JP4860043B2 - 圧力センサ、圧力トランスミッタおよび差圧測定における誤差補償方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
一般的な定義では、「プロセス変数」の用語は事象の物理的または化学的状態あるいはエネルギの変換を表わす。プロセス変数の例としては、圧力、温度、流量、導電率、ｐＨ、およびその他の特性を含む。「プロセス測定」の用語は、プロセス量の大きさを確定する情報の取得を表わす。圧力は基本的なプロセス変数と考えられ、流量（２つの圧力の差）、レベル（水頭圧または背圧）、さらに温度（熱システムの流体圧力）の測定のために使用される。
【０００２】
工業プロセス・トランスミッタは、検出要素により測定された変数に応答する変換器であり、その変数をその変数の関数である標準化伝送信号、例えば電気または光信号あるいは空気圧力に変換する。工業プロセス・トランスミッタは、例えば化学におけるスラリー、液、蒸気、ガス、およびパルプ、石油、ガス、薬品、食品、その他の流体処理プラントのような工業プロセスの圧力測定に使用される。工業プロセス・トランスミッタは、処理流体の近くまたは現場に配置されることが多い。工業プロセス・トランスミッタが現場に配置される場合には、過酷かつ変化する環境条件にさらされることが多く、このようなトランスミッタの設計者に難題を提供している。
【０００３】
多くの圧力トランスミッタの検出要素は、可撓性の検出ダイヤフラム（「ダイヤフラム」）と２つのコンデンサ電極を含む静電容量センサである。第１のタイプの検出要素は、導電性伸張膜であるダイヤフラムと、ダイヤフラムの各側に１つずつの２つのコンデンサ電極とを含み、導電性伸張膜は、ダイヤフラムの両側に加えられた圧力に応答して撓む。誘電体充填流体はコンデンサ極板とダイヤフラムの間に使用される。プロセス流体に接する分離ダイヤフラムに使用される充填流体は、常に刺激が強く、腐食性があり、汚れがあるかまたは汚染されている可能性のあるプロセス流体が、検出要素の部品と接触するのを防止し、またそれら部品が損傷を受けるのを防ぐ。ダイヤフラムの片側にある第１のコンデンサ電極は、導電性ダイヤフラムと結合されており、第１のコンデンサを形成する。ダイヤフラムの反対側にある第２のコンデンサ電極は、ダイヤフラムと結合されており、第２のコンデンサを形成する。各コンデンサの静電容量は、コンデンサ極板とダイヤフラムの間の距離の逆数に比例して変化する。したがって、各コンデンサの静電容量は、加えられた圧力に応答してダイヤフラムが撓むにつれて変化する。撓みの量は２つの加えられた圧力間の差、すまわち差圧に関係する。各コンデンサ極板と導電性ダイヤフラムとの間の差の静電容量が検出され、差圧に関係する標準化伝送信号を提供するために使用される。
【０００４】
特に、検出要素は、プロセス現場環境においてダイヤフラムの撓みを検出するのに適合する。静電容量Ｃとコンデンサ極板の１つ間の距離Ｘとの近似関係は、Ｃ＝εＫ／Ｘとなる。ここでεは充填流体の誘電率であり、Ｋは検出要素の形状のようないくつかの要素に依存する定数である。代表的な充填流体の誘電率εは、プロセス現場環境の変化に敏感である。一般に誘電率εは、プロセス現場環境における充填流体の典型的な温度範囲において約１５％以上変化する。２つの対向するコンデンサを持つ検出要素は、一般に、出力が誘電率の変化に無関係になるように構成されている。一般に検出要素の２つのコンデンサは、（Ｃ_１−Ｃ_２）／（Ｃ_１＋Ｃ_２）の比に関係する出力を提供する。ここでＣ_１は検出要素の第１のコンデンサの静電容量を表し、Ｃ_２は検出要素の第２のコンデンサの静電容量を表す。分子中の誘電率εは、この比の分母中の誘電率を打ち消す。したがって、この検出要素は、一般に、プロセス現場環境における充填流体の温度変化の影響を受けない。
【０００５】
容量性の検出要素の第２のタイプは既知であるが、前述の第１のタイプの検出要素とは異なり、第２のタイプの検出要素は差圧測定には適さない。その代わりに、第２のタイプの検出要素は、絶対圧力の測定に使用される。第２のタイプの検出要素は２つのコンデンサ極板を有し、そのコンデンサ極板は、ダイヤフラムの対向両側でなく、ダイヤフラムの片側に２つのコンデンサを形成している。第２のタイプのセンサは充填流体を使用しない。プロセス絶対圧力は電極の対向側にあるセンサ・ダイヤフラムに加えられる。第２のタイプのセンサは、撓まない導電性ダイヤフラムから同一距離に２つのコンデンサ電極を配置するためのセラミック基板を含む。２つのコンデンサ電極をダイヤフラムの片側の１つの平面内に配置することにより、セラミック基板の望ましくない運動を補償する。センサ出力は静電容量の差に関係する。センサは放物線状に撓むダイヤフラムの湾曲を検出し、センサ出力は、温度変化に起因して一般に発生するセラミック基板のピストン状の運動を打ち消すかまたは無視する。第２のタイプのセンサは、ダイヤフラムの電極側に充填流体を充填して使用するのには適さない、その理由は基板のピストン状の運動に対する補償は、温度変化に伴なう充填流体の誘電率の変化を補償しないからである。
【０００６】
現場プロセス環境における撓んだダイヤフラムの湾曲を検出する機能は、単にダイヤフラムの撓み量を検出する機能を超える利点を有する。理論的には、ダイヤフラムの変位はダイヤフラムの両側に加えられる圧力の差に比例する。不都合な点は、ダイヤフラムが理論通りに撓まないことである。伸張膜の固有の物理的力により、ダイヤフラムが撓んだ後に変形することが多い。この変形は「オフセット」と表現でき、ダイヤフラムのすべての縁端が曲がり、理想の間隔に比べてダイヤフラムの平端部が電極の１つにさらに接近するようになる、すなわち縁端が曲がって平坦な中心部分が電極の一方または他方の方向に突出する。オフセットは第１のタイプの検出要素においてダイヤフラムの撓みを検知するだけでは検出できない。このオフセットはプロセス圧力の不正確な測定値の原因になる。これらの不正確な測定値は、少なくとも２つの理由で補償できなかった。第１は、これら誤差の原因とそれによるダイヤフラムのオフセットの識別ができないことであった。第２は、現在利用できる検出要素とトランスミッタでは、撓みの測定においてオフセットによる湾曲を分離できず、さらにプロセス現場環境における温度変化に起因する誘電率の変化を補償できないことである。
【０００７】
発明の要約
本発明は、プロセス圧力の測定における改良した誤差補償を提供する新しい装置と方法に関する。この新しい装置と方法では、プロセス現場環境で発生するダイヤフラムのオフセットと誘電率の変化を補償できる。初期テストでは、この新しい装置と方法がプロセス圧力測定の精度を大幅に改良し、オフセット誤差の大きさを少なくとも１桁減少できることが明らかになった。
【０００８】
１つの態様では、本発明は改良した検出要素、すなわち圧力センサに関する。圧力センサは誘電体充填流体で満たされており、ダイヤフラムまわりに配置された少なくとも３つのコンデンサ電極を含む。少なくとも２つのコンデンサ電極が導電性ダイヤフラムの一方側に置かれ、そのダイヤフラムに対し特定の方法で配置される。少なくとも１つのコンデンサ電極がダイヤフラムの他方側に置かれる。例えば、センサは誘電体流体を充填された内部空洞を有するセル本体を含む。導電部分を持つ可撓性ダイヤフラムは、内部空洞を横切って伸張しており、内部空洞を２つの小さい空洞に分離する。少なくとも２つの電極が、２つの小さい空洞の第１の空洞の空洞壁に取り付けられる。電極の１つは他方の電極に比べ空洞壁の中心により近い位置にある、すなわち、電極の１つは「中心領域」にあり、他方の電極は「縁端領域」にある。２つの小さい空洞の第２の空洞には、少なくとも１つの電極が空洞壁に取り付けられる。この態様の１つの実施形態では、２つの小さい空洞の各々がそれぞれの空洞壁に取り付けられた２つの電極を含む。この実施形態では４つの容量性電極を使用する。
【０００９】
