JP2012524900A - 真空誘電体を有する静電容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

フィールドデバイスの静電容量式ゲージ圧センサは、プロセス媒体のゲージ圧を測定する。センサボディは第１および第２のチャンバを含んでいる。第２のチャンバは真空の圧力センサ用真空誘電体を形成する。大気基準ポートがセンサボディ内に形成され、第１チャンバを環境大気圧と平衡させる。センサのプロセス媒体入口はプロセス媒体供給源に接続される。第２のチャンバと媒体入口との間に、導電性かつ可撓性のダイアフラムを設ける。容量性プレートが第２のチャンバ内に配置され、ダイアフラムの撓みで静電容量が変化する。フィールドデバイスは、さらにプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するセンサ回路と、プロセス通信ループを介してセンサ信号に関連する情報を送信する送信回路とを含む。

Description

プロセス制御業界ではプロセス変数を遠隔で検知するためにプロセス変数送信機等のフィールドデバイスが使用される。フィールドデバイスつまりプロセス変数送信機の一形式ではプロセス圧力を監視するための静電容量式圧力センサを含んでいる。

静電容量式圧力センサにはさまざまな誘電体材料が使用されてきた。例えば、誘電体材料としてオイルまたはその他の流体が使用された流体充満構造が採用されることがあった。他の構造では誘電体材料として真空を使用することが要求される。真空誘電体は、低複雑性構造が可能であり、コスト低減が可能であり、非オイル充満であり、より高精度が可能であり、かつ／またより高い安定性が可能である。しかしながら、真空誘電体構造であるために、これらのセンサは一般的にプロセスのゲージ圧（例えば、環境気圧つまり大気圧のような特定圧力に関するプロセス圧力）ではなく絶対圧を測定するだけである。ゲージ（Ｇａｇｅ）圧は、「Ｇａｕｇｅ」圧としても知られる。

プロセスのゲージ圧を測定するための従来の圧力センサの構成では、いろいろなやり方が使用されてきた。例えば、ゲージ圧を概算するように校正された圧力オフセットが組み入れられた高圧力センサがシールドパッケージとして販売されている。その他の構造は大気圧を測定するための第２のセンサを付加しており、推定ゲージ圧を提供するため電子機器またはソフトウェアを使用することによって測定圧力は調節されていた。これは、圧力センサにコストを付加する。さらに他の構造では、大気（空気）を誘電体材料にすることを可能にするが、温度不安定誤差をもたらすことがあり、かつ腐食環境で使用する能力を制限することがある。これらさまざまな試みは共通して、精度、コスト、安定性または信頼性に悪影響があるので、これらの悪影響を伴わないで正確にゲージ圧を測定することができる新規な圧力センサの構造は非常に有益である。

フィールドデバイスは、プロセス媒体のゲージ圧を測定するように構成された静電容量式圧力センサを含んでいる。圧力センサのセンサボディは第１および第２のチャンバを含んでいる。第２のチャンバは真空下にあって圧力センサ用の真空誘電体を形成する。大気基準ポートがセンサボディ内に形成され、第１のチャンバを環境大気圧と平衡に保持する。センサのプロセス媒体入口はプロセス媒体源に接続するように構成される。センサは第２のチャンバと媒体入口との間に、導電性かつ可撓性のダイアフラムを有する。第２のチャンバ内には、ダイアフラムの撓みが静電容量の変化を生じるように、ダイアフラムと関連させて容量性プレートが配置される。フィールドデバイスはさらにプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するセンサ回路と、プロセス通信ループを介してセンサ信号に関する情報を送信する送信機回路とを含んでいる。

本発明によれば、精度、コスト、安定性または信頼性についての悪影響を伴うことなく、正確にゲージ圧を測定できる新規な圧力センサを提供することができる。

開示された概念および実施形態を含むプロセスゲージ圧送信機つまりフィールドデバイスを示す図である。 図１に示されている送信機の一部分を示す図である。 図１に示されている送信機の一部分を示す図であって、容量性プレート電極および感知ダイアフラム間の間隙を変化させるプロセス圧力に応答して撓む感知ダイアフラムを示す。 図３に示されている容量性プレート電極および感知ダイアフラム間の間隙をプロセス圧力の関数として示す図である。 図１に示されている送信機の、センサボディ内に排気口が形成されている第２実施形態の図である。 図１に示されている送信機の、排気管が設けられている第３実施形態の図である。

