JP5838514B2 - 圧力トランスミッタのためのナノ粒子改質充填流体 - Google Patents

Description

本発明は、工業用処理制御システムに使用される処理計器に一般的に関する。より詳細には、本発明は、圧力トランスミッタに使用される油圧充填流体に関する。

処理トランスミッタは、処理流体の処理変数を遠隔的にモニタするのに使用される。例えば、圧力トランスミッタは、石油化学製品又は水の圧力を感知するために化学処理の業界で広く使用されている。圧力トランスミッタは、処理圧力における物理的変化に応答して電気出力を発生するセンサ又は変換器を含む。例えば、容量型圧力変換器は、処理流体の圧力の変化に起因するキャパシタンスの変化に基づいて電気信号を生成する。センサの電気信号は、トランスミッタ回路によって処理され、処理流体の圧力の指示としてモニタすることができる電気出力が生成される。圧力トランスミッタはまた、制御室のような中央監視位置で制御ループ又はネットワークを通じて電気出力を遠隔的にモニタするか、又はＬＣＤ画面を用いるなどでローカルにモニタするかのいずれかのための電子機器及び回路も含む。

典型的な容量型圧力変換器は、処理流体圧力を容量型変換器に伝える簡単な油圧システムを含む。油圧システムは、正確なレベルの充填流体で満たされた油圧通路から成る。油圧通路の第１の端部には、充填流体を処理流体から分離するトランスミッタ隔離ダイアフラムが存在する。油圧通路の第２の端部には、圧力センサのための可変コンデンサプレートとして機能するセンサダイアフラムが存在する。充填流体は、典型的には、処理流体圧力をトランスミッタ隔離ダイアフラムからセンサダイアフラムまで伝達する油圧流体を含む。処理流体圧力が変動すると、処理流体は、油圧システムの第１の端部で、隔離ダイアフラムに対して対応する力を作用し、これは、充填流体を通じてセンサダイアフラムの位置を調節する。

更に、圧力トランスミッタを危険な測定環境から遠ざけるために、又は不都合な位置にある処理流体に圧力トランスミッタを連結するために、多くの場合に遠隔シールシステムが使用される。例えば、遠隔シールは、多くの場合に腐食性又は高温の処理流体と共に使用される。それらの状況では、油圧充填流体で満たされた毛細管を有する遠隔シールを使用して、圧力トランスミッタを安全に離して位置させながら圧力トランスミッタを処理流体に関連させることができる。圧力トランスミッタを処理流体に連結するために、毛細管は、数十メートル延ばすことができる。遠隔シールは、毛細管の第１の端部に、処理流体から充填流体を分離する隔離ダイアフラムを含む。毛細管の第２の端部は、トランスミッタの隔離ダイアフラムに連通している。非圧縮性の充填流体は、従って、処理流体の圧力変化を遠隔シール隔離ダイアフラムからトランスミッタ隔離ダイアフラムに移動させる。従って、圧力センサの電気出力は、油圧システム及び遠隔シールにおける油圧充填流体の容積及びキャパシタンスのような性質に直接に関連する。

処理トランスミッタ通路及び遠隔シール毛細管は、工場で正確な量の油圧充填流体で満たされ、次に、密封される。システム性能は、充填流体の正確なレベルに相関し、温度変動に伴って低下する。例えば、圧力トランスミッタは、高温環境で頻繁に使用される。そのような環境で作動する充填流体は、様々な隔離ダイアフラムに対して力を加える熱膨張を受け、それは、圧力センサに「背圧」を読み取らせ、従って、処理流体からの正確な圧力読取値の取得を妨げる。更に、容量型圧力センサのキャパシタンスは、センサのコンデンサプレート間の油圧充填流体の存在によって影響を受ける。従って、改良された作動特性及び品質を有する油圧充填流体に対する必要性が存在する。

本発明は、処理流体の圧力を測定するための圧力トランスミッタに関する。圧力トランスミッタは、圧力センサ、油圧中継システム、及び圧力センサ充填流体を含む。圧力センサは、処理流体の圧力を感知し、油圧中継システムは、処理流体と圧力センサの間の伝達チャンネルを提供する。油圧中継システムにおける圧力センサ充填流体は、第１の油圧流体及び第１の容積のナノ粒子を含む。第１の油圧流体は、処理流体の圧力の変化をセンサに伝達する。第１の容積のナノ粒子は、第１の油圧流体内に懸濁され、圧力センサ充填流体の特性を変更する。

