(57)【要約】【課題】測定精度の改善を図る測定素子（Ｍ）および測定機器を提供する。【解決手段】測定素子は基体（１）、ダイヤフラム（２）および耐透過性層（４）を含み、ダイヤフラム（２）と基体（１）との間に封止空洞（３）が画定された状態で、ダイヤフラムが基体（１）に固定して連結されている。耐透過性層（４）が封止空洞（３）に面するダイヤフラムの内側面（２１）に配設されていて、ダイヤフラム（２）の内側面（２１）に連続して、少なくともダイヤフラムと基体との連結領域を越えて延びている。測定機器は測定素子（Ｍ）を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体（１）と、
ダイヤフラム（２）と前記基体（１）との間に封止空洞（３）が画定された状態で、前記基体（１）に固定して連結されているダイヤフラム（２）と、
前記封止空洞（３）に面する前記ダイヤフラム（２）の内側面（２１）に配設されて、前記ダイヤフラム（２）の前記内側面（２１）に連続して、少なくとも前記ダイヤフラム（２）と前記基体（１）との連結領域を越えて延びている耐透過性層と、
を具備することを特徴とする測定素子。
【請求項２】
前記ダイヤフラム（２）は抵抗シーム溶接によって前記基体（１）に固定して連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項３】
前記ダイヤフラム（２）はＴＩＧ溶接および抵抗シーム溶接によって前記基体（１）に連結されていて、前記抵抗シーム溶接の溶接領域は前記ＴＩＧ溶接の溶接領域の半径方向内側に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項４】
前記耐透過性層は前記ダイヤフラム（２）の前記内側面（２１）全体を覆って延びていることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項５】
前記ダイヤフラム（２）上の前記耐透過性層の膜厚は１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項６】
前記ダイヤフラム（２）は１つまたは複数の環状ひだ（２３）を備えて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項７】
前記基体（１）は前記ダイヤフラム（２）に対応する部分に凹部（１５）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項８】
前記基体（１）は前記封止空洞（３）に流体を充填するための流体通路（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の測定素子。
【請求項９】
前記耐透過性層は前記ダイヤフラム（２）の前記内側面（２１）に形成されている金メッキ層（４）であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の測定素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の測定素子を具備することを特徴とする測定機器。
【請求項１１】
前記ダイヤフラムを前記基体に対して封止する前記ダイヤフラムの内部半径に沿った第１溶接部を含む、請求項１の測定素子。
【請求項１２】
前記ダイヤフラムを前記基体に対して封止する前記ダイヤフラムの外部半径に沿った第２溶接部を含む、請求項１１の測定素子。
【請求項１３】
前記第１溶接部は前記耐透過性層を覆って延びている、請求項１２の測定素子。
【請求項１４】
前記耐透過性層は前記外部半径および前記第２溶接部までは延びていない、請求項１３の測定素子。
【請求項１５】
内部に空洞が形成されている基体を設けることと、
ダイヤフラムを設けることと、
前記ダイヤフラムの内側面に耐透過性層を施すことと、
前記ダイヤフラムの外部半径の周りに延びている第１シールで前記ダイヤフラムを前記基体に対して封止することによって、前記空洞を封止し、それによって前記耐透過性層が前記空洞に面することと、
前記ダイヤフラムの内部半径の周りに延びている第２シールで前記ダイヤフラムを前記基体に対して封止し、それによって前記第２シールが前記耐透過性層を覆って延びていることと、
を含む、測定素子を作製する方法。
【請求項１６】
