JP2021124411A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外乱が圧力計測値の信頼性に与える影響を管理する。【解決手段】圧力センサ１は、貫通孔４０が形成された筒状のハウジング４と、周縁部がハウジング４に固定されて貫通孔４０を塞ぎ、第１の面が測定対象となる流体と接するように構成されたダイアフラム２と、ダイアフラム２の第１の面と反対側の第２の面に設けられ、ダイアフラム２の変形を検出する歪センサ５と、周縁部がハウジング４に固定され、流体とは接しないように構成されたダミーダイアフラム３と、ダミーダイアフラム３の第１の面または第２の面に設けられ、ダミーダイアフラム３の変形を検出する歪センサ６とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばサニタリー用の圧力センサに関するものである。

流体の圧力を検出する圧力センサが、衛生的な配慮が必要な食品や医薬品等の製造現場で用いられるサニタリー用圧力センサとして認められるためには、信頼性等に関する厳しい要件を満足しなければならない。このため、サニタリー用圧力センサは、封入剤を使用しない構造（オイルフリー構造）が求められている（特許文献１、特許文献２参照）。

また、サニタリー用圧力センサでは、測定対象の流体が流れる配管との接続部分に継手（例えばフェルール継手）が採用されている。配管と圧力センサとの接続は、例えばクランプと呼ばれる接続部材を用いることによって実現される。このように、継手により配管に接続された圧力センサは、外乱によってダイアフラムに変形が生じ、圧力計測値が影響を受ける場合がある（特許文献３、特許文献４参照）。外乱の例としては、クランプの締付力や配管からの振動などがある。特にサニタリー用圧力センサにおいては、ダイアフラムが測定対象の流体と直に接するため、外乱による影響が大きく、計測の信頼性が低下する。

従来の圧力センサでは、上記のような外乱による影響度を把握することが困難であり、圧力計測の信頼性を管理できていない。このような計測状態の管理については、常に改善が求められている。

特開２０１７−１２０２１４号公報 特開２０１７−１２５７６３号公報 特開２０１８−００４５９１号公報 特開２０１８−００４５９２号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、外乱が圧力計測値の信頼性に与える影響を管理することができる圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の圧力センサは、少なくとも一端面が開口した筒状のハウジングと、周縁部が前記ハウジングの内壁に固定されて前記開口を塞ぎ、第１の面が測定対象となる流体と対向し、かつ、接するように構成された第１のダイアフラムと、前記第１のダイアフラムの前記第１の面と反対側の第２の面に設けられ、前記第１のダイアフラムの変形を検出するように構成された第１の歪センサと、周縁部が前記ハウジングの内壁に固定され、前記流体に対向する第１の面およびこの第１の面の反対側の第２の面がともに前記流体とは接しないように構成された第２のダイアフラムと、前記第２のダイアフラムの第１の面または第２の面に設けられ、前記第２のダイアフラムの変形を検出するように構成された第２の歪センサとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記第２のダイアフラムは、前記ハウジング内に、前記第２のダイアフラムの第１の面が前記第１のダイアフラムの前記第２の面と対向するように設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記ハウジングは、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとの間の空間に大気圧を導入するための大気圧導入路をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記ハウジングには、前記開口として、第１の開口と第２の開口の２つが互いに平行に形成され、前記第２の開口を閉塞して第１の面が前記流体と接するように構成された閉塞部材をさらに備え、前記第１のダイアフラムは、周縁部が前記ハウジングの内壁に固定されて前記第１の開口を塞ぐように設けられ、前記第２のダイアフラムは、前記第２の開口の内奥に、前記第２のダイアフラムの第１の面が前記閉塞部材の前記第１の面と反対側の第２の面と対向するように設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記ハウジングは、前記第２のダイアフラムと前記閉塞部材との間の空間に大気圧を導入するための大気圧導入路をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例は、前記第１のダイアフラムの前記第１の開口内における前記ハウジングの前記一端面からの位置と、前記第２のダイアフラムの前記第２の開口内における前記ハウジングの前記一端面からの位置とが等しく、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとが、前記ハウジングの軸に対して対称に配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとは、直径、厚さが等しいことを特徴とするものである。

