(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体の圧力を検出し、圧力センサー出力を提供するように構成された圧力センサー、
前記圧力センサーに前記プロセス流体の圧力を接続するように構成された毛細管、
前記プロセス流体から前記毛細管内を運ばれる充填液を絶縁するように構成された絶縁隔壁、
前記毛細管に取り付けられ、前記毛細管によって受けられた前記圧力に関連する共振周波数を有する水晶振動子、および
前記水晶振動子の前記共振周波数を測定し、かつ前記水晶振動子の前記共振周波数に対応する関数として前記プロセス流体の前記圧力を示す出力を与えるように構成され、さらに、前記圧力センサー出力に基づいた出力を提供するように構成された回路、
を含む圧力センサー装置。
【請求項２】
前記毛細管が長さを有し、かつ前記水晶振動子が軸方向の応力を検出するように構成された、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記水晶振動子が前記毛細管のビームの軸に沿った応力を検出するように構成された、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
ビームの軸が前記毛細管の長手方向の軸に対してある角度をとる、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記水晶振動子がＡＴカットの水晶振動子を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記水晶振動子が、前記毛細管に取り付けられた端部を有する細長い水晶振動子を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記水晶振動子が振動するビーム部分を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記毛細管が曲率をともなって前もって曲げられた、
請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記水晶振動子が音叉型の形態を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記水晶振動子が、前記毛細管に取り付けられた基部を有する、
請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記水晶振動子の前記共振周波数が、前記毛細管中の流体の密度に関連している、
請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記水晶振動子の前記共振周波数が、前記水晶振動子から前記毛細管に供給された音響エネルギーのエネルギーリークに関連している、
請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記圧力センサーが差圧センサーを含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記毛細管が、シールによって絶縁された第１毛細管と第２毛細管とを含み、前記水晶振動子が、前記第１毛細管に取り付けられた第１水晶振動子と前記第２毛細管に取り付けられた第２水晶振動子とを含み、前記シールを跨いだ圧力の差が前記プロセス流体の差圧に関連付けられる
請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
差圧がプロセス配管を経由する流れに関連している、
請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
プロセス流体から毛細管内を運ばれる充填液を絶縁するように絶縁隔壁を与えること、
前記毛細管内の前記プロセス流体の圧力を受けること、
前記毛細管に接続された圧力センサーを使用して前記プロセス流体の圧力を測定すること、
前記毛細管に取り付けられた水晶振動子をある周波数で共振させること、および
前記水晶振動子の共振周波数の変化を測定し、前記共振周波数の変化に基づいて前記プロセス流体の前記圧力に関連している出力を与えること、
を含む、
前記プロセス流体の圧力を測定する方法。
【請求項１７】
