(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6564145
(24)【登録日】2019年8月2日
(45)【発行日】2019年8月21日
(54)【発明の名称】流体が充填された細長い圧力センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 9/04 20060101AFI20190808BHJP
G01L 19/04 20060101ALI20190808BHJP
G01L 19/06 20060101ALI20190808BHJP
【FI】
G01L9/04
G01L19/04
G01L19/06 A
【請求項の数】22
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2018-547875(P2018-547875)
(86)(22)【出願日】2017年2月9日
(65)【公表番号】特表2019-507883(P2019-507883A)
(43)【公表日】2019年3月22日
(86)【国際出願番号】US2017017115
(87)【国際公開番号】WO2017160426
(87)【国際公開日】20170921
【審査請求日】2018年9月7日
(31)【優先権主張番号】15/070,318
(32)【優先日】2016年3月15日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】515231553
【氏名又は名称】ローズマウント インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100079049
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 淳
(74)【代理人】
【識別番号】100084995
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 和詳
(72)【発明者】
【氏名】シューマッハ、マーク、ステファン
【審査官】
森 雅之
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第3349623(US,A)
【文献】
米国特許第3273400(US,A)
【文献】
独国特許出願公開第102004053672(DE,A1)
【文献】
特許第5089580(JP,B2)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01L
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
単一の材料片から一体に形成された細長い本体であって、印加される圧力に応じて撓むとともに、ボアによって形成されたキャビティを内部に有する、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
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。
【0005】
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。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【
図1A】従来技術の細長い圧力センサの斜視図である。
【
図1B】
図1Aの従来技術の細長い圧力センサの断面図である。
【
図2】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3】
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4】
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。
【発明を実施するための形態】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。