JP6006426B2 - 充填管を備える圧力送信器 - Google Patents

Description

本発明は、工業用プロセス流体から隔離された圧力センサを含む工業用プロセス圧力送信器に関する。より具体的には、本発明は、そのような送信器の隔離システムのシーリングに関する。

工業用プロセス制御システムは、流体などを生成または移送する工業用プロセスを監視および制御するために用いられる。このようなシステムでは、代表的には、温度、圧力、流量などの「プロセス変数」を測定することが重要となる。プロセス制御送信器は、そのようなプロセス変数を測定し、測定されたプロセス変数に関係する情報を中央制御室のような中央箇所に返送する。

プロセス変数送信器の１つのタイプは、プロセス流体の圧力を測定し、測定された圧力に関する出力を提供する圧力送信器である。この出力は、圧力、流量、プロセス流体レベル、またはその他のプロセス変数でよい。この送信器は、測定された圧力に関する情報を中央制御室などに返送する。この伝送は、代表的には、２線式プロセス制御ループによるものであるが、ワイヤレス手法を含む他のプロセス制御ループによるものでもよい。

プロセス流体の圧力は、ある種のプロセス結合によりプロセス流体送信器に結合される。プロセス流体は、例えば、天然ガス、石油などの、工業用プロセスで使用される成分からなる。原料のいくつかは、極めて高い圧力下にある。この高圧は、数ヶ月または数年のような長期にわたり繰り返される周期的な圧力パルスを含むことがあり、プロセス流体に接触する配管および他の機械部品を繰り返し循環する。

背景技術で述べたように、圧力送信器は、ある種のプロセス結合によりプロセス流体に結合する。多くの場合、この結合は、送信器の圧力センサを、プロセス流体と物理的に接触することから隔離する。例えば、プロセス流体は、充填管を流れる充填流体に圧力を伝達する隔離ダイアフラムに圧力を印加する。そして、充填流体は、感知用の圧力センサに圧力を印加する。デバイスの製造中、充填流体は、充填管の開口から充填管に導入される。代表的な先行技術の設計では、この開口は、管の一部を圧着し、クリンプで管を封止することによって封止される。しかし、この圧着が生じるところで、充填管は、多大な応力を受けることがあり、高圧が印加されると膨張および収縮することがある。この活動は、時間とともに、充填管を疲労させ、不具合を生じさせる恐れがある。
長期間にわたり高圧のプロセス流体上で繰り返される周期的な圧力パルスに耐えるように圧力送信器を改良する必要がある。
以下で詳細に説明されるように、本発明は、充填管の新規なクリンプ構成を提供し、また、それを達成する方法を提供する。

工業用圧力送信器は、圧力センサ、プロセス圧力に結合可能な第１の隔離ダイアフラムアセンブリおよび充填管を含む。内部流路は、前記圧力センサと前記隔離ダイアフラムアセンブリと前記充填管を互いに結合する。隔離流体が前記内部流路に与えられて、前記隔離ダイアフラムアセンブリから前記圧力センサまで圧力を結合する。前記充填管のクリンプ部は、実質的に中実円形の円柱状断面になるように縮径されて、高圧サイクルに耐える一次シールを形成する。

以下で図を参照して説明する実施形態は、工業用プロセス圧力送信器における充填管のクリンプを開示する。充填管は、隔離流体によって充填される。クリンプは、実質的に中実円形の円柱状断面になるように圧潰される充填管のクリンプ部で行われて、充填管の一次シールを形成する。一次シールは、充填管の隔離流体を封止する。円柱状断面の使用は、非円形のクリンプに伴う大きな応力集中のない実質的に対称的なシール形状を提供する。円柱状断面は、特に、長期間の間の亀裂、ある工業設備で遭遇する0〜15,000PSI圧力範囲の高圧サイクルに耐える。厳しい工業用途で使用される場合の工業用プロセス圧力送信器の耐用年数を延ばすことができる。

典型的なプロセス圧力送信器を示す図である。 典型的なプロセス圧力送信器を示す図である。 圧力送信器をプロセス流体に結合するプロセス結合の例を示す図である。 プロセス圧力送信器の構成要素である圧力センサモジュールを示す図である。 圧力センサモジュールへの隔離流体の充填を示す図である。 充填管の圧着後の図５の圧力センサモジュールを示す図である。 充填管の圧着された部分の拡大図である。 図７Ａの線７Ｂ−７Ｂに沿った、充填管の圧着されていない部分の横断面図である。 線７Ｃ−７Ｃに沿った、充填管の圧着された部分の横断面図である。

