JP2009264757A - 管路内流体の圧力計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受圧流体の管路内への流出汚染を伴うことのない、製造が容易で構造が簡単な、管路内流体の圧力計測装置を提供する。
【解決手段】管路内を流れる圧力流体の圧力を計測する圧力計測装置は、圧力流体が流れる管路を与える管であって、その外周面の一部を環状に削り取ることによって形成され、圧力流体の圧力に応じて変動する薄膜状の受圧部（２３）を有する管（２１）と、管の受圧部を包囲するように嵌装され、計測用の開口部（２５）を有する外筒保持部材（２２）と、開口部に挿入された荷重変換器（３１）であって、管の受圧部に接触可能に配置され且つ受圧部の変動に応じて変位する検知素子（３３）を有し、検知素子の変位を、管路内を流れる圧力流体の圧力を示す電気信号に変換する荷重変換器（３１）とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、管路内を流れる圧力流体の圧力計測において、管路内管壁に掛かる圧力を流体と非接触にて測定する圧力計測装置に関する。

図１は、管路内を流れる圧力流体の圧力を計測する従来の計測方法の概略を示す。
図示のように、圧力流体が流れる管路を形成する金属管１０は、金属管１０の内周面として受圧部を構成するために極めて肉厚の薄い金属で作られた薄膜状の内管１１と、内管１１の外周面を包囲するように設けられる、肉厚が厚い金属で作られた外管１２とから構成される。図において、矢印は圧力流体が流れる方向を示す。内管１１と外管１２との間に僅かな間隙１３を形成するために、内管１１と外管１２とは、それらの両端面において封止部１１ａ、１１ｂを介して、例えば、電子ビーム溶接によって接合される。内管１１と外管１２との間の封止された問隙１３内には、シリコンオイル等の液体が封入されて、受圧流体１４として充満される。外管１２を挿通して受圧流体１４に接触可能な受圧部を備えた、圧力計または圧力センサのような圧力測定装置１５によって、管路内を流れる圧力流体の圧力が測定される。なお、金属管１０は、その両端の外周面にフランジ１０ａ、１０ｂを備えており、かかるフランジを介して、同様の金属管を接続することによって、管路を必要に応じて延長することができる。

これにより、管路内を流れる圧力流体の圧力は、内管１１の受圧部を介して間隙１３内に封入された受圧流体１４に伝達され、受圧流体１４の圧力変化が、圧力測定装置１５の受圧部を介して圧力測定装置１５によって測定される。したがって、圧力測定装置１５は、受圧流体１４の圧力変化を測定することによって、結果として管路内を流れる圧力流体の圧力を測定することができる。

このような金属管を流れる圧力流体の圧力を計測する従来の方法によれば、薄膜状の内管に、過圧や機械的損傷によって亀裂が発生した場合、内管と外管との間の封止された問隙に封入された受圧流体が管路内に流出し、管路内を流れる圧力流体を汚染する可能性が大きいという問題がある。特に、このような計測法が食品製造工程に使用されると、管路内を流れる圧力流体としての食品を汚染する恐れがあり、食の安全性を損なうという間題が生じる。また、このような計測法が半導体製造工程に使用されると、シリコンオイルのような受圧流体の管路内への流出汚染は半導体成膜に致命的な欠陥を発生させる。さらに、これらの汚染は、配管全体に広がる為、その製造工程にかかる装置全体に多大な損害を及ぼすことになる。

また、問隙を形成するために内管１１と外管１２との間を封止するには、肉厚の薄い内管と肉厚の厚い外管との溶接比熱抵抗の大きく違う金属管端面を接合しなければならないために、電子ビーム溶接のような特殊な方法や加工が必要である。

本発明の課題は、金属管を流れる圧力流体の圧力を間接的に測定するために使用される、受圧流体の管路内への流出汚染を伴うことのない、製造が容易で構造が簡単な、管路内流体の圧力計測装置を提供することである。

