JPS6280529A - 光式圧力測定装置 - 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〕 この発明は、圧力または差圧を光を用いて測定する光式
圧力測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図および第４図は、計装、１９８４年、第２７巻、
＆４．２９頁〜３３頁、「光ファイバを利用した全光式
差圧・圧力伝送器」に記載された従来のこの種の圧力測
定装置を示している。図において、１は円形もしくは楕
円形等の縦断面形状の室を有するセンサ部本体、２はセ
ンナ部本体１の内部の室を第１の室３Ａと第２の室３Ｂ
とに分離しセンサ部本体１により支持されている平板状
の受圧ダイアフラムであυ、少なくとも第２の室３Ｂ側
の面は反射面を有し第１の室３Ａと第２の室３Ｂとの圧
力差により変形させられる。４は第１の室３Ａに連通ず
る第１のキャピラリ、５は第２の室３Ｂに連通ずる第２
のキャピラリである。４Ａ、５Ａは第１および第２のキ
ャピラリ４．５の端部に各々設けられたシールダイアフ
ラムであり、透光性の非圧縮性の液体を第１および第２
のキャピラリ４，５と第１および第２の室３Ａ、３Ｂに
封入している。

第１および第２のキャピラリ４，５はシールダイアフラ
ム４Ａ、５Ａを各々介して導入した測定用圧力ｐＡ　、
ｐＢを非圧縮性の流体を介して受圧ダイアフラム２に導
くためのものである。６は光フアイババンドルでちゃ、
センサ部本体１に保持され、−側面側即ち検出端６Ａを
第２の室３Ｂを介して受圧ダイアフラム２の中央部分と
対向配置している。

その検出端６Ａは、第４図に示されているように、受圧
ダイアフラム２に向けて光を出射する投光用光ファイバ
６Ｂと受圧ダイアフラム２からの反射光を入射する受光
用光ファイバ６Ｃとが１状に交互に配列されている。ま
た、光フアイババンドル６の他端面側は投光用光ファイ
バ６Ｂと受光用光ファイバ６Ｃとに分離されている。７
はセンサ部であり、上述の符号１〜６の構成要素から構
成されている。

８は例えば発光ダイオードのような発光素子を用いてい
る光源、９は光源８からの光を分割するビームスプリッ
タ、１０は例えばビンフォトダイオードのような受光素
子を用いるモニタ用受光器でアリ、ビームスプリッタ９
により反射された光を受光して光源８の光の強度をモニ
タするためのものである。１１は光源８およびモ二り用
受光器１０を有している発光回路であシ、モニタ用受光
器１０の受光量に応じて光源８に印加する電圧を変動さ
せ光源８の放射光の強度を一定とする。１２は投光ファ
イバであり、ビームスプリッタ９を透過した光源８から
の光を伝播し、センサ部７に導く。１３は受光ファイバ
でアシ、センサ部７からの出射光を後述の計測用受光器
１４に導く。１４は受光ファイバ１３からの出射光を受
光して光電変換する例えばビンフォトダイオード等のよ
うな計測用受光器、１５は計測用受光器１４により光電
変換した信号を変換処理して受圧ダイアフラム２にか＼
る差圧値に比例した圧力電気変換信号を出力する変換回
路である。なお、投光ファイバ１２の出力端と投光用光
ファイバ６Ｂの束の入力端および受光ファイバ１３の入
力端と受光用光ファイバ６Ｃの束の出力端は不図示の光
コネクタで光学的に接続されている。１６は処理部であ
シ、符号８〜１１．１４および１５から示される構成要
素から構成されている。

