JP2015505363A - 強磁性流体を充填流体に用いた圧力伝送器 - Google Patents

Abstract

プロセス流体の圧力を計測するための圧力伝送器は、ハウジング、圧力センサ、液圧機構、強磁性流体、及び伝送器電子回路を備えている。静電容量型圧力センサは、ハウジングの内部に配設され、プロセス流体の圧力を検出する。液圧機構は、ハウジングの外面に設けられた分離ダイヤフラムと、圧力センサから分離ダイヤフラムまで延設された液体分離管とを有する。強磁性流体は、液体分離管の内部に設けられ、分離ダイヤフラムにおけるプロセス流体の圧力の変化を圧力センサに伝達する。伝送器電子回路は、ハウジングの内部に配設され、圧力センサから出力される圧力検出信号を受け取って調整するように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、概ね産業プロセス制御システムで用いられるプロセス機器に関し、具体的には、静電容量型圧力センサを有した圧力伝送器のように、液体を充填したプロセス伝送器に関するものである。

プロセス機器は、圧力、温度、流量、液位など、産業プロセスで用いられるプロセス流体のプロセス変数の監視に用いられる。例えば、さまざまな生産ラインに沿ってさまざまなプロセス変数を監視するために、生産設備の複数の場所でプロセス伝送器を用いるのが一般的である。プロセス伝送器は、プロセス変数の物理的変化に応じて電気的出力を生成するセンサを備えている。例えば、圧力伝送器は、配水管や薬品タンクなどにおけるプロセス流体の圧力に関連付けて電気的出力を生成する静電容量型圧力センサを備えている。また、それぞれのプロセス伝送器は、プロセス伝送器やプロセス変数を現場または遠隔地で監視できるように、センサの電気的出力を受け取って処理する伝送器電子回路も備えている。現場で監視が行われる伝送器は、プロセス伝送器の設置場所においてセンサの電気的出力を表示する液晶画面などのディスプレイを備えている。遠隔地で監視が行われる伝送器は、制御ループやネットワークを介し、制御室などの中央監視場所にセンサの電気的出力を伝送する電子回路を備えている。このように構成すれば、自動化されたスイッチ、バルブ、ポンプ、及び類似の構成要素を制御ループ内に設けることにより、制御室からプロセス変数を調整することが可能となる。

圧力伝送器に用いられる典型的な静電容量型圧力センサは、固定電極と、可撓性を有した感知ダイヤフラムを備えるのが一般的な可動電極とを備えている。この感知ダイヤフラムは、プロセス流体の圧力をセンサに伝達する単純な液圧機構を介してプロセス流体に接続されている。この液圧機構は密閉通路を備えており、密閉通路の一端には感知ダイヤフラムが設けられ、他端には可撓性を有してプロセス流体に接する分離ダイヤフラムが設けられる。密閉通路は、プロセス流体が分離ダイヤフラムに影響を及ぼすのに応じて感知ダイヤフラムの位置を変化させる正確な量の液体で満たされている。プロセス流体の圧力が変化すると感知ダイヤフラムの位置が変化し、これに伴い圧力センサの静電容量が変化する。圧力センサの電気的出力は、この静電容量に関連付けられているので、プロセス流体の圧力の変化に応じて変化する。

圧力センサの静電容量は、電極の表面積、電極の間隔、及び電極の間にあって一般的には液体である物質の誘電率という３つの主要因子によって支配される。より多くの用途に圧力センサを使用可能となるよう、一般的には、圧力センサをできるだけ小型に製造することが望ましい。電極の間隙の下限値は、キャパシタとして適正に機能可能な範囲に制限される。電極の表面積の下限値は、伝送器電子回路に適合しうる最小限の強度の信号を生成するための圧力センサに対する必須要件によって定まる。また、間隙及び表面積は、製造時の許容誤差によっても制限を受ける。電極の間の物質の誘電率は、液圧機構に適合する充填流体の種類によって制限される。従って、より大きな静電容量を有した静電容量型圧力センサが求められている。

プロセス流体の圧力を計測するための圧力伝送器は、ハウジング、圧力センサ、液圧機構、強磁性流体、及び伝送器電子回路を備えている。静電容量型圧力センサは、ハウジングの内部に配設され、プロセス流体の圧力を検出する。液圧機構は、ハウジングの外面に設けられた分離ダイヤフラムと、圧力センサから分離ダイヤフラムまで延設された液体分離管とを備える。強磁性流体は、液体分離管の内部に設けられ、分離ダイヤフラムにおけるプロセス流体の圧力の変化を圧力センサに伝達する。伝送器電子回路は、ハウジングの内部に配設され、圧力センサから出力される圧力検出信号を受け取って調整するように構成されている。

本発明の強磁性流体を充填流体として用いた圧力伝送器を備えるプロセス制御システムを示す図である。 差圧計測用に構成された静電容量型圧力センサを備える、図１の圧力伝送器の概略側面図である。 図２の圧力伝送器内で使用する差圧モジュールの斜視図である。 磁気遮蔽体の周囲に設けられた電磁石を有する、図３の差圧モジュールの液体分離管を示す図である。 強磁性流体を充填流体として用いた圧力センサに印加した磁界と、圧力センサの静電容量及び圧力センサが生成する圧力検出信号との相関関係を示すグラフである。

図１は、本発明の圧力伝送器１２が用いられるプロセス制御システム１０を示す図である。プロセス制御システム１０は、圧力伝送器１２、配管１４、制御室１６、及び制御ループ１８を備え、制御室１６は、通信システム２０及び電源２２を備える。本実施形態において、圧力伝送器１２は、プロセスフランジ２４及びマニホールド２６を介して配管１４に結合されており、配管１４内ではプロセス流体が流動する。圧力伝送器１２は、検出したプロセス流体の圧力に基づき電気信号を生成するプロセスセンサ及び伝送器電子回路を備える。また、圧力伝送器１２は、制御ループ１８を介し、制御室１６と液晶画面などのローカルディスプレイとの少なくとも一方に、この電気信号を伝送するための電子回路も備えている。

