JP3858114B2

JP3858114B2 - 重錘型圧力標準器

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Publication number: JP3858114B2
Application number: JP2000108325A
Authority: JP
Inventors: 彰大岩; 祐助内堀; 信幸斉藤; 朋行宮沢; 明重丸山; 和正塚田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Nagano Keiki Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Nagano Keiki Co Ltd
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP2001289727A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定圧力をピストン・シリンダ機構によって力に変換し、この力を重錘（分銅）に働く重力とつり合わせて測ることにより圧力値を求める重錘型圧力標準器に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
化学工業、塑性加工工業等において、近年、特に超高圧が必要とされてきており、それに対応する各種圧力計や圧力センサが用いられている。そして、このような圧力計等の校正を行う装置として、重錘型圧力標準器が知られている。
この重錘型圧力標準器は、ピストン・シリンダ機構と重錘群とを基本構成要素とし、これに圧力発生部を付帯させて構成されている。このような重錘型圧力標準器は、超高圧に限らず、中圧から高圧領域の圧力標準器として広い圧力範囲にわたって各種圧力計や圧力センサの校正に使用されている。
【０００３】
ピストン・シリンダ機構に重錘群を負荷する方式は、ピストンに重錘を負荷する実加重式であり、図１４（Ａ）に示す積載方式、図１４（Ｂ）に示す調心方式、図１４（Ｃ）に示す懸垂方式の３つの方式が知られている。
積載方式は、シリンダ１３１と、ピストン１３２を含み構成されるピストン・シリンダ機構１３３の上に、重錘１３０を順次積み重ねるものであるが、積み重ねる重錘１３０の数とともに重心の位置が高くなり、不安定になる。
調心方式は、ピストン・シリンダ機構１３３の、シリンダ１３１とピストン１３２との嵌合作動部に近い位置に重心がくるように重錘１３０群が設けられている。
懸垂方式は、ピストン・シリンダ機構１３３の下方に順次重錘１３０を吊り下げる方式であり、重心の位置が低くなり静的な安定性に優れているので、大量の重錘を負荷する高圧力の高精度標準器に用いられる方式である。
【０００４】
このような重錘型圧力計の一般原理を説明すると、図１５に示すように、重錘型圧力計のピストン・シリンダ機構１３３において重錘１３０が積載されているピストン１３２が、その底面に作用する圧力によって浮揚して平衡状態にあるとき、圧力（ゲージ圧）は、
Ｐ＝Ｗ／Ａで求められる（３．１）。
ここで、Ｗ：「ピストン＋重錘」の空気中での質量。
Ａ：ピストンの有効面積。
この（３．１）式は、「圧力＝単位面積当たりの力」という圧力の定義式に外ならない。すなわち、重錘型圧力計の原理は、シリンダ内に緊密に嵌合し、かつ、自由に滑動するピストンを「圧力ー力」変換器に用いて、この圧力の定義を具体化したものである。
「ピストン＋重錘」の空気中での質量Ｗは、「ピストン＋重錘」の質量をＭ、密度をρ、空気の密度をρ_a、その場所の重力加速度をｇとして、
Ｗ＝Ｍｇ（１−ρ_a／ρ)（３．２）、
ピストンの有効面積Ａは、ピストンの断面積をＡ_R、シリンダの孔面積をＡ_Cとして、
Ａ＝１／２（Ａ_R＋Ａ_C）（３．３）、
あるいは、（３．３）を変形して、
Ａ＝Ａ_R（１＋ｈ／ｒ_R）（３．４）。
ここで、ｒ_R：ピストンの半径。
ｈ：ピストンとシリンダとの間の隙間の幅（片側）。
で与えられる。すなわち、ピストンの断面積に環状隙間面積の半分を加えたものが有効面積（「圧力ー力」変換係数）となる。このピストンの有効面積は、重錘型圧力標準器の装置定数ともいうべき重要因子である。
上記（３．２）式および（３．３）式〔または（３．４）式〕の関係を用いてＷおよびＡの値を求め、それらの値を（３．１）式に代入して圧力値Ｐを決定する構成方法が「絶対校正法」である。
この場合、「ピストン＋重錘」の質量Ｍ、重力加速度をｇ、ピストンの有効面積Ａの単位を、それぞれ、kg、ｍ／ｓ²、ｍ²にとれば、圧力Ｐは、Ｎ／ｍ²、すなわちＰａ単位の値として得られる。このＰａ単位の数値に係数１／９８０６６．５を掛ければ、圧力Ｐはｋｇｆ／ｍ²単位の値に換算される。
【０００５】
懸垂式の重錘型圧力標準器は、ピストン・シリンダの直径をなるべく太くすることにより、加工や測定精度がよくなり、高性能を実現させることが可能となる。従って、高圧力を発生させるためには、１個５０ｋｇや１００ｋｇ等の重錘を多量に必要とすることとなり、図１６に示すように、チェーン構造で連続的に繋がった重錘を加除し、所定の圧力を発生させるように構成されている。
【０００６】
すなわち、懸垂式重錘型圧力標準器１は架台２を備え、この架台２は、ベースプレート３と、このベースプレート３に立設される複数の柱４と、これらの柱４の上端にわたって設けられる天板５とを含み構成されている。天板５には前記ピストン・シリンダ機構６が設けられ、このピストン・シリンダ機構６には、負荷枠７を介して、多数の重錘１３を含んで構成される重錘手段８の質量を伝達する質量伝達手段９が係合するようになっている。
【０００７】
