JP5079492B2 - 環状静電容量式圧力センサ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、流体の流れに関連する圧力または差圧を測定するための圧力センサに関する。さらに具体的には、本発明は、静電容量式環状エレメントを用いて、流体の圧力または流体の流れ方向および流量を測定するための圧力センサに関する。

発明の背景
圧力センサおよび流量センサは、多くの異なった用途に用いることができる。工業用プロセス制御環境において、たとえば、圧力センサは、ゲージ圧力、絶対圧力等を測定するために利用することができる。加えて、流量センサは、たとえば、プロセス流体の流量を測定して、流量表示計、制御部、および流量測定部へ流量信号を供給するために用いることができる。明細書中で用いられる用語「流体」とは、液体とガスとの双方、およびそれらの組み合わせをいう。

差圧式流量センサは、パイプ内の不連続部を越えて圧力低下を測定することにより、パイプ、容器、または導管内部の流体の流量を測定する。不連続部を形成する一つの方法として、パイプ内部に流れ絞り部材または一次部材を配置して所望の圧力低下を生成するものがある。そのような流れ絞り部材の一つにオリフィスプレートがあり、流体の流れを絞り、測定する圧力低下を生成する。

典型的な流量測定システムでは、流れ絞り部材の両側に、流体の流れが内在するパイプを取り出して各取出部の圧力を測定し、外部圧力センサを用いて圧力低下を得る。流体を充填したインパルスラインまたはゲージラインにより、外部圧力センサへ各取出部の圧力が伝達される。

このようなシステムでは、外部圧力センサをパイプに取り付ける必要性から、設置コストが比較的高くなる。さらに、このようなシステムでは、パイプが取り出された個所に付加的な漏出防止を講じる必要があり、設置時間および材料費の双方に関する設置コストが増大することになる。

場合によっては、圧力センサにより感知されたプロセス液体またはガスには、高純度または超高純度な環境が要求される。このような設置に対する要求に対処する一つの技術として、分離ダイヤフラムを用いて、圧力センサをプロセス流体から分離するものがある。一般的には、ダイヤフラムに加えられた圧力が圧力センサに加えられるように、オイルフィルで圧力センサを分離ダイヤフラムに連結する。しかし、この分離技術では、誤差が圧力測定に取り込まれる可能性がある。加えて、高純度プロセス環境においては、（腐食または流体の流れ内部の微粒子物質との衝突により）ダイヤフラムが破損するか、またはシールが破損してしまうような場合、プロセス全体がオイルフィルにより汚染される可能性がある。シリコンウェハ製造の場合、流量計は乾燥している必要があり、すなわち、圧力信号を伝搬する流体で満たされることは許されない。

発明の概要
パイプ内のプロセス流体の圧力を測定するための圧力センサは、電極およびダイヤフラムを有する。電極は、パイプの内壁と一体化されている。ダイヤフラムは、電極の少なくとも一部分を覆うように延び、プロセス流体の圧力に反応する電極に関連して動くように構成されている。電極とダイヤフラムとの間の静電容量は、プロセス流体の圧力に関連する。

圧力センサは、工業用プロセスにおいて、プロセスを監視し、および／またはこれに応答して制御するために用いられる。各種の工業用プロセスでは、（たとえば、プロセス流体に露出される部材など）すべての濡れ部材に対して超高純度であることが要求される。たとえば、半導体産業において用いられるプロセス工程の中には、プロセス流体に対して、超高純度な取り扱い手順が要求されるものがある。半導体業界は、超高純度材料の取り扱いについて、ＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials Institute, Inc.）により定められた規格に従っている。これらのガイドラインは、プロセス媒体と直接作用するようなエレメントとして許容できる材料および表面状態について示されている。他にも、超高純度な実施が要求される基準および産業、たとえば医薬品産業がある。

このような、プロセス流体の取り扱いにおいて超高純度の実施が要求されるような産業では、プロセスに新しい材料または表面を導入することに抵抗する傾向がある。通常は、新しい材料を用いるためには、長期にわたる保証および試験工程が要求される。保証の結果、このような産業では、新しい材料または表面によりプロセスに不純物が付加されないように信頼度を向上させる必要がある。

一般に、超高純度プロセスにおける圧力を測定するために現在用いられている圧力トランスミッタでは、圧力測定値にある程度の誤差が含まれる。誤差の原因の一つとして、圧力センサに対して、超高純度の実施を遵守することが要求されることがあげられる。このためには、圧力センサをプロセス流体から物理的に隔離する分離ダイヤフラムの導入が必要とされる。もう一つの誤差の原因は、単純な圧力センサの形状および特性によるものである。本発明は、好ましくは、超高純度プロセスで用いるための、きわめて正確な細長い圧力センサを用いる技術に供する。

