JPS5838739B2 - pressure gauge - Google Patents

pressure gauge

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JPS5838739B2
JPS5838739B2 JP209079A JP209079A JPS5838739B2 JP S5838739 B2 JPS5838739 B2 JP S5838739B2 JP 209079 A JP209079 A JP 209079A JP 209079 A JP209079 A JP 209079A JP S5838739 B2 JPS5838739 B2 JP S5838739B2
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JP
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circuit
vibrator
vibration
signal
pressure
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JP209079A
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元善 安藤
恭一 池田
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Works Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被測定圧力(差圧を含む)を振動子に直接又
は間接的に与え、そのときの固有振動数から被測定圧力
を求めるような構成の圧力計に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a pressure gauge configured to directly or indirectly apply a pressure to be measured (including differential pressure) to a vibrator and obtain the pressure to be measured from the natural frequency at that time. It is something.

従来のこの種の圧力計は、振動子周囲の流体密度の値に
よってその出力信号が大きく変化する。
In conventional pressure gauges of this type, the output signal varies greatly depending on the fluid density around the vibrator.

このため、測定対象となる流体の種類は同一密度のもの
に限られていた。
For this reason, the types of fluids to be measured are limited to those with the same density.

また、流体密度が温度によって大きく変化するため、一
定温度の測定雰囲気中でのみ使用可能という問題もあっ
た。
Furthermore, since the fluid density varies greatly depending on the temperature, there is also the problem that it can only be used in a measurement atmosphere at a constant temperature.

本発明の目的は、上記問題を解決すること、すなわち、
あらゆる密度の流体を測定対象とすることができる圧力
計を実現することにある。
The purpose of the present invention is to solve the above problems, namely:
The objective is to realize a pressure gauge that can measure fluids of any density.

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。The present invention will be described in detail below using the drawings.

第1図は本発明に係る圧力計の受圧部分の一実施例を示
す断面、第2図は第1図のXX1断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the pressure receiving portion of a pressure gauge according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.

第1図および第2図において、1は段部11を有する段
付容器でなる振動子である。
In FIGS. 1 and 2, reference numeral 1 denotes a vibrator made of a stepped container having a stepped portion 11. In FIG.

この振動子1には中心軸にそってあけられた穴12によ
って、薄肉円筒部13およびこれに連続した厚内円筒部
14が形成されている。
In this vibrator 1, a thin cylindrical portion 13 and a thick inner cylindrical portion 14 continuous thereto are formed by a hole 12 drilled along the central axis.

また、振動子1の段部11付近の厚肉円筒部14には外
周面から内壁付近にまで達する三つの座ぐり穴15〜1
7が、一定角度(900)ずつ離れて形成されている。
In addition, the thick cylindrical portion 14 near the stepped portion 11 of the vibrator 1 has three counterbore holes 15 to 1 extending from the outer peripheral surface to near the inner wall.
7 are formed spaced apart by a constant angle (900).

2,3は座ぐり穴15.16の底面に取付けられた振動
検出用圧電素子、4は座ぐり穴17の底面に取付けられ
た駆動用圧電素子である。
2 and 3 are vibration detection piezoelectric elements attached to the bottoms of the counterbore holes 15 and 16, and 4 is a drive piezoelectric element attached to the bottom of the counterbore holes 17.

6はボディ、7は振動子1とボディ6との間をシールす
るO IJソング8は振動子1とボディ6とを結合する
ボルトである。
6 is a body, 7 is an OIJ song 8 that seals between the vibrator 1 and the body 6, and a bolt that connects the vibrator 1 and the body 6.

ボデ゛イ6には、振動子1内に通ずる圧力導入口61が
設けられている。
The body 6 is provided with a pressure introduction port 61 that communicates with the inside of the vibrator 1.

第3図は振動子1のような円筒状振動子の代表的な振動
周波数−ゲイン特性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing typical vibration frequency-gain characteristics of a cylindrical vibrator such as vibrator 1.

この特性は、振動子の駆動および振動検出をそれぞれ一
個の圧電素子で行い、駆動用圧電素子への印加電圧に対
する振動検出用圧電素子(常に最大振幅が得られるよう
な位置にはられている)の比をデシベル表示しゲインと
したものである。
This characteristic is achieved by using a single piezoelectric element to drive the vibrator and detect vibration, and the piezoelectric element for vibration detection (which is always placed at a position where the maximum amplitude can be obtained) in response to the voltage applied to the driving piezoelectric element. The ratio is expressed in decibels and is defined as the gain.

