JP2011038777A - 圧力計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を確保しながら測定精度を向上させた超高圧まで計測可能な圧力計測装置を提供する。
【解決手段】耐腐食性合金からなり圧力流体が流通する管状部材２と、管状部材２の外周部に形成され、外周部２ｂよりも肉厚が薄くなるように管状部材２の軸方向に沿って平行に形成された平坦面からなる被検出部３と、被検出部３における圧力流体による歪みを検出する歪検出ゲージ５と、を有し、歪みを電気量に変換して０〜５００ＭＰａまでの圧力を計測するのに適した超高圧用の圧力計測装置１であって、管状部材２は、管状部材２の内周面２ａと被検出部３との間に形成される最肉薄部の距離が１．０〜１．９ｍｍとなるように形成された薄肉部４を備え、薄肉部４の歪みを検出するように被検出部３に歪検出ゲージ５が配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力計測装置に関し、特に、超高圧まで計測可能な圧力計測装置に関する。

従来、管状配管内を流れる液体の圧力を検出するための圧力計測装置に関して、いわゆるダイヤフラム式の圧力計測装置が一般的である。このダイヤフラム式の圧力計測装置は、管状配管を途中で分岐させて設けられた測定用導管に、被測定流体の圧力を検出するダイヤフラム等の受圧部を備えて、この受圧部の圧力を計測する（例えば、特許文献１）。

また、被測定流体の圧力を検出する部分を、一部の肉厚を薄くした管状部材とし、配管を途中で分岐させず、前記所定の部分の前後を流体が流れる配管で挟み込んだいわゆるパイプ式の圧力計測装置もあるが、測定圧力は１ＭＰａ程度の低圧であった（例えば、特許文献２）。

特開平７−１９９８０号公報 特開２００２−２２８５３３号公報、段落００６６

しかしながら、ダイヤフラム式の圧力計測装置では、分岐した測定用導管内に流体の澱みができて、被測定流体が滞留してしまう。このため、被測定流体の種類によっては滞留した流体が劣化・腐敗するほか、次の被測定流体と混ざってしまうことがあった。
このような事情から、ダイヤフラム式の圧力計測装置では、頻繁に配管を分解し、測定用導管内を洗浄する必要があるが、止まり穴であるため洗浄が困難であるという問題があった。

一方、パイプ式の圧力計測装置は、低圧仕様であるために、耐久性や測定精度の正確性の観点から超高圧機器には使用することができなかった。

そこで、本発明は、前記した問題点を解決すべく、耐久性を確保しながら測定精度を向上させた超高圧まで計測可能な圧力計測装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、耐腐食性合金からなり圧力流体が流通する管状部材と、この管状部材の外周部に形成され、前記外周部よりも肉厚が薄くなるように当該管状部材の軸方向に沿って平行に形成された平坦面からなる被検出部と、この被検出部における前記圧力流体による歪みを検出する歪検出ゲージと、を有し、前記歪みを電気量に変換して０〜５００ＭＰａまでの圧力を計測するのに特に適した超高圧用の圧力計測装置であって、前記管状部材は、当該管状部材の内周面と前記被検出部との間に形成される最肉薄部の距離が１．０〜１．９ｍｍとなるように形成された薄肉部を備え、前記薄肉部の歪みを検出するように前記被検出部に前記歪検出ゲージが配設されていることを特徴とする。

本発明に係る圧力計測装置は、耐腐食性合金からなる管状部材に、前記管状部材の内周面と前記被検出部との間に形成される最肉薄部の距離が１．０〜１．９ｍｍとなるように形成された薄肉部を備えたことで、超高圧の圧力流体の圧力を検出する場合において、前記被検出部における残留歪みを防止して、測定精度を確保することができる適切な歪み量を設定している。

このようにして、本発明は、０〜５００ＭＰａまでの広範囲かつ超高圧までの圧力を計測するのに特に適した歪み量を設定して、耐久性を確保しながら測定精度を向上させた超高圧まで計測可能な圧力計測装置を提供することを実現している。

ここで、耐腐食性合金とは、耐食性と強度とを兼ね備えたいわゆるステンレス合金やニッケル・クロム系の合金を意味する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の圧力計測装置であって、前記管状部材は、析出硬化系ステンレス材からなることを特徴とする。

