JP2010539480A - 改良された２面式プロセス流体圧力測定システム - Google Patents

Abstract

圧力測定システムは２面式圧力フランジ（２０２、５０２）に接続する共面型圧力センサモジュール（２００）を含む。共面型圧力センサモジュール（２００）は実質的に互いに共面的である１組の隔離ダイヤフラムを有する。複数の接続リング（２０４、２０６、５０４、５０６）が対応する隔離ダイヤフラムの周囲に近接して溶接される。２面式圧力フランジ（２０２、５０２）が接続リング（２０４、２０６、５０４、５０６）の各々に溶接される。２面式フランジ（２０２、５０２）のプロセス流体圧力導入部から共面式圧力モジュール（２００）の隔離ダイヤフラムへの流体接続が圧縮型の密封部材に接触することなく生じる。圧力測定システムの製造方法（４００）も提供される。

Description

本発明は圧力測定システムに関する。

２面式プロセス圧力フランジによって、プロセス設備におけるプロセス流体が、典型的にはプロセス流体圧力測定器の送信機といったようなプロセス変数送信機に接続される。２面式プロセス流体圧力測定システムは周知の技術であり、その他の設定に勝る多くの利点を提供する。本願発明を譲渡されたローズマウント社(Rosemount Inc.)は、比較的最近、標準の共面型(co-planar)圧力センサモジュールを開発した。圧力センサモジュールが共面型であるというのは、実質的に同一平面上にある２つのプロセス流体隔離ダイヤフラムを圧力センサモジュールが備えている、という意味においてのことである。ローズマウント社はまた、商品名をモデル３０５ＲＭ(Model 305 RM)として販売する２面式圧力フランジを開発した。このフランジはプロセス流体を共面型圧力センサモジュールに導くよう構成されている。

プロセス用途はさらに広い稼働範囲を要求し、より厳しい稼働条件を提示し続けるため、より厳しい稼働条件においても長寿命を確保できる圧力送信機を供給せよという要求がある。こうした厳しい稼働条件が最新のプロセス流体圧力送信機の設計限界に達するにつれ、重要な考慮事項が多数ある。第１に、プロセス流体送信機の材質が物理的に変形することによって、測定誤差が過度に出ることがありうる。第２に、リークが発生しうる。そして最後に、物理的な力が単純に個別のジョイント部や界面の限界を超えることで、突発故障が起こりうる。

２面式のフランジアセンブリであって、共面型プロセス流体圧力センサモジュールにより高温、高圧、かつ／または高放射レベル下でより長寿命の稼働を可能にするアセンブリはプロセス測定制御産業にとって大きな利益となる。特に、原子力発電所内のプロセス圧力の測定制御が大きく改善される。

圧力測定システムは２面式圧力フランジに接続される共面型圧力センサモジュールを含む。共面型圧力センサモジュールは、互いに実質的に共面的である１組の隔離ダイヤフラムを含む。複数の接続リングが対応する隔離ダイヤフラムの周囲に近接して溶接される。２面式圧力フランジは接続リングの各々に溶接される。２面式フランジのプロセス流体圧力導入部から共面型圧力モジュールの隔離ダイヤフラムまでの流体接続関係は圧縮型の密封部材に接触することなく生じている。圧力測定システムの製造方法もまた提供される。

従来技術における圧力送信機の例の正面図である。 従来技術における圧力送信機の例の側面図である。 共面型圧力センサモジュールのハウジングであって本願発明の実施形態が特に役立つハウジングの断面図である。 本願発明の実施形態に係る共面型圧力センサモジュールと２面式圧力フランジの断面図である。 本願発明の実施形態を説明する組立斜視図である。 本願発明の実施形態を説明する分解斜視図である。 本願発明の一実施形態に係る２面式圧力フランジの一部分を示す側断面図である。 本願発明の別の一実施形態に係る、２面式圧力フランジに接続される共面型圧力センサモジュールの断面図である。 本願発明の一実施形態に係る、溶接リングにより２面式圧力フランジに接続される圧力センサモジュールの拡大図である。 本願発明の一実施形態に係る圧力検知システムを製造する方法のブロック図である。 本願発明の一実施形態に係る圧力検知システムを製造する方法のブロック図である。

