(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶圧力センサの状態を検定する方法であって、
該方法が、
抵抗要素と、印加された圧力で変化する少なくとも一つの電気特性を持つ圧力感知要素とを有する単結晶圧力センサを提供することと、
第１の出力を前記圧力感知要素に結合することと、
前記圧力センサを加熱するために、前記抵抗要素を通して電流を印加することと、
前記圧力センサの前記熱に対する応答を測定するために、前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることと、
前記応答に基づいて検定出力を提供することとからなり、
前記抵抗要素は、前記圧力センサ内に配置された温度センサであり、圧力センサを加熱し、それによって、熱に対して圧力センサで反応を決定するのに用いられる少なくとも１つの出力を提供するために、熱への反応を検知するために用いられる検定方法。
【請求項２】
前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることが、前記第１の出力をモニタすることを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項３】
前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることが、さらに、印加圧力で変化する電気特性をもたない第２の出力をモニタすることを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項４】
前記第２の出力が前記単結晶圧力センサの基準コンデンサに結合されている、請求項３に記載の検定方法。
【請求項５】
前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることが、温度センサ出力をモニタすることを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項６】
前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることが、電流が印加されている間に、少なくとも一つの出力をモニタすることを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項７】
前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることが、前記電流がもはや印加されなくなった後の少なくとも一つの出力を即座にモニタすることを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項８】
前記抵抗要素を通って電流を印加するステップと前記圧力センサの少なくとも一つの出力をモニタすることとが、プロセス流体圧力伝送器で実行される、請求項１に記載の検定方法。
【請求項９】
検定出力を提供するステップが、前記プロセス流体圧力伝送器で実行される、請求項８に記載の検定方法。
【請求項１０】
さらに、前記サファイア型圧力センサを非圧縮充填流体に晒すことを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項１１】
さらに、前記サファイア型圧力センサをプロセス流体に晒すことを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項１２】
検定出力を提供することが、前記モニタされた少なくとも一つの出力の大きさを分析することを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項１３】
検定出力を提供することが、前記モニタされた少なくとも一つの出力の時定数を分析することを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項１４】
検定出力を提供することが、前記モニタされた少なくとも一つの出力の波形を分析することを含む、請求項１に記載の検定方法。
【請求項１５】
前記電流がプロセス流体圧力伝送器により印加される、請求項１に記載の検定方法。
【請求項１６】
前記電流が、プロセス流体圧力伝送器の廃電力から集められる、請求項１５に記載の検定方法。
【請求項１７】
前記電流が、前記プロセス流体圧力伝送器の内部電力蓄積システムにより提供される、請求項１５に記載の検定方法。
【請求項１８】
前記内部電力蓄積システムが、スーパーコンデンサを含む、請求項１７に記載の検定方法。
【請求項１９】
