JP2014215045A

JP2014215045A - 圧力計測装置

Info

Publication number: JP2014215045A
Application number: JP2013089570A
Authority: JP
Inventors: 文夫宇津江; Fumio Utsue; 勝宇津江; Masaru Utsue
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】歪みゲージを用いた圧力計測装置において、管路の歪みゲージを配設した肉厚を薄くした箇所の破損や塑性変形に伴うヒステリシスの問題がない圧力計測装置を提供すること。
【解決手段】管路Ｔを構成する計測用管２に薄肉部２０を形成し、この薄肉部２０の外表面に圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３を配設するとともに、計測用管２の外周に保護管３を配設し、計測用管２と保護管３との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴム４を充填する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力計測装置に関し、特に、管路内を流れる流体の圧力を計測する圧力計測装置の改良に関するものである。

従来、管路内を流れる流体の圧力を計測する圧力計測装置としては、流体と接する薄膜状の受圧部の背後に受圧流体を封入し、この受圧流体が受ける圧力を圧力計で検出するものが一般的に汎用されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、受圧流体を用いるため、万一、管路内を流れる流体と接する薄膜状の受圧部が破損した場合、受圧流体が管路内に漏出し、流体を含む管路を汚染するという問題があった。

かかる問題に対処するため、管路そのものを感圧部とし、その表面に歪みゲージを配設し、管路内を流れる流体の圧力の変化によって生じる管路の歪みを歪みゲージによって計測することで、管路内を流れる流体の圧力を計測するようにした圧力計測装置が提案されている（例えば、特許文献２〜３参照）。

ところで、この圧力計測装置は、歪みゲージによって、内圧変化に伴った管路の歪みを計測するものであるが、管路を流れる流体の圧力が低圧の場合には、管路の歪み量が小さく、歪みゲージによって正確に計測することができず、また、十分な歪み量を得るために管路の歪みゲージを配設する部分の肉厚を薄くする必要があるが、肉厚を薄くした場合、肉厚を薄くした箇所が破損しやすく、また、塑性変形に伴うヒステリシスの問題があった。

特開平１０−１５３５０５号公報特開平１０−１３２６７６号公報特開２００５−１４８００２号公報

本発明は、上記従来の圧力計測装置の有する問題点に鑑み、歪みゲージを用いた圧力計測装置において、管路の歪みゲージを配設した肉厚を薄くした箇所の破損や塑性変形に伴うヒステリシスの問題がない圧力計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の圧力計測装置は、管路内を流れる流体の圧力を計測するインライン型の圧力計測装置において、管路を構成する計測用管に薄肉部を形成し、該薄肉部の外表面に圧力計測用の歪みゲージを配設するとともに、計測用管の外周に保護管を配設し、計測用管と保護管との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴムを充填してなることを特徴とする。

この場合において、前記薄肉部の円周方向の少なくとも１箇所に他の箇所よりも曲率の小さい箇所を形成し、該曲率の小さい箇所に圧力計測用の歪みゲージを配設するようにすることができる。

本発明の圧力計測装置によれば、管路を構成する計測用管に薄肉部を形成し、該薄肉部の外表面に圧力計測用の歪みゲージを配設するとともに、計測用管の外周に保護管を配設し、計測用管と保護管との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴムを充填してなることにより、圧力計測用の歪みゲージを配設した計測用管の薄肉部の破損や塑性変形に伴うヒステリシスを防止することができる。

また、前記薄肉部の円周方向の少なくとも１箇所に他の箇所よりも曲率の小さい箇所を形成し、該曲率の小さい箇所に圧力計測用の歪みゲージを配設するようにすることにより、管路内の流体の圧力変化によって生じる歪み量がより大きくなる箇所の歪みを計測することで、精度よく歪み量の計測を行って、流体の圧力を測定することができる。

