(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温環境でのプロセス流体の圧力の感知に使用するための圧力センサアセンブリであって、
前記プロセス流体にさらされるように構成され、空洞を備えて形成されるセンサハウジングと、
前記センサハウジングの前記空洞内に配置される圧力センサであって、印加された圧力に応じて撓む少なくとも一つのダイヤフラムを有し、前記少なくとも一つのダイヤフラムの撓みの関数として変化して印加された圧力を示す電気特性を有する電気構成要素をさらに含む圧力センサと、
前記少なくとも一つのダイヤフラムと接触する可撓性膜であって、前記センサハウジングをさらす前記プロセス流体から封止し、前記プロセス流体によって印加された圧力に応じて撓み、それにより、前記少なくとも一つのダイヤフラムの撓みを引き起こす可撓性膜と、高圧環境への耐久性を確保するために前記空洞を横切って前記センサハウジングを補強するように設けられたサポートブリッジと、を備えるとともに、
前記可撓性膜と前記圧力センサとの間に固体のパッキング材料を介在させる
ことを特徴とする圧力センサアセンブリ。
【請求項２】
前記センサハウジングに前記ブリッジによって提供される前記支持は、測定利得の増大を提供する請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項３】
前記センサハウジングを格納するハウジングボディを含む請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項４】
前記センサハウジングは、プロセス結合端を含む請求項３に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項５】
前記圧力センサは、印加された圧力に応じて変化する容量を備えた請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項６】
前記センサハウジングの遠位端にプラグを含む請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項７】
前記可撓性膜は、前記圧力センサに接合される請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項８】
前記接合は、拡散接合である請求項７に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項９】
前記接合は、クロム層を含む請求項７に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１０】
前記接合は、アルミニウム層を含む請求項７に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１１】
前記接合は、ニッケル層を含む請求項７に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１２】
前記接合は、スパッタされたアルミニウム層を含む請求項７に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１３】
前記可撓性膜は、箔を備える請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１４】
前記パッキング材料は、セラミック粉末を備える請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１５】
前記パッキング材料は、ナノ粒子銀を備える請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１６】
前記ナノ粒子銀は、焼結される、請求項１５に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１７】
前記可撓性膜は、前記センサハウジングと一体の構成要素として形成される請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１８】
前記可撓性膜は、前記センサハウジングに結合された別個の構成要素を備える請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項１９】
前記圧力センサの第２の側に圧力を印加するように構成された第２の可撓性膜を含む請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【請求項２０】
