JP2015172542A - 圧力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から封入液に透過する水素を抑止し、測定精度の安定度が高い圧力伝送装置を提供する。【解決手段】本発明の圧力伝送装置は、測定流体の圧力を伝送する導圧路に連通し、封入液が充填される圧力室を形成する凹部を有する本体部と、凹部をシールして測定流体の圧力を受圧するとともに、測定流体に晒される範囲より外側まで導圧路側に水素透過抑制材が一面に施された受圧ダイアフラムと、を備えるようにした。そして、受圧ダイアフラムと本体部は、水素透過抑制材を挟んで固定した。詳しくは、受圧ダイアフラムは、導圧路側の全面に水素透過抑制材が施されるようにするか、または、受圧ダイアフラムを前記測定流体に晒される範囲より外側でリング状の固定部により本体部にねじ締め固定するか、または、受圧ダイアフラムの外周部の端面で本体部に溶接するか、または、受圧ダイアフラムの測定流体に晒される範囲の外側で、本体部に爆発圧接する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイアフラムを備えた圧力伝送装置の水素透過防止技術に関する。

圧力伝送装置のひとつに、ダイアフラムで受けた測定流体の圧力を、導圧路内に充填した封入液により圧力センサまで伝達し、圧力センサで検出された圧力の電気信号を外部へ出力するものがある。この圧力伝送装置には、測定流体の絶対圧力を測定するものと、測定流体の２点の差圧を測定するものがある。

上記の絶対圧力または差圧の圧力伝送装置は、封入液がダイアフラムでシールされ、測定流体の圧力をダイアフラムで受圧している。このダイアフラムは、ステンレスやチタン等の薄板で構成されて、圧力伝送装置のボディに溶接されていることが多い。例えば、特許文献１には、ダイアフラムの溶接位置を変えて、測定流体の圧力によるダイアフラムの破損を低減する技術が開示され、これにより信頼性の向上を図ることが記載されている。

これら圧力伝送装置は、原子力プラントを始めとして、石油精製プラント等の化学プラントにおけるプロセス流体の各種計測に用いられており、プラントの安全確保や製品の品質を確保する点から、例えば±１％の精度が要求されている。しかしながら、長期間の使用においては、プロセス流体に含有される水素（水素原子、水素分子、水素イオン）の一部が、ダイアフラムを透過して導圧路中の封入液に気泡となって溜まることがある。これにより、導圧路内部の圧力が上昇して圧力伝達特性が変化するため、測定精度を保つことが困難であった。

そこで、従来から、ダイアフラムを透過して圧力伝送装置の内部に侵入する水素の影響を抑制する様々な技術が提案されている。より詳細には、測定流体に晒される範囲に対応するダイアフラムの封入液側の表面に、金等の水素抑制膜を形成して、水素の透過を抑止することが知られている。例えば、特許文献２には、ダイアフラムをシールリングに溶接した後に、この溶接範囲を超えて金メッキ膜体を形成し、その後に、ダイアフラムが溶接されたシールリングをボディに溶接する技術が開示されている。

特開２０１２−２７７６号公報 特開平１１−３５１９９１号公報

特許文献２の技術によれば、封入液への水素の透過を抑止することができるが、完全に遮断することができないため、定期あるいは不定期に水素の気泡による測定精度の低下を防止するための検査等の維持管理をなくすことができない。また、２段階の溶接工程が必要となるため、圧力伝送装置の製作工程が増加する問題がある。
また、特許文献１にも記載されているダイアフラムを溶接固定する方法を採用しても、ダイアフラムへの熱の影響をなくすことができない。このため、圧力伝送装置の信頼性向上の点では、溶接以外の方法で、ダイアフラムを固定することが望ましい。

本発明の目的は、外部から封入液に透過する水素を抑止し、測定精度の安定度が高い圧力伝送装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の圧力伝送装置は、測定流体の圧力を伝送する導圧路に連通し、封入液が充填されて圧力室を形成する凹部を有する本体部と、前記凹部をシールして前記測定流体の圧力を受圧するとともに、前記測定流体に晒される範囲より外側まで前記導圧路側に水素透過抑制材が一面に施された受圧ダイアフラムと、を備えるようにし、前記受圧ダイアフラムと前記本体部は、前記水素透過抑制材を挟んで固定した。