また、本発明の圧力センサの１構成例は、前記第１の歪センサの出力信号から得られる圧力計測値の信頼性を、前記第２の歪センサの出力信号に基づいて判定するように構成された判定部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記判定部は、前記第２の歪センサの出力信号が予め定められた許容範囲内のときに前記圧力計測値の信頼性が保たれていると判定し、前記第２の歪センサの出力信号が前記許容範囲を超えたときに前記圧力計測値の信頼性が損なわれたと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の圧力センサの１構成例において、前記判定部は、さらに、圧力計測に影響を与える外乱の種別を、前記第２の歪センサの出力信号に基づいて判定することを特徴とするものである。

本発明によれば、圧力計測のための第１のダイアフラムと第１の歪センサとは別に、第２のダイアフラムと第２の歪センサとを設けることにより、圧力センサが複数種の外乱の影響を受ける場合であっても、圧力計測値の信頼性が保たれているか否かを判定することが可能となる。その結果、本発明では、外乱が圧力計測値の信頼性に与える影響を管理することができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る圧力センサの断面図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る圧力センサの平面図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る圧力センサを配管に取り付けるためのクランプの外観図である。 図４は、本発明の第１の実施例に係る圧力センサと配管との接続構造の外観図である。 図５は、本発明の第１の実施例に係る圧力センサと配管との接続構造の断面図である。 図６は、本発明の第１の実施例において流体の圧力により圧力センサのダイアフラムが変形した状態を示す断面図である。 図７は、流体の圧力に対する歪センサの出力信号の変化を示す図である。 図８は、本発明の第１の実施例においてクランプの締付力により圧力センサのダイアフラムとダミーダイアフラムとが変形した状態を示す断面図である。 図９は、クランプの締付トルクに対する歪センサの出力信号の変化を示す図である。 図１０は、配管の振動に対する歪センサの出力信号の変化を示す図である。 図１１は、本発明の第１の実施例に係る圧力センサの判定部と判定結果出力部の動作を説明するフローチャートである。 図１２は、本発明の第２の実施例に係る圧力センサの断面図である。 図１３は、本発明の第２の実施例に係る圧力センサの平面図である。 図１４は、本発明の第２の実施例に係る圧力センサと配管との接続構造の断面図である。 図１５は、本発明の第２の実施例において流体の圧力により圧力センサのダイアフラムが変形した状態を示す断面図である。 図１６は、本発明の第２の実施例においてクランプの締付力により圧力センサのダイアフラムとダミーダイアフラムとが変形した状態を示す断面図である。 図１７は、本発明の第１、第２の実施例に係る圧力センサの判定部を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

［発明の原理］
発明者は、測定対象の流体の圧力を受けて変形するダイアフラムとは別に、流体の圧力印加では変形せず、ダイアフラムと同じ外乱によって変形するダミーダイアフラムを設け、ダミーダイアフラムの変形を検出することによって、外乱による圧力計測精度への影響を判定可能であることに想到した。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る圧力センサの断面図、図２は圧力センサの平面図である。
圧力センサ１は、測定対象の流体の圧力Ｐによってダイアフラムが撓んだときのダイアフラムの変形を検出することにより、上記流体の圧力Ｐを検知する。

具体的には、圧力センサ１は、測定対象の流体の圧力を受ける薄板状のダイアフラム２（第１のダイアフラム）と、測定対象の流体とは接しない薄板状のダミーダイアフラム３（第２のダイアフラム）と、一端面および他端面に開口する円形の貫通孔４０が形成されダイアフラム２の周縁部およびダミーダイアフラム３の周縁部を支持する筒状のハウジング４と、ダイアフラム１の変形を検出する歪センサ５（第１の歪センサ）と、ダミーダイアフラム２の変形を検出する歪センサ６（第２の歪センサ）と、歪センサ５の出力信号を測定対象の流体の圧力に換算する圧力算出部７と、歪センサ５の出力信号から得られる圧力計測値の信頼性を、歪センサ６の出力信号に基づいて判定する判定部８と、判定部８の判定結果を出力する判定結果出力部９とから構成される。

貫通孔４０が形成された円筒状のハウジング４は、ダイアフラム２の周縁部およびダミーダイアフラム３の周縁部を支持する。ただし、ハウジング４の形状は、円筒に限定されるものではなく、例えば角筒であっても構わない。ハウジング４は、例えば、耐食性の高いステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるが、セラミックスまたはチタン等の他の耐食性の高い材料を用いて成形してもよい。配管との接合側（図１下側）のハウジング４の外周縁には、図１、図２に示すように、半径方向外側に向かって突出したフェルールフランジ部４１が設けられている。

