JP2005530150A - プレートコーティングを施し、粒子フィルタを備えた内蔵型低コスト容量性圧力トランスミッタ - Google Patents

Abstract

容量性圧力トランスミッタ（３００）を提供する。一態様においては、トランスミッタ（３００）は、流体の隔離に干渉することなく、直接測定媒体に連結された容量性圧力センサ（５６）を含む。好ましくはフィルタを使用して、粒子が測定ダイアフラムに達するのを防止する。他の態様では、容量性圧力トランスミッタ（３００）には、プロセス接続部（２００）と容量性圧力センサ（５６）との間に挿設された少なくとも一つの内蔵アイソレータ（２１０）を備える。両方の態様において、容量性圧力トランスミッタ（３００）は小型であり、好ましくは低コスト製造が可能な材料から製作する。プレートコーティングとして酸化シリコンを使用する。

Description

加熱換気や空調設備市場などの種々の業種では、低コストの圧力監視及び制御装置が使用されている。この市場は、産業上のプロセス管理や監視システムよりも、低性能かつ低コストの装置を使用する傾向がある。これには、種々の理由がある。例えば、製造プロセス、制御及び監視システムでは、厳しい精度、ふさわしい安全性、防爆性筐体、装置の較正や診断が往々にして必要になる。一方、一般に、低コスト市場では、単に圧力信号を取り出し、システム自体のコストを極めて低く抑えることを要求される。しかし、産業上のプロセス制御トランスミッタの機能が、装置のコストを大幅に増加せずに提供できれば、当該機能は低コスト市場に受入れられうる。この点で、主な設計上の基準は電子装置のサイズとコストである。例えば、低コスト圧力制御及び監視装置の市場は、アナログの４−２０ミリアンペアまたは１−５ボルトの信号をも出力する一方で、Ｓｍａｒｔ／Ｈａｒｔ機能（較正、エラー補正、アラーム等）により恩恵を受ける。

最近では、容量性圧力検知装置が進歩して、さらに広い圧力範囲で高い精度が得られるようになっている。この一例としては、米国特許６，２９５，８７５号で説明されている圧力トランスミッタがある。

この特許で開示されている容量性圧力センサでは、内部電極に（酸化シリコン等の）非導電性保護コーティングを設けることができる。こういった表面コーティングは、過剰圧力保護に優れているだけではない。圧力トランスミッタが充分な低コストで提供されれば、産業上のプロセス測定及び制御市場に対して共通した主要機能を提供しつつ、ＨＶＡＣ（冷暖房空調設備）市場等の低コスト市場は大幅な利益を受けることになる。

容量性圧力トランスミッタを提供する。一態様においては、圧力トランスミッタは、流体の隔離に干渉することなく、測定された媒体に直接連結された容量性圧力センサを含んでいる。好ましくは、フィルタを使用して、粒子が測定ダイアフラムに達しないようにする。他の態様においては、容量性圧力トランスミッタには、プロセス接続部と容量性圧力センサとの間に挿設された少なくとも一つの内蔵型アイソレータが設けられる。両方の態様において、容量性圧力とランスミッタは比較的小さく、好ましくは、低コスト製造が容易な材料から構成される。

本発明の好適な実施形態では、特に米国特許６，２９５，８７５号で説明されている圧力センサと併せて使用すると有用であるが、他の圧力センサの設計も同様に使用可能である。

多くの場合、圧力センサは測定媒体から隔離されている。媒体が極めて高温であったり、または極めて腐食性が高かったり、もしくは有害である場合には、隔離しておくことが非常に重要である。しかし、特定の用途においては、高いコストを必要とするこの機能は重視されず、測定媒体は偏向ダイアフラムへ直接供給される。

