JP2004516454A

JP2004516454A - 差圧検出器

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Publication number: JP2004516454A
Application number: JP2002512646A
Authority: JP
Inventors: ブルクツィクディートフリート; ダンハウアーヴォルフガング; レフラーフランク; ニュルンベルガーラルフ; シュヴァーベフリードリヒ
Original assignee: エンドレスウントハウザーゲゼルシヤフトミツトベシユレンクテルハフツングウントコンパニーコマンディートゲゼルシャフト
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: EP1299701B1; WO2002006785A1; ATE271215T1; CN1188677C; DE50102860D1; EA200300140A1; EP1172640A1; CN1449489A; AU2001272418A1; JP3684229B2; EA005793B1; US6631644B2; EP1299701A1; US20020017143A1

Abstract

センサ素子（１）と、それぞれ該センサ素子（１）に隣接した２つの圧力測定室（２，３）と、分離ダイヤフラム（２１，３１）により閉鎖された２つの受圧室（２２，２３）と、過剰負荷ダイヤフラム（６）により互いに分離された２つの過剰負荷室（２３，３３）とを有する差圧検出器において、過剰負荷ダイヤフラム（６）が、閉じられた外縁部と、閉じられた内縁部とを有していて、該外縁部と該内縁部とに沿って締付け固定されていることを特徴とする、小さなヒステリシス容積しか有しない差圧検出器が記載されている。

