專利名稱：用于海底應(yīng)用的壓力傳感器模塊的制作方法
用于海底應(yīng)用的壓力傳感器模塊
背景技術(shù)：
變送器一般地包括響應(yīng)于過程變量的換能器或傳感器。過程變量一般是指物質(zhì)的物理或化學(xué)狀態(tài)或能量的轉(zhuǎn)換。過程變量的示例包括壓力、溫度、流量、傳導(dǎo)率、PH值和其它屬性。壓力被認(rèn)為是基本過程變量，其可以用于測量流量、液位和均勻溫度。壓力變送器常用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，以測量和監(jiān)視在各種工業(yè)過程流體中的壓力，如泥漿、液體、蒸汽和化學(xué)氣體、紙漿、石油、天然氣、制藥、食品和其他流體類型加工廠。壓差變送器一般包括一對(duì)過程流體壓力輸入端，該對(duì)過程流體壓力輸入端可操作地連接到響應(yīng)于兩個(gè)輸入端之間的壓力差的壓差傳感器(變送器內(nèi))。壓差變送器通常包括一對(duì)隔離膜片，該對(duì)隔離膜片被定位在過程流體入口中并將壓差傳感器與被感測的苛刻過程流體隔離。通過在從每個(gè)隔離膜片延伸到壓差傳感器的通道中載送的基本上不可壓縮的填充流體，壓力從過程流體轉(zhuǎn)移到壓差傳感器。通常有兩種類型的壓差傳感器模塊。第一種類型的壓差傳感器模塊被稱為雙平面型傳感器模塊。在這種壓差傳感器模塊中，一對(duì)隔離膜片被設(shè)置在不同的平面中，并且通常彼此同軸地對(duì)齊。圖1是已知的雙平面型傳感器模塊(矩形12內(nèi)示出)，其用在額定到15，OOOpsi的管線壓力的壓差變送器10中。使用用于超過6000psi的管線壓力的平面型傳感器模塊的壓差變送器往往非常大，并且復(fù)雜。這通常是由需要保持如此高的管線壓力的法蘭和螺栓引起的。這樣大型組件體通常不是用于要求浸沒在海水中的應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗鼈冃枰笮偷陌嘿F的殼體，以防止傳感器模塊在海水中被腐蝕和來自深海域使用的潛在的巨大壓力。例如，這種壓差變送器10可以具有超過8.5英寸的高度和超過6英寸的覽度。第二類型壓差傳感器模塊已知為共面?zhèn)鞲衅髂K。在共面?zhèn)鞲衅髂K中，隔離隔膜通常是設(shè)置在彼此相同的平面中。即使在被配置用于高的管線壓力時(shí)，變送器10(圖1中所示)不適合用于直接浸沒在海水中。因此，如果變送器使用在需要其浸沒在海水中的應(yīng)用中，諸如在油井井口，需要重大修改。圖2示出圖1的雙平面型壓差傳感器模塊14，其中傳感器模塊已經(jīng)準(zhǔn)備用于海底使用。由于需要構(gòu)造圍繞整個(gè)傳感器模塊14的殼體16，包括傳感器模塊14和殼體16的組件20是相當(dāng)大的。例如，一個(gè)這樣的組件20具有約16英寸的高度和約8英寸的直徑。此外，由于在殼體16的構(gòu)造中所用的材料是昂貴的，單獨(dú)殼體16就可以使整個(gè)組件20相
曰蟲3印貝。提供更容易適應(yīng)海底環(huán)境而無需大量修改或支出的高的管線壓力壓差變送器，將有利于壓差傳感器模塊的更廣泛使用和相關(guān)變量的測量，如在海底環(huán)境中的流量、壓力和液位。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中提供一種共面壓差傳感器模塊。該共面壓差傳感器模塊包括基部，該基部具有一對(duì)凹部。還提供一對(duì)基座，每個(gè)基座布置在對(duì)應(yīng)的凹部中并且連接到對(duì)應(yīng)的隔離膜片。壓差傳感器具有檢測膜片和一對(duì)壓力檢測端口。壓差傳感器的每個(gè)壓力檢測端口由填充流體流體地(fluidically)連接到對(duì)應(yīng)的隔離膜片。該共面壓差傳感器模塊還包括電路，該電路連接到壓差傳感器，以測量壓差傳感器的隨著壓差變化的電特性?；坑蛇m于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。還提供一種構(gòu)造共面壓差傳感器模塊的方法。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供壓力傳感器模塊。該壓力傳感器模塊包括具有凹部的基部。基座設(shè)置在凹部中并連接到隔離膜片。具有檢測膜片和壓力檢測端口的壓力傳感器由填充流體流體地連接到隔離膜片。電路連接到壓力傳感器以測量壓力傳感器隨著壓力變化的電特性?；坑蛇m于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。