本発明は、インライン状の静電容量式圧力センサである。一つの実施態様においては、センサは差圧を測定して流量を計測する。この例示的なシステムでは、第１の静電容量式センサにより取出された上流測定値と、第２の静電容量式圧力センサにより取出された下流測定値とを利用する。その後、二つの測定値を差し引いて差圧を得るが、これは流体の流量に比例する。

本発明の一つの実施態様によれば、薄膜ダイヤフラムがパイプの内表面上に、固定されたコンデンサ板を有する絶縁体を覆うように形成され溶接される。ダイヤフラムはリング形状に適応され、パイプ内径の全周にわたって取り付けられている。パイプ内の圧力が変化すると、絶縁体上に形成された固定コンデンサ板に関連して、ダイヤフラムが動く。絶縁体は、ガラスまたは他のいかなる電気的絶縁材料からでも形成することができる。同心ダイヤフラムの動きは、ダイヤフラムと固定コンデンサ板との間の距離の変化に直接的に起因する、静電容量の変化として記録される。

詳細な説明
図１は、処理プラントの一例を描写し、本発明の静電容量式および差圧式流量センサ１０を用いることができる環境を図示している。流量センサ１０は、パイプ１２とインライン状に設置されている。流体の流れは、パイプ１２を通して矢印（Ａ）で示される方向へ流れる。流体センサ１０は、流体の圧力低下を感知し、これを用いてパイプ１２を通過する流体の流量を測定することができる。明細書中に用いられる用語「流体」およびフレーズ「流体の流れ」は、液体およびガスの双方を指す。したがって、流体の流れとは、液体またはガスでもよい。

流量センサ１０は、リード線１４を介して、制御システム１６またはその他の電子処理機器と電気的に連結することができる。このような電気的連結は、２線式制御ループ１４またはワイヤレス通信リンクを経由して、もしくは任意の通信手段を介して生じさせることが可能である。制御システム１６は通常、処理プラントの制御室１８内に、遠隔的に位置する。これに代え、制御システム１６が（仮想線で示す制御室１８の）一つ以上の位置に存在するように、制御システム１６を配設することもできる。

制御システム１６は、流量センサ１０から受信した流量関連の情報を監視し、および／または、通信リンクを介して、流量センサ１０を制御するように構成されている。

流量センサ１０により生成される流量信号は、流体の流れの流量のみならず、その方向も示す。たとえば、流量信号がアナログ信号（４〜２０ｍＡ）である場合、信号の大きさにより、流量および流体の流れ方向を示すことができる。たとえば、流量がゼロの場合、電流の大きさが１２ｍＡであることにより示すことができる。負の方向へ移動する流体の流れ、すなわち負の流体の流れは、１２ｍＡの「ゼロ流量」の大きさに満たない電流の大きさを有する流体信号により示すことができる。正の流体の流れは、１２ｍＡの「ゼロ流量」の大きさを超える電流の大きさを有する流量信号により示すことができる。流量信号の大きさと、ゼロ流量の大きさとの間の差異は、正または負の流体の流れの流量を確定するために用いることができる。たとえば、流量信号の大きさと、ゼロ流量の大きさとの間の差異が増大することで、正または負の流体の流れの流量が増大していることを示すことができる。

図１に示す実施態様では詳細が分かりにくいが、センサエレメントである流量センサ１０は、２つの環状静電容量式センサリングからなり、流れ絞りセグメント２０（圧力低下エレメント）により、フランジ２２を介してパイプ１２に接続される。パイプ１２のフランジ２２、および流れ絞りセグメント２０は、留め付けエレメント２６を用いて接続されている。留め付けエレメント２６は、いかなる留め付け手段でもよく、たとえば、リベット、ボルト、ねじおよびナットなどでもよい。好ましい実施態様においては、留め付けエレメント２６は、絞りセグメント２０のフランジ２２上にある開口部を通して、および、パイプセグメント１２のフランジ２２上に設けられた対応する開口部を通して、たとえばボルトおよびナットで螺合可能に取り付けられる。

図２に示すとおり、センサエレメント１０は、流れ絞りセグメント２０により離された、２つの静電容量式圧力センサ２８を有する。図示するように本実施形態においては、パイプ１２には、パイプ１２に一体化して形成され、対応するパイプセグメント１２と同一の直径を有する開口部３０を有するフランジ２４が備えられている。したがって、パイプ１２の２つのセグメントは、開口部３０を有するフランジ２４が末端となる。

