JP2019168323A

JP2019168323A - 圧力計測装置

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Publication number: JP2019168323A
Application number: JP2018056023A
Authority: JP
Inventors: 正裕岩永; Masahiro Iwanaga
Original assignee: Ikutoku Gakuen School Corp
Current assignee: Ikutoku Gakuen School Corp
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-10-03
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: JP6948067B2

Abstract

【課題】微小な気体圧力を精度よく計測することができる圧力計測装置を提供する。【解決手段】風袋引き機能を備え、０．０１グラム以下の計量精度を有する電子天秤１０と、電子天秤の計量皿１２に載置される円筒状の開放容器２０と、圧力導入管６０が接続される円筒状の密閉容器６０と、開放容器に貯留される液体と密閉容器に貯留される液体を接続するためのサイフォン管４０であって、第１の円筒管４２と、第２の円筒管と、第１の円筒管の上端と第２の円筒管４４の上端を連通する連通管４６からなる、サイフォン管４０とを含み、電子天秤の計量値が圧力導入管から導入される気体のゲージ圧力に一致するように、開放容器の内径、密閉容器の内径、第１の円筒管の外径および第２の円筒管の外径の寸法が設計されている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力計測装置に関し、より詳細には、微小な気体圧力を計測するのに適した圧力計測装置に関する。

従来、微小な気体圧力（例えば、風速における動圧）を精度よく計測する装置として、ノギスの原理を用いたゲッチンゲンマノメータが広く用いられている。

しかしながら、ゲッチンゲンマノメータの計測精度は、ノギスの分解能（０．１ｍｍ）に依存するため、０．１ｍｍＡｑ(≒１Ｐａ)より小さな微小圧力を精度よく測定することができないという問題があった。

一方、近年になって、高精度を謳ったデジタル圧量計が広く販売されるようになったが（例えば、特許文献１）、精度において信頼性に欠けるものが多いのが現状である。

特許３２４０７３２号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、微小な気体圧力を精度よく計測することができる圧力計測装置を提供することを目的とする。

本発明者は、微小な気体圧力を精度よく計測することができる圧力計測装置につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、風袋引き機能を備え、０．０１グラム以下の計量精度を有する電子天秤と、前記電子天秤の計量皿に載置される円筒状の開放容器と、圧力導入管が接続される円筒状の密閉容器と、前記開放容器に貯留される液体と前記密閉容器に貯留される液体を接続するためのサイフォン管であって、第１の円筒管と、第２の円筒管と、該第１の円筒管の上端と該第２の円筒管の上端を連通する連通管からなる、サイフォン管とを含み、前記電子天秤の計量値が前記圧力導入管から導入される気体のゲージ圧力に一致するように、前記開放容器の内径、前記密閉容器の内径、前記第１の円筒管の外径および前記第２の円筒管の外径の寸法が設計されていることを特徴とする圧力計測装置が提供される。

上述したように、本発明によれば、微小な気体圧力を精度よく計測することができる圧力計測装置が提供される。

第１実施形態の圧力計測装置を示す図。第１実施形態の圧力計測装置を使用方法を説明するための概念図。第１実施形態の圧力計測装置を使用方法を説明するための概念図。第１実施形態の圧力計測装置の設計仕様を説明するための概念図。第２実施形態の圧力計測装置を示す図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である圧力計測装置１００を示す模式図である。本実施形態の圧力計測装置１００は、微小な気体圧力を計測するのに適した装置であり、図１に示すように、電子天秤１０と、円筒状の開放容器２０と、円筒状の密閉容器３０と、開放容器２０に貯留される液体と密閉容器３０に貯留される液体を接続するためのサイフォン管４０とを含んで構成されている。

電子天秤１０は、０．０１グラム以下の計量精度を有する計量機器であり、その最小表示単位は０．０１グラム以下である。すなわち、電子天秤１０の測定分解能は、０．０１グラムか、それよりも小さい値である。加えて、電子天秤１０は、風袋引き機能を備えており、ボタン１４を押下すると、デジタル表示器１６に表示される計量値がゼロにリセットされるようになっている。

