JP3917574B2 - 超精密微小差圧測定装置及び超精密差圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、高性能電子式秤量・圧力変換器を用いた超精密微小差圧測定装置及び超精密差圧測定装置に関するものであり、差圧計の基準器や低抵抗フィルタの圧力降下特性の計測、フィルタ性能の監視、減圧下の気体を扱う流体機器における流動特性の評価用ツールとして使用され超精密差圧測定装置と、数気圧程度の差圧の測定に汎用される超精密差圧測定装置に関するものである。

従前から、微小圧力や微小差圧の測定の基準器として、通常アスカニア型微圧計や液柱型マノメータのような液柱高さを目視により読み取りする型式のものが用いられているが、シリンダのラム機構に作用する力を電子式秤量器により秤量するようにした型式のものも使用されて来た。
さらに、歪みゲージ或いは半導体ゲージ等を用いて差圧を電気的に検出する方法も多く用いられているが、これ等を基準器として用いることは一般に行なわれていない。

しかし、例えば、前者の液柱高さを目視により読み取る型式のアスカニア型微圧計では、読み取り分解能が最高でも０．０１ｍｍ程度であり、３桁程度の有効な数字の水柱ナノメータ（ｎｍＡｑ）オーダの微小な差圧を連続的に正確に測定することは全く不可能な上、測定値を電気信号として連続的に出力できない。

また、後者の電子式秤量器を使用する型式の電子圧測定装置においては、測定結果を電気信号として連続的に出力することはできるものの、被測定圧力により生じた力をステムやラム等を介して電子式秤量・圧力変換器へ伝達する構成としているため、可動部分の摩擦や機械的加工精度に起因する測定誤差の発生が不可避であり、結果として微小差圧を高精度で計測することができないという問題がある（実公平６−７６９３７号及び特公平２−５２９７５号等）。

尚、このことは、数気圧程度の差圧測定を目的とする所謂汎用型の電子圧測定装置においても同様であり、可動部分の摩擦等による測定誤差が不可避であるため、高精度な測定が出来ないと云う問題がある。

実公平６−７６９３７号公報 特公平２−５２９７５号公報

本発明は、従前のこの種微小圧力や微小差圧の測定装置並びに汎用の電子式圧力測定装置における上述のごとき問題、すなわち（１）液柱高さを目視により検出する型式のものでは読み取り精度が低いうえ、検出値を連続的に出力することができないこと、また、（２）電子式秤量器を用いる型式のものでは、圧力を力に変換して電子式秤量器へ伝達する機構の可動部の摩擦等により、測定誤差の発生が不可避であり、微小差圧の測定が困難なうえ、測定精度が低いこと等の問題を解決せんとするものであり、電子式秤量・圧力変換器そのものを被測定圧力がかかった空間内へ配設すると共に、電子式秤量・圧力変換器に固定した受圧板を介して前記被測定圧力空間と他方の被測定空間との間を封止液又は仕切膜により気密に隔離することにより、３桁程度の有効な数字の水柱ナノメータ（ｎｍＡｑ）オーダの超微小差圧の高精度な測定及び数気圧程度の汎用差圧の超精密測定を可能とした超精密微小差圧測定装置及び超精密差圧測定装置を提供することを発明の主たる目的とするものである。

本願発明者等は、受圧面を形成する受圧板を摺動機構（可動機構）を介して支持することにより、受圧板にかかる力を電子式秤量器へ伝達するようにした従来の方式は、前記摺動部分に生じる摩擦抵抗が誤差を誘引する原因となり、超微小差圧の測定には不適当であると判断し、当該摩擦抵抗等による誤差を避けるため、受圧面を形成する受圧板を拘束することなく電子式秤量・圧力変換器の受台上に支持固定すると共に、受圧板の上・下両面側の二つの被測定圧力空間を受圧板を介して気密に区割する方策として、液封方式の採用を着想した。
また、これと同時に、数気圧程度の差圧測定に際しては、前記液封方式に替えて薄い樹脂フイルム又は金属製膜体を仕切膜として利用することにより、より高精度な差圧測定が可能なことを着想した。

