WO2004074802A1

WO2004074802A1 - 超精密微小差圧測定装置及び超精密差圧測定装置

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Publication number: WO2004074802A1
Application number: PCT/JP2004/001513
Authority: WO
Inventors: Kotohiko Sekoguchi
Original assignee: Fujikin Incorporated
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2004-09-02
Also published as: US20070022817A1; TW200424506A; US7185543B2; KR20050098306A; US20060065057A1; TWI230251B; CA2516387A1; EP1596177A4; EP1596177A1; JP2004271501A; JP3917574B2

Abstract

　機械的な摺動部を介さずに微小差圧を電子式秤量・圧力変換器へ伝達することにより、微小差圧を高精度で連続的に測定することができ、しかも構造が簡単で製造コストの大幅な引下げを可能とした超精密微小差圧測定装置を提供する。　具体的には、超精密微小差圧測定装置を、内部に空間部を有する装置本体１と、装置本体１の内部空間内に配設され、当該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、下部空間７内に配設されてその上に受圧板３を支持固定する電子式秤量・圧力変換器２と、前記受圧板３の外周縁部を液封し、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とから構成し、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・圧力変換器２により測定する。

Description

明細書

超精密微小差圧測定装置及び超精密差圧測定装置

技術分野

本発明は、高性能電子式枰量 ·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測定装置に関するものであり、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る超精密微小 ¾JE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。

背景技術

従前から、微小圧力や微小 ^ΐΐの測定の基準器として、通常ァ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^ BE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。

し力し、例えば、前者の液柱高さを目視により読み取る型式のァスカニア型微圧計では、読み取り分解能が最高でも 0. O l mm程度であり、 3桁程度の有効な数字の水柱ナノメータ（n mA q ) オーダの微小な^ BE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式差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カをステムやラム等を介して電子式秤量■圧力変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^ )E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— 7 6 9 3 7号及び特公平 2— 5 2 9 7 5号等）。

尚、このことは、数気圧程度の測定を目的とする所謂汎用型の電子式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。特許文献 1 実公平 6— 7 6 9 3 7号公報

特許文献 2 特公平 2— 5 2 9 7 5号公報

発明の開示

発明が解決しようとする課題

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差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（n mA q ) 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 ¾BE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。

課題を解決するための手段

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^ ΐ測定に際しては、前記液封方式に替えて薄い樹脂フィ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。

本願各発明は上記着想と測^;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、内部に空間部を有する装置本体 1と、装置本体 1の内部空間内に配設され、当該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、下部空間 7内に配設されてその上に受圧板 3を支持固定する電子式秤量 ·圧力変 2と、前記受圧板 3の外周縁部を液封し、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とカゝら成り、上部空間 8内の圧力 P と下部空間 7内の圧力 P ₂ 間の微差圧を受圧板 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 2の発明は、請求項 1の発明において、装置本体 1を、下部空間 7に連通する圧力導入孔 7 aを備えた下部本体 7と、上方空間 8に連通する圧力導入孔 8 aを備えた上部本体 8とを対向状に組み合せると共に、内部空間の内壁面に環状の封止液貯溜溝 9を備えたものとしたものである。

請求項 3の発明は、請求項 1の究明において、受圧板 3を、平板状のディスク板 3 aとその外周縁に下方へ向けて突設した封止壁 3 とから成る構成としたものである。

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、電子式枰量'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ビ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、電子式秤量 ·圧力変換器 2を、その受台 5上に支持体 4を介設して受圧板 3を支持、固定する構成としたものである。

請求項 7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、上端、下端または上下端を尖頭形とした支持体 4を介設して受圧板 3を支持固定する構成としたものである。

請求項 8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溜溝 9と、封止液貯溜溝 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の外周縁に設けた環状の封止壁 3 bとから成る構成としたものである。

