(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタンスに基づく圧力センサであって、
ハウジングであって、
前記ハウジング内の内部空洞、および、
前記ハウジング外側から前記内部空洞まで延びる通路を備える、
ハウジングと、
前記内部空洞内に配置されるセンサダイアフラムと、
前記内部空洞内において、前記センサダイアフラムと対向して配置される電極と、
前記電極と前記センサダイアフラムとの間におけるキャパシタンスを調節するために、前記通路からの圧力を前記センサダイアフラムに伝達するように、前記内部空洞を占有する充填流体と、を備え、
前記充填流体が、約３．５よりも高い誘電率を有し、前記充填流体が、油圧作動油と液体添加物との混合物を含む、圧力センサ。
【請求項２】
前記電極の直径が、約１センチメートル（〜０．４インチ）よりも小さい、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記電極の直径が、約０．２５４センチメートル（〜０．１インチ）である、請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記センサダイアフラムと前記電極との間における前記キャパシタンスの容量が、約５〜約１０ピコファラッドである、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記液体添加物が、約１０〜約２０パーセントのクエン酸から成る、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記液体添加物が、イソプロピルアルコール、アセトン、エチレングリコール、およびグリセリンから成る群から選択される、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記油圧作動油および前記液体添加物が、混和性を有する、請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記液体添加物が、前記混合物の最大約５０パーセントまで含まれている、請求項７に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記油圧作動油および前記液体添加物が、均一混合物を含む、請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記油圧作動油が、シリコーンベース油から構成される、請求項９に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記液体添加物が、前記充填流体の粘性を低減する、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記充填流体が、約１８またはそれよりも高い誘電率を有する、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１３】
内部空洞、
前記内部空洞を第１および第２のチャンバに分割するように、前記内部空洞内に配置されたセンサダイアフラム、
前記センサダイアフラムに対向する、前記第１のチャンバ内における第１の内部表面、および、
前記センサダイアフラムに対向する、前記第２のチャンバ内における第２の内部表面を備える、
セル本体部と、
前記センサダイアフラムと共に第１のコンデンサを形成するように、前記第１の内部表面上に配置される第１の電極と、
前記センサダイアフラムと共に第２のコンデンサを形成するように、前記第２の内部表面上に配置される第２の電極と、
前記センサダイアフラムの位置の調節、並びに前記第１および第２のコンデンサのキャパシタンスの変化のために、圧力を受容するように適合される、前記第１および第２のチャンバ内に配置される充填流体と、を備える、圧力センサであって、
前記充填流体が、約３．５よりも高い誘電率を有し、前記充填流体が、油圧作動油および液体添加物の溶液を含み、前記溶液が、混和性を有する、圧力センサ。
【請求項１４】
前記第１の電極から前記セル本体部の外側まで延びる第１のリード線と、
前記第２の電極から前記セル本体部の外側まで延びる第２のリード線と、
前記第１の内部表面を備えるように、前記第１のチャンバ内に配置される第１の絶縁体と、
前記第２の内部表面を備えるように、前記第２のチャンバ内に配置される第２の絶縁体と、
前記第１のチャンバに接続される第１の端部、および前記セル本体部の前記外側に開かれる第２の端部を有する第１の隔離チューブと、
前記第２のチャンバに接続される第１の端部、および前記セル本体部の前記外側に開かれる第２の端部を有する第２の隔離チューブと、をさらに備え、
前記充填流体が、前記第１の隔離チューブおよび前記第２の隔離チューブ内に配置される、請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１５】
前記液体添加物が、イソプロピルアルコール、アセトン、エチレングリコール、およびグリセリンから成る群から選択され、
前記油圧作動油が、シリコーン油から構成される、請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１６】
前記液体添加物が、前記充填流体の粘性を低減する、請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１７】
前記第１および第２の電極の直径が、約１センチメートル（〜０．４インチ）よりも小さく、前記第１および第２のコンデンサのキャパシタンスが、約５〜約１０ピコファラッドである、請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１８】
プロセス流体圧力を測定する圧力トランスミッタであって、
トランスミッタハウジングと、
前記ハウジング内に配置されており、
約３．１７５センチメートル（〜１．２５インチ）よりも小さい直径を有するセル本体部を備えており、
約５〜約１０ピコファラッドの範囲におけるキャパシタンスを有しており、
前記プロセス流体圧力を感知するキャパシタンスに基づく圧力センサと、
