JP6659834B2 - 過圧保護付き圧力送信器 - Google Patents

Description

産業プロセス制御システムは、物質、例えばプロセス流体を製造又は移送する工業プロセスを監視及び制御するために使用される。そのようなシステムにおいて「プロセス変数」、例えば、温度、圧力、流量を測定することは、一般的に重要である。プロセス制御送信器は、こ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連する情報を中央制御室のような中央位置に送り返すために使用される。

プロセス変数送信器の１つのタイプは、プロセス流体の１又は複数の圧力（例えばゲージ又は絶対圧力）を測定し、測定された圧力に関連する出力を提供する圧力送信器である。圧力送信器は、典型的には有線プロセス通信ループを介して制御室又は他の適切なデバイスに圧力情報を送り返すように構成されている。しかし他の技術、例えば無線通信技術が代わりに又は同じ様に用いられうる。

プロセス圧力送信器は、一般に、分離ダイアフラムに流体的に連結された圧力センサを用いて圧力を感知する。分離ダイアフラムは、感知されるプロセス流体から圧力センサを隔離する。したがって、腐食性の高い及び/又は高温であるプロセス流体は、圧力センサの腐食又は損傷を避けるために、圧力センサから分離された状態に保たれる。圧力は、シリコーンオイルのような実質的に非圧縮性の不活性充填流体を用いて分離ダイアフラムから圧力センサに伝達される。圧力センサ自体は、変形などにより圧力に反応する感知ダイアフラムのような物理的構造を有する。圧力センサはまた、電気的構造、例えば、ひずみゲージ又は容量性プレート又は物理的変形に反応する電極を有している。例えば、いくつかの既知の圧力センサは、ダイアフラムの撓みがセンサのキャパシタンスの変化を生じるように容量性プレート又は電極を支持する偏向可能なダイアフラムを有する。さらに他の圧力センサは、脆い変形可能なシリコン基板上に配置された抵抗ストレインゲージ構造を採用している。圧力に応答してシリコン基板が変形すると、ひずみゲージの抵抗が変化する。

既存の圧力送信器の限界の１つは、高い過圧に対する潜在的な感受性である。分離器ベースの圧力送信器は、実質的に非圧縮性の流体を使用して圧力センサ素子をプロセス流体又はガスに連結するので、過圧事象の間に、充填流体は検出素子に高圧を伝達する。これは、センサに故障をもたらす可能性がある。さらに、過圧事象がセンサ故障を直ちに引き起こさない状況であっても、比較的高い過圧への反復的な変位は、経時的に圧力センサを劣化させ、その性能に影響を及ぼす可能性がある。

プロセス流体圧力送信器が提供される。プロセス流体圧力送信器は、圧力に応答する圧力センサの変形に応じて変化する電気的特性を有する圧力センサを含む。測定回路は、圧力センサに結合され、電気的特性の指示を提供するように構成されている。分離ダイアフラムは、プロセス流体に接触し、プロセス流体圧力に応答して変形するように構成されている。実質的に非圧縮性の充填流体は、分離ダイアフラムを圧力センサに流体的に連結している。過圧適合構造体は、充填流体に連結され、低圧で実質的に剛体であるように構成されるけれども、高圧では十分に変形して分離ダイアフラムが自身を着座させるか又は「底につかされる」ことを可能にし、それにより更なる圧力が圧力センサへ到達するのを防ぐ。

本発明の実施態様が特に有用である例示的なプロセス流体圧力送信器を示す。 本発明の実施態様が特に有用である例示的な圧力送信器のブロック図である。 従来技術による圧力センサモジュールの概略図である。 本発明の１実施態様による圧力センサモジュールの断面図である。 本発明の１実施態様による過圧事象に対する改善された弾力性を有する圧力センサモジュールの概略的な断面図である。 本発明の１実施態様による、充填流体経路チャネルを示す適合挿入体の外部部分の概略の上面図である。 本発明の１実施態様による、充填流体経路チャネルを示す適合挿入体の外部部分の概略の側面図である。 本発明の１実施態様による充填流体経路チャネルを有する適合挿入体の内部平面図である。 本発明の１実施態様による充填流体経路チャネルを有する適合挿入体の内部側面図である。 非過圧状態の間に空洞内に配置された本発明の１実施態様による適合挿入体を示す。 過圧状態の間に空洞内に配置された本発明の１実施態様による適合挿入体を示す。 通常の作動圧力の間の、本発明の１実施態様による適合挿入体の動作を示す。 過圧状態の間の、本発明の１実施態様による適合挿入体の動作を示す。

