JP2023508334A - 高範囲差圧センサ - Google Patents

Abstract

プロセス圧力伝送器（３６）は、ハウジング（７１）内に配置された伝送器電子機器（７２）を含む。伝送器電子機器（７２）は、プロセッシングシステム（７４）に結合された通信回路（７８，８０）と、ハウジング（７１）内に配置されたアナログ－デジタルコンバータ（６２）とを含む。アナログ－デジタルコンバータ（６２）は、伝送器電子機器（７２）に電気的に結合されている。圧力センサ（４００）は、内部キャビティ（４０６Ａ，Ｂ）を規定するセル本体（４０２Ａ，Ｂ）を含む。第２の材料を含む可撓性ダイアフラム（４１０）は、セル本体（４０２Ａ，Ｂ）に結合され、内部キャビティを第１キャビティ（４０６Ａ）と第２キャビティ（４０６Ｂ）に分離する。可撓性ダイアフラムは、可撓性ダイアフラム（４１０）の周囲に位置する溝領域（４３０Ａ，Ｂ）を含む。第１および第２キャビティ（４０６Ａ、Ｂ）は、それぞれ誘電性充填液を含み、充填流体のそれぞれは、圧力を受け取り、ダイアフラム（４１０）に対応する力を発揮するように構成され、ダイアフラム（４１０）は、第１および第２キャビティ（４０６Ａ、Ｂ）において充填液によって受け取られた圧力の差異に応じて、撓み可能である。第１電極（４１２Ａ）がダイアフラム（４１０）に容量結合されて第１可変キャパシタを形成し、第１のリード線（４１４Ａ）が第１電極（４１２Ａ）に電気的に接続する。第２電極（４１２Ｂ）は、ダイアフラム（４１０）に容量結合されて第２キャパシタを形成し、第２リードワイヤが第２電極に電気的に結合される。第１および第２リードワイヤ（４１４Ａ，Ｂ）は、アナログ－デジタルコンバータ６２に電気的に結合される。

Description

本発明は、工業プロセス可変伝送器に関する。より具体的には、本発明は、プロセス流体の差圧を測定するために使用される種類の工業プロセス可変伝送器に関する。

工業プロセス伝送器は、検出素子で測定された変数に応答し、その変数を、測定された変数の関数である標準化された伝送信号、例えば、電気または高周波シグナルに変換する変換器である。工業プロセス圧力伝送器は、化学、パルス、石油、ガス、医薬、食品、および他の流体処理プラントにおけるスラリー、液体、蒸気およびガスのような工業プロセスの圧力測定と共に使用される。工業プロセスの伝送器は、しばしばプロセス流体の近くに置かれるか、あるいは現場での応用に置かれる。しばしば、これらの分野の用途は、そのような伝送器の設計者に課題を提供する厳しくかつ変化する環境条件下に置かれる。

多くの圧力伝送器における検出素子（圧力センサ）は、可撓性を有する検知ダイアフラム（「ダイアフラム」）および２つのキャパシタ電極を含むキャパシタンスセンサである。１つの種類の検出素子は、ダイアフラムを含み、それは、ダイアフラムの両側に加えられた圧力に応じてたわむ導電性伸張膜であり、２つのキャパシタ電極は、ダイアフラムの両側に１つずつ含まれる。キャパシタプレートとダイアフラムの間には、誘電性充填液が使用される。プロセス流体とインターフェースする隔離ダイアフラムと共に使用される充填流体は、過酷、腐食性、汚れまたは汚染され得るプロセス流体が、検出素子の構成部品と相互作用し、おそらく構成部品を損傷することを防止する。導電性ダイアフラムと結合された、ダイアフラムの片側の第１キャパシタ電極は、第１キャパシタを形成する。ダイアフラムの反対側にある第２キャパシタ電極は、ダイアフラムと結合して第２キャパシタを形成する。それぞれのキャパシタのキャパシタンスは、キャパシタプレートとダイアフラムの間隔の逆数に比例して変化する。したがって、それぞれのキャパシタのキャパシタンスは、ダイアフラムが印加圧力に応じてたわむにつれて変化する。たわみの大きさは、２つの加えられた圧力の差、つまり差圧に関係する。それぞれのキャパシタプレートと導電性ダイアフラムとの間の差動キャパシタンスが検出され、差圧に関係する標準化された伝送信号を提供するために使用される。