本発明の圧力計測装置の一実施例を示す正面断面図である。同圧力計測装置の計測用管を示し、（ａ）は計測用管素材の断面平面図を、（ｂ）は計測用管素材を金型に嵌着し、押圧用金型によって押圧・挟持して他の箇所よりも曲率の小さい箇所を形成している状態の断面平面図、（ｃ）は同断面側面図、（ｄ）は圧力計測用の歪みゲージの配設箇所を示す側面図、（ｅ）は歪みゲージ及び温度補償歪みゲージを配設した状態の斜視図である。

以下、本発明の圧力計測装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の圧力計測装置の一実施例を示す。
この圧力計測装置１は、管路Ｔ内を流れる流体の圧力を計測するインライン型の圧力計測装置であって、管路Ｔを構成する計測用管２に薄肉部２０を形成し、この薄肉部２０の外表面に圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３を配設するとともに、計測用管２の外周に保護管３を配設し、計測用管２と保護管３との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴム４を充填するようにしたものである。

そして、本実施例においては、計測用管２に形成した薄肉部２０の円周方向の少なくとも１箇所に他の箇所よりも曲率の小さい箇所２０ａを形成し、この曲率の小さい箇所２０ａに圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３を配設するようにしている。

ここで、この曲率の小さい箇所２０ａは、曲率の小さい曲面のほか、平坦面も含み、これを排除するものではない。

また、計測用管２の外周側に、計測用管２の両軸方向端部２１の外周面が接合される内周面を備えた計測用管２の肉厚ｔ１よりも大きな肉厚ｔ２を有する保護管３を設け、両端部を電子ビーム溶接等によって溶接接合するようにしている。
これにより、ＲＴＶシリコンゴム４を充填する空間部を形成することに加えて、計測用管２を外部からの衝撃、管路Ｔから伝わる負荷等から保護することができる。

圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３（後述の温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４も同様。）には、半導体歪みゲージを好適に用いることができる。
そして、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３は、曲率の小さい箇所２０ａに接着固定（バルク方式）して配設するようにしている。
なお、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３（後述の温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４も同様。）は、直接スパッタリング等の成膜技術を用いて形成、配設するようにすることもできる。

次に、計測用管２の製造方法について説明する。
計測用管２の材質は、医薬・バイオ・サニタリー・食品関係に使用しても容易に腐食することのない耐食性を有し、靭性に富んだ材料を用いることが好ましく、本実施例においては、ＳＵＳ６３０Ｈ１１５０処理材を用い、例えば、丸棒から削り出しによって薄肉部２０を形成した円筒状の計測用管素材２Ａを製造するようにしている。
なお、計測用管２には、ＳＵＳ３１６ＬからなるＢＡ管を用いることもでき、これにより、削り出し及び内面の仕上げ加工を簡略化することができる。
この計測用管素材２Ａの形状は、計測対象となる設備の配管によって異なるものであるが、本実施例においては、図２（ａ）に示すように、内径１４ｍｍ、厚み１００〜５００μｍ、長さ８０ｍｍ、保護管３の内周面と溶接される両軸方向端部２１の外径１７ｍｍとなるように形成する。
このように、計測用管素材２Ａの薄肉部２０の厚みを１００〜５００μｍとすることにより、流体が流れる管路Ｔとして十分な強度を確保するとともに、流体の圧力変化によって、必要な歪みを発生させることができる。

そして、一端が計測用管素材２Ａの内径より大径となる挟持部分Ｈ１と、かかる挟持部分Ｈ１と段差をもって形成した、計測用管素材２Ａの内径より若干小径で計測用管素材２Ａの端部が嵌入可能な取付部分Ｄ１と、取付部分Ｄ１から延設され、計測用管素材２Ａの内径よりも小径な押圧受け部分Ｕとからなる金型Ｋに、計測用管素材２Ａを嵌入し、他端から計測用管素材２Ａの内径より若干小径で計測用管素材２Ａの端部が嵌入可能な取付部分Ｄ２と、金型Ｋに取り付けた計測用管素材２Ａを金型Ｋの挟持部分Ｈ１との間で挟持して固定する挟持部分Ｈ２を有する固定金具Ｃとによって、挟持し固定する。
金型Ｋの押圧受け部分Ｕの外径は、計測用管素材２Ａの内径よりも小径であれば、特に限定されるものではないが、本実施例においては、計測用管素材２Ａの内径１４ｍｍに対して１２ｍｍとなるようにしている。

