JP5138998B2 - 流体圧力を監視する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、加圧流体を監視及び供給する方法及び装置に関し、特に、例えば、高圧流体を利用する製造プラントまたは高圧シリンダでの流体の供給といった、比較的高圧（例えば、約２０バール以上）の流体が存在するシステムに適用可能な方法及び装置に関する。

流体の圧力を検出する様々な種類のセンサが知られている。最も普通の種類は、歪みゲージ素子（圧電抵抗素子と呼ばれることもある）を装備した弾性膜を使用するものである。しかし、こうしたセンサは、現在製造されている最も低コストの圧力センサの１つではあるが、寸法が比較的大きくなる傾向があり、大量生産用のフォトリソグラフィ法による製造が可能ではあっても、依然として製造が複雑で費用のかかる機械的構造を有している。また、幾分脆弱で、較正と温度補償をした後でないと使用できない。

柔軟な弾性膜を備え、静電容量を利用して動作する圧力センサも知られている。例えば、米国特許第４，２０４，２４４号は、自動車の内燃機関で使用可能な、周囲で環状の壁によって分離された柔軟な膜と剛性の基部部材とを備える圧力センサを開示している。膜と基部部材とは各々電極を保持しており、膜、基部及び壁によって形成される閉鎖空間内に基準真空が蓄積されているので、外部圧力の変化によって膜が屈曲し、センサの静電容量が変化する。

水中で使用されることが最も多く、普通ハイドロフォンとして知られる他の圧力センサは、能動素子として圧電固体を利用している。しかし、こうしたセンサは、ゼロドリフトが早いという欠点があるので、数秒以下の時間尺度で急速に変化する圧力値についてしか使用できない。

米国特許第４，９２４，７０１号は、圧力の小さな変化を検出するため、地下の油貯蔵器のような高圧環境で使用する圧力センサを開示している。このセンサは、共通のコンデンサプレートの両側の固定式の第１及び第２のコンデンサプレートと、各プレート間のガス誘電媒体によって画定される第１及び第２のコンデンサを備えている。各プレートとガス媒体とは膜を含むハウジング内に収容されており、この膜は測定対象となる流体の圧力の変化に伴って屈曲し、ガス誘電媒体を圧縮または膨張させて、その誘電率と、ひいてはシステム全体の静電容量とを変化させる。共通のコンデンサプレートを保持する基板は温度の変化に伴って屈曲するので、第１及び第２のコンデンサの静電容量の相対変化を通じて温度変化を検出することが可能になる。

ドイツ国特許公開第３０２３２１８Ａ１号は、ガス封入物を含んだ弾性電気絶縁層によって分離された２つの導電性カバリングを備える容量型圧力センサを開示している。圧力が増大すると、絶縁層とガス封入物とが圧縮され、センサの静電容量が増大する。ガス封入物は、誘電体の弾性係数を低下させて、センサの感度を増大するために使用する。１つの実施形態では、絶縁層として延伸ポリプロピレン膜を使用し、別の実施形態では、粉末ゴム粒子を使用する。このセンサの使用例は示されていない。

米国特許出願第２００４／０１５９１５８Ａ１号は、自動車タイヤ内の圧力の感知に使用する、圧縮性誘電体によって分離された１対の導電性プレートを備える同様の容量型圧力センサを記載している。アネモメータ、半導体素子、化学素子またはサーミスタといった別個の温度センサを使用して、温度補償を可能にすることが示唆されている。求心力を補正する技術も開示されている。適切な誘電体として、シリコンフォーム材料、ゴム材料、合成ゴム材料、ネオプレン、ポリウレタンフォーム、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フォームが示唆されている。例示実施形態では、シリコンフォームゴムを使用している。

米国特許第４，５４５，２５４号は、特定のパイロクロア強誘電体セラミック材料から選択した誘電体材料によって電極が分離されたさらに別の容量型センサを開示している。このセンサが極低温での使用に適していることが示されているが、このセンサの目的または適切な用途についてはそれ以上示唆されていない。

米国特許第３，７８７，７６４号は、コンテナ内の流体圧力の測定に使用する、固体誘電体材料によって分離された１対の電極を備える容量型圧力センサを開示している。コンデンサを使用して、３５，０００ｐｓｉまでの流体圧力を測定する。例示実施形態では、フッ化カルシウムのイオン結晶を固体誘電体材料として使用している。

米国特許第４，４５９，８５６号は、基準コンデンサと圧力感知コンデンサとを備える容量型圧力トランスデューサシステムを開示している。どちらのコンデンサも、圧縮性誘電体によって分離された第１及び第２の導電層を備えており、基準コンデンサの誘電体の圧縮は、絶縁性壁部分によって制限されている。各コンデンサは、２つのコンデンサ間の静電容量の差に相関する電圧出力を提供する回路の一部を形成する。

米国特許出願第２００４／０１６４８６８号は、二酸化炭素圧力タンクからのガス損失を検出する容量型測定装置を備える二酸化炭素消火装置を記載している。この容量型測定装置は、好適には圧力容器の全高にわたって延び、中間誘電体を形成する２つの同軸管状電極を備え、液状、ガス状または超臨界状態の二酸化炭素が中間誘電体を形成しているプローブを備えている。

韓国特許公開第２００４−０１００００１号は、高圧エアシリンダと、気圧を測定する圧力センサと、呼吸ユニットインタフェース上の無線表示ユニットに残余圧力を送信する送信ユニットとを備える呼吸具を記載している。

