JP7012359B2 - ブルドン管を内蔵する圧力計 - Google Patents

Description

本発明は、圧力計に関し、特に、Ｃ型ブルドン管等のブルドン管を内蔵する圧力計に関する。

圧力計として、ブルドン管を利用したものが広く採用されている。ブルドン管のうち、Ｃ型ブルドン管は、垂直断面が楕円形または扁平形の管で、垂直断面の中心点を軸方向に結ぶことにより形成される中心軸が半円形に曲げられており、一方の先端は密閉され、他方の開放端は被測定体内に連通している。このため、被測定体の内圧の変化に比例してＣ型ブルドン管が変形し、被測定体の内圧が高くなると、管の断面は円形に近づこうと膨張し、このため曲げられた管は直線に近づこうと変形する。
一方、内圧が低くなると管は元の形に戻ろうとし、管の弾性力と内圧の両者がバランスしたところで変形が停止する。
この変形によるブルドン管先端の変位量または変位するための力（以下、「変位量」という。）は管内の圧力変化、すなわち被測定体の内圧の変化にほぼ比例するので、変位量を計測することで、被測定体の内圧を計測することができる。変位量の計測手法として、歪みゲージを用いる方法や振動子の共振周波数を用いる方法などがある。

特許文献１には、ブルドン管の可変端部に、同一種のブルドン管を点対称となるよう接合するとともに、その他端部を固定することにより、温度変化に伴う熱変形の影響を打ち消すことが記載されている。
非特許文献１には、圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響を相殺するため、市販されている水晶振動式圧力センサを用い、ブルドン管を上向き設置したときの計測と、下向き設置したときの計測を個別に行い、両計測値の平均値を採用することが記載されている。

特開昭５７－１３３３１号公報

「圧力媒体の種類による気体高圧力用圧力計の校正値への影響とその低減方法」、飯泉英昭、梶川宏明、小畠時彦（２０１７年８月３１日～９月１日 第３４回センシングフォーラム）

ブルドン管先端の変位量を水晶振動子の共振周波数で測定する水晶振動式圧力センサによる圧力計測では、気体圧力の校正として、窒素やヘリウムを用いるが、校正後の圧力センサは用途によって様々な圧力媒体の測定に利用される。発明者らは、圧力センサの校正値には、圧力媒体の種類に応じて無視ができない程度の差を生じることを発見した。
発明者らの分析によると、感圧素子であるブルドン管内部の圧力媒体質量により生じる重力は、密度の異なる窒素とヘリウムで相違し、ブルドン管の変形に影響を与え、出力値に違いが生じていることが判明した。

さらに、圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響は、ブルドン管の変形方向と重力の向きの関係で異なるので、圧力センサの設置姿勢の校正値への影響を調べたところ、同じ圧力媒体にもかかわらず、設置姿勢により校正値が異なる結果が得られた。
すなわち、上向き設置と下向き設置では、校正値に最大で10 kPa程度の差が生じた。水平設置の場合、校正値は圧力導入口の中心軸周りの回転角度に対して正弦関数で変化する結果が得られた。

圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響を相殺するには、非引用文献１に示されているように、ブルドン管を上向き設置したときの計測値と下向き設置したときの計測値を個別に取得し、両者の平均値を採用することが考えられる。
しかし、圧力センサの設置姿勢を１８０°変更した状態で２回の計測を行い、両計測結果の平均値を採用する方法は、初期設定を含め計測に要する時間が２倍となり、実際の圧力測定の現場では困難である。

そこで、２台の圧力センサを使用し、一台をブルドン管が上向きとなるように設置し、他方をブルドン管が下向きとなるように設置して、同時に計測を行い、両者の計測値の平均値を採用することが考えられる。
しかし、これらのブルドン管の回転角度の組み合わせによっては、垂直設置から傾いた場合や水平設置にした場合には、平均値によっても影響を相殺することができないケースがある。例えば水深計としてこのようなものを使用する場合などでは、一定の姿勢を維持することが難しく、平均値によっても圧力計測値が姿勢によって影響を受け、正しい計測値を得ることが困難となってしまう。

なお、特許文献１には、測定用ブルドン管に、温度補償用ブルドン管を同一平面内で点対称に接合することが記載されているが、温度補償用ブルドン管は専ら測定用ブルドン管の温度変形に伴う応力を相殺するためのもので、被測定流体が導入されることはなく、圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響についてはなんら考慮されていない。
そこで、本発明の目的は、圧力媒体の質量や、ブルドン管の設置姿勢に影響を受けることなく、正確な圧力計測を実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の圧力計では、ブルドン管を内蔵する圧力計であって、２つのブルドン管を、各ブルドン管の垂直断面における中心点を軸方向に結ぶことにより形成される中心軸（以下、単に「ブルドン管の中心軸」という。）が点対称となるように配置するとともに、計測対象の圧力を、両ブルドン管のそれぞれに同時に印加し、両圧力計の計測値を平均化したものを、ブルドン管の点対称中心点における圧力計測値とする。

本発明によれば、二つのＣ型ブルドン管の中心軸が点対称となるように配置されているので、両圧力計の出力値を平均することで、圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響が相殺され、圧力媒体の種類によらず同じ圧力計測値を得られる。また、どのような設置姿勢であっても、影響が相殺されるため、正確な圧力計測が可能となる。

