JP2019507883A - 流体が充填された細長い圧力センサ - Google Patents

Abstract

圧力センサ（１００）が、印加される圧力に応じて変形する細長い本体（２０２）を含み、前記細長い本体（２０２）はその中に形成されたキャビティ（２０４）を有する。隔離ダイヤフラム（２１４）が前記キャビティ（２０４）をプロセス流体からシールし、前記隔離ダイヤフラム（２１４）は、前記プロセス流体からの印加されるプロセス圧力に応じて撓むように構成されている。前記キャビティ（２０４）内の隔離充填流体が、前記隔離ダイヤフラム（２１４）の撓みに応じて前記細長い本体（２１４）に圧力を印加し、それにより前記細長い本体（２０２）の撓みを引き起こす。変形センサ（２４０）が前記細長い本体（２０２）に結合されており、前記細長い本体（２１４）の変形に応じたセンサ出力を提供し、前記センサ出力は前記プロセス圧力を示す。

Description

本発明は、工業プロセスにおけるプロセス流体の圧力を感知するために使用されるタイプの圧力センサに関する。特に本発明は、充填流体を用いて充填された圧力センサに関する。

工業プロセスは、プロセス流体の製造及び分配などのために使用される。そのような工業プロセスでは、プロセスの動作を監視及び／又は制御するために前記プロセスの様々な「プロセス変数」を測定することが知られている。そのようなプロセス変数としては、とりわけ、圧力、温度、及び流量が含まれる。これらのプロセス変数は、「フィールドデバイス」又は「プロセス変数トランスミッタ」として知られているものの中に実装されていてもよいプロセス変数センサを使用して測定される。前記プロセス変数トランスミッタは前記プロセス変数センサを使用して前記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、集中制御室などの遠隔位置に送信する。

プロセス流体の圧力を測定するための様々な技術が知られている。そのような技術としては、圧力センサがプロセス流体に直接さらされる構成、及び圧力センサが前記プロセス流体から隔離される構成が含まれる。しかし、高圧に耐えることができるもの、及び大きな衝撃又は振動に対して耐性があるものを含む、改良された圧力測定装置に対する必要性が継続して存在している。

圧力センサが、印加される圧力に応じて変形する細長い本体を含み、前記細長い本体はその中に形成されたキャビティを有する。隔離ダイヤフラムが前記キャビティをプロセス流体からシールし、前記隔離ダイヤフラムは、前記プロセス流体からの印加されるプロセス圧力に応じて撓むように構成されている。前記キャビティ内の隔離充填流体が、前記隔離ダイヤフラムの撓みに応じて前記細長い本体に圧力を印加し、それにより前記細長い本体の撓みを引き起こす。変形センサが前記細長い本体に結合されており、前記細長い本体の変形に応じたセンサ出力を提供し、前記センサ出力は前記プロセス圧力を示す。

本概要及び要約は、詳細な説明において以下にさらに説明する一連の概念を簡略化された形態で紹介するために提供される。本概要及び要約は、特許請求の範囲に記載の主題の重要な特徴又は本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載の主題の範囲を決定することにおける補助として使用されることを意図するものでもない。

従来技術の細長い圧力センサの斜視図である。 図１Ａの従来技術の細長い圧力センサの断面図である。 一例示的実施形態による細長い圧力センサの断面図である。 図２の圧力センサに関して配置された変形センサ及び基準センサを示す概略図である。 図２の圧力センサ構成を使用したプロセス変数トランスミッタを示す簡略化されたブロック図である。

細長い本体の内部キャビティに工業プロセスのプロセス圧力が印加される、圧力センサ構成が提供される。印加される圧力は前記細長い本体の撓みを引き起こす。撓みセンサが前記細長い本体に結合されており、前記細長い本体の撓みに基づいた出力を提供するように構成されている。隔離充填流体が、前記細長い本体をプロセス流体から隔離し、同時に、前記プロセス流体からの圧力を前記細長い本体に伝達する。この構成は、堅牢な設計を提供するために使用可能であり、同時に、プロセス流体が前記工業プロセスから漏れるのを防止するためにも使用可能である。

