JPH0652213B2 - 差圧伝送路 - Google Patents

差圧伝送路

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JPH0652213B2
JPH0652213B2 JP63218361A JP21836188A JPH0652213B2 JP H0652213 B2 JPH0652213 B2 JP H0652213B2 JP 63218361 A JP63218361 A JP 63218361A JP 21836188 A JP21836188 A JP 21836188A JP H0652213 B2 JPH0652213 B2 JP H0652213B2
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chamber
diaphragm
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    • G01L13/00Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は差圧伝送器に係り、特にオリフイス板等により
前後2点間に発生する圧力差を測定する差圧が急激に大
きく変化した場合でも差圧検出ダイアラフラムの破損を
防止するのに好適な構造の差圧伝送器に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
この種の従来の差圧伝送路の構成について第4図によつ
て説明する。同図において、高圧側導入口32aを介し
て被測定圧力Pが、同時に低圧側導入口32bを介し
て被測定圧力Pがそれぞれ受圧ダイアフラム12,1
3に導入されると、それぞれの圧力P,Pは各導通
路16,17を介してセンターダイアフラム4によつて
形成される隔離室41,42に加わる。このとき、セン
ターダイアフラム4は圧力の低い側にふくらみ(P
のときは低圧側にΔVふくらむ)、このふくらみ
ΔVによつて発生する圧力ΔP=P−Pが高,低
圧側導圧路51,52を介して半導体圧力センサの如き
感圧素子6を設けた測定ダイアフラムの表裏に伝達さ
れ、差圧ΔPに相応した電気出力に変換され、その出力
が外部に送出される。
次に、圧力P,Pの差ΔPが大きくなると、センタ
ーダイアフラム4はさらに低圧側にふくらみ、このふく
らみにより感圧素子6の出力も増大する。次いで、圧力
,Pの差ΔPがさらに大きくなると、受圧ダイア
フラム12は、本体部材1の波形部分121に着座す
る。このため、体積移動量ΔVはある程度差圧ΔPが
大きくなると、ΔV→ΔVF・maxなる一定値で停止
し、感圧素子6の出力も同時にある飽和出力状態とな
る。これは一般には、差圧伝送路においては、感圧素子
6には測定範囲を越える過大圧力差が印加される場合が
あるため、この場合でも測定ダイアフラムを破損させな
いようにする保護機構と呼ばれているものであり、構成
上必須の条件である。
上記の原理を数式ならびに第5図にて説明する。差圧を
ΔP=P−Pとし、センターダイアフラム4の圧力
体積定数をΦ、受圧ダイアフラム12,13の圧力体
積定数をΦSh,ΦSl,移動体積量をΔVとすると、 ΔP=P−P=(Φ+2Φ)・ΔV…(1) ここに、ΦSh=ΦSl=Φとする。
となる。(1)式において、ΔVは0≦ΔV≦ΔVF.max
であり、ΔVは測定範囲内の移動液量、ΔVF.max
最大移動液量(過負荷保護時)である。この入力とΔV
とΔEの出力関係は、それぞれ第5図(a),(b)に
示してある。
ところで、上記の動作は、被測定圧力P,Pが静的
に負荷された場合であるが、実際のプラントにおいて
は、P,Pが急激に変化あるいは印加される場合が
あり、このときでも感圧素子6を設けた測定ダイアフラ
ムには許容値以上の差圧がかからないように保護する機
構を有する必要がある。例えば、差圧測定中にプラント
の何らかの条件によつて遮断弁を動作させ、急激に測定
流量を止めると、この測定ラインには急激な圧力上昇が