かかる構成によれば、例えば、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス材からなる管状部材を使用することで、耐食性と強度をより安定して確保することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の圧力計測装置であって、前記管状部材は、円環形状からなり、外径が６〜２０ｍｍ、内径が２〜６ｍｍであり、肉厚が２ｍｍ以上であることを特徴とする。

かかる構成によれば、管状部材の肉厚を２ｍｍ以上とすることで、管状部材の強度を確保して、０〜５００ＭＰａまでの広範囲かつ超高圧までの圧力を計測するのに特に適した薄肉部における歪み量を設定することができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の圧力計測装置であって、前記薄肉部の前記軸方向の長さは、前記管状部材の外径サイズ以下であることを特徴とする。

かかる構成によれば、前記薄肉部の前記軸方向の長さを前記管状部材の外径サイズ以下とすることで、薄肉部の軸方向の長さにおける中央部付近の歪み量の過大な増大を回避して、残留歪みを防止しながら、測定精度を確保することができる適切な歪み量を設定することができる。

本発明は、耐久性を確保しながら測定精度を向上させた超高圧まで計測可能な圧力計測装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る圧力計測装置の構成を説明するための図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明に係る圧力計測装置の被検出部の構成を説明するための図であり、（ａ）はＡ部の部分拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は（ａ）の斜視図である。 本発明の実施形態に係る圧力計測装置の作用効果を説明するための図であり、（ａ）は圧力流体の内圧と歪み量との関係を示すグラフであり、（ｂ）は内部応力の分布図である。 薄肉部の肉厚と薄肉部に作用する最大内部応力との関係を示す表である。 薄肉部の肉厚と圧力流体の圧力変化に伴う歪み量との関係を示すグラフである。 （ａ）は薄肉部の軸方向の中央部における横断面および縦断面で切断した斜視図、（ｂ）は薄肉部における軸方向長さと歪み量との関係を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る圧力計測装置１の構成について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、これらの図において、説明の便宜上、歪検出ゲージや歪みの状態等は誇張して表現したものであり、限定的に理解されるものではない。

本発明の実施形態に係る超高圧用の圧力計測装置１は、図１（ａ）に示すように、圧力を計測する圧力流体（被測定流体）が管内を流通する管状部材２と、この管状部材２の外周部２ｂに形成された平坦面３ａからなる被検出部３と、被検出部３に形成された薄肉部４と、薄肉部４の歪みを検出する歪検出ゲージ５と、を備えている。

圧力計測装置１は、歪検出ゲージ５で検出した薄肉部４の歪みを電気量に変換して０〜５００ＭＰａまでの圧力を好適に計測することができる。
このため、例えば、超高圧（２４５ＭＰａ以上）に加圧した原料（スラリー、乳化液）を超高速（７００ｍ／ｓｅｃ）で噴射・衝突させることで、乳化・分散・表面改質処理を行うような湿式超微粒化装置に好適に適用できる。

管状部材２は、図１（ａ）に示すように、圧力流体が流通して内圧ｐが作用する内周面２ａと、被検出部３が形成される外周部２ｂと、圧力流体が流通する流通管（不図示）が連結される両端部に形成されたねじ部２ｃと、を備えている。
管状部材２は、例えば、耐腐食性合金である析出硬化系ステンレス材で構成される。析出硬化系ステンレス材としては、ＳＵＳ６３０が好適に適用でき、ＳＵＳ６３０の物理的特性を表１に示す。表１に示すように、ＳＵＳ６３０の降伏応力は、８６０ＭＰａであり、耐食性と高強度とを兼ね備えている。

管状部材２の内周面２ａには、図２（ａ）に示すように、流通する圧力流体による内圧ｐが管状部材２の径方向外側に向かって作用する。このため、管状部材２の薄肉部４には、図２（ｂ）に示すように、内圧ｐにより外側（拡径方向）に膨らむように変形が生じ、被検出部３には、被検出部３の平坦面３ａ上に周方向（図２（ｃ）参照）に沿って歪みε（歪み量Δε）が発生する。

