JP2008128979A - Differential pressure sensor and flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、差圧センサ及びこれを用いた流量計に関するものである。 The present invention relates to a differential pressure sensor and a flow meter using the same.
給湯器やボイラ等の燃焼機器では省エネルギーのために比例制御が行われる。比例制御とは、ガス又は空気流量を測定し、かつ比例バルブを用いて空気とガスの流量比を一定に保ちながら全体の燃焼量が必要熱量になるように制御するものである。ガス及び空気の流量は、これらの流路に設けたオリフィスの差圧を差圧センサで測定し、測定結果の差圧を流量に換算することで求められる。ここで、流量はオリフィス差圧の平方根に比例するため、例えば1/10の流量比を測定する場合、差圧センサは1/100のレンジ幅を正確に測定できなければならない。 In combustion equipment such as a water heater and a boiler, proportional control is performed to save energy. Proportional control is to measure the flow rate of gas or air and to control the entire combustion amount to be the required heat amount while keeping the flow rate ratio of air and gas constant using a proportional valve. The flow rates of gas and air can be obtained by measuring the differential pressure of the orifices provided in these flow paths with a differential pressure sensor and converting the differential pressure of the measurement result into a flow rate. Here, since the flow rate is proportional to the square root of the orifice differential pressure, for example, when measuring a flow rate ratio of 1/10, the differential pressure sensor must be able to accurately measure a range width of 1/100.
高精度にオリフィス差圧を測定する従来の差圧センサとしては、例えば特許文献1に開示されるものがある。その構成を簡単に説明すると、図12に示すように半割本体A,Bを相互に封着固定して内部に形成されたチェンバに測定用ダイアフラムMが配置される。測定用ダイアフラムMは、前記チェンバを半チェンバHA,HBに分割し、また高透磁率の材料からなる剛体ブロックNがセンタープレートとして設けられている。
As a conventional differential pressure sensor for measuring the orifice differential pressure with high accuracy, for example, there is one disclosed in
半割本体A,Bには、測定用ダイアフラムMの剛体ブロックNに対向するように、電磁コイル101が付設された磁芯100がそれぞれ固着される。これら電磁コイル101への通電により発生した磁束線は、磁芯100と金属製の剛体ブロックNを通るループを形成する。これにより、半チェンバHA,HBの差圧がない初期状態における測定用ダイアフラムMの位置で同一の磁気量を有する2つの磁路が形成される。
A
半割本体A,Bに設けられた通路102a,102bは、一方が半チェンバA,Bに開口しており、他方が半割本体A,Bと封止ダイアフラム103a,103bにより区画された空隙に開口している。これら通路102a,102bを介してチェンバ内に充填液が導入される。
One of the
封止ダイアフラム103a,103bと充填液を介して半チェンバHA,HBに差圧が生じると、測定用ダイアフラムMが撓んで剛体ブロックNが変位し空隙TA,TBが変化する。これにより変化したインダクタンスの差分が当該差圧伝送器の出力となる。
When a differential pressure is generated in the half chambers HA and HB via the
また、この差圧伝送器には、図12に示すように、圧力変化に敏感なペーストカーボンからなる抵抗RA,RBが配置されており、抵抗RA,RBが充填液からの圧力を受けて静圧を測定する。この静圧の変動分で差圧測定値を補正することにより、静圧変動による影響を除いた正確な差圧を得ることができる。 In addition, as shown in FIG. 12, resistors RA and RB made of paste carbon sensitive to pressure changes are arranged in this differential pressure transmitter, and the resistors RA and RB receive static pressure from the filling liquid and are static. Measure the pressure. By correcting the differential pressure measurement value with the variation of the static pressure, an accurate differential pressure excluding the influence of the static pressure variation can be obtained.
従来の差圧センサは、一般的にダイアフラム等の圧力感知部に歪ゲージ等の電気回路を配置する構成であるので、当該電気回路に影響を与える燃焼ガス等の流体を圧力室に直接導入することができなかった。また、トランジスタや抵抗等の電気素子を含む電気回路は温度によって特性が変化するため、例えばダイアフラムが同じ撓み量であっても温度補償しないと正確な検知ができない場合がある。 Since the conventional differential pressure sensor is generally configured such that an electric circuit such as a strain gauge is disposed in a pressure sensing unit such as a diaphragm, a fluid such as combustion gas that affects the electric circuit is directly introduced into the pressure chamber. I couldn't. In addition, since the characteristics of an electric circuit including electric elements such as transistors and resistors change depending on the temperature, accurate detection may not be possible without temperature compensation even if the diaphragm has the same deflection amount, for example.
なお、特許文献1では、空隙TA,TBの変化によるインダクタンスの変化量を差圧に換算することから、剛体ブロックNと電磁コイル101を正確に配置しないと測定精度にばらつきが生じる可能性がある。
In
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃焼ガス等であっても好適に使用することができ、かつ簡易な構成で高精度な測定が可能な差圧センサ及びこれを用いた流量計を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A differential pressure sensor that can be suitably used even with a combustion gas or the like and can perform high-accuracy measurement with a simple configuration, and An object is to obtain a flow meter using this.
この発明に係る差圧センサは、内部が二つの圧力室に区画された中空容器と、圧力室間に生じた差圧を外力として伝達する外力伝達機構と、外力伝達機構から伝達された外力により変位する可動部材と、可動部材との接触度合いに応じて電気抵抗が変化する位置検知部と、位置検知部の電気抵抗に応じた量の通電がなされて、外力により位置検知部と接触する方向に変位した可動部材を引き戻す電磁力を発生する電磁石とを備え、可動部材に印加された外力と電磁力との釣り合い位置における通電量を検知結果として出力するものである。 The differential pressure sensor according to the present invention includes a hollow container having an interior partitioned into two pressure chambers, an external force transmission mechanism that transmits a differential pressure generated between the pressure chambers as an external force, and an external force transmitted from the external force transmission mechanism. A moving member that is displaced, a position detection unit whose electrical resistance changes according to the degree of contact with the movable member, and a direction in which an amount of electricity is applied according to the electrical resistance of the position detection unit and the position detection unit is contacted by an external force And an electromagnet that generates an electromagnetic force that pulls back the displaced movable member, and outputs an energization amount at a balance position between the external force and the electromagnetic force applied to the movable member as a detection result.
