(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に形成されたキャビティを有する圧力センサ本体と、
前記キャビティを通して前記圧力センサ本体内部に延びる圧力接点と、
前記圧力接点を通して前記キャビティに加えられた圧力に応じて撓むように構成された、前記キャビティ内の可撓性ダイヤフラムと、
前記可撓性ダイヤフラムによって担持された前記キャビティ内の電極と、
前記圧力センサ本体の外側に伸びる、前記電極との電気接点と、
を含み、
前記圧力センサ本体を導電材料で形成し、前記可撓性ダイヤフラムを絶縁材料で形成し、
前記電極が、前記圧力センサ本体とともに可変コンデンサを形成するように構成され、加えられた圧力に応じて変動する静電容量を提供する、プロセス流体の圧力を感知するための圧力センサ。
【請求項２】
前記可撓性ダイヤフラムが、剛性材料を含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記可撓性ダイヤフラムが、結晶材料を含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記可撓性ダイヤフラムが、シリコン、石英、サファイアおよびスピネルからなる材料群から選択される材料を含む、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記圧力センサ本体が、金属を含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記圧力センサ本体が、２つのセンサ半体から形成される、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記可撓性ダイヤフラムが、２つのダイヤフラム半体から形成される、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記圧力センサ本体とともに第２の可変コンデンサを形成するように構成された、前記可撓性ダイヤフラムによって担持された前記キャビティ内の第２の電極を含む、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記電極および前記第２の電極が、前記可撓性ダイヤフラムの反対側にある、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
２つの前記電極が、前記可撓性ダイヤフラムの一方側に配置され、２つの前記電極が、前記可撓性ダイヤフラムの反対側に配置される、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記可撓性ダイヤフラムが、前記圧力センサ本体のキャビティに加えられたライン圧力に応じて変形するように構成された内側ダイヤフラムキャビティを含む、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記内側ダイヤフラムキャビティが、加えられたライン圧力に基づいて変化する可変静電容量を形成するように構成された電極を含む、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記圧力センサ本体の前記キャビティが差圧を受け、前記可撓性ダイヤフラムの撓みが差圧に基づく、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記圧力センサ本体または前記可撓性ダイヤフラムの温度を測定するように構成された温度センサを含む、請求項１記載の装置。
【請求項１５】
前記可撓性ダイヤフラムから前記圧力センサ本体の外側への電気接点が設けられた、前記可撓性ダイヤフラムからの突起を含む、請求項１記載の装置。
【請求項１６】
前記電極が前記可撓性ダイヤフラムの表面に付着される、請求項１記載の装置。
【請求項１７】
圧力センサ本体のキャビティ内に可撓性ダイヤフラムを設けることと、
前記圧力センサ本体を導電材料で形成し、前記可撓性ダイヤフラムを絶縁材料で形成すること、
前記可撓性ダイヤフラムによって担持された電極を前記圧力センサ本体の前記キャビティ内に備えることと、
前記電極を、前記圧力センサ本体とともに可変コンデンサを形成するように構成することで、加えられた圧力に応じて変動する静電容量を提供することと、
前記圧力センサ本体を通して前記可撓性ダイヤフラムに圧力を加えて、その結果撓みを生じさせることと、
前記可撓性ダイヤフラムによって担持された前記電極と、前記圧力センサ本体との間の静電容量の変化を測定することと、
測定された静電容量の変化に基づいて、圧力を定めることと、
を含む、プロセス流体の圧力を感知する方法。
【請求項１８】
前記電極が前記可撓性ダイヤフラムの表面に付着される、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、圧力センサに関する。より具体的には、本発明は、可撓性ダイヤフラムを用いて圧力を測定するタイプの圧力センサに関する。
【０００２】
発明の背景
