JPH0654272B2 - 物理量−電気量変換器および高温用流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ａ) 技術分野 本発明は、高温下で圧力、変位、加速度等の物理量を電
気量に変換する物理量−電気量変換器および高温に熱せ
られた流体の流量を検出するための高温用流量計に関す
るものである。

(ｂ) 従来技術 物理量−電気量変換器（以下単に「変換器」ということ
がある）としては、従来より種々の物理量、例えば圧
力、変位、加速度等を電気量（電気信号）に変換する圧
力変換器、変位変換器、加速度変換器等が広く使用され
ている。

このような従来の変換器は、受感部を介して作用する物
理的力を受けその力に応じた変形をする起歪体と、この
起歪体に接着され該変形に応じた抵抗値変化を示すひず
みゲージと、このひずみゲージの電気信号出力を外部計
測器に伝達するケーブルと、上記ひずみゲージを外部と
遮断するためのケーシング部材等を主要構成部材として
構成されている。このように構成された従来の変換器
は、種々の理由により使用可能な温度範囲、特に温度の
上限が制限されている。即ち、ひずみゲージのベース材
（絶縁材）および接着剤は、一般に有機系素材よりなっ
ているため、最高使用温度が４００℃を起えると、有機
物が破壊されて炭化し、起歪体から抵抗素子としてのひ
ずみゲージへひずみを伝達する機能（固着機能）が失わ
れてしまうほか、ひずみゲージの絶縁抵抗も低下してし
まうという問題があった。さらに、これらの有機系素材
は、例えば３５０〜４００℃においてガラス転移、熱変
態等を起し、その特性を変えてしまい、ひずみゲージに
クリープやドリフトを生じさせる原因となっていた。さ
らに、ひずみゲージの出力ケーブルは、被覆材として塩
化ビニール、合成ゴム、テフロン、ポリエチレン等の可
燃性素材が用いられていたため高温下においては使用不
可能であった。さらにまた、起歪体も従来用いられてい
たものの中には高温に晒されると、酸化を起しドリフト
を生じさせる原因となるものがあった。

ところで、原子炉においては、高熱に晒される部位の温
度が一定以上上昇しないように冷却流路に規定量の冷却
水を流している。

この冷却水が規定量（必要流量）流れていない場合に
は、重大の事故を引起す虞れがあるため、上記冷却流路
に規定量の冷却水が流れているか否かを常時監視してい
ることが必要である。この流量を計測する１つの方法と
して、流路中に流れの方向に直交するように受圧板を配
設し、この受圧板に作用する力をひずみゲージを用いた
荷重変換器または圧力変換器によって検出すればよいと
考えられる。しかしながら、従来の圧力変換器や荷重変
換器を流路中に設けることは、冷却機能を阻害するばか
りでなく、流れが乱れて計測精度を低下させるという問
題がある。

また、上記冷却水は加熱されて３００℃前後の高温とな
るため、従来の変換器では、上述したような問題が発生
する上、一般に冷却水として純水が用いられるので、変
換器が浸食され遂には故障に至るという問題がある。

(ｃ) 目的 本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的は、各種の変換器に容易に適用でき、例
えば上限６００℃程度の高温下における被測定対象の物
理的変状を精度よくしかも長期間に亘って安定して検出
し得る物理量−電気量変換器を提供することにあり、さ
らに他の目的は、高温に熱せられた流体中に設置しても
吸湿や酸化によるひずみゲージやリード線の絶縁低下が
無く、長期に亘って流体の流量を安定して検出し得る高
温用流量計を提供することにある。