本発明の別の態様は、改良したプロセス圧力トランスミッタに関する。プロセス圧力トランスミッタは、アナログ／デジタル変換器に電気的に接続された圧力センサを含み、圧力センサの電極がアナログ／デジタル変換器に入力を提供するようになっている。アナログ／デジタル変換器の１つのタイプはデジタル変換器に対する１種の静電容量である。１つの実施形態では、電極は、直接かまたは回路要素を通して共通に接続され、アナログ／デジタル変換器に信号を提供する。この実施形態では、センサを既存のアナログ／デジタル変換器回路に接続できる。他の実施形態では、特殊設計のアナログ／デジタル変換器回路の使用を考慮する。このトランスミッタはプロセス現場環境での使用に適する。
【００１０】
本発明のさらに別の態様は、プロセス圧力センサのダイヤフラム撓みを測定する改良した方法に関する。特に、この改良した方法はオフセットとは分離したダイヤフラムの湾曲を測定し、充填流体の誘電率の変化を補償する。差圧の誤差補償された測定値は、中心領域で検出されるダイヤフラム撓み量から、縁端領域で検出されるダイヤフラム撓みの量を減算した値の関数である。１つの方法は、ダイヤフラムの各側の２つのコンデンサ電極から静電容量の変化を測定し、これらの値を組み合わせて、加えられた差圧を表す誤差補償した出力を得る。この方法は基本的変換関数を用いて実現できる。この基本的変換関数は各種の方法で実現でき、各方法はさらに特殊な変換関数を含む。この変換関数はハードウェアまたはソフトウェアにより実現できる。
【００１１】
本発明はダイヤフラムのオフセットによる誤差、すなわち「オフセット誤差」を減少させる。オフセット誤差の１つのタイプは「圧力ヒステリシス誤差」と呼ばれるものである。例えば、プロセス圧力が低い値から高い値に上方に移動するとき、センサがその経路に沿って数点において出力を提供する。しかし、プロセス圧力が高い値から低い値に下方に移動するとき、出力は同一点において異なる。１点における上方の値に移動するときの出力と下方に移動するときの出力の間の差異が、圧力ヒステリシス誤差である。理想的出力、すなわちその入力に正確に対応する出力は、多くの場合、上方に移動するときの出力と下方に移動するときの出力間のどこかにあり、実際の出力はプロセス圧力を正確に表さないことが多い。従来技術のセンサが、約０．１１％の圧力ヒステリシス誤差を含む出力を発生する可能性があるのに対して、本発明では約０．０１％未満の圧力ヒステリシス誤差の出力を提供する。本発明は、超過大圧力ゼロ復帰ヒステリシス、ゼロ・ライン圧力誤差、ゼロ温度ヒステリシス誤差などの当技術分野で既知のオフセット誤差を大幅に減少させ、また長期間ゼロ・ドリフトを改良する。
【００１２】
図面の簡単な説明
図１は、本発明により構成されたプロセス・トランスミッタを備えるプロセス測定システムを示す。
図２は、図１のプロセス・トランスミッタの組立分解図である。
図３は、図１のプロセス・トランスミッタの機能ブロック図である。
図４は、センサ・モジュールの断面と圧力センサの透視図であり、図１のトランスミッタの一部分を示す。
図５は、図４の圧力センサの側面断面図である。
図６は、図４の圧力センサの部分的組立分解図である。
図７〜９は、本発明により製作された別の圧力センサの部分的組立分解図である。
図１０は、本発明により製作された別の圧力センサの側面断面図である。
図１１〜１５は、本発明により製作されたトランスミッタ構成の概略図であり、図４の圧力センサを実現するものである。
図１６〜１８は、図４の圧力センサの動作を示す概略図である。
図１９は、図４の圧力センサの単純化した概略図である。
【００１３】
説明
以下の説明では、添付図面を参照する。図面と説明は、本発明を製作または使用、すなわち「実現する」方法についての特定の事例、すなわち「実施形態」を提供する。本発明の範囲は、特定の事例およびその他の事例を含み、ここで述べるセンサ、トランスミッタまたは方法の事例に限定されず、また、それらセンサ、トランスミッタまたは方法の特定の機能にも限定されない。プロセス圧力測定における誤差補償の方法は、センサとトランスミッタを引用して示される。しかしこれらの方法はセンサとトランスミッタと独立しており、他のセンサとトランスミッタ、または未知のセンサとトランスミッタを使用することも可能である。他の事例も考えられるが、それらが開示された事例以後に開発されたとしても、本発明の範囲内に入るものである。添付の特許請求の範囲で限定された保護される発明の精神と範囲から逸脱することなく、記載した実施形態に対し変更を加えることは可能である。
【００１４】
図１はプロセス測定システム３２の環境を全般的に示す。図１は、プロセス圧力を測定するためのプロセス測定システム３２に接続されている、加圧流体を含むプロセス管３０を示す。プロセス測定システム３２は、管３０に接続されている衝撃管３４を含む。衝撃管３４はプロセス圧力トランスミッタ３６に接続されている。オリフィス極板、ベンチュリ管、フロー・ノズルなどの主要素３３は、衝撃管３４のパイプ間のプロセス管３０の位置でプロセス流体に接触している。流体が主要素３３を通過するときに、主要素３３は流体に圧力変化を引き起こす。
【００１５】
トランスミッタ３６は、衝撃管３４を通してプロセス圧力を受け取るプロセス測定装置である。トランスミッタ３６はプロセス圧力を検出し、それをプロセス圧力の関数である標準化伝送信号に変換する。トランスミッタはまた、複数のプロセス変数を検出するか、またはプロセス制御関数を提供するように構成できる。例えば、トランスミッタ３６は一種の差圧トランスミッタである。差圧は２つの圧力値の大きさの差、例えば、トランスミッタヘの２つのプロセス圧力入力の間の差である。差圧の測定はゲージ圧力の測定を含み、その場合のトランスミッタへの基準圧力入力は大気圧である。また、差圧測定は絶対圧力の測定も含み、その場合のトランスミッタへの基準圧力入力は真空である。図１は流量測定用に構成されたトランスミッタを示す。しかし、差圧測定用のトランスミッタのその他の用途も考えられる。
【００１６】
プロセス・ループ３８はトランスミッタ３６への電力信号と双方向通信の両方を容易にし、また多数のプロセス通信プロトコルに従って構成できる。図示した例では、プロセス・ループ３８は２線ループである。２線ループは、その名称が示すように、２本の線だけを使用してトランスミッタ３６を遠隔制御室４０に電気的に接続する。２線ループを使用して、通常動作においては４〜２０ｍＡ信号を用いて、全電力と全通信をトランスミッタ３６に送りまたそれから受け取る。したがって、図示したトランスミッタ３６は「２線トランスミッタ」と呼ばれることが多い。しかし、３線および４線トランスミッタなどの他の既知の構成も考慮される。通信は４〜２０ｍＡアナログ信号と、４〜２０ｍＡ信号を用いて同時デジタル通信を提供するオープン・プロトコルのＨＡＲＴ（登録商標）（Highway Addressable Remote Transducer）デジタル通信フォーマットとを用いて実行できる。また通信は、情報分野の制御装置間のデジタル通信リンクを提供する、オープンかつ相互動作可能なプロトコルのＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバスを用いて実行できる。トランスミッタ３６は、デバイスバス、センサバス、プロフィバス（Profibus）、イーサネット（ethernet）、および世界中で使用しているその他のバスを含む、他のプロセス・プロトコルを使用するように構成できる。モデム４４または他のネットワーク・インタフェースを介するコンピュータ４２または他の情報処理システムは、トランスミッタ３６を使用して通信ができる。遠隔電圧供給源４６はトランスミッタ３６に電力を供給する。
【００１７】
