JP2009282034A - 危険な用途に用いられるゲージ式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性流体に使用される圧力センサの防爆構造を提供する。
【解決手段】センサハウジング７４と、第一の圧力入力部７６および第二の圧力入力部９８を有するゲージ感圧素子８０とを備えた圧力ゲージ式圧力センサ８０を用いる。第一の圧力入力部７６はプロセス流体と関連付けされ、第二の圧力導入部９８は大気圧と関連づけされている。センサハウジング内に配置された火炎防止装置１００は、第二の圧力入力部９８を防炎型デバイス１００の内部と流体力学的に連通させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的に圧力センサに関するものであり、特に、危険な用途に用いられる圧力センサに関するものである。

通常、圧力センサは、たとえばオイル、水、ガスなどの如きプロセス流体の圧力および流れを監視および／または制御するために用いられる。ほとんどの場合、圧力センサは、プロセス流体流路に対して直列に設けられる流体流量調整器にとって不可欠のものである。他の場合においては、圧力センサは、調整機能を実行しないもののプロセス流体流路に対して直列に付与されるまたは直列に設けられる監視デバイスにとって不可欠のものである。たとえば、フィッシャーコントロールズインターナショナル社（Ｆｉｓｈｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．）により提供されているレグフロー（登録商標）ファミリー（ＲｅｇＦｌｏＴＭ ｆａｍｉｌｙ）に属する流量監視デバイス（および、具体的にはＲＦ１００シリーズの流量監視デバイス）は、インレット圧力センサ、アウトレット圧力センサ、および補助圧力センサを備えており、これらのすべては、ネジ接続手段により一体的に取り付けられうる。

可燃性プロセス流体（たとえば、可燃性ガス）の分配などの如きある種の産業用途においては、防爆の格付けまたは防炎の格付けを受けた調整器、感知デバイスなどが必要となる。調整器の場合、防爆の格付けまたは防炎の格付けを受けるためには、調整器ハウジング内に蓄積される可燃性プロセス流体は適切に周囲環境へまたは大気へ排気（ｖｅｎｔ）されなければならない。一般的に、大気への排気は、可燃性プロセス流体が調整器ハウジング内に蓄積されるという危険性を防止し、調整器ハウジング内において発生する燃焼プロセスが調整器を取り巻く周辺環境へ転移して燃焼プロセスが大きくなることを防止するように構成されている。たとえば、必要な大気への排気を実現するために、（半多孔性でありかつ十分に炎路を最小限に抑える）一または複数の焼結金属製の火炎防止装置が用いられうる。

公知の防爆型および防炎型の流量調整器、流量監視器などは、通常、大気への排気を必要としない一または複数の絶対圧力センサを用いるように構成されている。公知のように、絶対圧力センサは通常ダイアフラムを備えており、当該ダイアフラムは、その対向する面の間の差圧に比例して反り返るようになっている。絶対圧力センサの場合、ダイアフラムの基準面または基準側がシーリングされたチャンバにさらされており、ダイアフラムの他方側または他方の面が測定中のプロセス流体により与えられる圧力にさらされている。絶対圧力センサのダイアフラムの基準面または基準側を大気へ排気させる必要がないので、調整器または監視器のハウジングに対して、これらの調整器または監視器の防爆格付けおよび防炎格付けを損なうことなく絶対圧力センサを取り付けることは比較的容易なことである。

残念なことに、理想をいえば、絶対圧力センサは、たとえば天然ガスを分配する用途の如き低い圧力のプロセス流体の測定を必要とするような用途おける利用には適していない。具体的にいえば、ダイアフラムの基準側または基準面がほぼ大気圧でシーリングされているので、通常、絶対圧力センサは、１気圧（すなわち、約１５パウンド／平方インチの絶対圧）をかなり上回る圧力のみを正確に検出することが可能である。

その一方、ゲージ式圧力センサは、比較的に低い圧力を正確に測定するのに非常に適している。しかしながら、ゲージ式圧力センサ内のダイアフラムの基準面または基準側を大気へ排気しなければならない。したがって、ゲージ式圧力センサを、防爆型および防炎型の調整器および監視器とともに通常用いられる絶対圧力センサと、その防爆格付けおよび防炎格付けを妥協させることなく取り替えることは容易なことではない。