本検出素子は、特に、プロセスフィールド環境におけるダイアフラムたわみの検出に適合されている。キャパシタンス、Ｃ、および１つのキャパシタプレート間の距離、Ｘ、のおおよその関連は、Ｃ＝εＫ／Ｘ、であり、ここで、εは充填液の誘電率であり、Ｋは、検出素子の幾何学的形状のようないくつかの要因に依存する定数である。２つの対向するキャパシタを有する検出素子は、出力が変化する誘電率に概ね依存しないように構成される。検出素子の２つのキャパシタは、一般に、比率（Ｃ１－Ｃ２）／Ｃ１＋Ｃ２）に関連するアウトプットを提供する。ここで、Ｃ１は、検出素子における第１キャパシタのキャパシタンスを表し、Ｃ２は、検出素子における第２キャパシタンスを表す。

広い圧力領域にわたって正確な差圧測定を提供することは、特に困難である。なぜなら、圧力センサは小さな圧力変化を測定するのに十分な感度を有し、しかも大きな差圧の適用に耐えるのに十分な堅牢性を有していなければならないからである。これらの要求に応えるため、圧力センサの構造には専用の材料と合金を採用している。
発明の概要

プロセス圧力伝送器は、ハウジング内に配置された伝送器電子機器を含む。伝送器電子機器は、処理システムに結合された通信回路と、ハウジング内に配置されたアナログ－デジタルコンバータとを含む。アナログ－デジタルコンバータは、伝送器電子機器に電気的に結合される。圧力センサは、第１の内壁と、内部キャビティを規定する第１の内壁とほぼ対向する第２の内壁とを有する第１の材料のセル本体を備える。第２／材料を含む可撓性ダイアフラムは、第１および第２の内壁の間のセル本体に結合され、内部キャビティを第１キャビティおよび第２キャビティに分離する。可撓性ダイアフラムは、可撓性ダイアフラムの周囲に位置する溝領域を含む。第１および第２キャビティは、それぞれ誘電性充填液を含み、充填流体のそれぞれは、圧力を受け取り、ダイアフラムに対応する力を発揮するように構成され、ダイアフラムは、第１および第２キャビティにおいて充填液によって受け取られた圧力の差異に応じて、撓み可能である。第１電極が導電部に容量結合されて第１可変キャパシタを形成し、第１リードワイヤが第１電極に電気的に接続する。第２電極がダイアフラムの導電部に容量結合されて第２キャパシタを形成し、第２リードワイヤが第２電極に電気的に結合される。第１および第２リードワイヤは、アナログ－デジタルコンバータに電気的に結合される。

図１は、本発明に従って構成された処理伝送器を備えたプロセス測定システムを示す図である。 図２は、図１の処理伝送器の分解図である。 図３は、図１に示す処理伝送器の機能ブロック図を示す。 図４は、図１の伝送器の一部である、切断されたセンサモジュールおよび圧力センサの斜視図である。 図５Ａは、広い圧力範囲にわたって動作するように構成された一実施形態による圧力センサの拡大断面図である。 図５Ｂは、図５Ａの圧力センサの側断面図である。

図１は、一般にプロセス測定システム３２の周囲を示す。図１は、プロセス圧力を測定するためにプロセス測定システム３２に連結された圧力下の流体を収容するプロセス配管３０を示す。プロセス測定システム３２は、配管３０に接続されたインパルス配管３４を含む。インパルス配管３４は、プロセス圧力伝送器３６に接続される。オリフィス板体、ベンチュリ管、フローノズルなどの一次構成要素３３は、インパルス配管３４のパイプ間のプロセス配管３０内の位置でプロセス流体に接触する。一次構成要素３３は、液体が一次構成要素３３を通過する際に、圧力変化を引き起こす。

伝送器３６は、インパルス配管３４を通してプロセス圧力を受け取る処理測定装置である。伝送器３６はプロセス圧力を感知し、プロセス圧力の関数である標準化された伝送信号に変換する。また、伝送器は、多重プロセス変数を感知することができ、又はプロセス制御機能を提供するように構成することができる。実施例では、伝送器３６は差圧伝送器である。差圧は、２つの圧力値間の大きさの差異であり、たとえば、伝送器に入力される２つのプロセス圧力間の差異である。差圧の測定は、伝送器に入力される基準圧力が大気圧力であるゲージ圧力の測定を含み、伝送器に入力される基準圧力が真空である絶対圧力の測定も含む。図１は、流れを測定するように構成された伝送器を示す。しかしながら、差圧測定のための伝送器の他の使用が考えられる。

