KR840001177B1

KR840001177B1 - 압력계

Info

Publication number: KR840001177B1
Application number: KR1019800000222A
Authority: KR
Inventors: 쿄오이찌 이께다; 모도요시 안도오
Original assignee: 요꼬가와 호꾸신덴기 가부시기 가이샤; 요꼬가와 쇼오조오
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1980-01-22
Publication date: 1984-08-16
Also published as: KR830002228A

Abstract

내용 없음.

Description

압 력 계

제1도는 본 발명에 관한 압력계의 수압부분의 1실시예를 표시하는 단면도.

제2도는 제1도의 X-X′단면도.

제3도는 원통형 진동자의 대표적인 특성도.

제4도는 본 발명장치의 전체구성이 1실시예도이다.

본 발명은, 피측정압력(차압을 포함함)을 진동자(振動子)에 직접 또는 간접적으로 주고, 그때에 진동자의 고유진동수에서 피측정 압력을 구하도록한 구성의 압력계에 관한 것이다.

종래의 이런종류의 압력계는, 진동자 주위의 유체밀도의 값에 의하여 그 출력신호가 크게 변화한다. 이때문에, 측정 대상으로되는 유체의 종류는 동일밀도의 것에 한정되어 있었다. 또, 유체밀도가 온도에 의하여 크게 변화하기 때문에, 일정온도의 측정 분위기안에서만 사용가능 하다고 하는 문제도 있었다.

본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결하는 것, 즉, 모든밀도의 유체를 측정대상으로 할 수가 있고, 또한 사용용도의 제한을 받지 않는 압력계를 실현시키는 데에 있다.

다음에 도면을 사용하여서 본 발명을 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명에 관한 압력계의 수압부분의 1실시예를 표시하는 단면도, 제2도는 제1도의 XX′단면도이다. 제1도 및 제2도에 있어서, (1)은 단부(段部)(11)가 형성되어 있는 용기로서된 진동자이다. 이 진동자(1)에는 중심축에 따라서 뚫려진 구멍(12)에 의하여, 두께가 얇은 원통부(13) 및 여기에 연속된 두께가 두꺼운 원통부(14)가 형성되어 있다. 또, 진동자(1)의 단부(11)부근의 두꺼운 원통부(14)에는 외주면에서 내벽부근에까지도 달하는 4개의 구멍자리 (15)-(18)이 90도씩 떨어져서 형성되어있다. (2),(3)은 구멍자리(15),(16)의 저면에 부착된 진동검출용 압전소자(壓電素子), (4),(5)는 구멍자리(17),(18)의 저면에 부착된 구동용 압전소자이다. (6)은 몸체, (7)은 진동자(1)와 몸체(6)와의 사이를 시일(seal)하는 링, (8)은 진동자(1)와 몸체(6)를 결합하는 볼트이다. 몸체(6)에는, 진동자(1)안으로 통하는 압력도입구(61)가 마련되어있다.

제3도는 진동자(1)와 같은 원통형 진동자의 대표적인 구동주파수-게인(gain)특성을 표시하는 도면이다. 이 특성은, 진동자의 구동 및 진동검출을 각각 1개의 압전소자로 행하고, 구동용 압전소자로의 인가전압에 대한 진동검출용 압전소자(항상 최대진폭이 얻어질 수 있는 위치에 설치되어 있다)의 비를 데시벨 표시하여 게인으로한 것이다. 또한, 다음의 설명에 있어서는, 제1도 및 제2도의 진동자(1)는, 이 제3도의 특성을 가지는 것으로 한다. 제3도의 A,B,C,D,E는 각각 면내진동의 진동모우드가 3차, 4차, 2차, 5차, 6차에서 축방향의 진동모우드가 다같이 1차의 경우의 개인을 표시하고 있다. 또 F, G는 면내진동모우드가 5차, 4차에서 축방향 진동모우드가 다같이 2차의 경우의 게인을 표시하고 있다.