圖1是公知的雙平面型傳感器模塊的示意圖。圖2示出圖1的準(zhǔn)備用于海底使用的雙平面型壓差傳感器模塊。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共面壓差傳感器模塊的示意圖。圖4是圖3中示出的適于直接浸沒在海水中的共面壓差傳感器模塊的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共面壓差傳感器模塊的示意性剖視圖。圖6是構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共面壓差傳感器的方法的流程圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的適合共面壓差傳感器模塊浸沒在海水中的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例主要可以用在具有一對(duì)共面隔離膜片和全焊接結(jié)構(gòu)的共面壓差傳感器模塊中。此外，本發(fā)明的至少一些實(shí)施例確保所有臨界管線壓力保持焊縫被保護(hù)免受海水影響，以減少由腐蝕引起焊點(diǎn)故障的可能性。另外，合適的材料被用來簡化用于海底應(yīng)用的共面壓差傳感器模塊的制備?？商鎿Q地，本發(fā)明的實(shí)施例可用在不感測壓力差而是檢測單個(gè)過程流體壓力的壓力變送器中，如絕對(duì)壓力或表壓力變送器。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共同平面壓差傳感器模塊100的示意圖。傳感器模塊100類似于現(xiàn)有技術(shù)的傳感器模塊的地方在于，其能夠連接到電子元件殼體102并且可以測量在一對(duì)過程流體壓力入口 104、106處引入的壓力差。然而，壓差傳感器模塊100的基部108由適合于直接浸沒在鹽水中的材料構(gòu)造。正如本文所限定的，“適合于直接浸沒在鹽水中”是指在存在鹽水的情況下在可行產(chǎn)品壽命內(nèi)該材料不會(huì)腐蝕或不允許退化。適合于直接浸泡在鹽水中的材料的示例包括:可以從印第安納州的科科莫市的HaynesInternational Inc.，獲得的商標(biāo)牌號(hào)為Hastelloy C276的合金C276 ;可從紐約的NewHartford 的 The Special Metal Family of Companies 獲得的 Inconel 合金 686 ;和可從Haynes International獲得的合金C-22。特別感興趣的是合金C276,其具有下列化學(xué)組成(以 ％重量計(jì)):鑰 15.0-17.0 ;鉻 14.5-16.5 ;鐵 4.0-7.0 M 3.0-4.5 ;鈷最多 2.5 ;錳最多1.0 ;釩最多0.35 ;碳最多0.01 ;磷最多0.04 ;硫最多0.03 ;硅最多0.08 ;和平衡鎳。如圖3所示，基部108可以被設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)小于在圖1和2中所示的壓差傳感器模塊。具體來說，在這個(gè)示例中，基部108具有3.5英寸的直徑。即使在連接到電子元件殼體102時(shí)，在這個(gè)示例中的組裝的變送器的總體高度只有8.25英寸。傳感器模塊100還包括連接到基部108的側(cè)壁110，該側(cè)壁110連接到蓋112。電引線連接器114連接到電子元件殼體102，并且包括用于提供電力到模塊110以及雙向通信的導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，模塊100可以在通過其供電的相同的導(dǎo)體上進(jìn)行通信。圖4是適于直接浸沒在海水中的共面壓差傳感器模塊100(圖3中示出)的示意圖。具體而言，共面壓差模塊100的靠近電連接點(diǎn)115的上部覆蓋有高壓支撐端蓋200，高壓支撐端蓋200由適合直接浸沒在海水中的材料構(gòu)造。此外，與暴露到在極端深度處的海水相關(guān)的高壓力由端蓋200承擔(dān)，端蓋200在經(jīng)受如此壓力時(shí)保持其形狀和完整性。另外，端蓋200優(yōu)選由與共面壓差傳感器模塊100的基部108的材料相同的材料構(gòu)成。例如，如果模塊100的基部108由合金C276構(gòu)成，優(yōu)選地，端蓋200也可以由合金C276構(gòu)成。然而，在不是由相同材料構(gòu)成的實(shí)施例中，端蓋200必須由適于焊接到模塊100的基部108的材料構(gòu)造。這意味著或者兩種材料的冶金術(shù)(metal lurgy)必須足夠兼容用于焊接,和/或兩種材料的熔點(diǎn)必須彼此足夠接近。焊接不同的金屬的附加要求是所產(chǎn)生的焊縫(其與任何起始材料不同)在冶金上也必須是耐腐蝕的。正如從圖4中可以理解的，通過在界面202處將端蓋200簡單地直接焊接至下部108，共面壓差傳感器模塊100可以適于相對(duì)容易地直接浸沒在海水中。此外，在這個(gè)示例中，整個(gè)組件仍然是相對(duì)較小的，具有約3.5英寸的直徑和只有6.7英寸的高度。穿過端蓋200至電連接點(diǎn)115的連接可以以任何合適的方式實(shí)現(xiàn)。