JP2014081269A - Pressure measuring device - Google Patents

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敦 大島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for measuring pressure of liquid.SOLUTION: A pressure measuring device for measuring pressure of liquid of a measuring object includes: a passage having passage resistance; a liquid housing chamber of a predetermined volume which communicates with one end of the passage; pressure change means for changing pressure of the liquid housing chamber; a measurement part which measures behavior of pressure in the liquid housing chamber associated with operation of the pressure change means in a state where liquid is housed in the passage and the liquid housing chamber; and an acquisition part which acquires pressure based on the behavior of pressure.

Description

本発明は、液体の圧力を測定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring the pressure of a liquid.

従来、液体の圧力を測定する技術として、例えば、下記特許文献1の技術が知られている。特許文献1には、音叉型圧電振動子のCI値(等価直列抵抗)によって圧力を計測する技術が記載されている。   Conventionally, as a technique for measuring the pressure of a liquid, for example, the technique of Patent Document 1 below is known. Patent Document 1 describes a technique for measuring pressure based on a CI value (equivalent series resistance) of a tuning fork type piezoelectric vibrator.

特開2010−85377号公報JP 2010-85377 A

しかし、特許文献1の圧力測定の技術においては、CI値が音叉型圧電振動子の物性特性に大きく依存する。そのため、圧力を正確に測定するには、音叉型振動子の形状や大きさを高精度に制御する必要や、音叉型振動子の電気特性を正確に把握し制御する必要があるなど、製造時に非常に高い精度が要求されるといった問題が指摘されていた。また、使用する際にも頻繁にキャリブレーションを行う必要があるといった問題も指摘されていた。音叉型圧電振動子は、空気中の埃等の影響によっても挙動が変動するため、構造的にも精密な構造が要求されるとともに、使用環境が制限されるといった問題も指摘されていた。これらの問題は、液体の圧力を測定する技術一般に共通する問題であった。その他、液体の圧力を測定する装置においては、小型化、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。   However, in the pressure measurement technique of Patent Document 1, the CI value greatly depends on the physical property of the tuning fork type piezoelectric vibrator. Therefore, in order to accurately measure pressure, it is necessary to control the shape and size of the tuning fork vibrator with high accuracy and to accurately grasp and control the electrical characteristics of the tuning fork vibrator during manufacturing. There has been a problem that a very high accuracy is required. In addition, it has been pointed out that there is a need for frequent calibration even when used. Since the behavior of the tuning fork type piezoelectric vibrator also fluctuates due to the influence of dust in the air, there has been a problem that a precise structure is required and the use environment is limited. These problems are common problems in general techniques for measuring the pressure of a liquid. In addition, in an apparatus for measuring the pressure of a liquid, there has been a demand for downsizing, cost reduction, resource saving, ease of manufacture, improvement in usability, and the like.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、測定対象の液体の圧力を測定する圧力測定装置が提供される。この圧力測定装置は、流路抵抗を有する流路と;前記流路の一端と連通する所定容積の液体収容室と;前記液体収容室の圧力を変更する圧力変更手段と;前記流路と前記液体収容室とに前記液体を収容した状態で、前記圧力変更手段の動作にともなう前記液体収容室内の圧力の挙動を測定する測定部と;前記圧力の挙動に基づいて、前記液体の圧力を取得する取得部と;を備える。この圧力測定装置によると、圧力変更手段による圧力の変更によって生じる液体の圧力の挙動に基づいて液体の圧力を測定するので、直接的に圧力を測定する際に必要な構造的制限を回避し、構造を簡易にすることができる。圧力の挙動とは、液体の流量、流速、移動度など、液体に関する種々のパラメーターから間接的に取得するものとしてもよい。 (1) According to one aspect of the present invention, a pressure measuring device that measures the pressure of a liquid to be measured is provided. The pressure measuring apparatus includes: a flow path having flow path resistance; a liquid storage chamber having a predetermined volume communicating with one end of the flow path; pressure changing means for changing the pressure of the liquid storage chamber; A measuring unit that measures the behavior of pressure in the liquid storage chamber in accordance with the operation of the pressure changing means in a state in which the liquid is stored in the liquid storage chamber; and obtains the pressure of the liquid based on the behavior of the pressure And an acquisition unit. According to this pressure measuring device, since the pressure of the liquid is measured based on the behavior of the pressure of the liquid generated by the pressure change by the pressure changing means, the structural limitation necessary when directly measuring the pressure is avoided, The structure can be simplified. The behavior of pressure may be obtained indirectly from various parameters relating to the liquid, such as the flow rate, flow rate, and mobility of the liquid.

(2)上記形態の圧力測定装置において、前記圧力の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体が所定の圧力になったときから、次に当該所定の圧力になるまでの期間であるものとしてもよい。この圧力測定装置によると、液体収容室の液体が所定の圧力になったときから、次に当該所定の圧力になるまでの期間を測定することによって圧力を測定するので、比較的簡易な方法によって液体の圧力を測定することができる。 (2) In the pressure measuring device according to the aspect described above, the behavior of the pressure is a period from when the liquid in the liquid storage chamber reaches a predetermined pressure due to the change in the pressure until the next predetermined pressure is reached. It is good also as what is. According to this pressure measuring device, the pressure is measured by measuring the period from when the liquid in the liquid storage chamber reaches a predetermined pressure until the next predetermined pressure is reached. The pressure of the liquid can be measured.

(3)上記形態の圧力測定装置において、前記圧力変更手段は、圧電素子を備え、前記圧電素子の歪力によって前記液体収容室の圧力を変更するものとしてもよい。この圧力測定装置によると、圧力の変化を電気的に制御することができる。 (3) In the pressure measuring device according to the above aspect, the pressure changing unit may include a piezoelectric element, and may change the pressure of the liquid storage chamber by a strain force of the piezoelectric element. According to this pressure measuring device, the change in pressure can be electrically controlled.