一実施形態において、圧力伝送器１２は、４−２０ｍＡループにおいて作動する２線式伝送器となっている。このような実施形態では、電源２２から圧力伝送器１２に電力を供給するための１対のケーブルが制御ループ１８に設けられている。また、制御ループ１８により、通信システム２０を用いた圧力伝送器１２とのデータの送受信が可能となる。一般に、４ｍＡの直流電流により、圧力伝送器１２のセンサ及び伝送器電子回路、並びに任意のローカルディスプレイを作動させる上で十分なエネルギが供給される。別の実施形態では、圧力伝送器１２がワイヤレスネットワークを介して制御室１６と通信する。圧力伝送器１２は、図２に基づき後述するように、圧力センサ内の流体の誘電率を変化させてセンサの静電容量を増大させる強磁性流体で満たされた液圧機構を備えている。

図２は、伝送器電子回路２８及び静電容量型の圧力センサ３０を備えた圧力伝送器１２を示す図であり、圧力センサ３０は、本発明の一実施形態において、強磁性流体からなる充填流体を有した差圧センサとして構成されている。また、圧力伝送器１２は、液体分離管３８Ａ、液体分離管３８Ｂ、ハウジング４０、差圧モジュール４２、基部４４、及び液晶表示素子４５を備えている。圧力センサ３０は、差圧Ｐ１−Ｐ２の物理的な変化を検出し、ケーブル４６を介して伝送器電子回路２８と電気的な通信を行う。伝送器電子回路２８は、圧力センサ３０の出力を、制御ループ１８で使用可能な形式に調整し、伝送器電子回路２８に接続された液晶表示素子４５による現場での監視用に当該出力を中継し、或いは制御ループ１８を介して制御室１６（図１）に中継する。別の実施形態では、伝送器電子回路２８がワイヤレスネットワークを介して通信を行うようになっている。更に別の実施形態では、調整された圧力センサ３０の出力が、有線または無線により圧力伝送器１２に接続されたハンドヘルド機器で読み取れるようになっている。本発明は、充填流体を用いて圧力センサを分離するような、さまざまな圧力センサにおいて実施可能である。

液体分離管３８Ａ及び液体分離管３８Ｂにより、圧力センサ３０を圧力伝送器１２の外部と接した状態にすることができる。圧力センサ３０は、液体分離管３８Ａにより分離ダイヤフラム５２Ａに、また液体分離管３８Ｂにより分離ダイヤフラム５２Ｂに、それぞれ連通している。分離ダイヤフラム５２Ａ及び分離ダイヤフラム５２Ｂは、基部４４の平坦な外面に取り付けられ、プロセスフランジ２４（図１）に結合されている。一実施形態において、プロセスフランジ２４は、コプレイナ（COPLANAR、商標）プロセスフランジからなる。圧力センサ３０は、差圧Ｐ１−Ｐ２に応じて電気信号を生成するトランスデューサである。本実施形態において、圧力センサ３０は、感知ダイヤフラム５８、第１電極６０Ａ、及び第２電極６０Ｂを備えた静電容量型差圧セルからなる。圧力センサ３０は、差圧モジュール４２内に位置する液体分離管３８Ａ及び液体分離管３８Ｂの中にある充填流体Ａを介し、基部４４の分離ダイヤフラム５２Ａ及び分離ダイヤフラム５２Ｂと液圧的に結合されている。分離ダイヤフラム５２Ａ及び分離ダイヤフラム５２Ｂは、プロセス流体の圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２と液圧的に結びつけられている。圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２に伴って作用する力は、充填流体Ａを介し、分離ダイヤフラム５２Ａ及び分離ダイヤフラム５２Ｂから感知ダイヤフラム５８に伝達され、液体分離管３８Ａ内の圧力が圧力Ｐ１に、また液体分離管３８Ｂ内の圧力が圧力Ｐ２に、それぞれ等しくなる。このようにして、充填流体Ａにより、圧力センサ３０の感知ダイヤフラム５８を挟んで差圧Ｐ１−Ｐ２が生じる。充填流体Ａは、感知ダイヤフラム５８を取り囲むと共に、感知ダイヤフラム５８と第１電極６０Ａ及び第２電極６０Ｂとの間の空間を占めるように、圧力センサ３０内に充填されている。従って、圧力センサ３０の静電容量は、充填流体Ａの誘電率と直接的な関係がある。充填流体Ａは、強磁性微粒子が浮遊懸濁する分散媒からなるコロイド状混合液である。強磁性微粒子により、圧力伝送器１２の診断試験を行うことが可能となる。また、強磁性微粒子により圧力センサ３０の誘電特性及び性能が更に良好となる。

本実施形態において、感知ダイヤフラム５８は、第１電極６０Ａと第２電極６０Ｂとの間に介装された円形のステンレス鋼製ディスクで構成され、第１電極６０Ａ及び第２電極６０Ｂは、感知ダイヤフラム５８に対向する圧力センサ３０の湾曲内壁に配設された円形の金属コーティングで構成されるのが一般的である。感知ダイヤフラム５８は、第１電極６０Ａと第２電極６０Ｂとの間で撓むことができるように、２つの湾曲内壁の周縁部の間に挟持されている。このように、圧力センサ３０は、直列に接続された２つのキャパシタとして配置された、３つの電気的に絶縁された金属板を備えており、これら電極板によって、ある幅及び径を有した概ね円筒状のセンサが形成される。充填流体Ａを介してもたらされる圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の変動に応じて感知ダイヤフラム５８の撓みが変化すると、感知ダイヤフラム５８と第１電極６０Ａとの間の静電容量、及び感知ダイヤフラム５８と第２電極６０Ｂとの間の静電容量が変化する。感知ダイヤフラム５８と第１電極６０Ａとの間の静電容量、及び感知ダイヤフラム５８と第２電極６０Ｂとの間の静電容量のうちの一方が増大すると他方が減少する。圧力の変動に応じたこれらキャパシタの静電容量の変化は、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧の変化として、伝送器電子回路２８によって計測される。