なお、以後の説明においては、第1図および第2図の振
動子1は、この第3の特性を有するものとする。
In the following description, it is assumed that the vibrator 1 shown in FIGS. 1 and 2 has this third characteristic.

第3図のA、B、C,D、Eは、それぞれ面内振動モー
ドが3次、4次、2次、5次、6次で軸方向の振動モー
ドが共に1次の場合のゲインを示している。
A, B, C, D, and E in Figure 3 are the gains when the in-plane vibration mode is 3rd, 4th, 2nd, 5th, and 6th, and the axial vibration mode is 1st, respectively. It shows.

第4図は、第1図および第2図に示した本発明装置の全
体構成の一実施例を示す図である(第1図および第2図
と同一部分には同一符号を付して説明を省略する)。
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of the overall configuration of the device of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 (the same parts as in FIGS. ).

図において、60.70はそれぞれ圧電素子2,3の出
力信号を受けるチャージアンプ、80.90はチャージ
アンプ70の出力信号に一定値をかける係数回路、10
0はチャージアンプ60および係数回路80の出力信号
を加算する加算回路、110はチャージアンプ60の出
力信号から係数回路90の出力信号を引く9算回路であ
る。
In the figure, 60.70 is a charge amplifier that receives the output signals of the piezoelectric elements 2 and 3, 80.90 is a coefficient circuit that applies a constant value to the output signal of the charge amplifier 70, and 10
0 is an adder circuit that adds the output signals of the charge amplifier 60 and the coefficient circuit 80, and 110 is a 9 arithmetic circuit that subtracts the output signal of the coefficient circuit 90 from the output signal of the charge amplifier 60.

また、120 、130は約6KHz以下の周波数の信
号を通すローパスフィルタ、140゜150はそれぞれ
ローパスフィルタ120,130の出力信号を受は振幅
一定の電圧を出力するアンプである。
Further, 120 and 130 are low-pass filters that pass signals having a frequency of about 6 kHz or less, and 140 and 150 are amplifiers that receive the output signals of the low-pass filters 120 and 130, respectively, and output a voltage with a constant amplitude.

160はアンプ140,150の出力電圧のいずれかを
選択して圧電素子4に加えるスイッチ、170,180
はそれぞれアンプ140゜150の出力信号を受けその
周波数に対応した電圧を出力する変換回路である。
160 is a switch that selects either the output voltage of the amplifiers 140, 150 and applies it to the piezoelectric element 4; 170, 180;
are conversion circuits that receive the output signals of the amplifiers 140 and 150, respectively, and output voltages corresponding to the frequencies of the signals.

この変換回路170゜180はホールド機能をも有して
いる。
This conversion circuit 170.degree. 180 also has a hold function.

190は変換回路170,180の出力信号を受けて被
測定圧に対応した信号を出力する演算回路である。
190 is an arithmetic circuit that receives the output signals of the conversion circuits 170 and 180 and outputs a signal corresponding to the pressure to be measured.

200は制御回路で、スイッチ160を一定時間毎に交
互に切換えるとともに、スイッチ160を切換える直前
における変換回路170,180の値をホールドさせる
ものである。
A control circuit 200 alternately switches the switch 160 at regular intervals and holds the values of the conversion circuits 170 and 180 immediately before switching the switch 160.

スイッチ160がアンプ140側に接続された場合には
、圧電素子2〜4、チャージアンプ60,70、係数回
路80、加算回路100、ローパスフィルタ120、お
よびアンプ140が振動子1を振動させる駆動部Aを威
す。
When the switch 160 is connected to the amplifier 140 side, the piezoelectric elements 2 to 4, the charge amplifiers 60 and 70, the coefficient circuit 80, the addition circuit 100, the low-pass filter 120, and the amplifier 140 act as a drive unit that vibrates the vibrator 1. Intimidate A.