前記毛細管が長さを有し、かつ前記圧力に応答して軸方向の応力を経験するように構成された、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記水晶振動子が前記毛細管のビームの軸に沿った応力を検出するように構成された、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ビームの軸が前記毛細管の長手方向の軸に対してある角度をとる、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記水晶振動子がＡＴカットの水晶振動子を含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記水晶振動子が、前記毛細管に取り付けられた端部を有する細長い水晶振動子を含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記水晶振動子が振動するビーム部分を含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記水晶振動子が音叉型の形態を含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記水晶振動子が、前記毛細管に取り付けられた基部を有する、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記水晶振動子の前記共振周波数が、前記毛細管中の流体の密度に関連している、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記水晶振動子の前記共振周波数が、前記水晶振動子から前記毛細管に供給された音響エネルギーのエネルギーリークに関連している、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記毛細管が、シールによって絶縁された第１毛細管と第２毛細管とを含み、前記水晶振動子が、前記第１毛細管に取り付けられた第１水晶振動子と第２毛細管に取り付けられた第２水晶振動子とを含み、前記シールを跨いだ圧力が前記プロセス流体の差圧に関連付けられる、
請求項１６に記載の方法。
【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圧力測定に関するものである。より正確には、本発明は水晶振動子を利用した圧力測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業プロセスは多くの種類の材料の製造および移送に用いられる。そのようなシステムにおいては、プロセス内の異なる種類の圧力を測定することがしばしば必要となる。しばしば測定されるひとつの種類の圧力は、プロセス内のある点とプロセス内のほかの点の間の圧力差である差圧である。たとえば、流れるプロセス流体を収容する管内のオリフィス板をはさむ差圧は、流体の流速と関連している。同様に、差圧はたとえばタンクまたはほかの容器内のプロセス流体の高さを測定するために用いることができる。
【０００３】
そのような工業プロセスにおいては、圧力センサーが一般的に、遠隔の場所に設置されて、かつ圧力情報を例えば制御室などの一元化された場所のもとに送信する圧力トランスミッター内に収容されるかまたは圧力トランスミッターに接続されている。送信はしばしばプロセス制御ループを通じて行われる。たとえば、２本の線が電力と同時に情報をトランスミッターに運ぶために用いられる、２線プロセス制御ループがしばしば用いられる。無線通信技術も同様に使用することができる。
【０００４】
多くのプロセス設備においては、本明細書において「ライン圧力」と言及される、プロセスの絶対圧力またはゲージ圧力を測定することが同様に望ましい。この情報は、たとえば流れの計算においてプロセス流体の密度変化を含むことにより、より正確な流れの測定を与えるために用いることができる。一般的に、追加の圧力測定は、プロセス流体に接続されている圧力センサーの増設を必要とする。たとえば、ライン圧力センサーを含む追加の圧力トランスミッターを配置することができ、かつ２線プロセス制御ループに接続することができる。
【発明の概要】
【０００５】
圧力センサーは、プロセス圧力に接続するように配置されるセンサー本体を含む。水晶振動子がセンサー本体に接続され、かつセンサー本体中の流体の圧力を測定するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明に従って構成されるプロセストランスミッターを伴うプロセス測定システムである。
【図２】図１に記載のトランスミッターの概略図である。
【図３】図１に記載のプロセストランスミッターの一部分の断面図である。
【図４】ひとつの例示的構成におけるライン圧力測定を示す簡略化した略図である。
【図５】水晶振動子を利用してライン圧力を測定するために構成された、本発明のひとつの実施形態の断面図である。
【図６】水晶振動子センサーを利用して圧力を測定するために構成された回路の簡略化した略図である。
【図７】センサー上の応力を示す略図である。
【図８Ａ】水晶振動子を利用した圧力センサーの側面平面図である。
【図８Ｂ】水晶振動子を利用した圧力センサーの側面断面図である。