図１Ａは、本発明の実施形態のこの態様を示している。圧力センサ５６（適切なセンサであればどんなセンサでもよい）は‘８７５号特許で説明されているセンサを含み、プロセス接続部２００へ直接接続されて、測定される媒体が直接、圧力センサ５６内へ搬送されている。媒体が別の方法でフィルタされない場合には、粒子フィルタ２０２もプロセス接続部２００と圧力センサ５６との間に挿設することができる。好ましくは、粒子フィルタ２０２は、プロセス接続部２００と圧力センサ５６との間に挿設された４５から７０ミクロンフィルタである。

図１Ｂは、好ましくは半分割部５８、６０から形成される圧力センサ５６の立面図である。これらの半分割部５８、６０は、縫目（seam）６２に沿って接着、好ましくは溶接される。半分割部５８、６０は圧力チャンバーを形成し、この内部には接続部２００を接続部２０１から流体的に分離するよう偏向ダイアフラム６４が据え付けられている。差圧が接続部２００、２０１へ印加されると、ダイアフラム６４は圧力に応答して偏向し、公知の技術によって、偏向量は容量の変化として表わされる。

図１Ｃは、ダイアフラム６４、導電性容量プレート７４、チャンバー壁７６および非導電性コーティング７８を示す、センサ５６内の部分断面図である。具体的には図示していないが、プレート７４、チャンバー壁７６および非導電性コーティング７８の鏡像もまた、偏向ダイアフラム６４の他方の側に存在する。容量プレート７４は、適切な公知の技術によって、チャンバー壁７６の上に溶着または配置することができる。この後で、他の実施形態ではコーティング７８等の非導電性コーティングをプレート７４の上部に溶着することができる。この非導電性コーティングは実質的にプレート７４と偏向ダイアフラム６４との間の容量結合に影響を与えない。しかし、コーティング７８は、ダイアフラム６４がプレート７４と直接的に電気的接触をしないようにして、導電性のプロセス媒体流体を電気的に隔離している。

導体２０４は、接続部２００、２０１を介して作動する圧力によって発生する容量変化を測定するための、‘８７５号特許で説明されているような、適切な回路に連結されており、回線２０６へ適当な出力を提供する。この出力は、差圧、流量または他のパラメータを表わす値となる。

現状の産業上のプロセス制御及び測定トランスミッタの全ての機能ではないにしろ、大多数の機能を、図１に示す低コスト圧力トランスミッタでは提供することができる。一般に、この用途は空気等の非凝縮性ガスの圧力測定用である。通常は、回路と測定するガスの性質によって追加されるデジタル補正量によって性能が決定される。しかし、極めて高い湿度においても、誘電性の変化は適当なセンサ形状を使用することで実質的に打ち消される。このようなセンサ形状の一例は、‘８７５特許に開示されている。この圧力トランスミッタにより、1平方インチ当り（psi）１０００から２０００ポンドの範囲の極めて高い過剰圧力に対して保護することが可能になる。さらに、この圧力トランスミッタは、オイル充填等の高いコストがかからない。また、一般に、圧力トランスミッタは防爆効果がある外形が強固な筐体内に設ける必要がないから、実質的にサイズを縮小することができ、よって小型化してコストを削減することができる。最終的には、産業上のプロセス及び制御監視分野で充分に受け入れられる（デジタル通信、アラーム、平方根出力や診断等の）高レベルトランスミッタ機能を低コスト市場へ提供することができる。

図２Ａは、プロセス媒体隔離の実施形態に使用される本発明の一態様を示す図である。具体的には、内蔵アイソレータ２１０が、プロセス接続部２００と圧力センサ５６との間に挿設されて、測定する媒体によりアイソレータのダイアフラム２１２（好ましくは、金属箔ダイアフラム）に圧力がかけられ、次に、好ましくは、シリコンオイル等の誘電性充填流体であるアイソレータの流体２１４に圧力がかけられる。アイソレータは、好ましくはレーザー溶着等の溶着部２２４によって互いに接合される二つの半分割部２２０、２２２から成り、チューブ２１６、２１７に連結され、さらにろう付け接合部２１８を介して圧力センサ５６へ連結される。好ましくは、隔離流体センサチューブ（isolation fluid sensor tube）２１６と隔離流体充填チューブ（isolation fluid fill tube）２１７の端部は、両方のチューブ２１６、２１７が内蔵アイソレータ２１０のシングルポートに入るような形状になっている。例えば、チューブ２１６、２１７の端部が「Ｄ」形状をしていると、互いに鏡像の関係になり、アイソレータ２１０の円形部に合うようになる。