負荷枠７を構成する吊下げ部材１０の中心には、ボルト状の鎖部材１１が垂直方向に設けられ、この鎖部材１１のボルトの軸部が吊下げ部材１０の係合孔に係合し、頭部がストッパとなっている。鎖部材１１の軸部先端には連結部材１２を介して、次の重錘１３が繋がれ、この重錘１３には、上記と同じように、鎖部材１１、連結部材１２等を介してさらに次の重錘１３が繋がれ、以後順次所定数の重錘１３が連続的に繋がっている。
【０００８】
架台２を構成するベースプレート３の上には、重錘加除手段を構成するジャッキ１５が設けられている。このジャッキ１５のピストン部上端は最下段の重錘１３Ａの下面と係合可能となっている。従って、ジャッキ１５を作動し、そのピストン部を持ち上げることにより、ピストン部の移動量に応じて、最下段側から何枚かの重錘、図１６では、下から３段目までの１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの３枚がピストン部上端に支持されることになり、その結果、それらの重錘１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、鎖部材１１により吊り下がった状態ではなくなり、つまり、負荷が掛からないようになる。
【０００９】
このように、重錘型圧力標準器１では、重錘１３がチェーン構造で連続的につながって懸垂されており、ジャッキ１５のピストン部が上がると、下の重錘１３Ａ等はそのピストン部に押し上げられ、上の重錘１３に懸垂されなくなるので懸垂される重錘は順番に加重されなくなることになる。
【００１０】
質量伝達手段９により伝達される重錘手段８の質量に対して、ピストン・シリンダ機構６に、図示しない圧力発生手段から圧油が送られ、ピストンの昇降により重錘手段８と釣り合うまで圧力を発生させる。そして、両者の釣り合いの状態は、負荷枠７の上部のボックス１６に設けられた位置センサ１７により検知され、制御手段側の表示部に例えばデジタル表示されるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の懸垂式重錘型圧力標準器１では、次のような問題が生じている。
すなわち、多量の重錘１３をチェーン機構で連続的に吊り下げて圧力を発生させているため、重錘１３を懸垂させたまま（組み込んだまま）で、任意の重錘１３を個別に加除することができない。その結果、任意の圧力を発生させることができず、校正できる範囲が狭まる。
【００１２】
また、高い精度を確保する上から、重錘１３の質量測定を定期的に実施する必要があるが、従来の懸垂式重錘型圧力標準器１では、重錘１３がチェーン機構で連続的に吊り下げられているので、ある重錘１３に汚れが付着した場合等、その重錘１３の質量測定を行う必要が生じた際、組み込まれた重錘１３を分解してから行わなければならない。また、校正が終了した後は、再度組立てなければならず、多大な労力とコストとがかかり、危険も伴い非常に困難である。
【００１３】
さらに、重錘を個別に加除するためには、重錘１個に加除機構が１式必要になる。多量の重錘は縦方向に順次組み立てるため、架台の高さが高くなって、上下方向のスペースを多く必要とするとともに、不安定であり、また、コストも高くなる。
【００１４】
また、多量の重錘１３をチェーン機構で連続的に吊り下げる構成であるため、例えば、低圧用に使用する重錘型圧力標準器では、一つ一つの重錘の質量も小さなものとなる。従って、そのような重錘を多数吊り下げても限度があり、高圧用とするためには、別の圧力標準器が必要となり、低圧から高圧までの広範囲の圧力を発生させるためには、複数の圧力標準器が必要である。
【００１５】
本発明の目的は、重錘を組み込んだままで任意の重錘を個別に加除して任意の圧力を得ることができて校正の範囲を広げることができ、かつ、低圧から高圧までの広範囲の圧力を一つの装置で容易に発生させることができる重錘型圧力標準器を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、重錘を組み込んだままで任意の重錘の校正を行うことのできる重錘型圧力標準器を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、測定圧力をピストン・シリンダ機構によって力に変換し、この力を重錘に働く重力とつり合わせて測ることにより圧力値を求める重錘型圧力標準器であって、略平板状の多数の前記重錘を懸架する架台と、前記多数の重錘を懸架した状態でそれらの重錘のうちから任意の重錘を加除する重錘加除手段と、この重錘加除手段を駆動して任意の重錘を加除し任意の圧力を発生可能とする制御手段と、を備えて構成されており、前記架台は、基台と、この基台に立設される複数の柱と、これらの柱の上端にわたって設けられる天板と、前記各柱の高さ方向途中に水平に設けられる複数段の架台フレームとを備えて構成され、前記重錘加除手段は、前記複数段の架台フレームにそれぞれ独立して駆動可能に設けられる複数のシリンダを含み構成され、前記複数段の各段の架台フレームには、それぞれ複数の前記重錘が所定間隔を置いて上下に重なる状態に配置されると共に、これら重錘のそれぞれに対して当該重錘の周縁部に係合離脱可能に複数の前記シリンダが設けられ、これらのシリンダは、それぞれの前記重錘に対応する各シリンダ同士が平面視で互いにずれた位置に配設されていることを特徴とする重錘型圧力標準器である。
【００１８】
このような本発明においては、校正する圧力計や圧力センサに対応して、重錘を組み込んだままで制御手段により重錘加除手段を駆動することにより、架台に懸架された多数の重錘の中から任意の重錘が加除される。従って、任意の圧力を発生させることができ、校正の範囲を広げることができる。
そして、架台は、基台と、複数の柱と、天板と、複数段の架台フレームとを備えて構成された簡単な構造であり、また、重錘加除手段がシリンダで形成されているので、制御が容易であるとともに、一般の市販品を使用でき、安価になり、かつ、コンパクトにまとまる。