(ｄ) 構成 本発明に係る物理量変換器（以下、「第１の発明」とい
う）は、高温下で圧力、変位、加速度等の物理量を電気
量に変換する物理量−電気量変換器において、ひずみを
受けてそのひずみに対応した抵抗変化を示すひずみゲー
ジが一端のみ開口された金属性のチューブに挿入され且
つそのチューブ内に硬く充填された耐熱性を有する粉末
状の絶縁物によって保持され、前記ひずみゲージに接続
されたリード線が前記チューブの開口から耐熱ケーブル
内に導出され且つその開口が封止され、前記チューブの
側面に金属性のフランジ板が固着されてなる耐熱性を有
する密閉型検出器と、一端側が固定端に固定支持され、
他端側が２つの前記密閉型検出器の前記フランジ板の一
端側に挟持されるようにして溶接により連接された支持
部材と、一端側が２つの前記密閉型検出器のフランジ板
の他端側に挟持されるようにして溶接により連接され、
他端側に物理量を受ける受感部が設けられた受感部材
と、を具備し、前記受感部にて受けた物理量を前記２つ
の密閉型検出器により電気量に変換してリード線を介し
て導出するように構成したことを特徴としており、さら
に本発明に係る高温用流量計（以下、「第２の発明」と
いう）は、高温に熱せられた流体の流量を検出するため
の高温用流量計において、ひずみを受けてそのひずみに
対応した抵抗変化を示すひずみゲージが一端のみ開口さ
れた金属性のチューブに挿入され且つそのチューブ内に
硬く充填された耐熱性を有する粉末状の絶縁物によって
保持され、前記ひずみゲージに接続されたリード線が前
記チューブの開口から耐熱ケーブル内に導出され且つそ
の開口が封止され、前記チューブの側面に金属性のフラ
ンジ板が固着されてなる耐熱性を有する密閉型検出器
と、一端側が固定端に支持され、他端側が２つの前記密
閉型検出器の前記フランジ板の一端側に挟持されるよう
にして溶接により連接された支持部材と、一端側が２つ
の前記密閉型検出器のフランジ板の他端側に挟持される
ようにして溶接により連接され、他端側に所定面積の受
圧板が取付けられ、その受圧板により受けた前記流体の
流量に対応した圧力で前記２つの密閉型検出器にひずみ
を生じさせる受感部材と、前記固定端に固着され、前記
支持部材、前記密閉型検出器および前記受感部を除く前
記受感部材の周囲を所定の間隙を有して囲繞するケーシ
ング部材、とを具備することを特徴としており、このよ
うな構成とすることによって上記目的を達成することが
できる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて、説明す
る。

第１図（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明の一実施
例である流量計の構成をそれぞれ示す正面断面図、左側
面図および平面断面図である。

同図において、１は円筒状をなす金属性のケーシング部
材であり、このケーシング部材１は、冷却水を流す冷却
流路としての例えばパイプの壁体２に穿設された取付孔
３に差し込まれ、図示は省略したが、Ｏリングあるいは
ガスケット等のシーリング手段を介して、ねじ止めある
いは溶接等の手段により取付けられる。このケーシング
部材１の基端側には、その内径と略同径の外径を有する
支持部材４の固定部４a が嵌合された上、溶接によって
気密状態に固着されている。この固定部４a には、２つ
のケーブル導出孔４b が穿設されている。上記支持部材
４の他端側は、表面と裏面とが平行をなすように板状に
形成され、他端に近い部位は、中間部より幅狭に形成さ
れている。５，６は、後に詳しく説明する密閉型検出器
であり、一端側が上記支持部材４の他端側とスポット溶
接により連接されており、他端側が受感部材７の一端と
前述同様スポット溶接により連接されている。この受感
部材７は、一端側半部が幅広の板状に形成され、他端側
半部が円柱状に形成されている。８は、上記密閉型検出
器５，６の主軸方向に対して平行な受圧面を有する円板
８a が先端に固着され、中間部で９０゜折曲されてＬ字
状とされた受感部であり、基端が上記受感部材７に固定
されている。９は、上記ケーシング部材１の他端に嵌合
固定された円板状をなすストッパ部材であり、その円板
中心に穿設された孔には、円形パイプ１０が嵌合固定さ
れている。この円形パイプ１０の内径は、受感部材７が
定格を超える過大なたわみを受けて性能が劣化したり損
壊したりしないような径に設定されている。１１ａは、
上記密閉型検出器５の一部を構成するチューブ１３と後
述する耐熱ケーブル１１とを接続する接続部であり、金
属性の帯状バンドをもって支持部材４に固定されてい
る。耐熱ケーブル１１は、固定部４a に穿設されたケー
ブル導出孔４b より導出され、その周囲の隙間から外気
や湿気が入り込まないようにろう付け１２によってシー
リングされている。

