皮拉尼真空壓力計(jì)獲得的那些可比的和與用大得多的對(duì)位置敏感的對(duì)流冷卻皮拉尼真空壓力計(jì)獲得的那些可比的大氣壓力。
改進(jìn)2作為本發(fā)明的第二個(gè)廣泛的特征，改進(jìn)的安裝布局是為敏感元件和補(bǔ)償元件準(zhǔn)備的。低壓測量的精確性通過使用實(shí)際尺寸、熱性質(zhì)和電阻性質(zhì)實(shí)質(zhì)上同一的敏感元件和補(bǔ)償元件連接線和通過把對(duì)溫度實(shí)質(zhì)上均勻一致的區(qū)域有實(shí)質(zhì)上同一的大熱導(dǎo)的元件連接線用于所有的連接得到重大改進(jìn)。
圖5a是真空壓力計(jì)部分10的一端的被大大放大的截面圖，其中敏感元件12是用敏感元件連接器20和20′支撐的而且與它們電連接，而補(bǔ)償元件14是用補(bǔ)償元件連接器22和22′支撐的而且與它們電連接。圖5a所示部分是沿著圖4中的線5a-5a截取的。優(yōu)選的是同一的支撐(如圖5a所示)是在真空壓力計(jì)部分10的每個(gè)末端提供的。
連接器20、20′、22和22′優(yōu)選用0.001英寸厚、0.060英寸寬的鉑帶制成。板16和16′優(yōu)選用熱導(dǎo)率高的電絕緣材料(例如，氮化鋁)制成。
作為替代，敏感元件和補(bǔ)償元件的連接器20、20′、22和22′可以借助薄的電絕緣層24和24′與板16電絕緣，該絕緣層可能是在鎢上的鉆石狀涂層。在這種情況下，板16和16′可以是用熱導(dǎo)率高的材料(例如，鎢)制成的。優(yōu)選的是選定的材料具有大于0.25watt/cm/K的熱導(dǎo)率。
板16和16′借助在每個(gè)末端的簡單的片狀金屬夾(未展示)保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。金屬夾對(duì)板16和16′施加足夠的力使敏感元件12和補(bǔ)償元件14嵌進(jìn)連接器20、20′、22和22′直到連接器20和20′以及22和22′緊密接觸。因此，在敏感元件12與板16和16′的表面之間的間隔S是借助敏感元件的直徑和薄的帶狀連接器20、20′、22和22′的厚度確定的。本發(fā)明的這個(gè)特征允許比一根人的頭發(fā)還細(xì)的敏感元件與兩個(gè)平坦的表面精確地和非常便宜地隔開可比的距離以及提供對(duì)附加電路系統(tǒng)的電連接。
板16和16′提供溫度實(shí)質(zhì)上均勻一致的區(qū)域，尤其是在熱導(dǎo)率最小的真空中與外面的世界隔絕的時(shí)候。薄的帶狀連接器20、20′、22和22′把同一的尺寸、短路徑和非常大的導(dǎo)熱性提供給所述的溫度均勻一致的區(qū)域，因此滿足一些在敏感元件兩端溫度梯度γ恒定不變的條件。
敏感元件12可以借助在組裝期間加載并且對(duì)與敏感元件12的所述的連接器21毗連的敏感元件12施加壓力的小直徑金屬絲彈簧26如圖5b所示被適當(dāng)?shù)乩o。彈簧28被用來以類似的方式拉緊補(bǔ)償元件14。彈簧26和28用來當(dāng)環(huán)境溫度變化的時(shí)候維持敏感元件12和補(bǔ)償元件14相對(duì)于板16和16′的精確間隔。充份的松弛必須成為敏感元件12和補(bǔ)償元件14的組件之中的組成部分以避免由于元件12、14和板16之間的熱膨脹差異造成的斷裂。沒有彈簧26和28，這種松弛將隨著環(huán)境溫度改變，因此阻礙維持平行板16和16′分別與敏感元件和補(bǔ)償元件之間的間隔S恒定不變而且引起測量誤差。
在依照本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案的設(shè)計(jì)中，式22由于敏感元件12和補(bǔ)償元件14物理上、電學(xué)上和熱學(xué)上是同一的這一事實(shí)得到部份地滿足。除此之外，R3在圖6的實(shí)施方案中被設(shè)定為等于R4，依據(jù)式6這保證β＝1。因此，式22借助這個(gè)設(shè)計(jì)總是得到完全滿足。
