(57)【要約】【課題】極度の環境条件下で使用可能な絶対圧変換器を提供する。【解決手段】被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力する絶対圧変換器が提供される。圧力変換器は、プロセスに接続可能な圧密な圧力ポート３１２と、圧力センサ１，２及び共通の回路基板４を収容するハウジング３と、プロセス圧及びハウジング内の雰囲気圧の間の差をアナログ的に検出する第１圧力センサ１と、ハウジング内の雰囲気圧を絶対圧として検出する第２圧力センサ２とからなり、共通の回路基板４は、第１圧力センサ及び第２圧力センサの両方に接続され、さらにデータ処理ユニットを有する。ここで、第２圧力センサは、雰囲気圧を示す電気的信号を出力すべく適用される。回路基板は、アナログ的に検出された圧力差をデジタル信号に変換し、第１及び第２圧力センサからの信号に基づいてプロセスの絶対圧を算出し、プロセスの絶対圧を示す信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力する絶対圧変換器であって、
前記プロセスに接続可能な圧密な圧力ポート（３１２）と、
第１圧力センサ（１）、第２圧力センサ（２）及び共通の回路基板（４）を収容するハウジング（３）と
を備え、
前記第１センサ（１）は、前記プロセスの圧力及び前記ハウジング（３）内の雰囲気圧の間の差をアナログ的に検出し、
前記第２センサ（２）は、前記ハウジング（３）内の雰囲気圧を絶対圧として検出し、
前記共通の回路基板（４）は、前記第１圧力センサ（１）及び前記第２圧力センサ（２）の両方に接続されると共に、データ処理ユニットを有し、
前記第２圧力センサ（２）は、前記雰囲気圧を示す電気的信号を出力すべく適用され、
前記回路基板（４）は、前記アナログ的に検出された圧力差をデジタル信号に変換し、前記第１及び第２圧力センサ（１，２）からの信号に基づいて前記プロセスの絶対圧を算出し、前記プロセスの絶対圧を示す信号を出力する
ことを特徴とする絶対圧変換器。
【請求項２】
前記絶対プロセス圧を示す信号がアナログ信号であることを特徴とする請求項１記載の絶対圧変換器。
【請求項３】
前記回路基板（４）が、前記絶対プロセス圧を示す４〜２０ｍＡ規格に従う前記アナログ信号を出力することを特徴とする請求項２記載の絶対圧変換器。
【請求項４】
前記第２圧力センサ（２）の前記電気的信号が、０．１ｍＡ未満の電力消費量で、デジタル形式で直接的に出力されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項５】
前記絶対プロセス圧を示すアナログ信号が、ツーワイヤシステム（５）により制御ユニットに送られることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項６】
前記第２圧力センサ（２）がモノリシックに一体化された圧力センサであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項７】
前記ハウジング（３）の外側に配置された第３センサが外部圧力を検出し、当該外部圧力が、前記絶対プロセス圧を算出するための補正値として使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項８】
前記第１圧力センサ（１）が、金属材料から作られるメンブレンセンサであり、メンブレンの変形を検出するため、スパッタリングによって蒸着された複数の抵抗膜を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項９】
前記金属材料が耐腐食性の貴金属であることを特徴とする請求項８記載の絶対圧変換器。
【請求項１０】
前記第１圧力センサ（１）が、セラミックメンブレンセンサであり、メンブレンの変形を検出するため、複数の変形感受性厚膜層を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項１１】
前記ハウジング（３）が、外部に対してシールされることにより高い保護等級に相当することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項１２】
前記ハウジング（３）と前記圧力ポート（３１２）が金属材料から作られることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項１３】
内部温度補正を備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【請求項１４】
４ｍＡ未満の総電力消費を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の絶対圧変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶対圧を測定するための絶対圧変換器に係り、特に、少なくとも二つの圧力センサの組によって被測定プロセス（測定されるべきプロセス）の絶対圧を測定するための絶対圧変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶対圧を測定するため、特許文献１は、図２に見られるような、複数のピエゾ抵抗圧力センサの組み合わせからなる一体マルチセンサを述べている。圧力センサの組み合わせは、相対圧センサ９１と絶対圧センサ９２とを含む。両センサは同一の基板に一体化され、例えばエッチングによって製造される。相対圧センサ９１は被測定プロセスと大気圧との間の差圧を測定する。他方、絶対圧センサ９２は、大気圧と、例えば真空といった気密の密閉空間との間の差圧を、大気圧として測定する。両センサから発出される圧力信号は、被測定プロセスの絶対圧を得るべく、互いに処理される。
