JP3598181B2 - Diaphragm and pressure sensor - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサに係り、特に流体等の圧力を検出する圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、オーステナイト系ステンレス鋼製の成形体は、特に耐蝕性に優れているため、各種の化学装置用部品として広く使用されている。
【０００３】
このため、耐蝕性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を腐食性媒体の圧力を検出する圧力センサ用ダイアフラムに使用する場合、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐蝕性には優れるものの、０．２％耐力が２０〜４０ｋｇｆ／ｍｍ２ 程度と、同じステンレス鋼である析出硬化型ステンレス鋼の１００〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ２ と比較すると、極端に低く、弾性に劣るので、耐力に安全率を考慮するとオーステナイト系ステンレス鋼を用いたダイアフラムが流体圧力から受ける歪の大きさを大きな値に設定することができない。このため、オーステナイト系ステンレス鋼を用いたダイアフラムは、流体圧力を直接ダイアフラムに設置した歪ゲージ等で電気信号に変換する構造の圧力センサには、感度が低くなるため一般的に使用されておらず、隔膜型圧力センサの隔膜として使用されている。
【０００４】
ここで、この隔膜型圧力センサとは、歪検出機構と隔膜を個別に備え、隔膜が測定対象である流体と直接接触して流体圧の圧力方向へ一次変位を起こし、この隔膜の一次変位を何らかの伝達媒体によって他方の歪検出構造体に伝達し、電気信号に変換する構造を呈する圧力センサである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、腐蝕性媒体の圧力を検出する目的においてオーステナイト系ステンレス鋼を隔膜として使用する隔膜型圧力センサにあっては、隔膜と歪検出機構間の変位の伝達を行う手段として、隔膜と歪検出構造体の空洞部に液体を封入したり、あるいは隔膜と歪検出構造体をロッド等で機械的に連結するといった手段等が採られているが、これらは部品点数が多く、構造が複雑であり、封入液の封止やロッドの接着等による連結の際に歪検出機構に変位が生じ易く、機器組立、調整が困難である、といった問題点を有する。また、これら伝達機構は被測定物の変位だけを純粋に測定することが難しく、ダイアフラム部材の形成材料と封入液やロッド等の接続部の熱膨張係数の相違により圧力センサの零点出力の変動等の熱的な影響も生じることとなる。さらには、これらの熱影響は機器調整を困難にするとともに、測定精度が低下するといった問題点もある。
【０００６】
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、耐蝕性を有するにもかかわらず、変位伝達機構を用いずに被測定物の変位だけを純粋に歪として検出することができ、構造が簡易で、機器組立、調整が容易な圧力センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体等の圧力を検出する圧力センサにおいて、この圧力センサに使用されるダイアフラムは、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１６Ｌにより形成され、その目的形状の少なくとも一部が冷間鍛造で形成され、この冷間鍛造後の中間成形体が、少なくともビッカース硬さ３００ＨＶとなされ、このダイアフラムの受圧部はその一面側が歪ゲージの設けられる歪ゲージ設置面として構成される一方で、他面側が受圧面として構成され、前記受圧面には、その中央に突起部を形成して、その周囲が薄肉部とされていることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、オーステナイト系ステンレス鋼の加工硬化率が大きいことを利用し、オーステナイト系ステンレス鋼を鍛造加工によって成形することから高強度を得て、ダイアフラムが流体圧力から受ける歪をダイアフラムに設置した歪ゲージ等を用いて電気信号に直接変換する構造の圧力センサの利用を可能とする。また、耐蝕性を有するにもかかわらず、隔膜型圧力センサと比較して機器組立、調整が容易で、しかも、伝達機構を用いず被測定物の圧力を純粋に歪検出できることから、測定環境の温度変化によるセンサ特性の変動が極めて小さい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添附図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図１は本発明における圧力センサの要部断面図である。図中符号１はダイアフラムであり、このダイアフラム１はオーステナイト系ステンレス鋼（より具体的にはＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１６Ｌ）で形成されている。このダイアフラム１には底部１ａが一体的に形成されており、この底部１ａの受圧面に相当する内面中央には受圧面が受けた圧力を歪ゲージ設置面である外面側へ適切に伝達するために突起部１ｃが形成されている。このため、このダイアフラム１は断面内面形状がＥ型のものである。図２に示すように、この底部１ａの上面には絶縁膜２が設けられ、この絶縁膜２の上面には歪ゲージ３，３，３，…が載置されている。この歪ゲージ３は保護膜４で封じ込まれている。
【００１０】
このような構成の圧力センサにおいて、被測定物である流体はダイヤフラムの空洞部１ｂ内に充満し、底部１ａを変形せしめる。この底部１ａの変形により歪ゲージ３もまた変形し、この歪ゲージ３の変形が電気的に検出され、電線等を介して圧力センサ外に取り出され、流体圧力が測定される。
【００１１】
以下、本発明の圧力センサで使用されるダイアフラムの製造方法について説明する。
本実施例においては、予め円柱形状に予備成形された成形用材料の空洞の受圧面を含む少なくとも一部分を冷間鍛造し、ダイアフラム１の内面形状を作った。ここで、本実施例にあっては、寸法精度の観点から冷間鍛造を採用したが、これに限定されるものではなく、熱間鍛造等いずれの鍛造法を採用しても良い。このように鍛造加工を施した中間成形体には、鍛造工程中の物理的衝撃によって部分的又は全体的に加工硬化が起こる。本実施例では中間成形体の硬さは３００ＨＶ以上の値を得ることができた。なお、成形体の外面形状は鍛造、切削等の任意の加工法で成形することができる。また、圧力センサを用いる圧力や環境に応じて、鍛造加工時に生じた加工歪の一部を成形体を温度４００〜７００℃、加熱保持時間３０分以上で加熱することで和らげることができた。この歪除去は鍛造後の成形工程において、中間成形体加工後、ダイアフラム加工後のいずれも摘要できる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明は、上述のようにオーステナイトステンレス鋼を鍛造加工で成形したことにより、筒状部材の材料であるステンレス鋼の機械的性質の向上を図ることができ、圧力センサ用ダイアフラムとしての利用を可能とする。また、耐蝕性を有するにもかかわらず、隔膜型圧力センサと比較して部品数の少ない簡単な構造とすることができ、生産性の向上、コストダウン等の効果がある。更に、伝達機構を用いず被測定物の変位を純粋に歪ゲージで測定でき、測定環境の温度変化によるセンサ特性の変動を極めて小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における圧力センサの要部断面図である。
【図２】図１中ＩＩ部の拡大図である。
【符号の説明】
１…ダイアフラム
１ａ…底部
２…絶縁膜
３…歪ゲージ
４…保護膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a pressure sensor for detecting a pressure of a fluid or the like.
[0002]
[Prior art]
In general, austenitic stainless steel molded articles are widely used as parts for various chemical devices because of their particularly excellent corrosion resistance.
[0003]