図２はトランスミッタ３６の組立分解図である。衝撃管３４に接続するために、フランジ５０がセンサ・モジュール５２に取り付けられている。センサ・モジュール５２はねじ込みハウジング５３を含み、このハウジングは全溶接設計され、プロセス媒体と現場環境から内部部品を分離する。図３は、図２に相当するトランスミッタ３６のブロック図である。プロセス圧力５４はセンサ・モジュール５２に加えられる。機械的、電気的、熱的にプロセス媒体から分離されている圧力センサ５６は、プロセス圧力５４を受け、差圧を表すアナログ電気信号５８を提供する。信号５８は、センサ・モジュール電子回路６０で処理され、デジタル信号に変換される。この電子回路６０はアナログ／デジタル変換器６２とセンサ・モジュール・メモリ６４を含む。メモリ６４は、センサ・モジュールに関する特定情報と、センサ・モジュール５２に対する補正係数を含む。温度センサ６３は、周囲温度を表すアナログ信号をセンサ電子回路６０に提供する。デジタル信号はマルチ−ピン・ケーブル６６を介して出力される。図２に示すように、マルチ−ピン・ケーブル６６は、センサ・モジュール５２のキャップ７０上のカバー６８で密封される格納式テープとして実装されている。
【００１８】
電子回路ハウジング７１は、センサ・モジュール５２とループ３８を接続するトランスミッタの部品を収容している。マルチ−ピン・ケーブル６６は電子回路基板７２にプラグ接続される。図３は、電子回路基板がマイクロプロセッサ・システム７４とメモリ７６を含み、それらを利用して、デジタル信号を別の条件に適応させることを示している。デジタル／アナログ変換器７８またはデジタル通信回路８０は、アナログまたはデジタル伝送信号のどちらかを、ループ３８を介して発生および受信するために使用される、したがって「通信回路」と呼ばれることが多い。ループ３８は図２に示すように、開口８２を通しトランスミッタに接続されている。端子ブロック８４は、発生信号を直接導出するために電子回路基板７２に電気的に接続されている。電子回路ハウジング７１はセンサ・モジュール５２とＯ−リング８８を備えるキャップ８６を収容しており、現場据え付けに適する組立てトランスミッタ３６の防爆ハウジングを実現している。ハウジングは、センサ・モジュール５２と電子回路ハウジング７１内のトランスミッタ電子回路を保護する。
【００１９】
図４はセンサ・モジュール５２の断面図である。一般には流体（ガスまたは液体）の形のプロセス差圧５４は、分離ダイヤフラム９０においてセンサ・モジュール５２に加えられる。各分離ダイヤフラム９０はその分離室９２内に加えられたプロセス圧力５４に応答して撓む。分離室９２は、流体９５を充填した分離チューブ９４と連通しており、このチューブは加えられたプロセス圧力５４をセンサ５６に伝達する。センサ５６は図３にも参照符号５６で模式的に示している。分離ダイヤフラム９０は、センサ５６を腐食させるかまたは有害な、プロセス液からセンサ５６を保護するのに役立つ。センサ５６は、充填流体９５で満たされた内部空洞１００を持つセル本体９８を含む。ダイヤフラム１０２（センシング・ダイヤフラムと呼ばれることが多い）は、内部空洞１００を２つの一般に等しくかつ対向する半分の空洞に分離しており、内部空洞１００に伝達されたプロセス圧力５４に応答して撓む。撓んだダイヤフラム１０２の変位は、空洞１００の半分に分かれた２つの間の圧力の差に比例する。空洞１００に対するダイヤフラム１０２の位置が、空洞１００内のコンデンサ電極（以下に詳細に述べる）を用いて検出される。リード線１０４、１０６、１０８、１１０は開口１１１と１１３を通って延び、コンデンサ電極をセンサ電子回路６０を含む、センサ電子回路基板１１２に接続している。このように、センサ５６はプロセス差圧をアナログ電気信号に変換し、センサ電子回路６０はそのアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。
【００２０】
図５は、図４で断面を示すセンサ５６の詳細な側面図である。図６はセンサ５６の部分的組立分解透視図である。セル本体９８は、静電容量タイプの圧力センサを製作するのに使用される任意の適正な材料で製作できる。図示した例では、セル本体９８は金属ハウジング１１４を含み、そのハウジングは組立前には２つのカップ状の半分部分１１６、１１８で形成されている。カップ状の半分部分１１６、１１８は各々、金属ハウジング１１４に融解されたセラミックまたはガラスなどの固体の絶縁体１２０で充填されている。絶縁体１２０は分離チューブ９４に連通する開口１２２を備える。各開口１２２はセラミック・チューブ１２５の開口１２４に連通しており、開口１２４は絶縁体１２０を通って延び、内部空洞１００に達している。半分部分１１６、１１８の各々は機械加工され、少なくとも絶縁体１２０とチューブ１２５に凹面を形成している。セル本体９８の一部分も機械加工され、図示した例では凹面を形成しいる。この凹面は第１の半分部分１１６の第１の内部壁１２６と呼び、また第２の半分部分１１８の第２の内部壁１２８と呼ぶ。図示した例の凹面内部壁１２６、１２８は、少なくとも一部は、一般に球面である。凹面内部壁１２６、１２８は相互に対向しており、組立センサ９６内に内部空洞１００を形成し、限定している。凹面の代替の１つとして、セル本体が、２つの一般に対向する内部壁を形成する矩形のくぼみを備えることができる。
【００２１】
ダイヤフラム１０２は２つの半分部分１１６、１１８間に配置され、伸張された状態になっており、連続した溶接ビード１３０で所定位置に溶接されている。溶接ビード１３０は、半分部分１１６、１１８を一緒にして気密密封し、セル本体９８を形成する。溶接ビード１３０はまたダイヤフラム１０２を望ましい強さの張力で保持し、力を受けたときに、ダイヤフラム１０２が、第１と第２内部壁１２６、１２８の一方または他方に撓むことのできるバネ要素として作用できるようにしている。ダイヤフラム１０２の少なくとも一部は導電性材料を含む。図５と６に示した例では、ダイヤフラム１０２は薄い金属膜であり、したがってダイヤフラム１０２全体が導電性を持つ。基準の軸９９がダイヤフラム１０２の中心から垂直に、セル本体９８を貫通して延びている。
【００２２】
ダイヤフラム１０２は内部空洞１００を第１の空洞１３２と第２の空洞１３４に分離している。図示した例では、ダイヤフラム１０２と第１の内部壁１２６が第１の空洞１３２を限定している。ダイヤフラム１０２と第２の内部壁１２８が第２の空洞１３４を限定し、第２の空洞１３４は一般に第１の空洞１３２に対しダイヤフラム１０２の反対側にある。内部壁１２６、１２８は縁端領域１３６、１３８と、中心領域１４０、１４２とにそれぞれ分かれている。内部壁１２６、１２８がダイヤフラム１０２に接触する領域に近い各内部壁１２６、１２８の部分が、縁端領域１３６、１３８である。同様に、軸９９が内部壁１２６、１２８を貫通して延びる領域を含む各内部壁１２６、１２８の部分が、中心領域１４０、１４２である。各内部壁１２６、１２８の縁端部分１３６、１３８がそれぞれの中心領域１４０、１４２を囲んでいる。縁端領域１３６、１３８と中心領域１４０、１４２の面積比は変更できる。図示した例では、絶縁体１２０はダイヤフラムまで延び、内部壁１２６、１２８を形成している。他の例では、絶縁体１２０はダイヤフラム１０２まで延びておらず、各内部壁１２６、１２８がカップ状の半分部分１１６、１１８に形成される領域を含み、この領域がダイヤフラム１０２に近接している。
【００２３】
誘電体充填流体９５が、第１の空洞１３２、第２の空洞、開口１２２、分離チューブ９４、分離室９２を満たす。センサ９６の製作時に、充填流体９５がセンサ９６に注入され、分離チューブ９４内に充填される。充填流体９５はセンサ５６と適合性を持つものであり、既知の誘電体充填流体の例にはシリコン・オイル、不活性ハロゲン化炭素その他を含む。例では、両方の空洞１３２、１３４に同一タイプの充填流体９５を使用している。誘電体充填流体９５は、同等の空気充填装置に比べ本質的にセンサ９６の静電容量を増加させるが、充填流体９５の誘電率は温度と圧力の関数で変化する。一般に第１の空洞内の充填流体９５の容量は、第２の空洞１３４内の充填流体９５の容量に等しい。分離ダイヤフラム９０の１つまたは両方は可撓性または柔軟性を持つため、充填流体９５は空洞１３２、１３４内を移動し、充填流体がダイヤフラム１０２に対し力を作用させる。この力は一般に、変化するプロセス圧力５４により分離ダイヤフラム９０に加えられる力に相当する。各空洞からダイヤフラムに作用する各力の間の差により、ダイヤフラムが撓むかまたは移動する。
