JP4615076B2

JP4615076B2 - 圧力測定用センサ

Info

Publication number: JP4615076B2
Application number: JP28701799A
Authority: JP
Inventors: 美一松田; 俊貴坂本; 雅一生駒; 欣也田辺; 博斉藤; 敏郎原田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Tokyo Metropolitan Sewerage Service Corp; Metawater Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Tokyo Metropolitan Sewerage Service Corp; Metawater Co Ltd
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP2001108553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪み検出素子を用い、受圧素子に加わる圧力とその歪みとの関係から上記圧力を測定する圧力測定用センサに関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
従来，この種のセンサでは、受圧素子であるダイアフラムに歪みゲージ等によって構成される歪み検出素子を貼り付けた構造からなるものがある。上記センサでは、この貼り付けの作業性を高めるため、ダイアフラムとケースを別々に作成し、ダイアフラムに歪み検出素子を固定した後に上記ダイアフラムをケースに固定していた。この固定方法としては、例えば溶接による場合と、ボルトによる場合が考えられるが、上記溶接による場合には、溶接時の熱の影響で上記ダイアフラムに固定された歪み検出素子が壊れてしまうため、ボルトによってダイアフラムをケースに固定する方法が一般的であった。
【０００３】
このボルトで固定する場合、上記センサは、ダイアフラム上に歪み検出素子を貼り付けた後に、ボルトによって上記ダイアフラムを台座の部分でケースと固定する構造になっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記センサでは、ボルトの固定状態、すなわちダイアフラムの台座とケースのボルトによる締め付け状態によって、ダイアフラムが変形して検出される歪みの特性が大幅に異なるという問題点があった。
また、上記センサでは、振動や衝撃等が加わりボルトに緩みが生じると、同じ圧力が加わってもダイアフラムの歪みが変化してしまい、圧力測定値に大きな誤差が生じるという問題点があった。
【０００５】
本発明は，上記問題点に鑑みなされたもので、ボルトの締め付け状態、または振動等によって台座の取り付け状態が変化しても、受圧素子の変形を防いで信頼性の高い圧力測定を可能とする圧力測定用センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、受圧素子に歪み検出素子を固定し、該受圧素子の歪みを検出することにより、該受圧素子に加わる圧力を測定する圧力測定用センサにて、前記受圧素子と台座とを一体に形成し、かつ前記台座の外縁から前記台座の座面と同一面上を延出して受圧部及び収納部全体の底面の一部を成すようにつば部を設け、前記つば部を収納部にボルトにより固定するとともに、歪み検出素子が、受圧素子に加わる圧力による歪みを検出する圧力検出用ファイバブラッググレーティングと、収納部内の温度を検出する温度補償用ファイバブラッググレーティングと、を含んで構成される圧力測定用センサが提供される（請求項１）。また、受圧素子が台座の上面から窪んだ位置に配置されるように形成された圧力測定用センサが提供される（請求項２）。
【０００７】
すなわち、本発明の請求項１に記載の圧力測定用センサによれば、受圧素子であるダイアフラムと台座とつば部を一体に形成させて、このつば部をボルトで収納部であるケースに直接固定することで、溶接のように歪み検出素子に熱影響を与えることなく受圧部と収納部とを固定することができるとともに、ボルト固定によってダイアフラムに歪みが発生するのを防ぐ。
また、圧力検出用ファイバブラッググレーティングにより測定誤差の少ない圧力の測定が可能となる。また、温度補償用ファイバブラッググレーティングにより、温度変化による測定誤差を解消することが可能となり、測定誤差をより低減させることができる。
また、本発明の請求項２に記載の圧力測定用センサによれば、センサを組み立てる際に、受圧素子やファイバブラッググレーティング等に他の構成部品が当たることなく、受圧素子やファイバブラッググレーティンの損傷を低減することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧力測定用センサの実施例を図１乃至図４の図面に基づいて説明する。