前記トランスミッタハウジングの外側に配置される隔離ダイアフラム、および、
前記圧力センサから前記隔離ダイアフラムまで延びる隔離チューブ、を備える、
油圧中継システムと、
前記油圧中継システム内に位置決めされており、イソプロピルアルコール、及びアセトン、から成る群から選択される、高誘電率液体流体を備える、圧力センサ充填流体と、
前記ハウジング内に配置されており、前記圧力センサからの圧力信号を受信および調節するように構成される、トランスミッタ電子機器と、を備える、圧力トランスミッタ。
【請求項１９】
前記圧力センサのライン容量が、約１２０００ｐｓｉ（〜８２．７メガパスカル）である、請求項１８に記載の圧力トランスミッタ。
【請求項２０】
前記充填流体が、約３．５よりも高い誘電率を有する、請求項１８に記載の圧力トランスミッタ。
【請求項２１】
前記充填流体が、前記プロセス流体圧力の変化を、前記センサに伝達するための油圧作動油をさらに備える、請求項１８に記載の圧力トランスミッタ。
【請求項２２】
前記液体流体が、前記油圧作動油よりも高い誘電率を有する、請求項２１に記載の圧力トランスミッタ。
【請求項２３】
前記セル本体部が、約１．２７センチメートル（〜０．５インチ）の直径を有する、請求項１８に記載の圧力トランスミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用プロセス制御システムに使用されるプロセス計器に一般的に関する。より詳細には、本発明は、圧力トランスミッタに使用される容量型圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス計器は、工業用プロセスに使用されるプロセス流体圧力、温度、流量および水面等のプロセスパラメータを監視するのに使用される。例えば、プロセストランスミッタは、種々の生産ラインにおける種々のプロセスパラメータを監視するために、複数の場所における工業用の製造工場において一般的に使用される。プロセストランスミッタは、プロセスパラメータにおける物理的変化に応答して電気出力を生成するセンサを含む。例えば、圧力トランスミッタは、送水管、薬品タンク、または類似物等の、プロセス流体の圧力の関数としての、電気出力を生成する容量型圧力センサを含む。各プロセストランスミッタはまた、トランスミッタおよびプロセスパラメータが局所的または遠隔的に監視されるように、センサの電気出力を受信および処理するトランスミッタ電子機器を含む。局所的に監視されるトランスミッタは、プロセストランスミッタの現場における電気出力を表示するＬＣＤ画面のようなディスプレイを含む。遠隔的に監視されるトランスミッタは、制御ループまたはネットワークを通じて、制御室のような中央監視場所に電気出力を送る電子機器を含む。自動スイッチ、バルブ、ポンプ、および制御ループにおける他の類似の構成要素を含むように構成されることによって、プロセスパラメータは制御室から制御され得る。
【０００３】
圧力トランスミッタに使用される一般的な容量型圧力センサは、柔軟性を有するセンサダイアフラムを一般的に備える、固定された電極板および調節可能な電極板を含む。センサダイアフラムは、プロセス流体圧力をセンサに伝える簡単な油圧システムを通じてプロセス流体と接続される。油圧システムは、センサダイアフラムが第１の端部に配置され、プロセス流体に係合するように、柔軟性を有する隔離ダイアフラムが第２の端部に配置されるシールされた通路を備える。シールされた通路は、プロセス流体が隔離ダイアフラムに影響を与えるように、センサダイアフラムの位置を調節する正確な量の油圧作動油に充填される。プロセス流体圧力の変化がセンサダイアフラムの位置を変化させるときに、圧力センサのキャパシタンスの変動が引き起こされる。圧力センサによる電気出力はキャパシタンスに関連するため、プロセス流体圧力の変化に比例して電気出力は変化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧力センサのキャパシタンスは、主に３つの要因により制御される。それらは、電極板の表面積、電極板間の距離、および電極板間における通常は充填流体である材料の誘電率の大きさである。より多くの用途に使用されるように、圧力センサを出来る限り小さく製造することが通常は望まれる。電極間の間隔についての下限値は、コンデンサが適切に機能する能力によって制限される。電極板の表面積についての下限値は、トランスミッタ電子機器と適合性がある最小強度の信号を生成する圧力センサの必要性によって決定される。電極板間における材料の誘電率は、油圧システムと適合性のある充填流体の種類によって制限される。これらの設計制約に基づいて、容量型圧力センサに一般的に使用される電極板の最小直径は、概して約０．４インチ（〜１センチメートル）またはそれ以上であり、それ故、圧力センサは、約１．２５インチ（〜３．１７５センチメートル）の直径に制限されてきた。さらに、従来の製造プロセスは、所望の精度を達成するために極端に低い許容誤差が要求されるより小さい容量型圧力センサを製造できなかった。それ故、改善されたキャパシタンスを有するより小さい容量型圧力センサが要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、工業用プロセストランスミッタに使用される容量型圧力センサに一般的に関する。圧力センサは、ハウジング、センサダイアフラム、電極、および充填流体を備える。ハウジングは、ハウジング内に形成された内部空洞、およびハウジングの外側から内部空洞まで延びる通路を含む。センサダイアフラムは内部空洞内に配置される。電極は、内部空洞内においてセンサダイアフラムに対向して配置される。充填流体は、電極とセンサダイアフラムとの間におけるキャパシタンスを調節するために、通路からの圧力をセンサダイアフラムに伝達するように内部空洞を占有する。充填流体は、約３．５よりも高い誘電率を有する。別の実施形態では、圧力センサが、約３．１７５センチメートル（〜１．２５インチ）よりも短い直径を有し、電極が、約１センチメートル（〜０．４インチ）よりも短い直径を有する。さらに別の実施形態では、圧力センサは、約５〜約１０ピコファラッドのキャパシタンスを有する。さらに別の実施形態では、充填流体が、イソプロピルアルコール、アセトン、エチレングリコール、およびグリセリン等の液体添加物を有する油圧作動油から成る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明における容量型圧力センサを有する圧力トランスミッタを含むプロセス制御システムを示す図である。
