JP2018536150A - 過圧保護付き圧力送信器 - Google Patents

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Abstract

プロセス流体圧力送信器が提供される。プロセス流体圧力送信器は、圧力に応答する圧力センサの変形に応じて変化する電気的特性を有する圧力センサを含む。測定回路は、圧力センサに連結され、電気的特性の指示を提供するように構成されている。分離ダイアフラムは、プロセス流体に接触し、プロセス流体圧に応答して変形するように構成されている。実質的に非圧縮性の充填流体は、分離ダイアフラムを圧力センサに流体的に連結する。過圧適合構造体は、充填流体に連結され、選択された閾値未満の圧力では実質的に剛体であるが、選択された閾値を超える圧力に応答して変形するように構成されている。

Description

産業プロセス制御システムは、物質、例えばプロセス流体を製造又は移送する工業プロセスを監視及び制御するために使用される。そのようなシステムにおいて「プロセス変数」、例えば、温度、圧力、流量を測定することは、一般的に重要である。プロセス制御送信器は、このようなプロセス変数を測定し、測定されたプロセス変数に関連する情報を中央制御室のような中央位置に送り返すために使用される。
プロセス変数送信器の1つのタイプは、プロセス流体の1又は複数の圧力(例えばゲージ又は絶対圧力)を測定し、測定された圧力に関連する出力を提供する圧力送信器である。圧力送信器は、典型的には有線プロセス通信ループを介して制御室又は他の適切なデバイスに圧力情報を送り返すように構成されている。しかし他の技術、例えば無線通信技術が代わりに又は同じ様に用いられうる。
プロセス圧力送信器は、一般に、分離ダイアフラムに流体的に連結された圧力センサを用いて圧力を感知する。分離ダイアフラムは、感知されるプロセス流体から圧力センサを隔離する。したがって、腐食性の高い及び/又は高温であるプロセス流体は、圧力センサの腐食又は損傷を避けるために、圧力センサから分離された状態に保たれる。圧力は、シリコーンオイルのような実質的に非圧縮性の不活性充填流体を用いて分離ダイアフラムから圧力センサに伝達される。圧力センサ自体は、変形などにより圧力に反応する感知ダイアフラムのような物理的構造を有する。圧力センサはまた、電気的構造、例えば、ひずみゲージ又は容量性プレート又は物理的変形に反応する電極を有している。例えば、いくつかの既知の圧力センサは、ダイアフラムの撓みがセンサのキャパシタンスの変化を生じるように容量性プレート又は電極を支持する偏向可能なダイアフラムを有する。さらに他の圧力センサは、脆い変形可能なシリコン基板上に配置された抵抗ストレインゲージ構造を採用している。圧力に応答してシリコン基板が変形すると、ひずみゲージの抵抗が変化する。
既存の圧力送信器の限界の1つは、高い過圧に対する潜在的な感受性である。分離器ベースの圧力送信器は、実質的に非圧縮性の流体を使用して圧力センサ素子をプロセス流体又はガスに連結するので、過圧事象の間に、充填流体は検出素子に高圧を伝達する。これは、センサに故障をもたらす可能性がある。さらに、過圧事象がセンサ故障を直ちに引き起こさない状況であっても、比較的高い過圧への反復的な変位は、経時的に圧力センサを劣化させ、その性能に影響を及ぼす可能性がある。
プロセス流体圧力送信器が提供される。プロセス流体圧力送信器は、圧力に応答する圧力センサの変形に応じて変化する電気的特性を有する圧力センサを含む。測定回路は、圧力センサに結合され、電気的特性の指示を提供するように構成されている。分離ダイアフラムは、プロセス流体に接触し、プロセス流体圧力に応答して変形するように構成されている。実質的に非圧縮性の充填流体は、分離ダイアフラムを圧力センサに流体的に連結している。過圧適合構造体は、充填流体に連結され、低圧で実質的に剛体であるように構成されるけれども、高圧では十分に変形して分離ダイアフラムが自身を着座させるか又は「底につかされる」ことを可能にし、それにより更なる圧力が圧力センサへ到達するのを防ぐ。