発生(一般にはウオータハンマ,スチームハンマと呼ば
れる衝撃圧)し、その圧力が差圧伝送器に加わり、しい
ては感圧素子6を設けた測定ダイアフラムを破損に至ら
しめる。このように、圧力P,Pが急激に上昇ある
いは変化した場合には、前述の過負荷保護機能は動作し
なくなるので、測定ダイアフラムを破損に至らしめる。
この大きな理由として、差圧伝送器内の感圧素子6に至
るまでの封入液22の慣性及び抵抗、受圧ダイアフラム
12,13、センターダイアフラム4の慣性、ばね定
数、隔離室41,42、測定室71,72の体積などを
含めた流体−ばねマス系の非定常応答特性が考慮されて
いないため、高圧側,低圧側測定室に至る圧力伝達特性
が異なり、この圧力伝達特性差から生じる過大差圧が感
圧素子6を設けた測定ダイアフラムに印加されることが
上げられる。第6図にその応答特性例を示す。第6図
(a)は通常の過負荷機能が動作した場合の応答波形例
を示したものであり、入力ΔPに対してほぼ一時遅れの
応答特性(定常応答)を示し、ΔEで飽和する。ところ
が、第6図(b)に示すように、入力ΔPが急激に上昇
(衝撃圧)すると、応答の初期の部分に高周波成分を有
する複雑な応答波形(非定常応答)を呈する。この高周
波の応答波形において±ΔEが測定ダイアフラムの耐圧
値以上になると、測定ダイアフラムが破損する。
なお、これに関連する公知例として特開昭60−73426,6
0−73427,60−237337,60−238732号公報がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、被測定圧力P,Pが静的に変化し
た場合の過負荷保護機構のみ配慮されており、P,P
のいずれか一方の急激な上昇または変化した場合の感
圧素子を設けた測定ダイアフラムの破損防止については
配慮されていないため、測定ダイアフラムが破損するこ
とがあるという問題があつた。
本発明の目的は、上記欠点に鑑みてなされたもので、被
測定圧力の急激な上昇または変化に対して感圧素子を設
けた測定ダイアフラムの破損を防止し、信頼性,耐久性
を向上することができる差圧伝送器を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、1つの導通路と隔離室と導圧路と測定室と
を有した第1管路系と、他の1つの導通路と隔離室と導
圧路と測定室とを有した第2管路系にそれぞれの管路系
の形状と体積より決定される管路定数と固有振動数を設
定し、上記第1管路系の隔離室と測定室の管路定数と上
記第2管路系の隔離室と測定室の管路定数とをそれぞれ
の形状と体積により変化させることにより上記第1管路
系の管路定数と上記第2管路系の管路定数を同一化して
圧力伝達特性をそろえ、上記第1,第2管路系の各導通
路と各隔離室の管路抵抗を上記各隔離室と各測定室より
形成される管路定数より少なくとも同等以上に構成して
達成するようにした。
〔作用〕
各受圧ダイアフラム部分に形成される受圧室からそれて
高,低圧側隔離室に至る各導通路の管路抵抗削減は、セ
ンターダイアフラムの応答特性をよくする。それによつ
て各隔離室内には過渡な圧力発生を起こさないようにす
る。さらに、高,低圧側隔離室から高,低圧側測定室に
至る各導圧路の管路定数を一致させることは、各隔離室
からの圧力伝達特性を合致させることができるので、各
測定室に至る時間,位相,振幅の差異を生じないように
できる。それによつて、各測定室内には、過度は過大圧
力が発生することがなく、測定ダイアフラムを破損する
ことがない。
〔実施例〕
以下本発明の一実施例を第1図〜第3図を用いて詳細に
説明する。
第1図は本発明の差圧伝送器の一実施例を示す縦断面図
である。第1図において、1は両側面部を波形形状に形
成してある本体部材で、この本体部材1の両側面部には
可撓性に富んだ高圧側受圧ダイアフラム12と低圧側受
圧ダイアフラム13の周囲が密着固定されている。本体
部材1の波形形状部(受圧ダイアフラム12,13がそ
れぞれ密着するように受圧ダイアフラム12,13の波
形形状と同一の波形形状に形成してある)と各受圧ダイ