一般に、キャパシタの静電容量は、キャパシタを構成する電極に蓄積されるエネルギ量を表している。静電容量Ｃは、下記式（１）に示すように、電極の表面積Ａ_Ｐ及び電極間にある物質の誘電率εに比例し、電極の間隔Ｘに反比例する。

Ｃ＝ε・Ａ_Ｐ／Ｘ ・・・・・ （１）

静電容量型の圧力センサの場合、圧力センサが生成する出力信号の強度は、キャパシタに蓄えられる電荷によって定まる。圧力センサ３０では、感知ダイヤフラム５８と第１電極６０Ａとによって第１キャパシタが形成され、感知ダイヤフラム５８と第２電極６０Ｂとによって第２キャパシタが形成される。第１キャパシタ及び第２キャパシタには、微小な圧力変化でも識別できるような、十分な電荷が蓄えられなければならない。一般に、静電容量型の圧力センサは、最大静電容量が６０ピコファラッド（ｐＦ）程度である。誘電体の誘電率εは、選択した充填流体によって固定的に定まる。第１キャパシタ及び第２キャパシタの寸法も、指定された構造によって固定的に定まり、圧力センサ３０の電極の表面積Ａ_Ｐが規定される。

一般的に、充填流体の誘電率εは、充填流体に求められる機械的性能の要件により、小さな値に制限されていた。例えば、充填流体は、圧力を有効且つ正確に伝達することができるよう、実質的に非圧縮性でなければならない。例えば、圧力センサ３０において充填流体Ａは、分離ダイヤフラム５２Ａの微小な撓みを、充填流体Ａの圧縮によって吸収してしまうことなく、感知ダイヤフラム５８に伝達できなければならない。また、充填流体Ａは、センサの別の構成要素と化学反応を起こさないように、安定的で不活性でなければならない。例えば、圧力センサ３０において充填流体Ａは、感知ダイヤフラム５８や第１電極６０Ａと化学反応を起こしてはならない。また、充填流体は、広い範囲の温度で機能する必要があり、有毒性及び可燃性に関して好ましい特性を有していなければならない。

これらの要求を満たす充填流体は、米国ミシガン州ミッドランドにあるダウ・コーニング社（Dow Corning Corporation）から購入可能なＤＣ２００（米国登録商標）、ＤＣ７０４（米国登録商標）、或いはシルサームＸＬＴ（Syltherm XLT、米国登録商標）シリコーンオイルなどといった、シリコーンオイルの流体からなるのが一般的である。別の実施形態として、米国ニュージャージー州リバー・エッジにあるハロカーボン・プロダクツ社（Halocarbon Products Corporation）から入手可能なハロカーボン（Halocarbon、米国登録商標）、或いは米国イリノイ州ノースフィールドにあるステパン社（Stepan Company）から入手可能なネオビー（Neobee、米国登録商標）Ｍ−２００などといった類似した液体を用いることが可能である。別の実施形態として、充填流体Ａには、添加剤を加えるようにしてもよい。例えば、必要に応じ、漏洩検知及び漏洩防止用の添加剤を充填流体の成分に加えるようにしてもよい。

本発明では、充填流体が強磁性流体からなる。強磁性流体は、ナノスケールの強磁性微粒子のコロイド状混合物を有した分散媒からなり、強磁性微粒子によって分散媒に常磁性特性が与えられると共に、磁化状態及び非磁化状態のいずれにおいても、分散媒の誘電率が増大する。強磁性微粒子は、分散媒において沈降することはなく、強磁性微粒子が分散している通路内や細管中に堆積することもない。強磁性微粒子は、ブラウン運動によって強磁性微粒子が分散媒中で浮遊懸濁した状態を維持する程度に十分に小さい。典型的な強磁性微粒子は、約１００オングストローム（１０ナノメータ）以下の粒径となるような大きさを有する。強磁性微粒子は、鉄または鉄合金といった任意の磁性微粒子とすることができる。強磁性流体に用いる典型的な強磁性微粒子は、オレイン酸などの公知の分散剤、即ち表面活性剤でコーティングされている。表面活性剤は、分散媒内での強磁性微粒子の塊状集積や凝固を防止するものであり、ファン・デル・ワールス力による吸引力が優勢となりうる距離よりも大きな間隔に各強磁性微粒子を維持する。更に、表面活性剤は、好ましくない化学反応を防止するような防壁を微粒子と分散媒との間に形成する。

また、強磁性微粒子は、分散媒との化学反応や、分散媒の特性における好ましくない変化が生じることがないように、不活性となっている。但し、強磁性微粒子は、分散媒と強磁性微粒子との体積配分に比例して、充填流体の全体的な特性に寄与する。即ち、体積比率５０％の分散媒と、体積比率５０％の強磁性微粒子とを有した充填流体の電気的特性値及び機械的特性値（例えば、誘電率及び熱膨張率）は、分散媒の電気的特性値及び機械的特性値と強磁性微粒子の電気的特性値及び機械的特性値との平均となる。但し、充填流体の圧力伝達能力を保持するためには、充填流体の約５〜約２０％の強磁性微粒子とするのが望ましい。

第１の実施形態において、分散媒は、前述した液体または有機化合物の液体といった、従来から用いられている充填流体からなり、これに強磁性微粒子が混入されているだけである。第２の実施形態では、従来の充填流体に代え、強磁性微粒子を併用するために選択した分散媒に強磁性微粒子を混入した、予め配合調整された強磁性流体が用いられる。フェロテック社（Ferrotec Corporation）を譲受人とする米国特許第７，０６３，８０２号には、亜鉄酸塩である磁鉄鉱や、酸化鉄であるマグヘマイトといった、さまざまな種類の強磁性微粒子を用い、炭化水素系またはシリコーン系の分散媒からなる強磁性流体が開示されている。また、フェロフルイディクス社（Ferrofluidics Corporation）を譲受人とする米国特許第４，３５６，０９８号には、シリコーンオイルの分散媒、並びに磁鉄鉱、Ｆｅ_３Ｏ_４、及びαＦｅ_２Ｏ_３といった強磁性微粒子で構成される強磁性流体が開示されている。これらの強磁性流体は、本発明において用いるのに適している。

