專利名稱：超精密微小差壓測(cè)量裝置及超精密差壓測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用高性能電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器的超精密微小差壓測(cè)量裝置及超精密差壓測(cè)量裝置，涉及用作差壓計(jì)的基準(zhǔn)儀或低阻力過濾器的壓力下降特性的計(jì)測(cè)、過濾器性能的監(jiān)視、處理減壓下的氣體的流體設(shè)備的流動(dòng)特性的評(píng)價(jià)用工具的超精密微小差壓測(cè)量裝置，和通用于數(shù)個(gè)大氣壓左右的差壓測(cè)量的超精密差壓測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
作為微小壓力和微小差壓的測(cè)量的基準(zhǔn)儀，以往通常使用阿斯卡尼亞型微壓計(jì)和液柱型壓力計(jì)之類的、用目視方法讀取液柱高度的型式的差壓測(cè)量裝置，但是，也使用利用電子式稱量器對(duì)作用在壓力缸的活塞機(jī)構(gòu)上的力進(jìn)行稱量的形式的差壓測(cè)量裝置。
另外，用應(yīng)變儀或半導(dǎo)體儀等以電氣方式對(duì)差壓進(jìn)行檢測(cè)的方法也用得較多，但是，一般不將它們作為基準(zhǔn)儀用。
但是，例如前者的通過目視讀取液柱高度的型式的阿斯卡尼亞型微壓計(jì)，讀取分辨能力最高也只有0.01mm左右，完全不能連續(xù)地、正確測(cè)量3位左右有效數(shù)字的納米水柱(nmAq)級(jí)的微小差壓，而且，不能將測(cè)量值作為電信號(hào)連續(xù)輸出。
后者的使用電子式稱量器的型式的電子式差壓測(cè)量裝置，雖可將測(cè)量結(jié)果作為電信號(hào)連續(xù)輸出，但其構(gòu)成為，通過被測(cè)量壓力產(chǎn)生的力經(jīng)由桿和滑塊等傳遞給電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器，所以可動(dòng)部分的摩擦和機(jī)械加工精度所引起的測(cè)量誤差的產(chǎn)生是不可避免的，結(jié)果存在著不能以高精度測(cè)量微小差壓的問題(實(shí)公平6-76937號(hào)及特公平2-52975號(hào)等)。
這在以測(cè)量數(shù)個(gè)大氣壓左右的差壓為目的的所謂通用型電子式差壓測(cè)量裝置的情況來說也一樣，由于可動(dòng)部分的摩擦等引起的測(cè)量誤差是不可避免的，因此，存在著不可能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的問題。
專利文獻(xiàn)1 實(shí)公平6-76937號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 特公平2-52975號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決以前的這種微小壓力和微小差壓的測(cè)量裝置、以及通用的電子式差壓測(cè)量裝置中的上述問題而開發(fā)的，上述問題是(1)以目視方法檢測(cè)液柱高度的型式的裝置，讀取精度低、且不能連續(xù)輸出檢測(cè)值，(2)使用電子式稱量器的型式的裝置，因?qū)毫D(zhuǎn)換成力傳遞給電子式稱量器的機(jī)械的可動(dòng)部分的摩擦等，會(huì)不可避免地產(chǎn)生測(cè)量誤差，難以測(cè)量微小差壓、且測(cè)量精度低等。本發(fā)明的主要目的在于提供一種超精密微小差壓測(cè)量裝置及超精密差壓測(cè)量裝置，其是將電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器本身配置在作用有被測(cè)量壓力的空間內(nèi)，并且經(jīng)由固定在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器上的受壓板，通過密封液或隔膜將上述被測(cè)量壓力空間與另一側(cè)的被測(cè)量空間之間氣密地隔離開，由此，可進(jìn)行3位左右有效數(shù)字的納米水柱(nmAq)級(jí)的超微小差壓的高精度測(cè)量和數(shù)個(gè)大氣壓左右的通用差壓的超精密測(cè)量。
本申請(qǐng)的發(fā)明人們判斷，現(xiàn)有方式，即通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)(可動(dòng)機(jī)構(gòu))來支承形成受壓面的受壓板，由此，作用于受壓板上的力被傳遞給電子式稱量器的方式，產(chǎn)生在上述滑動(dòng)部分上的摩擦阻力會(huì)成為導(dǎo)致誤差的原因，不適合于超微小差壓的測(cè)量，為了避免該磨擦阻力等導(dǎo)致的誤差，將形成受壓面的受壓板無(wú)約束地支承固定在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器的承載臺(tái)上，并且作為經(jīng)由受壓板氣密地劃分受壓板上·下兩面?zhèn)鹊膬蓚€(gè)被測(cè)量壓力空間的方案，發(fā)明人們想到了采用液封方式。
與此同時(shí)，發(fā)明人們想到，在測(cè)量數(shù)個(gè)大氣壓左右的差壓時(shí)，將薄樹脂膜或金屬制膜體作為隔膜利用，取代上述液封方式，便可進(jìn)行更高精度的差壓測(cè)量。
