JP2021110687A - 圧力センサ及び圧力計 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器からの圧力センサへの応力影響を軽減する技術を提供する。【解決手段】本開示の圧力センサは、第１の面が受圧面である円形の金属板と、前記受圧面と反対側の第２の面に設けられるひずみゲージと、前記金属板の周囲に設けられ、前記金属板の径方向に伸縮する弾性部材と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、圧力センサ及び圧力計に関する。

圧力計は一般に、金属製の圧力容器内に圧力を導入し、圧力容器内に実装された圧力センサに圧力を伝達して圧力計測を行う。

ねじ込み取付け方式の圧力計において、金属板にひずみゲージを形成した構造の圧力センサを金属製圧力容器の肉厚部分に溶接して取り付けた場合、ねじ込み取付け時の圧力容器に掛かる応力の影響を受けてセンサ出力が変化してしまう。一時的に調整してセンサ出力を補正したとしても、応力緩和現象により経時的に変化してしまう。

また、温度変化により金属製圧力容器が膨張・収縮した場合にも、圧力センサまでその影響が伝わり正確な計測の妨げとなる。

このような圧力容器の取付け時の応力影響や、温度変化による圧力容器の膨張・収縮に伴う応力影響を軽減するため、特許文献１は、圧力センサ取付け部の下に溝を設けて圧力容器から伝わる応力を軽減することを提案している。

特許第３４６３５３６号

しかしながら、特許文献１に記載の圧力センサにおいて、圧力を受けるダイアフラムがケース（圧力容器）と繋がっているため、ケースが受けた応力がダイアフラムに伝わり得る（ダイアフラムが応力に曝され得る）。このように、特許文献１に記載の構成においては、ケースからのダイアフラムへの応力の影響を低減するには改善の余地があるといえる。また、特許文献１に記載の方式では、圧力導入口から圧力センサまで円筒状の通路を有するため、粘度の高い流体への適用、工業プロセス用のフランジ取付けタイプへの実装、品種切り替え毎に洗浄を要する食品医薬品プロセス向けＩＤＦ規格（サニタリー規格）ヘルールへの圧力センサの実装等には不向きである。

そこで、本開示は、圧力容器からの圧力センサへの応力影響を軽減する技術を提供する。

上記課題を解決するため、本開示の圧力センサは、第１の面が受圧面である円形の金属板と、前記受圧面と反対側の第２の面に設けられるひずみゲージと、前記金属板の周囲に設けられ、前記金属板の径方向に伸縮する弾性部材と、を備える。

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではない。

本開示の圧力センサによれば、圧力容器からの応力影響を軽減することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。 第２の実施形態に係る、圧力センサの圧力計への実装例を示す図である。 板ばねを設けず圧力センサを直接圧力容器に接合した構成の圧力計を示す図である。 図３の点線部分を切り出し、応力影響を評価するための評価モデルとした図である。 板ばねの特性の一例を示す図である。 板ばねを設けた圧力センサを圧力容器に実装した構成の圧力計を示す図である。 図６の点線部分を切り出し、応力影響を評価するための評価モデルとした図である。 板ばねの材料となる平板の強度を評価するためのモデル図である。 第３の実施形態に係る、ヘルールを有する圧力計への圧力センサの実装例を示す図である。 第４の実施形態に係る、ヘルールを有する圧力計への圧力センサの他の実装例を示す図である。 第５の実施形態に係る、ねじ込み式圧力計への圧力センサの実装例を示す断面図である。 第６の実施形態に係る工業プロセス用圧力計の実装例を示す断面図である。 参考例に係るフランジ取合い式の工業プロセス用圧力計を示す断面図である。 第７の実施形態に係る圧力センサの構成を示す図である。

［第１の実施形態］
＜圧力センサの構成＞
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る圧力センサ１の平面図である。圧力センサ１は、図１（ａ）に示される上面（第１の面）が受圧面となり、底面（第２の面）に設けられたゲージ抵抗（ひずみゲージともいう。図１（ａ）では不図示）により圧力値を出力するものである。底面に設けられたひずみゲージの抵抗値は、受圧面に印加された圧力により生じたひずみに応じて変化する。本実施形態に係る圧力計は、この抵抗値変化を電気信号に変換して圧力値（の変化）を出力する。図１（ａ）に示すように、圧力センサ１は、平面形状が略円形の金属板であり、その外周の全体に亘って環状の弾性部材２（ここでは板ばね２）が設けられている。圧力センサ１と板ばね２とは、例えば溶接により接合される。図示の例では、板ばね２の外周の形状は円形であるが、圧力センサ１が取り付けられる圧力容器の形状に応じて、他の形状とすることもできる。

