JPS5997028A - 圧力検出機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧力測定装置等において圧力検出機構と信号
変換部とで構成されて、流体の圧力を所定の物理量に変
換する圧力変換器等に使用するものであって、広い測定
範囲の圧力に対して該圧力変換器等の機購部品および電
子部品を標準化することのできる圧力検出機構に関する
。

次に説明の便宜上、従来周知となっている圧力検出用ダ
イアフラムの変位検出を静電容量方式によって行なう圧
力検出機構を説明する。

第１図は従来の静電官公式圧力変換器の圧力検出機構の
一例を示す縦断面図である。図において１は直径２Ｒを
有する円形状の開口部２を有する金属製のハウジング、
６は金属製ダイアフラムで、ダイアフラム３はその周縁
がハウジング１に流体密に溶接されて溶接部Ｗ１が形成
されていて、ダイアフラム３が開口部２を塞いだ構成と
なっている。４はハウジング１の内部に固定された電気
絶縁物製の電極台、５は電極台４のダイアフラム６に対
向する面に固定された面積Ｓの円板状の電極であって、
ダイアフラム３と電極５とはは！平行になるように構成
されている。Ｄはダイアフラム３と電極５との間の距離
である。６は電極５の電位をハウジング１の外部に取り
出すために電極台４を貫通させられたリード、７は図示
されていなめ い導圧管と接続するための梅ねじ７ａを内部に有する圧
力導入口であって、圧力導入ロアはその一端面の周縁が
ハウジング１と流体密に溶接されて溶接部Ｗ２が形成さ
れている。８は前述の図示されていない導°圧管によっ
て導かれた圧力測定の対象となる被測定流体である。

第１図の圧力検出機構は以上に説明したように構成され
ているのでダイアフラム３と電極５との間に（１）式で
示される静電容ｆｆ１Ｏが存在する〇ＫＳ ゎ　　　　　　　　・・・・・・（１）Ｃ−ε　・　□ ここにεはダイアフラム６と電極５との間に存在する誘
電体の誘電率、Ｋは比例定数、ＫＳは静電容ｆｆ１Ｏを
形成する電極としてのダイアフラム３および電極５の有
効面積である。今、ダイアフラム乙に被測定流体８の圧
力Ｐが圧力導入ロアを介して加えられると、ダイアフラ
ム６の中心が（２）式で表される△Ｄだけ変位するので
静電容量Ｃが△Ｃだけ変化する。

ここにνおよびＩはそれぞれダイアフラム３を構成する
材料のポアソン比および縦弾性係数、Ｈはダイアフラム
３の厚さであって、（２）式は周囲を固定された半径Ｒ
の円板に等分布荷重Ｐが作用した時の該円板の最大変位
を求める公式にもとづくものである。したがって、従来
、この静電容量の変化△Ｃをリード６と図示されていな
いダイアフラム６に接続されたリードとを介して図示さ
れていない電子回路を有する信号変換部に導いて、前記
被測定流体８の圧力Ｐに相当する電気信号に変換して該
圧力Ｐの測定が行なわれている。前記の圧力Ｐに相当す
る電気信号は、圧力測定系等の各種測定系統の合理化を
はかるために通常使用されているような、たとえば、圧
力Ｐが測定範囲の基準の状態すなわち０％のときは直流
４？３Ａで、圧力Ｐが測定範囲のフルスケールの状態す
なわち１００％のときは直流２０ｍＡであるような統一
電流信号である。

次に従来の圧力検出機構の欠点を説明する。

以上の説明で明らかなように、被測定圧力Ｐが変化する
とダイア−７ラムの変位△Ｄならびに静電容量の変化△
Ｃが変化する。したがって圧力検出機構を第１図の構成
のま＼にしておいて、被測定圧力Ｐの異なるフルスケー
ルに対して統一信号２０ｍＡをうるためには、該圧力Ｐ
の異なるフルスケールごとに前述の図示されていない信
号変換部の電子回路の構成を変更する必要があることに
なる。

しかしながらこのような圧力Ｐのフルスケールが異なる
ごとに信号変換部の電子回路を構成することは使用部品
の種類や人手の増加を必要とし１このため該信号変換部
の製作費の高庇を招いて不適当である。また圧力Ｐのフ
ルスケールがあまりに小さすぎると△Ｃが小さいために
信号変換部での信号変換が困難となり、圧力Ｐのフルス
ケールがあまりに大きすぎると△Ｄがダイアフラム６の
弾性限界を越えるので、いずれの場合も正確な圧力測定
を期し難い。このため適当な変位△Ｄを得るために、（
２）式かられかるように、圧力Ｐのフルスケールに応じ
てその都度Ｒしたがってハウジング１等の第１図の構成
を変えることもまた圧力検出機構の製作費の上昇をもた
らすことになる。

