JP6348659B2 - プロセス変数トランスミッタにおける圧力センサのための電気相互接続 - Google Patents

Description

背景技術
工業プロセス制御システムが流体または同類のものを生産または移動するのに使用されるタイプの工業プロセスを観測および制御するために使用されている。そのようなシステムでは、通常、「プロセス変数」、例えば、温度、圧力、流量および他のものを測定することが重要である。プロセス制御トランスミッタは、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連する情報を、中心的な場所、例えば、中央制御室に戻すように送信する。

一つのタイプのプロセス変数トランスミッタに、プロセス流体圧力を測定し、測定された圧力に関連する出力を提供する圧力トランスミッタがある。この出力は、圧力、流量、プロセス流体の水位または測定された圧力から導き出すことができる他のプロセス変数であることができる。圧力トランスミッタは、測定された圧力に関連する情報を、中央制御室または他の場所に戻すように送信するように構成される。送信は、通常、二線プロセス制御ループを通じて提供される、しかしながら、無線送信を含む他の通信技術を使用することもできる。

一般的に、プロセス圧力は、いくつかのタイプのプロセスカップリングを通してプロセス変数トランスミッタに結合される。多くの事例において、トランスミッタの圧力センサは、分離流体を通してまたはプロセス流体との直接接触のいずれかにおいてプロセス流体に流体的に結合される。プロセス流体の圧力は、圧力センサを物理的に変形させ、関連した電気的変化、例えば、容量または抵抗の変化を圧力センサに生じさせる。

圧力測定のための一つの特に困難な環境は、非常に高い作動圧力を有する用途である。一つのそのような用途に、海底環境がある。そのような用途では、プロセス機器が晒される静的圧力は、極めて高いことがある。さらに、プロセス変数センサは、非常に広範囲の温度に晒されることがある。そのような用途では、プロセス変数トランスミッタを構成するために、さまざまな工業標準フォームファクターが使用される。一つの通常の構成は、プローブの先端に配置された圧力センサを含む。トランスミッタの電子装置がプローブから間隙を介した電子装置ハウジングに搭載される。電気コネクタが電子装置ハウジングから延在し、プローブに搭載される圧力センサに結合される。多くの事例において、プローブの先端に搭載されるプロセス変数センサとの信頼性のある電気的な接続は、困難である。そのような接続は、実現することが困難であろうし、故障しがちでもあろう。さらに、そのような構成では、サイズ制限も、困難さも引き起こすであろう。

概要
プロセス流体圧力センサアセンブリは、プロセス流体の圧力を検出するように構成された圧力センサを含む。アセンブリは、絶縁材料で形成された圧力センサ本体を含む。圧力センサは、圧力センサの本体の圧力検出要素に結合された複数の電気接触パッドを含む。相互接続本体が圧力センサ本体の先端の全体を嵌めるように構成される。相互接続本体に搭載される複数の電気コネクタが複数の電気接触パッドに電気接触する。配線ハーネスが相互接続本体に取り付けられ、複数の電気コネクタに電気的に接続された複数の配線を含む。

この概要および要約は、詳細な説明において以下にさらに記載される簡略化された形態における概念の選択を取り入れるように提供される。概要および要約は、請求された主題の主要な特徴または本質的な特徴を確定することは意図せず、請求された主題の範囲を決定する援助として使用されることも意図しない。

海底油田およびガス用途に使用するのに好適なプロセス変数トランスミッタの側面図である。 図１のトランスミッタを簡単化した図である。 二つのプロセス変数センサを電気的に接続するための先行技術の技術を示す斜視図である。 プロセス変数センサに結合された電気相互接続本体を示す斜視図である。 図４の電気相互接続本体の斜視図である。 二つのそれぞれの電気相互接続本体に結合された二つのプロセス変数センサを示す斜視断面図である。 別の実施例の電気相互接続の斜視図である。 図７に示す電気相互接続本体の拡大された斜視図である。 図８の電気相互接続本体の上面図である。 図８の電気相互接続本体の底面図である。