本申請(qǐng)的各發(fā)明是根據(jù)上述構(gòu)想和測(cè)量試驗(yàn)的結(jié)果創(chuàng)作出來的，技術(shù)方案1的發(fā)明的基本構(gòu)成為，包括裝置主體1，其在內(nèi)部具有空間部；受壓板3，其配置在裝置主體1的內(nèi)部空間內(nèi)，將該內(nèi)部空間氣密地劃分為下部空間7和上部空間8；電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，其配置在下部空間7內(nèi)，在其上支承固定受壓板3；液封部R，其對(duì)上述受壓板3的外周緣部進(jìn)行液封，保持下部空間7和上部空間8之間的氣密；該裝置構(gòu)成為，經(jīng)由受壓板3，通過電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2測(cè)量上部空間8內(nèi)的壓力P1和下部空間7內(nèi)的壓力P2之間的微小差壓。
技術(shù)方案2的發(fā)明，是在技術(shù)方案1的發(fā)明中，裝置主體1構(gòu)成為，備有與下部空間7連通的壓力導(dǎo)入孔7a的下部主體1a、和備有與上部空間8連通的壓力導(dǎo)入孔8a的上部主體1b組合成對(duì)置狀，并且在內(nèi)部空間的內(nèi)壁面上備有環(huán)狀的密封液積存槽9。
技術(shù)方案3的發(fā)明，是在技術(shù)方案1的發(fā)明中，受壓板3包括平板狀的盤形板3a、和向下方突出地設(shè)置在其外周緣上的密封壁3b。
技術(shù)方案4的發(fā)明，是在技術(shù)方案1的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2構(gòu)成為，以電信號(hào)的形式連續(xù)地取出稱量值，將其送到計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換成差壓并輸出。
技術(shù)方案5的發(fā)明，是在技術(shù)方案4的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2包括電子式稱量器、和將來自電子式稱量器的稱量信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓并輸出的計(jì)算機(jī)。
技術(shù)方案6的發(fā)明，是在技術(shù)方案1的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2構(gòu)成為，在其承載臺(tái)5上加設(shè)支承體4，對(duì)受壓板3進(jìn)行支承、固定。
技術(shù)方案7的發(fā)明，是在技術(shù)方案1的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2構(gòu)成為，加設(shè)將上端、下端或上下端作成為尖頭形的支承體4，對(duì)受壓板3進(jìn)行支承固定。
技術(shù)方案8的發(fā)明，是在技術(shù)方案1的發(fā)明中，液封部R包括環(huán)狀的密封液積存槽9，其形成于裝置主體1的內(nèi)部空間的內(nèi)壁面上；密封液6，其填充到密封液積存槽9內(nèi)；環(huán)狀的密封壁3b，其下端面從上方向密封液6的內(nèi)部插入，設(shè)置在受壓板3的外周緣上。
技術(shù)方案9的發(fā)明，是在技術(shù)方案8的發(fā)明中，液封部R為在其液體接觸部的全部或一部分上進(jìn)行了表面處理的液封部，所述表面處理用于維持均勻的潤(rùn)濕性。
本申請(qǐng)的技術(shù)方案10所記載的超精密差壓測(cè)量裝置的基本構(gòu)成為，包括裝置主體1，其在內(nèi)部具有空間部；受壓板3，其配置在裝置主體1的內(nèi)部空間內(nèi)，將該內(nèi)部空間氣密地劃分為下部空間7和上部空間8；電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，其配置在下部空間7內(nèi)，在其上支承固定受壓板3；隔膜10，其配置在上述受壓板3的外周面和裝置主體1的內(nèi)壁面之間的間隙中，保持下部空間7和上部空間8之間的氣密；該裝置構(gòu)成為，經(jīng)由受壓板3，通過電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2測(cè)量上部空間8內(nèi)的壓力P1和下部空間7內(nèi)的壓力P2之間的差壓。
技術(shù)方案11的發(fā)明，是在技術(shù)方案10的發(fā)明中，裝置主體1構(gòu)成為，備有與下部空間7連通的壓力導(dǎo)入孔7a的下部主體1a、和備有與上部空間8連通的壓力導(dǎo)入孔8a的上部主體1b組合成對(duì)置狀，并且，在受壓板3的外周面上，與其垂直地設(shè)有將隔膜10的內(nèi)周緣插入的嵌合槽3d，另外，在裝置主體1的內(nèi)壁面的和上述嵌合槽3d同一高度的位置上，與其垂直地設(shè)有將隔膜10的外周緣插入的嵌合槽1d。
技術(shù)方案12的發(fā)明，是在技術(shù)方案10的發(fā)明中，隔膜10設(shè)成由樹脂薄膜或金屬制薄膜構(gòu)成的凸緣狀隔膜，并且，該隔膜10的外周緣部氣密地插入裝置主體1的嵌合槽1d內(nèi)，另外，其內(nèi)周緣部氣密地插入受壓板3的嵌合槽3d內(nèi)。
技術(shù)方案13的發(fā)明，是在技術(shù)方案10的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2構(gòu)成為，以電信號(hào)的形式連續(xù)地取出稱量值，用計(jì)算機(jī)將其轉(zhuǎn)換成差壓并輸出。
技術(shù)方案14的發(fā)明，是在技術(shù)方案10的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2包括電子式稱量器、和將來自電子式稱量器的稱量信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓并輸出的計(jì)算機(jī)。
技術(shù)方案15的發(fā)明，是在技術(shù)方案10的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2構(gòu)成為，在其承載臺(tái)5上加設(shè)支承體4，對(duì)受壓板3進(jìn)行支承、固定。