図１は、圧力測定用センサの構成の第１実施例を示す断面図である。図において、本実施例の圧力測定用センサは、本発明の受圧部１０と、本発明の収納部を構成するケース１１と、上部金具１２と、本発明の歪み検出素子を有する光ケーブル１３とからなる。
【０００９】
受圧部１０は、本発明の受圧素子を構成するダイアフラム１０ａと、台座１０ｂと、本発明のつば部を構成するフランジ１０ｃとから構成されている。ダイアフラム１０ａと台座１０ｂは、例えば１枚のステンレス板で一体に形成されており、平面が円筒形で、またその断面がＨ型形状に構成されている。また、台座１０ｂ下部の外縁上には、フランジ１０ｃが一体に形成されている。
【００１０】
ケース１１は、中空の円筒形状に構成されている。このケース１１の下部には、受圧部１０のフランジ１０ｃがボルト１４で固定されており、受圧部１０のダイアフラム１０ａと台座１０ｂはケース１１内に嵌め込まれる。ところで、台座１０ｂを直接ケース１１に固定しなかった理由は、台座１０ｂを直接ボルト固定すると、台座１０ｂの中央に設けられたダイアフラム１０ａにボルトの締め付け状態による歪みが発生するので、この歪みの発生を防止するためである。また、受圧部１０とケース１１間は、台座１０ｂ側面のＯリング１６でシールされている。なお、本発明では、フランジ１０ｃにボルト１４を通す穴をあけ、かつケース１１には、ボルト用のタップをきれば、受圧部１０での歪みの発生をさらに低減することが可能となる。
【００１１】
また、ケース１１の上部には、上部金具１２がボルト１７で固定されており、上部金具１３の中央部には光ケーブル１３が貫入されている。また、ケース１１と上部金具１３間は、上部金具１３側面のＯリング１８でシールされている。
光ケーブル１３内には、光ファイバ１５が設けられており、光ファイバ１５は、上部金具１２からケース１１内部に挿入されている。光ファイバ１５には、光の伝搬方向の一部にファイバブラッググレーティング（以下、「ＦＢＧ」という）１５ａ，ＦＢＧ１５ｂとがそれぞれ形成されており、ＦＢＧ１５ａ，１５ｂは、図示しない光源から伝搬してきた光のうちブラッグ波長と呼ばれるある特定の波長領域の光を反射させ、その他の波長領域の光を透過させる機能を持っている。ＦＢＧ１５ａは、本発明の歪み検出素子を構成して圧力を検出するための圧力検出用ＦＢＧで、例えば圧力によってたわむダイアフラム１０ａ上の中央部に接着剤で貼り付けられている。また、ＦＢＧ１５ｂは、温度を検出して温度補償するための温度検出用ＦＢＧで、機械的な外力を受けないように、例えばケース１１内下部で、かつ円周方向に接着剤で貼り付けられている。なお、光ファイバ１５は、余長部分がケース１１内に納められている。また、本発明の歪み検出素子としては、例えばダイアフラムの歪みを機械的に検出する歪みゲージを用いても良い。
【００１２】
次に、ダイアフラム１０ａとケース１１を固定するボルトのトルクを変えて圧力とダイアフラムの歪みの関係を図２に示す。なお、この実験では、本発明に係る受圧部のダイアフラムの中央に、歪み検出素子として歪みゲージを貼り付けて上記測定を行った。
図２において、この実験例では、ボルトをトルク２０ｋｍ・ｃｍで締め付けた時、そこから１／４回転弛めた時、２／４回転弛めた時、３／４回転弛めた時のダイアフラムの歪みを測定した。この結果、本実施例では、台座外縁にフランジを設け、上記フランジでケースと固定するため、ボルトの締め付け状態に影響を受けることがなくなり、いずれの締め付け状態でも、ダイアフラムに加わる圧力に対してほぼ同一の歪みの状態を、本発明に係る圧力測定用センサで測定できることが確認された。
【００１３】
図３は、図１に示した第１実施例の場合の振動前後の圧力特性を測定したものである。振動試験は、温度が２０℃一定の環境条件において加速度４Ｇで、周波数３３Ｈｚの振動を２時間加えた。図３において、横軸はダイアフラムに加わる圧力、縦軸はＦＢＧの反射波長をとり、圧力測定用センサの圧力とＦＢＧ波長特性の関係を示したものである。
【００１４】
第１実施例では、外部から加わる圧力により、ダイアフラム１０ａが歪み，ダイアフラム１０ａ上に貼り付けられたＦＢＧ１５ａに上記歪みが加わると、伸び縮みがＦＢＧ１５ａに発生し、ＦＢＧ１５ａの反射特性が変化する。ＦＢＧ１５ａは、この反射特性に基づいたブラッグ波長の光を光ファイバ１５に反射しており、この光の反射波長を測定することにより、上記加わった圧力を求めることができる。
【００１５】