一方、配管との接合側と反対側（図１上側）のハウジング４の端部は、大気圧に開放されており、貫通孔４０の内部は空気で満たされている。また、ハウジング４には、ダイアフラム２とダミーダイアフラム３との間の空間に大気圧を導入するための大気圧導入路４２が形成されている。ダイアフラム２とダミーダイアフラム３との間の空間に大気圧を導入する理由は、この空間の空気の膨張、収縮、大気圧変動による影響を除くためである。したがって、空気の膨張、収縮、大気圧変動が圧力計測値に与える影響が小さい場合や、空間が真空封止されている場合においては、必ずしも大気圧導入路を設けなくてもよい。

ダイアフラム２は、測定対象の流体からの圧力Ｐを受ける。ダイアフラム２は、例えば平面視円形状に薄く成形されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるが、セラミックスまたはチタン等の他の材料を用いて成形してもよい。また、ダイアフラム２の形状は、円形に限定されるものではなく、例えば平面視正方形であっても構わない。

ダイアフラム２の下面は、流体と接して圧力Ｐを受ける接液面（第１の面）となり、ダイアフラム２の上面は、歪センサ５が配設される変形測定面（第２の面）となっている。また、ダイアフラムの上面は、大気圧を受ける受圧面としても機能する。ダイアフラム２は、ハウジング４の、配管との接合側の端部４３に固定され、ハウジング４の貫通孔４０を塞いでいる。ダイアフラム２は、その外周縁が貫通孔４０の壁面と隙間なく接合されている。

ダイアフラム２と同様に、ダミーダイアフラム３は、例えば平面視円形状に薄く成形されたＳＵＳからなるが、セラミックスまたはチタン等の他の材料を用いて成形してもよい。ダミーダイアフラム３の形状は、円形に限定されるものではなく、例えば平面視正方形、長方形、凹凸を有する形状、空洞を有する形状、複数層からなる構造、異種材料からなる構造であっても構わない。

ダミーダイアフラム３の下面（第１の面）と上面（第２の面）とは、大気圧を受ける受圧面として機能する。また、ダミーダイアフラム３の上面は、歪センサ６が配設される変形測定面となる。ただし、ダミーダイアフラム３の下面に歪センサ６を配設してもよい。ダミーダイアフラム３は、下面がダイアフラム２の上面と対向するように、ハウジング４の貫通孔４０内に設けられている。ダミーダイアフラム３は、その外周縁が貫通孔４０の壁面と隙間なく接合されている。

歪センサ５はダイアフラム２の変形を検出し、歪センサ６はダミーダイアフラム３の変形を検出する。歪センサ５，６のそれぞれは半導体チップを含む。歪センサ５の半導体チップには、ダイアフラム２の変形に応じた信号を出力するひずみゲージが形成されている。同様に、歪センサ６の半導体チップには、ダミーダイアフラム３の変形に応じた信号を出力するひずみゲージが形成されている。このようなひずみゲージについては、特許文献１〜４に開示されているので、詳細な説明は省略する。なお、歪センサ５,６は、半導体ひずみゲージ式に限定されるものでなく、例えば、静電容量式、金属歪みゲージ式、抵抗ゲージをスパッタ等により成膜した方式であってもよい。

図３は圧力センサ１を配管２０に取り付けるためのクランプの外観図、図４は圧力センサ１と配管２０との接続構造の外観図、図５は圧力センサ１と配管２０との接続構造の断面図である。

圧力センサ１と円筒状の配管２０とを接続する際には、図３に示すようなクランプ３０を用いる。具体的には、図４、図５に示すように、配管２０のフェルールフランジ部２１とハウジング４のフェルールフランジ部４１とを対向させて配置し、その２つのフェルールフランジ部２１，４１をクランプ３０のリング状の固定部３１Ａ，３１Ｂによって挟み込み、ねじ３２によって固定部３１Ａ，３１Ｂを締め付けることによって、配管２０のフェルールフランジ部２１とハウジング４のフェルールフランジ部４１とを接続する。また、クランプ３０によって接続されたフェルールフランジ部２１とフェルールフランジ部４１との間には、漏れを防止するガスケット３３が配置されている。測定対象の流体は、配管２０の貫通孔２２を伝わってダイアフラム２の下面（接液面）に達する。なお、圧力センサ１と円筒状の配管２０との接続には、フェルールクランプ継手構造に限定されるものではなく、他の継手種（ネジマウント、袋ナット等）を用いても構わない。