本願発明は上記着想と測定試験の結果に基づいて創作されたものであり、請求項１の発明は、圧力導入孔７ａを備えた下部本体７と圧力導入孔８ａを備えた上部本体８とを対向状に組み合せ、その内部空間の内壁面に環状の封止液貯留溝９を設けた装置本体１と、平板状、ディスク板３ａとその外周縁に下方へ向けて突設した封止壁３ｂとから逆皿形に形成され、前記装置本体１内に配設されて内部空間を下部空間７と上部空間８とに気密状に分割する受圧板３と、前記装置本体１の下部空間７内に配設した電子式秤量・圧力変換器２と、電子式秤量・圧力変換器２の受台５上に前記受圧板３を支持固定する支持体４と、前記受圧板３の外周縁部を液封して、下部空間７と上部空間８との間の気密を保持する液封部Ｒとから成り、上部空間８内の圧力Ｐ₁と下部空間７内の圧力Ｐ₂間の微差圧を受圧板３を介して電子式秤量・圧力変換２により測定する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、電子式秤量・圧力変換器２の最小秤量表示を０．０００１ｇより小さい値とするようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、受圧板３を支持固定する支持体４の上端、下端または上・下両端を尖頭形とするようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、電子式秤量・圧力変換器２を、秤量値を電気信号の形で連続的に取り出し、これをコンピュータに送り、差圧に変換して出力する構成としたものである。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、電子式秤量・圧力変換器２を、電子式秤量器と電子式秤量器からの秤量信号を差圧に変換して出力するコンピュータとから成る構成としたものである。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、液封部Ｒを、装置本体１の内部空間の内壁面に形成した環状の封止液貯留溝９と、封止液貯留溝９内へ充填した封止液６と、封止液６の内部へ上方よりその下端面を挿入した受圧板３の外周縁に設けた封止壁３ｂとから成る構成としたものである。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、液封部Ｒを、その接液部の全部または一部に均斉な濡れ性を維持するための表面処理を施した液封部としたものである。

請求項８の発明は、圧力導入孔７ａを備えた下部本体７と圧力導入孔８ａを備えた上部本体８とを対向状に組み合せて形成した内部に空間部を有する装置本体１と、装置本体１内にその内壁面との間に小さな間隙δを置いて配設され、装置本体１の内部空間を下部空間７と上部空間８とに気密状に分割する受圧板３と、前記装置本体１の下部空間７内に配設した電子式秤量・圧力変換器２と、電子式秤量・圧力変換器２の受台５上に前記受圧板３を支持固定する支持体４と、前記受圧板３の外周面と装置本体１の内壁面との前記間隙δに配設されて下部空間７と上部空間８との間の気密を保持する仕切膜１０とから成り、上部空間８内の圧力Ｐ₁と下部空間７内の圧力Ｐ₂間の差圧を受圧板３を介して電子式秤量・圧力変換器２により測定する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、電子式秤量・圧力変換器２の最小秤量表示を０．０００１ｇより小さい値とするようにしたものである。

請求項１０の発明は、請求項８の発明において、受圧板３を支持固定する支持体４の上端、下端または上・下両端を尖頭形とするようにしたものである。

請求項１１の発明は、請求項８の発明において、受圧板３の外周面にこれと垂直に、前記仕切膜１０の内周縁を挿入する嵌合溝３ｄを、また装置本体１の内壁面の前記嵌合溝３ｄと同一の高さ位置にこれと垂直に仕切膜１０の外周縁を挿入する嵌合溝１ｄを設け、両嵌合溝３ｄ、１ｄ内へ仕切膜１０の内・外各外周縁を気密に挿入固着する構成としたものである。

請求項１２の発明は、請求項８の発明において、仕切膜１０を樹脂フィルム又は金属製薄膜から成る鍔状の仕切膜とすると共に、当該仕切膜１０の外周縁部を装置本体１の嵌合溝１ｄ内へ、またその内周縁部を受圧板３の勘合溝３ｄ内へ夫々気密に挿入する構成としたものである。

請求項１３の発明は、請求項８の発明において、電子式秤量・圧力変換器２を、秤量値を電気信号の形で連続的に取り出し、これをコンピュータで差圧に変換して出力する構成としたものである。

請求項１４の発明は、請求項１３の発明において、電子式秤量・圧力変換器２を、電子式秤量器と電子式秤量器からの秤量信号を差圧に変換して出力するコンピュータとから成る構成としたものである。

本発明に係る超精密微小差圧測定装置においては、受圧板３が上下方向へ全く移動しないため、封止液６が作るメニスカスに受圧板３が影響を与えることが皆無である。

また、二つの環状液面を形成する封止液６の液面高さは、両圧力空間７、８の差圧ΔＰによって異なるが、両液面の面積Ａ₁ 、Ａ₂ は、後述するように、等しくすることが必須条件ではない。
更に、両圧力空間７、８の間の差圧ΔＰの微小な変化に伴なって液面の形状が変化すると、これによって封止液６の作るメニスカスが変化し、受圧板３に上下方向に働く力が誘起される。
しかし、この力は、内外（両面）の環状液面の間で相殺される方向に働くため、差圧の測定精度に影響を及ぼすことが無い。