(4)上記形態の圧力測定装置において、前記圧電素子は、さらに、前記液体収容室の圧力変化によって歪み;前記測定部は、前記圧電素子の歪みに基づいて前記圧力の挙動を測定するものとしてもよい。この圧力測定装置によると、液体収容室の液体の圧力の変化と、圧力の挙動の測定とを、同じ圧電素子によって行うことができる。 (4) In the pressure measuring device according to the above aspect, the piezoelectric element is further distorted by a pressure change in the liquid storage chamber; the measuring unit measures the pressure behavior based on the distortion of the piezoelectric element. Also good. According to this pressure measuring device, the change in the pressure of the liquid in the liquid storage chamber and the measurement of the behavior of the pressure can be performed by the same piezoelectric element.

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。また、このような形態によれば、装置の小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等の種々の課題の少なくとも1つを解決することができる。   A plurality of constituent elements of each aspect of the present invention described above are not indispensable, and some or all of the effects described in the present specification are to be solved to solve part or all of the above-described problems. In order to achieve the above, it is possible to appropriately change, delete, replace with another new component, and partially delete the limited contents of some of the plurality of components. In order to solve part or all of the above-described problems or to achieve part or all of the effects described in this specification, technical features included in one embodiment of the present invention described above. A part or all of the technical features included in the other aspects of the present invention described above may be combined to form an independent form of the present invention. Moreover, according to such a form, it is possible to solve at least one of various problems such as downsizing of the apparatus, cost reduction, resource saving, ease of manufacture, and improvement in usability.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、圧力計、水圧計、水深計、圧力測定システム、圧力測定方法などの形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it can be realized in the form of a pressure gauge, a water pressure gauge, a water depth gauge, a pressure measurement system, a pressure measurement method, and the like.

測定システム10を説明する説明図である。1 is an explanatory diagram for explaining a measurement system 10. FIG. 駆動回路50の構成を説明するブロック図である。3 is a block diagram illustrating a configuration of a drive circuit 50. FIG. 圧力信号Vpおよび検出信号DSを例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated pressure signal Vp and detection signal DS. 負圧期間Tと容器20内の圧力との関係を示す実測結果である。It is an actual measurement result showing the relationship between the negative pressure period T and the pressure in the container 20. 変形例2としての圧力測定装置の態様を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the aspect of the pressure measuring apparatus as the modification 2.

A.第1実施形態:
(A1)システム構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての圧力測定装置30を用いた測定システム10を説明する説明図である。圧力測定装置30は、液体の圧力を測定する装置である。測定システム10は、測定対象の液体Lqが収容された容器20と、圧力測定装置30とを備える。本実施形態においては、容器20に収容されている液体Lqは水である。容器20の内部は、所定の圧力が保たれている。
A. First embodiment:
(A1) System configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a measurement system 10 using a pressure measurement device 30 as a first embodiment of the present invention. The pressure measuring device 30 is a device that measures the pressure of the liquid. The measurement system 10 includes a container 20 that stores a liquid Lq to be measured, and a pressure measurement device 30. In the present embodiment, the liquid Lq accommodated in the container 20 is water. A predetermined pressure is maintained inside the container 20.

圧力測定装置30は、筐体32と、流路34と、ダイアフラム36と、圧電素子38と、駆動回路50とを備える。筐体32は、内部にポンプ室40を有する。ポンプ室40は、筐体32の内壁とダイアフラム36とによって形成される。流路34は、容器20に接続されており、ポンプ室40と容器20とを連通している。よって、流路34およびポンプ室40には、測定対象の液体Lq(本実施形態では水)が充満している。ポンプ室40は、液体Lqを満たすために、測定前からポンプ室40内に存在する空気を抜くための蓋付きの空気抜き穴を備えるとしてもよい。本実施形態においては、容器20、および、筐体32は、非常に固い部材で構成されている。例えば、ステンレス鋼を採用することができる。   The pressure measuring device 30 includes a housing 32, a flow path 34, a diaphragm 36, a piezoelectric element 38, and a drive circuit 50. The housing 32 has a pump chamber 40 inside. The pump chamber 40 is formed by the inner wall of the housing 32 and the diaphragm 36. The flow path 34 is connected to the container 20 and communicates the pump chamber 40 and the container 20. Therefore, the flow path 34 and the pump chamber 40 are filled with the liquid Lq to be measured (water in this embodiment). The pump chamber 40 may be provided with an air vent hole with a lid for extracting air existing in the pump chamber 40 from before the measurement in order to fill the liquid Lq. In this embodiment, the container 20 and the housing | casing 32 are comprised with the very hard member. For example, stainless steel can be employed.

圧電素子38は、一端がダイアフラム36に、他端が筐体32の内壁に、それぞれ固定されている。本実施形態では、圧電素子38として、積層型の圧電素子を用いる。また、それに限ることなく、モノモルフやバイモルフの圧電素子を採用するとしてもよい。圧電素子38は、駆動回路50と接続されており、駆動回路50から印加される駆動信号(電力)によって伸張する。圧電素子38は、伸張による歪力によってダイアフラム36を押し引きし、ポンプ室40の容積を変化させることによって、間接的にポンプ室40内の水に対して、加圧および減圧を行う。ダイアフラム36および圧電素子38が、特許請求の範囲に記載の圧力変更手段に対応する。   The piezoelectric element 38 has one end fixed to the diaphragm 36 and the other end fixed to the inner wall of the housing 32. In the present embodiment, a stacked piezoelectric element is used as the piezoelectric element 38. The present invention is not limited to this, and a monomorph or bimorph piezoelectric element may be employed. The piezoelectric element 38 is connected to the drive circuit 50 and expands by a drive signal (power) applied from the drive circuit 50. The piezoelectric element 38 indirectly pressurizes and depressurizes the water in the pump chamber 40 by pushing and pulling the diaphragm 36 by the strain force due to expansion and changing the volume of the pump chamber 40. The diaphragm 36 and the piezoelectric element 38 correspond to the pressure changing means described in the claims.