プロセスループ３８は、伝送器３６への電力信号と双方向通信の両方を容易にし、多数の処理通信プロトコルに従って構成することができる。図示の例では、プロセスループ３８は２線式ワイヤループである。２線式ワイヤループは、その名称が意味するように、伝送器３６を遠隔制御室４０に電気的に接続するために２本のワイヤのみを使用する。２線式ワイヤループは、４～２０ｍＡの通常動作中に、伝送器３６との間のすべての電力およびすべての通信を伝送するために使用される。従って、図示されているような伝送器３６は、「２線式伝送器」と呼ばれることが多いが、３線式及び４線式伝送器等の他の構成も公知であり、企図されている。４－２０ｍＡのアナログシグナルとオープンプロトコルＨＡＲＴ（登録商標）で通信できる。ＨＡＲＴ（登録商標）（Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、デジタル通信フォーマットで、４ ～２０ｍＡ 信号と同時にデジタル通信を行うことができる。通信は、オープンで相互運用可能なプロトコルＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）でも実行できる。ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）は、インテリジェントフィールドレベルと制御装置間のデジタル通信リンクを提供するフィールドバスである。伝送器３６は、世界中で使用されている装置バス、センサバス、プロフィバス、イーサネット等を含む他のプロセスプロトコルと共に使用するように構成することができる。コンピュータ４２またはモデム４４を介した他の情報処理システム、または他のネットワークインターフェースが、伝送器３６との通信に使用される。遠隔電圧電源４６が伝送器３６に電力を供給する。伝送器３６は、例えば、バッテリ、太陽電池等によって外部又は内部に電力を供給することができる。さらに、いくつかの構成では、ループ３８は、ワイヤレスプロセス制御ループである。例えば、ループ３８は、ＩＥＣ ６２５９１ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＨＡＲＴ（登録商標）に従って動作できる。

図２は、伝送器３６の一例の分解図を示す。フランジ５０は、センサモジュール５２に取り付けられて、インパルス配管３４とインターフェースする。センサモジュール５２は、内部構成部品を処理媒体及び現場環境から隔離するための全ての溶接設計であるねじ付きハウジング５３を含む。図３は、図２に対応する伝送器３６の構成図を示す。プロセス圧力５４がセンサモジュール５２に印加される。処理媒体から機械的、電気的、熱的に絶縁された圧力センサ５６は、プロセス圧力５４を受け取り、差圧を表すアナログ電気信号５８を提供する。シグナル５８は処理され、アナログ－デジタルコンバータ６２およびセンサモジュールメモリ６４を含むセンサモジュール電子機器６０でデジタル信号に変換される。メモリ６４には、センサモジュール５２のセンサモジュール係数および補正係数に関する具体的な情報が含まれる。温度センサ６３は、センサ電子機器６０への周囲温度を表すアナログシグナルを提供する。デジタル信号は、マルチピンケーブル６６を介して出される。図２に示すように、マルチピンケーブル６６は、センサモジュール５２のキャップ７０上のカバー６８によって包囲された格納式テープとして実装される。

一実施形態によれば、電子ハウジング７１は、センサモジュール５２およびループ３８とインターフェースする伝送器構成部品を格納する。マルチピンケーブル６６は電子ボード７２に差し込む。図３は、本電子ボードが、デジタル信号をさらにコンディショニングするために使用されるマイクロプロセッサシステム７４およびメモリ７６を含むことを示す。デジタル－アナログコンバータ７８またはデジタル通信回路８０は、ループ３８を介してアナログまたはデジタル伝送信号のいずれかを生成および受信するために使用され、従って、「通信回路」としばしば呼ばれる。ループ３８は、図２に示すように、開口８２を介して伝送器に接続される。端子台８４が電子ボード７２に電気的に接続され、生成された信号に直接アクセスする。電子ハウジング７１は、現場設置に適した組立伝送器３６内で防爆ハウジングを提供するために、Ｏリング８８でセンサモジュール５２及びキャップ８６を受け入れる。ハウジングは、センサモジュール５２および電子ハウジング７１内にある伝送器電子機器を保護する。