第２図および第３図は、第１図に示す密閉型検出器５，
６の具体例をそれぞれ拡大して示す正面断面図および平
面図である。

同図において、１３はステンレス鋼等よりなるチューブ
であり、このチューブ１３の略中心部にはひずみに感応
するニッケル・クロム線等のひずみゲージよりなるアク
ティブ素子１４が倒Ｕ字状に折曲して配設されている。
また、このアクティブ素子１４の周囲には同じ材質より
なるダミー素子１５がひずみに不感なるように巻回され
ている。そして、これらのアクティブ素子１４およびダ
ミー素子１５が配設されたチューブ１３内には、酸化マ
グネシウムＭgＯ の粉末が絶縁物として固く詰め込まれ
ている。また、チューブ１３の一端は封じられ、他端か
らはアクティブ素子１４およびダミー素子１５に接続さ
れた入出力端子線であるリード線１６が導出され、セラ
ミック系の耐高温接着剤１７によって封止されている。
１８はチューブ１３のひずみ感知部１３a に一体的に固
着されひずみ感知部１３a を支持部材４および受感部材
７にそれぞれ取付けるフランジ板である。

第３図は、密閉型検出器を支持部材４と受感部材７に固
着連接された状態を示す平面図であり、フランジ板１８
は、チューブ１３の両側方に突出したフランジ部１８a
，１８b を有している。そして、検出器５および６
は、それぞれのフランジ板１８を互いに対向させ、各先
端側を受感部材７の表面および裏面に当接した状態で点
溶接し、各基端側を支持部材４の表面および裏面に当接
した状態で点溶接することにより、支持部材４および受
感部材７に固着連接される。密閉型検出器５（または
６）からの出力は、リード線１６から耐熱ケーブル１１
としての例えばＭＩケーブル（minetal insulated meta
l sheathedcable）、およびフレキシブルな延長ケーブ
ル等を介して計測機器（図示せず）に導かれる。

尚、第２図および第３図に示してあるアクティブ素子１
４とダミー素子１５の合計４本のリード線１６は、第４
図（Ａ），（Ｂ）に示すように、２本が共通にされてＭ
Ｉケーブルに接続される。従って、耐熱ケーブル１１と
してのＭＩケーブルは、３本の信号線を内包していれば
よいことになる。計測機器では、上記出力を適宜増幅、
演算等の処理を施して、冷却流路を流れる流量の値を表
示しあるいは記録する。

上記ＭＩケーブルは、いわゆるシースとしての鋼管の中
に酸化マグネシウムの粉が固む詰められ、その中に信号
線としての銅線が複数本挿入保持されたものであり、燃
焼する素材を使用しておらず、内部は外気と完全に遮断
されているので、高温に熱せられた流体の流量を測る流
量計の出力ケーブルとして好適なものである。

次に、このように構成された高温用流量計の動作につき
説明する。

冷却水が第１図に示すパイプの壁体２の右側に沿って矢
印方向、即ち下方から上方に向って流れているものとす
れば、受感部８の円板８a の受圧面が流れに直交するよ
うに流量計をパイプ等の壁体２に取付ける。円板８a
は、冷却流路としてのパイプの略中心部に臨んでいるの
で、流体の流れによる力を受け、この力は受感部８、受
感部材７を介して、２つの密閉型検出器５，６に伝達さ
れる。支持部材４と検出器５，６と受感部材７は、全体
として一端が固定された片持梁を構成しているが、検出
器５，６の部位が剛性が小さく形成されているので、こ
の部位に応力が集中する。第１図(Ａ)に示すように受感
部８が上方に押されると、検出器５には圧縮力が、また
検出器６には引張力が印刷される。つまり、第２図およ
び第３図に示す検出器５のフランジ板１８には圧縮ひず
みが、検出器６のフランジ板１８には引張ひずみが、そ
れぞれ発生する。このようにフランジ板１８に生じたひ
ずみは、チューブ１３のひずみ感知部１３a 、酸化マグ
ネシウムＭgＯ を介してアクティブ素子１４へ伝達さ
れ、そのアクティブ素子１４の圧縮または引張による抵
抗値変化として検出され、アクティブ素子１４自体の温
度による抵抗値変化は、第５図に示すようにホイートス
トンブリッジ構成とされたひずみ検出回路の一辺に挿入
されるダミー素子１５の温度のみによる抵抗値変化によ
って電気的に相殺され、抵抗温度係数の影響が補償され
る。このひずみ検出回路は、入力側の相隣る２辺に一方
の密閉型検出器５のアクティブ素子１４とダミー素子１
５を接続し、他方の密閉型検出器のアクティブ素子１４
とダミー素子１５を第５図に示す様に回路構成すること
によってホイートストンブリッジを形成する。尚、ホイ
ートストンブリッジは、環境温度の高くない場所、即ち
流量計から離れた場所において組まれる。従って、ひず
みゲージの出力は、リード線１６、耐熱ケーブル１１、
図示省略のフレキシブルな延長ケーブルを順次介して、
計測機器の置かれた場所まで導かれる。そして、ホイー
トストンブリッジの出力は、計測機器によって適宜増幅
され、必要に応じＡ／Ｄ変換された上、所定の演算処理
がなされ、目的とする流量の測定データが得られる。次
に、流体が円板８a に当ってその円板８a に働く力から
流量を測定する方法につき説明する。

