JPS60138435A - 圧力・差圧伝送器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はプロセス制御装置に用いられるベローズ又はダ
イヤフラム等の受圧要素を用いた差圧又は圧力伝送器に
おいて問題とされる、温度、静圧変動に起因するゼロ点
変動及びスパン変動を相互干渉なしに調整し補償する手
段に関する。

〈従来技術〉 第１図は差圧伝送器の従来の温度、静圧変動によるゼロ
点変動、スパン変動補償の概念を説明するだめの構成図
である。１は一室構造の差圧伝送器の本体断面を示し、
両端面に測定すべき圧力ｐ。

■ ＰＬを受けるダイヤフラム２，５がその周縁をこの本体
に溶接されて配置されており、本体に形成された貫通孔
４とこれらダイヤフラムで囲まれた中空室内にはシリコ
ン油等の封液５が満たされている。

中空室中央部には拡大された電極室が形成され、この電
極室内には本体に嵌合した絶縁材６に片側が支持された
移動電極７及びこれに対向して静電容量Ｃ１，Ｃ２を形
成するための固定電極８，９が配置されている。１ｏは
中空室を介して両ダイヤスラム２．３の中央部を連結す
るロッドで、その中央部は電極室内において移動電極７
に固定されておプ、差圧に応動したダイヤフラムの変位
を移動電極に算が施され、直流出力信号ｅ。Ｋ変換され
る。この信号ｅ。は出力回路１２に導かれて、遠隔点の
負荷ＲＬ。

電源ＥＢの直列回路に対し、４〜２０　ｍＡ　スパンの
出力電流工。Ｋ変換される。１３は本体１の温度Ｔを測
定する温度センサ、１４け封液５の圧力即ち静圧Ｐｓを
測定する圧力センサであり、これらセンサの出力は、補
償電圧発生回路１５．１６に導かれ、ゼロ点補償用温度
信号ｅＴ＋ゼロ点補償用靜圧信号ｅｐに変換され、加算
点１７．１８で演算回路１１の出力信号ｅ。

に加算又は減算されて温度変動又は静圧変動に対するゼ
ロ点の変動が補償される。温度又は静圧変動に対してダ
イヤフラム２，３のバネ定数変化等によシ生ずるスパン
変動は、補償電圧発生回路１５゜１６よシ点線で示すス
パン変動補償用温度信号、静圧信号ｅＴ’　ｒ　ｅｐ’
を発生させ、出力回路１２の電圧−電流変換利得を変化
させてスパンの変動を補償する。

このような補償方式をとる場合は、温度センサ１３及び
圧力センサ１４を本体１内に設ける必要がある。本体内
Ｋ１１度センサを設けた従来技術は例えは実開昭５５−
１３３１７号Ｋ、又本体内に圧力センナを設けた従来技
術は例えば特開昭５４−６７４８０号に示されている。

このように、温度センサ、圧力センサを特別に設ける構
成は、特に圧力センナを本体内圧設ける場合、伝送器の
構造が複雑高価となる欠点を有する。

〈本発明の構成〉 本発明は上記従来技術の欠点を解消する温度。

静圧変動によるゼロ点変動スパン変動補償手段を提供す
るものであって、その特徴点は、封液の誘電率の変化が
温度又は静圧によって変化することに着目し、誘電率変
化を検出しとの誘を率に比例した信号及びこの誘電率と
測定圧力、差圧との積に関連した信号の和を演算し、ゼ
ロ点質動、スパン変動補償信号を得るようにした点にあ
る。

実施例の説明に先立ち、ゼロ点変動圧着目し、その発生
要因並びに本発明における補償手段の原理につき、第２
図〜第４図を用いて説明する。第２図は、第１図の一室
構造の差圧伝送器を模型的に示したものであって、ダイ
ヤフラム２，３、封液５、ロッド１０よシなる。ＡＨｌ
ＡＬはダイヤフラム２゜３の有効面積、ＦＨ”Ｌはダイ
ヤフラム２，３よシロラド１０に与えられる力、■は封
液５の容積、ｐ□は封液５の内圧、Ｐ８は静圧を夫々示
す。−室構造の差圧伝送器のゼロ点変動の要因のほとん
どは、ダイヤフラム２，５の有効面積ＡＨ２ＡＬに製造
過程でわずかの差が生じることに起因する。