本発明においては、装置本体１内の下部空間７内に電子式秤量・圧力変換器２を設けると共に、受圧板３とその外周縁の液封部Ｒによって装置本体１内を下部空間７と上部空間８とに気密状に分割し、前記受圧板３にかかる両空間７、８間の差圧による力を電子式秤量・圧力変換器２により連続的に計測すると共に、これを差圧に換算して電気信号として出力する構成としている。
その結果、差圧により生じた力は、電子式秤量・圧力変換器２の上へ固定した受圧板３を介して電子式秤量・圧力変換器２へ直接的に伝達されることになり、差圧により生じた力の伝達系路には機械的な摩擦部が一切介存しないため、差圧の測定精度を大幅に向上させることができ、最小秤量を適切に選んだ電子式秤量・圧力変換器２を用いることにより、本発明の超精密微差圧測定装置の場合には、３桁若しくはそれ以上に大きな有効数字を持つ微小差圧の高精度な連続測定が可能となり、例えば最小秤量が０．０００１ｇの電子式秤量・圧力変換器２を用いた場合には水柱数百ナノメートルオーダの差圧の高精度連続測定が可能となる。

また、液封部Ｒを形成する封止液６は、差圧の測定上にその密度が関係しないため、いかなる液体であっても封止液として使用することができる。
その結果、封止液の選定が容易となり、測定装置自体の構造が極く簡単なものであることともあいまって、製造コストの大幅な引下げが可能となる。

更に、本願発明の超精密差圧測定装置に於いては、仕切膜１０がフレキシブルな薄膜であるため、装置本体１の嵌合溝１ｄ及び受圧板３の嵌合溝３ｄへの仕切膜１０の挿入に伴って受圧板３に上下方向の力を誘発することはない。

加えて、受圧板３の形態や重量すなわちその材質や厚さ、形状は、差圧の測定に全く無関係となるため、任意に受圧板３の材質や厚さや形状等を選定することができ、この面からも差圧測定装置の製造コストの一層の引下げが可能となる。

また、従前の差圧測定装置の場合には、その校正や検定を行なう際に基準器等が必要となり、また検定時には実際に差圧を発生させる必要があるのに対して、本願発明の差圧測定装置では、差圧（圧力）に相当する重錘を載せることによって、差圧を必要とすることなしに校正や検定を容易に行なうことができ、極めて好都合である。
本発明は上述の通り、極く簡単な構造の安価に製造可能な装置により、これまでにない超高精度な微差圧の連続測定と電気信号による連続的な測定値の出力を可能にするものであり、優れた実用的効用を奏するものである。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係る超精密微小差圧測定装置の断面概要図であり、図１において、１は装置本体、２は電子式秤量・圧力変換器、３は受圧板、４は支持体、５は電子式秤量・圧力変換器の受台、６は封止液である。

前記装置本体１は金属やエンジニアリングプラスチックによって内部に空間部を備えた箱型に形成されており、本実施形態においては下部本体１ａと上部本体１ｂとを対向状に組み合せ、両者を気密状に固定することにより装置本体１が形成されている。

なお、図１の実施形態においては、平面形状が円形の下部本体１ａと上部本体１ｂとをそれぞれ対向状に組み合せることにより装置本体１を形成するようにしているが、装置本体の形態や構造はいかなるものであってもよいことは勿論である。

前記下部本体１ａには、その内部空間７に連通する圧力導入孔７ａが、また、上部本体１ｂにはその内部空間８に連通する圧力導入孔８ａがそれぞれ穿孔されている。

また、装置本体１の内周壁には所定の横幅寸法と深さ寸法を有する上面側が開放された環状の封止液６の貯溜溝９が形成されており、当該貯溜溝９内に封止液６が貯留されている。
なお、図１の実施形態では貯溜溝９を下部本体１ａの内周壁面の上方部に形成しているが、図３及び図４に示すように、貯溜溝９を上部本体１ｂの内周壁面に形成するようにしてもよい。

前記電子式秤量・圧力変換器２は一方の圧力空間（下部本体１ａの内部空間７）内に設けられており、この下部本体１ａに支持固定されている。

また、前記電子式秤量・圧力変換２は、電子式秤量器と電子式秤量器からの秤量値を差圧に変換して出力するコンピュータとから構成されている。
なお、電子式秤量器そのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略するが、被測定微差圧ΔＰを３桁程度の有効数字を有する水柱数百ナノメートルオーダの範囲で測定するためには、後述するように電子式秤量器の最小表示としては０．０００１ｇ程度のものを用いる。また、最大秤量容量としては、測定すべき最大差圧の大きさに適合したものを選定する。

本実施形態においては、電子式秤量器としてＡＮＤ社製のＨＸシリーズ、上皿電子天秤ＨＸ−１００を使用しており、最小表示０．０００１ｇ、最大秤量容量１０１ｇのものを使用している。

前記受圧板３はプラスチック材を加工して逆皿形に形成されており、平板状の円形ディスク３ａの外周縁には、下方へ直角に突出させた状態で封止壁１ｂが形成されている。なお、受圧板３の材質はプラスチック材に限定されるものではなく、金属材を用いて形成してもよい。
また、当該受圧板３は、前記外周縁の封止壁１ｂを図１に示すように貯溜溝９の封止液６内へ挿入した状態で、支持体４を介して電子式秤量・圧力変換器２の受台５上に水平姿勢で支持、固定されており、受圧板３そのものが上下方向へ移動することは全く無い。