圧力センサ１の材質は、具体的には例えばＳＵＳ３１６などのステンレス鋼（高耐食金属材料）とすることができる。板ばね２の材質は、圧力センサ１の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じ材質であることにより接合が容易となる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｂ）に示すように、圧力センサ１の中央部には凹部が形成され、凹部の薄膜部の変形（ひずみ）によりゲージ抵抗の抵抗値が変化し、圧力が検出される。一実施形態においては、凹部の内壁面は傾斜しており、薄膜部の面積が、開口部の面積よりも小さくなっている。ただし、凹部の形状はこれに限られない。なお、薄膜部は、被測定流体の圧力を受けていない状態では、平面形状が略円形である。このような形態であれば、薄膜部が被測定流体の圧力を受けた際に、薄膜部の中心からの方向によらず、薄膜部は均一に撓むことができるので、圧力を精度よく測定することができる。

板ばね２の内周を構成する辺が、圧力センサ１の上面の外周に沿って接合されている。また、圧力センサ１の受圧面に垂直な方向における板ばね２の断面形状は略Ｕ字状である。このような構造により、板ばね２は、少なくとも圧力センサ１の径方向に伸縮する弾性を有する。これにより、圧力センサ１が圧力容器等に取り付けられた際に、圧力センサ１と圧力容器との間に板ばね２が配置され、圧力容器から圧力センサ１に径方向に伝わる応力を低減することができる。応力の低減効果の詳細については後述する。なお、板ばね２は、少なくとも圧力センサ１の径方向に弾性を有し、受圧面に垂直な方向への弾性を有することは必須ではない。ただし、弾性部材としてたとえば板ばね２を用いた場合、受圧面に垂直な方向にも一定程度の弾性を有することになると考えられる。受圧面に垂直な方向における板ばね２の弾性を小さくすることにより、受圧面に垂直な方向に圧力が印加された場合に、圧力センサ１の位置の変化を抑制できる。

図１（ｂ）に示す例において、板ばね２は、底面側に凸となるように１つの湾曲部（折り目）を有するが、２つ以上の湾曲部を有していてもよい。湾曲部の数が少ないほど、板ばね２の製造が容易である。受圧面と垂直な方向の高さは、低いほど洗浄が容易であるが、高いほど製造が容易である。さらに、図１（ｂ）では板ばね２の折り目に丸みがつけられているが、丸みをつけずに折り曲げられた形状（略Ｖ字状）であってもよいし、少なくとも圧力センサ１の径方向に弾性を有していれば他の形状（例えば円弧状、矩形波状、鋸歯状、蛇腹状など）でもよい。

板ばね２の形状、湾曲部の数、厚み、受圧面と垂直な方向の高さ、材質などを調整することにより、圧力センサ１の用途に応じて、板ばね２に所望の強度や弾性係数を与えることができる。板ばね２は、後述するように、圧力センサ１の圧力測定範囲において、板ばね２の材料の降伏応力を超えない範囲で設計することができるので、信頼性を損なうことはない。

さらには、圧力センサ１の径方向に弾性を有し、圧力センサ１と圧力容器に接合が可能であれば、板ばね２に限らず、使用環境に応じて他の弾性部材を用いることができる。例えばエラストマーの耐熱温度を超えない条件で用いられる場合には、弾性部材として、十分な強度を有するエラストマーを用いてもよい。

図１（ｂ）に示すように、圧力を受ける部分の起伏を、板ばね２の高さ、圧力センサ１の凹部の深さのみとすることにより、全体的に見て平板に近い形状となるため、洗浄が容易となり、粘度の高い流体や、食品医薬品工業プロセスへの適用が可能となる。

図１（ｃ）は、圧力センサ１の底面図である。図１（ｃ）に示すように、圧力センサ１は、受圧面と反対側の底面（ゲージ抵抗面）に、ゲージ抵抗１１、参照用ゲージ抵抗１２及び温度検出用抵抗１３を有する。図１（ｃ）では、図示の簡略化のため、ゲージ抵抗の接続配線を省略している。また、圧力センサ１の底面にゲージ抵抗を形成する前に、その表面にＳｉＯ_２酸化膜などの絶縁膜（不図示）が形成されているものとする。