【００２４】
１つの事例では、分離ダイヤフラム９０の一方がそれぞれの分離室９２内でに完全に撓む前に、およびダイヤフラム１０２に著しい損傷を与える前に、ダイヤフラム１０２は内部壁１２６、１２８のどちらかに接触し、その状態を保つようになっている。この方法では、内部壁１２６、１２８は過大圧止めとして作用し、ダイヤフラム１０２を保護する。同様に、凹面内部壁１２６、１２８の球形形状は、一般にダイヤフラム１０２全体が壁１２６または１２８のどちらかに接触し、ダイヤフラム１０２を局部的な永久変形から保護する。
【００２５】
薄い金属コーティング、すなわち第１の「電極」１４４が第１の内部壁１２６に結合されている。図示した例では、第１の電極１４４は第１の内部壁１２６上に付着され、第１の内部空洞１３２内に位置する。電極を付着する方法には、スパッタリング、物理的または化学的蒸着、プラズマ蒸着、シルク・スクリーン法、または内部壁に電極を結合させる他の適性な方法を含む。説明のために、図では電極の厚さは誇張して示している。電極１４４は第１の内部壁１２６の中心領域１４０内にあり、セラミック・チューブ１２５に近接し、第１の内部空洞１２６内のダイヤフラム１０２に対向している。第１の電極１４４は絶縁体１２０に埋め込まれたリード線１０４に直接接続されており、このリード線は開口１１１内のセラミック・プラグ１０９を通して延びている。
【００２６】
第２の電極１４６も、適正な付着方法により第１の内部壁に結合されている。図示した例では、第２の電極１４６は第１の内部空洞１３２内の第１の内部壁１２６上にスパッタリングして形成されており、第１の内部空洞１３２内のダイヤフラム１０２に対向している。説明のために、図では電極の厚さは誇張して示している。第２の電極１４６は縁端領域１３６内にあるか、内部壁１２６に沿った軸９９からの第１の電極の距離に比べ、内部壁１２６に沿って軸９９からさらに離れた位置にある。電極１４４、１４６は、相互に絶縁体１２０上で間隔を空けて配置されており、またダイヤフラムからも離れている。これにより、電極は相互にまたはダイヤフラムに直接接触しない。図６に示す例では、第２の電極１４６は第１の電極１４４のまわりに広がっている。第２の電極１４６はリード線１０６に直接接続されている。このリード線１０６はリード線１０４と間隔を空けて配置されていて直接接触しておらず、また開口１１１内のセラミック・プラグ１０９を通して延びている。一酸化シリコン（図示なし）の薄い付着層または他の適正な絶縁物で電極１４４、１４６をカバーし、過大圧力状態において電極がダイヤフラム１０２に直接接触するのを防止している。
【００２７】
電極１４４、１４６、１４８、１５０は各種の構成にできる。図６では、縁端領域１３６に、第１の電極１４４を囲む第２の電極１４６が２つの半分に分かれた電極１４５、１４７で形成されていることを示している。半分の電極１４５、１４７は第１の内部壁１２６上で相互に間隔を空けて配置されているが、セル本体９８の絶縁体１２０内で直接結合され、リード線１０６に接続されている。図７〜９は、センサ５６の別の例を示す。図７では、電極１１４６は図６の電極１４６と類似であり、「第２の電極」である。電極１１４６は第１の電極１４４のまわりに部分的に広がっているだけであり、リード線１０６に接続されている。図８では、電極２１４６は「第２の電極」であり、第１の電極１４４を完全に囲むリング形状である。図９では、電極３１４６は「第２の電極」であり、縁端領域１３６内で任意の形状である。第２の電極のその他の形状または構成も考えられる。例えば、「第２の電極」は単に、第１の内部壁１２６に結合された金属被膜と同一被膜を用いて、内部空洞１００に露出して残したリード線１０６の端部であってもよい。第２の電極１４６の各種の形状は第４の電極１５０にも使用できる。同様に、第１と第３の電極１４４、１４８も各種の形状にできる。例えば、第１と第３の電極１４４、１４８はπ形または任意の形状にできる。
【００２８】
電極１４４、１４６はコンデンサ要素またはコンデンサ極板として作用し、各々は電界を介して、すなわち誘電体充填流体９５を横切る「静電容量結合」を介してダイヤフラム１０２に結合している。またダイヤフラム１０２は別のコンデンサ極板として作用し、ダイヤフラム１０２と、電極１４４または１４６のどちらかとの間の直接接続は無い。このように、第１の電極１４４とダイヤフラム１０２は第１のコンデンサを形成し、第２の電極１４６とダイヤフラム１０２は第２のコンデンサを形成する。「コンデンサ」の用語は、「コンデンサ極板」（ダイヤフラムを含む）が常時充電されていなくても、その構造を表すのに使用される。したがって、例えば、第１の電極１４４とダイヤフラム１０２は、それらが充電されていない場合にも、「静電容量結合」していると考える。ダイヤフラム１０２は、第１と第２のコンデンサの両方に共通のコンデンサ極板として作用する。電極１４４、１４６は移動可能なダイヤフラム１０２に対し固定されている、したがって第１と第２のコンデンサは「可変コンデンサ」である。各可変コンデンサの静電容量は、ダイヤフラムが撓むときに変化する。特に、コンデンサの静電容量は一般に、コンデンサのコンデンサ極板間の距離の逆数に比例する。
【００２９】
動作中は、センサ電子回路６０はダイヤフラム１０２を充電するための信号を供給する。ダイヤフラム１０２が加えられたプロセス圧力に応答して内部空洞１００内で撓むとき、ダイヤフラムと各電極１４４、１４６間の距離が変化する。これにより、各コンデンサの静電容量変化が発生し、それがプロセス圧力５４の関数となる。リード線１０４、１０６とダイヤフラム１０２は、センサ電子回路基板１１２に各々直接に接続されている。電極１４４とリード線１０４上の電荷は第１のコンデンサの静電容量の関数であり、電極１４６とリード線１０６上の電荷は第２のコンデンサの静電容量の関数である。センサ電子回路６０は可変静電容量を測定し、その値を使用して加えられたプロセス圧力を求める。
【００３０】
第３の電極１４８は第２の内部壁１２８に結合され、第２の空洞１３４内に配置されている。電極１４８を結合する１つの方法は、スパッタリングである。説明のため、図では電極の厚さは誇張して示している。第３の電極１４８は第２の内部壁１２８の中心領域１４２内にあり、さらに第２の内部空洞１２８内のダイヤフラム１０２に対向しており、第１の電極１４４のサイズと形状と類似であり、第１の内部空洞１００内の第１の電極に対向して配置されている。第３の電極１４８はダイヤフラム１０２に対し固定されており、第３の電極１４８と可撓性ダイヤフラムは第３の可変コンデンサを形成する。第３の電極１４８は絶縁体１２０に埋め込まれたリード線１０８に直接接続されており、このリード線は開口１１３内のセラミック・プラグ１１５を通して延びている。
【００３１】
第４の電極１５０は、第２の内部壁１２８の縁端領域１３８で第２の空洞１３４内の第２の内部壁１２８に結合されている。第４の電極１５０を結合する１つの方法は、スパッタリングである。説明のため、図では電極の厚さは誇張して示している。第４の電極１５０は、第２の内部空洞１３４内のダイヤフラム１０２に対向しており、第２の電極１４６のサイズと形状と類似であり、第１の内部空洞１００内の第２の電極１４６に対向して配置されている。電極１４８、１５０は絶縁体１２０上で相互に間隔を空けて配置されており、またダイヤフラム１０２からも離れており、その結果電極１４８と１５０は相互に、またはダイヤフラム１０２に直接接触していない。第４の電極１５０はリード線１１０に直接接続されている。このリード線１１０はリード線１０８と間隔を空けて配置されていて直接接触しておらず、また開口１１３内のセラミック・プラグ１１５を通して延びている。代替方法では、第４の電極１５０は単に空洞１２８に露出しているリード線１１０の端部であってもよい。