前記第２シールは抵抗シーム溶接部を具備する、請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記ダイヤフラムはＴＩＧ溶接および抵抗シーム溶接によって前記基体に連結されていて、前記抵抗シーム溶接の溶接領域は前記ＴＩＧ溶接の溶接領域の半径方向内側に位置している、請求項１５の方法。
【請求項１８】
前記耐透過性層は前記ダイヤフラムの前記内側面全体を覆って延びている、請求項１５の方法。
【請求項１９】
前記ダイヤフラム上の前記耐透過性層の膜厚は１０μｍ以下である、請求項１５の方法。
【請求項２０】
前記ダイヤフラムは１つまたは複数の環状ひだを備えて形成されている、請求項１５の方法。
【請求項２１】
前記基体には前記空洞に流体を充填するための流体通路が設けられている、請求項１５の方法。
【請求項２２】
前記耐透過性層は前記ダイヤフラムの前記内側面に形成されている金メッキ層を含む、請求項１５から２１のいずれか１項の方法。
【請求項２３】
前記耐透過性層は前記外部半径および前記第２シールまでは延びていない、請求項１５の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は測定素子およびこれを具備する測定機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
このセクションの内容は本開示に関する背景情報を提供するのみであり、先行技術にあたらないかもしれない。
【０００３】
石炭化学業界、製紙業界、セメントおよび同様なものなどの工業プロセスにおいて、多くの場合、生産またはプロセス制御のパフォーマンスを向上させるために、プロセス媒体（または被測定媒体）の関連測定パラメータ（例えば、圧力、差圧、液体レベル）を取得する必要がある。当該生産の動作条件の制限のために（高温、強腐食性、高圧）、被測定媒体の関連パラメータを取得するには、通常遠隔伝送測定機器（例えば、遠隔伝送機）が使用される。一般に、このような遠隔測定機器には、被測定媒体の末端に測定素子がある。測定素子は基体およびダイヤフラムを含んでもよい。ダイヤフラムと基体との間に封止空洞が画定されている。封止空洞には作動流体を充填することができる。したがって、例えば、被測定媒体の圧力測定またはモニタリングは、ダイヤフラムの両側における流体圧力の変化によって行ってもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、被測定媒体の多くは水素リッチ媒体であり、被測定媒体中の水素がダイヤフラムを通り抜けて、封止空洞に侵入して集まり、圧力偏差を生じさせることがあり、これが測定機器の不正確な測定精度をもたらし、深刻な場合には、ダイヤフラムが膨張し、さらには破損することもある。
【０００５】
そのため、改良された測定素子および測定機器を提供することが特に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
改良された測定素子および測定機器を提供し、次の目的のうちの少なくとも１つを達成することが本開示の目的である。すなわち、測定精度を改善すること、耐摩耗性を改善すること、耐用年数を延ばすこと、生産プロセスを簡素化すること、およびコストを削減すること。
【０００７】
本開示の一形態に従い測定素子が提供され、該測定素子は基体と、ダイヤフラムと基体との間に封止空洞が画定された状態で、基体に固定して連結されているダイヤフラムと、封止空洞に面するダイヤフラムの内側面に配設されて、ダイヤフラムの内側面に連続して、少なくともダイヤフラムと基体との連結領域を越えて延びている耐透過性層とを含む。
【０００８】
一実施形態によると、ダイヤフラムは抵抗シーム溶接によって基体に固定して連結されている。
【０００９】
一実施形態によると、ダイヤフラムはＴＩＧ溶接（タングステン不活性ガス溶接）および抵抗シーム溶接によって基体に連結されていて、抵抗シーム溶接の溶接領域はＴＩＧ溶接の溶接領域の半径方向内側に位置している。
【００１０】
一実施形態によると、耐透過性層はダイヤフラムの内側面全体を覆って延びている。
【００１１】
一実施形態によると、ダイヤフラム上の耐透過性層の膜厚は１０μｍ以下である。
【００１２】
一実施形態によると、ダイヤフラムは１つまたは複数の環状ひだを備えて形成されている。
【００１３】
一実施形態によると、基体にはダイヤフラムに対応する部分に凹部が設けられている。
【００１４】
