JPH0416729B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は低圧側および高圧側の両被測定流体の
差圧を検出しその差圧に応じた電気信号を出力す
る差圧伝送器の改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

先ず、第１図を参照して従来の差圧伝送器を説
明する。高圧側被測定流体が流入する流入口１ａ
を有するフランジ１と、低圧側被測定流体が流入
する流入口２ａを有するフランジ２とは、それぞ
れ受圧ダイアフラム３および４を介してケーシン
グ５，６および７に密着固定されている。このケ
ーシング５，６，７の受圧ダイアフラム３，４側
には、それぞれ受圧ダイアフラム座３Ａ，４Ａが
形成されている。また、ケーシング５，６，７の
フランジ１，２との接続部は、シール部材８によ
つて液密にシールされている。また、前記ケーシ
ング５，６間には、中間ダイアフラム９が介在さ
れている。そして、この中間ダイアフラム９と前
記受圧ダイアフラム３とによつて第１の圧力室１
０が形成されており、この第１の圧力室１０内に
は圧力伝達媒体１２が充填されている。同様に中
間ダイアフラム９と前記受圧ダイアフラム４とに
よつて第２の圧力室１１が形成されており、この
第２の圧力室１１内には圧力伝達媒体１２が充填
されている。また、前記ケーシング７内には感圧
素子１３が設けられており、この感圧素子１３
は、それぞれ連通孔１４，１５を介して第１の圧
力室１０および第２の圧力室１１から圧力伝達媒
体１２を介して伝達される差圧を検知して電気信
号に変換し、リード線１６を介して外部に出力す
る構成となつている。

従つて、高圧側より流入口１ａを介して圧力Ｐ
１が、同時に低圧側より流入口２ａを介して圧力
Ｐ２（ただしP1＞P2とする）が供給されると、
それぞれ受圧ダイアフラム３，４および圧力伝達
媒体１２を介して感圧素子１３および中間ダイア
フラム９に前記圧力Ｐ１，Ｐ２が加わる。そし
て、中間ダイアフラム９は低圧側にたわみ、感圧
素子１３は前記圧力Ｐ１とＰ２の差圧を感知し、
この差圧に応じた出力信号を外部に出力する。

次に、前記圧力Ｐ１とＰ２との差がさらに大き
くなつた場合には前記中間ダイアフラム９はさら
に低圧側にたわみ、このたわみによつて圧力伝達
媒体１２，１２が移動した容積分だけ受圧ダイア
フラム３，４も低圧側にたわむ。前記圧力Ｐ１と
Ｐ２の差がさらに大きくなると、受圧ダイアフラ
ム３は受圧ダイアフラム座３Ａに着座する。従つ
て、これ以上差圧が大きくなつても受圧ダイアフ
ラム３は移動不可能であるために圧力伝達媒体１
２にもそれ以上の圧力が伝達されないことにな
る。これは、前記感圧素子１３に検出範囲があ
り、この検出範囲を越えた差圧が感圧素子１３に
加わると感圧素子１３が破壊する恐れがあるの
で、検出範囲を越えた差圧が感圧素子に加わらな
いように保護しようとするものである。

受圧ダイアフラム３が受圧ダイアフラム座３Ａ
に着座したときの差圧（以後は過圧保護作動圧力
と称する）は、受圧ダイアフラム３の硬さと、受
圧ダイアフラム３，４と受圧ダイアフラム座３
Ａ，４Ａとでそれぞれ囲まれた空〓部２０（以
後、第１の空〓部２０と称する）の容積に依存し
ている。この第１の空〓部２０の容積は、前記受
圧ダイアフラム３，４が前記圧力伝達媒体１２の
周囲温度変化に伴う膨脹あるいは収縮により移動
するために変化し、それによつて過圧保護作動圧
力が変化てしまう。一般に、例えば半導体感圧素
子の場合は、測定範囲の最大差圧と破壊差圧との
比が１：３〜１：６程度と小さいために前記過圧
保護作動圧力の温度による変化率を使用温度範囲
内で多くとも±50％以内に抑える必要があつた。