For this reason, when austenitic stainless steel having excellent corrosion resistance is used for a diaphragm for a pressure sensor that detects the pressure of a corrosive medium, the austenitic stainless steel is excellent in corrosion resistance, but has a 0.2% proof stress of 20 to 20%. use a 40 kgf / mm 2 degree, when compared to 100~150kgf / mm 2 of precipitation-hardening stainless steel of the same stainless steel, extremely low, since poor elasticity, consider safety factor strength and austenitic stainless steel It is not possible to set the magnitude of the strain to which the diaphragm is subjected from the fluid pressure to a large value. For this reason, diaphragms using austenitic stainless steel are not generally used because pressure sensors with a structure in which fluid pressure is directly converted into an electric signal by a strain gauge or the like installed on the diaphragm have low sensitivity. Used as a diaphragm of a diaphragm type pressure sensor.
[0004]
Here, this diaphragm type pressure sensor is provided with a strain detection mechanism and a diaphragm separately, and the diaphragm directly contacts the fluid to be measured to cause a primary displacement in the pressure direction of the fluid pressure. This is a pressure sensor having a structure in which the signal is transmitted to the other strain detection structure by some transmission medium and converted into an electric signal.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a diaphragm type pressure sensor using austenitic stainless steel as a diaphragm for the purpose of detecting the pressure of a corrosive medium, a diaphragm and a strain detecting structure are used as means for transmitting displacement between the diaphragm and the strain detecting mechanism. Means such as sealing the liquid in the cavity of the body, or mechanically connecting the diaphragm and the strain detection structure with a rod or the like are adopted, but these have a large number of parts, the structure is complicated, There is a problem in that the strain detection mechanism is likely to be displaced during the connection by sealing of the filling liquid or bonding of the rod, and it is difficult to assemble and adjust the device. In addition, it is difficult for these transmission mechanisms to purely measure only the displacement of an object to be measured, and the zero point output of the pressure sensor fluctuates due to the difference in the thermal expansion coefficient between the material forming the diaphragm member and the connection part such as the sealing liquid or the rod. Will also cause thermal effects. Furthermore, these heat effects make it difficult to adjust the equipment, and there is a problem that the measurement accuracy is reduced.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is possible to detect only a displacement of an object to be measured as a pure strain without using a displacement transmission mechanism despite having corrosion resistance. It is an object of the present invention to provide a pressure sensor which can be manufactured, has a simple structure, and can be easily assembled and adjusted.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a pressure sensor for detecting pressure of a fluid or the like, wherein a diaphragm used for the pressure sensor is formed of SUS316 or SUS316L which is austenitic stainless steel, and at least a part of a target shape thereof is formed by cold forging. The cold-forged intermediate compact has a Vickers hardness of at least 300 HV, and the pressure-receiving portion of the diaphragm is configured such that one surface side is configured as a strain gauge installation surface on which a strain gauge is provided, while the other surface is configured to receive pressure. The pressure receiving surface is characterized in that a projection is formed in the center of the pressure receiving surface and the periphery thereof is a thin portion .