パイプフランジ２４およびフランジ２２には、それぞれ留め具孔３２および３４が備えられている。留め具孔３２、３４は、それぞれフランジ２４、２２を完全に通過して延び、留め具３６を受容するサイズにされている。パイプフランジ２４の孔３２を通して、および静電容量式圧力センサ２８の孔３８を通して、ならびに流れ絞りエレメント２０のフランジ２２上に備えられた対応する孔３４を通して、留め具を延出させることができる。次に、ねじ留め具３６は、止めナット４０を用いて適所に固定され、これによりねじ留め具を締め付けることができる。溶接を含む、他の留め付け手段を利用することも可能であることが理解されよう。

この例では、静電容量式圧力センサ２８は、ハウジング４２およびフランジアセンブリ４４を有する環状リングであり、流体の流れ（Ａ）に対してインライン状に位置付けられ、パイプ１２の開口部３０と結合するサイズになるよう設計された開口部４６を画定する。フランジアセンブリ４４は、（前述のとおり）ねじ留め具３６を受容するサイズである孔３４を有する。可撓性のある円筒すなわちダイヤフラム４８が、環状リング形状のセンサ２８の内壁の全円周に延びている。絶縁基板内には、ダイヤフラムと、環状リング形状の圧力センサ２８の内壁との間に位置付けられた静電容量エレメント５０（図３に示す）が備えられている。

プロセス流体が、このアセンブリを通過して流れると、圧力が生じてダイヤフラムが動き、これが静電容量の変化として記録される。実際上、ダイヤフラムの３６０°を通して圧力が伝送される。その後、静電容量の変化を、リード線１４上の電気信号を介して伝送することができる。

静電容量ダイヤフラムがセンサ２８の内側の周囲３６０°に延び、開口部４６がパイプセグメント１２の開口部３０に嵌合するサイズであるため、固形物を採集するような位置、および塞ぐべき開口部がない。流れるプロセスにより、ダイヤフラム４８が絶えず洗浄されるため、信頼性のある正確な圧力の読み取りを、確実に行うことができる。

差圧式流量計についての実施態様において、流れ絞りセグメント２０には、流れ絞りエレメント（図３に示す）を備えることができ、これにより、流体の流路を効果的に狭め、絞りエレメントを挟んで圧力低下を生じさせる。その後、２つのセンサ２８は、絞りエレメントの両端の圧力を測定し、これらの測定値を差し引いて差圧を測定することができる。

図３は、パイプ１２内の流量センサ１０の、一つの実施態様を示す簡略図である。流量センサ１０は一般的に、二つの静電容量式圧力センサ２８の間に挟まれた流れ絞りセグメント２０を含む。圧力センサ２８および流れ絞りセグメント２０は、流体の流れ（Ａ）に対してインライン状に位置付けられている。

図示のとおり、パイプセグメント１２のフランジ２４は、流れ絞りセグメント２０のフランジ２２に、両端部にナット４０を備えたねじ留め具３６により、着脱可能に取り付けられている。静電容量式圧力センサ２８は、パイプ１２と流れ絞りセグメント２０との間に、より詳細には、フランジ２４とフランジ２２との間に位置付けられている。センサ２８の開口部４６はそれぞれ、フランジ２４および２２の開口部３０、３１に一致する。したがって、パイプ１２とセンサ２８と、流れ絞りセグメント２０との間の接続は、ほぼ正確に一致するよう加工されている。

可撓性ダイヤフラム４８は、センサ２８の内壁に取り付けられ、内壁から離れて流体の流れの中へ延びている。シール形成および溶接技術が超高純度プロセスの要件を満たしている場合、ダイヤフラム４８は、溶接またはその他の既知の取り付け方法により取り付けることができる。溶接点を考察できるよう拡大し、参照番号５２にて示す。一般的には、溶接点５２は、きわめて小さいことが好ましい。

好ましい実施態様においては、ダイヤフラム４８は、resistance scan 溶接技術を用いてパイプ１２に取り付けられている。その他の好ましい実施形態においては、ダイヤフラム４８は、レーザ溶接技術を用いて、パイプ１２に取り付けられている。付加的な電解研磨プロセスを用いて、プロセス仕様により要求される仕上げに応じ、表面を研磨することもできる。一般的には、密着した取り付けを生成でき、流体圧力下において密封を維持できるような、いかなる取り付け技術も用いることができる。

センサ２８の内壁には絶縁体５４が備えられ、絶縁体５４の上には、静電容量リード５０が位置付けられている。静電容量リード５０から電気リード線１４が延び、絶縁体５４を通ってセンサ２８から外へ延びている。流体の流れの圧力により生じるダイヤフラム４８のたわみが、リード線１４からの電気信号として読み取られる。

センサ２８のフランジアセンブリ４４に開口部を備えることにより、パイプフランジ２４および流れ絞りセグメントのフランジ２２の開口部３０および３１は、センサ２８の開口部４６と合致し、現場作業者による位置調整の必要がない。