管路内を流れる圧力流体の圧力を計測する本発明の圧力計測装置は、圧力流体が流れる管路を与える管であって、その外周面の一部を環状に削り取ることによって形成され、圧力流体の圧力に応じて変動する薄膜状の受圧部を有する管と、管の受圧部を包囲するように嵌装され、計測用の開口部を有する外筒保持部材と、開口部に挿入された荷重変換器であって、管の受圧部に接触可能に配置され且つ受圧部の変動に応じて変位する検知素子を有し、検知素子の変位を、管路内を流れる圧力流体の圧力を示す電気信号に変換する荷重変換器と、を備えている。

また、本発明は、管の受圧部の両側に、管の外周面に少なくとも１つの環状のスリットを設けることが可能である。

本発明によれば、図１に示されたような従来の圧力計測装置とは異なり、内管と外管との間に封入したシリコンオイル等の流体介在物が存在しないので、薄膜状の内管の破損による流体汚染の危険性がなく、仮に受圧部に破損が生じても、圧力計測装置が関与する製造工程にかかる装置全体に多大な損害を及ぼすことを防止することできる。

また、本発明によれば、従来の圧力計測装置のように温度の高低により膨張及び収縮を行なう流体介在物が存在しないので、そのような膨張収縮に起因する計測誤差が発生せず、管路を流れる圧力流体の温度の影響を受け難い温度安定性に優れた圧力計測装置を提供することができる。

また、本発明によれば、圧力計測装置を組み立てる際に、電子ビーム溶接等の特殊な方法や加工を必要とせずに、簡単な溶接や嵌め合い加工が採用できるので、製造が容易で構造が簡単な、且つ安価な圧力計測装置を提供することができる。

また、本発明によれば、従来の圧力計測装置に比べて、温度による管の膨張収縮による測定誤差の少ない温度安定性に優れた圧力計測装置を提供することができる。

図２は、本発明の圧力計測装置の基本的な構成を示し、図２Ａは、圧力流体が流れる管路を与える、例えば金属製の管２１を示し、図２Ｂは、管２１に嵌装され、後述される小型の荷重変換器を保持する外筒保持部材２２を示す。

図２Ａに示されたように、管２１の外周面の一部を環状に削り取ることによって、管２１に薄膜状の受圧部２３を形成する。さらに、受圧部２３が形成された管２１の外周面に、受圧部２３の中央付近に受圧部２３の変動に従動する突起部２４を、例えば溶接または接着により形成する。これにより、管路内を流れる圧力流体の加圧または減圧によって管２１が膨張または収縮すると、受圧部２３が変動して、突起部２４が上下に移動する。この突起部２４の上下運動を荷重変換器により検出して、管路内を流れる圧力流体の圧力を測定する。受圧部２３に形成された突起部２３により、受圧部２３の変位を一点に集中した変位力として測定することができ、これにより圧力計測の高い感度が保証される。

図２Ｂに示された外筒保持部材２２は、管２１に形成された薄膜状の受圧部２３に損傷が発生した場合であっても、その圧力計測装置が関与する製造工程にかかる装置全体に多大な損害を及ぼすことを防止する保護部材として機能し、作業工程の継続を保証することができる。

図３は、管２１に外筒保持部材２２を嵌装することによって組み立てられた、本発明の圧力計測装置の一実施例を示す概略図である。管２１に外筒保持部２２を嵌装して固定するには、電子ビーム溶接等の特殊な溶接方法が必要ではなく、一般的なＴｉｇ溶接や嵌める合い加工による方法で良い。

図３に示されたように、外筒保持部２２の計測用の開口部２５に荷重変換器３１が挿入され、荷重変換器３１は、ネジのような締め付け部材３２によって外筒保持部材２２に対して調整可能に取り付けられる。