図１〜図２は、典型的な圧力送信器100の正面図および側面図(一部切り欠いた状態)である。圧力送信器100は、電子回路(図１〜図２では図示せず)を格納する電子機器ハウジング101を含む。圧力送信器100は、隔離ダイアフラム109,110、圧力センサ140、充填管107,108および関連するセンサ回路(図４に図示)を収容する圧力センサモジュール102を含む。以下で詳細に説明されるように、充填管107,108は、実質的に中実円形の円柱状断面を有するクリンプ部111,113で圧着される。クリンプ部111,113は、対称的な円形の断面を有し、高圧化による応力を均一に分散するので、特に、管107,108の圧着された部分と圧着されていない部分との間の移行領域での応力集中を低減する。クリンプ部111,113は、圧力センサモジュール102に、制御された量の隔離流体(図５、図６、図７Ｂに図示)を収容するための一次シールを提供する。クリンプ部111,113によって提供される一次シールは、半径方向に対称形であり、圧力センサモジュール102に結合するプロセス流体で繰り返される高プロセス圧力サイクルによる亀裂に対して高度な耐性を提供する。

圧力センサモジュール102は、ボルト105によって圧力フランジ104にボルト留めされる圧力センサモジュールボディ92を含む。ボルト105は、フランジアダプタユニオン118も通過する。フランジアダプタユニオン118は、ねじ切りプロセスパイプ(図示せず)に接続可能なねじ切り入口を有する。圧力フランジ104は、１つ以上のプロセス流体圧力106を圧力測定のために送信器100に結合する。圧力フランジ104は、プロセス結合として機能する。圧力送信器100の電子回路は、プロセスループ103に接続され、これにより圧力送信器100が付勢され、また、プロセス制御システムで使用する双方向通信が提供される。圧力センサモジュール102の、圧力フランジ104およびボルト105に対する接続は、図３を参照して以下で詳細に説明される。

図３は、図１〜図２に示された圧力センサモジュール102の圧力センサモジュールボディ92、圧力フランジ104、フランジアダプタユニオン118およびボルト105の分解図を模式的に示す。図３は、圧力センサモジュールボディ92に溶接された隔離ダイアフラム109,110の外面を示す。圧力センサモジュールボディ92は、隔離ダイアフラム109,110の周囲の標準パターンのねじ切りボルト穴112を含む。ねじ116は、出荷中および現場でのプロセス接続前に、圧力フランジ104およびガスケット114を一時的に適所に保持する。圧力フランジ104には、排水/通気弁124が装着される。

フランジアダプタユニオン118は、プロセス流体配管(図示せず)に螺装され、さらにガスケット120によって圧力フランジ104に封止される。フランジアダプタユニオン118を使用する代わりに、プロセスパイプ取付具を圧力フランジ104のねじ穴122に直接ねじ込んでもよい。ボルト105は、フランジアダプタユニオン118(これが使用される場合)、圧力フランジ104を通過して、ねじ切りボルト穴112にねじ込まれる。

図４は、圧力センサモジュールボディ92を含む圧力センサモジュール102の斜め断面図である。圧力センサ140は、差圧センサを具備し、モジュールボディ92の内部に配置される。圧力センサ140は、隔離流体が充填された内部空洞および流路を含む。圧力センサ140は、中央圧力感知ダイアフラム184を含み、この中央圧力感知ダイアフラム184は、圧力センサ140を分離された量の隔離流体を内部に有する２つの半体に分割する。圧力センサ140の２つの半体は、管142,144および穿孔流路150,152によって、隔離ダイアフラム109,110に隣接する流体充填空洞に接続される。隔離ダイアフラム109,110は、モジュールハウジング92に直接溶接される。図４は、流路(図５に図示)を介して隔離ダイアフラム110に隣接する流体充填空洞に接続する、典型的な充填管108を示す。回路基板146は、圧力センサ140に電気接続されており、圧力センサ140からの電気信号の処理に関連する電子回路を具備する。