Description

【０００１】
本発明は、差圧検出器であって、
−センサ素子が設けられており、
−それぞれ該センサ素子に隣接した第１の圧力測定室と第２の圧力測定室とが設けられており、
−第１の分離ダイヤフラムにより閉鎖された第１の受圧室が設けられており、
−第２の分離ダイヤフラムにより閉鎖された第２の受圧室が設けられており、
−第１の過剰負荷室が設けられており、
−−該第１の過剰負荷室が第１の管路によって第１の受圧室に接続されており、
−−該第１の過剰負荷室が第２の管路によって第１の圧力測定室に接続されており、
−第２の過剰負荷室が設けられており、
−−該第２の過剰負荷室が第３の管路によって第２の受圧室に接続されており、
−−該第２の過剰負荷室が第４の管路によって第２の圧力測定室に接続されており、
−第１の受圧室と第２の受圧室と第１の過剰負荷室と第２の過剰負荷室と第１の圧力測定室と第２の圧力測定室と第１の管路と第２の管路と第３の管路と第４の管路とを満たす液体が存在しており、
−過剰負荷ダイヤフラムが設けられており、
−−該過剰負荷ダイヤフラムによって第１の過剰負荷室と第２の過剰負荷室とが互いに分離されている
形式のものに関する。
【０００２】
圧力検出器は通常、プロセス接続部を介して接続可能であるので、第１の分離ダイヤフラムには第１の圧力が、第２の分離ダイヤフラムには第２の圧力がそれぞれ作用する。これらの圧力は液体を介して圧力測定室へ伝達されて、センサ素子に印加される。センサ素子、たとえばピエゾ抵抗型の差圧測定セルは、第１の圧力と第２の圧力との差に対して比例する出力信号を送出する。この出力信号は引き続き処理、評価および／または表示のために利用され得る。
【０００３】
差圧検出器はプロセス量である「差圧」を測定するために多数の用途で使用される。測定量である「差圧」自体の他に、差圧検出器を用いて流体静力学的な圧力差に基づいて、容器内の充填レベルも測定可能となる。また、たとえば流路内の互いに異なる横断面を有する２種の場所の間での圧力差から通流量を測定することもできる。
【０００４】
米国特許第４２４４２５７号明細書には、
−センサ素子が設けられており、
−それぞれ該センサ素子に隣接した第１の圧力測定室と第２の圧力測定室とが設けられており、
−第１の分離ダイヤフラムにより閉鎖された第１の受圧室が設けられており、
−第２の分離ダイヤフラムにより閉鎖された第２の受圧室が設けられており、
−第１の過剰負荷室が設けられており、
−−該第１の過剰負荷室が第１の管路によって第１の受圧室に接続されており、
−−該第１の過剰負荷室が第２の管路によって第１の圧力測定室に接続されており、
−第２の過剰負荷室が設けられており、
−−該第２の過剰負荷室が第３の管路によって第２の受圧室に接続されており、
−−該第２の過剰負荷室が第４の管路によって第２の圧力測定室に接続されており、
−第１の受圧室と第２の受圧室と第１の過剰負荷室と第２の過剰負荷室と第１の圧力測定室と第２の圧力測定室と第１の管路と第２の管路と第３の管路と第４の管路とを満たす液体が存在しており、
−過剰負荷ダイヤフラムが設けられており、
−−該過剰負荷ダイヤフラムによって第１の過剰負荷室と第２の過剰負荷室とが互いに分離されている
形式の差圧検出器が記載されている。
【０００５】
上記公知の差圧検出器では、過剰負荷ダイヤフラムがディスク形に、つまり中心部に孔を有しない完全な円板の形に形成されていて、ダイヤフラムの外縁部で締付け固定されている。
【０００６】
過剰負荷発生時、つまり両分離ダイヤフラムのうちの一方の分離ダイヤフラムに、差圧検出器の設計時に設定された許容上限値よりも大きな圧力が作用した場合には、この分離ダイヤフラムがダイヤフラムベッドへ押圧される。この分離ダイヤフラムの変位により押しのけられた液体容量は、前記管路のうちの１つの管路を通って圧力流入室から対応する過剰負荷室内へ流入し、そして過剰負荷ダイヤフラムをゼロ位置から変位させる。過剰負荷ダイヤフラムの変位により片側で付加的に提供された容積には、過剰負荷の時間中、押しのけられた液体容量の少なくとも一部が収容される。これにより、過剰負荷発生時にセンサ素子に作用する圧力は制限されており、センサ素子は過剰負荷から保護されている。
【０００７】
過剰負荷発生時では、極めて迅速に極めて大きな力が過剰負荷ダイヤフラムへ作用する恐れがある。とりわけ過剰負荷ダイヤフラムの外縁部における締付け固定部では、極めて大きな応力が発生し、このような大きな応力が生じた結果、塑性変形、つまり過剰負荷の減衰後にも残る永久変形が生ぜしめられる恐れがある。相応して、過剰負荷ダイヤフラムは最初のゼロ位置へ戻らなくなり、両過剰負荷ダイヤフラムは最初の状態に比べて変えられた容積を有している。以下において、過剰負荷発生前と過剰負荷発生後での過剰負荷室の容積差を「ヒステリシス容積（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｅｖｏｌｕｍｅｎ）と呼ぶものとする。ヒステリシス容積は差圧検出器内での圧力分配に直接に作用し、これによって誤った測定結果をもたらしてしまう。
【０００８】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の差圧検出器を改良して、小さなヒステリシス容積しか有しない差圧検出器を提供することである。
【０００９】
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭で述べた形式の差圧検出器において、過剰負荷ダイヤフラムが、閉じられた外縁部と、閉じられた内縁部とを有していて、該外縁部と該内縁部とに沿って締付け固定されているようにした。
【００１０】
本発明の構成では、過剰負荷ダイヤフラムがリングディスク形、つまり中心部に孔を有する環状円板形に形成されている。
【００１１】
本発明の別の構成では、各過剰負荷室が、過剰負荷ダイヤフラムと、該過剰負荷ダイヤフラムに向かい合って位置するほぼ凹面状の壁とによって仕切られている。
【００１２】
本発明のさらに別の構成では、前記管路のうちの１つの管路が、過剰負荷ダイヤフラムの中心部を貫いて貫通案内されている。
【００１３】
このような差圧検出器の利点は、この差圧検出器がディスク形の過剰負荷ダイヤフラムを備えた差圧検出器に比べて極めて小さなヒステリシス容積しか有していないことである。
【００１４】
ゼロ位置から距離ｙだけ変位された、幅Δｒの無限小（ｉｎｆｉｎｉｔｅｓｉｍａｌ．）のリングディスクセグメントが、このリングディスクセグメントの半径ｒに対して比例する容積ΔＶ＝ｙ（ｒ）＊（２πｒΔｒ）を内封している。したがって、過剰負荷ダイヤフラムの、他ならぬ外縁部で生じた塑性変形は、ヒステリシス容積の大きな割合を占める。
【００１５】
過剰負荷発生時では、本発明により形成された過剰負荷ダイヤフラムに作用する力が内側の締付け固定部と外側の締付け固定部とに分配される。したがって、外側の締付け固定部に発生した応力、ひいてはこれによって生ぜしめられた塑性変形は、内側の締付け固定部を有しない分離ダイヤフラムの場合よりも小さくなる。
【００１６】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１７】
図１には、差圧検出器の縦断面図が示されている。この差圧検出器は圧力検出ユニットと、この圧力検出ユニットに配置された、センサ素子１のための支持体と、センサ素子１に隣接した、たとえば電子評価装置を収容するためのハウジング（図１には図示しない）とから成っている。
【００１８】
