JP2013531791A - ライン圧力測定を伴う差圧センサ - Google Patents

Abstract

プロセス流体の圧力を検出するための圧力センサアセンブリであって、窪み部（１３２、１３４）と、第一および第二の圧力（Ｐ１、Ｐ２）を印加するように構成された窪み部に対する第一および第二の開口とを有するセンサボディ（５６）を含む。ダイヤフラム（１０６）が窪み部において第二の開口から第一の開口を分離し、そして第一および第二の圧力間の差圧に応じて偏向するように構成される。静電容量型変形センサ（５９）が備えられ、そしてセンサボディに印加されたライン圧力に応じたセンサボディの変形を検出するように構成される。

Description

本発明はプロセス流体の圧力を測定することに用いられる種類の圧力センサに関する。より詳細には、本発明はプロセス流体における差圧とライン圧力の両方を測定するように構成される圧力センサに関する。

発明の背景
トランスミッタは工業プロセスにおける様々なプロセス変量を測定するためのプロセス監視および制御システムにおいて用いられている。ある種のトランスミッタは、プロセスにおけるプロセス流体の差圧を測定する。そして、この差圧測定値をプロセス流体の流速の計算に用いることができる。そのようなトランスミッタにおいて用いられる圧力センサには様々な技術が採用されてきた。１つの周知の技術は偏向性ダイヤフラムを用いることである。ダイヤフラムがキャパシタの容量性プレートの１つを形成し、このダイヤフラムについて静電容量が測定される。印加される圧力に起因してダイヤフラムが偏向するにつれ、測定される静電容量が変化する。このような構成においては、圧力測定を不正確にする多くの要因が存在する。

これらの不正確さに対処する１つの技術が、Frick他に対し２００１年１０月２日に発行された米国特許第６，２９５，８７５号、発明の名称「改良された誤差補償を有するプロセス圧力測定装置」に記載され、その全体が参照によりここに取り込まれる。この特許は測定の不正確さを減らすための追加的な電極を含む差圧センサを記述する。しかし、いくつかの設備では、差圧の測定に加えてプロセス流体のライン圧力（絶対圧またはゲージ圧）を測定することが望まれている。

プロセス流体の圧力を検出する圧力センサアセンブリであって、内部に窪み部が形成されたセンサボディと、第一および第二の圧力が印加されるように窪み部に設けられた第一および第二の開口とを含む。窪み部におけるダイヤフラムが第二の開口から第一の開口を分離し、そして第一の圧力および第二の圧力の間の差圧に応じて偏向するように構成される。静電容量型変形センサが備えられ、センサボディに印加されるライン圧力に応じた当該センサボディの変形を検出するように構成される。

図１は本発明により製造されるプロセストランスミッタを備えるプロセス測定システムを示す。 図２は図１のトランスミッタの概略図である。 図３は図１のトランスミッタの部分断面図を示す。 図４は本発明の動作を図説するために用いる、圧力センサの簡略化した断面図である。 図５はライン圧力の測定に用いる電極を含む圧力センサの断面図である。

詳細な説明
本発明は、静電容量型圧力センサのための、ライン圧力および差圧を判定する装置および方法を提供する。多静電容量型圧力センサにおいて割り当てた静電容量の総和の比、または比の総和を演算することにより、プロセス流体の差圧を判定することができる。発明の背景で述べたように、いくつかの設備では、差圧の測定に加えてプロセス流体のライン圧力（絶対圧またはゲージ圧）を測定することが望まれる。そのようなライン圧力を測定する１つの技術が、共に係属中である、Donald E. Harasyn他により２００５年５月２７日に出願された米国特許出願第１１／１４０，６８１号、発明の名称「差圧センサを用いたライン圧力測定」、およびDavid A. Broden他により２００５年５月２６日に出願された米国特許出願第１１／１３８，９７７号、発明の名称「圧縮性センサボディを用いた圧力センサ」に示され記述されており、これらは本発明と概ね軌を一にし、それらの内容の全体が参照によりここに取り込まれる。