【図８Ｃ】水晶振動子を利用した圧力センサーの正面平面図である。
【図８Ｄ】水晶振動子を利用した圧力センサーの側面平面図である。
【図８Ｅ】水晶振動子を利用した圧力センサーの斜視図である。
【図９】音叉型の構成を利用したほかの例示的実施形態の側面断面図である。
【図１０Ａ】フロート管の側面断面図である。
【図１０Ｂ】差圧を測定するように配置される水晶振動子センサーの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
ひとつの実施形態においては、本発明は差圧測定の構成においてライン圧力を測定するための装置および方法を与える。より正確には、ひとつの態様では、本発明は差圧センサーをプロセス流体に接続するために用いられる毛細管内の変形を監視する。これらの変形はプロセス流体のライン圧力に関連している。ほかの実施形態においては、本発明は容器の変形に基づいて圧力を測定するための技術を与える。ほかの実施形態においては、本発明はライン圧力を測定するためのセンサーを与える。
【０００８】
図１はプロセス測定システム３２の環境を一般的に示す。図１は、プロセス圧力を測定するためにプロセス測定システム３２に接続されている、圧力下の流体を収容するプロセス配管３０を示す。プロセス測定システム３２は配管３０に接続されるインパルス配管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ー３６に接続される。例えばオリフィス板、ベンチュリ管、フローノズルなどのプライマリエレメント３３は、インパルス配管３４の間のプロセス配管３０内のある位置でプロセス流体に接触する。プライマリエレメント３３は流体がプライマリエレメント３３を通り過ぎる時の流体内に圧力変化を引き起こす。
【０００９】
トランスミッター３６は、インパルス配管３４を経由してプロセス圧力を受けるプロセス測定装置である。トランスミッター３６はプロセス圧力差を検出し、かつプロセス圧力の関数である規格化された伝達信号に変換する。
【００１０】
プロセスループ３８は制御室４０からトランスミッター３６への電力供給信号および双方向通信の両方を与え、かついくつかのプロセス通信プロトコルに従って構成することができる。図示される実施例においては、プロセスループ３８は２線のループである。２線のループは、トランスミッター３６へのすべての電力およびトランスミッター３６とのすべての通信を標準動作中に４２０ｍＡ信号で送信するために用いられる。モデム４４を経由するコンピューター４２またはほかの情報処理システム、またはほかのネットワーク・インターフェースがトランスミッター３６との通信のために用いられる。遠隔の電圧電源４６はトランスミッター３６に電力を供給する。ほかの例示的構成においては、ループ３８はトランスミッター３６と制御室４０の間に伸びる配線を必要としないでデータが送受信できる無線通信である。ほかの例示的構成においては、データは無線通信プロトコルを用いて無線で送信および／または受信される。
【００１１】
図２は圧力トランスミッター３６の簡略化したブロック図である。圧力トランスミッター３６は、データバス６６を経由しておたがいに接続されるセンサーモジュール５２および電子基板７２を含む。センサーモジュール電子機器６０は、得られた圧力差５４を受けた圧力センサー５６に接続する。データ接続５８はセンサー５６をアナログ・デジタル変換器６２に接続する。同様にオプションの温度センサー６３はセンサーモジュールメモリ６４とともに図示される。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、デジタル・アナログ信号変換器７８およびデジタル通信ブロック８０を含む。
【００１２】
同様に差圧センサー５６をプロセス流体５４に接続するのに用いられる毛細管あるいは「充填」管９３および９４が図２に図示される。絶縁隔壁９０はプロセス流体５４から、対応して与えられる圧力を毛細管９３および９４内で運ばれる充填液に受ける。この充填液を経由して、工業プロセスの圧力が差圧センサー５６にかけられる。
【００１３】
本発明に従って、変形センサー９８は毛細管９３に接続し、かつ毛細管９３の変形を監視するように配置される。これらの変形は工業プロセスのライン圧力に関連しており、かつセンサー９８はアナログ・デジタル変換器６２またはライン圧力測定回路９９に出力信号を与える。ひとつの態様では、管の変形に対応する任意の種類のセンサーを用いることができる。回路９９は独立型の回路でありえるし、またはいくつかの構成においては差圧を測定するほかの回路に統合することができる。たとえば、さまざまなセンサーを監視するいくつかのまたはすべての構成要素が共通構成要素でありうる。
【００１４】