英国特許公開第２１１１７４９号は、複数のコンデンサ要素を備える電力用コンデンサを記載している。コンデンサ要素は、一緒に巻いた第１及び第２の箔と、第１及び第２の箔を互いに分離するポリマー膜を備える固体誘電体材料とを備えている。ポリマー膜は好適にはポリプロピレンである。使用可能な他のポリマー膜は、ポリエチレン、エチレン及びプロピレン及びポリメチルペンタンの共重合物、ポリカーボネート、ポリエチレングリコールテレフタレート、及びポリイミドである。

米国特許第４，２０４，２４４号公報 米国特許第４，９２４，７０１号公報 ドイツ国特許公開第３０２３２１８Ａ１号公報 米国特許出願第２００４／０１５９１５８Ａ１号公報 米国特許第４，５４５，２５４号公報 米国特許第３，７８７，７６４号公報 米国特許第４，４５９，８５６号公報 米国特許出願第２００４／０１６４８６８号公報 韓国特許公開第２００４−０１００００１号公報 英国特許公開第２１１１７４９号公報

本発明の第１の態様によれば、剛性容器内の流体の圧力を監視する方法であって、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサの静電容量を監視することを含み、流体圧力の変化に応じた誘電体の圧縮または弛緩に伴って導電性要素間の距離とひいてはコンデンサの静電容量が変化するようにコンデンサが加圧された前記流体にさらされている方法が提供される。

好適には、監視対象となる流体は、少なくとも時々は、比較的高圧、すなわち、少なくとも約２０バールの圧力を有する。好適には、流体の圧力は約３００バールを越えないが、場合によっては１０００までの圧力を使用してもよい。剛性容器は、例えば、導管、汚水槽、分離塔、貯蔵コンテナ、可搬型ガスシリンダ等といった、加圧流体を収容及び／または輸送するのに適した何らかの種類のものでよい。明らかに、容器は使用目的となる範囲内の流体圧力に耐えるのに適したものでなければならない。

本発明者の発見によれば、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサは、約２０バール以上といった高圧流体の圧力変化を検出する際に、上記で説明したように、確実に使用することができる。こうしたコンデンサは堅牢で、大量生産技術を使用して簡単かつ経済的な方法で製造可能であり、高圧の様々な場所で流体の監視が必要な環境において大きな利益を提供する。

適切かつ望ましいことには、例えば、静電容量をデジタルまたはアナログ読み取り値として表示することによって、コンデンサの静電容量を直接監視することができ、また静電容量を、監視のためにより好都合な別の形式に変換することもできる。例えば、以下さらに詳細に説明するように、静電容量を電圧出力に変換してもよい。代替的には、例えば、圧力が望ましいレベル以下に低下するかまたはそれ以上に上昇したことが静電容量によって示される時点灯または消灯する照明といった、単純な２進信号を発生してもよい。同様に、こうしたデジタル／アナログディスプレイ、照明または他の形態の表示装置は容器自体またはその近くに配置してもよく、かつ／または、多数の容器の流体圧力を監視する必要がある場合好都合なように、関連データを（無線または有線通信ネットワークといった）何らかの適切な手段を介して別の場所に送信してもよい。

好適実施形態では、本方法はさらに、変形可能な弾性固体誘電体によって分離された第１及び第２の導電性要素を備え、流体の圧力の変化に無関係な基準静電容量を提供するため加圧流体にさらされないように配置された第２のコンデンサの静電容量を監視するステップを含む。

第２のコンデンサは、例えば、もしあれば、静電容量に対する温度変化の影響を測定するために使用してもよく、この影響を流体圧力の変化を決定する際補償してもよい。存在する場合、基準コンデンサは、コンデンサ圧力センサと好適には同様かつ、さらに好適には実質上同一の構成及び材料のものである。

好適には、第１及び第２のコンデンサは、２つのコンデンサの間の静電容量の差に相関する電圧出力、さらに好適には直流電圧出力を提供する回路の一部を形成し、本方法は前記電圧出力を監視するステップを含む。例示される回路は、フリップフロップ発振回路（直流出力）及びホイートストンブリッジ回路（交流出力）を含む。

好適には、容器は、出口を通る流体の流れを調節するブレーカブルシールまたは弁組立体を装備した出口のような、加圧流体を分配する手段を備えるコンテナである。このコンテナは補給所から使用地点への輸送中加圧流体を貯蔵するために使用できる種類のものであることが好適である。特に、このコンテナは補充可能な可搬型ガスシリンダまたはボトル、または、大型輸送車両等に頼る必要がなく輸送が比較的容易な同様の装置であることが好適である。こうしたコンテナは通常それ自体低コストであり多数が使用されているので、本発明の方法はこうしたコンテナに適用する場合特に有利である。

このコンテナは、コンテナ内の流体圧力が所定のレベル以下に低下したことが静電容量によって示される時信号を送信するよう動作する装置を付属してもよく、その際本方法は前記信号を監視するステップを含む。この装置は、一箇所に集まっていないコンテナ内の流体圧力の監視を容易にするため、無線信号を送信するよう動作してもよい。

好適には、流体の温度は約−２０〜＋１００℃、さらに好適にはほぼ室温である。好適には流体はガスである。ガスの例は、医療用の酸素、溶接用の酸素及び酸素／アルゴン混合物、輸送用の水素、及び実験室用の水素及びヘリウムを含む。