この結果、本実施例では、振動前後の圧力対ＦＢＧの反射波長の特性はほとんど変化なく、圧力０〜９．８×１０⁴ＰａでＦＢＧの反射波長は、１５４７．８７〜１５４８．３３ｎｍ変化する。波長変化量は、９．８×１０⁴Ｐａあたり０．４６ｎｍ変化しており、測定誤差の少ない測定が可能となった。このような結果が生じるのは、ボルト締めに起因した歪みを生じる力がフランジ１０ｃと台座１０ｂに吸収され、ダイアフラム１０ａに加わらなくなり、ＦＢＧの反射波長の特性が変化しないためと考えられる。
【００１６】
このように、本実施例では、ダイアフラムと一体形成された台座外縁にボトル固定用のつば部を設け、つば部とケースをボルトで固定することで、上記ダイアフラムをケースに取り付けるので、ボルトの締め付け状態、または振動等によって台座の取り付け状態が変化しても、ダイアフラムの変形を防いで信頼性の高い圧力測定を可能とする。
【００１７】
また、本実施例では、ダイアフラムを台座の中間部に一体形成させてくぼみをもたせたので、センサを組み立てる際に、ダイアフラムやＦＢＧに他の構成部品などがあたることがなくなり、上記ダイアフラムやＦＢＧの損傷が低減できる。
図４は、本発明に係る圧力測定用センサの構成の第２実施例を示す断面図である。なお、図４において第１実施例と同様の構成部分に関しては、説明の都合上、同一符号を付記する。
【００１８】
図において、本実施例と第１実施例との異なる点は、ダイアフラム１０ａを台座１０ｂの最上部に一体形成させた点である。
このように、本実施例では、ダイアフラムが台座の最上部に設けられるため、上記ダイアフラム表面と台座の最上部が構成する平面（ケース底の平面）が広くなり、このため光ファイバの曲げが緩和でき、また組立の作業性も向上できる。
【００１９】
本発明は、これら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。例えば、つば部とケースとの間に緩衝用のラバーやワッシャーを用いることで、ボルト締めに起因した歪みを生じる力や振動等によって台座の取り付け状態が変化しても、さらにダイアフラムの変形を防ぐことができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る圧力測定用センサは、受圧素子に歪み検出素子を固定し、該受圧素子の歪みを検出することにより、該受圧素子に加わる圧力を測定する圧力測定用センサにて、前記受圧素子と台座とが一体に形成され、かつ前記台座の縁部に設けられたつば部を有する受圧部と、前記受圧部と歪み検出素子を収納する収納部とからなり、前記受圧部は前記つば部を介してボルトにより前記収納部に固定されるので、ボルトの締め付け状態、または振動等によって台座の取り付け状態が変化しても、受圧素子の変形を防いで信頼性の高い圧力測定を可能とするとともに、歪み検出素子に熱影響を与えることなく受圧部と収納部とを固定することができる。また、温度変化に対応しつつ正確に圧力を検出することができる。また、本発明の請求項２に係る圧力測定用センサは、センサを組み立てる際に受圧素子や歪み検出素子の損傷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力測定用センサの構成の第１実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の歪み検出素子に歪みゲージを用いた場合の圧力とダイアフラムの歪みの関係を示す図である。
【図３】図１の圧力測定用センサにおける圧力とＦＢＧ波長特性の関係を示す図である。
【図４】本発明に係る圧力測定用センサの構成の第２実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０受圧部
１０ａダイアフラム
１０ｂ台座
１０ｃフランジ
１１ケース
１２上部金具
１３光ケーブル
１４，１７ボルト
１５光ファイバ
１５ａ，１５ｂＦＢＧ
１６，１８Ｏリング

Claims

受圧素子に歪み検出素子を固定し、該受圧素子の歪みを検出することにより、該受圧素子に加わる圧力を測定する圧力測定用センサにて、
前記受圧素子と台座とが一体に形成され、かつ前記台座の外縁に設けられたつば部を有する受圧部と、
前記受圧部と歪み検出素子を収納する収納部とを備え、
前記つば部は前記台座の外縁から前記台座の座面と同一面上を延出して前記受圧部及び前記収納部全体の底面の一部を成すように設けられるとともに、
前記受圧部は前記つば部を介して前記収納部にボルトにより固定され、
前記歪み検出素子は、前記受圧素子に加わる圧力による歪みを検出する圧力検出用ファイバブラッググレーティングと、前記収納部内の温度を検出する温度補償用ファイバブラッググレーティングと、を含んで構成されることを特徴とする圧力測定用センサ。
前記受圧素子は、前記台座の上面から窪んだ位置に配置されるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力測定用センサ。