管状部材２は、図２（ｂ）に示すように、一例として、内径がφ３．５ｍｍ、外径がφ１０ｍｍである。そして、管状部材２の外周部２ｂの肉厚は、２ｍｍ以上に設定され、本実施形態では３．２５ｍｍである。

被検出部３は、図１（ａ）に示すように、管状部材２の外周部２ｂの肉厚（３．２５ｍｍ）よりも肉厚が薄くなるように管状部材２の軸方向に沿って平行に形成された平坦面３ａ（図２（ｃ）参照）を備えている。そして、この平坦面３ａからなる被検出部３には、歪検出ゲージ５が貼着されている。

薄肉部４は、図２（ａ）に示すように、管状部材２の内周面２ａと被検出部３との間に形成される最肉薄部の距離δが１．０〜１．９ｍｍとなるように形成され、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、δ＝１．６２ｍｍに設定されている。

すなわち、薄肉部４は、管状部材２の内周面２ａと被検出部３との間に形成され、管状部材２の内周面２ａと被検出部３との間に形成される最肉薄部の距離δは、薄肉部４における管状部材２の最も薄い肉厚（径方向の厚さ）を意味する。そして、薄肉部４は、最も薄い肉厚部（最肉薄部）を中心として観念される。

また、薄肉部４の軸方向長さＬ（被検出部３の軸方向長さ）は、図２（ａ）に示すように、一例として、Ｌ＝９ｍｍであり、管状部材２の外径サイズ（φ１０、図２（ｂ））以下に設定されている。

かかる構成により、薄肉部４の軸方向長さＬを最大でも管状部材２の外径サイズ程度とすることで、薄肉部４の軸方向の長さにおける中央部付近の歪み量の過大な増大を回避して、適切な歪み量Δεを設定することができる。このようにして、残留歪みを防止しながら、測定精度の正確性を確保することができる。

歪検出ゲージ５は、図２（ｂ）に示すように、被検出部３における薄肉部４の歪みを検出できるように管状部材２の軸に直交する方向（図２（ｂ）参照）に沿って配設されている。
歪検出ゲージ５は、圧力流体による内圧ｐによる被検出部３における薄肉部４の周方向の歪みΔεを抵抗値の変化量として検出する機能を有し、半導体からなる半導体歪み検出素子や金属からなるいわゆる歪みゲージを使用することができる。
そして、例えば、歪検出ゲージ５で外部に設けられたブリッジ回路（不図示）を形成して、歪検出ゲージ５の抵抗値の変化を電気量の変化に換算して圧力流体の内圧ｐを検出する。

具体的には、歪検出ゲージ５は、歪み量によって抵抗値が変化するため、得られる電流値が変化する。このため、例えば、０〜５００ＭＰの範囲で使用する圧力計測装置１では、０〜５００ＭＰの範囲の内圧ｐの変化をアンプを介して４〜２０ｍＡの電流値として検出している。また、０〜３５０ＭＰの範囲で使用する圧力計測装置１とする場合には、０〜３５０ＭＰの範囲の内圧ｐの変化をアンプを介して４〜２０ｍＡの電流値として検出することができる。
このようにして、圧力計測装置１で計測する圧力流体の内圧ｐによる使用圧力範囲（耐圧）に応じて、最適なアンプ、および歪み検出ゲージ５を選定することで、種々の圧力範囲に適した圧力計測装置１を構成することができる。

以上のように構成された圧力計測装置１の作用について説明する。
管状部材２の内周面２ａには、流通する圧力流体による内圧ｐが管状部材２の径方向外側に向かって作用する。このため、管状部材２の薄肉部４には、図２（ｂ）に示すように、内圧ｐによる外側（拡径方向）に膨らむように変形が生じ、被検出部３には、周方向（平坦面３ａにおける径方向に沿う方向）に沿って歪みεが発生する。

このときの周方向の歪み量をΔε（μ）として、内圧ｐ（ＭＰａ）を横軸にとり、縦軸に歪み量Δεをとってグラフにすると図３（ａ）に示すように、内圧ｐ（ＭＰａ）と歪み量Δε（μ）が比例する。すなわち、圧力流体の内圧ｐが０〜５００ＭＰａまで変化するとき、歪み量Δεは０〜約３３００μまで変化する。
このようにして、圧力流体の内圧ｐ（ＭＰａ）による被検出部３における周方向の歪み量Δε（μ）を歪検出ゲージ５で検出することで、圧力流体の圧力（内圧ｐ）を計測する。