最終的に、流れ絞りセグメント２０は流れ絞りエレメント２１を有し、これにより流体流路が狭くなることに留意すべきである。具体的には、流体の流れ（Ａ）はスロート部２３に向かって前進し、狭流路２７を通ってスロート部２５に向かう。狭流路２７は対称であるスロート部２３、２５の間に延長している。流れ絞りエレメントは、当技術分野において既知である、オリフィスプレート、ベンチュリまたは層流エレメントを含む、多くのタイプのうちの一つでよいことが理解されよう。

流れ絞りエレメント２１の上流側では、圧力が上昇し、エレメント２１の下流側では、圧力が減少する。したがって、流れ絞りエレメントは「圧力低下エレメント」と見なすことができ、静電容量式センサ２８が上流圧力および下流圧力を測定するために位置付けられ、圧力低下エレメントを越えて圧力差を測定する。

図４は、センサ２８の静電容量エレメントの拡大図を図示している。図示するとおり、静電容量リード５０は、絶縁体５４の表面上に形成されている。絶縁体５４は、ガラス、セラミックまたはその他の電気絶縁材料から形成することができる。

ダイヤフラム４８は、好ましくは導電性材料から形成され、センサ２８の表面に電気的に、およびパイプ１２に間接的に接地されている。このように、静電容量リード５０と、距離（ｄ）の分だけ離れて相対するダイヤフラム４８の接地との間の電位差をもとに、静電容量が測定される。その結果得られる静電容量は、以下の数式により計算される。

ここで、Ｒは開口部４６の内径であり、Wは流体の流れ方向（Ａ）の静電容量電極５０の幅であり、ｄは静電容量電極５０に関連するダイヤフラムの平均的な変位である。このように、センサ２８内部の３６０°全体にわたって静電容量の変化が測定される。

最後に、電気リード線１４Aおよび温度センサリード線１４Ｂとして、リード線１４が示されている。特定の実施態様に応じて、リード線１４Ａおよび１４Ｂを保護して、浮遊静電容量を防ぐ必要がある。具体的には、電子機器がセンサから離れた場合、当該線を保護して、駆動回路により静電容量のバランスを保つ必要が生じる可能性がある。電子機器がセンサ内に含まれる場合、（少なくともセンサハウジング内部では）リード線１４Ａおよび１４Ｂを保護する必要がない。

図に示すとおり、温度センサ５６が備えられ、温度に関連した誤差を制御するために、感知エレメントの温度を感知するようになされている。温度センサ５６は、抵抗型温度センサまたはサーミスタであってよい。温度センサ５６は、絶縁材料５４内部に埋設するか、またはパイプの外側に密接して連結することができる（図７に示す）。

超純粋プロセス内で用いるためには、乾燥センサが望まれることに留意すべきである。言い換えると、先行技術におけるインライン状センサとは異なり、液体またはガスが誘電体として、ダイヤフラム４８と静電容量電極５０との間に備えられていない。好ましくは、ダイヤフラム４８は、静電容量電極５０および絶縁体５４を流体の流れから封じ込め、また真空状態を維持するのに十分な強度である。したがって、ダイヤフラム４８のシールが腐食したり、ダイヤフラムが破損をきたした場合でも、汚染物質または異物がプロセスフロー内に漏出することがない。

実施態様において示すとおり、ダイヤフラム４８がパイプ１２の内周全体にわたって延びているため、ダイヤフラム４８上にかかる圧力は均等に分散され、より薄いダイヤフラムを用いることが可能となる。加えて、（本発明が超純粋プロセスにおける使用を意図していることから）ダイヤフラムを破損させる微粒子について考慮する必要がないため、比較的薄いダイヤフラム４８を用いることが可能である。一般的に、より薄いダイヤフラム４８は、圧力変動に対してより感度が高く、精度が向上するという効果がある。したがって、ダイヤフラム４８の厚さ（τ）は、ダイヤフラム上にかかる圧力（力）のバランスに部分的に依存する。

ダイヤフラム４８がパイプ１２の内周にリング状の構成で延びている場合、薄いダイヤフラム４８が機能する。しかし、ダイヤフラムがパイプの内周の一部分に延びている場合、より厚みのあるダイヤフラム４８が必要とされる場合がある。加えて、合理的で正確な測定値を得るために、第１のセンサの反対側に、第２の静電容量式センサを配置する必要が生じる場合がある。最終的に、内径全体にわたり複数の圧力の読み取りを実現するために、パイプ１２の内周に複数のコンデンサをリング形状の構成で配置することが可能である。