【００３２】
第３および第４の電極の１４８と１５０は各々、別個のコンデンサに対するコンデンサ極板としての役割を果たす。第３の電極１４８はダイヤフラム１０２に静電容量結合しており、第３の可変コンデンサを形成する。第４の電極１５０はダイヤフラム１０２に静電容量結合しており、第４の可変コンデンサを形成する。第３および第４のコンデンサは第１および第２のコンデンサと同様にして、セルの第２の半分部分１１８に形成される。第１の内部壁１２６上の電極１４４、１４６と、第２の内部壁１２８上の電極１４８、１５０との間には対称性がなくてもよい。図１０の例は、第４の電極と対応するリード線を含まない、したがって第４のコンデンサも含まない。この構成の第３の電極１４８は第２の内部壁１２８上のどの位置にも配置できるが、例では、第３の電極１４８は第１の電極１４４に対向している。
【００３３】
図４は電子回路基板１１２に接続されているリード線１０４、１０６、１０８、１１０を示す。図３は、センサ５６が静電容量デジタル変換器のようなアナログ／デジタル変換器６２に接続されていることを示す。アナログ／デジタル変換器６２は、図２と３に関して前に述べたように、トランスミッタ３６内の他の電子回路、すなわち「トランスミッタ電子回路」に接続されている。各種のアナログ／デジタル変換器が既知であり、それらはアナログ入力をデジタル出力に変換し、プロセス圧力トランスミッタ３６における使用に適合する。１つのタイプのアナログ／デジタル変換器６２は、記号ΣΔで知られているシグマ・デルタである。シグマ／デルタ回路と他のタイプのアナログ／デジタル変換器を区別する１つの特徴は、シグマ／デルタ変換器が積分回路に接続しているクロック動作コントローラにより制御された極性を持つ平衡電流を提供することである。アナログ／デジタル変換器６２はシグマ・デルダ回路を含み、特定用途向け集積回路を実現できる。１つの例では、特定用途向け集積回路はセンサ電子回路基板１１２上に、センサ５６に近接した位置にある。しかし、特定用途向け集積回路はトランスミッタ３６の防爆形ハウジング内に配置できる。特定用途向け集積回路は、必要または希望に応じて、他の回路要素を含み、シグマ／デルタ回路の機能に加えて追加機能を提供できる。このような機能の１つは、センサコンデンサの静電容量を決定すること、およびプロセス圧力の関数である出力を提供することである。
【００３４】
図１１〜１４には、アナログ／デジタル変換器６２に接続されたセンサ５６のいくつかの例を示す。図示した例の各々では、リード線１０４、１０６、１０８、１１０、したがって電極１４４、１４６、１４８、１５０はアナログ／デジタル変換器６２に接続されており、図１１の特定用途向け集積回路１５１および図１２〜１４の回路１５２として実現され、出力１４８を提供する。図１１の回路１５１は、回路１５２と追加回路要素または電気接続を含む。特定用途向け集積回路１５２は当技術分野では既知であり、関連技術のセンサに対して使用できる。回路１５２は、ミネソタ州、エデン プレイリー（Eden Prairie）のローズマウント インコーポレイテッド（Rosemount Inc.)で製造販売されているモデル ３０５１Ｃプロセス圧力トランスミッタ内で使用されている。図１２〜１４の回路１５２は、ダイヤフラム１０２に電気的に接続されてダイヤフラムを充電し、内部空洞１００内に電界を発生させるためのセンサ励起出力１５５を含む。回路１５２はまた静電容量ｈｉｇｈ入力１５３と静電容量ｌｏｗ入力１５４とを含み、それらは電極１４４〜１５０および線形化コンデンサ励起端子１５６に電気的に接続されている。
【００３５】
図１２と１３は、内部空洞１００の外側において第１のノード１６１で電気的に共通に接続された第１および第４の電極１４４、１５０と、内部空洞１００の外側において第２のノード１６２で電気的に共通に接続された第２および第３の電極１４６、１４８とを示す。第１および第２のノード１６１、１６２は回路１５２に電気的に接続されている。特に、第１のノード１６１は静電容量ｈｉｇｈ入力１５３に電気的に接続され、また第２のノード１６２は静電容量のｌｏｗ入力１５４に電気的に接続されている。線形化コンデンサ１５７、１５８はノード１６１、１６２それぞれと、端子１５６に提供されるノード１５９間に接続されている。図１２はリード線１０４と１１０を示しており、それらは合わせて結合され、ノード１６１を形成している。また共通に結合されたリード線１０６、１０８はノード１６２を形成している。図１３では、第１の調整コンデンサ１６５が第４の電極１５０と第１のノード１６１間に電気的に接続されている。また、第２の調整コンデンサ１６７が第２の電極１４６と第２のノード１６２間に電気的に接続されている。
【００３６】
図１４は、内部空洞１００の外側において第３のノード１６３で電気的に共通に接続された第１および第２の電極１４４、１４６と、内部空洞１００の外側において第４のノード１６４で電気的に共通に接続された第３および第４の電極１４８、１５０とを示す。第１の反転電荷増幅器１６６は第２の電極１４６に電気的に接続され、その出力は第３のノード１６３に提供される。第２の反転電荷増幅器１６８は第４の電極１５０に電気的に接続され、その出力は第４のノード１６４に提供される。反転電荷増幅器は当技術分野では既知であり、一般に増幅と電荷信号の極性の反転の機能により定義される。第３のノードおよび第４のノード１６３、１６４は静電容量ｈｉｇｈ入力およびｌｏｗ入力１５３、１５４にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３７】
図１２〜１４では、センサの外側の回路要素とノードも特定用途向け集積回路１５２から分離していることを示している。これらの回路要素はセンサ電子回路基板１１２上に配置され、基板１１２上の回路１５２にも接続されている。図１１は一例を示し、この例では、特定用途向け集積回路１５１が回路１５２と、図１２〜１４に示す実施形態のすべてを１つの超小型電子チップとして実現できるようなモノリシック形の追加回路要素とを含む。回路１５１はまた、特定用途に適するように他の回路要素を含むことができる。リード線１０４、１０６、１０８、１１０は、回路１５１の入力１７０、１７２、１７４、１７６に直接的に接続されている。回路１５１は、図１２と１３に示すノードとコンデンサをそれぞれ含むか、または図１４に示す反転電荷増幅器を含む。
【００３８】
図１５は、入力１８０、１８２、１８４、１８６で特定用途向け集積回路１７８に接続されたセンサのリード線１０４、１０６、１０８、１１０を示す。回路１７８はまた、回路１５１と１５２に類似の、センサ励起出力１８１と回路出力１８３を含む。回路１５１と異なり、回路１７８は、回路１５２に示すものと異なる特定のシグマ／デルタ変換器を使用している。
【００３９】
図５では、ダイヤフラム１０２は、第１および第２の空洞１３２、１３４に加えられた等しい圧力を表すときに、直線および平坦で示されている。空洞１３２と１３４の間に圧力差が存在する場合、例えば、空洞１３４の圧力が空洞１３２の圧力より高い場合、図１６に示すように、ダイヤフラムは最初の位置から撓む。説明のため、電極の厚さは誇張して示している。理想的には、撓んだダイヤフラム１０２の形状は、図１６に示すように、放物線を描く。撓んだダイヤフラムの理想的放物線形状は、一般に第１の内部壁１２６の球形輪郭に一致する（同様に、圧力が逆の場合、撓んだダイヤフラムの形状は、一般に第２の内部壁１２８の輪郭に一致する）。第１の内部壁の輪郭の割合としてのダイヤフラムの理想的撓みは、一般にダイヤフラムの全位置で同一である。可変静電容量の変化割合も、この例では第１の内部壁１２６方向へのダイヤフラムの撓みと同一である。したがって、第１および第２のコンデンサは、第１の内部壁１２６方向へのダイヤフラムの撓みと同一の静電容量の変化割合を示すはずであり、この静電容量は加えられたプロセス圧力に関係する。