一実施形態によると、基体には封止空洞に流体を充填するための流体通路が設けられている。
【００１５】
一実施形態によると、耐透過性層はダイヤフラムの内側面に形成されている金メッキ層である。
【００１６】
本開示の別の形態に従い測定機器が提供され、該測定機器は上記の測定素子を含む。
【発明の効果】
【００１７】
本開示によると、耐透過性層（例えば、金メッキ層）をダイヤフラムに配設することによって、被測定媒体中の物質（例えば、水素）が封止空洞に透過することから保護され、それにより測定素子および測定機器の測定精度が大幅に改善する。さらに、耐透過性層は封止空洞の内側に面するように設計されているため、耐透過性層は被測定媒体に直接接触することにならず、被測定媒体中の粒子によってかき傷をつけられることがなく、それにより製品の耐摩耗性が改善する。溶接強度および品質を確保するという前提で、水素不透過経路を備える設計が実現され、それにより製品の耐用年数が改善する。さらに、ダイヤフラムが基体に連結される前に、片面一体的または部分的な耐透過性層を封止されたダイヤフラムに直接配設することができるため、安全な輸送および低在庫、ならびに大幅なコスト削減が実現されうる。さらに、耐透過性層はダイヤフラムのみを覆ってもよいため、材料コストを大幅に削減することができる。
【００１８】
本開示の１つまたは複数の実施形態の特徴および利点は、添付の図面の以下の説明からより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示の一実施形態による測定素子の模式的な斜視図である。
【図２】図１の測定素子の断面図である。
【図３】図１の測定素子の模式的な縦断面図である。
【図４】本開示の一実施形態による測定素子の部分断面図である。
【図５】本開示の一実施形態による測定素子の部分断面のＥＤＸ顕微鏡観察画像である。
【図６】本開示の一実施形態による測定機器の模式的な構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の好適な実施形態の説明は例示的なものにすぎず、本開示ならびにその用途および使用法の制限ではない。いくつかの図面を通して、同じ参照符号は同じまたは対応する部品を示し、したがって同じ部品の構造は繰り返し説明しない。
【００２１】
本開示の説明において、説明の便宜上、本開示による測定素子および測定機器は、例えば、被測定媒体の圧力または圧力差を測定するための遠隔測定機器によって説明する。しかし、本開示は以下の好適な実施形態で説明される構造および用途に制限されるものではなく、あらゆる実行可能な構造または用途、例えば、粘性流体レベルの測定等に適用することができることは理解されるべきである。また、本開示は遠隔測定機器に制限されるものではなく、あらゆる実行可能な機器または手段に適用することができる。
【００２２】
上記説明したように、遠隔測定機器は、一般に、被測定媒体のところに測定素子を含む。このような測定素子にはダイヤフラムと基体とによって画定される封止空洞が設けられてもよい。封止空洞には測定のために流体（または作動流体という）を充填してもよい。遠隔測定機器は測定素子から離れて位置する感知アセンブリをさらに含んでもよく、測定中に、測定素子が被測定媒体に接触して、感知された圧力を感知アセンブリに伝送し、該感知アセンブリは測定素子が測定した物理量を実際に必要なデジタル量に変換する。施用中、封止空洞とは逆を向くダイヤフラムの側（本明細書においては外側という）および封止空洞に面する側（同様に、内側という）はそれぞれ被測定媒体からの圧力および封止空洞内の作動流体の圧力を受ける。ダイヤフラムは測定する媒体から作動流体に圧力を伝え、それがさらに感知された圧力を関連処理のために感知素子に伝える。図６に示す本開示の一実施形態による測定機器の模式的な構造図において、本開示による測定機器は、以下詳細に説明する測定素子（図６ではＭで示す）を含んでもよい。
【００２３】
本開示による測定素子を以下に図１から図６と共にさらに詳細に説明する。図面におけるすべての部品に、明確にするための符号を付けているわけではない。
【００２４】