センサ素子１は、たとえばダイヤフラムタイプのシリコンチップであり、このセンサ素子１には第１の圧力測定室２と第２の圧力測定室３とが隣接している。第１の圧力測定室２内に形成される圧力はダイヤフラムの一方の側に、第２の圧力測定室３内に形成される圧力はダイヤフラムの他方の側に、それぞれ加えられている。これにより生ぜしめられたダイヤフラムの撓みは、ダイヤフラムに作用する差圧を測定するための尺度となる。電気機械式のトランスデューサもしくは変換器としては、たとえばダイヤフラムに組み込まれて１つのブリッジ回路にまとめられたピエゾ抵抗素子が使用される。これらのピエゾ抵抗素子は測定値形成のために差圧に比例した出力信号を発生させる。この出力信号は線路１１を介して、引き続き別の処理および／または表示のために利用される。
【００１９】
圧力検出ユニットは、第１の分離ダイヤフラム２１により閉鎖された第１の受圧室２２と、第２の分離ダイヤフラム３１により閉鎖された第２の受圧室３２とを有している。この圧力検出ユニットは、たとえば２つのフランジ（図１には図示しない）の間に締付け固定されている。この場合、両フランジはそれぞれ１つのプロセス接続部を有していて、このプロセス接続部により各分離ダイヤフラム２１，３１に測定媒体が供給可能となる。
【００２０】
圧力検出ユニットは、互いに結合された２つの中実なブロック４，５を有している。両ブロック４，５の間にはオーバロードダイヤフラムもしくは過剰負荷ダイヤフラム６が配置されている。この過剰負荷ダイヤフラム６の両側では、それぞれ隣接したブロック４，５が切欠きを有している。これらの切欠きは過剰負荷ダイヤフラム６と同じベース面を有しており、これらの切欠きの壁はほぼ凹面状に形成されている。
【００２１】
過剰負荷ダイヤフラム６と、ブロック４に配置された切欠きの、過剰負荷ダイヤフラム６に向かい合って位置する壁とは、第１の過剰負荷室２３を仕切っており、この第１の過剰負荷室２３は第１の管路２４によって第１の受圧室２２に接続されている。第２の管路２５によって、第１の過剰負荷室２３と第１の圧力測定室２との間の接続が形成されている。
【００２２】
相応して、過剰負荷ダイヤフラム６と、ブロック５に配置された切欠きの、過剰負荷ダイヤフラム６に向かい合って位置する壁とは、第２の過剰負荷室３３を仕切っており、この第２の過剰負荷室３３は第３の管路３４によって第２の受圧室３２に接続されている。
【００２３】
第４の管路３５によって、第２の過剰負荷室３３と第２の圧力測定室３との間の接続が形成されている。第１の過剰負荷室２３と第２の過剰負荷室３３とは、過剰負荷ダイヤフラム６によって互いに分離されている。
【００２４】
第１の受圧室２２および第２の受圧室３２、第１の過剰負荷室２３および第２の過剰負荷室３３、第１の圧力測定室２および第２の圧力測定室３ならびに第１の管路２４、第２の管路２５、第３の管路３４および第４の管路３５は、液体で満たされている。このことは、小さな熱膨張率を有するできるだけ非圧縮性の液体、たとえばシリコーンオイルであると有利である。
【００２５】
過剰負荷ダイヤフラム６は閉じられた外縁部と、閉じられた内縁部とを有していて、この外縁部と内縁部とに沿って固く締付け固定されている。
【００２６】
図１に示した実施例では、過剰負荷ダイヤフラム６がリングディスク（環状円板）形に形成されている。この過剰負荷ダイヤフラム６の円形の内縁部はブロック５に溶接されている。過剰負荷ダイヤフラム６の、同じく円形の外縁部は、ブロック４にもブロック５にも溶接されている。この溶接結合によって、両ブロック４，５も互いに結合されている。
【００２７】
過剰負荷ダイヤフラム６が、閉じられた内縁部を有しているので、１つまたは複数の管路を過剰負荷ダイヤフラム６に通して案内することが可能となる。
【００２８】
図１に示した実施例では、第２の管路２５が第１の過剰負荷室２３から過剰負荷ダイヤフラム６を貫いて延びている。このことは次のような利点をもたらす。すなわち、ブロック５の製造にのみ手間がかかるだけで、ブロック４は唯一つの管路、つまり第１の管路２４しか有していない。
【００２９】
当然ながら、各過剰負荷室２３，３３から、これらの過剰負荷室２３，３２にそれぞれ対応する受圧室２２，３２およびこれらの受圧室２２，３２に対応する圧力測定室２，３への接続を形成する別の管路配置も可能である。また、個々の管路は互いに完全に別個に延びている必要はなく、互いに接続されているか、もしくは複数の管路にとって共通の区分を有していてもよい。このことは、たとえば図１に示した第３の管路３４と第４の管路３５とに云える。
【００３０】
閉じられた外縁部と、閉じられた内縁部とで締付け固定された過剰負荷ダイヤフラム６を備えた差圧検出器は、慣用の差圧検出器、つまり単に外縁部しか有しず、しかもこの外縁部でしか締付け固定されていないような完全なディスク形の過剰負荷ダイヤフラムを備えた差圧検出器に比べて、過剰負荷発生時に過剰負荷ダイヤフラム６の変位により片側で付加的に提供される容積が同じであるとすると、従来よりも著しく小さなヒステリシス容積しか有していない。このことについては、以下に例示する、ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムとリングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムとの比較につき詳しく説明する。
【００３１】
管路、つまり図示の実施例では第２の管路２５を貫通案内することが可能であることにより、差圧検出器の両側でセンサ素子１への直接的な圧力供給が可能になるという利点がもたらされる。特に差圧検出器の外部にも延びている手間のかかる迂回管路（Ｕｅｂｅｒｌｅｉｔｕｎｇ）は、本発明による差圧検出器ではもはや必要にならない。このことは、手間のかかる迂回管路を決まって有している従来慣用の差圧検出器に比べて著しい構造的単純化をもたらす。
【００３２】
このような構造的な単純化は、差圧検出器内で圧力伝達のために必要とされる液体量の減少をもたらす。液体は常に有限の熱膨張率を有していて、熱膨張による体積変化によって差圧検出器の特性が変えられてしまうので、液体容量が減少することは同時に測定精度が改善されることを意味する。
【００３３】
図２には、ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位量ｙ（ｒ）が半径の関数として示されている。最大変位量ｙ（ｒ）はダイヤフラムの中心部で最大値を取っており、そしてダイヤフラムの縁部へ向かって減少している。ｒ_Ａで示された外側半径を有する過剰負荷ダイヤフラムの外縁部では、変位量が常にゼロに等しくなる。それに比べて、リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの場合には、最大変位量ｙ（ｒ）の最大値が内側半径ｒ_ｉと外側半径ｒ_ａとの間に位置している。図３には、リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位量が半径の関数として示されている。最大変位量ｙ（ｒ）は最大値を起点として両方向へ向かって減少していて、そして内縁部ｒ_ｉと外縁部ｒ_ａとでゼロに等しくなっている。
【００３４】
図４には、ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位量ｙ（ｒ）における、半径ｒを有する無限小（ｉｎｆｉｎｉｔｅｓｉｍａｌ．）の環円筒状の範囲に含まれている容積Ｖ（ｒ）が半径の関数として示されている。図５には、リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位量ｙ（ｒ）におけるこの容積Ｖ（ｒ）が示されている。
【００３５】
容積Ｖ（ｒ）は方程式
【００３６】
【数１】

