JP5424415B2 - 差圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、高静圧用の差圧センサに関する。

米国特許第６，７９６，１８５号は、その導入部として、旧来の技術に基づいた差圧センサを記載しており、この差圧センサでは、高圧側および低圧側（実際には、一方の圧力が他方より高い２つの高圧）から、２つの異なる圧力が、センサ内のチャネルに閉じ込められた２つのオイル体積に伝達される。内部に設置される差圧センサを、（ａ）強力な化学物質への露出、および（ｂ）２つの外圧の一方がゼロに急降下する場合などの極端な差圧に対する露出から保護することが望まれている。したがって、ａ）を考慮すると、内部オイル体積が使用されるため、内部の圧力センサは、オイル環境にしか設置されない。ｂ）に関しては、偏向制約を備えたダイヤフラムを用いた好ましい設計により、過大な圧力が生じても内部圧力センサには伝達されない。前述した米国特許の図２に示される旧来の技術は、含まれるダイヤフラムの定義を与えている。すなわち、差圧が測定される外部プロセス環境に露出された２つの外側ダイヤフラムを「プロセスダイヤフラム」と呼んでいる。これらのダイヤフラムは、センサ内の内部オイル環境を外部プロセス環境から分離し、２つの圧力をセンサ内に伝達する。センサの内部には、２つのオイル体積／圧力を互いに分離し、チャンバ内で両方向に撓むことができるダイヤフラムが設置される。本明細書において、このダイヤフラムを「分離ディスク」と呼ぶ。

特開平４−２９９２３０号公報から、高圧側に２つのダイヤフラムを備え、低圧側に１つのダイヤフラムを備えた差圧センサが知られている。高圧側のダイヤフラムの一方に圧力センサが接続され、圧力センサからは、もう１つの高圧側ダイヤフラムと低圧側のダイヤフラムに分岐するチャネルが延びる。実際、この圧力センサは、非常に単純な示差測定の原理に従って作動する。３つのすべてのダイヤフラムは、プロセスダイヤフラムであり、上記で参照した先行技術と同様に、使用する分離ディスクは１つのみとしている。

次に、米国特許第６，７９６，１８５号には、上記技術の改良が記載されている。この改良技術は、外部環境に露出された２つの外側プロセスダイヤフラムを依然として備えているが、さらに２つの内部分離ディスクが使用されている。これらのディスクは両方とも制止面に寄り添うため、各ディスクは一方向にしか偏向できない。すなわち、この場合、圧力伝達機構は、（各プロセス圧力側から）平坦な外側プロセスダイヤフラムと、予め張力がかけられた波形状の分離ディスクとで構成されるダイヤフラムアセンブリである。外側プロセスダイヤフラムは、プロセスからの圧力をオイル体積へ伝達する。分離ディスクは、センサ内の凹状の当接面に寄り添う。波形状の分離ディスクは、当接面の方へ内向きに予め張力がかけられる。高圧側および低圧側の両方に、プロセスダイヤフラムと、波形状の分離ディスクとから構成される伝達機構がある。高圧側のダイヤフラムアセンブリは、センサの下部にある低圧側のダイヤフラムアセンブリに面するように配置される。高圧側において分離ディスクとプロセスダイヤフラムとの間の空間にはオイルが充填されている。この空間は、差圧センサに接続され、また、チャネルを通じて低圧側の波形状分離ディスクの後ろ側に接続される。また、低圧側にも、分離ディスクとプロセスダイヤフラムとの間の空間から（空間にはオイルが充填）、差圧センサへ、さらには高圧側の波形状分離ディスクの後ろ側へとつながる同様のチャネル接続がある。この差圧センサに関する問題は、内部オイルの体積が大きいことである。温度や圧力が変化すると、熱膨張、熱圧縮、またはそれらの組み合わせにより、このオイルの体積が変化する。このような体積の変化は、プロセスダイヤフラムによって補償されることになるため、これにより圧力降下が生じ、測定が劣化する。オイルの体積が小さければ、このような測定の不正確さも低下する。ライン圧力が差圧の何倍も大きい場合、これは特に重大である。また、この同じ体積変化は、カットオフ圧力を変化させる。体積が小さいほど、体積変化が小さくなり、カットオフ圧力がより正確に定まる。

