专利名称：用于海底应用的压力传感器模块的制作方法
用于海底应用的压力传感器模块
背景技术：
变送器一般地包括响应于过程变量的换能器或传感器。过程变量一般是指物质的物理或化学状态或能量的转换。过程变量的示例包括压力、温度、流量、传导率、PH值和其它属性。压力被认为是基本过程变量，其可以用于测量流量、液位和均匀温度。压力变送器常用在工业生产过程中，以测量和监视在各种工业过程流体中的压力，如泥浆、液体、蒸汽和化学气体、纸浆、石油、天然气、制药、食品和其他流体类型加工厂。压差变送器一般包括一对过程流体压力输入端，该对过程流体压力输入端可操作地连接到响应于两个输入端之间的压力差的压差传感器(变送器内)。压差变送器通常包括一对隔离膜片，该对隔离膜片被定位在过程流体入口中并将压差传感器与被感测的苛刻过程流体隔离。通过在从每个隔离膜片延伸到压差传感器的通道中载送的基本上不可压缩的填充流体，压力从过程流体转移到压差传感器。通常有两种类型的压差传感器模块。第一种类型的压差传感器模块被称为双平面型传感器模块。在这种压差传感器模块中，一对隔离膜片被设置在不同的平面中，并且通常彼此同轴地对齐。图1是已知的双平面型传感器模块(矩形12内示出)，其用在额定到15，OOOpsi的管线压力的压差变送器10中。使用用于超过6000psi的管线压力的平面型传感器模块的压差变送器往往非常大，并且复杂。这通常是由需要保持如此高的管线压力的法兰和螺栓引起的。这样大型组件体通常不是用于要求浸没在海水中的应用的理想选择，因为它们需要大型的昂贵的壳体，以防止传感器模块在海水中被腐蚀和来自深海域使用的潜在的巨大压力。例如，这种压差变送器10可以具有超过8.5英寸的高度和超过6英寸的览度。第二类型压差传感器模块已知为共面传感器模块。在共面传感器模块中，隔离隔膜通常是设置在彼此相同的平面中。即使在被配置用于高的管线压力时，变送器10(图1中所示)不适合用于直接浸没在海水中。因此，如果变送器使用在需要其浸没在海水中的应用中，诸如在油井井口，需要重大修改。图2示出图1的双平面型压差传感器模块14，其中传感器模块已经准备用于海底使用。由于需要构造围绕整个传感器模块14的壳体16，包括传感器模块14和壳体16的组件20是相当大的。例如，一个这样的组件20具有约16英寸的高度和约8英寸的直径。此外，由于在壳体16的构造中所用的材料是昂贵的，单独壳体16就可以使整个组件20相
曰虫3印贝。提供更容易适应海底环境而无需大量修改或支出的高的管线压力压差变送器，将有利于压差传感器模块的更广泛使用和相关变量的测量，如在海底环境中的流量、压力和液位。
发明内容
在一个实施例中提供一种共面压差传感器模块。该共面压差传感器模块包括基部，该基部具有一对凹部。还提供一对基座，每个基座布置在对应的凹部中并且连接到对应的隔离膜片。压差传感器具有检测膜片和一对压力检测端口。压差传感器的每个压力检测端口由填充流体流体地(fluidically)连接到对应的隔离膜片。该共面压差传感器模块还包括电路，该电路连接到压差传感器，以测量压差传感器的随着压差变化的电特性。基部由适于浸没在海水中的材料构造。还提供一种构造共面压差传感器模块的方法。在另一个实施例中，提供压力传感器模块。该压力传感器模块包括具有凹部的基部。基座设置在凹部中并连接到隔离膜片。具有检测膜片和压力检测端口的压力传感器由填充流体流体地连接到隔离膜片。电路连接到压力传感器以测量压力传感器随着压力变化的电特性。基部由适于浸没在海水中的材料构造。
图1是公知的双平面型传感器模块的示意图。图2示出图1的准备用于海底使用的双平面型压差传感器模块。图3是根据本发明的实施例的共面压差传感器模块的示意图。图4是图3中示出的适于直接浸没在海水中的共面压差传感器模块的示意图。图5是根据本发明的实施例的共面压差传感器模块的示意性剖视图。图6是构造根据本发明的实施例的共面压差传感器的方法的流程图。图7是根据本发明的实施例的适合共面压差传感器模块浸没在海水中的方法的流程图。
具体实施例方式本发明的实施例主要可以用在具有一对共面隔离膜片和全焊接结构的共面压差传感器模块中。此外，本发明的至少一些实施例确保所有临界管线压力保持焊缝被保护免受海水影响，以减少由腐蚀引起焊点故障的可能性。另外，合适的材料被用来简化用于海底应用的共面压差传感器模块的制备。可替换地，本发明的实施例可用在不感测压力差而是检测单个过程流体压力的压力变送器中，如绝对压力或表压力变送器。图3是根据本发明的实施例的共同平面压差传感器模块100的示意图。传感器模块100类似于现有技术的传感器模块的地方在于，其能够连接到电子元件壳体102并且可以测量在一对过程流体压力入口 104、106处引入的压力差。