JP2016527497A - ２ピース式の隔離プラグのある隔離部品を有する圧力伝送器 - Google Patents

Abstract

プロセスラインに接続可能な圧力伝送器12は当該プロセスライン内の圧力Pに応じた出力を与える。伝送器12は、ハウジング26と、圧力センサ40と、プロセスライン内の流体を内部空洞36から隔離する隔離部品42とを含む。隔離部品42は、プロセス圧力に接続される隔離ダイアフラム50と、ハウジングアダプタ30に配置される隔離プラグ54とを含む。隔離プラグ54は、下側プラグ部分72と、上側プラグ部分74と、下側プラグ部分72及び上側プラグ部分74を接合する接合構造78と、隔離流体で充填されており且つ第１端面から下側プラグ部分72及び上側プラグ部分74を貫通して第２端面まで伸びることで、隔離ダイアフラム50及び毛細管52を通じて圧力をセンサ空洞56及びセンサ40へと接続させる毛細管52とを含む。上側プラグ部分74は第1材料で形成され、下側プラグ部分72は上側プラグ部分よりも高い腐食耐性を有する第２材料で形成される。

Description

本発明は産業プロセス圧力伝送器に関する。より詳細には本発明は、圧力センサを支持し、当該圧力センサと当該伝送器の内部空洞とを測定対象のプロセスラインの流体から隔離するための、隔離取付部品における隔離プラグに関する。

産業プロセス制御システムは産業プロセスを監視・制御するのに用いられ、当該産業プロセスにおいては流体その他の生成や配送がおこなわれる。こうしたシステムにおいては一般に、温度、圧力、流量その他といったような「プロセス変数」を測定することが重要である。プロセス制御伝送器はこうしたプロセス変数を測定して当該測定されたプロセス変数に関する情報を中央制御室といったような中央配置に伝送して返すのに用いられる。

プロセス変数伝送器の一種として圧力伝送器があり、当該圧力伝送器はプロセス流体における圧力または２つの圧力の差圧を測定して、当該圧力又は２つの圧力の差圧に関する出力を与える。差圧の場合、当該差圧はすなわち、流量、容器内にあるプロセス流体の液位（レベル）又はその他のプロセス変数を表していることがある。当該伝送器は当該圧力又は差圧に関する情報を中央制御室に伝送して返すよう構成されている。当該伝送は一般に2線式プロセス制御ループを用いてなされるが、無線技術を含むその他の通信技術を用いることもできる。

米国特許4970898号

こうした圧力を測定するためには、何らかの種類のプロセス接続機構を用いることで当該圧力がプロセス変数伝送器へと接続される必要がある。例えば、産業プロセス流体は産業プロセスにおいて用いられる天然ガスや石油その他であってよい。産業プロセスにおいて、プロセスラインで測定される対象となる流体から圧力センサを隔離するための隔離取付部品が既知である。一般に、隔離取付部品は伝送器ハウジングのベース部分において、当該伝送器の内部空洞へと開いている穴の中に取り付けられる。隔離取付部品の隔離プラグはプロセス圧力をプロセスセンサへと伝達するための毛細管を提供する一方、当該内部空洞は、当該圧力センサに接続されることでプロセスライン内の圧力に比例する信号を取得する既知の回路を保護する。プロセス流体の中には腐食性が高いものがあるので、プロセス伝送器の中には、こうした腐食性のプロセス流体による腐食又は損傷に耐性があることが既知の材料で作られた隔離プラグを用いることを要求されるものがある。こうした腐食耐性のある材料、例えばC-276合金は、当該伝送器の材料コストを大きく増加させてしまう。

上記の考察は一般的背景の情報を提供するためのものに過ぎないので、クレームに記載された対象の範囲を決定する補助に用いることを意図したものではない。

当該サマリは、以降の詳細な説明でさらに説明される概念からいくつか選択したものを簡略化された形式で紹介するためのものである。当該サマリはクレームに記載された対象の鍵となる特徴や本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また、クレームに記載された対象の範囲を決定する補助に用いることを意図したものでもない。