本発明の実施態様が特に有用である例示的なプロセス流体圧力送信器を示す。 本発明の実施態様が特に有用である例示的な圧力送信器のブロック図である。 従来技術による圧力センサモジュールの概略図である。 本発明の1実施態様による圧力センサモジュールの断面図である。 本発明の1実施態様による過圧事象に対する改善された弾力性を有する圧力センサモジュールの概略的な断面図である。 本発明の1実施態様による、充填流体経路チャネルを示す適合挿入体の外部部分の概略の上面図である。 本発明の1実施態様による、充填流体経路チャネルを示す適合挿入体の外部部分の概略の側面図である。 本発明の1実施態様による充填流体経路チャネルを有する適合挿入体の内部平面図である。 本発明の1実施態様による充填流体経路チャネルを有する適合挿入体の内部側面図である。 非過圧状態の間に空洞内に配置された本発明の1実施態様による適合挿入体を示す。 過圧状態の間に空洞内に配置された本発明の1実施態様による適合挿入体を示す。 通常の作動圧力の間の、本発明の1実施態様による適合挿入体の動作を示す。 過圧状態の間の、本発明の1実施態様による適合挿入体の動作を示す。
図1は、本発明の実施態様が特に有用である例示的なプロセス流体圧力送信器12を示す。プロセス制御又は測定システム10は、プロセス流体16を運ぶプロセス配管14に連結された圧力送信器12を備えている。プロセス流体16は、圧力送信器12に圧力Pを加える。圧力送信器12は、例えば2線式プロセス制御ループ20によって、出力を遠隔地、例えば制御室22へ提供する。プロセス制御ループ20は、任意の適切なプロセス通信プロトコルに従って動作しうる。1つの構成において、プロセス制御ループ20は、アナログ電流レベルがプロセス圧力Pに関連する「プロセス変数」を表すために使用されるところの2線式プロセス制御ループを備えている。別の例示的実装において、プロセス制御ループ20は、プロセス圧力Pに関連するデジタル値を運ぶ。そのようなプロトコルの例には、高速アドレス可能リモートトランスデューサ(HART(商標))又はFOUNDATION(商標)フィールドバス通信プロトコルが含まれる。別の例示的なプロセス制御ループは、IEC62591による無線通信リンクなどの無線通信リンクを含む。このような構成において、要素20は、送信器12とプロセス制御室22との間の無線通信リンクを表わしている。
送信器12は、何らかの適切な技術に従って動作しうる圧力センサ(この例においては圧力センサ・ダイ)40を含む。例示的な技術は、例えば、印加された圧力に応答して変化する電気的特性を有する要素を持つマイクロ機械加工された構成を含む。プロセスカップリング42は、送信器12の本体又はハウジング18をプロセス配管14に連結する。これは、プロセス圧力Pが送信器12の分離ダイアフラム50に加えられることを可能にする。圧力Pは、ダイアフラム50での変位を引き起こし、この変位は、通路52内の充填流体、例えばシリコーンオイルを使って圧力センサへ伝えられる。こうして、分離ダイアフラム50は、プロセス流体に接触する第1の側面と、充填流体に接触する反対側とを有している。通路52は、圧力センサ40をも支持する圧力センサモジュール54を通して延在する。圧力センサ40は、測定回路62へ電気出力60を供給する。測定回路62は、プロセス制御ループ20に結合するところの端子ブロック70に接続する。1の例示的構成において、プロセス制御ループ20はまた、例えば測定回路62などの、送信器12の回路に電力を供給するために使用される。
図2は、圧力送信器12のブロック図である。圧力送信器12は、電力モジュール150及びループ通信部152を含み、それらの各々は、プロセス通信ループ20へ結合されている。1実施態様において、電力モジュール150は、ループ20からエネルギーを受け取り、圧力送信器12の全ての構成要素へ電力を供給する。ループ通信部152が、ループ20から受信したプロセス通信信号を示すデータを制御部156に供給するように、ループ通信部152は、制御部156へ結合されている。逆に、ループ通信部152は、制御部156からデータを受信し、かつ適切なプロセス通信信号をループ20上の生成することができる。
