JP5460732B2 - 充填管を用いた圧力測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセスにおける圧力の測定に関する。特に、本発明は充填管の圧力を測定することに関する。

産業プロセスは、多くの種類の材料を製造したり移送したりするのに使用されている。そのようなシステムでは、該プロセス内で、異なる種類の圧力を測定することをよく要求される。頻繁に測定される１つの圧力の種類は、プロセス内の一点と該プロセス内の他の点との間の圧力差である差圧である。例えば、プロセス流体を流す管中に置かれたオリフィス板を横切る差圧は流体の流速に関連している。差圧は、例えば、タンクや他の容器中のプロセス流体の高さを測定するのに用いられることができる。

そのような産業プロセスでは、プロセスセンサは、典型的には、制御室のような中央の集中位置に圧力情報を送信する、遠隔地に配置された圧力送信機中に含まれるか、又は該圧力送信機に接続される。この送信は、通常は、プロセス制御ループを介して行われる。例えば、２線制御ループがよく使われ、該２線は送信機に電力と情報の両方を搬送するのに使用される。無線通信技術もまた使用されることができる。

多くのプロセス装置では、また、プロセスの絶対圧またはゲージ圧−ここでは、"ライン圧力"と呼ばれる−を測定することが望まれる。この情報は、例えば、流れ計算中にプロセス流体の密度の変化を含めることによってより正確な流体測定を提供するために使用される。一般に、追加の圧力測定には、プロセス流体に接続される追加の圧力センサが必要とされる。例えば、ライン圧力センサを含み２線プロセス制御ループに接続される追加の送信機が拡張的に配備されることが必要とされる。

圧力センサは、プロセス圧に接続するように配置されている充填管を含む。センサは、充填管に接続され、該充填管の物理的な特性の変化の関数として充填管中の流体の圧力を測定するように構成されている。

本発明によれば、差圧センサをプロセス流体に結合するのに使用される細管の物理的特性の変化をモニタすることにより、差圧測定装置におけるライン圧力を測定することができる。

本発明に従って構成されたプロセス送信機を有するプロセス測定システムを示す。 図１の送信機の概略図である。 図１のプロセス送信機の一部の断面図を示す。 一例としてのライン圧力測定装置を示す簡単化された図である。 図４中の構成の一部の拡大図である。 ニッケルのパーセントに対する磁気歪みを示すグラフである。 図４の構成を示す簡単化された回路図である。 図４の構成を示す簡単化された回路図である。 圧力に対する周波数のグラフである。 応力(stress)に対する磁気インダクタンスの変化を示すグラフである。 印加されたバイアスフィールドに対する、応力を有するインダクタンスの変化のグラフである。 本発明に従う、ライン圧力センサの簡単化された図である。 本発明に従う、ライン圧力センサの簡単化された図である。 図１２Ａと１２Ｂについての回路図である。 他の実施形態を示す簡単化された図である。 他の実施形態を示す簡単化された図である。 図１４Ａと１４Ｂについての回路図である。 二つのコイルで設計された装置における、印加されたライン圧力に基づく電圧の変化を示すグラフである。 一つのコイルで設計された装置における、印加されたライン圧力に基づく電圧の変化を示すグラフである。 ライン圧力を測定するためにブルドン管(Bourdon tube）が使用される構成を示す簡単化された図である。 水晶センサを用いてライン圧力を測定するように構成された本発明の一実施形態の断面図である。 センサに応力を掛けることを示す図である。 水晶結晶を用いた圧力センサの正面図である。 水晶結晶を用いた圧力センサの側面断面図である。 水晶結晶を用いた圧力センサの正面平面図である。 水晶結晶を用いた圧力センサの側面平面図である。 水晶結晶を用いた圧力センサの斜視図である。 フォーク形状の同調器を用いた他の実施形態の側面断面図である。 フロート管（float pipe）の側面断面図である。 差圧を測定するように構成された水晶センサの側面図である。 差圧を測定するための圧力測定システムの側面断面図である。 差圧を測定するための圧力測定システムの側面断面図である。

一実施形態では、本発明は、差圧測定装置におけるライン圧力を測定するための装置と方法を提供する。特に、本発明は、差圧センサをプロセス流体に結合するのに使用される細管の変形をモニタする点に一つの特徴がある。これらの変形は、プロセス流体のライン圧力に関係している。他の実施形態では、本発明は、容器の変形に基づいて圧力を測定するための技術を提供する。他の実施形態では、本発明はライン圧力を測定するためのセンサを提供する。

図１は、プロセス測定システム３２の環境を一般的に示す。図１は圧力を掛けられた流体を搬送し、プロセス圧力を測定するためのプロセス測定システム３２に結合されたプロセス管３０を示す。該プロセス測定システム３２は、管３０に接続されたインパルス管３４を含む。該インパルス管３４はプロセス圧力送信機３６に接続されている。オリフィス板、ベンチュリ管、流体ノズル等の主要素３３は、プロセス管３０中の、インパルス管３４の管間のある位置でプロセス流体に接触している。該主要素３３は、流体が該主要素３３を通り過ぎる時、流体の圧力に変化を生ずる。

送信機３６は、インパルス管３４を通って伝えられたプロセス圧力を受け取るプロセス測定装置である。送信機３６は、プロセス圧力の差圧を感知し、それをプロセス圧力の関数である規格化された送信信号に変換する。