次江動作について説明する。測定用圧力２人は第１の室
３Ａ側から受圧ダイアフラム２に作用し、測定用圧力Ｐ
Ｂは第２の室３Ｂ側から受圧ダイアフラム２に作用する
。入力されるそれら２つの測定用圧力２人、ＰＢの圧力
差に応じて受圧ダイアフラム２は変形する。一方、処理
部１６の発光回路１１により変調駆動される光源８から
の放射光はその一部がビームスプリッタ９により反射さ
れモニタ用受光器１０に入射し、残りはビームスプリッ
タ９を透過して投光ファイバ１２に入射する。モニタ用
受光器１０の出力は光源８からの放射光の強度に比例す
るので、モニタ用受光器１０の出力に基づいて発光回路
１１は光源８の放射光の強度が一定となるように光源８
を制御する。一方、投光ファイバ１２に入射した放射光
は不図示の光コネクタと投光用光ファイバ６Ｂとを介し
て光フアイババンドル６の検出端６Ａに導かれ、受圧ダ
イアフラム２を照射する。この照射光は受圧ダイアフラ
ム２の反射面により反射されて、受光用光フアイバ６Ｃ
，不図示の光コネクタおよび受光ファイバ１３を介して
計測用受光器１４に入射する１、ここで、受圧ダイアフ
ラム２は入力される２つの測定用圧力２人、ＰＢの圧力
差に比列して変位し、光フアイババンドル６の検出端６
Ａまでの距離りが変化する。投光用光ファイバ６Ｂから
の照射光は発散光となるので受光用光ファイバ６Ｃに入
射する反射光の強度Ｉｒは次式で表わされる。

Ｉｒ（Ｘ□　・・・・・・・・・（１）但し、（１）式
において、工◇は投光用光ファイバ６Ｂから出射する光
の強度である。光源８の放射光の強度は一定値となるよ
うに制御されているので、投光ファイバ１２等の光学的
特性が変動しない限り投光用光ファイバ６Ｂの出射光の
強度Ｉｏは一定値となる。従って、受光用光ファイバ６
Ｃの入射光の強度Ｉｒ即ちこの強度１ｒに近似的に等し
い受光ファイバ１３の出射光の強度を計測用受光器１４
にて検知することにより距離りが逆算可能となる。

従って、変換回路１５は計測用受光器１４の光電変換４
８号に基づいて距離りに比例する測定用圧力ＰＡＩＰＢ
の差圧に応じた信号を出力する。即ち、距離りと測定用
圧力２人、ＰＢの差圧の関係は事前に既知の差圧とＬ値
との関係を測定し関係式を得ておけばよく、この求めた
関係式は変換可能なように変換回路工５に予め組込んで
おけばよい。なお、検出端６Ａとして光フアイババンド
ル６を用いた理由は圧力測定の安定性や信頼性を向上さ
せるためであシ、検出端６Ａでの投光用光ファイバ６Ｂ
と受光用光７アイパ６Ｃとの配列によりセンナ部７の感
度の調整が可能となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の光式圧力測定装置は以上のように構成されている
ので、常にダイアフラムにか＼る差圧に応じた出力信号
を絶対値として出力しなければならず、光源の放射光の
強度、投光ファイバでの損失、受光ファイバでの損失、
受圧ダイアフラムの反射特性等の光学的特性を常に一定
レベルに保持することが必要で、回路構成が複雑になっ
たυ、光学特性を維持することが困難であったシ、投光
および受光７アイパの線路の長さや配線の位置の変更が
圧力測定値に影響を及ぼすなど、圧力測定の精度および
信頼性に欠けるなどの問題点があった０ この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、用いる光学要素の光学的特性の変化が起きて
も、この変化が圧力の測定値に影響を及ぼさない高精度
お′よび高信頼性の光式圧力測定装置を得ることを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光式圧力測定装置は、光源からの光を光
伝送した光を投光手段により収束光、平行光および拡散
角度の小さな拡散光のいずれかにして測定用圧力により
変位する反射面に投光し、この投光々で反射面を介して
第１および第２の光導波手段からなる受光手段の入射面
に光スポットを形成し、反射面の変位に応じた光量の光
を第１および第２の光導波手段に各々入射し、第１およ
び第２の光導波手段からの出射光を個別に各受光素子で
受けて光電変換し、これら光電変換した信号に基づいて
所定の式に従って演算して比をとって変換手段から測定
用圧力の大きさに応じたレベルの圧力電気変換信号とし
て出力するようにしたものである。