トランスミッタは、プロセス監視制御システムで、工業用プロセスのさまざまなプロセス変数を測定するために用いられる。一つのタイプのトランスミッタは、プロセス内のプロセス流体の圧力を測定する。そのようなトランスミッタで用いられる圧力センサでは、さまざまな技術が用いられてきた。一つの周知技術は、可撓性の金属ダイヤフラムを用いることである。コンデンサの容量性プレートの一つを形成する金属ダイヤフラムによって、ダイヤフラムに関する静電容量が測定される。圧力が加えられることによりダイヤフラムが撓むと、測定された静電容量が変化する。そのような構成では、圧力測定での誤差の数多くの原因がある。
【０００３】
これらの誤差に対処する一つの技術は、２００１年１０月２日発行のFrickらの米国特許第6,295,875号、発明の名称“PROCESS PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION”に記載され、これは全体を参照することにより、本明細書に組み入れられる。この特許は、測定誤差の低減に用いるための付加的な電極を含む差圧センサについて記述している。
【０００４】
発明の概要
プロセス流体の圧力を感知するための圧力センサは、センサ本体内部のキャビティを通した圧力接点を備えるキャビティを有するセンサ本体を含む。キャビティ内の可撓性ダイヤフラムは、圧力接点を通してキャビティに加えられた圧力に応じて撓む。ダイヤフラム上の電極は、圧力センサ本体を伴う可変コンデンサを形成し、加えられた圧力に応じて変動する静電容量を提供する。
【０００５】
詳細な説明
本発明は圧力センサを提供し、可撓性ダイヤフラムに容量性プレートを設け、加えられた圧力に応じて変動する静電容量を提供する。以下に述べるように、本構成は、製造、誤差の低減および改善された性能に関する数多くの利点を提供する。
【０００６】
図１は一般的に、プロセス測定システム３２の環境を示す。図１は、加圧下にある流体を包含し、プロセス圧力を測定するためのプロセス測定システムに結合されたプロセス配管３０を示す。プロセス測定システム３２は、配管３０に接続されたインパルス配管３４を含む。インパルス配管３４は、プロセス圧力トランスミッタ３６に接続される。一次要素３３、たとえばオリフィスプレート、ベンチュリ管、フローノズル等は、プロセス配管３０内のインパルス配管３４のパイプの間の位置で、プロセス流体に接触する。一次要素３３は、流体が一次要素３３を通るとき、流体に圧力変化を生じさせる。
【０００７】
トランスミッタ３６はプロセス測定装置であり、インパルス配管３４を通してプロセス圧力を受ける。トランスミッタ３６はプロセス差圧を感知し、プロセス圧力の関数である標準化された伝送信号を出力する。
【０００８】
プロセスループ３８は、制御室４０からのトランスミッタ３６への電力信号と、双方向通信との両方を提供し、数多くのプロセス通信プロトコルによって構築することができる。図示された例では、プロセスループ３８は２線式ループである。２線式ループを用いて、４−２０ｍＡ信号による通常動作中、トランスミッタ３６へのすべての電力と、トランスミッタ３６への、およびトランスミッタ３６からのすべての通信とを伝送する。モデム４４または他のネットワークインターフェイスを通したコンピュータ４２または他の情報ハンドリングシステムは、トランスミッタ３６との通信に用いられる。リモート電圧電源４６は、トランスミッタ３６に電力供給する。本発明は、ループ３８を組み込んでいる環境に限定されない。ワイヤレス等他の通信媒体、および異なるワイヤレス技術を含む他の通信技術に加え、異なる通信プロトコルを、スタンドアローンの装置で用いることができる。
【０００９】
図２は、圧力トランスミッタ３６の簡略化されたブロック図である。圧力トランスミッタ３６は、データバス６６を通して共に結合されたセンサモジュール５２および電子基板７２を含む。センサモジュール電子機器６０は、加えられた差圧５４を受ける圧力センサ５６に結合される。データ接続５８は、センサ５６をアナログ・ディジタル変換器６２に結合させる。また、選択的に設置可能な温度センサ６３が、センサモジュールメモリ６４とともに図示されている。以下に記述するように、温度センサ６３は、圧力センサ５６と一体形成することができる。電子基板７２は、マイクロコンピュータシステム７４、電子メモリモジュール７６、ディジタル・アナログ信号変換器７８、およびディジタル通信ブロック８０を含む。
【００１０】
差圧を測定するための一つの技術は、Frickらの米国特許第6,295,875号に記載されている。しかし、本発明は、そのような構成に限定されない。
【００１１】
図３Ａは、本発明による圧力センサ５６を示す側断面図である。圧力センサ５６は半体１４２および１４４によって形成された圧力センサ本体１４０を含み、半体はその内部に形成された凹部領域１４６および１４８をそれぞれ有し、凹部領域はそれらの間にキャビティ１４９を形成する。可撓性ダイヤフラム１５０は、キャビティ１４９内に取り付けられ、キャビティ１４９は、インパルス配管９４に結合する。ダイヤフラム１５０は、二つのダイヤフラム半体１５２および１５４で形成される。中央コンデンサプレートまたは電極１６２、１６４は、ダイヤフラム半体１５２および１５４にそれぞれ設けられる。同様に、ダイヤフラム半体１５２には、外側のコンデンサプレートまたは電極１６６が設けられ、一方でダイヤフラム半体１５４には、外側のコンデンサプレートまたは電極１７２が設けられる。コンデンサプレート１６２、１６４、１６６、１６８、１７０および１７２は、センサ本体１４０を伴い各々６つ電気コンデンサに用いられる。接触突起１８０は、中央ダイヤフラム１５０から延び、その上に電気接点１８２が設けられる。電気接点１８２は、１７２を通して、６つのコンデンサプレートまたは電極１６２のそれぞれに接続する。