ここで、流通する圧力流体による内圧ｐが作用すると、図３（ｂ）に示すように、内圧ｐによるエネルギーの一部は、内部応力σとして管状部材２に蓄積され、この内部応力σは内圧ｐを除去すると開放されて消失する。
このとき、従来のように１ＭＰａ程度の低い圧力を計測する場合には問題にならないが、圧力流体の内圧ｐが１００〜５００ＭＰａのような超高圧を計測する場合には、内部応力σによる永久歪みが残留し、計測精度に悪影響を及ぼす一方、圧力流体による内圧ｐによる歪み量Δε（図２（ｂ））が小さすぎると良好な計測精度が得られない結果となる。
このため、圧力計測装置１では必要な計測範囲内において、適切な歪み量Δεを設定することが必要とされる。

そこで、本発明の実施形態に係る圧力計測装置１が、０〜５００ＭＰａ程度までの圧力流体の圧力を好適に計測することが可能である点について、主として図３〜５を参照しながら詳細に説明する。

有限要素法による解析を行なった結果、本発明の実施形態に係る圧力計測装置１における最大内部応力σｍａｘは、図３（ｂ）に示すように、被検出部３における薄肉部４（図２（ｂ））の上面の平坦面３ａに軸方向に沿って分布する。
そして、最大内部応力σｍａｘの数値に関与する因子としては、図３（ｂ）からも判断されるように、主として薄肉部４（図２（ｂ））の形状であり、最肉薄部の距離δ（図２（ｂ））、薄肉部４の軸方向長さＬ（図２（ａ））、および管状部材２の内径、外径のサイズであるが、内径および外径のサイズは、肉厚が２ｍｍ以上確保されていれば、最大内部応力σｍａｘに与える影響は少ないと考えられる。

そこで、管状部材２の内径をφ３．５ｍｍ、外径をφ１０ｍｍとして、最肉薄部の距離δ（図２（ｂ））についてδ１〜δ５の５種類を選定し、圧力流体の圧力を２５０ＭＰａと５００ＭＰａとした場合における最大内部応力σｍａｘを解析した結果を図４に示す。サイクル１〜３は、負荷サイクルを３回としてサイクルごとの数値を示すものである。
図４に示すように、圧力流体の圧力が２５０ＭＰａの場合には、最肉薄部の距離δ１〜δ５の５種類について、最大内部応力σｍａｘは、降伏応力である８６０ＭＰａ以内であるから、永久歪は生じない。
一方、圧力流体の圧力が５００ＭＰａの場合には、最肉薄部の距離がδ１においては永久歪みが生じる可能性があり耐久性の観点から好ましくないが、δ３〜δ５においては降伏応力である８６０ＭＰａ程度であるから、永久歪みおよび耐久性のいずれも問題がない。また、δ２は８９０ＭＰａ程度まで上昇しているが、局所的であるため永久歪みについては問題がなく、耐久性の観点から長期的な使用を除外すれば、許容範囲内であると考えられる。

また、最肉薄部の距離δ１〜δ５の５種類について、圧力流体の内圧ｐが０〜５００ＭＰａまで変化するときの周方向の歪み量Δεを図５に示す。図５は、ゼロ点を補正した３回目の負荷サイクルにおける周方向の歪み量Δεを示す。
図５に示すように、δ１＝０．８１２５では、歪み量Δεが大きすぎるため、繰り返し応力による疲労などを考慮すると信頼性に不安がある。一方、δ５＝２．４３では、歪み量Δεが小さすぎて測定精度の観点から好適ではない。

このため、０〜５００ＭＰａまでの圧力について、耐久性を確保しながら測定精度の正確性を維持するには、最肉薄部の距離δは、δ２（１．０ｍｍ）〜δ４（１．９ｍｍ）の範囲に設定するのが好適であり、δ３（１．６２ｍｍ）の近傍に設定するのが特に好適である。例えば、最肉薄部の距離δを１．６〜１．７ないし１．８程度とするのが好適である。
また、図示は省略するがδ２〜δ４の３種類について、昇圧および降圧を連続して繰り返し負荷テストを行なって検証したが、残留歪みは確認されなかった。

