(57)【要約】【課題】破損の心配のない、超高圧の圧力を測定することが可能で、かつ既設の容器やチューブに取り付けることができる圧力計を提供する。【解決手段】弾性体に振動発生装置と振動検出装置を設け、振動発生装置により励起する振動波が、弾性体を伝播し、振動検出装置に達する時間を計測することにより流体の圧力を測定する圧力計とする。【選択図】図１
2004333458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器または弾性体に振動発生装置と振動検出装置を設け、振動発生装置により励起する振動波が、容器の壁体内部または弾性体を伝播し、振動検出装置に達する時間を計測することにより流体の圧力を測定することを特徴とする圧力計。
【請求項２】
容器または弾性体に振動発生検出装置を２個設け、一方の振動発生検出装置により励起する振動波が、容器の壁体内部または弾性体を伝播し、振動検出装置に達する時間を計測することにより流体の圧力を測定することを特徴とする圧力計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品工業、自動車、化学工場、飛行機、半導体工業、又は一般工業用として使用される圧力計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
測定用流体の圧力を測定する方法においては、ダイヤフラム型圧力計は広範に使用されている。図７は従来のダイヤフラム型圧力計の構造を示す一部断面図である。ダイヤフラム型圧力計は、概略、取付けフランジ、本体部、信号処理部及びリード線引き出し部により構成されている。取付けフランジは図示を省略してある取付け部材に取り付けられており、その底面部は流体に接している。
【０００３】
この底面部には凹部が形成されており、凹部内にダイヤフラムが設置されている。凹部の中央部には導圧孔の一端側が開口しており、この導圧孔の他端側は本体部内に配設されている受圧部まで伸びている。そして、この導圧孔内に例えばプロピレングリコールのような封入液が封入されている。したがって、ダイヤフラムは、その外面が流体に接すると共に、内面が封入液に接しており、流体から受けた圧力をこの封入液を介して本体部内に伝達するようになっている。
受圧部に伝達された圧力は信号処理部において電気信号に変換され、リード線引き出し部から引き出されているリード線を介して、図示を省略してある制御機器へ検出信号として出力されるようになっている。
【０００４】
上に述べたダイヤフラムは、薄い金属製材料により形成されているが、万が一ダイヤフラムが破損した場合には封入液が流体に混入してしまう。貴重な流体においては損失が大きく、食用そして医療用の流体においては安全上問題である。
そこで、公開特許公報「特開２００２−９８６０５」において、ダイヤフラムの破損を検知することにより封入液が流体に混入したことを知り、封入液が流体に混入した流体を安全のため使用しないことや、ダイヤフラムの交換を行うこととしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ダイヤフラムを使用している限り、ダイヤフラムが破損して封入液が流体に混入ことは避けられない。
また、流体を収納する容器に導圧孔を設けなければならないため、既設の容器に圧力計を取り付けるには、その容器の使用を中止しなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
容器または弾性体に振動発生装置と振動検出装置を設け、振動発生装置により励起する振動波が、容器の壁体内部または弾性体を伝播し、振動検出装置に達する時間を計測することにより流体の圧力を測定することを特徴とする圧力計するものである。
容器または弾性体に振動発生検出装置を２個設け、一方の振動発生検出装置により励起する振動波が、容器の壁体内部または弾性体を伝播し、振動検出装置に達する時間を計測することにより流体の圧力を測定することを特徴とする圧力計とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１の斜視図に基づいて詳細に説明する。圧力計１は、弾性体２と振動発生装置３と振動検出装置４から構成されている。弾性体２の材質はＰＦＡ（テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）である。弾性体２の片面には、振動発生装置３と振動検出装置４がエポキシ樹脂により接着されている。振動発生装置３と振動検出装置４と全く同じ構成である。そして、流体５がある容器６にこの圧力計１が取り付けられる。
【０００８】
図２は第１の実施の形態を示す振動発生装置３と振動検出装置４の斜視図である。振動発生装置３と振動検出装置４は全く同じ構成である。したがって、図２は振動発生装置３でもあり振動検出装置４でもある。振動発生装置３、振動検出装置４は圧電素子７と振動方向を制御する炭素繊維複合材料８をエポキシ樹脂で接合したものである。また、炭素繊維９の繊維方向は振動の伝播させたい方向と直交させてある。
【０００９】
次に図３により本発明の圧力計の原理について説明する。まず、少なくても圧力の異なる流体を２つ用意する。圧力の高い流体をＨとし、この圧力Ｈの流体を入れた容器に、圧力計１の振動発生装置３にパルス波電圧を印加し、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波１０ａを振動検出装置４により検出する。ここでＴ１は振動発生装置３にパルス波電圧を印加してから、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波を振動検出装置４により検出するまでの時間である。