２つのゲージ抵抗１１は、圧力センサ１の薄膜部の底面に配置されており、２つの参照用ゲージ抵抗１２及び温度検出用抵抗１３は、薄膜部の周縁部（凸部）の底面に配置されている。

＜技術的効果＞
以上のように、本実施形態の圧力センサ１は、その周囲に、圧力センサ１の径方向に弾性を有する板ばね２が設けられている。これにより、圧力センサ１を圧力容器に実装した際に、圧力容器の取付け時の締付や、温度変化に起因する径方向の応力による圧力センサ１への影響を軽減することができる。また、応力影響を低減できるため、圧力センサの精度の向上も達成される。

［第２の実施形態］
＜圧力センサの圧力計への実装例＞
第１の実施形態においては、圧力センサ１へ加わる応力の影響を低減する構成について説明した。第１の実施形態の圧力センサ１は、あらゆる構成の圧力容器を有する圧力計に適用可能であるので、第２の実施形態においては、圧力センサ１の実装例を説明する。

図２（ａ）は、圧力センサ１の圧力計１００への実装例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図２に示すように、圧力計１００は、フランジ取合い式の圧力計であり、圧力センサ１を収容する圧力容器３と、圧力容器３をプロセス側の測定箇所に取り付けるためのフランジ７と、を備える。圧力容器３及びフランジ７は一体となっており、以下において、これらをまとめて「フランジ部」という場合がある。圧力計１００のその他の構成については、図示及び説明を省略する。

圧力容器３の中央部には、圧力センサ１を収容するための開口部３１が設けられており、環状の板ばね２の外周を構成する辺が、開口部３１の上端に、例えば溶接により接合される。圧力センサ１に対し、例えば複数の方向から均等でない応力が加わり、これにより薄膜部に変形が生じてしまうと圧力測定値に影響が出る。したがって、圧力センサ１は、圧力容器３からの応力が均等に加わるように、その外周の全体が圧力容器３に固定されている。

フランジ７の中央部には増幅部４が設けられており、増幅部４と圧力センサ１とを接続する信号線５を経由して、圧力センサ１の検出信号が増幅部４に出力される。増幅部４は、圧力センサ１の検出信号を増幅し、例えば演算部（不図示）等に増幅した信号を出力する。なお、増幅部４を中継基板に置き換えてもよく、中継基板から、フランジ部の外部に設けられた増幅回路に電気信号を伝送するように構成することもできる。

板ばね２は、前述のとおり、受圧面に垂直な方向にも一定程度の弾性を有し得るので、圧力センサ１に対し、受圧面に垂直な方向に圧力が印加された場合、圧力センサ１は少なからず上下動し得る。したがって、信号線５は、圧力センサ１が上下動を繰り返した場合にも容易には破断されない強度を有することが好ましい。

フランジ７の周縁部にはボルト締結穴７１が設けられており、プロセス側に設けられたフランジ（不図示）にボルトで締結される。ボルト締結時の締付トルクは、フランジ規格で定義されている。フランジ７の周縁部が複数のボルトで締結されることとなり、フランジ７の中心部への応力変化も起こりうる。この応力が圧力センサ１に伝わる影響を軽減するために、板ばね２が有効に働く。

＜板ばねによる応力影響の低減効果＞
板ばね２による圧力センサ１への応力影響の低減効果を説明するために、圧力計が板ばね２を有しない場合の応力と、板ばね２を有する場合の応力とを比較する。

図３（ａ）は、板ばね２を設けず圧力センサ１を直接圧力容器３０に接合した構成の圧力計２００の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図３（ｂ）に示すように、圧力容器３０は、圧力センサ１の側面と接合される接続部３２を有する。図３のその他の構成は、図２と同様であるため説明を省略する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図３（ａ）及び（ｂ）の点線で囲った部分を切り出し、応力影響を評価するための評価モデルとした図である。フランジ７の周縁部がボルトで固定されることから、図４（ａ）及び（ｂ）の右端において、変位しない拘束壁１０を定義する。図４以降の図に示される寸法の単位は［ｍｍ］とする。

以下、温度変化による膨張に伴う応力影響を評価する。ここでは、図４（ａ）及び（ｂ）に示される圧力容器３０の一部を切り出した部分のみが温度変化するものとする。すなわち、拘束壁１０は温度変化により変位しないこととする。