本発明の充填流体が使用される遠隔シールを有する圧力トランスミッタを含む処理制御システムを示す図である。 差圧測定のために構成された容量型圧力センサを含む図１の圧力トランスミッタの概略側面図である。

図１は、圧力トランスミッタ１２と、制御室１４と、遠隔シールシステム１４と、処理容器１６とを含む処理制御システム１０を示している。圧力トランスミッタ１２は、処理容器１６に収容された処理流体１８の圧力レベルを遠隔シールシステム１４を通じて感知し、次に、制御ループ２２を通じて制御室１４に圧力信号を中継する。また、制御室１４は、制御ループ２２上で電源２４からトランスミッタ１２に電力を供給する。また、制御ループ２２は、通信システム２６が制御室１４からトランスミッタ１２にデータを送信し、トランスミッタ１２からデータを受信することを可能にする。

圧力トランスミッタ１２は、トランスミッタ回路２８及びセンサ３０を含む。センサ３０は、遠隔シール隔離ダイアフラム３２Ａ及び３２Ｂと、毛細管３４Ａ及び３４Ｂと、遠隔シール３６Ａ及び３６Ｂとを含む遠隔シールシステム１５を通じて処理流体１８と油圧的に接続される。圧力トランスミッタ１２は、圧力センサによって発生した電気信号を制御ループ２２上で制御室１４又はＬＣＤ画面のようなローカルディスプレイ又は両方に送信するための構成要素も含む。一実施形態では、制御ループ２２及び通信システム２６は、Ｆｉｅｌｄｂｕｓのようなデジタルネットワークプロトコル上で作動する。センサ３０及びトランスミッタ１２から受信したデータに基づいて、制御室１４は、制御ループ２２又は別の制御ループのいずれかを通じて処理パラメータを調節することができる。例えば、制御室１４は、適切なバルブを調節することによって容器１６への処理流体１８の流量を調節することができる。

処理流体１８の圧力を圧力センサ３０に伝達するために、トランスミッタ１２は、油圧中継システム３８を用いて構成され、遠隔シールシステム１５に接続される。中継システム３８は、その第１の端部でトランスミッタ１２内の隔離ダイアフラムに連結され、その第２の端部でセンサ３０に連結された通路を含む。油圧中継システム３８には、第１の容積の特性変更ナノ粒子が懸濁された第１の油圧流体から成る第１の充填流体が供給される。毛細管３４Ａ及び３４Ｂは、トランスミッタ隔離ダイアフラムから遠隔シール３６Ａ及び３６Ｂのダイアフラム３２Ａ及び３２Ｂまで延び、そこで、それらは、容器１６の処理流体１８に接触する。毛細管３４Ａ及び３４Ｂは、第２の油圧流体と第２の容積の特性強化ナノ粒子とを含む第２の充填流体で満たされる。第２の油圧流体は、処理流体１８の圧力を容器１６からトランスミッタ１２に伝達し、一方で第１の油圧流体は、処理流体１８の圧力を中継システム３８を通じてセンサ３０に伝達する。第１及び第２の容積のナノ粒子の組成は、センサ３０又はトランスミッタ１２の性能に過度に影響を与えることなく、充填流体の性能を改善するように選択することができる。例えば、ナノ粒子は、トランスミッタ１２に性能に対する温度変化のような環境的変動の影響を低減するように選択することができる。他の実施形態では、ナノ粒子は、容量型圧力センサの誘電率を調節するように選択することができる。

図２は、各々が油圧流体とある一定の容積のナノ粒子とを含む第１及び第２の充填流体を有する処理トランスミッタ１２の実施形態を示している。処理トランスミッタ１２は、トランスミッタ回路２８、センサ３０、ハウジング４０、モジュール４２、基部４４、及びＬＣＤ４５を含む。センサ３０は、油圧中継システム３８の充填流体Ａ及び遠隔シールシステム１５（図１）の充填流体Ｂを通じて処理流体１８（図１）の圧力の物理的変化を感知する。ナノ粒子を含む充填流体は、遠隔シールシステムを有することなくトランスミッタに使用することができることが認められる。センサ３０は、トランスミッタ回路２８と電子的に通信している。回路２８は、センサ３０の出力を使用可能なフォーマットに調整し、それによって出力は、電子機器２８に接続したＬＣＤ４５でのローカルモニタリングのために、又は制御ループ２２（図１）を通じて制御室１４（図１）に中継される。他の実施形態では、トランスミッタ回路２８は、無線ネットワーク上で通信する。更に他の実施形態では、センサ３０の調整された出力は、圧力トランスミッタ１２に有線又は無線で連結された手持ち式デバイスによって読取可能である。