以下、この圧力変化率を±50％とした根拠につ
いて説明する。以上のように最大差圧ど破壊差圧
との比が１：３〜１：６程度としたが、これは常
温（例えば25℃）での圧力の変化率であるが、温
度変化による差圧変動があつても前記変化率の範
囲に納まつていなければならない。すなわち、使
用温度範囲が例えば−50℃〜100℃であると仮定
し、常温にて差圧が最大差圧を越えてダイアフラ
ムが着座している場合であつても、温度が100℃
まで変化したときに破壊差圧を越えてはならず、
逆に温度が−50℃まで変化したときには最大差圧
以下、つまり正常測定域まで下がらないことが必
要である。何んとなれば、破壊差圧を越えたとき
には半導体感圧素子が破壊してしまい、一方、正
常測定域まで下がつた場合には誤測定となつてし
まうためである。そのためには、流体体積、つま
り流体圧力が温度変化に比例することから、中心
温度である常温25℃において最大差圧と破壊差圧
との中間差圧にあつて受圧ダイアフラムが着座す
るように設定したとき、使用温度範囲内において
圧力変化率が±50％以内に抑える必要があり、そ
の値を越えれば上述した不具合が生じてくる。

そこで、従来は第１の空〓部２０の容積を大き
くとることにより、過圧保護作動圧力の温度によ
る変化率を小さく抑えていた。

〔背景技術の問題点〕

上記構成によると、第１の空〓部２０の容積を
大きくすることは、中間ダイアフラム９の移動量
を大きくしてそれによつて中間ダイアフラム９に
加わる応力を大きくすることになる。その結果、
ヒステリシスが増大し過大差圧印加後の出力に誤
差が生じてしまうという不具合があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的とするところは、過圧保護作動圧
力の温度による変化率を小さくし、かつ、中間ダ
イアフラムに作用する応力を小さくすることによ
り、ヒステリシスの低減化を図り、これによつて
過大差圧印加後の出力誤差を小さくし全使用温度
範囲内で安定した測定を実現する差圧伝送器を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明による差圧伝送器は、ケーシングと、こ
のケーシングを挟むようにしてそれぞれ密着固定
され被測定流体が流入する流入口を有する一対の
フランジと、この一対のフランジと前記ケーシン
グとの間に設けられた一対の受圧ダイアフラム
と、この一対の受圧ダイアフラム間のケーシング
内に設けられた中間ダイアフラムと、この中間ダ
イアフラムと前記一対の受圧ダイアフラムとの間
にそれぞれ形成された第１および第２の圧力室
と、この第１および第２の圧力室間のケーシング
内に設置され第１および第２の圧力室の圧力差を
検出して電気信号に変換して出力する所定の過大
差圧の印加によつて破壊する感圧体とを備えた差
圧伝送器において、高圧側の前記受圧ダイアフラ
ムとこの高圧側受圧ダイアフラムに対向するケー
シング面であるダイアフラム座とで囲む第１の空
〓部の容積をV₁、前記中間ダイアフラムとこの
中間ダイアフラムに対向する低圧側に位置するケ
ーシング面であるダイアフラム座とで囲む第２の
空〓部の容積をV₂、前記中間ダイアフラムとこ
の中間ダイアフラムに対向する高圧側に位置する
ケーシング面であるダイアフラム座とで囲む容積
およびそれ以外の高圧側に属する圧力伝達媒体が
充填される容積からなる第３の空〓部の容積を
V₃としたとき、これら第１ないし第３の空〓部
の容積V₁、V₂およびV₃の間には、1.5V₁≦V₂≦
2V₁およびV₃≦3.7V₁なる関係が満足するように
前記第１ないし第３の空〓部を形成した構成であ
る。

すなわち、V₁を小さくし、かつ、V₂およびV₃
が1.5V₁≦V₂≦2V₁およびV₃≦3.7V₁を満足する
ように構成することにより過圧保護作動圧力の温
度による変化を小さくする構成である。

従つて、過圧保護作動圧力の温度による変化を
小さくすることができ、確実に±50％以内に抑え
ることができる。そして、V₁を小さくすること
により中間ダイアフラムの移動量を抑制し、それ
によつて中間ダイアフラムに加わる応力を小さく
することができ、これによつてヒステリシスを低
減させ、過大差圧印加後の出力誤差を小さくする
ことができる。さらに、全体の圧力伝達媒体の体
積が小さくなるので、体積膨脹或いは収縮量が小
さくなり、温度誤差、静圧誤差が小さくなり安定
した測定を行うことができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について第２図を参照
して説明する。高圧側被測定流体が流入する流入
口１０１Ａを有するフランジ１０１と、低圧側被
測定流体が流入する流入口１０２Ａを有するフラ
ンジ１０２とは、それぞれ受圧ダイアフラム１０
３および１０４を介してケーシング１０５に密着
固定されている。また、このケーシング１０５に
は、それぞれ受圧ダイアフラム座１０３Ａ，１０
４Ａが形成されている。そして、ケーシング１０
５のフランジ１０１，１０２との接続部は、シー
ル部材１０８によつて液密にシールされている。
そして、前記ケーシング１０５には中間ダイアフ
ラム１０９が介在されている。この中間ダイアフ
ラム１０９と前記受圧ダイアフラム１０３とによ
つて第１の圧力室１１０が形成されており、この
第１の圧力室１１０内にはシリコーン油等からな
る圧力伝達媒体１１２が充填されている。同様に
中間ダイアフラム１０９と前記受圧ダイアフラム
１０４とによつて第２の圧力室１１１が形成され
ており、この第２の圧力室１１１内には圧力伝達
媒体１１２が充填されている。また、前記ケーシ
ング１０５内には、感圧体としての半導体感圧素
子１１３が感圧素子取付け基台１１７を介して取
付けられている。この感圧素子取付け基台１１７
には中継基板１１８が設置されている。