例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、海底環境で使用するためのプロセス変数トランスミッタ１０の一つの標準構成の部分的な切り取り斜視図である。トランスミッタ１０を使用して、プロセス変数を検出し、検出されたプロセス変数に関連する情報を別の場所に送信することができる。測定および送信できるプロセス変数の例は、圧力および温度を含む。トランスミッタ１０は、伸長プローブ１２および電子装置ハウジング１６を含む。管フランジ１４がトランスミッタ１０をプロセス容器、例えば、プロセス管に取り付けるために構成される。プローブ１２は、管壁における開口内に挿入され、プロセス変数センサ３０（図１には示さない）をプロセス容器内のプロセス流体に近接して位置付けるのに使用される。プロセス変数センサ３０は、センサアセンブリ２０に搭載され、直接的にまたは分離ダイヤフラムを通してプロセス流体に結合することができる。相互接続配線３２がセンサアセンブリ２０におけるプロセス変数センサ３０から、電子装置ハウジング１６に搭載されるトランスミッタ電子装置１８まで延在する。プローブ１２は、特定の用途に応じて全長が０から１３インチ超まで変化することができる。正確な測定を提供するために、プロセス変数センサ３０は、通常、プローブ１２の先端に位置付けられる。これにより、必要とされる分離流体の量を減少し、検出されたプロセス変数の正確性を向上する。さらに、トランスミッタ電子装置１８の寿命および正確性を増大するために、電子装置１８は、通常、管フランジ１４から間隙を介し、これにより、電子装置１８を、ハウジング１６の海水冷却によって８５℃未満またはそれと等しい温度に維持することができる。これにより、プロセス変数センサ３０における電気接続と、トランスミッタ電子装置１８との間に１５インチ超の離れた距離を作り出すことができる。

プロセス変数センサ３０とトランスミッタ電子装置１８との間の間隙の変動を収容することが可能であることに加えて、センサ３０との電気相互接続３２は、広範囲の温度、例として、−４６℃〜２０４℃にわたって動作する能力もあるようにすべきある。プロセス変数センサ３０との電気接続がプローブ１２の末端部において起こるので、電気接続は、プロセス流体の完全な温度範囲に直面する。さらに、プロセス変数センサ３０との電気接続は、非常に限定された領域において為される必要があり得る。例として、プローブ１２の先端は、１．２５インチ未満である直径を有することがある。加えて、正確なプロセス変数測定を得るために、トランスミッタ電子装置１８とプロセス変数センサ３０との間の電気接続における電気ノイズまたは浮遊容量は、最小限にすべきである。

図２は、プロセス変数センサ３０を含むプロセス変数トランスミッタ１０を示す簡単化した図である。電気相互接続配線ハーネス３２が複数の配線を含み、プロセス変数センサ３０とトランスミッタ電子装置１８との間を延在する。図２において、プロセス変数センサ３０は、圧力および温度センサとして図示される。センサ３０は、分離ダイヤフラム２６を通してプロセス流体に、そして毛細チューブ２８に結合する。分離充填流体が毛細２８および分離ダイヤフラム２６によって形成された間隙に運ばれ、プロセス流体による印加された圧力をプロセス変数センサ３０に伝える。

図２に図示するように、トランスミッタ電子装置１８は、センサ３０に結合された測定回路１９を含む。例として、回路１９は、温度センサからの出力および圧力センサからの出力を、マイクロプロセッサ２１に提供されるデジタル値に変換するように構成できる。マイクロプロセッサ２１は、メモリ２３に保存された命令に従って動作し、Ｉ／Ｏ回路２５を使用して通信する。Ｉ／Ｏ回路は、二線プロセス制御ループ２７を含む任意の適宜の通信媒体を通じて通信することができる。いくつかの構成において、Ｉ／Ｏ回路２５は、ループ２７から受信した電力を使用してトランスミッタ電子装置１８に電力を提供するためにも使用される。無線通信も利用することができる。

図３は、先行技術の技術を使用するプロセス変数センサ３０に為される電気接続を示す部分的な斜視図である。図３において、センサアセンブリ２０は、リードフレーム本体延在部３４を有するセンサリードフレーム本体３６を含む。センサ３０の基端は、電気パッド４０を搭載する。延在部３４に搭載される延在部トレース４２にパッド４０を電気的に接続するのに配線ボンド４４が使用される。延在部トレース４２は、延在部リード５２に接続する。電気配線が延在部リード５２に結合し、これを使用してプロセス変数センサ３０とトランスミッタ電子装置１８とを接続することができる。

図４および図５は、一例の実施形態に従って、相互接続本体５０および配線ハーネス３２を示す斜視図である。図４において、センサ３０の基端５２が開口５４（図５参照）を通して相互接続本体内に挿入される。電気コネクタ６０が配線ハーネス３２における個々の配線および図３に図示するセンサ３０の基端５２における接触ボンドパッド４０に電気的に結合される。センサ本体３０の基端５２は、摩擦嵌合または他の取付技術を通して開口５４に固定することができる。例として、接着剤または同類のものを使用することができる。センサ３０との結合は、高温接着剤、例えば、Delo Industrial Adhesives, LLCによって市販されているDelomonopox（登録商標） AD223を使用して実現することができる。