本実施例では、ダイアフラム２が流体の圧力Ｐを受けていない状態で歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とが略一致することが望ましい。歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とを略一致させるためには、例えばダイアフラム２とダミーダイアフラム３の直径、厚さを等しくし、歪センサ５と歪センサ６の構成を等しくすることが望ましい。また、ダイアフラム２面内における歪センサ５の搭載位置とダミーダイアフラム３面内における歪センサ６の搭載位置とを等しくし、さらにダイアフラム２とダミーダイアフラム３の距離を極力近づけることが望ましい。

ただし、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とが略一致しない場合でも、後述のように歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とに相関関係があることが明らかである場合には、本発明を適用可能である。

圧力算出部７には、歪センサ５の出力信号を変数とする換算式、または歪センサ５の出力信号と圧力Ｐとを対応付けて記憶するテーブルが予め設定されている。圧力算出部７は、換算式またはテーブルにより、歪センサ５の出力信号を流体の圧力Ｐに換算する。

次に、本発明の特徴的な動作について説明する。流体の圧力Ｐは、ダイアフラム２のみに印加され、ダミーダイアフラム３には印加されないため、歪センサ５のみが圧力Ｐに応じた応答を示す。

図６は流体の圧力Ｐによりダイアフラム２が変形した状態を示す断面図、図７は流体の圧力Ｐに対する歪センサ５，６の出力信号の変化を示す図である。図７のＶｐは流体の圧力Ｐに対する歪センサ５の出力信号を示し、Ｖｒｐは流体の圧力Ｐに対する歪センサ６の出力信号を示している。なお、図７のグラフの縦軸は、所定の最大値ＦＳ（フルスケール）を１００％とする正規化した電圧で歪センサ５，６の出力信号Ｖｐ，Ｖｒｐの大きさを記載している。以降のグラフにおいても同様の表記を用いるものとする。

図７から分かるように、流体の圧力Ｐに応じて歪センサ５の出力信号Ｖｐが変化するが、ダミーダイアフラム３は変形しないため、圧力Ｐに対して歪センサ６の出力信号Ｖｒｐは一定となる。

一方、圧力センサ１のハウジング４と配管２０とをクランプ３０によって締め付けるときには、クランプ３０の締付力によってハウジング４全体が曲げられるため、ダイアフラム２とダミーダイアフラム３とが同等に変形する。このため、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とは、略一致の応答または互いに相関を有する応答を示す。

図８はクランプ３０の締付力Ｆによりダイアフラム２とダミーダイアフラム３とが変形した状態を示す断面図、図９はクランプ３０の締付トルクに対する歪センサ５，６の出力信号の変化を示す図である。図９のＶｔはクランプ３０の締付トルクに対する歪センサ５の出力信号を示し、Ｖｒｔはクランプ３０の締付トルクに対する歪センサ６の出力信号を示している。図９の例では、クランプ３０の締付トルクに対して歪センサ５の出力信号Ｖｔと歪センサ６の出力信号Ｖｒｔとが略一致の応答を示している。

また、配管２０からの振動が圧力センサ１に伝わる場合には、ダイアフラム２と歪センサ５の固有振動周波数に応じてダイアフラム２が上下に撓むように変形すると同時に、ダミーダイアフラム３と歪センサ６の固有振動周波数に応じてダミーダイアフラム３が上下に撓むように変形する。このため、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とは、略一致の応答または互いに相関を有する応答を示す。

図１０は配管２０の振動に対する歪センサ５，６の出力信号の変化を示す図である。図１０のＶｏは配管２０の振動に対する歪センサ５の出力信号を示し、Ｖｒｏは配管２０の振動に対する歪センサ６の出力信号を示している。図１０の例では、歪センサ５の出力信号Ｖｏと歪センサ６の出力信号Ｖｒｏとが周期的に変動しており、配管２０の振動に対して歪センサ５の出力信号Ｖｏと歪センサ６の出力信号Ｖｒｏとが略一致の応答を示していることが分かる。

次に、圧力計測の信頼性の判定方法について説明する。ここでは、外乱影響による圧力計測誤差の許容閾値ＴＨを２％ＦＳに設定した場合を考える。以下の各数式では、所定の最大値ＦＳを１００％とする正規化した値で歪センサ５の出力信号とおよび歪センサ６の出力信号を示す。ここで、歪センサ６の出力信号をＶｒとすると、出力信号Ｖｒは次式で表される。
Ｖｒ＝Ｖｒｔ＋Ｖｒｏ ・・・（１）