トランスミッタ１２は、中継システム３８及び処理フランジ４６を通じて毛細管３４Ａ及び３４Ｂに接続される。処理フランジ４６は、典型的には、トランスミッタ１２の基部４４にボルト締め又は他の方法で固定される。一実施形態では、フランジ１６は、ＣＯＰＬＡＮＡＲ（登録商標）処理フランジを含む。フランジ１６は、遠隔シールシステム１５の毛細管３４Ａ及び３４Ｂにそれぞれ接続されたチャンネル５０Ａ及び５０Ｂを含む。毛細管３４Ａ及び３４Ｂは、ねじ込みカプラのようなあらゆる連結システムを含むことができるカプラ４７Ａ及び４７Ｂを通じてフランジ４６に接続される。充填流体Ｂを通じて、チャンネル５０Ａ及び５０Ｂは、基部４４のダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂと流体連通する。充填流体Ａを通じて、ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂは、下側通路５４Ａ及び５４Ｂと上側通路５６Ａ及び５６Ｂとを含む中継システム３８を用いてセンサ３０と流体連通する。

モジュール４２及び基部４４は、典型的には、単一部分として成形及び機械加工され、モジュール４２は、センサ３０を保持するためのくり抜かれた空洞を本来的に含む。モジュール４２及び基部４４は、ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂがセンサ３０と伝達することを可能にするフレームワークを一緒に提供し、かつトランスミッタ１２を遠隔シールシステム１５の毛細管３４Ａ及び３４Ｂに接続するための中継システム３８を提供する。下側通路５４Ａ及び５４Ｂは、典型的には、取付基部４４に機械加工された狭いチャンネルを含む。上側通路５６Ａ及び５６Ｂは、典型的には、下側通路５４Ａ及び５４Ｂの開口部で基部４４に溶接されたステンレス鋼配管のセグメントを含む。上側及び下側通路は、直列に、基部４４の底面からセンサダイアフラム５８まで通して延び、センサ３０の到達範囲をダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂまで拡張する密封チャンネルを提供する。通路５４Ａ及び５４Ｂは、下端でそれぞれダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂによって密封され、上端で通路５６Ａ及び５６Ｂの下端に接合される。通路５４Ａ及び５４Ｂの上端は、次に、センサ３０のコンデンサプレート６０Ａ及び６０Ｂに接合される。

中継システム３８は、圧力センサ３０が処理流体１８と接触することを可能にする。遠隔シールシステム１５は、中継システム３８がトランスミッタ１２の境界を超えて延びることを可能にする。そのようにするために、第１の充填流体Ａ及び第２の充填流体Ｂを処理制御システム１０内に導入することが必要であり、その各々が、システムに潜在的誤差の別の原因を持ち込む。通路５４Ａ及び５４Ｂと５６Ａ及び５６Ｂは、第１の充填流体で満たされる。従って、ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂは、センサ３０のダイアフラム５８に油圧的に接続される。ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂは、毛細管３４Ａ及び３４Ｂを通じて、処理流体１８に接続された遠隔シール３６Ａ及び３６Ｂ（図１）に油圧的に接続される。毛細管３４Ａ及び３４Ｂは、第２の充填流体Ｂで満たされる。従って、処理流体１８は、毛細管３４Ａ及び３４Ｂに存在する第２の充填流体Ｂ、並びに通路５４Ａ、５４Ｂ、５６Ａ、及び５６Ｂに存在する第１の充填流体Ａを通じてセンサ３０に流体的に接続される。