誘電体は、好適には少なくとも約１ＧＰａの体積弾性係数（Ｋ）、さらに好適には約１〜約１０ＧＰａの（Ｋ）、さらに好適には約１〜６ＧＰａの（Ｋ）、最も好適には約１〜４ＧＰａの（Ｋ）を有する。

材料の体積弾性係数は、体積弾性係数＝印加圧力／（体積の変化／元の体積）、という関係に従って定義され、材料の圧縮応力／歪みの曲線の傾斜に等しい。

例えば、ポリマー材料の体積弾性係数は、ＡＳＴＭ Ｄ６９５またはＩＳＯ６０４の方法を使用して計算することが多く、この場合試験用標本は２つの圧縮プレートの間で圧縮し、圧縮歪みは伸び計を使用して測定する。

しかし、本発明のために誘電体材料を選択する場合、材料の体積弾性係数は好適には、水力（水）または水銀による膨張計のようなＰＶＴ測定器を使用した静水圧法によって計算する。この方法では、体積が分かっている試料をコンテナ内の水に浸漬し、コンテナを圧力容器内に導入して圧力を印加し、印加圧力と、コンテナ内の水位の変化に基づく測定中の材料の体積の変化とを測定する。温度は室温、例えば約２３℃で一定に保持する。試験手順の他の態様は、例えば、上記のＡＳＴＭまたはＩＳＯの試験方法に従って行ってもよい。大部分の場合、ポリマー材料の体積弾性係数はＡＳＴＭ／ＩＳＯ法によって計算しても膨張計法によって計算しても同様となる。しかし、膨張計法はさらに一般的に適用可能であり、本発明の目的のためにさらに正確な読み取り値を提供すると考えられる。

一例として、上記の方法で使用するのに適した膨張計の設計が、「熱硬化性樹脂の体積弾性係数を測定する新しい加圧型膨張計（“Ａ ｎｅｗ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｂｌｅ ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｕｌｋ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｓ”）」、メング（Ｍｅｎｇ）、オコンネル（Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ）、マッケナ（ＭｃＫｅｎｎａ）及びサイモン（Ｓｉｍｏｎ）、ＡＮＴＥＣ２００５、３２５６〜３２６０ページ、に記載されており、この論文は、この特定の論文の場合、様々な熱硬化性樹脂の時間依存弾性係数の測定に使用された水銀膨張計を記載している。

本発明者の発見によれば、少なくとも約１ＧＰａの体積弾性係数（Ｋ）（圧縮弾性係数とも呼ばれる）を有する固体誘電体材料は、高圧での圧力変化を検出するコンデンサに使用する場合、先行技術で使用される様々な誘電体材料と比較して好都合に動作する。これより低い弾性係数の材料を使用すると、誘電体はクリープ及び／または圧縮歪みに起因する損傷及び／または永久寸法変化を起こしやすくなり得ることが判明しており、結果として得られるコンデンサは圧力の変化を検出する際精度が劣ることが判明している。約１０ＧＰａの最大（Ｋ）が好適であるが、これは、本発明者の発見によれば、これより高い弾性係数の材料を使用すると、多くの場合比較的高圧でも圧力変化に反応しなくなるからである。

一例として、先行技術で誘電体として使用され、通常１ＧＰａ以下の体積弾性係数を有する材料は、大部分の天然及び合成ゴム及びシリコンエラストマ（通常５０〜１５０ＭＰａ）を含む。通常のＫの値を上記に記載したが、ポリマー材料の実際の弾性係数は使用されるポリマーの種類及び／または混合比だけによって決定されるのではなく、（エクステンダまたはフィラといった）添加物の存在及びポリマーの製造工程によっても影響され得ることに注意されたい。

１０ＰＧａよりかなり高い体積弾性係数を有する誘電体材料は、全てではないにしても大部分のセラミック誘電体（７０〜８０ＧＰａの範囲内の体積弾性係数）を含む。

固体誘電体は、好適にはポリマー、さらに好適にはポリカーボネートポリマーまたはポリエステルポリマーを含むポリマーである。

本発明者は、セラミック誘電体のような他の固体誘電体材料より良好に動作するポリマーを発見した。通常上記の好適な範囲内の体積弾性係数を有するポリマーが好適である。ポリマーの種類の例は、ポリカーボネート（通常約３ＧＰａ）、ポリプロピレン（約１．５ＧＰａ）、ポリスチレン（約２ＧＰａ）、ポリエステル（約３．７５ＧＰａ）及びＰＴＦＥ（約３．７５ＧＰａ）を含むが、それらに制限されない。適切な場合、当業技術分野で周知のように、ポリマーの何らかの機械的または化学的特性を改善する添加物またはフィラとして、コポリマー及び／またはポリマー混合物を使用してもよい。こうしたコポリマー、混合物、添加物及び／またはフィラを使用する場合は、もちろん、材料の体積弾性係数に対する影響を考慮すべきである。

上記で述べたように、誘電体としてポリカーボネートポリマー及び／またはポリエステルポリマーを使用することは特に好適である。本発明者は、こうしたポリマーから製造した誘電体が特に望ましい特性を有することを発見した。こうした誘電体を使用した場合、本発明者の発見によれば、コンデンサは少なくとも０〜３００バールの圧力下で急速かつ可逆的に変形するので、流体圧力の変化に正確に対応する静電容量の急速な変化が得られる。その上、基底線（すなわち、圧力が開始レベルに戻った時の静電容量）が安定しており、そのことは、コンデンサによって生じる結果が、繰り返し使用にもかかわらず安定していることを意味する。これと比較すると、誘電体として他のポリマーを使用して試験したコンデンサの中には、静電容量の変化が可逆的でないものや、初期は応答が良好だが時間と共に静電容量の変化が遅くなるものがあった。

