(57)【要約】  ２つの高圧環境の間の圧力差を測定するための差圧センサが、内部に位置付けられた差圧センサ要素ｄｐへとつながる内部オイル充填チャネル３、４、５を有するセンサブロック１で構成される。２つの内部オイルチャネル４、３を高圧環境から隔離するための高圧環境から圧力を伝達するための２つのプロセスダイヤフラムＢ、Ｃが提供される。センサブロックにおける内部オイル体積を小さくするために、２つの内部オイルチャネル３、４間を最初に分離するさらなる２つの分離ディスクＡ、Ｄが、高圧環境と流体連通状態に位置付けられることで、後方からのオイルチャネルに対する高圧環境からの圧力を阻止する。分離ディスクは、内部オイルチャネル内への小さな開口１３、１４を有する当接面９、１０に当接する。分離ディスクＡ、Ｄには予め張られていることが好ましく、当接面は、それに応じてわずかに凸状にされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサブロック（１）を備える差圧センサであって、前記センサブロック（１）は、差圧センサ要素（ｄｐ）が収容されたキャビティ（８）内へとつながる内部オイル充填チャネル（３、４、５）を有しており、前記センサブロック（１）には２つのプロセスダイヤフラム（Ｂ、Ｃ）が配設されており、前記２つのプロセスダイヤフラム（Ｂ、Ｃ）は、それぞれの圧力（ｐ１、ｐ２）を有する高圧環境にそれぞれ直接露出されていて、前記高圧環境と前記内部オイル充填チャネル（３、４、５）とを分離し、かつ、前記圧力（ｐ１、ｐ２）を、それぞれに対応する前記内部オイル充填チャネル（４、３）に伝達する、差圧センサにおいて、
前記圧力（ｐ１、ｐ２）が、前記内部オイル充填チャネルのうち反対の対応となるチャネル（３、４）に加わることを阻止するため、２つの分離ディスク（Ａ、Ｄ）が、前記高圧環境に対してそれぞれ流体連通状態で、前記センサブロック（１）に配設されており、
前記２つの分離ディスクのそれぞれ（例えば、Ａ）は、対応する当接面（例えば、９）に当接し、前記当接面（例えば、９）は、前記内部オイル充填チャネルのうち他の前記圧力（例えば、ｐ２）を呈するチャネル（例えば、３）内への小開口（例えば、１３）を有しており、
前記２つの対応する内部オイル充填チャネル（３、４）間に横断チャネル（５）が設けられ、前記横断チャネル（５）内に、差圧センサ要素（ｄｐ）を収容する前記キャビティ（８）が配置されていることを特徴とする、差圧センサ。
【請求項２】
前記分離ディスク（Ａ、Ｄ）が、わずかに凸状の形状を有する前記当接面（９、１０）と実質的に相補的に嵌合するように予め力が加えられることを特徴とする、請求項１に記載の差圧センサ。
【請求項３】
前記分離ディスク（Ａ、Ｄ）が、実質的に滑らかであることを特徴とする、請求項１に記載の差圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高静圧用の差圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，７９６，１８５号に、従来技術に基づいた差圧センサが記載されており、この差圧センサでは、高圧側から低圧側へ（実際には、一方の圧力が他方より高い２つの高圧）、センサ内のチャネルに閉じ込められた２つのオイル体積に２つの差圧が伝達される。（ａ）強力な化学物質への露出、および（ｂ）２つの外圧の一方がゼロに急降下する場合などの極端な差圧に対する露出から、内部に設置された差圧センサを保護することが望まれている。したがって、ａ）を考慮すると、内部オイル体積が使用されるため、内部の圧力センサは、オイル環境にしか設置されない。ｂ）に関しては、偏向制約を備えたダイヤフラムを用いた好ましいデザインにより、過大な圧力が生じても内部圧力センサに伝達されない。前述した米国特許の図２に示す従来技術では、差圧が測定される外部プロセス環境に露出された２つの外側ダイヤフラムが含まれるダイヤフラムを定義しており、これを「プロセスダイヤフラム」と呼んでいる。これらのダイヤフラムは、センサ内の内部オイル環境を外部プロセス環境から分離し、２つの圧力をセンサ内に伝達する。センサ内に、２つのオイル体積／圧力を互いに分離し、チャンバ内で両方向に撓むことができるダイヤフラムが設置される。本明細書において、このダイヤフラムを「分離ディスク」と呼ぶ。
