JP2009250969A - 絶対圧を測定するための圧力センサアセンブリ - Google Patents

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Abstract

【課題】極度の環境条件下で使用可能な絶対圧変換器を提供する。
【解決手段】被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力する絶対圧変換器が提供される。圧力変換器は、プロセスに接続可能な圧密な圧力ポート312と、圧力センサ1,2及び共通の回路基板4を収容するハウジング3と、プロセス圧及びハウジング内の雰囲気圧の間の差をアナログ的に検出する第1圧力センサ1と、ハウジング内の雰囲気圧を絶対圧として検出する第2圧力センサ2とからなり、共通の回路基板4は、第1圧力センサ及び第2圧力センサの両方に接続され、さらにデータ処理ユニットを有する。ここで、第2圧力センサは、雰囲気圧を示す電気的信号を出力すべく適用される。回路基板は、アナログ的に検出された圧力差をデジタル信号に変換し、第1及び第2圧力センサからの信号に基づいてプロセスの絶対圧を算出し、プロセスの絶対圧を示す信号を出力する。
【選択図】図1

Description

本発明は、絶対圧を測定するための絶対圧変換器に係り、特に、少なくとも二つの圧力センサの組によって被測定プロセス(測定されるべきプロセス)の絶対圧を測定するための絶対圧変換器に関する。
絶対圧を測定するため、特許文献1は、図2に見られるような、複数のピエゾ抵抗圧力センサの組み合わせからなる一体マルチセンサを述べている。圧力センサの組み合わせは、相対圧センサ91と絶対圧センサ92とを含む。両センサは同一の基板に一体化され、例えばエッチングによって製造される。相対圧センサ91は被測定プロセスと大気圧との間の差圧を測定する。他方、絶対圧センサ92は、大気圧と、例えば真空といった気密の密閉空間との間の差圧を、大気圧として測定する。両センサから発出される圧力信号は、被測定プロセスの絶対圧を得るべく、互いに処理される。
類似したピエゾ抵抗センサのセンサ組が、特許文献2及び3でさらに述べられている。しかしながら、ピエゾ抵抗センサは非常に感温性が高く、温度補正計算のための温度センサをさらに要するのが通常である。また、ピエゾ抵抗センサは小さな負荷信号しか出力することができない。それ故、弱センサ信号を増幅するため、電力を消費する信号増幅器が必要となる。
さらに、ピエゾ抵抗センサは耐媒質性についてとても優れているという訳ではなく、あらゆる環境条件で使用できず、例えば海底に存する条件等では使用できない。
ピエゾ抵抗絶対圧センサの更なる問題は、例えばメンブレンを通ずる拡散等により、気密の参照圧力スペースにガスが徐々に侵入できるという中で見られる。これによって当該スペースの参照圧力が時間とともに変化し、不利的にも測定結果をひずませる。
さらなる圧力変換器の公知例は、同一ハウジング内に配置された二つの圧力センサの組である。一つめのセンサは、被測定プロセスの圧力を相対圧力値として測定し、二つめのセンサはハウジング内の雰囲気圧力を直接測定し、ハウジングは、ゴアテックス(登録商標)メンブレン(Goretex-membrane)等により外部に対して部分的に透過性を有し、これによりハウジング内部の雰囲気圧力は外部の圧力に対応する。よって、絶対的なプロセス圧力は、両センサから発出された信号に基づいて計算され得る。しかしながら、この種の圧力変換器も、ハウジングが外部に対して気密密閉されていないので、極度の圧力雰囲気において使用することができない。
独国特許出願公開第10 2004 021 041 A1号明細書 独国特許出願公開第41 08 989 A1号明細書 独国特許出願公開第696 27 645 T2号明細書
本発明の目的は、前述の従来技術の問題を回避し得る改良された絶対圧変換器を提供することにある。
上記目的は、請求項1の特徴を有する絶対圧変換器によって達成される。ここで、絶対圧変換器は、被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力するために用いられる。好ましくは、出力信号はアナログ信号である。代替例として、もし望まれるならば、圧力変換器はデジタル信号を出力することも考えられる。
絶対圧変換器は、圧密な圧力ポートと、第1圧力センサと、第2圧力センサと、両センサに接続された回路基板と、両センサ及び回路基板を収容し、圧力ポートを一体的に形成するハウジングとを備える。
圧力ポートは好ましくは金属材料から作られる。これは、ネジ接続による気密な方法で、被測定プロセスに接続されることができる。プロセス圧は圧力通路を通じて第1圧力センサに送られる。
ここで、第1圧力センサは、その一方の側部がプロセス圧に露呈し、他方の側部がハウジング内の雰囲気圧に露呈するように、ハウジング内に配置される。これにより、センサの一部、即ちセンサメンブレンが、プロセス圧と雰囲気圧の間の圧力差に応じて変形され得る。この差は、種々のタイプの測定要素によって測定されることができる。第1圧力センサが金属材料から作られたメンブレンセンサタイプである場合、メンブレンの変形を検出するための測定要素として、スパッタリングによって蒸着された複数の抵抗膜が採用される。金属材料は耐腐食性の貴金属等であってもよい。