このため従来、第１図の圧力検出機構と図示されていな
い信号変換部とからなる圧力変換器のコストダウンをは
かるために、°圧力Ｐのフルスケールが異なってもでき
るだけ共通の部品を使用する努力がなされており、一般
に（１）式のε、　Ｋ　、　Ａ。

ＤならびにＤの変化分△Ｄが、圧力Ｐの異なるフルスケ
ールに対しても共通になるように第１図の圧力検出機構
が構成されている。第１図の検出機構がこのように構成
されると圧力Ｐの異なるフルスケールに対して静電容量
Ｃおよびその変化分△Ｃは共通になるので、信号変換部
は圧力Ｐのフルスケールが異なっても一種類製作すれば
よく、該変換部のコストダウンが可能になる。ところで
（２）式から明らかなように、フルスケールの圧力Ｐの
如何にかかわらずダイアフラム６の変位△Ｄを一定にす
るためには開口部２の半径凡ならびにダイアフラム３の
厚さ■を変える必要がある。そこで従来は半径Ｒを一定
にしてハウジング１等を共通化し、フルスケールの圧力
Ｐに応じて厚さＨを変えることが行なわれている。この
ため、圧力Ｐのフルスケールの大きい高圧用の圧力検出
機構では、（２）式によってダイアフラム３の厚さＨを
必然的に厚くせざるを得ないことになる。

従来ダイアフラム３の素材としては耐食性等を考慮して
ステンレス鋼板が使用されており、板厚が１ｒｎＩｎ以
下の場合は希望する板厚でかつ板厚精度の良い素材ステ
ンレス鋼板が比較的容易に入手できるが、板厚が１闘を
越えると市販品の種類が少ないために希望する板厚のス
テンレス鋼板の入手が困難であって、また所望の板厚の
ものが入手できても板厚精度が悪いのが通例である。こ
のため高圧用の圧力変換器を製作する際は、圧力検出機
構のダイアフラムを除く機構部品や信号変換部の電子部
品のすべての部品の仕様を、フルスケールの圧力の小さ
い低圧用の圧力変換器の部品仕様と一致させることが不
可能で、該高圧用の圧力変換器専用の部品を製作せざる
を得す、この結果、従来高圧用の圧力変換器は製作に長
期間を要し製作コストが高くなるという欠点があった。

本発明は、上述の欠点を除去して広いフルスケール範囲
の測定圧力に対して機構部品および電子部品等を標準化
して共通に使用できるようにし、その結果高圧用の圧力
変換器は勿論、中低圧用を含むほとんどすべての測定範
囲にわたる圧力変換器のコストダウンを可能にする圧力
検出機構を得ることを目的とするものであって、この目
的は圧力検出用ダイアフラムを複数枚のダイアフラムの
重ね合わせ構造とすることによって達成される。

次に本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第２図は本発明による静電容量式圧力変換器の圧力検出
機構の一実施例の縦断面図、第６図は第２図におけるダ
イアフラム９の構成を示す模式図である。第２図および
第３図において第１図と同一の部分または同一の意味を
有する部分には同一の符号が付しである。第２図および
第３図において、９１．９２はそれぞれ第１．第２のダ
イアフラム、Ｈｌ、Ｈ２はそれぞれ第１．第２のダイア
フラム９１　．９２の厚さであって、該ダイアプラム９
１　．９２は重ね合わされた状態で共に周縁でハウジン
グ１に電子ビーム溶接されて溶接部Ｗ１が形成されてい
る。このためダイアフラム９１と９２との間は真空状態
となっていて、該ダイアフラム９１と９２とは一体とな
ってひとつのダイアフラム９が形成されていることにな
る。９３はハウジング１．圧力導入ロア、溶接部Ｗ１か
らなるダイアフラム乙の固定部である。

次に第２図および第３図の圧力検出機構の機能を説明す
る。

第１図のダイアフラム３は、その中心が圧力Ｐによって
（２）式で示される△Ｄだけ変位する。

この時半径Ｒ１の円板の受ける全圧力はπＲ２・Ｐであ
る。故にこの半径孔の円板は（２）式を用いて（３）式
で表されるばね定ｉ　Ｉ（を有するコイルスプリングと
等価であると考えることができる。