プロセスループ３８は、制御室４０から送信機３６へ電力信号を提供すると共に双方向通信を提供する。また、該プロセスループ３８は、幾つかのプロトコルで運用されることができる。図示の例では、プロセスループ３８は２線ループである。該２線ループは、４−２０ｍA信号の通常動作の間、全電力を送信機３６へ、また全ての通信を送信機３６からまた送信機３６へ送信するのに使用される。コンピュータ４２又は他の情報処理システムはモデム４４又は他のネットワークインタフェースを通って、送信機３６と通信するのに使用される。遠隔電力源４６は、送信機３６に電力を供給する。他の例の装置では、ループ３８は無線接続であり、データは送信機３６と制御室４０との間に電線（ワイヤ）を引くことなく送受信することができる。他の例の装置では、データは、無線通信プロトコルを用いて無線で送信又は受信される。

図２は、圧力送信機３６の簡単化されたブロック図である。圧力送信機３６は、データバス６６を通って互いに接続されたセンサモジュール５２と電子基板７２を含む。センサモジュール電子機器６０は、印加された差圧５４を受け取る圧力センサ５６に結合している。データ接続５８は、センサ５６をアナログデジタル変換器６２に結合する。オプションの温度センサ６３は、またセンサモジュールメモリ６４と共に図示されている。電子基板７２は、マイクロコンピュータシステム７４，電子メモリモジュール７６，デジタルアナログ変換器７８およびデジタル通信ブロック８０を含んでいる。

図２には、また、差圧センサ５６をプロセス流体５４に結合するのに使用される細管または"充填"管９３と９４が図示されている。隔離ダイヤフラム９０は、細管９３と９４中に入れられている充填流体に応答的に印加される圧力をプロセス流体５４から受け取る。この充填流体を通して、産業プロセスの圧力は差圧センサ５６に印加される。

本発明によれば、変形センサ９８は細管９３に結合し、細管９３の変形を監視するために設けられている。これらの変形は、産業プロセスのライン圧力に関連するものであり、センサ９８はアナログデジタル変換器６２又はライン圧力測定回路９９へ出力信号を提供する。一つの特徴によると、管の変形に応動するいかなるタイプのセンサも用いられることができる。回路９９は、単体の回路であっても、または差圧を測定するのに用いられる他の回路に包含されていてもよい。例えば、種々のセンサを監視するのに用いられる幾つかのあるいは全ての部品が共有の部品であってもよい。

図３は、変形センサ９８を示す本発明の一実施形態の簡単化された断面図である。上記したように、圧力センサ５６はプロセス流体を空洞９２から隔離する隔離ダイヤフラム９０を通ってプロセス流体に結合する。空洞９２は、細管９３と９４を通って圧力センサモジュール５６に結合する。実質的に圧縮できない充填流体は空洞９２と細管９３と９４を満たしている。プロセス流体からの圧力がダイヤフラム９０に印加されると、該圧力は圧力センサ５６の空洞１３２と１３４中の部品に伝達される。

圧力センサ５６は２つの圧力センサの半体１１４と１１６で構成され、好ましくは弾力性がなく、実質的に非圧縮性の材料で満たされている。ダイヤフラム１０６はセンサ５６内に形成された空洞１３２，１３４内に取り付けられている。空洞１３２，１３４の外壁には、電極１４６，１４４，１４８および１５０が保持されている。これらは、一般的に、主電極１４４と１４８、および二次又は副電極１４６と１５０と呼ばれることができる。これらの電極は、可動ダイヤフラム１０６に関してコンデンサを形成する。該コンデンサは、また、主および副コンデンサと呼ばれることができる。

図３に示されているように、センサ５６内の種々の電極が電気接続１０３，１０４，１０８および１１０を介してアナログデジタル変換器６２に接続されている。さらに、撓むことができるダイヤフラム１０６は、接続１０９を通ってセンサモジュール電子機器６０にアナログ的に接続されている。差圧を測定する技術は、ローズマウント（株）に対して２００１年１０月２日に発行され、「改良された誤差補償機能を備えたプロセス圧測定装置」と発明の名称が付けられた米国特許第６，２９５，８７５号に記述されている。

変形センサ９８は、種々の構成を取ることができる。変形を測定する幾つかの技術は、以下で説明される。しかしながら、本発明は、これらの特定の技術に限定されず、また変形を測定するのに使用されるいかなる技術も本明細書に説明されていなくても用いられることができる。

プロセス流体からのライン圧力は、細管９３の形状を変化させる。例えば、ライン圧力が増加すると、細管９３は膨張する。同様に、ライン圧力が増加すると、細管９３中の曲がりが真っ直ぐになる。細管のこれらの又は他の変形は監視または測定されることができ、プロセス流体のライン圧力と相関されることができる。

図４は本発明の一実施形態の簡単化された断面図１５０である。図４の構成では、細管又は充填管の磁気歪み（磁歪）特性は、センサ本体の一例である管の変形を測定するのに使用される。例えば、充填管がニッケル−鉄合金で作られている場合には、管は磁歪特性を示し、磁場の存在下で寸法の変化を起こすであろう。これは、また、相互の応答を提供し、該金属が歪み（strain）を受けると、磁気誘導の変化が印加された歪みに正比例して発生される。該磁歪特性は、ニッケル−鉄合金を制御された方法で振動させることのできる共振器（すなわち、発振器）を作るのに用いられることができる。この振動は、充填管の寸法とその特性の関数である。結局のところ、その周波数は管の環境に対する変化に基づいて変化するであろう。共振器の周波数を監視することにより、金属の物理的な状態が測定されることができる。圧力の測定に加えて、磁歪特性はまた温度に関連するので、温度測定にも使用されることができる。