代替的に、第1圧力センサはセラミックメンブレンセンサであってもよく、これは、メンブレンの変形を検出するための測定要素として、複数の変形感受性厚膜層を備える。
しかしながら、メンブレンの変形を測定することによる圧力検出のため、あらゆる公知の変形測定要素を用いることができる。
メンブレン変形を測定した後、第1圧力センサは回路基板にアナログ信号を出力する。
他方、第2圧力センサは、ハウジング内の雰囲気圧を、第1センサのメンブレンの一側部に作用する圧力である絶対圧として、検出するために用いられる。ここで、第2圧力センサは、雰囲気圧を示す電気的信号を出力するセンサである。好ましくは、第2圧力センサの電気的信号は、0.1mA未満の電力消費量で、デジタル形式で直接的に出力される。このデジタル信号は回路基板に出力される。好ましくは、第2圧力センサは、モノリシックに一体化された圧力センサである。この種のセンサは、例えば気圧計や高度計の機能を持った腕時計における圧力測定のため、入手可能である。
圧力センサと回路基板の両方は、配線によって互いに接続され、金属ハウジング内に収容される。ハウジングは好ましくは筒状であり、実質的に二つの部分、即ち回路基板を支持し且つ少なくとも二つの圧力センサを支持する主部と、絶対圧信号を外部に出力する端子を備えた頂部とによって形成されることができる。本体の下部は、圧力ポートを形成し、それの中心位置に形成された圧力通路と、それの外周面における被測定プロセスに接続するためのネジとを有する。ハウジングは好ましくは、外部に対してシールされることにより、例えばハウジングの二つの部分を溶接等によって互いに密閉状態で接合することにより、高い保護等級に相当する。
回路基板は、データ処理ユニットを備え、次の機能その他を有する。(a)アナログ的に検出された圧力差のデジタル信号への変換。(b)第1及び第2圧力センサからの信号に基づく絶対プロセス圧の算出。(c)被測定プロセスの絶対圧を示す信号の出力。信号は好ましくは、ツーワイヤシステムにより、絶対圧変換器の外部に位置された制御ユニット等に送られる。信号がアナログ信号である場合、回路基板は4〜20mA規格に従うアナログ信号を出力する。
第3圧力センサが、ハウジングの外側に配置されそれに取り付けられてもよい。第3センサは、ハウジングの周囲の外部圧力を検出する。第3圧力センサによって出力された圧力信号は、絶対プロセス圧の算出の精度を高めるための補正値として使用されることができる。
さらに好ましくは、絶対圧変換器は、回路基板によって実行される内部温度補正を備えてもよい。雰囲気温度を測定する温度センサが用いられてもよい。さらに好ましくは、絶対圧変換器は、4mA未満の総電力消費を有する。この相当低い電力消費は、前記第2圧力センサを用いることによってなされ得る。なぜなら、それが測定に多くのエネルギを要さず、その出力信号が既にデジタルであり、回路基板によって処理される前のA/D変換を必要としないからである。それ故、前述のような第1及び第2圧力センサの組み合わせは、相当低い電力消費を有し、よってツーワイヤシステムに非常に適している。
本発明は、添付図面を用いた好適実施形態によって説明される。
図1に示されるように、本発明の好適実施形態に係る絶対圧変換器は、実質的に円筒状のハウジング3を有し、ハウジング3は、ハウジングの主部としてのハウジング主本体31と、ハウジングプラグ32及び固定スリーブ33により形成される頂部からなる。圧力変換器の組立状態において、ハウジング主本体31とハウジングプラグ32とは互いに嵌め込まれ、Oリング等のシールリングが気密接続のために用いられる。さらに、固定スリーブ33が、主本体31とプラグ32の両方の周りに取り付けられ、溶接等によって主本体31に固定される。別のシールリングが、固定スリーブ33に対抗してプラグ32を気密にシールする。これにより、ハウジング3は、好適に、高い保護等級に相当することとなる。
ハウジング主本体31は、実質的に円筒状の形状を有し、幾つかの部分は異なる直径を有する。底部から頂部にかけて、最下部(表現「下」は、図1の鉛直方向における下側に相当する)は、圧力ポート312であると共に、その外周面に形成されたネジを有し、ネジは、圧力変換器を非測定プロセスの対応するプロセスポート(図示せず)に接続するために使用可能である。圧力ポート312の隣には、圧力ポート312より大きな外径を有し且つ凹部が形成されたさらなる部分がある。凹部は、圧力ポート312の外周のネジ加工中における逃げとして使用される。
ハウジング主本体31の最上部は、第1センサ1、第2センサ2及び回路基板4を収容すべく形成された内部空間を有する。内部空間はハウジング主本体31の上側に開放している。ハウジング主本体31の上端部は、主本体31及びプラグ32の組立てを容易にすべく、内側がテーパ状に形成されている。