図３は、変形センサー９８を図示する、本発明のひとつの実施形態の簡略化した断面図である。先に述べたように、圧力センサー５６はプロセス流体を空洞９２から絶縁する絶縁隔壁９０を経由してプロセス流体に接続する。空洞９２はインパルス配管９３および９４を経由して圧力センサーモジュール５６に接続する。実質上非圧縮性の充填液は空洞９２およびインパルス配管９３および９４に充填される。プロセス流体からの圧力が隔壁９０にかけられるとき、その圧力は圧力センサー５６の空洞１３２および１３４内の一部に伝達される
【００１５】
圧力センサー５６は２つの二分割圧力センサー１１４および１１６から形成され、かつ望ましくはもろい、実質上非圧縮性の材料１０５で充填される。隔壁１０６はセンサー５６内に形成される空洞１３２、１３４内に懸垂される。空洞１３２、１３４の外壁には電極１４６、１４４、１４８および１５０が設置される。これらの電極は一般的に一次電極１４４および１４８、および二次電極１４６および１５０と称される。これらの電極は可動隔壁１０６と共にコンデンサを形成する。これらのコンデンサは先と同様に一次コンデンサおよび二次コンデンサと称される。
【００１６】
図３に図示するように、センサー５６内のさまざまな電極は、電気的接続１０３、１０４、１０８および１１０を通じてアナログ・デジタル変換器５６に接続される。さらに、可撓性の隔壁１０６は、接続１０９を経由してセンサーモジュール電子機器６０にアナログ入力されるように接続する。差圧測定のための技術は、２００１年１０月２日にＲｏｓｅｍｏｕｎｔ  Ｉｎｃ．に交付された“ＰＲＯＣＥＳＳ  ＰＲＥＳＳＵＲＥ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＷＩＴＨ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＥＲＲＯＲ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮ”と題される米国特許第６，２９５，８７５号に記載される。
【００１７】
変形センサー９８はさまざまな構成をとりうる。変形測定のためのいくつかの例示的技術が下記に記載される。しかしながら、ひとつの広い態様では、本発明はこれらの特定の技術に限定されず、かつ、本明細書で具体的に述べられていない技術を含む、変形を測定するために用いられる任意の技術を用いることができる。
【００１８】
プロセス流体からのライン圧力は毛細管９３の形状を変化させる。たとえば、増加したライン圧力は毛細管９３を拡張させることができる。同様に、増加したライン圧力は毛細管９３内の任意の屈曲をより直線的にすることができる。毛細管のこれらの変形、またはほかの変形は監視することができるか、そうでなければ測定され、かつプロセス流体のライン圧力に関連付けることができる。
【００１９】
図４は本発明のひとつの例示的実施形態の簡略化した断面図１５０である。図４の構成においては、差圧センサー１４８はおのおの毛細管１５６および１５８を経由して絶縁隔壁１５２および１５４にいたるプロセス流体に接続されている。毛細管１５６、１５８のおのおのに直線的部分１６０および１６２が設けられ、かつ充填液で毛細管を充填するための充填管として用いることができる。これらの部分は別個の管でありうるか、または管１５６、１５８と一体で形成されることができる。これらは別個の管として示されてはいるが、管１５６、１５８と一体になって単管として形成することができる。部分１６２は充填管の変形を測定するように構成される変形センサー１７０を含む。
【００２０】
変形センサー９８はさまざまな構成をとりうる。変形を測定するためのいくつかの例示的技術が可能であり、かつ本発明はいかなる特定の技術にも限定されない。変形を測定するために、本明細書で具体的に述べられていない技術を含むさまざまな技術を用いることができる。
【００２１】
先に述べた通り、管の変形、または管の剛性の変化を含む管のほかの物理的特性を測定するために、任意の適切な技術を用いることができる。これらの技術は、歪みゲージ技術や共振の測定などを含む。本発明に従って、圧力に応じて変化する管の任意の物理的特性を測定することができ、かつ用いることができる。たとえば管の厚さを変化させることにより、感度を高めるように管を構成することができる。同様に性能を高め、かつセンサー信号を増幅するように管形状を選択することができる。先に述べたように、両方の毛細管における物理的変化を測定することにより差圧を得ることができる。
【００２２】
