(57)【要約】  プロセス流体の特性を検知するプロセス流体センサ（１０４）を提供する。該プロセス流体センサ（１０４）は、内部にチャンバを画定する金属製のセンサボディ（１５０）を含む。圧電結晶素子（１６０）が該チャンバに近接して配置され、機械的入力に応答して電気信号を発生するように構成される。該圧電結晶素子（１６０）は該プロセス流体に機械的に接続可能であり、気体の透過経路（１６４）として該センサボディ内に密封される。該プロセス流体センサ（１０４）を利用した渦流量計（１００）も提供される。
2010520484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体の特性を検知するプロセス流体センサであって、
該センサが
内部にチャンバを画定する金属製のセンサボディと、
前記チャンバに近接して配置され機械的入力に応答して電気信号を発生するよう構成された圧電結晶素子とを備え、
前記圧電結晶素子は前記プロセス流体に機械的に連結可能であり、気体の透過経路を除いて前記センサボディ内に密封されることを特徴とするプロセス流体センサ。
【請求項２】
前記センサが渦センサであることを特徴とする請求項１に記載のプロセス流体センサ。
【請求項３】
前記気体の透過経路が流体の通過を抑制するよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載のプロセス流体センサ。
【請求項４】
前記気体の透過経路が金属粉体の構成要素で形成されることを特徴とする請求項３に記載のプロセス流体センサ。
【請求項５】
前記金属粉体の構成要素が前記渦センサの引張柱であることを特徴とする請求項４に記載のプロセス流体センサ。
【請求項６】
前記金属粉体の構成要素が、同一種類の金属で固形金属から形成した構成要素よりも小さい密度を持つことを特徴とする請求項４に記載のプロセス流体センサ。
【請求項７】
前記金属粉体の構成要素の密度が前記固形金属から形成した構成要素の密度の約９０％であることを特徴とする請求項６に記載のプロセス流体センサ。
【請求項８】
渦流量計であって、
送信機電子回路を内蔵する電子回路ハウジングと、
前記送信機電子回路に接続される渦センサとを具備し、
該渦センサは、
内部にチャンバを画定する金属製のセンサボディと
前記チャンバに近接して配置され機械的入力に応答して電気信号を発生するよう構成された圧電素子とを備え、
前記圧電素子はプロセス流体に機械的に連結可能であり、気体の透過経路を除いて前記センサボディ内に密封されることを特徴とする圧電素子を備える渦センサとを備える渦流量計。
【請求項９】
前記気体の透過経路が流体の通過を抑制するよう構成されたことを特徴とする請求項８に記載の渦流量計。
【請求項１０】
前記気体の透過経路が金属粉体の構成要素で形成されることを特徴とする請求項９に記載の渦流量計。
【請求項１１】
前記金属粉体の構成要素が前記渦センサの引張柱であることを特徴とする請求項１０に記載の渦流量計。
【請求項１２】
前記電子回路ハウジングは前記渦センサに近接して備え付けられることを特徴とする請求項８に記載の渦流量計。
【請求項１３】
渦流量計の引張柱であって、
該引張柱は渦センサの開口部に収まる大きさであり、
該引張柱は、該引張柱の酸素透過経路を除いて、該渦センサ内のチャンバを密封することを特徴とする引張柱。
【請求項１４】
前記引張柱が金属粉体から形成されることを特徴とする請求項１３に記載の引張柱。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
渦流量計といったフィールド機器は、化学製品のスラリー、液体、蒸気や気体、石油、医薬品、食料などといった、プロセス流体の流量を測定するのに工業プロセス内や他の流体を用いるプラントプロセス内にて一般的に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