前記可撓性膜は、溶接、金属対金属封止、および接着剤のうちの少なくとも１つによって前記センサハウジングに封止される請求項１に記載の圧力センサアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業プロセスのプロセス変数を感知することに関する。より具体的には、本発明は、このような産業プロセスで使用されるプロセス流体の圧力を感知することに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、圧力を測定するために使用される。圧力を測定するために使用される１つの技術は、可撓性ダイヤフラムを介するものである。圧力がダイヤフラムの一方の側に印加されると、ダイヤフラムの撓みを引き起こす。ダイヤフラムの撓みは、印加された圧力に比例する。容積を形成する平板として機能するようにダイヤフラムを構成することにより、ダイヤフラムの撓みを測定することができる。ダイヤフラムアセンブリの容量は、ダイヤフラム位置に基づいて変化する。したがって、容量は、ダイヤフラムに印加される圧力の変化に相当するダイヤフラム位置に関連付けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，８４８，３１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧力センサは、しばしば過酷な環境で運用される。このような環境は、非常に繊細である傾向がある高精度な圧力センサの故障を引き起こす可能性がある。１つのそのような技術は、プロセス流体が隔離ダイヤフラムの一方の側にあり、隔離（または「充填」）流体が反対の側にある、隔離ダイヤフラムを使用する。隔離流体は、圧力センサダイヤフラムと接触する。プロセス流体圧力が変化すると、隔離ダイヤフラムはそれに応じて撓み、これは、隔離流体を介してセンサダイヤフラムへ転送される圧力を変化させる。しかし、ダイヤフラムにおける隔離流体は、圧力測定に誤差を導入してしまう可能性があり、経時的に、または、熱の印加もしくは他の外部影響に起因して、変化してしまう可能性がある。さらに、流体は経時的に漏れてしまう可能性があり、これにより、流体体積の減少またはプロセス流体によって汚染された隔離流体をもたらす可能性がある。流体漏れまたは汚染の両方が、圧力測定の誤差を引き起こす。別の例示的な圧力感知技術は、圧力センサアセンブリと題されてローズマウント社に付与された米国特許第６，８４８，３１６号に示されて記載されているものなどの保護要素によって覆われる、脆性材料の細長い圧力センサを使用する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
高温環境でのプロセス流体の圧力の感知に使用するための圧力センサアセンブリ（１００）は、プロセス流体にさらされるように構成され、空洞を備えて形成されるセンサハウジング（１２０）を含む。圧力センサ（１１０）は、センサハウジング（１２０）の空洞内に配置される。圧力センサ（１１０）は、印加された圧力に応じて撓む少なくとも一つのダイヤフラムを有し、前記少なくとも一つのダイヤフラムの撓みの関数として変化して印加された圧力を示す電気特性を有する電気構成要素をさらに含む。少なくとも一つのダイヤフラムと接触する可撓性膜（１５０）は、センサハウジング（１２０）をさらすプロセス流体から封止するように配置され、プロセス流体によって印加された圧力に応じて撓み、それにより、前記少なくとも一つのダイヤフラムの撓みを引き起こす。 そして、可撓性膜と圧力センサとの間には、パッキング材料を介在させる。
【０００６】
この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化形式で紹介するために提供される。この概要は、特許請求の主題の主要特徴または本質的特徴を特定するものではなく、また、特許請求の主題の範囲を決定する際の助けとして使用されるものでもない。特許請求の主題は、背景で述べたいずれかまたはすべての欠点を解決する実装に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】１つの構成による圧力センサアセンブリの斜視図である。
【図２】図１の圧力センサアセンブリの側面図である。
【図３】図１の圧力センサアセンブリで担持される細長いセンサハウジングの斜視図である。
【図４】図１の圧力センサアセンブリの側部断面図である。
【図５】圧力送信機に結合された図１の圧力センサアセンブリの簡略図である。
【図６Ａ】圧力センサの側部断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの圧力センサの端部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