さらに、各架台フレームに複数の重錘を設け、かつ、これら複数の重錘のそれぞれに対応するシリンダの配置位置をずらして設けたので、各シリンダ同士が互いに干渉することなく、各架台フレームに複数の重錘および複数のシリンダを設けることができる。このため、各重錘およびシリンダ等毎に架台フレームを設けた場合と比べて、高さを低くすることができ、多数の重錘全体の重心も低くなる。従って、装置全体が安定するので、高精度の圧力を発生させることができる。
【００１９】
本発明において、多数の重錘の数には限定されず、また、一つ一つの重錘の質量も限定されない。所望の圧力を得られるように、適宜設定することができる。また、シリンダは、油圧あるいは空圧の何れを使用してもよい。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の重錘型圧力標準器において、多数の重錘の中心を垂直方向に貫通するコアロッドを備え、このコアロッドには、シリンダの駆動により上下動する重錘の係合部と係合離脱可能となる係合部が形成され、係合時には重錘の質量が伝達され、離脱時には重錘の質量が伝達されないことを特徴とするものである。
【００２４】
このような本発明においては、重錘とコアロッドとの係合、離脱により、重錘の質量が伝達されたり、されなかったりするようになっており、構造が簡単である。
【００２５】
本発明において、重錘の係合部とコアロッドの係合部の係合状態は限定されず、例えば、コアロッドに、断面そろばん玉状、四角形状等の膨出部を設け、重錘側にその膨出部と対応する係合孔を形成する等、どのような形式でもよい。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の重錘型圧力標準器において、シリンダには、当該シリンダにより重錘を持ち上げコアロッドとの係合を離脱させた状態を維持するロック機構が設けられていることを特徴とするものである。
【００２７】
このような本発明においては、重錘が急激に落下することがないので、安全であり、また、重錘やコアロッド等の破損を防止することができる。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の重錘型圧力標準器において、ピストン・シリンダ機構は、面積の異なるピストンとシリンダとのセットが複数あり、これらのピストン・シリンダ機構は、交換可能となっていることを特徴とするものである。
【００２９】
このような本発明においては、適宜、ピストン・シリンダ機構を交換することにより、広範囲の圧力を発生させることができる。
【００３０】
本発明において、ピストン・シリンダ機構の面積の異なるピストンとシリンダとのセットは、例えば、２ｃｍ²、１ｃｍ²、１／２ｃｍ²、１／５ｃｍ²、１／１０ｃｍ²等、どのような組み合わせとしてもよい。
【００３１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の重錘型圧力標準器の前記ピストン・シリンダ機構に替えて自己校正手段を設け、この自己校正手段により多数の重錘を架台に懸架した状態で任意の重錘の質量校正を可能とすることを特徴とする重錘型圧力標準器である。
【００３２】
このような本発明においては、所定の重錘に汚れ等が付着した場合等、その重錘の構成を必要とする際でも、その重錘を分解せずに組み込んだまま自己校正手段により質量校正を行えるので、質量の定期的な校正および保守、管理が容易となり、かつ、正確な測定を短時間で再開することができる。
【００３３】
以上において、自己校正手段としては質量校正を行えるものであれば、例えば、高精度の電子式はかり等、どのようなものを用いてもよい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態においては、前記従来の懸垂式重錘型圧力標準器と異なる部分のみ詳細に説明し、その他の同一部材および同一構造には、同一符号を付すとともに、その詳細な説明は省略または簡略化する。
【００３５】
図１，２に示すように、第１実施形態に係る重錘型圧力標準器２１は、本体２２と制御手段２７とを備えて構成され、独立懸架式の重錘型圧力標準器となっている。
本体２２は、架台２と、その架台２の上部に設置されているピストン・シリンダ機構（以下、単にシリンダ機構という）６６と、そのシリンダ機構６６に係合するように架台２に独立に懸架された多数の重錘４０，４１を含む重錘手段２８とを備えて構成されている。
制御手段２７は、シリンダ機構６６の内圧用の加圧部２４と、シリンダ機構６６の外圧用の加圧部２５と、重錘の加除と内圧用の加圧部２４および外圧用の加圧部２５をコントロールする制御部２６とを備えて構成されている。
【００３６】
重錘手段２８を構成する多数の重錘４０，４１は、図２〜４に示すように、独立懸架式重錘機構により架台２に吊り下げられるようになっている。
すなわち、各柱４の高さ方向途中位置には、最下段の架台フレーム３３Ａおよび最上段の架台フレーム３３Ｂを含み６段の架台フレーム３３が設けられている。各架台フレーム３３は、例えばアルミニウムの押し出し成形品で形成された４本のフレーム部材を、柱４間に架けわたして形成され、このような各架台フレーム３３は、上下方向にそれぞれ等しい間隔で設けられている。
【００３７】
各段の架台フレーム３３には、図３〜５に詳細を示すように、ベースプレート３５を介して、重錘加除手段を構成するエアシリンダ３６，３７，３８が４個づつ、上下方向に作用するように設けられている。各エアシリンダ３６，３７，３８は、制御部２６からの圧力制御信号により個別に作動し、重錘４０，４１を上下動させることができるようになっている。
【００３８】
エアシリンダ３６のロッド３６Ａの先端には、重錘４０が係合可能とされ、エアシリンダ３７，３８のロッド３７Ａ，３８Ａの先端には、２つの重錘４１が係合可能とされている。