図４の構成では、差圧センサ１４８は細管１５６及び１５８を介して、それぞれ隔離ダイヤフラム１５２および１５４に結合される。つまり、プロセス流体に結合される。細管１５６，１５８の直線部分１６０，１６２は、それぞれ、細管を充填流体で満たすための充填管として提供および使用されることができる。これらの部分は個別の管であっても、細管１５６，１５８と一体に形成されてもよい。これらの部分は個別の管として図示されているが、これらは管１５６，１５８の単一管で形成されることもできる。直線部分１６２は、充填管の変形を測定するために構成された変形センサ１７０を含んでいる。

図５は、図４に示されている変形センサ１７０の詳細図である。図５に示されているように、駆動コイル１９０は部分１６２に結合され、例えば図２の回路９９から制御信号入力を受け取る。駆動コイル１９０は、所望の周波数で駆動され、部分１６２の磁歪材料の中に磁束を誘起する。これにより、振動運動１９８が部分１６２に発生する。典型的には、管にバイアスを掛けて好ましい磁気的な動作環境にするために、永久磁石（不図示）が充填管およびコイルの近くに置かれる。感知コイル１９２は、部分１６２に隣接して配置され、管の磁気誘導の変化を感知するように構成される。この感知コイル１９２は、出力を提供する。例えば、この出力は図２に示されている回路９９に提供されることができる。ノードストップ１９４は、また部分１６２に結合され、振動が開始したときに、管部分１６２内で起きる振動１９８による縦波を反射する堅い取り付け具(mount)で構成されている。

適当な磁歪材料が、特定の応用のための設計制約に従って用いられることができる。図６は、異なるフラクショナルフィールド（fractional field）飽和レベルにおける、鉄中のニッケルパーセントに対する長さのフラクショナル変動（fractional change）のグラフであり、磁歪が鉄中のニッケルパーセントに基づいてどのように変化するかを示している。Ｎｉ−スパンは、約４２％のニッケルパーセントをもち、磁場の存在下で長さを増加する。

図７は、変形センサ１７０の動作をより詳細に示す簡単化された回路図である。図７に示されているように、駆動コイル１９０はインダクタンスＬ_１と抵抗Ｒ_Ｌ１としてモデル化されている。電流Ｉ_１は駆動コイル１９０中を流れ、電圧Ｖ_１が駆動コイル１９０の両端間に発生する。感知コイル１９２は同様にインダクタンスＬ_２および抵抗Ｒ_Ｌ２として図示され、それぞれに電流Ｉ_２が流れまた電圧Ｖ_２が発生する。同調コンデンサＣ２は感知コイル１９２の両端に適用される。管部分１６２の長さは、式１では、λとして示されている。動作中に、管部分１６２は次の式によって表される基本周波数で縦方向に振動する。

ここに、ｇ、Ｅ、λ、およびρは、それぞれ、重力加速度定数、管のヤング率、管１６２の長さ、および管１６２の密度である。センサコイル１９２と共に、磁場を発生する駆動コイル１９０を配置することにより、正帰還の発振器を構成することが可能である。駆動コイルとセンサコイルとは、図７に概念的に示されている。圧力が他方の端部（ノードストップ１９４の近く）に印加できるように、共振管が一方の端部で閉じられている場合には、管は圧力センサとして動作する。この圧力センサでは、センサ出力の発振周波数ｆ_１は、印加される圧力の関数として変化する。圧力が変化すると、発振周波数はＥ、λ、およびρの実効値の変化に従って変化するであろう。駆動および感知コイルは、ＤＣ抵抗Ｒ_Ｌ１およびＲ_Ｌ２をもつインダクタＬ_１およびＬ_２として図示されている。感知コイル１９２と並列に接続されているコンデンサＣ２は、ＬＣ発振回路を形成し、共振回路の基本周波数に近い共振周波数を持つように選択されることができる。該ＬＣ回路は運転開始時に固有周波数が確実に発生するようにするのが望ましい。一度金属が共振し始めると、これは、共振周波数が自己発振ＬＣ回路よりはむしろ管発振を表すように、回路を支配するであろう。