詳しくは、前記受圧ダイアフラムは、前記導圧路側の全面に前記水素透過抑制材が施されるようにするか、または、前記受圧ダイアフラムを前記測定流体に晒される範囲より外側でリング状の固定部により本体部にねじ締め固定するか、または、前記受圧ダイアフラムの外周部の端面で本体部に溶接するか、または、前記受圧ダイアフラムの前記測定流体に晒される範囲の外側で、本体部に爆発圧接するようにした。

本発明によれば、測定流体から圧力伝送装置の封入液に水素が透過することがないので、水素の気泡発生を抑止できる。これにより、測定精度の検査等の維持管理の工数を低減できる。

本発明の第１の実施形態に係る圧力伝送装置における、受圧ダイアフラムの固定方法の説明図である。 受圧ダイアフラムの正面図である。 差圧伝送器の概要図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧力伝送装置における、受圧ダイアフラムの固定方法の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る圧力伝送装置における、受圧ダイアフラムの固定方法の説明図である。 溶接部から水素透過する場合の侵入経路の説明図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面により説明する。
まず、本発明を実施する圧力伝送装置の概要を図３により説明する。図３は、圧力伝送装置の一例として、差圧を測定するための差圧伝送器７の構成を示している。差圧伝送器７は、測定流体８の圧力を、高圧側９と低圧側１０の二つの受圧ダイアフラム１で受圧し、導圧路５に封入された封入液１１を介してセンタダイアフラム１２まで伝達した圧力を、圧力センサ１３で計測する仕組みである。圧力センサ１３で受け取った圧力は、出力回路１４に入力し、圧力値を出力する。

受圧ダイアフラム１は、封入液１１が測定流体８に浸入しないようにするとともに、測定流体８が封入液１１に浸入しないように、液密を保って本体部４に固定されている。

圧力伝送装置には、差圧伝送器７の他に、測定流体８の絶対圧やゲージ圧を測定する伝送器がある。その構成は、図３に示した差圧伝送器７の構成の低圧側１０が真空や大気圧になった構成となっている。絶対圧やゲージ圧を測定する伝送器でも、測定流体に晒される受圧ダイアフラム１の構造に、発明を適用することができる。

圧力伝送装置では、測定流体８に溶解している水素が、受圧ダイアフラム１を透過して導圧路５の封入液１１に蓄積していくことがある。水素の蓄積が進み、水素蓄積量が封入液１１の水素の溶解度を超えると、水素は気泡化する。この気泡化した水素ガスにより、導圧路５の内圧が上昇し、受圧ダイアフラム１に加わる圧力の変化を圧力センサ１３に正しく伝達できなくなり、圧力の測定精度が低下してしまうことが知られている。

詳細には、高圧側９と低圧側１０の導圧路５内部で気泡化した水素ガスの気体量が異なる場合に、圧力値が正常値から変動してしまう。水素ガスの気体量が同じ場合にも、水素ガスと測定流体８は、圧縮性が異なるため、圧力測定の応答性能が低下してしまう。

受圧ダイアフラム８の水素透過量は、測定流体８の水素濃度や温度、圧力が高いほど増加し、導圧路５内部の封入液１１の溶解量を超えた場合に気泡化する。さらに、圧力伝送装置の測定対象の圧力が真空に近いほど溶解量が少なくなるため顕著に気泡化する。例えば、真空度が大気圧の１／１０となると、気体溶解量も１／１０倍に減少する。

このため、従来から、受圧ダイアフラム１が測定流体に晒される領域６に水素透過抑制材２を施すことで、外部からの水素の透過を低減することがおこなわれている。しかし、受圧ダイアフラム１に水素透過抑制材２を施すだけでは、受圧ダイアフラム１と本体部４の溶接部からの透過が抑制できないことが分かった。溶接部では、加工時の熱による塑性変形により水素が透過しやすく、透過した水素が差圧伝送器７の封入液１１に蓄積してしまい、いずれ、水素の気泡が発生してしまう。