図４において、評価モデルの圧力容器３０の径方向（水平方向）の寸法（長さ）を３０ｍｍとし、５０℃温度上昇した場合の寸法変化を計算する。ここで、圧力容器３０の材質、フランジ７の材質をＳＵＳ３１６とし、ＳＵＳ３１６の機械的性質を示す数値は、アメリカ溶接協会編「ろう付けマニュアル」から引用し、１５℃のときの値を使用する。

ＳＵＳ３１６の線膨張係数αは１６．３×１０^−６であるから、５０℃温度上昇後の寸法Ｌ_５０℃は、
Ｌ_５０℃＝Ｌ×（１＋α×５０）＝３０×（１＋１６．３×１０^−６×５０）＝３０．０２４４５となり、約２４μｍ伸びることが分かる。

次に、評価モデルの左側に位置する圧力センサ１も寸法変化しないとしたとき、すなわち、３０ｍｍのＳＵＳ３１６の両側が拘束された状態での、５０℃温度上昇時の発生応力を求める。発生応力をσ、ＳＵＳ３１６の線膨張係数をα、ヤング率をＥ、温度変化をΔＴとすると、発生応力σは、σ＝α×Ｅ×ΔＴで求められる。

ここに、α＝１６．３×１０^−６、Ｅ＝２０００００（ＭＰａ）、ΔＴ＝５０（℃）を代入して、σ＝１６．３×１０^−６×２０００００×５０＝１６３（ＭＰａ）を得る。そして、接続部３２の高さを２ｍｍとすると、接続部３２の圧力センサ１と接する部分の面積が２ｍｍ×１０ｍｍ＝２０ｍｍ^２であることから、圧力センサ１に印加される荷重Ｎは、応力に断面積を掛けて、Ｎ＝１６３×２０＝３２６０（Ｎ）となる。

ここで、単位Ｎ（ニュートン）を荷重単位ｋｇｆに換算すると、９．８（Ｎ）≒１（ｋｇｆ）であるから、３２６０（Ｎ）≒３３３（ｋｇｆ）と表される。

以上により、圧力容器３０の一部を切り出した評価モデルのＳＵＳ３１６の部分のみが５０℃温度上昇した場合、圧力センサ１が十分柔らかい場合、圧力センサ１は約２４μｍ縮み、圧力センサ１が強固である場合、圧力センサ１に約３３３ｋｇｆの荷重が印加されることになる。

次に、板ばね２を設ける場合の圧力センサ１への荷重を計算するために、板ばね２の特性としてばね定数ｋを算出する。

図５は、板ばね２の特性の一例を示す図である。図５に示すように、板ばね２の材質をＳＵＳ３１６とし、厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ５ｍｍ、径方向の寸法５ｍｍのＵ字形状とした。

板ばね２の断面二次モーメントをＩ、荷重作用線に対する二次モーメントをΛ、板ばね材のヤング率をＥとすると、板ばね２のばね定数ｋは、ｋ＝Ｅ×Ｉ／Λにより求められる。

板ばね２の断面二次モーメントＩは、材料の幅をｂ、厚さをｔとしたとき、
Ｉ＝（ｂ×ｔ^２）／１２で求められる。ここに、ｂ＝１０ｍｍ、ｔ＝０．５ｍｍを代入して、Ｉ≒０．２０８を得る。次に、荷重作用線に対する二次モーメントΛは、荷重の作用する長さをＬとしたとき、Λ＝Ｌ^３／３により求められる。ここに、Ｌ＝５ｍｍを代入して、Λ＝５^３／３≒４１．７を得る。

以上より、板ばね２のばね定数ｋは、ｋ＝Ｅ×Ｉ／Λに、ＥとしてＳＵＳ３１６のヤング率２０００００（ＭＰａ）、Ｉ＝０．２０８、Λ＝４１．７を代入して、ｋ＝２０００００×０．２０８／４１．７≒９９８（Ｎ／ｍｍ）となる。

図６（ａ）は、板ばね２を設けた圧力センサ１を圧力容器３に実装した構成の圧力計１００の平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図２（ａ）及び（ｂ）と同様の構成を図示しているが、評価モデルを得るための点線がさらに描かれている。