フラットケーブルリール148は、回路基板146から電子機器ハウジング(図１〜図２に図示するハウジング１０１など)の電子回路までの電気接続を提供する渦巻状フラットケーブルを収容する。図５を参照して以下で詳細に説明されるように、圧力センサ140、隔離ダイアフラム109,110および充填管107,108(図１〜図２)は、制御された量の隔離流体で充填され、隔離ダイアフラム109,110からのプロセス圧力を差圧センサ140に伝える第１および第２の内部流路によって接続される。

ある態様では、制御された量の隔離流体の容量は、クリンプ部111,113(図１)を形成する半径方向の圧縮力の印加中に、隔離ダイアフラム109,110の外面に局部的な真空を印加することによって設定される。別の態様では、加圧されることなしに、隔離ダイアフラム109,110の位置が、隔離流体の容量を設定するのに適正にされる。さらに別の態様では、隔離流体の容量は、圧着中に、充填管の開放端に圧力を印加して、隔離ダイアフラム109,110を偏向させることによって設定される。クリンプ部111,113により封止した後、隔離ダイアフラム109,110は、すべての動作温度において、圧力センサ140のダイアフラム184の全測定範囲に亘って(プロセス圧力によって)偏向可能に設定される。

図５は、圧力センサモジュール102の２つの隔離システムの内部流路に、分離した量の隔離流体を充填する方法の初期ステップを模式的に示す。図５に示されるように、充填管107,108(第１および第２の充填管ともいう)は、圧力センサモジュールボディ92の内部穿孔流路154,156によって隔離ダイアフラム109,110(第１および第２の隔離ダイアフラムともいう)に流体結合される。差圧センサ140の２つの側部は、センサの管142,144および内部穿孔流路150,152によって、隔離ダイアフラム109,110に流体結合される。隔離流体を充填する前に、管142,144および107,108は、圧力センサモジュールボディ92に溶接されて、管142,144,107,108と圧力センサモジュールボディ92との間にシールを形成する。通常の使用では、隔離ダイアフラム109,110の外面は、工業設備のプロセス流体に結合可能で、プロセス流体からモジュール102の内部構成要素を隔離する。

充填管107,108は、この処理段階では、圧着されていなくて隔離流体の流れを阻まないクリンプ部168,170(第１および第２のクリンプ部ともいう)を含む。隔離充填デバイス160,162は、可撓管164,166によって充填管107,108に接続される。隔離充填デバイス160,162は、真空源を含み、隔離ダイアフラム109,110によって囲まれた可撓管164,166、充填管107,108、流路150,152,154,156、センサ140および隔離空洞172,174から空気を引き抜く。引き抜き後、真空源が閉鎖されてから、第１および第２の制御された量の隔離流体180,182が、隔離充填デバイス160,162によって流路150,152,154,156ならびにセンサ140の反対側および空洞172,174に供給される。隔離流体180,182の制御された量は、図示されるように、第１および第２の充填管107,108を第１および第２のクリンプ部168,170より上のレベルまで充填するのに十分な量である。

圧力センサモジュールボディ92には、圧力センサ140まで延びる内部流路150,152,154,156(その管142,144を含む)と、第１および第２の隔離ダイアフラム109,110と、第１および第２の隔離空洞172,174と、第１および第２の充填管107,108が設けられる。この種々の内部流路、管および空洞に、制御された量の隔離流体180,182が充填される。図示されるように、圧力センサモジュール102は、差圧モジュールであり、２つの完全な別々の第１および第２の隔離システムを含む。２つの制御された量の隔離流体180,182は、圧力センサ140の圧力センサダイアフラム184の形態の中央障壁によって互いに隔てられる。２つの制御された量の隔離流体180,182は、空気がなく、第１および第２の別々の隔離システムをクリンプ部168,170の上のレベルまで完全に充填する。可撓管164,166は、さらに、図６Ａ〜図６Ｆ、図１１を参照して以下で説明される圧着工具のような、圧着工具の使用に備えて、充填管107,108から切り離される。

図６は、クリンプ部168,170を圧着した後の圧力センサモジュール102(図５)を模式的に示す。クリンプ部168,170は、クリンプ部168,170の中実円形の円柱状断面が、内部流路の制御された量の隔離流体180,182を封止する一次シールを形成するように圧縮される。制御された量の流体は、泡がなく、実質的に圧縮されない。図６の余分な充填管部分190,192は、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃの実施例で、以下で説明される二次シールの適用に備えて、圧着完了後に切断される。図５の参照番号と同じ図６の参照番号は、圧力モジュール102の同じ要素を示す。

