(57)【要約】プロセス流体の圧力を検出する圧力センサ(10)は、プロセス流体の圧力を受けるセンサボディ(23)を含む。センサボディ(23)は圧力に応じて変形する。センサボディ(23)より支持されるダイアフラム(16)は、センサボディ(23)の変形に応じて変化する張力を有する。ダイアフラム(16)の共鳴周波数が測定される。測定された共鳴周波数は、プロセス流体のライン圧力と隔離充填流体システムの品質とを表している。共鳴周波数の測定に加え、振動モード自体もセンサの健全性を評価する診断手段として利用できる。
2013524215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体の圧力を検出する圧力センサであって、
前記プロセス流体の圧力を受け、当該圧力に応答して変形する変形可能センサボディと、
前記変形可能センサボディに支持され、前記変形可能センサボディの変形に応じて変化する張力を有するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの共鳴周波数であって、前記プロセス流体の圧力を表している共鳴周波数、を検出するよう構成された共鳴周波数センサと、を備え、
前記ダイアフラムが加えられた圧力に応答して変形するように構成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記変形可能センサボディが、ガラス及び金属のセンサボディを備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記共鳴周波数センサが音源を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記共鳴周波数センサがさらに、前記ダイアフラムに近接して配置され、前記ダイアフラムの変形に応じて変化する電気容量を有するコンデンサ板を備えることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
温度センサを含み、検知された温度に基づいて前記ダイアフラムの共鳴が補償されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記ダイアフラムに加えられる差圧に応じて、前記ダイアフラムが変形するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記ダイアフラムに近接して配置される電極と、当該電極と前記ダイアフラムとの間の電気容量の変化に基づいて前記差圧を測定するよう構成された測定回路と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記ダイアフラムの共鳴が、前記測定回路によって前記電極と前記ダイアフラムとの間の電気容量に基づいて検出されることを特徴とする請求項７に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記共鳴周波数がさらに、前記圧力センサの診断条件を表していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記共鳴周波数のモードが、前記センサの健全性を表していることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記圧力センサが隔離流体を通じてプロセス流体に接続することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
請求項１に記載の圧力センサに接続される送信機回路を含むプロセス制御送信機。
【請求項１３】
前記送信機回路が、前記ダイアフラムの共鳴周波数に基づいてライン圧力を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のプロセス制御送信機。
【請求項１４】
プロセス流体の圧力を検出する方法であって、
センサボディが前記プロセス流体の圧力を受けるようにすることで、当該センサボディが当該圧力に応じて変形するようにする段階と、
前記センサボディよりダイアフラムを支持させ、当該ダイアフラムが前記センサボディの変形に応じて変化する張力を有するようにする段階と、
前記ダイアフラムの共鳴周波数であって、前記プロセス流体の圧力を表す共鳴周波数、を検出する段階と、
前記ダイアフラムの検出された共鳴周波数に基づいて、プロセス流体の圧力を表す圧力出力を提供する段階と、
前記ダイアフラムの変形に基づいて差圧を検出する段階と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
電気容量に基づいて共鳴周波数が測定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