また、ハウジング3には圧力通路311が形成され、圧力通路311は、主本体31の内部空間とプロセスポートの間の接続を可能にする貫通孔である。ハウジングプラグ32はこれに固定された端子6を有し、端子6は、ツーワイヤシステム(二線方式、two-wire system)5によって回路基板4と接続されている。さらに、ハウジングプラグ32には、内ネジを有する穴7が形成され、穴7は、圧力変換器と制御ユニット(図示せず)等との間のハーネスを固定するためのものである。
回路基板4は、内部空間の内周に形成された段部313に配置される。主本体31とプラグ32の組立て後には、回路基板がこれらの間に固定保持のため挟持される。第1センサ1は、溶接等により、ハウジング主本体31の内部空間の底面の凹部314に気密に取り付けられ、その一方の側部が圧力通路311に露呈される。第1センサ1の他方の側部は、気密に閉じられたハウジング内で雰囲気圧に露呈され、これにより第1圧力センサ1はプロセス圧と雰囲気圧との間の差を測定する。第1圧力センサ1は、回路基板4に配線により電気的に接続され、回路基板4にアナログ信号を出力する。
本実施形態において、第2センサ2は、回路基板4の下側に直接的に配置されると共に、それに電気的に接続される。第2圧力センサ2は、モノリシックに一体化されたタイプ(monolithically integrated type)であり、これは、ハウジング3内の相対的な雰囲気圧を、参照圧としてのモノリシック一体化圧力チャンバ内の絶対圧と比較することにより、ハウジング3内の絶対的な雰囲気圧を測定する。第2圧力センサ2がデジタル信号を直接的に出力するよう用いられていることから、出力信号のためのA/D変換器は必要ない。これにより、第2圧力センサ2の電力消費は、例えば0.1mA未満といった非常に低いレベルに維持されることができる。この種のセンサが、商業的に入手可能であり、気圧計や高度計の機能を持った腕時計に用いられていることに留意されたい。
回路基板4は、データ処理ユニットを備えると共に、第1圧力センサ1からのアナログ信号をA/D変換し且つ第2圧力センサ2から直接発されたデジタル信号を受けるべく適用される。次に、被測定プロセスの絶対プロセス圧がそれら信号に基づいて算出され、最後に、プロセスの絶対圧を示すアナログ信号が出力される。この信号は、絶対圧変換器の外部の制御ユニット(図示せず)に、ツーワイヤシステム5と、ハウジングプラグ32に一体的に形成された端子6とを通じて、送られることができる。ここで、回路基板4は、ツーワイヤシステム5により、4〜20mA規格(standards)に従うアナログ信号を出力する。
さらなる実施形態
好適実施形態において、第2圧力センサ2は回路基板4の下側に配置された。代替的に、第2圧力センサ2は、回路基板4のどの位置に配置されてもよく、或いはハウジング3内の他の位置に配置されてもよい。
また、好適実施形態において、回路基板4から出力される信号はアナログ信号であった。しかしながら、この信号はデジタル信号であっても良い。
ハウジング3とその幾つかの部分は、好適実施形態において、実質的に円筒形状に形成されていた。代替的に、それはいかなる種類の形状であってもよく、例えば矩形や多角形等であってもよい。後者の場合において、形状は、レンチの使用に適したものであってもよい。また、外ネジの代わりに、圧力ポート312はロックナット等でプロセスポートに接続可能であってもよい。
さらなる実施形態において、外部圧力を検出するため、第3センサがハウジング3の外側に配置されてもよく、それはおそらくハウジング3に取り付けられる。センサ値は、前記絶対プロセス圧の測定精度を向上するための補正値として用いられてもよい。
また、本発明の圧力変換器はツーワイヤシステム5を伴う使用に限定されない。代替的に、スリーワイヤシステム(三線方式、three-wire system)等との組み合わせで使用されることもできる。
内部温度補正関数としての圧力センサの温度依存を補正できるようにするため、圧力変換器は、ハウジング内に温度センサを備えてもよい。
概して、圧力変換器の主な利点は、ツーワイヤシステム適用可能性を維持すべく総電力消費が4mAを超えないよう、限定された数のセンサを用いたときのみ、得られる。
本発明による絶対圧変換器は流体圧のあらゆる圧力測定に使用可能である。特にそれは、例えば水底における沖合の水深測量術といったような、極度の環境条件の下で使用可能である。この場合、第1圧力センサのメンブレンの一側部は、海水に露呈され、それ故、第1センサは、ハウジング内の雰囲気圧力と、海底での水圧との間の差を測定する。ここで、絶対圧変換器は、海面上の受信機に通常接続されている。さらに、第3センサが、海面上の受信機に一緒に配設されてもよく、その信号は補正値として用いられることができる。
本発明は、前述のような実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲にて実行されるような本発明の範囲に属する様々な実施形態にも適用可能である。