図６により、上記の溶接部からの水素透過の状態をより詳細に説明する。図６の下部には、受圧ダイアフラム１の断面がしめされている。受圧ダイアフラム１と本体部４の凹部により、封入液１１が充填された受圧室２２が形成され、受圧室２２が導圧路５に連通している。受圧ダイアフラム１の周囲は、本体部４に溶接されて、受圧室２２がシールされている。
そして、受圧ダイアフラム１の導圧路５側には、水素透過抑制材２が形成され、測定流体８の水素が封入液１１に透過することを防止している。

上記のように、受圧ダイアフラム１が溶接された本体部４は、測定流体８が導液される測定対象の装置のフランジ２３（ハッチング部）に接合され、受圧ダイアフラム１の受圧面が測定流体８に晒される。このように、測定流体に晒される領域６は、圧力測定の対象のプロセス装置の測定流体との接続口となる。
以下に説明する実施例においても、測定流体に晒される領域６は、圧力測定の対象のプロセス装置の測定流体との接続口を意味する。さらに言えば、実施例の差圧伝送器７は、測定流体に晒される領域６だけで、測定流体８に接している。

図６の上部に、受圧ダイアフラム１の周囲の溶接部の拡大図１７が示されている。水素透過抑制材２が形成された受圧ダイアフラム１の周囲の端部で本体部４に溶接され、溶接部１５が形成される。測定流体８に含まれる水素１８は、溶接部１５を透過し、圧力伝送装置内部へ侵入する（透過経路１９）。溶接部１５付近には水素透過抑制材２があるが、溶接時の熱による塑性変形で水素透過抑制材に隙間・ポーラスなど均一性が無くなることで水素１８が透過しやすくなっている。

特許文献２に開示される技術では、溶接部が測定流体に露出しないように、シールダイヤフラムをシールリングに溶接した後に、溶接部とダイアフラムをカバーするように金メッキ膜体を形成し、その後に、シールリングとボディを溶接している（特許文献２の図２や図３を参照）。この技術では、２度の溶接が必要となり、工数の増加が問題となる。また、段落[0030][0031]に記載されているように、水素の透過を完全に抑止できていない。
これは、特許文献２に開示される技術では、金メッキ膜体３５が封入液１１を充填する受圧室２２の全体をカバーしていないことが原因となっている。

（実施例１）
図３にもどり、本実施例では、受圧ダイアフラム１の導圧路５側に水素透過抑制材２を形成するとともに、固定具３により測定流体に晒される範囲６の外側で受圧ダイアフラム１を本体部４に固定する構造として、受圧ダイアフラム１を溶接しないこととした。これにより、水素の透過を抑止し、水素が気泡として蓄積することによる導圧路５内部の圧力上昇を防ぐことができる。以下に、その構造を詳細に説明する。

図１は、受圧ダイアフラム１の取り付け構造の実施例を示した図である。
図１(a)は、受圧ダイアフラム１の単体の断面を示している。受圧ダイアフラム１は、ステンレス等の薄板を、央部が円形の波板になるようにプレス加工されている。受圧ダイアフラム１の央部は、測定流体に晒される部分で、測定流体８の圧力により変形する。周部は平面であり、後述する固定具３により差圧伝送器７の本体部４に固定される。

図１(b)は、差圧伝送器７の本体部４の測定流体８の受圧部分の断面を示した図である。本体部４の受圧部分は、央部に凹部をもち、受圧ダイアフラム１によりシールされて、封入液１１を充填する受圧室２２を形成する。導圧路５は、前記受圧室２２に連通するように形成され、受圧ダイアフラム１で受圧した測定流体８の圧力を、封入液１１を介して伝達する。

図１(a)の受圧ダイアフラム１の導圧路５側の表面には、水素の透過を抑制する水素透過抑制材２が施され、前記受圧室２２をシールする。本実施例では、後述のとおり、受圧ダイアフラム１を溶接固定しない。従来、溶接をおこなう場合には、溶接強度の確保のため、水素透過抑制材２が溶接の異物とならないように、溶接部分を避けて水素透過抑制材２を形成する必要があった。本実施例では溶接による固定はおこなわないので、水素透過抑制材２を、測定流体に晒される範囲６を超えて、受圧ダイアフラム１の全面に施すことができる。なお、水素透過抑制材２には、金、銀、銅、白金、アルミニウム、クロム、チタンなどを使う。