【００４０】
しかしダイヤフラム１０２はこのような理想的放物線状に撓まない。実際には、ダイヤフラム１０２はオフセットを持ち、最初に撓んだ後は平坦になる。例えば図１７は、空洞１３２、１３４の両方の圧力が等しいときのダイヤフラムの変形を示す。理想的にはダイヤフラムが全体に平坦になるべきとき、ダイヤフラム１０２は一方または他方の空洞方向に突出する。図１７と１８に示すオフセットの量は、単に説明のために示しただけであり、実際の変形量を誇張している。一般に、このオフセットは、ダイヤフラム１０２が第１および第２の内部壁１２６、１２８に物理的に接触する領域１５２で発生する縁端の曲げモーメントに起因する。縁端の曲げモーメントは縁端の摩擦モーメントと降伏または潜動モーメントを含む。説明のため、ダイヤフラムに沿った曲げ量は誇張して示している。例えば、実際のセンサ９６の電極１４４、１４６、１４８、１５０のすべては、オフセットのあるダイヤフラム１０２の平端部に対向している。図１８は、空洞１３４内の圧力が空洞１３２内の圧力より高いときの、ダイヤフラム変形を示す。ダイヤフラム１０２は放物線状に撓むが、オフセット状態から片寄り、したがってオフセット成分を含む。ダイヤフラムの撓み量は、縁端モーメントの結果と同様に、ダイヤフラムのオフセット量に追加された差圧の結果として放物線状の撓みになる。
【００４１】
誤差補償のプロセスを、センサ５６の簡単化した概略図である図１９に関して説明する。誤差補償は選択した位置、または基準平面からのダイヤフラムの撓みの２つの距離を測定することで始まり、他方の距離から一方の距離を差し引いて、誤差補正出力に比例する値を得る。例えば、選択した位置は、静止した理想的なダイヤフラムを表す基準平面１９０にできる。この例では、ダイヤフラムは、一般に第１の内部壁１２６の中心領域１９２に対向する中心領域１４０と、一般に第１の内部壁１２６の縁端領域１３６に対向する縁端領域１９４とを含む。第１の距離Ｘ_１はダイヤフラム中心領域１９２と平面１９０との距離である。第２の距離Ｘ_２はダイヤフラム縁端領域１９４と平面１９０との距離である。第１の距離Ｘ_１から第２の距離Ｘ_２を差し引いて、差圧測定の誤差補正出力値に比例する値、すなわちＲを求める。明確に表現すると、Ｒ＝Ｋ（Ｘ_１−Ｘ_２）となる。
【００４２】
値Ｋは１または特定の他の定数である。値Ｋは典型的には出力の拡大縮小のために使用され、（−１）あるいは（１）に等しいか、またはその間にされることが多い。１つの例では、Ｋは内部壁の中心領域１４０と平面１９０との距離Ｘ_０１と、内部壁の縁端領域１３６と平面１９０との距離Ｘ_０２とを加算して求められる値の逆数に等しい。明確に表現すると、Ｋ＝１／（Ｘ_０１＋Ｘ_０２）となる。センサ９６の実現においては、Ｘ_０１は中心電極１４４、１４８間の距離を測定し、それを２で割ることにより得られる。センサ９６の実現においては、Ｘ_０２は縁端電極１４６、１５０間の距離を測定し、それを２で割ることにより得られる。したがって、以下のようになる。
Ｒ＝（Ｘ_０１−Ｘ_０２）／（Ｘ_０１＋Ｘ_０２）
内部壁が曲面の場合、Ｘ_０１はＸ_０２に等しくならない。この変換関数は誘電体充填流体を有する各種のセンサで実現して、ダイヤフラム変形と充填流体の誘電率の変化を補償できるようにする。この変換関数の実現に適するセンサは、図５の４−電極のセンサである。図１０の３−電極のセンサで実現される変換関数では、Ｘ_０２の値が存在しない。したがって、Ｋ＝１／Ｘ_０１となる。これより、以下のようになる。
Ｒ＝（Ｘ_１−Ｘ_２）／Ｘ_０１
計算および出力は、前述の特定用途向け集積回路の他にも各種の信号処理装置のどれによっても提供できる。
【００４３】
プロセス圧力の測定における誤差補償出力を提供するための、図２のトランスミッタで使用される変換関数の基本形は、センサ５６により提供される４つの静電容量測定値を使用する。第１のコンデンサの静電容量は第１の電極１４４の電気信号に関係し、第１の静電容量すなわちＣ_１で表される。第２のコンデンサの静電容量は第２の電極１４６の電気信号に関係し、第２の静電容量すなわちＣ_２で表される。第３のコンデンサの静電容量は第３の電極１４８の電気信号に関係し、第３の静電容量すなわちＣ_３で表される。第４のコンデンサの静電容量は第４の電極１５０の電気信号に関係し、第４の静電容量すなわちＣ_４で表される。
【００４４】
基本変換関数の出力Ｒは、ダイヤフラム変形に対し補償された差圧測定値を表す。基本変換関数の１つの数式は式Ａで示される。
［Ａ］ Ｒ＝（（Ｃ_１−Ｃ_３）−（Ｃ_２−Ｃ_４））／（（Ｃ_１＋Ｃ_３）−（Ｃ_２＋Ｃ_４））
式Ａでは、第２の静電容量Ｃ_２から第４の静電容量Ｃ_４を引いて、第１の差（Ｃ_２−Ｃ_４）を得る。また第１の静電容量Ｃ_１から第３の静電容量Ｃ_３を引いて、第２の差（Ｃ_１−Ｃ_３）を得る。第２の差から第１差を引いて分子を得る。分母は第１と第３の静電容量の第２の和（Ｃ_１＋Ｃ_３）から、第２と第４の静電容量の第１の和（Ｃ_２＋Ｃ_４）を引いた値を含む。分子を分母で割って、出力Ｒを得る。このステップは別の順序でも実行可能であり、または数ステップを同時に実行することも可能である。
【００４５】
式Ａの基本変換関数は、図１９に関して前に述べた、撓みの距離を基にした誤差補償に関係する。縁端電極の静電容量と中心電極の静電容量の比を選択して、センサ性能を改良する。例えば、Ｘ_０１／Ｘ_０２＝（Ｃ_２＋Ｃ_４）／（Ｃ_１＋Ｃ_３）、またはＣ_２／Ｃ_１＝Ｃ_４／Ｃ_３＝Ｘ_０１／Ｘ_０２の場合は、Ｒ＝（Ｘ_１−Ｘ_２）／（Ｘ_０１＋Ｘ_０２）となる。実際に、この式は縁端領域の電極、すなわち、電極１４６、１５０のサイズが、リングまたは部分的リング構成の場合に極めて小さいか、または薄いことを示す。これを達成するための別の方法は、それぞれの電気信号に関係する４つの静電容量のいくつかまたはすべてを、増幅、減衰、または２つを組み合わせた後に、変換関数を使用して静電容量を操作する方法である。減衰は増幅でもある。具体的には、減衰は、１より小さいゲインでの増幅である。したがって、電極１４４、１４６、１４８、１５０の各々に実際に存在する「生の」電気信号を選択下ゲインで増幅し、変換関数を実現するための適正な４つの静電容量を表す電気信号を提供できる。図５のセンサでは、電極１４６と１５０からの生の電気信号を１より小さいゲインで増幅し、変換関数に使用する信号を提供している。
【００４６】
図１４は基本変換関数の１つの実施例を示す。回路１５２は静電容量ｈｉｇｈとｌｏｗ入力１５３、１５４で静電容量を表す２つの入力を受け取る、これらの静電容量は省略して、Ｃ_ＨとＣ_Ｌで示す。回路１５２は入力を受け取り、式Ｂで表される出力Ｒ_１を提供する。
［Ｂ］ Ｒ_１＝（Ｃ_Ｌ−Ｃ_Ｈ）／（Ｃ_Ｈ＋Ｃ_Ｌ）
入力１５３は（Ｃ_１−Ｃ_２）に等しい信号Ｃ_Ｌを受け取り、入力１５４は（Ｃ_３−Ｃ_４）に等しい信号Ｃ_Ｈを受け取る。したがって、回路１５２の出力は式Ｃで表される。
［Ｃ］ Ｒ_１＝（（Ｃ_１−Ｃ_２）−（Ｃ_３−Ｃ_４））／（（Ｃ_１−Ｃ_２）＋（Ｃ_３−Ｃ_４））
センサ９６の静電容量測定値に浮遊容量が混入していることが多い。結果的に、式Ａの各静電容量の項は、電極とダイヤフラム１０２の間の静電容量を表す主静電容量値の項と、浮遊容量とを含む可能性がある。例えば、第１の静電容量は第１の主静電容量と第１の浮遊容量とを含む可能性があり、Ｃ_１＝（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）となる。同様に、Ｃ_２＝（Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ）、Ｃ_３＝（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）、Ｃ_４＝（Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ）となる。