今、有効面積Ａ１（〉ＡＬの場合に温度変化ΔＴによシ
封液の体積■がΔＶ増加し、その結果封液の内圧ｐがΔ
Ｆ　上昇する（ｐよ〉Ｐの状態となる）と、１　１１ Ｆ、Ｆ　の変化ΔＦ　、ΔＦ　は、夫々ＨＬ　ＨＩ　Ｌ
ｌ ΔＦＨ１＝ＡＨｘΔｐｉｌ　（左方向に発生）ΔＦＬよ
＝ＡＬ×Δｐ　（右方向に発生）１ となる。ここでＡＨ＞ＡＬであるから、ΔＦ　〉ΔＦ　
となシ、左方向のゼロ点質１１１　ＬＬ 動が発生する。

次に静圧ＰがΔｐ上昇することＫよシ封液の容Ｓ　Ｓ 積がΔＶ減少しく非圧縮性の封液でも実際にはわずかな
圧縮特性を有する）、内圧がΔＰ１□　減少する（ｐ＜
ｐの状態となる）と、ＦＨｌＦＬの変化ΔＦ　、ΔＦＬ
□は、夫々 ２ ΔＦＨ２＝　’ＡＨ×Δｐ□２　（右方向に発生）ΔＦ
Ｌ２；ＡＬ×ΔＰ□２　（左方向に発生）となる。ここ
でＡＨ＞ＡＬであるから、ΔＦ　〉ΔＦ　となり、右方
向のゼロ点質１２　Ｌ２ 動が発生する。

有効面積の関係が逆の場合、即ちＡＨ＜ＡＬの場合は温
度及び静圧変動による変動の発生方向は上記とは逆方向
となる。

即ち、・有効面積差に起因するゼロ点変動の発生方向は
、温度上昇によるものと静圧上昇によるものとは反対方
向となることがわかる。第３図（４）。

ψ）はこれらの関係を図示したものであって、温度誤差
が（４）のごとく負方向であれば、静圧誤差は（＋３）
のごとく正方向となる。（４）、ω）において点線で示
したものが有効面積差に起因する誤差であり、これを補
償することＫより、ゼロ点変動を大幅に減少させること
ができる。

上記ゼロ点変動は、封液の体積変化（密度変化）に基づ
く内圧変化に起因して発生している。ζこで封液の温度
変化及び静圧変化に対する変化率と、封液の誘電率εの
温度変化及び静圧変化に対する変化率との関係をみると
、例えば一般的なシリコンオイルでは、 と表わされ、誘電率εの温度又は静圧による変化率と封
液の温度又は静圧による体積変化率とはほぼ等しいこと
がわかる。このことは、ｇ電率櫨の変化を検出して封液
の温度又は静圧による体積変化を検出することが可能で
あることを示している。

ゼロ変動は封液の体積変化に起因して有効面積差がある
場合に生ずるのであるから、！Ｅ１ｍ率の変化により封
液の体積変化が検出できれば、この検出信号に基づいて
ゼロ点変動の補償が可能である。

ここで、誘電率εは一般に基準状態（Ｔ＝２０’Ｃ。

Ｐ　＝　Ｏｋｇ／ａｍ　）の誘電率ε８に対してＴ、Ｐ
の変化ΔＴ。

ΔＰに対し、α、βを定数として ６＝ε５（１−αΔＴ＋βΔＰ　）　（５）で表わされ
、温度に対する変化方向と静圧に対する変化方向とが逆
の特性を有している。

−力筒５図のようにゼロ点誤差は温度、静圧では逆極性
に発生するから、誘電率に比例する信号に適当な係数（
極性を含む）を乗じて、第１図における出力信号ｅ。Ｋ
加算するようにすれば、温度変動によるゼロ点変動と静
圧変動によるゼロ点変動を同時に補正することが可能で
ある。

即ち、誘電率の変化を検出して補償する方法をとれば、
変動の発生要因がダイヤフラムの有効面積差に起因する
場合は、従来技術のように、温度センサ、圧力センサを
本体内に設けることなく、ゼロ点変動を有効に補償する
ことがてきる。

誘電＄ａの検出の具体的手段は、封液５内に基準静電容
量を設け、この容量変化を検出する方法でもよいが、差
圧に応動して変化する静電容量Ｃ１゜Ｃ２に基づいても
演算で容易にめることができ、特別なセンサを必要とし
ない構成が可能である。