駆動回路50は、圧電素子38に駆動信号を印加するとともに、ポンプ室40の内部圧力の変化を検出する。具体的には、ポンプ室40の圧力が変化すると、ダイアフラム36を介して圧電素子38に力が加わる。圧電素子38は、圧電効果によって電圧を発生する。駆動回路50は、圧電素子38が発生した電圧を検出することによりポンプ室40の内部圧力の変化を検出する。なお、本説明におけるポンプ室40の「内部圧力」とは、基準となる圧力によって規定されていない相対的な内部圧力である。後述するように、駆動回路50は、所定の条件の下で検出したポンプ室40の内部圧力の変化に基づいて、測定対象である水の絶対的な圧力を測定する。   The drive circuit 50 applies a drive signal to the piezoelectric element 38 and detects a change in the internal pressure of the pump chamber 40. Specifically, when the pressure in the pump chamber 40 changes, a force is applied to the piezoelectric element 38 via the diaphragm 36. The piezoelectric element 38 generates a voltage due to the piezoelectric effect. The drive circuit 50 detects a change in the internal pressure of the pump chamber 40 by detecting the voltage generated by the piezoelectric element 38. Note that the “internal pressure” of the pump chamber 40 in this description is a relative internal pressure that is not defined by a reference pressure. As will be described later, the drive circuit 50 measures the absolute pressure of the water to be measured based on the change in the internal pressure of the pump chamber 40 detected under a predetermined condition.

図2は、駆動回路50の構成を説明するブロック図である。駆動回路50は、駆動波形信号Vinを出力する制御部52と、駆動波形信号Vinを増幅率Gで増幅して駆動信号Voutを出力する増幅回路54と、ポンプ室40の内部圧力を検出する圧力検出部60と、検出した内部圧力を所定の閾値と比較する比較部56と、表示部70とを備える。圧力検出部60は、圧電素子38の駆動電流を検出する電流検出回路62と、検出した駆動電流を積分する積分回路64と、積分回路64の出力と駆動波形信号Vinとの差分を出力する減算回路66を備える。   FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the drive circuit 50. The drive circuit 50 includes a control unit 52 that outputs the drive waveform signal Vin, an amplification circuit 54 that amplifies the drive waveform signal Vin with an amplification factor G and outputs the drive signal Vout, and a pressure that detects the internal pressure of the pump chamber 40. The detection part 60, the comparison part 56 which compares the detected internal pressure with a predetermined threshold value, and the display part 70 are provided. The pressure detection unit 60 includes a current detection circuit 62 that detects the drive current of the piezoelectric element 38, an integration circuit 64 that integrates the detected drive current, and a subtraction that outputs a difference between the output of the integration circuit 64 and the drive waveform signal Vin. A circuit 66 is provided.

駆動回路50は、ポンプ室40の内部圧力を示す圧力信号Vpを、以下のようにして検出する。制御部52は、駆動波形信号Vinを出力する。駆動波形信号Vinは増幅回路54で増幅され、駆動信号Voutとして圧電素子38に印加される。このとき、圧電素子38には、駆動信号Voutに対応する駆動電流Ioutが流れ込む。圧電素子38の他端には、電流検出用の抵抗rが接続されている。抵抗rの他端は接地されている。電流検出回路62は、駆動電流Ioutによって生じる抵抗r端子間の電位差を、抵抗rの抵抗値で除算することによって電流信号Viに変換し、積分回路64に入力する。積分回路64は、入力された電流信号Viを積分器で積分することによって、圧電素子38に蓄えられた電荷量に対応する値である電荷信号Vqを出力する。   The drive circuit 50 detects the pressure signal Vp indicating the internal pressure of the pump chamber 40 as follows. The controller 52 outputs a drive waveform signal Vin. The drive waveform signal Vin is amplified by the amplifier circuit 54 and applied to the piezoelectric element 38 as the drive signal Vout. At this time, the drive current Iout corresponding to the drive signal Vout flows into the piezoelectric element 38. A current detection resistor r is connected to the other end of the piezoelectric element 38. The other end of the resistor r is grounded. The current detection circuit 62 converts the potential difference between the resistance r terminals caused by the drive current Iout into a current signal Vi by dividing by the resistance value of the resistance r, and inputs the current signal Vi to the integration circuit 64. The integration circuit 64 integrates the input current signal Vi with an integrator, and outputs a charge signal Vq that is a value corresponding to the amount of charge stored in the piezoelectric element 38.

圧電素子38に流れる駆動電流Iout(電流信号Vi)は圧電素子38の変位速度に比例する。よって、圧電素子38に蓄えられる電荷量(電荷信号Vq)は、圧電素子38の変位に比例している。圧電素子38が自由に伸縮可能な状態では、圧電素子38の変位は駆動信号にほぼ比例する。一方、ポンプ室40で内部圧力が変化すると、ダイアフラム36を介して圧電素子38が圧力の変化を受ける。このとき、圧電素子38は受けた圧力の変化に比例して伸縮する(変位が変わる)ため、ポンプ室40の圧力変化を受けた場合の圧電素子38の変位と、本来の圧電素子38の変位との差(圧力を受けていないときとの差)は、圧電素子38が受けた圧力(ポンプ室40の内部圧力)に比例する。   The drive current Iout (current signal Vi) flowing through the piezoelectric element 38 is proportional to the displacement speed of the piezoelectric element 38. Therefore, the amount of charge (charge signal Vq) stored in the piezoelectric element 38 is proportional to the displacement of the piezoelectric element 38. In a state where the piezoelectric element 38 can freely expand and contract, the displacement of the piezoelectric element 38 is substantially proportional to the drive signal. On the other hand, when the internal pressure changes in the pump chamber 40, the piezoelectric element 38 receives a change in pressure through the diaphragm 36. At this time, since the piezoelectric element 38 expands and contracts (changes in displacement) in proportion to the change in the received pressure, the displacement of the piezoelectric element 38 when the pressure change in the pump chamber 40 is received and the original displacement of the piezoelectric element 38. (The difference from when no pressure is received) is proportional to the pressure received by the piezoelectric element 38 (the internal pressure of the pump chamber 40).