図４は、センサモジュール５２の一実施形態の断面図を示す。差動プロセス圧力５４は、典型的には流体（気体または液体）の形で、アイソレーションダイアフラム９０でセンサモジュール５２に適用される。各々のアイソレーションダイアフラム９０は、その分離チャンバ９２内の印加プロセス圧力５４に応じて撓む。隔離チャンバ９２は、印加プロセス圧力５４をセンサ５６に移送する充填液９５が充填された隔離チューブ９４と連通しており、これも参照番号５６で図３に模式的に示されている。アイソレーションダイアフラム９０は、センサ５６を、センサ５６に対して腐食性であるか、さもなければ有害であり得るプロセス流体から保護する役割を果たす。センサ５６は、充填液９５で満たされた内部キャビティ１００を有するセル本体９８を含む。しばしば感知ダイアフラムと呼ばれるダイアフラム１０２は、内部キャビティ１００を２つのほぼ等しくかつ対向する半キャビティに分離し、内部キャビティ１００内に伝達されるプロセス圧力５４に応答して撓む。可撓性ダイアフラム１０２の変位量は、キャビティ１００の２つの半キャビティ間の圧力の差異に比例する。キャビティ１００に対するダイアフラム１０２の位置は、キャビティ１００内のキャパシタ電極で検出される。リード線１０４、１０８は、開口１１１、１１３を貫通して延在し、センサ電子機器６０を収容するセンサ電子ボード１１２にキャパシタ電極を接続する。したがって、センサ５６は差動プロセス圧力をアナログ電気信号に変換し、センサ電子回路６０はアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。

背景の節で論じたように、広い圧力帯域で使用される差圧センサは、その精度を高めるために、専門的な材料が必要となる。しかしながら、このようなセンサの製造に典型的に使用される材料には、いくつかの欠点がある。それらは、（より低いレンジ圧力センサに比べて）変化する圧力のもとで測定可能なヒステリシスを経験し、これはプロセス測定の不正確さにつながる可能性がある。さらに、材料は比較的高価であり、利用可能性が限られている。これらの制限に対処するために、新しいセンサ形状が提供される。さらに、本発明の一態様では、インコネル中心ダイアフラム及びニトロニックハーフセルを組み込む。インコネル、または同様の材料は、従来の材料から製造された同じダイアフラム形状と比較した場合、高強度と優れたバネ特性の両方を示し、より低いヒステリシスをもたらす。

また、現在の製造プロセスに適合する設計を提供することが望ましい。インコネルダイアフラム及びニトロニックハーフセルは熱的に互換性があり、レーザー溶接が可能である。材料間の熱膨張差異は十分に近い。これは、容易に修正可能な生の温度性能特性を有するセンサをもたらす。他の例示的な構成では、ダイアフラム及びハーフセルは、同じ材料から作られる。より具体的な事例では、これらはいずれもインコネルから作られている。

図５Ａは、一実施形態による高レンジ差圧センサ４００の拡大部分断面図であり、図５Ｂは、その断面図である。圧力センサ４００は、ニトロニックから形成される２つのハーフセル本体４０２Ａ、Ｂを含む。インコネルのセンサダイアフラム４１０は、２つのハーフセル４０２Ａ、Ｂの間に懸架されている。レーザー溶接部４２０は、２つのハーフセル４０２Ａ、Ｂの円周縁の周りに配置され、２つのハーフセル４０２Ａ、Ｂをセンサダイアフラム４１０に固定するために使用される。センサダイアフラム４１０は、ハーフセル４０２Ａ、Ｂ内に担持された充填材料４０４Ａ、Ｂによって形成されるハーフセルキャビティ４０６Ａ、Ｂ内に懸架される。充填材料４０４Ａ、Ｂは、典型的には、ガラスなどの絶縁体であり、容量性電極４１２Ａ、Ｂを担持する。１つの具体的な構成において、充填材料４０４Ａ、Ｂは、互換性のあるガラスを含む。

溝領域４３０Ａ、Ｂは、ハーフセルキャビティ４０６Ａ、Ｂ内のセンサダイアフラム４１０の外周の周囲に形成される。外周４５０は、溝領域４３０Ａ、Ｂとハーフセル４０２Ａ、Ｂの外周との間に延在するランド領域４５２を画定する。

図５Ａはまた、センサダイアフラム４１０のたわみがセンサダイアフラム４１０とハーフセル４０２Ａ、Ｂとの間の接点を生じ得る臨界域４５４を図示する。溝領域４３０Ａ、Ｂは、通常動作中にこのような接点を防止する。

図５Ｂは、圧力センサ４００全体の断面図である。図５Ｂに図示されるように、圧力チューブ４０８Ａおよび４０８Ｂは、キャビティ４０６Ａと４０６Ｂとの間に差圧を印加するために使用される。また、上述のセンサ２００および３００に関連して論じられたように、図５Ａ／５Ｂは、キャパシタ４１２Ａ、Ｂおよびセル本体４０２Ａ、４０２Ｂへの電気的接続を行うために使用される電気的接続４１４Ａ、４１４Ｂおよび４１６を図示する。