【図２】図２は、差圧測定のために構成された容量型圧力センサを含む図１の圧力トランスミッタの概略側面図である。
【図３】図３は、図２の圧力トランスミッタ内に使用される差圧モジュールを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１に、圧力トランスミッタ１２と、制御室１４と、遠隔シールシステム１５と、プロセス容器１６とを含むプロセス制御システム１０を示す。圧力トランスミッタ１２は、プロセス容器１６に収容されたプロセス流体１８の圧力レベルを、遠隔シールシステム１５を通じて感知し、次に、制御ループ２２を通じて制御室１４に圧力信号を中継する。また、制御室１４は、制御ループ２２上で電源２４からトランスミッタ１２に電力を供給する。また、制御ループ２２は、プロセス流体１８のプロセスパラメータを監視および調節することができるように、通信システム２６が制御室１４からトランスミッタ１２にデータを送信し、トランスミッタ１２からデータを受信することを可能にする。種々の実施形態では、制御ループ２２および通信システム２６は、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓ等のデジタル通信プロトコル、または４〜２０ｍＡのＨＡＲＴ（登録商標）システム等のアナログ通信プロトコルにおいて作動する。圧力トランスミッタ１２は、トランスミッタ回路２８およびセンサ３０を含む。トランスミッタ回路２８は、制御ループ２２を通じて圧力センサ３０によって生成される電気信号を、制御室１４もしくはＬＣＤ画面のようなローカルディスプレイまたは両方に送信する構成要素を含む。センサ３０およびトランスミッタ１２から受信したデータに基づいて、制御室１４は、制御ループ２２または別の制御ループのいずれかを通じてプロセスパラメータを調節できる。例えば、制御室１４は、適切なバルブを調節することによって、容器１６へのプロセス流体１８の流量を調節できる。
【０００８】
センサ３０は、遠隔シール隔離ダイアフラム３２Ａおよび３２Ｂ、毛細管３４Ａおよび３４Ｂ、並びに遠隔シール３６Ａおよび３６Ｂを含む遠隔シールシステム１５、並びに油圧隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂを通じてプロセス流体１８と油圧的に接続されている。隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂは、それらの第１の端部におけるトランスミッタ１２の隔離ダイアフラムと、それらの第２の端部におけるセンサ３０とを接続する通路を備える。油圧隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂには第１の充填流体が供給される。毛細管３４Ａおよび３４Ｂは、トランスミッタ隔離ダイアフラムから容器１６における遠隔シール３６Ａおよび３６Ｂのダイアフラム３２Ａおよび３２Ｂまで延び、そこで、ダイアフラム３２Ａおよび３２Ｂがプロセス流体１８に接触する。毛細管３４Ａおよび３４Ｂは、第２の充填作動油により満たされる。第１の油圧作動油が、プロセス流体１８の圧力を隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂを通じてトランスミッタ１２からセンサ３０に伝達し、一方第２の油圧作動油は、プロセス流体１８の圧力を容器１６からトランスミッタ１２に伝達する。また、第１の充填流体の組成は、圧力センサ３０の性能に影響を与える。具体的に、センサ３０は、センサを構成するコンデンサの誘電体を備えるように、第１の充填流体が流れ込む容量型圧力センサを備える。本発明によると、第１の充填流体は、一般的な業界標準の油圧充填流体を有する圧力センサと比較して、圧力センサのキャパシタンスを増加することができ、かつ圧力センサのサイズを低減することができるような誘電率を有する材料から成る。
【０００９】
図２は、２．２よりも実質的に高い誘電率の充填流体を有する差圧センサを備える容量型圧力センサ３０を含む、本発明の一実施形態を含む圧力トランスミッタ１２を示す。プロセストランスミッタ１２は、トランスミッタ回路２８、センサ３０、油圧隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂ、ハウジング４０、モジュール４２、基部４４、並びにＬＣＤ４５を含む。センサ３０は、油圧隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂにおける充填流体Ａ、並びに遠隔シールシステム１５の毛細管３４Ａおよび３４Ｂにおける充填流体Ｂを通じてプロセス流体１８（図１）の圧力の物理的変化を感知する。センサ３０は、ケーブル４６を通じてトランスミッタ回路２８と電子的に通信する。回路２８は、センサ３０の出力を制御ループ２２と適合性のあるフォーマットに調節する。これによって出力は、接続されたＬＣＤ４５における局所的監視のために電子機器２８に、または制御ループ２２を通じて制御室１４（図１）に中継される。他の実施形態では、トランスミッタ回路２８は、無線ネットワーク上で通信する。さらに他の実施形態では、調節されたセンサ３０の出力は、圧力トランスミッタ１２に有線または無線により連結された手持ち式デバイスによって読取可能である。
【００１０】
隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂは、プロセスフランジ４７を通じて毛細管３４Ａおよび３４Ｂに接続される。プロセスフランジ４７は、典型的には、トランスミッタ１２の基部４４にボルト締めまたは他の方法において固定される。一実施形態では、フランジ４７は、ＣＯＰＬＡＮＡＲ（商標）プロセスフランジを備える。フランジ４７は、遠隔シールシステム１５の毛細管３４Ａおよび３４Ｂがそれぞれ接続される通路５０Ａおよび５０Ｂを含む。毛細管３４Ａおよび３４Ｂは、ねじ込みカプラのような任意の連結システムを含むことができるカプラ４８Ａおよび４８Ｂを通じてフランジ４７に接続される。プロセスフランジ４７は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂと、毛細管３４Ａおよび３４Ｂとのそれぞれの接続を容易にする。遠隔シールシステム１５の毛細管３４Ａおよび３４Ｂ各々は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂがトランスミッタ１２の境界を越えて延びることを可能にする。隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂによって、トランスミッタ１２の外側に圧力センサ３０を接触させることができる。
【００１１】
センサ３０は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂにおける第１の充填流体Ａを通じて、上述したプロセス流体１８の圧力の変化に応じた電気信号を生成するトランスデューサである。センサ３０は、センサダイアフラム５８、第１の電極板６０Ａおよび第２の電極板６０Ｂを備えキャパシタンスに基づく差圧セルを備える。センサ３０は、モジュール４２内に配置される、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂ内の充填流体Ａを通じて、基部４４のダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂと流体連通する。隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂは、フランジ４７の通路５０Ａおよび５０Ｂ、並びに遠隔シールシステム１５における毛細管３４Ａおよび３４Ｂ内の充填流体Ｂを通じて、プロセス流体１８（図１）と流体連通する。プロセス流体１８は、容器１６の上部により近い遠隔シール３６Ａの隔離ダイアフラム３２Ａに力を加える付随圧力Ｐ１を有する（図１）。プロセス流体１８はまた、遠隔シール３６Ｂの隔離ダイアフラム３２Ｂに力を加える容器１６の底部により近い付随圧力Ｐ２を有する（図１）。Ｐ１は、毛細管３４Ａ内の圧力が圧力Ｐ１と等しいように、隔離ダイアフラム３２Ａから毛細管３４Ａの第２の充填流体Ｂによってトランスミッタ１２の隔離ダイアフラム５２Ａに伝達される。同様に、Ｐ２は、毛細管３４Ｂ内の圧力が圧力Ｐ２と等しいように、隔離ダイアフラム３２Ｂから毛細管３４Ｂの第２の充填流体Ｂによってトランスミッタ１２の隔離ダイアフラム５２Ｂに伝達される。Ｐ１およびＰ２に付随する力は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂ内の圧力がそれぞれ圧力Ｐ１およびＰ２に等しいように、隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂから第１の充填流体Ａによってセンサダイアフラム５８に伝達される。従って、差圧Ｐ１−Ｐ２が、充填流体Ａによってセンサ３０のセンサダイアフラム５８の両側にわたって生成される。充填流体Ａは、センサダイアフラム５８を囲むようにセンサ３０を占有し、センサダイアフラム５８と電極板６０Ａおよび６０Ｂとの間の空間を占有する。それ故、圧力センサ３０のキャパシタンスは、充填流体Ａの誘電率に直接的に関連する。充填流体Ａは、工業用プロセス制御システムに適合性のある容量型圧力センサにこれまで用いられてきたものよりも高い誘電率を有する誘電性流体を含む。より詳細には、充填流体Ａは、いくつかある利点のうち、センサ３０のサイズを低減し、センサ３０のキャパシタンスを増大させることが可能な、約２．２よりも実質的に高い誘電率を有する。
【００１２】
一般的にセンサダイアフラム５８は、ダイアフラム５８に対向するように、センサ３０の内部曲面に堆積された円形の金属コーティングを一般的に備える電極板６０Ａおよび６０Ｂの間に配置される円形のステンレス鋼ディスクから成る。センサダイアフラム５８は、電極板６０Ａと６０Ｂとの間において曲がることが可能なように、その曲表面の外周の間に挟まれる。従って、センサ３０は、幅および直径を有する概して円筒状のセンサを形成する２つの直列コンデンサとして配置される電気的に絶縁された３つの金属板を備える。ダイアフラム５８と第１の電極板６０Ａとの間のキャパシタンス、およびダイアフラム５８と第２の電極板６０Ｂとの間のキャパシタンスは、充填流体ＡおよびＢを通じて与えられる圧力Ｐ１およびＰ２の変化により、ダイアフラム５８の屈曲が変化する時に変化する。ダイアフラム５８と、電極板６０Ａまたは６０Ｂのうちの一方との間のキャパシタンスは、他方が減少する時に増大する。圧力変化による各コンデンサにおけるキャパシタンスの変化は、トランスミッタ回路２８により、圧力Ｐ１とＰ２との間の差圧の大きさの変化の指示として測定される。
【００１３】
一般的に、コンデンサのキャパシタンスは、コンデンサを備える電極板に蓄えられたエネルギー量を示すものとなる。キャパシタンスＣは、式（１）に示すように、電極板の面積Ａおよび電極板の間の材料の誘電率εに比例し、電極板の間の距離Ｘに反比例する。
【数１】
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【００１４】
容量型圧力センサにおいて、圧力センサにより生成される信号の出力強度は、コンデンサに蓄えられた電荷によって決定される。センサ３０において、第１のコンデンサは、センサダイアフラム５８と第１の電極板６０Ａとによって形成される。また、第２のコンデンサは、センサダイアフラム５８と第２の電極板６０Ｂとによって形成される。センサ３０がトランスミッタ回路２８および制御ループ２２に使用されるのに十分に大きい信号を生成可能なように、第１および第２のコンデンサに蓄積された電荷は十分に大きい必要がある。通常、容量型圧力センサは、トランスミッタ回路２８に用いられる、４〜２０ｍＡアナログ制御ループ等の制御ループと適合性のある出力を生成するために、約５μＦ〜約１０μＦのキャパシタンスを有する必要がある。同様に、誘電体の誘電率εは、選択された充填流体によって決定される。また、センサ３０の幅および直径がさらに低減され得るように、第１および第２のコンデンサのサイズを低減することが望ましい。それ故、圧力センサの設計およびサイズは、製造技術における限界だけでなく、制御ループおよび充填流体に対する必要条件によって従来から制限されてきた。