本実施形態においては、周波数が変調されるように振動する水晶振動子センサーを用いる圧力センサー１７０が提供される。いくつかの適用においては、出力信号の固有のデジタル特質の理由からこのことは望ましい。水晶振動子がセンサー材料として用いられると、バイアス周波数およびスパンに優れた安定性を与える。加えて、水晶振動子は比較的温度感受性の低い機能を有する。水晶振動子の圧電特性は発振回路を利用して振動を維持する手段を与えるために用いることができる。本発明はオイル充填管に接続される非挟み込み型の外部圧電センサーを含む。オイル充填管はセンサー本体のひとつの実施例で、かつ本発明はこの構成に限定されない。さらにまた、本発明の圧力センサーは単独で用いるか、またはゲージ圧力センサー、絶対圧力センサーまたは差圧センサーのようなほかの圧力センサーと組み合わせて用いることができる。接続は内部接続または外部接続が可能である。充填管内の圧力は外部の水晶振動子の構造の共振周波数を変化させる。水晶振動子の共振回路を圧力測定に用いることは当技術分野で周知である。しかしながら、本発明はそのような測定のための非挟み込み型の構成を与える。
【００２３】
図５は圧力センサー１７０の断面図である。圧力センサー１７０は密閉端４０２および開放端４０４を有するオイル充填管４００を含む。管４００はセンサー本体のひとつの実施例である。開放端４０４はプロセス接続部４０６から圧力５４を受け取るように構成される。プロセス絶縁隔壁４０８はプロセス流体をオイル充填管４００から絶縁する。たとえば細い毛細管を含むことができるオイル経路４１０は、プロセス絶縁隔壁４０８から管開口部４０４に延伸される。全部の組立品はハウジング４１４内に収容される。
【００２４】
以下で述べるように、水晶振動子センサー４２０（図６を参照）はオイル充填管４００に取り付けられ、かつかけられた圧力に基づいて変化する共振振動を有する。かけられた圧力と共振周波数の関係は実験またはほかの手段を通じて決定することができる。
オイル充填管４００はカンチレバービームとみなすことができる。オイル充填管の内部の圧力は外部より高い。このことは管壁内に応力を生じさせる。管壁は応力に応答して非常にわずかであるが拡張する。水晶振動子は、管に堅く取り付けられる両端の２つの取り付け具で管に接触した状態で固定される。管の壁の長さの変化は結果として水晶振動子内に応力を生じさせる。従って、水晶振動子の共振周波数は管にかけられた圧力の関数として変化する。
【００２５】
図６は圧力検出回路４１１の簡略化した回路図である。水晶振動子４２０を利用して管４００内の圧力を検出するように構成される。図６に図示されるように、共振回路４１３は水晶振動子４２０に接続し、かつ周波数出力・デジタル変換器４１５には周波数出力を与える。周知の技術を用いて、共振回路４１３は管４００から水晶振動子４２０に与えられる応力に基づく周波数で共振する。それ故に、この周波数はかけられた圧力を示す。測定回路４１７は、測定された周波数を圧力に変換するように構成され、かつ圧力出力を与える。
【００２６】
図７においては、応力がかけられるときに管の長さは下式に示す量だけ変化する。
【００２７】
ΔＬ＝εＬｏ＝ＦＬｏ／ＡＥ＝σａＬｏ／Ｅ                              式１
ここでＥはヤング率、εは歪み、Ｆは力、Ａは面積、Ｌｏは管のオリジナル長さである。
【００２８】
管壁内のある点での軸方向の応力は下式で示すことができる。
【００２９】
σａ＝（ｐｉｒｉ２−ｐｏｒｏ２）／（ｒ２ｏ−ｒｉ２）                      式２
ここで
σａ：軸方向の応力
ｐｉ：管の内面圧
ｐｏ：管の外面圧
ｒｉ：管の内面半径
ｒｏ：管の外面半径
【００３０】
下記で定義されるフープ応力（円周方向応力）は軸方向の応力の２倍の大きさを有する。センサーの感度を上げるために、水晶振動子のビームの軸は管の軸に対して５度ずれている。この目的は管のフープ応力をピックアップすることである。管壁内のある点での円周方向応力（フープ応力）は下式で示すことができる。
【００３１】
σｃ＝［（ｐｉｒｉ２−ｐｏｒｏ２）／（ｒｏ２−ｒｉ２）］＋［ｒｉ２ｒｏ２（ｐｏ−ｐｉ）／ｒ２（ｒｏ２−ｒｉ２）］                                                式３
ここで
σｃ：円周方向応力
ｒ：ｒ＝ｒＩ（管の内面側）の場合の管壁内において最大応力のポイントの半径
【００３２】
図７は管のいくつかの共振振動モードを示す略図である。これらは縦（伸長）振動モード、屈曲振動モードおよびすべり振動モードを含む。屈曲振動モードの共振周波数は長さの２乗に反比例する。これは犬がしっぽを振ることに類似していて、かつ圧力変化に対して比較的低い感度を与えることができる。同様に、すべり振動モードの共振周波数は長さに反比例し、かつ管の長手方向を伝わる伝搬波から成る。これも同様に圧力変化に対して比較的鈍感である。縦（伸長）振動モードの共振周波数は同様に長さに反比例し、かつたとえばパイプオルガンのような細長い管の共振に類似する。さらにまた、共振周波数は同様に管の剛性を管の質量で割った比の平方根に比例する。圧力の増加がこれらの両方の項に影響するため、このことは比較的複雑な関係を生み出す。