図５は、センサ２８のダイヤフラム４８が、好ましくは、静電容量式センサ２８の内表面の３６０°にわたって延びている状態を図示する斜視断面図である。絶縁体５４には、静電容量電極５０が備えられている。絶縁体５４および電極５０は、ダイヤフラム４８と同様、センサ２８の内表面全体にわたって延び、３６０°にわたる静電容量式センサが備えられる。本実施態様においては、温度センサ５６は絶縁体５４内に位置付けられ、センサ本体の温度を伝播する。

図６は、本発明の一つの実施態様による、センサ本体４２の断面図である。図示のとおり、絶縁エレメント５４が、ハウジングの内表面全体にわたって延びている。（図示のみを目的として）静電容量電極５０は、絶縁エレメントの上部に配置されている。実際には、静電容量電極５０は、絶縁エレメント５４の表面に埋設または凹んだ所に設けられている。ダイヤフラム４８は、ハウジング４２の内部３６０°にわたって延び、静電容量エレメント５０から距離（ｄ）だけ離されている。

本実施態様においては、温度感知エレメント５６が、絶縁エレメント５４の内部に位置付けられている。電気リード線１４Ａにより、静電容量電極がより大規模なネットワークに接続され、温度リード線１４Ｂにより、温度センサ５６がより大規模なネットワークに接続される。

明細書中で説明するとおり、「リード線」という用語には、一本以上のワイヤを含むことができ、たとえば、リード線１４Ａおよび１４Ｂはそれぞれ、二本のワイヤループであってもよい。図１〜６は本発明について図示しているが、必ずしも縮尺どおりに描写されていないことが理解されよう。いくつかのエレメントは、より見やすくするために誇張されている。加えて、図５に関しては、たとえば、簡略化のためにセンサ２８の一部のみを示している。さらに、一つの実施態様として、二つのセンサを用いて差圧を測定することが示されているが、一つのセンサを用いて絶対圧力またはゲージ圧力を測定することも可能であることが理解されよう。

図７は、流量センサ１０の代替的な実施態様を表し、静電容量式センサ２８が、流れ絞りセグメント２０とともに、単一のユニットとして形成されている。この場合、フランジに代えて、溶接接合部５８によりパイプ１２を接続することができる。加えて、流量センサ１０のアセンブリには、付加的な溶接が必要とされる。

図８は、たとえば、図７の流量センサ１０から、囲み部Ｓに相当する一部分を切断して図示している。図示のとおり、溶接シーム６０が流れ方向に対して縦方向に延びている。センサ２８の反対側には、対応する溶接シームがある。本実施態様では、ダイヤフラム４８、静電容量式電極５０および絶縁体５４はそれぞれ、ハウジング４２のそれぞれの長手方向の半分が取り付けられた２つの部品として、互いに溶接される前に組み立てられる必要がある。センサハウジング４２の内壁にダイヤフラム４８を取り付ける溶接シーム５２は、誇張されている。

図９は、本発明のもう一つの実施態様である。図示のとおり、ダイヤフラム４８は、センサ２８の内表面に連続して形成されている。本実施態様では、絶縁体５４は流路から離して凹んだ所に設けられ、静電容量電極５０は絶縁体の表面と同一平面をなすように埋設されている。このように、静電容量電極５０はダイヤフラム４８から距離（ｄ）だけ離され、ダイヤフラムのたわみにより、静電容量が再度修正される。特に、接地したダイヤフラム４８がたわむことで、ダイヤフラム４８と静電容量電極５０との間の距離が変化し、結果として流体の流れの圧力を表す信号を生じさせる。

従来技術においては、このような凹んだ所に設けられたキャビティは、圧力センサに圧力を伝送するための液体により液封されていた。本発明は、超純粋プロセス環境における使用を意図していることから、このような液封は汚染物質に相当する。これに代え、ダイヤフラム４８と静電容量電極５０との間の誘電体は、好ましくは真空である。

温度センサ５６は、絶縁素材を通してダイヤフラム上に延び、流体の流れの温度を感知する。これに代え、温度センサはセンサ内の他の位置に配置することができる。

前述の実施態様と同様に、図９の実施態様では、センサエレメント２８の内表面の全体３６０°にわたって延び、流体の流れの圧力における３６０°の静電容量を測定することが可能となる。