【００１０】
次に流体の圧力がＨより低いＬを容器に入れ、振動発生装置３にパルス波電圧を印加し、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波１０ｂを振動検出装置により検出する。ここでＴ２は振動発生装置にパルス波電圧を印加してから、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波を振動検出装置により検出するまでの時間である。
【００１１】
上記のように圧力の異なる２種類の流体において、振動発生装置にパルス波電圧を印加してから、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波を振動検出装置により検出するまでの時間Ｔ１とＴ２とが異なる。この関係により流体の圧力と振動発生装置から振動検出装置に伝播する振動波の伝播時間の関係がわかるので、圧力が未知の流体の振動発生装置から振動検出装置に伝播する振動波１０ｃの伝播時間Ｔ３を測定すれば、圧力が未知の流体の圧力が求められる。
【００１２】
上記に圧力の異なる２種類の流体により流体の圧力と振動発生装置から振動検出装置に伝播する振動波の伝播時間の関係（較正データまたは検量線）を求めたが、測定原理の説明のためであり、実際は、より多くの圧力の異なる流体と振動発生装置から振動検出装置に伝播する振動波の伝播時間の関係を求め、較正データまたは検量線を作成する。
【００１３】
ここで、異なる圧力の流体において、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波の振動発生装置から振動検出装置までの伝播時間が異なる理由についての推察を説明する。
【００１４】
流体の速度と弾性体を伝播する振動波の速度Ｖを相対的に見ると、弾性体を伝播する振動波の速度Ｖがゼロで、流体の速度が−Ｖある。このように考えても、コリオリ力発生の現象からするとよいのである。
【００１５】
また、振動波の角速度ωは、弾性体を伝播する振動波の振動数である。
【００１６】
流体の単位体積当たりの質量をｍとする。
【００１７】
式（１）：Ｆ＝ｍ×（−Ｖ）×ω
【００１８】
その結果、いわゆる式（１）で示すコリオリ力が流体に作用する。この流体に作用したコリオリ力は弾性体を伝播する振動波に、弾性体を伝播する振動波と同じ振動数で弾性体を伝播する振動波の伝播速度を遅らすように作用する。つまり、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波の振動発生装置から振動検出装置までの伝播時間は、弾性体を伝播する振動波の振動発生装置から振動検出装置に比較して大きくなる。
【００１９】
したがって、流体の圧力が大きくなるほど、流体の単位体積当たりの質量ｍが大きくなるので、式（１）のコリオリ力Ｆの絶対値は大きくなり、それが弾性体を伝播する振動波の振動発生装置から振動検出装置までの伝播時間を大きくする方向であるので、流体の影響を受けて容器の壁部を伝播する振動波の振動発生装置から振動検出装置までの伝播時間は大きくなる。
【００２０】
以上、異なる圧力の流体において、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波の振動発生装置から振動検出装置までの伝播時間が異なる理由についての推察を説明であった。
【００２１】
また、弾性体に定在波が生じてしまうと、振動発生装置から振動検出装置方向の振動と弾性体の流体との流れ方向の相対速度がゼロになってしまうのでコリオリ力が生じないため原理上、圧力は測定できない。
【００２２】
以上説明したように本発明の圧力計は、流体の影響を受けて弾性体を伝播する波動を用いるものであるから、流体の中に直接挿入できるため圧力計を入れることができる。つまり、流体の圧力を測定するためにダイヤフラムは必要でない。このため、ダイヤフラムのように破壊の心配は無い。すなわち、超高圧の測定には最適である。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態を図４の断面図に基づいて詳細に説明する。チューブの材質はＰＦＡ（テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）である。チューブ１１の底部には、振動発生検出装置１２ａ、１２ｂが流体５の流れ方向に沿って、２個エポキシ樹脂により接合されている。チューブ１１の上部には温度センサ１３がエポキシ樹脂で接合されている。
【００２４】
振動発生検出装置１２ａ、１２ｂはその構造は図２と全く同じであるが、ある時間は振動発生検出装置１２ａが振動を発生し振動発生検出装置１２ｂが振動を検出する。また別の時間では振動発生検出装置１２ｂが振動を発生し振動発生検出装置１２ａが振動を検出する。このように振動発生検出装置１２ａと振動発生検出装置１２ｂは交互にその働きを切り替えている。このような回路については「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）３４５〜３４７ページに詳しく記載されている。
【００２５】