【００３３】
ひとつの構成においては、ＡＴカット水晶振動子が望ましい。この構成では、センサー面と交差する力が、水晶振動子のほかのカットによって生じるものと類似した周波数変化を引き起こすか、またはより大きな振幅変化を引き起こす。ＡＴカットのひとつの特性は、応力のかかっていない状態では、共振周波数が温度の影響を受けないことである。水晶振動子が堅く取り付けられているため、温度変化が水晶振動子内に応力を引き起こし、かつそれ故に共振周波数の変化を引き起こす。しかしながら、温度が変化するにしたがって、もっぱら熱膨脹差の理由から共振周波数は公称値に必ず復帰する。さらにまた、ＡＴカットの水晶振動子は、破壊より前に大きな圧縮力を感じ、かつ力と周波数の間にほぼ直線関係を与える。この構成は同様に、厚み内で振動することができ（すべり振動モード）、かつほかのモードで振動する水晶振動子よりも堅固である。このカットは同様に、応力の階段状変化に対して非常に迅速に応答することができる。
【００３４】
図８Ａから図８Ｅは、ひとつの例示的実施形態（一点支持ビーム構造または三本棒状構造でありうる）に従う水晶振動子構造４２０を含むセンサー１７０の側面平面図、断面図、正面平面図、側面平面図および斜視図を示す。水晶振動子構造４２０は、２つの外側のビームとは反対に中央棒が振動する三本棒状構造である。この構造はその両端で固定することができ、かつ水晶振動子全体はカンチレバー状の管に取り付けることができる。
電極は、２つの上面の電気接続および水晶振動子の裏面に接地板を形成するために水晶振動子表面に真空蒸着される。図８Ａから図８Ｅにおいては圧力センサー組立品４１８が示される。組立品４１８はハウジング４２２を含み、かつオイル充填管４００に接続する。図８Ｂに示される断面図の中で、水晶振動子４２０が水晶振動子４２０の対向端に配置される水結振動子取り付け具４２４および４２６で管４００に取り付けられているところが示される。図８Ｃの平面図でより明瞭に図示されるように、水晶振動子４２０は、２つの切除領域４３６および４３８の間に輪郭が示される振動ビーム部分４３４に延伸される、電極４３０および４３２を含む。電気的接地４４０（図８Ｄに示される）が水晶振動子４２０の裏面に沿って設けられる。
【００３５】
先に述べたように、水晶振動子４２０の共振周波数は管４００への変形の関数として変化する。両端で固定されている長方形のビームの基本屈曲共振周波数は下式で与えられる。
【００３６】
【数１】
0005713916.tif 000002
ここでｇは重力加速度、Ｅは長手方向のヤング率、ρは材料の密度、ｔは厚み、ｌは固定点間の長さである。
【００３７】
ビームがそれらが集合する位置および ｆ０の減少が予想される位置を越えた位置で固定されるため、図８Ａから図８Ｅに示される構造において、基本周波数は上記よりも低い。ビームの長手方向に沿って引張応力がかけられるとき、基本周波数ｆは下式で与えられる。
【００３８】
【数２】
0005713916.tif 000003
ここでＬ≡４λ／３である。
【００３９】
ひとつの構成においては、オイル充填管は曲率をともなってわずかに前もって曲げておくことができる。かけられるフルスケールの圧力によるビームの全曲率変化は０．００２５ｍｍより小さい。固定端の状態下ではビームは垂直面内で振動する。一般的にバイアス周波数は４０ｋＨｚで、管の拡張に対応して減少する。オイル充填管は振動絶縁システムのように振る舞う。管の質量は振動エネルギーが逃げることを阻止して、高い振動Ｑを生じさせる。水晶振動子の圧電特性、ビームにめっきされた電極および発振回路によって与えられる電気エネルギーの組み合わせにより、ビームの振動は維持される。オイル充填管は示されるように直線的にしておくことができる。係数Ｑは、振動システムにおける１周期あたりの蓄積エネルギーと損失エネルギーの比に比例する。損失は圧力に比例する管の剛性変化に起因する。
【００４０】
図９は音叉型水晶振動子の実施形態の断面図である。この実施形態はオイル充填管４００内の圧力を検出するために音叉型水晶振動子４５０を用いる。音叉型水晶振動子の触覚センサーは、硬さ、柔らかさ、粗さおよび滑らかさのような対象の物理的特性を識別するために、ロボットの指に用いられる。音叉型水晶振動子の縦（伸長）振動モードを利用して接触面の下の材料特性が識別される。
【００４１】