技術(shù)方案16的發(fā)明，是在技術(shù)方案10的發(fā)明中，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2構(gòu)成為，加設(shè)將上端、下端或上下端作成為尖頭形的支承體4，對(duì)受壓板3進(jìn)行支承固定。
發(fā)明的效果在本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置中，由于受壓板3完全不向上下方向移動(dòng)，因此，受壓板3絲毫不會(huì)對(duì)密封液6所形成的彎液面產(chǎn)生影響。
形成兩個(gè)環(huán)狀液面的密封液6的液面高度，根據(jù)兩壓力空間7、8的差壓ΔP的不同而不同，但兩液面的面積A1、A2如后所述，不必設(shè)得相等。
液面的形狀隨著兩壓力空間7、8之間的差壓ΔP的微小變化而變化時(shí)，密封液6所形成的彎液面會(huì)因此而發(fā)生變化，從而在受壓板3上引起作用于上下方向上的力。
但是，由于該力在內(nèi)外(兩面)的環(huán)狀液面之間作用于相互抵消的方向上，因此，不會(huì)影響差壓的測(cè)量精度。
本發(fā)明中，在裝置主體1內(nèi)的下部空間7內(nèi)設(shè)有電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，并且，利用受壓板3和其外周緣的液封部R，將裝置主體1的內(nèi)部氣密地劃分為下部空間7和上部空間8，由電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2對(duì)作用于上述受壓板3上的兩空間7、8之間的差壓所引起的力連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量，并且將其換算成差壓作為電信號(hào)輸出。
結(jié)果，因差壓所產(chǎn)生的力，通過固定在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的受壓板3，直接傳遞給電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，由于在差壓所產(chǎn)生的力的傳遞路線中完全沒有機(jī)械的摩擦部，因此，可大大提高差壓的測(cè)量精度，通過使用恰當(dāng)?shù)剡x擇了最小稱量的電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，在本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置的情況下，可以進(jìn)行具有3位或3位以上的較大有效數(shù)字的微小差壓的高精度的連續(xù)測(cè)量，例如，在使用最小稱量為0.0001g的電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2時(shí)，可進(jìn)行數(shù)百納米水柱級(jí)差壓的高精度連續(xù)測(cè)量。
形成液封部R的密封液6，在差壓的測(cè)量上與其密度無(wú)關(guān)，因此，無(wú)論什么樣的液體均可作為密封液使用。
其結(jié)果，使得密封液的選擇變得容易了，且因測(cè)量裝置自身的構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，所以可使制造成本大幅度降低。
另外，在本申請(qǐng)發(fā)明的超精密差壓測(cè)量裝置中，由于隔膜10是撓性薄膜，因此，不會(huì)隨著隔膜10向裝置主體1的嵌合槽1d及受壓板3的嵌合槽3d中的插入，而在受壓板3上引起上下方向的力。
而且，由于受壓板3的形態(tài)和重量，即，其材質(zhì)、厚度、形狀與差壓的測(cè)量完全無(wú)關(guān)，因此，可任意選擇受壓板3的材質(zhì)、厚度和形狀等，從這一方面來看，也可進(jìn)一步降低差壓測(cè)量裝置的制造成本。
另外，在以往的差壓測(cè)量裝置的情況下，在進(jìn)行其校正和檢驗(yàn)時(shí)，需要有基準(zhǔn)儀等，而且在檢驗(yàn)時(shí)必須實(shí)際產(chǎn)生差壓，而在本申請(qǐng)發(fā)明的差壓測(cè)量裝置中，裝上相當(dāng)于差壓(壓力)的重錘，就不需要差壓便可容易地進(jìn)行校正和檢驗(yàn)，十分方便。
如上述那樣，本發(fā)明能夠利用構(gòu)造極簡(jiǎn)單的、可廉價(jià)制造的裝置，進(jìn)行以往所沒有的超高精度的微小差壓的連續(xù)測(cè)量、和利用電信號(hào)進(jìn)行的連續(xù)的測(cè)量值輸出的裝置，能起到良好的實(shí)用功用。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式1的超精密微小差壓測(cè)量裝置的剖面概要圖。
圖2是本發(fā)明的另一實(shí)施方式的超精密微小差壓測(cè)量裝置的剖面概要圖。
圖3是表示差壓為零時(shí)的環(huán)狀液封部R的狀態(tài)的剖視圖。
圖4是表示產(chǎn)生差壓時(shí)的環(huán)狀液封部R的狀態(tài)的剖視圖。
圖5是第2發(fā)明的通用超精密差壓測(cè)量裝置的剖面概要圖。
圖6是表示利用隔膜所得的上下空間部的隔離狀態(tài)的局部放大剖視圖。