図１はプロセス測定システム３２の環境を概略的に示している。図１には圧力を測定するためのプロセス測定システム３２に連結する圧力下にある流体を格納するプロセス配管３０が示される。プロセス測定システム３２は、配管３０に接続するインパルス配管３４を含む。インパルス配管３４はプロセス圧力トランスミッタ３６に接続している。主要素３３は、例えばオリフィス板、ベンチュリ管、フローノズルなどであり、インパルス配管３４の間であってプロセス配管３０内の位置でプロセス流体と接している。流体が主要素３３を通過して流れるとき、主要素３３により流体の圧力変化が引き起こされる。この圧力変化（差圧変化）はプロセス流体の流れと関連がある。差圧センサはこの圧力変化の測定に用いることができ、測定回路がプロセス流体の流れに関連する出力を与えるために用いられる。

トランスミッタ３６は、インパルス配管３４を通してプロセス圧力を受けるプロセス測定装置である。トランスミッタ３６は差圧を検出し、それをプロセス流れの関数である標準化されたトランスミッション信号に変換する。

プロセスループ３８は、制御室４０からトランスミッタ３６への電力信号および双方向通信の両方を提供することが好ましく、いくつかあるプロセス通信プロトコルに従って設けられるものでもよい。図示された例では、プロセスループ３８が２線式ループである。この２線式ループを用いて、標準動作時には４−２０ｍＡ信号でトランスミッタ３６への全ての電力の伝送、並びに、トランスミッタへおよびトランスミッタからの全ての通信が行われる。コンピュータ４２または他の情報処理システムが、モデム４４または他のネットワークインタフェースを介したトランスミッタ３６との通信のために用いられる。遠隔電圧電源４６がトランスミッタ３６に電力を供給する。プロセス制御ループの他の例は無線通信であって、無線によりデータが直接的に中心部に対し若しくはメッシュネットワークタイプのものに対しまたは他の技術を用いて無線で伝送される。

図２は、１つの実施形態による圧力トランスミッタ３６の簡略化したブロック図である。圧力トランスミッタ３６は、データバス６６を介して互いに連結されたセンサモジュール５２と電子回路基板７２とを含む。センサモジュール電子回路５８は、印加される差圧５４を受ける圧力センサ５６に連結する。データ接続線５８がセンサ５６をアナログ−デジタル変換器６２に連結する。任意の温度センサ６３もまたセンサモジュールメモリ６４とともに図示される。電子回路基板７２はマイクロコンピュータシステム７４、電子メモリモジュール７６、デジタル−アナログ信号変換器７８およびデジタル通信部８０を含む。検出圧力に関連する出力がループ３８に提供される。図２はまた、圧力センサ５６のボディに外付けされ、静電容量値を提供するように構成された外部静電容量型変形センサ５９を図示する。このセンサ５９は、印加された圧力に起因する圧力センサ５６のボディの変形に応じて変化する静電容量値を有するように構成される。図２に概略が示されるように、作動圧５４に起因するライン圧力が圧力センサ５６のボディに印加される。

Frick他に対する米国特許第６，２９５，８７５号に記載された技術によれば、圧力トランスミッタ３６が差圧を検出する。しかし、本発明はそのような構成に限定されるものではない。

図３は、１つの実施形態によるセンサモジュール５２の圧力センサ５６を示す簡略化した断面図である。圧力センサ５６は、窪み部９２からプロセス流体を隔離する隔離ダイヤフラム９０を介してプロセス流体に連結している。窪み部９２は、細管９４を介して圧力センサモジュール５６に連結している。実質的に非圧縮性の充填流体が窪み部９２および細管９４に充填される。ダイヤフラム９０にプロセス流体からの圧力が印加されたとき、その圧力が圧力センサ５６に伝搬される。

１つの実施形態によれば、圧力センサ５６は２つの圧力センサ半割部１１４および１１６から形成され、ガラスまたはセラミックのような実質的に非圧縮性の個体材料で充填される。中央のダイヤフラム１０６が、センサ５６内に形成された窪み部１３２、１３４内に配置される。窪み部１３２、１３４の外壁には電極１４４、１４６、１４８および１５０が設けられる。これらの電極は一般にはプライマリ電極１４４、１４８およびセカンダリ電極１４６、１５０と称されている。これらの電極が可動のダイヤフラム１０６との関係でキャパシタを形成している。これらのキャパシタは、また、プライマリキャパシタおよびセカンダリキャパシタとそれぞれ称される。

図３に図示されるように、センサ５６における個々の電極が電気的接続１０３、１０４、１０８および１１０を介してアナログ−デジタル変換器６２に連結される。加えて、偏向性のあるダイヤフラム１０６が接続１０９を通してアナログ−デジタル変換器６２に連結される。

