JPS601531A - 円筒振動式圧力計 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、円筒状振動子を用い、この円筒状振動子の共
振周波数が、円筒状振動子に導ひかれた流体の圧力（差
圧を含む）によって変化するととを利用した円筒振動式
圧力計に関するものである。

〔従来技術〕

第１図は従来のこの種の円筒振動式圧力計の一例を示す
構成斜視図である。この圧力計は、円筒状振動子１０の
内部に円柱状ボディ１１を配置させ、この円柱状ボディ
１１に振動子１０の駆動コイル２１と、検出用コイル３
１とを設置して構成されている。円筒状振動子１０は、
全体が保護用円筒カバー４内に収容されている。円筒状
振動子１０の内側には、導圧孔５１を介して被測定圧力
Ｐ□が導入されており、円筒状振動子１０は、被測定圧
力Ｐよと、円筒振動子１０−と円筒カバー４とで囲まれ
た部屋内の圧力（円筒振動子１０の外側圧力）との差に
応じて、その共振周波数が変化するようになっている。

このように構成された従来装置においては、円筒状振動
子を励振させるための駆動コイル２１．共振周波数を検
出するだめの検出コイル３１を保持する円柱状ボディ１
１があシ、シかも、この円柱状ボディ１１の一端が自由
端となっているととめ）ら、この円柱状ボディ１１は、
その軸方向と直角方向に固有振動数を有することとなり
、これが円筒状振動子１１の共振周波数に影響を及はす
という問題点がある。更に、この装置においては、耐圧
を増すためには、円筒状振動子１ｏの側壁及び端面部分
を厚く構成する必要が為るが、この場合、円筒状振動子
の軸方向に対して直角方向の固有振動数が低下し、外部
からの振動ノイズの影響を受けやすくなるという問題点
がある。

また、被測定流体の密度が、例えば静圧等の影響を受け
て変化すると、共振周波数が変化し、測定誤差を生ずる
欠点がある。

〔本発明の目的〕

ここにおいて、本発明は従来装置におけるこれらの問題
点を解決し、被測定流体の密度変化の影響を受けず、高
精度で、耐圧、耐振性が高く、信頼性の高い振動式圧力
針を実現しようとするものである。

〔概要〕 本発明に係る装置は、円筒状振動子と、この円筒状振動
子の先端部を固定するケースと、円筒状振動子を２つの
振動モードで多重振動させる手段と、円筒状振動子から
得られる２つのモードにおける各共振周波数信号を入力
し所定の演算を行なって圧力信号を得る演算回路とで構
成される□〔実施例の説明〕 第２図は本発明に係る圧力計の一例を示す構成斜視図、
第３図は第２図におけるｘ−ｘ断面図、第４図は第２図
におけるＹ−Ｙ断面図及び電気的接続図である。

これらの図において、１は円筒状振動子で、薄肉円筒部
１１と、この薄肉円筒部」１の一端に連続した厚肉円筒
部（フランジ部）１２及び、薄肉円筒部１１の他方を閉
さぐ端面部１８とで構成されている。

厚肉円筒部１２には、その外周面から内壁付近にまで達
する座ぐり穴１３〜１６がここでは４個設けられている
。これらの座ぐシ穴のうち、振動子１の中心軸に対して
互に対向する位置関係にある座ぐシ穴１４．１６　Ｋは
、振動子１を励振するだめの駆動手段２１．２２が設置
され、また、残シの座ぐり穴１３゜１５には、振動子１
の共振周波数を検出するための検出手段３１．３２が設
置されている。

円筒状振動子１の端面部１３には、振動検出手段３３、
３４が設置されておシ、この振動検出手段３３゜３４は
、これらを結ぶ線分が、フランジ部１２に設置した振動
検出手段３１．３２を結ぶ線分と直交する様に位置が選
定されている。これらの駆動手段２１゜２２、振動検出
手段３１．３２．３３．３４としては、圧電素子が使用
可能である。４は円筒状振動子１を収容するケースで、
その外径はフランジ部１２の外径と同一で、一端に振動
子１の先端（端面部１Ｂ）が挿入されて固定される開口
部を有している。このケース４の７ラン９部１２への固
定、及び円筒状振動子１の端面部への固定は、いずれも
例えば溶接等の手段で、気密が維持されるようになされ
る。

４１はケース４の側壁に設けた圧力導入口で、この導入
口から円筒状振動子１とケース４との間に形成される部
屋４０内に圧力が導入される。

第４図に示す電気回路において、Ａ□は振動子１の端面
部に設置された振動検出手段３３．３４からの信号を増
幅する増幅器、Ａ２は振動検出手段３１．３２からの信
号を増幅する増幅器、Ａ３は増幅器Ａ１の出力を入力す
る反転増幅器である。ＭＣ□、λＩＣ２はいずれも特定
の周波数信号を通過させるとともに位相をシフトさせ自
励振の条件を満足させるフィルタ回路を含む第１．第２
の自励振回路で、第１の自励振回路ＩＣ１は、増幅器Ａ
、　Ａ２の出力端間に接続した抵抗Ｒ工、Ｒ２の共通接
続点に生ずる各検出手段からの信号ｅＡ、ｅＢの和信号
ｅ工を入力する。また、１検出手段からの信号ｅＡ、ｅ
Ｂの差信号ｅ２を入力する。