圧力検出部60は、積分回路64の積分器で得られた電荷信号Vqを圧電素子38の等価静電容量c及び増幅回路54の増幅率Gで除算して電圧信号Vxを取得する。圧力検出部60は、圧電素子38の実変位に対応する電圧信号Vxと、駆動波形信号Vinとの差分を減算回路66で算出することによって、ポンプ室40の相対的な内部圧力に対応した圧力信号Vpを取得する。   The pressure detection unit 60 divides the charge signal Vq obtained by the integrator of the integration circuit 64 by the equivalent capacitance c of the piezoelectric element 38 and the amplification factor G of the amplification circuit 54 to obtain the voltage signal Vx. The pressure detection unit 60 calculates the difference between the voltage signal Vx corresponding to the actual displacement of the piezoelectric element 38 and the drive waveform signal Vin by the subtraction circuit 66, so that the pressure corresponding to the relative internal pressure of the pump chamber 40 is obtained. The signal Vp is acquired.

圧力検出部60は、取得した圧力信号Vpを、比較部56に入力する。比較部56は、所定の閾値と比較することにより、2値化された検出信号DSを生成して、制御部52に入力する。制御部52は、ルックアップテーブルLUTを備えている。制御部52は、入力された検出信号DSとルックアップテーブルLUTに基づいて水の圧力を取得する。そして、取得した圧力値を表示部70に、ユーザーが視認可能に表示する。なお、ルックアップテーブルLUT、および、検出信号DSに基づいて圧力を取得する方法については後述する。   The pressure detection unit 60 inputs the acquired pressure signal Vp to the comparison unit 56. The comparison unit 56 generates a binarized detection signal DS by comparing with a predetermined threshold value and inputs the detection signal DS to the control unit 52. The control unit 52 includes a lookup table LUT. The control unit 52 acquires the water pressure based on the input detection signal DS and the lookup table LUT. And the acquired pressure value is displayed on the display part 70 so that a user can visually recognize. A method for acquiring the pressure based on the lookup table LUT and the detection signal DS will be described later.

(A2)圧力振動:
図3は、駆動信号Voutを圧電素子38に印加したときに、圧力検出部60で得られた圧力信号Vp、および、比較部56で得られた検出信号DSを例示した説明図である。図3(a)は、圧電素子38に印加する駆動信号Voutを示している。図3(b)は、圧力検出部60で得られた圧力信号Vpを示している。図3(c)は、比較部56で得られた検出信号DSを示している。
(A2) Pressure vibration:
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating the pressure signal Vp obtained by the pressure detection unit 60 and the detection signal DS obtained by the comparison unit 56 when the drive signal Vout is applied to the piezoelectric element 38. FIG. 3A shows the drive signal Vout applied to the piezoelectric element 38. FIG. 3B shows the pressure signal Vp obtained by the pressure detector 60. FIG. 3C shows the detection signal DS obtained by the comparison unit 56.

図3(a)に示すように、本実施形態においては、制御部52から1パルスのVinを出力し、圧電素子38に駆動信号Voutを印加する。圧電素子38は、駆動信号Voutの電圧(駆動電圧)が上昇すると伸張し、ダイアフラム36を介してポンプ室40の液体を加圧する。その結果、図3(b)に示すように、駆動信号Voutの電圧が立ち上がるとともに、ポンプ室40の内部圧力が急激に上昇する。駆動電圧が最大電圧で保たれている間は、圧電素子38の変位は変わらない。このため、ポンプ室40の液体と容器20の液体との間に圧力差が生じ、ポンプ室40から容器20に液体が流出する(図1参照)。ポンプ室40の内部圧力は、液体が容器20に流出するに従って減少する。このとき、流路34のイナータンスによって流路34を通過する液体に慣性力が働き、ポンプ室40から容器20へ液体が流れ続けようとする。その結果、ポンプ室40の内部圧力は負圧となる。なお、イナータンスについては、後で詳しく説明する。   As shown in FIG. 3A, in the present embodiment, one pulse of Vin is output from the control unit 52, and the drive signal Vout is applied to the piezoelectric element 38. The piezoelectric element 38 expands when the voltage (drive voltage) of the drive signal Vout increases, and pressurizes the liquid in the pump chamber 40 via the diaphragm 36. As a result, as shown in FIG. 3B, the voltage of the drive signal Vout rises, and the internal pressure of the pump chamber 40 increases rapidly. While the drive voltage is maintained at the maximum voltage, the displacement of the piezoelectric element 38 does not change. For this reason, a pressure difference arises between the liquid of the pump chamber 40 and the liquid of the container 20, and a liquid flows out into the container 20 from the pump chamber 40 (refer FIG. 1). The internal pressure of the pump chamber 40 decreases as the liquid flows out into the container 20. At this time, an inertia force acts on the liquid passing through the flow path 34 due to the inertance of the flow path 34, and the liquid continues to flow from the pump chamber 40 to the container 20. As a result, the internal pressure of the pump chamber 40 becomes a negative pressure. The inertance will be described in detail later.

そして、ポンプ室40は、内部圧力が負圧になると、容器20から液体を吸入する。従って、容器20からポンプ室40へ液体が流入する。この場合も、上記説明したように流路のイナータンスに基づく慣性力によって、容器20からポンプ室40へ液体が流れ続けようとする。従って、図3(b)に示すように、ポンプ室40の内部圧力は上昇する。このように、流路34のイナータンスに起因する慣性力によって、ポンプ室40の内部圧力は振動する。図3(b)から分かるように、ポンプ室40の内部圧力の振動は所定の周期を有する。   The pump chamber 40 sucks liquid from the container 20 when the internal pressure becomes negative. Accordingly, the liquid flows from the container 20 into the pump chamber 40. Also in this case, the liquid continues to flow from the container 20 to the pump chamber 40 by the inertial force based on the inertance of the flow path as described above. Therefore, as shown in FIG. 3B, the internal pressure of the pump chamber 40 increases. Thus, the internal pressure of the pump chamber 40 is vibrated by the inertia force caused by the inertance of the flow path 34. As can be seen from FIG. 3B, the vibration of the internal pressure of the pump chamber 40 has a predetermined period.