〔作　用〕

この発明における光式圧力測定装置は、測定用圧力・ｋ
よシ変位する反射面から反射され受光手段の入射面上に
形成された光スポットが反射面の変位により移動するこ
とを利用して受光手段の第１および第２の光導波手段の
入射光量を異ならしめ、変換手段が第１および第２の光
導波手段からの出射光を個別に受けて光電変換し、これ
ら光電変換した信号に基づいて所定の弐に従って演算し
て比をとって出力することにより、用いる光学要素の光
学的特性の変化による影響の成分を消去した形で圧力測
定結果の圧力電気変換信号を出力する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する０ 第１図はこの発明の一実施例の全体の断面構成を示し、
図において、符号１．２．３Ａ、３Ｂ、４Ａ、５Ａ。

４．５．８．１２は従来例と同一の構成要素であり、そ
の説明を省略する。２０は発光回路であり、光源８を有
し、この光源８を発光させる。２１はセンナ部本体１に
設けられ受圧ダイアフラム２の面に対して斜めに設けら
れ九投光用孔であり、投光ファイバ１２の光源８の端部
側とは反対の端部を例えば接着剤等を介して保持してい
る。２２は投光用孔２１内に保持されたレンズでアシ、
投光ファイバ１２から出射する光を集束して、収束光、
平行光もしくは拡散角度の小さな拡散光として受圧ダイ
アフラム２に第２の室３Ｂを介して投光する。

２３は受圧ダイアフラム２からの反射光を入射して伝送
する第１の光導波手段としての第１の受光ファイババン
ドル、２４は同じく受圧ダイアフラム２からの反射光を
入射して伝送する第２の光導波手段としての第２の受光
ファイババンドルである。第１および第２の受光ファイ
ババンドル２３゜２４０入射側端部は投光ファイバ１２
により受圧ダイアフラム２に投光され反射された光を入
射するようにセンサ部本体１に保持されている。第２の
室３Ｂ側に露呈されている第１および第２の受光ファイ
ババンドル２３．２４の入力端である検出端２５は第２
図に示すように層状に光ファイバを積重ねて形成された
第１の受光ファイババンドル２３の入力端２３Ａと同じ
く層状に光７アイパを積重ねて形成された第２の受光フ
ァイババンドル２４の入力端２４Ａとからなり、入力端
２３Ａは入力端２４Ａより投光ファイバ１２の出力端に
近い位置にある。

第２図の一点鎖線で示したように第１の受光ファイババ
ンドルの入力端２３Ａと第２の受光ファイババンドルの
入力端２４Ａとの境界は受圧ダイアフラム２からの反射
光により検出端２５に形成される光スボソ）　２５Ａが
受圧ダイアフラム２の変位により移動する方向（第２図
の矢印人で示されている）と交叉する位置にある。この
実施例においては、検出端２５の境界は光スポット２５
Ａが移動する方向と略直交する位置にある。

２６は第１の受光ファイババンドル２３の出射光を受光
する位置に配置された例えばビンフォトダイオードのよ
うな光電変換効果形光センサとしての第１の計測用受光
器、２７＆−１，第２の受光ファイババンドル２４の出
射光を受光する位置に配置された例えばビンフォトダイ
オードのような光電変換効果形光センサとしての第２の
計測用受光器である。２８は変換回路であり、第１およ
び第２の計測用受光器２６．２７を有し、第１および第
２の計測用受光器２６．２７に各々流れる電流Ｉ　Ａ　
ｌ　Ｉ　Ｂに基づいて所定の演算を行なって比をとシ差
圧Ｐに応じた圧力電気変換信号を出力する。