請求項 9の発明は、請求項 8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。

本願請求項 1 0に記載の超精密差圧測定装置は、内部に空間部を有する装置本体 1と、装置本体 1の内部空間内に配設され、当該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、下部空間 7内に配設されてその上に受圧板 3を支持固定する電子式秤量 ·圧力変 $« 2と、前記受圧板 3の外周面と装置本体 1の内壁面との間隙に配設され、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 1 0とから成り、上部空間 8内の圧力 P i と下部空間 7内の圧力 P ₂ 間の^ EE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 1 1の発明は、請求項 1 0の発明に於いて、装置本体 1を、下部空間 7 に連通する圧力導入孔 7 aを備えた下部本体 7と、上方空間 8に連通する圧力導入孔 8 aを備えた上部本体 8とを対向状に組み合せると共に、受圧板 3の外周面にこれと垂直に仕切膜 1 0の内周縁を揷入する嵌合溝 3 dを、また装置本体 1の内壁面の前記嵌合溝 3 dと同一高さの位置にこれと垂直に仕切膜 1 0の外周縁を挿入する嵌合溝 1 dを設ける構成としたものである。

請求項 1 2の発明は請求項 1 0の発明に於いて、仕切膜 1 0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 1 0の外周縁部を装置本体 1の嵌合溝 1 d内へ、またその内周縁部を受圧板 3の嵌合溝 3 d内へ夫々気密に揷入する構成としたものである。

請求項 1 3の発明は請求項 1 0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^] £に変換して出力する構成としたものである。

請求項 1 4の発明は請求項 1 0の発明に於いて、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ビュータとから成る構成としたものである。

請求項 1 5の発明は請求項 1 0の発明に於いて、電子式秤量 ·圧力変換器 2を、その受台 5上に支持体 4を介設して受圧板 3を支持、固定する構成としたものである。

請求項 1 6の発明は請求項 1 0の発明に於いて、電子式秤量 ·圧力変換器 2を、上端、下端または上下端を尖頭形とした支持体 4を介設して受圧板 3を支持固定する構成としたものである。

発明の効果

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 Δ Ρによって異なるが、両液面の面積 A i 、 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 Δ Ρの微小な変化に伴なつて液面の形状が変化すると、これによつて封止液 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。

し力し、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 « 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 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、本発明の超精密微小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. 0 0 0 1 gの電子式秤量■圧力変 2 を用いた場合には水柱数百ナノメートルオーダの ¾1Ξ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、本願明の超精密難測定装置に於いては、仕切膜 1 0がフレキシブルな薄膜であるため、装置本体 1の嵌合溝 1 d及び受圧板 3の嵌合溝 3 dへの仕切膜 1 0の揷入に伴って受圧板 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^] Ξ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^ ΙΞを発生させる必要があるのに対して、本願発明の ¾ΐΐ測定装置では、 (圧力）に相当する重錘を載せることによつて、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小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。

図面の簡単な説明

図 1は、本明の第 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図 2は、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。

図 3は、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。

図 4は、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。図 5は、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。

図 6は、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、 1 aは下部本体、 1 bは上部本体、 1 dは嵌合溝、 2は電子式秤量■圧力変換器、 3は受圧板、 3 aは平板状のディスク板、 3 bは封止壁、 3 cは受溝、 3 dは嵌合溝、 4は支持体、 4 aは尖頭部、 5は支持体の受台、 6は封止液、 7は下方空間、 7 aは圧力導入孔、 8は上方空間、 8 aは圧力導入孔、 9は封止液貯溜溝、 Rは環状液封部（封止壁 3 b、封止液 6及ぴ貯溜溝 9 )、 Α _τ は外環部の面積、 Α ₂ は内環部の面積、 S _x は受圧板上面の面積、 S ₂ は受圧板下面の面積、 S eは有効受圧面積、 D eは有効直径、 pは封止液の密度、 gは重力の加速度、 P oは差圧が零のときの上下両空間部内の圧力、 h b oは差圧が零のときの封止壁 3 bの下端面と液面間の距離、 P b oは差圧が零のときの封止壁 3 bの下端面の位置における液圧、 P _x は上部空間 8内の圧力、 P ₂ は下部空間 7内の圧力、 h bは ¾1Ϊが発生しているときの封止壁 3 bの下端面と外環部の液面間の距離、 h _x は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、 h ₂ はが発生しているときの内環部の液面と ¾]ΐが零のときの液面間の距離、 P bは差圧が発生しているときの封止壁 3 bの下端面の位置における液圧、 1 0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 1 aの内壁面との間隙寸法である。

