JPH06167406A - 差圧式圧力変動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力の大小にかかわらず微小な圧力変化を的
確に測定できる。 【構成】 差圧式圧力センサ１０と、該差圧式圧力セン
サ１０に並設されている背圧自動調整機構２０と、前記
差圧式圧力センサ１０の背圧側と背圧自動調整機構２０
とを気密的に連通するガス連通管３０と、該ガス連通管
３０に設けた開閉弁３６とを具備している。差圧式圧力
センサ１０は、ダイアフラム１２によって内部が気密的
に上下に仕切られ、上部にはガス連通管３０が接続され
ている。背圧自動調整機構２０は、底部に開口２２を有
する筒状容器２１であり、上部にはガス連通管３０が接
続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、差圧式圧力センサの背
圧側に、周囲の液圧とほぼ均衡し且つ一定圧力のガスを
供給して、液中での圧力変動を測定する装置に関するも
のである。この装置は、例えば水中深く挿入しても、高
い水圧の影響を受けることがなく、微小な圧力変化を高
精度で測定でき、そのため高深度の透水試験等での圧力
測定に有用である。

【０００２】

【従来の技術】土質調査等の技術分野では、液中深くに
おける微小な圧力変化を測定することが必要となってき
ている。例えば代表的なものに、地盤中に水圧をかけて
その伝播速度を測定することにより地盤の透水性を求め
る試験がある。この試験では、地盤中に掘削したボーリ
ング孔内に圧力がステップ状に変化する加圧水を注入
し、加圧位置から離れた地盤内のボーリング孔内で応答
圧力を測定する。また他には、石油工学における貯留層
工学の分野で石油の埋蔵量を推定するために石油の貯留
層の一部に圧力を加え、その圧力伝播を測定する場合な
どもある。

【０００３】ところで圧力の測定には、一般に各種の差
圧式圧力センサが用いられている。これは、原理的に
は、内部をダイアフラムにより気密的に仕切り、一方に
計測圧を印加し、他方に背圧（通常、大気圧）が加わる
ようにし、背圧側に歪センサ等のセンサ素子を配置する
構成である。このような圧力センサでは、計測圧と背圧
との差圧によるダイアフラムの変形量を、前記センサ素
子により検出して電気抵抗や電圧などの電気量の変動と
して取り出し、圧力値に変換するものである。そのた
め、計測圧力レンジに応じた圧力センサを選定し使用し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
圧力センサでは、高圧下での微小な圧力変動を測定し難
い問題がある。上記のように従来の差圧式圧力センサで
は、計測圧をダイアフラムの変形量から測定するため、
高圧下においては、ダイアフラム等もその圧力に耐えう
るだけの強固な構造にしなければならない。つまり高圧
用の圧力センサが必要となる。しかし、それでは圧力変
動に対するダイアフラムの変形量の変化は減少し、圧力
センサで検出する電気的出力変化も減少する。しかも電
気的な出力変化が減少すると、種々のノイズに埋没し、
信号が取り出し難くなる。つまり定格圧力が増すにつれ
て、センサの感度、分解能などが低下することになる。

【０００５】前述した透水性の試験では、数百〜千ｍの
大深度のボーリング孔内で圧力伝播を測定する場合もあ
る。その場合、地下水の存在によって測定深度が大きく
なるほど圧力センサに加わる静水圧は上昇する。それに
対して、検出すべき圧力変動は、加圧位置から離れる
程、その距離の２〜３乗に逆比例して小さくなるため、
かなり微弱である。上記の理由で、従来の差圧式圧力セ
ンサでは、大深度の透水性試験を満足に行えない欠点が
あった。

【０００６】圧力センサとしては、近年、水晶振動式が
開発されている。この水晶振動式圧力センサは、付着質
量を振動子の共振周波数の変化として計測する方式であ
り、絶対圧力を高感度で計測できる特徴がある。そのた
め高圧下でも使用でき、且つ分解能も優れている。しか
し、デジタル的に共振周波数を計測する（一定時間内で
の振動数を計数する）方式であるため、一定時間毎の計
測となり、経時的に連続した測定ができない。前述の透
水性試験の場合は、圧力伝播を時間的に連続して測定す
る（受振波形を検出する）必要があり、そのような用途
には適していない。その上、この種の圧力センサは非常
に高価である。

【０００７】本発明の目的は、圧力の大小にかかわらず
微小な圧力変化を的確に測定できる差圧式圧力変動測定
装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ダイアフラム
により気密的に仕切られ、その変位により計測側の液圧
と背圧側のガス圧との差を検出する差圧式圧力センサ
と、該差圧式圧力センサに並設され、周囲の液圧とほぼ
均衡する圧力のガスを生じる背圧自動調整機構と、前記
差圧式圧力センサの背圧側と背圧自動調整機構とを気密
的に連通するガス連通管と、該ガス連通管に設けた開閉
弁とを具備している差圧式圧力変動測定装置である。