図２Ｂは、内蔵アイソレータ２１０の一部拡大概略図である。ダイアフラム２１２のアイソレータ流体側では、２３０で示されるように多数の波型が含まれている。しかし、幾つかの実施形態にでは、これらの波型は省略されている。

図３Ａは、本発明の態様に係る低コスト圧力トランスミッタの断面図である。図３Ａは、本発明の様態に係わる低コスト圧力トランスミッタ３００を示す。トランスミッタ３００は、内蔵型アイソレータ２１０を含んでいる。但し、プロセス媒体が測定ダイアフラムに直接連結されている実施形態においては、内蔵型アイソレータ２１０が省略されて、さらにサイズとコストが節約される。センサ５６は、好ましくは射出成形プラスチックのような低コスト材料から製作されるハウジング２２０内に配置される。図３Ａに示されるように、一対の電気コネクタ２２２は配線２０６に連結されて、トランスミッタ３００を外部通信ループ（図示せず）に連結するために、トランスミッタ３００の上部に配置される。

回路基板３０２は、好ましくは円形形状であり、図３Ａに示されているようにハウジング２２０内に装着される。要望があれば、トランスミッタの堅牢性を向上させるために、ハウジング２２０内の自由空間をエポキシなどの非導電性材料で充填することができる。一つの実施形態の組立時には、圧力トランスミッタ３００は比較的小型にし、好ましくは、高さを約２インチ、長さと幅を約２．５インチとする。このようなサイズにすると、従来の産業プロセス制御トランスミッタが単にサイズの理由により使用できなかった多くの環境でトランスミッタ３００を使用できるようになる。さらに、簡単な設計で小型のサイズにしているので、従来の産業用プロセス制御トランスミッタよりも安価に製造できるようになる。しかしながら、マイクロプロセッサおよび／またはFOUNDATION^TMフィールドバス通信コントローラのような公知のプロセス制御および測定回路を回路基板３０２に取り付けて、従来では知られていなかったあるレベルの機能性を低コスト市場に提供することができる。FOUNDATION^TMフィールドバスは、公開されている互換性通信プロトコルである。このプロトコルは、インテリジェントフィールドデバイス間でデジタル通信リンクを行うことができる。しかし、本発明の実施形態においては、他の適切なプロセス産業標準通信プロトコルを使用することもできる。

本発明は好適な実施形態を参照して説明したが、当該分野の当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに本発明の形式及び詳細が変更可能であることは認識できる。

本発明の実施形態に係る容量性圧力センサ及び対応する回路の概略図を示す。 本発明の実施形態に係る容量性圧力センサ及び対応する回路の概略図を示す。 本発明の実施形態に係る容量性圧力センサ及び対応する回路の概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る、内蔵型アイソレータを採用した容量性圧力トランスミッタの一部を示す概略図である。 本発明の他の実施形態に係る、内蔵型アイソレータを採用した容量性圧力トランスミッタの一部を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る容量性圧力トランスミッタの概略図である。 本発明の実施形態に係る容量性圧力トランスミッタの概略図である。 本発明の実施形態に係る容量性圧力トランスミッタの概略図である。

符号の説明

５６……圧力センサ
６４……偏向ダイアフラム
７４……導電性容量プレート
７６……チャンバー壁
７８……非導電性コーティング
２００、２０１……プロセス接続部
２０２……粒子フィルタ
２０４……導体
２０６……回線
２１０……内蔵アイソレータ
２１２……ダイアフラム
２１４……流体
２１６、２１７……チューブ
２１８……ろう付け接合部
２２０、２２２……半分割部
３００……低コスト圧力トランスミッタ
３０２……回路基板

