JP5089580B2 - 圧縮可能なセンサ本体を用いる圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は工業のプロセス制御システムに使用されるタイプの圧力送信機に関する。特に、本発明は、圧力送信機に使用するための圧力センサに関する。

圧力送信機はプロセス流体の圧力を監視するために、工業のプロセス制御システム内で使用されている。圧力送信機は、プロセス流体に接続される圧力センサを含み、プロセス流体により印加される圧力に応答する出力を提供する。圧力送信機のよく知られた２つのタイプは、ミネソタ州チャンハッセンのローズマウント（株）から提供されているモデル３０５１と３０９５である。圧力送信機は、また例えば米国特許第５，０９４，１０９号明細書などに示されている。

差圧が測定される多くの装置では、ライン圧力測定値（例えば、パイプや導管中のプロセス流体の圧力）を得ることがよく要望される。例えば、ライン圧力は、プロセス流体の質量流量（mass flow）の測定、あるいは他の制御アプリケーションに使用されることができる。

しかし、ライン圧力測定値が差圧測定に加えて要求される時には、通常、さらに別の圧力センサが必要になる。この別の圧力センサは、さらなる構成要素を必要とし、かつプロセス流体に接続することを必要とする。これは、装置の複雑さと高価格化を招き、かつ故障の可能性を増すことになる。

さらに、多くの圧力感知技術が、プロセス流体に当接する隔離ダイヤフラムを使用する隔離装置と、圧力センサを該隔離ダイヤフラムに接続する隔離充満流体を介してプロセス流体に接続される。この隔離装置は、またエラー、複雑さおよびプロセス装置内の潜在的故障の原因になる。

圧力センサは、圧縮可能の材料で形成された変形可能センサ本体を含む。歪みセンサは、変形可能センサの本体内に埋設され、該変形可能センサ本体の変形に応答して変化する電気特性を有する。電気接続は、変形可能センサ本体の外側から前記埋設された歪みセンサに延びている。

変形可能センサ中に歪みセンサを埋め込むという簡単な構成により、差圧ばかりでなくライン圧力をも測定することができるようになる。

本発明は、工業のプロセス制御システムの圧力送信機内で使用されるタイプの圧力センサに関する。本発明では、圧縮可能なガラス材料で形成される変形可能センサ本体（deformable sensor body)を含む圧力センサが提供される。この変形可能センサ本体は、ガラス、セラミック、プラスチックまたは他の安定した固体絶縁体で作られることができる。この明細書で使用される“ガラス”なる用語は、あらゆる安定した絶縁材料を含む。歪みセンサ(deformation sensor)は前記変形可能センサ本体中に埋め込まれる。この歪みセンサは、変形可能センサ本体の応力変形に応答して変化する電気特性を有している。電気接続が、変形可能センサ本体を通って歪みセンサに延びるように設けられている。変形可能センサ本体は印加圧力に曝されている。該センサ本体が変形すると、前記歪みセンサの電気特性が変化し、印加圧力が測定されることができる。この構成は、ライン圧力が測定されることができるように、差圧センサ中に歪みセンサを埋め込むことによって実施されることができる。さらに、そのような構成は、前記発明が解決しようとする課題の項で説明した隔離充満流体装置を使用することなく直接にプロセス流体に当接される圧力センサを使用して形成される。本発明は、適所に埋め込まれた歪みセンサ装置を用いて、差圧ばかりでなくライン圧力を測定するのに使用されることができる。

図１は、本発明による差圧センサ１０の側断面図である。圧力センサ１０は、差圧センサ装置の一例であり、センサ本体２７を通って延びる圧力接続２６に結合する装着隔離ダイヤフラム３６と３８を含む。センサ本体は半分のセル４６と４８で形成され、圧縮可能なガラス材料から構成されている。可動ダイヤフラム１６は空洞（cavity）２５を横切って延び、印加される差圧に応答して動くように構成されている。電極（コンデンサ板）２０は、センサ１０の壁２３上に配置されている。電極２０とダイヤフラム１６に接続される電気接続４０は、それらの間の電気的容量を測定するのに使用される。この容量は、印加される圧力に応答するダイヤフラムの動きにつれて変化し、印加される差圧を測定するのに使用されることができる。