米国特許第６，２９５，８７５号において論じられているように、センサ５６に印加された差圧を電極１４４、１４６、１４８および１５０を用いて測定することができる。図３は静電容量型差圧５６を概略的に図示するのであり、以下に論じるように詳細には以下に記述される。

動作において、圧力Ｐ_１およびＰ_２が隔離ダイヤフラム９０に対抗して押圧することにより、中央のダイヤフラム１０６と隔離ダイヤフラム９０との間の窪み部を充填している、実質的に非圧縮性の充填流体を押圧する。これが中央のダイヤフラム１０６の偏向を引き起こし、その結果としてダイヤフラム１０６と電極１４６、１４４、１４８および１５０との間の静電容量が変化する。公知の技術を用いて、これら静電容量の変化を測定することができ、そして差圧の判定に利用できる。

図４は本発明の動作を図説するために用いる、センサ５６の簡略化した断面図である。図４は電極１４４、１４６、１４８および１５０の個々の電気的接続を図示する。

圧力センサ５６の動作中において、細管９４（図３参照）を通して当該圧力センサに印加されたライン圧力が圧力センサ５６のボディ２２０に変形を引き起こす。同時に圧力Ｐ_１およびＰ_２の両方がセンサの変形を引き起こす。センサは異なる３つの状況に立脚する。高い上流側圧力と低い下流側圧力、低い上流側圧力と高い下流側圧力、そして高い下流側圧力を有する高い上流側圧力である。センサは、上流側または下流側圧力の最大値として定義されるライン圧力を測定する。印加されたライン圧力は、ボディ２２０内の圧力と圧力トランスミッタの内部環境との間に圧力差を引き起こす。この圧力差がボディ２２０に変形を引き起こす。図４に示される例では、大きく誇張された変形が示されている。詳細には、印加されたライン圧力がボディ２２０の外壁２００および２０２を２００’および２０２’の虚像で示される位置へと外側に膨張させる。

本発明は圧力センサ５６の端に沿う歪みまたは湾曲に基づいてライン圧力を測定するための技術を提供する。この湾曲は、２００’および２０２’が付された破線により図示されている。センサ５６の中央縁近くでは、変位の比がΔｄ１として図示される。図４に図示されるように、センサ５６の中央近くの変位Δｄ１の方が端近くの変位Δｄ２よりも大きい。ライン圧力はΔｄ１およびΔｄ２の両方とともにΔｄ１−Δｄ２またはΔｄ１／Δｄ２のような相対値にも関連する。

図５は変位Δｄ１またはΔｄ２を測定する１つの技術を図示する、センサ５６の簡略化した断面図である。図５の実施形態の例では、環状の容量性電極２４０および２４２がセンサ５６の一方の端に近接して配置されることにより変位が監視される。電極２４０および２４２はサポート２４８により支持される絶縁背板２４４に設けられる。１つの構成においては、サポート２４８が管またはそのようなものからなる。センサ５６および絶縁背板２４４に対しサポート２４８を連続的にまたは点で取り付けることができる。もう１つの構成例においては、サポート２４８が複数のサポートを備えるか、またはセンサ５６の外周に沿って連続的には延びない構成を有するものである。もう１つの構成例においては、絶縁背板２４４がボンド２５０を用いて細管９４に取り付けられる。この構成はサポート２４８を任意に含んでよい。この構成においては、絶縁背板２４４がサポート２４８に取り付けられても、取り付けられなくてもよい。好ましくは、背板２４４が、ライン圧力に応じて殆ど歪まないように構成されること、または、変位Δｄ１および／またはΔｄ２に貢献するような形で変形することで装置の感度を増すように構成されることである。

電気的接続が電極２４０および２４２に備えられ、センサボディ２２０との関係で形成される静電容量Ｃ１およびＣ２の測定に用いることができる。

センサボディ２２０に対し絶縁背板２４４を取り付ける際に、電極２４０および２４２とセンサとの間の公称距離ｄ０を制御することができる。電極２４０、２４２とセンサボディとの間の誘電性材料を、センサ５６を取り巻く例えば窒素である周囲ガスとすることができる。１つの好ましい実施形態においては、キャパシタＣ１およびＣ２が静止状態で同じ値（つまりＣ１＝Ｃ２）を有している。この構成では、静止状態でＣ１−Ｃ２＝０なので、間隔ｄ０またはガスの誘電率の公称値の変化がＣ１およびＣ２の差に影響を与えない。センサ５６の両側にキャパシタセンサを配置することで若干冗長性が増すものでもよい。１つの構成においては、温度センサがまた備えられ、温度に基づき静電容量Ｃ１、Ｃ２が変化することへのライン圧力の測定値に対する温度補償に用いられる。それゆえ図２に図示される変形センサ５９は、センサボディの変形に応じて静電容量が変化する方式でセンサボディに対し外付けされた、図５に示される電極により形成される。