図１Ａおよび図１Ｂに従来技術の圧力送信機１００のそれぞれ正面図および側面図の例を示す。圧力送信機１００は、電子回路を封入する電子機器ハウジング１０１と、隔離ダイヤフラム、圧力センサおよび関連するセンサ回路を格納するモジュールハウジング１０２とを備える。モジュールハウジング１０２はボルト１０５により圧力フランジ１０４にボルト付けされる。さらに、フランジアダプタ結合部(union)１１８をボルト１０７により圧力フランジにボルト付けしておいてもよい。フランジアダプタ結合部１１８はネジを切られた流入口１０９を有し、該流入口１０９はネジを切られたプロセス流管（図示せず）に接続可能である。圧力フランジ１０４は１つ又は１つより多数のプロセス流体圧力を、圧力測定のために送信機１００へ伝える。圧力送信機１００はプロセスループ１０３に接続される。プロセスループ１０３は圧力送信機１００に電力供給し、またプロセス制御システムにおいて利用する双方向通信を提供することができる。

図２にモジュールハウジング１０２の断面図を示す。圧力センサ１４０はモジュールハウジング１０２内に配置され、管１４２、１４４によって隔離ダイヤフラム１１０に接続される。隔離ダイヤフラム１１０はモジュールハウジング１０２に直接溶接付けされる。回路ボード１４６は圧力センサ１４０からの電気信号の処理に関する回路を備える。コネクタ１４８によって回路ボード１４６から（図１Ａおよび図１Ｂに示したハウジング１０１のような）電子機器ハウジング内の回路への電気的接続がもたらされる。センサハウジング１０２は、隔離ダイヤフラム１１０が実質的に互いに共面的であるという点で、共面型の圧力センサモジュール（co-planar pressure sensor module）であるとみなされる。過去においては、Oリングやガスケットといったような圧着型のシール部材が圧力フランジ１０４とモジュール１０２との間の密封のために用いられていた。このようなシール部材に加わってシール部材を圧縮し、密封の効果を得るための力は、圧力センサモジュール１０２内の内側にネジを切られた孔にネジ入れされるボルト１０５によって与えられる。

圧力センサモジュール１０２は一般的には圧力検知においては比較的新しい標準を示すものである。特に、圧力センサモジュール１０２は共面型圧力センサモジュールであって商品名モデル3051S(Model 3051S)としてミネソタ州チャンハッセンのローズマウント社(Rosemount Inc., of Chanhassen Minnesota)より購入可能なモジュールを図示している。このセンサモジュールは適応性が高く、その適応性とモジュール方式とによって多様な用途において利用可能である。しかしながら、本願発明の実施形態は任意の適切な共面型圧力センサモジュールに対して実施可能である。

本願発明の一実施形態によると、複数の溶接、好ましくは融接が２面式圧力フランジ（bi-planar pressure flange）を共面型圧力センサモジュールへ機械的に接続し且つ密封するのに用いられる。本願発明の実施形態は一般的には複数のコネクタリングと複数の溶接キャップとを採用することで、圧力センサモジュールと２面式圧力フランジとの複雑な形状内に高強度の融接（fusion weld）が容易に行われるようにする。