重錘４０は、例えば２０ｋｇに設定されており、図３に示すように、架台フレーム３３に最も近い高さ位置に配置され、２０ｋｇ重錘用エアシリンダ３６に係合可能となっている。
【００３９】
この重錘４０は、所定厚さ寸法の円盤状の板材で形成された錘部材４０Ａと、この錘部材４０Ａの外周に着脱可能に設けられるとともに、外側に突出した４つのアーム部材４０Ｂとを含み構成されており、各部材４０Ａ，４０Ｂの合計質量が２０ｋｇとされている。アーム部材４０Ｂの一部には、エアシリンダ３６のロッド３６Ａ先端と係合する係合孔４０Ｃがあけられている。また、錘部材４０Ａの中心には円錐状の係合孔４０Ｄがあけられており、この係合孔４０Ｄは、重錘４０，４１とともに重錘手段２８を構成するコアロッド６０と係合、離脱可能となっている。
【００４０】
重錘４１は、例えば１００ｋｇに設定されており、図３に示すように、重錘４０の上方に順に配置され、それぞれ１００ｋｇ重錘用エアシリンダ３７，３８に係合可能となっている。これらの重錘４１は、所定厚さ寸法の円盤状の板材で形成された錘部材４１Ａと、この錘部材４１Ａの外周に着脱可能に設けられるとともに、外側に突出した４つのアーム部材４１Ｂとを含み構成されており、各部材４１Ａ，４１Ｂの合計質量が１００ｋｇとされている。アーム部材４１Ｂの一部には、エアシリンダ３７，３８のロッド３７Ａ，３８Ａの先端と係合する係合孔４１Ｃがあけられている。
【００４１】
また、錘部材４１Ａの中心には円錐状の係合孔４１Ｄがあけられており、この係合孔４１Ｄは、コアロッド６０と係合、離脱可能となっている。この係合孔４１Ｄは、上部側がコアロッド６０の軸部材６０Ａを挿通可能とする大きさの小径部、下部側がコアロッド６０の膨出部６０Ｂ外周と係合する大径部、中央部がコアロッド６０の軸部材６０Ａと膨出部６０Ｂとを結ぶ傾斜部と係合する係合部となっている。このような錘部材４１Ａの係合孔４１Ｄに臨む周囲には、リング状の錘調整部材４２が着脱可能に取り付けられており、１００ｋｇ用重錘４１の微調整を行うようになっている。
【００４２】
このような１００ｋｇ重錘用のエアシリンダ３７，３８および２０ｋｇ用重錘４０用のエアシリンダ３６は同じ架台フレーム３３に設けられており、３組の重錘４０，４１，４１が１セットとして設けられていることになる。そのため、各エアシリンダ３６〜３８の配置位置は、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、互いに干渉しないように、図５（Ｃ）の２０ｋｇ用重錘４０を基準として、例えばほぼ３０°づつ左右に振り分けられている。
そして、このような２０ｋｇ用重錘４０、２つの１００ｋｇ用重錘４１のセットが最下段から上方５段までの架台フレーム３３に設けられている。
従って、１段で２０ｋｇ＋１００ｋｇ×２＝２２０ｋｇなので、５段では合計１１００ｋｇの質量となっている。
【００４３】
前記コアロッド６０は、前述のように、軸部材６０Ａと膨出部６０Ｂとを有する形状とされ、膨出部６０Ｂを上方に軸部材６０Ａを下方に向けて配置され、膨出部６０Ｂの内部には雌ねじが切られ、軸部材６０Ａの下部先端には雄ねじが切られている。このようなコアロッド６０は、図３，４に示すように、２つの重錘４０，４１、あるいは重錘４１，４１にわたる長さに形成されている。最下段のコアロッド６０の場合は、アーム部材４０Ｂをエアシリンダ３６のロッド３６Ａに係合させて設けた後に、最下段のコアロッド６０の軸部材６０Ａを、２０ｋｇ用重錘４０の錘部材４０Ａのコア取り付け孔４０Ｄに挿通させるとともに、その先端の雄ねじ部に、傾斜部を有する抜け止め用のナット６１を螺合させて、２０ｋｇ用重錘４０を取り付けるようになっている。
【００４４】
１００ｋｇ用重錘４１とコアロッド６０との関係も上記と同様である。
すなわち、重錘４１のアーム部材４１Ｂをエアシリンダ３７，３８のロッド３７Ａ，３８Ａに係合させるとともに、先に設けられたコアロッド６０の膨出部６０Ｂに錘部材４１Ａのコア取り付け孔４１Ｄを挿通させて設ける。そして、次のコアロッド６０の先端雄ねじ部を先のコアロッド６０の雌ねじ部に螺合させて順次継ぎ足して行く。
【００４５】
各エアシリンダ３６〜３８は、圧力制御信号により個別に作動し重錘４０，４１を上下動させる。重錘４０，４１を下げた時は、図４に示すように、コアロッド６０に吊り下がり、コアロッド６０は、負荷枠４７を構成する支持部材４５に吊り下げられているのでピストンに質量が作用し圧力が発生する。重錘４０，４１を上げた時は、その重錘４０，４１はコアロッド６０から解放されるので、重錘分に対応する圧力は発生しない。
【００４６】
これに対して、前記最上段の架台フレーム３３Ｂには、図６〜８に示すように、前記重錘４０，４１とともに、重錘手段２８を構成する低圧用の重錘装置が設けられている。
すなわち、架台フレーム３３Ｂの上方には、負荷枠４７を構成する所定厚さ寸法の支持部材４５が配置されており、この支持部材４５の中心には、コアロッド６０を挿通可能とさせるコア取り付け孔４５Ａが形成されている。また、支持部材４５の両側には、それぞれ負荷枠４７を構成するガイド部材４６が取り付けられている。
【００４７】
支持部材４５の上面には、正方形状のプレート重錘４８が固着されており、このプレート重錘４８には、２本のガイド部材４６およびコア取り付け孔４５Ａを結ぶ線Ａを中心とする線対称位置に、軽い質量の重錘を装着する装着孔が複数形成されている。例えば、２．５ｋｇ重錘５０用の装着孔４８Ｂが線Ａ寄りの中心側に４組、０．５ｋｇ重錘５１用の装着孔４８Ｃが線対称位置外側に５組あけられ、４組の装着孔４８Ｂには２．５ｋｇ重錘５０が、５組の装着孔４８Ｃには０．５ｋｇ重錘５１がそれぞれ上下方向にスライド自在に設けられている。
【００４８】
従って、支持部材４５には、２．５ｋｇ×２×４＋０．５ｋｇ×２×５＝２５ｋｇの質量がかかっており、装置全体としては、重錘４０，４１および重錘５０，５１の合計質量１１２５ｋｇがかかり、それに相当する圧力計を構成することができることになる。