改進(jìn)3本發(fā)明的第三個(gè)主要特征是用來獨(dú)立地加熱敏感元件12的裝置和方法。這項(xiàng)改進(jìn)是用圖6舉例說明的，其中惠斯通電橋30經(jīng)過改造提供敏感元件12的獨(dú)立加熱。與在本發(fā)明中一樣與實(shí)際尺寸和制作材料都與敏感元件相同的補(bǔ)償元件一起使用的現(xiàn)有技術(shù)電路使補(bǔ)償元件不在環(huán)境溫度下而是在與敏感元件相同的溫度下操作。因此，有本發(fā)明的上述改進(jìn)的皮拉尼真空壓力計(jì)不能使用現(xiàn)有技術(shù)的加熱電路實(shí)現(xiàn)它們的精確性潛力。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6，有節(jié)點(diǎn)A、B、C和D的惠斯通電橋30具有接在節(jié)點(diǎn)B和C之間電阻值為RS的敏感元件12。對(duì)溫度不敏感的電阻元件15(有電阻R)和補(bǔ)償元件14(有電阻RC)組成電阻R2。R2和電容器36被串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)C和D之間。阻值為R4的電阻17被接在節(jié)點(diǎn)A和B之間，而阻值為R3的電阻19被接在節(jié)點(diǎn)A和D之間。真空環(huán)境34包圍著敏感元件12和補(bǔ)償元件14。交流電壓來源38被接在節(jié)點(diǎn)B和D之間，而選頻檢測器40被接在節(jié)點(diǎn)A和C之間。直流電流來源32被接在節(jié)點(diǎn)B和C之間把電流提供給節(jié)點(diǎn)B。控制器42經(jīng)由自動(dòng)反饋鏈46和47連接，以便控制直流電流來源32和為那個(gè)控制目的接收來自選頻檢測器40的電壓檢測輸入。
真空環(huán)境34包圍著包括敏感元件12、補(bǔ)償元件14和板16和16′的部分10(如同在圖4a和4b中展示和前面參照那些圖描述的那樣)。除此之外，先前參照?qǐng)D5a和5b描述的組裝方法優(yōu)選被用于圖6的電路。在敏感元件12一端的元件連接器20和20′在圖6的電橋電路30中被電連接到點(diǎn)C(如圖5a所示)，而在敏感元件12另一端的敏感元件連接器21和21′(未展示)被電連接在圖6中的點(diǎn)B。在補(bǔ)償元件14一端的補(bǔ)償元件連接器22和22′(如圖5a所示)通過電容器36被電連接到圖6的點(diǎn)D，而補(bǔ)償元件14的另一端被接到通過電阻15與點(diǎn)C連接的補(bǔ)償元件連接器23。
如圖6所示，直流電流來源32把加熱電流提供給位于真空環(huán)境34中的敏感元件12。電容器36是作為用來防止來自電流來源32的電流出現(xiàn)在R2、R3和R4中的裝置提供的。因此，不同于使用傳統(tǒng)的惠斯通電橋的現(xiàn)有技術(shù)皮拉尼真空壓力計(jì)，RS中的加熱電流或加熱電壓總是不會(huì)出現(xiàn)在R2中。
交流電壓來源38把交流信號(hào)電壓加到電橋30上，從而產(chǎn)生交流信號(hào)電流iS、i2、i3和i4。把非常小的數(shù)值用于iS、i2、i3和i3和使用選頻檢測器40，電橋平衡能用在電橋30的任何橋臂中產(chǎn)生的可忽略的加熱來檢測。來自來源32的直流電流受控制器42自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便不斷地保證從點(diǎn)B到C的交流電壓降iSRS等于借助選頻檢測器40的交流電壓檢測功能實(shí)測的從B到A的電壓降低i4R4。這個(gè)自動(dòng)反饋鏈?zhǔn)怯锰摼€46和47指出的。
處理器51被接到電流計(jì)49和電壓計(jì)48上，而且基于通過敏感元件12的加熱電流的水平和敏感元件12兩端的壓降產(chǎn)生指示真空環(huán)境34中的壓力的輸出。