【０００９】背圧自動調整機構としては、下部に開口を
有する容器がある。あるいは、容器と、その容器壁を貫
通して底部近傍に達するパイプと、該パイプに設けた液
導入用の逆止弁とを具備する構成でもよい。ガス連通管
は該容器の上部に接続する。該ガス連通管の途中に液滴
トラップを設けてもよい。更にこれに加えて、ガス連通
管が三方弁を介して大気側及び高圧ガス発生源に接続さ
れているものもある。また背圧自動調整機構は、気密構
造で且つ伸縮自在の袋状体であって、それにガス連通管
が接続されているものでもよい。伸縮自在とするには、
ゴム製のように素材自体が伸縮するものでもよいし、蛇
腹構造のようなものでもよい。

【００１０】

【作用】液中において、背圧自動調整機構の内部のガス
は、周囲の深度の液圧とほぼ均衡する圧力となる。ガス
連通管の開閉弁が開いていると、そのガス圧力は差圧式
圧力センサの背圧側に伝達され、他方、差圧式圧力セン
サの計測側には周囲の液圧が加わる。差圧式圧力センサ
と背圧自動調整機構は並設されているから、ダイアフラ
ムにかかる計測圧と背圧とは挿入深度にかかわらず常に
ほぼ等しい。従って、どの深度であっても、ダイアフラ
ムには常にその深度の液圧とほぼ均衡した背圧が自動的
に加わり、ダイアフラムを強固な構造とする必要が無く
なる。測定時は、ガス連通管に設けた開閉弁を閉じれば
よい。開閉弁は、背圧自動調整機構での圧力変動の影響
を切り離す作用をする。背圧は、開閉弁を閉じる直前の
一定の圧力であり、その時のダイアフラムの変形量を基
準として、どの程度変形するかによって圧力変動を測定
する。なおガス空間は、液の流入を防止して、ダイアフ
ラムの背圧側に組み込まれているセンサ素子や配線など
の短絡や腐食などを防止する。

【００１１】背圧自動調整機構が下部に開口を有する容
器であると、その開口から液が出入し、内部のガスは容
器上部で液圧と均衡する。ガス連通管が容器上部に接続
されているので、容器の容量が充分大きく設計しておく
ことにより、ガス連通管内に液が流れ込むことはない。
液圧と均衡するガス圧が背圧側に印加されることにな
る。

【００１２】背圧自動調整機構の容器に設けた逆止弁付
きのパイプは、液中への挿入・抜出過程で、周囲の液は
流入可能であるが、例え傾いても内部の液やガスが外部
へ流出するのを防止する機能を果たす。水滴トラップ
は、万一誤操作などにより液がガス連通管を通って進入
しきても、それを留めて、液が圧力センサに達するのを
防止する。更に三方弁に接続したガス発生源は、容器内
に強制的に高圧ガスを供給するものであり、それによっ
て容器容積が小さくても内部上方がガスで満たされるよ
うにする。

【００１３】

【実施例】図１は本発明に係る差圧式圧力変動測定装置
の一実施例を示す説明図である。この差圧式圧力変動測
定装置は、差圧式圧力センサ１０と、該差圧式圧力セン
サ１０に並設されている背圧自動調整機構２０と、前記
差圧式圧力センサ１０の背圧側と背圧自動調整機構２０
とを気密的に連通するガス連通管３０と、該ガス連通管
３０に設けた開閉弁３６とを具備している。

【００１４】差圧式圧力センサ１０は、中空の円柱状で
あり、ダイアフラム１２によって内部が気密的に上下に
仕切られている。ダイアフラム１２の上側が背圧側であ
り、圧力センサ素子１４が配置されている。差圧式圧力
センサ１０の底部には周囲の水圧を伝達する圧力導入管
１６が連結され、上部にはガス連通管３０が接続されて
いる。圧力センサ素子１４からのリード線１８は、上部
の耐水コネクター１９を介して地上に設置している測定
記録装置４０に接続する。

【００１５】背圧自動調整機構２０は、金属製の筒状容
器２１であり、容量は例えば８００〜１０００cc程度で
ある。その底部には周囲の水が出入りする開口２２が設
けてあり、上部にはガス連通管３０が接続されている。
ガス連通管３０は、細い高圧チューブ（例えば直径１m
m）である。ガス連通管３０の途中には、電磁式の開閉
弁３６が配置され、地上からの操作によって開閉する。