【０００３】
類似したピエゾ抵抗センサのセンサ組が、特許文献２及び３でさらに述べられている。しかしながら、ピエゾ抵抗センサは非常に感温性が高く、温度補正計算のための温度センサをさらに要するのが通常である。また、ピエゾ抵抗センサは小さな負荷信号しか出力することができない。それ故、弱センサ信号を増幅するため、電力を消費する信号増幅器が必要となる。
【０００４】
さらに、ピエゾ抵抗センサは耐媒質性についてとても優れているという訳ではなく、あらゆる環境条件で使用できず、例えば海底に存する条件等では使用できない。
【０００５】
ピエゾ抵抗絶対圧センサの更なる問題は、例えばメンブレンを通ずる拡散等により、気密の参照圧力スペースにガスが徐々に侵入できるという中で見られる。これによって当該スペースの参照圧力が時間とともに変化し、不利的にも測定結果をひずませる。
【０００６】
さらなる圧力変換器の公知例は、同一ハウジング内に配置された二つの圧力センサの組である。一つめのセンサは、被測定プロセスの圧力を相対圧力値として測定し、二つめのセンサはハウジング内の雰囲気圧力を直接測定し、ハウジングは、ゴアテックス（登録商標）メンブレン（Goretex-membrane）等により外部に対して部分的に透過性を有し、これによりハウジング内部の雰囲気圧力は外部の圧力に対応する。よって、絶対的なプロセス圧力は、両センサから発出された信号に基づいて計算され得る。しかしながら、この種の圧力変換器も、ハウジングが外部に対して気密密閉されていないので、極度の圧力雰囲気において使用することができない。
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第10 2004 021 041 A1号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第41 08 989 A1号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第696 27 645 T2号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、前述の従来技術の問題を回避し得る改良された絶対圧変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、請求項１の特徴を有する絶対圧変換器によって達成される。ここで、絶対圧変換器は、被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力するために用いられる。好ましくは、出力信号はアナログ信号である。代替例として、もし望まれるならば、圧力変換器はデジタル信号を出力することも考えられる。
【００１０】
絶対圧変換器は、圧密な圧力ポートと、第１圧力センサと、第２圧力センサと、両センサに接続された回路基板と、両センサ及び回路基板を収容し、圧力ポートを一体的に形成するハウジングとを備える。
【００１１】
圧力ポートは好ましくは金属材料から作られる。これは、ネジ接続による気密な方法で、被測定プロセスに接続されることができる。プロセス圧は圧力通路を通じて第１圧力センサに送られる。
【００１２】
ここで、第１圧力センサは、その一方の側部がプロセス圧に露呈し、他方の側部がハウジング内の雰囲気圧に露呈するように、ハウジング内に配置される。これにより、センサの一部、即ちセンサメンブレンが、プロセス圧と雰囲気圧の間の圧力差に応じて変形され得る。この差は、種々のタイプの測定要素によって測定されることができる。第１圧力センサが金属材料から作られたメンブレンセンサタイプである場合、メンブレンの変形を検出するための測定要素として、スパッタリングによって蒸着された複数の抵抗膜が採用される。金属材料は耐腐食性の貴金属等であってもよい。
【００１３】
代替的に、第１圧力センサはセラミックメンブレンセンサであってもよく、これは、メンブレンの変形を検出するための測定要素として、複数の変形感受性厚膜層を備える。
【００１４】
しかしながら、メンブレンの変形を測定することによる圧力検出のため、あらゆる公知の変形測定要素を用いることができる。
【００１５】
メンブレン変形を測定した後、第１圧力センサは回路基板にアナログ信号を出力する。
【００１６】
他方、第２圧力センサは、ハウジング内の雰囲気圧を、第１センサのメンブレンの一側部に作用する圧力である絶対圧として、検出するために用いられる。ここで、第２圧力センサは、雰囲気圧を示す電気的信号を出力するセンサである。好ましくは、第２圧力センサの電気的信号は、０．１ｍＡ未満の電力消費量で、デジタル形式で直接的に出力される。このデジタル信号は回路基板に出力される。好ましくは、第２圧力センサは、モノリシックに一体化された圧力センサである。この種のセンサは、例えば気圧計や高度計の機能を持った腕時計における圧力測定のため、入手可能である。