【００３７】
により決定される。上に挙げた過剰負荷ダイヤフラムタイプにおける、過剰負荷発生時に過剰負荷ダイヤフラムの変位により片側で付加的に提供される容積は、Ｖ（ｒ）に関する積分、つまり曲線の下の面積に相当する。したがって、このことから明らかであるように、小さな半径を有する内側に位置する範囲は、この付加的な容積の小さな割合しか占めておらず、外側に位置する範囲がこの付加的な容積の大きな割合を占めている。
【００３８】
したがって、内縁部と外縁部とで締付け固定された過剰負荷ダイヤフラムは、外縁部でしか締付け固定されていない過剰負荷ダイヤフラムよりも少しだけ大きな外径を有しているだけでよく、これによって過剰負荷時では同じ付加的な容積が提供されるようになる。所要の容積は、負荷されていない状態、たとえばプロセス圧が加えられていない状態での受圧室の容積により規定されている。
【００３９】
過剰負荷事例が生じると、本発明により形成された過剰負荷ダイヤフラム６に作用する力は内側の締付け固定部と外側の締付け固定部とに分配される。したがって、外側の締付け固定部に生じる応力、ひいてはこれによって生ぜしめられる塑性変形量は、内側の締付け固定部を有しない過剰負荷ダイヤフラムの場合よりも小さくなる。
【００４０】
永久変形は過剰負荷ダイヤフラム６の伸長もしくは収縮である。図６には、過剰負荷発生時における慣用のディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの変形量が示されている。図７には、同じ条件下にリングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの変形量が示されている。両図面には、それぞれ変形量Δ（ｒ）が半径ｒとの関係で示されている。Δ（ｒ）の正の値は過剰負荷ダイヤフラムの伸長を意味し、負の値は収縮を意味する。
【００４１】
図６に示したように、ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの外縁部では著しい伸長が生じ、中心部では収縮が生じる。外縁部と中心部との間では、連続的な移行部が存在している。リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムでは、外縁部と内縁部とで伸長が生じる。しかし、伸長の振幅はディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの場合よりも著しく小さい。これにより、リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムのヒステリシス容積は、ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムのヒステリシス容積よりも著しく小さく形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による差圧検出器の縦断面図である。
【図２】
ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位量を半径の関数として示す線図である。
【図３】
リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位量を半径の関数として示す線図である。
【図４】
ディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位時における、無限小の環円筒状の範囲に含まれている容積を半径の関数として示す線図である。
【図５】
リングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの最大変位時における、無限小の環円筒状の範囲に含まれている容積を半径の関数として示す線図である。
【図６】
過剰負荷発生時におけるディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの変形、つまり伸長もしくは収縮を示す線図である。
【図７】
過剰負荷発生時におけるリングディスク形の過剰負荷ダイヤフラムの変形、つまり伸長もしくは収縮を示す線図である。