【０００３】
特開平４−２９９２３０号公報から、高圧側に２つのダイヤフラムを備え、低圧側に１つのダイヤフラムを備えた差圧センサが知られている。高圧側のダイヤフラムの一方に圧力センサが接続され、圧力センサからは、もう１つの高圧側ダイヤフラムと低圧側のダイヤフラムに分岐するチャネルが延びる。実際、この圧力センサは、非常に単純な示差測定の原理に従って作動する。３つのすべてのダイヤフラムは、プロセスダイヤフラムであり、上記で参照した先行技術と同様に、使用する分離ディスクは１つのみとしている。
【０００４】
次に、米国特許第６，７９６，１８５号には、上記技術の改良が記載されており、同様に外部環境に露出された２つの外側プロセスダイヤフラムを備えているが、さらなる２つの内部分離ディスクが使用されている。これらのディスクの各々は、両方のディスクが制止表面に当接するため、一方向にしか偏向できない。すなわち、この場合、圧力伝達機構は、（各プロセス圧力側から）プロセスからオイル体積へ圧力を伝達する外側の平坦なプロセスダイヤフラムと、センサ内の凹状の当接面に当接する予め力が加えられ張られた波形状の分離ディスクとから構成されたダイヤフラムアセンブリである。波形状の分離ディスクは、当接面の方へ内向きに予め力が加えられる。高圧側および低圧側の両方に、プロセスダイヤフラムと、波形状の分離ディスクとから構成される伝達機構がある。高圧側のダイヤフラムアセンブリは、センサの下部にある低圧側のダイヤフラムアセンブリに面して位置付けられる。高圧側の分離ディスクとプロセスダイヤフラムとの間の空間にはオイルが充填され、この空間は、差圧センサに接続され、チャネルを通って低圧側の波形状の分離ディスクの後ろ側に接続される。また、低圧側の分離ディスクとプロセスダイヤフラムとの間の空間から（空間にはオイルが充填）、差圧センサへ、さらには高圧側の波形状の分離ディスクの後ろ側へとつながる同様のチャネル接続がある。この差圧センサに関する問題は、内部オイルの体積が大きいことである。温度や圧力が変化すると、熱膨張、熱圧縮、またはそれらの組み合わせにより、このオイルの体積が変化する。このような体積の変化は、プロセスダイヤフラムによって補償されなければならないため、これにより測定を劣化させる圧力降下が生じる。オイルの体積が小さくなると、このような測定の不正確さも低下する。ライン圧力が差圧の数倍に至る場合、これは特に重大である。体積変化が同じであれば、カットオフ圧力が変化する。体積が小さくなると、体積変化が小さくなり、カットオフ圧力がより正確に規定される。
【０００５】
また、国際公開第９２／１７７５７号には、上記米国特許と同様の方法で２つの分離ディスクを備え、内部のオイル体積に関する同様の問題を呈する差圧センサが示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述した問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上のことから、本発明によれば、差圧センサ要素が配設されたキャビティ内へとつながる内部オイル充填チャネルを有するセンサブロックを備え、センサブロックに配設された２つのプロセスダイヤフラムは、それぞれの圧力を有する高圧環境にそれぞれ直接露出されていて、高圧環境と内部オイルチャネルとを分離し、かつ、前記圧力を、それぞれに対応するチャネルに伝達するようになっている。差圧センサは、２つの分離ディスクがそれぞれ、対応の圧力が対応の逆／反対の内部オイルチャネルに加わらないように、対応の高圧環境と流体連通状態にしてセンサブロックに配設され、２つの分離ディスクの各々が、他の圧力を呈するオイル充填チャネルのチャネル内への小さな開口を有する当接面に当接し、２つのオイルチャネル間に横断チャネルが設けられ、横断チャネルに、差圧センサ要素を収容するキャビティが設置されることを特徴とする。
【０００８】
分離ディスクは、わずかに凸状の形状を有する当接面に実質的に相補的な嵌合を有するように予め力が加えられることが好ましい。
【０００９】