また、スイッチ160がアンプ150側に接続された場
合には、圧電素子2〜4、チャージアンプ60,70、
係数回路90、引算回路110、ローパスフィルタ13
0、およびアンプ150が、振動子1を振動させる駆動
部Bを威す。
In addition, when the switch 160 is connected to the amplifier 150 side, the piezoelectric elements 2 to 4, the charge amplifiers 60 and 70,
Coefficient circuit 90, subtraction circuit 110, low pass filter 13
0 and the amplifier 150 drive the drive section B that vibrates the vibrator 1.

上記駆動部Aおよび振動子1でなる閉ループ上の一点か
ら出た信号と、この信号が一巡して戻った信号との間に
は、4次の振動モードについての信号分に関して、はと
んど位相のずれがないように構成されている。
Between the signal output from one point on the closed loop consisting of the drive unit A and the vibrator 1, and the signal returned after completing one cycle, there is almost no signal for the fourth-order vibration mode. It is constructed so that there is no phase shift.

また、駆動部Bおよび振動子1でなる閉ループ上の一点
から出た信号と、この信号が一巡して戻った信号との間
には、2次の振動モードについての信号分に関して、は
とんど位相のずれがないように構成されている。
Furthermore, there is a huge gap between the signal output from one point on the closed loop consisting of the drive unit B and the vibrator 1 and the signal returned after completing one cycle of the signal for the second-order vibration mode. It is constructed so that there is no phase shift.

ローパスフィルタ120 、130を通過し得る信号と
しては、2次および4次の振動モードの他に3次および
5次の振動モードのものがあるが、2次および4次の振
動モードにおける場合と3次および5次の振動モードに
おける場合では、圧電素子4の駆動に関して圧電素子2
の出力が逆極性になる。
Signals that can pass through the low-pass filters 120 and 130 include 3rd and 5th vibration modes as well as 2nd and 4th vibration modes; In the case of the next and fifth vibration modes, the piezoelectric element 2 is
output has reverse polarity.

このため、3次および5次の振動モードにおける信号分
は、圧電素子4にほとんど正帰還されない。
Therefore, almost no signal components in the third and fifth vibration modes are positively fed back to the piezoelectric element 4.

したがって、定常動作状態(ここではスイッチ160を
アンプ140側に接続した場合での定常動作状態につい
て述べる)においては、チャージアンプ60.70から
次に示す信号VatVbが出力される。
Therefore, in a steady operating state (here, a steady operating state in which the switch 160 is connected to the amplifier 140 side will be described), the following signal VatVb is output from the charge amplifier 60.70.

上記係数回路80の具体的構成は、チャージアンプ70
の出力信号にrn2/rn□なる値(m2とm6とハ同
一モードの信号分であるからこの比は一定といえる)を
かけるようになっている。
The specific configuration of the coefficient circuit 80 is as follows:
The output signal of is multiplied by a value of rn2/rn□ (since m2 and m6 are signals of the same mode, this ratio can be said to be constant).

したがって、加算回路100の出力信号■。Therefore, the output signal of the adder circuit 100 is ■.

は次のようになる。ただし に:係数回路80の係数値(m2/m′2)この(2)
式で示される■cは4次の振動モードのみに対応した信
号である。
becomes as follows. However: Coefficient value of coefficient circuit 80 (m2/m'2) (2)
■c shown in the formula is a signal corresponding only to the fourth-order vibration mode.

そして、この■。に対応した信号Veがアンプ140か
ら圧電素子4に加えられる。
And this ■. A signal Ve corresponding to is applied from the amplifier 140 to the piezoelectric element 4.

したがって、この状態においては、振動子1は4次の振
動モードで確実に振動する(このことは(1)式中のr
n2 + rn’2がほぼ零に等しいことを意味する)
Therefore, in this state, the vibrator 1 reliably vibrates in the fourth vibration mode (this means that r in equation (1)
(meaning that n2 + rn'2 is approximately equal to zero)
.

次にスイ、ツチ160がアンプ150側に接続された状
態について説明する。
Next, a state in which the switch 160 is connected to the amplifier 150 side will be explained.

このときのチャージアンプ60.70の出力信号Vat
Vbは、(1)式と係数回路90の具体的構成は、チャ
ージアンプ70の出力信号にm4olm4o′なる値(
m4oとrn40’とは同一モードの信号弁であるから
この比は一定といえる)をかけるようになっている。
At this time, the output signal Vat of the charge amplifier 60.70
Vb is determined by equation (1) and the specific configuration of the coefficient circuit 90, which gives the output signal of the charge amplifier 70 a value of m4olm4o' (
Since m4o and rn40' are signal valves in the same mode, this ratio can be said to be constant.