図１は、Ｃ型ブルドン管による圧力計測の概略を示す図である。 図２は、Ｃ型ブルドン管の先端が直線状管部の下方にある場合と上方にある場合の比較図である。 図３は、実施例に基づく圧力計の一例を示す図である。 図４は、実施例に基づく圧力計の他の例を示す図である。 図５は、２本のブルドン管を端部で一体化した例を示す図である。 図６は、両ブルドン管の点対称中心点の位置に、両ブルドン管と導通する圧力配管の圧力開放口を配置した例を示す図である。 図７は、従来の圧力計を用いてブルドン管を上向き設置あるいは下向き設置し場合の計測結果と、本発明の圧力計を用いた場合の計測結果を比較した表である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

図１に示すＣ型ブルドン管１では、円弧状に屈曲した円弧部状管部１ａの先端部は密閉されている。円弧部状管部１ａの他端は、直線状管部１ｂに連なっており、その端部の開放端から圧力媒体の窒素等が流入し、計測対象の圧力Ｐが印加されると、ブルドン管の断面が円形に近づくように膨らむ。このため、円弧部状管部１ａが直線に近づくよう変形し、その先端が直線状管部１ｂから離れることになる。前述のように、この変位量が計測対象の圧力にほぼ比例することから、この変位量をひずみゲージや水晶振動子等の変換部２を用いて計測する。

図２（ａ）に示すように、円弧部状管部１ａの端部が、重力方向からみて直線状管部の下方にある場合、円弧部状管部の変位量は計測対象の圧力によるものに加え、圧力媒体の重力によるものが加算される。一方、図２（ｂ）に示すように、円弧部状管部の端部が、重力方向からみて直線状管部の上方にある場合、円弧部状管部の変位量は、計測対象の圧力によるものから、圧力媒体の重力によるものが減算される。

そこで、本実施例では、図３に示すように、同一仕様のＣ型ブルドン管を２つ組み合わせ、圧力媒体入力側の両端部を連通させるとともに、両ブルドン管の中心軸が点対称となるように配置する。
これにより、図３において、右側のブルドン管では、円弧部状管部の変位量に圧力媒体の重力によるものが加算されたものとなり、左側のブルドン管では、円弧部状管部の変位量に圧力媒体の重力によるものが減算されたものとなる。
したがって、両者の出力値の平均値を求めることで、圧力媒体の重力による影響が相殺され、両ブルドン管の点対称中心点における正確な圧力計測値を得ることができる。

圧力計を図３のように組み合わせたものに限らず、両ブルドン管の中心軸が点対称となるように配置されていれば、図４に示すように垂直に設置しても、垂直から傾いた姿勢に設置してもよい。
さらに、図５に示すように、同一仕様の２つのブルドン管を両ブルドン管の中心軸が点対称となるように両端部で一体化し、計測圧力Ｐを同時に印加するようにしてもよい。

より高精度な測定のためには、圧力開放状態での計測値を補正する必要がある。すなわち、圧力開放状態の計測値をより高精度に求めるには、圧力開放口と計測位置の高さの差を測定し、その高さの差による圧力差を補正する必要がある。
そこで、図６に示すように、両ブルドン管の点対称中心点の位置に、両ブルドン管と導通する圧力配管の圧力開放口を配置することで、圧力開放口と圧力計測位置が同じ点となるため、高さの差の測定及び圧力差の計算が不要になる。
また、通常は姿勢が変動した場合には圧力開放口と計測位置の高さの差が変化してしまうが、ブルドン管の点対称中心点に圧力開放口を配置しておけば、圧力計測値は姿勢の変動に影響を受けることがない。

このように、両ブルドン管の中心軸が点対称となるように配置されていれば、重力方向に対しどのように傾斜したとしても、圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響は正負が異なる同一絶対値となり、平均値を採ることにより高レベルで相殺され、圧力媒体の種類や設置姿勢によらず同じ圧力計測値を得られるため、圧力計測の精度を飛躍的に高めることが可能となる。
具体的には、図７で示すように、圧力センサＡと圧力センサＢそれぞれの計測値は、上向き設置の時と下向き設置の時では最大で8 kPa程度の差が生じていたが、両ブルドン管の中心軸が点対称となるように配置し、平均値を採ることで、これを1 kPa程度に低減できることが確認された。

なお、実施例ではＣ型ブルドン管を用いたが、Ｃ型ブルドン管に限らず、スパイラル型ブルドン管、ヘリカル型ブルドン管など、さまざまな形態、材質のブルドン管を利用してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、２つのブルドン管がどのような姿勢になっても、圧力媒体の質量がブルドン管の変形に与える影響は相殺され、圧力媒体の種類による影響、ブルドン管の設置姿勢による影響を受けないので、プラントなど産業現場で利用されている各種の圧力媒体用圧力計や、設置姿勢の制御が困難な水深計や海底調査用圧力計など、さまざまな用途に採用されることが期待できる。

１：Ｃ型ブルドン管 １ａ：円弧部状管部 １ｂ：直線状管部
２：変換部

Claims (3)

1. ブルドン管を内蔵する圧力計であって、
   ２つのブルドン管を、両者の中心軸が点対称となるように配置するとともに、計測対象の圧力を、両ブルドン管のそれぞれに同時に印加し、両圧力計の計測値を平均化したものを、前記ブルドン管の点対称中心点における圧力計測値とすることを特徴とする圧力計。
2. 前記２つのブルドン管の一端部どうしを一体化し、計測対象の圧力を導入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載された圧力計。
3. 請求項１または２に記載された圧力計を用いた圧力計測システムであって、
   前記ブルドン管の点対称中心点の位置に、両ブルドン管と導通する圧力配管の圧力開放口を設置することを特徴とする圧力計測システム。
   

Images