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技術 真空誘電体を有する静電容量式圧力センサ

出願人 ローズマウントインコーポレイテッド
発明者 ブローデン,デビッド,エー.
出願日 2010年3月2日 (10年10ヶ月経過) 出願番号 2012-507229
公開日 2012年10月18日 (8年2ヶ月経過) 公開番号 2012-524900
状態 特許登録済
技術分野 流体圧力測定
主要キーワード 環状ダイアフラム 基準ポート 環境大気圧 感知ダイ プロセス媒体 環境気圧 圧力送信機 容量性プレート
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2012年10月18日)のものです。
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図面 (7)

課題・解決手段

フィールドデバイス静電容量式ゲージ圧センサは、プロセス媒体ゲージ圧を測定する。センサボディは第1および第2のチャンバを含んでいる。第2のチャンバは真空圧力センサ真空誘電体を形成する。大気基準ポートがセンサボディ内に形成され、第1チャンバを環境大気圧平衡させる。センサプロセス媒体入口はプロセス媒体供給源に接続される。第2のチャンバと媒体入口との間に、導電性かつ可撓性のダイアフラムを設ける。容量性プレートが第2のチャンバ内に配置され、ダイアフラムの撓みで静電容量が変化する。フィールドデバイスは、さらにプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するセンサ回路と、プロセス通信ループを介してセンサ信号に関連する情報を送信する送信回路とを含む。

概要

背景

静電容量式圧力センサにはさまざまな誘電体材料が使用されてきた。例えば、誘電体材料としてオイルまたはその他の流体が使用された流体充満構造が採用されることがあった。他の構造では誘電体材料として真空を使用することが要求される。真空誘電体は、低複雑性構造が可能であり、コスト低減が可能であり、非オイル充満であり、より高精度が可能であり、かつ/またより高い安定性が可能である。しかしながら、真空誘電体構造であるために、これらのセンサは一般的にプロセスのゲージ圧(例えば、環境気圧つまり大気圧のような特定圧力に関するプロセス圧力)ではなく絶対圧を測定するだけである。ゲージ(Gage)圧は、「Gauge」圧としても知られる。

概要

フィールドデバイス静電容量式ゲージ圧センサは、プロセス媒体のゲージ圧を測定する。センサボディは第1および第2のチャンバを含んでいる。第2のチャンバは真空の圧力センサ用真空誘電体を形成する。大気基準ポートがセンサボディ内に形成され、第1チャンバを環境大気圧平衡させる。センサのプロセス媒体入口はプロセス媒体供給源に接続される。第2のチャンバと媒体入口との間に、導電性かつ可撓性のダイアフラムを設ける。容量性プレートが第2のチャンバ内に配置され、ダイアフラムの撓みで静電容量が変化する。フィールドデバイスは、さらにプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するセンサ回路と、プロセス通信ループを介してセンサ信号に関連する情報を送信する送信回路とを含む。

目的

その他の構造は大気圧を測定するための第2のセンサを付加しており、推定ゲージ圧を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

メインチャンバをその中に規定しているセンサボディと、前記メインチャンバ内に配置され、該メインチャンバを第1の部分および第2の部分に分割し、該第2の部分が真空下にあって真空誘電体を形成している薄い環状ダイアフラムと、前記センサボディ内に形成されて前記メインチャンバの第1の部分を環境大気圧に維持する大気基準ポートと、プロセス媒体供給源に接続されるように構成されたプロセス媒体入口と、前記チャンバの第2の部分と前記プロセス媒体入口との間に配置された導電性かつ可撓性のダイアフラムと、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムに関連して前記メインチャンバの第2の部分内に設けられた少なくとも一つの容量性プレートであって、該導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みが、前記少なくとも一つの容量性プレートと前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間の、プロセス媒体のゲージ圧を示す静電容量に変化を生じさせる容量性プレートとを含む静電容量式ゲージ圧センサからなる静電容量式ゲージ送信機