したがって、引算回路110の出力信号Vdは次のよう
になる。
Therefore, the output signal Vd of the subtraction circuit 110 is as follows.

ただし、 k′:係数回路90の係数値(m40 / m4ol)
この(4)式で示されるVdは2次の振動モードのみに
対応した信号である。
However, k': coefficient value of coefficient circuit 90 (m40 / m4ol)
Vd shown by this equation (4) is a signal corresponding only to the second-order vibration mode.

そして、このVdに対応した■fのアンプ150から圧
電素子4に加えられる。
Then, the voltage is applied to the piezoelectric element 4 from the amplifier 150 of f corresponding to this Vd.

したがって、この状態においては、振動子1は2次の振
動モードで確実に振動する(このことは(3)式のm4
o2m4o′がほぼ零に等しいことを意味する)。
Therefore, in this state, the vibrator 1 reliably vibrates in the second-order vibration mode (this means m4 in equation (3)
(meaning that o2m4o' is approximately equal to zero).

したがって、スイッチ160の切替によって、振動子1
は2次又は4次の振動モードで交互に振動していること
になる。
Therefore, by switching the switch 160, the vibrator 1
is vibrating alternately in the second-order or fourth-order vibration mode.

この状態における振動子1の2次、4次の振動モードに
おける固有振動数をそれぞれf2.f4とすれば次式が
成り立つ。
The natural frequencies of the second and fourth vibration modes of the vibrator 1 in this state are f2. If f4 is set, the following formula holds true.

この(5)式からρXを消去しPについて整理すると次
式を得ることができる。
By eliminating ρX from equation (5) and rearranging for P, the following equation can be obtained.

ここで、αI、α2′、C2′、β2’ l C4’
、β4は一定であるから、A、B、C,D、Eを定数と
すれば、(6)式は次のようになる。
Here, αI, α2', C2', β2' l C4'
, β4 are constant, so if A, B, C, D, and E are constants, equation (6) becomes as follows.

5つの異なる圧力(基準圧力)Pを与えそのときの振動
数f4.f2(アンプ140,150の出力信号Ve、
Vfの周波数に対応している)を求めれば、容易にA、
B、C,D、Eの値を決定することができる。
Five different pressures (reference pressure) P are applied and the vibration frequency at that time is f4. f2 (output signal Ve of amplifiers 140, 150,
Corresponding to the frequency of Vf), it is easy to obtain A,
The values of B, C, D, and E can be determined.

したがって、この方法によりA、B。C,D、Eをあら
かじめ求めておけば、被測定圧力印加時の振動数f2.
f4から(7)式に基づき被測定圧力の大きさを測定
することができる。
Therefore, A, B by this method. If C, D, and E are determined in advance, the frequency f2. when the pressure to be measured is applied.
From f4, the magnitude of the pressure to be measured can be measured based on equation (7).

この演算を行うのが演算回路190である(変換回路1
70.180の出力信号はf4.f2に対応した値とな
っている)。
The arithmetic circuit 190 performs this calculation (conversion circuit 1
The output signal of 70.180 is f4. (The value corresponds to f2).

この構成の圧力計は、流体密度の影響を受けない(7)
式に基づき、被測定圧力Pを求めるものである。
A pressure gauge with this configuration is not affected by fluid density (7)
The pressure to be measured P is determined based on the formula.

このため、原理的に、流体密度ρXの変化に起因する誤
差が生じない。
Therefore, in principle, errors due to changes in the fluid density ρX do not occur.

なお、上記の説明においては、振動子に力を加えたりそ
の歪を検出したりするのに、座ぐり穴内に取付けられた
圧電素子を用いた例を示したが、圧電素子をこのような
位置に必ずしも取付ける必要はないし、また圧電素子以
外のものを用いても構成できる。
In addition, in the above explanation, an example was shown in which a piezoelectric element installed in a counterbore hole was used to apply force to a vibrator and detect its strain. It is not necessarily necessary to attach the piezoelectric element to the piezoelectric element, and it is also possible to use something other than a piezoelectric element.

