JP2003161664A - 光式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度補正を正確に行うことができる高精度な
光式圧力センサを提供する。 【解決手段】 圧力及び周辺温度によって変形する圧力
検出用ブルドン管３と、その圧力検出用ブルドン管３に
取り付けられ、その変位を検出する圧力検出用光ファイ
バ型歪みセンサ９と、圧力が作用しないように形成さ
れ、周辺温度のみによって変形する温度補正用ブルドン
管５と、その温度補正用ブルドン管５に取り付けられ、
その変位を検出する温度補正用光ファイバ型歪みセンサ
１７とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブルドン管とブル
ドン管の変位を検出する光ファイバ型歪みセンサとを備
えた光式圧力センサに係り、特に、温度補正を正確に行
うことができる高精度な光式圧力センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧力を検出するための装置と
してブルドン管が広く利用されている。

【０００３】本出願人は、特願平１１−２０７９４４号
に示されているように、ブルドン管と、そのブルドン管
の変位を検出するための光ファイバ型歪みセンサとを備
え、測定対象（液体、気体）の圧力を光学的に検出でき
る光式圧力センサを提案している。

【０００４】図３を用いて、この光式圧力センサを説明
する。

【０００５】図に示すように、ブルドン管８０は、ステ
ンレス等からなる防水構造のケーシング９０の底部に設
けられた台座９２上に固定されている。

【０００６】ブルドン管８０は、断面が楕円形（または
扁平形）で略Ｃ字状に湾曲しており、その一端（固定
端）８０ａが固定金具８２を介して台座９２上に固定さ
れている。台座９２にはブルドン管８０の固定端８０ａ
の開口部と適合するように貫通穴９２ａが形成されてお
り、ブルドン管８０の内部はケーシング９０の外部と連
通している。

【０００７】一方、ブルドン管８０の他端（自由端）８
０ｂはケーシング９０内でフリーの状態で配置されてい
る。また、ブルドン管８０の自由端８０ｂは塞がれて密
閉されている。

【０００８】ブルドン管８０の固定端８０ａと自由端８
０ｂとの間には、光ファイバブラッググレーティング
（以下、ＦＢＧ）などの光ファイバ型歪みセンサ７１が
取り付けられている。即ち、ＦＢＧ７１の上部が取付金
具９３を介してブルドン管８０の自由端８０ｂに取り付
けられ、下部が取付金具９４を介してブルドン管８０の
固定端８０ａ（具体的には、固定金具８２）に取り付け
られている。ＦＢＧ７１の上下端部には光ファイバ心線
９１ａ，９１ｂが接続されており、光ファイバ心線９１
ａの他端は図示しない圧力検出器に接続されている。

【０００９】圧力測定対象である液体や気体が貫通穴９
２ａを通ってブルドン管８０の内部に導入されると、ブ
ルドン管８０は、その圧力によって、断面が円形に近づ
くように、かつＣ字状から直線状に近づくように変形す
る。そして、ブルドン管８０がある程度変形したところ
でブルドン管８０の弾性と測定対象の圧力とがつりあ
う。このときのブルドン管８０の自由端８０ｂの変位量
はブルドン管８０内の圧力に比例する。

【００１０】ブルドン管８０の自由端８０ｂが変位する
ことによって、ＦＢＧ７１には、ブルドン管８０内の圧
力に比例した歪みが発生し、ＦＢＧ７１に光を入射して
反射される光の波長を計測することでＦＢＧ７１に印加
された歪み量を測定して、その歪み量から測定対象の圧
力を検出するものである。

【００１１】ところで、このＦＢＧ７１に発生する歪み
は、ブルドン管８０の変形に起因するものだけでなく、
その周辺温度の変化によっても発生するため、測定対象
の圧力を正確に測定するためには温度変化による歪み分
を補正する必要がある。

【００１２】そこで、本出願人は、ブルドン管８０に取
り付けたＦＢＧ７１とは別に、その近傍に温度補正用の
ＦＢＧ７２を設けるようにした。即ち、図３に示すよう
に、ブルドン管８０に近接した位置において台座９２上
に略Ｆ字状の取付金具９５を立接し、その取付金具９５
のアーム９５ａ，９５ｂ間に温度補正用のＦＢＧ７２を
取り付けたのである。この温度補正用のＦＢＧ７２は、
ブルドン管８０に取り付けられたＦＢＧ７１と同種類の
ものであり、取付金具９５のアーム９５ａ，９５ｂ間の
間隔は、ブルドン管８０の自由端８０ｂ側の取付金具９
３と固定端８０ａ側の取付金具９４との間隔と等しい。