Claims (10)

1. 容量性圧力トランスミッタにおいて、
   その内部にチャンバーを画定し、該チャンバーと流体的に連通する複数のセンサ入口部を有するセンサ本体と、
   前記チャンバー内に配置された導電性偏向ダイアフラムと、
   前記ダイアフラムに対向して前記チャンバー内に配置され、前記ダイアフラムの偏向によって少なくとも一つのプレートとダイアフラムとの間で容量を変化させるように配置された少なくとも一つの容量性プレートと、
   前記少なくとも一つのプレートとダイアフラムとの間に挿設された非導電層と、を含む容量性圧力センサと、
   前記複数のセンサ入口部の一つ、およびプロセス媒体源に連結されて、プロセス媒体を測定ダイアフラムと直接接触させるように構成されたプロセス媒体入口部と、
   前記複数のセンサ入口部の他のものに連結された第二のトランスミッタ入口部と、
   前記容量性圧力センサのキャパシタンスに基づいてセンサ信号を発生するように前記容量性圧力センサに連結されたセンサ回路と、
   プロセス通信ループを経て、センサ信号に関連する情報を伝送するように前記センサ回路に連結されたトランスミッタ回路とで構成されることを特徴とする容量性圧力トランスミッタ。
2. 前記第二のトランスミッタ入口部はプロセス媒体源へ連結されるように構成され、前記センサ信号はプロセス媒体入口部と第二のトランスミッタ入口部との間での差圧を示すことを特徴とする請求項１に記載のトランスミッタ。
3. 前記非導電層は酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載のトランスミッタ。
4. 前記酸化物は酸化シリコンであることを特徴とする請求項３に記載トランスミッタ。
5. さらにプロセス媒体入口部と前記複数のセンサ入口部の一つとの間に流体的に挿設されたフィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載のトランスミッタ。
6. 前記フィルタは約７０ミクロン以上の粒子を通過させないことを特徴とする請求項５に記載のトランスミッタ。
7. 前記フィルタは約４５ミクロン以上の粒子を通過させないことを特徴とする請求項６に記載のトランスミッタ。
8. 容量性圧力トランスミッタであって、
   導電偏向測定ダイアフラムの側部に流体的に連結される第１と第２のセンサ入口部を有する容量性圧力センサと、
   プロセス流体入口部と、前記第１のセンサ入口部に連結されたアイソレータ流体出口部とを有し、さらに、プロセス流体入口部をアイソレータ流体出口部から流体的に隔離するが、プロセス流体入口部での圧力に関連する圧力を該アイソレータ流体出口部で提供するように配置されたアイソレータダイアフラムを具備する内蔵アイソレータと、
   前記第２のセンサ入口部に連結された第２のトランスミッタ入口部と、
   前記容量性圧力センサのキャパシタンスに基づいてセンサ信号を発生するように前記容量性圧力センサに連結されたセンサ回路と、
   プロセス通信ループを経て前記センサ信号に関連する情報を伝送するために、前記センサ回路に連結されたトランスミッタ回路とで構成されることを特徴とする容量性圧力トランスミッタ。
9. 前記第２のトランスミッタ入口部は第２の内蔵アイソレータの一部であり、前記第２の内蔵アイソレータは前記第２のセンサ入口部に連結されたアイソレータ流体出口部を具備し、 前記内蔵アイソレータは該第２のトランスミッタ入口部を前記アイソレータ流体出口部から流体的に隔離するように配置されたアイソレータダイアフラムを具備し、かつ第２のトランスミッタ入口部の圧力に関連する圧力を該アイソレータ流体出口部に提供し、
   前記第２のトランスミッタ入口部はプロセス媒体源へ連結され、前記センサ信号はプロセス媒体入口部と第２のトランスミッタ入口部との間での差圧を示すことを特徴とする請求項８に記載のトランスミッタ。
10. 前記内蔵アイソレータは充填流体を含むことを特徴とする請求項８に記載のトランスミッタ。

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