図８は、大きな開ループゲインオペアンプ２００を用いた発振回路の一例の簡単化された回路図である。コイル１９０、１９２は、１８０度の位相シフトが管の共振周波数の近くで起き、それによって持続振動が維持されるように構成されている。一例では、図７に示されているものと同様のテスト装置が構成された。周波数発生器は駆動コイル１９０に接続され、オッシロスコープは感知コイル１９２に接続された。駆動周波数を掃引することにより、管の共振周波数は見つけられることができる。それから、管は、圧力を受け、新しい共振周波数が測定された。このようにして、印加された圧力の変化と周波数の変化とがマップ(map)された。図９は、圧力対周波数のグラフであり、アロイ５２（Alloy 52)から構成された圧力センサで検知された実データを示す。アロイ５２は、ニッケル５２％と鉄４８％である。管は圧力を掛けられるように溶接され、他端は閉じるように溶接された。管は、硬化されず、該溶接の実施により幾分焼きなましされた。もし管の壁が薄いと、圧力に対するセンサの感度は大きくなるであろうが、この例では、管の壁は過圧に耐えるのに必要とされる厚さより厚くされた。これらの欠点にも拘わらず、圧力による周波数の変化は、たやすく検知された。センサの極限圧力解像度は、管組立て体からのＱファクタ（Ｑ値）の関数である。大きなＱ値を維持するためには、管は適当に硬化されなければならない。図９の例は、約０．０６５Ｈｚ／ＰＳＩの周波数変化、つまり１ＰＳＩ当り約０．０６５Ｈｚの周波数変化を示している。Ｑ値１０００と中心共振周波数５１，０００ヘルツを持つセンサは、約０．０２５ヘルツ（０．４ＰＳＩ）のポテンシャル解像度をもつであろう。Ｑ値２５００は、０．００４ヘルツの周波数解像度ポテンシャルを持つであろう。この後者のＱ値により、０．０６ＰＳＩのオーダーのライン圧力解像度が得られるであろう。

ここに説明されているように、本発明は変形を測定するためのこれらの特定の技術に限定されない。本発明の他の実施形態は、例えばニッケル−鉄合金の磁気透磁率が応力(stress）に依存することを利用する。ニッケル−鉄合金は、材料が歪みを受けるとその磁気透磁率に変化が生ずることが示される。この現象は、ビラリ効果(Villari effect）と呼ばれている。この合金が固定の磁場（Ｈ）で磁気的にバイアスされると、次の式で定義される磁気誘導（Ｂ）が得られる。

ここに、μ_０は自由空間の透磁率、μ_Ｒは合金の相対透磁率である。式２によると、μ_Ｒに変化が起きると、磁気インダクタンスＢに変化が生ずるであろう。図１０は、固定磁場Ｈの下での印加された応力に対する磁気誘導の変化を表すグラフである。印加された応力の変化に対する磁気インダクタンスＢ（以下、Ｂ場という）の感度は、印加された磁場Ｈの関数であることに注意されたい。さらに、この材料のヒステリシス特性は磁場の強さに依存し、最も小さいヒステリシスはより高い磁場の強さにおいて生ずる。図１１は、印加されたバイアスの磁場Ｈに対する、応力（σは印加された応力）についてのインダクタンスの変化を示すグラフである。図１１に示されているように、ヒステリシスが最小になり、かつ印加された応力に対する感度が最も大きくなる磁気バイアス点が存在する。

上記の磁気特性は、印加された圧力を検出するのに用いられる。例えば、Ｂ場中での変化は、μ_Ｒに比例するインダクタンスを用いて測定されることができる。図１２Ａおよび１２Ｂはこの現象を用いて圧力を検出するように作られたセンサ１７０の一構成例を示す。図４および５に示されているものと同じ図１２Ａおよび１２Ｂの要素には、同じ番号が付されている。この装置によれば、管１６２は、例えば、ニッケルスパン合金５２又はニッケルから作られている。ピックアップコイル２００と駆動コイル２０２は管１６２を取り囲み、クリップ２０４で所定の位置に保持されている。バイアス磁石２０６はクリップ２０４を用いて装着されている。コイルストップ２１０は管１６２に関する所定位置にコイルを保持する。動作中においては、バイアス磁石２０６は固定バイアス磁場Ｈを提供し、このうちのある磁場は駆動コイル２０２を用いて変調される。その結果により生ずるＢ場はピックアップコイル２００を用いて測定され、印加された圧力と相互に関連付けられることができる。

図１３は電気的な測定のために構成された図１２Ｂのセンサ１７０の回路図である。動作中に、ＡＣ信号発生器２２０は、駆動コイル２０２に交流信号を印加する。その結果により生ずるＢ場は感知コイル２００を用いて感知される。信号の大きさはメータ２２２を用いて測定され、管１６２の透磁率に関係付けられる。そのため、該信号の大きさは、印加された圧力Ｐに従って変化する。上述したように、ＡＣ信号発生器２２０の制御と感知コイル内に起きる信号を感知することとは、図３に示されているような回路により行われることができる。

図１４Ａと１４Ｂは、センサ１７０の他の構成を示す簡単化された図であり、要素の番号は他の図と同じものが使用され、一貫性が保たれている。図１４Ａおよび１４Ｂにおいて、センサ１７０は１個のコイル２３０として装備されている。図１５は、一つの駆動コイル２３０を用いてＢ場を感知するための回路を示す簡単化された回路図である。図１５の構成では、ＡＣ信号発生器２２０はコンデンサＣを介してコイル２３０に結合されている。印加された磁場によるＢ場の変化は、コイル２３０の両端に結合されている電圧センサ２２２を用いて電圧の大きさを測定することにより感知されることができる。

図１６は、図１２Ａ、１２Ｂおよび１３に示されているような二つのコイルセンサからのライン圧力に対する、電圧センサ２２２の出力中の（スパンの関数としての）相対電圧の変化を示すグラフである。図１７は、図１４Ａ、１４Ｂおよび１５に示されているような一つのコイル構成に対する同様のグラフである。図１６および１７に示されているように、感知された電圧はライン圧力に関係づけられる。測定回路は、管のインダクタンス値に基づく周波数で発振するように設計されることができ、それゆえ、圧力で変化するインダクタンスとしての圧力測定手段を提供する。この方法は以前に記述した方法とは対照的であり、管は磁歪駆動機構を介して、縦方向の共振周波数で機械的に振動するように作成された。