なお、例えばこの変換回路２８としては、計測用受光器
２６．２７と、計算用受光器２６．２７の出力電流に基
づいて演算する演算回路とふら、構、成される。

２９はセンサ部であり、符号１．２，４．５．３Ａ、３
Ｂ　。

４Ａ、５Ａで示される構成要素から構成される。３０は
処理部であり、符号８，２０．２６〜２８で示される構
成要素から構成される。なお、第１および第２の室３Ａ
、３Ｂと第１および第２のキャピラリ４，５には不図示
の非圧ｄａ　註の透光性液体が充填されている。

次に、この実施例の動作について説明する。処理部３０
の発光回路２０により変調駆動された光源８からの変調
放射光は投光ファイバ１２に入射し、出力端一まで伝送
後再び放射状に出射される。

この出射光は投光レンズ２２により集束され、例えば平
行光となり、光スポットの状態で受圧ダイアフラム２の
反射面に照射される。この照射光は受圧ダイアフラム２
によ受光スポットの状態のまメ正反射し検出端２５に到
達する。これＫより検出端２５に形成された反射光スポ
ット２５Ａの検出端２５上での位置は、受圧ダイアフラ
ム２の位置、つまり測定用圧力２人、ＰＢの差圧の借に
対応している。

例えば、差圧Ｏ即ちｐＡ−ｐＢの場合には、第２図０３
＋に示すように、反射光スボッ）　２５Ａは第１および
第２の受光ファイババンドルの入力端２３Ａ　、２４Ａ
により等分割される。２人＞Ｐｓの場合には、差圧によ
り受圧ダイアフラム２は第２の室３Ｂ側に押されて変形
し、第２回置に示すように反射光スポット２５Ａは第２
の受光ファイババンドルの入力端２４Ａより第１の受光
ファイババンドルの入力端２３Ａ側に寄る。Ｐａ＜ＰＢ
の場合には、ＰＡ＞ＰＢの場合とは逆となシ、第２図Ｃ
）に示すように反射光スボツ）　２５Ａは第２の受光７
アイパパンドルの入力端２４Ａ側に寄る。

上述したように、反射光スポット２５Ａの検出端２５で
の位置とよって、第１および第２の受光ファイババンド
ル２３．２４に各々入射する光量が異なる。第１および
第２の受光ファイババンドル２３゜２４に入射した各党
は、光伝送された後筒１および第２の計測用受光器２６
．２７で各々受光される。この受光により、計測用受光
器２６．２７により各々電流Ｉ　Ａ　ｌ　Ｉ　Ｂが得ら
れる。

ここで、測定用圧力ｐＡ　、ｐＢの差圧２２２人−ｐＢ
ばとして示される。

（２）式において、分子の（ｉＡ−ｉＢ）は反射光スポ
ット２５Ａの検出端２５での位置に依存した値を、分母
の（ＩＡ＋ｔＢ）は計測に有効な総パワーを示す。即ち
、分母は、光源８、投光ファイバ１２、レンズ２２、受
圧ダイアフラム２の反射面等の光学要素の光学特性の変
動による影響による誤差成分と光学特性の変動を受けな
いときの絶対的総パワーの成分とを含むが、分子は分母
と同じ光学特性の変動による誤差成分と反射光スポラ）
　２５Ａの検出端２５の位置により影響される成分とを
含む。従って、（２）式に示したように、両者の比を取
ることにより上述の光学要素の光学特性の変動により影
響される共通の誤差成分が消去され、絶対的総パワーに
対する反射光スポラ）　２５Ａの検出端２５での位置に
対応する値が得られる。この（２）式の右辺の演算は変
換回路２４で行なわれる。予め、受圧ダイアフラム２に
かけた既知の差圧と（２）式の演算値との実測により得
た演算式を行なう回路を組込んでいる変換回路２８は上
述のようにして得た値から受圧ダイアフラム２にか＼る
差圧Ｐに比例した値の圧力電気変換信号を出力する。

なお、上記実施例において電流Ｉ　Ａ　”’　Ｉ　Ｄを
リニア増幅器を用いて増幅して得た電流を（２）式の対
応する項に投入して（２）式の右辺の演算を行なっても
よい。