Claims

差圧検出器であって、
−センサ素子（１）が設けられており、
−それぞれ該センサ素子（１）に隣接した第１の圧力測定室（２）と第２の圧力測定室（３）とが設けられており、
−第１の分離ダイヤフラム（２１）により閉鎖された第１の受圧室（２２）が設けられており、
−第２の分離ダイヤフラム（３１）により閉鎖された第２の受圧室（３２）が設けられており、
−第１の過剰負荷室（２３）が設けられており、
−−該第１の過剰負荷室（２３）が第１の管路（２４）によって第１の受圧室（２２）に接続されており、
−−該第１の過剰負荷室（２３）が第２の管路（２５）によって第１の圧力測定室（２）に接続されており、
−第２の過剰負荷室（３３）が設けられており、
−−該第２の過剰負荷室（３３）が第３の管路（３４）によって第２の受圧室（３２）に接続されており、
−−該第２の過剰負荷室（３３）が第４の管路（３５）によって第２の圧力測定室（３）に接続されており、
−第１の受圧室（２２）と第２の受圧室（３２）と第１の過剰負荷室（２３）と第２の過剰負荷室（３３）と第１の圧力測定室（２）と第２の圧力測定室（３）と第１の管路（２４）と第２の管路（２５）と第３の管路（３４）と第４の管路（３５）とを満たす液体が存在しており、
−過剰負荷ダイヤフラム（６）が設けられており、
−−該過剰負荷ダイヤフラム（６）によって第１の過剰負荷室（２３）と第２の過剰負荷室（３３）とが互いに分離されている
形式のものにおいて、
過剰負荷ダイヤフラム（６）が、閉じられた外縁部と、閉じられた内縁部とを有していて、該外縁部と該内縁部とに沿って締付け固定されていることを特徴とする差圧検出器。
過剰負荷ダイヤフラム（６）がリングディスク形に形成されている、請求項１記載の差圧検出器。
各過剰負荷室（２３，３３）が、過剰負荷ダイヤフラム（６）と、該過剰負荷ダイヤフラム（６）に向かい合って位置するほぼ凹面状の壁とによって仕切られている、請求項１記載の差圧検出器。
前記管路のうちの１つ（２５）が、過剰負荷ダイヤフラム（６）の中心部を貫いて貫通案内されている、請求項１記載の差圧検出器。