一般的に、流れ絞りセグメント２０は二方向性であり、流体が障害物（流れ絞りエレメント２１）を通過して移動するとき、流体の流れの内部に圧力低下を生じるような、流体の流れの内部における不連続性が形成されることが理解されよう。圧力低下の発生は、第１のセンサから流れ絞りエレメント２１を越えて第２のセンサまで測定される。第１のセンサ２８における圧力が第２のセンサ２８における圧力よりも大きいとき、正の圧力低下が測定される。正の圧力低下は、正の流体の流れ、つまり左方から右方へ、すなわち第１のセンサ２８から第２のセンサ２８への流体の流れに関連する。第１のセンサ２８における圧力が、第２のセンサ２８よりも小さいとき、負の圧力低下が発生する。負の圧力低下は、負の流体の流れ、つまり右方から左方へ、すなわち第２のセンサから第１のセンサへの流体の流れに関連する。圧力低下の大きさが大きいほど、流体の流れの流速が速くなる。結果として、圧力低下は、流体の流れ方向とその流速との双方を示す。当業者においては、多くの異なった形状の流れ絞りセグメント２０を用いて、所望の圧力低下を生じさせることが可能であることが理解されよう。これには、たとえば同心および偏心オリフィスを有するオリフィスプレート、オリフィスを有していないプレート、先端部を形成する二つの非平行面からなるくさび形エレメント、またはその他の広く用いられる流れ絞り部材が含まれる。

したがって、差圧による実施態様においては、流量センサ１０では、流れ絞りセグメント２０と静電容量圧力センサ２８とが一体化され、流体の流れに沿ってインライン状に位置付けることができる単一のユニットを形成する。

図１を再度参照すると、差圧流量センサ１０では、流れ絞りエレメント２１の両側における圧力について、対になった静電容量圧力センサ２８により、流れ絞り部材２０を越えて圧力低下を測定する。一般的には、差圧流量センサ１０は圧力信号を生成し、これにより絞りエレメント２１を越えたところの圧力低下を示し、流体の流れの流量を計算するための電子処理機器を提供することができる。

本発明の流量センサ１０では、インパルスラインまたは液封を用いないため、流量センサ１０は位置による影響を受けない。結果として、本実施態様による差圧流量センサ１０を、再度調整する必要なしに移動させることができる。

当業者においてはさらに、本発明の静電容量式圧力センサは、絶対圧力、ゲージ圧力等を測定するように構成することも可能であることが理解されよう。同様に、該センサでは、インパルスラインまたは液封を用いないため、静電容量センサは、位置による影響を受けない。このため、静電容量式圧力センサを、再度較正する必要なく移動させることができる。

図１０は、流体の流れ方向および流量を示す流量信号を生成するために、本発明で用いられている処理回路６２の、一つの実施態様を簡略化したブロック図である。ここで、静電容量式圧力センサ２８は、電子処理機器６２に対して、流れ絞りセグメント２０を越えたところの圧力低下を示す圧力信号を供給する。電子処理機器６２は通常、アナログ―デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６４、マイクロプロセッサ６６、および入出力（Ｉ／Ｏ）ポート６８を含む。Ａ／Ｄ変換器６４は、差圧センサ２８から受信した圧力信号をデジタル化し、デジタル化した圧力信号をマイクロプロセッサ６６に供給する。マイクロプロセッサ６６は、圧力信号の合図により、流体の流れ方向を正または負に確定するよう構成されている。マイクロプロセッサ６６はさらに、デジタル化した圧力信号の絶対値の関数として、流体の流れの流量を計算するように構成されている。たとえば、マイクロプロセッサ６６は、以下の数式を用いて質量流量（Ｑｍ）および体積流量（Ｑｖ）を計算する。

ここで、
Ｑｍ＝質量流量
Ｑｖ＝体積流量
Ｎ＝単位変換係数（定数）
Ｃｄ＝一次エレメント流出係数（スロート部の形状に関連する）
Ｙ＝気体の膨張係数（液体については、Ｙ＝１．０）
ｄ＝一次エレメントスロート部直径
β＝一次エレメントベータ比（パイプ領域に対するスロート領域の比率）
ρ＝流体密度
ｈ＝差圧センサ２２により測定された差圧の絶対値
である。マイクロプロセッサ６６はさらに、流体の流れ方向および流量を示す流量信号を、Ｉ／Ｏポート６８を通して生成するよう構成されている。前述のとおり、流量信号を制御システム１６（図１）に伝送することができる。

本発明の一つの態様において、静電容量圧力センサ２８により生成される差圧信号は、出力として供給され、これを用いて、たとえば測定結果におけるスパイクに起因する誤差が補正される。このようなスパイクが問題となりうるのは、本発明を用いて、油圧システム内における、作動液の関数としてピストン位置を測定するような場合である。