【００１３】圧力検出用のＦＢＧ７１に発生する歪みε
７１は、上述したように測定圧力ｐに起因する歪みεｐ
と、周辺温度ｔに起因する歪みεｔとの合計であり、温
度補正用のＦＢＧ７２に発生する歪みε７２は周辺温度
ｔに起因する歪みεｔのみであるため、ＦＢＧ７１に発
生する歪み量ε７１から温度補正用のＦＢＧ７２に発生
する歪み量ε７２を引くことによって、周辺温度による
歪み分を補正して測定圧力ｐに起因する歪みεｐを算出
できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような構造の光式圧力センサでは、以下の理由から温
度補正を十分正確に行うことができず、センサの精度が
若干低下してしまうことが分かった。

【００１５】即ち、ＦＢＧ７１，７２に発生する周辺温
度変化による歪みεｔは、主に取付金具９３，９４，９
５からの熱伝導によるものであるが、圧力測定用のＦＢ
Ｇ７１を保持する取付金具９３，９４と、温度補正用の
ＦＢＧ７２を保持する取付金具９５とで形状が異なるた
め、当然、熱伝導率も異なり、ＦＢＧ７１に発生する周
辺温度Ｔに起因する歪みεｔと、温度補正用のＦＢＧ７
２に発生する歪みεｔとが等しくならず、温度補正を正
確に行うことができなかった。

【００１６】より具体的には、ＦＢＧ７１には取付金具
９３，９４、ブルドン管８０及び固定金具８２を介して
熱が伝わるのに対して、温度補正用のＦＢＧ７２には取
付金具９５を介して熱が伝わるものであり、両者の形状
が異なることから伝達する熱量が等しくならないのであ
る。

【００１７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、温度補正を正確に行うことができる高精度な光式圧
力センサを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ブルドン管と、そのブルドン管の変位を検
出する光ファイバ型歪みセンサとを備えた光式圧力セン
サにおいて、圧力及び周辺温度によって変形する圧力検
出用ブルドン管と、その圧力検出用ブルドン管に取り付
けられ、その変位を検出する圧力検出用光ファイバ型歪
みセンサと、圧力が作用しないように形成され、周辺温
度のみによって変形する温度補正用ブルドン管と、その
温度補正用ブルドン管に取り付けられ、その変位を検出
する温度補正用光ファイバ型歪みセンサとを備えたもの
である。

【００１９】この構成によれば、圧力検出用及び温度補
正用の光ファイバ型歪みセンサが、それぞれ同形状の部
材によって保持されるため、両光ファイバ型歪みセンサ
に伝わる熱量が等しくなり、正確な温度補正を行うこと
ができる。

【００２０】また、上記圧力検出用及び温度補正用ブル
ドン管は同材質で同形状に形成されたものであり、これ
ら両ブルドン管を同材質、同形状の固定部材を介して固
定側へ固定することが好ましい。

【００２１】また、上記圧力検出用及び温度補正用光フ
ァイバ型歪みセンサが、同材質、同形状の取付部材を介
して上記圧力検出用ブルドン管及び温度補正用ブルドン
管にそれぞれ取り付けられることが好ましい。

【００２２】また、上記圧力検出用及び温度補正用ブル
ドン管、上記圧力検出用及び温度補正用光ファイバ型歪
みセンサが防水構造のケーシング内に設けられ、上記圧
力検出用ブルドン管の開放端が上記ケーシングの外部と
連通するように形成されても良い。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【００２４】図１は、本実施形態に係る光式圧力センサ
の正面図であり、図２は側面図である。

【００２５】本実施形態に係る光式圧力センサ１は、河
川等に設置して水圧を測定し、その水位を検出するため
の光式水位センサとして適用したものである。

【００２６】図に示すように光式圧力センサ１は、ステ
ンレス等からなる防水構造のケーシング２を備えてお
り、その内部に二つのブルドン管３，５が設けられてい
る。

【００２７】図１中右側に位置したブルドン管３は、測
定圧力Ｐ（水圧）および周辺温度Ｔによって変形する圧
力検出用ブルドン管であり、左側に位置するブルドン管
５は測定圧力Ｐが作用しないように形成されており、周
辺温度Ｔのみによって変形する温度補正用ブルドン管で
ある。これら圧力検出用及び温度補正用ブルドン管３，
５は、同材質、同形状のものが使用される。本実施形態
では、両ブルドン管３，５は、断面が楕円形で略Ｃ字状
に湾曲したものを使用している。