次に、金型Ｋに取り付けた計測用管素材２Ａの円周方向の少なくとも１箇所に他の箇所よりも曲率の小さい箇所２０ａを成形する。
本実施例においては、図２（ｂ）に示すように、対となる押圧用金型Ｐによって、金型Ｋに取り付けた計測用管素材２Ａの中央部分を挟み込むようにして計測用管素材２Ａを変形させることで、曲率の小さい箇所２０ａを対となるように２箇所に形成する。
計測用管素材２Ａの材質によって異なるものの、計測用管素材２Ａの表面は、押圧されることによって平坦面となって保持される場合と素材の性質（スプリングバック）によって極僅かな曲率を有する場合とがあるが、いずれの場合においても、他の箇所の曲率よりも小さく、歪みゲージによって計測される値が大きく表示される。

この曲率の小さい箇所２０ａの形成箇所は、特に限定されるものではないが、本実施例においては、計測用管素材２Ａの中央部、より具体的には、長さ８０ｍｍの計測用管素材２Ａにおいては、両端から軸方向に約１５ｍｍずつの距離をあけて中央部に軸方向の長さが約５０ｍｍの長さとなるようにしている。
また、曲率の小さい箇所２０ａの周方向の長さは、金型Ｋの押圧受け部分Ｕの外径、計測用管素材２Ａの内径及びその厚みによって必然的に決定される長さで、本実施例のように、押圧受け部分Ｕの外径１２ｍｍ、計測用管素材２Ａの内径１４ｍｍ、厚み１００〜５００μｍの場合には約１５ｍｍとなる。
押圧用金型Ｐは、上述した曲率の小さい箇所２０ａの軸方向及び周方向の長さを形成することができる押圧面を有するものであればよく、本実施例においては、接触面の端部をＲ面取りした軸方向長さが４０ｍｍ、周方向の長さを形成するための幅（７．２ｍｍ以上の幅であればよい）が２０ｍｍ、厚み１０ｍｍとなるようにしている。

このようにして製造された計測用管２は、その円周方向の中心部に、図２（ｂ）〜（ｃ）に示すように、薄肉部２０の対向する２箇所に他の箇所よりも曲率の小さい箇所２０ａが形成され、この曲率の小さい箇所２０ａ（図２（ｄ）の変形したＳ１の位置（Ｓ２は非変形））に圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３を配設するとともに、この歪みゲージＧ１、Ｇ３の配設箇所と異なる箇所に、温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４を配設するようにしている。
温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４を配設することによって、管路を流れる流体の温度が変動し、計測用管２に熱による歪みが生じても、温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４によって温度補償を行うことで圧力変化によって生じた歪み量を正確に計測することができる。
また、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３の配設箇所を計測用管２の長手方向の略中央（図２（ｅ）に示す、範囲Ａ）とすることで、管路Ｔの一部を構成する計測用管２の範囲で、最も大きな歪みが生じる箇所の歪みを、誤差の影響が少ない大きな値として計測することができる。

温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４の配設箇所は、本実施例においては、図２（ｅ）に示すように保護管３の内周面に接合される両軸方向端部２１の近傍より１５ｍｍ（図２（ｅ）に示す、範囲Ｂ）とし、この両軸方向端部２１は外径１７ｍｍ（肉厚１５００μｍ）となるように形成する。
この位置にある温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４は、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３よりも内圧変化によって生じる歪みの影響を受けにくく、しかも、温度の影響は、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３と同じように受けるため、温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４を４ゲージ（２アクティブ・２ダミー）法に従い温度補正に用いることによって、圧力変化によって生じた歪み量を圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３により正確に計測することができる。