被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力する絶対圧変換器が提供される。圧力変換器は、プロセスに接続可能な圧密な圧力ポートと、圧力センサ及び共通の回路基板を収容するハウジングと、プロセス圧及びハウジング内の雰囲気圧の間の差をアナログ的に検出する第1圧力センサと、ハウジング内の雰囲気圧を絶対圧として検出する第2圧力センサとからなり、共通の回路基板は、第1圧力センサ及び第2圧力センサの両方に接続され、さらにデータ処理ユニットを有する。ここで、第2圧力センサは、雰囲気圧を示す電気的信号を出力すべく適用される。回路基板は、アナログ的に検出された圧力差をデジタル信号に変換し、第1及び第2圧力センサからの信号に基づいてプロセスの絶対圧を算出(決定)し、プロセスの絶対圧を示す信号を出力する。
本発明に従う絶対圧変換器の好適実施形態を組立状態で示す断面図である。 従来技術に従うセンサアセンブリの比較例を示す図である。

Claims (14)

  1. 被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力する絶対圧変換器であって、
    前記プロセスに接続可能な圧密な圧力ポート(312)と、
    第1圧力センサ(1)、第2圧力センサ(2)及び共通の回路基板(4)を収容するハウジング(3)と
    を備え、
    前記第1センサ(1)は、前記プロセスの圧力及び前記ハウジング(3)内の雰囲気圧の間の差をアナログ的に検出し、
    前記第2センサ(2)は、前記ハウジング(3)内の雰囲気圧を絶対圧として検出し、
    前記共通の回路基板(4)は、前記第1圧力センサ(1)及び前記第2圧力センサ(2)の両方に接続されると共に、データ処理ユニットを有し、
    前記第2圧力センサ(2)は、前記雰囲気圧を示す電気的信号を出力すべく適用され、
    前記回路基板(4)は、前記アナログ的に検出された圧力差をデジタル信号に変換し、前記第1及び第2圧力センサ(1,2)からの信号に基づいて前記プロセスの絶対圧を算出し、前記プロセスの絶対圧を示す信号を出力する
    ことを特徴とする絶対圧変換器。
  2. 前記絶対プロセス圧を示す信号がアナログ信号であることを特徴とする請求項1記載の絶対圧変換器。
  3. 前記回路基板(4)が、前記絶対プロセス圧を示す4〜20mA規格に従う前記アナログ信号を出力することを特徴とする請求項2記載の絶対圧変換器。
  4. 前記第2圧力センサ(2)の前記電気的信号が、0.1mA未満の電力消費量で、デジタル形式で直接的に出力されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  5. 前記絶対プロセス圧を示すアナログ信号が、ツーワイヤシステム(5)により制御ユニットに送られることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  6. 前記第2圧力センサ(2)がモノリシックに一体化された圧力センサであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  7. 前記ハウジング(3)の外側に配置された第3センサが外部圧力を検出し、当該外部圧力が、前記絶対プロセス圧を算出するための補正値として使用されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  8. 前記第1圧力センサ(1)が、金属材料から作られるメンブレンセンサであり、メンブレンの変形を検出するため、スパッタリングによって蒸着された複数の抵抗膜を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  9. 前記金属材料が耐腐食性の貴金属であることを特徴とする請求項8記載の絶対圧変換器。
  10. 前記第1圧力センサ(1)が、セラミックメンブレンセンサであり、メンブレンの変形を検出するため、複数の変形感受性厚膜層を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  11. 前記ハウジング(3)が、外部に対してシールされることにより高い保護等級に相当することを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  12. 前記ハウジング(3)と前記圧力ポート(312)が金属材料から作られることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  13. 内部温度補正を備えることを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の絶対圧変換器。
  14. 4mA未満の総電力消費を有することを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の絶対圧変換器。
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