ここで、図3(b)に示すように、圧電素子38への駆動信号Voutの印加に伴うポンプ室40の内部圧力の1回の上昇と下降とからなる圧力振動の波を第1波と呼ぶ。その後の第1波に続く圧力振動の波を、第2波、第3波、第4波・・・・と言ったように呼ぶ。図3(c)に示すように、検出信号DSは、ポンプ室40の圧力振動の波(第1波、第2波・・・等)に対応した信号となる。各圧力振動に対応した検出信号DSのパルスを、第1パルス、第2パルス・・・と言ったように呼ぶ。   Here, as shown in FIG. 3B, a wave of pressure vibration consisting of one rise and fall of the internal pressure of the pump chamber 40 accompanying application of the drive signal Vout to the piezoelectric element 38 is referred to as a first wave. Call. The waves of pressure oscillation following the first wave are called as the second wave, the third wave, the fourth wave, and so on. As shown in FIG. 3C, the detection signal DS is a signal corresponding to the pressure vibration wave (first wave, second wave, etc.) of the pump chamber 40. The pulse of the detection signal DS corresponding to each pressure vibration is called as a first pulse, a second pulse,.

図3(c)に示したように、検出信号DSの第1パルスに続いて第2パルスが検出された場合、第1パルスが発生してから第2パルスが発生するまでの期間の長さは、送液ポンプ100が液体を圧送する圧力に関する情報を有している。より具体的には、容器20内の圧力に関する情報を有している。圧力信号Vpの第2波は、流路34内をポンプ室40から容器20に向かって流れる液体が、ポンプ室40と容器20との圧力差によってポンプ室40に引き戻されることによって発生する。従って、ポンプ室40と容器20との圧力差が大きくなると、ポンプ室40が容器20内の液体Lqを引き戻す力が大きくなるので、第2波が早く発生し、結果として、検出信号DSにおける第2パルスも早く発生する。   As shown in FIG. 3C, when the second pulse is detected following the first pulse of the detection signal DS, the length of the period from when the first pulse is generated until the second pulse is generated. Has information on the pressure at which the liquid feed pump 100 pumps the liquid. More specifically, it has information regarding the pressure in the container 20. The second wave of the pressure signal Vp is generated when the liquid flowing from the pump chamber 40 toward the container 20 in the flow path 34 is pulled back to the pump chamber 40 due to the pressure difference between the pump chamber 40 and the container 20. Therefore, when the pressure difference between the pump chamber 40 and the container 20 increases, the force with which the pump chamber 40 pulls back the liquid Lq in the container 20 increases, so the second wave is generated earlier, and as a result, the second signal in the detection signal DS is increased. Two pulses occur as early as possible.

図3(b)から分かるように、第1波の発生後から第2波の発生までは、ポンプ室40内は概ね負圧となっている。また、ポンプ室40は、容器20と連通する以外に液体Lqの出入りがないので、第2波が発生するまでの期間にポンプ室40の圧力が大きく変動することはない。このため、第1波が終了してから第2波が発生するまでの期間(以下、負圧期間Tとも呼ぶ)における容器20とポンプ室40との圧力差は、容器20内の圧力が主に決定している。具体的には、容器20内の圧力が高くなるにつれて、負圧期間Tは短くなる。換言すれば、負圧期間Tが短いほど、容器20の圧力が高いと言うことができる。また、実験から、第1波が発生してから終了するまでの時間、すなわち、第1パルスのパルス幅は、ポンプ室40の圧力に依存せず、ほとんど変化しないことが確かめられた。   As can be seen from FIG. 3 (b), the pressure in the pump chamber 40 is generally negative from the first wave to the second wave. In addition, since the liquid Lq does not enter or leave the pump chamber 40 other than communicating with the container 20, the pressure in the pump chamber 40 does not fluctuate greatly during the period until the second wave is generated. Therefore, the pressure difference between the container 20 and the pump chamber 40 in the period from the end of the first wave to the generation of the second wave (hereinafter also referred to as the negative pressure period T) is mainly the pressure in the container 20. Is determined. Specifically, the negative pressure period T decreases as the pressure in the container 20 increases. In other words, it can be said that the shorter the negative pressure period T, the higher the pressure in the container 20. Further, it has been confirmed from the experiment that the time from the generation of the first wave to the end, that is, the pulse width of the first pulse does not depend on the pressure in the pump chamber 40 and hardly changes.

次に、ポンプ室40における負圧期間が容器20の圧力に依存していることを実測によって示す。具体的には、容器20内の圧力が高くなるにつれて、負圧期間は短くなることを示す。図4は、第1パルスから第2パルスまでの負圧期間Tと、容器20内の圧力との関係を示す実測結果である。図4のグラフの横軸が負圧期間T、縦軸が容器20の圧力となる。この実験においては、容器20の圧力は、別個に設けた圧力計によって測定する。図4に示すように、容器20の圧力が高くなるにつれて、負圧期間Tは短くなっていることが分かる。すなわち、負圧期間Tを検出することによって、測定対象の液体(本実施形態においては容器20)の圧力を検出することができる。   Next, it is shown by actual measurement that the negative pressure period in the pump chamber 40 depends on the pressure of the container 20. Specifically, the negative pressure period is shortened as the pressure in the container 20 increases. FIG. 4 is an actual measurement result showing a relationship between the negative pressure period T from the first pulse to the second pulse and the pressure in the container 20. The horizontal axis of the graph of FIG. 4 is the negative pressure period T, and the vertical axis is the pressure of the container 20. In this experiment, the pressure in the container 20 is measured by a pressure gauge provided separately. As shown in FIG. 4, it can be seen that the negative pressure period T decreases as the pressure in the container 20 increases. That is, by detecting the negative pressure period T, the pressure of the liquid to be measured (the container 20 in this embodiment) can be detected.