また、温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４を配設することなく、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３に温度補正回路を集積した半導体歪みゲージを使用することもできる。

圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３の歪みによる抵抗の変化は極めて小さいため、本実施例においては、周知のホイーストンブリッジ回路を利用し、抵抗の変化の値を電圧に変換して測定するようにしている。この際、求められる出力電圧は、抵抗変化分に比例して、つまり、歪みに比例した出力電圧（微少電圧）が得られることとなり、この微少電圧を増幅器で拡大するようにし、歪みを測定するようにしている。

このようにして製造した圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３及び温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４を配設した計測用管２の外周に保護管３を設け、両端部を電子ビーム溶接等によって接合した後、計測用管２と保護管３との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴム４を、例えば、真空置換等により、空洞のない均一な状態に充填して仕上げるようにする。

ＲＴＶシリコンゴム４には、１液付加反応型加熱硬化タイプのもの（例えば、信越化学工業社製）を好適に用いることができる。

以下、本発明の圧力計測装置のより具体的な実施例を示すとともに、この圧力計測装置１を用いた試験結果を表１に示す。
・材質：ＳＵＳ６３０Ｈ１１５０処理材
・薄肉部２０の肉厚ｔ１：０．１５ｍｍ
・曲率の小さい箇所２０ａを薄肉部２０の内径１４ｍｍを外径１２ｍｍの押圧受け部分Ｕに合わせて成形
・ＲＴＶシリコンゴム：信越化学工業社製の１液付加反応型加熱硬化タイプＫＥ−１８２５

この圧力計測装置１によれば、以下の利点が期待できる。
１．計測用管２と保護管３との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴム４を充填してなることにより、圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３を配設した計測用管２の薄肉部２０の破損や塑性変形に伴うヒステリシスを防止することができる（表１から塑性変形に伴うヒステリシスを防止できることを確認できた。）。
２．計測用管２の薄肉部２０の曲率の小さい箇所２０ａに圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３を配設するようにすることにより、管路内の流体の圧力変化によって生じる歪み量がより大きくなる箇所の歪みを計測することで、精度よく歪み量の計測を行って、流体の圧力を測定することができる。
３．圧力計測装置１の使用可能な温度範囲が−５０℃〜２５０℃と広い。
４．配設した圧力計測用の歪みゲージＧ１、Ｇ３及び温度補償歪みゲージＧ２、Ｇ４が充填されたＲＴＶシリコンゴム４によって保護され（接着力の増大、防湿性及び絶縁性の付与）、耐久性を向上することができる。

以上、本発明の圧力計測装置について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の圧力計測装置は、歪みゲージを用いた圧力計測装置において、管路の歪みゲージを配設した肉厚を薄くした箇所の破損や塑性変形に伴うヒステリシスの問題を生じないことから、管路内を流れる流体と接する薄膜状の受圧部が破損した場合、受圧流体が管路内に漏出し、流体を含む管路を汚染するという問題が危惧される圧力計測装置の用途に好適に用いることができる。

１圧力計測装置
２計測用管
２０薄肉部
２０ａ曲率の小さい箇所
３保護管
４ＲＴＶシリコンゴム
Ｇ１、Ｇ３圧力計測用の歪みゲージ
Ｇ２、Ｇ４温度補償歪みゲージ
Ｔ管路
ｔ１肉厚
ｔ２肉厚

Claims

管路内を流れる流体の圧力を計測するインライン型の圧力計測装置において、管路を構成する計測用管に薄肉部を形成し、該薄肉部の外表面に圧力計測用の歪みゲージを配設するとともに、計測用管の外周に保護管を配設し、計測用管と保護管との間に形成された空間部にＲＴＶシリコンゴムを充填してなることを特徴とする圧力計測装置。
前記薄肉部の円周方向の少なくとも１箇所に他の箇所よりも曲率の小さい箇所を形成し、該曲率の小さい箇所に圧力計測用の歪みゲージを配設してなることを特徴とする請求項１記載の圧力計測装置。