本実施形態においては、受圧板３を厚さ約２ｍｍのプラスチックにより形成しており、また、その直径Ｄは、後に例示するように被測定差圧ΔＰの最大値と最小値に適合した大きさに選定されている。

さらに、前記支持体４は金属により円筒形または円錐台に形成されており、装置本体１の外形寸法に応じてその高さ寸法は適宜に選定される。この支持体４の材質はいかなる材質であってもよく、本実施形態においては、支持体４は砲金により形成されている。また、支持体４の形状も、円筒形や円錐台に限定されるものではなく、例えば側面視が台形や長方形、正方形等の直方体等でもよい。

前記封止液６は、後述するように被測定差圧ΔＰの大きさに応じてその貯留高さが適宜に選定されている。
なお、封止液６の密度は被測定差圧ΔＰによって電子式秤量・圧力変換器２に加わる下方への押圧力Ｆａに直接関係しないように秤量操作できるので、封止液６はいかなる液体（例えば水やオイル等）であってもよく、本実施形態においてはシリコンオイルが封止液６として利用されている。

すなわち、図１からも明らかなように、前記受圧板３と封止液６とにより、装置本体１の内部は圧力導入孔７ａに連通する下部空間７と、圧力導入孔８ａに連通する上方空間８とに気密状に分割されており、かつ電子式秤量・圧力変換器２は下方空間７内に配設されていて、受圧板３にかかる両空間７、８の圧力差ΔＰ＝Ｐ₁ −Ｐ₂ ＞０（またはΔＰ＝Ｐ₂ −Ｐ₁ ＞０）に相当する力Ｆが当該電子式秤量・圧力変換器２により連続的に計測されると共に、この計測された秤量値がコンピュータによって差圧に変換され、電気信号として連続的に外部へ出力されることになる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る超精密微小差圧測定装置の断面概要図であり、上部本体１ｂと下部本体１ａがフランジを用いずに気密状に連結されている点、支持体４の一端が尖頭形状になっている点及び電子式秤量・圧力変換器２が受台を有していない点が、前記図１に示した第１実施形態に係る装置と異なっており、その他の構成は第１実施形態に係る装置の場合と同一である。

すなわち、前記支持体４は、その上端が尖頭状４ａに形成されており、その尖頭部４ａが受圧板３の下面側に形成した受溝３ｃ内へ係合されている。このように、尖頭部４ａを受溝３ｃ内へ係合させることにより、受圧板３の横方向への移動が阻止されることになる。なお、支持体４の形状とその設定本数は、受圧板３を安定に支えることができれば、自由に選択可能である。

また、図２の実施形態では、支持体４の上端部のみを尖頭状に形成しているが、上端部と下端部の両方を尖頭状としてもよい。
さらに、図２の実施形態では、電子式秤量・圧力変換器２を下方空間７内に配設する構成としているが、電子式秤量・圧力変換器２を上方空間８内に下向きに配置し、受圧板３を支持体４を介して吊下げ状に支持固定する構成としてもよい。電子式秤量・圧力変換器２のオフセット量の調整に受圧板３等の重量を含めることにより、受圧板３を吊下げ支持する構成の採用が可能となる。

次に、本発明に係る超精密微差圧測定装置の作動原理について説明する。
図３及び図４は、図１に示した本発明の超精密微差圧測定装置において、電子式秤量・圧力変換器２に加わる差圧ΔＰに関係する説明図であり、前者の図３は下方空間７と上方空間８との間の差圧ΔＰが零のときの環状液封部Ｒ（受圧板３の封止壁３ｂ及び貯溜溝９内の封止液６）の状態を示すものであり、また後者の図４は、下方空間７と上方空間８との間に差圧Ｐ₁ −Ｐ₂ ＞０が生じている場合の環状液封部Ｒの状態を示すものである。

今、図３及び図４においてＳ₁ を受圧板３の上面の面積、Ｓ₂ を受圧板下面の面積、ρを封止液６の密度、ｇを重力の加速度、Ａ₁ を環状液封部Ｒの外環部の面積、Ａ₂ を環状液封部Ｒの内環部の面積、Ｐ₀ を差圧が零のときの上下空間部８、７内の圧力、ｈｂｏを封止壁３ｂの下端面と封止液６の液面間の距離とすると、封止液６内の封止壁３ｂ下端面の位置における封止液圧Ｐｂｏ＝Ｐｏ＋ρｇｈｂｏで表わされる。

また、図４に示すように上下両空間８、７の圧力がＰ₁ 、Ｐ₂ となり、両者の間に差圧Ｐ₁ −Ｐ₂ （Ｐ₁ ＞Ｐ₂ ）が発生する場合、外環部の液面は下降すると共に内環部の液面は上昇する。ただし、図４において、ｈｂは差圧が発生しているときの封止壁３ｂの下端面と外環部の液面間の距離、ｈ₁ は差圧が発生しているときの外環部の液面と差圧が零のときの液面間の距離、ｈ₂ は差圧が発生しているときの内環部の液面と差圧が零のときの液面間の距離、Ｐｂは差圧が発生しているときの封止壁３ｂの下端面の位置における液圧である。