図１(c)は、差圧伝送器７の本体部４に、受圧ダイアフラム１を取り付けた状態の断面を示している。受圧ダイアフラム１の周囲が、輪状の固定具３と本体部４に挟まれて固定される。固定は、固定具３を本体部４にボルト等により圧力方向に締め付けておこなう。

図２に受圧ダイアフラム１を受圧方向からみた図を示す。受圧ダイアフラム１は、測定流体に晒される範囲６よりも大きな外径をもつ。そして、受圧ダイアフラム１は、測定流体に晒される範囲６の外側で、固定具３の周方向に複数のボルト１６で固定具３を介して受圧ダイアフラム１を固定される。

本実施例では、受圧ダイアフラム１の全面に水素透過抑制材２を形成し、受圧ダイアフラム１の固定を溶接によらず、固定具３を介してボルト締めしている。このため、封入液と測定流体８の間には、水素透過抑制材２が存在する。

（実施例２）
つぎに、図４により、受圧ダイアフラム１の他の固定方法を説明する。
図４(a)は、受圧ダイアフラム１の単体の断面を示している。受圧ダイアフラム１は、ステンレス等の薄板を、央部が円形の波板になるようにプレス加工されている。受圧ダイアフラム１の央部は、測定流体に晒される部分６で、測定流体８の圧力により変形する。周部は平面であり、差圧伝送器７の本体部４に溶接固定される。
図１(a)の受圧ダイアフラム１と同様に、水素透過抑制材２を、測定流体に晒される範囲６を超えて、受圧ダイアフラム１の全面に施すことができる。なお、水素透過抑制材２には、金、銀、銅、白金、アルミニウム、クロム、チタンなどを使う。

図４(b)は、差圧伝送器７の本体部４の測定流体８の受圧部分の断面を示した図である。本体部４の受圧部分は、央部に凹部をもち、受圧ダイアフラム１によりシールされて、封入液１１を充填する受圧室２２を形成する。導圧路５は、前記受圧室２２に連通するように形成され、受圧ダイアフラム１で受圧した測定流体８の圧力を、封入液１１を介して伝達する。

図４(c)は、差圧伝送器７の本体部４に、受圧ダイアフラム１を取り付けた状態の断面を示している。本体部４と受圧ダイアフラム１の外周部の端面を溶接固定する。溶接部１５は、受圧ダイアフラム１の全周にわたっているか、または、複数の点になるように溶接する。

本実施例のように、測定流体に晒される範囲６より外側の受圧ダイアフラム１の外周部で溶接をおこなえば、封入液１１と測定流体８の間には、水素透過抑制材２が存在するようになるとともに、溶接部１５から封入液が充填されている受圧室２２までの距離を確保することができるので、封入液１１への水素透過が生じない。また、固定具３を必要としないため、コスト低減や薄型化の効果もある。また、溶接個所が受圧ダイアフラム１の変位部から離れているため溶接による受圧ダイアフラム１の熱歪の影響が少なく、測定精度への影響がない。

上記の受圧ダイアフラム１の外周を本体部４に溶接する替わりに、受圧ダイアフラム１の測定流体に晒される範囲６の外側を本体部４に爆発圧接（爆着）により接合してもよい。上記と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例では、受圧ダイアフラム１が、測定流体に晒される範囲６の外側が平面を成し、受圧ダイアフラム１の導圧路側の全面に水素透過抑制材５を形成する実施例を説明した。従来の受圧ダイアフラム１には、この測定流体に晒される範囲６の外側の平面部分はないが、この部分は、受圧室２２を受圧ダイアフラム１でシールした後に、レーザ切断されていた部分である。したがって、従来の受圧ダイアフラム１の素材を活用可能であり、コスト上昇はない。

（実施例３）
つぎに、図５により、受圧ダイアフラム１がリング２０にドーナッツ状に一体化され、本体部４に嵌め込む構造の差圧伝送器７の例を示す。
図５(a)は、受圧ダイアフラム１が一体化されたリング２０の断面を示す図である。受圧ダイアフラム部は、図１(a)や図４(a)の受圧ダイアフラム１の断面と同様に、導圧路側の全面に水素透過抑制材２が形成されている。さらに、実施例のリング２０には、本体部４の嵌め込み面にも水素透過抑制材２が形成されている。リング２０には、受圧ダイアフラム１の径方向に、リング２０を本体部４に取り付けるためのボルト溝２１が設けられている。