開示されている実施形態はプロセスのゲージ圧力を測定する従来の静電容量式圧力センサの問題に対処している。ゲージ圧は大気圧をゼロ基準とする。言い換えれば、プロセスのゲージ圧は、周囲領域中の大気圧を、プロセスで測定した絶対圧から減算したものと同等である。

開示されている実施形態は、副次的な気圧センサを使用しないゲージ圧の測定法を提供するとともに、温度不安定性を低減し、かつ／また従来の静電容量式ゲージ圧センサの構造を超えたその他の効果を提供するために真空誘電体を使用している。

図１は典型的な静電容量式ゲージ圧送信機、つまり開示されている実施形態が有用なフィールドデバイス１００を示す。図２は圧力送信機の部分をより詳細に示す。圧力送信機１００は一般的にはセンサボディ１１０に接続された送信機ボディ１０５を含んでいる。送信機ボディ１０５は送信機の処理回路および通信回路を収容する電子回路ハウジングとして作用する。

センサボディ１１０は、その中に形成されたメインチャンバ１１１を有している。メインチャンバ１１１は、それ自体が、センサボディ内に形成される第１および第２チャンバである第１および第２部分１１２および１１３を含んでいる。センサボディ１１０は開示された実施形態に従った静電容量式ゲージ圧センサを収容する。また、送信機ボディ１０５およびセンサボディ１１０は一体の機器として形成することができる。

センサボディ１１０は、プロセス流体すなわち媒体１２０のゲージ圧を測定するためにプロセス容器または通路に接続されるように構成される。実施形態において、センサボディ１１０は、プロセス媒体１２０の供給源に対するアクセスを提供する接続具（フィッティング）１１５を有するか、または接続具１１５に接続される。接続具１１５は、プロセス媒体が感知ダイアフラム１３０と接触できるように、その中に配置されている感知ダイアフラム１３０を有する入口１２５に隣接している。感知ダイアフラム１３０は第２部分つまりチャンバ１１３とプロセス媒体入口１２５との間に配置された導電性かつ可撓性を有するダイアフラムである。

また、センサボディ１１０内には、例えばセラミック絶縁体である絶縁体１３５がある。ガラスと金属とをつなぐヘッダー材料(header material)である絶縁体１５０はチャンバ１１２および１１３を有するセンサボディをシールする。一つ以上の容量性プレートつまり金属電極１４０が第２チャンバ１１３内の絶縁体ボディ１３５上で導電性かつ可撓性のダイアフラム１３０に関連して配置され、ダイアフラムの撓みが電極１４０とダイアフラム１３０との間に静電容量の変化を生じさせる。一つの実施形態では、金属電極はリング状である。静電容量または静電容量の変化はプロセス媒体１２０のゲージ圧に関連付けられ、したがって、プロセス媒体のゲージ圧を示す。絶縁体ボディ１３５と導電性かつ可撓性のダイアフラム１３０との間に低伸縮性スペーサ１４５を配置することができ、プロセス媒体１２０の圧力に曝されたときにダイアフラム１３０の撓みを促して大気圧に応答する。

プロセス媒体からの圧力の存在によって撓んだダイアフラム１３０を示す送信機１００の一部の図である図３を一時的に参照する。ダイアフラム１３０との接触を維持しているスペーサ１４５によって、電極１４０とダイアフラム１３０との間の間隙１４７は増減する。間隙１４７とプロセスゲージ圧との関係を図４に示す。プロセスゲージ圧がダイアフラムを撓ませて電極１４０から遠ざければ、電極１４０とダイアフラム１３０との間の静電容量は低減する。静電容量の変化は図４に示された間隙曲線と逆に関連し、ゲージ圧が増大して間隙を大きくすれば静電容量は低減する。

再び図１を参照すると、電極１４０との電気的接続手段を提供するピン１５５が示されている。ピン１５５は絶縁体１３５を通って延在することができる。実施形態において可撓性導線１６０はピン１５５と電極導体１６５とを電気的に接続する。電極導体１６５はセンサ回路１８５に電気的に接続する。静電容量式ゲージ圧センサに（すなわち、電極１４０およびセンサボディとの接続を介して）接続されるセンサ回路１８５は静電容量式ゲージ圧センサの静電容量に基づいてセンサ信号１８６を生じる。センサの静電容量はプロセス媒体のゲージ圧を示すものであるので、センサ信号はプロセス媒体のゲージ圧を示す。送信機回路１９０がセンサ回路１８５に接続される。送信機回路１９０はプロセス通信ループ１９５を介してセンサ信号に関連する情報を送信するための通信回路を含んでいる。図示のように、センサ回路１８５および送信機回路１９０は送信機ボディつまり電子回路ハウジング１０５内に収容されることができる。