ループ通信部152は、プロセス通信業界標準プロトコルに従ってプロセス通信ループ20上に適切な信号を生成するように適合された何らかの適切な装置でありうる。そのようなプロセス産業通信プロトコルの適切な例は、上記のものが含まれる。さらに、送信器12は、電力モジュール150とループ通信モジュール152との間の協働により、少なくともいくつかの実施態様においては、電力を受信するのと同じ通信媒体を介して通信することができる。アプリケーションに応じて、ループ通信部152は、上述したものを含む任意の適切な無線通信プロトコルに従って通信するように適合された無線送受信機であってもよく、又はそれを含んでいてもよい。
制御部156は、制御機能又は監視機能を提供するために一連のプログラム命令を実行することができる何らかの適切な装置である。1実施態様において、制御部156はマイクロプロセッサである。制御部156は、センサ40に結合された測定回路62に結合されている。測定回路62は、センサ40の1つ以上の変化する電気的特性を測定し且つプロセス流体圧力を示すデータを制御部156に供給する適切な回路を含む。好ましくは、測定回路62は、圧力センサ40のキャパシタンス又は抵抗を制御部156に送信されるデジタルデータに変換するように適合された少なくとも1つのアナログ‐デジタル変換器を含む。
図3は、従来技術による圧力センサモジュール100の概略図である。圧力センサモジュール100は、一般に、ステンレス鋼のような金属で形成された本体102を含み、その本体内を充填流体通路52が延在している。充填流体通路52は、実質的に非圧縮性の充填流体(例えばシリコーンオイル)で充填されうる空洞106に流体的に連結される。さらに、いくつかの環境においては、セラミックディスク204が、空洞106内に設けられる。セラミックディスクは、充填流体及び金属製の本体102とは異なる熱膨張係数を有する。セラミックディスク204及びそれに関連する熱膨張/収縮は、本体102及び充填流体の熱膨張/収縮における変化を相殺するのを助ける。この方法において、セラミックディスク204は、温度の影響について圧力送信器を補償するのを助けるために使用されうる。圧力センサ40は、空洞106に結合され、かつ空洞106内の圧力に応じて撓む。圧力センサ40への電気的接触は、本体102に機械的に取り付けられたヘッダ104を介して行われる。図3に示されたように、圧力Pは、分離ダイアフラム50に連結されている。したがって、分離ダイアフラム50に作用する圧力Pは、該ダイアフラム50の動きを生じさせ、関連する圧力を通路52内の充填流体を通して空洞106に伝達する。図3に示された配置において、過圧状態が発生すると、センサ40は、充填流体を介して伝達される圧力超過によって損傷又は破壊される可能性がある。
本発明の1実施態様によると、選択された閾値以下の圧力で動作するときには固定されたままであるが、選択された閾値の上では可撓性になる比較的剛体の又は非可撓性の構造体が提供される。1例として、選択される閾値は、測定が所望される最大圧力の25%上であってもよい。このようにして、圧力送信器が公称的な設計範囲内で動作しているとき、構造は実質的に剛体である。このように、分離ダイアフラムの撓みは、通路を通る充填流体の関連する運動を発生させ、圧力センサに連結された空洞内に関連する圧力を発生させる。しかし、プロセス流体の圧力が選択された閾値を超える状況においては、充填流体が比較的繊細な圧力センサに対する損傷をもたらす流体移動であるものを伝えないように、別の剛体の構造体が、順応又は偏向する。本発明の実施態様は、2つの別の実施態様に関して一般的に説明され、その各々は、そのような過圧適合構造体を提供する。1の実施態様においては、この適合構造体は設定圧力閾値に達するまで相対的に固定され、別の実施態様においては、この構造体は連続的に柔軟であるが、低圧ではセンサの通常動作に影響を与えないほどに小さい。本発明の代替の実施態様は、他の適切な構造、及びそれらの任意の組み合わせを使用して実施できることを理解することは容易である。