例如，高壓玻璃頭可以用來使導(dǎo)體穿過端蓋200以連接到連接點(diǎn)115。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共面壓差傳感器模塊100的示意剖視圖。模塊100包括由適合于直接浸沒在海水中的材料構(gòu)造的下部108。事實(shí)上，線204以下的所有組件都適于暴露到海水。雖然有許多可行的材料適于浸沒在海水中，如上所述，一個(gè)特別合適的示例是合金C276。下部108連接到側(cè)壁110和蓋112以在其中限定腔室206。壓差傳感器208設(shè)置在腔室206中并且具有一對(duì)壓差傳感器輸入端210、212，輸入端210、212傳送過程壓力到可偏轉(zhuǎn)膜片214，可偏轉(zhuǎn)膜片214具有隨著膜片偏轉(zhuǎn)變化的電特性，如電容。該電特性被測量，或以其他方式由靠近傳感器208布置的電路216轉(zhuǎn)換。電路216還調(diào)節(jié)用于通過電連接點(diǎn)115傳輸?shù)碾娙轀y量。如上文所述，位于線204下方的所有組件都可以直接暴露到海水。因此，所述組件必須不僅能夠在這樣的環(huán)境中耐腐蝕，而且它們必須能承受如15000psi的高的管線壓力?；?08包括一對(duì)凹部217、219，每個(gè)凹部217、219分別地具有各自的基座218、220。隔離膜片222連接到每個(gè)基座218、220，并且通過位于對(duì)應(yīng)通道224、226中的填充流體傳送對(duì)應(yīng)的過程流體壓力。以這種方式，兩個(gè)過程流體壓力被傳送到壓差傳感器208，而不允許過程流體接觸壓差傳感器208。模塊100的另一個(gè)重要方面是在由高的管線壓力(高達(dá)15，OOOpsi)加載的組件和由在海底環(huán)境中的高的環(huán)境壓力(“僅”5000psi)加載的組件之間分開。由于幾個(gè)原因，在附圖標(biāo)記235處指示的這種分開是重要的。在海中的深度對(duì)壓差讀數(shù)沒有影響。高的管線壓力也不是一成不變的，導(dǎo)致加載在傳感器208、過程連接器230、232和基座218、220上的壓力疲勞。由于殼體組件與管線壓力隔離，因此殼體組件不需要被設(shè)計(jì)用于疲勞，而僅需要用于恒定的環(huán)境壓力。如在圖5中顯示，每個(gè)過程流體壓力端口 104、106優(yōu)選地包括焊接到下部108以提供耐腐蝕、高壓連接的對(duì)應(yīng)的集成過程連接器230、232。每個(gè)焊縫圍繞每個(gè)連接器的整個(gè)圓周延伸，使得焊縫不僅將連接器堅(jiān)固地安裝連接器到下部108，而且還將連接器密封到下部108。焊縫限定由環(huán)境壓力加載的組件和由管線壓力加載的組件之間的唯一的相互作用。每個(gè)集成過程連接器230、232包括適于暴露至處于高達(dá)15，OOOpsi的壓力的過程流體的過程流體接收孔236。此外，每個(gè)基座218、220還優(yōu)選地在過程連接器230、232焊接到下部108之前焊接到其對(duì)應(yīng)的過程連接器230、232上。在這種方式中，保持焊縫的臨界過程壓力被保護(hù)在模塊內(nèi)部，免受海水暴露的腐蝕作用。在一些實(shí)施例中，過程連接器230、232可以被制備用于焊接和高壓釜連接兩者。圖6是構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共面壓差傳感器的方法的流程圖。方法300開始于方框302，其中提供具有一對(duì)共面凹部的共面壓差傳感器模塊。接著，在方框304處，提供一對(duì)基座。每個(gè)基座具有焊接到其上的隔離膜片。在方框306處，提供一對(duì)過程連接器。在方框308處，第一基座被焊接到第一過程連接器。如上文所述，這樣的焊接圍繞第一過程連接器的圓周是連續(xù)的，以便將第一過程連接器完全密封到第一基座。在方框310處，第二基座被焊接到第二過程連接器。同樣，這樣的焊接圍繞第二過程連接器的圓周是連續(xù)的，以便將第二過程連接器完全密封到第二基座。在方框312處，第一基座插入該對(duì)凹部中的一個(gè)，并且第一過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊。焊縫優(yōu)選地是圍繞第一過程連接器的連續(xù)焊縫，以將第一過程連接器密封到共面壓差傳感器模塊。在方框314處，第二基座插入該對(duì)凹部中的另一個(gè)，并且第二過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊。焊縫優(yōu)選地是圍繞第二過程連接器的連續(xù)焊縫，以將第二過程連接器密封到共面壓差傳感器模塊。如上文所述，在一些實(shí)施例中，壓差傳感器模塊的一部分以及第一和第二過程連接器由適合用于直接浸沒于海水中的材料構(gòu)造，如合金C276。