圧力センサ３０の信号強度を増すために、大きな誘電率を有する強磁性微粒子が用いられる。大量の強磁性微粒子が充填流体Ａ中に浮遊懸濁し、感知ダイヤフラム５８と第１電極６０Ａ及び第２電極６０Ｂとの間の物質の誘電率が増大する。従って、誘電率の増大に伴い、圧力センサ３０に蓄積可能な電荷の量が増大する。圧力センサ３０は、圧力センサ３０を構成するキャパシタが多くのエネルギを蓄積できるほど、より微小な圧力変化でも識別可能な信号を生成することができるようになる。このため、大きな誘電率を有した強磁性微粒子を充填流体Ａに添加することで、圧力センサ３０の感度を上昇させることができる。また、構造上の観点では、圧力センサ３０の信号強度をそのままに維持しつつ、圧力センサ３０を構成するキャパシタ電極を縮小することが可能である。

圧力センサ３０のキャパシタンスは、充填流体Ａに磁界を印加することにより更に増大する。強磁性流体のコロイド状混合物は、磁界の印加による影響を受けない。即ち、強磁性微粒子は、磁界が存在しても、分散媒中に浮遊懸濁した状態を維持する。但し、磁界によって強磁性微粒子が複数の集合体を形成し、充填流体Ａの誘電率を増大させる。一方、分散媒は、磁界中に強磁性微粒子が存在することによって影響を受け、磁界の影響下で特性を変化させる。磁界により、分散媒の粘性は粘弾性固体となる点まで高められる。磁界の印加、及びそれに伴う粘弾性固体を形成するような分散媒の特性変化は、分離ダイヤフラム５２Ａ、液体分離管３８Ａ及び感知ダイヤフラム５８で構成される液圧機構や、圧力センサ３０の性能診断に利用することができる。

図３は、図２の圧力伝送器１２内に用いられる圧力センサ３０及び差圧モジュール４２の一実施形態を示す斜視図である。圧力センサ３０は、圧力伝送器１２の差圧モジュール４２内の基部４４の上に配置されている。圧力センサ３０は、液体分離管３８Ａ、液体分離管３８Ｂ、感知ダイヤフラム５８、第１電極６０Ａ、第２電極６０Ｂ、第１電磁石６１Ａ、第２電磁石６１Ｂ、第１半割セル６２Ａ、第２半割セル６２Ｂ、第１インシュレータ６４Ａ、第２インシュレータ６４Ｂ、第１センサリード線６６Ａ、及び第２センサリード線６６Ｂを備える。第１電磁石６１Ａ及び第２電磁石６１Ｂは、電力の供給により、充填流体Ａを構成する強磁性流体を磁化し、圧力センサ３０の静電容量を増加させる。

差圧モジュール４２及び基部４４は、圧力センサ３０を保持するための凹所が差圧モジュール４２に設けられた状態で、一体的な部材として型成形され加工されるのが一般的である。差圧モジュール４２及び基部４４は、液体分離管３８Ａ及び液体分離管３８Ｂを介し、分離ダイヤフラム５２Ａ及び分離ダイヤフラム５２Ｂと圧力センサ３０とを連通可能とするような構造を有している。基部４４は、プロセスフランジ４７またはその他のプロセス接続部材に圧力伝送器１２を結合できるような孔６８を備えている。差圧モジュール４２は、圧力伝送器１２のハウジング４０に結合するためのネジ山７０を備える。また、基部４４も、分離ダイヤフラム５２Ａと共に分離室７２Ａを形成する座ぐり穴と、分離ダイヤフラム５２Ｂと共に分離室７２Ｂを形成する座ぐり穴とを備えている。分離室７２Ａは、基部４４に設けられた穴７４Ａを介して液体分離管３８Ａに連通しており、分離室７２Ｂは、基部４４に設けられた穴７４Ｂを介して液体分離管３８Ｂに連通している。液体分離管３８Ａ及び液体分離管３８Ｂは、ステンレス鋼製の管からなり、液体分離管３８Ａは基部４４及び第１半割セル６２Ａに、また液体分離管３８Ｂは基部４４及び第２半割セル６２Ｂに、それぞれ溶接されている。液体分離管３８Ａは、第１半割セル６２Ａ内に形成されたボア７６Ａの中に配置されている第１インシュレータ６４Ａに接続され、液体分離管３８Ｂは、第２半割セル６２Ｂ内に形成されたボア７６Ｂの中に配置されている第２インシュレータ６４Ｂに接続される。第１インシュレータ６４Ａ及び第２インシュレータ６４Ｂは、それぞれカップ状の台座部を備えており、第１インシュレータ６４Ａの台座部には第１電極６０Ａが設けられ、第２インシュレータ６４Ｂの台座部には第２電極６０Ｂが設けられている。これらカップ状の台座部は、第１半割セル６２Ａと第２半割セル６２Ｂとが組み付けられて圧力センサ３０内に内部空洞７８を形成する際に、対をなして組み合わさる。第１インシュレータ６４Ａ及び第２インシュレータ６４Ｂは、ガラスまたはセラミックなど、絶縁材として適切な任意の素材からなる。第１インシュレータ６４Ａ及び第２インシュレータ６４Ｂは、内部空洞７８まで延びる穴を備えており、液体分離管３８Ａによって分離室７２Ａが内部空洞７８に連通し、液体分離管３８Ｂによって分離室７２Ｂが内部空洞７８に連通するようになっている。感知ダイヤフラム５８は、内部空洞７８内で第１半割セル６２Ａと第２半割セル６２Ｂとの間に、第１電極６０Ａ及び第２電極６０Ｂと対向するようにして介装されている。感知ダイヤフラム５８、並びに第１電極６０Ａ及び第２電極６０Ｂは、耐食性を有した材料で形成されるのが一般的である。第１電極６０Ａは、第１センサリード線６６Ａに接続されており、この第１センサリード線６６Ａは、第１インシュレータ６４Ａを通過して開口８０Ａから第１半割セル６２Ａの外に引き出されている。また、第２電極６０Ｂは、第２センサリード線６６Ｂに接続されており、この第２センサリード線６６Ｂは、第２インシュレータ６４Ｂを通過して開口８０Ｂから第２半割セル６２Ｂの外に引き出されている。第１センサリード線６６Ａ及び第２センサリード線６６Ｂは、さまざまなセンサ電子回路を備えた回路基板８２に接続されている。回路基板８２は、リボン状のケーブル４６を介し、ハウジング４０内の伝送器電子回路２８に接続されている。感知ダイヤフラム５８は、溶接部５８により第１半割セル６２Ａ及び第２半割セル６２Ｂに結合されている。