渦流量計では流体中に配した渦発生棒（シェディングバー）を利用することで、その下流で渦を発生させるのが一般的である。渦発生棒による渦発生の周波数はプロセス流体の流速と直接の比例関係にある。よって、渦流量計では発生した渦によって揺動する圧力を検知してプロセス流体の速度を決定している。渦流量計の例は米国特許番号４，９２６，６９５（ローズマウント  インコーポレイテッド、エデン  プレイリー、ミネソタ州、１９９０年５月２日）および米国特許番号５，３４３，７６２（ローズマウント  インコーポレイテッド、エデン  プレイリー、ミネソタ州、１９９４年９月６日）に見ることができ、それらは本願と共に譲渡されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，９２６，６９５号公報
【特許文献２】米国特許第５，３４３，７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電結晶を利用したセンサは、渦流量計といったようなフィールド機器内で、小さな機械的運動、例えば渦流量計内の渦によって発生した小さな機械的運動などを検知するのに一般的に用いられている。これらの計器は工業環境下で使用されるため、圧電結晶を工業環境から保護するために鋼製ボディ内に密封するのが一般的である。圧電結晶はある種の還元性雰囲気に弱いため、こうした結晶を入れる鋼製ボディは前酸化処理をして強い還元性雰囲気が鋼製ボディ内部に形成されないようにすることがよくある。実際には、前酸化処理をした鋼製ボディ内に圧電結晶を密封するのは必ずしも常に効果があるわけではない。特に、時間が経過すると、高温用途では圧電結晶が機能しなくなることもある。そこで、本願発明の実施形態は一般的に、高温用途における工業プロセス監視および制御への利用において圧電結晶の寿命を延ばすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
プロセス流体の特性を検知するプロセス流体センサを提供する。該プロセス流体センサは、内部にチャンバを画定する金属製のセンサボディを含む。圧電結晶素子が該チャンバに近接して配置され、機械的入力に応答して電気信号を発生するように構成される。該圧電結晶素子は該プロセス流体に機械的に接続可能であり、気体の透過経路として該センサボディ内に密封される。該プロセス流体センサを利用した渦流量計も提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本願発明の一実施形態に係る渦流量計の斜視図である。
【図２】本願発明の一実施形態に係る圧電型渦センサの分解斜視図である。
【図３】本願発明の一実施形態に係る渦センサの部分的な断面図である。
【図４】本願発明の一実施形態に係る圧電型渦センサの引張柱の正面図である。
【図５】圧電素子の絶縁抵抗経時変化により、従来技術の渦センサの性能と本願発明の実施例に係る渦センサの性能とを比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は本願発明の一実施形態に係る渦流量計の斜視図である。流量計１００はプロセス流体の導管１０２、渦センサ１０４、および電子回路ハウジング１０８内に配置された送信機電子回路１０６を含む。流体の導管１０２は流路１１２内に延びている、そして好ましくは流路１１２を横断して延びている渦発生ブラフボディ１１０を含む。ブラフボディ１１０は渦センサ１０４に振動といった運動を伝える部材１１４に動作可能に接続されている。これらの微小な運動は、流路１１２を通ってプロセス流体が流れる際にブラフボディ１１０がプロセス流体内に渦を発生させることによって引き起こされる。渦センサ１０４はこれらのわずかな運動に対して電気的に反応する。周知の渦センサは一般的に圧電素子センサを採用しており、周知の圧電特性に従って応力や運動といった機械的な入力に応答して電圧といった電気的特性を出力する。渦センサ１０４は、カバー１１８内の接続部１１６を介してハウジング１０８内に配置された送信機電子回路１０６に電気的に接続される。図１に示すように、送信機電子回路１０６はハウジング１０８内に配置されており、ハウジング１０８は多くの実施形態においてカバー１１８に直結して配置されている。しかし、他の実施形態においてはハウジング１０８と送信機電子回路１０６はカバー１１８から離れて配置され、適当な導線を用いて接続されるだけであってもよい。送信機電子回路１０６は、渦センサの電気特性を測定もしくは検知し、流路１１２を流れるプロセス流体の速度に関連する値もしくはデータを生成する周知の回路を含んでいる。さらに、電子回路１０６は、算出した速度を制御室や他のフィールド機器といった他の機器に、参照番号１２０で示されるプロセス通信ループを介して通信する通信回路を一般的に含んでいる。プロセス通信ループの例としてはＨＡＲＴ（登録商標）プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバスプロトコル、もしくはその他のプロセス通信プロトコルに従うものが挙げられる。追加構成として、もしくは代替構成として、無線データ送信プロトコルを採用することもできる。有線通信の実施形態においては、流量計１００は通信に用いている有線プロセス通信ラインを通じて受け取るエネルギーにより、完全に電力を供給されるようにすることも可能である。
