JP5974167B2 - 水素ゲッターを有する圧力送信機 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセスにおいて、プロセス流体の圧力を測定するための圧力送信機に関する。より詳細には、本発明は、圧力送信機のパフォーマンスに対する水素の悪影響を減少させることに関する。

プロセス圧力送信機は、プロセス環境内での圧力（絶対、ゲージ（gage）、差分）を感知するために種々に適用される。また、プロセス圧力送信機は、例えば、タンクに沿った異なる高さのような、２つの異なる点の差圧を感知し、タンク内の流体レベルを指示させるために使用できる。いくつかの構成において、薄型で可撓性のある隔離ダイヤフラムおよび充填流体は、プロセス流体から圧力送信機の感圧素子を分離する。プロセス圧力が掛けられると、圧力送信機のダイヤフラムが変位する。この変位は、プロセス圧力に関連し、ＨＡＲＴ（登録商標）（Highway Addressable Remote Transducer）のような、適当な電流、圧力、またはデジタル出力信号に電気的に変換される。

米国特許第５，８３７，１５８号 米国特許第６，０６３，３０７号 米国特許第６，２９５，７８５号

圧力送信機内で感知された圧力が、プロセス圧力を正確に表わすためには、充填流体が非圧縮性であることが重要である。これは比較的簡単な設計基準であるようではあるが、ある種のオイルは、時間が経過すると、ガス抜けしたり、内部に泡を発生したりすることが知られている。一般に、これらの問題には、非常に高品質な充填流体を選択すること、時間が経過してもガス抜けすることがないように充填流体を前処理すること、および他の比較的高コストの技術で対処されている。圧力送信機の製造コストを増加させる、ガス抜けおよびその影響を減少させるために種々の手法が採られているが、充填流体中のガスの悪影響は、依然として、圧力送信機における問題として残っている。

圧力送信機充填流体における１つのガス源は、隔離ダイヤフラムに浸透する水素原子である。全ての結晶においていくつかの格子サイトは占有されていない。占有されていないサイトは空孔と呼ばれる。隣接サイトの原子の１つが空孔へと飛び込むと、その原子は空孔メカニズムによって拡散するといわれている。この種の拡散により水素原子は隔離ダイヤフラムに浸透する。送信機ダイヤフラムは非常に薄いため、ダイヤフラムを通して浸透する水素原子は結合して、分子状水素を形成する。分子状水素はダイヤフラムを通して浸透戻りするには大き過ぎるので、捕捉されて充填流体に泡を形成する。これらの泡は送信機のパフォーマンスに大きな影響を与える。

圧力送信機のパフォーマンスに対する水素ガスの影響を減少させるため、一般的には、水素原子が発生する近隣に、ある異種金属を置かないようにする、という注意を払う必要がある。水等の電解物質の存在下において、カドミウムまたはカドミウムめっきした部品を、ＳＳＴまたは合金Ｃ−２７６といった高ニッケル合金付近に配置することは、ニッカド電池効果を作り出すことになり、そこで原子水素が放出される。この原子水素は、その後、薄いダイヤフラムに浸透する。一般に、原子水素の存在する箇所へ適用する場合、浸透しにくい物質を選択する必要がある。多くのニッケルを含む金属は、より浸透の影響を受けやすい。温度上昇もまた浸透速度を増す。

圧力送信機で一般的な、Ａｌｌｏｙ−４００等の合金を、金でめっきすることにより、水素浸透を防ぐことができ、また、Ａｌｌｏｙ−４００に耐食性を与えることができる。しかしながら、水素浸透を減少させるこの技術は、金に伴うコスト増により、圧力送信機を製造するコストを著しく増加させる。

上述のように、水素浸透に加え、水素はまた、ＳＳＴ鋳造からのガス抜けにより泡を形成する。モジュール鋳造品が焼鈍されていない場合、これは重要な問題となる。これはまた高温、高真空適用時の問題でもある。ガス抜けへの共通の解決法は、送信機部品を焼出しすることである。これはコスト増を招くが、より重要なのは、焼出し時間を判断することである。水素は絶えずガス抜けし、焼出しは、これ以上のガス抜けがパフォーマンスに著しく影響しないような長さだけ理想的に行う必要がある。しかしながら、適切な焼出し時間を決定することは難しい。