音源を利用して前記ダイアフラムを共鳴状態へと励起する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
電気容量を利用して前記ダイアフラムの変形を検出する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記検出された共鳴周波数に基づいて前記ダイアフラムの診断条件を決定する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記検出された共鳴周波数のモードに基づいて前記ダイアフラムの診断条件を決定する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
プロセス制御ループ上に、前記プロセス流体の圧力に関する情報を送信する段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業プロセス制御システムに利用されるタイプの圧力送信機に関する。より詳しくは、本発明は圧力送信機で利用される圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力送信機は、産業プロセス制御システムにおいてプロセス流体の圧力を監視するのに利用されている。圧力送信機は圧力センサを含み、圧力センサはプロセス流体に接続されて、プロセス流体によって加えられる圧力に応答した出力を与える。周知の圧力送信機の1種として、ミネソタ州チャンハッセンのローズマウント社より入手可能なモデル3051送信機がある。圧力送信機はまた例えば、米国特許第5,094,109号明細書において開示されている。
【０００３】
差圧測定を行う多くの設備において、多くの場合、ライン圧力(すなわち、管や導管の中のプロセス流体圧力)の測定を実現することも望ましい。例えば、ライン圧力はプロセス流体の質量流量を測定するのに用いることも可能であり、またその他の制御応用に用いることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第5,094,109号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、差圧測定に加えてライン圧力測定が必要となると、大抵の場合、圧力センサが追加で必要となる。圧力センサの追加には、追加の部品を用いてプロセス流体へと接続することが必要となる。こうした追加部品は複雑度とコストの増加につながり、また、故障が起こりやすくなる。
【０００６】
さらに、多くの圧力検出技術では隔離配置によってプロセス流体との接続がなされ、当該隔離配置には、プロセス流体に接する隔離ダイアフラムと、圧力センサを当該隔離ダイアフラムに接続する隔離充填流体と、が利用される。当該隔離配置には、潜在的に誤差要因、複雑度増大及びプロセス機器の潜在故障へとつながる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
プロセス流体の圧力を検出する圧力センサは、プロセス流体の圧力を受けるセンサボディを含む。当該センサボディは、当該圧力に応じて変形する。当該センサボディによって支持されるダイアフラムは、当該センサボディの変形に応じて変化する張力を有する。当該ダイアフラムの共鳴周波数が測定される。当該測定された共鳴周波数は、プロセス流体のライン圧力と隔離充填流体システムの品質とを表している。共鳴周波数の測定に加え、振動モード自体もセンサの健全性を評価する診断手段として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る圧力センサの断面図である。
【図２】図1の圧力センサの両方の圧力ポートに圧力が加わった結果における、図1の圧力センサの断面図である。
【図３】音源を含む圧力センサの断面図である。
【図４】本発明に係る圧力センサを含むプロセス変数送信機の断面図である。
【図５】(A)〜(F)として、本発明に係る中央ダイアフラムの共鳴モードの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、産業プロセス制御システムに利用されるタイプの圧力送信機の圧力センサに関する。本発明によれば、変形可能なセンサボディを含む圧力センサが提供される。ダイアフラムはセンサボディに取り付けられる。ボディが変形すると、ダイアフラムの共鳴周波数が変化する。共鳴周波数は測定可能であり、従って、印加された圧力が測定可能である。
【００１０】
図1は、本発明の一実施形態に係る圧力センサ10の断面図である。圧力センサ10は差圧センサ構成の一例となっており、センサボディ23内を貫いて延びる圧力伝達部26を含んでいる。センサボディはハーフセル46及び48にて形成され、例えば金属及びガラスの複合材から構成されている。センサ10内の空洞25には、充填流体が入っている。可動ダイアフラム16は空洞25を横切って延び、加えられた差圧に応じて動くように構成されている。