開放容器２０は、電子天秤１０の計量皿１２の上に載置されている。

密閉容器３０は、台５０の上に載置されており、密閉容器３０の上面には、微小な気体圧力を密閉容器３０に導入するための圧力導入管６０が蓋３２を貫通する形で接続されている。なお、図１は、圧力計測装置１００を使用して風速を計測する場合の構成を例示しており、ここでは、圧力導入管６０とピトー管７０が２つの三方バルブ６２,６４を介して接続されている。

サイフォン管４０は、円筒管４２と、円筒管４４と、円筒管４２の上端と円筒管４４の上端を連通する連通管４６からなる。サイフォン管４０は、円筒管４２の下端が開放容器２０の内部底面に非接触で近接し、円筒管４４の下端が密閉容器３０の内部底面に非接触で近接するように、円筒管４４が密閉容器３０の上面の蓋３２に貫通する形で固定されている。また、サイフォン管４０を構成する管のうち、少なくとも連通管４６は、透明材料で形成されており、且つ、その管内の気泡が浮力によって密閉容器３０の方へ移動するように水平方向に対して傾いている。

なお、上述した開放容器２０、密閉容器３０、円筒管４２および円筒管４４は、いずれも、変形しづらく、且つ、熱膨張率の小さい同一材料で形成されていることが望ましい。また、連通管４６は、変形しづらい透明材料であればよい。

ここで、本実施形態の圧力計測装置１００では、電子天秤１０に表示される計量値（グラム単位）が計測空気のゲージ圧力（水柱ミリメートル単位）に一致するように工夫されており、換言すれば、電子天秤１０の計量値がゲージ圧力に一致するように、上述した開放容器２０、密閉容器３０、円筒管４２および円筒管４４の寸法が設計されている（詳細については後述する）。これにより、ユーザは、電子天秤１０に表示される計量値を、そのまま、ゲージ圧力（ｍｍＡｑ）として読み取ることができる。

以上、本実施形態の圧力計測装置１００の構成を説明してきたが、続いて、圧力計測装置１００を使用して微小圧力を計測する方法を説明する。なお、以下では、本実施形態の圧力計測装置１００とピトー管７０を用いて風速を計測するケースを例にとり、図２および図３に基づいて説明を行う。

まず最初に、圧力導入管６０に接続される三方バルブ６２と、ピトー管７０に接続される三方バルブ６４を、図２（ａ）に示す態様で開閉する。ここで、図２において、○はバルブの開放を表し、×はバルブの閉止を表す（図３において同様）。

続いて、開放容器２０に対して任意の液体を注入する。この時点で、電子天秤１０には、開放容器２０の重量と注入された液体の重量の合算値が表示される。なお、開放容器２０に注入する液体は、粘度の小さい液体であればよく、水、アルコール、灯油といった任意の液体を使用することができる。また、水を使用する場合は、表面張力を下げるために界面活性剤を加えてもよい。

続いて、図２（ｂ）に示すように、大気開放された三方バルブ６２から空気を強く吸引して密閉容器３０内を減圧状態にする。これにより、開放容器２０に貯留された液体の一部がサイフォン管４０を通って密閉容器３０の方に移動しはじめる。

このとき、ユーザは、サイフォン管４０の管内に気泡が残っていないことを確認する。この点、本実施形態では、連通管４６が透明材料で形成されており、サイフォン管４０の管内に発生した気泡は、その浮力により、連通管４６の管内を密閉容器３０の方へ移動するようになっているので、ユーザは、管内を移動する気泡を目視で確認することができる。

その後、サイフォン管４０の管内が液体で満たされた状態になると、サイフォンの原理により、図２（ｃ）に示すように、開放容器２０に貯留された液体がサイフォン管４０を通って密閉容器３０の方に徐々に移動し、これを受けて、電子天秤１０に表示される計量値が徐々に減少する。