図4は、本発明の1実施態様による圧力センサモジュールの断面図である。圧力センサモジュール200は、上側部分201及び下側部分202をそれぞれ含む。部分201、202は一緒に溶接されているか、そうでなければ互いに適切に固定されている。図4に示された実施態様において、剛体/可撓性ダイアフラム208は、第1の部分201と第2の部分202との間の空間に設置されている。「剛体/可撓性ダイアフラム」という用語は、直観に反しているように見えるかもしれないけれども、実際にはその機能は非常に説明しやすい。具体的には、選択された閾値(例えば圧力送信器の上限範囲の1.2倍)又はそれよりも低い圧力に対して、ダイアフラム50は実質的に剛体である。したがって、そのような場合、分離ダイアフラム50の屈曲は、通路209を通り通路211内への充填流体の運動を生成し、該通路211は、究極的に流体的にチャンバー207と圧力センサ206とに連結されている通路210に連結されている。このようにして、選択された閾値又はそれよりも低い圧力に対して、分離ダイアフラム50の屈曲の量は、通路210を通る充填流体の関連した運動を生み出し、その結果、圧力センサ206によって変換又は測定される。
しかし、プロセス流体圧力が選択された閾値(例えば、圧力送信器の動作範囲上限の1.2倍)を超えると、剛体/可撓性ダイアフラム208が撓み、従ってより多くの利用可能なオイル容量を生み出し、そのことは分離ダイアフラムがセンサへの圧力を増加させることなくさらに移動させることを可能にする。このようにして、通路210を通って流れる充填流体の量は、過圧がないときに分離ダイアフラム50の動きに応答して流れる充填流体の量に比べると比較的一定である。したがって、圧力センサ206へ最終的に加えられる圧力は制限され、その結果、圧力センサ206は過圧事象から保護される。こうして、圧力センサ206は、過圧事象に一層容易に耐えうる。十分に高い圧力(例えば、上限の2〜3倍)で、分離ダイアフラム50は、第2の部分202に対して固定された停止部(すなわち最底部)に達し、さらなる圧力増加は入口空洞のみに影響を与え、すなわち分離ダイアフラム50の表面及びコネクタとハウジング202の下側部分との間の溶接部は、センサ206に対する高い過圧の影響を除去する。これは、センサ206の可用性及び計量特性を維持するのに役立ち、送信器の稼働時間及び信頼性を高める。過圧事象が後退するにつれて、剛体/可撓性ダイアフラム208は元の位置に戻り、その結果、送信器は、過圧状態からの損傷を被りつつ圧力測定値を提供し続けうる。
図4に示されたように、一対の流体容積部が設けられている。第1の充填流体容積部は、通路209、211、210を通って最終的に空洞207を充填する分離ダイアフラム50の近傍に設けられる。第1の流体容積部はチャネル211を通って充填され得、その端部215は封止されうる。図4に示された実施態様において、空洞207はまた、セラミックディスク204によって実質的に充填されており、それは、上述したように、温度補償効果を提供することができることに注意されたい。第2の流体容積部は、第1の充填流体容積部からは剛体/可撓性ダイアフラム208の反対側に配置される。この第2の充填流体は、実質的にシールされ又は溶接されたポート213を介して充填されるか又は提供される。第2の充填流体は、ダイアフラム208の反対側の第2空洞内に容れられ、ダイアフラム208が過圧状態において屈曲されうる。
図5は、本発明の別の実施態様による過圧事象に対する改善された弾力性を有する圧力センサモジュールを示す別の実施態様の概略断面図である。モジュール300は、圧力センサ306を支持するヘッダ304に連結された本体302を含む。図5に示された実施態様において、圧力センサモジュール300は、ゲージ圧測定部を提供し、該ゲージ圧測定部中において分離ダイアフラム50に作用する圧力が、通気孔308を介して供給される大気圧に対して参照される。図4に対して示された実施態様と違って、圧力センサモジュール300は、剛体/可撓性ダイアフラムを含んでいない。代わりに、チャンバー310においては、中空構造312は、セラミック挿入体、例えば挿入体204(図4に示される)の代わりに設けられている。適合挿入体312は、従来技術の圧力センサモジュールの適切な空洞内に配置することができ、それによって、このような従来の装置が本発明の実施態様を楽しむことができる。追加的又は代替的に、適合挿入体312はまた、さらなる過圧コンプライアンス回復力を提供するために、図4に示された実施態様のチャンバー207内に設けうる。適合挿入体312は、従来技術のセラミックディスク204に取って代わるので、適合挿入体312は、それが交換しているセラミック挿入体と同じ又は類似の熱膨張特性を有することが重要である。そのような要求を満たす金属の適切な例は、コネチカット州New HavenのUlbrich Stainless Steels and Special Metals会社から入手可能なNiSpan-C Alloy 902などの鉄ニッケル合金を含む。さらに、本発明のいくつかの実施態様は、中空の金属缶としての適合挿入体312を提供するが、構造が十分な圧縮性を有する限り、適切に柔軟な固体構造が使用される実施態様が実施され得る。実際、実施態様は、適合挿入体312が非金属材料、例えばポリマー又は発泡セラミックで形成される場合に実施しうる。