図１１に示すとおり、流量センサ１０のもう一つの実施態様には温度センサ５６が含まれ、これにより流体の流れの温度、および／または静電容量式圧力センサ２８の運転温度を測定するのに使用することができる。温度センサ５６は、たとえば抵抗温度検出器（ＲＴＤ）またはその他の適切な温度感知機器であってよい。温度センサ５６は、感知された温度を示す温度信号を生成するように構成され、この信号が電子処理機器６２のＡ／Ｄ変換器６４へ供給される。Ａ／Ｄ変換器６４は温度信号をデジタル化し、デジタル化した温度信号をマイクロプロセッサ６６に供給する。マイクロプロセッサ６６は、デジタル化した温度信号を用いて、種々の流体パラメータ計算、たとえば粘性および密度の計算を行うように構成することができ、この計算結果を用いて、マイクロプロセッサ６６により流体の流れの流量を計算することができる。加えて、マイクロプロセッサ６６は、温度信号を用いて、静電容量式圧力センサ２８から受信した圧力信号に対し、温度補正を行うことができる。マイクロプロセッサ６６は、差圧信号および温度信号の関数として流体の流れの流量を示す流量信号を生成することができ、この信号をその他の処理回路、たとえば制御システム１６に、Ｉ／Ｏポート６８を通して送信することができる。

本発明では主として、パイプの内周全体にわたって延びている、単一の静電容量式センサについて説明したが、その他の静電容量式センサおよびコンデンサの配置についても考慮している。たとえば、互いに列をなし、パイプの内周全体にわたって延びる複数のコンデンサから静電容量式センサを形成することもできる。これに代え、パイプの内周の一部分のみにコンデンサを延ばすこともできる。もう一つの実施態様では、パイプの反対側にコンデンサを配設することができる等がある。

本発明では、静電容量式圧力センサから分離した流れ絞りエレメントについて説明したが、静電容量式圧力センサのダイヤフラムに、流れ絞りエレメントとしての役割を持たせることも可能である。本実施態様においては、静電容量式センサは、異なる流出係数および異なる対応する流量特性を有する。

一つの実施態様においては、差圧式流量計には、流れ絞りエレメントが備えられていない。ダイヤフラム４８が、パイプの壁から流体の流れの内部へ延びている。本実施態様においては、ダイヤフラムは、流れ絞りエレメントとして作用し、流れの絞りを維持するために、ダイヤフラムを一部分に沿って強化する必要がある。強化された側のダイヤフラムの一部分が、流体圧力に応じてたわむ。本実施態様ではさらに、前述の実施態様からの異なる流量特性および流出係数が要求される。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、発明の本質および範囲から逸脱することなく、形状および詳細への変更を行うことができることが理解されよう。たとえば、いかなるタイプのインライン状の静電容量式センサでも用いることができる。加えて、本発明を、（絶対圧力、ゲージ圧力、または同様の）圧力計装機器、または差圧（流量）計装機器のいずれにも応用することができる。

処理プラント内のパイプに、流体に沿ってインライン状に取り付けられた圧力センサを示す、簡略化されたブロック図である。 図１の圧力センサの分解拡大図である。 本来の状態にある、本発明のインライン状静電容量差圧流量センサの簡略断面図である。 静電容量エレメントの簡略拡大図である。 本来の状態にある、静電容量式センサの縦断面図である。 図１における６−６線静電容量式圧力センサの断面図である。 本発明の静電容量式圧力センサの代替的な実施態様を示す側面図である。 図７中の点線の囲み（Ｓ）で示された領域から取出された、静電容量式圧力センサの切り取られた部分の拡大図である。 ダイヤフラムがセンサの内表面と同一平面をなすように加工され、絶縁体および静電容量式電極が表面より奥まった凹部に設けられている、本発明の他の実施態様である。 本発明の各種の実施態様の流量計算を行うために用いられる回路の簡略ブロック図である。 本発明の各種の実施態様の流量計算を行うために用いられる回路の簡略ブロック図である。

Claims (21)