標(biāo)記說明1是裝置主體，1a是下部主體，1b是上部主體，1d是嵌合槽，2是電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器，3是受壓板，3a是平板狀的盤形板，3b是密封壁，3c是承納槽，3d是嵌合槽，4是支承體，4a是尖頭部，5是支承體的承載臺(tái)，6是密封液，7是下部空間，7a是壓力導(dǎo)入孔，8是上部空間，8a是壓力導(dǎo)入孔，9是密封液積存槽，R是環(huán)狀液封部(密封壁3b、密封液6及積存槽9)，A1是外環(huán)部的面積，A2是內(nèi)環(huán)部的面積，S1是受壓板上表面的面積，Sz是受壓板下表面的面積，Se是有效受壓面積，De是有效直徑，ρ是密封液密度，g是重力加速度，Po是差壓為零時(shí)的上下兩空間部?jī)?nèi)的壓力，hbo是差壓為零時(shí)密封壁3b的下端面與液面間的距離，Pbo是差壓為零時(shí)密封壁3b的下端面位置處的液壓，P1是上部空間8內(nèi)的壓力，P2是下部空間7內(nèi)的壓力，hb是產(chǎn)生差壓時(shí)密封壁3b的下端面與外環(huán)部的液面間的距離，h1是產(chǎn)生差壓時(shí)外環(huán)部的液面與差壓為零時(shí)的液面間的距離，h2是產(chǎn)生差壓時(shí)的內(nèi)環(huán)部液面與差壓為零時(shí)的液面間的距離，Pb是產(chǎn)生差壓時(shí)的密封壁3b的下端面位置處的液壓，10為隔膜，D為受壓板的直徑，δ為受壓板3的端面與下部主體1a的內(nèi)壁面之間的間隙尺寸。
具體實(shí)施例方式
以下，根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作說明。
圖1是本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置的剖面概要圖，圖1中1是裝置主體，2是電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器，3是受壓板，4是支承體，5是電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器的承載臺(tái)，6是密封液。
上述裝置主體1，是用金屬或工程塑料形成的內(nèi)部具有空間部的箱框，本實(shí)施方式中是將下部主體1a和上部主體1b組合成對(duì)置狀，并通過將兩者氣密地固定起來而形成裝置主體1。
在圖1的實(shí)施方式中，是將平面形狀為圓形的下部主體1a和上部主體1b分別組合成對(duì)置狀，由此而形成裝置主體1，但是，裝置主體的形態(tài)和構(gòu)造當(dāng)然是任何形式的都可以。
在上述下部主體1a上，穿設(shè)有與其內(nèi)部空間7連通的壓力導(dǎo)入孔7a，在上部主體1b上穿設(shè)有與其內(nèi)部空間8連通的壓力導(dǎo)入孔8a。
在裝置主體1的內(nèi)周壁上，形成有密封液6的積存槽9，所述積存槽9呈具有規(guī)定的橫向?qū)挾瘸叽绾蜕疃瘸叽绲?、上面?zhèn)瘸ㄩ_的環(huán)狀，在該積存槽9內(nèi)積存有密封液6。
在圖1的實(shí)施方式中，積存槽9形成在下部主體1a的內(nèi)周壁面的上方部，但是，如圖3和圖4所示，也可將積存槽9形成在上部主體1b的內(nèi)周壁面上。
上述電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，設(shè)在一個(gè)壓力空間(下部主體1a的內(nèi)部空間7)內(nèi)，并支承固定在該下部主體1a上。
上述電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，是由電子式稱量器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的，該計(jì)算機(jī)將來自電子式稱量器的稱量值轉(zhuǎn)換成差壓后輸出。
由于電子式稱量器已被公知，所以，這里省略其詳細(xì)說明，但為了在具有3位左右有效數(shù)字的數(shù)百納米水柱級(jí)的范圍內(nèi)對(duì)被測(cè)量微小差壓ΔP進(jìn)行測(cè)量，如后述那樣，采用最小顯示為0.0001g左右的電子式稱量器。作為最大稱量量程，選用適合于應(yīng)測(cè)量的最大差壓的大小的量程。
本實(shí)施方式中，電子式稱量器使用AND公司制的HX系列、上盤電子天平HX-100，使用最小顯示0.0001g、最大稱量量程101g的電子式稱量器。
上述受壓板3，是對(duì)塑料材料進(jìn)行加工而形成倒置的盤形，在平板狀的圓形盤3a的外周緣上，以直角地向下方突出的狀態(tài)形成有密封壁3b。受壓板3的材質(zhì)不局限于塑料，也可用金屬材料制成。
該受壓板3，如圖1所示在將上述外周緣的密封壁3b插入積存槽9的密封液6內(nèi)的狀態(tài)下，通過支承體4而以水平姿勢(shì)支承固定在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2的承載臺(tái)5上，受壓板3本身完全不向上下方向移動(dòng)。
本實(shí)施方式中，受壓板3用厚約2mm的塑料制成，其直徑D如后面例示那樣，選擇為適合于被測(cè)量差壓ΔP的最大值和最小值的大小。
上述支承體4，用金屬制成圓筒形或圓錐臺(tái)形，其高度尺寸根據(jù)裝置主體1的外形尺寸適當(dāng)選擇。該支承體4的材質(zhì)可以是任何材質(zhì)，本實(shí)施形式中，支承體4是用銅錫合金制成的。支承體4的形狀也不局限于圓筒形和圓錐臺(tái)形，例如，也可以是從側(cè)面看為梯形或長(zhǎng)方形、正方形等的長(zhǎng)方體。
上述密封液6，如后述，根據(jù)被測(cè)量差壓ΔP的大小適當(dāng)?shù)剡x擇其積存高度。
另外，由于能夠以密封液6的密度與通過被測(cè)量差壓ΔP而施加在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的朝下的推壓力Fa無(wú)直接關(guān)系的方式進(jìn)行稱量操作，因此，密封液6可以是任何液體(例如水和油等)，本實(shí)施方式中是將硅油作為密封液6使用。