第１の充填流体Ａ及び第２の充填流体Ｂの各々は、圧力伝達油圧流体及びある一定の容積のナノ粒子から成る。第１の充填流体Ａは、第１の油圧流体及び第１の容積のナノ粒子から成る。第２の充填流体Ｂは、第２の油圧流体及び第２の容積のナノ粒子から成る。第１の油圧流体及び第２の油圧流体は、当業技術で公知のいずれかの適切な油圧流体とすることができる。こうした油圧充填流体は、典型的には、不活性、安定、かつ実質的に非圧縮性である。更に、油圧流体は、それらをキャパシタンスベースの圧力センサ内での使用に適切にする誘電特性を有する。様々な実施形態では、第１及び第２の油圧流体は、米国ミシガン州ミッドランド所在の「Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」から市販されている「ＤＣ ２００（登録商標）」、「ＤＣ ７０４（登録商標）」、又は「Ｓｙｌｔｈｅｒｍ ＸＬＴ（登録商標）」シリコーン油から成る。他の実施形態では、米国ニュージャージー州リバーエッジ所在の「Ｈａｌｏｃａｒｂｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」が提供しているＨａｌｏｃａｒｂｏｎ（登録商標）、米国イリノイ州ノースフィールド所在の「Ｓｔｅｐａｎ Ｃｏｍｐａｎｙ」が提供している「Ｎｅｏｂｅｅ（登録商標）Ｍ−２００」、グリセリン及び水、ピーナッツ油又はプロピレングリコールのような類似した流体を使用することができる。本発明の他の実施形態では、第１の充填流体Ａ及び第２の充填流体Ｂは、付加的な添加物で補充することができる。例えば、必要に応じて、漏れ検出及び防止添加物を充填流体組成に含めることができる。

充填流体Ａ及び充填流体Ｂの温度感応性から特定の誤差が生じる。一般的に、圧力トランスミッタは、工場で電子的に較正され、それによって圧力センサは、例えば、約２５℃である室温で圧力ゼロを測定するように設定される。代替的に、トランスミッタ１２の較正は、トランスミッタが設けられた後に手動的にリセットすることができる。しかし、これは、時間を消費し、処理制御システム１０の日常の作動中に発生する温度変動を考慮しない。例えば、充填流体Ａ及び充填流体Ｂは、極度に暑い日に影響を受ける可能性がある。また、遠隔シールシステム１５は、いかなる較正調節機構も含まない。トランスミッタ１２の作動温度の変化は、センサ３０の出力において無視できない誤差を生じる場合がある。高い熱膨張率を有する油圧流体は、加熱されると容積が膨張する。具体的には、第１及び第２の油圧流体は、トランスミッタ１２及び遠隔シールシステム１５の作動環境に基づいて様々な程度の熱膨張を受ける。容器１６は、極度に熱い環境で作動している可能性があり、そのために遠隔シール３６Ａ及び３６Ｂがトランスミッタ１２を遠ざけるために使用される。従って、第２の充填流体Ｂは、それが遠隔シール３６Ａ及び３６Ｂからトランスミッタ１２に延びるのに従って、付随する熱膨張と共に特定の温度勾配を示す。同様な状況において、トランスミッタ１２及び遠隔シールシステム１５は、容器１６を有する１つの実施に使用することができ、次に、その後、異なる作動温度を有する別の容器に移動することができる。従って、各実施に対して、第１の充填流体Ａ及び第２の充填流体Ｂは、異なる程度の熱膨張を示す。

従って、遠隔シールシステム１５又はトランスミッタ１２が、それが較正された温度よりも高い温度を有する環境に置かれると、油圧流体は、膨張して隔離ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂ、並びに遠隔シール３６Ａ及び３６Ｂの隔離ダイアフラム３２Ａ及び３２Ｂを歪める。従って、圧力センサ３０は、圧力読取値の１０％までの誤差を生じさせる可能性がある「背圧」を示す。これは、圧力トランスミッタの目的が、作動環境温度の変更ではなく処理流体の圧力の変化を測定することであるので、望ましくない誤差である。従って、第１の充填流体Ａ及び第２の充填流体Ｂには、それぞれの油圧流体の熱膨張率の影響を低減するためにそれぞれの容積のナノ粒子が備えられる。一実施形態では、油圧流体よりも低い熱膨張係数を有するナノ粒子添加物を使用し、充填流体の熱膨張による誤差は、圧力読取値の約１％まで低減される。