前記内部電力蓄積システムが、バッテリを含む、請求項１７に記載の検定方法。
【請求項２０】
前記電流が、前記プロセス流体圧力伝送器が結合されるプロセス通信ループから供給される、請求項１５に記載の検定方法。
【請求項２１】
前記電流が、外部電源から印加される、請求項１に記載の検定方法。
【請求項２２】
前記方法が、プロセス流体圧力伝送器により、バックグランドタスクとして実行される、請求項１に記載の検定方法。
【請求項２３】
前記方法が、診断のための要請に応答して行われる、請求項１に記載の検定方法。
【請求項２４】
前記要請が、プロセス通信ループを介して受信される、請求項２３に記載の検定方法。
【請求項２５】
前記要請が、プロセス流体圧力伝送器のローカルユーザインタフェースを介して受信される、請求項２４に記載の検定方法。
【請求項２６】
前記単結晶圧力センサが、サファイアから構成されている、請求項１に記載の検定方法。
【請求項２７】
プロセス流体圧力測定システムであって、
伝送器電子機器を有し、プロセス流体圧力センサの電気特性を測定するように構成され、プロセス通信ループを介して圧力の示度を提供するプロセス流体圧力伝送器と、
前記プロセス流体圧力伝送器に結合された単結晶プロセス流体圧力センサであって、抵抗要素と、印加圧力で変化する少なくとも一つの電気特性をもちかつ第１の出力に結合される圧力感知要素とを有する前記単結晶プロセス流体圧力センサとを具備し、
前記プロセス流体圧力伝送器が、前記単結晶プロセス流体圧力センサの前記抵抗要素に電流を印加するように構成され、前記電流により発生された熱に対する前記プロセス流体圧力センサの電気応答をモニタし、前記電気応答に基づいて検定出力を提供するとともに、
前記抵抗要素は、前記圧力センサ内に配置された温度センサであり、圧力センサを加熱し、それによって、熱に対して圧力センサで反応を決定するのに用いられる少なくとも１つの出力を提供するために、熱への反応を検知するために用いられる、プロセス流体圧力測定システム。
【請求項２８】
前記単結晶プロセス流体圧力センサがサファイアから構成されている、請求項２７に記載のプロセス流体圧力測定システム。
【請求項２９】
前記圧力センサは、その中に形成された空洞を備え、圧力に対する応答に関連する動きを提供する空洞に結合する容量板を含んだ細長い部材で構成し、電気的な特性は、空洞の変形に関係する容量板の電気的容量から成る、請求項１に記載の検定方法。
【請求項３０】
前記圧力センサは、その中に形成された空洞を備え、圧力に対する応答に関連する動きを提供する空洞に結合する容量板を含んだ細長い部材で構成し、電気的な特性は、空洞の変形に関係する容量板の電気的容量から成る、請求項２７に記載のプロセス流体圧力測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶のプロセス流体圧力センサのための熱診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、多くの工業（産業）用途（industrial applications）で圧力を測定するのに用いられている。圧力センサの一つのタイプは、偏向ダイヤフラム型圧力センサとして知られている。これらの圧力センサでは、偏向ダイヤフラムに、直接に又は非圧縮充填流体を介して圧力が印加される。例えば容量板のような電極が、圧力に関連する偏向板の動きを容量のような電気特性に変える偏向ダイヤフラムに結合されている。偏向ダイヤフラム型圧力センサは、差圧、絶対圧、及びゲージ圧力センサに用いられている。
圧力センサは、しばしば、高いプロセス温度や腐食性プロセス流体といった苛酷な環境の中で動作する。そのような苛酷な条件の下で用いられる一つの技術は、圧力を測定される流体から圧力センサを離したり又は隔離したりすることである。一つの技術は、一方の側がプロセス流体に接し、他方の側が隔離流体に接する隔離ダイヤフラムを用いるものである。隔離流体は、隔離ダイヤフラムを圧力センサの感知ダイヤフラムに結合する。プロセス流体の圧力が変化すると、隔離ダイヤフラムは応答的に偏向し、隔離流体を介して圧力センサダイヤフラムに伝達される圧力に変化を生じる。隔離ダイヤフラムを備える圧力センサは、従来からよく知られている。しかしながら、そのような隔離されたシステムを作るためには、費用が高くなると共に複雑になる。さらに、流体は過圧や機械的な損傷のために漏れる可能性があり、それによって流体体積をロスしたり、プロセス流体により汚染された充填流体を生じたりすることになる。
【０００３】