アフラム12,13間にはそれぞれ高圧側受圧室14,
低圧側受圧室15が形成されている。本体部材1には、
高圧側導通路16ならびに低圧側導通路17が設けてあ
り、それらの延長上はセンターダイアフラム4によつて
区分された高圧側隔離室41と低圧側隔離室42とにそ
れぞれ連通してある。さらに、センターダイアフラム4
を挾んだ2つの隔離室41,42は、感圧素子6を設け
た測定ダイアフラムによつて区分された高圧側測定室7
1と低圧側測定室72とにそれぞれ連通させるために本
体部材1内に設けた高圧側導圧路51と低圧側導圧路5
2を有する。感圧素子6は、例えば、測定室71と72
との差圧を電気信号に変換する半導体圧力センサであ
り、この出力信号ハーメチツクシールピン8を介して外
部に取り出すようにしてある。
このような構成において、各受圧室14,15、各導通
路16,17、各隔離室41,42、各導圧路51,5
2、各測定室71,72にはそれぞれ封入液22とし
て、例えば、シリコンオイルが封入口18,19より注
入され、シールピン20,21によつて外気と封止され
ている。
前述の各隔離室41,42、各測定室71,72、各導
通路16,17、各導圧路51,52を構成する際に、
特に導通路16,17と導圧路51,52には、管路系
の液体抵抗及び管路定数の選定により管路系の形状なら
びに各室41,42,71,72の容積及びセンターダ
イアフラム4のばね定数が選定され、急激な被測定圧力
,Pの変化及び印加(衝撃圧)があつた場合にも
感圧素子を設けた測定ダイアフラムを破損させないよう
にしてある。以下、その原理と具体例について説明す
る。
第1図に示す差圧伝送器の構造をモデル化すると、第2
図の流体−ばね・マス系の連成系として表現できる。こ
こで、センターダイアフラム4と感圧素子6を含む測定
ダイアフラムは、それぞれ質量m,m、ばね常数k
,k、表面積A,Aとしたばね・マス系とす
る。高,低圧側導通路16,17はそれぞれ内径d
、長さl,l、断面積A,Aの管路で形成
される流体抵抗R,R、流体の慣性抵抗L,L
とする。高,低圧側導圧路51,52は、上述の導通路
16,17と同様に、内径dsh,dsl、長さlsh
sl、断面積Ash,Aslの管路で形成される流体抵抗R
sh,Rsl、流体の慣性抵抗Lsh,Lslとする。高,低圧
側隔離室41,42の体積をそれぞれVch,Vclとし、
高,低圧側測定室71,72の体積をそれぞれVsh,V
slとする。内部に封入されている封入液22の密度を
ρ、体積弾性率をK、粘度をμとする。かかる物理定数
を有する流体−ばね・マス系の連成系において、高圧側
の受圧ダイアフラム12あるいは低圧側の受圧ダイアフ
ラム13あるいは両方の受圧ダイアフラム12,13に
同時に急激な圧力変化(衝撃圧)が印加されたとき、感
圧素子6を有する測定ダイアフラムの両側の高,低圧側
測定室71,72に発生する圧力の差である差圧を調べ
てみる。いま、受圧ダイアフラム12または13に被測
定圧力PまたはPがステツプ状に印加されたとす
る。このとき、受圧ダイアフラム12は低圧側または高
圧側に移動し、導通路16の所定の流量Qを排出する。
この所定の流量Qは隔離室41に吸収され、同時に隔離
室42にも排出され、さらに導通路17に排出される。
一方、隔離室41,42の圧力は、上記流量Qの排出量
によつて決定される。これらの圧力は、一般には導通路
16または17の液体抵抗R、流体の慣性抵抗Lによつ
て決定され、仮にR,L≪R,Lのとき、隔離
室41,42の圧力はその初期段階で同じ値を呈する時
間が長くなる。一方、これらの隔離室41,42に発生
した流量と圧力は、高,低圧側導圧路51,52を介し
て高,低圧側測定室71,72に伝達される。この伝達
は導通路16,17の挙動と同様に各導圧路51,52
の流体抵抗R、流体の慣性抵抗Lと測定室71,7
2の体積Vによつて決まる。仮にRsh,Lsh≪Rsl
slのとき(測定室71,72の体積Vsh,Vslは同
じ)、高圧側導圧路51の方が隔離室41の圧力を早く
伝達することになる。