処理流体１８は、容器１６の上部近くで隔離ダイアフラム３２Ａに力を加える付随圧力Ｐ１を有する。処理流体１８はまた、隔離ダイアフラム３２Ｂに力を加える容器１６の底部近くの付随圧力Ｐ２も有する。Ｐ１は、毛細管３４Ａ内の圧力が圧力Ｐ１に等しいように、隔離ダイアフラム３２Ａから毛細管３４Ａの第２の充填流体Ｂによってトランスミッタ１２の隔離ダイアフラム５２Ａに伝達される。同様に、Ｐ２は、毛細管３４Ｂ内の圧力が圧力Ｐ２に等しいように、隔離ダイアフラム３２Ｂから毛細管３４Ｂの第２の充填流体Ｂによってトランスミッタ１２の隔離ダイアフラム５２Ｂに伝達される。Ｐ１及びＰ２に付随する力は、通路５４Ａ及び５４Ｂ内の圧力が圧力Ｐ１及びＰ２にそれぞれ等しいように、隔離ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂから第１の充填流体Ａによってセンサダイアフラム５８に伝達される。従って、圧力差Ｐ１−Ｐ２が、圧力ダイアフラム５８にわたって生成される。

処理制御システム１０を取り囲む周囲温度が上昇すると、第１の充填流体Ａの第１の油圧流体及び第２の充填流体Ｂの第２の油圧流体は、それらのそれぞれの熱膨張に対応する割合で容積が膨張する。従って、通路５４Ａ及び通路５６Ａ内の充填流体Ａは、センサダイアフラム５８及び隔離ダイアフラム５２Ａを歪め、毛細管３４Ａ内の充填流体Ｂは、隔離ダイアフラム５２Ａ及び隔離ダイアフラム３２Ａを歪める。同様に、通路５４Ｂ及び通路５６Ｂ内の充填流体Ａは、センサダイアフラム５８及び隔離ダイアフラム５２Ｂを歪め、毛細管３４Ｂ内の充填流体Ｂは、隔離ダイアフラム５２Ｂ及び隔離ダイアフラム３２Ｂを歪める。ダイアフラム５２Ａ及び５２Ｂ、３２Ａ及び３２Ｂ、及びセンサダイアフラム５８は、通路５４Ａ−５６Ｂと毛細管３４Ａ及び３４Ｂとに対して内向き又は外向きのいずれかに曲がることができるバネ類似要素である。従って、遠隔シールシステム１５及び中継システム３８内部に充填流体Ａ及びＢの堆積膨張がどのように加算されるかに基づいて、圧力センサ３０は、圧力Ｐ１−Ｐ２±Ｘ（式中Ｘは、センサダイアフラム５８への正味の体積膨張圧力の影響を表す）を感知することができる。

充填流体Ａ及びＢの体積膨張の量は、通路５４Ａ−５６Ｂと毛細管３４Ａ及び３４Ｂとの幾何学的形状と、充填流体Ａ及びＢの体積と、充填流体Ａ及びＢの熱膨張係数とを含むいくつかの変数に依存する。通路５４Ａ−５６Ｂと毛細管３４Ａ及び３４Ｂとは、一般的に長く、細く、かつ剛性であるので、充填流体Ａ及びＢは、ダイアフラム３２Ａ及び３２Ｂ、５２Ａ及び５２Ｂ、及び５８の方向に膨張すべきである。従って、充填流体Ａ及びＢの僅かな膨張であっても、センサ３０によって検出可能なダイアフラムの歪みをもたらす。この充填流体は、それらを圧力トランスミッタ及び容量型圧力センサにおいて機能するのに都合よくする特定の機械的及び電気的特性を有するので、より低い熱膨張係数を有する充填流体と交換することは実行不可能である。すなわち、この膨張は、充填流体Ａ及びＢよりも低い熱膨張係数を有するナノ粒子を添加することによって補償することができ、充填流体Ａ及びＢの全体の容積が、それらの望ましい機械的及び電気的性質を変更することなく低減される。

ナノ粒子は、それらが第１及び第２の油圧流体の機能を妨害しないので、容易に添加される。ナノ粒子は、油圧流体内に懸濁され、かつそのような状態に留まることになるほど十分に細かい。ナノ粒子は、油圧流体から分離して沈殿せず、かつその中にナノ粒子が分散される通路及び毛細管に沿って堆積しないことになる。また、ナノ粒子は不活性であり、それによってナノ粒子は油圧流体と反応せず、かつ油圧流体の特性を変化させないことになる。しかし、ナノ粒子は、油圧流体とナノ粒子容積との容積分配に比例する量で充填流体の全体の特性に寄与することになる。換言すれば、５０体積％の油圧流体と５０体積％のナノ粒子とを有する充填流体は、油圧流体及びナノ粒子の電気的及び機械的特性の平均である電気的及び機械的特性（例えば、誘電率及び熱膨張係数）を有することになる。しかし、充填流体の圧力伝達機能を維持するためには、ナノ粒子が充填流体の約２５％未満を構成することが望ましい。