図３に、本願発明の一実施形態に従い互いに接続された２面式圧力フランジと共面型圧力センサモジュールとの一部分の断面切り取り図を示す。図３には２面式圧力フランジ２０２に接続された圧力センサモジュール２００が描かれている。溶接リング２０５、２０７によって隔離ダイヤフラムがセンサモジュールに固定される。圧力センサモジュール２００は、（図２に関して上記で説明したように）圧力センサモジュール１０２と同じであってもよいし、もしくは任意の適切な圧力センサモジュールであってもよい。図３に示すとおり、一対の接続リング２０４、２０６がそれぞれ溶接リング２０５、２０７に融接される。これらの一番目の溶接はそれぞれ参照番号２０８、２１０として図示されている。各溶接２０８、２１０は機械的かつ密封的に、対応する接続リング２０４、２０６を圧力センサモジュール２００の溶接リング２０５、２０７に接合し、また該接合によって接続リングが圧力センサモジュール２００に密封される。任意の適切な種類の融接を用いてよい。好ましくは、融接はTIG(Tungsten-Inert-Gas、タングステン不活性ガス)溶接である。溶接２０８、２１０は圧力フランジ２０２が配置される前に行われる。従って、溶接２０８、２１０の配置箇所へのアクセスは容易である。各々の接続リング２０４、２０６は下面に続く下向きの側部２１２、２１４を含み、該下向きの側部で形成される円筒状部は圧力フランジ２０２の内部直径部２１６と正確に合うような大きさの外部直径を有する。圧力フランジ２０２が運ばれてきて圧力センサモジュール２００に組合わされると、内部直径部２１６は下向きの側部２１２、２１４に嵌合する。これによって二番目の組の融接２２２、２２４を行う表面ができる。こうした融接を行うためのアクセスを提供するために、溶接キャップ２１８、２２０は設けられていない。このため、溶接キャップ用のそれぞれの開口部を用いて、二番目の組の融接２２２、２２４を行う溶接装置の融接部へのアクセスが可能となる。下向きの側部２１２、２１４を圧力フランジ２０２の対応する内部直径部２１６に接合するにあたっては、好ましくはTIG溶接で行うことができる。二番目の組の融接接合を終えた時点で、圧力フランジ２０２は融接により圧力センサモジュール２００へ密封して接合されたことになる。次に、溶接キャップ２１８と２２０がそれぞれの開口部に配置される。好ましくは、圧力フランジ２０２は機械加工されるか、又は別の方法で形成されたわずかなテーパを有する開口部を含み、該開口部にて溶接キャップ２１８と２２０をそれぞれの軸に正確に合わせて保持する。従って、図３に示すアセンブリを上下逆にひっくり返しても、溶接キャップ２１８と２２０は各々の開口部に収まったままで溶接に用いられる。三番目の組の融接は各溶接キャップ２１８および２２０の外周に沿って施され、この融接によりそれぞれの溶接キャップが対応する開口部の内部直径部に接合される。最後に、栓（プラグ）２２３が圧力フランジ２０２内に配置され、そこで融接を用いて密封接合される。

結果として得られる圧力測定アセンブリは、融接によって共に完全に密封され且つ機械的に固定された共面型圧力センサモジュールと２面式圧力フランジとの組み合わせとなる。従って、ガスケットやOリングといったような圧縮型シーリング表面は存在しない。さらにまた、溶接された構成部品の設計および配置によって、圧力フランジ内で生ずる高圧に対して大きな耐久力を持つことが可能となる。

溶接２０８および２１０は図３で明瞭に見て取れるように、接続リング２０４および２１０の各々をそれぞれ溶接リング２０５および２０７に接続する。溶接リング２０５、２０７は好ましくは圧力センサモジュール２００にレーザ溶接され、隔離ダイヤフラムをセンサモジュールに固定する。下向きの側部２１２、２１４はそれぞれ溶接２２２、２２４を介して内部直径部２１６に接合される。融接２０８、２１０、２２２および２２４の組み合わせによって、接続リング２０４、２０６の各々が圧力センサモジュール２００を２面式圧力フランジ２０２に物理的に接合し且つ密封することが可能となる。図よりわかるように、融接２２２および２２４を施すには、これらの領域に溶接装置を近づける必要がある。従って、溶接キャップ２１８および２２０は組み立てるにあたって最後に用いる構成部品のうちに含まれ、こうして溶接装置が、こうしなければ溶接キャップ２１８および２２０によって塞がれてしまう開口部を通過することが可能となる。融接２２２および２２４が完了すると、溶接キャップ２１８および２２０は所定位置に配置され、それぞれ三番目の組の融接２２６、２２８を用いて溶接される。そして、栓２２３が融接２３０を用いて所定位置に固定される。