発明を実施するための最良の形態

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 1 aと上部本体 1 b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 1 aと上部本体 1 b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、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 l aには、その内部空間 7に連通する圧力導入孔 7 aが、また、上部本体 1 bにはその内部空間 8に連通する圧力導入孔 8 a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 1 _a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 1 b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 1 aの内部空間 7 ) 内に設けられており、この下部本体 1 a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禾平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、被測小 ^Ξ Δ P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. 0 0 0 1 g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— 1 0 0を使用しており、最小表示 0 . 0 0 0 1 g、最大秤量容量 1 0 1 g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 3 aの外周縁には、下方へ直角に突出させた状態で封止壁 1 b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 1 b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 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 2 mm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 Δ Ρ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 ¾J Δ P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 Δ Pによつて電子式秤量 ·圧力変換器 2に加わる下方への押圧力 F a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 7 aに連通する下部空間 7と、圧力導入孔 8 a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 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 Δ Ρ = P — P ₂ > 0 (または Δ P = P ₂— P i X) ) に相当する力 Fが当該電子式秤量 ·圧力変 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、本亮明の第 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 1 bと下部本体 1 a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つており、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 4 aに形成されており、その尖頭部 4 aが受圧板 3の下面側に形成した受溝 3 c内へ係合されている。このように、尖頭部 4 aを受溝 3 c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 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 Δ P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^ Δ Pが零のときの環状液封部 R (受圧板 3 の封止壁 3 b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 ^ΙΞ Ρ — P ₂ > 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 S ₁ を受圧板 3の上面の面積、 S ₂ を受圧板下面の面積、 pを封止液 6の密度、 gを重力の加速度、 A _x を環状液封部 Rの外環部の面積、 A ₂ を環状液封部 Rの内環部の面積、 P。を差圧が零のときの上下空間部 8、 7内の圧力、 h b oを封止壁 3 b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 3 b下端面の位置における封止液圧 P b o = P o + p g h b o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、 P ₂ となり、両者の

— P s ( Έ^> ₁ > Ρ ₂ ) 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、 h bは差圧が発生しているときの封止壁 3 bの下端面と外環部の液面間の距離、 h _x は ¾1Ξが発生しているときの外環部の液面とが零のときの液面間の距離、 h ₂ はが発生してい W 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、 P bはが発生しているときの封止壁 3 bの下端面の位置における液圧である。

そうすると、 ¾ΙΞが発生しているときの封止壁 3 bの下端面における液圧 Pb は、下記の式（1) で表わされる。

Pb = Pi+p g h b = P₂+_io g (h! + hs + h b) ······ (1)

また、 Pi— P₂=p g (hi+h ······ (2)

A₁ h !=A₂ h ₂ (3)

であるから、式（2) と式（3) とから差圧 Pi— P₂ は式（4) で表わされる。

P「 P₂=_P g (1+A₂ /A₁ ) h₂ …… （4)

また、 h b o h b + hi (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 = S₁P₁ - {S₂P₂+ (S !-S ₂ ) P b } …… (6)

ここで（Si— Sz ) を A S= (S !-S ₂ ) …… (7)

とし、式（1) の P bを式 (6) に代入すると、式（8) が得られる。

F = S₁P₁— (S₂P₂+A S P b)

- 〔S₂P₂+A S {P₂+ p g (h! + h₂ + h b)}] = S_XV _x- {(S₂+A S) Ρ₂+Δ S g (hi + ha+h b)}

= S₁P₁-S₁P₂-A S p g (hi + ha + h b)

(P「P₂ ) -Δ S p g (hi + ha + h b) …… (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 = S_X (Ρ「Ρ₂ ) -Δ S p g (h₂+h b + h! )

=S_X (P「P₂ ) -Δ S p g (h₂+h b o)

=S ! (P「P₂ ) -A S p g h₂-A S p g h b o…… (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 »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。従がつて、実際に電子式秤量'圧力変換器 2により検出される力を F aとすると、この F aは式（10)により表わされる。

