用於海底應用的壓力傳感器模塊的製作方法

2023-12-01 23:04:36 1

專利名稱：用於海底應用的壓力傳感器模塊的製作方法
用於海底應用的壓力傳感器模塊
背景技術：
變送器一般地包括響應於過程變量的換能器或傳感器。過程變量一般是指物質的物理或化學狀態或能量的轉換。過程變量的示例包括壓力、溫度、流量、傳導率、PH值和其它屬性。壓力被認為是基本過程變量，其可以用於測量流量、液位和均勻溫度。壓力變送器常用在工業生產過程中，以測量和監視在各種工業過程流體中的壓力，如泥漿、液體、蒸汽和化學氣體、紙漿、石油、天然氣、製藥、食品和其他流體類型加工廠。壓差變送器一般包括一對過程流體壓力輸入端，該對過程流體壓力輸入端可操作地連接到響應於兩個輸入端之間的壓力差的壓差傳感器(變送器內)。壓差變送器通常包括一對隔離膜片，該對隔離膜片被定位在過程流體入口中並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，一對隔離膜片被設置在不同的平面中，並且通常彼此同軸地對齊。圖1是已知的雙平面型傳感器模塊(矩形12內示出)，其用在額定到15，OOOpsi的管線壓力的壓差變送器10中。使用用於超過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，並且複雜。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於要求浸沒在海水中的應用的理想選擇，因為它們需要大型的昂貴的殼體，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傳感器模塊。在共面傳感器模塊中，隔離隔膜通常是設置在彼此相同的平面中。即使在被配置用於高的管線壓力時，變送器10(圖1中所示)不適合用於直接浸沒在海水中。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準備用於海底使用。由於需要構造圍繞整個傳感器模塊14的殼體16，包括傳感器模塊14和殼體16的組件20是相當大的。例如，一個這樣的組件20具有約16英寸的高度和約8英寸的直徑。此外，由於在殼體16的構造中所用的材料是昂貴的，單獨殼體16就可以使整個組件20相
曰蟲3印貝。提供更容易適應海底環境而無需大量修改或支出的高的管線壓力壓差變送器，將有利於壓差傳感器模塊的更廣泛使用和相關變量的測量，如在海底環境中的流量、壓力和液位。

發明內容
在一個實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，該基部具有一對凹部。還提供一對基座，每個基座布置在對應的凹部中並且連接到對應的隔離膜片。壓差傳感器具有檢測膜片和一對壓力檢測埠。壓差傳感器的每個壓力檢測埠由填充流體流體地(fluidically)連接到對應的隔離膜片。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。基部由適於浸沒在海水中的材料構造。還提供一種構造共面壓差傳感器模塊的方法。在另一個實施例中，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。基座設置在凹部中並連接到隔離膜片。具有檢測膜片和壓力檢測埠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。基部由適於浸沒在海水中的材料構造。


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的準備用於海底使用的雙平面型壓差傳感器模塊。圖3是根據本發明的實施例的共面壓差傳感器模塊的示意圖。圖4是圖3中示出的適於直接浸沒在海水中的共面壓差傳感器模塊的示意圖。圖5是根據本發明的實施例的共面壓差傳感器模塊的示意性剖視圖。圖6是構造根據本發明的實施例的共面壓差傳感器的方法的流程圖。圖7是根據本發明的實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。
具體實施例方式本發明的實施例主要可以用在具有一對共面隔離膜片和全焊接結構的共面壓差傳感器模塊中。此外，本發明的至少一些實施例確保所有臨界管線壓力保持焊縫被保護免受海水影響，以減少由腐蝕引起焊點故障的可能性。另外，合適的材料被用來簡化用於海底應用的共面壓差傳感器模塊的製備。可替換地，本發明的實施例可用在不感測壓力差而是檢測單個過程流體壓力的壓力變送器中，如絕對壓力或表壓力變送器。圖3是根據本發明的實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類似於現有技術的傳感器模塊的地方在於，其能夠連接到電子元件殼體102並且可以測量在一對過程流體壓力入口 104、106處引入的壓力差。然而，壓差傳感器模塊100的基部108由適合於直接浸沒在鹽水中的材料構造。正如本文所限定的，「適合於直接浸沒在鹽水中」是指在存在鹽水的情況下在可行產品壽命內該材料不會腐蝕或不允許退化。適合於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.，獲得的商標牌號為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,其具有下列化學組成(以 ％重量計):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 ;矽最多0.08 ;和平衡鎳。如圖3所示，基部108可以被設計為遠小於在圖1和2中所示的壓差傳感器模塊。具體來說，在這個示例中，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，在這個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的側壁110，該側壁110連接到蓋112。電引線連接器114連接到電子元件殼體102，並且包括用於提供電力到模塊110以及雙向通信的導體。在一些實施例中，模塊100可以在通過其供電的相同的導體上進行通信。圖4是適於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造。此外，與暴露到在極端深度處的海水相關的高壓力由端蓋200承擔，端蓋200在經受如此壓力時保持其形狀和完整性。