【００１５】
一般的に、充填流体の誘電率εは、充填流体に必要される機械的な性能要件により、小さい程度に制限されてきた。例えば、充填流体は、充填流体が効率的かつ正確に圧力を伝達できるように、実質的に非圧縮性でなければならない。例えば、センサ３０において、充填流体Ａの圧縮によって歪みが完全に吸収されることなく、充填流体Ａは、非常に小さいダイアフラム５２Ａの歪みをセンサダイアフラム５８に伝達することができなくてはならない。充填流体は、さらに、他のセンサ構成要素に反応することを防止するために、実質的に不活性である必要がある。例えば、センサ３０において、充填流体Ａは、センサダイアフラム５８および電極板６０Ａと反応してはならない。これらの要求を満たす充填流体は、典型的には、米国ミシガン州ミッドランド所在の「Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」から市販されている「ＤＣ２００（登録商標）」、「ＤＣ７０４（登録商標）」、または「Ｓｙｌｔｈｅｒｍ  ＸＬＴ（登録商標）シリコーン油」等のシリコーン油の油圧作動油から成る。しかしながら、他の類似した作動油も使用される。これらの油圧作動油は、約２．２〜約２．４の範囲における誘電率を有し、それ故、サイズを一般的な誘電材料圧力センサが縮小され得るサイズに制限する。
【００１６】
任意の圧力センサにおける幅は、コンデンサの性能を妨げることなく隣接するコンデンサ板間の距離Ｘを低減させる能力によって制限される。電界効果により、電極板間の誘電体が分解し、電子が板間をジャンプすることによってコンデンサのキャパシタンスを破壊する前に、どれぐらい近くまで電極板を近接させられるかに関する実用上の限界がある。例えば、圧力センサ３０の幅は、センサダイアフラム５８と、第１の電極板６０Ａおよび第２の電極板６０Ｂとの間の間隔に関連する。それ故、電極板６０Ａおよび６０Ｂは、典型的には、コンデンサの性能を損なわずに実用上許容される範囲において、センサダイアフラム５８に近接して配置される。圧力センサ３０を含む容量型圧力センサのほとんどにおいて、距離Ｘは、典型的に、充填流体のキャパシタンスが分解するか、不安定になる前に、上位の圧力範囲において約０．００１インチ（〜０．００２５４センチメートル）に低減され得る。
【００１７】
コンデンサ設計における限界により固定された距離Ｘと、充填流体の要件とに基づいて一般的に固定された誘電率εと共に、電極板の面積は、５μＦ〜約１０μＦのキャパシタンスを生成するように十分に大きい必要がある。式（１）に基づき、要求されるキャパシタンスに達するために、約０．４インチ（〜１センチメートル）またはより大きな直径を有する電極板が一般的に必要とされてきた。この結果、センサが約１．２５インチ（〜３．１７５センチメートル）以上の直径となる。しかしながら、電極板の直径を大きくすることなく、キャパシタンスを増大させ、圧力センサのサイズを低減することが望まれる。本発明は、一般的に入手できる油圧作動油である、実質的に２．２よりも高い誘電率を有する充填流体を用いることによって、１．２５インチ（〜３．１７５センチメートル）よりも短い直径を有し、センサに有効なキャパシタンスを有する容量型圧力センサを達成できる。一実施形態では、圧力センサ３０は、約０．５インチ（〜１．２７センチメートル）の直径を有する。より小さいサイズの圧力センサ３０は、精密、かつ許容誤差の小さい、センサ３０およびその構成要素の製造を可能にする近代的な製造プロセスを用いて達成される。
【００１８】
図３は、図２の差圧トランスミッタ１２内において使用される圧力センサ３０およびモジュール４２の一実施形態を示す斜視図である。圧力センサ３０は、圧力トランスミッタ１２のモジュール４２内の基部４４上に配置される。圧力センサ３０は、隔離チューブ３８Ａ、隔離チューブ３８Ｂ、センサダイアフラム５８、第１の電極板６０Ａ、第２の電極板６０Ｂ、セルの第１の二分割部６２Ａ、セルの第２の二分割部６２Ｂ、第１の絶縁体６４Ａ、第２の絶縁体６４Ｂ、第１のリード線６６Ａ、および第２のリード線６６Ｂを含む。ケーブル４６は、トランスミッタ１２のハウジング４０内のトランスミッタ回路２８（図２）と、圧力センサ３０のリード線６６Ａおよび６６Ｂとを接続する。基部４４は、フランジ４７（図２）および遠隔シールシステム１５（図１）と、センサ３０の隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂとを接続する。
【００１９】
モジュール４２および基部４４は、典型的には、単一部分として鋳造および機械加工され、モジュール４２は、センサ３０を保持するためのくり抜かれた空洞を主として備える。モジュール４２および基部４４は、ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂが、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂを通じてセンサ３０と伝達することを可能にするフレームワークを共に提供する。基部４４は、トランスミッタ１２がフランジ４７または他の何らかのプロセス接続と接続できる穴６８を含む。モジュール４２は、トランスミッタ１２のハウジング４０と接続するためのネジ山７０を含む。基部４４は、隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂと共に、分離チャンバ７２Ａおよび７２Ｂをそれぞれ形成するカウンターボアをさらに含む。分離チャンバ７２Ａおよび７２Ｂは、それぞれ隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂによって、基部４４に提供される穴７４Ａおよび７４Ｂに接続される。隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂは、一般的に基部４４並びにセルの二分割部６２Ａおよび６２Ｂに溶接されたステンレス鋼配管の部分を備える。隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂは、センサセル二分割部６２Ａおよび６２Ｂ内の穴７６Ａおよび７６Ｂにそれぞれ配置された、絶縁体６４Ａおよび６４Ｂにそれぞれ接続される。絶縁体６４Ａおよび６４Ｂは、その上に電極板６０Ａおよび電極板６０Ｂがそれぞれ配置された、カップ形状の台を備える。セル二分割部６２Ａおよび６２Ｂが、センサ３０内の内部空洞７８を形成するように組み立てられると、カップ形状の台は対合する。絶縁体６４Ａおよび６４Ｂは、ガラスまたはセラミック等の任意の適切な絶縁体から成る。絶縁体６４Ａおよび６４Ｂは、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂが、内部空洞７８と分離チャンバ７２Ａおよび７２Ｂとを接続するように、内部空洞７８を通じて延びる穴を含む。センサダイアフラム５８は、ダイアフラム５８が電極板６０Ａおよび６０Ｂに対向するように、内部空洞７８内においてセル二分割部６２Ａと６２Ｂとの間に配置される。ダイアフラム５８並びに電極板６０Ａおよび６０Ｂは、通常、耐食性材料から成る。電極６０Ａおよび６０Ｂはそれぞれ、絶縁体６４Ａおよび６４Ｂを通じて延びて、開口８０Ａおよび８０Ｂにおいてセル二分割部６２Ａおよび６２Ｂから外部に出て、それぞれリード線６６Ａおよび６６Ｂに接続される。リード線６６Ａおよび６６Ｂは、種々のセンサ電子機器８４を含む回路基板８２に接続される。回路基板８２は、リボンケーブル４６を通じて、ハウジング４０内におけるトランスミッタ電子機器２８に接続される。
【００２０】
センサダイアフラム５８並びに電極板６０Ａおよび電極板６０Ｂは、センサ３０内に第１および第２のコンデンサを備えるように構成される。各コンデンサは、圧力Ｐ１およびＰ２がセンサダイアフラム５８に作用するときに電気信号を生成する。圧力センサ３０は、それ故、センサ３０によって生成される誤差を低減するのに役立つ二重のキャパシタンス信号を生成する。上述したように、シリコーン油充填流体による好ましい使用に基づいて、一般的に、このようなセンサが約０．４インチ（〜１センチメートル）の直径の電極を有することが必要であった。それ故、トランスミッタ電子信号プロセス機能と適合性のある十分に大きいキャパシタンスを生成するために十分なサイズがコンデンサ電極に要求される場合には、一般的には、より小さいセンサモジュールを製造できなかった。偶然にも、従来から利用可能な製造プロセスは、より小さいセンサを製造するために、高精度の、十分に小さい許容誤差で、センサセル、絶縁体、および電極を一般的に製造できなかった。例えば、内部空洞７８の深さ（例えば、絶縁体６４Ａの縁と絶縁体６４Ａの底との間の距離）は、利用できる研削技術に基づいて、約０．００３５インチ（〜０．００８８９センチメートル）に制限された。同様に、電極の厚みは、利用できる堆積技術に基づいて、約２０００オングストローム（〜０．０００２ｍｍ）に制限された。このように、一般的なセンサは上述の寸法を有するようにセンサ技術は固定されていたので、より小さいセンサの製造不可能であった。本発明は、改善された誘電特性を有し、かつ約０．０４インチ（〜０．１センチメートル）よりも小さい直径を有する電極により約１．２５インチ（〜３．１７５センチメートル）よりも小さい直径を有するセンサを達成するために、現在の製造技術の機能と、高い誘電性を有する充填流体の利用とを組み合わせる。本発明の一実施形態において、センサ３０は、約０．１インチ（〜０．２５４センチメートル）の直径を有する電極板６０Ａおよび６０Ｂを含む、約０．５インチ（〜１．２７センチメートル）の直径を有する。
【００２１】
一実施形態において、充填流体Ａは、約１８．３の誘電率を有するイソプロピルアルコールを備える。別の実施形態において、充填流体Ａは、約２０．７の誘電率を有するアセトンを備える。さらに別の実施形態において、充填流体Ａは、約４７の誘電率を有するグリセリンを備える。別の実施形態において、充填流体Ａは、約３７の誘電率を有するエチレングリコールを備える。これらの液体添加物は、実質的に２．２よりも高い誘電率を有しており、一般的なシリコーン油の油圧作動油から入手可能である。詳細には、これらの高誘電率液体添加物は、市販の油圧作動油から利用できるものよりも、約９倍またはそれ以上の高い誘電率を有する。充填流体Ａは、これらの高誘電率液体を最大１００パーセント含んで構成されてもよい。具体的に記載されない他の高誘電率液体は、本発明の他の実施形態において用いられ得る。
【００２２】
他の実施形態において、充填流体Ａは、高誘電率液体添加物の溶液および一般的な市販の油圧作動油を含んで構成される。混合用の相溶性のある油圧作動油は、上述した、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＤＣ２００（登録商標）、ＤＣ７０４（登録商標）、またはＳｙｌｔｈｅｒｍ  ＸＬＴ（登録商標）のシリコーン油を含む。しかしながら、他の油圧作動油も用いられ得る。上述した液体添加物および油圧作動油は、各流体の利点をより良く得るために、各液体を０〜１００パーセント含むように溶液に混合することが可能である。例えば、イソプロピルアルコールのような液体添加物のキャパシタンスが増加される一方で、ＤＣ２００の不活性がいくらか維持されることが望まれる。別の実施形態において、充填流体Ａは、約２００の誘電率を有するクエン酸を最大２０パーセント含む。液体添加物および油圧作動油の溶液は、均質かつ混和性を有する混合物を形成するために互いに混合される。液体添加物は、それ故、油圧作動油と液体添加物との容積配分に比例する量により充填流体の溶液の全体の特性に寄与することになる。例えば、５０体積パーセントの液体添加物と５０体積パーセントの油圧作動油とを有する充填流体は、油圧作動油および液体添加物の電気的および機械的特性の平均である電気的および機械的特性（例えば、誘電率および粘性）を有する。これは、約２５パーセントの濃度レベルにおいて飽和し、そして約１パーセント〜５パーセントの濃度レベルにおいてのみ懸濁状態に維持される特性のあるナノ粒子のような、他の固体の充填流体添加物よりも有利である。ナノ粒子は、約３．５〜約７．０の範囲における誘電率を有する。例えば、セラミックアルミナのナノ粒子は、約４．５の誘電率を有し、酸化アルミニウムのナノ粒子は、約７．０の誘電率を有し、カーボンベースのナノ粒子は、約３．５の誘電率を有する。液体添加物は、しかしながら、時間が経過しても分離することはなく溶液内において維持される。さらに、固体の微粒子の添加物は、液体添加物ほどには充填流体の多くの物理的特性に影響を与えることができない。例えば、液体添加物は構成される油圧作動油の粘性に影響を与えるが、固体の添加物は影響を与えない。