図１は、本発明の実施態様が特に有用である例示的なプロセス流体圧力送信器１２を示す。プロセス制御又は測定システム１０は、プロセス流体１６を運ぶプロセス配管１４に連結された圧力送信器１２を備えている。プロセス流体１６は、圧力送信器１２に圧力Ｐを加える。圧力送信器１２は、例えば２線式プロセス制御ループ２０によって、出力を遠隔地、例えば制御室２２へ提供する。プロセス制御ループ２０は、任意の適切なプロセス通信プロトコルに従って動作しうる。１つの構成において、プロセス制御ループ２０は、アナログ電流レベルがプロセス圧力Ｐに関連する「プロセス変数」を表すために使用されるところの２線式プロセス制御ループを備えている。別の例示的実装において、プロセス制御ループ２０は、プロセス圧力Ｐに関連するデジタル値を運ぶ。そのようなプロトコルの例には、高速アドレス可能リモートトランスデューサ（HART（商標））又はFOUNDATION（商標）フィールドバス通信プロトコルが含まれる。別の例示的なプロセス制御ループは、IEC62591による無線通信リンクなどの無線通信リンクを含む。このような構成において、要素２０は、送信器１２とプロセス制御室２２との間の無線通信リンクを表わしている。

送信器１２は、何らかの適切な技術に従って動作しうる圧力センサ（この例においては圧力センサ・ダイ）４０を含む。例示的な技術は、例えば、印加された圧力に応答して変化する電気的特性を有する要素を持つマイクロ機械加工された構成を含む。プロセスカップリング４２は、送信器１２の本体又はハウジング１８をプロセス配管１４に連結する。これは、プロセス圧力Ｐが送信器１２の分離ダイアフラム５０に加えられることを可能にする。圧力Ｐは、ダイアフラム５０での変位を引き起こし、この変位は、通路５２内の充填流体、例えばシリコーンオイルを使って圧力センサへ伝えられる。こうして、分離ダイアフラム５０は、プロセス流体に接触する第1の側面と、充填流体に接触する反対側とを有している。通路５２は、圧力センサ４０をも支持する圧力センサモジュール５４を通して延在する。圧力センサ４０は、測定回路６２へ電気出力６０を供給する。測定回路６２は、プロセス制御ループ２０に結合するところの端子ブロック７０に接続する。１の例示的構成において、プロセス制御ループ２０はまた、例えば測定回路６２などの、送信器１２の回路に電力を供給するために使用される。

図２は、圧力送信器１２のブロック図である。圧力送信器１２は、電力モジュール１５０及びループ通信部１５２を含み、それらの各々は、プロセス通信ループ２０へ結合されている。１実施態様において、電力モジュール１５０は、ループ２０からエネルギーを受け取り、圧力送信器１２の全ての構成要素へ電力を供給する。ループ通信部１５２が、ループ２０から受信したプロセス通信信号を示すデータを制御部１５６に供給するように、ループ通信部１５２は、制御部１５６へ結合されている。逆に、ループ通信部１５２は、制御部１５６からデータを受信し、かつ適切なプロセス通信信号をループ２０上の生成することができる。

ループ通信部１５２は、プロセス通信業界標準プロトコルに従ってプロセス通信ループ２０上に適切な信号を生成するように適合された何らかの適切な装置でありうる。そのようなプロセス産業通信プロトコルの適切な例は、上記のものが含まれる。さらに、送信器１２は、電力モジュール１５０とループ通信モジュール１５２との間の協働により、少なくともいくつかの実施態様においては、電力を受信するのと同じ通信媒体を介して通信することができる。アプリケーションに応じて、ループ通信部１５２は、上述したものを含む任意の適切な無線通信プロトコルに従って通信するように適合された無線送受信機であってもよく、又はそれを含んでいてもよい。