そして、図示左側の流入口１０１Ａから導入さ
れる高圧は、受圧フランジ１０３、第１の圧力室
１１０、連通孔１１４を通つて半導体感圧素子１
１３の図示右側側面部に与えられ、一方、図示右
側の流入口１０２Ａから導入される低圧は、受圧
ダイアフラム１０４、連通孔１１５、第２の圧力
室１１１を通つて半導体感圧素子１１３の図示左
側面部に与えられる。従つて、半導体感圧素子１
１３は、圧力伝達媒体１１２を介して第１の圧力
室１１０および第２の圧力室１１１の圧力の差圧
を検出して電気信号に変換した後、中継基板１１
８およびリード線１１６を介して外部に出力する
構成となつている。また、受圧ダイアフラム１０
３と受圧ダイアフラム座１０３Ａとで囲む空〓部
１２０、受圧ダイアフラム１０４と受圧ダイアフ
ラム座１０４Ａとで囲む空〓部１２０（以後、第
１の空〓部１２０と称する）の容積V₁は、小さ
く構成されており１c.c.となつている。そして、中
間ダイアフラム１０９の両面にそれぞれ対向する
ケーシング１０５面はそれぞれ所定の空〓を有し
て中間ダイアフラム１０９に合つた形状に形成さ
れている。これは、中間ダイアフラム１０９とこ
の中間ダイアフラム１０９に対向する低圧側に位
置するケーシング面であるダイアフラム座とで囲
む第２の空〓部１２１（以後、第２の空〓部１２
１と称する）の容積をV₂を大きくし、 1.5V₁≦V₂≦2V₁ を満足させるためである。

さらに、前記中継基板１１８とケーシング１０
５との間には絶縁部材１１９が充填されている。
これは、前記中間ダイアフラムとこの中間ダイア
フラムに対向する高圧側に位置するケーシング面
であるダイアフラム座とで囲む容積およびそれ以
外の高圧側に属する圧力伝達媒体が充填される容
積からなる空〓部１２２（以後、第３の空〓部１
２２と称する）の容積V₃をできるだけ大きくし、 V₃≦3.7V₁ を満足させるためである。

因みに、例えば高圧側における第１の空〓部１
２０の容積V₁は第３図ａに示す黒塗り部分に相
当し、第２の空〓部分１２１の容積V₂は第３図
ｂに示す黒塗り部分に相当し、また第３の空〓部
１２２の容積V₃は第３図ｃに示す黒塗り部分に
相当する。