この発明に係る差圧センサは、位置検知部が、可動部材との接触面に導電材が設けられ、可動部材との接触面積が増加するにつれて電気抵抗が低下する導電性弾性部材からなることを特徴とするものである。 In the differential pressure sensor according to the present invention, the position detection unit is formed of a conductive elastic member in which a conductive material is provided on a contact surface with the movable member, and an electrical resistance decreases as the contact area with the movable member increases. It is a feature.
この発明に係る差圧センサは、位置検知部が可動部材との接触有無により電磁石への通電を開閉する電気的接点からなり、電気的接点の開閉による通電量の変化を一定の時間応答に緩和する緩和手段を備えるものである。 The differential pressure sensor according to the present invention includes an electrical contact that opens and closes the energization of the electromagnet depending on whether or not the position detection unit is in contact with the movable member, and relaxes the change in the energization amount due to the opening and closing of the electrical contact to a certain time response. It is provided with a relaxation means.
この発明に係る差圧センサは、外力伝達機構が、中空容器を二つの圧力室に区画するダイアフラムと、ダイアフラムに直交して設けられ、端部に可動部材と係合する係合部を有し、圧力室間の差圧でダイアフラムと共に変位することにより係合部を介して可動部材に差圧を外力として伝達する軸部材とを備えるものである。 In the differential pressure sensor according to the present invention, the external force transmission mechanism includes a diaphragm that divides the hollow container into two pressure chambers, and an engagement portion that is provided orthogonal to the diaphragm and engages the movable member at the end. And a shaft member that transmits the differential pressure as an external force to the movable member via the engaging portion by being displaced together with the diaphragm by the differential pressure between the pressure chambers.
この発明に係る差圧センサは、電磁石及び可動部材が、電磁石への通電量が一定の場合、可動部材の変位方向に沿った位置によらず、一定の電磁力を発生する磁気回路を構成することを特徴とするものである。 In the differential pressure sensor according to the present invention, the electromagnet and the movable member constitute a magnetic circuit that generates a constant electromagnetic force regardless of the position along the displacement direction of the movable member when the energization amount to the electromagnet is constant. It is characterized by this.
この発明に係る流量計は、流体を流す流路と、流路に設けたオリフィスと、圧力室の一方にオリフィスを介した上流側の流体を導入し、他方に下流側の流体を導入した上記差圧センサとを備え、差圧センサから出力されたオリフィスの上流側と下流側の差圧に応じた通電量に基づいて流量を算出するものである。 In the flowmeter according to the present invention, the fluid flow path, the orifice provided in the flow path, the upstream fluid via the orifice is introduced into one of the pressure chambers, and the downstream fluid is introduced into the other A differential pressure sensor is provided, and the flow rate is calculated based on the energization amount corresponding to the differential pressure between the upstream side and the downstream side of the orifice output from the differential pressure sensor.
この発明に係る差圧センサによれば、圧力室間に生じた差圧に応じて可動部材を位置検知部側に変位させる外力と、可動部材との接触度合いで変化する位置検知部の電気抵抗に応じた通電量で電磁石が発生した可動部材を引き戻す電磁力との釣り合い位置における通電量を検知結果として出力するので、中空容器内に電気回路が不要であり燃焼ガス等であっても好適に使用することができる。また、外力と電磁力の釣り合い位置における通電量が差圧の平方根と比例することから、微小差圧であっても出力レベルが高く、高精度の検知が可能である。 According to the differential pressure sensor according to the present invention, the external force that displaces the movable member toward the position detection unit according to the differential pressure generated between the pressure chambers, and the electrical resistance of the position detection unit that changes depending on the degree of contact with the movable member. Because the energization amount at the position balanced with the electromagnetic force that pulls back the movable member generated by the electromagnet with the energization amount according to the output is output as the detection result, an electric circuit is not required in the hollow container, and even if it is combustion gas etc. Can be used. Further, since the energization amount at the balance position of the external force and the electromagnetic force is proportional to the square root of the differential pressure, the output level is high even with a minute differential pressure, and high-precision detection is possible.
この発明に係る差圧センサによれば、位置検知部が、可動部材との接触面に導電材が設けられ、可動部材との接触面積が増加するにつれて電気抵抗が低下する導電性弾性部材からなるので、可動部材との接触度合いに応じた量で電磁石へ通電することができる。 According to the differential pressure sensor according to the present invention, the position detection unit includes the conductive elastic member in which the conductive material is provided on the contact surface with the movable member, and the electrical resistance decreases as the contact area with the movable member increases. Therefore, it is possible to energize the electromagnet in an amount corresponding to the degree of contact with the movable member.
この発明に係る差圧センサによれば、位置検知部が可動部材との接触有無により電磁石への通電を開閉する電気的接点からなり、電気的接点の開閉による通電量の変化を一定の時間応答に緩和する緩和手段を備えるので、可動部材と位置検知部との接触の有無に応じて電磁石へ通電することができる。 According to the differential pressure sensor according to the present invention, the position detection unit includes the electrical contact that opens and closes the energization of the electromagnet depending on whether or not the movable member is in contact, and the change in the energization amount due to the opening and closing of the electrical contact is a certain time response. Therefore, the electromagnet can be energized according to the presence or absence of contact between the movable member and the position detector.