制御部１５６は、制御機能又は監視機能を提供するために一連のプログラム命令を実行することができる何らかの適切な装置である。１実施態様において、制御部１５６はマイクロプロセッサである。制御部１５６は、センサ４０に結合された測定回路６２に結合されている。測定回路６２は、センサ４０の１つ以上の変化する電気的特性を測定し且つプロセス流体圧力を示すデータを制御部１５６に供給する適切な回路を含む。好ましくは、測定回路６２は、圧力センサ４０のキャパシタンス又は抵抗を制御部１５６に送信されるデジタルデータに変換するように適合された少なくとも１つのアナログ‐デジタル変換器を含む。

図３は、従来技術による圧力センサモジュール１００の概略図である。圧力センサモジュール１００は、一般に、ステンレス鋼のような金属で形成された本体１０２を含み、その本体内を充填流体通路５２が延在している。充填流体通路５２は、実質的に非圧縮性の充填流体（例えばシリコーンオイル）で充填されうる空洞１０６に流体的に連結される。さらに、いくつかの環境においては、セラミックディスク２０４が、空洞１０６内に設けられる。セラミックディスクは、充填流体及び金属製の本体１０２とは異なる熱膨張係数を有する。セラミックディスク２０４及びそれに関連する熱膨張/収縮は、本体１０２及び充填流体の熱膨張/収縮における変化を相殺するのを助ける。この方法において、セラミックディスク２０４は、温度の影響について圧力送信器を補償するのを助けるために使用されうる。圧力センサ４０は、空洞１０６に結合され、かつ空洞１０６内の圧力に応じて撓む。圧力センサ４０への電気的接触は、本体１０２に機械的に取り付けられたヘッダ１０４を介して行われる。図３に示されたように、圧力Ｐは、分離ダイアフラム５０に連結されている。したがって、分離ダイアフラム５０に作用する圧力Ｐは、該ダイアフラム５０の動きを生じさせ、関連する圧力を通路５２内の充填流体を通して空洞１０６に伝達する。図３に示された配置において、過圧状態が発生すると、センサ４０は、充填流体を介して伝達される圧力超過によって損傷又は破壊される可能性がある。

本発明の１実施態様によると、選択された閾値以下の圧力で動作するときには固定されたままであるが、選択された閾値の上では可撓性になる比較的剛体の又は非可撓性の構造体が提供される。１例として、選択される閾値は、測定が所望される最大圧力の２５％上であってもよい。このようにして、圧力送信器が公称的な設計範囲内で動作しているとき、構造は実質的に剛体である。このように、分離ダイアフラムの撓みは、通路を通る充填流体の関連する運動を発生させ、圧力センサに連結された空洞内に関連する圧力を発生させる。しかし、プロセス流体の圧力が選択された閾値を超える状況においては、充填流体が比較的繊細な圧力センサに対する損傷をもたらす流体移動であるものを伝えないように、別の剛体の構造体が、順応又は偏向する。本発明の実施態様は、２つの別の実施態様に関して一般的に説明され、その各々は、そのような過圧適合構造体を提供する。１の実施態様においては、この適合構造体は設定圧力閾値に達するまで相対的に固定され、別の実施態様においては、この構造体は連続的に柔軟であるが、低圧ではセンサの通常動作に影響を与えないほどに小さい。本発明の代替の実施態様は、他の適切な構造、及びそれらの任意の組み合わせを使用して実施できることを理解することは容易である。

図４は、本発明の１実施態様による圧力センサモジュールの断面図である。圧力センサモジュール２００は、上側部分２０１及び下側部分２０２をそれぞれ含む。部分２０１、２０２は一緒に溶接されているか、そうでなければ互いに適切に固定されている。図４に示された実施態様において、剛体／可撓性ダイアフラム２０８は、第１の部分２０１と第２の部分２０２との間の空間に設置されている。「剛体／可撓性ダイアフラム」という用語は、直観に反しているように見えるかもしれないけれども、実際にはその機能は非常に説明しやすい。具体的には、選択された閾値（例えば圧力送信器の上限範囲の１．２倍）又はそれよりも低い圧力に対して、ダイアフラム５０は実質的に剛体である。したがって、そのような場合、分離ダイアフラム５０の屈曲は、通路２０９を通り通路２１１内への充填流体の運動を生成し、該通路２１１は、究極的に流体的にチャンバー２０７と圧力センサ２０６とに連結されている通路２１０に連結されている。このようにして、選択された閾値又はそれよりも低い圧力に対して、分離ダイアフラム５０の屈曲の量は、通路２１０を通る充填流体の関連した運動を生み出し、その結果、圧力センサ２０６によって変換又は測定される。