然而，压差传感器模块100的基部108由适合于直接浸没在盐水中的材料构造。正如本文所限定的，“适合于直接浸没在盐水中”是指在存在盐水的情况下在可行产品寿命内该材料不会腐蚀或不允许退化。适合于直接浸泡在盐水中的材料的示例包括:可以从印第安纳州的科科莫市的HaynesInternational Inc.，获得的商标牌号为Hastelloy C276的合金C276 ;可从纽约的NewHartford 的 The Special Metal Family of Companies 获得的 Inconel 合金 686 ;和可从Haynes International获得的合金C-22。特别感兴趣的是合金C276,其具有下列化学组成(以 ％重量计):钥 15.0-17.0 ;铬 14.5-16.5 ;铁 4.0-7.0 M 3.0-4.5 ;钴最多 2.5 ;锰最多1.0 ;钒最多0.35 ;碳最多0.01 ;磷最多0.04 ;硫最多0.03 ;硅最多0.08 ;和平衡镍。如图3所示，基部108可以被设计为远小于在图1和2中所示的压差传感器模块。具体来说，在这个示例中，基部108具有3.5英寸的直径。即使在连接到电子元件壳体102时，在这个示例中的组装的变送器的总体高度只有8.25英寸。传感器模块100还包括连接到基部108的侧壁110，该侧壁110连接到盖112。电引线连接器114连接到电子元件壳体102，并且包括用于提供电力到模块110以及双向通信的导体。在一些实施例中，模块100可以在通过其供电的相同的导体上进行通信。图4是适于直接浸没在海水中的共面压差传感器模块100(图3中示出)的示意图。具体而言，共面压差模块100的靠近电连接点115的上部覆盖有高压支撑端盖200，高压支撑端盖200由适合直接浸没在海水中的材料构造。此外，与暴露到在极端深度处的海水相关的高压力由端盖200承担，端盖200在经受如此压力时保持其形状和完整性。另外，端盖200优选由与共面压差传感器模块100的基部108的材料相同的材料构成。例如，如果模块100的基部108由合金C276构成，优选地，端盖200也可以由合金C276构成。然而，在不是由相同材料构成的实施例中，端盖200必须由适于焊接到模块100的基部108的材料构造。这意味着或者两种材料的冶金术(metal lurgy)必须足够兼容用于焊接,和/或两种材料的熔点必须彼此足够接近。焊接不同的金属的附加要求是所产生的焊缝(其与任何起始材料不同)在冶金上也必须是耐腐蚀的。正如从图4中可以理解的，通过在界面202处将端盖200简单地直接焊接至下部108，共面压差传感器模块100可以适于相对容易地直接浸没在海水中。此外，在这个示例中，整个组件仍然是相对较小的，具有约3.5英寸的直径和只有6.7英寸的高度。穿过端盖200至电连接点115的连接可以以任何合适的方式实现。例如，高压玻璃头可以用来使导体穿过端盖200以连接到连接点115。图5是根据本发明的实施例的共面压差传感器模块100的示意剖视图。模块100包括由适合于直接浸没在海水中的材料构造的下部108。事实上，线204以下的所有组件都适于暴露到海水。虽然有许多可行的材料适于浸没在海水中，如上所述，一个特别合适的示例是合金C276。下部108连接到侧壁110和盖112以在其中限定腔室206。压差传感器208设置在腔室206中并且具有一对压差传感器输入端210、212，输入端210、212传送过程压力到可偏转膜片214，可偏转膜片214具有随着膜片偏转变化的电特性，如电容。该电特性被测量，或以其他方式由靠近传感器208布置的电路216转换。电路216还调节用于通过电连接点115传输的电容测量。如上文所述，位于线204下方的所有组件都可以直接暴露到海水。因此，所述组件必须不仅能够在这样的环境中耐腐蚀，而且它们必须能承受如15000psi的高的管线压力。基部108包括一对凹部217、219，每个凹部217、219分别地具有各自的基座218、220。隔离膜片222连接到每个基座218、220，并且通过位于对应通道224、226中的填充流体传送对应的过程流体压力。以这种方式，两个过程流体压力被传送到压差传感器208，而不允许过程流体接触压差传感器208。模块100的另一个重要方面是在由高的管线压力(高达15，OOOpsi)加载的组件和由在海底环境中的高的环境压力(“仅”5000psi)加载的组件之间分开。由于几个原因，在附图标记235处指示的这种分开是重要的。在海中的深度对压差读数没有影响。高的管线压力也不是一成不变的，导致加载在传感器208、过程连接器230、232和基座218、220上的压力疲劳。由于壳体组件与管线压力隔离，因此壳体组件不需要被设计用于疲劳，而仅需要用于恒定的环境压力。