［ケース１］
クランプ３０の締付力、配管２０の振動のどちらの外乱についても、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とが略一致の応答を示す場合、Ｖｒｔ≒Ｖｔ，Ｖｒｏ≒Ｖｏが成立する。

歪センサ５が受ける外乱による歪センサ５の出力誤差Ｖｅｒｒが２％ＦＳ以下となるとき、次式が成立する。
Ｖｅｒｒ＝Ｖｔ＋Ｖｏ≦２≒Ｖｒｔ＋Ｖｒｏ≦２≒Ｖｒ≦２ ・・・（２）

図１１は判定部８と判定結果出力部９の動作を説明するフローチャートである。判定部８は、−ＴＨ≦Ｖｒ≦ＴＨ、すなわち歪センサ６の出力信号Ｖｒが−ＴＨ〜ＴＨの許容範囲内のときに（図１１ステップＳ１００においてＹＥＳ）、圧力算出部７により得られる圧力計測値の信頼性が保たれていると判定する（図１１ステップＳ１０１）。

また、判定部８は、Ｖｒ＜−ＴＨまたはＶｒ＞ＴＨ、すなわち歪センサ６の出力信号Ｖｒが−ＴＨ〜ＴＨの許容範囲を超えたときに（ステップＳ１００においてＮＯ）、圧力計測値の信頼性が損なわれたと判定する（図１１ステップＳ１０２）。

判定結果出力部９は、判定部８の判定結果を出力する（図１１ステップＳ１０３）。判定結果の出力方法としては、例えば判定結果を知らせる内容を表示したり、判定結果を知らせる情報を外部に送信したりする等の方法がある。また、判定結果出力部９は、圧力計測の信頼性が損なわれたと判定されたときに、警報を発するようにしてもよい。

判定部８と判定結果出力部９とは、例えばユーザからの指示により圧力の計測処理が終了するまで（図１１ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０３の処理を繰り返し実行する。

以上のように、本実施例では、圧力センサ１が複数種の外乱の影響を受ける場合であっても、圧力計測値の信頼性が保たれているか否かを判定することができ、外乱が圧力計測値の信頼性に与える影響を管理することができる。

［ケース２］
次に、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とが一致しないが、互いに相関を有する応答を示す場合について説明する。クランプ３０の締付トルクに対する歪センサ５の出力信号Ｖｔが次式で表されるとする。
Ｖｔ＝ａ×Ｖｒｔ＋ｂ ・・・（３）
ａ，ｂは定数である。また、配管２０の振動に対する歪センサ５の出力信号Ｖｏが次式で表されるとする。
Ｖｏ＝ｃ×Ｖｒｏ＋ｄ ・・・（４）
ｃ，ｄは定数である。歪センサ６の出力信号Ｖｒは上記と同様に式（１）で表される。

歪センサ５が受ける外乱による歪センサ５の出力誤差Ｖｅｒｒが２％ＦＳ以下となるとき、次式が成立する。
Ｖｅｒｒ＝Ｖｔ＋Ｖｏ≦２，
ａ×Ｖｒｔ＋ｂ＋ｃ×Ｖｒｏ＋ｄ≦２，
ａ×Ｖｒｔ＋ｃ×Ｖｒｏ≦２−ｂ−ｄ ・・・（５）

ここで、圧力センサ１がクランプ３０の締付力と配管２０の振動のいずれか一方の影響のみを受けていると判断できる場合、例えば圧力センサ１がクランプ３０の締付力の影響のみを受けている場合、配管２０の振動に対する歪センサ６の出力信号Ｖｒｏが０で、Ｖｒｔ＝Ｖｒとなるから、次式が成立する。
Ｖｅｒｒ≒Ｖｒ≦（２−ｂ−ｄ）／ａ ・・・（６）
許容閾値ＴＨを（２−ｂ−ｄ）／ａに設定すれば、判定部８は、ケース１と同様に圧力計測の信頼性が保たれているか否かを判定することができる。

また、圧力センサ１が配管２０の振動の影響のみを受けている場合、クランプ３０の締付トルクに対する歪センサ６の出力信号Ｖｒｔが０で、Ｖｒｏ＝Ｖｒとなるから、次式が成立する。
Ｖｅｒｒ≒Ｖｒ≦（２−ｂ−ｄ）／ｃ ・・・（７）
したがって、許容閾値ＴＨを（２−ｂ−ｄ）／ｃに設定すれば、判定部８は、ケース１と同様に圧力計測の信頼性が保たれているか否かを判定することができる。