しかし、プロセス流体圧力が選択された閾値（例えば、圧力送信器の動作範囲上限の１．２倍）を超えると、剛体／可撓性ダイアフラム２０８が撓み、従ってより多くの利用可能なオイル容量を生み出し、そのことは分離ダイアフラムがセンサへの圧力を増加させることなくさらに移動させることを可能にする。このようにして、通路２１０を通って流れる充填流体の量は、過圧がないときに分離ダイアフラム５０の動きに応答して流れる充填流体の量に比べると比較的一定である。したがって、圧力センサ２０６へ最終的に加えられる圧力は制限され、その結果、圧力センサ２０６は過圧事象から保護される。こうして、圧力センサ２０６は、過圧事象に一層容易に耐えうる。十分に高い圧力（例えば、上限の２〜３倍）で、分離ダイアフラム５０は、第２の部分２０２に対して固定された停止部（すなわち最底部）に達し、さらなる圧力増加は入口空洞のみに影響を与え、すなわち分離ダイアフラム５０の表面及びコネクタとハウジング２０２の下側部分との間の溶接部は、センサ２０６に対する高い過圧の影響を除去する。これは、センサ２０６の可用性及び計量特性を維持するのに役立ち、送信器の稼働時間及び信頼性を高める。過圧事象が後退するにつれて、剛体／可撓性ダイアフラム２０８は元の位置に戻り、その結果、送信器は、過圧状態からの損傷を被りつつ圧力測定値を提供し続けうる。

図４に示されたように、一対の流体容積部が設けられている。第１の充填流体容積部は、通路２０９、２１１、２１０を通って最終的に空洞２０７を充填する分離ダイアフラム５０の近傍に設けられる。第１の流体容積部はチャネル２１１を通って充填され得、その端部２１５は封止されうる。図４に示された実施態様において、空洞２０７はまた、セラミックディスク２０４によって実質的に充填されており、それは、上述したように、温度補償効果を提供することができることに注意されたい。第２の流体容積部は、第１の充填流体容積部からは剛体／可撓性ダイアフラム２０８の反対側に配置される。この第２の充填流体は、実質的にシールされ又は溶接されたポート２１３を介して充填されるか又は提供される。第２の充填流体は、ダイアフラム２０８の反対側の第２空洞内に容れられ、ダイアフラム２０８が過圧状態において屈曲されうる。

図５は、本発明の別の実施態様による過圧事象に対する改善された弾力性を有する圧力センサモジュールを示す別の実施態様の概略断面図である。モジュール３００は、圧力センサ３０６を支持するヘッダ３０４に連結された本体３０２を含む。図５に示された実施態様において、圧力センサモジュール３００は、ゲージ圧測定部を提供し、該ゲージ圧測定部中において分離ダイアフラム５０に作用する圧力が、通気孔３０８を介して供給される大気圧に対して参照される。図４に対して示された実施態様と違って、圧力センサモジュール３００は、剛体／可撓性ダイアフラムを含んでいない。代わりに、チャンバー３１０においては、中空構造３１２は、セラミック挿入体、例えば挿入体２０４（図４に示される）の代わりに設けられている。適合挿入体３１２は、従来技術の圧力センサモジュールの適切な空洞内に配置することができ、それによって、このような従来の装置が本発明の実施態様を楽しむことができる。追加的又は代替的に、適合挿入体３１２はまた、さらなる過圧コンプライアンス回復力を提供するために、図４に示された実施態様のチャンバー２０７内に設けうる。適合挿入体３１２は、従来技術のセラミックディスク２０４に取って代わるので、適合挿入体３１２は、それが交換しているセラミック挿入体と同じ又は類似の熱膨張特性を有することが重要である。そのような要求を満たす金属の適切な例は、コネチカット州New HavenのUlbrich Stainless Steels and Special Metals会社から入手可能なNiSpan-C Alloy 902などの鉄ニッケル合金を含む。さらに、本発明のいくつかの実施態様は、中空の金属缶としての適合挿入体３１２を提供するが、構造が十分な圧縮性を有する限り、適切に柔軟な固体構造が使用される実施態様が実施され得る。実際、実施態様は、適合挿入体３１２が非金属材料、例えばポリマー又は発泡セラミックで形成される場合に実施しうる。

