JP5511804B2 - プロセス圧力測定用の改善されたアイソレーション・システム - Google Patents

Description

背景
工業用プロセス圧力トランスミッタを用いて、工業用プロセス流体、たとえばスラリー、液体、化学物質中の蒸気又はガス、パルプ、石油、ガス、薬剤、食品、及び／又は他の流体処理プラントの圧力を測定する。工業用プロセス流体圧力トランスミッタは、多くの場合プロセス流体付近に、又はフィールド・アプリケーション内に配置される。多くの場合、これらのフィールド・アプリケーションは過酷で変動する環境状態にさらされ、そのようなトランスミッタの設計者に課題を与える。

多くのプロセス流体圧力トランスミッタの感知エレメントは、多くの場合静電容量ベースのセンサであり、可撓性の感知ダイヤフラムと、２以上の静電容量の電極とを含む。絶縁性の封入液は、多くの場合静電容量プレートとダイヤフラムとの間で用いられる。一般的に、アイソレーション・ダイヤフラムは、プロセス流体と連係し、時として粗かったり、腐食性であったり、汚れていたり、汚染されていたり、又は極度に上昇した温度であったりする可能性のあるプロセス流体が、センサ部品と接触することを防止する。一般的に、プロセス流体は、アイソレーション・ダイヤフラムに抵抗するように作用し、アイソレーション・ダイヤフラムに撓みを生じさせ、ダイヤフラムの後ろの封入液を動かすかあるいは押しのけ、それに応じて封入液はその後、圧力センサの感知ダイヤフラムを動かすかあるいは押しのける。圧力センサは、電気特性、たとえば静電容量を有し、これは印加圧力によって変化し、電気特性は、プロセス流体圧力トランスミッタ内部の測定回路によって測定されるかあるいは判定され、プロセス流体圧力に関連する出力信号が生成される。この出力信号は、既知の工業規格の通信プロトコルに従ってさらにフォーマットされ、プロセス通信ループを介して他のフィールド装置又はコントローラに送信される。

プロセス流体圧力トランスミッタの最新技術が進歩するに従い、感知技術及び正確さが改善されてきた。しかし、そのような装置の製造者には、依然としてより厳しい精度及び正確さを備える装置を提供することが求められている。したがって、改善された正確さ及び精度を備えるプロセス流体圧力トランスミッタを提供することは、工業用プロセス測定及び制御技術の利益となるであろう。

プロセス流体圧力トランスミッタは、圧力センサと、トランスミッタ電子機器と、アイソレーション・システムとを含む。圧力センサは、圧力によって変化する電気的特性を有する。トランスミッタ電子機器は、圧力センサに結合され、電気的特性を感知して圧力の出力を計算する。アイソレーション・システムは、ベース部材と、アイソレーション・ダイヤフラムと、封入液とを含む。アイソレーション・ダイヤフラムは、ベース部材に装着され、圧力センサとプロセス流体との間に介在する。封入液は、アイソレーション・ダイヤフラムと圧力センサとの間に配設される。ベース部材及びアイソレーション・ダイヤフラムは、アイソレーション・ダイヤフラムの熱膨張係数が、ベース部材の熱膨張係数よりも大きくなるような異なる材料から構成される。

本発明の実施形態が特に適用可能であるプロセス流体圧力トランスミッタの線図である。 アイソレーション・システムの一部の線図である。 温度上昇に対するアイソレーション・システムの反応を図示する。 従来技術の、アイソレータ体積対アイソレーション・ダイヤフラム圧力のグラフである。 本発明の一実施形態の、アイソレータ体積対アイソレーション・ダイヤフラム圧力のグラフである。 本発明の実施形態を実践することができるプロセス流体の圧力の測定システムの線図である。 図４のセクション線Ａ−Ａで切られた断面図であり、アイソレーション・ダイヤフラム及びベース部材を図示する。

詳細な説明
本発明のいくつかの態様及び実施形態は、全体として、アイソレータ・システム設計の技術に支障を来たしてきた問題を一意的に認識することに起因する。具体的には、高温の工業用流体、たとえば、スチームを測定する工業用プロセス流体圧力トランスミッタは、多くの場合「安定状態」下及び過渡状態下の両方でより高い誤差を呈する。これらの測定誤差は、シングル・ダイヤフラム・アイソレータを用いて、ゲージ圧力、又は絶対圧力を測定するプロセス流体圧力測定トランスミッタによく見られる。加えて、これらの測定誤差は、リモート・シール（ダイヤフラム組立体）・システム、そして差圧測定システムにも存在する。