いくつかの用途において、単結晶圧力センサを用いることが望まれている。単結晶圧力センサは、他のタイプの偏向ダイヤフラム型圧力センサ以上に、多くの効果を提供する。単結晶圧力センサは、極端に小さなヒステリシスと、高い周波数応答性と、化学的攻撃及び熱的破壊の両方に対しての極端に大きな抵抗力を提供する。一つの特定の単結晶圧力センサは、サファイアから作られる。単結晶圧力センサは化学的攻撃と熱的破壊に大変大きな抵抗力をもっているので、それは充填流体が用いられない用途又は応用装置に用いられることができる。このため、プロセス流体は、単結晶の圧力センサダイヤフラムに直接接触することができる。したがって、単結晶圧力センサは、いくつかの用途における、プロセス流体の圧力測定のための第１の選択肢(primary choice)である。
【０００４】
プロセス制御測定産業は、プロセス伝送、プロセス装置電子機器及びいくつかのプロセスセンサの良好度及び運転状態を測定するための診断能力については大きく発展させたが、単結晶圧力センサのためのそのような診断能力については発展させていない。米国特許第7,918,134号は、熱パルスがプロセス流体圧力伝送器中の充填流体に印加される圧力伝送器用の熱型診断システムを提供している。該熱パルスは充填流体の体積に影響を与え、該体積の変化は、圧力センサの動作を診断及び／又は検証するために、圧力センサで測定されることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，９１８，１３４号
【特許文献２】米国特許第６，０８９，０９７号
【特許文献３】米国特許第６，５０８，１２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのような診断は充填流体型プロセス流体圧力センサシステムには大変有用であるが、そのような充填流体を備えていない用途には適用できない。特に、いくつかの単結晶圧力センサの用途では、圧力センサの偏向ダイヤフラムはプロセス流体そのものに直接晒される。したがって、充填流体はないので、米国特許第7,918,134号の診断システムは用いることができない。
【０００７】
単結晶圧力センサに対する強化された診断と検定又は検査を提供することは、そのようなセンサを用いている用途又は応用装置に対しての信頼性を増大させ、現場保守を強化することになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
単結晶圧力センサの状態を検定又は点検する方法が提供される。この方法は、印加された圧力で変化する少なくとも一つの電気特性を有し、第１の出力と第２の出力とに結合されている単結晶圧力センサを提供することを含む。圧力センサはまた、少なくとも一つの抵抗要素をその中に有する。電流は、圧力センサを加熱するために該抵抗要素を通って印加される。圧力センサの少なくとも一つの出力は、電流で誘起された熱に対する圧力センサの応答を測定するためにモニタされる。検定又は検査出力（verification output）が該応答に基づいて提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単結晶プロセス流体圧力センサ、特にサファイア型圧力センサに対して、効率の良い診断又はその方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、特に有用な本願発明の一実施形態のプロセス流体圧力伝送器の分解斜視図である。
【図２】図２は、特に有用な本願発明の一実施形態のサファイア型圧力センサの斜視図である。
【図３】図３は、プロセス流体圧（Ｐ）を受圧した時の図２の圧力センサの斜視図である。
【図４】図４は、特に有用な本願発明の一実施形態のサファイア型圧力センサの分解斜視図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態によるサファイア型圧力センサに関しての診断方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
単結晶プロセス流体圧力センサ、なかんずくサファイア型単結晶プロセス流体圧力センサは、既知である。例えば、米国特許第６，０８９，０９７号と６，５０８，１２９号は、そのようなセンサの構造と有用性を報告している。本発明の実施形態は、一般的に、そのような単結晶プロセス流体圧力センサ、特にサファイア型圧力センサのための効率の良い診断又はその方法を提供する。本発明の実施形態により高効率で診断することは、検定又は検査能力を測る(meter)のに寄与する又は役立つ。さらに、サファイア型圧力センサの利用が増えてくると、強化された診断は他のコンテキスト(other contexts)で有用になるであろう。
【００１２】