固体誘電体は好適には、開くかまたは閉じた孔または気泡が少なくとも実質上は存在しないものである。すなわち、先行技術の誘電体材料の一部とは対照的に、誘電体は、発泡材料または他の形で、例えばガス封入物の提供を目的とする一般に多孔性または気泡性の構造を備えていないことが好適である。こうした技術を使用することはコンデンサ製造の複雑さとコストを増やす上、本発明者は、発泡性または気泡性構造はこの用途では不必要であることを発見した。ガスが気泡に侵入して問題を発生することがある。同等の非発泡ポリマーと比較すると、発泡ポリマーは通常はるかに低い体積弾性係数を有する（例えば、発泡ポリウレタンは通常約１００ＭＰａの体積弾性係数を有するが、湿式発泡ポリウレタンの体積弾性係数はわずか５ＭＰａに過ぎないことがある）。ガス封入物の存在は、ポリマー材料のクリープ及び圧縮歪みによるヒステリシス及びドリフトの悪化の問題といった、他の機械的欠点につながることもある。

本発明者は、誘電体の誘電率が本発明にとって重要であるとは考えないが、約２〜約１５イプシロンの誘電率を有する誘電体が一般に好適となり得る。

コンデンサは、固体誘電体の１枚かまたはそれ以上のシートによって分離された第１及び第２の導電性シートを備えてもよい。導電性シートは金属または金属箔でもよく、それらは、例えば適切な接着剤を使用して、固体誘電体材料に貼り合わされる。代替的には、導電性シートは、例えば真空蒸着によって、誘電体シート（単数または複数）の上に金属層として直接形成してもよい。望ましい場合、異なる導電性シートのために異なる工法を使用してもよい。

こうした形態のコンデンサは、コンデンサを製造する従来の技術を使用して簡単な方法で製造できるので好適である。１つの一般的な技術では、金属箔または層を固体誘電体シートの両側に貼り付けた後、その固体誘電体シートを、金属層を有さない固体誘電体のシートと共に巻き上げ、折り畳み、または積み重ねする。代替技術では、金属箔または層を固体誘電体の２枚のシートの片側だけに貼り付けた後、その２枚の固体誘電体シートを一緒に巻き上げ／折り畳み／積み重ねしてコンデンサを製造する。後者の技術は、使用可能ではあるが、導電性シートを分離する２枚の誘電体シートの間に流体が侵入する可能性があるためあまり好適でないことがある。

各導電性シートの厚さは好適には、誘電体シート（単数または複数）の合計厚さよりほぼ２桁以上小さい。これは、コンデンサセンサの挙動は導電性要素と誘電体との相対厚さにもある程度依存するからである。導電性シートが十分に薄い場合、コンデンサを加圧すると導電性シートはわずかに圧縮または延伸されるので、誘電体はほぼ等方的に締め付けられ、不可逆的な影響の少ない十分再現可能な結果が得られる。しかし、導電性シートが比較的厚い場合、固体ポリマー誘電体の低い体積弾性係数と比較して高い金属の弾性係数（〜１００ＧＰａ）は、誘電体のシートを横方向に締め付け、クリープ及び圧縮歪みの影響を増大する望ましくない作用を有することがある。従って、薄い金属または金属層を使用するコンデンサ構成が普通好適となる。例えば、約１０マイクロメートル台の厚さのポリマー誘電体と厚さ約３０ナノメートル台の真空蒸着した金属被覆によって構成したもののような、電子機器で使用するために製造される多様なポリマー誘電体コンデンサがこの点で適切なものとなり得る。

また、コンデンサは、第１及び第２の導電性要素を分離する固体誘電体の内部または周囲に加圧流体が侵入するのを防止または阻止するコーティングを含んでもよい。多孔性または気泡性の材料が誘電体として使用されている場合、及び／または、（上記で論じたように）導電性要素を分離する固体誘電体の１枚より多いシートを使用してセンサが製造され、流体がこれらのシートの間に侵入する可能性がある場合、このことは特に好適である。

コンデンサは、必須ではないが、好適には約１０〜約１０００ｎＦ、さらに好適には約２０〜約７００ｎＦの静電容量を有する。

本発明の第２の態様によれば、加圧流体のための剛性容器が提供され、この容器は、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサを含み、このコンデンサは、前記加圧流体が容器内に存在する時流体にさらされるように配置されるので、流体圧力の変化に応じた誘電体の圧縮または弛緩に伴って導電性要素間の距離とひいてはコンデンサの静電容量が変化する。

好適には、この容器にはさらに、変形可能な弾性固体誘電体によって分離された第１及び第２の導電性要素を備える第２のコンデンサが付属しており、この第２のコンデンサは、加圧流体が容器内に存在する時流体にさらされないように配置されるので、流体の圧力の変化に無関係な基準静電容量を提供する。第１及び第２のコンデンサは好適には、２つのコンデンサの間の静電容量の差に相関する電圧出力を提供する回路の一部を形成する。

本発明の第３の態様によれば、加圧流体を供給する方法であって、流体を分配する地点への輸送に適したコンテナである第２の態様に係る容器への充填を行うステップと、充填したコンテナを供給するステップとを含む方法が提供される。

