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水晶振動式圧力変換器及び伝送器の基本構造と原理について


1. 基本構造
図1の水晶振動素子に6Vから25Vの励磁電圧を与え、周波数出力を取り出します。
高圧力計測用水晶振動子
図1 高圧力計測用水晶振動子 
図2の様に外部からの圧力の変化をベローズ機構を通じ、水晶振動素子を保持するバランスウェイト付きピボット機構に伝達され、圧力の応力に応じた周波数出力を発生させます。なお、圧力6.89MPa(1000PSI)以上は図3の様にバランスウェイト付きブルドン管機構を通じ、圧力の変化を水晶振動素子に伝えます。
絶対圧型圧力変換器 高圧用絶対圧圧力変換器
図2 絶対圧型圧力変換器 図3 高圧用絶対圧圧力変換器
図2、図3の内部は10-10TORRの絶対真空になっており、この値が基準圧となります。図4の温度計測用水晶振動素子も内蔵しており、図1と同じく励磁電圧を与え周波数を出力することにより温度補正させています。
高圧力計測用水晶振動子
図4 温度計測用水晶振動子
トランスデューサー(※1)の位置による重力加速度の影響をなくし低いQ値を保証します。
トランスデューサー(※1)本体は防振ゴムで保護され10000Gまでの衝撃に耐えます。
2. 動作原理
本品は圧力の変化に応じた周波数(f)と時間(T)の変化を10MHzの基準クロック(fc)でカウントし分解能と応答時間を求めます。
圧力ゼロの時の周波数は40kHz(カウント/秒)、測定レンジのフルスケールで約36kHzです。出力として10%の周波数変化である4kHzを利用しています。従って圧力ゼロの時の時間T=1/fで1カウントに要する時間は25µ秒となります。
本品の特徴は1サイクル/25µ秒で10,000カウントの平均周期(N)が得られる様に設計されています。周波数分解能はカウントの全数分の±1で求められます。

◎1カウントの周波数分解能は=±1/(NT)fc=±1/{(104)×(25×10-6)×(107)}

 この周波数出力は下記の式により圧力値が求められます。

  P=C{[1−(T0/T)2]−D[1−(T0/T)22}・・・・・・・・@
  P=圧力値
  T0=圧力ゼロの時の振動周期
  T=圧力が負荷された時の振動周期
  C,D=1次及び2次項の定数(※3)

トランスデューサーは圧力と温度の周波数をそれぞれ出力しますが、インテリジェントトランスミッター(※2)は@の式が入ったマイクロプロセッサを用いて双方向のRS232インターフェイスでコンピュータからのコマンドを受け、圧力値及び温度を表示します。
(※1)本文中におけるトランスデューサーは変換器を指します。
(※2)本文中におけるトランスミッターは伝送器を指します。
(※3)固有定数、変換器により異なります。
【参考資料】
水晶振動式圧力変換器及び伝送器の基本構造と原理(PDF)
分解能とサンプリング時間の関係
 
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