【００４９】
ここで、プレート重錘４８の装着孔４８Ｂ，４８Ｃは、上部が広くなった断面逆円錐状に形成されている。一方、各重錘５０，５１は、小径部と大径部とそれらを結ぶ傾斜部とを有し、傾斜部がプレート重錘４８の装着孔４８Ｂ，４８Ｃの逆円錐状部と係合し、大径部がストッパとなっている。
なお、プレート重錘４８の中心には、支持部材４５のコア取り付け孔４５Ａに対応するコア取り付け孔４８Ａが形成されている。
【００５０】
このような各重錘５０，５１には、それぞれに対応するエアシリンダ５３，５４が設けられ、各エアシリンダ５３，５４は、架台プレート５５を介して前記架台フレーム３３Ｂに取り付けられている。従って、例えば、２．５ｋｇ重錘５０用のエアシリンダ５３および０．５ｋｇ重錘５１用のエアシリンダ５４を駆動してそれぞれのロッド５３Ａ、５４Ａを伸ばせば、図７に示すように、２．５ｋｇ重錘５０および０．５ｋｇ重錘５１が上方に押し上げられ、２．５ｋｇ重錘５０および０．５ｋｇ重錘５１とプレート重錘４８との係合が外れるので、荷重は支持部材４５に掛からない。
【００５１】
これに対して、上記状態からエアシリンダ５３，５４を駆動してそれぞれのロッド５３Ａ、５４Ａを縮めれば、図８に示すように、２．５ｋｇ重錘５０および０．５ｋｇ重錘５１が自重で下がり、２．５ｋｇ重錘５０および０．５ｋｇ重錘５１とプレート重錘４８とが係合するので、荷重は支持部材４５に掛かることになる。
なお、最上段のコアロッド６０は、図２に示すように、コアロッド６０の軸部材６０Ａを支持部材４５およびプレート重錘４８のコア取り付け孔４５Ａ、４８Ａから差し込み、軸部材６０Ａの先端雄ねじ部をコアロッド６０の膨出部６０Ｂの雌ねじ部に螺合するとともに、軸部材６０Ａの上端部のナット部６２で、支持部材４５およびプレート重錘４８からの抜け落ちを防止している。
【００５２】
エアシリンダ５３，５４は、圧力制御信号により一組の重錘５０等毎に作動してその重錘５０等を上下動させる。重錘５０等を下げた時は、プレート重錘４８上に加重され、負荷枠４７を介してピストンに質量が作用して圧力が発生する。これに対して、重錘５０等を上げた時は、プレート重錘４８から開放されて、重錘分に対応する圧力は発生しない。
【００５３】
図７〜９には、前記エアシリンダ３６〜３８のロック機構１１０が示されている。このロック機構１１０は、各エアシリンダ３６〜３８および各エアシリンダ５３，５４で重錘４０，４１，５０，５１を持ち上げ、コアロッド６０との係合を離脱させた状態を維持するもので、空圧（エアシリンダ）入り口１１５から空圧を注入してピストン１１２を押し上げた状態では、ロックピストン１１４がシリンダ３６等の溝３６Ｂに差し込まれたロック状態である。
ロック状態を解除するには、解除用空圧入り口１１８から空圧を注入してロックピストン１１４をばね１１７の付勢に抗して押し戻して溝３６Ｂから脱出させる。このように、機械的なロック機構を設け、長期間コアロッド６０との係合の離脱状態を維持するために空圧を注入し続ける必要がないように構成されている。
【００５４】
図２に示すように、ガイド部材４６は、天板５を貫通して上方に延びており、その上端間には、負荷枠４７を構成する上枠部材４９が架けわたされ、上枠部材４９の中央部には、重錘手段２８の質量を伝達する質量伝達手段６５が設けられている。この質量伝達手段６５は、上枠部材４９内に収容され、図示しない軸受けを介して図１０に示すような回転自在な軸体６４を備えている。
そして、以上の重錘４０，４１，５０，５１、コアロッド６０、負荷枠４７および質量伝達手段６５を含んで前記重錘手段２８が構成されている。
【００５５】
質量伝達手段６５からの質量は、質量伝達手段６５の下方に設けられている前記ピストン・シリンダ機構６６に伝達される。このピストン・シリンダ機構６６は、図２に示すように、受台６７に着脱可能に設けられ、この受台６７は、支持柱６８で支持されて天板５に固定されている。
【００５６】
図１０に示すように、ピストン・シリンダ機構６６は、ハウジング６９を備え、このハウジング６９の上部外周には、軸受け７０を介して回転自在なプーリ７１が設けられている。ハウジング６９の内部には、垂直方向に筒状のスリーブ７２が嵌めこまれ、スリーブ７２内にはシリンダ７３が嵌入されている。
【００５７】
シリンダ７３の内部にはピストン７４が垂直方向移動自在に設けられ、ピストン７４は、シリンダ７３の上面に設けられたヘッド７５内に圧入されて一体化されている。ハウジング６９の下部には、上面をシリンダ７３の下面と当接させてプラグ７６がねじ込まれており、このプラグ７６に取り付けられた、例えば、高圧チューブで形成される前記内圧用配管３０から、プラグ７６の油孔７６Ａを通り、シリンダ７３の下部に設けられた油室７３Ａに圧油が送られ、ピストン７４を上下方向にスライドさせることができるようになっている。つまり、圧力を掛けることができるようになっている。
ヘッド７５の上端には円錐状の窪み７５Ａが形成されており、この窪み７５Ａ内に鋼球８０が収容されている。
【００５８】
プーリ７１の上面には、ピン状の係合部材８１が設けられ、この係合部材８１は、前記質量伝達手段６５の係合部材６３と係合し、この係合部材６３は質量伝達手段６５の軸体６４と連結されている。従って、プーリ７１の回転は、係合部材８１，６３同士の係合により質量伝達手段６５の軸体６４の回転となり、その回転は鋼球８０に伝達される。鋼球８０には、重錘手段２８の質量が掛かっていることから、大きな力で押さえつけられながら回転することになり、その結果、ヘッド７５と一体となったピストン７４が連れ回りすることになる。
このように、ピストン７４を回転させることで、ピストン７４とシリンダ７３との摩擦を少なくし、感度を向上させるようになっている。
【００５９】