この容器には好適には、少なくとも約２０バールかつ約３００バール未満の圧力まで流体を充填する。

このコンテナは好適には、コンテナ内の流体圧力が所定のレベル以下に低下したことが静電容量によって示される時信号を送信するよう動作する装置を付属しており、本方法は、以前に供給したコンテナから前記信号を受信した時さらに別の充填したコンテナを供給するステップを含む。特に好適な実施形態では、この装置は、例えば高周波信号のような無線信号を送信し、この高周波信号は、例えば電話ネットワークのような通信ネットワークを介して中継される。

本発明の第２及び第３の態様のさらに別の好適実施形態は、上記で説明した第１の態様の好適実施形態を参照することから明らかになるだろう。

本発明の第４の態様によれば、加圧流体を供給する方法であって、流体の圧力を感知する装置と、流体圧力が所定のレベル以下に低下した時信号を送信するよう動作する装置とを含むコンテナに流体を充填し、充填したコンテナを、流体を分配する地点に輸送するステップと、以前に供給したコンテナから前記信号を受信した時さらに別の充填したコンテナを供給するステップとを含む。好適には、この装置は無線信号を送信し、無線信号は通信ネットワークを介して中継される。

以下、本発明の実施形態を、例示のみの目的で、添付の図面を参照して説明する。

図１は、第２の電極を形成する第２組の平行な導電性プレート（１０３）を間に挟み込んだ、第１の電極を形成する第１組の平行な導電性プレート（１０２）を備え、これらのプレートは、変形可能な固体誘電体（１０４）によって分離されている、コンデンサ（１０１）を示す。プレートは非常に薄い金属箔、またはポリマー層のうえに直接形成した金属層の何れかでよい。圧力（Ｐ）の増大に応じてプレートが一緒に締め付けられると、静電容量が増大する。

図２は、高圧ガスシリンダ（図示せず）のための弁組立体（２０２）に設置したコンデンサ（２０１）を示す。センサの寸法がごく小さいことは、コンデンサを設置する際役立つ。コンデンサは、弁出口（２０５）の上流の弁入口（２０３）の閉じた側方分岐内に配置され、弁の開閉は手動輪（２０４）によって制御される。

図３は、流体圧力と共に変化する直流電圧読み取り値を発生するフリップフロップ発振回路（マルチバイブレータ発振回路としても知られる）を示す。この回路は、２つのトランジスタに結合された、加圧流体にさらされたコンデンサ（センサコンデンサ）と、流体の圧力変化にさらされていないコンデンサ（基準コンデンサ）とを備えている。トランジスタの出力は、フリップ時間がセンサコンデンサの静電容量に比例しフロップ時間が基準コンデンサの静電容量に比例する方形波からなる。センサの静電容量が基準コンデンサの静電容量に対して変化すると、フリップ対フロップ比（すなわち、方形波のマーク対スペース比）がそれに対応して変化する。そして、この回路は、方形波を平均して電圧Ｖとし、Ｖと所定の基準電圧Ｖ_refとの間の差を増幅して出力電圧Ｖ_Oを得る。

さらに詳細に、図３を参照すると、フリップフロップ回路（３０９）は、第１及び第２のコンデンサ（３０１、３０２）、トランジスタ（３０３、３０４）及び抵抗（３０５、３０６、３０７及び３０８）から形成される。第１のコンデンサ（３０１）は、例えば図２に示すように、高圧容器内に配置されて加圧流体と接触しており、第２のコンデンサ（３０２）は、第１のコンデンサと同一の構成で、流体圧力の変化にさらされることはないが、第１のコンデンサと同じ温度変化に少なくとも大部分さらされるように配置されている。回路出力はトランジスタのコレクタから得られ、一方の出力が高くもう一方の出力が低い方形波からなる。

回路出力は、抵抗（３１０）とコンデンサ（３１１）及び抵抗（３１２）とコンデンサ（３１３）によって形成されるＲＣフィルタによってフィルタリングされる。フィルタリングされた出力は、演算増幅回路（３１５、３１６）と周辺の素子とによって形成された差動増幅器（３１４）に供給され、差動増幅器（３１４）の出力はその２つの入力電圧の間の差に比例し、ひいては第１及び第２のコンデンサ（１０１及び１０２）の静電容量の変化すなわち流体の圧力の変化に比例する。

抵抗（３１７）とコンデンサ（３１８）によって形成されるさらなるＲＣフィルタは差動増幅器の出力を平滑化する。ダイオード（３１９）は１．１ボルトの基準電圧を提供し、回路がゼロから正の適切な直流オフセットを確実に有するようにするが、このことは、正の入力しか受け入れることのできない電子データシステムに給電できるようにするため好都合である。

図４は、流体圧力の変化と共に変化する交流出力を発生するホイートストンブリッジ回路を示す。この回路は、流体圧力の変化にさらされた第１のコンデンサ（４０１）と、同一の構成であるが流体圧力の変化にさらされていない第２のコンデンサ（４０２）と、１対の抵抗（４０３及び４０４）とによって形成される。接点４０５及び４０６から交流電圧を供給されると、電圧計は、センサコンデンサと基準コンデンサとの間の静電容量の差に比例する交流電圧を検出する。すなわち、電圧計の読み取り値は間接的な圧力の測定値である。