請求項2

前記静電容量式ゲージ圧センサに電気的に接続され、プロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を該静電容量式ゲージ圧センサの静電容量に基づいて発生するセンサ回路と、プロセス通信ループを介して前記センサ信号に関連する情報を送信するため、前記センサ回路に接続される送信機回路とをさらに備えている請求項1記載の送信機。

請求項3

前記センサボディに接続された電子回路ハウジングをさらに備え、該電子回路ハウジング内に前記センサ回路および前記送信機回路が配置されている請求項2記載の送信機。

請求項4

前記メインチャンバの第2の部分内に配置された絶縁体ボディをさらに備え、前記少なくとも一つの容量性プレートが前記絶縁体ボディ上に配置される請求項1記載の送信機。

請求項5

前記絶縁体ボディと前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間に配置され、プロセス媒体の圧力に曝された時に前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みを促進する低伸縮性スペーサをさらに備えている請求項4記載の送信機。

請求項6

前記メインチャンバの前記第2の部分を排気するために前記センサボディ内に形成される排気ポートをさらに備えている請求項1記載の送信機。

請求項7

前記メインチャンバの前記第1の部分を通って前記第2の部分に延在している排気管をさらに備えている請求項1記載の送信機。

請求項8

工業プロセスで使用されるフィールドデバイスにおいて、プロセス媒体のゲージ圧を測定するように構成された静電容量式ゲージ圧センサを備え、該ゲージ圧センサが、第1および第2のチャンバが中に形成され、該第2のチャンバが真空下にあってゲージ圧センサ用の真空誘電体を形成しているセンサボディと、前記センサボディ内に形成されて前記第1のチャンバと前記フィールドデバイスを取り囲む環境大気圧との平衡を維持させる大気基準ポートと、プロセス媒体の供給源に接続するように構成されたプロセス媒体入口と、前記第2のチャンバと前記プロセス媒体入口との間に配置された導電性かつ可撓性のダイアフラムと、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みがプロセス媒体のゲージ圧を示す静電容量に変化を生じさせるように前記第2のチャンバ内に前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの関連で間隙を空けて配置された容量性プレートとを有しているとともに、前記ゲージ圧センサに電気的に接続されてプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するように構成されたセンサ回路と、プロセス通信ループを介して前記センサ信号に関連する情報を送信するため前記センサ回路に接続された送信機回路とを備えているフィールドデバイス。

請求項9

前記センサボディ内に位置された絶縁体ボディを備え、かつ前記容量性プレートが該絶縁体ボディ上に配置され、さらに前記絶縁体ボディと前記センサボディとの間に物理的に接続された薄い環状ダイアフラムを備えているとともに、前記絶縁体ボディおよび前記薄い環状ダイアフラムが、前記第1のチャンバを環境大気圧下で、前記真空誘電体を提供する前記第2のチャンバから分離している請求項8記載のフィールドデバイス。

請求項10

プロセス媒体の圧力に曝された時、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みを促進するため、前記絶縁体ボディと前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間に位置された低伸縮性スペーサをさらに備えている請求項9記載のフィールドデバイス。

請求項11

前記センサボディに接続された電子回路ハウジングをさらに備え、前記センサ回路と前記送信機回路が前記電子回路ハウジング内に位置されている請求項8記載のフィールドデバイス。

請求項12

真空誘電体を形成するために前記第2のチャンバを排気するためセンサボディ内に形成された排気ポートをさらに備えている請求項8記載のフィールドデバイス。

請求項13

前記第2のチャンバを排気して真空誘電体を形成するために、前記第1のチャンバを通って前記第2のチャンバに延在している排気管をさらに備えている請求項8記載のフィールドデバイス。