図１８は、本発明に従う変形センサ１７０の他の構成図である。図１８の装置においては、一つの充填管（充填管１６２）の一部分はブルドン管(Bourdon tube）として構成されている。ブルドン管では、管の一部が特定の圧力、例えば０圧力で、図１８の３１０に示されているように、曲がりをもつように構成されている。それから、この部分３１０は圧力が印加されるに従って真っ直ぐにされ、やがて最大圧力に達すると、該管は図１８の３１２で示されているように真っ直ぐになる。ストレインゲージや他のセンサのようなセンサ３１４は、管の変形を測定するためにブルドン管に結合される。センサ３１４からの出力は、図２に示される回路のようなライン圧力測定回路に提供される。

上記したように、いかなる特定の技術も、管の変形又は管の剛性（stiffness）の変化を含む管の他の特性を測定するのに用いられることができる。これらの技術は、ストレインゲージ技術、共振の測定装置などを含む。圧力で変化する管の物理的な特性は測定可能であり、本発明に従って用いられることができる。管は例えば管の厚さを変えることにより、感度を増すように構成することができる。また、管の幾何学的形状は、効果を増強しセンサ信号を増幅するために、選択されることができる。上述のように、差圧の測定値は、両方の細管の物理的変化を測定することにより得られることができる。他の例では、ブルドン管は、測定回路のすぐ近くに置かれ、図２に示されているような測定回路９９におけるコンデンサを形成する。ブルドン管が変形するにつれて、コンデンサ容量は変化し、印加された圧力との相関が取られる。

他の実施形態では、圧力センサ１７０は周波数変調振動型水晶センサを用いて実施される。ある応用では、これは、出力信号が固有のデジタルの性質をもつため好ましい。水晶がセンサ材料として用いられると、バイアス周波数とスパン(span)の優れた安定性が提供される。さらに、水晶は比較的低温で感度の良い動作をする。水晶結晶のピエゾ電気特性は、発振回路を使用して振動を維持する手段を提供するのに用いられることができる。本発明は、非貫入外部ピエゾ電気センサがオイル充填管に結合されることを含む。オイル充填管は、センサ本体の一例であり、本発明はこの構成に限定されるものではない。さらに、本発明の圧力センサは単独でも、または、ゲージ、絶対又は差圧センサのような他の圧力センサとの組合せでも使用できる。この結合は、内部的又は外部的であってもよい。充填管内の圧力は、外部の水晶構造の共振周波数を変化させる。圧力を測定するために水晶共振器を用いることは周知の技術である。しかしながら、本発明は、そのような測定のための、非貫入構成を提供する。

図１９は圧力センサ１７０の断面図である。圧力センサ１７０は封じた端部４０２と開いた端部４０４をもつオイル充填管４００を含む。管４００はセンサ本体の一例である。開いた端部４０４はプロセス接続４０６から圧力５４を受けるように構成されている。プロセス隔離ダイヤフラム４０８はオイル充填管４００からプロセス流体を隔離する。例えば細い管から構成されるオイル通路４１０は、プロセス隔離ダイヤフラム４０８および管開口４０４の間に延びている。全部のアセンブリは、筐体４１４の中に納められている。

以下に説明されるように、水晶センサ４２０（図２０Ｂ参照）は、オイル充填管４００に装着され、印加された圧力に基づいて変化する共振を有している。印加された圧力と共振周波数との関係は、実験又は他の手段により決定されることができる。オイル充填管４００はカンチレバービーム（片持ち梁）とみることができる。オイル充填管の内部は、外部よりも高圧である。これにより、管壁に応力が発生する。管壁は該応力に応答して非常にわずかに伸びる。水晶の結晶は、管に固着された、双方の端部にある２個のマウントで管との接触を保持される。管壁の長さの変化は、結晶に応力を与える。このようにして、結晶の共振周波数は管に印加された圧力の関数で変化する。

圧力感知回路においては、水晶結晶４２０を用いて管４００内の圧力を感知するように構成されている。共振回路は水晶結晶４２０に結合しており、デジタル変換器に周波数出力を提供する。共振回路は、管４００から水晶結晶４２０に印加される応力に基づいて、既知の技術を使用して、ある周波数で共振するであろう。この周波数は、それゆえ印加された圧力を示している。測定回路は測定された周波数を圧力に変換し、圧力の出力を提供するように構成されている。

図２０では、応力が印加されると、管の長さは次の式で表される量だけ変化するであろう。

ここに、Ｅはヤング率、εは歪み、Ｆは力、Ａは面積、Ｌ_０は管の元の長さである。

管のある点での軸方向の応力は、次の式で表されることができる。

ここに、
σ_ａ＝軸方向の応力
Ｐ_ｉ＝管の内部圧力
Ｐ_０＝管の外部圧力
ｒ_ｉ＝管の内部半径
ｒ_０＝管の外部半径

以下に定義されるフープ応力（hoop stress）（円周方向の応力）は軸方向の応力の大きさの２倍になる。センサの感度を増加させるために、結晶ビーム軸は管の軸から５度ずれている。その目的は、管のフープ応力を検出することである。管のある位置での円周方向の応力（フープ応力）は次の式で表すことができる。