そうすると、差圧が発生しているときの封止壁３ｂの下端面における液圧Ｐｂは、下記の式（１）で表わされる。
Ｐｂ＝Ｐ₁ ＋ρｇｈｂ＝Ｐ₂ ＋ρｇ（ｈ₁ ＋ｈ₂ ＋ｈｂ）……（１）
また、Ｐ₁ −Ｐ₂ ＝ρｇ（ｈ₁ ＋ｈ₂ ）……（２）
Ａ₁ ｈ₁ ＝Ａ₂ ｈ₂ ……（３）
であるから、式（２）と式（３）とから差圧Ｐ₁ −Ｐ₂ は式（４）で表わされる。
Ｐ₁ −Ｐ₂ ＝ρｇ（１＋Ａ₂ ／Ａ₁ ）ｈ₂ ……（４）

また、ｈｂｏ＝ｈｂ＋ｈ₁ ……（５）
であるから、受圧板３の上下面に働く圧力によって生じる力の差Ｆは、下記の式（６）〜式（９）により表わされる。
Ｆ＝Ｓ₁ Ｐ₁ −｛Ｓ₂ Ｐ₂ ＋（Ｓ₁ −Ｓ₂ ）Ｐｂ｝……（６）
ここで（Ｓ₁ −Ｓ₂ ）をΔＳ＝（Ｓ₁ −Ｓ₂ ）……（７）
とし、式（１）のＰｂを式（６）に代入すると、式（８）が得られる。
Ｆ＝Ｓ₁ Ｐ₁ −（Ｓ₂ Ｐ₂ ＋ΔＳＰｂ）
＝Ｓ₁ Ｐ₁ −〔Ｓ₂ Ｐ₂ ＋ΔＳ｛Ｐ₂ ＋ρｇ（ｈ₁ ＋ｈ₂ ＋ｈｂ）｝〕
＝Ｓ₁ Ｐ₁ −｛（Ｓ₂ ＋ΔＳ）Ｐ₂ ＋ΔＳρｇ（ｈ₁ ＋ｈ₂ ＋ｈｂ）｝
＝Ｓ₁ Ｐ₁ −Ｓ₁ Ｐ₂ −ΔＳρｇ（ｈ₁ ＋ｈ₂ ＋ｈｂ）
＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）−ΔＳρｇ（ｈ₁ ＋ｈ₂ ＋ｈｂ）……（８）

上記式（８）の第２項を式（５）を用いて書き改めると、式（９）が得られる。
Ｆ＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）−ΔＳρｇ（ｈ₂ ＋ｈｂ＋ｈ₁ ）
＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）−ΔＳρｇ（ｈ₂ ＋ｈｂｏ）
＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）−ΔＳρｇｈ₂ −ΔＳρｇｈｂｏ……（９）

上記式（９）の第３項は、差圧が零の状態において受圧板３の重量と共に電子式秤量・圧力変換器２をリセットすることで、差圧の測定時にはカウントされない、つまり零になっている項である。従がって、実際に電子式秤量・圧力変換器２により検出される力をＦａとすると、このＦａは式（１０）により表わされる。
Ｆａ＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）−ΔＳρｇｈ₂ ……（１０）

さらに、式（１０）に、式（４）を代入してｈ₂ を消去すると、式（１１）のようになり、この式（１１）から最終的に必要とする差圧Ｐ₁ −Ｐ₂ の算定式が式（１２）として得られる。なお、式（１２）中のＳｅは式（１３）で定義される有効受圧面積である。
Ｆａ＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）−ΔＳ（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（１＋Ａ₂ ／Ａ₁ ）
＝Ｓ₁ （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）｛１−（ΔＳ／Ｓ₁ ）／（１＋Ａ₂ ／Ａ₁ ）｝……（１１）
（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）＝Ｆａ／Ｓｅ……（１２）
Ｓｅ＝Ｓ₁ ／｛１−（ΔＳ／Ｓ₁ ）／（１＋（Ａ₂ ／Ａ₁ ））｝……（１３）

すなわち、電子式秤量・圧力変換器２により計量された力Ｆａから測定の目的である差圧（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）を決定するには、Ｆａを有効受圧面積Ｓｅで割ればよい。
また、当該超精密微小差圧測定装置を設計する際に、ΔＳをＳ₁ に比して特に小さくする必要はなく、更にＡ₂ をＡ₁ に一致させるような必要も全く無い。

なお、差圧（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）が僅かに変化した場合には、封止液６の液面と封止壁３ｂの壁面の間に生じるメニスカスも僅かに変形することになる。しかし当該変形の発生のしかたは、上部空間８側（Ｐ₁ 側）と下部空間７側（Ｐ₂ 側）とでは逆になるため、結果としてこのメニスカスの変形に伴なう表面張力は相殺されることになり、差圧測定の精度を低下させる要因とはならない。