この発明に係る差圧センサによれば、外力伝達機構が、中空容器を二つの圧力室に区画するダイアフラムと、ダイアフラムに直交して設けられ、端部に可動部材と係合する係合部を有し、圧力室間の差圧でダイアフラムと共に変位することにより係合部を介して可動部材に差圧を外力として伝達する軸部材とを備えるので、簡易な構成で圧力室間の差圧を外力として可動部材に伝達することができる。 According to the differential pressure sensor of the present invention, the external force transmission mechanism includes a diaphragm that divides the hollow container into two pressure chambers, and an engaging portion that is provided orthogonal to the diaphragm and that engages the movable member at the end. And a shaft member that transmits the differential pressure as an external force to the movable member via the engaging portion by displacing together with the diaphragm due to the differential pressure between the pressure chambers. It can be transmitted to the movable member as an external force.
この発明に係る差圧センサによれば、電磁石及び可動部材が、電磁石への通電量が一定の場合、可動部材の変位方向に沿った位置によらず、一定の電磁力を発生する磁気回路を構成することを特徴とするので、可動部材が多少ずれて配置されてもよく、磁気回路を容易に差圧センサへの組み付けることができる。 According to the differential pressure sensor of the present invention, when the electromagnet and the movable member have a constant energization amount to the electromagnet, the magnetic circuit that generates a constant electromagnetic force regardless of the position along the displacement direction of the movable member. Since the configuration is characterized, the movable member may be arranged slightly deviated, and the magnetic circuit can be easily assembled to the differential pressure sensor.
この発明に係る流量計によれば、流体を流す流路と、流路に設けたオリフィスと、圧力室の一方にオリフィスを介した上流側の流体を導入し、他方に下流側の流体を導入した上記差圧センサとを備え、差圧センサから出力されたオリフィスの上流側と下流側の差圧に応じた通電量に基づいて流量を算出するので、差圧センサの出力電流値がオリフィス差圧の平方根に比例することから、当該電流値をそのまま流量に相当する値とすることができ、簡易な構成の流量計を得ることができる。 According to the flowmeter of the present invention, the flow path for flowing fluid, the orifice provided in the flow path, the upstream fluid via the orifice is introduced into one of the pressure chambers, and the downstream fluid is introduced into the other And the flow rate is calculated based on the energization amount corresponding to the upstream and downstream differential pressures of the orifice output from the differential pressure sensor. Since it is proportional to the square root of the pressure, the current value can be directly set to a value corresponding to the flow rate, and a flow meter with a simple configuration can be obtained.
実施の形態1.
図1は、この発明による差圧センサの原理図であり、この差圧センサを用いて流路のオリフィス差圧を測定する流量計を構成した場合を示している。図1において、中空容器1は、メインダイアフラム2によって圧力室1a,1bにそれぞれ区画される。また、流路10には、図1中に太線の矢印で示す方向に流体が流れている。この流路10のオリフィス11を介した低圧側に圧力室1aが連通(図1中に破線の矢印で示す)しており、高圧側に圧力室1bが連通(図1中に実線の矢印で示す)している。
FIG. 1 is a principle diagram of a differential pressure sensor according to the present invention, and shows a case where a flow meter for measuring an orifice differential pressure in a flow path is configured using this differential pressure sensor. In FIG. 1, the
支持ばね3は、図1中の矢印A,B方向(メインダイアフラム2に直交する方向)に変位する可動部材5に対して付勢力を与えるものであり、圧力室1a,1b間に差圧がない初期状態で付勢力が0となる。
The
位置検知部4は、可動部材5に押し付けられるに従って電気抵抗が変化するように構成される。例えば、可動部材5との接触面にカーボン等の導電材を配した導電性シリコンゴム等を用い、圧力室1aと圧力室1bの間に差圧がない初期状態の電気抵抗を無限大とし、可動部材5に押し付けられてその接触面積が増加するにつれて電気抵抗が低下するように構成する。
The
なお、本発明における位置検知部4の電気抵抗値が無限大とは、電磁コイル8の抵抗値に対して実用上十分に大きな抵抗値であることを意味し、位置検知部4の電気抵抗値が0とは、電磁コイル8の抵抗値に対して実用上十分に小さな抵抗値であることを意味する。
In addition, the infinite electric resistance value of the
可動部材5には、圧力室1a,1b間の差圧でメインダイアフラム2に発生した力と、後述する磁気回路による吸引力とが印加され、シールダイアフラム2aにより中空容器1の外部と遮断された軸12と共に矢印A,B方向に変位する。この可動部材5の変位は、印加された力の差分に比例し、支持ばね3のばね定数に反比例する。
The
また、可動部材5は、ヨーク7及びこれに巻回した電磁コイル8を含む磁気回路のプランジャとして機能する。このようなプランジャタイプの磁気回路では、図1に示すようにヨーク7が可動部材5の外周を囲んで可動部材5の変位方向に沿った空隙を有し、電磁コイル8で発生した磁束がヨーク7と可動部材5により閉じられた系を構成する。なお、磁気通路となる可動部材5とヨーク7には、高透磁率の材料、例えば飽和磁束が高く、かつ残留磁気が小さいパーマロイを用いる。
The
位置検知部4は、中空容器1の外部に設けた下板6に配置され、下板6を介して直流電源9に接続される(図1中に二点破線で示す)。一方、可動部材5は、電磁コイル8を介して直流電源9に接続している。これにより、可動部材5が位置検知部4に接触すると、位置検知部4と電磁コイル8とが電気的に直列に接続される。
The
位置検知部4の電気抵抗が無限大の初期状態から可動部材5に押し付けられると、電気抵抗が低下して直流電源9からの電流が電磁コイル8へ流れる。これにより、上記磁気回路による可動部材5の吸引力が発生する。この後、位置検知部4に可動部材5がさらに押し付けられてその電気抵抗の低下が進むと、直流電源9から電磁コイル8へ流れる電流が増加し、上記磁気回路によって可動部材5に印加される吸引力がさらに強くなる。
When the electric resistance of the
例えば、圧力室1aが圧力室1bより高圧になると、圧力室1a,1b間の差圧によりメインダイアフラム2が圧力室1b側(矢印A方向)に変位する。このメインダイアフラム2と共に軸12も矢印A方向に変位して差圧を外力として可動部材5に伝達する。この外力で可動部材5も矢印A方向に変位して位置検知部4に押し付けられ、磁気回路の電磁コイル8に通電されることにより、可動部材5を矢印B方向に引き戻す力が発生する。
For example, when the
本発明の差圧センサでは、上述した圧力室1a,1b間の差圧による外力と上記磁気回路による可動部材5を吸引する電磁力とが釣り合った位置における電流値を出力する。例えば、この釣り合い位置での電流値がセンサ出力として一般的な0〜20mAの範囲となるように構成する。なお、本発明の差圧センサでは、図1に示すように直流電源9への2線式の結線で良いことから配線も容易である。
The differential pressure sensor of the present invention outputs a current value at a position where the external force due to the differential pressure between the
図2は、実施の形態1による差圧センサの磁気回路の特性を説明するための図であり、図2(a)は通常の平板を電磁石で吸引する磁気回路、図2(b)は本発明による差圧センサで用いるプランジャタイプの磁気回路を示しており、図2(c)は電磁コイルの電流値が一定の場合における吸引力とギャップとの関係を示している。 2A and 2B are diagrams for explaining the characteristics of the magnetic circuit of the differential pressure sensor according to the first embodiment. FIG. 2A is a magnetic circuit that attracts an ordinary flat plate with an electromagnet, and FIG. The plunger type magnetic circuit used with the differential pressure sensor according to the invention is shown, and FIG. 2C shows the relationship between the attractive force and the gap when the current value of the electromagnetic coil is constant.