(A3)圧力測定:
圧力測定装置30は、上記説明した図4のグラフに対応するルックアップテーブルLUTを制御部52に格納している(図2参照)。すなわち、制御部52は、負圧期間Tの各値と、測定対象の圧力の実測に基づく値とを対応付けたルックアップテーブルLUTを備える。実際に測定対象の液体の圧力を測定する際には、制御部52は、圧電素子38に対して1パルスの駆動信号Voutを印加して、ポンプ室40内に圧力振動を発生させ、検出した検出信号DSから負圧期間Tを抽出する。そして、取得した負圧期間TをルックアップテーブルLUTに入力する。制御部52は、負圧期間Tに対応してルックアップテーブルLUTから出力される圧力の値を取得する。
(A3) Pressure measurement:
The pressure measuring device 30 stores a lookup table LUT corresponding to the above-described graph of FIG. 4 in the control unit 52 (see FIG. 2). That is, the control unit 52 includes a lookup table LUT that associates each value of the negative pressure period T with a value based on actual measurement of the pressure to be measured. When actually measuring the pressure of the liquid to be measured, the control unit 52 applies a one-pulse drive signal Vout to the piezoelectric element 38 to generate and detect a pressure oscillation in the pump chamber 40. A negative pressure period T is extracted from the detection signal DS. Then, the acquired negative pressure period T is input to the lookup table LUT. The control unit 52 acquires the pressure value output from the lookup table LUT corresponding to the negative pressure period T.

その後、制御部52は、取得した圧力の値を、ユーザーに視認可能に表示部70に表示する。制御部52は、水、所定の油、所定の有機溶媒など、種々の液体についてのルックアップテーブルLUTを備えるとしてもよい。各液体について、負圧期間Tと測定対象の液体の圧力との相関を実測しルックアップテーブルを生成することによって実現することが可能である。   Thereafter, the control unit 52 displays the acquired pressure value on the display unit 70 so as to be visible to the user. The control unit 52 may include a lookup table LUT for various liquids such as water, predetermined oil, and predetermined organic solvent. For each liquid, this can be realized by measuring the correlation between the negative pressure period T and the pressure of the liquid to be measured and generating a lookup table.

次に、本実施形態の説明に用いたイナータンスについて説明する。イナータンスとは、流路の特性値である。具体的には、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとするときの、流体の流れやすさを示している。例えば、断面積がSで、長さがLの流路に、密度の流体(本実施形態では液体)が満たされており、流路の一端に圧力P(両端での圧力差)が加わったものとする。流路内の流体にはP×Sの力が作用する。その結果、流路内の液体が流れ出す。流体の加速度をaとすると、下記式(1)の運動方程式が成り立つ。   Next, the inertance used in the description of this embodiment will be described. Inertance is a characteristic value of a flow path. Specifically, it shows the ease of fluid flow when the fluid in the channel is about to flow due to the pressure applied to one end of the channel. For example, a flow path having a cross-sectional area of S and a length of L is filled with a density fluid (liquid in this embodiment), and pressure P (pressure difference at both ends) is applied to one end of the flow path. Shall. A P × S force acts on the fluid in the flow path. As a result, the liquid in the flow channel flows out. If the acceleration of the fluid is a, the equation of motion of the following equation (1) is established.

Figure 2014081269
Figure 2014081269

流路を流れる体積流量をQ、流路を流れる流体の流速をvとすると、下記式(2)および式(3)が得られる。   When the volume flow rate flowing through the flow path is Q and the flow velocity of the fluid flowing through the flow path is v, the following expressions (2) and (3) are obtained.

Figure 2014081269
Figure 2014081269
Figure 2014081269
Figure 2014081269

式(2)および式(3)から下記式(4)を得ることができる。   The following equation (4) can be obtained from the equations (2) and (3).

Figure 2014081269
Figure 2014081269

式(4)は、同じ圧力Pが加わるのであれば、(ρ×L/S)が小さくなるほど、dQ/dtが大きくなる(すなわち、流速が大きく変化すること)を表している。この(ρ×L/S)がイナータンスと呼ばれる値である。以上、イナータンスについて説明した。   Equation (4) represents that, if the same pressure P is applied, dQ / dt increases (that is, the flow velocity changes greatly) as (ρ × L / S) decreases. This (ρ × L / S) is a value called inertance. The inertance has been described above.

以上説明したように、圧力測定装置30は、容器20とポンプ室40との間における圧力振動を利用して測定対象の液体の圧力を測定することができる。よって、圧力測定装置30においては、圧電素子38に駆動信号を印加してポンプ室40と容器20との間に圧力振動を発生させ、ポンプ室40の内部圧力(相対圧力)の変化を取得することができれば、測定対象の液体の圧力(絶対圧力)を測定することができる。従って、圧電素子のキャリブレーションを必要としない。また、簡易な構造によって圧力測定を行うことができる。結果として、圧力を測定する際に、外部の誇りや、温度変化など、圧力測定装置30の外部の変化に影響を受けにくい耐久性の高い構成とすることが可能である。よって、比較的劣悪な測定環境においても圧力測定が可能であるので、工業用に最適な圧力計とすることができる。例えば、液体を収容する工業用のタンクや、工業用の液体流路としての配管には、通常、温度計の挿入用の貫通孔や、ドレイン抜き用の貫通孔が設けられている。このような貫通孔に圧力測定装置30の流路34を接続することによって、タンク内や配管内の圧力を測定することが可能となる。また、本実施形態においては、1つの圧電素子38で、ポンプ室40の加圧と、ポンプ室40の内部圧力の測定を行うので、それぞれ別個の素子や装置によって行う場合と比較して、構造の簡易化、小型化、低コスト化を実現することができる。   As described above, the pressure measuring device 30 can measure the pressure of the liquid to be measured using the pressure vibration between the container 20 and the pump chamber 40. Therefore, in the pressure measurement device 30, a drive signal is applied to the piezoelectric element 38 to generate pressure vibration between the pump chamber 40 and the container 20, and a change in the internal pressure (relative pressure) of the pump chamber 40 is acquired. If possible, the pressure (absolute pressure) of the liquid to be measured can be measured. Accordingly, calibration of the piezoelectric element is not required. Moreover, pressure measurement can be performed with a simple structure. As a result, when measuring pressure, it is possible to have a highly durable configuration that is not easily affected by external changes of the pressure measuring device 30, such as external pride or temperature changes. Therefore, since pressure measurement is possible even in a relatively poor measurement environment, it is possible to provide a pressure gauge that is optimal for industrial use. For example, industrial tanks for storing liquids and piping as industrial liquid flow paths are usually provided with through holes for inserting thermometers and through holes for draining. By connecting the flow path 34 of the pressure measuring device 30 to such a through hole, it is possible to measure the pressure in the tank or the pipe. Further, in the present embodiment, the pressure of the pump chamber 40 and the measurement of the internal pressure of the pump chamber 40 are performed by one piezoelectric element 38, so that the structure is compared with the case where each is performed by separate elements and devices. Simplification, size reduction, and cost reduction can be realized.