図５は、以下さらに論じる図６〜図９に示される結果を得るために使用した実験装置を示す。高圧エアシリンダ（５０３）の出口（５０４）に接続されたフィッティング（５０２）内の圧力調節器（５０５）のすぐ下流にコンデンサ（５０１）を配置した。コンデンサは、高圧フィードスルーフィッティングを通じて、図３に示す特徴を有するフリップフロップ回路に接続し、フリップフロップ回路はコンピュータのデータロガ（５０６）に接続した。高精度電子圧力計（５０７）を、正確であることが分かっている圧力読み取り値を提供する基準圧力計として使用し、またコンピュータに接続したので、コンピュータは圧力計（５０７）とフリップフロップ回路からの電圧出力を記録することができた。圧力計（５０７）とコンデンサ（５０１）へのガスの流れは隔離弁（５０８）によって制御した。低精度圧力計（５０９、５１０）を圧力調節器（５０５）の両側で使用し、調節器の動作を監視し、さらに圧力計（５０７）が正しく動作していることを確認した。

実験装置を使用する際、シリンダ（５０３）を開いてガスを排出し、コンデンサ（５０１）及び／または圧力計（５０７）に供給される圧力を圧力調節器（５０５）によって調節した。データ、すなわち、計時的に記録した圧力（圧力計の電圧出力）と静電容量（フリップフロップ回路の電圧出力）とをコンピュータにダウンロードし、試験対象となる様々な種類のコンデンサ誘電体について以下の図に示す曲線のためのデータを提供した。

図６は、ポリエステル０．６８μＦ誘電体を使用したコンデンサについて（秒を単位として測定した）経時的な（フリップフロップ回路の電圧出力、Ｃ（Ｖ）によって記録した）静電容量の変化（曲線（Ｃ（ｔ））と、高精度圧力計によって測定した同じ期間の（やはり単位ボルト、Ｐ（Ｖ）によって記録した）圧力の変化（曲線Ｐ（ｔ））とを示す。見られるように、圧力の変化に伴う静電容量の変化の急速な応答が得られ、基底線は３回の圧力サイクルの後でも同一である。すなわち、このコンデンサでは、静電容量の変化が圧力の変化に正確に追従することが明らかである。

図７は、３回の圧力サイクルの結果を重ね合わせた、ポリエステル０．６８μＦ誘電体を使用したコンデンサの静電容量（フリップフロップ回路からの電圧出力）と基準圧力計によって記録した圧力（単位ボルト）との関係を表す。曲線同士が密接に相関していることは、このコンデンサを使用して得られる圧力記録の再現可能な性質を実証している。

図８ａ及び図８ｂは、図６と同様の方法で、ポリカーボネート２２ｎＦ（図８ａ）またはポリカーボネート４７０ｎＦ（図８ｂ）誘電体を使用したコンデンサについて経時的な静電容量の変化を示している。見られるように、ここでも圧力の変化に伴う静電容量の急速な応答と、圧力サイクルを繰り返した後の同一の基底線が得られている。

図９ａ及び図９ｂは、図７でなされたように３回の圧力サイクルの結果を重ね合わせた、ポリカーボネート２２ｎＦ（図９ａ）またはポリカーボネート４７０ｎＦ（図９ｂ）誘電体を使用したコンデンサの静電容量と基準圧力計によって記録した圧力との関係を表す。ここでも、曲線同士が密接に相関していることは、圧力記録の再現可能な性質を実証している。

図１０は、比較のためにべき法則曲線と重ね合わせた、ポリカーボネート４７０ｎＦの静電容量と基準圧力計の圧力との関係を表す。圧力が、べき法則

（ｘは１に近い値を有する）
に従ってほぼ直線的に静電容量に対応するのが見られる。

すなわち、図１０に示すように、ポリカーボネート４７０ｎＦを誘電体として使用する場合、圧力と静電容量との間の本質的に直線的な相関が提供される。出力電圧Ｖ_Oにもたらされる変化がコンデンサに印加される圧力に対して直線的でない他の誘電体の場合、出力電圧を希望に応じて直線化してもよい。これは、例えば、ＡＤＣ及びＥＰＲＯＭを使用して行ってもよい。アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）は、電圧値を、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）中のデータのアドレスの役目を果たすデジタル値に変換する。その結果、入力電圧は、ＥＰＲＯＭに記録された数値表を使用して、圧力に直線的に相関する出力数値に変換される。必要であれば、ＤＡＣ（デジタルアナログ変換器）を使用して線形数値を線形電圧出力に変換してもよい。

図１１は、様々な異なる温度について、生データの代わりに最良適合べき法則曲線を使用して、流体圧力に対するポリカーボネート４７０ｎＦのセンサ静電容量の変化の関係を表す。試験された全ての温度についての曲線（−３℃、２０℃、２５℃、４０℃及び５０℃でのＰ＝ｆ（Ｃ））が互いにごくわずかしか異ならないことから、静電容量に対する温度変化の影響は少ないことが示されている。

図１２ａ及び図１２ｂは、図６と同様の方法で、誘電体としてディスクセラミック１００ｎＦ（図１２ａ）及びマイカ２２ｎＦ（図１２ｂ）を使用したコンデンサについて計時的な静電容量の変化を示す。見られるように、誘電体としてディスクセラミック１００ｎＦを使用する場合、グラフは圧力低下後の静電容量の安定を示さない。Ｃは低下し続け、基底線は再現可能ではない。マイカ２２ｎＦを使用した場合は、少なくとも１００バールまでの圧力では、静電容量の変化はわずかしか見られなかった。すなわち、これらの材料は試験対象となる圧力範囲全体に渡って周囲温度で流体圧力を監視するのに適していないことが分かるだろう。