因此，補(bǔ)償元件14可以被制成具有與敏感元件12一樣的實(shí)際尺寸、熱性質(zhì)和電阻性質(zhì)而且仍然在環(huán)境溫度下操作不需要任何隨壓力變化的電加熱。
改進(jìn)4第四個(gè)改進(jìn)將再一次參照?qǐng)D6予以描述。在這項(xiàng)改進(jìn)中，改進(jìn)的裝置和方法是為依照本發(fā)明標(biāo)定和操作皮拉尼真空壓力計(jì)準(zhǔn)備的。
發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在電橋平衡時(shí)未知壓力PX的正確指示可以從具有式26的形式的一次方程計(jì)算。
P＝f(VS，IS)(26)這個(gè)發(fā)現(xiàn)不同于比較傳統(tǒng)的方法。壓力指示已經(jīng)被看作是不僅取決于敏感元件的電阻，而且取決于諸如環(huán)境溫度之類的其它因素。因此，傳統(tǒng)的標(biāo)定方案往往需要用于標(biāo)定的和操作期間的電阻和其它量的測量結(jié)果。然而，發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)上述的改進(jìn)被實(shí)施的時(shí)候，VS和IS的數(shù)值合并充份的溫度信息產(chǎn)生正確的壓力輸出，所以取消分開測量諸如環(huán)境溫度之類的其它參數(shù)的步驟是可能的。以這種方式，使用三維標(biāo)定表僅僅基于電壓和電流確定壓力是可能的。
為了標(biāo)定圖6展示的真空壓力計(jì)，敏感元件12暴露在一系列散布在感興趣的壓力和溫度范圍內(nèi)的已知的有代表性的壓力和環(huán)境溫度之中。用伏特計(jì)48實(shí)測的壓降VSC和用電流計(jì)49實(shí)測的電流ISC在電橋平衡時(shí)與每個(gè)已知的有代表性的標(biāo)定壓力PC一起記錄下來。這些數(shù)值可以通過處理器51中的程序操作被記錄下來或者可以被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)用于標(biāo)定計(jì)算的處理單元。標(biāo)繪壓力PC對(duì)電壓VSC和電流ISC的曲線圖。在給定的標(biāo)定溫度下每個(gè)系列的測量結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)使壓力與電壓和電流產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的恒溫函數(shù)。重要的是如同前面提及的那樣發(fā)明家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些恒溫函數(shù)能被有效地組合在單一的三維數(shù)據(jù)表中，定義具有式26的形式的單一的標(biāo)定函數(shù)。在做這件事的時(shí)候，結(jié)果是一系列定義一個(gè)表面的點(diǎn)，其中表面的高度是壓力而且是電壓和電流的實(shí)測值的函數(shù)。
由此產(chǎn)生的標(biāo)定數(shù)據(jù)可以被儲(chǔ)存在查詢表中，而實(shí)測壓力能通過以實(shí)測的壓降和電流為基礎(chǔ)在儲(chǔ)存在查詢表中的壓力數(shù)值之間插值確定下來。然而，由于為了在寬廣的壓力范圍內(nèi)產(chǎn)生精確的輸出必須儲(chǔ)存的點(diǎn)的數(shù)目，在優(yōu)選實(shí)施方案中，近似方程是針對(duì)實(shí)測值落在其上的表面獲得的。這能通過使用三維表面繪圖軟件輕易地完成。由此產(chǎn)生的方程具有式26展示的形式。然后，為了測量在任何溫度下的未知壓力PX，VSX是用伏特計(jì)48測量的，而ISX是用電流計(jì)49在電橋平衡時(shí)測量的。然后，壓力的正確數(shù)值可以通過代入式26被輕易地獲得，從而給出PX＝f(VSX，ISX) (27)為了方便，式27可以被儲(chǔ)存在處理器51中，后者當(dāng)VSX和ISX被輸入處理器51的時(shí)候能用來自動(dòng)計(jì)算PX。
熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將領(lǐng)會(huì)到其它的量可能在這項(xiàng)發(fā)明的范圍內(nèi)替代電壓和電流。例如，PX＝g(W，R)形式的函數(shù)可能被用來代替方程27，其中W是加到敏感元件12上的功率而R是敏感元件12的電阻。在這種情況下，W和R能從伏特計(jì)48和電流計(jì)49的輸出計(jì)算出來。至關(guān)重要的是兩個(gè)選定的參數(shù)包括與電流和電壓有關(guān)的信息，以致改變電流和電壓的效果將被有區(qū)別地反映在基于那兩個(gè)參數(shù)的數(shù)值建立的標(biāo)定曲線圖或表格中。因此，例如，用于函數(shù)的兩個(gè)輸入?yún)?shù)可以是一組包括功率、電流、電壓和電阻的參數(shù)之中的任何兩個(gè)。為了統(tǒng)一，鑒別下述形式的方程近似標(biāo)定表面是可能的P＝h(X，Y)其中X是第一輸入?yún)?shù)，Y是第二輸入?yún)?shù)，而P是與對(duì)第一參數(shù)X和第二參數(shù)Y的數(shù)值相對(duì)應(yīng)的壓力。然后，這個(gè)方程作為替代被用于計(jì)算壓力的多維標(biāo)定表面。
這項(xiàng)改進(jìn)從0℃到50℃、從不足10-4托的壓力到大氣壓力以上提供極好的溫度補(bǔ)償。有時(shí)這樣做，避免需要測量功率和溫度。它補(bǔ)償所有類型的引起誤差的環(huán)境溫度變化，例如輻射損失，不只那些取決于敏感元件的改變到作為美國專利第4,682,503號(hào)中的情形的壁溫的改變的損失。這項(xiàng)改進(jìn)避免了不得不使用美國專利第5,347,869號(hào)描述的熱電冷卻控制環(huán)境溫度的復(fù)雜性。除此之外，這種改進(jìn)的標(biāo)定和操作方法將自動(dòng)補(bǔ)償在操作溫度下的敏感元件的電阻率的溫度系數(shù)將略微不同于在環(huán)境溫度下的補(bǔ)償元件這一事實(shí)。
進(jìn)一步的實(shí)施方案參照?qǐng)D7，真空壓力計(jì)60是不同于圖6描繪的真空壓力計(jì)的真空壓力計(jì)實(shí)施方案，因?yàn)樗皇褂没菟雇姌?。與在圖6中一樣，真空壓力計(jì)60包括敏感元件12(電阻值為RS)、對(duì)溫度不敏感的電阻元件15(電阻為R)和溫度補(bǔ)償元件14(電阻為RC)，其中元件12和14以類似的方式或安排放置在真空環(huán)境34之內(nèi)。雖然在真空壓力計(jì)中連接元件12、14和15的電路系統(tǒng)不同于圖6中的那個(gè)，但是元件12、14和15是以與在圖6中類似的方式利用的。例如，敏感元件12被加熱，而對(duì)溫度不敏感的電阻元件15和溫度補(bǔ)償元件14不被有效地加熱。除此之外，敏感元件12兩端的電壓VS和通過敏感元件12的電流是為了確定壓力以類似的方式測量和利用的。
真空壓力計(jì)60包括用來分別經(jīng)由線路74和76把功率提供給電流來源62和64的功率來源61。電流來源62和64是相互依賴的并且優(yōu)選把直流電流分別提供給元件12和元件14/15。電流來源64提供數(shù)量或水平作為電流來源62提供的電流的預(yù)定分?jǐn)?shù)的電流。在圖7所示的例子中，電流來源64提供1/10電流來源62提供的電流數(shù)量。