【００２８】しかしながら、本発明はこの点において限
定されず、両ブルドン管３，５で同じものを使用するの
であれば、他の材質、形状のものを使用しても良い。例
えば、渦巻き状やらせん状に巻かれたタイプのものであ
っても良い。また、両ブルドン管３，５の材質として
は、黄銅、りん青銅、ベリリウム銅、Ｎｉ−ｐａｎＣ、
ＳＵＳ３１６やモネル等が使用される。

【００２９】圧力検出用ブルドン管３は、その一端（固
定端）３ａが、ステンレス等からなる固定部材６を介し
て、ケーシング２の底部に固設された台座７上に固定さ
れている。台座７およびケーシング２の底部には圧力検
出用ブルドン管３の固定端３ａの開口部と適合した貫通
穴７ａが形成されている。従って、圧力検出用ブルドン
管３の内部はケーシング２の外部と連通している。貫通
穴７ａには、測定対象（水）中のゴミや粒子等が圧力検
出用ブルドン管３内に導入されることを防止するための
フィルタ（図示せず）が設けられている。

【００３０】圧力検出用ブルドン管３の他端（自由端）
３ｂはケーシング２内でフリーの状態で配置されてい
る。また、圧力検出用ブルドン管３の自由端３ｂは塞が
れて密閉されている。

【００３１】圧力検出用ブルドン管３の固定端３ａと自
由端３ｂとの間には、圧力検出用の光ファイバ型歪みセ
ンサ９が取り付けられており、自由端３ｂの変位量を光
学的に検出できるようになっている。光ファイバ型歪み
センサ９は本実施形態では光ファイバブラッググレーテ
ィング（以下、ＦＢＧ）であり、圧力検出用ＦＢＧ９の
上部が取付部材１１を介して圧力検出用ブルドン管３の
自由端３ｂに取り付けられ、下部が取付部材１２を介し
て台座７に取り付けられている。

【００３２】なお、圧力検出用ＦＢＧ９の下部は圧力検
出用ブルドン管３の固定端３ａに固定部材を介して固定
するようにしても良い。また、圧力検出用ＦＢＧ９の上
部及び下部をそれぞれ、圧力検出用ブルドン管３の自由
端３ｂ及び固定端３ａに直接固定するようにしても良
い。

【００３３】圧力検出用ＦＢＧ９の上下端部には光ファ
イバ心線１３ａ，１３ｂが接続されており、光ファイバ
心線１３ａの他端は図示しない圧力検出器に接続されて
いる。

【００３４】次に、温度補正用ブルドン管５は、その一
端（固定端）５ａが、圧力検出用ブルドン管３が固定さ
れた台座７から横方向に延出したアーム１５上に、固定
部材１６を介して固定されている。この固定部材１６
は、圧力検出用ブルドン管３を台座７上に固定するため
の固定部材６と同材質、同形状のものが使用される。

【００３５】温度補正用ブルドン管５の固定端５ａは、
ケーシング２の外部とは連通しておらず、ケーシング２
外部の測定圧力Ｐは温度補正用ブルドン管５の内部には
作用しない。

【００３６】温度補正用ブルドン管５の他端（自由端）
５ｂはケーシング２内でフリーの状態で配置されてい
る。また、温度補正用ブルドン管５の自由端５ｂは塞が
れて密閉されている。

【００３７】温度補正用ブルドン管５は、圧力検出用ブ
ルドン管３とほぼ同じ高さで、なるべく近接するように
設けられる。

【００３８】なお、温度補正用ブルドン管５は、圧力検
出用ブルドン管３を固定した台座７と同材質、同形状の
ものをケーシング２内に別に設けて、その上に固定する
ようにしても良い。また、圧力検出用及び温度補正用ブ
ルドン管３，５両方を固定できるサイズの台座を一つ設
けてその上に両ブルドン管３，５を固定しても良い。い
ずれの場合であっても温度補正用ブルドン管５には測定
圧力Ｐが作用しないようにする。