ここに、σ_ｃ＝円周方向の応力、ｒ＝管壁の点までの半径であり、ｒ＝ｒ_Ｉ（管の内部半径）の時に最大の応力になる。

図２０は、管の幾つかの共振振動モードを示す図である。これらは、縦、並進および剪断(shear）モードを含む。並進モード共振周波数は、長さの２乗に逆比例する。それは、犬の尻尾の振れに似ており、比較的圧力変化に低い感度を示す。同様に、剪断共振は長さに反比例し、管の長さ方向に伝わる伝搬波から起きる。これは、また圧力の変化に対して比較的感度が悪い。縦方向の共振周波数は、また長さに逆比例し、パイプオルガンのような、延長管の共振に似ている。さらに、この共振周波数は、また管の質量により割り算された管の剛性比の２乗ルートに比例する。これは、圧力の増加がこれらの項の両方に影響するので、比較的複雑な関係になる。

一つの構成では、ＡＴカット結晶が好ましい。この構成は、センサの面を横切る力が結晶の他のカットにより生成される力と同じか、又はより大きな振幅の周波数の変化を発生する。ＡＴカットの一つの特徴は、共振周波数が応力を受けていない状態では温度に影響されないことである。結晶が堅固に装着されると、温度変化により結晶中に応力が生じ、よって共振周波数が変化する。しかしながら、共振周波数は、温度が変化するとき、熱膨張の差のために公称値に戻る。さらに、ＡＴカットの結晶は、破損する前に大きな圧縮力を感知し、周波数に対してほぼ線形の力を提供する。この構成は、また厚さ方向（剪断モード）に振動することができ、他のモードで振動する結晶よりも丈夫になる。このカットは、また応力のステップ状の変化に対して大変敏感に反応することができる。

図２０Ａ−Ｅは、一実施形態に従って水晶結晶構造４２０を含むセンサ１７０の正面図、側面断面図、正面平面図、側面平面図、および斜視図を示す（それは、一支持ビーム（梁）構造又は三バー構造であってもよい）。結晶構造４２０は、中央のバーが二つの外部ビームに対して反対に振動する三バー構造である。この構造は、両端で固定されることができ、結晶の全体がカンチレバー管に装着されることができる。電極は、二つの面電極接続と結晶の下側に接地面を形成するために真空蒸着されている。図２０Ａ−２０Ｅにおいて、圧力センサアセンブリ４１８が示されている。アセンブリ４１８はハウジング４２２を含み、オイル充填管４００に結合している。図２０Ｂに示されている断面図では、水晶の結晶４２０が結晶４２０の両端に設けられている結晶マウント４２４と４２６で管４００に装着されている。図２０Ｃの平面図にもっと詳細に示されているように、結晶４２０は、二つの切欠領域４３６と４３８との間に形成された振動ビーム部４３４へ延びる電極４３０と４３２を含んでいる。電気的接地４４０（図２０Ｄに示されている）は、結晶４２０の裏側に設けられている。

上述したように、水晶結晶４２０の共振周波数は、管４００の変形の関数として変化するであろう。両端で固定された矩形ビームの基本撓み共振周波数は、次の式で与えられる。

ここに、ｇは重力加速度定数、Ｅは長さ方向のヤング率、ρは材料の密度、ｔは厚さ、ｌは固定点間の長さである。図２０Ａ−Ｅに示される構成では、ビームが２点で固定されており、ｆ_０が低減すると期待されるから、基本周波数は上記のものよりは小さくなる。引っ張り応力がビームの長さに沿って印加されると、基本周波数は次の式で与えられる。

ここに、Ｌ≡４λ／３である。一つの構成では、オイル充填管は、曲線状に予め僅かに曲げられておくことができる。圧力が印加された時のビームの曲がりの全体の変化は、フルスケールで、０．００２５ｍｍより小さい。ビームは、垂直面内で、端部を固定した状態で振動する。バイアス周波数は典型的には４０ｋＨｚであり、これは管の膨張に応答して減少する。オイル充填管は、振動隔離システムと同様の役割をする。管の質量は振動エネルギが失われるのを防ぎ、その結果、高い振動Ｑが得られる。ビームの振動は、水晶結晶のピエゾ電気特性、ビーム上に設けられた電極および発振器回路により提供される電気エネルギの結合により、維持される。オイル充填管は示されているように真っ直ぐであってもよい。Ｑ値は、振動システム中で、１サイクル当たりに失われるエネルギに対する蓄積されるエネルギの比に比例する。このエネルギの損失は、管の剛性の、圧力に比例する変化から起きる。

図２１は、水晶同調フォークの実施形態を示す断面図である。この実施形態は、オイル充填管４００中の圧力を検出するために水晶結晶同調フォーク４５０を用いている。水晶結晶同調フォーク接触センサは、堅さ、柔らかさ、粗さおよび滑らかさなどの物体の物理的特性を検知するために、ロボットの手の指に用いられている。接触面の下の材料の特性は、縦モードの水晶結晶同調フォークを用いて検知される。