実質的に平滑な分離ディスク、すなわち、波形状部がない分離ディスクが使用されることが好ましい。
【００１０】
上記から明らかなように、本発明による構成は、２つのプロセスダイヤフラムが、２つのそれぞれの外部プロセス環境に露出されているだけでなく、２つの分離ディスクも２つのそれぞれの外部環境に対して外向きに面するような構成である。２つの分離ディスクが、これらの分離ディスクの間に位置する薄いオイル膜のみで当接面／停止面に当接するため、先行技術ではプロセスダイヤフラムと分離ディスクとの間に存在したオイル体積の代わりに、２つのプロセスダイヤフラム内、すなわち、各プロセスダイヤフラムと内部当接面との間の体積となる。このような体積は、２つのダイヤフラム間に必要な体積よりかなり小さくされ得るため、大量のオイルが必要なくなる。これにより、測定の精度が高まるとともに、所定のカットオフ圧力もより正確になる。
【００１１】
本発明により、より安価で堅牢性のある高精度のセンサが提供される。オイルの体積は、最小に保たれてもよく、内部分離ディスクの使用時に必要な体積の半分未満である。また、プロセスダイヤフラムは、分離ディスクが必要とする体積の要求に応える必要はなく、エラー寄与は低減される。
【００１２】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態による差圧センサを示す。
【図２】本発明の別の実施形態による差圧センサを示す。
【図３】本発明のさらなる実施形態による差圧センサを示す。
【図４】プロセス圧力の関数としてセンサの内部圧力のセンサ特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１において、本発明による差圧センサの可能な実施形態の原理図が示されている。ハウジングまたはセンサブロック１００が、中央チャンバ８に設置された差圧センサ要素に圧力を伝達するための対称的に配置されたチャネル１〜７を収容する。内部チャネル３〜５は、チャネルに充填した油圧オイルの体積が小さくなるように小さい断面を有する。
【００１５】
オイル充填された内部チャネル３〜５は、ダイヤフラムによって、図の右側の矢印に示すように、高圧ｐ１およびｐ２のそれぞれを有する２つの外部環境から遮蔽される。センサの目的は、中央チャンバ８に参照符号ｄｐで同図に表されているセンサ要素が、任意の外部環境（化学物質、温度）に露出されずに、圧力伝達油圧オイルにのみ露出されるように、圧力ｐ１およびｐ２の間の圧力差ｄｐを測定することである。さらに、センサ内部の圧力差は、センサ要素が破損するほど高いものであってはならない。
【００１６】
４つのダイヤフラムＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄによって、２つの外部環境に対する遮蔽が得られる。ダイヤフラムＢおよびＣを、「プロセスダイヤフラム」と呼ぶ。これらのダイヤフラムの目的は、実際の圧力ｐ１またはｐ２を内部オイル体積に伝達することである。ダイヤフラムＡおよびＤは、「分離ディスク」と呼び、波形状部がない点では、平坦または滑らかである。しかしながら、図示したような場合では、これらのダイヤフラムは、予め力が加えられて張られていて、適応された湾曲（凸状）の当接面／取り付け面９、１０に隣接して位置付けられ、当接面９、１０に相補的な形状を有する。分離ディスクＡ／Ｄと、下地当接面９／１０との間にあるのは、薄い油圧オイル膜のみである。当接面９、１０には、オイルチャネル３、４内への開口１３、１４がある。プロセスダイヤフラムＢを通って内部チャネル４および５ｂへ、すなわち、センサ要素ｄｐの右手側へ、高圧ｐ１が伝達されることが分かる。同様に、（例えば、より低い）高圧ｐ２が、プロセスダイヤフラムＣを通って内部チャネル３および５ａへ、すなわち、ｄｐの左手側へ伝達される。
【００１７】