上述のことは、一般的な背景情報として提供されたのであり、クレームされた主題を決定する助けとして使用されることを意図するものでない。

プロセス流体の圧力を測定するためのプロセス変数送信機であって、ハウジングとベースを有するセンサモジュールと、センサモジュールのベースに形成された圧力入口と、ベースにおける圧力入口に位置する隔離ダイヤフラムと、圧力センサと、ベースを通って延びており、プロセス流体に関連する圧力を隔離ダイヤフラムから圧力センサへと伝達するための充填流体を含む隔離管とを含むプロセス変数送信機。水素ゲッター剤（hydrogen getter material）は、隔離ダイヤフラムの被覆を含み、隔離ダイヤフラムと圧力センサの間のベースにおいて充填流体と接触するように位置し、充填流体から水素を除去する。

以上の概要と要約は、以下の詳細な説明に記載される概念を選択して、簡潔な形式で紹介するために提供したものである。この概要は、クレームされた主題の主な特徴や不可欠な特徴を特定することを意図するものではなく、また、クレームされた主題の範囲を決定する助けとして使用されることを意図するものでない。

プロセス送信機を有するプロセス測定システムの一形態を示す図である。 図１のプロセス送信機の一形態を示す模式的側面図である。 図２の送信機のセンサモジュールの断面図である。 充填流体と混合された水素ゲッター剤を含むセンサモジュールの隔離管部の概略図である。 隔離ダイヤフラム付近で充填流体と接触して位置する水素ゲッター剤を含むセンサモジュールの一部の概略図である。 隔離ダイヤフラム付近で充填流体と接触するように位置する水素ゲッター剤を含むセンサモジュールの一部の概略図である。 隔離管域に位置する水素ゲッター剤を含むセンサモジュールの一部の概略図である。 隔離ダイヤフラムの被覆からなり、充填流体と接触して位置する水素ゲッター剤を含むセンサモジュールの一部の概略図である。

本発明の実施形態が詳細に説明される前に、本発明は、以下の詳細な構造への適用に限定されず、また、以下の記述あるいは以下の図面に記載された構成要素の配置に限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態でも可能であり、種々の方法で実施および実行可能である。また、ここで使用される表現法および用語法は、記述を目的とするものであり、限定するものと考えられるべきではない。ここでの「含む」、「具備する」または「有する」およびそれらの変形は、それ以降に列挙される事項およびその等価物ならびに追加の事項を含むことを意味するものとして使用される。特に別段に記載または限定しない限り、「設置される」、「接続される」、「支持される」および「連結される」ならびにその変形の用語は、広い意味で使用され、直接および間接的な設置、接続、支持および連結の両方を含む。さらに「接続された」および「連結された」は、物理的か機械的かの接続および連結に限定されない。

種々の開示された形態において、水素ゲッターは、送信機の隔離ダイヤフラムの充填流体側のプロセス圧力送信機に付加される。ここで使用されるように、ゲッターまたはゲッター剤は、充填流体からガス状の水素を固定、吸収あるいは除去する能力を有するいかなる構造または物質を指す。異なる形状の種々のゲッター剤を使用できるが、例えば市販のバキュームエナジー社から商業的に入手可能なポリマー水素ゲッターが、圧力送信機充填流体に適合すると考えられる。公知のポリマーゲッターの他の例は米国特許第５，８３７，１５８号および第６，０６３，３０７号に開示される。種々の形態において、一般的に使用されてきた、コストを増大させる金めっきを省き、水素ゲッター剤を配置することは、プロセス圧力送信機の製造コストの低減を可能にする。開示された形態は、水素ガスの有害な影響を低減または除去した、より良いパフォーマンスおよびより耐久性のあるプロセス圧力送信機を提供する。

図１は、プロセス測定システム３２の環境を概略的に示す。図１は、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に連結された、圧力下の流体を含むプロセス管３０を示す。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。インパルス管３４は、プロセス圧力送信機３６に接続される。例えば、オリフィスプレート、ベンチュリ管、フローノズル等である、一次要素３３は、インパルス管３４の管の間のプロセス管３０の位置でプロセス流体に接触する。一次要素３３は、流体が一次要素３３を流通することで流体内に圧力変化を引き起こす。