【００１７】
圧力センサと回路基板の両方は、配線によって互いに接続され、金属ハウジング内に収容される。ハウジングは好ましくは筒状であり、実質的に二つの部分、即ち回路基板を支持し且つ少なくとも二つの圧力センサを支持する主部と、絶対圧信号を外部に出力する端子を備えた頂部とによって形成されることができる。本体の下部は、圧力ポートを形成し、それの中心位置に形成された圧力通路と、それの外周面における被測定プロセスに接続するためのネジとを有する。ハウジングは好ましくは、外部に対してシールされることにより、例えばハウジングの二つの部分を溶接等によって互いに密閉状態で接合することにより、高い保護等級に相当する。
【００１８】
回路基板は、データ処理ユニットを備え、次の機能その他を有する。（ａ）アナログ的に検出された圧力差のデジタル信号への変換。（ｂ）第１及び第２圧力センサからの信号に基づく絶対プロセス圧の算出。（ｃ）被測定プロセスの絶対圧を示す信号の出力。信号は好ましくは、ツーワイヤシステムにより、絶対圧変換器の外部に位置された制御ユニット等に送られる。信号がアナログ信号である場合、回路基板は４〜２０ｍＡ規格に従うアナログ信号を出力する。
【００１９】
第３圧力センサが、ハウジングの外側に配置されそれに取り付けられてもよい。第３センサは、ハウジングの周囲の外部圧力を検出する。第３圧力センサによって出力された圧力信号は、絶対プロセス圧の算出の精度を高めるための補正値として使用されることができる。
【００２０】
さらに好ましくは、絶対圧変換器は、回路基板によって実行される内部温度補正を備えてもよい。雰囲気温度を測定する温度センサが用いられてもよい。さらに好ましくは、絶対圧変換器は、４ｍＡ未満の総電力消費を有する。この相当低い電力消費は、前記第２圧力センサを用いることによってなされ得る。なぜなら、それが測定に多くのエネルギを要さず、その出力信号が既にデジタルであり、回路基板によって処理される前のＡ／Ｄ変換を必要としないからである。それ故、前述のような第１及び第２圧力センサの組み合わせは、相当低い電力消費を有し、よってツーワイヤシステムに非常に適している。
【００２１】
本発明は、添付図面を用いた好適実施形態によって説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に示されるように、本発明の好適実施形態に係る絶対圧変換器は、実質的に円筒状のハウジング３を有し、ハウジング３は、ハウジングの主部としてのハウジング主本体３１と、ハウジングプラグ３２及び固定スリーブ３３により形成される頂部からなる。圧力変換器の組立状態において、ハウジング主本体３１とハウジングプラグ３２とは互いに嵌め込まれ、Ｏリング等のシールリングが気密接続のために用いられる。さらに、固定スリーブ３３が、主本体３１とプラグ３２の両方の周りに取り付けられ、溶接等によって主本体３１に固定される。別のシールリングが、固定スリーブ３３に対抗してプラグ３２を気密にシールする。これにより、ハウジング３は、好適に、高い保護等級に相当することとなる。
【００２３】
ハウジング主本体３１は、実質的に円筒状の形状を有し、幾つかの部分は異なる直径を有する。底部から頂部にかけて、最下部（表現「下」は、図１の鉛直方向における下側に相当する）は、圧力ポート３１２であると共に、その外周面に形成されたネジを有し、ネジは、圧力変換器を非測定プロセスの対応するプロセスポート（図示せず）に接続するために使用可能である。圧力ポート３１２の隣には、圧力ポート３１２より大きな外径を有し且つ凹部が形成されたさらなる部分がある。凹部は、圧力ポート３１２の外周のネジ加工中における逃げとして使用される。
【００２４】
ハウジング主本体３１の最上部は、第１センサ１、第２センサ２及び回路基板４を収容すべく形成された内部空間を有する。内部空間はハウジング主本体３１の上側に開放している。ハウジング主本体３１の上端部は、主本体３１及びプラグ３２の組立てを容易にすべく、内側がテーパ状に形成されている。
【００２５】
また、ハウジング３には圧力通路３１１が形成され、圧力通路３１１は、主本体３１の内部空間とプロセスポートの間の接続を可能にする貫通孔である。ハウジングプラグ３２はこれに固定された端子６を有し、端子６は、ツーワイヤシステム（二線方式、two-wire system）５によって回路基板４と接続されている。さらに、ハウジングプラグ３２には、内ネジを有する穴７が形成され、穴７は、圧力変換器と制御ユニット（図示せず）等との間のハーネスを固定するためのものである。
【００２６】
回路基板４は、内部空間の内周に形成された段部３１３に配置される。主本体３１とプラグ３２の組立て後には、回路基板がこれらの間に固定保持のため挟持される。第１センサ１は、溶接等により、ハウジング主本体３１の内部空間の底面の凹部３１４に気密に取り付けられ、その一方の側部が圧力通路３１１に露呈される。第１センサ１の他方の側部は、気密に閉じられたハウジング内で雰囲気圧に露呈され、これにより第１圧力センサ１はプロセス圧と雰囲気圧との間の差を測定する。第１圧力センサ１は、回路基板４に配線により電気的に接続され、回路基板４にアナログ信号を出力する。
【００２７】