スパン変動についても同様に、誘電率と測定圧力。

差圧の積を演算することによシ特別なセンナを必要とせ
ずに実現できる。

第４図は本発明の補償方法を適用した差圧・圧力伝送器
の原理的ブロック線図であり、第１図と対応する要素は
同−何分で示す。検出回路１１を介して得られるＣ工、
Ｃ２に関連した信号及び圧力、差圧に関連した信号は、
補償信号演算回路１９１Ｃ導かれて誘電率εに比例した
ゼロ点変動補償信号（第１信号）ｅＴｐ　と、スパン変
動補償信号（第２信号）ｅＴｐＩの和が算出され、加算
点２０で演算回路１１の出力信号ｅ。と加算されて温度
、静圧の変動によるゼロ点変動スパン変動が同時に補償
される。２１は封液５内に設けた基準静電容量手段であ
シ、この静電容１ＩＣ８に基づいて誘電率６を演算する
ようにしてもよい。

第５図は第４図の回路の具体例を示すものであって、差
圧に関連して変化する静電容量Ｃ□、Ｃ２け検出回路１
１に導かれて、デー−ティがＣ□、Ｃ２１ｃ関連したパ
ルス信号に変換された後、平滑されて直流出力信号ｅ。

に変換される。１１内の構成要素はコンパレータを形成
する増幅器Ｇ工、Ｇ２、切換スイッチを形成するゲート
０３〜Ｇ５、カウンタＣＴ工、インバータＧ６．Ｃ７及
び双方向性定電流回路ＣＣ１を組合せた自己発振回路で
、Ｃ工に関連する周期の発振パルスがカウンタＣＴｉ　
でｎ個計数されると０２に関連する発振に切換わシ、こ
のパルスが同様にｎ個計数されると元に戻る動作を繰返
し、カウンタＣＴ１の出力又はインバータＧ７の出力に
、オン時間がＣ工にオフ時間が０２（又はその逆）に関
連し、振幅が基準電圧Ｖのデー−ティサイクル信号を得
る（この演算回路の詳細については特開昭５７−１．４
７１．４号に説明されている）。

第６図のはカウンタＣＴ１の出力波形で、オン時間Ｔ工
が０１に、オフ時間Ｔ２が０２に関連する。■はインバ
ータＧ７の出力で、■と逆位相の信号である。

この信号が抵抗Ｒ１、コンデンサＣ３のフィルタで平滑
されて直流出力信号ｅ。に変換され、出力回路１２の増
幅器Ａ□の非反転入力端子Ｙ点に加算抵抗Ｒ２を介して
供給される。ｖＲｌはゼロ点調整手段で、その出力は加
算抵抗Ｒ３を介して加算点２ｏを形成するＹ点に接続さ
れている。ＶＲ２は増幅器へ〇の帰還回路に設けたスパ
ン調整手段で、増幅器Ａ２により、増幅器へ〇の出力は
増幅器Ａ３に導かれて、出力電流工。が与えられる帰還
抵抗ＲＬＫ発生する帰還電圧ｅＦと比較増幅され、出力
トランジスタＴＲを駆動して出力電流工を制御する。

次にこのような構成に付加される、本発明を適用した補
償信号演算回路１９について説明する。ＭＭは単安定回
路で、第６図■のデー−ティサイクル信号を受け、その
立上シでトリガされてＴ　十Ｔ　よ　２ シは短い■のごとき一定時間Ｔ。の出力パルスを発生さ
せる。Ｒ４，Ｃ４はＴ。を決定する時定数回路である。

ＳＷ□は信号のを信号■で開閉するスイッチ、Ｒ５，Ｃ
５はスイッチＳＷ□の出力信号を平滑するフィルタであ
る。従って、このフィルタの出力信号０の電圧Ｖ。は、
Ｃ１＝　１１γ歇。（Ｋ’定数−ΔＰ：差圧　Ｃ８：定
数）とすると、 となる。この電圧は更に■の信号で開閉するスイッチＳ
Ｗ２を介してフィルタＲ６，Ｃ６を充電する。

ｓｗ３は同じく■の信号でｓｗ２ど逆位相で開閉し、こ
のフィルタの充電々荷を放電するスイッチである。この
構成によりフィルタＲ６，Ｃ６の出力［Ｆ］の電圧ＶＥ
は、 となシ、■は誘電率εに比例する。