送信機３６は、インパルス管３４を通してプロセス圧力を受信するプロセス測定装置である。送信機３６は、プロセス差圧を感知し、それをプロセス圧力の関数である、標準化伝送信号へと変換する。図示の形態は、プロセス差圧を測定する送信機３６に関連して記載されているが、開示された形態は、差圧を測定する送信機に限定されない。したがって、圧力送信機３６は、隔離ダイヤフラムおよび流体充填システムを有するあらゆるタイプのプロセス圧力送信機であってもよい。

プロセスループ３８は、制御室４０から送信機３６への電源信号と双方向通信の両方を提供し、多くのプロセス通信プロトコルに従って構成できる。図示した例では、プロセスループ３８は、２線式ループである。この２線式ループは、通常動作時に、４−２０ｍＡ信号で、送信機３６に全ての電力を伝達し、送信機３６を行き来する全ての通信を伝送する。制御室４０は、送信機３６および直列抵抗４４に電力を供給する電圧電源供給源４６を含む。他の構成例では、ループ３８は、２点間接続構成、網目状ネットワーク、あるいは他の構成によって無線でデータが送受信されるワイヤレス接続である。

図２は、センサモジュール５２および送信機電子モジュール１３６を有する圧力送信機３６の一形態を模式的に示す。センサモジュール５２は、ハウジング１５２およびベース５４を含み、そこにはセンサ板１５６、圧力センサ５６、隔離管９３および９４ならびに感知または隔離ダイヤフラム９０が設けられる。送信機電子モジュール１３６は、ハウジング１６４、カバー１６６、ディスプレイカバー１６８、出力インターフェース１７０および送信機回路１７２を含む。図１に示される管３０内の一次要素３３のいずれかの側に圧力Ｐ_１およびＰ_２が発生する。

センサ板１５６およびセンサ５６は、センサモジュール５２のハウジング１５２内に設置される。センサモジュール５２のハウジング１５２は、電子モジュール１３６のハウジング１６４に、例えば、ねじ接続によって接続する。同様に、カバー１６６および１６８は、ねじ接続によってハウジング１６４に接続され、消炎シールを形成し、これは当該技術において知られているように、ハウジング１６４内から炎が漏れるのを防ぐ。出力インターフェース１７０および送信機回路１７２は、送信機電子モジュール１３６内のハウジング１６４に設置され、１以上の電子ボードを形成する。

図示された形態においては、センサ５６は、一対の電極板の間に配置された感知ダイヤフラムを有するキャパシタンス−ベースの差圧セルである。一形態において、センサ５６は、金属−ダイヤフラムタイプのセンサであり、これはＦｒｉｃｋらの米国特許第６，２９５，８７５号であって、ミネソタ州、エデンプレイリーのローズモント社へ譲渡された特許に記載されている。センサ５６は、隔離管９３および９４によってベース５４に接続されており、その中に油圧充填流体が配置される。隔離ダイヤフラム９０は、隔離管９３および９４内の充填流体をプロセス流体の圧力Ｐ_１およびＰ_２から隔離する。プロセス流体の圧力Ｐ_１およびＰ_２における変化は、ベース５４内の隔離ダイヤフラム９０、および隔離管９３および９４内の油圧充填流体を通してセンサ５６により差圧ΔＰとして感知される。しかしながら、上述のように、開示された形態は、差圧測定の構成に限定されない

図３は、センサモジュール５２をより詳細に示した断面図である。図３に示されるように、ベース５４を通る隔離管９３は、差圧センサ５６に連結する。同様に、ベース５４を通る隔離管９４も差圧センサ５６に接続する。本発明では、水素泡の形成についての解決策として、圧力送信機の油充填システムの内側の１以上の位置で、水素ゲッターまたは水素ゲッター剤を追加使用する。浸透により引き起こされる水素を除くことにより、圧力送信機パフォーマンスおよび耐久性を向上させることができ、水素ガス発生を低減するのに使用される高価な金めっきをなくすことができる。開示された形態において、水素は、隔離ダイヤフラム９０を通して浸透することができるが、そこで、隔離ダイヤフラムと圧力センサ５６の間の充填流体から吸収される。ガス抜けにより発生する水素にとって、ゲッターは、焼出しの範囲をなくしたり減少させたりすることができる。