鋼球８０に掛かった重錘手段２８の質量に対して、内圧用配管３０から送られた圧油によりピストン７４が押し上げられ、その圧力と重錘手段２８の質量との釣り合い状態は、質量伝達手段６５の上方のボックス１６に設けられた位置センサ１７で検知され、その情報は、制御手段側に例えばデジタル表示されるようになっている。
【００６０】
スリーブ７２の外周一部には幅広の溝７２Ａが切られ、その溝７２Ａには、シリンダ７３に連通する孔７２Ｂが外周複数箇所にあけられている。また、溝７２Ａには、ハウジング６９の外周に取り付けられた高圧パイプを含み構成された外圧用配管３１から、ハウジング６９内の油孔６９Ａを通って、圧油が送られるようになっており、シリンダ７３に外圧を掛けるようになっている。そして、高圧がかかって膨らもうとするシリンダ７３の膨らみを押さえ、ピストン７４との間隙を調整することができるようになっている。
【００６１】
このようなピストン・シリンダ機構６６は、予め、圧力の異なる複数種が揃えられ、適宜、それらを交換して用いることができるようになっている。
すなわち、面積の異なるピストン・シリンダが設けられた複数のハウジングは、軸受け７０および受台６７に容易に着脱できるようになっている。
各種のピストン・シリンダ機構６６の例としては、図示しないが、例えば、２ｃｍ²、１ｃｍ²、１／２ｃｍ²、１／５ｃｍ²、１／１０ｃｍ²等の面積の異なるピストン・シリンダがハウジング６９内にセットされている。
ここで、１セットの重錘を用いて、２ｃｍ²相当のピストン・シリンダ機構で、例えば、最大５０ＭＰａ発生した場合に、１ｃｍ²では１００ＭＰａ、１／２ｃｍ²では２００ＭＰａ、１／５ｃｍ²では５００ＭＰａ、１／１０ｃｍ²では１ＧＰａの圧力が発生し、ピストン・シリンダの面積に対応する圧力を発生させることができる。
【００６２】
図１における制御手段２７の近傍には、図１１に示すような操作手段を構成する操作卓８５が配置されており、この操作卓８５の上には、制御部に操作信号を送ったり、稼働情報のやり取りを行うタッチパネルやピストンの回転状況を監視するカメラモニタ８６が設置されている。なお、必要に応じて、計測データを処理するパーソナルコンピュータを設置してもよい。操作卓８５の操作側左右には、シリンダ機構６６の内圧側と外圧側の圧力を調整するハンドル８７，８８が図示しない微調整ポンプに接続されている。そして、ハンドル８７，８８を操作することで、ピストン位置を微妙に変化させ、特性の変化を試験することができるようになっている。
【００６３】
図１２には、制御手段２７の構成が示されている。
本圧力標準器２１では、通信ユニット９０、アナログ入力ユニット９１、接点入力ユニット９２、接点出力ユニット９３と、それらを制御するＣＰＵユニット９４からなる前記制御部であるプログラマブルコントローラ２６により、各種機器の操作を行うようになっている。
【００６４】
通信ユニット９０では、タッチパネル９７との操作信号・装置情報のやりとり及び、データベース用コンピュータへのデータの受けわたしを行う。
アナログ入力ユニット９１では、圧力センサ９８の信号の受け取り、増圧器位置センサの信号の受け取り及び、重錘手段２８のピストン・シリンダの位置・回転・温度センサ９９の信号の受け取りを行う。
【００６５】
接点入力ユニット９２では、操作手段８４の押しボタンスイッチ１００、制御手段２７の予圧ポンプの位置検出スイッチ１０１から出る信号の受け取り、ブレーカ等の警報接点信号の受け取り及び、重錘手段２８におけるエアシリンダの位置検出スイッチ１０２の信号の受け取りを行う。
【００６６】
接点出力ユニット９３では、操作手段８４の表示灯１０３、制御手段２７の払い・止め用電磁弁１０４の制御、予圧ポンプの切り換え用電磁弁１０４の制御、油圧ユニット用モータ１０４の制御、重錘手段のエアシリンダの切り換え用電磁弁１０５の制御及び、プーリ７１の回転用モータ１０５の制御を行う。
ＣＰＵユニット９４では、各ユニットを制御するために構築されたラダーシーケンスプログラムにより演算を行う。
【００６７】
また、前記内圧用配管３０および外圧用配管３１に圧油を送る油圧ユニットのポンプは、それぞれ、所定の圧力が発生するように、図示しない圧力制御弁により設定されており、圧力センサと圧力計により制御と監視がされるようになっている。
【００６８】
次に、このような重錘型圧力標準器２１の作用を説明する。
上枠部材４９に設けられた質量伝達手段６５をシリンダ機構６６と係合させて設けた架台２に、順次、２０ｋｇ用重錘４０および１００ｋｇ用重錘４１を、コアロッド６０を順次連結させながら懸架させて取り付ける。この際、架台２を構成する５段の架台フレーム３３にそれぞれエアシリンダ３６〜３８を取り付けるとともに、当該エアシリンダ３６〜３８およびコアロッド６０に支持させて、２０ｋｇ用重錘４０および１００ｋｇ用重錘４１を取り付ける。
【００６９】
検査したい所望の圧力計や圧力センサを内圧用配管３０の途上に取り付け、その圧力計や圧力センサの校正を行う。この際、圧力計が、例えば高圧用のものであれば、その圧力値に相当する重錘を準備する。例えば、５段の架台フレーム３３にすべての重錘を吊り下げたい場合、制御手段により各架台フレーム３３に設けられている２０ｋｇ用重錘４０および１００ｋｇ用重錘４１用のエアシリンダ３６〜３８を駆動させ、それぞれのロッド３６Ａ，３７Ａ，３８Ａを後退させた後、コアロッド６０に係合させて吊り下げる。
【００７０】
重錘手段２８の質量が、質量伝達手段６５からシリンダ機構６６に伝達された時点で、制御手段側からシリンダ７３の油室７３Ａに圧油が送られ、ピストン７４が上昇し、所定の圧力が得られる。この際、重錘手段２８の質量と圧力との釣り合いは、ボックス１６に設けられた位置センサ１７により検出され、制御手段側に例えばデジタル表示される。
【００７１】
検査したい所望の圧力計や圧力センサが、最上段の架台フレーム３３Ｂに設けられる軽量の重錘５０，５１で校正できるような低圧用の場合、その圧力値に相当する重錘を準備する。