適合挿入体312は、通常の動作圧力では圧力に応じて限定された変形を有して弾性的に変形しうる。材料選択、壁厚、及び内圧に基づいて、適合挿入体312は、充填流体のための利用可能な容積を増加させるために、高圧で十分に変形し、これにより、分離ダイアフラム50が本体302に対して底につくことを可能にする。一度底をつくと、圧力のさらなる増加は、追加の充填流体の圧縮を生成することができず、それによって過剰な圧力が、より脆弱な圧力センサ306に到達することを防止する。圧力による適合挿入体312の変形による有効充填流体容積の増加は、分離ダイアフラム50を、圧力センサ306の最大定格を下回る圧力で底をつく。しかし、適合挿入体の変形による有効な充填流体容積の増加は、センサ306の最低温度及び最大作動圧力で分離ダイアフラムを底に付けるほど大きくすべきではない。更に、適合挿入体312内の最大応力は、分離器を底につかせる最大圧力で、適合挿入体312が形成されているところの材料の降伏レベル未満に維持されるべきである。このようにして、適合挿入体312は、過圧事象に応答して塑性変形を持続しないが、一旦過圧事象が除去されると元の形状及び容積に戻る。
図6A及び6Bはそれぞれ、本発明の1実施態様による適合挿入体312の外部部分の概略平面図及び立面図である。図示されるように、適合挿入体312は、一般に円形の外側の径314と、中心318と外側の径314との間に延びるオイルチャネル316とを有する。オイルチャネル316は、図5Bに示されたように、一般に適合挿入体312を通過せず、その代わりに、その外側表面の周りを巡回する。適合挿入体312が空洞310を実質的に充填するようなサイズにされうるので、オイルチャネル312は有用である。これが生じると、オイルチャネル318は、充填流体通路320から圧力センサ306に近接する空洞310の一部分までの経路を提供する。
図7A及び図7Bは、それぞれ適合挿入体312の内部の平面図及び立面図である。図7A、7B及び図6A、6Bは、内部容積部322の描写である。この内部容積部322はシールされている。このようにして、適合挿入体312は、一般に、特定の内圧を有するように製造されている。しかしこの特定された内圧は、必要に応じて真空又は適切に低い圧力とすることができる。材料選択と併せた適合挿入体312の壁厚と適合挿入体312の内部圧力と加えられた外部圧力との間の差圧は、適合挿入体312の選択可能な変形量を引き起こす。
図8Aは、非過圧状態における適合挿入体312を示す。圧力が送信器の最大作動圧力を超えて増加すると、適合挿入体312は、空洞310内の充填流体の利用可能な容積を増加させるのに十分な変形を受ける。この状態を図8Bに示す。さらに、図9A及び図9Bは、分離ダイアフラムが完全に底をついていないような、十分に変形した適合挿入体がある場合の、分離ダイアフラムが底をついていない通常の動作圧力における適合挿入体の動作を示している。
本明細書に記載された本発明の実施態様は、一般に、圧力送信器の過圧弾性を増加させる。そのような実施態様は、絶対圧力測定、ゲージ測定、差圧測定、又はそれらの任意の組み合わせを提供する圧力送信器に適用されうる。加えて、2つの別の実施態様が記載されているが、追加の実施態様は、そのような別の実施態様を組み合わせ、過圧事象に応答して適合性を提供する他の物理的配置を利用することによって実施することができる。
本発明は、好ましい実施態様を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その形態及び細部に変更を加えうることを認識するであろう。

Claims (19)

  1. プロセス流体圧力送信器であって、
    圧力に応答する圧力センサの変形に応じて変化する電気的特性を有する圧力センサと、