【００１１】
電極(コンデンサ板)20A及び20Bが、センサ10の空洞25内に配置されている。当該電極20及びダイアフラム16に接続される電気接続部40を用いて、これらの間における電気容量の測定が行われる。当該電気容量は、加えられた圧力に応じてダイアフラムが移動するのに従って変動するので、加えられた差圧の測定に利用することができる。当該差圧測定を用いて、管又は導管内の流量の測定が可能となる。
【００１２】
本発明では、共鳴用音響変換器96(図3に示す)が圧力センサ10の変形可能な圧力センサボディ23に接続され、ダイアフラム16を共鳴させるように構成されており、ここで当該ダイアフラム16の共鳴周波数はプロセス流体のライン圧力に応じて変化する。電極20A及び20Bは共鳴のピックアップとして機能し、その詳細については以下に説明する。
【００１３】
圧力伝達部26を通じて差圧がセンサボディ23に加えられると、ダイアフラム16が動くことに加えて、ライン圧力に応答して、センサボディ23の全体的な形状も変化する。当該センサボディ形状の変形によって、ダイアフラム16の共鳴周波数が変化する。ダイアフラムの共鳴周波数は、任意の適切な技術を用いて測定することができる。例えば、音響変換器(音源)を用いてダイアフラム16を共鳴させることができる。次に、ダイアフラムの共鳴周波数は、電極20A及び20Bとダイアフラム16との間の電気容量の変化を測定することによって、送信可能となる。
【００１４】
以下の式を用いて、圧力が加わる前の膜の共鳴周波数を予測することができる：
【００１５】
【数１】
2013524215.tif 000003
【００１６】
ここで：
ｆn = 膜の固有周波数(Hz)
λij = 節半径( i )("nodal radii")及び節直径( j )("nodal diameter")に基づく共鳴モードに基づく定数値
σ = 中央ダイアフラムの張力(psi)
ρ = 膜の材料特性値であって、質量、体積及び重力の関数(lb-s2/ln4)
Ａ = 共鳴膜の有効面積
【００１７】
式1は、ダイアフラムの共鳴している周波数を測定することで中央ダイアフラムの張力を計算する際に利用できる関係について記述している。式1を簡略化すると、以下の通りとなる：
【００１８】
【数２】
2013524215.tif 000004
【００１９】
当該式は、中央ダイアフラムの共鳴周波数は、中央ダイアフラム16の張力の平方根に比例することを表している。
【００２０】
図2は、センサ10の簡略化された断面図であって、プロセス流体から加えられたライン圧力に応答してセンサ10のボディが変形しているところを示している。加えられた圧力に応答して空洞の深さが増加し、当該増加によってハーフセル46及び48が半径内向きへと偏位している。この結果、中央ダイアフラム16の張力(応力)が減少する。
【００２１】
図2に示すとおり、空洞の深さ(Z0)は、ライン圧力が増えると共に増加する(ΔZ)。偏位(deflection)はフックの法則に従い、ライン圧力Pに正比例する。すなわち：
【００２２】
【数３】
2013524215.tif 000005
【００２３】
ここで、kzはライン圧力と空洞深さとの間の比例関係を表すばね定数である。同様に、センサの中央ダイアフラム(CD; center diaphragm)の箇所における半径(r)は、加えられたライン圧力によって縮小する(Δr)。当該偏位はライン圧力(P)と線形の関係にある：
【００２４】
【数４】
2013524215.tif 000006
【００２５】
ここで、krはライン圧力と半径変化との間の比例関係を表すばね定数である。このことにより、CD応力もまた、ライン圧力の線形関数である：
【００２６】
【数５】
2013524215.tif 000007
【００２７】
ここで、kσはライン圧力と中央ダイアフラム応力との間の比例関係を表すばね定数である。CD応力は2軸性であるので、変形(strain)は以下のように応力(stress)へと変換することができる。
【００２８】
【数６】
2013524215.tif 000008
【００２９】
ここで、ε＝変形(strain)＝(Δr/r)、E＝ヤング率、ν＝CDのポアソン比、である。この線形比例関係により、次のように書くことができる：
【００３０】
【数７】
2013524215.tif 000009
【００３１】
共鳴は、音響的に類似している外部振動に対して受動側の物体が反応する音響現象である。共鳴を利用することで、共鳴システム間でエネルギを伝達したり、蓄積したりすることができる。本発明では、センサボディの中央ダイアフラム16が、例えば音源によって共鳴状態となる。中央ダイアフラムは、音響的にあるいは力学的に共鳴状態へと到達させられ、共鳴周波数を測定することによってライン圧力測定を行う。