さらに、ゲージ式圧力センサは、通常、センサハウジングの小さな開口部を介して大気へ通常排気されており、当該センサハウジングは、ゲージ式圧力センサおよび当該ゲージ式圧力センサに関連づけされている調整器または監視器を取り囲む周辺環境にさらされている。したがって、通常、液体（たとえば、水）に浸液させることになる調整器および／または監視器の用途ではゲージ式圧力センサを用いることはできない。たとえば、地下において用いるときはほとんどの場合には、周期的または連続的に調整器（およびそれに取り付けられたセンサなどの如きデバイス）を浸水させることが伴う。

一つの態様によると、圧力センサは、チャンバを有する防爆型装置に用いられるものであって、ハウジングと、第一の圧力インレットおよび第二の圧力インレットを有するゲージ感圧素子とを備えうる。さらに、第一の圧力インレットは測定される圧力と関連づけされうるし、第二の圧力インレットは大気圧と関連づけされうる。さらに、かかる圧力センサは、ハウジング内に配置されるとともに第二の圧力インレットと流体力学的に連通する火炎防止装置（「フレイムアレスタ」ともいう）を備えうる。

他の態様によれば、防爆型デバイスは、ハウジングの内部チャンバを大気圧に対して排気させる第一の火炎防止装置を有したハウジングを備えうる。さらに、防爆型デバイスは、第二の火炎防止装置と、第一の圧力入力部および第二の圧力入力部を有するゲージ感圧素子とを有した圧力センサ組立体を備えうる。第一の圧力入力部は、プロセス流体を受け入れるように構成されたポートと流体力学的に連通しうるし、また、第二の圧力入力部は、第二の火炎防止装置と流体力学的に連通しうる。さらに、第二の火炎防止装置は、内部チャンバと流体力学的に結合されうる。

さらに他の態様によれば、ゲージ式圧力センサに用いられる火炎防止装置は円柱状の本体部を備えうる。この円柱状の本体部は、貫通路を有し、ゲージ式圧力センサ組立体内に配置されるように構成されている。かかる火炎防止装置は、ゲージ式圧力センサ内の感圧素子に関連する少なくとも一つの電気信号を搬送するように構成されているとともに貫通路を通っている複数の防炎型電気コネクタを備えうる。

防爆型デバイスとともに用いられうる公知の絶対圧力センサ組立体を示す断面図である。 図１に示された絶対圧力センサ組立体が装着されている公知の防炎型組立体を示す断面図である。 ゲージ式圧力センサ組立体の一例が装着されている防炎型組立体の一例を示す断面図である。

図１は、防爆型デバイスとともに用いられうる公知の絶対圧力センサ組立体10を示す断面図である。図１に示されているように、この圧力センサ組立体10は、円柱状のセンサハウジング12と、センサ部分組立体14と、当該センサ部分組立体14に対してまたは当該センサ部分組立体14から電気信号を搬送する複数の電気コネクタ16と、当該電気コネクタ16がセンサハウジング12から出るときに当該電気コネクタ16のひずみを取り除くためのグロメットまたはひずみ取り除き用プラグ18とを備えている。このひずみ取り除き用プラグ18は、センサハウジング12の中へのまたはセンサハウジング12から外へのプロセス流体の入出を防止するためのシーリングを形成するために用いられてもよい。

センサ部分組立体14は、入力ポートまたはアダプタ20と、Ｏ−リングまたは他の環状のシール22と、感圧素子24とを備えている。この入力ポートまたはアダプタ20は、ハウジング12にネジ込まれてもよいしまたは圧入されてもよいし、さらに、センサ組立体10をプロセス流体に接続するための内側ネジ山26を有していても構わない。この入力ポートまたはアダプタ20は、プロセス流体に関連する圧力を感圧素子24に伝達または伝えるように構成されている。Ｏ−リングまたは他の環状のシール22は、プロセス流体が感圧素子24を迂回してセンサハウジング12の底部28に侵入（または底部28を汚染）することを防止するように、および／または、センサ組立体10が装着されているデバイスを汚染することを防止するように構成されている。