    前記圧力センサに結合され且つ前記電気的特性の指示を提供するように構成された測定回路と、
    前記プロセス流体に接触し且つプロセス流体圧力に応答して変形するように構成された分離ダイアフラムと、
    前記分離ダイアフラムを前記圧力センサに流体的に連結させる実質的に非圧縮性の充填流体と、及び
    前記充填流体に連結され、且つ選択された閾値よりも低い圧力で実質的に剛体であるように構成された、しかし前記選択された閾値よりも高い圧力に応答して変形することができる過圧適合構造体と、
    を備える、
    前記プロセス流体圧力送信器。
  2. 前記過圧適合構造体は、前記選択された閾値よりも低い圧力で剛体であり、前記選択された閾値よりも高い圧力に応答して変形するように構成された剛体/可撓性ダイアフラムを含んでいる、請求項1に記載のプロセス流体圧力送信器。
  3. 前記剛体/可撓性ダイアフラムは、実質的に非圧縮性の充填流体に接触する第1の側面と、第2流体容積部に接触する第2の側面とを有する、請求項2に記載のプロセス流体圧力送信器。
  4. 前記剛体/可撓性ダイアフラムは、第1の圧力センサモジュール部分と第2の圧力センサモジュール部分との間に搭載され、充填流体通路が、前記分離ダイアフラムから前記第1及び第2の圧力センサモジュール部分を通って前記圧力センサが連結されている空洞まで延在している、請求項2に記載のプロセス流体圧力送信器。
  5. セラミックディスクが、前記空洞内に配置されている、請求項4に記載のプロセス流体圧力送信器。
  6. 第2の適合構造体が、前記空洞内に配置されている、請求項4に記載のプロセス流体圧力送信器。
  7. 前記圧力センサは、シリコンダイから形成されている、請求項1に記載のプロセス流体圧力送信器。
  8. 前記圧力センサは、歪ゲージ圧力センサである、請求項7に記載のプロセス流体圧力送信器。
  9. 前記圧力センサは、容量性圧力センサである、請求項7に記載のプロセス流体圧力送信器。
  10. 前記選択された閾値は、前記プロセス流体圧力送信器の上方測定範囲より約20%高い、請求項1に記載のプロセス流体圧力送信器。
  11. プロセス流体圧力送信器であって、
    圧力に応答する圧力センサの変形に応じて変化する電気的特性を有する圧力センサと、
    前記圧力センサに連結され且つ前記電気的特性の指示を提供するように構成された測定回路と、
    プロセス流体に接触し且つプロセス流体圧力に応答して変形するように構成された分離ダイアフラムと、
    前記分離ダイアフラムを前記圧力センサに流体的に連結する実質的に非圧縮性の充填流体と、
    前記圧力センサに近接して配置され且つ流体的に連結された空洞と、及び
    前記空洞内に配置され且つ前記分離ダイアフラムを最底部に達せさせることを可能にするために、十分な容積を生成するように過圧に応答して変形するように構成された過圧適合構造体と
    を含む、
    前記プロセス流体圧力送信器。
  12. 前記過圧適合構造体は、シリンダ状に形成されている、請求項11に記載のプロセス流体圧力送信器。
  13. 前記過圧適合構造体は、前記シリンダの第1の面から前記シリンダの反対面へ延在しているオイルチャネルを含む、請求項12に記載のプロセス流体圧力送信器。
  14. 前記過圧適合構造体は、中空の金属シリンダで形成されている、請求項11に記載のプロセス流体圧力送信器。
  15. 前記過圧適合構造体は、NiSpan-C Alloy 902で形成されている、請求項14に記載のプロセス流体圧力送信器。
  16. 前記過圧適合構造体は、ポリマーで形成されている、請求項11に記載のプロセス流体圧力送信器。
  17. 前記過圧適合構造体は、発泡セラミックで形成されている、請求項11に記載のプロセス流体圧力送信器。
  18. 前記選択された閾値は、前記プロセス流体圧力送信器の上方測定範囲よりも約20%高い、請求項11に記載のプロセス流体圧力送信器。
  19. 前記過圧適合構造体は、過圧状態が過ぎ去った後に、元の形状及びサイズに戻るように構成されている、請求項11に記載のプロセス流体圧力送信器。
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