電流來源62提供的電流IS被引導(dǎo)經(jīng)由線路78、節(jié)點(diǎn)80和線路88通過敏感元件12。電流來源64提供的一小部分電流被引導(dǎo)經(jīng)由線路100、節(jié)點(diǎn)102和(位于元件14和15之間的)線路103通過對(duì)溫度不敏感的電阻元件15和溫度補(bǔ)償元件14。與在圖6中一樣，元件14和15補(bǔ)償環(huán)境溫度變化。引導(dǎo)一小部分測知電流通過溫度補(bǔ)償元件14使補(bǔ)償元件14的溫升相對(duì)應(yīng)敏感元件12變成無關(guān)緊要的。在圖7描繪的測知電流IS與通過溫度補(bǔ)償元件14的微小電流的比例為10∶1的例子中，在溫度補(bǔ)償元件14中耗散的功率小于在敏感元件12中耗散的功率的1/100，因?yàn)殡娏髋c功率呈平方關(guān)系(即功率＝I2R)。因此，補(bǔ)償元件14的溫升小于敏感元件12的溫升的1％。雖然描述的是就電流來源62和64而言電流比為10∶1，但是其它小于或大于10∶1的比例也可以使用。電流IS受到控制，為的是把敏感元件12加熱到電阻RS增加到等于組合電阻R+RC的溫度水平。正是在那個(gè)溫度下標(biāo)定數(shù)據(jù)定義環(huán)境壓力。反饋電路將電流維持在那個(gè)水平。
明確地說，指示電阻R+RC的組合電阻R+RC兩端的電壓V2通過(與節(jié)點(diǎn)102和98連接的)整數(shù)乘法器66加到求和電路70上，而指示電阻RS的電阻RS兩端的電壓V1通過(與節(jié)點(diǎn)84和92連接的)乘法器68加到求和電路70上。由于R＝V/I，而且通過R+RC的電流是通過RS的電流的十分之一，所以當(dāng)電阻相等的時(shí)候R+RC兩端的電壓是RS兩端的電壓的十分之一。因此，為了比較電壓確定電阻是否相等，RS兩端的電壓必須被乘以應(yīng)用于R+RC兩端電壓的乘數(shù)的十分之一。乘法器68將電壓V1乘以-.1，以保證乘數(shù)與電流IS和IS/10之比成反比。負(fù)乘法器68允許加法器電路70完成標(biāo)準(zhǔn)化的電阻電壓的減法以提供指出電阻之間的差異的誤差信號(hào)110。那個(gè)差異在高增益積分誤差放大器72中被放大并且被反饋，以便控制電流IS的水平。誤差放大器72的輸出經(jīng)由線路或反饋回路112、節(jié)點(diǎn)114和線路116和118平行地反饋到電流來源62和64，以便在必要時(shí)調(diào)節(jié)由電流來源62/64提供的電流水平。電流來源62/64提供的電流被這樣調(diào)節(jié)，以致敏感元件12的電阻RS和元件15/14的電阻R+RC維持預(yù)定的平衡。在圖7所示的例子中，電阻是匹配的，以致RS＝R+RC。作為替代，可以在RS小于或大于R+RC的情況下使用其它的比例或電阻水平。除此之外，雖然用來控制電流來源62/64的反饋電路是優(yōu)選的，但是作為替代，這樣反饋電路可以與考慮到不同的電壓比的數(shù)據(jù)庫一起省略。當(dāng)反饋電路被省略的時(shí)候，真空壓力計(jì)60的響應(yīng)時(shí)間通常比較緩慢。
通過敏感元件12的電流是用電流傳感器49確定的，而敏感元件12兩端由那個(gè)電流造成的電壓是用經(jīng)由線路82和86與節(jié)點(diǎn)80和92連接的傳感器48確定的。元件12和14借助線路90和105分別與節(jié)點(diǎn)92和98連接，而且線路86借助節(jié)點(diǎn)94接地。傳感器48和乘法器66和68都具有高輸入阻抗，所以所有的電流IS都流過敏感元件12。如同在先前的實(shí)施方案中那樣，電流和電壓參數(shù)能在數(shù)據(jù)庫查詢中被用來確定元件12和14暴露于其中的壓力。
真空壓力計(jì)60是以與對(duì)圖6描繪的真空壓力計(jì)描述的方式類似的方式標(biāo)定的，其中敏感元件12暴露在一系列散布在感興趣的壓力和溫度范圍內(nèi)的已知的有代表性的壓力和環(huán)境溫度之中。敏感元件12兩端的壓降是用伏特計(jì)48測量的，通過那里的電流是用電流計(jì)49測量的，同時(shí)電阻RS和R+RC被維持在預(yù)定的平衡，例如，RS＝R+RC。這些數(shù)值被繪圖，以便提供三維數(shù)據(jù)表和圖6描述的表面。