図2(a)のように、断面コ字状のヨーク7Aに巻回された電磁コイル8Aで可動部材5を吸引する場合では、図2(a)中に破線で示すような磁気通路を構成する。この構成における吸引力fは、ヨーク7Aと可動部材5との間で磁界が形成されるギャップεaの2乗に反比例して変化する。
As shown in FIG. 2 (a), when the
図2(b)に示すプランジャタイプの磁気回路は、図2(b)中に破線で示すような磁気通路を構成する。この構成において、ヨーク7Aと可動部材5との間で磁界が形成される可動部材5の移動量εb(移動量εbで規定される面積)は、磁気抵抗の逆数(パーミナンス)に比例し、移動量εbが変わっても磁気抵抗の変化がほとんどない。このため、吸引力fは、図2(a)の構成と比較して移動量εbに大きく影響を受けない。
The plunger-type magnetic circuit shown in FIG. 2B constitutes a magnetic path as indicated by a broken line in FIG. In this configuration, the amount of movement εb (area defined by the amount of movement εb) of the
従って、電磁コイルに流れる電流値が同じ場合、図2(a)の構成では、図2(c)中に曲線aで示すようにギャップεaの変化に対して吸引力fが著しく変化する。また、図2(b)の構成では、図2(c)中に直線bで示すように、移動量εbの変化に対して吸引力fがほぼ一定になる。 Therefore, when the current value flowing through the electromagnetic coil is the same, in the configuration of FIG. 2A, the attractive force f changes significantly with respect to the change of the gap εa as shown by the curve a in FIG. In the configuration of FIG. 2B, the suction force f is substantially constant with respect to the change in the movement amount εb, as indicated by the straight line b in FIG.
このため、図2(a)に示す磁気回路を図1の差圧センサに適用すると、可動部材5の吸引力fと位置検知部4に押し付ける力との釣り合い位置がばらつき、高精度な測定ができない。これに対して、図2(b)に示すプランジャタイプの磁気回路では、可動部材5の変位方向上の位置によらず、吸引力fがほぼ一定であることから、可動部材5が多少ずれて配置されても特性に与える影響がほとんどなく、磁気回路の差圧センサへの組み付けが容易である。
Therefore, when the magnetic circuit shown in FIG. 2A is applied to the differential pressure sensor shown in FIG. 1, the balance position between the attractive force f of the
なお、可動部材5の吸引に永久磁石を用いることも考えられるが、永久磁石は温度による特性変化が大きいため、差圧センサに永久磁石を用いる場合、温度補償回路等の特別な構成を設ける必要がある。
Although it is conceivable to use a permanent magnet for attracting the
プランジャタイプの磁気回路では、ヨーク7と可動部材5とのギャップにおける空気の抵抗で決まり、高透磁率の磁性材料からなるヨーク7や可動部材5の磁気抵抗は、非常に小さい。このため、可動部材5やヨーク7は温度により磁気抵抗が変化するが、その変化分が磁気回路全体の磁気抵抗に占める割合は小さく、温度補償回路等の特別な構成は不要である。つまり、本発明による差圧センサでは、温度により特性がほとんど変化しないので、広い温度範囲(例えば、−20〜90℃)で信頼性の高い測定が可能である。
In the plunger type magnetic circuit, the magnetic resistance of the
また、実施の形態1による位置検知部4としては、可動部材5との接触に対して高感度であることが望ましい。つまり、圧力室1a,1b間に差圧がなく、位置検知部4と可動部材5が接触していない(若しくは接触していても電気抵抗が無限大とみなせる位置)初期状態から圧力室1a,1b間に差圧が生じ、可動部材5によって位置検知部4に荷重が印加されたか否かが正確に検知できることが重要である。
Further, it is desirable that the
この場合、初期状態の位置であるゼロ点が安定していればよく、さらに可動部材5から印加される荷重に対する位置検知部4の電気抵抗の変化が、非線形であってもばらつきがあっても構わない。位置検知部4の感度を向上させるには、例えば直流電源9から位置検知部4へ供給する電流値をトランジスタ等で増幅することが考えられる。
In this case, it is only necessary that the zero point which is the position in the initial state is stable, and even if the change in the electrical resistance of the
次に、本発明による差圧センサの動作原理を詳細に説明する。
図3は、図1中の差圧センサによる差圧検知のブロック線図である。図3において、圧力室1a,1b間の差圧によりメインダイアフラム2に発生するダイアフラム発生力fDは、メインダイアフラム2の面積をSとし、圧力室1a,1b間の差圧Pとすると、下記式(1)のように表せる。このダイアフラム発生力fDは、位置検知部4と可動部材5とを押し付ける力(矢印A方向の力)に相当する。
fD=PS ・・・(1)
Next, the operating principle of the differential pressure sensor according to the present invention will be described in detail.