図４および図５は本願発明の実施形態を説明する、それぞれ組立および分解斜視図である。

図４は、溶接キャップ２１８と２２０とを溶接された圧力モジュール２０２に接続する共面型圧力センサアセンブリ２００の底面斜視図である。

図５は、圧力センサモジュール２００、接続リング２０４、接続リング２０６、圧力フランジ２０２および溶接キャップ２１８と２２０を個別に示す分解斜視図である。

図６は本願発明の実施形態に係る２面式圧力フランジの一部分を示す側断面図である。図６は図３に示す実施形態に比較的似ているが、異なる点としては圧力フランジ３００が一組の切り取り領域３０２および３０４を採用して送信機を装着するのに利用しているという点がある。さらにまた、圧力フランジ３００は接続リングの取り付けを容易にする一組の環状凹部３０６、３０８を含む。

溶接キャップ２１８と２２０は円形であるとして図示し説明してきたが、任意の適切な形状を用いてもよい。例えば、溶接キャップ２１８、２２０の一方又は両方は楕円形になるように引き延ばしてもよいし、長方形であってもよい。

図７は本願発明の別実施形態に係る、２面式圧力フランジに接続する共面型圧力センサモジュールの断面図である。図に示すように、アセンブリ部品５００は、上述で説明したモジュール１０２のような、任意の適切な共面型圧力センサモジュールを利用することができる。モジュール１０２は、特別な溶接リング５０４、５０６を介して２面式圧力フランジ５０２に接続される。溶接リング５０４、５０６の各々は好ましくは、従来技術に類似の方法によって共面型圧力センサモジュール１０２にレーザ溶接される。別実施形態としては、リング５０４、５０６の各々を圧力センサモジュール１０２に接続するのに任意の適切な種類の溶接を用いてもよい。図７に示し、また図８にさらに詳細に示すように、各リング５０４、５０６は外側面５０８、５１０を含み、これら外側面は圧力フランジ５０２の外側面５１２と一致する。リング５０４、５０６の各々はそれぞれ溶接５１４、５１６によって圧力フランジ５０２に融接される。溶接５１４と５１６を行うための溶接装置は、溶接キャップ５２２と５２４を除いた状態で開口部５１８と５２０とを通じてアクセスされる。溶接５１４と５１６とが完了すると、溶接キャップ５２２と５２４が所定位置に配置され、参照番号５２６で示される三角形の空間に融接が施される。図７はまた、圧力フランジ５０２は栓で塞ぐ必要のある側面孔を含まないことを示している。従って、２面式圧力フランジ５０２を共面型圧力センサモジュール１０２に完全に取り付け密封するのに必要となるのは４つの融接だけである。

本願発明の一実施形態に従い、従来技術の取り付け技術であり、４本のボルトを用いて圧力フランジを圧力センサモジュールに取り付ける技術が、前述の全溶接取り付けシステムと併せて用いられる。ボルトはステンレス鋼ボルトであって締め付けトルクが約３００インチ−ポンドであるボルトであるのが好ましい。フランジにボルトを用いることで地震的かつ／またはその他の振動条件下においても圧力送信機の負荷を支えることが容易となる。これによって圧力センサモジュールと圧力フランジとの間の非常に頑強な結合がもたらされる。さらに、本願発明の実施形態に従い製造された圧力検知システム（圧力フランジに接続される圧力センサモジュール）は、現在市場に出回っている製品よりも長期間に渡って、より厳しい稼働条件下で稼働することが保証できると考えられる。