このように、各測定室71,72の圧力は、すべての構
成要素のパラメータに左右されるので、簡単には算出で
きないため、各要素間で入力−出力関係を求めた伝達関
係を求め、これの個々の伝達関数を組み上げる方法によ
り求める。かかる方法により第2図をブロツク線図化す
ると第3図のように表現できる。
第3図に作成するに当り、構成上または機能上感圧素子
6を有する測定ダイアフラムとセンターダイアフラム4
の質量,ばね定数,表面積の大小関係は、m≫m
≫k,A≫Aとなるため、測定ダイアフラム
は剛性として扱つた。このため、第2図のモデルは、比
較的簡単なブロツク線図で表現でき、一次遅れ要素が2
つと2次遅れ要素が3つと積分要素が2つで表わされ
る。第3図中、T,Tは各導通路16,17の時定
数であり、K,Kのそのゲインであり、 ここに、ν;動粘性係数 で与えられ、K′,K′は封入液22の圧縮率(1
/K)と隔離室41,42の体積Vch,Vclとセンター
ダイアフラム4の表面積Aで決まるゲインであり、 で与えられ、ω,Kはセンターダイアフラム4の固
有振動数とゲインであり、 で与えられ、Ksh,ωnh,S,Ksl,ωnl,ξは各
導圧路51,52と各測定室71,72の体積Vsh,V
slで決定される管路伝達定数であり、 で与えられる。
かかるブロツク線図において、被測定圧力P,または
あるいはP,Pが同時に急激に印加または変化
した場合の各測定室71,72間の圧力差ΔPが第5図
(b)のように高周波成分を含まない応答波形にする条
件を見い出すことにより問題を解決することができる。
解決策としては、第3図のブロツク線図において、各要
素の物理パラメータを変化させて、その要素毎の最適値
を求めればよい。要素毎の最適値を大形計算機により各
種パラメータを変化させ、その応答を検討することによ
り決定することは容易であるが、設計上の指針とはなか
なかなり難い。このため、第3図のブロツク線図をもと
に、簡易的、かつ、高精度の問題解決のアプローチを検
討した。
第2図,第3図のモデル及びブロツク線図において、非
定常の応答特性を決定するには、まず、第1のセンター
ダイアフラムによつて形成される各隔離室41,42の
圧力挙動を明確にすることである。この圧力挙動は、高
圧側及び低圧側隔離室41,42に至る各導通路16,
17の流体抵抗R、流体の慣性抵抗Lと体積により決定
される。これは、高圧側または低圧側のいずれか一方か
らあるいは同時に両側の受圧室14,15から流入する
封入液22をいかに作用側の反対側に早く流出させるか
であり、この流れをよくすることは、センターダイアフ
ラム4の動きを早く正常動作に至らしめ、各隔離室4
1,42に過渡な圧力発生を起こさないことを意味す
る。
従つて、第1には各導通路16,17と各隔離室41,
42で構成される管路系において、その流体抵抗が極力
小さいことが望ましい。しかしながら、一般には、静的
な過負荷保護機能時に受圧ダイアフラム12,13の強
度がある所定の圧力値しかないため、各導通路16,1
7は、所定の流体抵抗を有する形状に設置する必要があ
り、上述の流体抵抗を極力小さくすることには限度があ
るが、次に述べる範囲にあるならば、実用上問題ない。
すなわち、各隔離室41,42に過渡的な圧力が発生し
ても、その圧力を減衰させるだけの流体抵抗値を隔離室
41,42から測定室71,72に至る導圧路51,5
2内に具備させることにより達成できる。前述の各パラ
メータの物理定数よりその条件は、 となる。各条件を満足する各導通路16,17を構成す
れば、前述のように各隔離室41,42内の過渡圧力を
測定室71,72に伝達するのを減衰させることができ
る。さらに、各隔離室41,42内に過渡的圧力が発生
しても、その圧力差を各測定室71,72内に差圧とし
て伝達しないようにすれば、その効果はさらに大きくな
る。以下、その手法について説明する。
高圧側,低圧側隔離室41,42に過渡的圧力P′,
′が発生したとする。これらの圧力P′,P
は高圧側導圧路51,低圧側導圧路52を介して高圧側
測定室71,低圧側測定室72に伝達される。このと