如在图5中显示，每个过程流体压力端口 104、106优选地包括焊接到下部108以提供耐腐蚀、高压连接的对应的集成过程连接器230、232。每个焊缝围绕每个连接器的整个圆周延伸，使得焊缝不仅将连接器坚固地安装连接器到下部108，而且还将连接器密封到下部108。焊缝限定由环境压力加载的组件和由管线压力加载的组件之间的唯一的相互作用。每个集成过程连接器230、232包括适于暴露至处于高达15，OOOpsi的压力的过程流体的过程流体接收孔236。此外，每个基座218、220还优选地在过程连接器230、232焊接到下部108之前焊接到其对应的过程连接器230、232上。在这种方式中，保持焊缝的临界过程压力被保护在模块内部，免受海水暴露的腐蚀作用。在一些实施例中，过程连接器230、232可以被制备用于焊接和高压釜连接两者。图6是构造根据本发明的实施例的共面压差传感器的方法的流程图。方法300开始于方框302，其中提供具有一对共面凹部的共面压差传感器模块。接着，在方框304处，提供一对基座。每个基座具有焊接到其上的隔离膜片。在方框306处，提供一对过程连接器。在方框308处，第一基座被焊接到第一过程连接器。如上文所述，这样的焊接围绕第一过程连接器的圆周是连续的，以便将第一过程连接器完全密封到第一基座。在方框310处，第二基座被焊接到第二过程连接器。同样，这样的焊接围绕第二过程连接器的圆周是连续的，以便将第二过程连接器完全密封到第二基座。在方框312处，第一基座插入该对凹部中的一个，并且第一过程连接器焊接到共面压差传感器模块。焊缝优选地是围绕第一过程连接器的连续焊缝，以将第一过程连接器密封到共面压差传感器模块。在方框314处，第二基座插入该对凹部中的另一个，并且第二过程连接器焊接到共面压差传感器模块。焊缝优选地是围绕第二过程连接器的连续焊缝，以将第二过程连接器密封到共面压差传感器模块。如上文所述，在一些实施例中，压差传感器模块的一部分以及第一和第二过程连接器由适合用于直接浸没于海水中的材料构造，如合金C276。图7是根据本发明的实施例的使共面压差传感器模块适于浸没在海水中的方法的流程图。方法320开始于方框322，其中提供承压耐腐蚀盖组件。此盖可以是在图4中在附图标记200处所示的盖或任何其它合适的盖。盖优选地由合金C276形成，并且可以通过焊接圆筒部到盖部而构成，如在虚线框324中所示。代替地，整个盖组件如通过铸造或锻造可以被制造为单个部件，如在方框326处所示。在方框328处，耐腐蚀的盖组件被焊接到共面压差传感器的基部。焊缝优选是连续的，使得盖组件被密封到共面压差传感器模块。当如此配置时，本发明的实施例可以提供额定用于高达15，OOOpsi的管线压力同时浸没在海水中数年时间的压差传感器模块。另外，据认为，本发明的实施例在这种应用中可以提供在比现有设计明显低的成本的压差测量。本发明的实施例主要提供共面压差传感器模块，其具有由从被选择用于其在海水中的耐腐蚀性的材料制成的至少一部分。一个示例性材料是合金C276。此外，本发明的实施例一般利用全焊接方法，以消除对大型螺栓法兰的需要，从而降低尺寸和潜在地消除其中可能容易开始腐蚀的缺口。此外，本发明的一些实施例将关键过程压力保持焊缝定位在模块内，以保护焊缝免受海水腐蚀。此外，在一些实施例中，压力传感器模块包括具有单个凹部和凹部中的连接到隔离膜片的基座的基部。诸如绝对压力传感器或表压力传感器之类的压力传感器包括检测膜片和由填充流体流体地连接到隔离膜片的压力检测端口。压力传感器模块的电路被连接到压力传感器，以测量该传感器随着压力变化的电特性。压力传感器模块的基部由适于浸没在海水中的材料构成。虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出更改。例如，虽然本发明的实施例主要涉及可以适于海底使用的共面压差传感器模块，但本发明的实施例也可以在其他高腐蚀性环境中实行。
权利要求
1.一种共面压差传感器模块，包括: 基部，具有一对凹部， 一对基座，每个基座布置在对应的凹部中并且连接到对应的隔离膜片； 压差传感器，具有检测膜片和一对压力检测端口，每个端口由填充流体流体地连接到对应的隔离膜片； 电路，连接到压差传感器，以测量压差传感器的随着压差变化的电特性；并且 其中，所述基部 由适于浸没在海水中的材料构造。
2.根据权利要求1所述的共面压差传感器模块，其中，所述材料是合金C276。
3.根据权利要求1所述的共面压差传感器模块，进一步包括一对过程连接器，每个过程连接器被连接到对应的基座并且被连接到所述基部。
4.根据权利要求3所述的共面压差传感器模块，其中，该对过程连接器由适合浸没在海水中的材料构造。