次に圧力を測定する方法について説明する。まず、チューブ内の流体が流れていないときは、本発明の第１の実施の形態で示した通りである。
【００２６】
チューブの壁部を伝播する振動波の速度Ｖは、相対的に見ると速度ゼロの流体が−Ｖの速度になり、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の速度Ｖの速度がゼロになる。
【００２７】
また、振動波の角速度ωは、チューブの壁部を伝播する振動波の振動数である。
【００２８】
ここで、圧力が異なることにより、流体の質量がｍからｍ１に変化した場合、角速度ωと振動波の速度Ｖは変化しないので、コリオリ力Ｆは（−ｍ１Ｖω）になる。ここでｍ１がｍより大きい時は、振動波の位相速度を遅くする方向になるので振動波を検出する時間までの時間はｍに比較して大きくなる。逆に、ｍ１はｍより小さい時は、振動波の位相速度を進める方向になるので振動波を検出する時間までの時間はｍに比較して小さくさくなる。
【００２９】
またチューブの壁に定在波が生じてしまうと、振動発生検出装置間の方向の振動とチューブ内の流体との相対速度がゼロになってしまうのでコリオリ力が生じないため原理上、圧力は測定できない。
【００３０】
以上のように流体がチューブ内を流れていないときは、本発明の第１の実施の形態で示した通りであるので、流体の圧力を測定するには、本発明の第１の実施の形態でもよい。つまり、一方の振動発生検出装置を振動発生装置とし、他方の振動発生検出装置を振動検出装置としてもよい。
【００３１】
次に流体がチューブ内を流れているときには、本発明の第１の実施の形態で示したコリオリ力に加えて、さらに流体が流れることにより式（２）で示すコリオリ力が生じる。ここでｍは流体の質量であり、ＶＬは流体の流速である。さらにωはチューブの振動が流体に与える角速度である。
【００３２】
式（２）：Ｆ＝ｍ×ＶＬ×ω
【００３３】
ここで、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが同じときはコリオリ力より振動波の振動位相を進める。この結果、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間は流体が流れていないときに比べて短くなる。
この流体の流れているときの到達時間と流体の流れていないときの到達時間の差を−Δｔとする。これを図５の上部に示す。
【００３４】
前記とは逆に、流体の影響を受けて容器の壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが異なるときは式（３）で示すコリオリ力より振動波の振動位相を遅らせる。この結果、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間は流体が流れていないときに比べて長くなる。この流体の流れているときの到達時間と流体の流れていないときの到達時間の差をΔｔとする。これを図５の中部に示す。
【００３５】
式（３）：Ｆ＝ｍ×（−ＶＬ）×ω
【００３６】
したがって、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが同じときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間と、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが異なるときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間との差をつまり（−２Δｔ）を測定することにより流体の速度を求められる。
【００３７】
前記の流体の速度を求める方法については、本発明者が２００２年１１月１３日に出願した国際出願特許（国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ０２／１１８２号）に詳しく記載してある。
【００３８】
また、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが同じときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間と、流体の影響を受けて容器の壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが異なるときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間との和を求めると、Δｔと−Δｔとの和がゼロになるので流体の流速の影響は無くなる。これを図５の下に示す。
【００３９】
つまり、流体の速度の影響のない第１の実施の形態で述べた流体の圧力だけが求められることになる。すなわち、流体の圧力計測できることになる。
【００４０】
このように、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが同じときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間と、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが異なるときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間との差と和を求めることにより、流体の速度と流体の圧力を求めることできる。
【００４１】