図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図６（ａ）及び（ｂ）の点線で囲った部分を切り出し、応力影響を評価するための評価モデルとした図である。図４と同様に、評価モデルにおいて、拘束壁１０を定義する。図７において、評価モデルの圧力容器３の径方向（水平方向）の寸法（長さ）を２５ｍｍとし、５０℃温度上昇した場合の寸法変化を計算する。なお、板ばね２の径方向の寸法が５ｍｍであるため、拘束壁１０と圧力センサ１との距離は、図４と同じく３０ｍｍである。

ＳＵＳ３１６の線膨張係数αは１６．３×１０^−６であるから、５０℃温度上昇後の寸法Ｌ_５０℃は、
Ｌ_５０℃＝Ｌ×（１＋α×５０）＝２５×（１＋１６．３×１０^−６×５０）≒２５．０２０となり、約２０μｍ伸びることが分かる。

そして、この２０μｍの変位が、ばね定数ｋ＝９９８Ｎ／ｍｍの板ばね２に加えられた場合の板ばね２の反力Ｎは、Ｎ＝０．０２×９９８≒２０．０Ｎとなる。ここで、単位Ｎ（ニュートン）を荷重単位ｋｇｆに換算すると、９．８Ｎ≒１ｋｇｆであるから、２０．０（Ｎ）≒２．０４（ｋｇｆ）と表される。

図４を参照して説明したように、板ばね２を設けない場合、５０℃温度上昇時に圧力センサ１へ加わる荷重が３２６０Ｎであるのに対し、板ばね２を設けた場合には２０．０Ｎとなり、約１／１６３に軽減される。

以上、説明の簡略化のため、圧力容器の一部を切り出した評価モデルを基に圧力センサへ加わる応力を評価したが、圧力容器（及びフランジ）の全体を考慮して評価しても同様の結果が得られる。

板ばね２を有しない場合であっても、温度変化による影響を補償するように、圧力センサ１から出力される圧力値を補正することは一時的には可能であるかもしれない。しかしながら、温度変化があった場合には、締結ボルトも温度により膨張収縮し、温度により締付状態が変化することになるので、温度変化が圧力値に与える影響は常に一定とは限らない。よって、図４及び図７で拘束壁１０とした部分の拘束状況が変わるので、たとえ、フランジ部の温度を測定して圧力値を補正しようとしても、温度変化による影響値を推定することができないので、補正困難である。温度影響を抑えるには、板ばね２によって、温度変化により発生する応力が圧力センサ１に伝わらないようにすることが最善の策であるといえる。

なお、圧力容器３及びフランジ７からの応力影響は、温度変化のみではなく、フランジ７のボルト締付トルクにも依存する。これは、ボルト締付トルクによりフランジ７の拘束度合いが変わるからであり、ボルト自身も温度で膨張収縮するため、更に複雑な関係で影響を受けることになる。

＜板ばねの強度＞
次に、この板ばね２の強度の評価を行う。板ばね２は、圧力容器３及びフランジ７と比較すると非常に薄いが、圧力計の使用可能な圧力範囲（圧力測定範囲）において耐用可能でなければならない。そこで、板ばね２に圧力が印加された場合における板ばね２の各部の応力を計算する。

図８（ａ）は、板ばね２の材料となる平板の強度を評価するための評価モデルの平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の評価モデルの側面図である。図８においては、説明の簡略化のため、５ｍｍ×１０ｍｍのＳＵＳ３１６、厚さ０．５ｍｍの平板を板ばね２の材料に用いることとする。そして、板ばね２の長手方向の辺（１０ｍｍ）が固定されているものとし、短手方向中央部に例えば２ＭＰａの圧力を印加する。

このような平板についてＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）解析を行うと、板ばね２の固定部に最大応力が発生し、約１１１ＭＰａとなる。これに対し、ＳＵＳ３１６材の降伏応力は２７６ＭＰａであるため、弾性領域で使用可能であることが分かる。なお、板ばね２は実際には平板ではなく、例えば略Ｕ字状となっているため、応力は平板のときのように垂直に印加されるのではなく、斜め方向になるため、板ばね２の固定部に発生する応力は、平板のときよりも小さくなる。

以上のように、厚さ０．５ｍｍの板ばね２で、測定圧力２ＭＰａにおいて、金属板の疲労がなく、問題なく機能を発揮することを確認したが、圧力測定範囲、最大許容圧力に応じて、適切な板厚ｔ、荷重の作用する長さＬを変更することができる。

＜技術的効果＞
本実施形態の圧力計１００によれば、板ばね２を介して圧力センサ１をフランジ部に実装することで、温度変化によるフランジ部の膨張収縮時の応力影響を低減できる。