【００３２】
共鳴周波数はまた、中央ダイアフラムの品質の診断に利用することができる。また同様に、隔離ダイアフラムと、オイルが充填されプロセス流体からセンサを隔離するのに用いられる圧力伝達部と、の品質の診断にも共鳴周波数を利用することができる。
【００３３】
中央ダイアフラムは、その張力に基づいて特定の周波数で共鳴する。中央ダイアフラムの張力に影響を与える要因には、ライン圧力、差圧及び温度が含まれる。差圧及び温度を当該機器内で測定すれば、それらによるダイアフラム張力の変化への寄与を明らかにすることができ、従って、それらの影響を補償することができる。こうして、ライン圧力のみが未知のものとして残り、当該ライン圧力の周波数寄与値は、式8で記述されるように計算することができる：
【００３４】
【数８】
2013524215.tif 000010
【００３５】
差圧は、中立軸から中央ダイアフラムを変位させるので、張力を加えることとなる(そして、共鳴周波数を増加させることとなる)。センサ温度は、部材が膨張又は収縮することになるので、ダイアフラム中央の張力を増加させるか又は減少させるかのいずれかとなる。
【００３６】
共鳴ダイアフラムに基づく実際のセンサでは、媒体の振動減衰の問題が重大となる。典型的用途では、ダイアフラムが隔離オイルといったような液体に囲まれていれば、ダイアフラムの共鳴動作は大幅な減衰を伴うこととなる。ダイアフラムが振動するためには、液体例として例えばオイルが物理的に変位せねばならないために、当該減衰が発生する。
【００３７】
この問題は、いくつかの手段によって軽減することができる：一つの手段として、ダイアフラム減衰への影響が少ない気体媒体内でのセンサの利用がある。しかしながら、用途によっては当該手段は実現不可能であって、典型的にはオイルのような液体がダイアフラムと接触していなければならない。
【００３８】
このことを回避するために、第二の手段を採用することができる。高次のダイアフラム共振モードは、引き延ばしたダイアフラム膜内において多くの波状構造を有する傾向があり、典型的には変位の大きさがより小さくなる傾向がある。このことによって正味の変位体積が減ることとなり、結果として図5の(C)に示すモードの減衰は、図5の(A)に示すモードで起こる減衰ほど深刻ではない。
【００３９】
より一層効果的な第三の手法として、図5の(D)〜(F)に示すような、いわゆる方位角方向に非対称性を有する("azimuthally asymmetric")モードのみを励起することが挙げられる。これら特定モードには、上向き変位がこれと等しい下向き変位によって相殺されるために、正味の体積を変位させないという利点がある。
【００４０】
従って、ダイアフラムが液体と接触している際の共鳴減衰を最小に抑えるためには、できる限り高次であって、方位角方向に非対称性を有するモードを検討せねばならない。
【００４１】
診断の観点では、センサの何らかの箇所(aspect)に変化があれば特定の励起モードもまた変化する。従って、変化が検出されたならばセンサの潜在的故障の表れであることが想定される。
【００４２】
図3は、圧力センサセル10の断面図である。図3では、電極20が中央電極20A及びリング電極20Bとして示されている。これら電極は、電気接続部40に接続されている。音響変換器96は、ハーフセル46に取り付けられた形で示され、中央ダイアフラム16に音響信号を加えるのに利用される。音響変換器96はワイヤ98に接続し、中央ダイアフラムを共鳴状態へと励起するために、ある周波数へと駆動され、あるいはある周波数範囲に渡って掃引される。
【００４３】
当該共鳴状態は、電極20A/Bと中央ダイアフラム16との間の電気容量の変動を測定することによって、検出することができる。当該例においては、共鳴による中央ダイアフラム16のたわみ検出に電気容量を利用することが示されているが、その他の技術を利用することもできる。当該技術には音響式、光学式、機械式またはその他の検出技術が含まれる。
【００４４】
図4は、本発明の一実施形態に係る、音響変換器96を備えた圧力センサ102を含む送信機100の断面図である。送信機100は、Coplanar(商標)プラットフォームを有するものとして産業界において周知であり、隔離ダイアフラム106及び108は、一般に同じ平面上に位置するように位置合わせされる。
【００４５】
フランジ111は、ボルト110によって送信機100に接続することで、圧力P1及びP2を隔離ダイアフラム106及び108へと伝わるようにする。ガスケット109によって、フランジ111と隔離ダイアフラム106及び108との間が封じられるようになる。実質的に非圧縮の流体が圧力伝達部120内にあり、当該圧力伝達部120は圧力センサ102へと接続している。