その後、開放容器２０内の液体の液位と密閉容器３０内の液体の液位が一致するまで待ち、両者の液位が一致した時点で、ユーザは、図３（ｄ）に示すように、ボタン１４を押して、電子天秤１０の計量値をゼロにリセットする。この時点で、圧力計測の準備が整う。

続いて、ピトー管７０から入力される気体圧力の全圧を計測する。

全圧を測定する場合は、２つの三方バルブ６２，６４を図３（ｅ）に示す態様で開閉する。これにより、密閉容器３０が破線矢印で示す経路でピトー管７０に接続され、密閉容器３０の内部が加圧される。これを受けて、密閉容器３０に貯留される液体の一部がサイフォン管４０を通って開放容器２０の方へ移動する。その結果、密閉容器３０の液面が下降し、開放容器２０の液面が上昇する。この間、電子天秤１０に表示される計量値が徐々に増加し、ある時点で落ち着く。ユーザは、表示される計量値の増加が落ち着いた頃合いを見計らって、その計量値を読み取る。仮に、読み取った計量値が「１．１５４ｇ」であった場合、ユーザは、全圧の計測値として、「１．１５４ｍｍＡｑ」を記録する。

続いて、同様の手順で、ピトー管７０から入力される気体圧力の静圧を計測する。

静圧を測定する場合は、２つの三方バルブ６２,６４を図３（ｆ）に示す態様で開閉する。これにより、密閉容器３０が破線矢印で示す経路でピトー管７０に接続されることで、密閉容器３０の液面が下降し、開放容器２０の液面が上昇する。ユーザは、電子天秤１０に表示される計量値の増加が落ち着いた頃合いを見計らって、その計量値を読み取る。仮に、読み取った計量値が「０．９１４ｇ」であった場合、ユーザは、全圧の計測値として、「０．９１４ｍｍＡｑ」を記録する。

最後に、ユーザは、記録した全圧から記録した静圧を差し引いて動圧を算出し、算出した動圧を、下記表１に示す換算表に照らして風速に換算する。この場合、ユーザは、動圧＝０．２４ｍｍＡｑ（１．１５４ｍｍＡｑ−０．９１４ｍｍＡｑ）に対応する２[ｍ／ｓ]を風速の計測結果として取得する。

以上、説明したように、本実施形態の圧力計測装置１００は、電子天秤１０に表示される計量値（グラム単位）が計測空気のゲージ圧力（水柱ミリメートル単位）に一致するように設計されているので、圧力計測装置１００の計測精度は、電子天秤１０の計量精度と同じになる。つまり、電子天秤１０の計量精度が０．０１グラム単位である場合、圧力計測装置１００の計測精度は０．０１ｍｍＡｑ単位となり、従来のゲッチンゲンマノメータの計測精度（０．１［ｍｍＡｑ］）の１０倍になる。

ここで、本実施形態の圧力計測装置１００の設計仕様について説明する。なお、以下では、適宜、図４を参照するものとする。

圧力計測時における、電子天秤１０の計量値をＭ[ｇ]とし、開放容器２０側の液位の変化量をＨ１[ｍ]とし、密閉容器３０側の液位の変化量をＨ２[ｍ]とし、開放容器２０の内径をＤ１[ｍ]とし、円筒管４２の外径をｄ１[ｍ]とし、密閉容器３０の内径をＤ２[ｍ]とし、円筒管４４の外径をｄ２[ｍ]とし、重力加速度をＧ[ｍ／ｓ^２]とし、使用する液体の密度をρ[ｋｇ／ｍ^３]としたとき、質量保存則から下記式（１）が成り立つ。また、開放容器２０の底面における圧力がρＧＨ１[Ｐａ]であることから、下記式（２）が成り立つ。