十分な容積のナノ粒子を添加することにより、充填流体Ａ又はＢの容積は、熱影響からの体積膨張の効果を低下させるほど十分に低減することができる。充填流体Ａ又はＢの容積が低減されているので、膨張する充填流体はより少ないことになる。Ｐ１又はＰ２が正確にセンサ３０に伝達することができるように、充填流体Ａ又はＢの失われた容積を補充するために、通路５４Ａ−５６Ｂと毛細管３４Ａ及び３４Ｂ内の容積は、ナノ粒子で補充される。ナノ粒子は、低い熱膨張係数を有するので、通路５４Ａ−５６Ｂと毛細管３４Ａ及び３４Ｂ内の充填流体Ａ及びＢを含む溶液の総括の熱膨張は低減される。ナノ粒子は、充填流体内部に懸濁液の状態で留まるほど十分に細かく、そのために充填流体の圧力伝達機能は良好な状態のままとされる。従って、ナノ粒子強化充填流体は、圧力測定信号において、例えば、熱膨張によって熱的に誘起される誤差を顕著に低減する。

ナノ粒子強化充填流体は、熱サイクルヒステレシスの影響も低減することができる。温度ヒステレシス誤差は、周囲温度により低い温度でからはなく、より高い温度から近づく時の同じ圧力での圧力センサ読取値の変動である。温度の変動は、充填流体の容積の変化に基づくヒステレシス誤差を拡大する。例えば、室温（約２５℃）で、トランスミッタ１２は、約８０℃から冷却された後では、約０．００５ｐｓｉの誤差を示す場合がある。しかし、約−４０℃から加熱された後では、トランスミッタ１２は、約０．００３ｐｓｉの誤差を示す場合がある。この誤差の一部は、温度に伴う油圧流体の膨張及び収縮によって生じる。従って、充填流体積膨張の減少は、付随する誤差の低減に伴って熱サイクルヒステレシスも低減する。

充填流体Ａ及びＢに添加されるその容積のナノ粒子は、処理制御システム１０がそこで使用される場合がある温度範囲においてより低い熱膨張係数を有するあらゆるナノ粒子から構成することができる。一実施形態では、ナノ粒子は、球状又は棒状の形状を有するカーボン粒子を含む。様々な実施形態では、ナノ粒子は、付随する熱膨張係数を有する以下のもの、すなわち、Ｚｒ₂Ｐ₂Ｏ₉（０．４℃^-1×１０⁶）、Ｌｉ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−４ＳｉＯ₂［β−スポジュメン］（０．９℃^-1×１０⁶）、又は他の類似のナノ粒子の組成を有する。比較として、「ＤＣ ２００」は、約１０８０℃^-1×１０⁶の熱膨張係数を有する。一実施形態では、第１の充填流体Ａ及び第２の充填流体Ｂは、約３：１から約４：１の容積比率での油圧流体のナノ粒子に対する組成の混合物から成る。本発明の他の実施形態では、負の熱膨張係数を有するナノ粒子を使用することができ、それによって油圧流体の熱膨張係数を完全に相殺することができる。例えば、先に参照したＬｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−２ＳｉＯ₂［β−ユークリプタイト］は、−６．２℃^-1×１０⁶の熱膨張係数を有する。従って、ナノ粒子組成及び容積を変化させることにより、充填流体Ａ及びＢの熱膨張率を低下させることができ、圧力センサ３０での関連する誤差が低減される。
充填流体Ａの場合には、ナノ粒子が、センサ３０のキャパシタンスベースの作動を妨害しないことも望ましい。しかし、より高い誘電率を有するナノ粒子を選択することによってセンサ３０の作動を高めることも可能である。