また、国際公開第９２／１７７５７号には、上記米国特許と同様の方法で２つの分離ディスクを備え、内部のオイル体積に関する同様の問題を呈する差圧センサが示されている。

本発明の目的は、上述した問題を解決することである。

以上のことから、本発明によれば、差圧センサが提供される。この差圧センサは、差圧センサ素子が収容されたキャビティ内へとつながる内部オイル充填チャネルを有するセンサブロックを備え、また、センサブロックに配設された２つのプロセスダイヤフラムを有している。これら２つのプロセスダイヤフラムは、それぞれに対応する圧力を有する対応する高圧環境にそれぞれ直接露出されていて、これらの高圧環境と内部オイルチャネルとを分離し、かつ、前記対応する圧力を、それぞれに対応するチャネルに伝達するようになっている。この差圧センサは、以下の点を特徴とする。対応する圧力が、逆／反対の対応となる内部オイルチャネルに加わることを阻止するため、２つの分離ディスクが、対応する高圧環境に対してそれぞれ流体連通状態で、センサブロックに配設される。２つの分離ディスクの各々は、オイル充填チャネルのうち他の圧力を呈するチャネル内への小さな開口を有する対応する当接面に寄り添う。２つのオイルチャネル間に横断チャネルが設けられ、横断チャネル中に、差圧センサ素子を収容するキャビティが設置される。

分離ディスクは、わずかに凸状の形状を有する当接面に対して実質的に相補的な形状を有するように、予め張力がかけられることが好ましい。

実質的に平坦な分離ディスク、すなわち、波形状部がない分離ディスクが使用されることが好ましい。

上記から明らかなように、本発明に係る構成は、２つのプロセスダイヤフラムが２つの対応する外部プロセス環境に露出されているだけでなく、２つの分離ディスクも２つの対応する外部環境に対して外向きに面するような構成である。これら２つの分離ディスクは当接面または停止面に寄り添い、それらの間には薄いオイル膜しかないので、先行技術においてプロセスダイヤフラムと分離ディスクとの間に存在したオイル体積は、２つのプロセスダイヤフラム内の体積、すなわち、各プロセスダイヤフラムと内部当接面との間の体積に置き換えられる。このような体積は、２つのダイヤフラム間に必要な体積よりかなり小さくすることができるため、大きなオイル体積が削減される。これにより、測定の精度が高まるとともに、カットオフ圧力もより正確に定まる。

本発明によれば、より安価で、より堅牢性および精度の高いセンサが提供される。オイルの体積は、最小限に抑えることができ、内部分離ディスクを使用する場合に必要な体積の半分未満である。また、プロセスダイヤフラムは、分離ディスクが必要とする体積を保守する必要はなく、エラー寄与が低減される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について記載する。

本発明の実施形態による差圧センサを示す。 本発明の別の実施形態による差圧センサを示す。 本発明のさらなる実施形態による差圧センサを示す。 プロセス圧力の関数としてセンサの内部圧力のセンサ特性を示す。

図１において、本発明による差圧センサの可能な実施形態の原理図が示されている。ハウジングまたはセンサブロック１００が、中央チャンバ８内に設置された差圧センサ素子に圧力を伝達するための対称的に配置されたチャネル１〜７を収容する。内部チャネル３〜５は、それらのチャネルに充填される油圧オイルの体積が小さくなるように小さい断面を有する。

オイル充填された内部チャネル３〜５は、ダイヤフラムによって、図の右側の矢印に示すように、それぞれ高圧ｐ１およびｐ２を有する２つの外部環境から遮蔽される。センサの目的は、中央チャンバ８内に参照符号ｄｐで同図に表されているセンサ素子自身が、いずれの外部環境（化学物質、温度を有する）にも露出されずに、圧力伝達油圧オイルにのみ露出されるように、圧力ｐ１およびｐ２の間の圧力差ｄｐを測定することである。さらに、センサ内部の圧力差は、センサ素子が損傷を受けるほど高いものであってはならない。

４つのダイヤフラムＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄによって、２つの外部環境に対する遮蔽が得られる。ダイヤフラムＢおよびＣを、「プロセスダイヤフラム」と呼ぶ。これらのダイヤフラムの目的は、実際の圧力ｐ１またはｐ２を内部オイル体積に伝達することである。ダイヤフラムＡおよびＤは、「分離ディスク」と呼ばれ、波形状部がない点では、平坦または滑らかである。しかしながら、図示の例では、これらのダイヤフラムは、予め張力がかけられ、適合した湾曲状（凸状）の当接面／係合面９、１０に隣接して配置され、当接面９、１０に対して相補的な形状を有する。分離ディスクＡ／Ｄと、内側に位置する当接面９／１０との間にあるのは、薄い油圧オイル膜のみである。当接面９、１０には、オイルチャネル３、４内への開口１３、１４がある。プロセスダイヤフラムＢを介して内部チャネル４および５ｂへ、すなわち、センサ素子ｄｐの右手側へ、高圧ｐ１が伝達されることが分かる。同様に、（例えば、より低い）高圧ｐ２が、プロセスダイヤフラムＣを介して内部チャネル３および５ａへ、すなわち、ｄｐの左手側へ伝達される。

ｐ１＞ｐ２であれば、分離ディスクＡは、図面の下向き方向に押されるが、移動することはできない。分離ダイヤフラムＡは、圧力差ｐ１−ｐ２を吸収し、すなわち、より低い圧力ｐ２が、ｄｐの左手側に留まる。同時に、右手側のより高い圧力ｐ１は、分離ディスクＤを当接面１４から下向きに押し下げる。ある位置において、分離ディスクＤの応力は、圧力差ｐ１−ｐ２を吸収する、すなわち、分離ディスクＤは、圧力差ｐ１−ｐ２が大きいほどさらに下方の位置をとる。ｐ１−ｐ２がある限界値を超えると、図示の例における分離ディスクＤは、適合した形状を有する下側当接面１２に寄り添うことになる。すなわち、比較的対応して湾曲した形状により、上側と下側の両方で分離ディスクが利用可能な空間が制限される。

図示した例示的な実施形態において、分離ディスクとプロセスダイヤフラムの周りの空間の体積が互いに適応させられていることに留意されたい。すなわち、プロセスダイヤフラムＣの上方の体積（中心位置にあるとき）は、分離ディスクＡの上方の空間の体積よりわずかに小さく、右手側のＢおよびＤの下方の空間についても同様である。分離ディスクとプロセスダイヤフラムとの間の油圧オイルは、実質的に圧縮できないため、分離ディスクおよびプロセスダイヤフラムは「いっせいに」移動する。大きな圧力差が発生したとしても、中央センサ素子ｄｐを損傷させないことが重要である。

外部圧力の典型的な値は、ｐ１≒ｐ２≒１０００バールであるが、センサ素子ｄｐは、０〜５００ミリバールの測定範囲を有し、高い圧力差に耐えられない。

最初に、圧力ｐ２が正常な状態（すなわち、ｐ１との差が小さな正常な状態）にあった後、ｐ２がゼロに急降下すると、分離ディスクＡは、大きな圧力差の均衡をすぐに保ち、左手側のオイル圧力がほぼゼロに下がる。プロセスダイヤフラムＣは、オイルが圧縮できないため、大きくは移動しないが、下側の外部環境とチャネル３のオイルとの間に圧力≒０を伝達する。

同時に、右手側では、プロセスダイヤフラムＢおよび分離ディスクＤの両方が、下方の対応する当接面（それぞれ１６、１２）との当接に向けて下向きに急速移動する。しかしながら、プロセスダイヤフラムＢが最初に当接に至るように寸法が選択されれば、分離ディスクＤは、オイルが圧縮できないため、当接前に停止する。その後、チャネル４の圧力は、分離ディスクＤの応力によって均衡が保たれる小さな過大圧を除いて、（チャネル３と同時に）ほぼゼロにすぐに降下する。センサｄｐは、このような小さな圧力差には耐えることができ、また、過度な過大圧からは保護される。