請求項14

静電容量式ゲージ圧送信機において、プロセス媒体のゲージ圧を測定するように構成された静電容量式ゲージ圧センサを備え、該ゲージ圧センサが、第1および第2のチャンバが中に形成され、該第2のチャンバが真空下にあってゲージ圧センサ用の真空誘電体を形成しているセンサボディと、前記センサボディ内に形成されて前記第1のチャンバと送信機を取り囲む環境大気圧との平衡を維持させる大気基準ポートと、プロセス媒体の供給源に接続するように構成されたプロセス媒体入口と、前記第2のチャンバと前記プロセス媒体入口との間に配置された導電性かつ可撓性のダイアフラムと、金属電極であって、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みが該金属電極と前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの間の、プロセス媒体のゲージ圧を示す静電容量に変化を生じさせるように、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムとの関連で前記第2のチャンバ内に配置された金属電極と、前記ゲージ圧センサに電気的に接続されて前記金属電極と前記導電性かつ可撓性ダイアフラムとの間の静電容量に基づいてセンサ信号を発生するように構成されたセンサ回路と、プロセス通信ループを介して前記センサ信号に関連する情報を送信するため前記センサ回路に接続された送信機回路とを備えている容量式ゲージ圧送信機。

請求項15

前記センサボディ内に位置された絶縁体を備え、かつ前記金属電極が該絶縁体上に配置され、さらに前記絶縁体と前記センサボディとの間に物理的に接続された薄い環状ダイアフラムを備えているとともに、前記絶縁体ボディおよび前記薄い環状ダイアフラムが、前記第1のチャンバを前記第2のチャンバから分離している請求項14記載の送信機。

請求項16

前記センサボディに接続された電子回路ハウジングをさらに備え、前記センサ回路と前記送信機回路が前記電子回路ハウジング内に位置されている請求項15記載の送信機。

請求項17

プロセス媒体の圧力に曝された時、前記導電性かつ可撓性のダイアフラムの撓みを促進するため、前記絶縁体ボディと前記導電性かつ可撓性ダイアフラムの間に位置された低伸縮性スペーサをさらに備えている請求項16記載の送信機。

請求項18

真空誘電体を形成するために前記第2のチャンバを排気するためセンサボディ内に形成された排気ポートをさらに備えている請求項17記載の送信機。

請求項19

前記第2のチャンバを排気して真空誘電体を形成するために、前記第1のチャンバを通って前記第2のチャンバに延在している排気管をさらに備えている請求項17記載の送信機。

請求項20

前記プロセス媒体入口をプロセス媒体の供給源に接続するための接続具をさらに備えている請求項17記載の送信機。

技術分野

0001

プロセス制御業界ではプロセス変数遠隔で検知するためにプロセス変数送信機等のフィールドデバイスが使用される。フィールドデバイスつまりプロセス変数送信機の一形式ではプロセス圧力監視するための静電容量式圧力センサを含んでいる。

背景技術

0002

静電容量式圧力センサにはさまざまな誘電体材料が使用されてきた。例えば、誘電体材料としてオイルまたはその他の流体が使用された流体充満構造が採用されることがあった。他の構造では誘電体材料として真空を使用することが要求される。真空誘電体は、低複雑性構造が可能であり、コスト低減が可能であり、非オイル充満であり、より高精度が可能であり、かつ/またより高い安定性が可能である。しかしながら、真空誘電体構造であるために、これらのセンサは一般的にプロセスのゲージ圧(例えば、環境気圧つまり大気圧のような特定圧力に関するプロセス圧力)ではなく絶対圧を測定するだけである。ゲージ(Gage)圧は、「Gauge」圧としても知られる。