典型的には、センサ３０は、通路５４Ａ−５４Ｂの第１の充填流体Ａを通じて与えられる処理流体１８の圧力の変化に応答して電気信号を生成する変換器である。センサ３０は、差動式キャパシタンスベースの圧力セルであり、センサダイアフラム５８、第１のコンデンサプレート６０Ａ、及び第２のコンデンサプレート６０Ｂを含む。センサダイアフラム５８は、典型的にステンレス鋼から成り、コンデンサプレート６０Ａ及び６０Ｂは、典型的にセラミック又はガラス基板に堆積した薄い金属層から成る。一般的に、ダイアフラム５８とコンデンサプレート６０Ａ及び６０Ｂとは、耐食性材料から成る。ダイアフラム５８と第１のコンデンサプレート６０Ａの間のキャパシタンス、及びダイアフラム５８と第２のコンデンサプレート６０Ｂの間のキャパシタンスは、充填流体Ａ及びＢを通じて与えられる処理流体１８の圧力変化に基づいてダイアフラム５８の位置が変化する時に変化する。ダイアフラム５８とコンデンサプレート６０Ａ又は６０Ｂのうちの一方との間のキャパシタンスは、他方が減少する時に増大することになる。これは、誤差を低減するのに役立つ二重信号を生成する圧力センサ３０をもたらす。圧力変化に基づいてコンデンサ上に蓄積されたエネルギの量の変化は、トランスミッタ回路２８により、圧力Ｐ１とＰの間の差圧のマグニチュードの変化の指示として測定される。

コンデンサ上に蓄積されたエネルギの量は、コンデンサのキャパシタンスに直接関係する。キャパシタンスは、電極プレートの面積及び電極プレートの間の材料の誘電率に比例し、電極プレートの間の距離に反比例する。センサ３０において、第１のコンデンサは、センサダイアフラム５８と第１のコンデンサプレート６０Ａとによって形成される。トランスミッタ回路２８によって検出されるほど十分に大きいセンサ信号を生成するためには、コンデンサに蓄積された電荷が十分に大きくなければならない。しかし、センサ３０及びトランスミッタ１２の全体の寸法を縮小させるためにコンデンサの寸法をできるだけ縮小することも望ましい。従って、電荷を増加させるためにコンデンサプレートを大きくすることは非現実的である。コンデンサプレートをどのくらい接近させることができるかの程度に関しても実用的な限界がある。従って、コンデンサの電荷を増加させるためには、コンデンサプレートの間の誘電性を高めることが必要である。しかし、これも、センサダイアフラム５８が様々な圧力条件の下で歪むことができるようにセンサダイアフラムの自由な運動が存在すべきであるので容易に達成されない。第１の油圧流体は、ダイアフラム５８を歪めるための流体として典型的に使用され、かつ予測可能な誘電率を提供してセンサ３０からノイズを除去するためダイアフラム５８に振動減衰を提供するように選択される。従って、第１の作動流体は、コンデンサプレートの間に誘電体をもたらす。

本発明の一実施形態では、第２の容積のナノ粒子が第１の油圧流体内に懸濁され、圧力ダイアフラム５８とコンデンサプレート６０Ａ及び６０Ｂとの間の材料の誘電率が高められる。他の実施形態では、熱膨張を低下させる特性と誘電率を増大させる特性の両方を有するように、単一組成のナノ粒子を選択することができる。その結果、センサ３０内に蓄積することができる電荷の量は、誘電率の増大に従って増加する。従って、設計の観点から、センサ３０を形成するコンデンサプレートは、圧力センサ３０の残りのキャパシタンス信号を維持するために縮小することができる。その結果、高い誘電率を有するナノ粒子をセンサ３０の寸法を縮小するために使用することができる。他の実施形態では、高い誘電率を有するナノ粒子をセンサ３０の感度を高めるために使用することができる。このセンサを構成するコンデンサが、より多くのエネルギを蓄積することができる場合、センサ３０は、より小さい圧力変化に対してより明確な信号を生成することができる。従って、高い誘電率を有するナノ粒子をセンサ３０の感度を高めるために充填流体Ａに添加することができる。

ナノ粒子は、第１の油圧流体の誘電率よりも高い誘電率を有するあらゆるナノ粒子材料から構成することができる。一実施形態では、ナノ粒子は、球状又は棒状の形状を有するカーボン粒子を含むことができる。一実施形態では、第２の容積のナノ粒子は、約４．５の誘電率を有するアルミナ（セラミック）から成る。別の実施形態では、第２の容積のナノ粒子は、約７．０の誘電率を有する酸化アルミニウム粒子から成る。更に別の実施形態では、第２の容積のナノ粒子は、約３．５から約５．０の誘電率を有するダイヤモンドのようなカーボンベースの粒子から成る。「ＤＣ ２００」の誘電率は、約２．３である。一実施形態では、第１の充填流体Ａは、体積基準で約３：１から４：１の比率での油圧流体のナノ粒子組成物に対する混合物から成る。従って、ナノ粒子組成物及び第１の油圧流体の容積を変化させることにより、センサ３０のキャパシタンスを高めることができ、センサ３０の寸法が縮小されるか又はセンサ３０の感度が高められる。