シングル・アイソレータ・ゲージ圧力又は絶対圧力トランスミッタで非常に高温のプロセス流体を測定する場合、電子機器及び温度補償式センサは、多くの場合可撓性の金属プロセス流体アイソレーション・ダイヤフラムから離れて設置される。このことは、通常の工業用電子機器が耐えることができる程度を実質的に上回るプロセス流体温度（すなわち、華氏１８５度）で測定する場合に、特に当てはまる。これらの設備では、高温のプロセスが、アイソレーション流体（たとえばシリコーン油又はＤＣ２００）及びアイソレータ・ダイヤフラムを、非常に急速に加熱する。封入液が膨張し、アイソレータ・ダイヤフラムを拡張させて、アイソレータ・ダイヤフラムが背圧（容積のばねとして作用する）を生じさせる。圧力センサは、この状態を誤差として測定する。この温度により誘発された誤差は、熱過渡システムの「周囲」の温度補正する測定システムでは完全には補償されない。

プロセス流体圧力トランスミッタの構成に依存して、上記の誤差は、システムが熱的安定状態に達した場合であっても存続する可能性がある。このことは、絶対圧力又はゲージ圧力の測定トランスミッタのケースに、シングル・アイソレータのリモート・シールが取り付けられている場合、往々にして発生する。高温のプロセスからの熱的アイソレーション（毛管の有無にかかわらず）を目的として、リモート・シールを付加することは、実質的な測定誤差を招く場合がある。

上述の誤差は、主にゼロベースの測定誤差である。しかし、スパン（スロープ）もまた影響を受ける可能性がある。誤差が主にゼロベースであるため、より低い圧力測定は最も脆弱である。これらの誤差はまた、油又は封入液の体積及びダイヤフラムの剛性によって増大する。アイソレーション・ダイヤフラム剛性は、直径が小さくなるに従って増大するため、より小さなアイソレーション・ダイヤフラムは、より大きな誤差を生じる傾向にある。この誤差に対処するために、高温のリモート・シールについては、多くの場合大きなアイソレーション・ダイヤフラムが用いられる。

図１Ａは、本発明の実施形態が特に適用可能であるプロセス流体圧力トランスミッタの線図である。トランスミッタ１０は、ねじ山が形成された入口を受けてプロセス流体を運び込むように構成されたプロセス流体ポート１２を含む。また、トランスミッタ１０はアイソレーション・システム１４を含み、これは図１Ｂにより詳細に図示されている。アイソレーション・システム１４は、ポート１２に存在するプロセス流体と直接接触するように構成され、図１Ａに仮想線で図示される圧力センサ１６に圧力を伝える封入液、たとえばシリコーン油、又はＭｉｄｌａｎｄ， ＭｉｃｈｉｇａｎのＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｏｒａｔｉｏｎより入手可能なＤＣ２００に圧力を与える。圧力センサ１６は、トランスミッタ電子機器１８によって感知される電気信号又は特性を生成する。また、トランスミッタ電子機器１８は、センサ信号に基づいてプロセス流体圧力を演算して、ワイヤ２０として概略的に図示されるプロセス通信ループを経由して、演算されたプロセス流体圧力を送信するようにさらに構成される。

プロセス流体圧力トランスミッタ１０は、入口が１つのプロセス流体圧力トランスミッタ、たとえばゲージ圧力又は絶対圧力トランスミッタの一例である。他の代表的なプロセス流体圧力トランスミッタで、本発明の実施形態が特に有用なものは、差圧トランスミッタを含む。本質的に、アイソレーション・システムを用い、封入液を用いて圧力センサからプロセス流体を物理的に隔離するときはいつでも、本発明の実施形態を実践することができる。このように、リモート・シールの用途であっても、本発明の実施形態を実践することができる。

図１Ｂは、アイソレーション・システム１４の線図である。アイソレーション・システム１４は、支持ベース部材３０を含み、これは好ましくは円筒形であり、約３／４インチの直径を有する。支持ベース部材３０の構造向けの一般的な材料は、タイプ３１６ステンレス鋼である。アイソレータ・ダイヤフラム３２は、好ましくは円形であり、周縁３４の周辺で支持ベース部材３０に溶接される。アイソレータ・ダイヤフラム３２は、一般的に少なくとも１つの回旋部３６を含み、一般的には厚さおよそ１０００分の１インチ（０．００１”）である。さらに、アイソレータ・ダイヤフラム３２は、一般的に支持ベース部材３０と同じ材料で形成される。したがって、一般的に、アイソレータ・ダイヤフラム３２もまた、タイプ３１６ステンレス鋼で構成される。図１Ｂに図示されるように、プロセス流体は、アイソレータ・ダイヤフラム３２の外表面に対して当接し、アイソレーション・ダイヤフラム３２の後ろ及び通路４０内部で、封入液３８に圧力が伝えられる。通路４０は、圧力センサ１６まで延び、ここで封入液３８の圧力がセンサ１６によって測定される。