【００４７】
図１４の実施例では、浮遊容量の影響を考慮している。反転電荷増幅器１６６、１６８のゲインが（−１）に設定されているとき、Ｃ_１Ｓ＝Ｃ_２Ｓ＝Ｃ_３Ｓ＝Ｃ_４Ｓの場合は、図１４の実施例の変換関数は浮遊容量に無関係になる。しかし、一般には、第１の反転電荷増幅器１６６はＣ_２の極性を反転し、その結果をゲインＡ_１倍する。また第２の反転電荷増幅器１６８はＣ_４の極性を反転し、その結果をゲインＡ_２倍する。したがって、図１４の構成の出力の式は、基本変換関数と一致し、以下のようになる。
Ｒ_１＝（（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）−Ａ_１（Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ））−（（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）−Ａ_２（Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ））／（（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）−Ａ_１（Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ））＋（（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）−Ａ_２（Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ））
望ましい補償はゲインＡ_１とＡ_２を調整することにより得られる。浮遊容量の影響はセンサの最適設計により減少でき、ゲインＡ_１とＡ_２は相互に独立して調整し、物理的対称性の不足をすべて補償できる。
【００４８】
図１２と１３は基本変換関数の別の実施例の２つの例を示す。基本変換関数の数式は式Ｄで示される。
［Ｄ］ Ｒ＝（（Ｃ_１＋Ｃ_４）−（Ｃ_２＋Ｃ_３））／（（Ｃ_１＋Ｃ_４）＋（Ｃ_２＋Ｃ_３））
式Ｄは式Ａの表現と一致する。式Ｄでは、第１の静電容量Ｃ_１に第４の静電容量Ｃ_４を加えて第１の和（Ｃ_１＋Ｃ_４）を得ている。また第２の静電容量Ｃ_２に第３の静電容量Ｃ_３を加えて第２の和（Ｃ_２＋Ｃ_３）を得ている。第１の和に第２の和を加えて分母を得ており、第１の和から第２の和を引いて分子を得ている。分子を分母で割って出力Ｒを得る。
【００４９】
図１２の例に対する変換関数の実施例には、追加の静電容量が含まれている。この実施例では浮遊容量の影響を受け易い。センサの１つの設計においては、４つの浮遊容量は相互に等しい。別の設計では、浮遊容量は実質的に無視できる。この例には２つの線形化コンデンサ１５７、１５８も含んでおり、それらは、変換関数に影響を与える線形化静電容量Ｃ_Ｌ１とＣ_Ｌ２をそれぞれ発生させる。したがって、図１２の構成の、線形化静電容量と浮遊容量を考慮に入れた出力Ｒ_２の式は以下のようになる。
Ｒ_２＝（（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）＋（Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ）−Ｃ_Ｌ１）−（（Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ）＋（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）−Ｃ_Ｌ２）／（（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）＋（Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ）−Ｃ_Ｌ１）＋（（Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ）＋（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）−Ｃ_Ｌ２）
式Ｄにおいて第１の静電容量Ｃ_１と第４の静電容量Ｃ_４を加算するステップは、第１または第４の静電容量からの第１の線形化コンデンサ１５７の電気信号に関係する第１の線形化静電容量Ｃ_Ｌ１の減算を含み、それにより第１の和を得ている。また式Ｄにおいて第３の静電容量Ｃ_３と第２の静電容量Ｃ_２を加算するステップは、第２または第３の静電容量からの第２の線形化コンデンサ１５８の電気信号に関係する第２の線形化静電容量Ｃ_Ｌ２の減算を含み、それにより第２の和を得ている。
【００５０】
図１３の例に対する変換関数の実施例にはさらに追加の静電容量を含む。この例には２つの調整コンデンサ１６５、１６７を含みそれらは、変換関数に影響を与える静電容量Ｃ_Ａ１とＣ_Ａ２をそれぞれ発生する。したがって、この構成の出力Ｒ_３の数式は式Ｅになる。
［Ｅ］
Ｒ_３＝（（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）＋（Ｃ_４Ｅ）−Ｃ_Ｌ１）−（（Ｃ_２Ｅ）＋（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）−Ｃ_Ｌ２）／（（Ｃ_１Ｍ＋Ｃ_１Ｓ）＋（Ｃ_４Ｅ）−Ｃ_Ｌ１）＋（（Ｃ_２Ｅ）＋（Ｃ_３Ｍ＋Ｃ_３Ｓ）−Ｃ_Ｌ２）
式Ｄの第２の静電容量Ｃ_２は、式Ｅの第２の実効静電容量Ｃ_２Ｅになり、以下のように表される。
Ｃ_２Ｅ＝Ｃ_Ａ２（Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ）／（Ｃ_Ａ２＋Ｃ_２Ｍ＋Ｃ_２Ｓ）
第２の実効静電容量Ｃ_２Ｅは、第２の調整静電容量Ｃ_Ａ２に第２の主静電容量Ｃ_２Ｍと第２の浮遊容量Ｃ_２Ｓの和を乗算し、それを第２の調整静電容量Ｃ_Ａ２、第２の主静電容量Ｃ_２Ｍおよび第２の浮遊容量Ｃ_２Ｓの和で除算したものになる。
【００５１】
式Ｄの第４の静電容量Ｃ_４は、式Ｅの第４の実効静電容量Ｃ_４Ｅになり、以下のように表される。
Ｃ_４Ｅ＝Ｃ_Ａ１（Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ）／（Ｃ_Ａ１＋Ｃ_４Ｍ＋Ｃ_４Ｓ）
第４の実効静電容量Ｃ_４Ｅは、第１の調整静電容量Ｃ_Ａ１に第４の主静電容量Ｃ_４Ｍと第４の浮遊容量Ｃ_４Ｓの和を乗算し、それを第１の調整静電容量Ｃ_Ａ１、第４の主静電容量Ｃ_４Ｍおよび第４の浮遊容量Ｃ_４Ｓの和で除算したものになる。
【００５２】
式Ａは多くの形式で実現できる。例えば、図１５の回路１７８は、リード線１０４、１０６、１０８、１１０から４つの静電容量に関係する電気信号を受け取る。次に、回路１７８はその信号を処理して、式Ａに示した基本変換関数に一致する出力を発生する。
【００５３】
前述のように、式 Ｒ＝（Ｘ_１−Ｘ_２）／Ｘ_０１は、図１０のセンサと同様に、３つのコンデンサを持つセンサを用いて実現される。第１のコンデンサの静電容量は第１の電極１４４の電気信号に関係し、第１の静電容量、すなわちＣ_１として示されている。第２のコンデンサの静電容量は第２の電極１４６の電気信号に関係し、第２の静電容量、すなわちＣ_２として示されている。第３のコンデンサの静電容量は第３の電極１４８の電気信号に関係し、第３の静電容量、すなわちＣ_３として示されている。
【００５４】
このセンサを使用する変換関数の出力Ｒは、以下のようになる。
Ｒ＝（Ｃ_１−Ｃ_３−ＡＣ_１Ｃ_３／Ｃ_２ ）／Ｃ_１＋Ｃ_３＋Ｂ