このような構成とすることで、感知ダイヤフラム５８と第１電極６０Ａとにより第１キャパシタが、また感知ダイヤフラム５８と第２電極６０Ｂとにより第２キャパシタが、それぞれ圧力センサ３０内に構成される。それぞれのキャパシタは、感知ダイヤフラム５８に圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２が作用すると電気信号を生成する。従って、圧力センサ３０は、２つのキャパシタによる２つの電気信号を生成し、これらの電気信号は、圧力センサ３０で発生する誤差の低減に利用することができる。充填流体Ａが上述の強磁性流体からなる場合、充填流体Ａの誘電率が従来の充填流体の誘電率よりも大きくなる。従来の充填流体は、誘電率εが約２である。清浄剤や酸化防止剤といった他の充填流体添加物と同じように、強磁性流体によって充填流体の分極率及び双極子モーメントが増大し、誘電率εは約６〜約１０に増大する。具体的な誘電率の増加量は、コロイド状混合液において浮遊懸濁する強磁性微粒子の比率に依存して変化する。本発明のさまざまな実施形態において、液体分離管３８Ａと液体分離管３８Ｂとで異なる誘電率の強磁性流体を用い、第１電極６０Ａ及び第２電極６０Ｂのそれぞれから得られる圧力検出信号に対する寄与の程度を異ならせるようにすることが可能である。標準的な１．２５インチ（約３．１７５ｃｍ）径の圧力センサを用いた場合、強磁性流体によって圧力センサ３０の静電容量は、標準的な６０ｐＦを上回り、約３００ｐＦまで増大する。第１電磁石６１Ａ及び第２電磁石６１Ｂは、圧力センサ３０の静電容量を更に増加させるために用いられる。例えば、伝送器電子回路２８または回路基板８２から、図４に示すような適切な配線を介して、第１電磁石６１Ａ及び第２電磁石６１Ｂの電磁コイルに電力が供給される。

図４は、図３の第１電磁石６１Ａの一実施形態を示す図である。第１電磁石６１Ａは、コイル巻線８６、遮蔽スリーブ８８、及びコアスリーブ９０を備えており、これらは液体分離管３８Ａの周囲に同心状に包囲するように設けられている。リード線９２Ａ及びリード線９２Ｂにより、コイル巻線８６が回路基板８２（図３）に接続されている。遮蔽スリーブ８８は、コアスリーブ９０及びコイル巻線８６を示すため、図４では一部を切り取って示されている。図３に示すように、第１電磁石６１Ａは、液体分離管３８Ａの一部分のみと交差するように設けられている。但し、別の実施形態として、コアスリーブ９０、コイル巻線８６、及び遮蔽スリーブ８８が、液体分離管３８Ａの全長にわたって交差するように、即ち第１半割セル６２Ａと基部４４との間の部分の液体分離管３８Ａの全長に沿って設けられるようにしてもよい。更に別の実施形態では、電磁石が充填流体と磁気的に近接した状態にある限り、ハウジング４０内の任意の位置に電磁石が配置される。即ち、充填流体に磁気的な影響を及ぼすことができるように、電磁石を配置する必要がある。本発明の更に別の実施形態では、磁界強度が予め判っている永久磁石をハウジング４０の外側に設け、強磁性微粒子を磁化する。

本発明の一実施形態において、液体分離管３８Ａは０．０６５インチ（約０．１６５ｃｍ）の径のステンレス鋼製の管からなる。コイル巻線８６は、購入可能な任意の適切な電線とすることができる。一実施形態において、コイル巻線８６は、電磁石の製造で一般的に用いられる銅線からなる。コアスリーブ９０は、軟鉄など、高い透磁率μを有した強磁性材料の層からなる。別の実施形態では、液体分離管３８Ａがコアとして機能し、コアスリーブを用いない。遮蔽スリーブ８８は、コイル巻線８６、及びコアスリーブ９０の周囲に配置され、外部の磁界がコイル巻線８６に影響するのを防止する。また、磁気遮蔽は、液体分離管３８Ａ内の強磁性流体に対する外部からの干渉を防止する上でも必要である。一実施形態において、遮蔽スリーブ８８は、金属材料からなるメッシュ状スリーブで構成される。従って、遮蔽スリーブ８８により、外部の磁界に対する遮蔽が得られる一方、コイル巻線８６が生成した磁界は、液体分離管３８Ａを貫通することが可能となる。本発明の別の実施形態では、ハウジング４０によってコイル巻線８６のための十分な遮蔽が得られるようになっている。ハウジング４０は、外部の磁界との干渉を防止可能な十分に高い透磁率を有した磁性材料からなる密封容器となる。具体的には、鋳造した３１６ステンレス鋼によってハウジング４０が形成されるため、このステンレス鋼には、ある程度の残留フェライトが含有されている。残留フェライトのマグネシウムにより、外部の磁界が引き寄せられ、液体分離管３８Ａ内の充填流体の流路と交差しない磁束通路が形成される。

本実施形態によれば、リード線９２Ａ及びリード線９２Ｂにより回路基板８２から電力が取り出される。リード線９２Ａ及びリード線９２Ｂを介して電流が流れることにより、磁界が生成される。この磁界は、コアスリーブ９０の存在によって強化される。その結果生じた電磁場が、分散媒中の強磁性微粒子を励磁することにより、強磁性微粒子に複数の集合体を形成させる。集合体となった強磁性微粒子により、液体分離管３８Ａ内の充填流体Ａの誘電率εが増大する。鉱油からなる分散媒と、Ｆｅ_３Ｏ_４からなる強磁性微粒子とを用い、印加した磁界によって約２μｍから約３μｍの集合体が形成され、強磁性流体に磁界を印加しない場合と比較して、誘電率が約２０％増大することが、実験により確認された。