ここで、円板８a に働く力をｆ、円板８a の流れに垂直
な断面積をＦ、流体の密度をγ、抵抗係数をＣd 、流速
をｖ、重力加速度をｇとすると、円板８a に働く力ｆ
は、次式のように表わされる。

ｆ＝Ｆ・γ・Ｃd ・ｖ^２／２ｇ 流体の流れに垂直な円板８a の断面積Ｆは一定であり、
流体の密度γは一定と考えてよいので、上式より円板８
a に働く力は、流速の二乗に比例するといえる。また、
上式における抵抗係数Ｃd は、レイノルズ数が２３００
以上の範囲で、しかも流量範囲が１０：１程度であるな
らば、一定になる。実際の数値は、１．１２から１００
０の間にあり、円板８a の形状、大きさ、レイノルズ数
に関係する。実際には、実測によって抵抗係数Ｃd の値
を決定する。従って円板８a に負荷される力を密閉型検
出器（即ち流量計）で検出し、上式より流速ｖを求め、
この流速ｖと円板８a が設けられた部分の冷却流路の断
面積との積から流量が求められる。このような演算は、
計測機器内の演算回路によって、即時求められる。

上述のように構成され且つ動作する高温用流量計には、
次のような種々の利点がある。

第１に、密閉型検出器５，６は完全密閉されており、し
かも耐熱性のある材料ですべて形成されている（接着剤
や有機系の素材を用いていない）から６００℃程度まで
の高温雰囲気中で流量の測定を行なうことができ、ひず
みゲージやリード線が絶縁低下したり酸化したりするこ
とが殆んでなく、長期に亘って安定した精度を確保する
ことができる。

第２に、支持部材４、受感部材７、検出器５，６等の素
材として、流体（冷却水）によって腐食（浸食）の生じ
ないステンレス鋼やその他の材質のものを適宜選択する
ことができる。

第３に、２つの密閉型検出器を所定間隔だけ離して平行
に配設し、それぞれの端部を共に支持部材４および受感
部材７に溶接により一体的に連接する構成としたから、
梁としての撓み（曲げ）があまり変化しない状態で、遅
い流速から速い流速の流れを検出することができ、従っ
て広範囲の流量を測定することができる。反対に、梁の
撓みが大きい場合には、円板８a が流れに体して傾斜す
ることになり、それだけ測定誤差が大きくなる。

第４に、流体の影響を受ける支持部材４、検出器５，
６、受感部材７をパイプ状のケーシング部材１で覆った
構成としたから、流量は、実質的に円板８a で受けた力
のみから求めることになり、上記支持部材４等を直接流
体中に晒す場合に比べ測定精度を向上させることができ
る。

第５に、受感部材７の先端側は、円形パイプ１０で囲わ
れているので、定格値を超える過大な力が加えられても
損壊する虞れがない。

第６に、本実施例のように、流れている流体中に置かれ
た物体（円板８a ）に働く力を検出することによって流
量を測定する形式の流量計は、感度がよく、安定であ
る、ヒステリシスがなく、逆方向の流量の測定もでき
る、流体の静圧に無関係である、粘性の影響が少な
い、機械的な可動部がない、構造が簡単で、取付け
が容易である、応答が速やかである、等の利点があ
る。

尚、本発明は、上記した実施例のみに限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変
形実施が可能である。

例えば、上述した実施例は、第２の発明としての高温用
流量計の例であるが、これに限らず、各種の物理量であ
る圧力、荷重、変位、加速度、傾斜、粘度等を電気量に
変換する圧力変換器、荷重変換器、変位変換器（変位計
と称されることがある）、加速度変換器、傾斜計、粘度
計等、第１の発明としての物理量−電気量変換器にも容
易に適用することができる。