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使共面壓差傳感器模塊適于浸沒在海水中的方法的流程圖。方法320開始于方框322，其中提供承壓耐腐蝕蓋組件。此蓋可以是在圖4中在附圖標(biāo)記200處所示的蓋或任何其它合適的蓋。蓋優(yōu)選地由合金C276形成，并且可以通過焊接圓筒部到蓋部而構(gòu)成，如在虛線框324中所示。代替地，整個(gè)蓋組件如通過鑄造或鍛造可以被制造為單個(gè)部件，如在方框326處所示。在方框328處，耐腐蝕的蓋組件被焊接到共面壓差傳感器的基部。焊縫優(yōu)選是連續(xù)的，使得蓋組件被密封到共面壓差傳感器模塊。當(dāng)如此配置時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例可以提供額定用于高達(dá)15，OOOpsi的管線壓力同時(shí)浸沒在海水中數(shù)年時(shí)間的壓差傳感器模塊。另外，據(jù)認(rèn)為，本發(fā)明的實(shí)施例在這種應(yīng)用中可以提供在比現(xiàn)有設(shè)計(jì)明顯低的成本的壓差測量。本發(fā)明的實(shí)施例主要提供共面壓差傳感器模塊，其具有由從被選擇用于其在海水中的耐腐蝕性的材料制成的至少一部分。一個(gè)示例性材料是合金C276。此外，本發(fā)明的實(shí)施例一般利用全焊接方法，以消除對(duì)大型螺栓法蘭的需要，從而降低尺寸和潛在地消除其中可能容易開始腐蝕的缺口。此外，本發(fā)明的一些實(shí)施例將關(guān)鍵過程壓力保持焊縫定位在模塊內(nèi)，以保護(hù)焊縫免受海水腐蝕。此外，在一些實(shí)施例中，壓力傳感器模塊包括具有單個(gè)凹部和凹部中的連接到隔離膜片的基座的基部。諸如絕對(duì)壓力傳感器或表壓力傳感器之類的壓力傳感器包括檢測膜片和由填充流體流體地連接到隔離膜片的壓力檢測端口。壓力傳感器模塊的電路被連接到壓力傳感器，以測量該傳感器隨著壓力變化的電特性。壓力傳感器模塊的基部由適于浸沒在海水中的材料構(gòu)成。雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上作出更改。例如，雖然本發(fā)明的實(shí)施例主要涉及可以適于海底使用的共面壓差傳感器模塊，但本發(fā)明的實(shí)施例也可以在其他高腐蝕性環(huán)境中實(shí)行。
權(quán)利要求
1.一種共面壓差傳感器模塊，包括: 基部，具有一對(duì)凹部， 一對(duì)基座，每個(gè)基座布置在對(duì)應(yīng)的凹部中并且連接到對(duì)應(yīng)的隔離膜片； 壓差傳感器，具有檢測膜片和一對(duì)壓力檢測端口，每個(gè)端口由填充流體流體地連接到對(duì)應(yīng)的隔離膜片； 電路，連接到壓差傳感器，以測量壓差傳感器的隨著壓差變化的電特性；并且 其中，所述基部 由適于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述材料是合金C276。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面壓差傳感器模塊，進(jìn)一步包括一對(duì)過程連接器，每個(gè)過程連接器被連接到對(duì)應(yīng)的基座并且被連接到所述基部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共面壓差傳感器模塊，其中，該對(duì)過程連接器由適合浸沒在海水中的材料構(gòu)造。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述材料是合金C276。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共面壓差傳感器模塊，其中，每個(gè)過程連接器被焊接到對(duì)應(yīng)的基座并且焊接到所述基部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的共面壓差傳感器模塊，其中，該共面壓差傳感器模塊的管線壓力組件和該共面壓差傳感器模塊的環(huán)境壓力加載組件之間的唯一結(jié)構(gòu)連接是每個(gè)過程連接器和所述基部之間的焊縫。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共面壓差傳感器模塊，其中，該對(duì)過程連接器被構(gòu)造用于焊接式連接和高壓釜式連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面壓差傳感器模塊，進(jìn)一步包括設(shè)置在該共面壓差傳感器模塊的一部分之上并被連接到所述基部的蓋。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述蓋由適于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述蓋被以連續(xù)焊縫焊接到所述基部以將所述蓋密封到所述基部。