様々なタイプの圧力センサが当業界で知られている。それらの圧力センサとしては、プロセス流体に直接結合される圧力センサ、及びプロセス流体から隔離される圧力センサが含まれる。高圧並びに大きな振動及び衝撃にセンサがさらされる過酷な環境に非常に適した１つのタイプの圧力センサが、米国ワシントン州イーストワナッチー（Ｅａｓｔ Ｗｅｎａｔｃｈｅｅ，ＷＡ）のＰａｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓによって製造されている。Ｐａｉｎｅ圧力センサの一構成は、図１Ａに示す細長いチューブ１００である。図１ＢはＰａｉｎｅ圧力センサ１００の側断面図である。図１Ｂに示すように、プロセス流体は圧力センサ１００の内部キャビティ１０２に直接印加される。前記プロセス流体は、内部キャビティ１０２を介して圧力センサ１００に圧力を印加し、圧力センサ１００の本体１０８の撓みを引き起こす。この撓みは図１Ｂにおいて矢印によって示されている。１又は複数の抵抗要素１０４がセンサ１００の外面１０６に結合されている。抵抗要素１０４は、センサ本体１０８の撓みに基づいてそれらの抵抗が変化する特性を有する。例えば、抵抗器１０４がホイートストンブリッジ内に配置されていてもよく、それにより本体１０８の壁の小さな撓みが処理回路によって検出されてもよい。この撓みは前記プロセス流体によって印加される圧力に関連している。図１に示すように、圧力センサ１００は、ねじ山付きのプロセス結合端１０１であってパイプなどのプロセス容器に取り付けられるように構成された、プロセス結合端１０１を含む。プロセス結合端１０１は、プロセス開口１０３であってその中にプロセス流体を受け入れるように、且つキャビティ１０２を前記プロセス流体に直接結合するように配置された、プロセス開口１０３を含む。コネクタ端１０５がプロセス結合端１０４の反対側に配置されており、圧力センサ１００への電気的結合のために使用される。図１Ａは、図１Ｂに示す抵抗要素１０４、１０６及びセンサ本体１０８の周りに延在しそれらを覆うセンサハウジング１０７も示す。

図１Ａ及び図１Ｂに示すセンサ装置は多数の利点を提供する。圧力センサ本体１０８は単一片として製造可能であり、高度の耐衝撃性及び耐振動性を示し得る。さらにセンサ１００は故障することなしに高温及び高圧にさらされることが可能である。またセンサ構成は小さなパッケージ内に実装可能である。しかし前記構成は、センサ１００の構成要素、プロセス接続部、及び材料が前記センサの初期設計内に組み込まれるという要求などの、いくつかの制限を有する。これにより製造の複雑さが増加し、したがってリードタイムの増加及び／又は高い在庫要求が発生してもたらされる可能性がある。さらに前記構成では、プロセス流体がセンサ本体１０８内のキャビティ１０２に入ることが可能であり、これによりいくつかの用途では複雑化がもたらされる可能性がある。

一態様では、細長い本体の内部キャビティを充填するために隔離流体が使用される、圧力センサが提供される。そのような構成は多数の利点を提供する。例えば、プロセス接続部と構成において使用される材料とがプロセス自体から分離され得る。これにより製造プロセスにおいて圧力センサがより一般的な製品として作られることが可能になり、したがって製造工程の単純化が可能になり、よりモジュール式の設計が可能になる。センサ材料は、プロセスとの適合性のためにではなく、前記センサ材料がセンサに提供する特性のために最適化されることが可能である。製造要件は、センサの物理的サイズ構成及び圧力範囲に限定されることが可能である。