発明が解決しようとする課題

0003

プロセスのゲージ圧を測定するための従来の圧力センサの構成では、いろいろなやり方が使用されてきた。例えば、ゲージ圧を概算するように校正された圧力オフセット組み入れられた高圧力センサシールドパッケージとして販売されている。その他の構造は大気圧を測定するための第2のセンサを付加しており、推定ゲージ圧を提供するため電子機器またはソフトウェアを使用することによって測定圧力は調節されていた。これは、圧力センサにコストを付加する。さらに他の構造では、大気(空気)を誘電体材料にすることを可能にするが、温度不安定誤差をもたらすことがあり、かつ腐食環境で使用する能力を制限することがある。これらさまざまな試みは共通して、精度、コスト、安定性または信頼性に悪影響があるので、これらの悪影響を伴わないで正確にゲージ圧を測定することができる新規な圧力センサの構造は非常に有益である。

課題を解決するための手段

0004

フィールドデバイスは、プロセス媒体のゲージ圧を測定するように構成された静電容量式圧力センサを含んでいる。圧力センサのセンサボディは第1および第2のチャンバを含んでいる。第2のチャンバは真空下にあって圧力センサ用の真空誘電体を形成する。大気基準ポートがセンサボディ内に形成され、第1のチャンバを環境大気圧平衡に保持する。センサのプロセス媒体入口はプロセス媒体源に接続するように構成される。センサは第2のチャンバと媒体入口との間に、導電性かつ可撓性のダイアフラムを有する。第2のチャンバ内には、ダイアフラムの撓みが静電容量の変化を生じるように、ダイアフラムと関連させて容量性プレートが配置される。フィールドデバイスはさらにプロセス媒体のゲージ圧を示すセンサ信号を発生するセンサ回路と、プロセス通信ループを介してセンサ信号に関する情報を送信する送信機回路とを含んでいる。

発明の効果

0005

本発明によれば、精度、コスト、安定性または信頼性についての悪影響を伴うことなく、正確にゲージ圧を測定できる新規な圧力センサを提供することができる。

図面の簡単な説明

0006

開示された概念および実施形態を含むプロセスゲージ圧送信機つまりフィールドデバイスを示す図である。
図1に示されている送信機の一部分を示す図である。
図1に示されている送信機の一部分を示す図であって、容量性プレート電極および感知ダイフラム間の間隙を変化させるプロセス圧力に応答して撓む感知ダイアフラムを示す。
図3に示されている容量性プレート電極および感知ダイアフラム間の間隙をプロセス圧力の関数として示す図である。
図1に示されている送信機の、センサボディ内に排気口が形成されている第2実施形態の図である。
図1に示されている送信機の、排気管が設けられている第3実施形態の図である。

実施例

0007

開示されている実施形態はプロセスのゲージ圧力を測定する従来の静電容量式圧力センサの問題に対処している。ゲージ圧は大気圧をゼロ基準とする。言い換えれば、プロセスのゲージ圧は、周囲領域中の大気圧を、プロセスで測定した絶対圧から減算したものと同等である。

0008

開示されている実施形態は、副次的な気圧センサを使用しないゲージ圧の測定法を提供するとともに、温度不安定性を低減し、かつ/また従来の静電容量式ゲージ圧センサの構造を超えたその他の効果を提供するために真空誘電体を使用している。

0009

図1は典型的な静電容量式ゲージ圧送信機、つまり開示されている実施形態が有用なフィールドデバイス100を示す。図2圧力送信機の部分をより詳細に示す。圧力送信機100は一般的にはセンサボディ110に接続された送信機ボディ105を含んでいる。送信機ボディ105は送信機の処理回路および通信回路を収容する電子回路ハウジングとして作用する。

0010

センサボディ110は、その中に形成されたメインチャンバ111を有している。メインチャンバ111は、それ自体が、センサボディ内に形成される第1および第2チャンバである第1および第2部分112および113を含んでいる。センサボディ110は開示された実施形態に従った静電容量式ゲージ圧センサを収容する。また、送信機ボディ105およびセンサボディ110は一体の機器として形成することができる。