作為結(jié)果，在使用中，未知的壓力能通過測量穿過敏感元件12的電壓和電流然后使用對(duì)圖6的真空壓力計(jì)描述的方法確定。例如，將實(shí)測的電壓和電流的數(shù)值與儲(chǔ)存的包含適合于特定的電壓和電流的數(shù)值的壓力數(shù)值的標(biāo)定數(shù)據(jù)相比較。通常，實(shí)測的電壓和電流的數(shù)值不精確地與包含在儲(chǔ)存數(shù)據(jù)中的任何數(shù)值匹配。所以，實(shí)測壓力的數(shù)值是借助儲(chǔ)存的電壓/電流/壓力標(biāo)定數(shù)據(jù)的插值確定的。優(yōu)選的是諸如式27之類的近似方程被用來完成插值。通過把式27儲(chǔ)存在處理器中，壓力可以依據(jù)在敏感元件12兩端實(shí)測的電壓和電流被自動(dòng)計(jì)算出來。如同在圖6的真空壓力計(jì)中那樣，除了電壓和電流之外其它的量可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)被用于確定壓力。
參照?qǐng)D8，真空壓力計(jì)125是依照本發(fā)明不同于真空壓力計(jì)60(圖7)的真空壓力計(jì)的實(shí)施方案，其中乘法器66的正(+)輸入如圖所示從節(jié)點(diǎn)102移到位于元件14和15之間的新節(jié)點(diǎn)120。除此之外，增益為K的第三個(gè)乘法器121被包括在內(nèi)。乘法器121如圖所示被接到節(jié)點(diǎn)102和(位于元件14和15之間的)新節(jié)點(diǎn)119上。在這種安排中，在元件14和15之間線路103的電阻不把不確定的增值加到元件15的電阻R上。因此，如果必要，線路103可以是延長的金屬絲，而且節(jié)點(diǎn)119和120之間的電阻對(duì)真空壓力計(jì)125的精確性仍然是實(shí)質(zhì)上無關(guān)緊要的。這允許把元件15放置在比較方便的位置，例如，在電子器件組件的印刷電路板上，而不是在傳感器處，而且終止補(bǔ)償元件14的電阻不需要受到如此緊密的控制。此外，遠(yuǎn)離傳感器放置元件15允許元件15處在有更穩(wěn)定的溫度的環(huán)境中，以致非故意的溫度敏感性被減到最小。元件15的電阻值R可以是根據(jù)方便性或?qū)嵱眯赃x定的，因?yàn)樵?5兩端的壓降可以為了獲得預(yù)期的結(jié)果用乘法器121乘以任何任意值K。
本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施方案可以這樣配置，以致敏感元件12和溫度補(bǔ)償元件14在電阻和長度方面是不同的。敏感元件12和溫度補(bǔ)償元件14可以這樣配置，以致溫度補(bǔ)償元件14的電阻略微小于敏感元件12，例如，直到小大約10％。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在一些情形中，電阻略微小于敏感元件12的補(bǔ)償元件14能提供超過電阻與敏感元件12匹配的補(bǔ)償元件14的進(jìn)一步改善的壓力信號(hào)環(huán)境溫度補(bǔ)償。在一個(gè)敏感元件12和補(bǔ)償元件14的長度和電阻相等的實(shí)施方案中，補(bǔ)償元件14的電阻能借助與補(bǔ)償元件14并聯(lián)而且通常被放到被測知或測量的環(huán)境的外部的微調(diào)電阻126被降低到預(yù)期的數(shù)值。圖9描繪與在圖7的電路中展示的補(bǔ)償元件14并聯(lián)的微調(diào)電阻126的實(shí)例，其中并聯(lián)的微調(diào)電阻126經(jīng)由線路124和節(jié)點(diǎn)122被接到線路103上并且經(jīng)由線路128和節(jié)點(diǎn)130被接到線路105上。當(dāng)微調(diào)電阻126與補(bǔ)償元件14并聯(lián)的時(shí)候，電阻126變成補(bǔ)償元件14的一部份。