FIG. 3 is a block diagram of differential pressure detection by the differential pressure sensor in FIG. In FIG. 3, the diaphragm generating force f D generated in the
f D = PS (1)
また、磁気回路による可動部材5の吸引力であるアクチュエータ発生力fAは、電磁コイル8を流れる電流値iの2乗に比例するので、比例定数をK2とすると、下記式(2)のようになる。
fA=K2i2 ・・・(2)
Further, since the actuator generating force f A that is the attractive force of the
f A = K 2 i 2 (2)
図1の構成では圧力室1bに高圧流体が導入されるので、可動部材5の変位量xは、図3に示すようにダイアフラム発生力fDに対してアクチュエータ発生力fAがマイナスの値でフィードバックされ、支持ばね3のばね定数kに応じた下記式(3)の関係で表すことができる。
x=(fD−fA)/k ・・・(3)
In the configuration of FIG. 1, since the high-pressure fluid is introduced into the
x = (f D −f A ) / k (3)
位置検知部4にかかる電圧をV、位置検知部4の電気抵抗をRとすると、可動部材5が位置検知部4に接触して電磁コイル8に流れる電流値iは、下記式(4)の関係にある。
i=V/R ・・・(4)
When the voltage applied to the
i = V / R (4)
また、位置検知部4の電気抵抗Rは、ダイアフラム発生力fDにより変位した可動部材5との接触面積が増加するにつれて低下するので、可動部材5の変位量xに反比例するものと仮定でき、下記式(5)で表すことができる。ただし、K1は比例定数である。
R=K1/x ・・・(5)
Further, since the electric resistance R of the
R = K 1 / x (5)
上記式(2)〜(5)を用いるとダイアフラム発生力fDとアクチュエータ発生力fAの差分は、下記式(6)で表せる。
fD−fA=kx
=kK1/x=(k/K1)(i/V)=(k/K1V√K2)(√fA) ・・・(6)
Difference of the above formula (2) to (5) using the diaphragm generated force f D and the actuator generating force f A is expressed by the following equation (6).
f D −f A = kx
= KK 1 / x = (k / K 1 ) (i / V) = (k / K 1 V√K 2 ) (√f A ) (6)
本発明による差圧センサでは、磁気回路による可動部材5の吸引力であるアクチュエータ発生力fA(矢印B方向の力)と、位置検知部4と可動部材5を押し付ける力であるダイアフラム発生力fD(矢印A方向の力)とが釣り合った位置での電流値iを出力する。上記式(6)において(k/K1V√K2)≪1となるように構成すれば、fD≒fAとなるので、上記式(1)を用いて下記式(7)の関係が求まる。
K2i2=fD=PS
i=(√S/√K2)(√P) ・・・(7)
In the differential pressure sensor according to the present invention, the actuator generating force f A (force in the direction of arrow B) that is the attractive force of the
K 2 i 2 = f D = PS
i = (√S / √K 2 ) (√P) (7)
ここで、(k/K1V√K2)における定数K2は、本発明の差圧センサのゲインを決めるパラメータに相当し、その仕様によって所定の値に固定されるべきものである。また、Vは、直流電源9による供給電圧であり一定となる。従って、(k/K1V√K2)≪1とするには、(k/K1)≪1となるように構成すればよい。 Here, the constant K 2 in (k / K 1 V√K 2 ) corresponds to a parameter that determines the gain of the differential pressure sensor of the present invention, and should be fixed to a predetermined value according to the specification. V is a voltage supplied from the DC power supply 9 and is constant. Therefore, in order to satisfy (k / K 1 V√K 2 ) << 1 , the configuration may be such that (k / K 1 ) << 1 .
(k/K1)≪1とするためには、支持ばね3としてばね定数kが十分に小さいばねを用い、位置検知部4としては可動部材5の押し付け変位に対する抵抗変化が大きい、つまり定数K1が大きいものを用いる。また、fD≒fAとなる位置での電流値iを検知結果として出力するには、電磁コイル8に通電される電流値が一定であるならば、可動部材5の変位方向上の位置にかかわらず、アクチュエータ発生力fAが一定であることが望ましい。これにより、本発明では、上述したプランジャタイプの磁気回路を採用している。
In order to set (k / K 1 ) << 1 , a spring having a sufficiently small spring constant k is used as the
また、上記式(7)の関係から、本発明による差圧センサの出力である電流値iは差圧Pの平方根に比例する。このため、差圧Pが微小差圧のときでも急峻に出力レベルが立ち上がり、微小差圧であっても高精度の検知が可能である。 Further, from the relationship of the above formula (7), the current value i which is the output of the differential pressure sensor according to the present invention is proportional to the square root of the differential pressure P. For this reason, even when the differential pressure P is a minute differential pressure, the output level rises sharply, and even if it is a minute differential pressure, highly accurate detection is possible.
さらに、オリフィス差圧は流量の2乗に比例することから、本発明による差圧センサを用いた流量計では、検知結果の電流値iと流量とが1対1、すなわち流量と電流値iが比例関係になるように制御系を構成することができる。これにより、オリフィス差圧を計測することで出力電流値をそのまま流量に相当する値とすることができ、簡易な構成の流量計を得ることが可能である。 Furthermore, since the orifice differential pressure is proportional to the square of the flow rate, in the flow meter using the differential pressure sensor according to the present invention, the current value i and the flow rate of the detection result are 1: 1, that is, the flow rate and the current value i are The control system can be configured to have a proportional relationship. Thus, by measuring the orifice differential pressure, the output current value can be directly set to a value corresponding to the flow rate, and a flow meter with a simple configuration can be obtained.