本発明が好ましい実施形態に関連して記述されたが、当業者は、発明の本質および範囲を逸脱せずに形態上および細部において変更がなし得ることを認識するであろう。例えば、センサボディおよび絶縁背板が環状である必要はない。背板に対し印加される応力を減らすための様々な取り付け技術が採用され得る。ここで用いられる「流体」は、液体および気体または固体を含む混合体を含む。

Claims (15)

1. センサボディであって、その内部の窪み部と、第一および第二の圧力を印加するように構成される前記窪み部に対する第一および第二の開口とを有するセンサボディ；
   前記窪み部で前記第二の開口から前記第一の開口を分離し差圧に対し応答性のあるダイヤフラム；
   前記センサボディの外側に取り付けられ当該センサボディと共に第一のキャパシタンスを形成するように配設される第一の電極であって、前記第一のキャパシタンスが前記センサボディの変形に起因しプロセス流体のライン圧力に応じて変化する、第一の電極；および
   前記第一のキャパシタンスに基づいてライン圧力を測定するように配設された前記電極が連結される測定回路、
   を含む、プロセス流体の圧力を検出するための圧力センサアセンブリ。
2. 前記センサボディの外側に取り付けられる第二の電極を含み、第二のキャパシタンスが前記取り付けられる第二の電極と前記センサボディとの間に形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記センサボディの外側に取り付けられる第二の電極を含み、前記測定回路が前記第一の電極を用いて測定される第一のキャパシタンスおよび前記第二の電極を用いて測定される第二のキャパシタンスに基づくライン圧力に関連する出力を有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記電極を設けるように構成される絶縁板を含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記絶縁板が前記センサボディに取り付けられる、請求項４に記載の装置。
6. 前記センサボディに取り付けられるサポートに前記絶縁板が取り付けられる、請求項５に記載の装置。
7. 前記センサボディに連結される細管に前記絶縁板が取り付けられる、請求項４に記載の装置。
8. 前記窪み部内の前記ダイヤフラムの動きに基づく差圧に関連する出力を有する、当該ダイヤフラムを備える差圧センサを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記出力が、前記ダイヤフラムにより形成される可変のキャパシタンスに基づく、請求項８に記載の装置。
10. 温度に基づいてライン圧力の測定値が補償される、請求項１に記載の装置。
11. 請求項１に記載の圧力センサを含む、プロセス流体の圧力を測定するためのプロセストランスミッタ。
12. センサボディにおける窪み部に偏向性ダイヤフラムを取り付けること；
    前記窪み部の前記偏向性ダイヤフラムの１つの側にプロセス流体の第一の圧力を印加すること；
    前記窪み部の前記偏向性ダイヤフラムのもう１つの側にプロセス流体の第二の圧力を印加すること；
    前記偏向性ダイヤフラムの偏向に基づいて差圧を判定すること；
    前記センサボディの外側に位置する第一の電極と共に第一のキャパシタンスを形成することであって、前記第一のキャパシタンスが前記電極および前記センサボディの間に形成され、そして前記プロセス流体のライン圧力に起因する前記センサボディの変形に基づいて変化するキャパシタンスを有すること；および
    前記キャパシタンスの変化に基づいて前記プロセス流体のライン圧力を判定すること、
    を含む、プロセス流体の差圧およびライン圧力を測定するための方法。
13. 前記センサボディの外側に取り付けられる第二の電極を含み、前記ライン圧力が前記第一の電極を用いて測定される第一のキャパシタンスおよび前記第二の電極を用いて測定される第二のキャパシタンスに基づいて判定される、請求項１２に記載の方法。
14. ダイヤフラムキャパシタンスを基礎とし前記窪み部内の前記ダイヤフラムの動きに基づいて測定することにより差圧を判定することを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 温度に基づいてライン圧力の測定値を補償することを含む、請求項１２に記載の方法。

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