図２は一例示的実施形態による圧力センサ２００の簡略化された断面図である。圧力センサ２００は、細長い本体２０２であってその中に形成されたキャビティ２０４を有する、細長い本体２０２を含む。細長い本体２０２は、円形断面を有するチューブとして示されている。しかしその他の構成も使用されてもよい。細長い本体２０２は好ましくは、プロセス結合部２０６に溶接２０８によって結合されている。プロセス結合部２０６は、パイプ又は同様のものなどのプロセス容器に螺合して結合するためのねじ山を含むプロセスコネクタ２１０を含む。キャビティ２０４は毛細管２１６を介して隔離ダイヤフラム２１４に流体的に結合されている。隔離充填流体がキャビティ２０４及び毛細管２１６を充填している。前記隔離充填流体は、例えば、オイルなどの実質的に非圧縮性の流体を含んでもよい。毛細管２１６及びキャビティ２０４は、充填流体ポート２２０を介して充填流体を用いて充填されてもよい。このポート２２０は充填が完了した後でシールされてもよい。所望により存在する熱補償インサート２２４がキャビティ２０４内に配置され、これはセンサ２００内の他の構成要素の熱膨張又は熱収縮を補償する熱的特性を有する。例えば、温度の増加に伴って収縮するセラミック材料が、細長い本体２０２の膨張を補償するために使用されてもよい。別の構成では、インサート２２４は、センサ本体２０２の温度係数より低い温度膨張係数を有する。これによっても温度補償が提供される。熱補償に加えて、インサート２２４はキャビティ２０４の容積を減らすように働き、したがってキャビティ２０４を充填するために必要な充填流体の量が減少する。これによっても圧力測定の精度が向上する。

図２に示すように、圧力センサ２００は、プロセス結合端２３０及び電気的接続端２３２も含む。プロセス結合端２３０はねじ山を含み、プロセス配管又は同様のものなどのプロセス容器によって螺合して受け入れられるように構成されている。細長い本体２０２は、図１Ａに示すハウジング１０７などのハウジングで覆われていてもよい。

動作中、プロセス流体によって隔離ダイヤフラム２１４に圧力Ｐが印加される。前記隔離ダイヤフラムは、毛細管２１６及びキャビティ２０４内の前記隔離充填流体を押し、それにより細長い本体２３２に圧力が印加されることを引き起こす。この印加された圧力は、キャビティ２０４に近接した細長い本体２３２の変形を引き起こす。変形センサ２４０は、印加された歪みに基づいて変化する電気抵抗を有する歪みゲージを含む。したがって、本体２３２が変形するにつれて、センサ２４０の電気抵抗は応答して変化する。この変化は印加されたプロセス圧力Ｐを示す。基準センサ２４２もこの実施形態において示されており、印加された圧力に応じて変形しない細長い本体２０２の部分に結合されている。センサ２４０、２４２は、以下で説明するように、ホイートストンブリッジ配置内に使用されてもよい。

充填流体が使用される図２に示す構成は、図１Ｂに示す構成に勝る多数の利点を提供する。充填流体を用いて充填されたセンサでは、プロセス接続部と前記センサの構成材料とがプロセス流体の特性に依存しない。これにより製造プロセスにおいてセンサがより一般的な製品として作られることが可能になり、したがって製造プロセスの単純化が可能になる。さらにこれにより、前記センサの構成において使用される材料が、特定のプロセス流体にさらされる場合に前記材料が使用可能であることを確実にするための適合性要件に基づいてではなく、センサ特性に基づいて最適化されることが可能になる。この構成により、製造上のバリエーションがセンサの物理的サイズ及び圧力範囲に限定されることが可能になる。ただし前記充填流体は、デバイスの予想される温度動作範囲に適合するように選択されることが好ましいということに留意されたい。

図２に示す構成では、隔離ダイヤフラム２１４が第１のプロセスシールを提供する。二次プロセスシールがセンサ本体２０２自体によって提供される。そのような構成により冗長なシールが提供され、デバイス内の追加のプロセス圧力保持ヘッダ又はコネクタに対する要求がなくなる。またこれにより製造が単純化される。

ダイヤフラム２１４は毛細管２１６を覆う必要があるのみであり、図２に示すように本体２０２の面全体にわたって延在する必要はない。温度に基づく前記充填流体の容積の変化を補償するために、インサート２２４はセラミック材料を含んでもよい。インサート２２４は、キャビティ２０４の中央に配置されたロッドを含んでもよい。前述のように、インサート２２４により充填流体の容積も減少し、それにより測定精度が向上する。図２の構成により、圧力センサを隔離するために充填流体を使用することの利益が提供され、同時に、図１Ｂに示す「ドライ」構成の利益のほとんども維持される。