上記で説明した試験では、密閉したコンデンサユニットを使用してガスが誘電体内に侵入するのを大部分防止した。しかし、望ましい場合、ガスが、少なくともある程度拡散して誘電体を出入りする固体誘電体コンデンサ圧力センサを使用してもよい。しかし、この場合、コンデンサは理想的には、ガスの拡散が急速に行われるように設計すべきである。水素及びヘリウムといったガスは材料を通じて容易に拡散し、この種のセンサはこの種のガスの場合特に有用となり得る。図１３は、こうしたポリマーコンデンサ（１３０１）の例を示しており、そこではコンデンサプレート（１３０２、１３０３）の一方または両方に穴（１３０５）が提供され、ガスが固体誘電体層（１３０４）から比較的容易に拡散できるようになっている。

図１４は、コンデンサ圧力センサを備える高圧ガスシリンダを使用した、在宅介護用酸素を供給する方法を例示する。在宅介護医療の用途では、納入業者は普通、以前顧客に納入したガスシリンダが現在空かどうかを確認することができないため、納入業者は安全のため予備のシリンダを提供せざるを得なくなっている。コンデンサ圧力センサを含むガスシリンダを使用することによって、効率を向上させることができる。図１４に示すように、酸素シリンダ１４０２は、コンデンサ圧力センサ１４０１、静電容量−電圧変換回路１４０３、及び高周波送信装置１４０４を含んでいる。高周波装置は高周波受信機（１４０５）への短距離通信リンクを提供する。そして、高周波受信機は、電話ダイヤラ（１４０６）に接続されており、電話ダイヤラ（１４０６）は顧客の電話線に接続され、在宅介護患者の電話回線を納入業者の拠点（１４０８）のダイヤラ（１４０７）に接続することができる。シリンダの圧力が低くなると、システムは自動的に納入業者を呼び出して補給を依頼する。

圧力センサとしてのコンデンサの動作を示す。 加圧シリンダのための弁組立体に設置したコンデンサの略図である。 圧力に相関する直流電圧読み取り値を発生するフリップフロップ読み取り回路の略図である。 交流電圧読み取り値を発生するホイートストンブリッジ読み取り回路の略図である。 図６〜図１２のグラフに表されたデータを記録するために使用する試験装置の略図である。 基準電子圧力計と、コンデンサ誘電体としてポリエステル０．６８μＦを使用した図５のフリップフロップ回路とによって発生する経時的な電圧変化を記録したグラフである。 ３回の運転の分を重ね合わせた、ポリエステル０．６８μＦコンデンサからの静電容量読み取り値（単位ボルト）と基準圧力計からの圧力読み取り値（単位ボルト）との関係を表すグラフである。 基準圧力計と、コンデンサ誘電体としてポリカーボネート２２ｎＦを使用した図５のフリップフロップ回路とによって発生する経時的な電圧変化を記録したグラフである。 基準圧力計と、コンデンサ誘電体としてポリカーボネート４７０ｎＦを使用した図５のフリップフロップ回路とによって発生する経時的な電圧変化を記録したグラフである。 ３回の運転の分を重ね合わせた、ポリカーボネート２２ｎＦコンデンサからの静電容量読み取り値（単位ボルト）と基準圧力計からの圧力読み取り値（単位ボルト）との関係を表すグラフである。 ３回の運転の分を重ね合わせた、ポリカーボネート４７０ｎＦコンデンサからの静電容量読み取り値（単位ボルト）と基準圧力計からの圧力読み取り値（単位ボルト）との関係を表すグラフである。 理論上のべき法則曲線と比較した、ポリカーボネート４７０ｎＦのセンサ静電容量に対する流体圧力を表すグラフである。 様々な温度で記録されたポリカーボネート４７０ｎＦのセンサ静電容量と流体圧力との関係を表すグラフである。 基準圧力計と、コンデンサ誘電体としてディスクセラミック１００ｎＦを使用した図５のフリップフロップ回路とによって発生する経時的な電圧変化を記録したグラフである。 基準圧力計と、コンデンサ誘電体としてマイカ２２ｎＦを使用した図５のフリップフロップ回路とによって発生する経時的な電圧変化を記録したグラフである。 ガス拡散を可能にしたコンデンサ構造の略図である。 在宅介護用酸素を供給する方法を例示する図である。

Claims (31)