図１は、特に有用である本発明の実施形態のプロセス流体圧力伝送器５０の分解斜視図である。伝送器５０は、差圧を受け取るためのフランジ５２、二つの絶対圧力センサカプセル（図示されていない）、及び電子機器５６を含んでいる。伝送器５０は、フランジアダプタ５８にボルト付けされており、該フランジアダプタ５８は、フランジアダプタ結合体(flange adapter union)６０又は他の接続ハードウェアに接続されたインパルスパイプに接続している。図１に示されているプロセス流体圧力伝送器は単なる一例に過ぎず、他のプロセス流体圧力伝送器も本発明の実施形態として用いられることができる。特に、エマーソンプロセスマネージメントから入手できる商業呼称ローズマウント（登録商標）モデル４６００として販売されている絶対圧力プロセス流体圧力伝送器は、本発明の実施形態を組み込んでもよい。
【００１３】
図２は、特に有用な本発明の実施形態の単結晶圧力センサの斜視図である。圧力センサ１００は、一般的にビーム（梁）の形に作られており、単結晶素材、例えばサファイアで作られた第１の層１０２と第２の層１０４とで構成されている。第１の層１０２と第２の層１０４はビーム形ボディ１０７を形成するように互いに接合されており、該ビーム形ボディ１０７は、第１の端部１０６と反対の端部１１０とをもち、流体の加圧に対応する１以上のダイヤフラム１０８を有している。第１及び第２の端部１０６，１１０は、プロセス流体容器壁１１２により分離されている。本質的に、圧力センサ１００は、壁１１２の孔を通過し、参照符号１１４で示されているように、それ（壁）にろう付け、溶接又は他の固定方法で固定されている。ろう付けによる固定は、加圧されたプロセス流体が第２の端部１１０にある電気接点パッドに達しないように流体バリアを提供する。このため、加圧された流体により接点パッドが腐食するのを回避できる。電気接点パッドとダイヤフラム１０８は、ビーム形センサボディ１０７の両端にあり、所望の機械的な隔離を提供する。これにより、電気リード線から及ぼされたいかなる力も、圧力感知ダイヤフラム１０８に到着する前に、大きく減衰されるようになる。
【００１４】
図３は、プロセス流体圧力（Ｐ）を受けている図２の圧力センサの斜視図である。図示されているように、プロセス流体圧力Ｐは、ダイヤフラム１０８の少なくとも一つを内方に変形する（図３には、この内方変形が誇張して示されている）。少なくとも一つのダイヤフラム１０８の変形は、ダイヤフラム１０８の内面に接着された容量板に変位をもたらす。この容量板の変位は、印加されたプロセス流体圧力を示す容量板間の容量に変化をもたらす。容量板は、印加された圧力で変化する電気特性を有する圧力感知要素の一つの例である。本発明の実施形態は、例えば、抵抗ひずみゲージを用いてもまた実施されることができる。
【００１５】
圧力伝送器及び／又は圧力センサが正確に動作していることが検証できることは、プロセス工業にとって重要である。圧力伝送器のデバイス（機器）の診断は、現在では、単結晶偏向ダイヤフラム圧力センサとの関連で、特にセンサ及びセンサシステムの良好度(health)を測定する能力に限定されている。
【００１６】
サファイア型圧力センサは精密に作られた装置であり、そのようなセンサの検定又は検査（verification）を迅速かつ正確に行うことができるようにすることは重要である。現在のサファイア型プロセス流体圧力センサは、一般的に、（少なくとも一つの偏向ダイヤフラムの偏向に基づいて変化する）測定容量、（ダイヤフラムの偏向では変化しないが、例えば温度のような他の全てのものに関して前記測定容量と同じように変化する）基準容量及び温度測定を提供する。典型的には、そのようなセンサは、容量信号がコモンリード線を共同使用するから、５つの端子を持っている。
【００１７】
本発明の実施形態は、一般に、診断テストの間電力を供給されて、Ｉ２Ｒの熱を創生する抵抗体である温度センサを利用する。温度センサ（瞬間加熱器(momentary heater)）から印加された熱は、センサの構造を機械的に膨張させることにより、圧力センサに影響を与えるであろう。簡単な一実施形態の例では、圧力の最後の温度補償値での出力を保持し、温度センサを通る電流を通らないようにし、容量センサの過渡応答を測定し、その後正常動作に切替復帰（switch back）するようにしている。誘起された熱パルスに対しての温度センサの応答が適切な場合には、センサも、センサ電子機器も、またセンサ相互接続も良好（正常）であることを示しているであろう。
【００１８】