そして、求める計測空気のゲージ圧力ｐ[Ｐａ]は、下記式（３）で表される。

ここで、上記式（３）は、上記式（１）および上記式（２）より、下記式（４）に変換される。

ここで、上記式（４）の右辺第４辺に含まれる次の係数を、下記式（５）のように１／ｍ^２に設計することができれば、すなわち、Ｄ１[ｍ]、ｄ１[ｍ]、Ｄ２[ｍ]およびｄ２[ｍ]の各寸法を下記式（５）を満たすように設計すれば、ｐ[Ｐａ]＝Ｍ[ｇ]×Ｇ[ｍ/ｓ²]×[１/ｍ²]となる。

ここで、電子天秤１０の計測値が１[ｇ]であれば、その地の重力加速度が９．８[ｍ／ｓ²]であるとき、密閉容器３０の圧力が９．８[Ｐａ]であることを意味する。水の密度が１０００[ｋｇ/ｍ³]のとき１ｍｍＡｑ＝９．８Ｐａであることから、電子天秤１０の計測値が１[ｇ]のとき１[ｍｍＡｑ]であることを意味する。

この関係は液体の種類、密度を問わずに成り立つ。液体の条件としては低粘度で、低揮発性、低表面張力であることが望ましい。ゲッチンゲンマノメータの場合のように、温度による液体の密度変化を考慮する必要がない。

その地の重力加速度についても、電子天秤１０が使用している重力加速度Ｇの値が分かれば、同じ値を使用いて、電子天秤１０の読みの値[ｇ]にそのＧの値を乗ずれば圧力の値[Ｐａ]を正確に得ることができる。

ゲッチンゲンマノメータと比較して本実施形態の圧力計測装置１００の特長を以下にまとめる。

ゲッチンゲンマノメータ―は１／１０[ｍｍＡｑ]〜１[Ｐａ]のオーダーまでしか読み取ることができないが、本実施形態では、１／１００ｇ単位で読み取れる電子天秤１０を使用することにより、１／１００[ｍｍＡｑ]〜１／１０[Ｐａ]のオーダーまで読み取ることができる。

ゲッチンゲンマノメータ―は使用液体の密度を正確に知る必要があり、液体の温度による膨張収縮を考慮しなければならないが、本実施形態では、均一でさえあれば、液体の種類、密度が不明でも正確に圧力を見積もることができる。

ゲッチンゲンマノメータの計測値から正確な圧力値を算出するためには、その地の重力加速度を正確に知る必要がある。この点は、本実施形態でも同様であるが、電子天秤１０が使用している重力加速度Ｇの値を知ることができれば、その値を用いて正確な圧力を算出することが可能である。

ゲッチンゲンマノメータは水位レベルの目視確認装置を、つまみを回して水柱先端にまで移動して、その高さをノギスの原理で読み取る必要があるが、本実施形態では、電子天秤１０の表示値を読み取るだけでよい。

以上、本実施形態の圧力計測装置１００の設計仕様について説明してきたが、続いて、圧力計測装置１００を使用した測定値の補正について説明する。

上述した設計原理に鑑みて、本実施形態の圧力計測装置１００の構成要素である開放容器２０、密閉容器３０およびサイフォン管４０（円筒管４２、円筒管４４、連通管４６）は、いずれも変形しづらく、且つ、熱膨張率の小さい材料で形成されているが、圧力計測装置１００を使用する環境の気温が、想定する気温（例えば、２０℃）と大きく異なる場合には、各要素の温度変化による膨張収縮を考慮する必要がある。

この点につき、本実施形態では、圧力計測装置１００の使用環境の気温に対応する補正係数を予め計算によって求めておく。具体的には、圧力計測装置１００の設計時に想定した使用環境の気温と実際の使用環境の気温との差分をΔＴとし、圧力計測装置１００の各要素の線膨張係数をαとすると、各要素の寸法は（１＋αΔＴ）倍となるので、この値を上記式（５）の右辺に代入することで気温毎の補正係数を求めることができる。

下記表２は、使用環境の想定気温を２０℃として、圧力計測装置１００の構成要素（開放容器２０、密閉容器３０、サイフォン管４０）の各要素の寸法を設計し、これらを真鍮で作製した場合の補正係数を例示的に示す。この例では、ユーザは、計測時の気温に応じた補正係数を表２から取得し、電子天秤１０に表示される計量値に対して取得した補正係数を乗じた値を計測値とすることができる。