[0008]
In the present invention, utilizing the fact that the work hardening rate of austenitic stainless steel is large, the austenitic stainless steel is formed by forging to obtain high strength, and the diaphragm is subjected to strain received from fluid pressure by the diaphragm. It is possible to use a pressure sensor having a structure for directly converting an electric signal into an electric signal using a strain gauge or the like. Despite its corrosion resistance, it is easier to assemble and adjust equipment than a diaphragm type pressure sensor, and it can detect the pressure of the object under test purely without using a transmission mechanism. Fluctuations in sensor characteristics due to temperature changes are extremely small.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a pressure sensor according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a diaphragm, which is made of austenitic stainless steel (more specifically, SUS316 and SUS316L). The diaphragm 1 is integrally formed with a
[0010]
In the pressure sensor having such a configuration, the fluid to be measured fills the
[0011]
Hereinafter, a method for manufacturing a diaphragm used in the pressure sensor of the present invention will be described.
In the present embodiment, at least a part including the pressure-receiving surface of the cavity of the molding material preliminarily formed into a cylindrical shape was cold forged to form the inner surface shape of the diaphragm 1. Here, in the present embodiment, cold forging is employed from the viewpoint of dimensional accuracy, but the invention is not limited to this, and any forging method such as hot forging may be employed. Work hardening occurs partially or entirely in the forged intermediate molded body due to physical impact during the forging process. In this example, the hardness of the intermediate molded body could be 300 HV or more. Note that the outer shape of the molded body can be formed by any processing method such as forging or cutting. Further, depending on the pressure using the pressure sensor and the environment, a part of the processing strain generated at the time of forging could be alleviated by heating the molded body at a temperature of 400 to 700 ° C. and a heating holding time of 30 minutes or more. This strain can be removed in the forming step after forging, either after the processing of the intermediate formed body or after the processing of the diaphragm.
[0012]
【The invention's effect】
The present invention can improve the mechanical properties of stainless steel, which is a material of a tubular member, by forming austenitic stainless steel by forging as described above, and can be used as a diaphragm for a pressure sensor. And In addition, despite having corrosion resistance, a simple structure having a smaller number of parts compared with a diaphragm type pressure sensor can be obtained, and there are effects such as improvement in productivity and cost reduction. Further, the displacement of the object to be measured can be measured purely by a strain gauge without using a transmission mechanism, and a change in sensor characteristics due to a temperature change in a measurement environment can be extremely reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a pressure sensor according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a portion II in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (2)
このダイアフラムは、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１６Ｌにより形成され、
その目的形状の少なくとも一部が冷間鍛造で形成され、この冷間鍛造後の中間成形体が、少なくともビッカース硬さ３００ＨＶとなされ、
このダイアフラムの受圧部は、その一面側が歪ゲージの設けられる歪ゲージ設置面として構成される一方で、他面側が受圧面として構成され、
前記受圧面には、その中央に突起部を形成して、その周囲を前記薄肉部としたことを特徴とするダイアフラム。In a diaphragm having a thin portion at least in part,
This diaphragm is formed of SUS316 or SUS316L which is austenitic stainless steel,
At least a part of the target shape is formed by cold forging, and the intermediate formed body after the cold forging has a Vickers hardness of at least 300 HV,
The pressure receiving portion of the diaphragm has one surface side configured as a strain gauge installation surface provided with a strain gauge, and the other surface configured as a pressure receiving surface,
A diaphragm , wherein a projection is formed at the center of the pressure receiving surface, and the periphery of the projection is the thin portion .
この圧力センサに使用されるダイアフラムは、
オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１６Ｌにより形成され、
その目的形状の少なくとも一部が冷間鍛造で形成され、この冷間鍛造後の中間成形体が、少なくともビッカース硬さ３００ＨＶとなされ、
このダイアフラムの受圧部はその一面側が歪ゲージの設けられる歪ゲージ設置面として構成される一方で、他面側が受圧面として構成され、前記受圧面には、その中央に突起部を形成して、その周囲が薄肉部とされている、
ことを特徴とする圧力センサ。In a pressure sensor that detects the pressure of a fluid or the like,
The diaphragm used for this pressure sensor is
Made of austenitic stainless steel SUS316 or SUS316L,
At least a part of the target shape is formed by cold forging, and the intermediate formed body after the cold forging has a Vickers hardness of at least 300 HV,
The pressure-receiving portion of the diaphragm has one surface side configured as a strain gauge installation surface provided with a strain gauge, while the other surface side is configured as a pressure-receiving surface, and the pressure-receiving surface has a projection formed at the center thereof. The periphery is a thin part,
A pressure sensor, characterized in that:
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