【０００８】
流量計１００はフィールドすなわち現場に備え付けることが一般的に可能である点でフィールド機器とみなされている。該「フィールド」はプロセス設備において一般的には外部のエリアであり、極端な気候条件、振動、湿度変化、電波障害もしくは無線周波数干渉、またはその他の環境的な脅威にさらされることがありうる。従って、流量計１００に頑強な物理的カバーを施せば、流量計１００に該「フィールド」にて一回の運用期間につきより延長した期間（例えば何年にも渡るなど）に渡り機能する性能を持たせることができる。
【０００９】
図２は本願発明の一実施形態に係る渦センサ１０４の分解斜視図である。渦センサ１０４は渦センサのボディ１５０を含む。ボディ１５０は接続線１１６への接続を可能とする導体路を含み、これによって（図１に示した）送信機電子回路１０６から、好ましくはロウ付けによりセンサのボディ１５０に取り付けられた台座１６２に配置された圧電素子１６０への伝導体通路が形成される。電気的な接続があることによって、圧電結晶１６０に機械的に与えられた応力の変化が、送信機電子回路１０６で測定もしくは観測できるようになる。上記のように流量計１００は典型的には工業環境下で使用される。従って、圧電結晶１６０を工業環境から保護するため、通常は流量センサ内の圧電結晶は鋼鉄からなるボディ１５０に密封されるのが一般的である。この点から、キャップ１６３は一般的には圧電結晶１６０を覆って配置され、ボディ１５０に溶接されるかもしくは密着され、これによりボディ１５０内に圧電結晶１６０が密封される。
【００１０】
しかしながら、圧電結晶はある種の還元性雰囲気に弱い。従って、鋼製ボディ１５０は前酸化処理をして強い還元性雰囲気がボディ１５０内部に形成されないようにすることがよくある。ここで述べている「還元性雰囲気」との用語は圧電結晶周辺の環境にあって圧電結晶が電子を獲得する、つまり酸化数を減らす傾向をもたらすものを表すという意図で用いている。圧電結晶が電子を獲得すれば結晶分子の酸化数は減り、この現象は機械的ストレスの変化を変換する圧電素子の効率に対して不利に影響すると考えられている。圧電素子センサを密封したボディ内の還元性雰囲気には触媒となるものがある、もしくは何らかのメカニズムがあって、それによって本質的に結晶から酸素を奪い周囲のボディに蓄積させているか、もしくは圧電結晶の特性に影響を与えていると考えられている。上記のように、金属ボディが酸素を獲得してしまう度合いを上手く行けば減らせるように、ボディ１５０の金属部分を好ましくは前酸化処理するのがよい。しかしながら、例えば高温用途といったような実地の使用においては、前酸化処理した部分でさえも時間が経つにつれて酸化が継続進行してしまうことがあると考えられている。よって、密閉された部分ですらも１０のマイナス９乗立方センチメートル／分（ｃｃ／ｍ）未満のオーダーで非常にゆっくりとリークすることがあると考えられている。この実質的に密閉された気密部分においても酸素を結晶から奪い計器のボディ内に蓄積させることを可能にしてしまう。
【００１１】
本願発明の実施形態では一般的に、意図的に結晶の空孔に酸素をゆるやかにリーク（漏入）させることによって、酸素が圧電素子から奪われるというこの知見された課題に対処する。しかしながら、渦センサは工業環境下にある様々なプロセス流体に触れる可能性があるので、意図的に酸素をリークさせたことで液体や他のプロセス流体がその箇所から侵入しないようにすることも重要である。一つの実施形態においては、圧電結晶が近接するチャンバを密封している金属構成部品のうち一個の構成を変えることにより意図的なリークがもたらされる。具体的には、図２、３に参照番号１６４で示される「引張柱」として知られている部品が、ステンレス鋼といった固形金属の構成から金属粉体の構成へと変更される。