誘電率が２０％増大すれば、圧力センサ３０が出力する信号が２０％増大する。このような事前に把握した比例関係は、圧力センサ３０の性能の診断に用いることができる。充填流体への磁界の印加により、圧力センサ３０の圧力検出範囲に関わらず、圧力センサ３０の圧力検出信号の強度が段階的に増大し、このような圧力検出信号強度の段階的な増大の度合いは、印加される磁界の強度に応じて変化する。印加する磁界の強度と、それに対応する圧力検出信号強度の段階的な増大の度合いが事前に判っていれば、圧力センサ３０の性能を診断するための手段として両者の関係を利用することが可能となる。また、この関係は、較正検査にも用いることが可能である。

図５は、充填流体Ａとして強磁性流体を用いた圧力センサ３０に印加した磁界Ｈと、圧力センサ３０の静電容量Ｃ及び圧力センサ３０が生成する圧力検出信号の強度Ｓとの相関関係を示すグラフである。図に示すように、グラフの左辺は時刻０で磁界が０となっている。数秒後の時刻ｔにおいて、磁束密度がガウスを単位としてΔＧだけ増大するように、磁界Ｈが圧力センサ３０に印加される。これに伴い、時刻ｔにおいて、圧力センサ３０の静電容量Ｃは、ピコファラッドを単位としてΔｐＦだけ増大してＣ＋Ｘとなり、圧力センサ３０の圧力検出信号の強度Ｓは、増加量ΔＩだけ増大してＳ＋Ｙとなる。このとき静電容量Ｃは、従来の充填流体に対し増大して得られる静電容量を表しており、Ｃ_０を従来の充填流体の場合の静電容量とし、ΔＣ_ferrofluidを強磁性微粒子の存在による静電容量の増加分とすると、Ｃ＝Ｃ_０＋ΔＣ_ferrofluidとなる。静電容量の増加Ｘ及び圧力検出信号の強度の増加Ｙは期間Ｚにわたって継続し、この期間Ｚは時間経過分Δｓ秒であって、このΔｓ秒が経過した時点で、静電容量及び圧力検出信号の強度は、磁界を印加する前の静電容量Ｃ及び強度Ｓに戻る。静電容量の増加Ｘ及び圧力検出信号の強度の増加Ｙは、同じ大きさの磁界Ｈを再び印加するだけで、再度容易に得ることができる。増加Ｘ及び増加Ｙの大きさは、さまざまな時間間隔、及び同じ時間間隔のいずれでも、磁界Ｈの磁界強度を変えることにより変化させることができる。

静電容量Ｃの増大は、ほとんど瞬時に生じ、磁界Ｈが印加されている限り、静電容量Ｃ＋Ｘに増大した状態で一定に保持され、磁界Ｈの印加が終了すると、ほとんど瞬時に、時刻０のときの静電容量Ｃに戻る。同様に、圧力検出信号の強度Ｓも、磁界Ｈの印加に伴いほとんど瞬時に増大し、磁界Ｈの印加終了に伴いほとんど瞬時に元に戻る。但し、圧力検出信号の強度Ｓについては、強磁性流体中の強磁性微粒子の磁化によって生じる強磁性流体の形状変化特性に起因した圧力上昇ΔＰの圧力パルスにより、時刻ｔにおいて瞬間的な増加が生じる。図５にも、このような影響がΔＰとして示されており、これは、圧電材料の形状変化特性によって生じる圧力パルスに類似したものである。従って、充填流体として強磁性流体を用いる場合、以下の３つの作用が得られる。
１）強磁性流体の誘電率の増大に伴う圧力検出信号の強度の一定した増大。
２）磁界の印加による強磁性流体の誘電率の増大に伴う、圧力検出信号の強度の調整可能な増大。
３）磁界を印加したときの瞬間的な圧力パルスΔＰの発生。
誘電率の調整可能な増大量及び瞬間的な圧力パルスは、いずれも圧力センサ３０の機能の評価及び診断に用いることができる。

充填流体中に浮遊懸濁する強磁性微粒子に磁界Ｈを印加することによって生じた圧力変化ΔＰは、圧力センサ３０、圧力伝送器１２、及びプロセス制御システム１０における別の状態を分析するのにも用いることができる。圧力検出信号の強度Ｓ＋Ｙへの増加量、圧力変化ΔＰの波形、及び予め判っている磁界Ｈの強度は、圧力伝送器１２の構成を設定する際に、予め定められ伝送器電子回路２８内に保存される。磁界Ｈの印加による圧力変化の検出値を、記憶している圧力変化ΔＰの値と比較することにより、システムの状態を診断することが可能である。例えば、検出した圧力変化の大きさが圧力変化ΔＰの大きさよりも大きければ、プロセス接続部分に詰まりが生じ、分離ダイヤフラム５２Ａの変動が妨げられることにより、感知ダイヤフラム５８が想定以上に撓んでいることを示していることになる。一方、検出した圧力変化の大きさが圧力変化ΔＰの大きさよりも小さければ、充填流体の圧力によって動きが全く生じないか、或いは僅かしか生じないほど感知ダイヤフラム５８が破損していることになる。また、充填流体が検出システムから漏出している可能性もある。このような場合、感知ダイヤフラム５８は移動せず、即ち圧力変化ΔＰを検出することができない。同様に、液圧機構における充填が不適切で、検出システム中に空気が封じ込められていると、この空気が圧力変化ΔＰによって圧縮されることになる。従って、電磁石へのパルス状の電力供給に対する変動が不十分な圧力検出信号は、液圧機構における漏洩（液位低下）、プロセス接続部分の開放、或いは空気の混入を示している可能性がある。また、このような変動が不十分な圧力検出信号は、プロセス流体における圧力変化によって圧力検出信号に視認可能な変化が生じないような、プロセス接続部分における開放を示している可能性もある。このような関係は公知であり、ローズマウント社（Rosemount Inc.）を譲受人とする米国特許第７，９１８，１３４号及び米国特許公開第２０１０/００８３７３１号に述べられている。また、同様の診断処理は、液位表示装置など、液圧機構を利用した別の形式の産業プロセス伝送器においても実施可能である。