図２は、上昇温度に対するアイソレータ・システムの反応を図示する。具体的には、温度が上がると、支持ベース部材及びアイソレータ・ダイヤフラムの両方の直径が、各自の熱膨張係数に従って増大する。加えて、アイソレータ・ダイヤフラムに近接した封入液もまた、薄い金属ダイヤフラムを通したコンダクタンスを介して、上昇した温度にさらされ、膨張する。したがって、温度が上がると、ダイヤフラムは、図の実線５０から図の仮想線５２に移動する。理解できるように、ダイヤフラムが高温のプロセス流体にさらされると、封入液が膨張してダイヤフラムを拡張させる。これによって背圧の増大が生じ、アイソレータ剛性グラフ（図３Ａ）に示されるように、第１の温度から、上昇した第２の温度まで移動する。温度が上がり続けた場合、ダイヤフラムに半径方向の張力が強まり、背圧を増大させる。最終的に、ダイヤフラムは、変形限度を超えると永久的に変形する可能性がある。温度上昇時のアイソレーション・ダイヤフラム剛性が事実上同じなのは、アイソレータが、アイソレータとほぼ同じ熱膨張率のベース部材材料上に装着されているためである。

本発明の実施形態は、概略的に、封入液のいくらかの熱膨張が、アイソレータ・ダイヤフラムの張力の減少によって平衡されるシステムを作り出す。本システムが実施されることができる１つの方法は、アイソレーション・ダイヤフラム及び支持／ベース部材の選択を、支持／ベース部材よりも、その周縁が取り付けられるアイソレータ・ダイヤフラムのほうが高い熱膨張係数を有するようにすることである。このように、温度が上がると、アイソレーション・ダイヤフラムは、取り付けられるベース部材に対して相対的に成長する。この熱的に誘発された成長は、アイソレーション・ダイヤフラムの張力の減少を生じさせて、封入液の熱膨張を相殺する。

図３Ａは、従来技術の、アイソレータ体積対アイソレーション・ダイヤフラム圧力のグラフである。温度が標準状態から上昇状態に変化するに従い、アイソレーション流体の体積が変化する。加えて、アイソレーション・ダイヤフラムの剛性は固定されたままである。したがって、圧力誤差６０が生じる。

図３Ｂは、本発明の実施形態の、アイソレータ体積対アイソレーション・ダイヤフラム圧力のグラフである。見て分かるように、図３Ａとは対照的に、温度が標準温度から上昇温度に変化するに従い、アイソレーション・ダイヤフラムの剛性が実線から仮想線に変化する。加えて、アイソレーション流体の体積が変化するに従い、アイソレーション・ダイヤフラム両側の圧力は同じままで留まるため、熱的に誘発された圧力誤差がない。したがって、適正に設計された場合、アイソレーション・ダイヤフラムは、上昇温度によってベース部材よりも早く膨張する。このことは、膨張する封入液によって強められた張力を効果的に緩和する。適正な設計によって、正味の効果は、あらゆる熱的に誘発されたアイソレーション・システム誤差を実質的に低減させるか又は取り除くことができるものになると考えられる。

本発明の１つの実施形態では、特定の材料例が提供される。理解できるように、ベース部材材料、アイソレーション・ダイヤフラム材料、及びアイソレーション・ダイヤフラムのサイズならびに構造の選択は、多様にすることができる。本ケースでは、アイソレーション・ダイヤフラムは、タイプ３１６ステンレス鋼製である。この材料は、１７×１０^−６／℃の割合で膨張する。しかし、ベース部材材料は、タイプ４００シリーズのステンレス鋼であるように選択される。ベース部材材料は、１１×１０^−６／℃で膨張する。高温誤差は、現状の１０倍まで低減させることができる。本例は６×１０^−６／℃の差のみを示しているが、他の用途では、熱膨張係数の間でより著しい差が必要とされる場合がある。

図４は、本発明の実施形態を実践することができるプロセス流体圧力測定システムの線図である。システム１００は、各自の毛管線１０８、１１０を通して一対のリモート・シール１０４、１０６に結合された、差圧プロセス流体圧力トランスミッタ１０２を含む。各リモート・シール１０４、１０６は、フランジ１１２を介してプロセス流体容器、たとえばパイプ又はタンクに装着されるように構成される。加えて、各リモート・シールは、プロセス流体に接触するように構成されたアイソレーション・ダイヤフラム１１４を含む。差圧プロセス流体圧力トランスミッタ１０２は、リモート・シール１０４、１０６のそれぞれによって観察された圧力間の圧力差を測定し、プロセス通信ループを経由してプロセス変数出力、たとえばタンク内の流体レベルを提供するように構成される。理解できるように、リモート・シール１０４、１０６がタンク上の異なる垂直レベルに装着される場合、圧力差は、流体力学の圧力の差に関連し、従ってタンク内のプロセス流体のレベルとなる。