【００２３】
上述のように特定された高誘電率材料および他の材料は、本発明の油圧システムにおける使用に適合性のある物理的特性を有する。詳細には、液体添加物は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂが適切に動作するのに十分な不活性、粘性、および圧縮率を有する。液体添加物は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂ、センサダイアフラム５８、電極板６０Ａおよび６０Ｂ、並びに絶縁体６４Ａおよび６４Ｂと反応しないように、適度に不活性である。これらの材料は、それらが充填流体Ａおよび液体添加物との接触に耐性を有するように、ステンレス鋼およびガラスのような高い耐食性材料を含んで構成される。液体添加物はさらに、それらが隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂからセンサダイアフラム５８に圧力を伝達できるような適度な非圧縮性をも有する。通常の圧力センサおよび圧力トランスミッタは、何千ｐｓｉもの上昇する圧力に達するプロセス流体を含む工業用プロセス制御システムにおいて作動する。このような大きな圧力は、シリコーン油の油圧作動油等の一般的な充填流体に、小さいが許容範囲内の圧縮を引き起こす。このような圧縮は、空気および水が充填流体に混合することを防止するのに役立つ、圧力センサおよびプロセストランスミッタの充填流体のラインにおける真空密封によって軽減される。本発明における液体添加物は、一般的な充填流体と同様の圧縮レベルに耐性がある。それ故、液体添加物が大幅には圧縮されないため、隔離ダイアフラム５２Ａの歪みは充填流体Ａに吸収される。これにより、センサダイアフラム５８は歪みを残さない。それ故、センサ３０およびトランスミッタ回路２８における適切な較正と共に、本発明の液体添加物における圧縮率により適切な油圧作動油が提供される。液体添加物は、隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂ並びにセンサダイアフラム５８と共に使用されるのに適切な粘性をも有する。液体添加物は、シリコーン油の油圧作動油よりも小さい粘性を有する。しかしながら、この粘性は、センサ３０からノイズを除去するため、ダイアフラム５８に必要とされる振動減衰を充填流体Ａが提供するのには十分に大きい。低減された粘性は、下記に記述するように、センサ３０の応答時間を長くする。液体添加物は、高温および低温の温度限界（すなわち、凝固点および沸点）を拡大する、などのような、充填流体Ａの他の物理的特性に影響を与えるために用いられ得る。特定された液体添加物の一部は、遠隔シールシステム１５のような遠隔シールシステム用の油圧作動油として使用されてきたことに留意されたい。しかしながら、遠隔シールシステムにおいて充填流体は圧力センサまたはセンサダイアフラムに接触しない。それ故、本発明を達成する方法において、圧力トランスミッタおよび圧力センサの動作に影響を与えない。
【００２４】
それ故、設計の観点から、圧力センサ３０および充填流体Ａの作動特性を低減させることなく、キャパシタンスおよび圧力センサ３０の出力の信号強度を維持しながら、センサ３０を形成する電極板６０Ａおよび６０Ｂのサイズは低減され得る。充填流体Ａが上述した誘電性が改善された流体を含んで構成される場合には、センサ３０のキャパシタンスは一般的な５μＦ〜約１０μＦを越えて大きくなる。従って、高誘電率液体は、より大きな出力信号を生成する標準の１．２５インチの直径を有する圧力センサに用いられ得る。しかしながら、一般的に５μＦ〜約１０μＦのキャパシタンスを有するセンサ信号を生成することのみが必要となるため、センサ３０のサイズおよび直径は、現在の製造技術を用いて低減され得る。例えば、現在の研削技術は、絶縁体６４Ａおよび６４Ｂが０．００３５インチ（〜０．００８８９センチメートル）よりもはるかに小さい深さを有することを可能にする。同様に、現在の堆積技術は、電極板６０Ａおよび電極板６０Ｂが２０００オングストローム（〜０．０００２ｍｍ）よりも薄い層で絶縁体６４Ａおよび６４Ｂ上に精度良く堆積されることを可能にする。油圧作動油を液体添加物で完全に置き換えること、または油圧作動油に任意の濃度で液体添加物を混合することが可能であるという構成上の柔軟性は、サイズ低減以上の利点を圧力センサ３０に提供する。
【００２５】
センサ３０の直径、並びにセル二分割部６２Ａおよび６２Ｂの直径を低減することによって、トランスミッタ１２および圧力センサ３０におけるライン圧力の増大を可能にする。セル二分割部６２Ａおよび６２Ｂは、一般的に内部空洞７８がそれらの間に形成されるように、接合部８６においてそれらの縁の周囲を共に溶接される。内部空洞７８は、隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂにおいて受容されたそれぞれの圧力Ｐ１およびＰ２に基づいて加圧された充填流体Ａを受容する。それ故、内部空洞７８は、セル二分割部６２Ａおよび６２Ｂ並びに接合部８６における外向きの力を引き起こすように加圧される。圧力によって生じる力Ｆは、式（２）に示すように、圧力Ｐに、これが対抗する面積Ａをかけたものの大きさによって決定される。
Ｆ＝ＰＡ  （２）
【００２６】