図１は、本開示の一実施形態による測定素子の模式的な斜視図を示す。図１に示すように、本開示による測定素子はスチール製の基体１およびダイヤフラム２を含んでもよい。実施形態において、ダイヤフラム２は実質的に円形のシート部材であってもよい。ダイヤフラム２はダイヤフラム２の周縁で基体１に固定して連結して、ダイヤフラム２と基体１との間に封止空洞３（図３を参照）を画定するようにしてもよい。封止空洞３に作動流体を収容してもよい。例えば、封止空洞３に油を充填してもよい。したがって、施用中、ダイヤフラム２の外側面２２は測定する媒体の圧力によって変位されてもよく、変位は封止空洞内の作動流体を介して感知素子に伝えることができ、該感知素子がプロセス制御に必要な圧力パラメータを提供する。
【００２５】
図１から図４に示すように、ダイヤフラム２にはダイヤフラム２を適切に変形または部分的に変位させる１つまたは複数の環状ひだ２３が設けられていてもよい。あるいは、ダイヤフラム２に十分な厚さがある場合には、ダイヤフラム２に１つまたは複数のくぼみを設けてもよい。当然ながら、ダイヤフラム２のひだおよびくぼみは環状であることに制限されない。
【００２６】
基体１には、基体１およびダイヤフラム２を通して封止空洞３を形成するように、ダイヤフラム２に対応する部分に凹部１５が設けられていてもよい。
【００２７】
基体１は遠位端で感知アセンブリにさらに連結することができる。図１から図３に示すように、基体１はフランジ部１１を有してもよく、そこに連結部材（連結用ボルト）が通り抜ける貫通穴１２を設けてもよい。基体１には流体通路１３も設けてもよい。測定素子が施される前に作動流体が流体通路１３を通して封止空洞３に注入されてもよく、注入が完了した後に流体通路１３は閉じられる。それによって、被測定媒体がダイヤフラム２の外側面に案内されるとき、ダイヤフラム２はダイヤフラム２が感じる測定する媒体の圧力に基づいて適切に変形または変位されるので、パラメータの抽出または測定を行うことができる。
【００２８】
しかし、発明者は、ダイヤフラム２が普通は薄いため、被測定媒体中の素子または成分の一部（例えば、水素）がダイヤフラム２を通して封止空洞３内に容易に透過することができ、したがって、作動流体に溶解しうることを発見した。また、封止空洞３の空間は比較的小さくて閉じているため、水素の透過は封止空洞３内の圧力に影響を及ぼし、さらにはダイヤフラム２を膨らませ、または破裂させることがあり、それが測定の精度に影響を及ぼし、さらには測定素子に損傷を引き起こす。
【００２９】
このために、本開示は耐透過性構造を配設するための解決法を提供する。耐透過性層をダイヤフラム２に配設してもよく、これによりダイヤフラムを通る透過経路を遮断する。水素リッチの被測定媒体については、被測定媒体中の水素が封止空洞内に透過しないように、金メッキ層を設けてもよい。本明細書において、説明の便宜上、耐透過性層の例として、金メッキ層のみを説明する。当業者は実際の用途に応じて透過を防止する目的を達成するため、金以外の他の耐透過性材料を使用することができるであろう。
【００３０】
しかし、ダイヤフラム２の外側面２２に金メッキ層を設ける場合、被測定媒体のなかには大量の固体粒子（パルプ、砕石、灰および同様なものなど）が含有されているものがあることを考えると、これがダイヤフラム２の金メッキ層にかき傷をつける。ダイヤフラム２は通常薄く、金メッキ層は柔らかいため、金メッキ層は摩耗しやすい。したがって、金メッキ層はその意図する効果を失い、その結果、測定素子（さらには測定機器）の耐摩耗性および耐用年数が減り、測定精度が減じられることになる。また、このような解決法はダイヤフラム２の外側面２２全体およびダイヤフラム２と基体１との間の継ぎ目エリアの周りに金の層を施す必要があり、コストだけでなく製造プロセスも増やし、その後の輸送および保存に貢献しない。
【００３１】
上記に鑑み、金メッキ層４は封止空洞３に面するダイヤフラム２の内側面２１に設けてもよい。このように、金メッキ層４は被測定媒体に接触せず、したがって被測定媒体中の固体粒子に影響を受けない。
【００３２】
ダイヤフラム２と基体１との間の連結領域に水素透過経路が生じないように、金メッキ層４はダイヤフラム２の内側面２１と基体１の対応する部分との間に連続して、少なくともダイヤフラム２と基体１との連結領域を越えて延びていてもよい（言い換えると、金メッキ層の外径は少なくともダイヤフラム２と基体１との連結領域の外径以上であるべきである）。任意で、金メッキ層４はダイヤフラム２の内側面２１全体を全体的に覆ってもよい。
【００３３】
ダイヤフラム２の周縁は抵抗シーム溶接（またはダイヤフラム２と基体１との間の連結領域の金メッキ層に損傷を生じさせない他の手段）によって基体１に固定して連結されていてもよい。
【００３４】