図５は、図４のセクション線Ａ−Ａに沿って切られた断面図であり、アイソレーション・ダイヤフラム及びベース部材を図示している。リモート・シール１０４は、アイソレーション・ダイヤフラム１１２を取り囲むベース部材１１０を含む。好ましくは、ベース部材１１０及びアイソレーション・ダイヤフラム１１２の両方が円形である。さらに、ダイヤフラム１１２の周縁は、好ましくはベース部材１１０に溶接されている。封入液１１４は、アイソレーション・ダイヤフラム１１２の後ろに配設され、毛管１０８を通して、トランスミッタ１０２の差圧センサに圧力を伝える。本発明の実施形態では、アイソレーション・ダイヤフラム及びベース部材１１０は、異なる材料から構成され、ダイヤフラム１１２がベース部材１１０よりも高い温度で膨張するようにされる。

本発明の実施形態は、アイソレーション・アセンブリの熱的に誘発された誤差を低減させるか又は取り除くことによって、さらなる正確さを提供する。しかし、本発明の実施形態はまた、より高い温度のプロセスが測定されることも可能にする（封入液が高温に対応することを前提とする）。このように、プロセス流体の温度により、信頼できる程度に監視できなかったプロセス流体圧力は、現在ではより良好に監視及び制御され得る。

本発明の実施形態は、ダイヤフラム（感知又はアイソレーション）の近くで加熱された油が、システムに望ましくないように影響する可能性がある場合にはいつでも有用である。本発明の実施形態は、全システムあるいはその一部を加熱する周囲温度の上昇が見られる場合に、システムの他の部分、たとえば毛管から膨張する流体を、少なくとも部分的に受け入れるための膨張を可能にしている。システムの残りの部分は、多くの場合アイソレータの冷えている時の高さよりも多くの封入液を保持する。

別例として、３１６シリーズステンレス鋼で形成された直径．７５”のアイソレーション・ダイヤフラムを、４００シリーズステンレス鋼で形成されたベース部材とともに用いることができる。ＤＣ２００封入液は、初期レベル０．００８インチまで充填されることができる。このことは、およそ０．０００６２立方インチの初期アイソレータ体積をもたらす。摂氏１００度の温度上昇により、およそ０．００００６７２立方インチの体積増加を生じる。実際には、管内には油があり、センサシステムもまたアイソレータ内に膨張する必要があるが、これは油が逃げることができる唯一の場所であるためである。上記パラメータのすべてを考慮すると、計算から示されるのは、アイソレータとベース部材との間の膨張差に起因するアイソレータ体積増加は、およそ０．００１７５立方インチであるということである。したがって、本発明の実施形態は、センサ及び／又は毛管内部の油のかなり大幅な膨張を受け入れることができる。

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、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に変更がなされてもよいことが認識されよう。たとえば、本開示の大半がシングル・アイソレーション・ダイヤフラムの絶対又はゲージプロセス流体圧力トランスミッタに向けられているが、本発明の実施形態は、リモート・シール、そして差圧プロセス流体圧力トランスミッタに適用可能である。

Claims (7)

1. 圧力によって変化する電気的特性を有する圧力センサと、
   前記圧力センサに結合され、電気的特性を感知して圧力出力を計算するトランスミッタ電子機器と、
   毛管線を通じて前記圧力センサに圧力を伝えるリモート・シールとしてのアイソレーション・システムと、
   を含み、
   前記アイソレーション・システムが、
   円形のベース部材と、
   周縁部で前記ベース部材に装着され、前記圧力センサとプロセス流体との間に介在する円形のアイソレーション・ダイヤフラムと、
   前記アイソレーション・ダイヤフラムと前記圧力センサとの間に配設される封入液と、
   を含み、
   前記アイソレーション・ダイヤフラムが、前記周縁部から内側に隣接して、前記ベース部材に向かって隆起する１つの回旋部を有し、
   前記ベース部材が、前記アイソレーション・ダイヤフラムの前記回旋部を受けるように適合された窪みを有し、
   前記ベース部材及び前記アイソレーション・ダイヤフラムが、異なる材料から構成され、前記アイソレーション・ダイヤフラムの熱膨張係数が、前記ベース部材の熱膨張係数よりも大きい
   プロセス流体圧力トランスミッタ。
2. 前記熱膨張係数の差が、およそ６×１０^−６／℃である、請求項１記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
3. 前記アイソレーション・ダイヤフラムが、タイプ３１６ステンレス鋼から構成される、請求項１記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
4. 前記ベース部材が、タイプ４００ステンレス鋼から構成される、請求項３記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
5. 前記封入液がＤＣ２００である、請求項１記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
6. 前記プロセス流体圧力トランスミッタが、絶対プロセス流体圧力トランスミッタである、請求項１記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
7. 前記プロセス流体圧力トランスミッタが、ゲージプロセス流体圧力トランスミッタである、請求項１記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。

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