在一個(gè)實(shí)施方案中，補(bǔ)償元件14提供比敏感元件12低大約4.5％的電阻以便提供在大約300毫托優(yōu)化的溫度補(bǔ)償。增添與補(bǔ)償元件14并聯(lián)的并聯(lián)微調(diào)電阻126改變補(bǔ)償元件14的電路支線的電阻溫度系數(shù)和ohms/℃兩者。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，為了提供相對(duì)于敏感元件12較低的電阻，補(bǔ)償元件14是用與敏感元件12相同的材料制成的而且通常有相同的直徑，但是在長度方面略微短一點(diǎn)。長度差是通過在某個(gè)溫度范圍內(nèi)與電容型隔膜真空壓力計(jì)比較憑經(jīng)驗(yàn)確定的。長度失配差異足夠小的，以致敏感元件12和補(bǔ)償14元件仍然有類似的溫度響應(yīng)和物理特性，但是比較短的補(bǔ)償元件14提供比較好的溫度補(bǔ)償。在一個(gè)實(shí)施方案中，補(bǔ)償元件比敏感元件12短大約6.4％(電阻大約少6.4％)，溫度補(bǔ)償在大約1托優(yōu)化的傳感器電壓曲線。較短補(bǔ)償元件14有與敏感元件12相同的電阻的溫度系數(shù)(ohms/ohms/℃)，但是ohms/℃是不同的。
敏感元件12和補(bǔ)償元件14之間最佳的長度和電阻失配可以在不同的真空壓力計(jì)之間變化，取決于敏感元件12和補(bǔ)償元件14的長度、位置和間隔以及對(duì)其它元器件的接近度。長度失配能被用在先前描述過的任何電路中。
并聯(lián)的微調(diào)電阻126能被用于用來降低補(bǔ)償元件14的電阻的情況，其中補(bǔ)償元件14的長度或電阻小于敏感元件12，但是不到預(yù)期的全部程度。除此之外，如果補(bǔ)償元件14的長度或電阻相對(duì)于敏感元件12比預(yù)期的小，那么并聯(lián)微調(diào)電阻126可以改為與敏感元件12并聯(lián)以減少敏感元件12的電阻，以致補(bǔ)償元件14的電阻相對(duì)于敏感元件12的電阻有所增加，從而把相對(duì)電阻帶進(jìn)預(yù)期的范圍。在這種情況下，并聯(lián)的微調(diào)電阻126變成敏感元件12的一部份。雖然并聯(lián)的微調(diào)電阻126在上文中已被描述為是在圖7的電路中使用的，但是人們應(yīng)該了解并聯(lián)的微調(diào)電阻126可以被用在前面描述過的任何其它電路之中。
盡管這項(xiàng)發(fā)明已參照其優(yōu)選實(shí)施方案被具體地展示和描述，但是熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)理解在形式和細(xì)節(jié)方面各種不同的改變可以在不脫離權(quán)利要求書所囊括的發(fā)明范圍的情況下完成。
例如，本發(fā)明的不同的實(shí)施方案的特征可以相互取代或組合。除此之外，雖然真空壓力計(jì)60和125已被描述為把直流電流加到元件12、14和15上，但是本發(fā)明的其它實(shí)施方案包括把交流電流加到元件12、14和15上。此外，雖然已經(jīng)提供一些特定的尺寸和規(guī)格，但是應(yīng)該理解這些尺寸和規(guī)格可以依據(jù)手邊情況改變。
權(quán)利要求
1.一種用來測量環(huán)境氣體壓力的熱損失真空壓力計(jì)，其中包括電阻型敏感元件；在電路中與敏感元件一起暴露在實(shí)質(zhì)上匹配的環(huán)境中的電阻型補(bǔ)償元件；與敏感元件和補(bǔ)償元件相連接用來施加通過元件的電流的電源，通過敏感元件的電流實(shí)質(zhì)上大于通過補(bǔ)償元件的電流，敏感元件和補(bǔ)償元件有不同的長度；以及與敏感元件和補(bǔ)償元件相連接基于敏感元件和補(bǔ)償元件的電響應(yīng)確定在敏感元件和補(bǔ)償元件暴露在其中的環(huán)境中氣體壓力的測量電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的真空壓力計(jì)，其中補(bǔ)償元件比敏感元件短。