［第３の実施形態］
＜圧力センサの圧力計への実装例＞
第２の実施形態においては、板ばね２が設けられた圧力センサ１を円盤状の圧力容器３に実装する例を説明した。板ばね２が設けられた圧力センサ１は、他の形態の圧力容器にも適用可能であるので、第３の実施形態においては、ＩＤＦ規格のヘルールに対する実装例を説明する。

図９は、ＩＤＦ規格のヘルール３３（圧力容器）を有する圧力計３００への圧力センサ１の実装例を示す図である。図９（ａ）は、ＩＤＦ規格のヘルール３３（圧力容器）を有する圧力計３００への圧力センサ１の実装例を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。圧力計３００において、圧力容器３及びフランジ７の代わりにヘルール３３が用いられていること以外は図２に示した圧力計２００と同様であり、略円筒状のヘルール３３の内部に増幅部４が設けられている。

ヘルール３３は、プロセス取付け時には、プロセス側のヘルール（不図示）と突合せ、ＩＤＦ規格クランプで固定される。そのため、ヘルール３３には圧縮方向に応力が加わり中心部に実装された圧力センサ１に応力が加わる。しかしながら、圧力センサ１とヘルール３３との間には板ばね２が設けられているため、その応力が軽減される。

また、周囲温度やプロセス温度の変化があった場合、ヘルール３３が膨張・収縮するとともに、ＩＤＦ規格クランプの締付具合も変化する。板ばね２を有しない場合、フランジ部への実装と同様に、ヘルール３３の温度を測定して圧力値を補正しようとしても、温度変化時の影響値を推定することは困難である。一方、本実施形態の圧力センサ１とヘルール３３との間には板ばね２が設けられているので、板ばね２が影響値の軽減に有効に働く。

＜技術的効果＞
以上のように、第３の実施形態の圧力計３００は、受圧部となる圧力容器がヘルール３３であり、ヘルール３３と圧力センサ１との間に板ばね２が設けられている。このような構成により、ヘルール３３からの圧力センサ１への応力影響を低減することができる。また、ＩＤＦ規格のヘルール３３は食品医薬品プロセスに用いられ、品種切り替え毎に洗浄を要するが、板ばね２が設けられた圧力センサ１の受圧面は全体として平板に近い形状を有するため、洗浄が容易である。

［第４の実施形態］
＜圧力センサの圧力計への実装例＞
第１〜第３の実施形態においては、板ばね２が、圧力センサ１の底面側（受圧面と反対側）に凸となるように圧力センサ１に接合される例を説明した。板ばね２の向きは、これに限定されず、反対向きとすることもできる。そこで、第４の実施形態においては、板ばね２の向きを変えた構成例を提案する。

図１０は、ＩＤＦ規格のヘルール３３（圧力容器）を有する圧力計４００への圧力センサ１の他の実装例を示す断面図である。図１０に示すように、圧力計４００においては、１つの湾曲部を有する板ばね２が、圧力センサ１の受圧面側が凸となるように圧力センサ１の上面の外周に接合されている。このように配置することにより、圧力センサ１の底面側と凸とする場合と比較して、洗浄をより容易にすることができる。

また、圧力計４００において、ヘルール３３の内部には中継基板９が設けられており、中継基板９から離れた位置に増幅回路６が設けられている。中継基板９と増幅回路６とは、信号ケーブル８により接続されている。圧力の測定対象の温度が高く、増幅回路６の使用温度範囲を超えてしまう場合に、図１０に示す実装とすることにより、増幅回路６の故障を防止することができる。

＜技術的効果＞
以上のように、第４の実施形態の圧力計４００は、受圧部となる圧力容器がヘルール３３であり、ヘルール３３と圧力センサ１との間に板ばね２が設けられている。板ばね２は、１つの湾曲部を有する略Ｕ字形状であり、受圧面側が凸となるように圧力センサ１に接合されている。このような構成により、ヘルール３３からの圧力センサ１への応力影響を低減できるだけでなく、洗浄も容易となる。

［第５の実施形態］
＜圧力センサの圧力計への実装例＞
第５の実施形態においては、板ばね２が設けられた圧力センサ１のねじ込み式圧力計への実装例を提案する。

図１１は、ねじ込み式圧力計５００への圧力センサ１の実装例を示す断面図である。図１１に示すように、ねじ込み式圧力計５００においては、ねじ部３５と一体に形成された圧力容器３４に圧力センサ１が設けられる。圧力容器３４の内部とねじ部３５の内部は連通する。圧力センサ１は、プラント側に設けられた取付け部にねじ部３５をねじ込むことにより設置される。圧力センサ１は、ねじ部３５の内部を通って伝送されてきた圧力を受ける。