次に実施の形態1による差圧センサについて説明する。
図4は、この発明の実施の形態1による差圧センサを示す上面図、図5は、図4中のA−A線で切った断面図であり、図6は、図5中の領域Cの拡大図である。実施の形態1による差圧センサでは、図4に示すように、円形の可動部材5を囲むようにヨーク7が設けられ、このヨーク7には電磁コイル8が巻回されている。また、可動部材5を上方から押さえるレバー13が設けられている。なお、図4は、内部構成を視認可能とするため、後述する図5のカバー17の記載を省略している。
Next, the differential pressure sensor according to
4 is a top view showing the differential pressure sensor according to
実施の形態1による差圧センサの可動部材5は、金属板(例えば、パーマロイ)をプレス成型した肉厚の薄いお椀状の部材(図5参照)で構成され、ヨーク7における円形の開口部に収納される。これにより、図6に示すように、可動部材5の変位方向に沿ってヨーク7との間にギャップDが形成される。例えば、ギャップDが0.2mm程度となるように構成する。
The
また、可動部材5は中心部に孔部を有しており、この孔部を軸12が挿通している。軸12はメインダイアフラム2に固定され、圧力室1a,1b間の差圧によりメインダイアフラム2と共に矢印A,B方向に変位する。つまり、軸12は、圧力室1a,1b間の差圧によるダイアフラム発生力で変位する。軸12が変位すると、そのつば部(係合部)12aが可動部材5の孔部の開口周辺部と係合して、ダイアフラム発生力が可動部材5に伝達される。このように、メインダイアフラム2と軸12が差圧を外力として可動部材5に伝達する外力伝達機構を構成する。
The
さらに、可動部材5は、板ばね3aを介して筐体1Aに支持される。板ばね3aは、薄い金属板を打ち抜いて端部に撓みを有する形状にした弾性部材であり、可動部材5の中心部に対して対称に複数配置される。この板ばね3aの端部が撓むことにより、可動部材5は、軸12に沿ってぶれることなく矢印A,B方向にのみ変位することができる。
Furthermore, the
位置検知部4は、可動部材5との接触面にカーボン等の導電材を配置した導電性シリコン等の導電ゴムで構成され、可動部材5に押し付けられて接触面積が増加するにつれて、例えば2MΩから200Ωまでの範囲で電気抵抗が変化する。また、下板6は、図5、6に示すように筐体1Aと可動部材5との間に介在させて可動部材5に対向するように配置される。
The
筐体1A,1Bを相互に封着固定して内部に形成された中空容器1は、メインダイアフラム2によって圧力室1aと圧力室1bに区画される。圧力室1aは、低圧側配管ポート14aと連通しており、圧力室1bは、高圧側配管ポート14bと連通している。カバー17は、鉄板をプレス成型して構成され、磁気回路で発生した磁気が外部に漏洩するのを防止している。
A
メインダイアフラム2は、微小差圧での変位を可能とするためにシリコンゴム等の弾性部材の薄膜から構成する。メインダイアフラム2を弾性薄膜で形成する場合、例えば検知差圧の最大値を100Pa程度とする。また、メインダイアフラム2には、剛性を有するセンタープレート2bが圧力室1a,1bの両側から対向するように配置される。なお、センタープレート2bは、例えばプラスチック等より構成する。
The
カウンタスプリング3bは、メインダイアフラム2を圧力室1a側から支持する。上述したように可動部材5の微小変位で釣り合い位置とするため、カウンタスプリング3bのばね定数は、非常に小さいことが望ましい。そこで、カウンタスプリング3bとしては、ピッチを大きくして所望のばね定数に設計したばねを用いる。
The
メインダイアフラム2に直交する軸12には、メインダイアフラム2を介して対向するブッシング部12aが設けられている。このブッシング部12aは軸12に密着しており、かつシールダイアフラム2aによって中空容器1の外部と遮断されている。シールダイアフラム2aは、軸12の移動に伴って変形する弾性材から構成される。
A
また、レバー13は、カウンタスプリング3bとは逆方向から可動部材5に付勢力を与えるばねとして機能し、圧力室1a,1bに差圧がない初期状態でカウンタスプリング3bによる付勢力と釣り合い状態となる。上述したように、カウンタスプリング3bがばね定数の小さいばねであるので、可動部材5に対してカウンタスプリング3bと同じ付勢力を与えるためにはレバー13の等価ばね定数も小さく構成する必要がある。
The
そこで、レバー13は、図5に示すようにレバー13の基部となる部位aを支点とし、支点から所定の距離だけ離れた部位bでねじ部16bに挿通してばね15で支持し、先端部cで電磁コイル8側から軸12の端面に荷重を加える構造としている。
Therefore, as shown in FIG. 5, the
図7は、レバー13の原理を説明するための図である。部位aから部位bまでの長さをlとし、部位bから先端部cまでの長さをLとすると、レバー13は、図7に示すように模式的に表すことができる。ここで、ばね15のばね定数をk1とし、α=(L/l)とすると、部位cを支点としてばね15と釣り合う質量部分である先端部aの等価ばね定数k2は、下記式(8)のように表すことができる。
k2=k1/α2 ・・・(8)
FIG. 7 is a view for explaining the principle of the
k 2 = k 1 / α 2 (8)
従って、ばね15のばね定数k1が大きくても、上記式(8)の関係からレバー13のリンク比であるαを適切に設定することで、先端部aの等価ばね定数k2を小さくすることができる。また、このように構成することで、狭い空間であっても小さなばね定数の支持ばねを得ることができる。
Therefore, even if the spring constant k 1 of the
次に動作について説明する。
低圧側配管ポート14a及び高圧側配管ポート14bから圧力室1a,1bに流入された流体によって圧力室1a,1b間に差圧が生じると、この差圧に応じてメインダイアフラム2が変位する。例えば、圧力室1bが圧力室1aより高圧になると、メインダイアフラム2及び軸12が矢印A方向に変位する。軸12が矢印A方向に変位すると、そのつば部12aにより可動部材5が矢印A方向に動かされて、位置検知部4に押し付けられる。
Next, the operation will be described.