【００１６】次に、この差圧式圧力変動測定装置の圧力
変動測定動作について説明する。開閉弁３６を開いてい
る状態で、差圧式圧力変動測定装置をボーリング孔４２
内の所定の深度まで挿入する。背圧自動調整機構２０の
底部に設けた開口２２より周囲の水が流れ込み、容器２
１内の空気は静水圧とほぼ均衡する圧力になるまで圧縮
される。これがガス連通管３０を介して差圧式圧力セン
サ１０のダイアフラム１２の背圧側に印加される。一
方、差圧式圧力センサ１０の圧力導入管１６を通じて水
圧がダイアフラム１２の計測側に印加される。ここで、
差圧式圧力センサ１０と背圧自動調整機構２０を並設し
ているから、水中深度はほぼ同じであり、ダイアフラム
１２に印加される背圧と静水圧はほぼ等しい値をとる。
このようにして、背圧自動調整機構２０により、どの深
度に差圧式圧力変動測定装置を挿入しても、その静水圧
にほぼ等しい背圧が差圧式圧力センサ１０に自動的に印
加される。従って高深度においても、ダイアフラム１２
が低圧用の構造であっても、破壊されるおそれがない。
そのため微小な圧力に対する変形量も大きくでき、高圧
下においても測定感度を高めることができる。但し、こ
こで注意しなくてはならないことは、背圧はガスの流れ
として伝達するから、所定の背圧がかかるまでにタイム
ラグがある。従って、水中への挿入速度は差圧が差圧式
圧力センサ１０の定格を越えない程度にゆっくり行う必
要がある。

【００１７】所定の計測深度に達した後、ガス連通管３
０に設置した開閉弁３６を閉じる。これは、背圧自動調
整機構２０が周囲の水圧変動により背圧も変動させてし
まうことを防止するためである。開閉弁３６の閉止によ
って、背圧自動調整機構２０から差圧式圧力センサ１０
へのガス圧力の伝達が遮断され、背圧は一定値を維持す
る。この時のダイアフラム１２の変形量を基準とし、こ
の基準値に対してどの程度変形するかによって、圧力変
動を測定することになる。

【００１８】測定深度を変える場合、あるいは本装置を
引き上げる場合は、開閉弁３６を開いて、差圧式圧力セ
ンサ１０と背圧自動調整機構２０との連絡を復旧するだ
けでよい。本装置を更にボーリング孔４２深くに挿入す
ると、静水圧が高くなり水が開口２２から容器２１に流
入すると共に、ガス圧力が高まる。しかし、ダイアフラ
ム１２の両側の圧力はほぼ均衡し続ける。本装置をボー
リング孔４２から引き上げる時は、静水圧が徐々に低く
なり、容器２１内部の水は開口２２から流出してガス圧
力が低くなる。引き上げている間中、このような動作に
よりダイアフラム１２の両側の圧力はほぼ均衡し続け
る。なおガス連通管３０を約１mm程度と小口径にしたの
は、ガス連通管３０の内容積をできるだけ小さくし、大
深度でも水がガス連通管３０内に入らないようにするた
めである。

【００１９】図２は、本発明に係る差圧式圧力変動測定
装置の他の実施例を示す説明図である。この差圧式圧力
変動測定装置の背圧自動調整機構５０は、容器５１と、
容器壁を貫通して底部近傍に達するパイプ５４と、該パ
イプ５４に設けた水導入用の逆止弁５６とを具備してい
る。ガス連通管３０は容器５１の上部に接続され、該ガ
ス連通管５６の途中に液滴トラップ４７を有する。また
ガス連通管３０は、三方弁３８を介して大気側及び高圧
ガス発生源４６に接続されている。高圧ガス発生源４６
である窒素ガスボンベには精密圧力調整装置４４が設け
てある。その他の部分ついては図１に示した構造と同様
であってよいため、同一符号を付し、説明は省略する。

【００２０】水が連通管３０を通って、差圧式圧力セン
サ１０の背圧側に浸入すると、圧力センサ素子等に損傷
を与えるおそれがある。本実施例は、そのような事態の
発生をより効果的に防ぐことができる。まず逆止弁５６
は、背圧自動調整機構５０の周囲の水の流入は許容する
が、内部の水及び空気の流出は阻止する。従って水中に
挿入する過程で背圧自動調整機構５０が大きく傾いた場
合でも、内部の空気が流出することが生じないため、傾
きに注意する必要がなく比較的容易に挿入できる。