プロセスラインに接続可能な圧力伝送器は、当該プロセスライン内の圧力に応じた出力を与える。当該伝送器はハウジングを含み、当該ハウジングは、当該ハウジング内に形成された内部空洞に接続されるプロセス端を有するベースを有する。当該伝送器はまた、前記圧力を検知するセンサと、当該ハウジングの当該プロセス端に取り付けられて前記プロセスライン内の流体を当該内部空洞から隔離する隔離部品と、を有する。当該隔離部品は、前記プロセスライン内の前記プロセス圧力に流体的に接続するように構成されている隔離ダイアフラムと、前記ハウジングアダプタの前記プロセスに位置する隔離プラグとを含む。当該隔離プラグは、前記隔離ダイアフラムに隣接する第１端面を提供する下側プラグ部分と、前記第１端面から離れて配置されており且つ前記センサが内部に配置されているセンサ空洞に隣接している第２端面を提供する上側プラグ部分と、前記第１端面及び前記第２端面を接合する接合構造と、隔離流体で充填されており、且つ、前記第１端面から前記下側プラグ及び前記上側プラグ部分を貫通して前記第２端面まで延びている毛細管であって、前記隔離ダイアフラム及び当該毛細管を通じて前記圧力を前記センサ空洞及び前記センサへと接続させる毛細管と、を有する。前記上側プラグ部分は第１材料で形成されており、前記下側プラグ部分は前記第１材料よりも高い腐食耐性を有する第2材料で形成されている。

一例としての実施形態では、圧力伝送器は隔離部品を用いてプロセスラインに接続することができ、当該接続した後は、当該圧力伝送器は当該プロセスラインにおける圧力に応答する出力を与える。

いくつかの実施形態では、前記隔離プラグの前記下側プラグ部分は、前記圧力伝送器が前記プロセスラインに接続された際に、前記プロセスラインからのプロセス流体が触れる面を有しており、前記上側プラグ部分は、前記圧力伝送器が前記プロセスラインに接続された際に、前記プロセス流体が触れる面を有していない。当該プロセスと接する面があることから、前記隔離プラグの前記下側プラグ部分は前記上側プラグ部分よりも腐食耐性の強い材料で形成される。当該形成することにより、前記隔離プラグの材料コストを、また、前記伝送器の材料コストを、低減することが可能となると共に、腐食性を有するプロセス環境に対する腐食耐性を維持することができる。いくつかの例示としての実施形態では、前記上側プラグ部分が形成される第１材料を３１６Lステンレス鋼とすることができる。また、いくつかの実施形態では、前記下側プラグ部分が形成される第２材料をC-276合金とすることができる。前記上側プラグ部分及び前記下側プラグ部分のいずれについても、別の材料を用いるようにしてもよい。

プロセス制御又は監視システム内の圧力伝送器であって、第１実施形態に係る隔離プラグを有するものの部分断面図である。 図１の圧力送信機の隔離プラグと類似の隔離プラグについての別実施形態を示す拡大された断面図である。

本開示により、圧力伝送器の圧力センサに用いる隔離部品が提供される。当該開示される部品によれば、圧力伝送器における１つ又はより多数の圧力センサが腐食性のプロセス流体から隔離されると共に、当該伝送器の製造に関連する材料コストの低減が可能になる。

図１はプロセス制御又は測定システム10を示す図であり、当該システム10は圧力伝送器12を含み、当該伝送器12はプロセス流体16を運ぶプロセス配管14に接続されている。（伝送器12はシステム10の測定に関する要素である。）プロセス流体16は圧力伝送器12に圧力Pを加える。圧力伝送器12は出力を例えば2線式プロセス制御ループ20上へと与えることで、当該出力は制御室22等のような遠隔地（リモートロケーション）へと伝えられる。プロセス制御ループ20は任意の適切なプロトコルに沿って動作することができる。一構成において、プロセス制御ループ20は2線式プロセス制御ループであり、当該2線式プロセス制御ループにおいては、アナログの電流値がプロセス圧力Pに関する「プロセス変数」を表すものとして用いられる。別の例示としての実装においては、プロセス制御ループ20はプロセス圧力に関するデジタル値を伝達する。こうしたプロトコルの例にはHART（登録商標）やファウンデーションフィールドバス（Foundation FieldBus）が含まれる。その他の例示としてのプロセス制御ループは無線通信リンクを備える。こうした構成においては、要素20は伝送器12とプロセス制御室22との間の無線通信リンクを表すこととなる。