開示された実施形態において、圧力送信機１００はプロセス媒体１２０のゲージ圧の測定を可能にする一方、さらに、真空誘電体を使用してその効果をあげることができる。図１に示しているように、静電容量式ゲージ圧センサはメインチャンバ１１１内に配置された薄い環状ダイアフラム１７０を含んでいる。薄い環状ダイアフラム１７０は、例えば絶縁体ボディ１３５の周囲に延びる型打ちされた（stamped）ワッシャ等の箔材料であることができる。例えば、薄い環状ダイアフラム１７０の材料としてステンレス鋼のような金属を含む。薄い環状ダイアフラム１７０として使用される具体的な材料は、熱膨張特性に基づいて、かつ絶縁体ボディ１３５とセンサボディ１１０との間で薄い環状ダイアフラムがどのように接続されるかによって選択されることができる。薄い環状ダイアフラム１７０は導電性かつ可撓性のダイアフラム１３０よりもさらに撓みやすくなければならない。

典型的な実施形態において、薄い環状ダイアフラム１７０は、セラミック材料によって作られる絶縁体ボディ１３５とセンサボディ１１０とにろう付けまたは抵抗シーム溶接（ＲＳＷ）される。セラミック材料は薄い環状ダイアフラム１７０が接続される領域が金属化されることができる。

図１に見られるように、薄い環状ダイアフラム１７０および絶縁体ボディ１３５は、協働してメインチャンバ１１１を二つの小さなチャンバつまりチャンバ１１２および１１３に分離する。第２のチャンバ１１３は真空下に維持されて圧力センサ用の真空誘電体１７５を形成する。大気基準ポート１８０がセンサボディ１１０に形成され、貫通して延在しており、第１のチャンバを環境大気圧Ｐ_ＡＴＭに維持する。センサボディの、第１のチャンバ１１２内の圧力と、送信機つまりフィールドデバイスのセンサボディを（外側から）取り囲む環境大気圧Ｐ_ＡＴＭとを平衡に維持するための大気基準ポートを含むことによって、プロセス媒体１２０の真のゲージ圧測定値を形成することができる。他の実施形態では、第１のチャンバ１１２と送信機１００を取り囲む周囲環境との間にわずかな変化が存在することがあるが、第１のチャンバ１１２の圧力はフィールドデバイスを取り囲む環境大気圧と近接もしくは関連した関係に維持される。

開示された実施形態の構造は、環境大気圧が、絶縁体１３５およびスペーサ１４５を経由して導電性かつ可撓性の感知ダイアフラム１３０を押しつけるのを可能にする。したがって、ダイアフラム１３０は一方側の大気圧および他方側のプロセス圧を有する圧力強さの加算接点として作用する。その結果、真のゲージ圧が測定されるとともに、真空誘導体を使用する能力が維持される。これによって、温度安定性を実現し、誘電特性における湿度の影響を制限し、かつ厳しい大気環境内での送信機の使用を可能にする。

広範囲の種々の技術および構造を使用することによって、真空誘導体を有する送信機を構成することができる。例えば、構成要素を真空下で溶接することを可能にする接合技術は知られている。薄い環状ダイアフラム１７０を真空下で絶縁体１３５およびセンサボディ１１０に取り付けた場合、送信機を真空から移動させた後も、真空誘電体１７５が維持される。

図５に示されている排気ポート２０５を使った送信機２００内に他の技術を使って真空誘電体１７５が形成される。排気ポート２０５がセンサボディ１１０内に形成され、第２のチャンバ１１３を排気して真空誘電体を形成するために使用される。チャンバ１１３から気体を除去した後、排気ポート２０５は固定的に、または取り外し可能な材料２０６で充填されてチャンバ１１３をシールし、真空を維持する。別の実施形態では、材料２０６は、シールするかまたは選択的にシールしないための栓または他の機構であることができる。他の点は、送信機２００は図１に示した送信機１００を参照して記述したようにできる。