另外，端蓋200優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成。例如，如果模塊100的基部108由合金C276構成，優選地，端蓋200也可以由合金C276構成。然而，在不是由相同材料構成的實施例中，端蓋200必須由適於焊接到模塊100的基部108的材料構造。這意味著或者兩種材料的冶金術(metal lurgy)必須足夠兼容用於焊接,和/或兩種材料的熔點必須彼此足夠接近。焊接不同的金屬的附加要求是所產生的焊縫(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可以適於相對容易地直接浸沒在海水中。此外，在這個示例中，整個組件仍然是相對較小的，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115的連接可以以任何合適的方式實現。例如，高壓玻璃頭可以用來使導體穿過端蓋200以連接到連接點115。圖5是根據本發明的實施例的共面壓差傳感器模塊100的示意剖視圖。模塊100包括由適合於直接浸沒在海水中的材料構造的下部108。事實上，線204以下的所有組件都適於暴露到海水。雖然有許多可行的材料適於浸沒在海水中，如上所述，一個特別合適的示例是合金C276。下部108連接到側壁110和蓋112以在其中限定腔室206。壓差傳感器208設置在腔室206中並且具有一對壓差傳感器輸入端210、212，輸入端210、212傳送過程壓力到可偏轉膜片214，可偏轉膜片214具有隨著膜片偏轉變化的電特性，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轉換。電路216還調節用於通過電連接點115傳輸的電容測量。如上文所述，位於線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境中耐腐蝕，而且它們必須能承受如15000psi的高的管線壓力。基部108包括一對凹部217、219，每個凹部217、219分別地具有各自的基座218、220。隔離膜片222連接到每個基座218、220，並且通過位於對應通道224、226中的填充流體傳送對應的過程流體壓力。以這種方式，兩個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的另一個重要方面是在由高的管線壓力(高達15，OOOpsi)加載的組件和由在海底環境中的高的環境壓力(「僅」5000psi)加載的組件之間分開。由於幾個原因，在附圖標記235處指示的這種分開是重要的。在海中的深度對壓差讀數沒有影響。高的管線壓力也不是一成不變的，導致加載在傳感器208、過程連接器230、232和基座218、220上的壓力疲勞。由於殼體組件與管線壓力隔離，因此殼體組件不需要被設計用於疲勞，而僅需要用於恆定的環境壓力。如在圖5中顯示，每個過程流體壓力埠 104、106優選地包括焊接到下部108以提供耐腐蝕、高壓連接的對應的集成過程連接器230、232。每個焊縫圍繞每個連接器的整個圓周延伸，使得焊縫不僅將連接器堅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。每個集成過程連接器230、232包括適於暴露至處於高達15，OOOpsi的壓力的過程流體的過程流體接收孔236。此外，每個基座218、220還優選地在過程連接器230、232焊接到下部108之前焊接到其對應的過程連接器230、232上。在這種方式中，保持焊縫的臨界過程壓力被保護在模塊內部，免受海水暴露的腐蝕作用。在一些實施例中，過程連接器230、232可以被製備用於焊接和高壓釜連接兩者。圖6是構造根據本發明的實施例的共面壓差傳感器的方法的流程圖。方法300開始於方框302，其中提供具有一對共面凹部的共面壓差傳感器模塊。接著，在方框304處，提供一對基座。每個基座具有焊接到其上的隔離膜片。在方框306處，提供一對過程連接器。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，第一基座插入該對凹部中的一個，並且第一過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊。焊縫優選地是圍繞第一過程連接器的連續焊縫，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，第二基座插入該對凹部中的另一個，並且第二過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊。焊縫優選地是圍繞第二過程連接器的連續焊縫，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於直接浸沒於海水中的材料構造，如合金C276。圖7是根據本發明的實施例的使共面壓差傳感器模塊適於浸沒在海水中的方法的流程圖。方法320開始於方框322，其中提供承壓耐腐蝕蓋組件。此蓋可以是在圖4中在附圖標記200處所示的蓋或任何其它合適的蓋。蓋優選地由合金C276形成，並且可以通過焊接圓筒部到蓋部而構成，如在虛線框324中所示。代替地，整個蓋組件如通過鑄造或鍛造可以被製造為單個部件，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。焊縫優選是連續的，使得蓋組件被密封到共面壓差傳感器模塊。當如此配置時，本發明的實施例可以提供額定用於高達15，OOOpsi的管線壓力同時浸沒在海水中數年時間的壓差傳感器模塊。另外，據認為，本發明的實施例在這種應用中可以提供在比現有設計明顯低的成本的壓差測量。本發明的實施例主要提供共面壓差傳感器模塊，其具有由從被選擇用於其在海水中的耐腐蝕性的材料製成的至少一部分。一個示例性材料是合金C276。此外，本發明的實施例一般利用全焊接方法，以消除對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，本發明的一些實施例將關鍵過程壓力保持焊縫定位在模塊內，以保護焊縫免受海水腐蝕。此外，在一些實施例中，壓力傳感器模塊包括具有單個凹部和凹部中的連接到隔離膜片的基座的基部。諸如絕對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埠。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於浸沒在海水中的材料構成。雖然已經參照優選實施例描述了本發明，但本領域技術人員將認識到，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以在形式和細節上作出更改。例如，雖然本發明的實施例主要涉及可以適於海底使用的共面壓差傳感器模塊，但本發明的實施例也可以在其他高腐蝕性環境中實行。