それ故、セル二分割部６２Ａおよび６２Ｂに作用する力は、圧力Ｐ１およびＰ２の大きさ、並びにセル二分割部６２Ａおよび６２Ｂの面積によって決定される。例えば、セル二分割部６２Ａに作用する力は、これに対して圧力Ｐ１が作用するセル二分割部６２Ａの内側の面積に圧力Ｐ１をかけたものに相当する。圧力Ｐ１は、例えば、容器１６（図１）内の圧力Ｐ１によって最終的に決定される、隔離ダイアフラム５２Ａが接続するラインの圧力によって決定される。接合部８６が耐え得る最大力Ｆは、溶接された接合部の強度に応じる。それ故、所与の溶接部において、より直径が小さいセル二分割部は、より大きいライン圧力に耐え得る。従来の１．２５インチの直径の圧力センサは、一般的に約１２０００ｐｓｉ（〜８２．８メガパスカル）の最大ライン圧力を有する。本発明によると、油圧作動油内の高誘電率液体添加物の含有、および関連するセンサ直径の低減により、圧力センサ３０は、１２０００ｐｓｉよりも大きいライン圧力に接続可能である。ライン圧力が、この限度の最大約３倍まで増大されることも企図される。
【００２７】
本発明のセンサ３０は、さらに、従来の容量型圧力センサよりも早い応答時間を達成する。本発明の誘電性が改善された充填流体が圧力センサ３０の直径を低減すると、内部空洞７８内の充填流体Ａの体積が比例して減少する。それ故、さらに、例えば隔離ダイアフラム５２Ａとセンサダイアフラム５８との間の充填流体Ａ全体の体積は減少する。それ故、隔離ダイアフラム５２Ａおよびセンサダイアフラム５８は、圧力Ｐ１の変化に応じて移動させる必要がある充填流体Ａの量がより少ない。圧力Ｐ１の変化は、それ故、隔離ダイアフラム５２Ａからセンサダイアフラム５８により迅速に伝達される。
【００２８】
センサ３０に要求される、充填流体Ａの低減した体積と相互に関連する他の利点は、センサダイアフラム５８だけではなく、隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂのサイズの低減である。センサ３０および内部空洞７８のサイズの低減は、上述したように、移動する必要がある充填流体Ａの量を減少するため、電極板６０Ａおよび６０Ｂ並びにセンサダイアフラム５８のサイズを本質的に低減させる。移動する必要がある充填流体Ａがより少ないため、充填流体Ａを移動するためのセンサダイアフラム５８並びに隔離ダイアフラム６０Ａおよび６０Ｂの容積も、低減され得る。詳細には、センサ４０の動作に関係しない、隔離ダイアフラム６０Ａおよび６０Ｂの直径が低減され得る。一般的に、隔離ダイアフラムはより堅くないことが必要なので、１つの隔離ダイアフラムの直径は、センサダイアフラムよりも多少大きいことが要求される。例えば、上述したように、内部空洞７８が各セル二分割部６２Ａおよび６２Ｂ内に延びる深さは、約０．００３５インチ（〜０．００８８９センチメートル）である。従って、例えば、電極板６０Ａとセンサダイアフラム５８との間の間隔は非常に小さい。従って、センサダイアフラム５８は、少量の充填流体Ａの移動のみを必要とする。隔離ダイアフラム５２Ａは、センサダイアフラム５８に要求される歪みを生じさせるために、多量の充填流体Ａを移動する必要がある。しかしながら、センサ３０およびセンサダイアフラム５８の規模が縮小されると、隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂの規模も縮小する。
【００２９】
センサ３０の構成要素のサイズの低減はそれ自体が利点となる。例えば、標準１．２５インチの直径を有するセンサのサイズは約４０パーセントに低減すると、センサ３０の直径は約０．５インチになる。このサイズの低減は、センサ３０およびトランスミッタ１２のコストを低減する対応効果がある。例えば、電極板６０Ａおよび６０Ｂにおけるサイズの低減は、セル二分割部６２Ａおよび６２Ｂ、センサダイアフラム５８、絶縁体６４Ａおよび６４Ｂ、並びに隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂのサイズの低減をもたらす。モジュール４２、基部４４、並びに隔離チューブ３８Ａおよび３８Ｂのサイズは、それに応じて低減され得る。それ故、センサ３０およびトランスミッタ１２を生成するために必要となる材料がより少なくなる。センサ３０およびトランスミッタ１２は、高い強度および耐食性を有する高級な材料により一般的に生成される。これらの特性を満たすハステロイまたはモネル等の材料は、特別に高価である。それ故、トランスミッタ１２、センサ３０、またはそれらの構成要素におけるあらゆるサイズの低減は、著しい費用節約をもたらす。
【００３０】
センサ３０およびそれに関連する構成要素のサイズの低減により、さらに、トランスミッタ１２の設計における自由度が大きくなる利点もある。上述したように、モジュール４２および基部４４のサイズは、センサ３０を小さくした結果として低減され得る。センサ３０のサイズが低減されたことにより、単一のトランスミッタハウジング内への複数のセンサの含有がより容易になる。詳細には、モジュール４２および基部４４のサイズは、一般的な１．２５インチの直径を有するセンサと共に使用されるのに要求される標準サイズに維持することが可能で、節約された空間は、モジュール４２内に追加のセンサ３０を取り付けるのに使用されてもよい。例えば、一実施形態において、トランスミッタ１２は、隔離ダイアフラム５２Ａおよび５２Ｂ等のただ２つの隔離ダイアフラムを含むことができるが、各々異なる圧力センサに接続される２つの隔離チューブに接続される分離チャンバ７２Ａおよび７２Ｂを有することができる。一方のセンサが低圧を読み取るために構成され、他方のセンサが高圧を読み取るために構成され得る。従って、トランスミッタが使用される全体的な圧力範囲を拡大することができる。
【００３１】
好ましい実施形態を参照して本発明は記述されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式および詳細な変更がなされることが当業者によって理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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