【００３９】温度補正用ブルドン管５の固定端５ａと自
由端５ｂとの間には、圧力検出用ＦＢＧ９と同種類の温
度補正用ＦＢＧ１７が取り付けられている。温度補正用
ＦＢＧ１７の上部は取付部材１９を介して温度補正用ブ
ルドン管５の自由端５ｂに取り付けられており、下部は
取付部材２０を介してアーム１５に取り付けられてい
る。取付部材１９，２０は、圧力検出用ＦＢＧ９を保持
する取付部材１１，１２と同材質、同形状のものであ
る。なお、圧力検出用ＦＢＧ９の下部を圧力検出用ブル
ドン管３の固定端３ａに固定部材を介して固定した場合
や、圧力検出用ＦＢＧ９の上部及び下部を圧力検出用ブ
ルドン管３の自由端３ｂ及び固定端３ａに直接固定した
場合は、温度補正用ブルドン管５に取り付ける温度補正
用ＦＢＧ１７も同様にする。

【００４０】温度補正用ＦＢＧ１７の上下端部には光フ
ァイバ心線２１ａ，２１ｂが接続されており、その光フ
ァイバ心線２１ａの他端は図示しない圧力検出器に接続
されている。

【００４１】このように、圧力検出用ＦＢＧ９と温度補
正用ＦＢＧ１７とは、それぞれ全く同一構造の部材によ
って同一の方法で保持されている。

【００４２】次に、本実施形態の光式水圧センサの作用
を説明する。

【００４３】まず、この光式圧力センサ１を河川や湖等
に沈めると、ケーシング２外部の測定対象（水）が貫通
穴７ａを通って圧力検出用ブルドン管３の内部に導入さ
れる。

【００４４】水が貫通穴７ａを通って圧力検出用ブルド
ン管３の内部に導入されると、圧力検出用ブルドン管３
は、その水圧によって、断面が円形に近づくように、か
つＣ字状から直線状に近づくように変形する。そして、
圧力検出用ブルドン管３がある程度変形したところでブ
ルドン管３の弾性と測定対象の圧力とがつりあう。この
ときのブルドン管３の自由端３ｂの変位量はブルドン管
３内の圧力に比例する。

【００４５】圧力検出用ブルドン管３の自由端３ｂが変
位することによって、圧力検出用ＦＢＧ９には、ブルド
ン管３内の圧力に比例した歪みεＰが発生する。

【００４６】またこのとき、周辺温度Ｔが変化すると、
取付部材１１，１２、圧力検出用ブルドン管３及び固定
部材６を介して圧力検出用ＦＢＧ９へと熱が伝達し、そ
の結果、圧力検出用ＦＢＧ９には周辺温度Ｔの変化に起
因する歪みεＴ１が発生する。

【００４７】即ち、圧力検出用ＦＢＧ９に発生する歪み
ε９は、測定圧力Ｐに起因する歪みεＰと、周辺温度Ｔ
に起因する歪みεＴ１とを合計したものとなる（ε９＝
εＰ＋εＴ１）。この圧力検出用ＦＢＧ９に光を入射し
て反射される光の波長を計測することで圧力検出用ＦＢ
Ｇ９に印加された歪み量ε９を測定する。

【００４８】一方、温度補正用ブルドン管５は、ケーシ
ング２の外部と連通していないため、測定対象（水）が
温度補正用ブルドン管５内に導入されることはなく、温
度補正用ブルドン管５に取り付けられた温度補正用ＦＢ
Ｇ１７には測定圧力Ｐに起因する歪みは発生しない。し
かし、周辺温度Ｔが変化すると、取付部材１９，２０、
温度補正用ブルドン管５及び固定部材１６を介して温度
補正用ＦＢＧ１７へと熱が伝達するため、温度補正用Ｆ
ＢＧ１７には周辺温度Ｔに起因するεＴ２が発生する。
即ち、温度補正用ＦＢＧ１７に発生する歪みε１７は、
周辺温度Ｔに起因する歪みεＴ２のみとなる（ε１７＝
εＴ２）。