本実施形態において、第２センサ２は、回路基板４の下側に直接的に配置されると共に、それに電気的に接続される。第２圧力センサ２は、モノリシックに一体化されたタイプ（monolithically integrated type）であり、これは、ハウジング３内の相対的な雰囲気圧を、参照圧としてのモノリシック一体化圧力チャンバ内の絶対圧と比較することにより、ハウジング３内の絶対的な雰囲気圧を測定する。第２圧力センサ２がデジタル信号を直接的に出力するよう用いられていることから、出力信号のためのＡ／Ｄ変換器は必要ない。これにより、第２圧力センサ２の電力消費は、例えば０．１ｍＡ未満といった非常に低いレベルに維持されることができる。この種のセンサが、商業的に入手可能であり、気圧計や高度計の機能を持った腕時計に用いられていることに留意されたい。
【００２８】
回路基板４は、データ処理ユニットを備えると共に、第１圧力センサ１からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換し且つ第２圧力センサ２から直接発されたデジタル信号を受けるべく適用される。次に、被測定プロセスの絶対プロセス圧がそれら信号に基づいて算出され、最後に、プロセスの絶対圧を示すアナログ信号が出力される。この信号は、絶対圧変換器の外部の制御ユニット（図示せず）に、ツーワイヤシステム５と、ハウジングプラグ３２に一体的に形成された端子６とを通じて、送られることができる。ここで、回路基板４は、ツーワイヤシステム５により、４〜２０ｍＡ規格（standards）に従うアナログ信号を出力する。
【００２９】
さらなる実施形態
好適実施形態において、第２圧力センサ２は回路基板４の下側に配置された。代替的に、第２圧力センサ２は、回路基板４のどの位置に配置されてもよく、或いはハウジング３内の他の位置に配置されてもよい。
【００３０】
また、好適実施形態において、回路基板４から出力される信号はアナログ信号であった。しかしながら、この信号はデジタル信号であっても良い。
【００３１】
ハウジング３とその幾つかの部分は、好適実施形態において、実質的に円筒形状に形成されていた。代替的に、それはいかなる種類の形状であってもよく、例えば矩形や多角形等であってもよい。後者の場合において、形状は、レンチの使用に適したものであってもよい。また、外ネジの代わりに、圧力ポート３１２はロックナット等でプロセスポートに接続可能であってもよい。
【００３２】
さらなる実施形態において、外部圧力を検出するため、第３センサがハウジング３の外側に配置されてもよく、それはおそらくハウジング３に取り付けられる。センサ値は、前記絶対プロセス圧の測定精度を向上するための補正値として用いられてもよい。
【００３３】
また、本発明の圧力変換器はツーワイヤシステム５を伴う使用に限定されない。代替的に、スリーワイヤシステム（三線方式、three-wire system）等との組み合わせで使用されることもできる。
【００３４】
内部温度補正関数としての圧力センサの温度依存を補正できるようにするため、圧力変換器は、ハウジング内に温度センサを備えてもよい。
【００３５】
概して、圧力変換器の主な利点は、ツーワイヤシステム適用可能性を維持すべく総電力消費が４ｍＡを超えないよう、限定された数のセンサを用いたときのみ、得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明による絶対圧変換器は流体圧のあらゆる圧力測定に使用可能である。特にそれは、例えば水底における沖合の水深測量術といったような、極度の環境条件の下で使用可能である。この場合、第１圧力センサのメンブレンの一側部は、海水に露呈され、それ故、第１センサは、ハウジング内の雰囲気圧力と、海底での水圧との間の差を測定する。ここで、絶対圧変換器は、海面上の受信機に通常接続されている。さらに、第３センサが、海面上の受信機に一緒に配設されてもよく、その信号は補正値として用いられることができる。
【００３７】
本発明は、前述のような実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲にて実行されるような本発明の範囲に属する様々な実施形態にも適用可能である。
【００３８】
被測定プロセスの絶対圧を示す信号を出力する絶対圧変換器が提供される。圧力変換器は、プロセスに接続可能な圧密な圧力ポートと、圧力センサ及び共通の回路基板を収容するハウジングと、プロセス圧及びハウジング内の雰囲気圧の間の差をアナログ的に検出する第１圧力センサと、ハウジング内の雰囲気圧を絶対圧として検出する第２圧力センサとからなり、共通の回路基板は、第１圧力センサ及び第２圧力センサの両方に接続され、さらにデータ処理ユニットを有する。ここで、第２圧力センサは、雰囲気圧を示す電気的信号を出力すべく適用される。回路基板は、アナログ的に検出された圧力差をデジタル信号に変換し、第１及び第２圧力センサからの信号に基づいてプロセスの絶対圧を算出（決定）し、プロセスの絶対圧を示す信号を出力する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に従う絶対圧変換器の好適実施形態を組立状態で示す断面図である。
【図２】従来技術に従うセンサアセンブリの比較例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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