荷重変換器３１は、例えば、小型の金属ダイヤフラム（図示せず）と、管２１の受圧部２３に形成された突起部２４に当接する、例えば鋼球のような検知素子３３と、半導体歪みゲージおよびホイーストンブリッジ回路を含む半導体圧力センサ・チップ（図示せず）とによって構成される。検知素子３３は、受圧部２３の変動による突起部２４の上下移動に応答して変位し、かかる変位がダイヤフラムに伝達されて、金属ダイヤフラムを変形させる。このダイヤフラムの変形は、半導体圧力センサ・チップによって、即ちダイヤフラムの僅かな圧力歪みを抵抗変化で捉えることによって、電気信号に変換される。変換された電気信号は、管路内を流れる圧力流体の圧力を示す計測値として利用される。荷重変換器３１の検知素子３３と受圧部２３の突起部２４との当接状態は、荷重変換器３１の感度に影響を与えるものであり、オフセットが出ないように締め付け部材３２によって調節可能である。締め付け部材３２はさらに、微調整ネジを設けることにより、当接状態を微細に調整することも可能である。荷重変換器３１において、鋼球の検知素子に代えて、ピポット又はカンチレバーと呼ぼれる棒状突起を用いて、それが管２１の受圧部２３に形成された突起部２４に当接するように構成しても良い。

なお、管２１は、その両端の外周面に、例えば溶接によってフランジ２１ａ、２１ｂを設け、かかるフランジを介して、同様の管を接続することによって、管路を必要に応じて延長することができる。

図４は、管２１に外筒保持部材２２を嵌装することによって組み立てられた、本発明の圧力計測装置の第二の実施例を示す概略図であり、特に、管路内を流れる圧力流体が高温の流体である場合に有利なものである。

圧力流体が高温の場合、温度による膨張収縮が管２１に矢印４０で示す方向に発生し、荷重変換器３１にドリフトとして誤差を発生させる。この問題を解消するために、図示されたように、管２１の受圧部２３の両側に、管２１の外周面に環状のスリット４１が形成される。スリット４１の位置および数については、管２１の材質または強度、管路を流れる圧力流体の特性または温度等に応じて適宜決定することができる。荷重変換器３１に対する熱伝導特性の偏りを回避するために、前述のように、スリット４１は、管２１の受圧部２３の両側に且つ対称に設けることが好ましい。このようなスリット４１を設けることにより、管２１の温度による膨張収縮の逃がしを行ない、荷重変換器３１に対する膨張収縮に起因する歪みの影響を低減する。

図１は、管路内を流れる圧力流体の圧力を計測する従来の計測方法の概略を示す。 図２は、本発明の圧力計測装置の基本的な構成を示し、図２Ａは、圧力流体が流れる管路を形成する管を示し、図２Ｂは、図２Ａの管に嵌装され、小型の荷重変換器を保持する外筒保持部材を示す。 図３は、本発明の圧力計測装置の第一の実施例を示す概略図である。 図４は、本発明の圧力計測装置の第二の実施例を示す概略図である。

符号の説明

２１：管
２１ａ、２１ｂ：フランジ
２２：外筒保持部材
２３：受圧部
２４：突起部
２５：開口部
３１：荷重変換器
３２：締め付け部材
３３：検知素子
４１：スリット

Claims (4)

1. 管路内を流れる圧力流体の圧力を計測する圧力計測装置において、
   圧力流体が流れる管路を与える管（２１）であって、その外周面の一部を環状に削り取ることによって形成され、圧力流体の圧力に応じて変動する薄膜状の受圧部（２３）を有する管（２１）と、
   管（２１）の受圧部（２３）を包囲するように嵌装され、計測用の開口部（２５）を有する外筒保持部材（２２）と、
   開口部（２５）に挿入された荷重変換器（３１）であって、管（２１）の受圧部（２３）に接触可能に配置され且つ受圧部（２３）の変動に応じて変位する検知素子（３３）を有し、検知素子（３３）の変位を、管路内を流れる圧力流体の圧力を示す電気信号に変換する荷重変換器（３１）と
   を備えたことを特徴とする圧力計測装置。
2. 検知素子（３３）は、管（２１）の受圧部（２３）に形成された突起部（２４）に当接するように配設された鋼球、ピポット、又はカンチレバーのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の圧力計測装置。
3. 荷重変換器（３１）は、外筒保持部材（２２）の計測開口部（２５）内に、管（２１）の受圧部（２３）に対して調整可能に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力計測装置。
4. 管（２１）の受圧部（２３）の両側に、管（２１）の外周面に少なくとも１つの環状のスリット（４１）が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力計測装置。

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