伝送器12の構成要素を、改良されたプロセス接続機構すなわち隔離取付部品42を有する一実施形態を参照してより詳細に説明する。伝送器12はベース28を有するボディすなわちハウジング26と、当該ベース28に螺合されることであるいはその他の接続機構により接合されるハウジングアダプタ30と、拡張ボディ32と、を含む。別の実施形態では、アダプタ30とベース28とは別部品として互いに接続されるのではなく、一体形成されるようにしてもよい。アダプタ30及び／又はベース28はまた、別の形状及びサイズで形成されることで、別のサイズ及び形状となるようなコネクタ44及び隔離プラグ54に対応可能なようになっていてもよい。ハウジングアダプタ30は穴34を含み、穴34には当該例示として開示される実施形態における隔離取付部品42が装着される。隔離取付部品42及び以下に説明する伝送器12の他の構成要素が外された場合を考えると、穴34は拡張ボディ32内に形成された内部空洞36内へと開くようになっている。

隔離取付部品42は、コネクタ44、隔離ダイアフラム50及び隔離プラグ54を含む。隔離取付部品42はプロセス流体16を隔離して、内部空洞36へと入ってこないようにさせる。伝送器12は圧力センサ（圧力センサダイ）40を含み、当該圧力センサ40は任意の適切な技術によって動作するものであってよい。当該技術の例としてマイクロマシン構成が含まれ、例えば、加えられた圧力に応じて変化する電気特性を有する素子を有するマイクロマシン構成が挙げられる。当該開示される実施形態は何らかの特定種類の圧力センサと共に用いられるものに限定されることはなく、その他の既知の種類の圧力センサであって、隔離ダイアフラム50に流体的に接続されるようなものであれば、当該開示する実施形態に用いることができる。例えば、静電容量ベースの圧力センサや光学ベースの圧力センサも用いることができる。隔離取付部品42は、伝送器12のハウジング26をプロセス配管14へと接続させる。当該接続によって、プロセス圧力Pが隔離ダイアフラム50へと加わることが可能となる。当該圧力Pが加わることによってダイアフラム50にたわみが発生する。当該たわみが発生したことはさらに、両者共に隔離流体を含んでいる毛細管52及びセンサ空洞56を通じて、圧力センサ40へと伝達される。毛細管52は隔離プラグ54内を貫通して延びており、隔離プラグ54はまた、圧力センサ40を取り付けるよう構成されているセンサ取付部38を支持している。圧力センサ40は電気的出力60を測定回路62へと与える。測定回路62は端子ブロック70へと接続しており、端子ブロック70はプロセス制御ループ又は無線通信リンク20へと接続している。一例としての構成において、プロセス制御ループ20はまた、伝送器12の測定回路62といったような回路へと電力供給するのに用いることもできる。

前述の説明のように、産業プロセス用途の中には、腐食性の高いプロセス流体に対して利用するために、隔離プラグ54をC-276合金といったような腐食耐性を有する材料で作成しないといけないものがある。こうした腐食耐性を有する材料は一般に、伝送器12を製造するのに使うことのできるその他の材料と比べてコストが高い。例えば、C-276合金の場合を考えると、その高いニッケル含有量のために、C-276合金の原材料コストは316Lステンレス鋼の約7倍である。隔離プラグ54により、次のようにして材料コストを低減する状況が実現される。すなわち、プラグのプロセス流体が触れる側の表面は例えばC-276合金といったような腐食耐性を有する材料で作成し、一方、触れない側の表面は例えば316Lステンレス鋼といったような他の材料で作成するようにした、2ピース式のカプセルデザインを採用することで、コスト低減を実現する。図１では、隔離プラグ54の下側部分はプロセス流体が触れる表面となっているので、腐食耐性を有する材料で作成する一方、隔離プラグ54の上側部分は別の材料、好ましくはコストのより低い材料で作成する。隔離プラグの上側部分及び下側部分は、溶け込み深さの深いレーザ溶接78又はその他の接合技術を用いて、互いに一体に接合する。