水晶結晶同調フォーク４５０は、オイル管上に半田付けされる支持部（ベース）４５４を有する振動部分４５８で構成される。水晶結晶同調フォーク４５０は、Ｘ軸方向の電場が掛けられると、Ｙ軸方向に振動する。水晶と前記ベースとの間の音響インピーダンスの差により、縦の振動エネルギはセンサのベースから管４００の方へ半径方向に漏洩する。平面波は、オイルを通って伝搬され、反射されてオイルを通ってセンサへ戻る。エネルギの漏洩により、水晶結晶同調フォークインピーダンスは共振振動時に大きくなるであろう。オイルの密度は圧力と共に変化するであろうから、音響エネルギの減少は変化するであろう。そのため、音響インピーダンスは圧力と共に変化するであろう。特定の周波数では、水晶結晶同調フォーク４５０のインピーダンスはセンサとオイル圧力間の音響インピーダンスに比例する。そのため、水晶結晶同調フォークの周波数の変化は管中のオイルの圧力に比例する。

水晶結晶同調フォークベース４５４から管４００へ漏洩するエネルギは管４００の接触面積に依存する。該接触面積は固定であるから、該インピーダンスはオイル圧力を特定するために測定されるか、又はセンサ周波数は圧力が掛けられていない管と比較されることができる。この構成は、次のような多くの利点を有している。
・サイズが小さくなって、包装コストが下がる。
・水晶構造を含む機械部品が安価になる。
・測定が割り込まないので、圧力ヘッダが不要である。
・信号が周波数ベースであるので、Ａ／Ｄ変換器が不要である。
・温度が予測できるので、温度の表示を簡単にすることができる。
・オイルの動きが小さいので、ダイヤフラムを小さく、かつ応答時間を速めることができる。
・管の材料が異なる毎に異なる（測定）範囲に最適化できる。
・非常に高圧の装置を作ることができる。
・小さなサイズ、低コスト、および低消費電力

差圧は、ゲージ圧を感知するように構成された二つのセンサを用いて測定される。低い側は一方のセンサに接続され、高い側は他方のセンサに接続される。電子機器は単に二つの周波数を比較する。

図２２Ａおよび２２Ｂは差圧を感知するように構成されたセンサの実施形態を示す。図２２Ａには、オリフィス板４８２を含む管４８０の断面が示されている。オリフィス板４８２は、差圧とオリフィス板を横切る流れを作る。この差圧は流速に関連する。図２２Ｂには、差圧センサ４８４が示されている。センサ４８４は、圧力Ｐ１に結合された第１の管４８６と圧力Ｐ２に結合された第２の管４８８を含む。シール４９０は管４８６と４８８を隔てている。水晶感知要素４９２は管４８６に結合し、水晶感知要素４９４は管４８８に結合している。センサ４９２と４９４とは、上記した技術に従って作動する。差圧は圧力Ｐ１とＰ２の間を変化するので、センサ４９２と４９４からの出力は、それに従って変化するであろう。二つの出力間の差は差圧（Ｐ１−Ｐ２）に関連している。図２２Ａおよび２２Ｂに示される構成では、管４８６と４８８はプロセス流体に直接結合するように形成されている。他の実施形態では、隔離ダイヤフラムが充填流体と一緒に作動される。

他の設計的構成では、第２の変形センサは第２の充填管に適用されることができる。そのような構成を用いると、二重チェックを行うことができ、そこでは二つの変形センサからの出力が比較される。同様に、差圧は、変形センサの一方に関連する圧力を他方の変形センサに関連する圧力から引くことにより得ることができる。ここで説明された変形センサは細管の充填管部分と結合させるように図示されているが、センサは細管の適当な領域に設置されても良く、この構成には限定されない。他の実施形態の構成では、駆動コイルは一方の細管と結合され、一方センサコイルは他方の細管と結合される。そのような構成では、ライン圧力は差圧と同様に、振動周波数に加えてデューティサイクルを監視することにより得られることができる。例えば、ニッケル−スパン、合金５２、ニッケル−鉄合金などを含む、磁歪効果を示す特定の材料を用いることができる。好ましくは、発振器は、正帰還発振器として構成されている。

図２３は、差圧とライン圧力の両方を測定するように構成された圧力測定システム５００の側面断面図である。図２３の構成を用いると、差圧センサ５０２は、充填管５０８と５１０を通ってプロセス流体に結合される。付加された圧力センサ５０４と５０６とは、個々のライン圧力ＬＰ１とＬＰ２を測定するように構成されている。これらの付加されたセンサは、また二つのセンサ出力間の差に基づいて差圧を測定するのに使用される。センサ５０４と５０６により測定される差圧は、差圧センサ５０２の動作を検証するために用いられることができる。他の実施形態では、センサ５０４と５０６は、圧力値が圧力センサ５０２の測定範囲外となるときの差圧を測定するのに使用される。上述したような絶対圧力センサはいかなるタイプでも、センサ５０４と５０６を実施するのに用いられることができる。

図２４は、他の実施形態に従う圧力測定システムの断面図である。図２４では、要素５２０と５２２とは、上記したような個々のライン圧力センサから構成することができる。他の実施形態では、圧力管５０８と５１０とは、磁歪特性を示す金属から構成され、要素５２０は駆動コイルから構成することができ、一方要素５２２はセンサコイルから構成することができる。そのような構成では、全体の差圧センサ５０２により、上記した技術を用いて振動させることができ、センサコイル５２２により感知される共振周波数は差圧の関数になるであろう。これは、二重の差圧測定を提供するのに用いられることができる。