０ＵＴＩ、　ＯυＴ２は、それぞれ第１．第２の自励振
回路ＭＣ１，１ＩＣ２から得られる周波数信号ｆ４□、
ｆ４２を出力する出力端子で、これらの各周波数信号ｆ
４１’ ｆ４２は、抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して駆動手段２１．２２
に印加されている。

撮動検出手段、第１．第２の自励振回路、駆動手段は、
振動子１を含んで２つの自励発振ループを形成しておシ
、円筒状振動子１は、２つの共振周波数ｆ、□、ｆ４□
で多重発振する。ＣＫは、演算回路で、周波数信号ｆｆ
　を入力し、所定の演４１　Ｉ　４２ 算を行なって、圧力信号を出力する。

ここで、２つの共振周波数ｆ４□、ｆ４２は、各自励振
回路ＭＣ１，ＩＣ２に含まれるフィルタ回路の通過周波
数を調整することによシ、密度感度が等しく、圧力感度
が異なる様な撮動モードに選定されている。

、すなわち、ｆ４□を円筒状振動子１０円周方向４次、
軸方向１次の振動モードの共振周波数とし、ｆ４２を円
周方向４次、軸方向２次の振動モードの共振周波数とす
れば、それぞれの圧力感度ｓ４□。

８４□および密度感度５ｄ４１．５ｄ４２は、（１）式
、（２）式。

（３）式で表わすことができ、密度感度を同じにできる
ことが分かった。

８　＝に、−一」−、１，（２） ４２　ｐｏ−Ｒ−Ｈ（２πｆ４２０） ｓｄ＝ｓｄ ４１　４ま ただｌ、、Ｒ：円筒振動子１０半径 Ｈ：円筒振動子１の肉厚 ｇ：重力加速度 ρ：円円筒状動子の密度 Ｒｏ二ケース内径 ρ：気体密度 に；振動モードによって１捷る定数で、前記した振動モ
ードの場合、 Ｋ＝乎 ｆ　：真空状態における円筒状振動子の１Ｑ 円周方向４次、軸方向１次の振動 モードの共振周波数 ｆ４２０　’真空状態における円筒状振動子の円周方向
４次、軸方向２次の振動 モードの共振周波数 （１）式から明らかな様に、圧力感度Ｂ４□、Ｓ、２は
、共振周波数ｆ４１０”４２０の自乗に反比例する。一
方、密度感度ａｄ、□ｐ　ｓ％□は等しく、また共振周
波数とは無関係である。

本発明に係る装置は、円筒状振動子１を、密度感度が等
しく、圧力感度の異なる円周方向４次、軸方向１次の振
動モードと、円周方向４次、軸方向２Ｎ（ただし、８口
１．２．３・つ次の振動モードとの二重モードで自励振
させる点にひとつの特徴かある。以下、その動作につい
て説明する。

圧力導入孔４１から部屋４０内に圧力ｐを導ひくととも
に、円筒状振動子１の内部の部屋１０内に圧力Ｐ１を導
びく。円筒状振動子１は、第４図に示す回路によって、
２つの自励発振ループを形成しており、円周方向４次、
軸方向１次の振動モードと、円周方向４次、軸方向２次
の振動モードとで撮動する。これらの２つのモードの共
振周波数ｆ４□。

ｆ　は、高次の非線形項を無視すれば、Ｐ□とｐ。の２ 差圧Ｐ、流体密度ρに対して（４）式が成立する。

（４）式において、密度ρを消去すると（５）式が得ら
れる。

Ｐ−Ａ　（（ｆ４□／ｆ、□。−１）　−（ｆ４２／ｆ
、２ｏ−１）・Ｂ）　（５）ただし、Ａ、Ｂは校正定数 演算回路ＣＫは、各自励振回路ＭＣ１，ＭＣ２から得ら
れる共振周波数信号ｆ４１”４２を入力し、（５）式で
表わされる所定の演算を行なうことにより、流体密度ρ
に影響されず、差圧Ｐを測定することができる。

第５図は、差圧Ｐｍｏの状態で静圧を変えた場合（密度
を変えた場合に相当）の、Δｆ４□／ｆ４□０゜Δｆ４
□／ｆ４□。の変化を示したものである。

第６図は、差圧校正特性を示す線図で、ｙ軸は単位がｐ
ｐｍ　（％）となっており、実線は（Δｆ４□／ｆ４１
０Δｆ４□／ｆ４□０）を、破線は高次の非線形項を考
慮し、（６）式を用いて校正演算した結果を示す。