背景技術の項で論じたように、圧力センサは、プロセス流体の圧力を感知するために使用される。いくつかの構成では、圧力センサおよび圧力センサを支持するために使用される圧力センサアセンブリは、高温および苛性環境を含む過酷な条件に耐えるように構成されなければならない。このような環境で使用される１つの技術は、実質的に非圧縮性である隔離充填流体を使用して、プロセスから圧力センサを隔離することである。隔離充填流体は、可撓性ダイヤフラムまたはベローズアセンブリを使用してプロセス流体から分離される。これは、腐食性流体、研磨粒子、導電性媒体等を含み得る、過酷なプロセス環境から圧力センサを隔離する。このような構成は、典型的には、ダイヤフラムまたはベローズに印加される圧力を圧力感知素子に油圧転送する隔離流体を使用する。充填流体の特性は、蒸気圧、熱膨張、圧縮性、分解、および、隔離流体を保持するデバイスの能力などの要因による、圧力および温度の変動に対するシステムの精度を規定する。さらに、これらの方法は、センサが圧力含有環境にあることを必要とし、それにより、センサへの電気的接続がいずれも、プロセス圧力を維持するのに十分な強度の圧縮封止を介して給電されなければならない。これは、デバイスに追加の複雑さを加えてしまう。さらに、多くのシステムの場合、圧力センサと出力を正規化するために使用される基準構成要素との間の熱変動は、大きな熱過渡性誤差につながる可能性がある。
【０００９】
ほとんどの圧力センサは、プロセス（興味対象の圧力）と基準との間の圧力差を測定する。ゲージ圧について、使用される基準は大気圧である。絶対圧力について、基準は排気穴（０圧）である。ほとんどの圧力センサはまた、（望ましくない効果である）温度変化に敏感である。圧力センサの温度とその基準とが同じであれば、圧力測定に対する温度効果は通常、小さい。しかし、熱過渡は、圧力センサとその基準との間の温度差を生じさせる可能性があり、これは圧力の変化として誤って解釈される。
【００１０】
このようなダイヤフラム隔離システムは、ダイヤフラムの撓みの関数としての最大応力がダイヤフラム半径の２乗の逆数に関連することでさらなる制限に服する。この増加した応力は、比較的大きな流体補償材料を採用するか、そうでなければ、より小さいダイヤフラム径において禁止となる可能性がある、設計プロセス、製造許容差、および充填流体（油）の特性の要件を使用して対処することが必要である。ベローズをベースとする隔離システムは、一方で、より多くの油および増大した長さを必要とする。しかし、そのような構成は、泥、目詰まり、破損、または衝撃による他の故障等が発生しやすい可能性がある。
【００１１】
本明細書に記載された構成は、隔離充填流体を必要とせず、したがって、上述のものなどの特定の先行技術設計に関連する問題のいくつかを排除する。この構成では、隔離システムは直接、圧力センサに結合される。これは、隔離充填流体の必要性を排除し、それにより、製造を簡略化し、故障メカニズムを低減し、デバイスの温度能力を増加させる。温度能力は、隔離充填流体の沸点、熱分解温度または融点ではなく、使用される材料のみによって制限される。
【００１２】
図１は、１つの例示的実施形態に係る圧力センサアセンブリ１００の斜視図である。圧力センサアセンブリ１００は、遠位プロセス結合端１０４を有するハウジングボディ１０２を含む。プロセス結合端１０４は、ねじ切り部分を含み、それにより、所望に応じてそれがプロセス配管または他のプロセス容器に螺合され得る。ハウジングボディ１０２はさらに、その中に圧力センサ１１０を担持する近位端１０８を含む。圧力センサ１１０は、その上に担持された複数の電気パッド１１４を有する電気接続面１１２を含む。図１と同様に、図２は、圧力センサアセンブリ１００の側面図である。なお、開口がプロセス結合端１０４に設けられ、これにより、プロセス圧力をハウジングボディ１０２の空洞に印加することができる。
【００１３】
図３は、ハウジングボディ１０２内に担持される細長いセンサハウジング１２０の斜視図である。センサハウジング１２０は、ハウジングボディ１０２にマウントされる近位端１０８（図１にも示す）を含む。センサハウジング１２０は、好ましくは遠位端にてプラグ１２２により封止される。さらに、圧力センサ１１０は、センサハウジング１２０の空洞１２４内に受容される。サポートブリッジ１２６は、空洞または開口１２４を横切って設けられ、それが高圧環境に耐え得るように構造を強化する際に使用される。
【００１４】