図４には、センサモジュールの一部が示されている。隔離管９４および隔離ダイヤフラム９０の一部が示されている。隔離管９３および対応する隔離ダイヤフラム９０は、管９４および図示されるダイヤフラム９０と同じであると理解されるべきであり、以下の説明は、いずれの隔離管にも適用できる。

図４に示される形態において、隔離管９４は、ゲッター剤が混合されたシリコーンオイルを含む充填流体２０２で満たされている。この形態において、充填流体２０２それ自体は、閉じられたシステムから水素ガスを除去するための水素ゲッター剤を含む。例えば、バキュームエナジー社から商業的に入手可能な高粘性液またはゲルポリマーのゲッター剤は、シリコーンオイル充填流体と混合されて水素ゲッター充填流体２０２を形成する。また、微粉ゲッター剤がシリコーンオイルに通されて混合および分散され、水素ゲッター充填流体２０２を形成する。充填流体２０２は、隔離管９４内に位置すると記載されたが、流体２０２の一部は、管９４の外側にあり、隔離ダイヤフラム９０に接触する。このアプローチの１つの利点は、ゲッター剤が水素をオイル充填システムのいずれの点からも吸収できることである。しかしながら、シリコーンオイルは、殆んどの添加剤と非混合性であるので、この解決策は、好ましくない場合もある。さらに、シリコーンオイルのパフォーマンスに悪影響を与える可能性があることに加え、誘電率、誘電安定性および温度効果といった他のファクターにも悪影響が及ぶ可能性がある。

図５では、ゲッター剤が隔離ダイヤフラム９０付近に別の固体片２２２として付加され、オイル体に接触する。例えば、ゲッター剤２２２は、隔離ダイヤフラム付近でベース５４の材料で形成された空洞または凹部２２０に配置または挿入される。矩形凹部２２０に位置する矩形片のゲッター剤２２２が図示されているが、ゲッター剤および／または凹部は種々のサイズや形状であってよい。例えば、図６は、隔離管９４の両側で、隔離ダイヤフラム９０の領域の略全体に渡って形成されたように、凹部２３０内に位置するゲッター剤２３２を示す。また、ゲッター剤２２２は、凹部内に位置させる必要はない。その代わり、ゲッター剤は、ベース５４の表面に配置、付着または固定され、隔離ダイヤフラム９０とセンサ５６の間のオイル体に接触する。

図７では、ゲッター剤２３５が隔離管９４に配置または形成されている。例えば、ゲッター剤２３５は、管９４内の充填流体に直接接触するように、隔離管９４上に被膜または配置された薄膜ゲッター剤の形態でよい。隔離管９３も同様にゲッター剤２３５を含んでもよい。

図８では、ゲッター剤２４０が隔離ダイヤフラム９０の背面側（充填流体に接触する側）に被膜されている。例えば、ゲッター剤２４０は、ダイヤフラム９０を横切る圧力の移動と干渉しないような、十分に薄い薄膜ゲッター剤であってよい。この実施形態の１つの可能性のある利点は、ダイヤフラムへのゲッター剤の付加は、ダイヤフラム選択に対するオプションと隔離していることである。したがって、他の設計態様に影響を与えない。ゲッター剤２４０を隔離ダイヤフラム９０上に被膜する実施形態は、ダイヤフラムの全体を実質的に被覆するコーティングあるいはダイヤフラムの一部または複数部分を被覆し、他の部分を被覆しないままとするコーティングを含むことができる。

本発明の好ましい実施形態が記載されたが、当業者は、発明の思想と観点から逸脱することなく、形状および詳細を変更可能であることを認識するであろう。

３０…プロセス管、 ３２…プロセス測定システム、 ３３…一次要素、 ３４…インパルス管、 ３６…プロセス圧力送信機、 ３８…プロセスループ、 ４０…制御室、 ５２…センサモジュール、 ５４…ベース、 ５６…圧力センサ、 ９０…隔離ダイヤフラム、 ９３，９４…隔離管、 １３６…電子モジュール、 １５２…ハウジング、 ２０２…素ゲッター充填流体、 ２２２，２３２，２３５，２４０…ゲッター剤、 ２３０…凹部