適合挿入体３１２は、通常の動作圧力では圧力に応じて限定された変形を有して弾性的に変形しうる。材料選択、壁厚、及び内圧に基づいて、適合挿入体３１２は、充填流体のための利用可能な容積を増加させるために、高圧で十分に変形し、これにより、分離ダイアフラム５０が本体３０２に対して底につくことを可能にする。一度底をつくと、圧力のさらなる増加は、追加の充填流体の圧縮を生成することができず、それによって過剰な圧力が、より脆弱な圧力センサ３０６に到達することを防止する。圧力による適合挿入体３１２の変形による有効充填流体容積の増加は、分離ダイアフラム５０を、圧力センサ３０６の最大定格を下回る圧力で底をつく。しかし、適合挿入体の変形による有効な充填流体容積の増加は、センサ３０６の最低温度及び最大作動圧力で分離ダイアフラムを底に付けるほど大きくすべきではない。更に、適合挿入体３１２内の最大応力は、分離器を底につかせる最大圧力で、適合挿入体３１２が形成されているところの材料の降伏レベル未満に維持されるべきである。このようにして、適合挿入体３１２は、過圧事象に応答して塑性変形を持続しないが、一旦過圧事象が除去されると元の形状及び容積に戻る。

図６Ａ及び６Ｂはそれぞれ、本発明の１実施態様による適合挿入体３１２の外部部分の概略平面図及び立面図である。図示されるように、適合挿入体３１２は、一般に円形の外側の径３１４と、中心３１８と外側の径３１４との間に延びるオイルチャネル３１６とを有する。オイルチャネル３１６は、図５Ｂに示されたように、一般に適合挿入体３１２を通過せず、その代わりに、その外側表面の周りを巡回する。適合挿入体３１２が空洞３１０を実質的に充填するようなサイズにされうるので、オイルチャネル３１２は有用である。これが生じると、オイルチャネル３１８は、充填流体通路３２０から圧力センサ３０６に近接する空洞３１０の一部分までの経路を提供する。

図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ適合挿入体３１２の内部の平面図及び立面図である。図７Ａ、７Ｂ及び図６Ａ、６Ｂは、内部容積部３２２の描写である。この内部容積部３２２はシールされている。このようにして、適合挿入体３１２は、一般に、特定の内圧を有するように製造されている。しかしこの特定された内圧は、必要に応じて真空又は適切に低い圧力とすることができる。材料選択と併せた適合挿入体３１２の壁厚と適合挿入体３１２の内部圧力と加えられた外部圧力との間の差圧は、適合挿入体３１２の選択可能な変形量を引き起こす。

図８Ａは、非過圧状態における適合挿入体３１２を示す。圧力が送信器の最大作動圧力を超えて増加すると、適合挿入体３１２は、空洞３１０内の充填流体の利用可能な容積を増加させるのに十分な変形を受ける。この状態を図８Ｂに示す。さらに、図９Ａ及び図９Ｂは、分離ダイアフラムが完全に底をついていないような、十分に変形した適合挿入体がある場合の、分離ダイアフラムが底をついていない通常の動作圧力における適合挿入体の動作を示している。

本明細書に記載された本発明の実施態様は、一般に、圧力送信器の過圧弾性を増加させる。そのような実施態様は、絶対圧力測定、ゲージ測定、差圧測定、又はそれらの任意の組み合わせを提供する圧力送信器に適用されうる。加えて、２つの別の実施態様が記載されているが、追加の実施態様は、そのような別の実施態様を組み合わせ、過圧事象に応答して適合性を提供する他の物理的配置を利用することによって実施することができる。