感圧素子24は、ダイアフラムの対向する面の間の差圧に応じて反り返るかまたは他の方法で応答するダイアフラムを有したシリコンベースの絶対圧力センサであってもよい。さらに詳細にいうと、感圧素子24は、当該感圧素子24の第一の面30と第二の面32との間の圧力の変動に応答して変動可能な抵抗出力および／または容量出力を生成する。具体的にいえば、図１に示されているように、感圧素子24の第一の面30は、通路34を通じてプロセス流体にさらされている。図示されていないが、感圧素子24の第二の面32は、約１気圧に加圧されたシーリング済の内部チャンバにさらされている。したがって、プロセス流体に関連する圧力が１気圧を超えて変化すると、感圧素子24に関連する抵抗および／または容量が変化し、電気コネクタ16を通じて検出されうる。

図２は、図１に示されている絶対圧力センサ組立体10が装着された公知の防爆型組立体50を示す断面図である。図２に示されている防爆型組立体50は、潜在的に爆発性のあるプロセス流体の圧力および／または流量を調整および／または監視するプロセス流量調整器および／または監視デバイスであってもよい。絶対圧力センサ組立体10は、防爆型組立体50のハウジング部52に装着される。さらに、防爆の格付けを取得するために、ハウジング部52は、周囲環境に対してシーリングされ、火炎防止装置54および大気開放路または大気開口部56を通じて排気されるようになっている。このようにして、ハウジング部52内に蓄積されたプロセス流体が、燃焼した場合に、防爆型組立体50を取り囲む環境または周囲へ伝搬することが防止される。

圧力センサ組立体10が絶対圧力を検出または感知するように構成されているので、当該圧力センサ組立体10は、ハウジング部52に対してシーリングされており、よって、潜在的に爆発の可能性のあるプロセス流体が圧力センサ組立体10内に蓄積することはない。

図３は、防爆型組立体70の一例を示す断面図であり、この防爆型組立体の一例70は、ゲージ式圧力センサ組立体72の一例が装着されているとともに内部チャンバ71を備えている。ゲージ式圧力センサ組立体の一例72は、入力部76および取付部を有するハウジング74と、ゲージ感圧素子80と、印刷回路組立体82と、火炎防止装置84とを備えている。

ハウジング74の入力部76は、配管用標準ネジ規格に従うプロセス流体用１／４インチコネクタ（１／４ ｉｎｃｈ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｉｐｅ Ｔｈｒｅａｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｕｉｄ）を収納するように構成されている内側ネジ部86を備えうる。しかしながら、これに代えて、他の接続機構またはコネクタ構造を用いてもよい。たとえば、ハウジング74の入力部76は、可撓性ゴムチューブまたはプラスチックチューブとともに用いられるかかり付きのフィッティング、金属製のチューブおよび／もしくはコネクタとともに用いるくい込み式のフィッティング、またはプロセス流体とともに用いるようにデザインされたその他所望のカップリングを備えていてもよい。

ハウジング74の取り付け部78は、おおむね円柱状の形状をしているとともに外側ネジ山88を有している。この外側ネジ山88により、ゲージ式圧力センサ組立体72を、天然ガスとともに用いられる流量調整器および／または監視器などの如き防爆型デバイスと関連づけされうる防爆型ハウジング90に対してねじ込むことが可能となる。もちろん、取り付け部78は、かならずしもネジ式に係合する必要はなく、他の方法で、センサ組立体72防爆型ハウジング90に取り付けてもよい。たとえば、取り付け部78は、防爆型ハウジング90にセンサ組立体72を固定させるために、圧入（ｐｒｅｓｓ−ｆｉｔ）用に構成されてもよい。所望な場合には、この圧入には、ハウジング90および／もしくはセンサハウジング74の、クリンプ（ｃｒｉｍｐ）、スタッブイン（ｓｔａｂ−ｉｎ）、または、他の機械的変形が含まれてもよい。これに代えてまたはこれに加えて、防爆型ハウジング90にセンサ組立体72を固定するために、接着剤、溶接などが用いられてもよい。いずれの場合であっても、センサハウジング74の取り付け部78は、カナダ規格協会（ＣＳＡ）の炎路に関する必要条件を充足して防爆型ハウジング90と結合するように構成されることが好ましい。この炎路に関する必要条件によれは、たとえば取り付け部78と防爆型ハウジング90との間の最大ギャップは０．１ミリメートルであることが要求される。