図３は、図２に示すセンサ２４０、２４２を用いて形成されたホイートストンブリッジ２５０の概略図である。センサ２４０は、印加された応力に基づいて変化する抵抗を有する電気抵抗器である２つの個別の歪みゲージを含む。図２の図では、歪みゲージ２４０は、センサ２００の本体２０２の周りに巻かれたワイヤを含む。基準センサ２４２は、印加される圧力に応答しない領域において本体２０２に結合された同様の歪みゲージを含む。図３に示すように、歪みゲージ抵抗はホイートストンブリッジ構成２５０内に配置され、それにより、前記ホイートストンブリッジの両端に電流が印加され、結果として生じる電圧が前記ブリッジへの第２の接続の両端で感知される。そのような構成では、電気抵抗の小さな変化が測定回路によって容易に検知されることが可能である。

一実施形態によれば、図４は、図２の圧力センサ２００を含む圧力トランスミッタ２６０の簡略化された概略図である。図４では、増幅器２６２がホイートストンブリッジ２５０の両端に結合されている。ブリッジ２５０に感知電流を印加するために電流源２６４が使用される。増幅器２６２によって感知された前記結果として生じる電圧は、増幅され、アナログ−デジタル変換器２６６に提供され、アナログ−デジタル変換器２６６はデジタル出力をマイクロプロセッサ２６８に提供する。マイクロプロセッサ２６８はメモリ２７０内に記憶された命令に従って動作する。メモリ２７０はまた、多項式曲線フィッティングのために使用される係数、記憶データ若しくは記録データ、又はその他の構成情報を含むその他の情報などの、特徴付け情報又は補償情報を記憶するためにも使用されてもよい。そのような情報はセンサ２００からの圧力測定値を補償するために使用されてもよい。マイクロプロセッサ２６８は入力／出力回路２７２に結合されており、入力／出力回路２７２は感知された圧力に対する出力が提供されることを可能にする。前記出力は有線形式又は無線形式で提供されてもよい。有線形式は２線式プロセス制御ループ２７４上の通信を含む。そのような構成では、マイクロプロセッサ２６８は、前記感知された圧力の表現を提供するように、ループ２７４において運ばれる電流を制御してもよい。同じループ２７４が、トランスミッタ２６０に完全に電力供給することにおいて使用するための電力を電源２７６に提供するために使用されてもよい。そのような有線通信プロトコルとしては、デジタル信号もループ２７４上に変調されてもよいＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、及び完全にデジタルのプロトコルが含まれる。さらに、ループ２７４は無線ループを含んでもよい。１つのそのような無線プロセス制御ループは、ＩＥＣ６２５９１に記載されたＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）通信規格に従うものである。しかしその他の技術も、感知された圧力情報を通信するために使用されてもよい。

本発明について好ましい実施形態を参照して説明したが、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詳細における変更が行われてもよいということを認識するであろう。本構成は、隔離流体が充填されたチューブのタイプのセンサを提供する。隔離はオイル又はその他の流体を含んでもよく、好ましくは非圧縮性である。センサ材料は、プロセス適合性のためにではなく、センサ特性のために最適化されてもよい。本明細書中に示したように、プロセス接続特徴が基本チューブセンサに溶接される。これにより、プロセス接続部が特定のプロセスのために最適化されることが可能になり、同時に、標準化されたセンサチューブを使用することが可能になる。充填流体ポートが、隔離充填流体を用いて前記センサを充填するために提供される。セラミックインサートが、オイル容積を補償し温度性能を向上するために提供される。前記センサのワイヤ巻線を、図２に示すコネクタ２４４などの外部コネクタにインタフェースするために使用されてもよい、コネクタシステムが提供される。これはまた、標準化された電気的接続を提供するためにも使用されてもよい。隔離ダイヤフラムが第１のシールを提供し細長い本体が二次シールを提供する、冗長なシールシステムが提供される。図２では、前記ダイヤフラムは細長いチューブに近接しているとして示されているが、他の構成では、前記ダイヤフラムは、前記細長いチューブから間隔をあけられ、充填流体を用いて充填された毛細管システムを介して前記チューブに流体的に結合されてもよい。歪みゲージセンサが本明細書中で具体的に示され説明されているが、変形センサは任意のタイプの変形センサであってもよく、印加された応力に応じて変化する抵抗を有する歪みゲージに限定されない。プロセス結合部２０６を製造するために使用される材料は、プロセス流体とのその適合性に基づいて選択されてもよく、細長い本体２０２を製造するために使用される材料は、圧力センサとしてのその性能に基づいて選択されてもよい。