伝送器電子回路２８は、変化する磁界強度を用いて圧力センサ３０の出力較正に利用することができる。例えば、第１電磁石６１Ａへの複数回にわたる一連の電力供給が適用され、圧力検出信号には、これに対応した一式のステップ状の強度の増大が生じる。これらの電力パルスは、充填流体の誘電率を異なる大きさで増大させるような、異なる強度の磁界を生成するものであり、圧力センサ３０の静電容量が異なる大きさで増大する。異なる大きさに増大する静電容量に対応し、圧力検出信号の電流が増大する。入力電力、磁界強度、誘電率及び静電容量の関係は予め判っているので、圧力検出信号の強度の変化量は、入力電力の大きさの変化量に対応したものとなり、圧力検出信号の強度の変化量は、静電容量の大きさの変化量に比例して変化する。磁界強度の大きさは、コイル及びコアの寸法に基づいて予め知ることができる。従って、予め大きさが判っている電力パルスを用いて一連の磁界を発生させることにより、その結果として生じる圧力検出信号を、想定される圧力検出信号と比較して、その圧力センサが適正に較正されていることを確認することが可能である。実際に得られた圧力検出信号が、想定される関係または想定される圧力検出信号に合致しない場合には、その圧力センサは較正がずれていることになる。想定される圧力検出信号のデータは、伝送器電子回路２８または回路基板８２に組み込まれたメモリに保存される。

別の実施形態として、電磁石に電力を供給する代わりに、予め磁界強度が判っている永久磁石を、ハウジング４０の基準位置に取り付け、圧力センサ３０の静電容量を増大させるようにしてもよい。このように構成した場合、液体分離管３８Ａと液体分離管３８Ｂとで強磁性流体の濃度を異ならせ、磁界の印加を容易にしてもよい。例えば、ハウジング４０内において、一方の液体分離管の方が他方の液体分離管よりもハウジング４０の壁面から離れて設けられることにより、永久磁石の磁界が印加されにくくなる場合がある。永久磁石からの液体分離管３８Ａ及び液体分離管３８Ｂの距離の違いは、これら液体分離管のそれぞれにおける強磁性微粒子の量を変えることで相殺することが可能である。前述した実施形態のように、予め磁界強度が判っている永久磁石を適用することにより、適正に機能する正常な圧力センサ及び圧力伝送器では、予め定めた応答が得られる。

静電容量を増大させることにより、レンジアビリティを増大させると共に、信号対雑音比を改善することが可能となる。例えば、典型的な伝送器の場合には、０水柱インチ（０ｋＰａ）から１０００水柱インチ（約２５０ｋＰａ）の計測幅を、０水柱インチ（０ｋＰａ）から１００水柱インチ（約２５ｋＰａ）の計測幅まで縮小することが可能である。１００水柱インチ（約２５ｋＰａ）においても、適切な性能を得る上で十分な信号が出力される。しかしながら、本発明による静電容量の増大によって、更なる信号の利用が可能となるため、例えば、５０水柱インチ（約１２．５ｋＰａ）まで計測幅を縮小することができる。

具体的な実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であると共に、均等物で本発明の各構成要素を置き換えることが可能であることが当業者に理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況やものを本発明の教示に適合させるためのさまざまな変形が可能である。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての形態を含むものである。

Claims (34)