次に、上記２つの条件である1.5V₁≦V₂≦2V₁、
V₃≦3.7V₁の背景について説明する。圧力伝達媒
体１１２の体膨脹係数をβ、温度変化をΔTとす
ると、容器の膨脹を無視するとすれば第１の空〓
部１２０の容積V₁の温度変化による変化量ΔV
は、 ΔV＝（V₁＋V₂＋V₃）・β・ΔT ……(A) で表される。（ただし、このとき受圧ダイアフラ
ム１０３，１０４の硬さは、中間ダイアフラム１
０９の硬さに比べて極めて大きく、総ての空〓部
に充填されている圧力伝達媒体１１２の温度変化
による体積変化分は、総て受圧ダイアフラム１０
３，１０４の移動で吸収されるものとする。） 従つて、第１の空〓部１２０の変化率をεとす
ると、前記式(A)より ε＝ΔV／V₁ ＝｛１＋（V₂＋V₃）／V₁｝・β・ΔT ……(B) で表される。シリコーン油からなる圧力伝達媒体
１１２の体膨脹係数βは１×10^-3（CC／CC／℃）
程度であり、ΔTは差圧伝送器の使用温度範囲が
−50℃〜100℃とするとその中心温度、つまり常
温（25℃）からの最大の変化巾は75℃である。従
つて、前記式(B)においてβ・ΔTは、 β・ΔT＝１×10^-3×75＝7.5×10^-2 となり、 ε＝｛１＋（V₂＋V₃）／V₁｝×7.5×10^-2……(C) となる。この(C)式において仮にV₂＋V₃がほぼ０
であつてもεは0.075となり7.5％の容積変化が生
ずる。ここで第２の空〓部１２１の容積V₂は、
中間ダイアフラム１０９の移動量分の容積を有す
る必要があるのでV₂＞V₁である必要がある。ま
た仮にV₂＋V₃＝V₁としても前記式(C)よりεは
0.15となり15％の容積変化が生ずることになる。
そして、前述したように過圧保護作動圧力の変化
幅は約±50％以内に抑える必要がある。従つて、
前記式(C)より 0.5＝｛１＋（V₂＋V₃）／V₁｝ ×7.5×10^-2 ……（C′） となり、この（C′）より ｛（V₂＋V₃）／V₁｝≦5.7 ……(D) に設定する必要がある。また、V₂は原理的に V₂≧1.5V₁ ……(E) である必要があり、この条件を満足できない場合
には、過圧保護機能が総ての使用温度範囲で満足
できなくなる。またV₂の上限をV₂≦2V₁とする
と前記(E)式より 1.5V₁≦V₂≦2V₁ ……（E′） となる。この式（E′）のV₂を前記式(D)に代入し
て消去し、V₁とV₃との関係を求めると、 V₃≦3.7V₁ ……(F) となる。以上の理由から第２の空〓部１２１の容
積V₂を1.5V₁≦V₂≦2V₁とし、第３の空〓部１２
２の容積V₃をV₃≦3.7V₁としたのである。

さらに、式1.5V₁≦V₂≦2V₁なる関係とした根
拠について具体的に説明する。受圧ダイアフラム
１０３の受けた圧力は、中間ダイアフラム１０９
を変位させ、第２の圧力室１１１の体積を圧縮さ
せる。このとき、第１の空〓部１２０の容積V₁
と第２の空〓部１２１の容積V₂とが等しい場合、
圧力が所定量を越えると、両ダイアフラム１０
３，１０９はそれぞれダイアフラム座に同時に着
座するが、V₁＞V₂の場合には中間ダイアフラム
１０９が先に着座してしまい、感圧素子１１３に
過大圧力の印加を許してしまう。従つて、V₁と
V₂とは少なくとも最低限V₁≦V₂の関係になけれ
ばならず、しかも100℃の温度変化の場合でも、
第２の空〓部１２１の容積V₂はV₁の温度変化に
よる膨脹を吸収しなければならないので、＋50％
とする必要がある。ゆえに、最終的にはV₁とV₂
の関係は1.5V₁≦V₂が下限条件となる。一方、上
限は、過大圧力防止印加の意味からすれば上限な
しといえる。しかし、小型、軽量を達成するため
には、1.5V₁≦V₂の条件を満足しつつ必要最小限
の容積とする必要がある。そこで、本発明では、
その上限を2V₁としたが、これはダイアフラムの
材質、加工、取付け等により個々にバラツキが生
じる最小公倍数として求めたものであつて、V₂
≦2V₁とすることにより通常の工程で製造した製
品であれば十分に前記バラツキを吸収可能なもの
である。従つて、当該上限は理論上から求めたも
のでなく、経験的な観点から求めたものであり、
特に小型、軽量化を達成するための必要条件であ
る。

次に、V₃≦3.7V₁の根拠は前記条件の上限であ
るV₂＝2V₁を前記(D)式に代入して求めたものであ
る。

すなわち、第１の空〓部１２０の容積V₁を１
c.c.以下とする。そして、ケーシング１０５の中間
ダイアフラム１０９との対向面は中間ダイアフラ
ム１０９の形状に合わせた波形とすることにより
第２の空〓部１２１の容積V₂を1.5V₁≦V₂≦2V₁
を満足させるようにし、さらに中継基板１１８と
ケーシング１０５との間に絶縁部材１１９を充填
させて第３の空〓部１２２の容積V₃をV₃≦3.7V₁
を満足させるようにした構成である。