特許請求の範囲との対応関係としては、ポンプ室40が特許請求の範囲に記載の液体収容室に対応する。ダイアフラム36および圧電素子38が、特許請求の範囲に記載の圧力変更手段に対応する。液体の圧力振動が、特許請求の範囲に記載の圧力の挙動に対応する。圧電素子38および駆動回路50が、特許請求の範囲に記載の測定部に対応する。駆動回路50(制御部52)が、特許請求の範囲に記載の取得部に対応する。   As a correspondence relationship with the claims, the pump chamber 40 corresponds to the liquid storage chamber described in the claims. The diaphragm 36 and the piezoelectric element 38 correspond to the pressure changing means described in the claims. The pressure oscillation of the liquid corresponds to the pressure behavior described in the claims. The piezoelectric element 38 and the drive circuit 50 correspond to the measurement unit described in the claims. The drive circuit 50 (control unit 52) corresponds to the acquisition unit described in the claims.

B.変形例:
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
(B1)変形例1:
上記実施形態においては、容器20内に収容された水の圧力を測定するとしたが、測定対象の液体は密閉された容器に収容されている場合に限らず、配管や、開放された容器に収容されているとしてもよい。このような場合にでも、圧力測定装置30は、液体の圧力を測定することが可能である。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(B1) Modification 1:
In the above embodiment, the pressure of the water stored in the container 20 is measured, but the liquid to be measured is not limited to being stored in a sealed container, but is stored in a pipe or an open container. It may be. Even in such a case, the pressure measuring device 30 can measure the pressure of the liquid.

(B2)変形例2:
圧力測定装置30の態様は、図1に示した態様に限らず、種々の態様を採用することができる。図5は、変形例2としての圧力測定装置の態様を示す説明図である。図示するように流路34の先端が鋭利な形状をしており、容器20に突き刺して使用する態様となっている。測定対象の液体Lqが収容されている容器20には、流路34を突き刺して容器20の内部と連通させるため挿入部22が設けられている。挿入部22は、肉厚のゴム部材からなる。流路34を抜いた後に形成された挿入部22の穴は、ゴム部材の弾性力により塞がれる。
(B2) Modification 2:
The aspect of the pressure measuring device 30 is not limited to the aspect shown in FIG. 1, and various aspects can be adopted. FIG. 5 is an explanatory view showing an aspect of a pressure measuring device as a second modification. As shown in the drawing, the tip of the flow path 34 has a sharp shape, and the container 20 is pierced and used. In the container 20 in which the liquid Lq to be measured is accommodated, an insertion portion 22 is provided to pierce the flow path 34 and communicate with the inside of the container 20. The insertion portion 22 is made of a thick rubber member. The hole of the insertion portion 22 formed after the flow path 34 is pulled out is closed by the elastic force of the rubber member.

図示するように、圧力測定装置30は、表示部70と、測定の開始のためのスタートボタンや、測定値の記録を指示するための操作ボタンなど、種々の操作ボタン72を有する。表示部70には、測定された圧力の値がユーザーに視認可能に表示される。圧力測定装置30をこのような態様とすることで、ユーザーは簡易に容器20に収容されている液体Lqの圧力を測定することができる。   As shown in the figure, the pressure measuring device 30 includes a display unit 70 and various operation buttons 72 such as a start button for starting measurement and an operation button for instructing recording of a measurement value. The display unit 70 displays the measured pressure value so as to be visible to the user. By setting the pressure measuring device 30 to such an aspect, the user can easily measure the pressure of the liquid Lq contained in the container 20.

(B3)変形例3:
上記実施形態においては、圧電素子38が、圧力振動を生じさせるとともに、ポンプ室40の内部圧力(相対圧力)を測定したが、それぞれ、別個の圧電素子を用いてもよい。つまり、圧力測定装置30は、圧力差発生部としての圧電素子と、測定部としての圧電素子とを、各々、別個に備えるとしてもよい。また、上記実施形態においては、圧力差発生部として圧電素子を採用したが、圧電素子に換えて磁歪素子など、ポンプ室40と容器20との間に圧力差を生じさせることが可能な素子や装置を用いるとしてもよい。磁歪素子は歪みによる変位が大きいので、より大きい圧力振動を生じさせることができる。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
(B3) Modification 3:
In the above embodiment, the piezoelectric element 38 causes pressure vibration and the internal pressure (relative pressure) of the pump chamber 40 is measured. However, separate piezoelectric elements may be used. That is, the pressure measuring device 30 may separately include a piezoelectric element as a pressure difference generation unit and a piezoelectric element as a measurement unit. In the above embodiment, the piezoelectric element is employed as the pressure difference generating unit. However, an element capable of generating a pressure difference between the pump chamber 40 and the container 20, such as a magnetostrictive element instead of the piezoelectric element, An apparatus may be used. Since the magnetostrictive element has a large displacement due to the strain, it is possible to generate a larger pressure vibration. Even if it does in this way, the effect similar to the said embodiment can be acquired.