【００４９】この温度補正用ＦＢＧ１７に光を入射して
反射される光の波長を計測することで温度補正用ＦＢＧ
１７に印加された歪み量ε１７を測定する。

【００５０】ここで、温度補正用ＦＢＧ１７を保持して
いる部材、即ち、取付部材１９，２０、温度補正用ブル
ドン管５及び固定部材１６と、圧力検出用ＦＢＧ９を保
持している取付部材１１，１２、圧力検出用ブルドン管
３及び固定部材６とは、同材質、同形状であるので、そ
の熱伝導率は互いに等しい。従って、圧力検出用ＦＢＧ
９に伝わる熱量と、温度補正用ＦＢＧ１７に伝わる熱量
は等しく、当然、圧力検出用ＦＢＧ９に発生する周辺温
度Ｔに起因する歪みεＴ１と、温度補正用ＦＢＧ１７に
発生する発生する周辺温度Ｔに起因する歪みεＴ２とは
等しくなる（εＴ１＝εＴ２）。

【００５１】そこで、圧力検出用ＦＢＧ９に印加された
歪み量ε９から温度補正用ＦＢＧ１７に印加された歪み
量ε１７を引くことによって、圧力検出用ＦＢＧ９に発
生する測定圧力Ｐに起因する歪みεＰが正確に計測され
る。従って、測定圧力Ｐを正確に検出することができ
る。そして、この測定圧力Ｐに基づいて河川等の水位が
検出される。

【００５２】このように、本発明では、圧力検出用ＦＢ
Ｇ９と温度補正用ＦＢＧ１７とを同材質、同形状の部材
で保持するようにしたため、両ＦＢＧ９，１７に伝わる
熱量が等しくなり正確に温度補正を行うことができる。
従って、光式圧力センサ１の精度向上を図ることができ
る。

【００５３】なお、貫通穴７ａにフィルタを設けるとし
て説明してきたが、本発明はこの点において限定され
ず、圧力伝達機能を有するダイヤフラムを用いても良
い。ダイヤフラムを用いた場合、測定圧力がダイヤフラ
ムを介してブルドン管内に伝達されることになるが、密
閉構造のため、測定対象中のゴミや粒子を完全に遮断で
きる。

【００５４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、温度補正
を正確に行うことができる高精度な光式圧力センサを提
供できるといった優れた効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る光式圧力センサの正
面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る光式圧力センサの側
面図である。

【図３】本出願人が先に提案した光式圧力センサの側面
図である。

【符号の説明】

１ 光式圧力センサ ２ ケーシング ３ 圧力検出用ブルドン管 ５ 温度補正用ブルドン管 ６，１６ 固定部材 ９ 圧力検出用ＦＢＧ １１，１２，１９，２０ 取付部材 １７ 温度補正用ＦＢＧ

フロントページの続き (72)発明者 福地 圭介 東京都千代田区大手町一丁目６番１号 日 立電線株式会社内 (72)発明者 福士 盛久 東京都千代田区大手町一丁目６番１号 日 立電線株式会社内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB03 CC03 DD01 EE31 FF02 GG11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブルドン管と、そのブルドン管の変位を
   検出する光ファイバ型歪みセンサとを備えた光式圧力セ
   ンサにおいて、 圧力及び周辺温度によって変形する圧力検出用ブルドン
   管と、該圧力検出用ブルドン管に取り付けられ、その変
   位を検出する圧力検出用光ファイバ型歪みセンサと、 圧力が作用しないように形成され、周辺温度のみによっ
   て変形する温度補正用ブルドン管と、該温度補正用ブル
   ドン管に取り付けられ、その変位を検出する温度補正用
   光ファイバ型歪みセンサとを備えたことを特徴とする光
   式圧力センサ。
2. 【請求項２】 上記圧力検出用及び温度補正用ブルドン
   管は同材質で同形状に形成されたものであり、 これら両ブルドン管を同材質、同形状の固定部材を介し
   て固定側へ固定した請求項１記載の光式圧力センサ。
3. 【請求項３】 上記圧力検出用及び温度補正用光ファイ
   バ型歪みセンサが、同材質、同形状の取付部材を介して
   上記圧力検出用ブルドン管及び温度補正用ブルドン管に
   それぞれ取り付けられた請求項１又は２記載の光式圧力
   センサ。
4. 【請求項４】 上記圧力検出用及び温度補正用ブルドン
   管、上記圧力検出用及び温度補正用光ファイバ型歪みセ
   ンサが防水構造のケーシング内に設けられ、上記圧力検
   出用ブルドン管の開放端が上記ケーシングの外部と連通
   するように形成された請求項１〜３いずれかに記載の光
   式圧力センサ。