また、封止液６の液面と封止壁３ｂおよび封止液貯溜溝９との間のメニスカスの形状が、壁面の汚れ等により濡れ性が不均斉である場合には濡れの状態が時間的に変動し、差圧（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）よって生じる力Ｆａの外乱要因となることがありうる。
このような場合には、接液壁面に撥液処理をあらかじめ施すことによって、有効な対策とすることができる。

上述したように、式（１２）を用いることにより、本願発明の超精密微小差圧測定装置においては、電子式秤量器の出力をコンピュータで差圧に変換することより、差圧（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）を求めることができ、且つ前記式（１２）は封入液６の密度ρや受圧板３の重量とは無関係なものであるため、封入液６及び受圧板３の材質や形状等はいかなるものであってもよいことになる。

次に、受圧板３の外形寸法と、本発明の超精密微小差圧測定装置でもって測定可能な最小差圧及び当該最小差圧を空気流の動圧で表わした場合の空気流速の関係について説明する。
今、受圧板の有効受圧面積をＳｅ、差圧をΔＰ、電子式秤量器に加わる力をＦと仮定すると、前記力Ｆは、Ｆ＝ＳｅΔＰで表わされる。
ここで、仮に差圧ΔＰによって生ずる力の秤量Ｆを０．１ｇとすると、測定される差圧の値ΔＰは、ΔＰ＝Ｆ／Ｓｅ＝０．１／Ｓｅ（ｇ／ｍｍ² ）＝０．０１／Ｓｅ（ｋｇ／ｃｍ² ）＝０．０１×１０⁴ ／Ｓｅ（ｍｍＡｑ）＝１００／Ｓｅ（ｍｍＡｑ）となる。

上記の差圧ΔＰに相当した動圧を有する常温・常圧の空気の流速をｕ（ｍ／ｓ）とすると、
ΔＰ＝ρｕ² ／２ｇ＝（１．２５／１０００）ｕ² ／２ｇ＝ ０．０６３７８・ｕ² （ｍｍＡｑ）となる。

前記ΔＰ≒１００／Ｓｅ（ｍｍＡｑ）の式の中のＳｅをパラメータにしてΔＰを演算すると共に、これを動圧とする空気の流速ｕを求めると、下記の表１のようになる。

なお、上記表１において、有効受圧面積Ｓｅは、受圧板の有効直径Ｄｅｍｍに換算して表わされている。

上述のように、秤量Ｆが０．１ｇの電子式秤量・圧力変換器２を使用すると、例えば円形の受圧板の有効直径Ｄｅが１００ｍｍのときには、測定差圧ΔＰが０．０１２７３ｍｍＡｑとなる。また、有効直径Ｄｅが４００ｍｍのときには、ΔＰが７９５．８ｎｍＡｑとなり、この場合には３桁程度の有効数字を有する水柱数百ナノメートルの差圧ΔＰを測定することが可能となる。

このように、本願発明の超精密微差圧測定装置においては、秤量Ｆが０．１ｇ〜０．０００１ｇの電子式秤量・圧力変換器２を使用することにより、３桁若しくはそれ以上に大きな有効数字を有する微差圧を高精度で測定することが可能となる。

図５は、本願第２発明の実施形態に係る汎用超精密差圧測定装置の断面概要図であり、図１乃至図４に示した第１発明の超精密微小差圧測定装置に於ける液封方式に替えて、仕切膜１０による封止方式を採用した点が第１発明とは異なっている。

即ち、図５に於いて、１は装置本体、２は電子式秤量・圧力変換器、３は受圧板、４は支持体（負荷伝達用錐体）、７は下方空間、８は上方空間、１０は仕切膜であり、仕切膜１０を除いたその他の構成は、図１乃至図４に示した前記第１発明の場合と同一である。

当該図５の第２発明に於いては、測定可能な差圧の上限値を数気圧のオーダにまで高めるため、上部空間圧力Ｐ₁ （１次圧力）と下部空間圧力Ｐ₂ （２次圧力）の隔離のために仕切膜１０が使用されている。

仕切膜１０としては、（イ）薄い膜厚であって柔軟性を有すること（フレキシブルな特性を具備すること）、（ロ）温度変化等により仕切膜１０が伸縮しても、電子式秤量・圧力変換器２に加わる力が生じないこと及び（ハ）長期に亘って安定した気密性を保持でき、耐食性に優れていること等の特性を具備したものが望ましく、本実施形態に於いては、厚さ５〜２００μｍの樹脂フイルム又は金属製薄膜が使用されている。

尚、前記仕切膜１０の温度変化等による伸縮により、電子式秤量・圧力変換器２に加わる力が発生するのを防止するため、仕切膜１０の両端部の受圧板３と下部本体１ａへの固定点は同一水平面に保持されており、更に上記電子式秤量・圧力変換器２に加わる力そのものが誘起し難くなるように、仕切膜１０には図６に示すように、若干弛みが与えられている。