When a differential pressure is generated between the
導電性ゴムからなる位置検知部4が可動部材5に押し付けられると、接触面に設けたカーボンと可動部材5との接触面積が増加し、位置検知部4の電気抵抗が低下する。これにより、位置検知部4と可動部材5を介して直流電源5から電磁コイル8へ流れる電流値が増加する。これにより、磁気回路が駆動して可動部材5を吸引する矢印B方向の力を発生する。
When the
実施の形態1による差圧センサでは、図1中の支持ばね3として機能するカウンタスプリング2b及びレバー13を各ばね定数が小さくなるように構成し、上述したように可動部材5の微小な押し付け変位に対して位置検知部4の電気抵抗が大きく変化する。従って、可動部材5が微小変位する間に、図3に示すダイアフラム発生力fDとアクチュエータ発生力fAとが釣り合い位置となる。この釣り合い位置での電流値iを、実施の形態1による差圧センサの出力とする。
In the differential pressure sensor according to the first embodiment, the
以上のように、この実施の形態1によれば、圧力室1a,1bに区画された中空容器1と、圧力室1a,1b間に生じた差圧を外力として伝達するメインダイアフラム2や軸12からなる外力伝達機構と、外力伝達機構から伝達された外力により変位する可動部材5と、可動部材5との接触度合いに応じて電気抵抗が変化する位置検知部4と、位置検知部4の電気抵抗に応じた量の通電がなされて、外力により位置検知部4と接触する方向に変位した可動部材5を引き戻す電磁力を発生する電磁コイル8とを備え、可動部材5に印加された外力と電磁力との釣り合い位置における通電量を出力するので、中空容器1内にトランジスタや抵抗等の電気素子を有する電気回路を不要としたことから、燃焼ガス等であっても好適に使用することができる。
As described above, according to the first embodiment, the
また、上記式(7)に示すように、ダイアフラム発生力とアクチュエータ発生力の釣り合い位置における電流値iがオリフィス差圧の平方根と比例することから、微小差圧であっても出力レベルが高く、高精度の検知が可能である。例えば、大気圧付近の流体との差圧測定や、微小差圧を考慮した均圧制御に用いることができる。 Further, as shown in the above formula (7), since the current value i at the balance position of the diaphragm generating force and the actuator generating force is proportional to the square root of the orifice differential pressure, the output level is high even for a minute differential pressure, High-precision detection is possible. For example, it can be used for differential pressure measurement with a fluid in the vicinity of atmospheric pressure, or for pressure equalization control in consideration of minute differential pressure.
また、この実施の形態1によれば、流量とオリフィス差圧の関係と同様に出力電流値iがオリフィス差圧の平方根に比例することから、当該電流値iをそのまま流量に相当する値とすることができ、簡易な構成の流量計を得ることができる。 Further, according to the first embodiment, since the output current value i is proportional to the square root of the orifice differential pressure, similarly to the relationship between the flow rate and the orifice differential pressure, the current value i is directly set to a value corresponding to the flow rate. Therefore, a flow meter having a simple configuration can be obtained.
実施の形態2.
上記実施の形態1では、位置検知部4として導電性ゴム等を用いて可動部材5との接触度合いに応じて電気抵抗が変化するように構成したが、この実施の形態2は、可動部材5が押し付けられるとオンオフするスイッチを位置検知部としたものである。
In the first embodiment, a conductive rubber or the like is used as the
図8は、この発明の実施の形態2による差圧センサの概略構成を示す図である。図8において、位置検知部4Aは、可動部材5に接触してオンになると電磁コイル8に電気的に接続され、可動部材5が離れることでオフになり電磁コイル8との接続を切断するスイッチ(電気的接点)から構成される。なお、図8に示すスイッチでは、一端が直流電源の電圧+Vと接続し、他端が電磁コイル8とダイオード18に電気的に接続している。
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a differential pressure sensor according to
電磁コイル8は、上記実施の形態1と同様に可動部材5の外周を囲むように設けたヨーク7に巻回され、上記実施の形態1と同様な磁気回路を構成する。なお、電磁コイル8は基準抵抗19と直列に接続されており、ダイオード18と並列に接続されている。ダイオード18は、金属接点のアークを軽減するためのフライホイールダイオードとして機能し、電磁コイル8及び基準抵抗19と並列に接続される。
The
基準抵抗19は、一端が電磁コイル8に接続し、他端が接地される。この基準抵抗19に印加される出力電圧Voutより求めた電流値が、実施の形態2による差圧センサの出力となる。なお、これら以外の構成は、上記実施の形態1における図1と同様であるものとする。
The
次に動作について説明する。
圧力室1bへ印加される流体圧力が高まり圧力室1a,1b間に差圧が生じる。この差圧に応じてメインダイアフラム2が変位し、上記実施の形態1で示したような外力伝達機構によって可動部材5が位置検知部4Aに押し付けられる。これにより、スイッチである位置検知部4Aがオンする。
Next, the operation will be described.