また、振動検出用に複数の圧電素子を用い、加算回路、
演算回路およびフィルタでもってモードリジェクション
を行った例を示したが、振動子の特性によっては、一つ
の圧電素子の出力信号を二種のフィルタを通すだけで、
特定モードの信号を得られる場合もある。
In addition, multiple piezoelectric elements are used for vibration detection, and an adding circuit,
We have shown an example in which mode rejection is performed using an arithmetic circuit and a filter, but depending on the characteristics of the vibrator, it is possible to simply pass the output signal of one piezoelectric element through two types of filters.
In some cases, a signal of a specific mode can be obtained.

当然のことながら振動モードを2次および4次以外に選
択しても、同様の効果が得られる。
Naturally, the same effect can be obtained even if the vibration mode is selected to be other than secondary and quartic.

また、振動数f2.f4に関する(5)式も近似式であ
るから、より高精度のものを得るには、(5)式より正
確なf2.f4に関する近似式を用いるようにすれば良
い。
Also, the frequency f2. Since equation (5) regarding f4 is also an approximate equation, in order to obtain a higher precision, f2. An approximate expression regarding f4 may be used.

以上説明したように、本発明によれば、流体密度の影響
を受けない圧力計、すなわち、あらゆる密度の流体を測
定対象とすることができる圧力計を実現することができ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a pressure gauge that is not affected by fluid density, that is, a pressure gauge that can measure fluids of any density.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に係る圧力計の受圧部分の一実施例を示
す断面図、第2図は第1図のXX′ 断面図、第3図
は円筒状振動子の代表的な特性図、第4図は本発明装置
の全体構成の一実施例を示す図である。 1・・・振動子、2,3・・・振動検出用圧電素子、4
・・・駆動用圧電素子、6・・・ボテイ、7・・・Oリ
ング、8・・・ボルト、60.70・・・チャージアン
プ、80゜90・・・係数回路、100加算回路、11
0・・・引算回路、120,130・・・フィルタ、1
40,150・・・アンプ、160・・・スイッチ、1
70,180・・・変換回路、190・・・演算回路、
200・・・制御回路。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the pressure receiving part of the pressure gauge according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along XX' in FIG. 1, and FIG. 3 is a typical characteristic diagram of a cylindrical vibrator. FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of the overall configuration of the device of the present invention. 1... Vibrator, 2, 3... Piezoelectric element for vibration detection, 4
... Drive piezoelectric element, 6... Body, 7... O-ring, 8... Volt, 60.70... Charge amplifier, 80°90... Coefficient circuit, 100 addition circuit, 11
0... Subtraction circuit, 120, 130... Filter, 1
40,150...Amplifier, 160...Switch, 1
70, 180... Conversion circuit, 190... Arithmetic circuit,
200...control circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 被測定圧力が与えられる円筒状振動子と、この円筒
状振動子を振動させる駆動手段と、前記円筒状振動子の
振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段から
の信号を入力し前記駆動手段を介して円筒状振動子を一
定の振動−E−)で振動させる第1の回路手段と、前記
振動検出手段からの信号を入力し前記駆動手段を介して
円筒状振動子を他の振動モードで振動させる第2の回路
手段と、前記第1の回路手段と第2の回路手段とを交互
に動作させるための制御回路と、前記一定の振動モード
における固有振動数に対応した信号と前記性の振動モー
ドにおける固有振動数に対応した信号を入力し所定の演
算を行なって前記被測定圧力に関連した信号を出力する
演算回路とを具備した圧力計。
1. A cylindrical vibrator to which a pressure to be measured is applied, a driving means for vibrating this cylindrical vibrator, a vibration detecting means for detecting the vibration of the cylindrical vibrator, and a signal from the vibration detecting means is input. a first circuit means for vibrating the cylindrical vibrator at a constant vibration -E-) via the drive means; a second circuit means for vibrating in a vibration mode; a control circuit for alternately operating the first circuit means and the second circuit means; and a signal corresponding to the natural frequency in the certain vibration mode. and a calculation circuit that inputs a signal corresponding to the natural frequency in the vibration mode, performs a predetermined calculation, and outputs a signal related to the pressure to be measured.
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