図６を参照して真空誘導体１７５を作るための他の技術を示す。図６に示すように、送信機３００において排気管３０５がこの目的のために付加される。この例の実施形態では排気管３０５は、第２のチャンバ１１３を排気するために、第１のチャンバ１１２を通って、第２のチャンバ１１３に延長される。排気管３０５は、例えば絶縁体１３５を通過して延長することができる。排気管３０５はその他の方法で迂回することもできる。チャンバ１１３を排気後、排気管は真空誘電体を維持するためにシールされる。その他の点は、送信機３００は図１に示した送信機１００を参照して説明したようにできる。

本発明をいくつかの代替実施形態を参照しつつ説明したが、当業者は本発明の精神及び範囲から離れることなく形式や詳細を変形できることを認識できるだろう。

１００，２００，３００…送信機、 １１０…センサボディ、 １１１…メインチャンバ、 １１２…第１のチャンバ， １１３…第２のチャンバ、 １２０…プロセス媒体、 １３０…ダイアフラム、 １３５，１５０…絶縁体、 １４０…電極、 １４５…低伸縮性スペーサ、 １７０…薄い環状ダイアフラム、 １８５…センサ回路、 １９０…送信機回路、 ２０５…排気ポート、 ３０５…排気管。

Claims (20)

1. メインチャンバをその中に規定しているセンサボディと、
   前記メインチャンバ内に配置され、該メインチャンバを第１の部分および第２の部分に分割し、該第２の部分が真空下にあって真空誘電体を形成している薄い環状ダイアフラムと、
   前記センサボディ内に形成されて前記メインチャンバの第１の部分を環境大気圧に維持する大気基準ポートと、
   プロセス媒体の供給源に接続されるように構成されたプロセス媒体入口と、
   前記チャンバの第２の部分と前記プロセス媒体入口との間に配置された導電性かつ可撓性のダイアフラムと、
   前記導電性かつ可撓性のダイアフラムに関連して前記メインチャンバの第２の部分内に設けられた少なくとも一つの容量性プレートであって、該導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みが、前記少なくとも一つの容量性プレートと前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間の、プロセス媒体のゲージ圧を示す静電容量に変化を生じさせる容量性プレートとを含む静電容量式ゲージ圧センサからなる静電容量式ゲージ圧送信機。
2. 前記静電容量式ゲージ圧センサに電気的に接続され、プロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を該静電容量式ゲージ圧センサの静電容量に基づいて発生するセンサ回路と、
   プロセス通信ループを介して前記センサ信号に関連する情報を送信するため、前記センサ回路に接続される送信機回路とをさらに備えている請求項１記載の送信機。
3. 前記センサボディに接続された電子回路ハウジングをさらに備え、該電子回路ハウジング内に前記センサ回路および前記送信機回路が配置されている請求項２記載の送信機。
4. 前記メインチャンバの第２の部分内に配置された絶縁体ボディをさらに備え、
   前記少なくとも一つの容量性プレートが前記絶縁体ボディ上に配置される請求項１記載の送信機。
5. 前記絶縁体ボディと前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間に配置され、プロセス媒体の圧力に曝された時に前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みを促進する低伸縮性スペーサをさらに備えている請求項４記載の送信機。
6. 前記メインチャンバの前記第２の部分を排気するために前記センサボディ内に形成される排気ポートをさらに備えている請求項１記載の送信機。
7. 前記メインチャンバの前記第１の部分を通って前記第２の部分に延在している排気管をさらに備えている請求項１記載の送信機。
8. 工業プロセスで使用されるフィールドデバイスにおいて、
   プロセス媒体のゲージ圧を測定するように構成された静電容量式ゲージ圧センサを備え、
   該ゲージ圧センサが、
   第１および第２のチャンバが中に形成され、該第２のチャンバが真空下にあってゲージ圧センサ用の真空誘電体を形成しているセンサボディと、
   前記センサボディ内に形成されて前記第１のチャンバと前記フィールドデバイスを取り囲む環境大気圧との平衡を維持させる大気基準ポートと、
   プロセス媒体の供給源に接続するように構成されたプロセス媒体入口と、
   前記第２のチャンバと前記プロセス媒体入口との間に配置された導電性かつ可撓性のダイアフラムと、
   前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みがプロセス媒体のゲージ圧を示す静電容量に変化を生じさせるように前記第２のチャンバ内に前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの関連で間隙を空けて配置された容量性プレートとを有しているとともに、