音叉型水晶振動子４５０は、オイル充填管にはんだ付けされる支持部（基部）４５４をともなう振動部４５８を含む。音叉型水晶振動子４５０は、Ｘ軸に沿う電場作用下でＹ軸に沿って振動できる。水晶振動子と基部の音響インピーダンスの差は長手方向振動エネルギーをセンサー基部から管４００に半径方向にリークさせる。平面波はオイル中を伝わり、かつオイルをとおしてセンサーに跳ね返る。エネルギーリークは、共振時の音叉型水晶振動子のインピーダンスを増加させる。圧力に応じてオイル密度が変化するので、音響エネルギーの減衰は変化する。それ故に音響インピーダンスは圧力に応じて変化する。特定の周波数において、音叉型水晶振動子４５０のインピーダンスはセンサーとオイル圧力の間の音響インピーダンスに比例する。それ故に音叉型水晶振動子の周波数の変化は管中のオイルの圧力に比例する。
【００４２】
音叉型水晶振動子の基部４５４から管４００にリークするエネルギーは管４００の接触面積に依存する。接触面積は固定されているため、オイル圧力を確認するためにインピーダンスを測定することができるか、または圧力のかかっていない管とのセンサー周波数を比較することができる。この構成は、
小型であるため梱包費用を低減できること、
水晶振動子を含む機械的構成要素が安価であること、
測定が非挟み込み型であるため圧力ヘッドが不要であること、
信号が周波数にもとづくためアナログ・デジタル変換器が不要であること、
予測可能であるため温度評価が簡略化されていること、
オイルの動きがほとんどないため隔壁がより小型化できかつ応答がより短時間であること、
異なる管材料に応じて異なる範囲の最適化ができること、
非常に高圧の装置を作る潜在力があること、
小型で安価でかつ低電力であること
を含むいくつかの長所を有する。
【００４３】
ゲージ圧力を検出するために配置される２つのセンサーを用いて、差圧を測定することができる。差圧の低圧側にひとつのセンサーが接続され、かつ差圧の高圧側にもうひとつのセンサーが接続される。電子機器は単純に２つの周波数を比較する。
【００４４】
図１０Ａおよび図１０Ｂは差圧を検出するために配置されるセンサーの実施例を示す。図１０Ａはオリフィス板４８２を含む管４８０の断面図を示す。オリフィス板４８２は板を跨いだ差圧および流れを生じさせる。この差圧は流速に関連している。図１０Ｂには差圧センサー４８４が示されている。センサー４８４は圧力Ｐ１部に接続される第１管４８６および圧力Ｐ２部に接続される第２管４８８を含む。シール４９０は管４８６および４８８を分離する。水晶振動子センシング要素４９２は管４８６に接続され、かつ水晶振動子センシング要素４９４は管４８８に接続される。センサー４９２および４９４は先に述べた技術に従って作動する。圧力Ｐ１部と圧力Ｐ２部の間の差圧が変化すると、それに従いセンサー４９２および４９４からの出力が変化する。この２つの出力の差は差圧（Ｐ１−Ｐ２）に関連している。図１０Ａおよび図１０Ｂに示される構成においては、管４８６および４８８はプロセス流体に直接接続するように配置することができる。代替実施形態においては充填液とともに絶縁隔壁が用いられる。
【００４５】
ほかのデザイン構成においては、第２変形センサーを第２充填管に適用させることができる。この構成を用いることにより、２つの変形センサーからの出力が比較される冗長検査を実施することができる。同様に、ひとつの変形センサーと関連する圧力をもうひとつの変形センサーと関連する圧力から引くことにより、差圧を得ることができる。本明細書において述べられる変形センサーは、毛細管の充填管部分と関連するものとして図示されているが、センサーは毛細管の任意の適切な部位に沿って設置することができ、かつ、この構成に限定されない。
【００４６】
本発明を望ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、形式及び詳細において、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを認めるであろう。本明細書において用いられるライン圧力は、絶対圧力とゲージ圧力の両方を指す。
【図１】
0005713916.tif 000004
【図２】
0005713916.tif 000005
【図３】
0005713916.tif 000006
【図４】
0005713916.tif 000007
【図５】
0005713916.tif 000008
【図６】
0005713916.tif 000009
【図７】
0005713916.tif 000010
【図８Ａ】
0005713916.tif 000011
【図８Ｂ】
0005713916.tif 000012
【図８Ｃ】
0005713916.tif 000013
【図８Ｄ】
0005713916.tif 000014
【図８Ｅ】
0005713916.tif 000015
【図９】
0005713916.tif 000016
【図１０Ａ】
0005713916.tif 000017
【図１０Ｂ】
0005713916.tif 000018