0011

センサボディ110は、プロセス流体すなわち媒体120のゲージ圧を測定するためにプロセス容器または通路に接続されるように構成される。実施形態において、センサボディ110は、プロセス媒体120の供給源に対するアクセスを提供する接続具フィッティング)115を有するか、または接続具115に接続される。接続具115は、プロセス媒体が感知ダイアフラム130と接触できるように、その中に配置されている感知ダイアフラム130を有する入口125に隣接している。感知ダイアフラム130は第2部分つまりチャンバ113とプロセス媒体入口125との間に配置された導電性かつ可撓性を有するダイアフラムである。

0012

また、センサボディ110内には、例えばセラミック絶縁体である絶縁体135がある。ガラスと金属とをつなぐヘッダー材料(header material)である絶縁体150はチャンバ112および113を有するセンサボディをシールする。一つ以上の容量性プレートつまり金属電極140が第2チャンバ113内の絶縁体ボディ135上で導電性かつ可撓性のダイアフラム130に関連して配置され、ダイアフラムの撓みが電極140とダイアフラム130との間に静電容量の変化を生じさせる。一つの実施形態では、金属電極はリング状である。静電容量または静電容量の変化はプロセス媒体120のゲージ圧に関連付けられ、したがって、プロセス媒体のゲージ圧を示す。絶縁体ボディ135と導電性かつ可撓性のダイアフラム130との間に低伸縮性スペーサ145を配置することができ、プロセス媒体120の圧力に曝されたときにダイアフラム130の撓みを促して大気圧に応答する。

0013

プロセス媒体からの圧力の存在によって撓んだダイアフラム130を示す送信機100の一部の図である図3を一時的に参照する。ダイアフラム130との接触を維持しているスペーサ145によって、電極140とダイアフラム130との間の間隙147は増減する。間隙147とプロセスゲージ圧との関係を図4に示す。プロセスゲージ圧がダイアフラムを撓ませて電極140から遠ざければ、電極140とダイアフラム130との間の静電容量は低減する。静電容量の変化は図4に示された間隙曲線と逆に関連し、ゲージ圧が増大して間隙を大きくすれば静電容量は低減する。

0014

再び図1を参照すると、電極140との電気的接続手段を提供するピン155が示されている。ピン155は絶縁体135を通って延在することができる。実施形態において可撓性導線160はピン155と電極導体165とを電気的に接続する。電極導体165はセンサ回路185に電気的に接続する。静電容量式ゲージ圧センサに(すなわち、電極140およびセンサボディとの接続を介して)接続されるセンサ回路185は静電容量式ゲージ圧センサの静電容量に基づいてセンサ信号186を生じる。センサの静電容量はプロセス媒体のゲージ圧を示すものであるので、センサ信号はプロセス媒体のゲージ圧を示す。送信機回路190がセンサ回路185に接続される。送信機回路190はプロセス通信ループ195を介してセンサ信号に関連する情報を送信するための通信回路を含んでいる。図示のように、センサ回路185および送信機回路190は送信機ボディつまり電子回路ハウジング105内に収容されることができる。

0015

開示された実施形態において、圧力送信機100はプロセス媒体120のゲージ圧の測定を可能にする一方、さらに、真空誘電体を使用してその効果をあげることができる。図1に示しているように、静電容量式ゲージ圧センサはメインチャンバ111内に配置された薄い環状ダイアフラム170を含んでいる。薄い環状ダイアフラム170は、例えば絶縁体ボディ135の周囲に延びる型打ちされた(stamped)ワッシャ等の箔材料であることができる。例えば、薄い環状ダイアフラム170の材料としてステンレス鋼のような金属を含む。薄い環状ダイアフラム170として使用される具体的な材料は、熱膨張特性に基づいて、かつ絶縁体ボディ135とセンサボディ110との間で薄い環状ダイアフラムがどのように接続されるかによって選択されることができる。薄い環状ダイアフラム170は導電性かつ可撓性のダイアフラム130よりもさらに撓みやすくなければならない。