   前記ゲージ圧センサに電気的に接続されてプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するように構成されたセンサ回路と、
   プロセス通信ループを介して前記センサ信号に関連する情報を送信するため前記センサ回路に接続された送信機回路とを備えているフィールドデバイス。
9. 前記センサボディ内に位置された絶縁体ボディを備え、かつ前記容量性プレートが該絶縁体ボディ上に配置され、
   さらに前記絶縁体ボディと前記センサボディとの間に物理的に接続された薄い環状ダイアフラムを備えているとともに、
   前記絶縁体ボディおよび前記薄い環状ダイアフラムが、前記第１のチャンバを環境大気圧下で、前記真空誘電体を提供する前記第２のチャンバから分離している請求項８記載のフィールドデバイス。
10. プロセス媒体の圧力に曝された時、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みを促進するため、前記絶縁体ボディと前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間に位置された低伸縮性スペーサをさらに備えている請求項９記載のフィールドデバイス。
11. 前記センサボディに接続された電子回路ハウジングをさらに備え、前記センサ回路と前記送信機回路が前記電子回路ハウジング内に位置されている請求項８記載のフィールドデバイス。
12. 真空誘電体を形成するために前記第２のチャンバを排気するためセンサボディ内に形成された排気ポートをさらに備えている請求項８記載のフィールドデバイス。
13. 前記第２のチャンバを排気して真空誘電体を形成するために、前記第１のチャンバを通って前記第２のチャンバに延在している排気管をさらに備えている請求項８記載のフィールドデバイス。
14. 静電容量式ゲージ圧送信機において、
    プロセス媒体のゲージ圧を測定するように構成された静電容量式ゲージ圧センサを備え、
    該ゲージ圧センサが、
    第１および第２のチャンバが中に形成され、該第２のチャンバが真空下にあってゲージ圧センサ用の真空誘電体を形成しているセンサボディと、
    前記センサボディ内に形成されて前記第１のチャンバと送信機を取り囲む環境大気圧との平衡を維持させる大気基準ポートと、
    プロセス媒体の供給源に接続するように構成されたプロセス媒体入口と、
    前記第２のチャンバと前記プロセス媒体入口との間に配置された導電性かつ可撓性のダイアフラムと、
    金属電極であって、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みが該金属電極と前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間の、プロセス媒体のゲージ圧を示す静電容量に変化を生じさせるように、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの関連で前記第２のチャンバ内に配置された金属電極と、
    前記ゲージ圧センサに電気的に接続されて前記金属電極と前記導電性かつ可撓性ダイアフラムとの間の静電容量に基づいてセンサ信号を発生するように構成されたセンサ回路と、
    プロセス通信ループを介して前記センサ信号に関連する情報を送信するため前記センサ回路に接続された送信機回路とを備えている容量式ゲージ圧送信機。
15. 前記センサボディ内に位置された絶縁体を備え、かつ前記金属電極が該絶縁体上に配置され、
    さらに前記絶縁体と前記センサボディとの間に物理的に接続された薄い環状ダイアフラムを備えているとともに、
    前記絶縁体ボディおよび前記薄い環状ダイアフラムが、前記第１のチャンバを前記第２のチャンバから分離している請求項１４記載の送信機。
16. 前記センサボディに接続された電子回路ハウジングをさらに備え、前記センサ回路と前記送信機回路が前記電子回路ハウジング内に位置されている請求項１５記載の送信機。
17. プロセス媒体の圧力に曝された時、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みを促進するため、前記絶縁体ボディと前記導電性かつ可撓性ダイアフラムの間に位置された低伸縮性スペーサをさらに備えている請求項１６記載の送信機。
18. 真空誘電体を形成するために前記第２のチャンバを排気するためセンサボディ内に形成された排気ポートをさらに備えている請求項１７記載の送信機。
19. 前記第２のチャンバを排気して真空誘電体を形成するために、前記第１のチャンバを通って前記第２のチャンバに延在している排気管をさらに備えている請求項１７記載の送信機。
20. 前記プロセス媒体入口をプロセス媒体の供給源に接続するための接続具をさらに備えている請求項１７記載の送信機。