続いて、図６を参照しながら、被検出部３における薄肉部４の軸方向長さＬ（図２（ａ））と歪み量Δεとの関係について説明する。
図６（ｂ）は、薄肉部４の軸方向の中央部（Ｘ＝０）から横断面および縦断面で切断して、薄肉部４における軸方向長さＬ（９ｍｍ）の半分の長さについて（図６（ａ）参照）、軸方向の距離をＸ軸方向にとり、Ｚ＝０におけるＺ軸方向の歪み量ΔεとＸ軸方向の距離（０〜４．５ｍｍ）との関係を示したものである。

歪み量Δεは、図６（ｂ）に示すように、薄肉部４の端部（Ｘ＝４．５）で最小、中央部（Ｘ＝０）で最大となる。具体的には、歪み量Δεの最大値は、δ１では約４０００μ、δ３では約１５００μ、δ５では約８００μである。

このように、薄肉部４の中央部（Ｘ＝０）で内部応力が最大となるので、歪み量Δεの過大な増大を回避するためには、本実施形態のように、薄肉部４における軸方向長さＬ（９ｍｍ）を管状部材２の外径サイズ（φ１０ｍｍ、図２（ｂ））以下とすることが望ましい。
かかる構成により、薄肉部４の軸方向の長さＬにおける中央部付近の歪み量Δεの過大な増大を回避して、残留歪みを防止しながら、測定精度を確保することができる。

なお、本実施形態においては、０〜５００ＭＰａまでの圧力範囲を好適に計測するために、最肉薄部の距離δをδ３（１．６２ｍｍ）としたが、これに限定されるものではなく、例えば０〜３５０ＭＰａまでを計測するのであれば、例えば最肉薄部の距離δを１．０〜１．６ｍｍとしてもよく、特に１００〜２５０ＭＰａまでを計測するのであれば、最肉薄部の距離δを１．６とすることができ、１００〜５００ＭＰａまでを計測するのであれば、最肉薄部の距離δを１．６〜１．９ｍｍのように計測範囲に併せて適宜設定してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、前記した実施形態においては、管状部材２の内径をφ３．５ｍｍ、外径をφ１０ｍｍとしたが、これに限定されるものではなく、計測する圧力範囲等を考慮して、外径をφ６〜２０ｍｍの範囲とし、内径をφ２〜６ｍｍの範囲のように適宜変更して適用することができる。

１ 圧力計測装置
２ 管状部材
２ａ 内周面
２ｂ 外周部
３ 被検出部
３ａ 平坦面
４ 薄肉部
５ 歪検出ゲージ
ｐ 内圧
δ 最肉薄部

Claims (4)

1. 耐腐食性合金からなり圧力流体が流通する管状部材と、
   この管状部材の外周部に形成され、前記外周部よりも肉厚が薄くなるように当該管状部材の軸方向に沿って平行に形成された平坦面からなる被検出部と、
   この被検出部における前記圧力流体による歪みを検出する歪検出ゲージと、を有し、
   前記歪みを電気量に変換して０〜５００ＭＰａまでの圧力を計測するのに適した超高圧用の圧力計測装置であって、
   前記管状部材は、当該管状部材の内周面と前記被検出部との間に形成される最肉薄部の距離が１．０〜１．９ｍｍとなるように形成された薄肉部を備え、
   前記薄肉部の歪みを検出するように前記被検出部に前記歪検出ゲージが配設されていることを特徴とする圧力計測装置。
2. 前記管状部材は、析出硬化系ステンレス材からなることを特徴とする請求項１に記載の圧力計測装置。
3. 前記管状部材は、円環形状からなり、外径が６〜２０ｍｍ、内径が２〜６ｍｍであり、肉厚が２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力計測装置。
4. 前記薄肉部の前記軸方向の長さは、前記管状部材の外径サイズ以下であることを特徴とする請求項３に記載の圧力計測装置。
   

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