JP2021124412A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】外乱が圧力計測値に与える影響を補正する。【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、歪センサ6の出力信号に基づいて、外乱の影響が排除されるように歪センサ5の出力信号を補正する補正部7と、補正部7によって補正された信号を流体の圧力に換算する圧力算出部9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を排除することができず、圧力計測精度が低下する。このような計測状態については、常に改善が求められている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、外乱が圧力計測値に与える影響を補正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の面と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、前記第2の歪センサの出力信号に基づいて、外乱の影響が排除されるように前記第1の歪センサの出力信号を補正するように構成された補正部と、前記補正部によって補正された信号を前記流体の圧力に換算するように構成された圧力算出部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構成例において、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−VrまたはVc=V+Vrにより、前記補正後の出力信号Vcを算出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、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−a×Vr−b−d(a,b,dは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出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、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−b−c×Vr−d(b,c,dは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出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、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−{(a×e+c)/(e+1)}×Vr−d(a,c,d,eは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出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、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−a×Vr−b−d(a,b,dは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出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、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−b−c×Vr−d(b,c,dは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出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、前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−{(a×e+c)/(e+1)}×Vr−d(a,c,d,eは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出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の歪センサと補正部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、外乱が圧力計測値に与える影響を補正することができる。
[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誤差を補正可能であることに想到した。
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誤差を補正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。
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6の出力信号に基づいて、外乱の影響が排除されるように歪センサ5の出力信号を補正する補正部7と、補正式を予め記憶する記憶部8と、補正部7によって補正された信号を測定対象の流体の圧力に換算する圧力算出部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。
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。
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、圧力計測値の補正方法について説明する。
[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。また、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)
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。また、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)
歪センサ5が受ける外乱による歪センサ5の出力誤差をVerrとすると、歪センサ5の出力信号Vは次式で表される。
V=Vp+Verr ・・・(2)
V=Vp+Verr ・・・(2)
本実施例によって補正した後の歪センサ5の出力信号をVcとすると、次式が成立する。
Vc=Vp=V−Verr=V−(Vt+Vo)=V−(Vrt+Vro)
=V−Vr ・・・(3)
Vc=Vp=V−Verr=V−(Vt+Vo)=V−(Vrt+Vro)
=V−Vr ・・・(3)
図11は補正部7と圧力算出部9の動作を説明するフローチャートである。補正部7は、式(3)に示すように、歪センサ5の出力信号Vから歪センサ6の出力信号Vrを減ずることにより、歪センサ5の出力信号を補正する(図11ステップS100)。補正部7が用いる式(3)または、歪センサ6の出力信号Vrと補正量を対応付けたデータテーブルは、記憶部8に予め設定されている。こうして、補正後の出力信号Vc(外乱による影響を排除した歪センサ5の出力信号)を算出することができる。
圧力算出部9には、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを変数とする換算式、または歪センサ5の補正後の出力信号Vc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9は、換算式またはテーブルにより、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを流体の圧力Pに換算する(図11ステップS101)。
補正部7と圧力算出部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S102においてYES)、ステップS100,S101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、歪センサ5の出力信号Vから歪センサ6の出力信号Vrを減ずることにより、外乱が圧力計測値に与える影響を補正することができる。
なお、補正部7は、歪センサ6の出力信号Vrが所定の許容範囲を超えたときに、圧力計測値の信頼性が損なわれたと判定して、式(3)により歪センサ5の出力信号を補正し、歪センサ6の出力信号Vrが許容範囲内のときには、圧力計測値の信頼性が保たれていると判定して、歪センサ5の出力信号を補正しないようにしてもよい。補正しない場合、圧力算出部9は、歪センサ5の出力信号Vをそのまま圧力に換算することになる。許容範囲は、外乱影響による圧力計測誤差の許容閾値をTHとしたとき、−TH≦Vr≦THとなる。許容閾値THは、信号の所定の最大値FS(フルスケール)を100%としたとき、例えば2%FSに設定される。