1. 剛性容器内の流体の圧力を監視する方法であって、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサの静電容量を監視することを含み、流体圧力の変化に応じた前記誘電体の圧縮または弛緩に伴って前記導電性要素間の距離とひいては前記コンデンサの静電容量が変化するように前記コンデンサが加圧された前記流体に全体としてさらされており、前記誘電体が、約１〜約１０ＧＰａの体積弾性係数（Ｋ）を有し、かつ／またはポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、及び／またはポリテトラフルオロエチレンポリマーを備える材料である方法。
2. 剛性容器内の流体の圧力を監視する方法であって、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサの静電容量を監視することを含み、流体圧力の変化に応じた前記誘電体の圧縮または弛緩に伴って前記導電性要素間の距離とひいては前記コンデンサの静電容量が変化するように前記コンデンサが加圧された前記流体に全体としてさらされており、前記容器が、補給所から流体を分配する地点への輸送中加圧流体を貯蔵するのに適したコンテナである方法。
3. 前記誘電体が、約１〜約１０ＧＰａの体積弾性係数（Ｋ）を有し、かつ／またはポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、及び／またはポリテトラフルオロエチレンポリマーを備える材料である、請求項２に記載の方法。
4. 前記コンテナが補充可能な可搬型ガスシリンダまたはボトルである、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記コンテナが、前記コンテナ内の流体圧力が所定のレベル以下に低下したことが静電容量によって示される時信号を送信するよう動作する装置を付属する、請求項２〜４の何れか１つに記載の方法。
6. 前記装置が無線信号を送信するよう動作する、請求項５に記載の方法。
7. 監視対象となる流体が、少なくとも時々は、少なくとも約２０バールの圧力を有する、請求項１〜６の何れかに記載の方法。
8. 流体の圧力が約３００バールを越えない、請求項１〜７の何れかに記載の方法。
9. 前記方法がさらに、変形可能な弾性固体誘電体によって分離された第１及び第２の導電性要素を備え、流体の圧力の変化に無関係な基準静電容量を提供するため加圧流体にさらされないように配置された第２のコンデンサの静電容量を監視することを含む、請求項１〜８の何れかに記載の方法。
10. 前記第１及び第２のコンデンサが、前記２つのコンデンサの間の静電容量の差に相関する電圧出力を提供する回路の一部を形成し、前記方法が、前記電圧出力を監視することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 流体の温度が約−２０〜約＋１００℃である、請求項１〜１０の何れかに記載の方法。
12. 流体がガスである、請求項１〜１１の何れかに記載の方法。
13. 前記固体誘電体がポリカーボネートポリマーまたはポリエステルポリマーを備えるポリマーである、請求項１〜１２の何れかに記載の方法。
14. 前記固体誘電体が、開くかまたは閉じた孔または気泡が少なくとも実質上は存在しないものである、請求項１〜１３の何れかに記載の方法。
15. 前記コンデンサが、前記固体誘電体の１枚かまたはそれ以上のシートによって分離された第１及び第２の導電性シートを備える、請求項１〜１４の何れかに記載の方法。
16. 各導電性シートの厚さが、前記誘電体シート（単数または複数）の合計厚さよりほぼ２桁以上小さい、請求項１５に記載の方法。
17. 前記コンデンサが、前記第１及び第２の導電性要素を分離する前記固体誘電体の内部または周囲に加圧流体が侵入するのを防止または阻止するコーティングを含む、請求項１〜１６の何れかに記載の方法。
18. 加圧流体のための剛性容器であって、前記容器が、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサを含み、前記コンデンサが、前記加圧流体が前記容器内に存在する時流体に全体としてさらされるように配置されるので、流体圧力の変化に応じた前記誘電体の圧縮または弛緩に伴って前記導電性要素間の距離とひいては前記コンデンサの静電容量が変化し、前記誘電体が、約１〜約１０ＧＰａの体積弾性係数（Ｋ）を有し、かつ／またはポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、及び／またはポリテトラフルオロエチレンポリマーを備える材料である容器。
19. 加圧流体のための剛性容器であって、前記容器が、第１及び第２の導電性要素を分離する変形可能な弾性固体誘電体を備えるコンデンサを含み、前記コンデンサが、前記加圧流体が前記容器内に存在する時流体に全体としてさらされるように配置されるので、流体圧力の変化に応じた前記誘電体の圧縮または弛緩に伴って前記導電性要素間の距離とひいては前記コンデンサの静電容量が変化し、前記容器が、補給所から流体を分配する地点への輸送中加圧流体を貯蔵するのに適したコンテナである容器。
20. 前記誘電体が、約１〜約１０ＧＰａの体積弾性係数（Ｋ）を有し、かつ／またはポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、及び／またはポリテトラフルオロエチレンポリマーを備える材料である、請求項１９に記載の容器。
21. 前記コンテナが補充可能な可搬型ガスシリンダまたはボトルである、請求項１９または２０に記載の容器。
22. 前記コンテナがさらに、信号を送信するよう動作する請求項５または６に記載の装置を付属する、請求項１９〜２１の何れか１つに記載の容器。
23. 前記容器がさらに、変形可能な弾性固体誘電体によって分離された第１及び第２の導電性要素を備え、加圧流体が前記容器内に存在する時流体の圧力の変化に無関係な基準静電容量を提供するため流体にさらされないように配置された第２のコンデンサを付属する、請求項１８〜２２の何れか１つに記載の容器。
24. 前記第１及び第２のコンデンサが、前記２つのコンデンサの間の静電容量の差に相関する電圧出力を提供する回路の一部を形成する、請求項２３に記載の容器。
25. 前記固体誘電体が請求項１３または１４に記載のものである、請求項１８〜２４の何れか１つに記載の容器。
26. 前記コンデンサが請求項１５〜１７の何れか１つに記載のものである、請求項１８〜２５の何れか１つに記載の容器。
27. 加圧流体を供給する方法であって、請求項１９、または請求項１９に従属するときの請求項２０〜２６の何れか１つに記載の容器への充填を行い、充填したコンテナを供給することを含む方法。
28. 前記容器には、少なくとも約２０バールの圧力まで流体を充填する、請求項２７に記載の方法。
29. 前記容器には、約３００バール未満の圧力まで流体を充填する、請求項２７または２８に記載の方法。
30. 前記コンテナが、信号を送信するよう動作する請求項５または６に記載の装置を付属し、前記方法が、以前に供給したコンテナから前記信号を受信した時さらに別の充填したコンテナを供給するステップを含む、請求項２７〜２９の何れか１つに記載の方法。
31. 前記装置が、通信ネットワークを介して中継される無線信号を送信する、請求項３０に記載の方法。

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