過大圧が反対方向に大きい場合、デバイスは、同じように機能するが、分離ディスクおよびプロセスダイヤフラムに対して反対の方向に機能する。

上記の説明において、プロセスダイヤフラムの内側の体積（これは、例えば、プロセスダイヤフラムＢの下方の当接面１６までの距離によって表される）が小さければ、分離ディスクＤは、当接面１４から限られた距離だけ外向き／下向きに移動することしかできない。したがって、分離ディスクＡおよびＤの外側に１１および１２などの当接面を含ませることは、実際には必要ない。

同様に、プロセスダイヤフラムＢおよびＣの外側に示すような当接面を含むことも不要であり、これは、チャネル１、２、６、および７も省略可能であることを示す。

図２および図３には、このような単純化された実施形態が示されている。

図２は、本発明の別の実施形態を概略的に示す。この実施形態においても、各高圧ｐ１およびｐ２はそれぞれ、プロセスダイヤフラムＢおよびＣの対応する１つと、分離ディスクＡおよびＤの対応する１つに作用する。

しかしながら、第１の実施形態と比較した場合の相違点は、全ダイヤフラムの外側に「安全な当接／停止面」、すなわち、例えば、図１の分離ディスクＡの上方にある湾曲した当接面１１などの対応する面がないことである。これは、例えば、図２において、ｐ１が急増すれば、プロセスダイヤフラムＢは、左側に移動し、分離ディスクＤは、右側へ持ち上げられ、場合によっては破断点を越えかねないことを意味する。これは、プロセスダイヤフラムＢの左側の「チャンバ体積」を、ダイヤフラムが面１６に当接する前に左方へ短い距離しか移動できないように、すなわち、分離ディスクＤの「膨らみ」が常にその弱化の限界内におさまるように十分に短くなるように、小さく保たなければならないことを意味する。同じことが、Ａ−Ｃのペアにも当てはまることは言うまでもない。

図２および図３に示す寸法は、一定の比率で縮尺したものではないことに留意されたい。前述したように、当接面１６は、プロセスダイヤフラムＢの比較的近くに位置するが、分離ディスクＡの後方（分離ディスクＡに対して右側）の空間のサイズは誇張してある。実際、分離ディスクＡは、当接面９の近辺に（および分離ディスクＤは面１０の付近に）配置され、分離ディスクと面との間に位置するものはオイル膜のみである。

図３において、分離ディスクＡおよびＤは、対応の当接面９および１０に隣接させて配置されているように示されているため、後者の特徴が明確に見て取れる。図３の実施形態を図２の実施形態と区別するさらなる特徴は、分離ディスクＡおよびＤに予め張力がかけられており、当接面９および１０に凹状の形状が与えられている点である。予め張力がかけられた分離ディスクを使用することで、上記で参照した米国特許第６，７９６，１８５号において指摘したものと同様の利点、すなわち、圧力または温度によって生じる体積変化がカットオフ圧力を著しく変化させないように、分離ディスクが、予張圧力が解消されるまで静止したままであり、その後は分離ディスクがより柔軟となりうるという利点が達成される。これにより、より感度の高い差圧センサ素子の使用が容易になる。

他の点では、図３の実施形態は、図２に示すものと同一である。

図１、図２、および図３はすべて、内部チャネル３、４、５が油圧オイルで充填された狭いチャネルであり、これらのチャネルが差圧センサｄｐが設置される内部空間８内に続く実施形態を示す。センサについては、本明細書においてさらに詳細には記載しない。チャネル３および４は、分離ディスクＡおよびＤの後方にある当接面９および１０の開口１３および１４、およびプロセスダイヤフラムＢおよびＣの内側にある当接面１６および１５の対応する開口で開始および終端する。これらの開口は小さくなければならず、すなわち、分離ディスクの外側（プロセス環境側）とその内側のチャネル３／４との間に最大可能圧力差が生じた場合でも破裂しないような小ささでなければならない。（０．０５ｍｍ厚の「Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５」箔の形態の分離ディスクを用いて、２８００バールの圧力で０．３ｍｍの直径の開口サイズに耐えられることがテストの結果、分かった。）同じサイズ要求は、同じく破裂しないように保護されなければならないプロセスダイヤフラムＢおよびＣの内側の開口にも当てはまる。