權利要求
1.一種共面壓差傳感器模塊，包括: 基部，具有一對凹部， 一對基座，每個基座布置在對應的凹部中並且連接到對應的隔離膜片； 壓差傳感器，具有檢測膜片和一對壓力檢測埠，每個埠由填充流體流體地連接到對應的隔離膜片； 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；並且 其中，所述基部 由適於浸沒在海水中的材料構造。
2.根據權利要求1所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述材料是合金C276。
3.根據權利要求1所述的共面壓差傳感器模塊，進一步包括一對過程連接器，每個過程連接器被連接到對應的基座並且被連接到所述基部。
4.根據權利要求3所述的共面壓差傳感器模塊，其中，該對過程連接器由適合浸沒在海水中的材料構造。
5.根據權利要求4所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述材料是合金C276。
6.根據權利要求3所述的共面壓差傳感器模塊，其中，每個過程連接器被焊接到對應的基座並且焊接到所述基部。
7.根據權利要求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境壓力加載組件之間的唯一結構連接是每個過程連接器和所述基部之間的焊縫。
8.根據權利要求3所述的共面壓差傳感器模塊，其中，該對過程連接器被構造用於焊接式連接和高壓釜式連接。
9.根據權利要求1所述的共面壓差傳感器模塊，進一步包括設置在該共面壓差傳感器模塊的一部分之上並被連接到所述基部的蓋。
10.根據權利要求9所述的共面壓差傳感器模塊，其中，所述蓋由適於浸沒在海水中的材料構造。
11.根據權利要求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製造方法，所述方法包括下述步驟: 提供具有一對共面凹部的共面壓差傳感器模塊； 提供一對基座，每個基座具有隔尚I吳片； 提供一對過程連接器； 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共面凹部中的一個中並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共面凹部中的另一個中並且將第二過程連接器焊接到共面壓差傳感器模塊。
13.根據權利要求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於浸沒在海水中的部分的共面壓差傳感器模塊。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述部分靠近該對共面凹部。
15.根據權利要求13所述的方法，其中，適於浸沒在海水中的該部分由合金C276構造。
16.根據權利要求12所述的方法，其中，提供該對過程連接器的步驟包括提供適於浸沒海水中的一對過程連接器。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，該對過程連接器由合金C276構造。
18.根據權利要求12所述的方法，進一步包括將蓋固定到共面壓差傳感器模塊的步驟，所述蓋適於浸沒在海水中。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述蓋由合金C276構造。
20.一種壓力傳感器模塊,包括: 基部，具有凹部； 基座，設置在凹部中並被連接到隔離膜片； 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埠 ； 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；並且 其中，所述基部由適於浸沒在海水中的材料構造。
21.根據權利要求20所述的壓力傳感器模塊，進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.根據權利要求21所述的壓力傳感器模塊，其中，過程連接器由適於浸沒在海水中的材料構造。
23.根據權利要求22所述的壓力傳感器模塊，其中，所述材料是合金C276。
24.根據權利要求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並且被焊接到所述基部。
25.根據權利要求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境壓力加載組件之間的唯一結構連接是每個過程連接器和所述基部之間的焊縫。
全文摘要
本發明公開一種共面壓差傳感器模塊。該模塊包括具有一對凹部的基部。還提供一對基座，每個基座布置在對應的凹部中並且連接到對應的隔離膜片。壓差傳感器具有檢測膜片和一對壓力檢測埠。每個埠由填充流體流體地連接到對應隔離膜片。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。基部由適於浸沒在海水中的材料構造。還提供一種構造共面壓差傳感器模塊的方法。在另一個實施例中，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。基座設置在凹部中並連接到隔離膜片。具有檢測膜片和和壓力檢測埠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。基部由適於浸沒在海水中的材料構造。
文檔編號G01L9/12GK103175649SQ201210506130
公開日2013年6月26日 申請日期2012年11月30日 優先權日2011年12月22日
發明者戴維·斯特賴, 大衛·布羅登, 伊瓦爾·布林 申請人:羅斯蒙德公司