即，從圖1也可了解，通過上述受壓板3和密封液6，裝置主體1內(nèi)部被氣密地劃分成與壓力導(dǎo)入孔7a連通的下部空間7、以及與壓力導(dǎo)入孔8a連通的上部空間8，而且，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2配置在下部空間7內(nèi)，與兩空間7、8施加在受壓板3上的壓力差ΔP＝P1-P2＞0(或ΔP＝P2-P1＞0)相當(dāng)?shù)牧，由該電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2連續(xù)地進(jìn)行計(jì)測(cè)，并且，該計(jì)測(cè)的稱量值被計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成差壓，且作為電信號(hào)連續(xù)地輸出到外部。
圖2是本發(fā)明實(shí)施方式2的超精密微小差壓測(cè)量裝置的剖面概要圖，上部主體1b和下部主體1a在不采用凸緣的情況下連結(jié)成氣密這一點(diǎn)、支承體4的一端為尖頭形狀的這一點(diǎn)以及電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2沒有承載臺(tái)這一點(diǎn)，與上述圖1所示的實(shí)施方式1的裝置不同，其他構(gòu)造和實(shí)施方式1的裝置的情況相同。
即，上述支承體4的上端形成為尖頭狀4a，其尖頭部4a卡合在形成于受壓板3的下表面?zhèn)鹊某屑{槽3c內(nèi)。這樣，通過使尖頭部4a卡合在承納槽3c內(nèi)，可阻止受壓板3向橫向移動(dòng)。支承體4的形狀及其設(shè)定根數(shù)，只要能將受壓板3穩(wěn)定地支承住，是可以自由選擇的。
圖2的實(shí)施方式，僅將支承體4的上端部形成為尖頭狀，但是，也可將上端部和下端部?jī)烧呔O(shè)成尖頭狀。
圖2的實(shí)施方式，是設(shè)成將電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2配置在下部空間7內(nèi)的構(gòu)成，但是，也可設(shè)成將電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2朝下配置在上部空間8內(nèi)，且通過支承體4將受壓板3支承固定成吊掛狀的構(gòu)成。通過使得電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2的偏差的調(diào)整包含受壓板3等的重量，便可采用對(duì)受壓板3進(jìn)行吊掛支承的結(jié)構(gòu)。
下面，對(duì)本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置的工作原理作說明。
圖3、圖4，是在圖1所示的本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置中，與施加在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的差壓ΔP相關(guān)的說明圖，前者圖3是表示下部空間7與上部空間8之間的差壓ΔP為零時(shí)的環(huán)狀液封部R(受壓板3的密封壁3b及積存槽9內(nèi)的密封液6)的狀態(tài)的圖，后者圖4是表示下部空間7與上部空間8之間產(chǎn)生差壓P1-P2＞0時(shí)的環(huán)狀液封部R的狀態(tài)的圖。
現(xiàn)在，在圖3和圖4中，設(shè)S1為受壓板3的上表面的面積、S2為受壓板3下表面的面積、ρ為密封液6的密度、g為重力加速度、A1為環(huán)狀液封部R的外環(huán)部的面積、A2為環(huán)狀液封部R的內(nèi)環(huán)部的面積、Po是差壓為零時(shí)的上下空間部8、7內(nèi)的壓力、hbo為密封壁3b的下端面與密封液6的液面間的距離時(shí)，則用密封液6內(nèi)的密封壁3b下端面的位置上的密封液壓Pbo＝Po+ρghbo表示。
另外，如圖4所示，上下兩空間8、7的壓力為P1、P2，在兩者之間產(chǎn)生差壓P1-P2(P1＞P2)的情況下，外環(huán)部的液面下降，并且內(nèi)環(huán)部的液面上升。其中，圖4中，hb為產(chǎn)生差壓時(shí)的密封壁3b的下端面與外環(huán)部的液面間的距離，h1為產(chǎn)生差壓時(shí)的外環(huán)部的液面與差壓為零時(shí)的液面間的距離，h2為產(chǎn)生差壓時(shí)的內(nèi)環(huán)部液面與差壓為零時(shí)的液面間的距離，Pb為產(chǎn)生差壓時(shí)的密封壁3b的下端面位置的液壓。
于是，產(chǎn)生差壓時(shí)的密封壁3b的下端面處的液壓Pb可用下式(1)表示。
Pb＝P1+ρghb＝P2+ρg(h1+h2+hb) ……(1)又P1-P2＝ρg(h1+h2)……(2)A1h1＝A2h2……(3)由于是這種關(guān)系，因此，根據(jù)式(2)和式(3)，差壓P1-P2用式(4)表示。
P1-P2＝ρg(1+A2/A1)h2……(4)又hbo＝hb+h1……(5)由于是這種關(guān)系，因此，作用于受壓板3的上下表面上的壓力所產(chǎn)生的力的差F，可用下述式(6)～式(9)表示。
F＝S1P1-{S2P2+(S1-S2)Pb} ……(6)式中(S1-S2)為ΔS＝(S1-S2)……(7)將式(1)的Pb代入式(6)中便得到式(8)。
F＝S1P1-(S2P2+ΔSPb)＝S1P1-[S2P2+ΔS{P2+ρg(h1+h2+hb)}]＝S1P1-{(S2+ΔS)P2+ΔSρg(h1+h2+hb)}＝S1P1-S1P2-ΔSρg(h1+h2+hb)＝S1(P1-P2)-ΔSρg(h1+h2+hb) ……(8)用式(5)改寫上述式(8)的第2項(xiàng)時(shí)，便得到式(9)。