この電圧Ｖおは信号■で可逆的に開閉するスイッチｓｗ
　、　ｓｗ　で■との積が演算され、Ｒ６，Ｃ６より５ なるフィルタを介して［Ｆ］点に、 なる電圧を得る。同様Ｋｖは信号ので可逆的に開閉する
スイッチ、ｓｗ　、　ｓｗ７でのとの積が演算され、Ｒ
７，Ｃ７よシなるフィルタを介して０点に、なる電圧を
得る。

一方、ポテンショメータＶＲ３で設定される一定電圧Ｖ
Ｂは信号ので可逆的に開閉されるスイッチｓｗ８＋、　
ｓｗ９を介してのとの積が演算され、Ｒ８，Ｃ８よυな
るフィルタを介して０点に、 ｖＨ＝　ｖＢ（１−ＫＪＰ　）　Ａ　（８）なる電圧を
得る。同様に一定電圧ｖＢｔ−を信号Ｑで可逆的に開閉
されるスイッチｓｗ　、ｓｗ　を介して０１０　１１ との積が演算され、０点に、 Ｖ＝Ｖ（１＋にΔｐ　）　Ａ　（９） Ｂ なる電圧Ｖ工を得る。

上記電圧ｖＦ、ｙ□は加算抵抗Ｒ１ｏ　、Ｒ，ｔ、□を
介してポテンショメータＶＲ４の一端Ｗへ、電圧ｖＧ、
■□は同様に加算抵抗Ｒ１゜、Ｒ１３を介してポテンシ
ョメータＶＲの他端２へ導かれる。抵抗Ｒ□。〜Ｒ□２
が岬しく　ＶＲ４のインピーダンスより充分大きい場合
に、ＶＲの摺動子０点の電圧Ｖは、ＶＲ４の２点か４　
Ｋ らの分圧比をαとするとき、 Ｖ　＝（ａ（１＋にΔｐ）Ａ＋（ｊ−にΔＰ）ＶＢ）。

＋（ｓ（１−にΔＰ）Ａ＋（１−にΔｐ）ｖ）−ｏｎ２ となる。

ここで一定電圧Ｖの値をＶＢ＝　Ａ　／　ｔ　に選定す
ると、６１式の電圧ｖＫは、 と表わせる。

この電圧ＶＫは基準状態謔＝６８のときはＶＫ＝Ａａ。

となシ、差圧ΔＰ　＋ＶＲ４の分圧比αには無関係とな
る。又差圧Δｐ＝ｏの時はＶＲの分圧比αには無関係に
誘電率１に比例する。

Ａは電圧Ｖを非反転入力端子に受けるバッファ４に 増幅器で、その出力電圧ｖＫはポテンショメータｖＲ５
の一端Ｔ点に与えられると共に抵抗Ｒ□４を介して増幅
器Ａ５の非反転入力端子に与えられる。ポテンショメー
タｖＲ６は一定電圧Ｖ。＝８．Ａを増幅器Ａ５の非反転
入力端子に設定する。増幅器Δ５の出力はポテンショメ
ータｖＲ５の他端０点に与えられると共に抵抗Ｒ１５を
介して非反転入力端子に負帰還される。

こξで抵抗Ｒ□４＝Ｒ□５に選定した場合にＵ点のとな
る。

ポテンショメータｖＲ５の摺動子０点の電圧Ｖ、が、温
度、静圧変動に対するゼロ点変動補償信号ｅＴｐ及びス
パン変動補償信号”ＴＰ’の和表して抵抗Ｒ□６を介し
て出力回路１２め加算点Ｙに導かれる。

次にゼロ点変動及びスパン変動の補償の調整手順につき
説明する。

（１）　ゼロ点変動補償 差圧Δｐ＝ｏの状態とすると、　ｖ、　ｈ　（１式よシ
、８Ａ（１±ａ／ｓ）／ｚの範囲で変化する。この状態
で温度又社静圧を基準状態より変化させたときに出力電
流工。ｋ発生する正方向又は負方向のゼロ点の変化をポ
テンショメータｖＲ６の分圧比βを調整してゼロにすれ
ば、温度、静圧変動によるゼロ点変動が補償される。

（２）　スパン変動補償 次に差圧ΔＰを印加した状態において温度又は静圧を基
準状態よシ変化させたときに出力電流工。

の値の変化（スパン変動）をポテンショメータＶＲの分
圧比αによってゼロにすれば温度、静圧変動によるスパ
ン変動が補償される。α傘式よシ明らかなように、αの
変化０〜１に対して（１力式第２項は、ＫΔＰ（１−ｇ
／ｇ）−−１（Δｐ（１−ａ／＆）の範囲て変化するの
で、温度、静圧変動の方向に対してスパン変動の方向が
正方向になりても負方向になってもゼロ点変動補償の場
合と同様に対応することができる。