図６は、センサカプセル７０に搭載される二つのプロセス変数センサ３０Ａおよび３０Ｂを示す断面斜視図である。図６において、それぞれのセンサ３０Ａおよび３０Ｂを取り付けるための圧力抵抗性センサ取付具７２Ａおよび７２Ｂが使用される。相互接続５０Ａおよび５０Ｂが配線ハーネス３２Ａ、３２Ｂと、センサ３０Ａ、３０Ｂのそれぞれの基端５２Ａ、５２Ｂとを電気的に接続する。相互接続５０Ｂに関して図示するように、電気導体６０Ｂは、取付足８０Ｂを含む。足８０Ｂは、センサ３０Ｂの、図３に示すパッド４０に接触するように構成される。接続は、足８０Ｂのバネ荷重によってもよいし、例えば、電気接続のはんだ付け、抵抗溶接などによる接着を含んでもよい。

図４〜図６に図示する構成において、相互接続本体５０および電気接続は、センサ３０がセンサカプセル７０に取り付けられた後に、センサ３０に結合することができる。さらに、配線ハーネスにおける個々の配線は、電気シールドとして同軸導体を使用する同軸線として構成される。これにより、シールドされていない電気配線の量を減少し、その結果、センサ信号における浮遊容量ならびに電気ノイズ源からの干渉も減少する。さらに、図３に示す配線結合４４が除去される。六つの配線が二列千鳥パターンで取り付けられるので、コネクタのサイズを減少することができる。

図７、図８、図９および図１０は、相互接続本体５０の他の例の構成を図示する。この構成では、相互接続本体５０は、図９および図１０に図示するようなセンサ３０を受け入れるように構成されたセンサ開口５４を含む。相互接続本体５０は、センサ３０の基端５２の全体に相互接続本体を設置するときに使用するための取付（または、設置）タブ９０を含む。タブ９０は、図６に示すセンサカプセル７０に接着することもできる。

図９および図１０に図示するような一つの構成において、電気トレース９６、ボンドパッド９８およびビア１００が蒸着プロセス、例えば、レーザーダイレクトストラクチャリング（ＬＤＳ）を通して相互接続本体５０に直接的に形成される。しかしながら、他の蒸着プロセスを同様に具現化することができる。例として、相互接続本体の構造は、電気トレース９６を搭載する任意の相互接続回路基板９４を含むことができる。トレース９６は、配線ボンド９７によってセンサ３０のボンドパッド４０に配線ボンディングのために使用されるボンドパッド９８を含む。トレース９６は、パッド９８から、図１０に図示するような回路基板９４の底側面に接続するビア１００まで延在する。配線ハーネス３２の外側電気導体１０２が外側シールドを提供し、これは、相互接続本体５０と電気的に接続される必要はない。別の例の構成では、任意の回路基板９４は、グランド層または同類のものを含むことができ、それによって、配線ハーネス３２の電気コネクタ１０２が電気的なグランドに接続される。配線ハーネス３２の第二の電気コネクタ１０４は、ボンディングパッド１０５に接着し、トレース９６を通してセンサ３０の先端における検出要素に、およびボンドパッド４０との接続に電気的に結合することができる。ハーネス３２の個々のケーブル１０８は、内部導体および同軸外側シールドを有する同軸ケーブルとして構成できる。

センサ３０は、センサ取付具７２によってセンサカプセル７０内において固定的に保持される。一つの構成において、センサ３０は、センサ取付具７２に固定的に保持される。相互接続本体５０がセンサカプセル７０に固定され、それによって、センサ３０に結合するのに使用される任意の電気相互接続以外に、相互接続本体５０とセンサ３０との間に実質的に接触はない。これにより、センサ３０にかかる応力が最小であることが保証される。本体５０の先端リップ１１０がセンサカプセル７０との摩擦嵌合を提供することができる。別の例の実施形態では、接着剤もしくは他の結合材料または摩擦嵌合が相互接続本体５０をセンサ３０に固定するのに使用される。図７に図示するように、基部のコネクタ１１４がケーブル１０８を電子装置１８に電気的に接続するために使用される。例として、コネクタ１１４は、小型の同軸ＲＦコネクタを含むことができる。配線ハーネス３２は、望ましい全長を有するリボンケーブルから形成することができる。この全長は、センサ３０をトランスミッタ電子装置１８に接続するために必須とされ得る最大全長であることができる。電気トレース９６は、レーザーダイレクトストラクチャリング（ＬＤＳ）を含む任意の適宜の技術を使用して形成できる。タブ９０は、ステンレス鋼または他の材料として構成され、相互接続５０と図６に示すセンサカプセル７０とを溶接または別の方法でボンディングするために使用することができる。本体５０は、例として、プラスチックまたは同類のものを使用して、射出成形を通して形成することができる。このレーザーダイレクトストラクチャリング（ＬＤＳ）が電気トレースをプラスチックコネクタ本体に直接的に設置するのに使用される。相互接続本体５０は、液晶高分子（ＬＣＰ）または他の高温プラスチックを含む任意の適宜の材料から形成することができる。本体５０は、緩和の張力も配線ハーネス３２に提供する。好ましくは、同軸ケーブルは、高温に耐えるように構築され、適宜の材料、例えば、ＰＦＡおよびニッケルめっきされた銅から製造される。圧着、はんだ付けまたは溶接を含む、配線を電気的に接続するための取付技術を使用することができる。コネクタ５０は、注封材料を含み、張力緩和を配線ハーネス３２に提供することができる。