本発明に従って、埋め込まれた歪みセンサ９６は、圧力センサ１０の変形可能本体２７内に設けられる。電気接続９８は、該歪みセンサへ接続される。

差圧は圧力接続２６を通ってセンサ本体２７に印加され、ダイヤフラム１６を移動させるので、センサ本体２７の全体の形状がライン圧力に応答して変化する。センサ本体の形状のこの応力変形は、歪みセンサ９６により検知され、電気接続９８を介して感知されることができる。センサ９６は、いかなる適当な技術を用いてもよい。あるいくつかの構成では、圧力センサ１０，特にガラス本体２７の製造では、比較的高温を受けることになる。加えられる高温に耐えることのできる構成の歪みセンサ９６が選ばれなければならない。

図２は、フランジ３２と３４との間に位置する圧力送信機２８のハウジング３０中にある圧力センサ１０の断面図である。フランジ３２，３４はナット８２で締められたボルト８０によりハウジング３０に結合され、Ｏリング７４と７６によりそれぞれ封じされている。圧力Ｐ_１はフランジ３２中のポート６２を通って隔離ダイヤフラム３６に印加される。同様に、圧力Ｐ_２はフランジ３４中のポート６４を通って隔離ダイヤフラム３８に印加される。

動作時には、圧力Ｐ_１およびＰ_２は個々の隔離ダイヤフラム３６および３８に対して圧力を加え、よって中央のダイヤフラムと隔離ダイヤフラム３６および３８との間の空洞を満たす、実質的に圧縮できない充満流体に圧力を加える。この圧力が中央のダイヤフラム１６を偏倚し、ダイヤフラム１６と電極２０間、およびダイヤフラム１６と電極２４間の容量を変化させる。電気的導体４０は、送信機回路４２を電極２０と２４に接続する。送信機回路４２は、電極２０，２４および中央ダイヤフラム１６間の容量の関数として圧力Ｐ_１およびＰ_２に関する出力を、例えば、２線プロセス制御ループ４４を介して提供する。そのようなプロセス制御ループはプロセス制御産業において既知であり、例えば４−２０ｍＡ電流ループからなることができる。

図２はまた圧力センサ１０中に設置される歪みセンサ９６を示している。歪みセンサ９６は電気接続９８を通って送信機回路４２に結合している。この送信機回路４２は、印加圧力Ｐ_１およびＰ_２によって起きる圧力センサ１０のガラス本体の応力変形に応じて変化する歪みセンサ９６の電気特性を測定するように構成されている。この測定に基づいて、差圧センサ１０に印加されるライン圧力を示す値が決定される。

図３は、本発明の他の実施形態による圧力センサ１０２を含む送信機１００の断面図である。送信機１００は、隔離ダイヤフラム１０６と１０８が一般的に同一平面上に整列しているので、Coplanar（登録商標）プラットフォームを有するものとして産業界において既知である。フランジ１１１はボルト１１０を介して送信機１００に結合し、よって圧力Ｐ_１とＰ_２を隔離ダイヤフラム１０６と１０８に接続する。ガスケット１０９はフランジ１１１と隔離ダイヤフラム１０６，１０８間の封じを提供する。実質的に圧縮されない流体は圧力センサ１０２に結合する細管１２０に収納されている。圧力センサ１０と同様に、センサ１０２は、それぞれガラス材料１１６，１１８で満たされた２個の半分のセル１１２，１１４から形成されている。電気導体１２４は、もろい材料１１６，１１８のセンサ表面上に設けられているコンデンサ板（不図示）に結合している。ダイヤフラム１２２は、印加圧力Ｐ_１およびＰ_２に応じて偏倚し、送信機回路１２３により検出される容量変化を発生し、２線プロセス制御ループを介して圧力Ｐ_１およびＰ_２に関する出力を提供する。

上記で説明したように、歪みセンサ９６は、圧力センサ本体のガラス材料１１６，１１８内に設けられている。この歪みセンサ９６は、送信機回路１２３により感知される電気特性を有し、圧力Ｐ_１およびＰ_２によって印加されるライン圧力を全圧力センサ本体と関連付けることができる。

歪みセンサ９６は、あらゆる適切な技術と共に用いられる。センサ９６は、圧力センサ１０が受ける過酷な環境に耐えることができるのが好ましい。例えば、製造中に、センサ本体に仕立てられるガラス材料は、高温（例えば、８００〜８５０℃）を受ける。センサ９６は、例えば、付加的な裏材を必要としない“フリーフィラメント（free filament）”タイプの構造のストレーンゲージ（歪み計）要素であり、１１５０℃の高温で作動するように作られることができる。例えば、歪み計は、次のものを含む。