従つて、過圧保護作動圧力の温度による変化を
小さくすることができ、確実に±50％以内に抑え
ることができる。そして、第１の空〓部１２０の
容積V₁を小さくすることにより中間ダイアフラ
ム１０９の移動量を抑制することができ、それに
よつて中間ダイアフラム１０９に加わる応力を小
さくしヒステリシスを低減させ、過大差圧印加後
の出力誤差を小さくすることができる。さらに、
全体の圧力伝達媒体の体積が小さくなるので体積
棒脹或いは収縮量が小さくなり温度誤差、静圧誤
差が小さくなり安定した測定を行うことができ
る。

なお、V₂およびV₃が前記２つの条件1.5V₁≦
V₂≦2V₁、V₃≦3.7V₁を満足するように構成する
には前記実施例以外にも種々の方法が考えられ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、高圧側の
受圧ダイアフラムとこの高圧側受圧ダイアフラム
に対向するケーシング面であるダイアフラム座と
で囲む第１の空〓部の容積をV₁、前記中間ダイ
アフラムとこの中間ダイアフラムに対向する低圧
側に位置するケーシング面であるダイアフラム座
とで囲む第２の空〓部の容積をV₂、前記中間ダ
イアフラムとこの中間ダイアフラムに対向する高
圧側に位置するケーシング面であるダイアフラム
座とで囲む容積およびそれ以外の高圧側に属する
圧力伝達媒体が充填される容積からなる第３の空
〓部の容積をV₃としたとき、これら容積V₁，V₂
およびV₃が1.5V₁≦V₂≦2V₁およびV₃≦3.7V₁を
満足するように構成することにより、過圧保護作
動圧力の温度による変化を小さくする構成であ
る。 従つて、過圧保護作動圧力の温度による
変化を小さくでき、確実に±50％以内に抑えるこ
とができる。そして、V₁を小さくすることによ
り中間ダイアフラムの移動量を抑制しそれによつ
て中間ダイアフラムに加わる応力を小さくし、こ
れによつてヒステリシスを低減化させて過大差圧
印加後の出力誤差を小さくできる。さらに、全体
の圧力伝達媒体の体積が小さくなるので体積膨脹
或いは収縮量が小さくなり、ひいては温度誤差、
静圧誤差を小さくでき、全使用温度範囲内で安定
した測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の差圧伝送器の構成を示す断面
図、第２図は本発明の一実施例を示す差圧伝送器
の断面図、第３図ａ〜ｃは差圧伝送器の各空〓部
の容積を説明する図である。 １０１，１０２……フランジ、１０１Ａ，１０
２Ａ……流入口、１０３，１０４……受圧ダイア
フラム、１０５……ケーシング、１０９……中間
ダイアフラム、１１０……第１の圧力室、１１１
……第２の圧力室、１１３……半導体感圧素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ケーシングと、このケーシングを挟むように
   してそれぞれ密着固定され被測定流体が流入する
   流入口を有する一対のフランジと、この一対のフ
   ランジと前記ケーシングとの間に設けられた一対
   の受圧ダイアフラムと、この一対の受圧ダイアフ
   ラム間のケーシング内に設けられた中間ダイアフ
   ラムと、この中間ダイアフラムと前記一対の受圧
   ダイアフラムとの間にそれぞれ形成された第１お
   よび第２の圧力室と、この第１および第２の圧力
   室間のケーシング内に設置され第１および第２の
   圧力室の圧力差を検出して電気信号に変換して出
   力する所定の過大差圧の印加によつて破壊する感
   圧体とを備えた差圧伝送器において、 前記圧力室の一方の一部であつて前記受圧ダイ
   アフラムとこの受圧ダイアフラムに対向するケー
   シング面であるダイアフラム座とで囲む第１の空
   〓部の容積をV₁、前記圧力室の他方の一部であ
   つて前記中間ダイアフラムとこの中間ダイアフラ
   ムに対向するケーシング面であるダイアフラム座
   とで囲む第２の空〓部の容積をV₂、前記圧力室
   の一方であつて前記第１の空〓部の容積V₁およ
   び前記第２の空〓部の容積V₂以外の容積からな
   る第３の空〓部の容積をV₃としたとき、これら
   第１ないし第３の空〓部の容積V₁，V₂およびV₃
   の間には、1.5V₁≦V₂≦2V₁およびV₃≦3.7V₁な
   る関係が満足するように前記第１ないし第３の空
   〓部を形成することを特徴とする差圧伝送器。 ２ 第１の空〓部の容積V₁が１c.c.以下であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の差圧
   伝送器。