本発明は、好ましい実施形態に従って説明されたが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに変形されることができることを認識するであろう。ここに用いられているように、ライン圧力は、絶対及びゲージ圧の両方を意味している。

１４８・・・差圧センサ、１５２，１５４・・・隔離ダイヤフラム、１５６，１５８・・・細管、１６０，１６２・・・直線部分、１７０・・・変形センサ、１９０，２０２・・・駆動コイル、１９２・・・感知コイル、１９４・・・ノードストップ、２００・・・ピックアップコイル、３１０・・・ブルドン管。

Claims (31)

1. 第１のポートと第２のポートを有し、該第１及び第２のポート間の差圧に関連する出力を提供する差圧センサと、
   前記第１のポートを第１のプロセス圧に結合するように構成された第１の細管と、
   前記第２のポートを第２のプロセス圧に結合するように構成された第２の細管と、
   前記第１の細管に充填流体を充填するために用いられる第１の充填管と、
   前記第２の細管に充填流体を充填するために用いられる第２の充填管と、
   前記第１および第２の充填管の少なくとも一方に接続された変形圧力センサとを具備し、
   前記変形圧力センサは、前記充填管中の充填流体の圧力を該充填管の物理的特性の変化の関数として測定するように構成された圧力センサ。
2. 前記物理的特性が、前記第１の充填管の変形からなる請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記物理的特性が、前記第１の充填管の剛性からなる請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記変形圧力センサが、前記第１の充填管の磁気特性を測定する請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記変形圧力センサが、第１の充填管中の振動を測定するように構成されている請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記振動の周波数が、ライン圧力に関連している請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記磁気特性の関数として共振するように構成されている回路を含む請求項４に記載の圧力センサ。
8. 所望の周波数で駆動され、かつ前記充填管中に磁束を誘起するように構成された駆動コイルと、感知コイルとを含む請求項４に記載の圧力センサ。
9. 前記充填管が、磁歪効果により機械的に共振し、印加されたプロセス圧力に関連する周波数で共振するように構成されている請求項４に記載の圧力センサ。
10. 前記充填管中に、振動を反射するように構成されたノードストップを含む請求項８に記載の圧力センサ。
11. 前記充填管に隣接して配置され、バイアス磁場を印加するように構成されたバイアス磁石を含む請求項４に記載の圧力センサ。
12. 前記回路が、さらに磁気特性の関数として前記充填管の温度を測定するように構成されている請求項７に記載の圧力センサ。
13. 前記磁気特性が、透磁率からなる請求項４に記載の圧力センサ。
14. 前記充填管の透磁率の変化が、印加されたプロセス圧力に基づく歪みの関数である請求項１３に記載の圧力センサ。
15. 前記回路が、印加されたＡＣ磁場に起因して発生されるＢ場を感知するように構成されている請求項７に記載の圧力センサ。
16. 前記回路が、さらに透磁率特性に基づいてある周波数で発振するように構成されている請求項１５に記載の圧力センサ。
17. 前記第１および第２の充填管の他方に接続された第２の変形圧力センサを含む請求項１に記載の圧力センサ。
18. 前記第１および第２の充填管に接続された変形圧力センサからの出力に基づいて差圧を測定するように構成された測定回路を含む請求項１７に記載の圧力センサ。
19. 前記第１の充填管が、ブルドン(Bourdon)管として構成されている請求項１に記載の圧力センサ。
20. 前記変形圧力センサが、前記第１の充填管に結合されるストレイン(strain)ゲージからなる請求項１に記載の圧力センサ。
21. 前記変形圧力センサが、ライン圧力の関数として変化する容量を有するように構成されたコンデンサからなる請求項１に記載の圧力センサ。
22. 前記変形圧力センサが、さらに前記第１の充填管の物理的特性の変化の関数として温度を測定するように構成されている請求項１に記載の圧力センサ。
23. 前記変形圧力センサが、水晶要素からなる請求項１に記載の圧力センサ。
24. 産業プロセス中の圧力を測定する方法であって、
    第１のプロセス圧力を測定するために第１の細管をプロセスに結合することと、
    第２のプロセス圧力を測定するために第２の細管をプロセスに結合することと、
    充填流体を充填するための第１の充填管を前記第１の細管に結合することと、
    充填流体を充填するための第２の充填管を前記第２の細管に結合することと、
    変形圧力センサを前記第１および第２の充填管の少なくとも一方に接続することと、
    前記変形圧力センサを用いて前記充填管の物理的特性の変化を検知することによりプロセス流体のライン圧力を測定することとからなる測定方法。
25. 前記物理的特性が、前記第１の充填管の変形である請求項２４に記載の測定方法。
26. 前記物理的特性が、前記第１の充填管の剛性である請求項２４に記載の測定方法。
27. ライン圧力を測定することが、前記第１の充填管の磁気特性を測定することである請求項２４に記載の測定方法。
28. 所望の周波数で駆動され、前記充填管の本体中に磁束を誘起するように構成された駆動コイルを提供することを含む請求項２７に記載の測定方法。
29. 前記充填管が、磁歪効果により、印加されたプロセス圧力の関数として機械的に共振するように構成されている請求項２７に記載の測定方法。
30. ライン圧力を測定することが、前記第１の充填管の振動を測定することである請求項２９に記載の測定方法。
31. 前記充填管中の振動を反射するように構成されたノードストップを含む請求項３０に記載の測定方法。