１１５０℃まで評価されるカンタルTm（Kanthal Tm)（鉄、クロム、アルミ合金）

カルマ（Karma)（７５％ニッケル、２０％クロム、３％アルミニューム、３％鉄）

プラチナ−イリジューム（９５％、５％）

ニクロム（８０％ニッケル、２０％銅）

図４は、基板２００上に形成される歪み計フィラメント２０２を備えた歪みセンサ９６の一例の平面図である。基板２００の材料の一例は、ポリシリコンまたはカーボン（例えばファイバーまたはナノチューブ）のような半導体材料である。図４は、１個の歪み計要素を図示しているが、ブリッジ構造を含む他の構成も使用されることができる。

動作中には、歪みセンサ９６の出力は、印加されたライン圧力に関するものであり、所望の範囲にわたって、ライン測定値の決定に使用するために、十分に高い信号レベルを提供する。例えば、１００〜１０００psiの範囲である。歪みセンサは、例えば、５０００オームの抵抗を有し、２〜４ゲージファクタを備えた歪み計要素から構成することができる。さらに、図４のものでは、センサが埋設されるガラスの圧縮率と印加圧力との関係は相対的に一定であり、よって測定値に誤差が導入されない。さらに、いくつかの構成では、追加の歪み計またはセンサ１０７（図５参照）が設けられることができ、これらは印加されるライン圧力から影響を受けないように指向されることができる。そのような追加の歪み計は、補償センサ１０７，例えば基準センサとして使用されることができる、またはセンサの温度を測定するのに使用されることができる。前記センサ本体に現在使用されているガラス材料は、比較的安定である。センサ本体はまた差圧に関するコンデンサ信号を発生させるための電極を保持するのに使用される。センサは、高温の基板（例えばセラミック、シリコンまたは同様の他のもの）上で比較的容易に作成でき、現在使用されているＰＲＴ温度センサと同様に作成することができる。いくつかの装置では、ガラスセンサの本体は、ストレスを緩和するための追加のガラスと、追加の焼き入れ期間を必要とすることがある。

図５は、圧力センサ１０２のより詳細な構成を示す部分断面図である。図５に示されているように、歪みセンサ９６は応力変形ΔＬ／Ｌを受ける歪み計として構成されている。これは、Δオーム／静圧の抵抗変化を引き起こし、電気接続９８を経て測定される。一例の構成では、センサ９６は約０．２インチの長さＤを有する。

図６Ａは、本発明による圧力センサ２０２を含む産業プロセス２００の簡単化した図であり、該圧力センサ２０２はセンサの変形可能なガラス本体中に設けられた前記したような歪みセンサを含むように作成されている。圧力センサ２０２は、プロセスパイプ２０４中を流れるプロセス流体２０６に直接接触している。これは、本願の背景部分で説明した隔離充満流体を必要としない“オイルレス”測定技術の簡単化した構成である。圧力センサ２０２は既知の技術によって２線プロセス制御ループ２１２に接続するように構成されたプロセス送信機の一部である。

図６Ｂは、プロセス流体に直接接触させるように構成された本発明による圧力センサ２０２の断面図である。プロセス結合３０４は、例えば、プロセスパイプに結合するように構成されている。圧力センサ本体３０２は、（セラミックを含む）ガラスのような固体の絶縁体３０６を有している。圧縮または歪みセンサ３１０は、絶縁体３０６内に収容され、電気接続３１２を介して圧力測定回路に接続される（例えば、図３の１２３を参照）。他の実施形態では、能動回路がセンサ３１０中に収容されている。