また、波形状の分離ディスクを使用することも可能であるが、波形状部がない分離ディスクのほうが安価であることにも留意されたい。

図４に、過度に大きな差圧／過大圧を回避することに関してセンサ素子を保護するための設計の可能性を示す。センサ素子の測定範囲は、曲線の上昇部に主に対応し、外部圧力差ｐ１−ｐ２≡Δｐプロセスの関数として内部（測定）圧力差Δｐを示す。

曲線の上昇部は、以下のことを示す。すなわち、内部圧力差は外部環境の圧力差に対応するが、転換点（カットオフ点）では、例えば、図２のプロセスダイヤフラムＢは壁１６に当たり、ｐ２に対するｐ１の過大圧が増大しても、チャネル４内の圧力をさらに増加させることはなくなる。分離ディスクＤの応力は、内部過大圧と均衡する。

センサブロック１００は、図１、図２、および図３に示すように、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５で作られることが好ましい。プロセスダイヤフラムＢ、Ｃに使用される材料も、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５（箔）であってもよい。センサ素子は、典型的に、シリコンベースのものであってもよい。センサブロックの典型的な寸法は、Φ７０ｍｍ、長さ１００ｍｍであってもよい。分離ディスクおよびプロセスダイヤフラムの直径は、３０〜５０ｍｍの範囲のものであることが好ましい。オイルチャネルの断面は、Φ０．２５ｍｍオーダーのものであってもよい。

Claims (2)

1. センサブロック（１００）を備える差圧センサであって、前記センサブロック（１００）は、差圧センサ要素（ｄｐ）が収容されたキャビティ（８）内へとつながる内部オイル充填チャネル（３、４、５）を有しており、前記センサブロック（１００）には２つのプロセスダイヤフラム（Ｂ、Ｃ）が配設されており、前記２つのプロセスダイヤフラム（Ｂ、Ｃ）は、それぞれに対応する圧力（ｐ１、ｐ２）を有する対応する高圧環境にそれぞれ直接露出されていて、対応する前記高圧環境と前記内部オイル充填チャネル（３、４、５）とを分離し、かつ、前記対応する圧力（ｐ１、ｐ２）を、それぞれに対応する前記内部オイル充填チャネル（４、３）に伝達する、差圧センサにおいて、
   前記対応する圧力（ｐ１、ｐ２）が、前記内部オイル充填チャネルのうち反対の対応となるチャネル（３、４）に加わることを阻止するため、２つの分離ディスク（Ａ、Ｄ）が、対応する前記高圧環境に対してそれぞれ流体連通状態で、前記センサブロック（１００）に配設されており、
   前記２つの分離ディスクのそれぞれ（例えば、Ａ）は、予め張力がかけられ、実質的に滑らかであり、かつ、対応する当接面（例えば、９）に寄り添い、前記当接面（例えば、９）は、前記内部オイル充填チャネルのうち他の前記圧力（例えば、ｐ２）を呈するチャネル（例えば、３）内への小開口（例えば、１３）を有しており、
   ２つの前記対応する内部オイル充填チャネル（３、４）間に横断チャネル（５）が設けられ、前記横断チャネル（５）中に、差圧センサ要素（ｄｐ）を収容する前記キャビティ（８）が配置されていることを特徴とする、差圧センサ。
2. 前記分離ディスク（Ａ、Ｄ）が、わずかに凸状の形状を有する前記当接面（９、１０）と実質的に相補的に適合するように予め張力がかけられることを特徴とする、請求項１に記載の差圧センサ。

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