また、圧力センサ１がクランプ３０の締付力と配管２０の振動の両方の影響を受けている場合、クランプ３０の締付トルクに対する歪センサ６の出力信号Ｖｒｔと配管２０の振動に対する歪センサ６の出力信号Ｖｒｏとの関係式を取得できれば、判定式を導くことができる。例えば、Ｖｒｔ＝ｅ×Ｖｒｏの関係性がある場合、次式が成立する。
Ｖｒｏ＝Ｖｒ／（ｅ＋１） ・・・（８）
Ｖｅｒｒ≒Ｖｒｏ≦（２−ｂ−ｄ）／（ａ×ｅ＋ｃ） ・・・（９）

上記のとおり、ａ，ｂ，ｃ，ｄとｅは定数である。式（８）、式（９)）から次式が得られる。
Ｖｒ≦（２−ｂ−ｄ）×（ｅ＋１）／（ａ×ｅ＋ｃ） ・・・（１０）
したがって、許容閾値ＴＨを（２−ｂ−ｄ）×（ｅ＋１）／（ａ×ｅ＋ｃ）に設定すれば、判定部８は、ケース１と同様に圧力計測の信頼性が保たれているか否かを判定することができる。

例えば圧力センサ１が配管２０の振動の影響を受けている場合、同種の圧力センサを配管２０に取り付けた事前の試験における歪センサ６の出力信号の周期性の特徴から許容閾値ＴＨの設定のための関係式を求めることが可能である。また、圧力センサ１がクランプ３０の締付力の影響を受けている場合、同種の圧力センサを配管２０に取り付けた事前の取付試験において歪センサ６の出力信号を取得することにより、許容閾値ＴＨの設定のための関係式を求めることが可能である。

なお、判定部８は、歪センサ６の出力信号に基づいて外乱の種別を判定することも可能である。例えば、判定部８は、歪センサ６の出力信号をフーリエ変換により周波数スペクトルに変換したとき、周波数スペクトルの所定の周波数範囲内（想定される振動周波数の範囲内）に信号強度が所定の強度閾値を超える周波数成分が存在する場合、配管２０の振動の影響を受けていると判定する。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図１２は本発明の第２の実施例に係る圧力センサの断面図、図１３は圧力センサの平面図である。本実施例の圧力センサ１ａは、ダイアフラム２と、ダミーダイアフラム３と、ハウジング４ａと、歪センサ５と、歪センサ６と、圧力算出部７と、判定部８と、判定結果出力部９とから構成される。

ハウジング４ａには、円形の貫通孔４０ａ（第１の貫通孔）と円形の貫通孔４０ｂ（第２の貫通孔）とが互いに平行に形成されている。ハウジング４と同様に、ハウジング４ａは、例えばＳＵＳからなるが、セラミックスまたはチタン等の他の材料を用いて成形してもよい。配管との接合側（図１２下側）のハウジング４ａの外周縁には、半径方向外側に向かって突出したフェルールフランジ部４１が設けられている。

配管との接合側と反対側（図１２上側）のハウジング４ａの端部は、大気圧に開放されており、貫通孔４０ａ，４０ｂの内部は空気で満たされている。また、ハウジング４ａには、ダミーダイアフラム３と後述するバリア４４との間の空間に大気圧を導入するための大気圧導入路４２が形成されている。

ダイアフラム２は、例えばＳＵＳからなるが、セラミックスまたはチタン等の他の材料を用いて成形してもよい。ダイアフラム２の下面は、測定対象の流体と接して圧力Ｐを受ける接液面（第１の面）となり、ダイアフラム２の上面は、歪センサ５が配設される変形測定面（第２の面）となっている。また、ダイアフラムの上面は、大気圧を受ける受圧面としても機能する。ダイアフラム２は、ハウジング４ａの、配管との接合側の端部４３近傍に固定され、ハウジング４ａの貫通孔４０ａを塞いでいる。ダイアフラム２は、その外周縁が貫通孔４０ａの壁面と隙間なく接合されている。

ダイアフラム２と同様に、ダミーダイアフラム３は、例えばＳＵＳからなるが、セラミックスまたはチタン等の他の材料を用いて成形してもよい。ダミーダイアフラム３の下面（第１の面）と上面（第２の面）とは、大気圧を受ける受圧面として機能する。また、ダミーダイアフラム３の上面は、歪センサ６が配設される変形測定面となる。第１の実施例と同様に、ダミーダイアフラム３の下面に歪センサ６を配設してもよい。ダミーダイアフラム３は、ハウジング４ａの、配管との接合側の端部４３近傍に固定され、ハウジング４ａの貫通孔４０ｂを塞いでいる。ダミーダイアフラム３は、その外周縁が貫通孔４０ｂの壁面と隙間なく接合されている。