図４は、圧力センサアセンブリ１００の側部斜視図であり、ハウジングボディ１０２内に担持される細長いセンサハウジング１２０を示す。図４では、センサハウジング１２０内に配置され、遠位端にてハウジング１２０のマウント１３０に接続された細長い構造で形成された圧力センサ１１０を見ることができる。プロセス圧力Ｐは、アセンブリ１００の遠位端１０４にて圧力ポート１４０を介して印加される。圧力ポート１４０は、ボディ１０２の空洞１４２に開口する。さらに、空洞１４２は、空洞１２４を取り囲み、それにより、印加された圧力Ｐが圧力センサ１１０によって受信される。端部キャップ１２２を、センサハウジング１２０に接合または溶接することができる。同様に、このセンサハウジングの近位端１０８を、ハウジングボディ１０２に溶接または別様に接合することができる。図４はまた、この実施形態における溶接レリーフ１０９を示す。
【００１５】
図４に示すように、センサボディ１２０は、センサ１１０の両側に配置された可撓性膜１５０を含む。可撓性膜１５０は、圧力センサ１１０の表面に接触し、それにより、圧力センサ１１０は、プロセス流体から隔離されるが、可撓性膜１５０を介してプロセス流体によって印加される圧力に応答する。圧力信号を送信するのに十分に可撓性であり、圧力を保持するために十分に強く、プロセスによる腐食に抵抗するであろう任意の適切な材料で、膜１５０は形成され得る。膜１５０は、センサボディ１２０とともに単一の構成要素として製造され得、または別個に組み立てられ得る。
【００１６】
本明細書に示す構成は、高温環境に良好に適する。外側ハウジングボディ１０２は、プロセスアダプタとして運用され、さまざまな種類のプロセス継手に細長いセンサハウジングを結合するために、所望のように構成されることができる。プラグ１２２の使用は、任意選択的であるが、しかし、プラグ１２２により、センサハウジング１２０をＥＤＭ（電気放電加工）を使用せずに機械加工することができ、圧力を維持するのに役立つ。従来の機械加工技術がセンシングボディを製造できるようにするために、プラグ１２２の使用を採用することができる。ブリッジ１２６は、構造を支持し、センサ１１０に対してハウジングが崩壊するのを防止する。ブリッジ１２６はまた、センサダイヤフラムに垂直なセンサ１１０の側部に対してハウジングが崩壊するのを防止することにより、センサの利得を増加させるのにも役立つ。２つの可撓性膜１５０が示されているが、単一の膜もまた採用し得る。センサ１１０の構成では、センサ１１０の対向する２つの側部が、印加された圧力に応答する。可撓性膜１５０は、接着剤を用いて、または固体接合技術により、センサ１１０に接合され得る。例示的な接着剤は、ろう付けまたははんだ、セラミックまたはガラスを含む。固体接合技術は、爆着および拡散接合を含む。拡散接合の例は、可撓性膜１５０上のスパッタされたアルミニウム層を有する圧力変換器１１０に担持されたクロム層を含む。別の例は、可撓性膜１５０上のスパッタまたはめっきされたニッケル層を有する変換器１１０に担持されたクロム層である。圧力センサ１１０上のスパッタされたアルミニウム層および可撓性膜１５０上のスパッタまたはめっきされたニッケル層もまた、使用され得る。別の例は、圧力センサ１１０上のスパッタされたクロム層とＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）箔可撓性膜１５０とである。パッキング材料もまた、ハウジング１２０にて変換器１１０を固定するために、変換器１１０に対して装填され得る。例えば、セラミック粉末または焼結ナノ粒子銀が使用され得る。ハウジング１２０の内部はまた、真空に形成され得る。例えば、膜１５０を所望のように成形して、ハウジング１２０に嵌合させることができる。ハウジングに膜１５０を封止するために、レーザ溶接を使用することができる。シーム溶接または抵抗溶接を含む任意の封止技術を適宜、使用し得る。可撓性膜１５０はまた、予め形成された金属箔を含み得、溶接、金属対金属封止を介してセンサハウジング１２０に取り付けられ得、またはセンサハウジングに接着され得る。軟質金属はまた、圧力センサ１１０への緊密結合を可能にするために、めっき等を介して可撓性膜１５０の内面上に堆積され得る。例えば、金めっきを、可撓性膜の内面上の金属箔の内面上に使用することができる。
【００１７】
図５は、圧力センサ１１０を含む圧力送信機２００を示す簡略ブロック図である。この実施形態では、圧力送信機２００は、圧力センサ１１０からの出力に結合してマイクロプロセッサ２０４に測定信号を供給するように構成された測定回路２０２を含む。測定回路２０２は、アナログ−デジタル変換器および、他の項目の中でも補償回路、フィルタリング回路を含み得る。電力は、電源２０８により提供される。マイクロプロセッサ２０４は、メモリ２１２に格納された命令に従って動作する。典型的には、プロセス変数送信機は、送信機２００の電子装置のすべてを気密封止ハウジング内に封止するように構成されるであろう。マイクロプロセッサは、ＲＳ−４８５またはＲＳ−２３２の通信規格でＵＡＲＴトランシーバ２１０に通信して結合し得、電力調整を入力し得る。マイクロコントローラはまた、メモリ２１２およびＵＡＲＴ２１０がマイクロコントローラブロック内にあるように使用され得る。ＲＳ−４８５送受信機が、ＵＡＲＴに結合され得る。一方が測定回路からの信号を解釈し、他方が第１のマイクロコントローラからデータを受信して外界と通信する２つのマイクロコントローラが、実装され得る。