したがって第２図および第６図の第１および第２のダイ
アフラム９１．９２の材質が第１図のダイアフラム３と
同じであるとし、該ダイアフラム９１゜９２のそれぞれ
と等価なコイルスプリングのばね定数をそれぞれＫｌ　
ｐ　Ｋ２とすると（４）式が得ダイアフラム９１　．９
２は、圧力Ｐが加えられると同一の変位が発生するので
、はね定数Ｋｌ、に２を有する二個の等価コイルスプリ
ングの並列結合と考えることができ、このためダイアフ
ラム９１゜９２を厚さＨｔを有する一枚のダイアフラム
９と見た場合の等価コイルスプリングのばね定数をＫｔ
とすると、（４）式から（５）式が成立し、したかって
（５）式および（３）式から（６）式が成立する。

今ダイアフラム９１　．９２のそれぞれの厚さを同一の
厚さＨ６とすると（６）式から（７）式が得られる。

Ｈｏ／ｍ１＝（２）ｇ中０．７９　　　　・・・・・・
（７）すなわち、ダイアフラムに圧力Ｐを加えた場合に
、一枚構造のダイアフラムに発生する変位と同一の変位
を生ずる二枚重ね合わせ構造の構成要素ダイアフラムの
厚さは、その構成要素ダイアプラムノ各々の厚さが同一
であるとすると、一枚構造のダイアフラムの厚さの約８
０％となる。

第２図および第３図の検出機構においては重ね合わせ構
造のダイアフラム９の要素ダイアフラムを２枚としたが
、本発明は該要素ダイアフラムの枚数が２枚に限られる
ものではなく、・ダイアフラム９を同一の厚さＨｎを有
するＮ枚の要素ダイア１ ７ラムの重ね合わせ構造とすると傷４．＝Ｃｎ）　８と
なるので、本発明の実施に際しては、要素ダイアフラム
の枚＠Ｎは、入手の容易な要素ダイアプラム用のステン
レス鋼板の厚さＨｎと、ダイアフラムの所定の変位△Ｄ
から定まる一枚構造のダイアフラムの厚さＨｌとから決
定されるものであって、またある圧力Ｐに対して一枚構
造のダイアフラムに発生する変位と同じ変位を生じさせ
るために必要な重ね合わせｒ４造の要素ダイアフラムの
厚さ■７は、一枚＄１９　Ｍのダイアフラムの厚さＨｔ
に対して要素ダイアフラムの枚数Ｎが多くなる程薄くて
よいことになる。なお、以上の実施例の説明は静電容量
式の圧力検出機構について行なったが、本発明は圧力検
知用ダイアフラムを複数枚の要素ダイアフラムの重ね合
わせ構造としたことを特徴とするものであるから、本発
明の適用対象は前記静電容量式の圧力検出機構に限られ
るものではなく、圧力検知用ダイアフラムを介して行な
うストレンゲージや光学的な手段による圧力検出機構に
もそのま＼適用できるものである。

次に本発明の詳細な説明する。

以上に説明したように、本発明においては圧力検出機構
の圧力検知用ダイアプラムを複数枚のダイアプラムの重
ね合わせ構造としたので、一定のダイアフラムの変位−
に対して重ね合わせ構造の要素ダイアプラムの厚さは、
従来一枚構造のダイアフラムの場合に必要としていた厚
さよりも薄くてよいことになる。このため高圧用の圧力
変換器を製作する場合でも、重数の入手容易な薄いステ
ンレス鋼板を購入して重ね合わせ構造のダイアフラムを
製作できるので、広範囲のフルスケールの圧力変換器に
対して、信号変換部や圧力検出機構のへウジングならび
に要素ダイアフラム等多くの電子部品および機構部品の
標準化が可能で、圧力変換器を測定圧力のフルスケール
の如何にか＼わらず短期間でかつ安価に製作できる効果
がある。

なお、本発明は以上に説明したような構成を有するもの
であるから適用対象が単なる圧力変換器に限定されるも
のではなく、本発明は差圧変換器。

液位変換器等のダイアプラムを用いて圧力検出を行なう
各種の変換器にも適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ静電容量式圧力変換器の
圧力検出機構の従来の一例を示す縦断面図、第２図は本
発明による一実施例の縦断面図、第３図は第２図におけ
るダイアフラム９の構成を示す模式図である。 各図ニおいて、１ニア１ウジング、２：開口部、３ｔ９
ｔ９１ｅ９２：ダイアフラム、５：夕゛イアフラム６ま
たは９の変位を検出する手段としての電極、Ｐ：流体の
圧力０ 才１図 才２図 才３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）圧力検出用ダイアフラムを複数枚のダイアフラムの
   重ね合わせ構造としたことを特徴とする圧力検出機構。