Claims (15)

1. プロセス流体の圧力を測定するためのプロセス変数送信機であって、
   ハウジングとベースを有するセンサモジュールと、
   前記センサモジュールの前記ベースに形成され、プロセス流体に関連する圧力に結合可能な、少なくとも１つの圧力入口と、
   前記ベースにおける前記少なくとも１つの圧力入口に位置する隔離ダイヤフラムと、
   前記隔離ダイヤフラムと間隔を置いて位置する圧力センサと、
   前記ベースを通って延びており、前記プロセス流体に関連する圧力を前記隔離ダイヤフラムから前記圧力センサへ伝達する充填流体を含む隔離管と、
   前記隔離ダイヤフラムと前記圧力センサの間の前記ベースにおいて前記充填流体に接触するように位置し、前記充填流体から水素を除去する水素ゲッター剤とを具備し、前記水素ゲッター剤は、前記隔離ダイヤフラムの被覆を含むプロセス変数送信機。
2. 前記水素ゲッター剤が、さらに、前記充填流体に混合された水素ゲッター剤を含む請求項１のプロセス変数送信機。
3. 前記充填流体が、シリコーンオイルからなる請求項２のプロセス変数送信機。
4. 前記充填流体に混合された前記水素ゲッター剤が、高粘性液またはゲルポリマーのゲッター剤からなる請求項３のプロセス変数送信機。
5. 前記充填流体に混合された前記充填流体に混合された前記水素ゲッター剤が、前記シリコーンオイルに混合された微粉ゲッター剤からなる請求項３のプロセス変数送信機。
6. 前記水素ゲッター剤が、さらに、前記充填流体と接触する隔離固体片のゲッター剤を含む請求項１のプロセス変数送信機。
7. 前記隔離固体片のゲッター剤が、前記隔離ダイヤフラム付近に位置している請求項６のプロセス変数送信機。
8. 前記センサモジュールが、さらに、前記隔離ダイヤフラム付近に前記隔離固体片のゲッター剤を収容するように配置された凹部を具備する請求項７のプロセス変数送信機。
9. 前記水素ゲッター剤が、さらに、前記充填流体に接触するように前記隔離管内に位置する水素ゲッター剤を含む請求項１のプロセス変数送信機。
10. 前記隔離管内に位置する前記水素ゲッター剤が、前記隔離管内に形成された薄膜ゲッター剤である請求項９のプロセス変数送信機。
11. センサモジュールと、前記センサモジュールに形成された圧力入口と、前記圧力入口に位置する隔離ダイヤフラムと、圧力センサと、プロセス流体に関連する圧力を前記隔離ダイヤフラムから前記圧力センサへ伝達する充填流体を含む隔離管を有するプロセス変数送信機内の充填流体を維持する方法であって、
    前記充填流体から水素を除去するために、前記隔離ダイヤフラムおよび前記圧力センサの間の前記充填流体に接触するように前記センサモジュール内に水素ゲッター剤を配置することを含み、前記充填流体に接触するように前記センサモジュール内にセン水素ゲッター剤を配置することは、前記隔離ダイヤフラムを前記水素ゲッター剤で被覆することを含む、方法。
12. 前記充填流体に接触するように前記水素ゲッター剤を配置することが、さらに、前記水素ゲッター剤を前記充填流体に混合することを含む請求項１１の方法。
13. 前記充填流体に接触するように前記水素ゲッター剤を配置することが、さらに、隔離固体片のゲッター剤を前記充填流体に接触するように位置させることを含む請求項１１の方法。
14. 前記充填流体に接触するように前記隔離固体片のゲッター剤を配置することが、さらに、前記隔離ダイヤフラム付近の前記センサモジュール内に前記隔離固体片のゲッター剤を配置することを含む請求項１３の方法。
15. 前記充填流体に接触するように前記水素ゲッター剤を配置することが、さらに、
    前記隔離管の内部を前記水素ゲッター剤で被覆することを含む請求項１１の方法。

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