1. 導管内のプロセス流体の圧力を測定するため、前記導管中に挿入される圧力センサであって、
   プロセス流体を受ける円環状の導電性容器と、
   前記導電性容器の内壁を覆うように延びる電気絶縁体と、
   前記電気絶縁体に一体化しかつ前記導電性容器と絶縁された電極と、
   前記電極を覆うように延び、前記導電性容器の内壁と同一平面で結合し、かつ前記導電性容器を通過するプロセス流体の流れと全体的に平行であり、プロセス流体の圧力に応じて電極に関連して動くよう構成されたダイヤフラムとを含み、
   前記電気絶縁体、前記電極および前記ダイヤフラムが前記導電性容器の内壁全周にわたって延びており、
   前記電極と前記ダイヤフラムとの間の静電容量がプロセス流体の圧力に関連する圧力センサ。
2. 前記電気絶縁体および前記電極が前記プロセス流体の流れ方向において前記導電性容器の内壁の一部に延びている、請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記ダイヤフラムが前記プロセス流体の流れ方向において前記導電性容器の内壁の一部に延びている、請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記導電性容器の内壁と一体化した温度センサであって、流体温度を測定し、流体の温度を示す温度信号を生成する温度センサ
   をさらに含む、請求項１記載の圧力センサ。
5. 温度信号と関係のある圧力信号を生成するよう適合された電子処理機器
   をさらに含む、請求項４記載の圧力センサ。
6. 静電容量に基づいて圧力信号を生成するよう適合された測定回路
   をさらに含む、請求項１記載の圧力センサ。
7. ハウジングに搭載されたワイヤレストランシーバであって、前記電極に電気的に接続され、圧力信号をワイヤレス送信するワイヤレストランシーバ
   をさらに含む、請求項１記載の圧力センサ。
8. 前記電極および前記ダイヤフラムが第１のコンデンサを形成する圧力センサであって、
   前記導電性容器の内壁からプロセス流体内へ延びる流れ絞りエレメントと、
   前記導電性容器の内壁を覆うように延びる第２の電気絶縁体と、
   前記第２の電気絶縁体に一体化しかつ前記導電性容器と絶縁された第２の電極と、
   前記第２の電極を覆うように延び、前記導電性容器の内壁と同一平面で結合し、かつ前記導電性容器を通過するプロセス流体の流れと全体的に平行であり、プロセス流体の圧力に応じて前記第２の電極に関連して動くよう構成された第２のダイヤフラムとをさらに含み、
   前記第２の電極および前記第２のダイヤフラムから第２のコンデンサを形成し、
   前記第２の電気絶縁体、前記第２の電極および前記第２のダイヤフラムが前記導電性容器の内壁全周にわたって延びている、
   請求項１記載の圧力センサ。
9. 前記ダイヤフラムが前記導電性容器の内壁から離れてプロセス流体内へ延びる、請求項１記載の圧力センサ。
10. 前記ダイヤフラムが前記導電性容器の内壁と同一平面をなし、前記電気絶縁体および前記電極が内壁の凹んだ所に設けられる、請求項１記載の圧力センサ。
11. 前記電気絶縁体がガラスを含む、請求項１記載の圧力センサ。
12. 前記電気絶縁体がセラミックを含む、請求項１記載の圧力センサ。
13. 前記ダイヤフラムが溶接により前記導電性容器に封止される、請求項１記載の圧力センサ。
14. 導管内のプロセス流体の差圧を測定するための差圧センサであって、
    前記導管の導電性内壁と一体化し、流体の流れにインライン状に配置されたときに、圧力低下を生成するよう適合された流れ絞りエレメントと、
    前記導管の導電性内壁と一体化した第１の電気絶縁体と、
    第１の静電容量を有し、前記第１の電気絶縁体と一体化しかつ前記導管と絶縁された第１の電極と、前記電極を覆うように延び、前記導管の導電性内壁と同一平面で結合し、かつ前記導菅内を通過するプロセス流体の流れと全体的に平行であり、プロセス流体の圧力に応じて前記第1の電極に関連して動くよう構成された第１のダイヤフラムとから形成される、流れ絞りエレメントの上流に、プロセス流体にインライン状に位置付けられた第１のコンデンサと、
    前記導管の導電性内壁と一体化した第２の電気絶縁体と、
    第２の静電容量を有し、前記第２の電気絶縁体に一体化しかつ前記導管と絶縁された第２の電極と、前記電極を覆うように延び、前記導管の導電性内壁と同一平面で結合し、かつ前記導菅内を通過するプロセス流体の流れと全体的に平行であり、プロセス流体の圧力に応じて前記第２の電極に関連して動くよう構成された第２のダイヤフラムとから形成される、流れ絞りエレメントの下流に、プロセス流体にインライン状に位置付けられた第２のコンデンサとを含み、
    前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとがそれぞれ、前記導管の内壁全周にわたって延び、
    前記第１の静電容量および前記第２の静電容量が、プロセス流体の差圧に関連する差圧センサ。
15. 前記第１および第２の静電容量の関数として、プロセス流体の方向および流量を示す流量信号を生成するよう適合された電子処理機器
    をさらに含む、請求項１４記載の差圧センサ。
16. 流れ絞りエレメントが、対称になった第１および第２のスロート部の間に延び、狭い流体通路を有する、請求項１４に記載の差圧センサ。
17. 流体の流れの温度の少なくとも一部と圧力センサの運転温度とを感知し、感知した温度を示す温度信号を生成するよう適合された温度センサ
    をさらに含む、請求項１４記載の差圧センサ。
18. 流量信号が温度信号と関係がある、請求項１７記載の差圧センサ。
19. 前記第１の電気絶縁体および前記第２の電気絶縁体がガラスを含む、請求項１４記載の差圧センサ。
20. 前記第１の電気絶縁体および前記第２の電気絶縁体がセラミックを含む、請求項１４記載の差圧センサ。
21. 前記第１のダイヤフラムおよび前記第２のダイヤフラムが溶接により前記導管に封止される、請求項１４記載の差圧センサ。

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