図６は、仕切膜１０による上下両空間部８、７間の隔離部分を示す部分拡大図であり、細幅の鍔状（リング状）の仕切膜１０の内周縁部と外周縁部は、夫々受圧板３の端面及び下部本体１ａの内周壁面に垂直状に形成された嵌合溝３ｄ、１ｄ内へ夫々挿入され、気密状に接着（又は挾圧）固定されている。

図６を参照して、いま、Ｄを受圧板３の直径、δを受圧板３の端面と下部本体１ａの内壁面との間隙寸法、Ｆａを差圧（Ｐ₁ −Ｐ₂ 、Ｐ₁ ＞Ｐ₂ ）により発生した力の内の支持体４を介して電子式秤量・圧力変換器２に加えられる力、ＦＤを受圧板３に生ずる力、Ｆｐを仕切膜１０に生ずる力とする。
また、前記Ｆｐは、間隙δが受圧板３の直径Ｄに比較して相対的に小さいため、受圧板３と下部本体１ａの両方へ等分に伝達されるとする。

そうすると、前記支持体４を介して電子式秤量・圧力変換器２へ伝達される力Ｆａは、Ｆａ＝ＦＤ＋Ｆｐ／２となる。ここで、ＦＤ＝（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）×πＤ² ／４、Ｆｐ＝（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）×π（Ｄ＋δ）×δであるから、Ｆａは下記の式１４で表わされる。
Ｆａ＝（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）×πＤ² ／４＋（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）×π（Ｄ＋δ）×δ／２
＝（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）×πＤ² ／４×｛１＋２δ／Ｄ＋２×（δ／Ｄ）² ｝…（１４）

いま、受圧板３の直径Ｄ及び仕切膜１０の横幅（即ち間隙寸法δ）が与えられていると、前記式（１４）から（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）＝Ｆａ／〔（πＤ² ／４）×｛１＋２δ／Ｄ＋２（δ／Ｄ）² ｝〕＝Ｆａ／Ｋ…（１５）となる。ここに、Ｋ＝（πＤ² ／４）×〔１＋２δ／Ｄ＋２（δ／Ｄ² ）〕…（１６）である。差圧Ｐ₁ −Ｐ₂ は電子式秤量・圧力変換器２で検出されたＦａを分母の定数Ｋで除することにより、与えられることになる。

本発明に係る超精密微小差圧測定装置は、差圧計の基準器や低抵抗フィルタの圧力降下特性の計測、フィルタ性能の監視、減圧下の気体を扱う流体機器における流動特性の評価用ツール等として使用され、また、超精密差圧測定装置は、一般工業用等の数気圧程度の差圧測定に汎用されるものである。

本発明の第１実施形態に係る超精密微小差圧測定装置の断面概要図である。 本発明の他の実施形態に係る超精密微小差圧測定装置の断面概要図である。 差圧が零のときの環状液封部Ｒの状態を示す断面図である。 差圧が生じているときの環状液封部Ｒの状態を示す断面図である。 第２発明に係る汎用超精密差圧測定装置の断面概要図である。 仕切膜による上下空間部の隔離状態を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１は装置本体、１ａは下部本体、１ｂは上部本体、１ｄは嵌合溝、２は電子式秤量・圧力変換器、３は受圧板、３ａは平板状のディスク板、３ｂは封止壁、３ｃは受溝、３ｄは嵌合溝、４は支持体、４ａは尖頭部、５は支持体の受台、６は封止液、７は下方空間、７ａは圧力導入孔、８は上方空間、８ａは圧力導入孔、９は封止液貯溜溝、Ｒは環状液封部（封止壁３ｂ、封止液６及び貯溜溝９）、Ａ₁ は外環部の面積、Ａ₂ は内環部の面積、Ｓ₁ は受圧板上面の面積、Ｓ₂ は受圧板下面の面積、Ｓｅは有効受圧面積、Ｄｅは有効直径、ρは封止液の密度、ｇは重力の加速度、Ｐｏは差圧が零のときの上下両空間部内の圧力、ｈｂｏは差圧が零のときの封止壁３ｂの下端面と液面間の距離、Ｐｂｏは差圧が零のときの封止壁３ｂの下端面の位置における液圧、Ｐ₁ は上部空間８内の圧力、Ｐ₂ は下部空間７内の圧力、ｈｂは差圧が発生しているときの封止壁３ｂの下端面と外環部の液面間の距離、ｈ₁ は差圧が発生しているときの外環部の液面と差圧が零のときの液面間の距離、ｈ₂ は差圧が発生しているときの内環部の液面と差圧が零のときの液面間の距離、Ｐｂは差圧が発生しているときの封止壁３ｂの下端面の位置における液圧、１０は仕切膜、Ｄは受圧板の直径、δは受圧板３の端面と下部本体１ａの内壁面との間隙寸法。