クリンプ部168,170の圧着によって封止される隔離流体の量は、圧着プロセス中に、制御された圧力を印加することによって制御される。外部からの制御された圧力の印加は、隔離ダイアフラム109,110を偏向させるので、封止が完了した後、隔離ダイアフラム109,110は、最高圧力に達する前に底位置になることなく、圧力センサの全圧力測定範囲に亘って偏向可能な位置となる。ある態様では、外部からの制御された圧力は、圧着中に、隔離充填デバイス160,162(図５)によって充填管に印加される。別の態様では、外部からの制御された圧力は、圧着中に隔離ダイアフラム109,110の外面に印加される局部的な真空圧である。

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、二次シール194の適用後の典型的な充填管107を示す。二次シール194は溶接部を備える。図７Ａに示されるように、二次シール194は、典型的な略回転楕円体形状を有し、冷却されたろう付け金属のビード(bead)を備える。特定の溶接プロセスの使用によって、二次シール194を回転楕円体以外の形状にすることができる。二次シール194は、170で一次シールに重複する。図７Ｂは、図７Ａの線７Ｂ−７Ｂに沿った、充填管１０７の典型的な圧着されていない部分の断面を示す。図７Ｂの充填管107には、隔離流体180が充填される。図７Ｃは、図７Ａの線７Ｃ−７Ｃに沿った、典型的な圧着された部分170の断面を示す。圧着された部分170は、隔離流体180(図７Ｂ)を封止する中実円形の円柱状断面を有する。クリンプ部170は、中実円形の円柱状断面になるように半径方向に圧潰して、一次シールを形成する。図７Ｃに示された実質的に中実円形で、対称的な円柱状の断面は、隔離流体の繰り返しの加圧サイクルによる不具合に対する耐性が高い。

本出願で使用されている「溶接」(weld, welding)という用語は、圧力の有無および溶加材の有無に関係なく、少なくとも１つの金属または溶加材の融点以上の温度まで接合部を加熱することによって、２つの同類または異類の金属間の結合を生じさせることを意味する。溶接は、電気アーク溶接、ガス溶接、不活性ガス溶接、半田付け、ろう付けなどを含む。

本発明は、好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者には、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形状および細部に変更を行えてもよいことが認識されるであろう。

92・・・圧力センサモジュールボディ、100・・・圧力送信器、101・・・電子機器ハウジング、102・・・圧力センサモジュール、103・・・プロセスループ、104・・・圧力フランジ、105・・・ボルト、106・・・プロセス流体圧力、107,108・・・充填管、109,110・・・隔離ダイアフラム、111,113,168,170・・・クリンプ部、112・・・ねじ切りボルト穴、114,120・・・ガスケット、116・・・ねじ、118・・・フランジアダプタユニオン、122・・・ねじ穴、124・・・排水/通気弁、140・・・圧力センサ(差圧センサ)、146・・・回路基板、148・・・フラットケーブルリール、184・・・中央圧力感知ダイアフラム、142,144・・・管、150,152,154,156・・・穿孔流路、160,162・・・隔離充填デバイス、164,166・・・可撓管、170・・・圧着された部分(一次シール)、172,174・・・隔離空洞、180,182・・・隔離流体、184・・・圧力センサダイアフラム、190,192・・・余分な充填管部分、194・・・二次シール

Claims (17)