F＝S1(P1-P2)-ΔSρg(h2+hb+h1)＝S1(P1-P2)-ΔSρg(h2+hb0)＝S1(P1-P2)-ΔSρgh2-ΔSρghb0……(9)上式(9)的第3項(xiàng)，是在差壓為零的狀態(tài)下使電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2和受壓板3的重量一起復(fù)位、從而成為測(cè)量差壓時(shí)不計(jì)算在內(nèi)的項(xiàng)、即為零的項(xiàng)。因此，將實(shí)際由電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2檢測(cè)到的力設(shè)為Fa時(shí)，該Fa可用式(10)表示。
Fa＝S1(P1-P2)ΔSρgh2……(10)
又，將式(4)代入式(10)去掉h2，則變成式(11)那樣，根據(jù)該式(11)以式(12)的形式得到最終需要的差壓P1-P2的計(jì)算式。式(12)中的Se，是用式(13)定義的有效受壓面積。
Fa＝S1(P1-P2)-ΔS(P1-P2)/(1+A2/A1)＝S1(P1-P2){1-(ΔS/S1)/(1+A2/A1)}……(11)(P1-P2)＝Fa/Se ……(12)Se＝S1/{1-(ΔS/S1)/(1+(A2/A1))} ……(13)即，為了根據(jù)由電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2所計(jì)量的力Fa來決定作為測(cè)量目的的差壓(P1-P2)，使Fa除以有效受壓面積Se即可。
設(shè)計(jì)該超精密微小差壓測(cè)量裝置時(shí)，不必將ΔS設(shè)得比S1特別小，另外，也完全沒有必要使A2與A1一致。
在差壓(P1-P2)稍變化的情況下，密封液6的液面與密封壁3b的壁面之間所產(chǎn)生的彎液面也稍變形。但是，該變形的產(chǎn)生方式在上部空間8側(cè)(P1側(cè))和下部空間7側(cè)(P2側(cè))相反，因此，結(jié)果是伴隨著該彎液面變形而產(chǎn)生的表面張力相互抵消，不會(huì)成為降低差壓測(cè)量精度的主要原因。
另外，密封液6的液面與密封壁3b及密封液積存槽9之間的彎液面的形狀，在因壁面的污臟等造成潤(rùn)濕性不均勻的情況下，潤(rùn)濕的狀態(tài)隨著時(shí)間而變化，可成為干擾由差壓(P1-P2)產(chǎn)生的力Fa的主要原因。
這種情況下，預(yù)先對(duì)液體接觸壁面進(jìn)行防液處理，是有效的措施。
如上所述，采用式(12)，在本申請(qǐng)發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置中，由計(jì)算機(jī)將電子式稱量器的輸出轉(zhuǎn)換為差壓，由此，可求出差壓(P1-P2)，且因上述式(12)與密封液6的密度ρ和受壓板3的重量無(wú)關(guān)，因此，密封液6和受壓板3的材質(zhì)和形狀等可以是任意的。
接著，對(duì)受壓板3的外形尺寸，與用本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置能夠測(cè)量的最小差壓、及用空氣流的動(dòng)壓表示該最小差壓的情況下的空氣流速的關(guān)系進(jìn)行說明。
現(xiàn)在，假設(shè)受壓板的有效受壓面積為Se、差壓為ΔP、施加在電子式稱量器上的力為F，則上述力F用F＝SeΔP表示。
這里，假設(shè)由差壓ΔP產(chǎn)生的力的稱量F為0.1g，則測(cè)量的差壓值ΔP為ΔP＝F/Se＝0.1/Se(g/mm2)＝0.01/Se(kg/cm2)＝0.01×104/Se(mmAq)＝100/Se(mmAq)。
假設(shè)具有與上述差壓ΔP相當(dāng)?shù)膭?dòng)壓的、常溫·常壓的空氣的流速為u(m/s)，則ΔP＝ρu2/2g＝(1.25/1000)u2/2g＝0.06378·u2(mmAq)將上述ΔP≈100/Se(mmAq)式中的Se作為參數(shù)來計(jì)算ΔP，同時(shí)，求出以此作為動(dòng)壓的空氣的流速u時(shí)，如下述表1所示。


上述表1中，有效受壓面積Se換算為受壓板的有效直徑Demm表示。
如上所述，若使用稱量F為0.1g的電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，則例如圓形受壓板的有效直徑De為100mm時(shí)，測(cè)量差壓ΔP為0.01273mmAq。另外，有效直徑De為400mm時(shí)，ΔP為795.8nmAq，這種情況下，可測(cè)量具有3位左右有效數(shù)字的數(shù)百納米水柱的差壓ΔP。
這樣，在本申請(qǐng)發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置重，通過使用稱量F為0.1g～0.0001g的電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2，可以以高精度測(cè)量具有3位或3位以上較大有效數(shù)字的微差壓。
圖5是本申請(qǐng)第2發(fā)明的實(shí)施方式的通用超精密差壓測(cè)量裝置的剖面概要圖，采用利用隔膜10的密封方式取代圖1～圖4中所示的第1發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置的液封方式這一點(diǎn)與第1發(fā)明不同。
即，圖5中，1為裝置主體，2為電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器，3為受壓板，4為支承體(傳遞負(fù)荷用的錐體)，7為下部空間，8為上部空間，10為隔膜，除隔膜10外其他構(gòu)造和圖1～圖4所示的上述第1發(fā)明的情況相同。
該圖5的第2發(fā)明中，由于可測(cè)量的差壓上限值提高到數(shù)個(gè)大氣壓的等級(jí)，因此，為了隔離上部空間壓力P1(1次壓力)和下部空間壓力P2(2次壓力)而使用隔膜10。