ここで留意すべきことは、サファイア型プロセス流体圧力センサは、典型的には、真空下でのセンサの内部体積で絶対圧力を測定することである。このため、熱は圧力変化を起こさない。センサが、例えばローズマウント（登録商標）モデル４６００のようなオイル充満システムの中に浸された場合には、熱は潜在的にオイルを膨張させ圧力の増加を生ずるであろう。しかしながら、この増加した圧力は、オイルの比較的大きな体積のために、ほんのわずかな信号を生ずるだけであろう。したがって、この発明の一実施形態は、オイル充填圧力センサで用いられることができる。
【００１９】
図４は、本発明の実施形態が特に有用であるサファイア型プロセス流体圧力センサの分解斜視図である。層１０２は、偏向ダイヤフラム１０８の内面に配置されたセンサコンデンサ（sensor capacitor）１１６を含んでいる。上部電極１１８、１２０は、層１０２上の関連する構造と対向させて設けられ、センサコンデンサと基準コンデンサを形成している。温度センサ１２２は、好ましくはタングステンのような高温金属で作られ、一実施例では、１５００オームの公称抵抗値を有する。タングステンＲＴＤの温度係数は、５．４オーム／°Ｃでは比較的リニア（linear）である。
【００２０】
図５は、本発明の一実施形態によるサファイア型圧力センサに診断を行う方法のフローチャートである。方法１５０は、好ましくはサファイアで構成され、印加された圧力で変化する少なくとも一つの電気特性を有し、その中に少なくとも一つの抵抗要素を有する単結晶圧力センサを提供することを含んでいる。方法１５０は、ブロック１５２で始まり、このブロックでは、プロセス流体圧力センサが加熱されるか又は一時的に熱ショックが与えられる。熱は、適当な熱源を用いて与えられることができる。好ましくは、熱は、圧力センサ内の金属抵抗要素を加熱要素として用いて印加されることができる。より好ましくは、この要素は抵抗温度装置を兼ねている。電力は、廃伝送器電力(scavenged transmitter power)、スーパーコンデンサやバッテリ等の内部蓄電システム、伝送器のループ電力、外部電力、又はそれらを組み合わせたものを含む適当な電源から前記内部抵抗要素に印加されることができる。スーパーコンデンサが用いられる実施形態では、（静止電流と２０ｍＡとの間の）過剰な伝送器電力を数分間スーパーコンデンサに充てることにより、該スーパーコンデンサは診断テストシーケンスの間にトリクル充電（trickle charge）又は充電されることができる。次いで、スーパーコンデンサは熱パルスを生成するために、温度センサ中に急速放電される。
【００２１】
熱用の電源が何であれ、プロセス流体圧力センサの少なくとも一つの電気特性は、熱が印加されている時及び熱の印加後であっても、ブロック１５４に示されているようにモニタされ及び／又は記録される。モニタは、抵抗要素の抵抗をモニタすること、基準容量の容量（キャパシタンス）をモニタすること、測定コンデンサの容量をモニタすること、又はこれらの組合せを含むことができる。次に、ブロック１５６で、プロセス流体圧力伝送器の伝送器電子機器、例えばマイクロプロセッサは、モニタされた及び／又は記録されたセンサ値に基づいてセンサの状態を測定又は特性化し、検定出力を提供する。これは、診断中に伝送器上で排他的に走る仕事であることができる、又はそれは、他の伝送器の動作中にバックグランドタスク（background task）として走ることができる。センサ応答の分析は、次の分析技術、すなわち、出力信号の大きさ(magnitude)を測定すること、信号の時定数を測定すること、及び／又は出力信号の波形を測定することのいくつかあるいは全て含むことができる。最後に、ブロック１５８で、診断プロセスは完了し、圧力センサは標準動作に返る。
【００２２】
方法１５０は、プロセス通信ループを介しての通信により自動的に、プロセス流体圧力伝送器が電力を供給されると自動的に、又はその後周期的に開始されることができる、及び／又はプロセス流体圧力伝送器のローカルユーザインタフェースと情報をやりとりする技術によりマニュアルで始められることができる。
【００２３】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに形状及び細部につき変更できることを認識するであろう。
【符号の説明】
【００２４】
５０・・・プロセス流体圧力伝送器、１００・・・単結晶圧力センサ、１０２・・・第１の層、１０４・・・第２の層、１０７・・・ビーム形ボディ、１０８・・・ダイヤフラム、１１２・・・壁、１１４・・・ろう付け、溶接等。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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