センサ３０は、任意の望ましい検出技術に従うことができる。一つの具体的な構成では、センサ３０は、絶縁材料を含む本体で形成され、その内部に圧力センサおよび温度センサを持つ。具体的な構成では、センサ３０の本体は、単結晶材料で形成され、そして全体を引用例として取り込む本明細書と同一出願人による、ELONGATE PRESSURE SENSOR FOR TRANSMTITERと題された、２０００年７月１８日に発行された、Frickらへの米国特許第６，０８９，０９７号に論じられているセンサ技術に従う。そのような構成では、センサ本体内のキャビティは、印加された圧力の関数としてサイズが変化する。容量性プレートが圧力検出要素を提供し、キャビティに関して取り付けられ、そしてこれはキャビティサイズの関数として変化する電気容量を有する。容量は測定でき、そして印加された圧力と相互に関連し得る。六つの同軸ケーブルを先に具体的に論じたがシールドされていない配線を使用しても接続を為すことができる。さらに、接続は、シールドされた配線とシールドされていない配線との任意の組み合わせであることもできる。例として、抵抗測定で使用するための温度センサに接続するためにシールドされていない電気配線を使用し、そして印加された圧力に応答して変化する電気容量を有する圧力センサに接続するために同軸ケーブル配線を使用することができる。センサ３０とのはんだ付けまたは溶接のために、金属取り付けタブ９０をコネクタ５０に含めることができる。本体５０は、注封化合物を含み、張力緩和を配線ハーネス３２に提供することができる。

本発明を、好ましい実施形態を参照して記載したが、当業者は、本発明の本質および範囲を逸することなく、形態および詳細に変化を為すことができることを認識する。

Claims (22)

1. プロセス流体圧力センサアセンブリであって、そのアセンブリが：
   圧力センサ本体を含む、プロセス流体の圧力を検出するように構成された圧力センサであって、圧力センサの圧力検出要素に結合する複数の電気接触パッドを含む圧力センサと；
   圧力センサ本体の先端の全体を嵌める相互接続本体と；
   相互接続本体に保持され、複数の電気接触パッドに電気的に結合し、前記複数の電気接触パッドに直接接触する、複数の電気コネクタと；
   複数の電気コネクタに電気的に接続された複数の配線を含む、相互接続本体に取り付けられた配線ハーネスと、を含む、プロセス流体圧力センサアセンブリ。
2. 配線ハーネスの複数の配線の少なくとも一つが同軸ケーブルを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
3. 相互接続本体が圧力センサの基端を受け入れるように構成された開口を含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
4. 複数の電気コネクタが圧力センサに搭載された電気接触パッドに電気的に接触するように構成された足を含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
5. 足が電気接触パッドに結合された、請求項４記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
6. 複数の電気コネクタが配線ボンドによって複数の電気接触パッドに電気的に接続された、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
7. 圧力センサが複数の電気接触パッドに電気的に接続された温度検出要素を含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
8. 圧力センサが単結晶材料で形成された伸長した本体を含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
9. 配線ハーネスの基端が複数の電気配線をトランスミッタ電子装置に接続するように構成された複数のＲＦコネクタを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
10. 相互接続本体が圧力センサを保持する圧力センサカプセルに結合するように構成された先端リップを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
11. 相互接続本体が張力緩和を配線ハーネスに提供するように構成された注封化合物を含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
12. 相互接続本体が圧力センサを搭載するセンサカプセルに結合するように構成された少なくとも一つのタブを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
13. 複数の電気コネクタが相互接続本体に蒸着されたトレースを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
14. 相互接続本体が複数のトレースに接続するための複数のビアを含む、請求項１３記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
15. 複数の電気コネクタが相互接続本体の回路基板におけるトレースを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
16. 回路基板が複数のトレースに接続するための複数のビアを含む、請求項１５記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
17. 相互接続本体がプラスチックで形成された、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
18. 請求項１記載の圧力センサアセンブリに結合されたトランスミッタ電子装置を含む、海底作業のために構成された圧力トランスミッタ。
19. トランスミッタ電子装置が配線ハーネスの複数の配線に電気的に接続された、請求項１８記載の圧力トランスミッタ。
20. トランスミッタ電子装置がプロセス制御ループに結合する、請求項１８記載の圧力トランスミッタ。
21. 第二の相互接続本体によって第二の配線ハーネスに接続された第二の圧力センサを含む、請求項１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。
22. 圧力センサおよび第二の圧力センサがセンサカプセルに搭載された、請求項２１記載のプロセス流体圧力アセンブリ。

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