作為隔膜10，希望具有以下特性，即具有(1)膜厚較薄而具有柔軟性(具有撓性)，(2)即使溫度變化等造成隔膜10伸縮，也不會(huì)產(chǎn)生施加在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的力、以及(3)可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的氣密性，且耐腐蝕性優(yōu)良等特性，本實(shí)施方式中使用厚5～200μm的樹脂薄膜或金屬制薄膜。
另外，為了可防止因上述隔膜10的由溫度變化引起的伸縮，而產(chǎn)生施加在電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的力，隔膜10的兩端部向受壓板3和下部主體1a上固定的固定點(diǎn)保持在同一水平面上，又，為了使得不容易產(chǎn)生施加在上述電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的力，如圖6所示，賦予隔膜10稍許松馳度。
圖6是表示由隔膜10所得的、上下兩空間部8、7之間的隔離部分的局部放大圖，窄幅的凸緣狀(環(huán)狀)的隔膜10的內(nèi)周緣部和外周緣部，分別插入并氣密地粘接(或夾壓)固定在嵌合槽3d、1d內(nèi)，所述嵌合槽3d、1d垂直狀地形成于受壓板3的端面及下部主體1a的內(nèi)周壁面上。
參照?qǐng)D6，現(xiàn)在假設(shè)D為受壓板3的直徑，δ為受壓板3的端面與下部主體1a的內(nèi)壁面之間的間隙尺寸，F(xiàn)a為因差壓(P1-P2，P1＞P2)而產(chǎn)生的力中的、通過支承體4施加到電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的力，F(xiàn)D為產(chǎn)生于受壓板3上的力，F(xiàn)p為產(chǎn)生于隔膜10上的力。
上述FP，因間隙δ與受壓板3的直徑D相比相對(duì)較小，所以可均等地傳遞到受壓板3和下部主體la兩者上。
于是，通過上述支承體4傳遞給電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2上的力Fa為Fa＝FD+Fp/2。在此，因FD＝(P1-P2)×πD2/4、Fp＝(P1-P2)×π(D+δ)×δ，所以，F(xiàn)a用下述式14表示。
Fa＝(P1-P2)×πD2/4+(P1-P2)×π(D+δ)×δ/2＝(P1-P2)×πD2/4×{1+2δ/D+2×(δ/D)2} ……(14)現(xiàn)在，給出受壓板3的直徑D和隔膜10的橫向?qū)挾?即間隙尺寸δ)時(shí)，便由上述式(14)變成(P1-P2)＝Fa/[(πD2/4)×{1+2δ/D+2×(δ/D)2}]＝Fa/K……(15)。其中，K＝(πD2/4)×[1+2δ/D+2(δ/D2)]……(16)。通過使用電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器2測(cè)得的Fa除以分母的常數(shù)K，便得到差壓P1-P2。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的超精密微小差壓測(cè)量裝置，用作差壓計(jì)的基準(zhǔn)儀或低阻力過濾器的壓力下降特性的計(jì)測(cè)、過濾器性能的監(jiān)視、對(duì)減壓下的氣體進(jìn)行處理的流體設(shè)備中的流動(dòng)特性的評(píng)價(jià)用工具等，另外，超精密差壓測(cè)量裝置，是在一般工業(yè)用等數(shù)個(gè)大氣壓左右的差壓測(cè)量中通用的裝置。
權(quán)利要求
1.一種超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，包括裝置主體(1)，其在內(nèi)部具有空間部；受壓板(3)，其配置在裝置主體(1)的內(nèi)部空間內(nèi)，將該內(nèi)部空間氣密地劃分為下部空間(7)和上部空間(8)；電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)，其配置在下部空間(7)內(nèi)，在其上支承固定受壓板(3)；液封部(R)，其對(duì)上述受壓板(3)的外周緣部進(jìn)行液封，保持下部空間(7)和上部空間(8)之間的氣密；該裝置構(gòu)成為，經(jīng)由受壓板(3)，通過電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)測(cè)量上部空間(8)內(nèi)的壓力(P1)和下部空間(7)內(nèi)的壓力(P2)之間的微小差壓。
2.如權(quán)利要求1所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，裝置主體(1)構(gòu)成為，備有與下部空間(7)連通的壓力導(dǎo)入孔(7a)的下部主體(1a)、和備有與上部空間(8)連通的壓力導(dǎo)入孔(8a)的上部主體(1b)組合成對(duì)置狀，并且在內(nèi)部空間的內(nèi)壁面上備有環(huán)狀的密封液積存槽(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，受壓板(3)包括平板狀的盤形板(3a)、和向下方突出地設(shè)置在其外周緣上的密封壁(3b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)構(gòu)成為，以電信號(hào)的形式連續(xù)地取出稱量值，用計(jì)算機(jī)將其轉(zhuǎn)換成差壓并輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)包括電子式稱量器、和將來自電子式稱量器的稱量信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓并輸出的計(jì)算機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)構(gòu