ｐ１＞ｐ２であれば、分離ディスクＡは、図面の下向き方向に押されるが、移動することはできない。分離ダイヤフラムＡは、圧力差ｐ１−ｐ２を吸収し、すなわち、より低い圧力ｐ２が、ｄｐの左手側に留まる。同時に、右手側のより高い圧力ｐ１は、分離ディスクＤを当接面１４から下向きに押し下げる。ある位置において、分離ディスクＤの応力は、圧力差ｐ１−ｐ２を吸収し、すなわち、分離ディスクＤは、圧力差ｐ１−ｐ２が大きいほどさらに下方の位置にある。ｐ１−ｐ２がある限界値を超えると、図示した場合の分離ディスクＤは、同様に形が適応された形状を有するより低い当接面１２と当接することになり、すなわち、比較的対応して湾曲した形状により、上側と下側の両方で分離ディスクが利用可能な空間が制限される。
【００１８】
図示した例示的な実施形態において、分離ディスクとプロセスダイヤフラムの周りの空間の体積が互いに適応され、すなわち、プロセスダイヤフラムＣの上方の体積（中心位置にあるとき）は、分離ディスクＡの上方の空間の体積よりわずかに小さく、右手側のＢおよびＤの下方の空間の場合も同様であることに留意されたい。分離ディスクとプロセスダイヤフラムとの間の油圧オイルは、実質的に圧縮できないため、分離ディスクおよびプロセスダイヤフラムは「合わせて」移動する。大きな圧力差が発生したとしても、中央センサ要素ｄｐが破損することがないことが重要である。
【００１９】
外部圧力の典型的な値は、ｐ１≒ｐ２≒１０００バールであるが、センサ要素ｄｐは、０〜５００ミリバールの測定範囲を有し、高い圧力差に抵抗できない。
【００２０】
最初に、圧力ｐ２が正常な状態（すなわち、ｐ１との差が小さな正常な状態）にあった後、ｐ２がゼロに急降下すると、分離ディスクＡは、大きな圧力差の均衡をすぐに保ち、左手側のオイル圧力がほぼゼロに下がる。プロセスダイヤフラムＣは、オイルが圧縮できないため、大きくは移動しないが、下側の外部環境とチャネル３のオイルとの間に圧力≒０を伝達する。
【００２１】
同時に、右手側で、プロセスダイヤフラムＢおよび分離ディスクＤの両方が、下側でそれぞれの当接面（１６、１２）と当接するように下向きに急降下する。しかしながら、まずプロセスダイヤフラムＢが当接位置に達するように寸法が選択されれば、分離ディスクＤは、オイルが圧縮できないため、当接前に停止する。次に、分離ディスクＤの応力によって均衡が保たれる過大圧が小さい場合を除き、チャネル４の圧力は、（チャネル３と同時に）ほぼゼロにすぐに降下する。センサｄｐは、このような小さな圧力差には抵抗可能であり、過度な過大圧から保護される。
【００２２】
過大圧が反対方向に大きい場合、デバイスは、同じように機能するが、分離ディスクおよびプロセスダイヤフラムに対して反対の方向に機能する。
【００２３】
上記観察において、例えば、プロセスダイヤフラムＢの下方の当接面１６までの距離によって表されるプロセスダイヤフラム内の体積が小さければ、分離ディスクＤは、当接面１４から限られた距離だけ外向き／下向きに移動することしかできない。したがって、分離ディスクＡおよびＤの外側に１１および１２などの当接面を含ませることは、現実的に必要ない。
【００２４】
同様に、プロセスダイヤフラムＢおよびＣの外側に示すような当接面を含むことも不要であり、これは、チャネル１、２、６、および７も省略可能であることを示す。
【００２５】
図２および図３に、このような単純化された実施形態が示されている。
【００２６】
図２は、本発明の別の実施形態を略図的に示す。この実施形態においても、各高圧ｐ１およびｐ２はそれぞれ、プロセスダイヤフラムＢおよびＣの両方の対応のものに作用し、１つの分離ディスクＡおよびＤの対応のものに作用する。
【００２７】
しかしながら、第１の実施形態と比較した場合の相違点は、全ダイヤフラムの外側に「安全な当接／停止面」、すなわち、例えば、図１の分離ディスクＡの上方にある湾曲した当接面１１などの対応する面がないことである。これは、例えば、図２において、ｐ１が急増すれば、プロセスダイヤフラムＢは、左側に移動し、分離ディスクＤは、場合によっては、破断点を越えて、右側へ持ち上げられることを意味する。これは、プロセスダイヤフラムＢの左側の「チャンバ体積」を非常に小さい状態に保たなければならないため、ダイヤフラムは、面１６に当接する前に左側までの短い距離しか移動できず、すなわち、分離ディスクＤの「膨らみ」が、常に弱限界内に十分におさまる程度に短いものでなければならないことを意味する。同じことが、Ａ−Ｃのペアにも当てはまることは言うまでもない。