また、本実施例の圧力センサ１ａには、配管との接合側の貫通孔４０ｂの端を閉塞して下面（第１の面）が測定対象の流体と接するバリア４４（閉塞部材）が設けられている。ダイアフラム２，３と同様に、バリア４４は、例えばＳＵＳからなるが、セラミックスまたはチタン等の他の材料を用いて成形してもよい。バリア４４は、その外周縁が貫通孔４０ｂの壁面と隙間なく接合されている。

上記のように、ダイアフラム２とダミーダイアフラム３とをハウジング４ａに接合してもよいが、本実施例では別の製造方法を選択することも可能である。具体的には、ハウジング４ａの貫通孔４０ａ，４０ｂ内にダイアフラム２とダミーダイアフラム３の部分が残るように、ハウジング４ａを切削加工する。そして、バリア４４を貫通孔４０ｂの内壁に溶接すればよい。

歪センサ５，６、圧力算出部７、判定部８、判定結果出力部９については第１の実施例で説明したとおりである。

図１４は圧力センサ１ａと配管２０との接続構造の断面図である。圧力センサ１ａと配管２０とを接続する際には、図１４に示すように、配管２０のフェルールフランジ部２１とハウジング４ａのフェルールフランジ部４１とを対向させて配置し、その２つのフェルールフランジ部２１，４１を第１の実施例と同様にクランプ３０のリング状の固定部３１Ａ，３１Ｂによって挟み込み、ねじ３２によって固定部３１Ａ，３１Ｂを締め付けることによって、フェルールフランジ部２１とフェルールフランジ部４１とを接続する。測定対象の流体は、配管２０の貫通孔２２を伝わってダイアフラム２の下面（接液面）に達する。

第１の実施例と同様に、ダイアフラム２が流体の圧力Ｐを受けていない状態で歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とが略一致することが望ましい。歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とを略一致させるためには、例えばダイアフラム２とダミーダイアフラム３の直径、厚さを等しくし、歪センサ５と歪センサ６の構成を等しくすることが望ましい。また、ダイアフラム２面内における歪センサ５の搭載位置とダミーダイアフラム３面内における歪センサ６の搭載位置とを等しくし、ハウジング４ａの長さ方向（図１２上下方向）におけるダイアフラム２とダミーダイアフラム３の形成位置を等しくし（ダイアフラム２のハウジング４ａの端面からの位置とダミーダイアフラム３のハウジング４ａの端面からの位置とが等しい）、ダイアフラム２とダミーダイアフラム３とをハウジング４ａの軸（図１２のＡ）に対して対称に配置することが望ましい。

さらに、ダイアフラム２，３への取付影響差異が小さくなるよう、ダイアフラム２，３に対してバリア４４の剛性を下げる（例えば板厚を薄くする）ことが望ましい。ただし、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とが略一致しない場合でも、第１の実施例と同様に、歪センサ５の出力信号と歪センサ６の出力信号とに相関関係があることが明らかである場合には、本発明を適用可能である。

図１５は流体の圧力Ｐによりダイアフラム２とバリア４４とが変形した状態を示す断面図、図１６はクランプ３０の締付力Ｆによりダイアフラム２とダミーダイアフラム３とバリア４４とが変形した状態を示す断面図である。配管２０からの振動が圧力センサ１ａに伝わる場合には、ダイアフラム２と歪センサ５の固有振動周波数に応じてダイアフラム２が上下に撓むように変形すると同時に、ダミーダイアフラム３と歪センサ６の固有振動周波数に応じてダミーダイアフラム３が上下に撓むように変形する。
判定部８と判定結果出力部９の動作は第１の実施例と同じなので、説明は省略する。

こうして、本実施例では、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。また、第１、第２の実施例においては、流体の圧力Ｐが基準値に維持されている基準圧力状態において、歪センサ５，６の出力信号の関係性に時系列的変化が生じた場合に、判定部８が圧力センサ１の「故障予兆」と判定する自己診断機能を備えていてもよい。