F a = S! (P「 P₂ ) - Δ S g h₂ …… （10) さらに、式（1 0) に、式（4) を代入して h₂ を消去すると、式（1 1) のようになり、この式（1 1) 力 ^最終的に必要とする^] — P₂ の算定式が式（1 2) として得られる。なお、式（1 2) 中の S eは式（1 3) で定義される有効受圧面積である。

F a = S ₁ (Ρ _α-Ρ ₂ ) 一 A S (P — P s ) I (1 +A₂ /A₁ )

=S _X (P!-P₂ ) { 1 - (A S/S_X ) / (1 +A₂ /A, )} ······ (1 1)

(P「P₂ ) =F a/S e…… （1 2)

S e S i/ { 1— (A S/S i ) I (1 + (A₂ /A_x ))} …… （1 3) すなわち、電子式枰量 ·圧力変 2により計量された力 F aから測定の目的である差圧 (P₁-P₂ ) を決定するには、 F aを有効受圧面積 S e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、 A Sを S に比して特に小さくする必要はなく、更に A₂ を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 3 bの壁面の間に生じるメ-スカスも僅かに変形することになる。し力、し当該変形の発生のしかたは、上部空間 8側（Pi 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-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 3 bおよび封止液貯溜溝 9との間のメエスカスの形状が、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 (Ρ_τ-Ρ_ζ ) よって生じる力 F a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（1 2) を用いることにより、本願発明の超精密微小 ¾Ji 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^]王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（1 2) は封入液 6 の密度 P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ぴ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 S e、を Δ Ρ、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 = S e Δ Pで表わされる。

ここで、仮に差圧 Δ Ρによって生ずる力の秤量 Fを 0. l gとすると、測定される ¾JEの値 Δ Ρは、 A P = F/S e = 0. l/S e (g/mm² ) =0. 0 1 /S e (k gZcm² ) =0. 0 1 X 1 0⁴/S e (mmAq) = 1 00/S e

(mmA q) となる。

上記の Δ P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、

Δ P = p u²/2 g = (1. 2 5/1 000) u²/2 g = 0. 0 6 3 7 8 - u ² (mmAq) となる。

ffflBA P= 1 00/S e (mmAq) の式の中の S eをパラメータにして厶 P 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。

[表 1]

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

上述のように、秤量 Fが 0. 1 g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 D eが 1 00 mmのときには、測定差圧 Δ Pが 0. 0 1 2 7 3mmAciとなる。また、有効直径 D eが 400 mmのときには、厶 P が 7 9 5. 8 n mA q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 Δ P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 . 1 g 〜0 · 0 0 0 1 _gの電子式秤量 '圧力変^^ 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 ¾ff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 1 0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、 1 0は仕切膜であり、仕切膜 1 0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 ( 1次圧力）と下部空間圧力 P ₂ ( 2次圧力）の隔離のために仕切膜 1 0が使用されている。

仕切膜 1 0としては、（ィ）薄い膜厚であって柔軟性を有すること（フレキシプルな特性を具備すること）、（口）温度変ィヒ等により仕切膜 1 0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）長期に亘つ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 5〜2 0 0 x mの樹脂フィルム又は金属製薄膜が使用されている。

尚、前記仕切膜 1 0の温度変化等による伸縮により、電子式抨量 ·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 1 0の両端部の受圧板 3と下部本体 1 a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 » 2に加わる力そのものが誘起し難くなるように、仕切膜 1 0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 1 0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 1 0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 1 aの内周壁面に垂直状に形成された嵌合溝 3 d、 1 d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 1 aの内壁面との間隙寸法、 F aを Hff iPi— Ps 、 Ρ^Ρ₂ ) 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 2に加えられる力、 FDを受圧板 3に生ずる力、 F pを仕切膜 1 0に生ずる力とする。 '

また、前記 F p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 1 a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 F aは、 F a =FD+F p/2となる。ここで、 FD= (P — Ps ) X πΌ²/ 4、 F ρ = (Ρ_χ-Ρ₂ ) X π (D + 5) Χ δであるから、 F aは下記の式 14 で表わされる。