제4도, 제1도 및 제2도에 표시한 본 발명장치의 전체구성의 1실시예를 표시한 도면이다. (제1도 및 제2도와 동일부분에는 동일부호를 붙이고 설명을 생략한다)도면에 있어서, (60),(70)은 각각 압전소자(2),(3)의 출력신호를 받는 차아지 앰프, (80),(90)은 차이지 앰프(70)의 출력신호에 일정값을 계수하는 계수회로, (100)은 차아지 앰프(60) 및 계수회로(80)의 출력신호를 가산하는 가산회로, (110)은 차아지앰프(60)의 출력신호에서 계수회로(9)의 출력신호를 감하는 감산회로이다. 또, (120),(130)은 약 6KHz이하의 주파수를 통하는 로우패스필터(Low-pass filter),(140),(150)은 각각 로우패스필터(120),(130)의 출력신호를 받아 진폭이 일정한 전압을 출력하는 앰프이다. (160)은 앰프(140),(150)의 출력신호를 가산한 것을 압전소자(4)에 인가하는 가산회로, (170)은 앰프(140)의 출력신호에서 앰프(150)의 출력신호를 감한것을 압전소자(5)에 인가하는 감산회로(180)은 앰프(140),(150)의 출력신호 V_e,V_f를 받아서 피측정압력에 대응한 신호를 출력하는 출력회로이다.

상기 압전소자 (2)-(5), 차아지앰프(60),(70), 계수회로 (80),(90), 가산회로 (100),(160), 감산회로(110),(170), 로우패스필터(120),(130), 앰프(140),(150)은 진동자(1)를 진동시키기 위한 구동부를 구성한다. 4차의 진동모우드에서의 고유진동수와 동일한 주파수의 신호를 가산회로(160)에 가하였을때, 앰프(140)에서 얻어지는 신호와 상기 인가신호와의 사이에는, 거의 위상차가 생기지 않도록 구동부가 구성되어 있다. 또, 2차의 진동모우드에서의 고유진동수와 동일한 주파수의 신호를 가산회로(160)에 가하였을때, 앰프(150)에서 얻어지는 신호와 상기 인가신호와의 사이에는, 거의 위상차가 생기지 않도록 구동부가 구성되어 있다. 로우패스필터(12),(13)을 통과할 수 있는 신호로서는, 2차 및 4차의 진동모우드외에 3차 및 5차의 진동모우드의 것이 있으나, 2차 및 4차의 진동모우드에 있어서의 경우와, 3차 및 5차의 진동모우드에 있어서의 경우와는 압전소자(4)의 구동에 관하여 압전소자(2)의 출력이 반대극성으로 된다.

이때문에, 3차 및 5차의 진동모우드에 있어서의 신호분은, 구동용 압전소자(4),(5)에 거의 정귀환(正歸還)되지 않는다. 따라서, 정상동작상태에 있어서는, 진동자(1)는 2차 및 4차의 진동모우드로 동시에 진동되고 있고(압전소자 (2)-(5) 부분이 진동의 복부가 된다), 차이지 앰프(60)(70)에서, 다음에 표시하는 신호 V_a,V_b가 출력된다.

단,

m₂,-m₂′ : 2차의 진동모우드에 기인하는 신호분

m₄, m₄′ : 4차의 진동모우드에 기인하는 신호분

상기 계수회로 (80),(90)의 구체적 구성은, 차아지앰프(70)의 출력신호에 각각 m₂/m₂′,m₄/m₄′라는 값

(m₂와 m₂′와는 동일모우드의 신호분, m₄와 m₄′는 동일모우드의 신호분이므로, 이들의 비는 일정하다고 할 수 있다)을 계수하도록 되어있다. 따라서 가산회로(100), 감산회로(110)의 출력신호 Vc,V_d는 다음과 같게 된다.

단, K,K′ : 계수회로 (80),(90)의 계수값(구체적으로는 m₂/m₄′, m₄/m₄′이다)

이 [2]식에서 명백한 것과 같이, V_c,V_d는 각각 4차, 2차의 진동 모우드에만 대응한 신호이다. 그리고, 이 V_c,V_d에 대응한 신호 V_e,V_f가 엠프(140),(150)에서 출력되고, 이것을 받은 가산회로(160) 및 감산회로(170)가, 2차 및 4차의 진동모우드로 진동자(1)를 확실하게 진동시킬만한 전압을, 압전소자(4),(5)에 인가한다. 이 실시예에 있어서의 구동부는, 진동자(1)의 진동을 검출을 2차 및 4차의 진동모우드에 기인하는 신호에 대하여만 행하고 있을뿐만 아니라, 구동에 있어서도, 2차 및 4차의 진동모우드로 변형될 수 있는 강제력을 진동자에 가하는 구성으로 되어있으므로, 극히 안정된 상태에서, 진동자(1)가 2중진등 모우드(2차 및 4차)로 진동하고 있다. 이때의 진동자(1)의 고유진동수를, f₂(2차 진동모우드에 대한 진동수), f₄(4차 진동모우드에 대한 진동수)라고 하면, 다음식이 성립된다.