)成為，在其承載臺(tái)(5)上加設(shè)支承體(4)，對(duì)受壓板(3)進(jìn)行支承、固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)構(gòu)成為，加設(shè)將上端、下端或上下端作成為尖頭形的支承體(4)，對(duì)受壓板(3)進(jìn)行支承固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，液封部(R)包括環(huán)狀的密封液積存槽(9)，其形成于裝置主體(1)的內(nèi)部空間的內(nèi)壁面上；密封液(6)，其填充到密封液積存槽(9)內(nèi)；環(huán)狀的密封壁(3b)，其下端面從上方向密封液(6)的內(nèi)部插入，設(shè)置在受壓板(3)的外周緣上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超精密微小差壓測(cè)量裝置，其特征在于，液封部(R)為在其液體接觸部的全部或一部分上進(jìn)行了表面處理的液封部，所述表面處理用于維持均勻的潤(rùn)濕性。
10.一種超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，包括裝置主體(1)，其在內(nèi)部具有空間部；受壓板(3)，其配置在裝置主體(1)的內(nèi)部空間內(nèi)，將該內(nèi)部空間氣密地劃分為下部空間(7)和上部空間(8)；電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)，其配置在下部空間(7)內(nèi)，在其上支承固定受壓板(3)；隔膜(10)，其配置在上述受壓板(3)的外周面和裝置主體(1)的內(nèi)壁面之間的間隙中，保持下部空間(7)和上部空間(8)之間的氣密；該裝置構(gòu)成為，經(jīng)由受壓板(3)，通過電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)測(cè)量上部空間(8)內(nèi)的壓力(P1)和下部空間(7)內(nèi)的壓力(P2)之間的差壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，裝置主體(1)構(gòu)成為，備有與下部空間(7)連通的壓力導(dǎo)入孔(7a)的下部主體(1a)、和備有與上部空間(8)連通的壓力導(dǎo)入孔(8a)的上部主體(1b)組合成對(duì)置狀，并且，在受壓板(3)的外周面上，與其垂直地設(shè)有將隔膜(10)的內(nèi)周緣插入的嵌合槽(3d)，另外，在裝置主體(1)的內(nèi)壁面的和上述嵌合槽(3d)同一高度的位置上，與其垂直地設(shè)有將隔膜(10)的外周緣插入的嵌合槽(1d)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，隔膜(10)設(shè)成由樹脂薄膜或金屬制薄膜構(gòu)成的凸緣狀隔膜，并且，該隔膜(10)的外周緣部氣密地插入裝置主體(1)的嵌合槽(1d)內(nèi)，另外，其內(nèi)周緣部氣密地插入受壓板(3)的嵌合槽(3d)內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)構(gòu)成為，以電信號(hào)的形式連續(xù)地取出稱量值，用計(jì)算機(jī)將其轉(zhuǎn)換成差壓并輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)包括電子式稱量器、和將來自電子式稱量器的稱量信號(hào)轉(zhuǎn)換成差壓并輸出的計(jì)算機(jī)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)構(gòu)成為，在其承載臺(tái)(5)上加設(shè)支承體(4)，對(duì)受壓板(3)進(jìn)行支承、固定。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超精密差壓測(cè)量裝置，其特征在于，電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)構(gòu)成為，加設(shè)將上端、下端或上下端作成為尖頭形的支承體(4)，對(duì)受壓板(3)進(jìn)行支承固定。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超精密微小差壓測(cè)量裝置，其在不經(jīng)由機(jī)械的滑動(dòng)部的情況下將微小差壓傳遞給電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器，由此，可以以高精度連續(xù)地測(cè)量微小差壓，且構(gòu)造簡(jiǎn)單從而可大幅度地降低制造成本。具體地說，超精密微小差壓測(cè)量裝置包括裝置主體(1)，其在內(nèi)部具有空間部；受壓板(3)，其配置在裝置主體(1)的內(nèi)部空間內(nèi)，將該內(nèi)部空間氣密地劃分為下部空間(7)和上部空間(8)；電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)，其配置在下部空間(7)內(nèi)，在其上支承固定受壓板(3)；液封部(R)，其對(duì)上述受壓板(3)的外周緣部進(jìn)行液封，保持下部空間(7)和上部空間(8)之間的氣密；經(jīng)由受壓板(3)通過電子式稱量·壓力轉(zhuǎn)換器(2)測(cè)量上部空間(8)內(nèi)的壓力(P
文檔編號(hào)G01L13/00GK1751231SQ20048000481
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者世古口言彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社富士金, 世古口言彥