図５は、本開示の一実施形態による測定素子の部分断面のＥＤＸ顕微鏡画像である。図５から分かるように、ダイヤフラム２と基体１との間の連結領域Ａには途切れのない金の層があるため、封止空洞の水素透過経路を完全に遮断することができ、測定精度が改善される。
【００３５】
ダイヤフラムの外側に金メッキ層が配設されている例と、本開示によるダイヤフラムの内側に金メッキ層が配設されている例とを比較することによって実地試験を行うと、本開示による測定素子の耐水素性の効果はダイヤフラムの外側に配設された金メッキ層のものとほぼ同じであることが確認できる。
【００３６】
したがって、本開示によると、耐透過性層の延長エリアが、封止空洞３およびダイヤフラム２と基体１との間の連結領域に位置しているダイヤフラム２の内側面２１の部分を少なくとも覆っているため、ダイヤフラム２の外側上の被測定媒体中の成分および素子はダイヤフラム２を通して封止空洞３内に透過することはできない。そのため、測定精度が改善されうる。また、金メッキ層が被測定媒体によって影響を受けないダイヤフラム２の内側面２１に位置しているため、それにより測定素子の耐摩耗性および耐用年数が改善する。さらに、封止されたダイヤフラム２は組立前に直接片面一体的に金メッキを施す、または部分的に金メッキを施すことができるため、安全な輸送および低在庫が実現され、多大な輸送コストおよびメンテナンスコストを削減することができる。また、耐透過性層はダイヤフラムのみを覆うことができるため、ダイヤフラム２の外側に金メッキ層を金メッキする前述の解決法と比べて、材料コストが大幅に削減されうる。
【００３７】
任意で、ダイヤフラム２の周縁をＴＩＧ溶接（図４にＢで示す）または他の固定連結方法によって基体１に固定してもよく、その後、ダイヤフラム２をさらに抵抗シーム溶接または他の実行可能な連結方法によって基体１に連結する（図４にＣ領域で示す）。それにより、ダイヤフラム２と基体１との間に安定した固定連結を実現することができ、生じうる水素透過経路も遮断されうる。このような場合、抵抗シーム溶接の溶接領域はＴＩＧ溶接の溶接領域の半径方向内側に位置している。また、ダイヤフラム２の内側面２１上の金メッキ層４の被覆範囲は抵抗シーム溶接の溶接領域だけを越えて延びてもよい。
【００３８】
金メッキ層４は、電気メッキプロセスまたは真空メッキなどの通常のプロセスによってダイヤフラム２の内側面２１に設けてもよい。金メッキ層４の厚さは、測定精度が影響を受けないようにするのが好ましく、例えば、金メッキ層の厚さは１０μｍ以下としてもよく、例えば、金メッキ層の厚さは５μｍとしてもよい。本開示による測定素子および測定機器は、ダイヤフラム２の外側面２２に金メッキ層を施すことによって生じる問題について、膜厚を増加させることによって解決するという技術的な解決法の点から、測定精度およびコスト等にも利点を有する。
【００３９】
ダイヤフラム２は基体１のものと同じまたは異なる材料から作ることができる。任意で、ダイヤフラム２および基体１はともにステンレススチール材から作ってもよい。
【００４０】
上記分析から、本開示による測定素子および測定機器が測定の精度を改善し、部品の耐用年数を延ばし、製造コストおよびメンテナンスコストを削減することが理解できる。
【００４１】
本明細書において本開示のさまざまな実施形態を詳細に説明してきたが、本開示は本明細書における詳細な説明および図示される実施形態に制限されるものではなく、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、当業者には他の変形および変更を行うことができることは理解されるべきである。このようなすべての変形および変更は本開示の範囲内になることが意図される。
【符号の説明】
【００４２】
１…基体
２…ダイヤフラム
３…封止空洞
４…金メッキ層
１１…フランジ部
１２…貫通孔
１３…流体通路
２１…内側面
２２…外側面
２３…環状ひだ
【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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【図６】
2021517969.tif 000008
【国際調査報告】
2021517969.tif 000009
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