The fluid pressure applied to the
位置検知部4Aがオン状態となると、図9(b)中に矢印で示すように電磁コイル8、基準抵抗19へと電流が流れ、下記式(9)の関係に従って基準抵抗19に流れる電流の値iが徐々に増加する。
i=V(1−e-(t/τ))/(R1+R2) ・・・(9)
τ=L/(R1+R2)
但し、R1、Lは、それぞれ電磁コイル8の抵抗値及びインダクタンス値であり、R2は基準抵抗19の抵抗値である。また、Vは印加電圧である。
When the
i = V (1-e- (t / τ) ) / (R 1 + R 2 ) (9)
τ = L / (R 1 + R 2 )
Here, R 1 and L are the resistance value and inductance value of the
このように、位置検知部4Aがオンすると、電磁コイル8の抵抗値R1及びインダクタンス値L、基準抵抗19の抵抗値R2により決定される時間応答で、図9(a)に示すように電磁コイル8の電流値iが増加する。
As described above, when the
この後、電流値iが増加して可動部材5の吸引力が強くなり、可動部材5が位置検知部4Aから引き戻されると、位置検知部4Aはオフ状態となる。このとき、図10(b)中に矢印で示すように、電磁コイル8、ダイオード18及び基準抵抗19からなるループに電流が流れ、抵抗値R1、インダクタンス値L及び抵抗値R2により決定される時間応答で、図10(a)に示すように電流値iが減少する。
Thereafter, when the current value i increases to increase the attractive force of the
可動部材5に印加されたダイアフラム発生力とアクチュエータ発生力との釣り合い位置付近で位置検知部4Aのオンオフを繰り返すことにより、図11に示すようなリップル幅Fの電流値が基準抵抗19に流れる。実施の形態2による差圧センサでは、この電流値を差圧の検知結果として出力する。
A current value of ripple width F as shown in FIG. 11 flows through the
なお、リップル幅Fは機械的部分の応答速度を速めることで小さくすることができる。機械的部分の応答速度を速めるには、可動部材5、軸12等の各部分の質量を小さくし、支持ばね3のばね定数を大きくすること等が考えられる。
The ripple width F can be reduced by increasing the response speed of the mechanical part. In order to increase the response speed of the mechanical part, it is conceivable to reduce the mass of each part such as the
以上のように、この実施の形態2によれば、可動部材5との接触に応じて電磁コイル8への通電をオンオフするスイッチで位置検知部4Aを構成し、このスイッチのオンオフをトリガとする電流値の変化を一定の時間応答に緩和する緩和手段としてダイオード18及び基準抵抗19を備えるので、中空容器1内に電気回路が不要であり、燃焼ガス等であっても好適に使用することができる。また、上記実施の形態1と同様に、ダイアフラム発生力とアクチュエータ発生力の釣り合い位置における電流値iがオリフィス差圧の平方根と比例することから、微小差圧であっても出力レベルが高く、高精度の検知が可能である。
As described above, according to the second embodiment, the
また、流量とオリフィス差圧の関係と同様に出力電流値iがオリフィス差圧の平方根に比例することから、当該電流値iをそのまま流量に相当する値とすることができ、簡易な構成の流量計を得ることができる。 Further, since the output current value i is proportional to the square root of the orifice differential pressure as in the relationship between the flow rate and the orifice differential pressure, the current value i can be set to a value corresponding to the flow rate as it is, and the flow rate with a simple configuration. You can get a total.
1 中空容器
1a,1b 圧力室
2 メインダイアフラム
2a シールダイアフラム
2b センタープレート
3 支持ばね
3a 板ばね
3b カウンタスプリング
4,4A 位置検知部
5 可動部材
6 下板
7 ヨーク
8 電磁コイル
9 直流電源
10 流路
11 オリフィス
12 軸
12a つば部
12b ブッシング部
13 レバー
14a 低圧側配管ポート
14b 高圧側配管ポート
15 ばね
16a ナット
16b ねじ部
17 カバー
18 ダイオード
19 基準抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記圧力室間に生じた差圧を外力として伝達する外力伝達機構と、
前記外力伝達機構から伝達された外力により変位する可動部材と、
前記可動部材との接触度合いに応じて電気抵抗が変化する位置検知部と、
前記位置検知部の電気抵抗に応じた量の通電がなされて、前記外力により前記位置検知部と接触する方向に変位した可動部材を引き戻す電磁力を発生する電磁石とを備え、
前記可動部材に印加された前記外力と前記電磁力との釣り合い位置における通電量を検知結果として出力する差圧センサ。 A hollow container whose interior is divided into two pressure chambers;
An external force transmission mechanism for transmitting a differential pressure generated between the pressure chambers as an external force;
A movable member that is displaced by an external force transmitted from the external force transmission mechanism;
A position detector that changes electrical resistance in accordance with the degree of contact with the movable member;
An electromagnet that is energized in an amount corresponding to the electrical resistance of the position detection unit and generates an electromagnetic force that pulls back a movable member that is displaced in a direction in contact with the position detection unit by the external force;
A differential pressure sensor that outputs an energization amount at a balance position between the external force and the electromagnetic force applied to the movable member as a detection result.
前記電気的接点の開閉による通電量の変化を一定の時間応答に緩和する緩和手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の差圧センサ。 The position detection unit consists of an electrical contact that opens and closes energization to the electromagnet depending on the presence or absence of contact with the movable member,
2. The differential pressure sensor according to claim 1, further comprising a mitigating means for mitigating a change in energization amount due to opening and closing of the electrical contact to a certain time response.
前記流路に設けたオリフィスと、
圧力室の一方に前記オリフィスを介した上流側の流体を導入し、他方に下流側の流体を導入した、請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の差圧センサとを備え、
前記差圧センサから出力された前記オリフィスの上流側と下流側の差圧に応じた通電量に基づいて流量を算出する流量計。 A flow path for fluid flow;
An orifice provided in the flow path;
The differential pressure sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein an upstream fluid is introduced into one of the pressure chambers through the orifice, and a downstream fluid is introduced into the other. ,
A flow meter that calculates a flow rate based on an energization amount corresponding to a differential pressure between the upstream side and the downstream side of the orifice output from the differential pressure sensor.
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
KR101336268B1 (en) * | 2012-07-18 | 2013-12-03 | 김중구 | Differential pressure type flow controler for measurement of air pollution |
CN113091994A (en) * | 2021-04-12 | 2021-07-09 | 成都皓瀚完井岩电科技有限公司 | High static pressure differential pressure transducer |
-
2006
- 2006-11-24 JP JP2006317547A patent/JP2008128979A/en active Pending
Cited By (3)
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KR101336268B1 (en) * | 2012-07-18 | 2013-12-03 | 김중구 | Differential pressure type flow controler for measurement of air pollution |
CN113091994A (en) * | 2021-04-12 | 2021-07-09 | 成都皓瀚完井岩电科技有限公司 | High static pressure differential pressure transducer |
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