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的真空壓力計(jì)，其中敏感元件和補(bǔ)償元件是為提供電阻比敏感元件低大約5％-8％的補(bǔ)償元件而配置的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的真空壓力計(jì)，其中敏感元件和補(bǔ)償元件是為提供電阻比敏感元件低大約6％-7％的補(bǔ)償元件而配置的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的真空壓力計(jì)，其中補(bǔ)償元件在長度方面比敏感元件短大約5％-8％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的真空壓力計(jì)，其中補(bǔ)償元件比敏感元件短大約6％-7％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的真空壓力計(jì)，其中并聯(lián)電阻被放置在敏感元件和補(bǔ)償元件兩端以便提供電阻較低的補(bǔ)償元件。
8.一種測量環(huán)境氣體壓力的方法，其中包括提供電阻型敏感元件；提供在電路中與敏感元件一起暴露在實(shí)質(zhì)上匹配的環(huán)境中的電阻型補(bǔ)償元件；從電源施加通過敏感元件和補(bǔ)償元件的電流，其中通過敏感元件的電流實(shí)質(zhì)上大于通過補(bǔ)償元件的電流；將敏感元件和補(bǔ)償元件配置成具有不同的長度；以及用與敏感元件和補(bǔ)償元件相連接的測量電路，基于敏感元件和補(bǔ)償元件的電響應(yīng)確定在敏感元件和補(bǔ)償元件暴露在其中的環(huán)境中的氣體壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括將補(bǔ)償元件配置成比敏感元件短。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括將敏感元件和補(bǔ)償元件配置成補(bǔ)償元件電阻比敏感元件低大約5％-8％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，進(jìn)一步包括將敏感元件和補(bǔ)償元件配置成補(bǔ)償元件電阻比敏感元件低大約6％-7％。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括提供長度比敏感元件短大約5％-8％的補(bǔ)償元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括提供長度比敏感元件短大約6％-7％的補(bǔ)償元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括將并聯(lián)電阻放置在敏感元件和補(bǔ)償元件兩端以便提供電阻較低的補(bǔ)償元件。
全文摘要
用來測量環(huán)境氣體壓力的熱損失真空壓力計(jì)包括電阻型敏感元件和電阻型補(bǔ)償元件。電阻型補(bǔ)償元件在電路中與敏感元件一起暴露在實(shí)質(zhì)上匹配的環(huán)境中。電源與敏感元件和補(bǔ)償元件相連接用來施加通過元件的電流。通過敏感元件的電流實(shí)質(zhì)上大于通過補(bǔ)償元件的電流。測量電路與敏感元件和補(bǔ)償元件相連接，用來基于敏感元件和補(bǔ)償元件的電響應(yīng)確定在敏感元件和補(bǔ)償元件暴露在其中的環(huán)境中氣體的壓力。
文檔編號(hào)G01L21/12GK1711465SQ200380103192
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
發(fā)明者邁克爾·D·博雷斯坦 申請(qǐng)人:螺旋技術(shù)有限公司