一般に、ねじ込み式圧力計においては、漏れ防止のため、ねじ部がテーパねじとなっている。このため、ねじ部３５を取付け部にねじ込む際にねじ部３５に圧縮応力が加わる。圧力容器３４はねじ部３５と一体となっているため、圧力容器３４にもねじ部３５の圧縮応力が伝わり、結果として圧力センサ１にも圧縮応力が伝わる。これにより圧力の測定誤差が生じる。しかしながら、圧力センサ１と圧力容器３４との間には板ばね２が設けられているため、ねじ込み時の応力印加に伴う圧力の測定誤差を低減することができる。

また、ねじ込み式圧力計の周囲温度やプロセス温度の変化があった場合、フランジ部への実装、ヘルールへの実装と同様に、温度を測定して圧力値を補正しようとしても、温度変化時の影響値を推定することは困難である。一方、本実施形態のねじ込み式圧力計５００は、圧力センサ１と圧力容器３４との間には板ばね２が設けられているので、板ばね２が影響値の軽減に有効に働く。

＜技術的効果＞
以上のように、第５の実施形態のねじ込み式圧力計５００は、板ばね２により、ねじ部３５から圧力容器３４に伝わるねじ込み時の圧縮応力が圧力センサ１にも伝わることを抑制する。このような構成により、ねじ込み式圧力計５００の取り付けに伴う応力の影響が低減されるため、測定誤差の低減も達成される。

［第６の実施形態］
近年、圧力センサに設けられるゲージ抵抗として、３００℃程度の高温に耐える材料を用いたものが開発されている。このようなゲージ抵抗を用いた圧力センサは、工業プロセス用の高温で粘度の高い液体の圧力測定にも使用可能である。そこで、第６の実施形態においては、第１の実施形態の圧力センサ１を工業プロセス用圧力計（フランジ取合い式圧力計）に適用する例を提案する。

図１２は、第６の実施形態に係る工業プロセス用圧力計６００の実装例を示す断面図である。図１２に示すように、工業プロセス用圧力計６００は、フランジ取合い式の圧力計であり、板ばね２が接合された圧力センサ１を収容する圧力容器３と、圧力容器３と一体に形成され、中継基板９を有するフランジ７と、中継基板９と信号ケーブル８により接続された変換器６０１と、を備える。圧力容器３及びフランジ７の構造については、第２の実施形態（図２）で説明した構造と同様であり、圧力容器３とフランジ７とをまとめて「フランジ部」という。フランジ部は、工業プロセスのフランジ部（不図示）とボルト締結される。このように、圧力センサ１を内蔵するフランジ部、すなわち圧力検出部を工業プロセス側の取り付け位置に取り付けることにより、圧力伝送路の距離が短くなるため、工業プロセス用の高温かつ高粘度の液体の圧力を正確に測定することができる。

図１３は、参考例に係るフランジ取合い式の工業プロセス用圧力計７００を示す断面図である。圧力計７００においては、従来用いられる耐熱温度１２５℃程度のシリコンセンサが圧力センサ７０１として用いられる。この場合は、フランジ部に圧力センサ７０１を実装することができない。そのため、圧力センサ７０１は、温度を下げるためにフランジ部から離れて設置される本体部７０２に収容される。また、圧力容器３にダイアフラム２０を設け、圧力容器３の内部及び本体部７０２の内部を連通するキャピラリーチューブ２５が設けられる。圧力容器３、本体部７０２、キャピラリーチューブ２５の内部にはシリコンオイル２２（圧力伝達媒体）が封入される。ダイアフラム２０で受けた圧力は、シリコンオイル２２を媒体として圧力センサ７０１に伝達され、圧力センサ７０１が受けた圧力は、本体部７０２から信号線２３を通って変換器７０３内の増幅回路６に出力される。