(B4)変形例4:
上記実施形態においては、ルックアップテーブルLUTを用いて負圧期間Tから液体の圧力を取得するとしたが、他の方法によって、圧力を取得するとしてもよい。例えば、図4のグラフに示す負圧期間Tと圧力との相関を示す所定の関数を用いるとしてもよい。制御部52が、負圧期間Tを所定の関数に代入して液体の圧力を算出することにより実現することができる。
(B4) Modification 4:
In the above embodiment, the liquid pressure is acquired from the negative pressure period T using the lookup table LUT. However, the pressure may be acquired by other methods. For example, a predetermined function indicating the correlation between the negative pressure period T and the pressure shown in the graph of FIG. 4 may be used. This can be realized by the controller 52 calculating the liquid pressure by substituting the negative pressure period T into a predetermined function.

(B5)変形例5:
上記実施形態においては、液体として水を採用したが、それに限ることなく、所定の油(例えば、シリコンオイル)や、所定の有機溶媒(例えば、アルコール)など、種々の液体を採用することができる。この場合、制御部52が、水に加え、所定の油、所定の有機溶媒など、種々の液体についてのルックアップテーブルLUTを備えることで実現可能である。
(B5) Modification 5:
In the above embodiment, water is used as the liquid. However, the present invention is not limited to this, and various liquids such as a predetermined oil (for example, silicon oil) and a predetermined organic solvent (for example, alcohol) can be used. . In this case, the control unit 52 can be realized by providing a lookup table LUT for various liquids such as a predetermined oil and a predetermined organic solvent in addition to water.

(B6)変形例6:
上記実施形態においては、圧力変更手段として、圧電素子38およびダイアフラム36を採用したが、それに限らず、ポンプ室40の圧力を変更させることができる種々の構成を採用することができる。例えば、ポンプ室40に外部から液体を注入することによって、ポンプ室40の圧力を変更するとしてもよい。そのほか、ポンプ室40内にレーザー射出部を備え、ポンプ室40内の水にレーザーを照射することによって気泡を発生させ、この気泡によって圧力を変更するとしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
(B6) Modification 6:
In the above embodiment, the piezoelectric element 38 and the diaphragm 36 are employed as the pressure changing means. However, the present invention is not limited to this, and various configurations that can change the pressure of the pump chamber 40 can be employed. For example, the pressure in the pump chamber 40 may be changed by injecting liquid into the pump chamber 40 from the outside. In addition, a laser emitting unit may be provided in the pump chamber 40, and bubbles may be generated by irradiating the water in the pump chamber 40 with a laser, and the pressure may be changed by the bubbles. Even if it does in this way, the effect similar to the said embodiment can be acquired.

10…測定システム
20…容器
22…挿入部
30…圧力測定装置
32…筐体
34…流路
36…ダイアフラム
38…圧電素子
40…ポンプ室
50…駆動回路
52…制御部
54…増幅回路
56…比較部
60…圧力検出部
62…電流検出回路
64…積分回路
66…減算回路
70…表示部
72…操作ボタン
100…送液ポンプ
Lq…液体
LUT…ルックアップテーブル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Measurement system 20 ... Container 22 ... Insertion part 30 ... Pressure measuring device 32 ... Case 34 ... Flow path 36 ... Diaphragm 38 ... Piezoelectric element 40 ... Pump chamber 50 ... Drive circuit 52 ... Control part 54 ... Amplification circuit 56 ... Comparison Reference numeral 60: Pressure detection unit 62: Current detection circuit 64: Integration circuit 66 ... Subtraction circuit 70 ... Display unit 72 ... Operation button 100 ... Liquid feed pump Lq ... Liquid LUT ... Look-up table

Claims (4)

測定対象の液体の圧力を測定する圧力測定装置であって、
流路抵抗を有する流路と、
前記流路の一端と連通する所定容積の液体収容室と、
前記液体収容室の圧力を変更する圧力変更手段と、
前記流路と前記液体収容室とに前記液体を収容した状態で、前記圧力変更手段の動作にともなう前記液体収容室内の圧力の挙動を測定する測定部と、
前記圧力の挙動に基づいて、前記液体の圧力を取得する取得部と
を備える圧力測定装置。
A pressure measuring device for measuring the pressure of a liquid to be measured,
A channel having channel resistance;
A liquid storage chamber having a predetermined volume communicating with one end of the flow path;
Pressure changing means for changing the pressure of the liquid storage chamber;
A measurement unit that measures the behavior of pressure in the liquid storage chamber in accordance with the operation of the pressure changing unit in a state where the liquid is stored in the flow path and the liquid storage chamber;
An acquisition unit that acquires the pressure of the liquid based on the behavior of the pressure.
請求項1記載の圧力測定装置であって、
前記圧力の挙動は、前記圧力の変更によって、前記液体収容室の液体が所定の圧力になったときから、次に当該所定の圧力になるまでの期間である
圧力測定装置。
The pressure measuring device according to claim 1,
The pressure behavior is a period from when the liquid in the liquid storage chamber reaches a predetermined pressure due to the change in the pressure until the next predetermined pressure is reached.
請求項1または請求項2記載の圧力測定装置であって、
前記圧力変更手段は、圧電素子を備え、前記圧電素子の歪力によって前記液体収容室の圧力を変更する
圧力測定装置。
The pressure measuring device according to claim 1 or 2,
The pressure measuring device includes a piezoelectric element, and changes the pressure of the liquid storage chamber by a distortion force of the piezoelectric element.
請求項3記載の圧力測定装置であって、
前記圧電素子は、さらに、前記液体収容室の圧力変化によって歪み、
前記測定部は、前記圧電素子の歪みに基づいて前記圧力の挙動を測定する
圧力測定装置。
The pressure measuring device according to claim 3,
The piezoelectric element is further distorted by a pressure change in the liquid storage chamber,
The said measurement part measures the behavior of the said pressure based on distortion of the said piezoelectric element Pressure measuring apparatus.
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