図９は本願発明の一実施形態に係る圧力検知システムを製造する方法のブロック図である。方法４００はブロック４０２から始まり、ここでは共面型圧力センサモジュールと２面式圧力フランジが用意される。次にブロック４０４において、一組の接続リングが上述のように圧力センサモジュールに融接される。次にオプションのブロック４０６では好ましくは次が実行される。すなわち好ましくは締め付けトルクが約３００インチ−ポンドであるステンレス鋼ボルトを用いて、圧力フランジが圧力センサモジュールにボルト付けされる。ブロック４０８では、接続リングが圧力フランジに溶接される。上述のように、溶接装置のアクセスは一組の開口部を通じてなされる。ブロック４１０では、前ブロックで接続リングを圧力フランジに溶接するために溶接装置を通した開口部が、溶接キャップで塞がれる。それから溶接キャップは所定位置に溶接される。次に、ブロック４１２では必要ならば、前述のように栓を挿入して所定位置に溶接する。方法４００において、ブロック４１０と４１２とを実行する順番は入れ替わってもよい。しかしながら、接続リングを圧力フランジに溶接する前に接続リングが圧力センサモジュールに溶接されることは重要である。従って、ブロック４０４はブロック４０８の前に実行しないといけない。さらにまた、溶接キャップを取り付ける前に接続リングを圧力フランジに溶接することは重要である。従って、ブロック４０８はブロック４１０の前に実行せねばならない。

図１０は図７、８に関して説明した共面式圧力センサモジュールと圧力フランジとを組み立てる方法のフロー図である。図７、８に関して説明した実施形態では少ない融接で完全に密封され頑強なモジュールが得られるが、該実施形態で正確に製造することが要求される。これは隔離ダイヤフラムが損傷しないように溶接リングに加わる熱量を少量に制御せねばならないためである。図１０に示すように、方法６００はブロック６０２で開始され、ここでは２面式フランジが共面型圧力センサモジュールにボルトづけされる。これにより共面型圧力センサモジュールと２面式フランジが溶接に先立って位置合わせされる。点線で描かれているオプションのブロック６０４では、フランジは共面型圧力センサモジュールの周囲の領域の２つ又はそれより多数の位置に溶接される。さらに、オプションのブロック６０６では、フランジを圧力センサモジュールに取り付けるボルトのボルトヘッド部をフランジに仮付け溶接してもよい。ブロック６０８では、溶接リング５０４と５０６がフランジ５０２に溶接される。ステップ６０８に先だって、レーザ溶接又は融接といった任意の適切な種類の溶接を用いて溶接リング５０４と５０６とが実際に共面型圧力センサモジュール１０２に溶接されていることに注意すべきであり、重要である。ブロック６０８は実際には比較的複雑なステップであり、ブロック６０８の右に様々なサブステップが示されている。特に、第１の溶接リングには、ブロック６１０で示すように１つまたはそれより多数の冷却棒が利用される。冷却棒が配置されると、共面型圧力センサモジュール全体と２面式圧力フランジアセンブリとが、隔離ダイヤフラムが重力方向に対して垂直となるように配置される。換言すると、ブロック６１２に示すようにアセンブリ全体をその側面を底部として設置する。オプションとして、隔離ダイヤフラムに差し込み部材を置いて熱や溶接スパッタから保護するようにしてもよい。ブロック６１４では、溶接リングとフランジとの間の融接を開始する。ブロック６１６では、融接プロセス自身が継続し、ここでは溶接装置が静止状態を保ち、共面型圧力センサモジュールと２面式圧力圧力フランジアセンブリとが、近くで溶接が行われている隔離ダイヤフラムの中心軸の周りに回転している。アセンブリ全体が完全に一回転して融接が完了すると、ブロック６１８に示すように、その他の溶接リング／隔離ダイヤフラムに対してステップ６１０からステップ６１６の全体のシーケンスが繰り返される。熱を下げる必要がある場合、アセンブリから熱を逃すために、ステップ６１４、６１６及び／又は６１８の間で冷却を行ってもよい。２つの溶接リングが溶接されると、方法６００はブロック６２０へ続き、ここでは２つの溶接キャップが所定位置に融接される。所望ならば、熱電対のような温度感知素子を採用して隔離ダイヤフラム近接部の温度を監視または測定し、過度の熱が発生していないか確認してもよい。

本願発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者には本願発明の精神および範囲から逸脱することなく形式および詳細に変更を加えうることがわかるであろう。