ただし、Ａ、ｎ、ｃ、ｎ：校正定数 々お、これらの実験に用いられた円筒振動子は、ケース
半径が３０ｍｍ　、ｓｃｉ、１／　５ｄ４２＝　０．９
９４゜Ｓ　／ｓ　＝　２．４２　（ｆ、。ｏ／ｆ４１ｏ
）２−２．３９のものを４１　４２ 用いた。

これらの実験結果から明らかなように、節用３　ｋｇ／
ｃｍ　Ａｂｓ　で、−０，７％程度存在していた測定誤
差を、（５）式のような演算を行なうことによって誤差
を４０　ｐｐｍ程度にすることができ、更に、（６）式
のような校正演算を行なうことによって、誤差を１０　
ｐｐｍ程度にすることができる。

なお、上記の説明では円筒状振動子１の内外の圧力差を
測定する場合を想定して説明したが、導入する圧力の一
方を真空とすれば、絶対圧を測定することもできる。ま
た円筒状振動子１の振動モードとしては、円周方向４次
、軸方向１次２円周方向４次、軸方向２Ｎ（Ｎは１．２
．　ａ＝、）次としても密度感度を同じにでき、本発明
はこの振動モードをも含む。

〔本発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、円筒状振動子１
を密度感度が等しい、円周方向４次、軸方向１次の振動
モードと、円周方向４次、軸方向２Ｎ次の振動モードで
自励振させることにより、簡単な演算式で、密度変化の
影響を受けず測定精度の高い圧力計が実現できる。また
、円筒状振動子１の先端部をケースに固定した構造とし
たことによって、最低固有振動数を高くすることができ
、耐圧、耐振性を向上させることができる。また、駆動
手段、振動検出手段を被測定流体と接触しない構造とす
ることができるので、信頼性の高い振動式圧力計が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力針の一例を示す構成斜視図、第２図
は本発明に係る圧力計の一例を示す構成斜視図、第３図
は第２図におけるＸ−Ｘ断面図、第４図は第２図におけ
るＹ−Ｙ断面図及び電気回路図、第５図は静圧と共振周
波数の変化を示す線図、第６図は差圧校正特性を示す線
図である。 １・・・円筒状振動子、１１・・・薄肉円筒部、１２・
・・７ランク部、２１．２２・・・駆動手段、３１．３
２・・・振動検出手段、４・・・ケース、ＭＣ□、ＭＣ
２・・・自励振回路、ＣＫ・・・演算回路。 第１図 ｂ］ 萬３図 ・Δ鴫 第２図 手続補正＠（自発） １．事件の表示　特願昭５８−１１０４６８号２、発明
の名称　円筒振動式圧力計 ３、補正する者 小イ′１どの関係　特ｎ出願人 住　所　東京都武蔵野市中町２丁目９番３２号名　称　
（６５（１）横河北辰電機株式会社４、代理人 住　所　東京都武蔵野市中町２丁目９番３２号横河北辰
Ｙｉ機株式会社内 １”ＥＬ（入代）　（０４２２）　（５４）　１１１１
６、補正の対象 （１）明細書の「発明の詳細な説明」の欄７、補正の内
容 （１）明細書の第１０頁第８行「・・・できる。」の後
に次の文章を挿入する。 ［なお（４）式は前記のにうに高次の非線形項を無視し
た近似式となっているが、厳密式〈〈４）・・・・・・
く４１） ・・・・・・　（４２） （４１）（４２）式にａ３いて、密度ρを消去４−るど
（５１）式が得られるのでこれを（５）式の代りに用い
てもよい。 Ｐ＝（Ｘ＋（１−Ｘ　２　）　＋　ＫＸ　２　（Ｘ＋　
１＞）／（ＫＸ２β１−×１　β２）　−・−・−（５
１）ただしく４１）（４２）（５１）式において、ＸＩ
　＝　（ｆ４＋　／ｆａ　＋　ｏ　）２Ｘ２　＝　（’
ｌ”＋　２　／ｆａ　２０　）２α、＝−２６６ａ＋ ＣＸ２　＝　２８ｄｌ１２ β＋　＝２５ａ盲 β２　＝２８４２ １〈＝α２　／α＋　＝Ｓｄ　１１　２　／ｓｄ　ｄ　
１とする。］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定圧力が与えられる薄肉円筒部を有する円筒
   状振動子と、この円筒状振動子の先端部付近を固定する
   と共に前記薄肉円筒部を覆うケースと、前記円筒状振動
   子を円周方向に４次、軸方向に１次の振動モードと円周
   方向に４次、軸方向に２Ｎ（ただしＮ−１，２，３→次
   の振動モードでそれぞれ振動させる自励振手段と、前記
   ２つの振動モードにおける各共振周波数信号を入力し所
   定の演算を行なって圧力信号を得る演算回路とを備えた
   円筒振動式