なお、電子天秤１０は荷重が加わると弾性変形により、計量皿１２はほんの少し沈み、この変形を検知して質量を割り出す装置である。単位荷重当たりの計量皿１２の沈み量を検定し、この変位が圧力計測に与える誤差を見積もったところ、その影響を無視して良いことを確かめた。

以上、本発明の第１実施形態を説明してきたが、続いて、本発明の第２実施形態を説明する。なお、以下では、第１実施形態の内容と共通する部分の説明を省略し、専ら、第１実施形態との相違点のみを説明するものとする。

（第２実施形態）
図５（ａ）は、本発明の第２実施形態である圧力計測装置２００を示す模式図である。第２実施形態の圧力計測装置２００は、上述した電子天秤１０の代わりに、圧力計測値変換装置８０を採用する点においてのみ異なり、計測空気のゲージ圧力を計測する手順は、第１実施形態とそれと同じである。

図５（ｂ）は、圧力計測値変換装置８０の機能構成を示す。圧力計測値変換装置８０は、計量手段８２と、デジタル表示器８４と、操作ボタン８５と、気温センサ８６と、マイコン８７とを含んで構成されている。

計量手段８２は、０．０１グラム以下の計量精度を有する計量手段であり、計量皿８３の上に載置される開放容器２０（および液体）の計量値［ｇ］をマイコン８７に出力する。ここで、計量手段８２は、上述した電子天秤１０の風袋引き機能と同様の機能を備えており、操作ボタン８５ａが押下されたことに応答して計量値をゼロにリセットする。

気温センサ８６は、検知した気温をマイコン８７に出力する手段である。

マイコン８７は、計量手段８２から入力される計量値に基づいて、圧力導入管６０を介して導入される気体のゲージ圧力を算出する演算手段である。

本実施形態では、圧力計測を開始するにあたり、ユーザは、第１実施形態と同様の手順で、開放容器２０と密閉容器３０の両方に液体を貯留させ、両者の液位が一致した時点で、操作ボタン８５ａを押下して、計量手段８２の計量値をゼロにリセットする。

圧力計測時において、操作ボタン８５ｃが押下されている場合、マイコン８７は、計量手段８２から入力される計量値［ｇ］を、下記式（６）に示す変換式に基づいて、水柱ミリメートル単位のゲージ圧力［ｍｍＡｑ］に変換して出力する。

上記式（６）において、Ｍは計量手段８２から入力される計量値［ｇ］を示し、Ｆは変換係数を示す。本実施形態では、下記式（７）に基づいて予め算出された変換係数Ｆが記憶領域８８に格納されている。

上記式（７）において、Ｄ１は開放容器２０の内径[ｍ]を示し、ｄ１は円筒管４２の外径[ｍ]を示し、Ｄ２は密閉容器３０の内径[ｍ]を示し、ｄ２は円筒管４４の外径[ｍ]を示す。

マイコン８７は、計量手段８２から入力される計量値［ｇ］と記憶領域８８に格納される変換係数Ｆを上記式（６）に投入してゲージ圧力［ｍｍＡｑ］を算出し、算出結果をデジタル表示器８４に出力する。

これを受けて、デジタル表示器８４は、マイコン８７の出力値に［ｍｍＡｑ］の単位を付して表示する。

一方、圧力計測時において、操作ボタン８５ｄが押下されている場合、マイコン８７は、計量手段８２から入力される計量値［ｇ］を、下記式（８）に示す変換式に基づいて、パスカル単位のゲージ圧力［Ｐａ］に変換して出力する。