【００２８】
図２および図３に示す寸法は、一定の比率で縮尺したものではないことに留意されたい。前述したように、当接面１６は、プロセスダイヤフラムＢの比較的近くに位置するが、分離ディスクＡの後方（分離ディスクＡに対して右側）の空間のサイズは誇張してある。実際、分離ディスクＡは、当接面９の近辺に（および分離ディスクＤは面１０の付近に）位置付けられ、分離ディスクと面との間に位置するものはオイル膜のみである。
【００２９】
図３において、分離ディスクＡおよびＤは、対応の当接面９および１０に隣接させて据え付けられているように示されているため、後者の特徴が明確に見て取れる。図３の実施形態を図２の実施形態と区別するさらなる特徴は、分離ディスクＡおよびＤに予め力が加えられており、当接面９および１０に凹状の形状が与えられている点である。予め力が加えられた分離ディスクを使用することで、上記に参照した米国特許第６，７９６，１８５号において指摘したものと同様の利点が達成され、すなわち、予め加えられた圧力が解消されるまで、分離ディスクが静止したままであり、その後、圧力または温度によって生じる体積変化がカットオフ圧力を著しく変更しないように緩やかに進む。これにより、より高精度の差圧センサ要素の使用が容易になる。
【００３０】
他の点では、図３の実施形態は、図２に示すものと同一である。
【００３１】
図１、図２、および図３はすべて、内部チャネル３、４、５が油圧オイルで充填された狭いチャネルであり、これらのチャネルが差圧センサｄｐが設置される内部空間８内に続く実施形態を示す。センサについては、本明細書においてさらに詳細には記載しない。チャネル３および４は、分離ディスクＡおよびＤの後方にある当接面９および１０の開口１３および１４、およびプロセスダイヤフラムＢおよびＣの内部にある当接面１６および１５の対応する開口で開始および終端する。これらの開口は小さくなければならず、すなわち、分離ディスクの外側（プロセス環境側）とその内側のチャネル３／４との間に最大可能圧力差が生じた場合でも破裂しないような小ささでなければならない。（０．０５ｍｍ厚の「Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５」箔の形態の分離ディスクを用いて、２８００バールの圧力で０．３ｍｍの直径の開口サイズに抵抗可能であることがテストされた）。また、同じサイズ要求は、破裂しないように保護されなければならないプロセスダイヤフラムＢおよびＣの内側の開口にも適用される。
【００３２】
また、波形状の分離ディスクを使用することも可能であるが、波形状部がない分離ディスクのほうが安価であることにさらに留意されたい。
【００３３】
図４に、過度に大きな差圧／過大圧を回避することに関してセンサ要素を保護するためのデザインの可能性を示す。センサ要素の測定範囲は、曲線の上昇部に主に相当し、外部圧力差ｐ１−ｐ２≡Δｐプロセスの関数として内部（測定）圧力差Δｐを示す。
【００３４】
曲線の上昇部は、内部圧力差が、外部環境の圧力差に相当するが、例えば、区切り（カットオフ）点において、図２のプロセスダイヤフラムＢは、壁１６内に伸び、ｐ２に対するｐ１の過大圧が増大すると、チャネル４にはさらなる圧力増大が生じない。分離ディスクＤの応力は、内部過大圧と均衡する。
【００３５】
センサブロック１００は、図１、図２、および図３に示すように、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５で作られることが好ましい。プロセスダイヤフラムＢ、Ｃに使用される材料も、ＩＮＣＯＮＥＬ６２５（箔）であってもよい。センサ要素は、典型的に、シリコンベースのものであってもよい。センサブロックの典型的な寸法は、Φ７０ｍｍ、長さ１００ｍｍであってもよい。分離ディスクおよびプロセスダイヤフラムの直径は、３０〜５０ｍｍの範囲のものであることが好ましい。オイルチャネルの断面は、Φ０．２５ｍｍオーダーのものであってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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