まず、５段の架台フレーム３３すべての重錘を、エアシリンダ３６〜３８を駆動させてそれぞれのロッド３６Ａ，３７Ａ，３８Ａを前進させ２０ｋｇ用重錘４０および１００ｋｇ重錘５１を持ち上げ、コアロッド６０との係合を離脱させた状態とする。そして、各エアシリンダ３６等のロック機構１１０を作動させ、ロックピストン１１４をシリンダ３６等の溝３６Ｂに差し込み、ロッド３６Ａが下方向に移動することができないようにロックする。
【００７２】
一方で、最上段の架台フレーム３３Ｂに設けられている各エアシリンダ５３，５４を駆動してそれぞれのロッド５３Ａ，５４Ａを後退させ、全部の重錘５０，５１を重錘プレート４８の係合孔４８Ｂに係合させる。そして、それらの質量が、質量伝達手段６５からシリンダ機構６６に伝達された時点で、制御手段２８からシリンダ機構６６のシリンダ７３の油室７３Ａに圧油が送られ、ピストン７４が上昇し、所定の圧力が得られる。
【００７３】
シリンダ機構６６の圧力と、重錘手段２８側の質量とが釣り合った状態で、校正する所定の圧力計や圧力センサを順次検査する。
【００７４】
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
(1) 重錘手段２８を構成する重錘４０，４１，５０，５１は、それぞれが独立して架台２に懸架され、かつ、エアシリンダ３６〜３８、５３，５４により、それぞれ個別に駆動されるので、重錘を組み込んだ状態でも、必要とする圧力に応じて任意の重錘を加除することができる。従って、任意の圧力値を求めることができ、構成の範囲が広がる。
【００７５】
(2) ５段の各段の架台フレーム３３に、２０ｋｇ用重錘４０および１００ｋｇ用重錘４１を、それら用のエアシリンダ３６〜３８の配置位置をずらして設けたので、各重錘４０等およびエアシリンダ３６等毎に架台フレームを設けた場合と比べて、高さを低くすることができ、重錘手段２８全体の重心も低くなる。従って、装置全体が安定するので、高精度の圧力を発生させることができる。
【００７６】
(3) 重錘手段２８は、５段の架台フレーム３３に設けられた合計１１００ｋｇ用の重錘、および最上段の架台フレーム３３Ｂに設けられた合計２５ｋｇ用の重錘を含んで構成され、所望の圧力に応じて、高圧用、低圧用として使い分けることができ、１台の装置で、低圧から高圧にわたる圧力を得ることができる。
【００７７】
(4) ピストン・シリンダ機構６６のハウジング６９は、面積の異なるピストン・シリンダがセットされたものが複数種あり、それらを適宜選択して交換することができる。従って、圧力に応じた複数の重錘を維持管理する必要がなく、１セットの重錘の保守と特性の維持管理をするだけで、高精度、広範囲の圧力を発生させることができる。
【００７８】
(5) 重錘加除手段を構成する架台フレーム３３に設けられたエアシリンダ３６〜３８は、それぞれ４個で構成されているので、バランスよく重錘４０等を昇降させることができ、正確な圧力を得ることができる。
【００７９】
(6) コアロッド６０は、２つの重錘４０，４１あるいは４１，４１間にわたる長さ寸法に形成され、ねじ結合で連結することができるので、１本の長いコアロッドを使用する場合に比べて、軽量で、取り扱いが容易となる。
(7) エアシリンダ３６〜３８には、ロック機構１１０が設けられているので、常時シリンダに圧力を掛けておく必要もなく、安心してメンテナンスもできる。 (8) 重錘４０，４１，５０，５１の制御を行うエアシリンダ３６〜３８、５３，５４は、一般的な市販のエアシリンダを使用することができるので、重錘加除手段の製作が安価にできる。
【００８０】
次に、図１３に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
この実施形態で前記実施形態と同一部材および同一構造には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
本実施形態の圧力標準器１２１は、重錘手段２８の重錘４０等を自己で校正することができる自己校正式重錘型圧力標準器であり、前記第１実施形態のピストン・シリンダ機構６６を取り外し、それに替えて自己校正手段としての電子式はかり１２２を設け、この電子式はかり１２２により、重錘手段２８の重錘４０，４１，５０，５１の校正を行うものである。電子式はかり１２２は、前記受台６７上に載置され、その上端部には、前記質量伝達手段６５の軸体６４が係合されるようになっている。
【００８１】
そのため、低圧用の重錘５０，５１および高圧用の各段の重錘４０，４１等から任意の重錘を選択して、その重錘の校正を行うことができる。
例えば、最下段の架台フレーム３３Ａに設けられた２０ｋｇ用重錘４０を校正する場合、この２０ｋｇ用重錘４０を除く他のすべての重錘４０，４１，５０，５１を、エアシリンダ３６〜３８、５３，５４の駆動により持ち上げ、負荷がかからない状態にしておいて、スイッチオンして電子式はかり１２２を作動させて校正を行う。
【００８２】
このような本実施形態によれば、前記(5) 〜(8) の効果と同様の効果の他、次のような効果を得ることができる。
(9) 所定の重錘に汚れ等が付着した場合等、その重錘の構成を必要とする際でも、その重錘を分解せずに組み込んだまま電子式はかり１２２により質量校正を行えるので、質量の定期的な校正および保守、管理が容易となり、かつ、正確な測定を短時間で再開することができる。
【００８３】
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できるものであれば、次に示すような変形形態でもよいものである。
例えば、前記実施形態では、高圧用として５段の架台フレーム３３にそれぞれ２０ｋｇ用重錘４０および１００ｋｇ用重錘４１からなるセットを取り付けたが、これに限らない。５段以上でもよく、５段以下でもよい。