0016

典型的な実施形態において、薄い環状ダイアフラム170は、セラミック材料によって作られる絶縁体ボディ135とセンサボディ110とにろう付けまたは抵抗シーム溶接(RSW)される。セラミック材料は薄い環状ダイアフラム170が接続される領域が金属化されることができる。

0017

図1に見られるように、薄い環状ダイアフラム170および絶縁体ボディ135は、協働してメインチャンバ111を二つの小さなチャンバつまりチャンバ112および113に分離する。第2のチャンバ113は真空下に維持されて圧力センサ用の真空誘電体175を形成する。大気基準ポート180がセンサボディ110に形成され、貫通して延在しており、第1のチャンバを環境大気圧PATMに維持する。センサボディの、第1のチャンバ112内の圧力と、送信機つまりフィールドデバイスのセンサボディを(外側から)取り囲む環境大気圧PATMとを平衡に維持するための大気基準ポートを含むことによって、プロセス媒体120の真のゲージ圧測定値を形成することができる。他の実施形態では、第1のチャンバ112と送信機100を取り囲む周囲環境との間にわずかな変化が存在することがあるが、第1のチャンバ112の圧力はフィールドデバイスを取り囲む環境大気圧と近接もしくは関連した関係に維持される。

0018

開示された実施形態の構造は、環境大気圧が、絶縁体135およびスペーサ145を経由して導電性かつ可撓性の感知ダイアフラム130を押しつけるのを可能にする。したがって、ダイアフラム130は一方側の大気圧および他方側のプロセス圧を有する圧力強さの加算接点として作用する。その結果、真のゲージ圧が測定されるとともに、真空誘導体を使用する能力が維持される。これによって、温度安定性を実現し、誘電特性における湿度の影響を制限し、かつ厳しい大気環境内での送信機の使用を可能にする。

0019

広範囲の種々の技術および構造を使用することによって、真空誘導体を有する送信機を構成することができる。例えば、構成要素を真空下で溶接することを可能にする接合技術は知られている。薄い環状ダイアフラム170を真空下で絶縁体135およびセンサボディ110に取り付けた場合、送信機を真空から移動させた後も、真空誘電体175が維持される。

0020

図5に示されている排気ポート205を使った送信機200内に他の技術を使って真空誘電体175が形成される。排気ポート205がセンサボディ110内に形成され、第2のチャンバ113を排気して真空誘電体を形成するために使用される。チャンバ113から気体を除去した後、排気ポート205は固定的に、または取り外し可能な材料206で充填されてチャンバ113をシールし、真空を維持する。別の実施形態では、材料206は、シールするかまたは選択的にシールしないための栓または他の機構であることができる。他の点は、送信機200は図1に示した送信機100を参照して記述したようにできる。

0021

図6を参照して真空誘導体175を作るための他の技術を示す。図6に示すように、送信機300において排気管305がこの目的のために付加される。この例の実施形態では排気管305は、第2のチャンバ113を排気するために、第1のチャンバ112を通って、第2のチャンバ113に延長される。排気管305は、例えば絶縁体135を通過して延長することができる。排気管305はその他の方法で迂回することもできる。チャンバ113を排気後、排気管は真空誘電体を維持するためにシールされる。その他の点は、送信機300は図1に示した送信機100を参照して説明したようにできる。

0022

本発明をいくつかの代替実施形態を参照しつつ説明したが、当業者は本発明の精神及び範囲から離れることなく形式や詳細を変形できることを認識できるだろう。

0023

100,200,300…送信機、 110…センサボディ、 111…メインチャンバ、 112…第1のチャンバ, 113…第2のチャンバ、 120…プロセス媒体、 130…ダイアフラム、 135,150…絶縁体、 140…電極、 145…低伸縮性スペーサ、 170…薄い環状ダイアフラム、 185…センサ回路、 190…送信機回路、 205…排気ポート、 305…排気管。

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