さらに、センサハウジング74は、防爆型ハウジング90に対してセンサ組立体72を締め付けるのにあたって、機械的停止部となる肩部、つば、またはフランジ92を備えうる。さらに、この肩部92は、ＣＳＡの炎路に関する必要条件を充足することを可能とするために、防爆型ハウジング90に対して変形するようにまたは他の方法でシーリングを行うように機能しうる。

ゲージ感圧素子80は、圧力の変化に応じたダイアフラムの反り返りを検出するために可変抵抗および／または可変容量を用いるシリコンベースのデバイスなどを含む、いかなる所望のゲージ感圧デバイスであってもよい。具体的にいえば、感圧素子80の第一の圧力インレット、第一の圧力面、または第一の圧力側94は、開口部96を介して、プロセス流体に関連する圧力にさらされている。さらに、感圧素子80の第二の圧力インレット、第二の圧力面、または第二の圧力側98は、防爆型ハウジング90の内部圧力にさらされている。この内部圧力は、第二の火炎防止装置100および通気口102を通じて周囲の大気の圧力に維持されている。感圧素子80は、プリント回路組立体82に直接半田付けされる導線を有しうるし、また、保持リング、波形のワッシャまたはスプリングなどの如き保持機構104は、図示されているように、ハウジング74内に印刷回路組立体82および感圧素子80を保持するために用いられうる。上記の感圧素子は、天然ガス分配用途の如き比較的低い圧力を制御および／または監視することが必要とされる用途に圧力センサ組立体72が用いられる場合には、０〜３ポンド／平方インチのセンサであることが好ましい。

好ましいもののこれに限定されるわけではないが、火炎防止装置84は、円柱形状を有し、焼結金属からなっている。しかしながら、これに代えて、他の形状および／または材料を用いてもよい。この火炎防止装置84は、ＣＳＡの炎路に関する必要条件（たとえば、火炎防止装置84とハウジング74との間の接合部の長さに沿ったギャップが０．１ミリメートル未満であること）を充足するように、そのサイズが決められ、その構成がなされている。感圧素子80に対するまたは感圧素子80からの電気信号の伝達を可能とするために、複数の防炎型電気コネクタ106が火炎防止装置84を貫通している。好ましいもののこれに限定されるわけではないが、電気コネクタ106は、防炎の格付けを取得するために任意の所望の技術を用いてガラス張りにされうる火炎防止装置84内の一または複数の開口部または通路（図示せず）を通っている。図３に示されているように、第二の保持リング108または他のデバイスを用いて、ハウジング74内に火炎防止装置84を固定または保持してもよい。

また図３に示されているように、ハウジング90内において爆発が発生した場合の過剰な圧力から防御するために、バックアップまたはバックストップ110が設けられうる。好ましくは、バックストップ110は、感圧素子80内のダイアフラムがハウジング90の定格爆圧の少なくとも４倍の圧力を（受けた場合でも）耐えることができるように、そのサイズが決められ、その構成がなされている。

したがって、図３に示されているゲージ式圧力センサ組立体72は、たとえばハウジング74の入力部76を通じて、プロセス流体に関連する第一の圧力と流体力学的に連通している。さらに、ゲージ式圧力センサ組立体72は、火炎防止装置84、センサハウジング90、ならびにこのセンサハウジング90と関連づけされている第二の火炎防止装置100および通気口102を通じて、大気圧と流体力学的に連通している。このようにして、図３に示されているような複数のゲージ式圧力センサ組立体72は、それらが装着されている防爆型ハウジングを通じて、また、第二の火炎防止装置100および通気口102により提供されるような共通防爆型ハウジング用通気口を通じて、大気圧に対して排気されうる。このような共通排気構造は、防爆型ハウジング90の浸液が必要な用途においてとくに有効でありうる。というのは、共通通気口のみが、防爆型ハウジングが浸液する液体の表面より上方に延びていればよいからである。