F a = (Ρ!-Ρ₂ ) X πΌ²/4+ (? ^?₂ ) X π (D+ 5) X δ/2 = (Ρ_:-Ρ₂ ) Χ πΌ²/4 X { 1 + 2 5/D+2 X (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 S) が与えられていると、前記式 (14) から（Pi— P₂ ) =F a/ ί(πΌ²/4) X { 1 + 2 δ/Ό+ 2 (δ/D) ²}〕 =F a/K：… （1 5) となる。ここに、 Κ= (πϋ²/4) X [1 + 2 δ/ϋ+2 (δ/D²)] … （1 6) である。差圧 Pi— Ρ₂ は電子式秤量 -圧力変 2で検出された F a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。

産業上の利用の可能性

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。

Claims

請求の範囲

1 . 内部に空間部を有する装置本体 1と、装置本体 1の内部空間内に配設され、当該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、下部空間 7内に配設されてその上に受圧板 3を支持固定する電子式秤量 ·圧力変 2と、前記受圧板 3の外周縁部を液封し、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 P と下部空間 7 内の圧力 P ₂ 間の微差圧を受圧板 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微小差圧測定装置。

2 .装置本体 1を、下部空間 7に連通する圧力導入孔 7 aを備えた下部本体 7と、上方空間 8に連通する圧力導入孔 8 aを備えた上部本体 8とを対向状に組み合せると共に、内部空間の内壁面に環状の封止液貯溜溝 9を備えた構成とした請求項 1に記載の超精密微小差圧測定装置。

3 . 受圧板 3を、平板状のディスク板 3 aとその外周縁に下方へ向けて突設した封止壁 3 bとから成る構成とした請求項 1に記載の超精密微小測定装置。

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 ¾1ΐ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 ^平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 . 電子式秤量 '圧力変換器 2を、その受台 5上に支持体 4を介設して受圧板 3 を支持、固定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。

7 . 電子式秤量'圧力変換器 2を、上端、下端または上下端を尖頭形とした支持体 4を介設して受圧板 3を支持固定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。

8 . 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溜溝 9と、封止液貯溜溝 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の外周縁に設けた環状の封止壁 3 bとから成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。

9 . 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 8に記載の超精密微小差圧測定装置。

10. 内部に空間部を有する装置本体 1と、装置本体 1の内部空間内に配設され、当該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、下部空間 7内に配設されてその上に受圧板 3を支持固定する電子式秤量 ·圧力変 2と、前記受圧板 3の外周面と装置本体 1の内壁面との間隙に配設され、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 1 0とカゝら成り、上部空間 8内の圧力と下部空間 7内の圧力 P ₂ 間の差圧を受圧板 3を介して電子式秤量 ·圧力変 « 2により測定する構成としたことを特徴とする超精密

11.装置本体 1を、下部空間 7に連通する圧力導入孔 7 aを備えた下部本体 7と、上方空間 8に連通する圧力導入孔 8 aを備えた上部本体 8とを対向状に組み合せると共に、受圧板 3の外周面にこれと垂直に仕切膜 1 0の内周縁を揷入する嵌合溝 3 dを、また装置本体 1の内壁面の前記嵌合溝 3 dと同一の高さ位置にこれと垂直に仕切膜 1 0の外周縁を挿入する嵌合溝 1 dを設ける構成とした請求項 1 0に記載の超精密差圧測定装置。

12. 仕切膜 1 0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 1 0の外周縁部を装置本体 1の嵌合溝 1 d内へ、またその内周縁部を受圧板 3の嵌合溝 3 d内へ夫々気密に揷入する構成とした請求項 1 0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^ |Ξに変換して出力する構成とした請求項 1 0に記載の

14. 電子式枰量 ·圧力変換器 2を、電子式抨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 1 3に記載の超精密差圧測定装置。

15. 電子式秤量■圧力変換器 2を、その受台 5上に支持体 4を介設して受圧板 3 を支持、固定する構成とした請求項 1 0に記載の超精密微小差圧測定装置。

16. 電子式抨量 '圧力変換器 2を、上端、下端または上下端を尖頭形とした支持体 4を介設して受圧板 3を支持固定する構成とした請求項 1 0に記載の超精密