以上は、流体を収納する容器であるチューブに振動発生検出装置を２個設け、一方の振動発生検出装置により励起する振動波が、流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播し、振動検出装置に達する時間を計測することよる圧力計であったが、振動発生検出装置を２個を１組とし、これを複数組持つことにより、さらに振動発生検出装置の設置場所によることなく正確な圧力を求めることができる。
【００４２】
以上説明したように、流体の影響を受けて容器の壁部を伝播する波動を用いるものであるから、容器になんらの加工をする必要がないので、既設の容器の圧力を容易に測定できる。
【００４３】
また、本発明の圧力計は、公開特許公報「特開２００２−９８６０５」に記述されているが容器の底部に取り付けることで液位計としても使用できる。そして、この容器の例としてタンクローリ車のタンクなどがある。
【００４４】
また、チューブの温度を温度センサ１３により測定することにより予め求めた温度較正データにより温度が変化しても流体の流速及び圧力をより正確に計測できる。これは、第１の実施の形態においても同様であり、正確に流体の圧力を測定できる。
【００４５】
本発明の第３の実施の形態を図６の斜視図に基づいて詳細に説明する。
弾性体２は薄いステンレス板である。ステンレス板の両側に振動発生検出装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがエポキシ樹脂により接合されている。そして、弾性体２は流れている流体５中に置かれている。
【００４６】
第２の実施の形態で示したように、流体の影響を受けてステンレス板を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが同じときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間と、流体の影響を受けてステンレス板を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが異なるときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間との差をつまり（−２Δｔ）を測定することにより流体の速度を求められる。
【００４７】
流体の影響を受けてチューブの壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが同じときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間と、流体の影響を受けて容器の壁部を伝播する振動波の伝播方向と流体の流れが異なるときの、一方の振動発生検出装置から他方の振動発生検出装置に振動波が達するまでの時間との和を求めると、Δｔと−Δｔとの和がゼロになるので流体の流速の影響は無くなり、圧力だけが求められることになる。
【００４８】
このように、薄いステンレス板を主体とする圧力計を流れている流体中に置けば、ステンレス板の方向の流体速度と圧力が求められる。したがって、ステンレス板の方向を変えることで速度の分布と圧力の分布の両方が測定できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による圧力計よれば、超高圧の測定が可能であり、しかも圧力分布も測定できる。また、同時に流体の速度も測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す圧力計の斜視図である。
【図２】第１の実施の形態を示す圧力計の振動発生装置または振動検出装置の斜視図である。
【図３】（Ａ）流体の圧力が高いときの振動発生装置にパルス波電圧を印加してから、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波を振動検出装置により検出するまでの時間を示す。
（Ｂ）流体の濃度が低いときの振動発生装置にパルス波電圧を印加してから、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波を振動検出装置により検出するまでの時間を示す。
（Ｃ）流体の濃度が未知のときの振動発生装置にパルス波電圧を印加してから、流体の影響を受けて弾性体を伝播する振動波を振動検出装置により検出するまでの時間を示す。
【図４】第２の実施の形態を示す圧力計の断面図である。
【図５】流体の流れ方向による検出する振動波と流体の流れ方向による影響を打ち消した振動波である。
【図６】第３の実施の形態を示す圧力計と流体を示す図である。
【図７】従来のダイヤフラフ型圧力計を説明する部分断面図である。
【符号の説明】
１    圧力計
２    弾性体
３    振動発生装置
４    振動検出装置
５    流体
６    容器
７    圧電素子
８    炭素繊維複合材料
９    炭素繊維
１０  振動波
１１  チューブ
１２  振動発生検出装置
１３  温度センサ
【図１】
2004333458.tif 000003
【図２】
2004333458.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004333458.tif 000006
【図５】
2004333458.tif 000007
【図６】
2004333458.tif 000008
【図７】
2004333458.tif 000009