本発明の様々な実施形態では、様々な容積のナノ粒子を充填流体に懸濁させることができる。例えば、コンデンサベースの圧力センサの誘電性を高めるか又は充填流体の熱膨張を低減するために、単一の容積のナノ粒子を懸濁させることができる。また、単一の容積のナノ粒子は、コンデンサベースの圧力センサの誘電性を高め、かつ充填流体の熱膨張を低減する両方のために懸濁させることができる。別の実施形態では、複数の機能を提供するために、複数の容積のナノ粒子を充填流体内に懸濁させることができる。
本発明を好ましい実施形態に関連して説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び細部を変更することができることを認識するであろう。

１２ 処理トランスミッタ
２８ トランスミッタ回路
３０ センサ
４０ ハウジング
４２ モジュール

Claims (10)

1. 処理流体の圧力を測定するための圧力トランスミッタであって、
   処理流体の圧力を感知するための容量型圧力センサと、
   前記処理流体と前記容量型圧力センサの間の伝達チャンネルを提供するための油圧中継システムと、
   前記油圧中継システムにおける圧力センサ充填流体と、
   を含み、
   前記圧力センサ充填流体は、
   前記処理流体の前記圧力の変化を前記容量型圧力センサに伝達するための第１の油圧流体、及び
   前記圧力センサ充填流体の誘電率を増大させるために前記第１の油圧流体内に懸濁された第１の容積のナノ粒子、
   を含み、前記第１の容積のナノ粒子は、前記第１の油圧流体のものよりも大きい誘電率を有するナノ粒子を含み、
   前記圧力トランスミッタは、
   前記油圧中継システムの到達範囲を拡張するための毛細管と、前記毛細管内の遠隔シール充填流体と、を含む遠隔シールシステムを更に含み、
   前記遠隔シール充填流体は、前記毛細管を通じて前記処理流体の前記圧力を伝達するための第２の油圧流体、及び前記遠隔シール充填流体の熱膨張係数を減少させるために前記第２の油圧流体内に懸濁された第２の容積のナノ粒子を含み、前記第２の容積のナノ粒子は、前記第２の油圧流体のものよりも低い熱膨張係数を有するナノ粒子を含み、
   前記圧力トランスミッタは、前記油圧中継システムと前記毛細管との間を連結する処理フランジを更に含む、
   ことを特徴とする圧力トランスミッタ。
2. 前記圧力トランスミッタは、差圧トランスミッタを含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
3. 前記第２の容積のナノ粒子は、Ｚｒ₂Ｐ₂Ｏ₉、Ｌｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−４ＳｉＯ₂（β−スポジュメン）、又はＬｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−２ＳｉＯ₂（β−ユークリプタイト）から成る群から選択される、ことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
4. 前記第１の容積のナノ粒子にある一定の容積の前記第１の油圧流体を加えたものが、前記処理流体の前記圧力が前記容量型圧力センサに伝わるように前記油圧中継システムを満たすことを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
5. 前記第１の油圧流体および第２の油圧流体及び第１の容積のナノ粒子および第２の容積のナノ粒子は、それぞれ、約４：１までの比率で容積によって分配されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力トランスミッタ。
6. 前記第１の容積のナノ粒子および第２の容積のナノ粒子の粒子は、カーボンベースの粒子、アルミナ（セラミック）粒子、及び酸化アルミニウム粒子から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
7. 前記第１の容積のナノ粒子は、前記容量型圧力センサのキャパシタンスを増大してナノ粒子を持たない充填流体と比較して該容量型圧力センサの感度を高めることを特徴とする請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
8. 前記第１の容積のナノ粒子および第２の容積のナノ粒子は、互いに異なるナノ粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力トランスミッタ。
9. 前記第１の油圧流体および第２の油圧流体は、付加的な添加物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力トランスミッタ。
10. 前記付加的な添加物は、漏れ検出添加物および漏れ防止添加物からなる群から選択されることを特徴とする請求項９に記載の圧力トランスミッタ。

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