[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 ・・・(4)
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 ・・・(5)
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。
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 ・・・(4)
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 ・・・(5)
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。
本実施例によって補正した後の歪センサ5の出力信号をVcとすると、次式が成立する。
Vc=V−(Vt+Vo)=V−(a×Vrt+b+c×Vro+d)
・・・(6)
Vc=V−(Vt+Vo)=V−(a×Vrt+b+c×Vro+d)
・・・(6)
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。
Vc=V−a×Vr−b−d ・・・(7)
式(3)の代わりに、式(7)を記憶部8に設定しておくようにすれば、ケース1と同様に、補正部7は、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを算出することができる。
Vc=V−a×Vr−b−d ・・・(7)
式(3)の代わりに、式(7)を記憶部8に設定しておくようにすれば、ケース1と同様に、補正部7は、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを算出することができる。
上記と同様に、補正部7は、歪センサ6の出力信号Vrが許容範囲を超えたときのみ、式(7)により歪センサ5の出力信号を補正するようにしてもよい。外乱による歪センサ5の出力誤差Verrが2%FS以下の場合を圧力計測値の信頼性が保たれている場合とすると、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、許容閾値THは(2−b−d)/aとなる。
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。
Vc=V−b−c×Vr−d ・・・(8)
式(3)の代わりに、式(8)を記憶部8に設定しておくようにすれば、ケース1と同様に、補正部7は、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを算出することができる。
Vc=V−b−c×Vr−d ・・・(8)
式(3)の代わりに、式(8)を記憶部8に設定しておくようにすれば、ケース1と同様に、補正部7は、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを算出することができる。
上記と同様に、補正部7は、歪センサ6の出力信号Vrが許容範囲を超えたときのみ、式(8)により歪センサ5の出力信号を補正するようにしてもよい。外乱による歪センサ5の出力誤差Verrが2%FS以下の場合を圧力計測値の信頼性が保たれている場合とすると、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、許容閾値THは(2−b−d)/cとなる。
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、補正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。
Vc=V−(a×e+c)×Vro−d
=V−{(a×e+c)/(e+1)}×Vr−d ・・・(9)
Vc=V−(a×e+c)×Vro−d
=V−{(a×e+c)/(e+1)}×Vr−d ・・・(9)
上記のとおり、a,c,dとeは定数である。式(3)の代わりに、式(9)を記憶部8に設定しておくようにすれば、ケース1と同様に、補正部7は、歪センサ5の補正後の出力信号Vcを算出することができる。
上記と同様に、補正部7は、歪センサ6の出力信号Vrが許容範囲を超えたときのみ、式(9)により歪センサ5の出力信号を補正するようにしてもよい。外乱による歪センサ5の出力誤差Verrが2%FS以下の場合を圧力計測値の信頼性が保たれている場合とすると、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、許容閾値THは(2−b−d)×(e+1)/(a×e+c)となる。
なお、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出力信号Vc算出のための補正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、出力信号Vc算出のための補正式を求めることが可能である。
[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、補正部7と、記憶部8と、圧力算出部9とから構成される。
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、補正部7と、記憶部8と、圧力算出部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、補正部7、記憶部8、圧力算出部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。
補正部7と圧力算出部9の動作は第1の実施例と同じなので、説明は省略する。
補正部7と圧力算出部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。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の実施例の補正部7と記憶部8と圧力算出部9とは、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、本発明の圧力算出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…補正部、8…記憶部、9…圧力算出部、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 (11)
- 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の面と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、
前記第2の歪センサの出力信号に基づいて、外乱の影響が排除されるように前記第1の歪センサの出力信号を補正するように構成された補正部と、
前記補正部によって補正された信号を前記流体の圧力に換算するように構成された圧力算出部とを備えることを特徴とする圧力センサ。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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、
前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−VrまたはVc=V+Vrにより、前記補正後の出力信号Vcを算出することを特徴とする圧力センサ。 - 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、
前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−a×Vr−b−d(a,b,dは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出することを特徴とする圧力センサ。 - 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、
前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−b−c×Vr−d(b,c,dは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出することを特徴とする圧力センサ。 - 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、
前記補正部は、前記第1の歪センサの出力信号をV、前記第2の歪センサの出力信号をVr、補正後の出力信号をVcとしたとき、Vc=V−{(a×e+c)/(e+1)}×Vr−d(a,c,d,eは定数)により、前記補正後の出力信号Vcを算出することを特徴とする圧力センサ。
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