また、第１、第２の実施例において、圧力センサ１，１ａがクランプ３０の締付力の影響のみを受けている場合、歪センサ６の出力信号の時系列変化を取得することで、判定部８は、圧力センサ１，１ａの取り付けの緩みを検知することができ、圧力センサ１，１ａの取付状態を管理することができる。例えば判定部８は、歪センサ６の出力信号の初期値に対する変化量が所定の変化量閾値を超えたとき、圧力センサ１，１ａの取付状態が変化したと判定する。

第１、第２の実施例では、外乱の例としてクランプ３０の締付力と配管２０の振動を例に挙げて説明したが、例えば温度や湿度、光、電磁場などの外乱についても、歪センサ５，６がほぼ等しい影響を受ける場合には、本発明を適用可能である。

第１、第２の実施例の判定部８は、回路によって実現することもできるし、コンピュータを用いて実現することもできる。同様に、圧力算出部７はコンピュータを用いて実現することができる。コンピュータの構成例を図１７に示す。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３００と、記憶装置３０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２には、歪センサ５，６と判定結果出力部９のハードウェアなどが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の判定方法を実現させるためのプログラムは記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、圧力センサに適用することができる。

１，１ａ…圧力センサ、２…ダイアフラム、３…ダミーダイアフラム、４，４ａ…ハウジング、５，６…歪センサ、７…圧力算出部、８…判定部、９…判定結果出力部、２０…配管、２１，４１…フェルールフランジ部、２２，４０，４０ａ，４０ｂ…貫通孔、４２…大気圧導入路、４４…バリア。

Claims (10)

1. 少なくとも一端面が開口した筒状のハウジングと、
   周縁部が前記ハウジングの内壁に固定されて前記開口を塞ぎ、第１の面が測定対象となる流体と対向し、かつ、接するように構成された第１のダイアフラムと、
   前記第１のダイアフラムの前記第１の面と反対側の第２の面に設けられ、前記第１のダイアフラムの変形を検出するように構成された第１の歪センサと、
   周縁部が前記ハウジングの内壁に固定され、前記流体に対向する第１の面およびこの第１の面の反対側の第２の面がともに前記流体とは接しないように構成された第２のダイアフラムと、
   前記第２のダイアフラムの第１の面または第２の面に設けられ、前記第２のダイアフラムの変形を検出するように構成された第２の歪センサとを備えることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記第２のダイアフラムは、前記ハウジング内に、前記第２のダイアフラムの第１の面が前記第１のダイアフラムの前記第２の面と対向するように設けられていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項２記載の圧力センサにおいて、
   前記ハウジングは、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとの間の空間に大気圧を導入するための大気圧導入路をさらに備えることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記ハウジングには、前記開口として、第１の開口と第２の開口の２つが互いに平行に形成され、
   前記第２の開口を閉塞して第１の面が前記流体と接するように構成された閉塞部材をさらに備え、
   前記第１のダイアフラムは、周縁部が前記ハウジングの内壁に固定されて前記第１の開口を塞ぐように設けられ、
   前記第２のダイアフラムは、前記第２の開口の内奥に、前記第２のダイアフラムの第１の面が前記閉塞部材の前記第１の面と反対側の第２の面と対向するように設けられていることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項４記載の圧力センサにおいて、
   前記ハウジングは、前記第２のダイアフラムと前記閉塞部材との間の空間に大気圧を導入するための大気圧導入路をさらに備えることを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項４または５記載の圧力センサにおいて、
   前記第１のダイアフラムの前記第１の開口内における前記ハウジングの前記一端面からの位置と、前記第２のダイアフラムの前記第２の開口内における前記ハウジングの前記一端面からの位置とが等しく、前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとが、前記ハウジングの軸に対して対称に配置されることを特徴とする圧力センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１のダイアフラムと前記第２のダイアフラムとは、直径、厚さが等しいことを特徴とする圧力センサ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１の歪センサの出力信号から得られる圧力計測値の信頼性を、前記第２の歪センサの出力信号に基づいて判定するように構成された判定部をさらに備えることを特徴とする圧力センサ。
9. 請求項８記載の圧力センサにおいて、
   前記判定部は、前記第２の歪センサの出力信号が予め定められた許容範囲内のときに前記圧力計測値の信頼性が保たれていると判定し、前記第２の歪センサの出力信号が前記許容範囲を超えたときに前記圧力計測値の信頼性が損なわれたと判定することを特徴とする圧力センサ。
10. 請求項８または９記載の圧力センサにおいて、
    前記判定部は、さらに、圧力計測に影響を与える外乱の種別を、前記第２の歪センサの出力信号に基づいて判定することを特徴とする圧力センサ。

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