第７図は、本発明の主要部１９の他の実施例を示すもの
で、誘電率−の逆数１／εに関連した補償信号を得るも
のである。第５図との相違点は、単安定回路ＭＭの出力
■が直接サンプリングスイッチＳＷ１□に導かれて信号
ＯでサンプルされてフィルタＲ６，Ｃ６に導かれ、同様
に５Ｗ１３によって信号■でサンプルさｉｔてフィルタ
Ｒ７，Ｃ７に導かれる。尚一定電圧Ｖが信号■で可逆的
に開閉するスイッチＳＷ８ ＳＷ９に上りのとの積が演算されてフィルタＲ８”８に
、同様ＫｖＢが信号◎で可逆的に開閉するスイ。

チ５Ｗ１ｏ、ＳＷ□１により■との積が演算されてフィ
ルタＲ９，Ｃ８に導かれる構成は第５図と同様である。

この結果０点に得られる電圧ｖＫは、 となり、０や式と対比して明らかなように、１／６に関
連した電圧となる。

一般に君の変化幅が小さい場合には１／εも温度。

静圧に関連して直線的に変化するので、（１１１式の場
合と同様な補償が可能である。第７図のごとき１７ａの
演算の場合の方が８を演算する回路構成よシもスイッチ
の構成がやや簡素化される利点がある。

上記した実施例は、いずれも差圧又は圧力を測定する本
体の基本構造が、２枚の測定ダイヤフラムをロッドで連
結した、いわゆる−室構造のゼロ点変動、スパン変動の
補償に本発明を適用した例であるが、受圧ダイヤスラム
を介して一枚の測定ダイヤフラムの両側に測定すべき圧
力を受け、この測定ダイヤフラムの変位よシ差圧又は圧
力を測定する、いわゆるニア≧構造の伝送器の場合にも
、封液の防電率変化を演算又は誘電率変化検出のための
センサを用いて、温度、静圧変動に基づくゼロ点質動、
スパン変動を補償することができる。

〈効果〉 以上説明したように、本発明は封液を有する差圧・圧力
伝送器であればどのような形式のものでも、その封液の
誘電率の変化を検出する仁とにより温度変動又は静圧変
動の一方又は両方に起因するゼロ点変動又はスパン変動
を、圧力センサのごとき複雑な構造を本体内に内蔵させ
ることなく簡単に実現することができる。

特Ｋ、−室構造の差圧・圧力伝送器の場合は、変動の発
生要因が封液の体積変化（密度変化）に基づく２枚の測
定ダイヤスラムの有効面積差により発生する割合が大き
いので、本発明により、温度変動並びに静圧変動による
ゼロ点質動、スパン変動を、−個の加算点への補償信号
の供給という極めて簡単な回路構成で実現できる。しか
も静電容量変化を利用して変位を測定する形式であれば
、特別な防電率検出用のセンナを一切用いることなく補
償が可能であり、高精度、高信頼度の製品を低コストで
実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の差圧伝送器のゼロ点変動補償。 スパン変動補償を説明する構成図、第２図、第３図は温
度、静圧の変動による誤差発生のメカニズムを説明する
模型図及び特性図、第４図は本発明の基本構成を示すブ
ロック線図、第５図は第４図を具体化した場合の回路構
成図、第６図はその動作説明図、第７図は主要部の他の
実施例を示す回路構成図を示す。 Ｃ１，Ｃ２・・・静電容量゛、１・・・本体、２．５・
・・ダイヤフラム、５・・・封液、１１・・・検出回路
、１２・・・出力回路、１９・・・補償信号演算回路、
Ｃ・・・防電率、”Ｔｐ点変動補償信号、ｅＴｐ′・・
・スパン変動補償信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定すべき圧力又は差圧を受叶て変位する受圧要素及び
   封液を有する圧力・差圧伝送器において、上記封液の誘
   電率を検出する手段と、この検出手段の出力及び上記圧
   力又は差圧の検出手段の出力に基づき、上記誘電率に関
   連した第１信号及び上記誘電率と上記圧力又は差圧に比
   例した信号の積に関連した第２信号との和を演算する補
   償信号演算手段と、この手段の出力信号を上記検出手段
   の出力信号に加算する手段とを有する圧力・差圧伝送器
   。