【００１８】
特定の圧力センサは、任意の所望の構成に従い得る。さまざまな圧力センサ設計が、当該分野で公知である。圧力センサの１つのタイプは、細長い実質的に脆い材料で形成される。センサ自体は、サファイアなどの耐腐食性材料で作製することができる。図６Ａは側部断面図であり、図６Ｂは圧力センサ１１０の端部断面図である。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、細長い部材２０２および２０４は、その中に形成された内部空洞２０５を含むように製造された対向するダイヤフラムを形成する。金属層２１０、２１２、２１４、２１６、２１８および２２０は、内部空洞２０５内のダイヤフラム２０２および２０４の内面上に堆積される。圧力がダイヤフラム２０２および２０４に印加されると、内部空洞２０５の容積が変化したときにプレート２１０〜２２０間の間隔が変化する。この間隔の変化は、図５に示す測定回路２０２などの適切な測定回路によって測定することができる静電容量の変化として現れる。金属層２１０〜２２０はまた、温度の関数として変化する電気抵抗を提供し得、それにより、温度測定値が取得され得る。層２１０〜２２０への接続は、接続面１１２を介して行うことができる。
【００１９】
図６Ａおよび図６Ｂに示されたものに関連した圧力センサの例は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、１９９７年６月１０日に発行された米国特許第５，６３７，８０２号、２０００年６月２７日に発行された米国特許第６，０７９，２７６号、２０００年７月４日に発行された米国特許第６，０８２，１９９号、２０００年７月１８日に発行された米国特許第６，０８９，０９７号、２００３年１月１４日に発行された米国特許第６，５０５，５１６号、２００３年２月１８日に発行された米国特許第６，５２０，０２０号、２００３年１月２１日に発行された米国特許第６，５０８，１２９号、２００２年１１月２６日に発行された米国特許第６，４８４，５８５号、２００３年２月１１日に発行された米国特許第６，５１６，６７１号、２００３年５月１３日に発行された米国特許第６，５６１，０３８号、および２００５年２月１日に発行された米国特許第６，４８４，３１６号に示されて記載されている。
【００２０】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当該技術分野における当業者は、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更がなされ得ることを認識するであろう。１つの例示的構成では、圧力保持ハウジングは、両側に箔ダイヤフラムを有する圧力センサダイヤフラムの周囲に作成され、これにより、圧力センサのダイヤフラムに印加された圧力を転送する。他の構成例では、センサは、ハウジング内にマウントされて、パッキング材料、固体接合を用いて可撓性部材にマウントされ、または、いくつかの他の手段によって接着される。例えば、単一または二重ダイヤフラム圧力変換器が採用され得る。ハウジングはまた、異なる圧力が圧力センサのそれぞれの側に印加されるように構成することができる。加速度計または他の振動センサ支持体もまた採用され得る。このシステムは、冗長センサアプリケーションの実装に良好に適している。高圧環境に加えて、構成は、高温環境および高腐食性環境に良好に適している。任意の適切な技術が、ハウジングに可撓性膜を結合するために使用され得る。例えば、レーザ溶接プロセスを、ハウジング１２０に可撓性部材１５０を取り付けてプロセス流体からハウジングの内部を封止するために使用することができる。ＴＩＧ溶接、シーム溶接またはプロジェクション溶接などの他の溶接技術が使用され得る。
【符号の説明】
【００２１】
１００…圧力センサアセンブリ
１１０…圧力センサ
１２０…センサハウジング
１２４…空洞
１５０…可撓性膜
２０２，２０４…ダイヤフラム
【図１】
0006895549.tif 000002
【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６Ａ】
0006895549.tif 000007
【図６Ｂ】
0006895549.tif 000008