【００８４】
また、各架台フレーム３３に取り付ける重錘は、２０ｋｇ用重錘４０、１００ｋｇ用重錘４１の組み合わせに限らず、質量の異なる他の重錘の組み合わせでもよく、さらに、セットも３個の重錘に限らず、２個のセット、４個のセット等任意である。
【００８５】
また、前記実施形態では、最上段の架台フレーム３３Ｂに設けられる低圧用の重錘５０，５１は、一対で１ｋｇの重錘が５組、一対で５ｋｇの重錘が４組設けられているが、これに限らず、一対で１ｋｇ以上、あるいは１ｋｇ以下の重錘とし、それらを５組以上、あるいは５組以下設けてもよく、５ｋｇ以上あるいは５ｋｇ以下の重錘とし、それらを４組以上、あるいは４組以下設けるようにしてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の重錘型圧力標準器によれば、校正する圧力計や圧力センサに対応して、重錘を組み込んだままで制御手段により重錘加除手段を駆動することにより、架台に懸架された多数の重錘の中から任意の重錘が加除される。従って、任意の圧力を発生させることができ、校正の範囲を広げることができる。
【００８７】
また、本発明の他の重錘型圧力標準器によれば、所定の重錘に汚れ等が付着した場合等、その重錘の構成を必要とする際でも、その重錘を分解せずに組み込んだまま自己校正手段により質量校正を行えるので、質量の定期的な校正および保守、管理が容易となり、かつ、正確な測定を短時間で再開することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の重錘型圧力標準器を示す全体図である。
【図２】前記実施形態の重錘型圧力標準器の本体を示す全体図である。
【図３】前記実施形態の重錘手段の一部を示す部分断面図である。
【図４】前記実施形態の重錘手段の一部を示す部分断面図である。
【図５】前記実施形態の重錘手段と重錘加除手段との配置関連を示す平面図である。
【図６】前記実施形態の重錘手段の一部を示す平面図である。
【図７】図６におけるVII ―VII 線に沿った縦断面で負荷がかからない状態を示す図である。
【図８】図６におけるVII ―VII 線に沿った縦断面で負荷がかかった状態を示す図である。
【図９】前記実施形態の重錘加除手段のロック機構を示す縦断面図である。
【図１０】前記実施形態のピストン・シリンダ機構を示す縦断面図である。
【図１１】前記実施形態の操作手段を示す斜視図である。
【図１２】前記実施形態の重錘型圧力標準器の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明に係る第２実施形態の重錘型圧力標準器を示す全体図である。
【図１４】本発明の従来の重錘型圧力標準器を示す縦断面図である。
【図１５】本発明の重錘型圧力標準器の原理を示す図である。
【図１６】本発明の従来の重錘型圧力標準器を示す一部断面の全体図である。
【符号の説明】
２架台
２１重錘型圧力標準器
２２本体
２７制御手段
２８重錘手段
３３架台フレーム
３６〜３８、５３，５４重錘加除手段を構成するエアシリンダ
４０重錘手段を構成する２０ｋｇ用重錘
４１重錘手段を構成する１００ｋｇ用重錘
４７重錘手段を構成する負荷枠
５０重錘手段を構成する２．５ｋｇ用重錘
５１重錘手段を構成する０．５ｋｇ用重錘
６０重錘手段を構成するコアロッド
６５質量伝達手段
６６ピストン・シリンダ機構
８０質量伝達手段を構成する鋼球
１１０ロック機構
１２１重錘型圧力標準器
１２２自己校正手段を構成する電子式はかり

Claims

測定圧力をピストン・シリンダ機構によって力に変換し、この力を重錘に働く重力とつり合わせて測ることにより圧力値を求める重錘型圧力標準器であって、
略平板状の多数の前記重錘を懸架する架台と、
前記多数の重錘を懸架した状態でそれらの重錘のうちから任意の重錘を加除する重錘加除手段と、
この重錘加除手段を駆動して任意の重錘を加除し任意の圧力を発生可能とする制御手段と、を備えて構成されており、
前記架台は、基台と、この基台に立設される複数の柱と、これらの柱の上端にわたって設けられる天板と、前記各柱の高さ方向途中に水平に設けられる複数段の架台フレームとを備えて構成され、
前記重錘加除手段は、前記複数段の架台フレームにそれぞれ独立して駆動可能に設けられる複数のシリンダを含み構成され、
前記複数段の各段の架台フレームには、それぞれ複数の前記重錘が所定間隔を置いて上下に重なる状態に配置されると共に、これら重錘のそれぞれに対して当該重錘の周縁部に係合離脱可能に複数の前記シリンダが設けられ、これらのシリンダは、それぞれの前記重錘に対応する各シリンダ同士が平面視で互いにずれた位置に配設されている
ことを特徴とする重錘型圧力標準器。
請求項１に記載の重錘型圧力標準器において、
前記多数の重錘の中心を垂直方向に貫通するコアロッドを備え、
このコアロッドには、前記シリンダの駆動により上下動する前記重錘の係合部と係合離脱可能となる係合部が形成され、係合時には前記重錘の質量が伝達され、離脱時には前記重錘の質量が伝達されないことを特徴とする重錘型圧力標準器。
請求項２に記載の重錘型圧力標準器において、
前記シリンダには、当該シリンダにより前記重錘を持ち上げ前記コアロッドとの係合を離脱させた状態を維持するロック機構が設けられていることを特徴とする重錘型圧力標準器。
請求項１〜３のいずれかに記載の重錘型圧力標準器において、
前記ピストン・シリンダ機構は、面積の異なるピストンとシリンダとのセットが複数あり、これらのピストン・シリンダ機構は、交換可能となっていることを特徴とする重錘型圧力標準器。
請求項１〜４のいずれかに記載の重錘型圧力標準器の前記ピストン・シリンダ機構に替えて自己校正手段を設け、この自己校正手段により前記多数の重錘を前記架台に懸架した状態で任意の重錘の質量校正を可能とすることを特徴とする重錘型圧力標準器。