この場合、荷重変換器であれば、円板８a を荷重受部と
すればよく、また傾斜計や加速度変換器であれば、円板
８a に代えて重錘を付設し、必要に応じ重錘をケーシン
グ内に収納し、ケーシング内部にダンピングオイルを充
填し、ケーシングを密閉すればよい。

(ｅ) 効果 以上詳しく説明したところより既に明らかなように、第
１の発明によれば、各種変換器に容易に適用でき、例え
ば、６００℃程度の高温下における被測定対象の物理量
を長期間に亘り安定してしかも精度よく検出し得る物理
量−電気量変換器を提供することができ、また、第２の
発明によれば、高温に熱せられた流体の流量を長期に亘
り安定してしかも高精度で測定し得る高温用流量計を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明の一実施
例である流量計の構成をそれぞれ示す正面断面図、左側
面図および平面断面図、第２図および第３図は、第１図
（Ａ）、（Ｃ）に示す密閉型検出器の具体例をそれぞれ
拡大して示す正面断面図および平面図、第４図（Ａ）お
よび（Ｂ）は、同密閉型検出器と耐熱ケーブルとの接続
関係を示す断面図および回路図、第５図は、本発明に係
る物理量−電気量変換器の回路構成の一例を示す回路図
である。 １……ケーシング部材、２……壁体、 ４……支持部材、４a ……固定部、 ５，６……密閉型検出器、７……受感部材、 ８……受感部、１０……円形パイプ、 １１……耐熱ケーブル、１３……チューブ、 １４……アクティブ素子、 １５……ダミー素子、１６……リード線、 １８……フランジ板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温下で圧力、変位、加速度等の物理量を
   電気量に変換する物理量−電気量変換器において、ひず
   みを受けてそのひずみに対応した抵抗変化を示すひずみ
   ゲージが一端のみ開口された金属性のチューブに挿入さ
   れ且つそのチューブ内に硬く充填された耐熱性を有する
   粉末状の絶縁物によって保持され、前記ひずみゲージに
   接続されたリード線が前記チューブの開口から耐熱ケー
   ブル内に導出され且つその開口が封止され、前記チュー
   ブの側面に金属性のフランジ板が固着されてなる耐熱性
   を有する密閉型検出器と、一端側が固定端に固定支持さ
   れ、他端側が２つの前記密閉型検出器の前記フランジ板
   の一端側に挟持されるようにして溶接により連接された
   支持部材と、一端側が２つの前記密閉型検出器のフラン
   ジ板の他端側に挟持されるようにして溶接により連接さ
   れ、他端側に物理量を受ける受感部が設けられた受感部
   材と、を具備し、前記受感部にて受けた物理量を前記２
   つの密閉型検出器により電気量に変換してリード線を介
   して導出するように構成したことを特徴とする物理量−
   電気量変換器。
2. 【請求項２】高温に熱せられた流体の流量を検出するた
   めの高温用流量計において、ひずみを受けてそのひずみ
   に対応した抵抗変化を示すひずみゲージが一端のみ開口
   された金属性のチューブに挿入され且つそのチューブ内
   に硬く充填された耐熱性を有する粉末状の絶縁物によっ
   て保持され、前記ひずみゲージに接続されたリード線が
   前記チューブの開口から耐熱ケーブル内に導出され且つ
   その開口が封止され、前記チューブの側面に金属性のフ
   ランジ板が固着されてなる耐熱性を有する密閉型検出器
   と、一端側が固定端に支持され、他端側が２つの前記密
   閉型検出器の前記フランジ板の一端側に挟持されるよう
   にして溶接により連接された支持部材と、一端側が２つ
   の前記密閉型検出器のフランジ板の他端側に挟持される
   ようにして溶接により連接され、他端側に所定面積の受
   圧板が取付けられ、その受圧板により受けた前記流体の
   流量に対応した圧力で前記２つの密閉型検出器にひずみ
   を生じさせる受感部材と、前記固定端に固着され、前記
   支持部材、前記密閉型検出器および前記受感部を除く前
   記受感部材の周囲を所定の間隙を有して囲繞するケーシ
   ング部材、とを具備することを特徴とする高温用流量
   計。