【００２１】液滴トラップ４７は、縦長密閉容器４８
と、その上壁を貫通し底面近傍に達するガス入口管４９
ａと、容器の底壁を貫通し上面近傍に達するガス出口管
４９ｂからなる。これは操作ミス等により、水がガス連
通管３０に流入してきたときに差圧式圧力センサ１０の
背圧側に浸入するのを防止する。即ち、背圧自動調整機
構５０から水がガス連通管３０に侵入しても、液滴トラ
ップ４７の縦長密閉容器４８に浸入水が備蓄されため、
差圧式圧力センサ１０の背圧側に浸入しない。従って、
より確実に水の浸入を防止したい場合には、このような
液滴トラップ４７を設けることも有効である。

【００２２】三方弁３８は、本装置を引き上げる時にガ
スを大気側に徐々に放出して、差圧式圧力センサ１０の
ダイアフラムの両側の圧力均衡を図る働きをする。また
高圧ガス発生源４６は、その高圧ガスを三方弁３８を介
して背圧自動調整機構５０に供給することにより、容器
容積の不足を補う機能を果たす。例えば本装置を水中深
く降ろしていくと、静水圧が徐々に大きくなり、それに
伴いガスは圧縮され、最終的には水がガス連通管に浸入
しようとする。それが装置の使用限界深度である。背圧
自動調整機構５０の容積を大きくすれば、ガスが圧縮可
能な範囲が広がり、大深度まで挿入できるが、ボーリン
グ孔との関係あるいは装置構成上で限度がある。上記の
ように、予めガス圧力を高めておけば、大深度でもガス
は圧縮され難くなり、背圧自動調整機構５０の容積を大
きくしなくても、水中深くまで挿入することが可能とな
る。

【００２３】図３には、本発明に係る差圧式圧力変動測
定装置の更に他の実施例を示す説明図である。背圧自動
調整機構６０は、例えばゴム等の伸縮自在の材料で構成
した袋状体のものである。その内部は空気等のガスで満
たされている。外部の水圧により背圧自動調整機構６０
が収縮し、内部のガスを周囲の水圧とほぼ均衡する圧力
にまで圧縮する。これがガス連通管３０を介して、差圧
式圧力センサ１０に背圧として印加される。背圧自動調
整装置６０は全く外部の水を取り入れることがないの
で、前述の実施例のように、液滴トラップのような機構
は不要である。

【００２４】本発明は上記実施例の構成のみに限定され
るものではない。図１に示す実施例の構成に液滴トラッ
プや三方弁、高圧ガス発生源などを組み合わせてもよ
い。また図３の実施例に三方弁と高圧ガス発生源を組み
合わせることも可能である。圧力センサ素子の構成は任
意であり、ダイアフラムの両側の差圧を計測できるもの
であれば使用可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、差圧式圧力センサと並設した
背圧自動調整機構により差圧式圧力センサの計測側の液
圧とほぼ均衡する圧力のガスを背圧側に自動的に印加で
きるため、高深度においてもダイアフラムの構造を強固
なものにする必要がない。そのため、変形し易い構造を
採用することにより、高圧下においても、圧力変動の高
感度の測定が可能となる。ダイアフラムの変形を検出す
る圧力センサ素子も一般的な安価なものを使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る差圧式圧力変動測定装置の一実施
例を示す説明図。

【図２】本発明に係る差圧式圧力変動測定装置の他の実
施例を示す説明図。

【図３】本発明に係る差圧式圧力変動測定装置の更に他
の実施例を示す説明図。

【符号の説明】

１０ 差圧式圧力センサ １２ ダイアフラム ２０ 背圧自動調整機構 ２１ 容器 ２２ 開口 ３０ ガス連通管 ３６ 開閉弁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイアフラムにより気密的に仕切られ、
   その変位により計測側の液圧と背圧側のガス圧との差を
   検出する差圧式圧力センサと、該差圧式圧力センサに並
   設され、周囲の液圧とほぼ均衡する圧力のガスを生じる
   背圧自動調整機構と、前記差圧式圧力センサの背圧側と
   背圧自動調整機構とを気密的に連通するガス連通管と、
   該ガス連通管に設けた開閉弁とを具備している差圧式圧
   力変動測定装置。
2. 【請求項２】 背圧自動調整機構は、下部に開口を有す
   る容器であって、その上部にガス連通管が接続されてい
   る請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 背圧自動調整機構は、容器と、その容器
   壁を貫通して底部近傍に達するパイプと、該パイプに設
   けた液導入用の逆止弁とを具備し、ガス連通管は該容器
   の上部に接続され、該ガス連通管の途中に液滴トラップ
   を有する請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】 ガス連通管が、三方弁を介して大気側及
   び高圧ガス発生源に接続されている請求項３記載の装
   置。
5. 【請求項５】 背圧自動調整機構は、気密構造で且つ伸
   縮自在の袋状体であって、それにガス連通管が接続され
   ている請求項１記載の装置。