1. プロセス圧力送信器の圧力センサモジュールに隔離流体を充填する方法であって、
   プロセス圧力センサ、プロセス流体に結合可能な隔離ダイアフラムアセンブリおよび充填管まで延びている内部流路を備えた圧力センサモジュールボディを用意すること、
   前記充填管を通して前記内部流路に前記隔離流体を充填すること、
   前記充填管のクリンプ部に半径方向の圧縮力を印加することであって、前記半径方向の圧縮力は、前記クリンプ部で前記充填管を実質的に中実円形の円柱状断面になるように圧縮して前記隔離流体を前記クリンプ部で前記圧縮された充填管によって前記内部流路に封止すること、
   を有する方法。
2. さらに、前記半径方向の圧縮力を、前記中実円形の円柱状断面が前記内部流路に前記隔離流体を封止する一次シールを形成する程度まで印加することを有する請求項１の方法。
3. 前記圧力センサモジュールボディ内に前記差圧センサを配置することを有する請求項１の方法。
4. 前記プロセス差圧センサが容量型圧力センサである請求項３の方法。
5. 前記容量型圧力センサが、前記容量式圧力センサを、分離された量の隔離流体を内部に有する２つの半体に分割する中央圧力感知ダイアフラムを具備する請求項４の方法。
6. さらに、前記クリンプ部の圧着端を露出させるために前記充填管の一部を切断すること、および前記充填管の二次シールを形成するために前記圧着端を溶接することを有する請求項１の方法。
7. 前記クリンプ部および前記二次シールが、１平方インチあたり少なくとも１５，０００ポンドの隔離流体圧力に耐える請求項６の方法。
8. 前記クリンプ部および前記二次シールが、重複した封止を提供する請求項７の方法。
9. 前記隔離流体の量が、半径方向の圧縮力の印加中に、前記隔離ダイアフラムを偏向させる制御された圧力の外部印加によって制御される請求項１の方法。
10. 前記隔離流体の量が、半径方向の圧縮力の印加中に、前記隔離ダイアフラムアセンブリの外面への局部的真空の印加によって制御される請求項１の方法。
11. 圧力センサモジュールボディ、圧力センサ、第の１プロセス圧力に結合可能な第１の隔離ダイアフラムアセンブリ、および第１の充填管と、
    前記圧力センサ、前記第１の隔離ダイアフラムアセンブリおよび前記第１の充填管を互いに接続する前記圧力センサモジュールボディ内の第１の内部流路と、
    前記第１の隔離ダイアフラムアセンブリから前記圧力センサまで圧力を結合する、前記第１の内部流路内の第１の隔離流体と、
    前記充填管を実質的に中実円形の円柱状断面になるように縮径して、第１の一次シールを形成する前記充填管の第１のクリンプ部と、
    を具備するプロセス圧力送信器。
12. さらに、前記第１のクリンプ部の外側端を封止して、前記第１の一次シールに重複する第１の二次シールを形成する溶接部を具備する請求項１１のプロセス圧力送信器。
13. 前記隔離ダイアフラムアセンブリは、第１の隔離ダイアフラムを含み、前記第１の隔離流体の容量は、前記第１のクリンプ部の閉鎖によって、前記第１の隔離ダイアフラムが、前記閉鎖の完了後に、前記圧力センサの全圧力測定範囲に亘って偏向可能なように設定される請求項１１のプロセス圧力送信器。
14. 前記圧力センサは、差圧センサを具備し、前記圧力センサモジュールは、第２の隔離ダイアフラムアセンブリと、第２の充填管と、前記第１の内部流路とは別の第２の内部流路とを具備し、前記第２の内部流路は、前記差圧センサ、前記第２の隔離ダイアフラムおよび前記第２の内部流路を互いに接続し、前記第２の充填管は、実質的に中実円形の円柱状断面になるように縮径して、第２の一次シールを形成する第２のクリンプ部を含む請求項１１のプロセス圧力送信器。
15. 圧力センサモジュールボディ、差圧センサ、第１の圧力センサに結合可能な第１の隔離ダイアフラムアセンブリおよび第１の充填管と、
    前記差圧センサ、前記第１の隔離ダイアフラムアセンブリおよび前記第１の充填管を互いに接続する、前記圧力センサモジュールボディ内の第１の内部流路と、
    前記第１の隔離ダイアフラムアセンブリから前記差圧センサまで圧力を結合する、前記第１の内部流路内の第１の隔離流体と、
    前記充填管を実質的に中実円形の円柱状断面になるように縮径して、第１の一次シールを形成する前記充填管の第１のクリンプ部と、
    を具備するプロセス圧力送信器。
16. さらに、前記第１のクリンプ部の外側端を封止して、前記第１の一次シールに重複する第１の二次シールを形成する溶接部を具備する請求項１５のプロセス圧力送信器。
17. 前記隔離ダイアフラムアセンブリは、第１の隔離ダイアフラムを含み、前記第１の隔離流体の容量は、前記第１のクリンプ部の閉鎖によって、前記第１の隔離ダイアフラムが、前記閉鎖の完了後に、前記圧力センサの全圧力測定範囲に亘って偏向可能なように設定される請求項１５のプロセス圧力送信器。

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