金属粉体の引張柱は密度が固形金属の場合の約９０％であるのが好ましい。しかし、これは単に好ましいというだけであって、適量の酸素が通過し同時に好ましくは液体の通過を抑制している限り、気孔率が違っている場合でも実施可能である。この実施形態が好ましい理由の一つに、従来技術の引張柱を金属粉体製の引張柱に単に置き換えるだけで発明が完全に実施可能であることが挙げられる。しかしながら、本願発明の実施形態はセンサのボディ内部へ何かしらの適切な伝導体通路を慎重に確保することによって実施可能であることを考慮する必要がある。さらにまた、台座１６２といった他の構成部品も、全体にせよ部分的にせよ金属粉体で構成してもよい。さらに、本願発明の実施形態は一般的に圧電素子による渦センサの高温工業装置への使用に向けられたものではあるが、本願発明の実施形態は還元性雰囲気の中にあって酸素が奪われ減少していく効果を受けるなら、どのような工業用の圧電素子を用いた渦センサにおいても実施可能である。
【００１２】
図３は本願発明の実施形態に係る渦センサ１０４の部分的な断面図である。図３に示すように、引張柱１６４が開口部１７０に係合して開口部１７０に封をしている。従って、引張柱１６４は実質的な密閉状態を作る構成部品の一つである。さらに、金属粉体製の引張柱１６４を通過する酸素の拡散経路を除くと、チャンバ１７２は実質的に密閉されている。図３からわかるように、本願発明の実施形態はボディ部１５４の外側部分もしくは台座１６２からチャンバ１７２につながる穴もしくは経路を設けることによっても実施可能である。また該穴は金属粉体によって、もしくはプロセス使用の流体を実質的に通させないが酸素は通過させる何らかの他の適した材料によって内部を埋めて作成してもよいし、他の構成にしてもよい。
【００１３】
図４は本願発明の一実施形態に係る引張柱１６４の正面図である。引張柱１６４は従来技術の引張柱に似ているが、酸素を通過させる材料で構成されている点で異なる。好ましくは、引張柱１６４は、密に詰まった固形金属引張柱の何割りかの密度を有する、ステンレス鋼といったような粉体金属で構成するのがよい。より好ましくは、その密度は、密に詰まった固形物での引張柱の密度の約９０％であるのがよい。しかしまた、引張柱１６４は密に詰まった固形物で形成し、貫通する穴を開け、この穴に液体の通過を十分に低いレベルに抑え、同時に酸素の通過は許すような、粉体金属や他の適した材料からなる液体通過障壁を設ける実施例も十分に考えられる。
【００１４】
図５はピエゾ結晶の劣化状態を表現しているものとして使える絶縁抵抗（ＩＲ）のグラフであり、従来技術の渦センサの性能と本願発明の実施例に係る渦センサの性能とを比較している。長破線（２００）から従来技術の渦センサでは、絶縁抵抗は８日目あたりで著しく減少し始めることが読みとれる。従来技術の渦センサとは対照的に、本願発明の実施形態に係るよう構成された渦センサはより信頼性の高い振舞いをしている。特に、短破線（参照番号２０２で示される）から１００日以上に渡って比較的安定していることがわかる。実際のところ、絶縁抵抗はわずかに増加している。さらに、絶縁抵抗は試験継続期間中、従来技術に係る構成の渦センサの場合よりも明らかにより安定している。従って、本願発明の実施形態に係る構成の渦センサおよび渦流量計は高温用途においてより信頼性の高い運用が可能であると考えられる。
【００１５】
本願発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、本願発明の精神と範囲から外れることなく形態および詳細に関して変更を加えることができることは当業者には明かである。
【符号の説明】
【００１６】
１００…流量計
１０２…プロセス流体の導管
１０４…渦センサ
１０８…電子回路ハウジング
１１０…ブラフボディ
１１２…流路
１５０…ボディ
１６０…圧電素子
１６２…台座
１６３…キャップ
１６４…引張柱
【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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【国際調査報告】
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