新しい幾何学的形状は、図５Ａ、図５Ｂに示すように、またインコネルダイアフラムを含めると、センサの費用および製造の容易さの大幅な向上、ならびにセンサの履歴性能の向上をもたらす。

本明細書に記載される具体例は、インコネル７１８から製造されるダイアフラム４１０、およびニトロニック３２から製造されるハーフセル４０２Ａ、Ｂを含むが、他の種類のインコネルおよびニトロニックを採用してもよい。同様に、代替の電気絶縁充填材料４０４Ａ、Ｂを使用してもよい。

本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。また、構成および材料は、圧力履歴を超えて改善される。また、この構成は、疲れ寿命の増加のような付加的な利益をもたらすダイアフラム内のストレスを減少させる。

Claims (19)

1. ハウジング内に配置された伝送電子機器と、
   内部キャビティを規定する第１の材料を含むセル本体と、導電部を有する第２の材料を含み、ダイアフラムが前記セル本体に結合され、前記内部キャビティを第１キャビティおよび第２キャビティに分離する可撓性ダイアフラムと、を含み、前記第１および第２キャビティはそれぞれ誘電性充填液を含み、充填液のそれぞれは、圧力を受け取り、前記ダイアフラムに対応する力を発揮するように構成され、前記ダイアフラムは、前記第１および第２キャビティの充填液によって受け取られた圧力の差異に応じて、変形可能とされた、圧力センサと、
   前記第１キャビティ内の前記セル本体に結合され、第１可変キャパシタを形成するために前記ダイアフラムに容量結合された第１電極と、
   前記第１電極に電気的に接続され、セル本体から延びる第１のリードワイヤと、
   第２キャビティ内のセル本体に結合され、ダイアフラムの導電部に容量結合されて第２キャパシタを形成し、第１および第２の可変キャパシタは、印加された圧力に応じた静電容量値を有する第２電極と、
   前記第２電極に電気的に結合され、前記第２電極から伸びる第２リードワイヤと、
   を備え、
   前記第１および第２リードワイヤは、前記伝送電子機器に電気的に結合され、
   前記可撓性ダイアフラムは、前記可撓性ダイアフラムの周囲に位置する溝領域を含む、
   プロセス圧力伝送器。
2. 前記第２の材料がインコネル合金を含む、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
3. 前記インコネル合金は、インコネル７１８合金を含む、請求項２に記載のプロセス圧力伝送器。
4. 前記第１の材料がニトロニック合金を含む、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
5. 前記ニトロニック合金は、ニトロニック３２合金を含む、請求項４に記載のプロセス圧力伝送器。
6. 前記第１の材料がニトロニック３２合金を含み、前記第２の材料がインコネル７１８合金を含む、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
7. 前記セル本体は、２つのハーフセルから形成される、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
8. 前記２つのハーフセルは、前記可撓性ダイアフラムに溶接される、請求項７に記載のプロセス圧力伝送器。
9. 第１の溶接部が第１のハーフセルを前記可撓性ダイアフラムに結合し、第２の溶接部が第２のハーフセルを前記可撓性ダイアフラムに結合する、請求項８に記載のプロセス圧力伝送器。
10. 前記第１の溶接部および前記第２の溶接部が、前記可撓性ダイアフラムのランド領域内に位置する、請求項９に記載のプロセス圧力伝送器。
11. 前記第１の溶接部および前記第２の溶接部が、部分的に前記ランド領域内に延在する、請求項１０に記載のプロセス圧力伝送器。
12. 前記可撓性ダイアフラムの溝領域の反対側上に対向する溝領域を含む、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
13. 前記溝領域はテーパ状である、請求項１２に記載のプロセス圧力伝送器。
14. 前記可撓性ダイアフラムの厚さは、前記溝領域の内周における厚さに比べて、前記溝領域の外周においてより大きい、請求項１３に記載のプロセス圧力伝送器。
15. 前記溝領域は、前記可撓性ダイアフラムと前記セル本体との間に追加の間隙を提供する、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
16. 前記ランド領域は、溶着処理中の前記セル本体の歪みを低減するように構成される、請求項１０に記載のプロセス圧力伝送器。
17. 前記溝領域が、前記内部キャビティ内に位置する前記可撓性ダイアフラムの内周から、前記内部キャビティを越えて位置する外周まで延びる、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
18. 前記第１の材料および前記第２の材料が同じである、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
19. 前記第１の材料および前記第２の材料がインコネルを含む、請求項１に記載のプロセス圧力伝送器。
    

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