ここで図２を参照して、一例としての実施形態における第２実施形態の隔離プラグ154を示す。プラグ54と同様に、プラグ154は下側プラグ部分172及び上側プラグ部分174に分けられる。下側プラグ部分172の下端部110から上側プラグ部分174の上端部112まで毛細管152が伸びており、ここで、下端部110は隔離ダイアフラムに隣接して配置されるように構成されている。こうして、毛細管152は下側隔離プラグ部分172及び上側隔離プラグ部分174の両者を貫いて延びており、センサ空洞156へと流体的に接続することで、プロセス圧力が圧力センサ140に結合されるようにしている。前述と同様に、上側隔離プラグ部分(174)と下側隔離プラグ部分(172)とは、溶け込み深さの深いレーザ溶接178といったような接合構造178を用いることにより、互いに一体に接合されている。図２の実施形態にはまた、ヘッダ102及び溶接リング104が示されている。混合金属溶接106によりヘッダ102が溶接リング104へ接合され、また、溶接ヘッダ102及び溶接リング104の一方又は両方が上側隔離プラグ部分174へと接合される。

前述と同様に、隔離プラグ部品154が２つのピース（部分片）へと分かれていることによって、コスト高な材料の利用を最少にする又は大きく低減させることができる。下側隔離プラグ部分172は、プロセス流体に潜在的に暴露されるものであり又は実際に触れるものである表面182を与えるが、当該下側隔離プラグ部分172は、C276合金といったようなより強い腐食耐性を有する材料で組み立てられている、又は、当該材料で形成されている。上側隔離プラグ部分174は、プロセス流体又は媒体に接触することのない表面184を有する部分であり、当該上側隔離プラグ部分174は、316Lステンレス鋼といったようなコストがより低く腐食耐性がより低い材料で形成されている。C276合金や316Lステンレス鋼以外の合金を用いるようにしてもよい。下側隔離プラグ部分(172)及び上側隔離プラグ部分(174)のそれぞれの設計寸法を入念に選択することで、溶接接合部すなわち接続部178に加わる応力を最少化することができる。同時に、従来の1ピース式の隔離プラグ設計の場合と比べて、必要となるオイル又は隔離流体の体積の増加も最少化することができる。

本発明は好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の考え方及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えうることは当業者であれば理解できるはずである。アダプタにおける穴は当該アダプタのプロセス端部の方に位置している。ハウジング及びハウジングアダプタは、ハウジング部品の一例である。しかしながら、当該ハウジング部品に対して、任意個数の構成部品を用いるようにすることができる。

12…圧力伝送器、26…ハウジング、28…ベース、40…センサ、36…内部空洞、42…隔離部品、50…隔離ダイアフラム、30…ハウジングアダプタ、54…隔離プラグ、72…下側プラグ部分、74…上側プラグ部分、78…接合構造、52…毛細管、56…センサ空洞

Claims (15)