この式において、第１の静電容量Ｃ_１には第３の静電容量Ｃ_３と第１の定数Ａを乗算し、第１の値（ＡＣ_１Ｃ_３）を得る。第１の値を第２の静電容量Ｃ_２で除算して、第２の値（ＡＣ_１Ｃ_３／Ｃ２）を得る。第３の静電容量Ｃ_３から第２の値を引いて、第４の値を得る。さらに第１の静電容量Ｃ_１から第４の値を引いて分子を求める。分子を、第１の静電容量Ｃ_１、第３の静電容量Ｃ_３および第２の定数Ｂの和で除算する。定数ＡとＢは、Ｒ＝（Ｘ_１−Ｘ_２）／Ｘ_０１となるように選択される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により構成されたプロセス・トランスミッタを備えるプロセス測定システムを示す。
【図３】 図１のプロセス・トランスミッタの機能ブロック図である。
【図１２】 本発明により製作されたトランスミッタ構成の概略図であり、図４の圧力センサを実現するものである。
【図１３】 本発明により製作されたトランスミッタ構成の概略図であり、図４の圧力センサを実現するものである。
【図１４】 本発明により製作されたトランスミッタ構成の概略図であり、図４の圧力センサを実現するものである。
【符号の説明】
３０……プロセス管、３２……プロセス測定システム、３３……主要素、３４……衝撃管、３６……プロセス圧力トランスミッタ、３８……プロセス・ループ、４０……遠隔制御室、４２……コンピュータ、４４……モデム、４６……遠隔電圧供給源

Claims (22)

1. 圧力トランスミッタにおいて、
   第１の内部壁とその第１の内部壁に対向する第２の内部壁とを有し、前記第１および第２の内部壁が内部空洞を限定するセル本体と、前記第１および第２の内部壁間の前記セル本体に結合され、前記内部空洞を第１の空洞と第２の空洞に分離している、導電性部分を有する可撓性ダイヤフラムを備えた圧力センサであって、
   前記第１の空洞は、前記第１の内部壁と前記可撓性ダイヤフラムによって限定され、前記第２の空洞は、前記第１の空洞に対向し、かつ前記第２の内部壁と前記可撓性ダイヤフラムで限定され、
   前記第１および第２の空洞の各々は、誘電体充填流体を含み、該誘電体充填流体の各々は、圧力を受けて前記可撓性ダイヤフラム上に対応する力を作用させ、前記可撓性ダイヤフラムは、前記第１および第２の空洞内の誘電体充填流体により受けた圧力の差に応答して撓み、
   前記第１の内部壁が縁端領域と中心領域を含み、該縁端領域が中心領域を囲んでおり、
   前記第１の空洞内で、前記第１の内部壁の前記中心領域内に結合され、前記可撓性ダイヤフラムの前記導電性部分に対向し、該導電性部分に静電容量結合して第１の可変コンデンサを形成する第１の電極と、
   前記第１の空洞内で、前記第１の内部壁の前記縁端領域内に結合され、前記可撓性ダイヤフラムの前記導電性部分に対向し、該導電性部分に静電容量結合して第２の可変コンデンサを形成する第２の電極と、
   前記第２の内部壁が縁端領域と中心領域を含み、該縁端領域が中心領域を囲んでおり、
   前記第２の空洞内で、前記第２の内部壁の前記中心領域内に結合され、前記可撓性ダイヤフラムの前記導電性部分に静電容量結合して第３の可変コンデンサを形成する第３の電極と、
   前記第２の空洞内で、前記第２の内部壁の前記縁端領域内に結合され、前記可撓性ダイヤフラムの前記導電性部分に対向し、該導電性部分に静電容量結合して第４の可変コンデンサを形成する第４の電極を備えた圧力センサと、
   前記圧力センサからの信号を処理して、前記可撓性ダイヤフラムが前記第１および第２の空洞内の誘電体充填流体により受けた差圧を表す信号を出力する信号処理手段を備え、
   前記信号処理手段は、少なくとも前記可撓性ダイヤフラムのオフセットに起因する誤差が補正された補正済み差圧測定値を、前記第１、第３の可変コンデンサの少なくとも一方の静電容量と前記第２、第４の可変コンデンサの少なくとも一方の静電容量に基づいて算出して差圧を表す信号として出力する、圧力トランスミッタ。
2. 前記セル本体が前記第１の内部壁を有する第１の半分部分と、前記第２の内部壁を有する第２の半分部分とから形成されており、前記可撓性ダイヤフラムがセルの前記第１および第２の半分部分の間に伸張されている、請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
3. 前記可撓性ダイヤフラムが前記セル本体に接触し、かつ前記第１および第２の内部壁に近接している、請求項２に記載の圧力トランスミッタ。
4. 前記第１および第２の内部壁の一部が絶縁材料で形成されている、請求項２に記載の圧力トランスミッタ。
5. 前記第１ないし第４の電極が第１および第２の内部壁の前記絶縁材料上にスパッタリングによって形成されている、請求項４に記載の圧力トランスミッタ。
6. 前記可撓性ダイヤフラムが薄い金属膜であり、前記導電性部分が前記可撓性ダイヤフラム全体を含んでいる、請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
7. 前記誘電体充填流体がシリコン・オイルである、請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
8. 前記第１および第２の内部壁が球面状である、請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
9. 前記球面状の内部壁が過大圧力止めを備え、圧力差の下で前記可撓性ダイヤフラムが過大に撓むのを防止している、請求項８に記載の圧力トランスミッタ。
10. 前記可撓性ダイヤフラムの中心から垂直に延びる軸が前記第１および第２の内部壁の前記中心領域を通って延びている、請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
11. 前記第１の電極から前記軸までの第１の内部壁に沿った第１の距離が、前記第２の電極から前記軸までの内部壁に沿った第２の距離に比べて短い、請求項１０に記載の圧力トランスミッタ。
12. 前記第１の電極がほぼ円であり、かつ前記第１の内部壁上に前記軸に一致する中心を有し、前記第２の電極が少なくとも部分的にリング状に、前記第１の電極まわりに配置されている、請求項１０に記載の圧力トランスミッタ。
13. 前記第２の電極が完全なリングである、請求項１２に記載の圧力トランスミッタ。
14. 前記第３の電極がほぼ円であり、かつ前記第２の内部壁上に前記軸に一致する中心を有し、前記第４の電極が少なくとも部分的にリング状に、前記第３の電極まわりに配置されている、請求項１０に記載の圧力トランスミッタ。
15. 前記信号処理手段は、アナログ／デジタル変換器を備える、請求項１に記載の圧力トランスミッタ。
16. 前記第１および第４の電極が前記セル本体の外部の第１のノードに電気的に共通に接続され、前記第２および第３の電極が前記セル本体の外部の第２のノードに電気的に共通に接続されている、請求項１５に記載の圧力トランスミッタ。
17. 前記第１および第２のノードが前記アナログ／デジタル変換器に電気的に接続されている、請求項１６に記載の圧力トランスミッタ。
18. 前記第１および第２のノードが前記アナログ／デジタル変換器内にある、請求項１６に記載の圧力トランスミッタ。
19. 第５コンデンサが前記第４の電極と前記第１のノード間に電気的に接続され、第６コンデンサが前記第２の電極と前記第２のノード間に電気的に接続されている、請求項１６に記載の圧力トランスミッタ。
20. 前記第２の電極が前記セル本体の外部で第１の反転電荷増幅器に電気的に接続され、その第１の反転電荷増幅器が第３のノードで前記第１の電極に電気的に接続されており、さらに、前記第４の電極が前記セル本体の外部で第２の反転電荷増幅器に電気的に接続され、その第２の反転電荷増幅器が第４のノードで前記第３の電極に電気的に接続されている、請求項１５に記載の圧力トランスミッタ。
21. 前記第３および第４のノードが前記アナログ／デジタル変換器に電気的に接続されている、請求項２０に記載の圧力トランスミッタ。
22. 前記反転電荷増幅器が前記アナログ／デジタル変換器内にある、請求項２０に記載の圧力トランスミッタ。

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