図７に示されている他の実施形態では、歪みセンサとして歪み計を使用するのではなく、埋設されたコンデンサ板が応力変形を感知するのに用いられている。このような構成は、差圧を測定するのに使用されることができる。図７は他の実施形態による圧力センサ２８０の断面切り離し図である。センサ２８０は、インパルスパイプ２５６を介してプロセス圧力に結合された誘電体材料２５４で充満されたセンサ本体２５２を含んでいる。空洞２５８は、圧力センサ２８０内に形成され、インパルスパイプ２５６に結合している。この空洞２５８は、印加される圧力に応じて動くダイヤフラム２６０で構成されている。コンデンサは、誘電体２５４内に設けられているプレートまたは電極２６４と電極２６８とで形成されている。電極２６４は、電気接続２６６に接続されている。第２のコンデンサ板２６８は、誘電体２５４中、または例えば空洞２５８の外側エッジの面上に設けられ、電気接続２７０に接続されている。コンデンサ板２６４と２６８とを用いると、それらの間に容量が形成される。圧力センサ２８０の形状は上記したように印加圧力に応じて変形するので、プレート２６４と２６８間の電気的容量も変化する。この容量を測定することにより、センサ２８０の応力変形は上記した技術に従って測定され、使用されることができる。

上記の説明ではガラス中に歪みセンサを埋設したが、所望の特性を有する他の材料を使用でき、圧縮可能な固体物質で形成することができる。該固体物質としては、例えば、プラスチックスあるいは同様の他のものを含む。容量、歪み計、光学技術、シリコン技術等の応力変形を感知するためのいかなる技術も使用できる。さらに、固体材料中に埋設できる他のタイプのセンサは、測定値の補償に使用する温度センサを含む。さらに、多くのセンサが、安全、重複、自己診断などのために使用される。

本発明による圧力センサの断面斜視図である。 圧力送信機中の図１の圧力センサの展開断面図である。 本発明による圧力送信機の一例の断面図である。 歪みセンサの一例の平面図である。 歪みセンサを含む圧力センサの部分的断面図である。 プロセス流体に当接される圧力センサを含むプロセスシステムの簡略図である。 プロセス流体に当接するように構成された圧力センサの断面図である。 容量型歪みセンサを含む圧力センサの側断面図である。

符号の説明

１０…差圧センサ、１６…可動ダイヤフラム、２０…電極、２５…空洞、２６…圧力接続、２７…ガラス本体、２８…圧力送信機、３６，３８…装着隔離ダイヤフラム、９６…歪みセンサ、９８…電気接続、１００…送信機、１０２…圧力センサ、１１６，１１８…ガラス材料。

Claims (17)

1. 圧縮可能材料で形成された変形可能センサ本体と、
   第１及び第２の圧力を受けるように構成された前記変形可能センサ本体への第１及び第２の圧力接続部と、
   前記第１及び第２の圧力の圧力差に応じて変化する電気特性を提供する前記変形可能センサ本体から延びる差圧電気接続部と、
   前記変形可能センサ本体の変形に応じて変化する電気特性を有する前記変形可能センサ本体中に完全に埋設された埋込み歪みセンサと、
   前記変形可能センサ本体の外側から前記埋込み歪みセンサまで延びる電気接続部とを具備する圧力センサ。
2. 前記変形可能センサ本体が圧縮可能なガラス材料で形成されたガラスセンサ本体を含む請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記変形可能センサ本体が歪み計を含む請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記歪み計が基板上に設けられている請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記歪み計が歪みに応答して変化する抵抗を持つ抵抗要素を含む請求項３に記載の圧力センサ。
6. 前記歪みセンサが補償センサを含む請求項１に記載の圧力センサ。
7. 温度センサを含む請求項１に記載の圧力センサ。
8. 前記歪みセンサがコンデンサを含む請求項１に記載の圧力センサ。
9. 前記圧力センサが前記変形可能センサ本体内にダイヤフラムを含む請求項１に記載の圧力センサ。
10. 前記ダイヤフラムが印加圧力に応答して偏倚するように構成された請求項９に記載の圧力センサ。
11. 前記ダイヤフラムが前記圧力センサに印加された差圧に応答して偏倚するように構成された請求項１０に記載の圧力センサ。
12. 前記圧力センサが隔離流体を介してプロセス流体に結合する請求項１に記載の圧力センサ。
13. 前記圧力センサがプロセス流体に直接接触するように構成された請求項１に記載の圧力センサ。
14. 請求項１の圧力センサに結合される送信機回路を含むプロセス制御送信機。
15. 前記送信機回路が、前記圧力センサの電気特性に基づいて、差圧とライン圧力とを測定するように構成された請求項１４に記載のプロセス制御送信機。
16. 前記埋込み歪みセンサの電気特性が、印加されたライン圧力に関係する請求項１に記載の圧力センサ。
17. 前記埋込み歪みセンサの電気特性が、印加された差圧に関係する請求項１に記載の圧力センサ。

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