단, C₂,C₄: 2차, 4차의 진동모우드에 의하여 결정되는 정수.

E : 진동자(1)(얇은 원통부 (13))의 영(young)율.

A : 진동자(1)의 단면적.

ℓ : 진동자(1)의 길이.

I : 진동자(1)의 단면 2차 모멘트.

ρ : 진동자(1)의 밀도.

ρ_x: 진동자(1)주위의 유체밀도.

α₂,α₄: 2차, 4차의 진동모우드에 있어서의 유체밀도 감도계수.

β₂,β₄: 2차, 4차의 진동모우드에 있어서의 압력감도계수.

P : 피측정압력(압력도입구(61)에 유도되는 압력 P₁과 주위의 압력 P₀와의 차압 P₁-P₀)

이 [3]식에서 ρ_x를 소거하고 P에 대하여 정리하면 다음식을 얻을 수 있다.

단,

여기에서, α₄-α₂, C₂α₄β₂, C₄′α₂β₄는 일정하므로서, 이들을 각각 D,A,B라고 하면, [4]식은 다음과 같다.

3개의 다른입력(기준입력) P를 주고 그때의 진동수 f₂,f₄(앰프 (140),(150)의 출력신호 V_e,V_f의 주파수에 대응하고 있다)를 구하면, 용이하게 D,A,B의 값을 결정할 수가 있다. 따라서, 이 방법에 의하여 D,A,B를 미리 구하여 놓으면, 피측정압력 인가시의 진동수 f₂,f₄에서 [5]식에 의거하여 피측정 압력의 크기를 측정할 수가 있다. 이 연산을 행하는 것이 출력회로(180)이다.

이 구성의 압력계는, 유체밀도의 영향을 과지않는 [5]식에 의거하여, 피측정압력 P를 구하는 것이다. 이때문에, 원리적으로 유체밀도 ρ_x의 변화에 기인하는 오차가 생기지 않는다.

또한, 상기한 설명에 있어서는 진동자에 힘을 가하거나 그 비틀림을 검출하거나 하는데에, 구멍자리안에 부착된 압전소자를 사용한 예를 표시하였으나, 압전소자를 이와 같이 위치에 반드시 부착시킬 필요는 없고, 또 압전소자이외의 것을 사용하여도 구성할 수 있다. 또, 구동용 압전소자를 2개 (4),(5)사용하여서, 여진(勵振) 측에서 2차 및 4차이외의 진동모우드를 리젝션(rejection)함과 동시에 진동검출용 압전소자를 2개 (2),(3))사용하여 진동검출측에도, 2차 및 4차 이외의 진동 모우드의 리젝션을 행하고 있는 예를 표시하였으나 어느 한쪽에서 모우드리젝션 하도록하여도 된다. 또한, 검출측에 관하여는 필터만으로 모우드리젝션 하는 것이 가능하면, 그와같이 구성하여도 된다. 또, 2차 및 4차의 진동모우드로 진동시키는 것을 표시하였으나, 다른 진동모우드를 2이상 선택하도록 하여도 된다. 또, 진동수 f₂,f₄에 관한 [3]식도 근사식이므로, 보다 높은 정밀도의 것을 얻는데에는, [3]식보다 정확한 f₂,f₄에 관한 근사식을 사용하도록하면 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 유체밀도의 영향을 받지않는 압력계, 즉, 모든 밀도의 유체를 측정 대상으로 할수가 있고, 또한 사용온도의 제한을 받지 않는 압력계를 실현시킬 수가 있다.

Claims

피측정압력을 진동자에 주어, 이 진동자의 고유진동수에 피측정압력을 측정하여도록한 구성의 압력계에 있어서, 진동자를 동시에 복수의 진동모우드로 진동시켰을 때의 각 모우드에 있어서의 고유진동수에서, 상기 진동자에 주어지는 피측정압력을 구하도록 구성시킨 압력계.