上記式（８）において、ｐはゲージ圧力［Ｐａ］を示し、Ｍは計量手段８２から入力される計量値［ｇ］を示し、Ｆは変換係数を示し、Ｇは重力加速度を[ｍ／ｓ^２]を示す。

これを受けて、デジタル表示器８４は、マイコン８７の出力値に［Ｐａ］の単位を付して表示する。

一方、圧力計測時において、操作ボタン８５ｂが押下されている場合、マイコン８７は、計測値の温度補正を行う。

本実施形態では、マイコン８７の記憶領域８８に、第１実施形態で説明したのと同様の補正係数（既出の表２参照）が格納されており、マイコン８７は、気温センサ８６から入力される気温に対応する補正係数を記憶領域８８から読み出し、算出したゲージ圧力［ｍｍＡｑ／Ｐａ］に対して読み出した補正係数を乗じた値をデジタル表示器８４に出力する。

以上、説明したように、本発明の圧力計測装置によれば、計量手段（電子天秤）の計量精度に応じた高い精度で微小な気体圧力を計測することが可能になる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうるその他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…電子天秤、１２…計量皿、１４…ボタン、１６…デジタル表示器、２０…開放容器、３０…密閉容器、３２…蓋、４０…サイフォン管、４２…円筒管、４４…円筒管、４６…連通管、５０…台、６０…圧力導入管、６２…三方バルブ、６４…三方バルブ、７０…ピトー管、８０…圧力計測値変換装置、８２…計量手段、８３…計量皿、８４…デジタル表示器、８５…操作ボタン、８６…気温センサ、８７…マイコン、８８…記憶領域、１００…圧力計測装置、２００…圧力計測装置

Claims

風袋引き機能を備え、０．０１グラム以下の計量精度を有する電子天秤と、
前記電子天秤の計量皿に載置される円筒状の開放容器と、
圧力導入管が接続される円筒状の密閉容器と、
前記開放容器に貯留される液体と前記密閉容器に貯留される液体を接続するためのサイフォン管であって、第１の円筒管と、第２の円筒管と、該第１の円筒管の上端と該第２の円筒管の上端を連通する連通管からなる、サイフォン管と
を含み、
前記電子天秤の計量値が前記圧力導入管から導入される気体のゲージ圧力に一致するように、前記開放容器の内径、前記密閉容器の内径、前記第１の円筒管の外径および前記第２の円筒管の外径の寸法が設計されていることを特徴とする
圧力計測装置。
前記開放容器、前記密閉容器、前記第１の円筒管および前記第２の円筒管が下記式（１）を満たすように設計されていることを特徴とする、
請求項１に記載の圧力計測装置。
（上記式（１）において、Ｄ１は前記開放容器の内径［ｍ］を示し、ｄ１は前記第１の円筒管の外径［ｍ］を示し、Ｄ２は前記密閉容器の内径［ｍ］を示し、ｄ２は前記第２の円筒管の外径［ｍ］を示す。）
風袋引き機能を備え、０．０１グラム以下の計量精度を有する計量手段と、
前記計量手段の計量皿に載置される円筒状の開放容器と、
圧力導入管が接続される円筒状の密閉容器と、
前記開放容器に貯留される液体と前記密閉容器に貯留される液体を接続するためのサイフォン管であって、第１の円筒管と、第２の円筒管と、該第１の円筒管の上端と該第２の円筒管の上端を連通する連通管からなる、サイフォン管と、
下記式（２）に基づいて前記圧力導入管から導入される気体のゲージ圧力ｐを算出する演算手段とを含む
圧力計測装置。
（上記式（２）において、Ｍは前記計量手段の計量値［ｇ］を示し、Ｇは重力加速度[ｍ/ｓ²]を示し、Ｄ１は前記開放容器の内径［ｍ］を示し、ｄ１は前記第１の円筒管の外径［ｍ］を示し、Ｄ２は前記密閉容器の内径［ｍ］を示し、ｄ２は前記第２の円筒管の外径［ｍ］を示す。）
前記サイフォン管は、
前記第２の円筒管が前記密閉容器の上面に貫通して固定される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力計測装置。
前記連通管は、透明材料で形成され、その管内の気泡が浮力によって前記密閉容器の方へ移動するように水平方向に対して傾いていることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力計測装置。