２００…共面型圧力センサモジュール、 ２０５，２０７，２１８，２２０…溶接リング、 ２０４，２０６，５０４，５０６…接続リング、 ２０２，５０２…２面式圧力フランジ

Claims (20)

1. 圧力測定システムであって、
   互いに実質的に共面的である１組の隔離ダイヤフラムを有する共面型圧力センサモジュールと、
   前記圧力センサモジュールに溶接され、前記隔離ダイヤフラムを前記センサモジュールに固定するために、対応する隔離ダイヤフラムの周囲でかつそれに近接した位置で溶接される複数の溶接リングと、
   個々の溶接リングに溶接される複数の接続リングと、
   前記接続リングの各々に溶接される２面式圧力フランジとを備え、
   前記２面式フランジのプロセス流体圧力導入部から前記共面式圧力モジュールの隔離ダイヤフラムへの流体接続が圧縮型の密封部材を介することなくなされることを特徴とする圧力測定システム。
2. 前記２面式圧力フランジが、個々の接続リングの一部分を受け入れるような大きさの内部直径を有する第１の複数の開口部を含み、前記２面式圧力フランジの各内部直径部が対応する接続リングの前記一部分に溶接されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の組の開口部が受け入れることのできる大きさである前記接続リングの前記一部が、下向きの側部として形成されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記２面式フランジは、溶接装置が前記第１の複数の開口部の前記内部直径部にアクセス可能な大きさである第２の複数開口部を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. さらに、前記第２の複数の開口部の対応する１つの内部に配置され且つ融接される複数の溶接キャップを含む請求項４に記載のシステム。
6. 前記溶接キャップが円形であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. さらに前記２面式フランジの通路内に融接を用いて溶接した栓を含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
8. 前記溶接の少なくとも１つがTIG(タングステン不活性ガス)溶接であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記溶接の全てがTIG溶接であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. さらに前記２面式圧力フランジを前記共面式圧力センサモジュールに添え付ける複数の取り付けボルトを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 圧力測定アセンブリ部品を製造する方法であって、
    共面型圧力センサモジュールと２面式圧力フランジとを用意する段階と、
    前記共面型圧力センサモジュールに複数の接続リングを溶接する段階と、
    前記２面式フランジを前記共面型圧力センサモジュールと接するよう運ぶ段階と、
    前記２面式圧力フランジを前記接続リングに溶接する段階とを含むことを特徴とする方法。
12. 前記２面式圧力フランジを前記接続リングに溶接する段階が前記２面式圧力フランジ内の複数のアクセス用開口部を通じてなされることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. さらに溶接キャップを前記複数のアクセス用開口部に溶接する段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記溶接が融接であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記融接がTIG溶接であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記２面式フランジを前記共面型圧力センサモジュールと接するよう運ぶ段階が、複数の取り付けボルトを用いて前記フランジを前記モジュールにボルト付けする段階を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
17. 前記接続リングを溶接する段階において、前記アセンブリ部品の全体を隔離ダイヤフラムの中心軸の周りに回転することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
18. 圧力測定システムであって、
    互いに実質的に共面的である１組の隔離ダイヤフラムを有する共面型圧力センサモジュールと、
    前記圧力センサモジュールに溶接され、前記隔離ダイヤフラムを前記センサモジュールに固定するために、対応する隔離ダイヤフラムの周囲でかつそれに近接した位置で溶接される複数の溶接リングと、
    前記接続リングの各々に溶接される２面式圧力フランジとを備え、
    前記２面式フランジのプロセス流体圧力導入部から前記共面式圧力モジュールの隔離ダイヤフラムへの流体接続が圧縮型の密封部材を介することなくなされることを特徴とする圧力測定システム。
19. 前記溶接リングの各々が前記共面式圧力センサモジュールにレーザ溶接を用いて溶接されることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
20. さらに、前記第２の複数の開口部の対応する１つの内部に配置され溶接される複数の溶接キャップを含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。

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