1. プロセスラインに接続可能であり、当該プロセスライン内の圧力に応じた出力を与える圧力伝送器であって、
   ベースを有するハウジングであって、当該ベースは当該ハウジング内に形成された内部空洞へと接続されるプロセス端部を有しているようなハウジングと、
   前記圧力を検知するためのセンサと、
   前記ハウジングの前記プロセス端部に取り付けられており、前記プロセスライン内の流体を前記内部空洞から隔離する隔離部品と、を備え、
   前記隔離部品はさらに、
   前記プロセスライン内の前記圧力に流体的に接続されるように構成されている隔離ダイアフラムと、
   前記ハウジングアダプタの前記プロセスに位置した隔離プラグであって、
   前記隔離ダイアフラムに隣接した第１端面を提供する下側プラグ部分と、
   前記第１端面から離れて位置しており且つ前記センサが内部に配置されるセンサ空洞に隣接している第２端面を提供する上側プラグ部分と、
   前記下側プラグ部分及び前記上側プラグ部分を接合する接合構造と、
   隔離流体で充填されており、且つ、前記第１端面から前記下側プラグ及び前記上側プラグ部分を貫通して前記第２端面まで延びている毛細管であって、前記隔離ダイアフラム及び当該毛細管を通じて前記圧力を前記センサ空洞及び前記センサへと接続させる毛細管と、を有する隔離プラグと、を有し、
   前記上側プラグ部分は第１材料で形成されており、前記下側プラグ部分は前記第１材料よりも高い腐食耐性を有する第2材料で形成されていることを特徴とする圧力伝送器。
2. 前記隔離プラグの前記下側プラグ部分は、前記圧力伝送器が前記プロセスラインに接続された際に、前記プロセスラインからのプロセス流体が触れる面を有しており、
   前記上側プラグ部分は、前記圧力伝送器が前記プロセスラインに接続された際に、前記プロセス流体が触れる面を有していないことを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
3. 前記下側プラグ部分及び前記上側プラグ部分を接合する前記接合構造が溶接接合であることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
4. 前記隔離部品がさらに、前記プロセスラインに接続し、前記隔離ダイアフラムを前記プロセス圧力に接続するコネクタを備えることを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
5. 前記ハウジングが、当該ハウジングのベースを形成し且つ当該ハウジングの上側部分に接続されているハウジングアダプタを含むことを特徴とする請求項２に記載の圧力伝送器。
6. 前記ハウジングアダプタ及び前記ベースが一体形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力伝送器。
7. 前記ハウジング内に配置され、前記センサの電気出力部に電気的に接続されている測定回路と、
   前記測定回路に電気的に接続され、通信リンクを通じて制御室へと接続されるように構成されている端子ブロックと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
8. 前記通信リンクがプロセス制御ループとして構成されていることを特徴とする請求項７に記載の圧力伝送器。
9. 前記通信リンクが無線通信リンクであることを特徴とする請求項８に記載の圧力伝送器。
10. 前記上側プラグ部分を形成している第１材料が３１６Ｌステンレス鋼であり、前記下側プラグ部分を形成している第２材料がＣ−２７６合金であることを特徴とする請求項１に記載の圧力伝送器。
11. 圧力伝送器に用いて圧力センサをプロセスライン内のプロセス圧力へと接続させる隔離部品であって、
    前記プロセスライン内の前記プロセス圧力に流体的に接続されるよう構成されている隔離ダイアフラムと、
    前記プロセスラインに接続して前記隔離ダイアフラムを前記プロセス圧力に流体的に接続するように構成されているコネクタと、
    前記圧力送信機のハウジング部品内におけるプロセス端に配置されるよう構成された隔離プラグと、を備え、
    前記隔離プラグは、さらに、
    前記隔離ダイアフラムに隣接した第１端面を提供する下側プラグ部分と、
    前記第１端面から離れて位置しており且つ前記伝送器内にあって前記センサが内部に配置されているセンサ空洞に隣接している第２端面を提供する上側プラグ部分と、を有し、
    前記隔離プラグは、さらに、
    前記下側プラグ部分及び前記上側プラグ部分を接合する接合構造と、
    隔離流体で充填されており、且つ、前記第１端面から前記下側プラグ及び前記上側プラグ部分を貫通して前記第２端面まで延びている毛細管であって、前記プロセス圧力を前記伝送器の前記センサへと接続させる毛細管と、を有し、
    前記上側プラグ部分は第１材料で形成されており、前記下側プラグ部分は前記第１材料よりも高い腐食耐性を有する第2材料で形成されていることを特徴とする隔離部品。
12. 前記隔離プラグの前記下側プラグ部分は、前記隔離部品が前記圧力伝送器に用いられて前記プロセスラインに接続された際に、前記プロセスラインからのプロセス流体が触れる面を有しており、
    前記上側プラグ部分は、前記隔離部品が前記圧力伝送器に用いられて前記プロセスラインに接続された際に、前記プロセス流体が触れる面を有していないことを特徴とする請求項１１に記載の隔離部品。
13. 前記下側プラグ部分及び前記上側プラグ部分を接合する前記接合構造が溶接接合であることを特徴とする請求項１１に記載の隔離部品。
14. 前記溶接接合が溶け込み深さの深いレーザ溶接であることを特徴とする請求項１３に記載の隔離部品。
15. 前記圧力伝送器をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の隔離部品。