本発明は、好ましい実施態様を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その形態及び細部に変更を加えうることを認識するであろう。

Claims (15)

1. プロセス流体圧力送信器であって、
   圧力に応答する圧力センサの変形に応じ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且つ前記電気的特性の指示を提供するように構成された測定回路と、
   前記プロセス流体に接触し且つプロセス流体圧力に応答して変形するように構成された分離ダイアフラムと、
   前記分離ダイアフラムを前記圧力センサに流体的に連結させる実質的に非圧縮性の充填流体と、及び
   前記充填流体に連結された過圧適合構造体と、を備え、
   前記過圧適合構造体は、選択された閾値よりも低い圧力で剛体であり、前記選択された閾値よりも高い圧力に応答して変形するように構成された剛体／可撓性ダイアフラムを含み、
   前記剛体／可撓性ダイアフラムは、第１の圧力センサモジュール部分と第２の圧力センサモジュール部分との間に搭載され、充填流体通路が、前記分離ダイアフラムから前記第１及び第２の圧力センサモジュール部分を通って前記圧力センサが連結されている空洞まで延在し、
   前記過圧適合構造体は、シリンダ状に形成されている、
   前記プロセス流体圧力送信器。
2. 前記剛体／可撓性ダイアフラムは、実質的に非圧縮性の充填流体に接触する第１の側面と、第２流体容積部に接触する第２の側面とを有する、請求項１に記載のプロセス流体圧力送信器。
3. セラミックディスクが、前記空洞内に配置されている、請求項１に記載のプロセス流体圧力送信器。
4. 前記圧力センサは、シリコンダイから形成されている、請求項１に記載のプロセス流体圧力送信器。
5. 前記圧力センサは、歪ゲージ圧力センサである、請求項４に記載のプロセス流体圧力送信器。
6. 前記圧力センサは、容量性圧力センサである、請求項４に記載のプロセス流体圧力送信器。
7. 前記選択された閾値は、前記プロセス流体圧力送信器の上方測定範囲より約２０％高い、請求項１に記載のプロセス流体圧力送信器。
8. プロセス流体圧力送信器であって、
   圧力に応答する圧力センサの変形に応じて変化する電気的特性を有する圧力センサと、
   前記圧力センサに連結され且つ前記電気的特性の指示を提供するように構成された測定回路と、
   プロセス流体に接触し且つプロセス流体圧力に応答して変形するように構成された分離ダイアフラムと、
   前記分離ダイアフラムを前記圧力センサに流体的に連結する実質的に非圧縮性の充填流体と、
   前記圧力センサに近接して配置され且つ流体的に連結された空洞と、及び
   前記空洞内に配置され且つ前記分離ダイアフラムを最底部に達せさせることを可能にするために、十分な容積を生成するように過圧に応答して変形するように構成された過圧適合構造体と、を含み、
   前記過圧適合構造体は、シリンダ状に形成されている、
   前記プロセス流体圧力送信器。
9. 前記過圧適合構造体は、前記シリンダの第１の面から前記シリンダの反対面へ延在しているオイルチャネルを含む、請求項８に記載のプロセス流体圧力送信器。
10. 前記過圧適合構造体は、中空の金属シリンダで形成されている、請求項８に記載のプロセス流体圧力送信器。
11. 前記過圧適合構造体は、NiSpan-C Alloy 902で形成されている、請求項１０に記載のプロセス流体圧力送信器。
12. 前記過圧適合構造体は、ポリマーで形成されている、請求項８に記載のプロセス流体圧力送信器。
13. 前記過圧適合構造体は、発泡セラミックで形成されている、請求項８に記載のプロセス流体圧力送信器。
14. 過圧適合構造体が過圧に応答して変形しはじめる圧力は、前記プロセス流体圧力送信器の上方測定範囲よりも約２０％高い、請求項８に記載のプロセス流体圧力送信器。
15. 前記過圧適合構造体は、過圧状態が過ぎ去った後に、元の形状及びサイズに戻るように構成されている、請求項８に記載のプロセス流体圧力送信器。

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