本明細書では、特定の方法および装置が記載されたが、本発明の範囲はこれらに限定されるわけではない。それどころか、本発明は、文字通りにまたは均等論に従って添付のクレームの範囲に適正に該当するすべての方法、装置、および製品を網羅するものである。

Claims (19)

1. チャンバを有する防爆型装置に用いられる圧力センサであって、
   ハウジングと、
   第一の圧力インレットおよび第二の圧力インレットを有するゲージ感圧素子と、
   前記ハウジング内に配置され、前記第二の圧力インレット及び前記防爆型装置の前記チャンバと流体力学的に連通する火炎防止装置（フレイムアレスタ）とを備えており、
   前記第一の圧力インレットが測定される圧力と関連づけされ、前記第二の圧力インレットが大気圧と関連づけされるように構成される、圧力センサ。
2. 前記火炎防止装置が、前記ゲージ感圧素子への複数の防炎型電気コネクタを有してなる、請求項１記載のセンサ。
3. 前記複数の電気コネクタがそれぞれ前記火炎防止装置内のガラス張りされた開口部を通過するように構成される、請求項２記載のセンサ。
4. 前記ハウジングが、可燃性のプロセス流体を受け入れるように構成された接続手段を有してなる、請求項１記載のセンサ。
5. 前記接続手段がネジ係合を含んでなる、請求項４記載のセンサ。
6. 前記圧力センサが、爆圧に対して前記感圧素子を保持するための停止部を有してなる、請求項１記載のセンサ。
7. 前記火炎防止装置が焼結金属からなる、請求項１記載のセンサ。
8. 前記火炎防止装置が円柱形状を有してなる、請求項１記載のセンサ。
9. 前記ゲージ感圧素子がシリコンベースである、請求項１記載のセンサ。
10. 第一の火炎防止装置を有するハウジングと、
    第二の火炎防止装置ならびに第一の圧力入力部および第二の圧力入力部を有するゲージ感圧素子を有する圧力センサ組立体とを備えており、
    前記第一の圧力入力部が、プロセス流体を受け入れるように構成されたポートと流体力学的に連通し、前記第二の圧力入力部が、前記第二の火炎防止装置と流体力学的に連通しており、
    前記第一の火炎防止装置が、前記ハウジングの内部チャンバを大気圧に対して排気させ、前記第二の火炎防止装置が、該内部チャンバと流体力学的に連通するように構成される、防爆型デバイス。
11. 前記第二の火炎防止装置が、前記ゲージ感圧素子への複数の防炎型電気コネクタを有してなる、請求項１０記載のセンサ。
12. 前記複数の防炎型電気コネクタがそれぞれ前記第二の火炎防止装置内のガラス張りされた開口部を通過するように構成される、請求項１１記載のセンサ。
13. 前記防炎型デバイスが、プロセス流体調整デバイスおよびプロセス流体監視デバイスのうちの一つである、請求項１０記載のセンサ。
14. 前記第一の火炎防止装置および前記第二の火炎防止装置が焼結金属からなる、請求項１０記載のセンサ。
15. 前記第二の火炎防止装置が円柱形状を有してなる、請求項１０記載のセンサ。
16. プロセス流体のゲージ圧力を検出する方法であって、
    前記プロセス流体の前記ゲージ圧力を圧力センサ組立体の第一の開口部において検出することと、
    前記圧力センサ組立体の第二の開口部と流体力学的に連通する火炎防止装置を通じて、該圧力センサ組立体の第二の開口部を防爆型プロセス流体デバイスのチャンバへ排気させることと、
    前記防爆型プロセス流体デバイスのチャンバを大気圧に対して排気させることと
    を含む、方法。
17. 前記火炎防止装置が円柱形状を有してなる、請求項１６記載の方法。
18. 前記プロセス流体の前記ゲージ圧力を検出することが、前記火炎防止装置を貫通する防炎型電気コネクタを通じて、前記圧力センサ組立体から電気信号を伝達することを含む、請求項１６記載の方法。
19. 前記プロセス流体デバイスのハウジングを大気圧に対して排気させることが、前記プロセス流体デバイスのハウジングを第二の火炎防止装置を通じて排気させることを含む、請求項１６記載の方法。

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