【００４６】
圧力センサ10と同様に、センサ102はセンサボディを有し、当該センサボディは2つのハーフセル112及び114から形成され、当該ハーフセルはそれぞれガラス物質116及び118で満たされている。電気導体124は蓄電板(不図示)に接続し、当該蓄電板は脆性材料116及び118からなるセンサ表面に配置されている。ダイアフラム122が、加えられた圧力P1及びP2に応答して変形することで、電気容量の変化が発生し、当該変化は送信機回路123によって検出され、送信機回路123はプロセス制御ループ上に圧力P1及びP2に関する出力を提供する。
【００４７】
プロセス制御ループは、任意の適切な標準に適合した形で用意することができ、当該標準には、4-20mA電流ループ、HART(登録商標)又はフィールドバスに基づく制御ループ及び無線ループなどが含まれる。さらに、プロセス制御ループは、データ伝達に無線通信を用いる無線制御ループを用いてもよい。
【００４８】
以上説明したように、中央ダイアフラムの共鳴に基づいてライン圧力を決定することに加えて、共鳴周波数及びモード種類もまた、中央ダイアフラム及びオイル充填システムの状態の特定に利用することができる。送信機回路123は診断回路を提供し、ワイヤ98で音響変換器96に接続する。回路123は変換器96に電力を供給し、以上説明したようにダイアフラム122の共鳴周波数を反応的に検出するように構成されている。
【００４９】
回路123は、例えば送信機出力上に診断出力を提供することができる。中央ダイアフラムの損傷やオイル漏れの発生があると、結果として中央ダイアフラムの共鳴周波数に変化が起こる。共鳴の測定は電気容量の変化に基づいてなされるものとして説明したが、音響的、光学的、機械的又はその他の検出技術といったような、別の測定技術を採用してもよい。
【００５０】
測定した共鳴周波数は、測定精度向上を望むのであれば、測定した差圧及び温度に基づいて補償することができる。温度補償を望むのであれば、図4に示すように、温度センサ130を圧力センサ102に熱的に接続することができる。温度センサ130は、任意の適切なセンサ技術に係るものであってよく、回路123に接続されてもよい。
【００５１】
中央ダイアフラム122の共鳴周波数のシフトは、穴の存在や、ダイアフラムに穴が開いたことや亀裂が発生したことや、その他のダイアフラムまたは送信機構成部品の損傷といったような、物理的損傷があることを表している可能性がある。ダイアフラムの1つの側面またはより多くの側面におけるオイル圧力の損失によっても、共鳴周波数に変化が生ずることとなる。
【００５２】
一態様において差圧測定結果を、負荷が加わる前の状態の膜と、音響変換器(音源)と、音響ピックアップと、を用いて得ておいてもよい。隔離ダイアフラムの共鳴の測定を利用して、隔離ダイアフラムの品質を決定することができると共に、ライン圧力の指示を得ることができる。
【００５３】
ダイアフラム共鳴はまた、静電気技術を用いて励起することもできる。別の例では、中央ダイアフラムを共鳴状態へと至らせるのに利用するエネルギ源が、送信機の外部箇所に配置されていてもよい。例えば、試験機器を送信機に接続し、音響エネルギを送信機内に伝達するように構成することで、ダイアフラムが共鳴状態へと至るようにしてもよい。
【００５４】
以上の記載では、センサボディをガラス及び金属の複合材として説明してきたが、望ましい特性を有する他の材料を用いてもよい。当該例には、プラスチックなどが含まれる。コンデンサや、歪みゲージや、光学技術や、シリコン技術等といったような、共鳴検出のための任意の適切な技術を利用してもよい。さらに、安全性、冗長性、自己確認などといった目的のために複数のセンサを利用してもよい。
【００５５】
当該明細書中の「共鳴周波数センサ」は、中央ダイアフラムの共鳴周波数を測定ないし検出するのに利用される、任意の適切なセンサ技術を備えていてもよい。当該明細書中で参照した図面において、共鳴周波数センサは、音源と、個別の変位センサであって電気容量に基づいて中央ダイアフラムの変位を測定するもの、として示されている。しかしながら、本発明は当該図示された特定の共鳴周波数センサに限定されるわけではない。
【符号の説明】
【００５６】
10…圧力センサ、23…センサボディ、16…ダイアフラム
【図１】
2013524215.tif 000011
【図２】
2013524215.tif 000012
【図３】
2013524215.tif 000013
【図４】
2013524215.tif 000014
【図５】
2013524215.tif 000015
【国際調査報告】
2013524215.tif 000016
2013524215.tif 000017
2013524215.tif 000018