Claims (14)

1. 圧力導入孔７ａを備えた下部本体７と圧力導入孔８ａを備えた上部本体８とを対向状に組み合せ、その内部空間の内壁面に環状の封止液貯留溝９を設けた装置本体１と、平板状のディスク板３ａとその外周縁に下方へ向けて突設した封止壁３ｂとから逆皿形に形成され、前記装置本体１内に配設されて内部空間を下部空間７と上部空間８とに気密状に分割する受圧板３と、前記装置本体１の下部空間７内に配設した電子式秤量・圧力変換器２と、電子式秤量・圧力変換器２の受台５上に前記受圧板３を支持固定する支持体４と、前記受圧板３の外周縁部を液封して、下部空間７と上部空間８との間の気密を保持する液封部Ｒとから成り、上部空間８内の圧力Ｐ₁と下部空間７内の圧力Ｐ₂間の微差圧を受圧板３を介して電子式秤量・圧力変換２により測定する構成としたことを特徴とする超精密微小差圧測定装置。
2. 電子式秤量・圧力変換器２の最小秤量表示を０．０００１ｇより小さい値とするようにした請求項１に記載の超精密微小差圧測定装置。
3. 受圧板３を支持固定する支持体４の上端、下端または上・下両端を尖頭形とするようにした請求項１に記載の超精密微小差圧測定装置。
4. 電子式秤量・圧力変換器２を、秤量値を電気信号の形で連続的に取り出し、これをコンピュータで差圧に変換して出力する構成とした請求項１に記載の超精密微小差圧測定装置。
5. 電子式秤量・圧力変換器２を、電子式秤量器と電子式秤量器からの秤量信号を差圧に変換して出力するコンピュータとから成る構成とした請求項４に記載の超精密微小差圧測定装置。
6. 液封部Ｒを、装置本体１の内部空間の内壁面に形成した環状の封止液貯留溝９と、封止液貯留溝９内へ充填した封止液６と、封止液６の内部へ上方よりその下端面を挿入した受圧板３の外周縁に設けた封止壁３ｂとから形成した請求項１に記載の超精密微小差圧測定装置。
7. 液封部Ｒを、その接液部の全部または一部に均斉な濡れ性を維持するための表面処理を施した液封部とした請求項６に記載の超精密微小差圧測定装置。
8. 圧力導入孔７ａを備えた下部本体７と圧力導入孔８ａを備えた上部本体８とを対向状に組み合せて形成した内部に空間部を有する装置本体１と、装置本体１内にその内壁面との間に小さな間隙δを置いて配設され、装置本体１の内部空間を下部空間７と上部空間８とに気密状に分割する受圧板３と、前記装置本体１の下部空間７内に配設した電子式秤量・圧力変換器２と、電子式秤量・圧力変換器２の受台５上に前記受圧板３を支持固定する支持体４と、前記受圧板３の外周面と装置本体１の内壁面との前記間隙δに配設されて下部空間７と上部空間８との間の気密を保持する仕切膜１０とから成り、上部空間８内の圧力Ｐ₁と下部空間７内の圧力Ｐ₂間の差圧を受圧板３を介して電子式秤量・圧力変換器２により測定する構成としたことを特徴とする超精密差圧測定装置。
9. 電子式秤量・圧力変換器２の最小秤量表示を０．０００１ｇより小さい値とするようにした請求項８に記載の超精密差圧測定装置。
10. 受圧板３を支持固定する支持体４の上端、下端または上・下両端を尖頭形とするようにした請求項８に記載の超精密差圧測定装置。
11. 受圧板３の外周面にこれと垂直に、前記仕切膜１０の内周縁を挿入する嵌合溝３ｄを、また装置本体１の内壁面の前記嵌合溝３ｄと同一の高さ位置にこれと垂直に仕切膜１０の外周縁を挿入する嵌合溝１ｄを設け、両嵌合溝３ｄ、１ｄ内へ仕切膜１０の内・外各外周縁を気密に挿入固着する構成とした請求項８に記載の超精密差圧測定装置。
12. 仕切膜１０を樹脂フィルム又は金属製薄膜から成る鍔状の仕切膜とすると共に、当該仕切膜１０の外周縁部を装置本体１の嵌合溝１ｄ内へ、またその内周縁部を受圧板３の勘合溝３ｄ内へ夫々気密に挿入する構成とした請求項８に記載の超精密差圧測定装置。
13. 電子式秤量・圧力変換器２を、秤量値を電気信号の形で連続的に取り出し、これをコンピュータで差圧に変換して出力する構成とした請求項８に記載の超精密差圧測定装置。
14. 電子式秤量・圧力変換器２を、電子式秤量器と電子式秤量器からの秤量信号を差圧に変換して出力するコンピュータとから成る構成とした請求項１３に記載の超精密差圧測定装置。

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