1. プロセス流体の圧力を計測するための圧力伝送器であって、
   ハウジング、
   前記ハウジングの内部に配設され、前記プロセス流体の圧力を検出する圧力センサ、
   前記ハウジングの外面に設けられた第１の分離ダイヤフラムと、前記圧力センサから前記第１の分離ダイヤフラムまで延設された第１の液体分離管とを有する液圧機構、
   前記第１の液体分離管の内部に設けられ、前記第１の分離ダイヤフラムにおける前記プロセス流体の圧力の変化を前記圧力センサに伝達する第１の強磁性流体、及び
   前記ハウジングの内部に配設され、前記圧力センサから出力される圧力検出信号を受け取って調整する伝送器電子回路
   を備えることを特徴とする圧力伝送器。
2. 前記第１の強磁性流体は、
   分散媒、及び
   前記分散媒中に浮遊懸濁して前記圧力センサの充填流体の特性を変化させる第１の量の強磁性微粒子
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
3. 前記強磁性微粒子は、塊状集積を防止する表面活性剤でコーティングされていることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
4. 前記分散媒は、鉱油、及びシリコーンオイルからなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
5. 前記強磁性微粒子は、Ｆｅ_３Ｏ_４、αＦｅ_２Ｏ_３、磁鉄鉱、及びマグヘマイトからなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
6. 前記強磁性微粒子は、前記分散媒の誘電率を増大させることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
7. 前記強磁性流体は、常磁性流体が形成されるように前記分散媒中で前記強磁性微粒子が浮遊懸濁するコロイド状混合液からなることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
8. 前記液圧機構は、
   前記ハウジングの外面に設けられた第２の分離ダイヤフラム、
   前記圧力センサから前記第２の分離ダイヤフラムまで延設された第２の液体分離管、及び
   前記第２の液体分離管の内部に設けられ、前記第１の強磁性流体とは前記強磁性微粒子の濃度が異なる第２の強磁性流体
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
9. 前記液圧機構に磁界を印加可能な位置において前記圧力伝送器に組み付けられた電磁石を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
10. 前記電磁石は、
    前記第１の液体分離管の周囲に設けられた強磁性コア、及び
    前記強磁性コアの周囲に巻き付けられ、前記伝送器電子回路に電気的に接続された導電コイル
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の圧力伝送器。
11. 前記導電コイルの周囲に設けられた磁気遮蔽体を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の圧力伝送器。
12. 前記ハウジングが強磁性材料からなることにより、前記第１の強磁性流体に対する磁気遮蔽を行うことを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
13. 前記圧力センサは、静電容量型圧力センサからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
14. 産業プロセス伝送器における圧力センサの性能を診断するための方法であって、
    強磁性流体を有した液圧機構を介して圧力センサに流体圧力を印加し、検出された圧力を示す圧力検出信号を生成する工程、
    前記強磁性流体に磁界を印加し、前記圧力センサの静電容量を変化させる工程、
    前記圧力センサから出力された前記圧力検出信号における、前記磁界の印加に応じた変化を観測する工程、及び
    前記圧力検出信号及び前記磁界に基づき、前記圧力センサの性能を診断する工程
    を備えることを特徴とする方法。
15. 前記磁界の強度を前記圧力検出信号の段階的な増加の大きさと比較対照する工程を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記圧力検出信号の段階的な増加の大きさに対する前記磁界の強度の比較対照の結果に基づいて診断信号を生成する工程、及び
    前記産業プロセス伝送器の電子回路に接続された制御ループを介し、前記診断信号を伝送する工程
    を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記診断信号は、予め求められて前記産業プロセス伝送器に保存されたデータと比較されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記圧力センサの性能を診断する前記工程は、前記圧力センサの較正検査を行う工程を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記強磁性流体に前記磁界を印加する工程は、前記強磁性流体に隣接して永久磁石を配置する工程を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 前記強磁性流体に前記磁界を印加する工程は、前記液圧機構に組み付けられた電磁石に対し、前記産業プロセス伝送器の電子回路から電力を供給する工程を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
21. 前記圧力センサの性能を診断する前記工程は、前記電力を前記圧力検出信号と比較対照する工程を備えることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記強磁性流体に前記磁界を印加する工程は、前記磁界の強度を変化させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
23. 前記強磁性流体に前記磁界を印加する工程は、前記圧力検出信号に影響を及ぼす圧力パルスを前記強磁性流体に発生させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
24. 前記圧力パルスに対応して前記圧力検出信号に予測される変化を、前記圧力検出信号における実際の応答と比較することにより診断結果が生成されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記圧力センサの性能を診断する前記工程は、磁界を印加しても前記圧力検出信号に変化が生じない場合、または磁界を印加しても前記圧力検出信号に無視できる変化しか生じない場合に、充填流体における空気または気体の存在、分離ダイヤフラムの破損、充填流体の不足、またはプロセス接続部分の開放と判定する工程を備えることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記圧力センサの性能を診断する前記工程は、前記圧力検出信号における実際の変化が前記圧力検出信号に予測される変化より大きい場合に、プロセス接続部分の詰まりであると判定する工程を備えることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
27. 前記圧力センサの性能を診断する前記工程は、前記圧力検出信号における実際の変化が前記圧力検出信号に予測される変化より小さい場合に、分離ダイヤフラムの破損であると判定する工程を備えることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
28. 内部空洞と、前記内部空洞の内部に設けられて前記内部空洞を第１の部屋と第２の部室とに分割する感知ダイヤフラムと、前記第１の部室の内部で前記感知ダイヤフラムに対向する第１の内壁と、前記第２の部室の内部で前記感知ダイヤフラムに対向する第２の内壁とを有するセル体、
    前記第１の内壁に設けられて前記感知ダイヤフラムと共に第１キャパシタを形成する第１電極、
    前記第２の内壁に設けられて前記感知ダイヤフラムと共に第２キャパシタを形成する第２電極、及び
    前記第１の部室及び前記第２の部室の内部に設けられた充填流体を備え、
    前記充填流体は、
    分散媒、及び
    前記分散媒の中に浮遊懸濁して前記充填流体の特性を変化させる複数の強磁性微粒子を有する
    ことを特徴とする圧力センサ。
29. 前記分散媒は、鉱油、及びシリコーンオイルからなる群から選択され、
    前記強磁性微粒子は、Ｆｅ_３Ｏ_４、αＦｅ_２Ｏ_３、磁鉄鉱、及びマグヘマイトからなる群から選択され、
    前記強磁性微粒子は、塊状集積を防止するオレイン酸表面活性剤でコーティングされている
    ことを特徴とする請求項２８に記載の圧力センサ。
30. 前記第１電極から前記セル体の外部まで延設された第１センサリード線、
    前記第２電極から前記セル体の外部まで延設された第２センサリード線、
    前記第１の部室の内部に配置され、前記第１の内壁を備えた第１インシュレータ、
    前記第２の部室の内部に配置され、前記第２の内壁を備えた第２インシュレータ、
    一端が前記第１の部室に接続され、他端が前記セル体の外部に開口する第１の液体分離管、及び
    一端が前記第２の部室に接続され、他端が前記セル体の外部に開口する第２の液体分離管を更に備え、
    前記充填流体は、
    前記第１の液体分離管内に設けられた第１の強磁性流体、及び
    前記第２の液体分離管内に設けられた第２の強磁性流体からなる
    ことを特徴とする請求項２８に記載の圧力センサ。
31. 前記第２の強磁性流体は、前記第１の強磁性流体とは異なる誘電率を有することを特徴とする請求項３０に記載の圧力センサ。
32. 前記第１の液体分離管に磁気的に近接して設けられた第１電磁石、及び
    前記第２の液体分離管に磁気的に近接して設けられた第２電磁石
    を更に備えることを特徴とする請求項３０に記載の圧力センサ。
33. 前記第１電磁石は、
    前記第１の液体分離管の周囲に設けられた第１の強磁性コア層、及び
    前記第１の強磁性コア層の周囲に巻き付けられた導電コイルを備え、
    前記第２電磁石は、
    前記第２の液体分離管の周囲に設けられた第２の強磁性コア層、及び
    前記第２の強磁性コア層の周囲に巻き付けられた導電コイルを備える
    ことを特徴とする請求項３２に記載の圧力センサ。
34. 外部磁界から前記第１電磁石及び前記第２電磁石を保護する磁気遮蔽体を更に備えることを特徴とする請求項３２に記載の圧力センサ。

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