5.根据权利要求4所述的共面压差传感器模块，其中，所述材料是合金C276。
6.根据权利要求3所述的共面压差传感器模块，其中，每个过程连接器被焊接到对应的基座并且焊接到所述基部。
7.根据权利要求6所述的共面压差传感器模块，其中，该共面压差传感器模块的管线压力组件和该共面压差传感器模块的环境压力加载组件之间的唯一结构连接是每个过程连接器和所述基部之间的焊缝。
8.根据权利要求3所述的共面压差传感器模块，其中，该对过程连接器被构造用于焊接式连接和高压釜式连接。
9.根据权利要求1所述的共面压差传感器模块，进一步包括设置在该共面压差传感器模块的一部分之上并被连接到所述基部的盖。
10.根据权利要求9所述的共面压差传感器模块，其中，所述盖由适于浸没在海水中的材料构造。
11.根据权利要求10所述的共面压差传感器模块，其中，所述盖被以连续焊缝焊接到所述基部以将所述盖密封到所述基部。
12.—种共面压差传感器模块的制造方法，所述方法包括下述步骤: 提供具有一对共面凹部的共面压差传感器模块； 提供一对基座，每个基座具有隔尚I吴片； 提供一对过程连接器； 将第一基座焊接到第一过程连接器； 将第二基座焊接到第二过程连接器； 将第一基座插入该对共面凹部中的一个中并且将第一过程连接器焊接到共面压差传感器模块；以及 将第二基座插入该对共面凹部中的另一个中并且将第二过程连接器焊接到共面压差传感器模块。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供共面压差传感器模块的步骤包括提供具有适于浸没在海水中的部分的共面压差传感器模块。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述部分靠近该对共面凹部。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，适于浸没在海水中的该部分由合金C276构造。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，提供该对过程连接器的步骤包括提供适于浸没海水中的一对过程连接器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，该对过程连接器由合金C276构造。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将盖固定到共面压差传感器模块的步骤，所述盖适于浸没在海水中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述盖由合金C276构造。
20.一种压力传感器模块,包括: 基部，具有凹部； 基座，设置在凹部中并被连接到隔离膜片； 压力传感器，具有检测膜片和由填充流体流体地连接到隔离膜片的压力检测端口 ； 电路，连接到压力传感器以测量该压力传感器的随着压力变化的电特性；并且 其中，所述基部由适于浸没在海水中的材料构造。
21.根据权利要求20所述的压力传感器模块，进一步包括连接到所述基座和连接到所述基部的过程连接器。
22.根据权利要求21所述的压力传感器模块，其中，过程连接器由适于浸没在海水中的材料构造。
23.根据权利要求22所述的压力传感器模块，其中，所述材料是合金C276。
24.根据权利要求21所述的压力传感器模块，其中，过程连接器被焊接到所述基座并且被焊接到所述基部。
25.根据权利要求24所述的压力传感器模块，其中，该压力传感器模块的管线压力组件和该压力传感器模块的环境压力加载组件之间的唯一结构连接是每个过程连接器和所述基部之间的焊缝。
全文摘要
本发明公开一种共面压差传感器模块。该模块包括具有一对凹部的基部。还提供一对基座，每个基座布置在对应的凹部中并且连接到对应的隔离膜片。压差传感器具有检测膜片和一对压力检测端口。每个端口由填充流体流体地连接到对应隔离膜片。该模块还包括电路，该电路连接到压差传感器，以测量传感器的随着压差变化的电特性。基部由适于浸没在海水中的材料构造。还提供一种构造共面压差传感器模块的方法。在另一个实施例中，提供压力传感器模块。压力传感器模块包括具有凹部的基部。基座设置在凹部中并连接到隔离膜片。具有检测膜片和和压力检测端口的压力传感器由填充流体流体地连接到隔离膜片。电路连接到压力传感器以测量传感器的随着压力变化的电特性。基部由适于浸没在海水中的材料构造。
文档编号G01L9/12GK103175649SQ201210506130
公开日2013年6月26日 申请日期2012年11月30日 优先权日2011年12月22日
发明者戴维·斯特赖, 大卫·布罗登, 伊瓦尔·布林 申请人:罗斯蒙德公司