き、各測定室71,72の圧力をそれぞれP″,
″とすると、第3図のブロツク線図より、 となる。上述の関係式において、各隔離室41,42の
圧力をP′=P′(本条件は最悪値となる)とする
と(本条件は過渡圧力の最大値となる)、測定室71,
72間にはP″−P″差圧が発生することになる。
この差圧が感圧素子6を有する測定ダイアフラムの耐圧
値以上になると、測定ダイアフラムが破損する。従つ
て、破損を防止するには、上述の関係式において、その
固有振動数とゲインを全く同一に形成すれば、見掛上の
差圧は発生しないことがわかる。すなわち、上述の関係
式より各導圧路51,52の形状と各測定室71,72
の体積より決定される管路定数(上述の伝達関係)を同
一化する。具体的には各管路系の固有振動数とゲインを
同一化すればよい。この条件式は、 ωnH=ωnl……(15) かつ、 Ksh=Ksl……(16) であり、このとき、(5)〜(10)式の関係より、 となる。
各条件式を満足するように各管路系の形状と体積を決定
することにより、各隔離室41,42に発生した圧力は
感圧素子6を有する測定ダイアフラム上では全く同一の
ため、過大差圧を発生することがないので、破損するこ
とは全くない。
かかる手法により構成した差圧伝送器の具体例を第1図
により説明する。第1図において、感圧素子6を有する
測定ダイアフラムはその構成上、高圧側,低圧側測定室
71,72の体積が異なり、各導圧路51,52の形状
(径,長さ)が異なる。このとき、各導通路16,1
7、各導圧路51,52には管路抵抗,定数が前述の原
理にもとづいて設定される。いま、高圧側導圧路51と
高圧側測定室71と低圧側導圧路52の長さと低圧側測
定室72の体積が決つており、このとき、低圧側導圧路
52の径と各導通路16,17の最小径を決定する。
高圧側導圧路51の内径dsh=3mm、長さlsh=50m
m,低圧側導圧路52の内径dsl,長さlsl=20mm,
高圧側測定室71の体積Vsh=1cc,低圧側測定室72
の体積Vsl=0.1cc、高・低圧側導通路16,17の半
径d,d(ただし、Vch)のとき、低圧側導圧路5
2の内径は、 となり、高・低圧側導通路16,17の最小内径は、 ただし、封入液22の物理常数をK=5000kgf/c
m2,ν=0.3cm2/s,μ=2.9×10−7kgf・s/cm2
とした。
となる。
これらの形状を満足するものは、高圧側,低圧側測定室
71,72に至る管路系の圧力伝達特性が同一に設定さ
れているため、第6図(b)のような非定常の応答とは
ならない。すなわち、例えば、高圧側に急激な圧力変化
(衝撃波)が発生すると、その圧力は受圧室14,導通
路16,隔離室41,導圧路51,測定室71の封入液
22を介して感圧素子6を有する測定ダイアフラムの高
圧側に加えられる。一方、隔離室41の圧力は、同時に
低圧側の隔離室42に発生し、その圧力が導圧路52,
測定室72の封入液22を介して感圧素子6を有する測
定ダイアフラムの低圧側に加えられる。このとき、前述
のように、各導圧路51,52、各隔離室41,42、
各導通路16,17、各測定室71,72の形状,体積
が異なると、それらの管路抵抗または管路常数が異な
り、感圧素子6を有する測定ダイアフラムの高圧側,低
圧側に振幅,位相の異なる圧力が発生し、その圧力差が
測定ダイアフラムの耐圧値以上になると、測定ダイアフ
ラムは破損する。ところが、本発明の実施例では、各導
圧路51,52に各測定室71,72の体積に応じて管
路定数が同一の形状を与えている。さらに、各隔離室4
1,42に発生する圧力を極力減衰できる各導通路1
6,17の形状をも与えている。従つて、感圧素子6を
有する測定ダイアフラムまでの高圧側,低圧側の圧力伝
達速度及び振幅を同一に設定でき、かつ、過渡圧力を極
力減衰できるため、測定ダイアフラムの高圧側と低圧側
に過渡圧力を同時に加えることができるとともに、その
絶対値を小さく押えることができ、測定ダイアフラムに
は過大な圧力差がかかることは発生しなく、破損を防止
できる。