【００１２】
図３Ｂは、コンデンサプレート１６２および１６６の配列を含む、可撓性ダイヤフラム１５０を更に詳細に示す正面平面図である。図３Ｃは、ダイヤフラム半体１５４およびセンサ半体１４４を示す側面斜視図である。図３Ｃはまた、突起１８０の接点１８２に、コンデンサプレートまたは電極１７０、１６４を電気的に接続する電気接続１９２および１９６を図示する。図３Ａおよび３Ｂはまた、ダイヤフラム１５０に形成されて、所与の圧力でダイヤフラム１５０の撓み量を増加させることができる環状ノッチ２００を示す。
【００１３】
動作中、インパルス配管９４を通して、ダイヤフラム１５４の両側に差圧が加えられる。これにより、キャビティ１４９内でダイヤフラム１５０に撓みが生じる。ダイヤフラム１５０が撓むと、センサ半体１４２および１４４によって形成されるキャビティ１４９の側面に対応する、コンデンサプレート１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２の間の距離が変化する。各コンデンサプレート１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２の間の電気容量は、センサ本体１４０に対応して測定され、加えられた差圧と相関させることができる。ダイヤフラム１５４の撓み量は、加えられた圧力のほか、ダイヤフラム１５４で用いられた材料と、ダイヤフラム１５４の寸法との関数である。図３Ａ〜３Ｂはまた、ダイヤフラム１５０に形成されて、所与の圧力でダイヤフラム１５０の撓み量を増加させることができる環状ノッチ２００を示す。
【００１４】
一つの好ましい構成では、ダイヤフラム１５０は、絶縁性結晶材料、たとえばシリコン、石英、サファイア、またはスピネルで形成される。電極は、金属を含むことができ、ダイヤフラム１５０に付着させるかまたは埋め込みすることができる。センサ本体１４０は、導電材料、たとえば金属で形成される。本構成により、ダイヤフラム１５０が組み立てられた後、半体１４２および１４４に取り付けられることが可能になる。別の構成では、本体１４０は、非導電材料であり、各コンデンサプレート１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２に対応する電気コンデンサ用の導電材料を含む。一方、いくつかの先行技術の構成では、コンデンサプレートは、センサ本体に形成されたキャビティの壁に設けられる。このことは、センサ本体が絶縁材料、たとえばガラスで満たされることを必要とする。そのような構成では、導電性のダイヤフラムが用いられる。
【００１５】
一つの選択的な構成では、キャビティ１４６の内壁か、またはダイヤフラム１５０に、特徴部分１７７が設けられる。特徴部分１７７は、過剰な圧力が生じて、ダイヤフラム１５０がキャビティ１４６の内壁の一つに対して押圧された場合、力を分散させるように構成される。
【００１６】
本発明の圧力センサ５６は、任意の適切な技術を用いて組み立てることができる。たとえば、二つのダイヤフラム半体１５２および１５４は、ともに融合させて、完全なダイヤフラム１５０を形成することができる。さらなる特徴として、たとえばダイヤフラムの形状およびヒンジ点を、所望のとおりに製造することができる。いくつかの実施形態では、ダイヤフラム１５０に、圧力センサ５６の温度測定で用いるための温度センサ２１０が加工される。温度を用いて、圧力測定での温度関連の誤差を補償することができる。また、温度信号は、プロセス流体に関する他の情報を判断するために、たとえば流量算出での使用に用いることができる。
【００１７】
一つの実施形態では、完全なダイヤフラム１５０は、キャビティ１４９からセンサ本体１４０を通って本体１４０の外に延びる突起１８０を備える２つの金属製センサ半体１４２および１４４の間に溶接される。突起１８０が二つのセンサ半体１４２および１４４と交わる領域は、たとえばろう付け技術を用いてシールすることができる。本構成は、いくつかの先行技術構成で用いられているようなガラスではなく、半導体材料に取り付けることができる電極を備えたソリッドステートセンサを提供する。これにより、ヒステリシスが減少し、改善された安定性が提供される。さらに、ダイヤフラム１５０の高圧側および低圧側のコンデンサ電極はきわめて接近したままであり、このことは、温度限界を超える改善された性能をさらに提供する。中央ダイヤフラム１５０は、標準的な半導体製造技術を用いて製造することができ、これにより製造の簡略化、コスト低減およびより優れた公差管理が可能になる。センサの特徴部分、たとえばヒンジ点、キャビティ形状、電極、電極リード線および温度センサは、先行技術の設計で用いられているようなガラス／金属圧力センサハーフセルにではなく、半導体中央ダイヤフラム構造に、エッチングするか、蒸着させるかまたは別の方法で形成される。これにより、製造が簡略化され、製造コストが低くなり、改善された性能につながるより優れた公差管理が提供される。