Claims (22)

1. 印加される圧力に応じて撓む細長い本体であってその中に形成されたキャビティを有する、細長い本体と、
   前記キャビティをプロセス流体からシールする隔離ダイヤフラムであって、前記プロセス流体からの印加されるプロセス圧力に応じて撓むように構成された、隔離ダイヤフラムと、
   前記キャビティ内の隔離充填流体であって、前記隔離ダイヤフラムの撓みに応じて前記細長い本体に圧力を印加し、それにより前記細長い本体の変形を引き起こす、隔離充填流体と、
   前記細長い本体に結合された変形センサであって、前記細長い本体の変形に応じたセンサ出力を有し、前記センサ出力は前記プロセス圧力を示す、変形センサと、
   を含む、圧力センサ。
2. 前記変形センサは歪みゲージを含む、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記歪みゲージはホイートストンブリッジ内に構成されている、請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記細長い本体に結合された基準センサを含む、請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記基準センサ及び変形センサはホイートストンブリッジ内に配置されている、請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記隔離ダイヤフラムに近接したねじ山付きプロセス結合部であって、前記細長い本体をプロセス流体に結合するように構成された、ねじ山付きプロセス結合部を含む、請求項１に記載の圧力センサ。
7. 前記細長い本体はプロセス結合部に結合されている、請求項１に記載の圧力センサ。
8. 前記細長い本体は前記プロセス結合部に溶接されている、請求項７に記載の圧力センサ。
9. 前記隔離ダイヤフラムは前記プロセス結合部に取り付けられている、請求項７に記載の圧力センサ。
10. 前記プロセス結合部は、毛細管であってその中で前記隔離充填流体を運ぶ、毛細管を含む、請求項７に記載の圧力センサ。
11. 前記プロセス結合部は、前記隔離充填流体を受け入れるように構成された充填流体ポートを含む、請求項１０に記載の圧力センサ。
12. 前記プロセス結合部はねじ山付きである、請求項７に記載の圧力センサ。
13. 前記キャビティは補償インサートを含む、請求項１に記載の圧力センサ。
14. 前記補償インサートは温度変化を補償するための熱特性を有する、請求項１３に記載の圧力センサ。
15. 補償部材は前記キャビティの容積を減らす、請求項１３に記載の圧力センサ。
16. 前記変形センサに結合された電気的コネクタを含む、請求項１に記載の圧力センサ。
17. 請求項１に記載の圧力センサと、
    前記圧力センサによって感知された圧力に関連する出力を提供するように構成された回路と、
    を含む、プロセス流体の圧力を感知するためのプロセス変数トランスミッタ。
18. 前記圧力センサの前記変形センサはホイートストンブリッジ内に配置されている、請求項１７に記載のプロセス変数トランスミッタ。
19. 前記ホイートストンブリッジに電流を印加するように構成された電流源と、前記ホイートストンブリッジの両端に結果として生じる電圧を感知するように構成された増幅器とを含む、請求項１８に記載のプロセス変数トランスミッタ。
20. 前記圧力センサに関連する補償情報を記憶するように構成されたメモリを含む、請求項１７に記載のプロセス変数トランスミッタ。
21. 前記隔離ダイヤフラムは前記プロセス流体をシールする第１のシールを提供し、細長い本体は前記プロセス流体をシールする第２のシールを提供する、請求項１に記載の圧力センサ。
22. 前記補償インサートはセラミックを含む、請求項１３に記載の圧力センサ。