12.—種共面壓差傳感器模塊的制造方法，所述方法包括下述步驟: 提供具有一對(duì)共面凹部的共面壓差傳感器模塊； 提供一對(duì)基座，每個(gè)基座具有隔尚I吳片； 提供一對(duì)過程連接器； 將第一基座焊接到第一過程連接器； 將第二基座焊接到第二過程連接器； 將第一基座插入該對(duì)共面凹部中的一個(gè)中并且將第一過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊；以及 將第二基座插入該對(duì)共面凹部中的另一個(gè)中并且將第二過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，提供共面壓差傳感器模塊的步驟包括提供具有適于浸沒在海水中的部分的共面壓差傳感器模塊。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述部分靠近該對(duì)共面凹部。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，適于浸沒在海水中的該部分由合金C276構(gòu)造。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，提供該對(duì)過程連接器的步驟包括提供適于浸沒海水中的一對(duì)過程連接器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，該對(duì)過程連接器由合金C276構(gòu)造。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括將蓋固定到共面壓差傳感器模塊的步驟，所述蓋適于浸沒在海水中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述蓋由合金C276構(gòu)造。
20.一種壓力傳感器模塊,包括: 基部，具有凹部； 基座，設(shè)置在凹部中并被連接到隔離膜片； 壓力傳感器，具有檢測膜片和由填充流體流體地連接到隔離膜片的壓力檢測端口 ； 電路，連接到壓力傳感器以測量該壓力傳感器的隨著壓力變化的電特性；并且 其中，所述基部由適于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的壓力傳感器模塊，進(jìn)一步包括連接到所述基座和連接到所述基部的過程連接器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的壓力傳感器模塊，其中，過程連接器由適于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的壓力傳感器模塊，其中，所述材料是合金C276。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的壓力傳感器模塊，其中，過程連接器被焊接到所述基座并且被焊接到所述基部。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的壓力傳感器模塊，其中，該壓力傳感器模塊的管線壓力組件和該壓力傳感器模塊的環(huán)境壓力加載組件之間的唯一結(jié)構(gòu)連接是每個(gè)過程連接器和所述基部之間的焊縫。
全文摘要
本發(fā)明公開一種共面壓差傳感器模塊。該模塊包括具有一對(duì)凹部的基部。還提供一對(duì)基座，每個(gè)基座布置在對(duì)應(yīng)的凹部中并且連接到對(duì)應(yīng)的隔離膜片。壓差傳感器具有檢測膜片和一對(duì)壓力檢測端口。每個(gè)端口由填充流體流體地連接到對(duì)應(yīng)隔離膜片。該模塊還包括電路，該電路連接到壓差傳感器，以測量傳感器的隨著壓差變化的電特性?；坑蛇m于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。還提供一種構(gòu)造共面壓差傳感器模塊的方法。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供壓力傳感器模塊。壓力傳感器模塊包括具有凹部的基部。基座設(shè)置在凹部中并連接到隔離膜片。具有檢測膜片和和壓力檢測端口的壓力傳感器由填充流體流體地連接到隔離膜片。電路連接到壓力傳感器以測量傳感器的隨著壓力變化的電特性。基部由適于浸沒在海水中的材料構(gòu)造。
文檔編號(hào)G01L9/12GK103175649SQ201210506130
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者戴維·斯特賴, 大衛(wèi)·布羅登, 伊瓦爾·布林 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司