【００１８】
図３Ａを再度参照すると、ダイヤフラム１５４の中の、ダイヤフラム半体１５０および１５２の間に位置付けられた、選択的に設置可能な内側キャビティ２２０が図示されている。容量性プレートまたは電極２２２、２２４は、内側キャビティ２２０の側壁上に配置される。内側キャビティ２２０は、容量性プレート２２２および２２４の間の間隔が、加えられたライン圧力の関数として変化するように構成される。この選択的な構成は、ライン圧力とともに、インパルス配管９４を通してダイヤフラム１５０に加えられる差圧も測定可能にする。そのような構成では、電気接点は、コンデンサプレートまたは電極２２２、２２４に接続する突起１８０上に設けられる。
【００１９】
図４は、圧力センサ５６を示しているセンサモジュール５２の、一つの実施形態の簡略化された断面図である。圧力センサ５６は、キャビティ９２からプロセス流体を分離する分離ダイヤフラム９０を通してプロセス流体に結合する。キャビティ９２は、インパルス配管９４を通して、圧力センサモジュール５６に結合する。実質的に非圧縮性の充填流体は、キャビティ９２およびインパルス配管９４を満たす。プロセス流体からの圧力がダイヤフラム９０に対して加えられると、圧力は、インパルス配管９４内の充填流体を通して、圧力センサ５６に伝達される。
【００２０】
本発明のセンサでは、特徴部分、たとえばヒンジ点、キャビティ形状、電極、電極リード線および温度センサは、いくつかの設計で用いられているようなガラス／金属ハーフセルではなく、固体構造に、エッチングするか、蒸着させるかまたは別の方法で形成することができる。これにより、製造コストが低減し、改善された性能を可能にするより優れた公差管理が提供される。さらに、圧力センサの外側は、金属体で形成され、これにより過度の超過圧力を容易に包含することができる。本構造は、任意の適切な技術、たとえばレーザ溶接またはろう付けを用いて、形成し取り付けることができる。変化する静電容量に基づいて、加えられた圧力を判断するために用いられる測定回路を、突起１８０にきわめて接近させて取り付けることができる。これにより、電気接続からコンデンサプレートへの浮遊静電容量による誤差が低減する。いくつかの構成では、本回路は突起１８０上に直接設けられる。そのような構成では、測定回路は、突起１８０に取り付けられるか、または突起１８０上に直接製造されることができる。
【００２１】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、形態および細部に変更を加えてもよいことが認識されるであろう。圧力測定は、任意の適切な技術を用いて、上述の圧力センサを用いて行われてもよい。一つの技術例は、2005年5月27日出願の米国特許出願番号第11/140,681号、Line Pressure Measurement Using Differential Pressure Sensorに記載され、これは参照により本明細書に組み入れられる。図面に図示された、４つの異なるコンデンサが形成されている特定の構成を用いて、出願番号第11/140,681号に記載されたような誤差の較正を行うことができる。一つの実施形態では、単一のコンデンサ、二つのコンデンサ等を含む任意の数のコンデンサが用いられる。本発明は、任意の特定の数のコンデンサまたはコンデンサプレートの構成に限定されない。上記の明細書では、オイル充填流体について論じているが、空気または気体充填を含む他の充填流体を用いてもよい。ダイヤフラムは、所望のとおりに撓むように構成することができる。一つの構成では、ダイヤフラムの撓みは、１オングストロームより小さくしてもよい。中央ダイヤフラム構造は、特定の実施のため、所望のとおりに、任意の形状および／または特性を有することができる。たとえば、ダイヤフラムは、一定点での曲げを促進するためのヒンジ特性、シーリング特性等を有することができる。これにより、ダイヤフラムが特定の環境でのセンサ、たとえば差圧センサの性能のために最適化されることが可能になる。これらの特性および形状は、基本部分に追加の構造が付加される加法的な技術、または基本部分から材料を除去して、所望の形状または特性を形成する減法的な技術の両方を含む、任意の適切な方法を用いて形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によって構築されたプロセストランスミッタを備えるプロセス測定システムを示す。
【図２】図１のトランスミッタの概略図である。
【図３Ａ】本発明による圧力センサの側断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示された圧力センサのダイヤフラムの正面平面図である。
【図３Ｃ】図３Ａのダイヤフラムの半体と、図３Ａのセンサ本体の半体とを示す斜視図である。
【図４】プロセストランスミッタ内に配置された圧力センサの、簡略化された断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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