一方、前述の急激な圧力(衝撃波圧力)が低圧側あるい
は高圧側または高圧側,低圧側同時に加えられても、測
定ダイアフラムの高圧側,低圧側に同時に、かつ、減衰
させて加えられるため、測定ダイアフラムを破損するこ
とはない。
なお、本実施例では、低圧側導圧路52の形状を一様な
短管形状として例示してあるが、高圧側導圧路51と同
形状(同径)のものでも、低圧側導圧路51に原理式に
基づく所定の絞りを具備させてもその効果は変らない。
また、本実施例では、高圧側の管路抵抗,定数より低圧
側の導圧路52または導通路17を決定しているが、逆
に低圧側の管路抵抗,定数より原理式に基づいて高圧側
の管路抵抗,定数を決定してもその効果は全く変らな
い。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、急激な圧力上昇
あるいは変化が生じても、感圧素子を有する測定ダイア
フラムの両面にその衝撃圧を位相差なしで同時に伝達で
き、かつ、その圧力を減衰させて伝達できるので、測定
ダイアフラムを破損させることがなく、このため、差圧
伝送器の耐久性の向上,保守性の向上に多大の効果があ
り、さらに、高圧側,低圧側に同期的な圧力変動がある
差圧測定時にもその脈動差圧を位相なしで同時に伝達で
きるので、差圧測定に誤差が発生することがなく、差圧
伝送器の測定精度を向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の差圧伝送器の一実施例を示す縦断面
図、第2図は差圧伝送器の応答特性を求めるためのモデ
ル図、第3図はそのブロツク線図、第4図は従来の差圧
伝送器の構造を模式的に示した縦断面図、第5図は過負
荷保護機能の説明線図、第6図は差圧伝送器の応答例を
示す線図である。 1……本体部材、4……センターダイアフラム、6……
感圧素子、12,13……受圧ダイアフラム、14,1
5……受圧室、16,17……導通路、22……封入
液、41,42……隔離室、51,52……導圧路、7
1,72……測定室。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】本体の両側にそれぞれ周囲を固定された受
    圧ダイアフラムと、該各受圧ダイアフラム間を2つの隔
    離室に分割するように配設されたセンターダイアフラム
    と、該センターダイアフラムにより形成される前記2つ
    の隔離室と前記各受圧ダイアフラムにより形成される受
    圧室とを連通する2つの導通路と、前記2つの隔離室の
    圧力差を電気信号に変換する微小変位形の測定ダイアフ
    ラムに固定された差圧検出素子とを有し、前記測定ダイ
    アフラムによつて仕切られた2つの測定室と前記2つの
    隔離室とをそれぞれ連通する2つの導圧路と、前記それ
    ぞれの受圧室,隔離室,導通路,導圧路,測定室内に充
    填された封入液とを具備する差圧伝送器において、前記
    1つの導通路と隔離室と導圧路と測定室とを有する第1
    管路系と、前記他の1つの導通路と隔離室と導圧路と測
    定室とを有する第2管路系にそれぞれの管路系の形状と
    体積より決定される管路定数と固有振動数を設定し、前
    記第1管路系の隔離室と測定室の管路定数と前記第2管
    路系の隔離室と測定室の管路定数とをそれぞれその形状
    と体積により変化させることにより前記第1管路系の管
    路定数と前記第2管路系の管路定数を同一化して圧力伝
    達特性をそろえ、前記第1,第2管路系の各導通路と各
    隔離室の管路抵抗を前記各隔離室と各測定室より形成さ
    れる管路定数より少なくとも同等以上に構成したことを
    特徴とする差圧伝送器。
  2. 【請求項2】前記各隔離室と各測定室の管路定数と前記
    各導通路と各隔離室の管路抵抗をそれぞれの形状,体積
    に応じて、 で決定づける特許請求の範囲第1項記載の差圧伝送器。
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