図５(b)は、差圧伝送器７の本体部４の測定流体８の受圧部分の断面を示した図である。本体部４の受圧部分は、央部に凹部をもち、受圧ダイアフラム１によりシールされて、封入液１１を充填する受圧室２２を形成する。導圧路５は、前記受圧室２２に連通するように形成され、受圧ダイアフラム１で受圧した測定流体８の圧力を、封入液１１を介して伝達する。他の実施例との違いは、リング２０を締め付けるボルトのねじ部が設けられ、受圧室２２の外側にリング２０が嵌め込まれる段部が設けられていることである。

図５(c)は、差圧伝送器７の本体部４に、受圧ダイアフラム１が一体化されたリング２０を取り付けた状態の断面を示している。リング２０は、ボルト１６がボルト溝２１に挿入されて、受圧ダイアフラムの径方向から締め付けられて固定される。
この状態では、受圧ダイアフラム１と封入液１１側と、本体４とリング２０の接合面に、水素透過抑制材２が設けられた状態となるので、測定流体８と封入液１１の間には、水素透過抑制材２が存在するようになり、封入液への水素透過が生じない。

上記の実施例１から３の構成によれば、測定流体に晒される範囲６に水素透過が支配的である受圧ダイアフラム１の溶接箇所が確実に触れない状態となり、かつ測定流体側において固定具や溶接が不要であることから、より確実に水素透過抑制材２の効果を得ることができ、水素の透過量を大幅に低減することができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

１ 受圧ダイアフラム
２ 水素透過抑制材
３ 固定具
４ 本体部
５ 導圧路
６ 測定流体に晒される範囲
７ 差圧伝送器
８ 測定流体
９ 高圧側
１０ 低圧側
１１ 封入液
１２ センタダイアフラム
１３ 圧力センサ
１４ 出力回路
１５ 溶接部
１６ ボルト
１７ 拡大図
１８ 水素
１９ 水素の透過経路
２０ 受圧ダイアフラム付きリング
２１ ボルト溝
２２ 受圧室
２３ フランジ

Claims (7)

1. 測定流体の圧力を伝送する導圧路に連通し、封入液が充填されて圧力室を形成する凹部を有する本体部と、
   前記凹部をシールして前記受圧室を形成し、前記測定流体の圧力を受圧するとともに、前記測定流体に晒される範囲より外側まで前記導圧路側に水素透過抑制材が一面に施された受圧ダイアフラムと、を備え、
   前記受圧ダイアフラムと前記本体部は、前記水素透過抑制材を挟んで固定される
   ことを特徴とする圧力伝送装置。
2. 請求項１に記載の圧力伝送装置において、
   前記水素透過抑制材は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、クロム、チタンのいずれかひとつから成る
   ことを特徴とする圧力伝送装置。
3. 請求項１に記載の圧力伝送装置において、
   前記受圧ダイアフラムは、前記導圧路側の全面に前記水素透過抑制材が施される
   ことを特徴とする圧力伝送装置。
4. 請求項３に記載の圧力伝送装置において、
   さらに、前記測定流体に晒される範囲の外側に、輪状の形状をもち前記本体部に受圧方向にねじ締めする固定具を備え、
   前記受圧ダイアフラムは、前記測定流体に晒される範囲より外側で前記固定具と前記本体部に挟まれて固定される
   ことを特徴とする圧力伝送装置。
5. 請求項３に記載の圧力伝送装置において、
   前記受圧ダイアフラムは、外周の端面部で本体部に溶接固定される
   ことを特徴とする圧力伝送装置。
6. 請求項３に記載の圧力伝送装置において、
   前記受圧ダイアフラムは、前記測定流体に晒される範囲の外側を本体部に爆発圧接して本体部に接合される
   ことを特徴とする圧力伝送装置。
7. 請求項１に記載の圧力伝送装置において、
   前記受圧ダイアフラムを一体に形成し、前記本体部に固定されるリングを備え、
   前記本体部には、前記リングが嵌め込まれる輪状の段部を有し、
   前記リングの本体部との接合面に前記水素透過抑制材が施され、
   前記リングが受圧ダイアフラムの径方向から前記本体部にねじ締め固定される
   ことを特徴とする圧力伝送装置。

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