一般に、キャピラリーチューブ２５の内径は１ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、長さは３ｍ〜１５ｍ程度である。したがって、キャピラリーチューブ２５の周囲温度の変化により内部のシリコンオイル２２の容積が変化してしまい、この変化を圧力センサ７０１が検出することで測定誤差が生じることがある。周囲温度を測定し、温度に基づいて圧力の測定値を補正することも可能ではあるが、キャピラリーチューブ２５が長手方向に分布定数的な温度変化をすること、高温となっているフランジ部からの熱伝導もあることから、正確に圧力値を補正することは非常に困難である。

これに対し、上述の図１２に示した工業プロセス用圧力計６００は、圧力伝達媒体を介さずに直接プロセスの圧力を計測することができるので、圧力伝達媒体の温度変化に起因する影響を受けることがない。したがって、工業プロセス用圧力計６００の構造は、圧力計７００と比較して、より高精度に圧力を計測できるといえる。

＜技術的効果＞
第６の実施形態に係る工業プロセス用圧力計６００によれば、圧力容器３からの圧力センサ１への応力の影響を低減できることに加えて、周囲温度の変化の影響も低減される。これにより、高温かつ高粘度の液体の圧力を高精度で測定することができる。

［第７の実施形態］
第１の実施形態の圧力センサ１は、凹部が形成されている面を受圧面としていた。第７の実施形態においては、圧力センサ１の他の面を受圧面とする構成例を提案する。

図１４（ａ）は、第７の実施形態に係る圧力センサ８０１の平面図である。圧力センサ８０１は、図１４（ａ）に示される上面が受圧面となり、底面に設けられたひずみゲージ（図１４（ａ）では不図示）により圧力値を出力する。板ばね２については、第１の実施形態と同様である。

図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１４（ｂ）に示すように、圧力センサ８０１は、第１の実施形態の圧力センサ１の上下を反転させた形状を有する。すなわち、圧力センサ８０１の底面側の中央部に凹部が形成されている。

図１４（ｂ）に示すように、板ばね２の内周を構成する辺が、圧力センサ１の上面の外周に沿って接合されている。これにより、圧力を受ける部分の起伏が、板ばね２の高さのみとなり、全体的に見て平板に近い形状となるため、洗浄が容易となり、粘度の高い流体や、食品医薬品工業プロセスへの適用が可能となる。

図１４（ｃ）は、圧力センサ８０１の底面図である。図１４（ｃ）に示すように、圧力センサ８０１は、受圧面と反対側の底面（ゲージ抵抗面）に、ゲージ抵抗１１、参照用ゲージ抵抗１２及び温度検出用抵抗１３を有する。図１４（ｃ）では、図示の簡略化のため、ゲージ抵抗の接続配線を省略している。また、圧力センサ８０１の底面にゲージ抵抗を形成する前に、その表面にＳｉＯ_２酸化膜などの絶縁膜（不図示）が形成されているものとする。

２つのゲージ抵抗１１は、圧力センサ１の凹部の天面に配置されており、２つの参照用ゲージ抵抗１２及び温度検出用抵抗１３は、圧力センサ１の周縁部（凸部）の底面に配置されている。なお、参照用ゲージ抵抗１２は、凹部の内壁面（斜面）に設けられていてもよい。

＜技術的効果＞
第７の実施形態に係る圧力センサ８０１によれば、受圧面が平坦であり、板ばね２が接合された状態であっても、全体的に見て平板に近い形状となる。これにより、第１の実施形態のように圧力センサの凹部が形成された面を受圧面とする構成と比較して、より洗浄を容易にすることができる。

［変形例］
本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。

１…圧力センサ
２…板ばね
３…圧力容器
４…増幅部
５…信号線
６…増幅回路
７…フランジ
８…信号ケーブル
９…中継基板
１０…拘束壁
１００〜７００…圧力計

Claims (7)

1. 第１の面が受圧面である円形の金属板と、
   前記受圧面と反対側の第２の面に設けられるひずみゲージと、
   前記金属板の周囲に設けられ、前記金属板の径方向に伸縮する弾性部材と、を備える圧力センサ。
2. 前記弾性部材は、前記受圧面側に凸の湾曲部を有する板ばねであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記弾性部材は、前記第２の面側に凸の湾曲部を有する板ばねであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
4. 前記弾性部材は、複数の湾曲部を有する板ばねであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
5. 前記金属板の材質と前記弾性部材の材質が同じであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
6. 前記金属板は凹部を有し、前記凹部内に前記ひずみゲージが設けられ、前記受圧面は平坦であることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
7. 請求項１記載の圧力センサと、
   前記弾性部材に接合される圧力容器と、を備える圧力計。
   

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