また、上記実施例において、変調光を用いる場合、変換
回路２８は発光回路２０から変調信号を入力して、変調
光の周波数９位相に同期させてサンプリングを行なって
もよい。また、光源８かの出射光は変調光でなくとも連
続光でもよい。

上記実施例では光スポットを得る目的でレンズ２２を用
いたが、投光ファイバ１２からの出射光の発散角が／ｈ
さければレンズ２２は必要ない。また、差圧Ｐを求める
のに（２）式を示したが、であってもよいし、差圧ｐ＝
ｐＢ−ｐＡの場合には、もしくは、 であってもよい。

さらに、上記実施例では差圧計測について説明したが、
単に圧力を計測するのに適用できることは勿論である。

また、シールダイアフラム４Ａ、５Ａおよび圧縮性液体
は必らずしも必要でなく、例えば空気圧をそのま＼直接
受圧ダイアフラムにかける光式圧力測定装置であっても
よい。

さらに、投光ファイバ１２の代りにファイババンドルを
用いることもでき、第１および第２のファイババンドル
２３．２４の代シに各々１本の光ファイバを用いること
もできる。

さらに、また、第１および第２の計測用受光器２６．２
７としては光導電効果形光センサを用いてもよいし、上
記実施例では電流ＩＡｏｌＢを用いたが電流Ｉ　Ａ　、
Ｉ　Ｂを抵抗に流して電圧値として７人、ＶＢを取出し
、電流Ｉ　Ａ、Ｉ　Ｂの代りに電圧７人、ＶＢを用いて
（２）式等の同様の演算を行なって圧力電気変換信号を
得てもよい。

さらに、外光の影響が少ない場合には変調光としないで
連続光を用いてもよい。

〔発明の効果」 以上のように、この発明によれば測定用圧力により変位
する反射面からの反射光を変位に応じた光量で２経路の
受光手段によりラ光し、受光手段から出射される各々の
光を光電変換した信号に基づいて所定の式に従って演算
して比をとって出力するように構成したので、用いる光
学要素の光学特性の変動による測定値の影響を排除する
ことができ、常に高精度および高信頼性のものが得られ
る効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面構成図、第２図
は第１図の検出端に形成された反射光スポットの各状態
を示す正面図、第３図は従来例の光式圧力センサ装置を
示す断面構成図、第４図は第３図の検出端の構成を示す
図である。 図において、２は受圧ダイアフラム、４Ａ　、５Ａはシ
ールダイアフラム、８は光源、１２は投光ファイバ、２
０は発光回路、２２はレンズ、２３は第１の光導波手段
、２４は第２の光導波手段、２５は検出端、２３Ａは第
１の光導波手段の入力端、２４Ａは第２の光導波手段の
入力端、２５Ａは反射光スポット、２６は第１の計測用
受光器、２７は第２の計測用受光器、２８は変換回路。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 反射面を有し測定用圧力により前記反射面と共に変位す
   る変位手段と、光源を有し該光源からの光を光伝送して
   出射して前記反射面に投光する投光手段と、前記反射面
   により反射された前記光を入射して光伝送する受光手段
   と、該受光手段からの出射光を受けて前記測定圧用圧力
   の大きさに応じたレベルの圧力電気変換信号に変換する
   変換手段とを有する光式圧力センサ装置において、前記
   投光手段は、収束光、平行光および拡散角度の小さな拡
   散光のいづれかで投光し、該投光により前記反射面を介
   して入射面に光スポットが形成される前記受光手段は第
   １および第２の光導波手段からなり、前記第１および第
   ２の光導波手段の入射面の境界は前記反射面の変位によ
   り前記入射面上での前記光スポットの移動する方向と交
   叉する位置に配置され、前記変換手段は、前記第１およ
   び第２の光導波手段の出射光を個別に各受光素子で受け
   て光電変換し、該光電変換した信号に基づいて所定の式
   に従つて演算して比をとつて出力することを特徴とする
   光式圧力測定装置。