用于工作高压应用的压力传感器模块的制作方法

压力变送器通常用于工业过程中以测量各种工业过程流体中的压力，例如水泥、液体、水汽和化学制品气体、纸浆、石油、气体、制药、食物和其它的流体式加工工厂。

差压变送器通常包括一对过程流体压力输入端，所述一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差的差压传感器(在差压变送器内)。压差变送器通常地包括一对隔离膜片，所述一对隔离膜片定位在过程流体入口中并且隔离压差传感器与感测的严酷流体。压力通过在从每个隔离膜片延伸到压差传感器的通路中携载的大致不能压缩的填充流体从过程流体传送到压差传感器。

数个常见类型的过程流体流量测量装置(即，流量计)使用各种不同的技术(文氏管、孔板、v形锥体等)，所述各种不同的技术利用压差测量作为进行流量测量的核心技术。压差测量值通常地在0psi-75psi的范围中。

依赖于压差的流量计在石油和天然气工业中是常见的。由于海上探油使用这种差压测量来测量较深水域的压力，从井中出来的油的平均压力增加。当前，石油和天然气公司试图研发将在20,000psi的最大压力下工作的技术。在具有高达20,000psi的平均压力的两个源之间准确地测量在0psi-75psi的范围中的压差是非常复杂的。

提供适于高工作压力应用(例如海底环境)而不需要大量修改或费用的压力传感器模块将有助于在这种应用中更广泛地适应和利用差压传感器，并且将改进采用该技术的过程。

技术实现要素：

压差传感器模块包括基部，所述基部具有一对过程流体压力入口并且限定具有传感器腔室入口的传感器腔室。压差传感器设置在传感器腔室中并且具有入口，所述入口被构造成接收第一压力并且提供指示第一压力和传感器腔室中的压差传感器外部的传感器腔室压力之间的差值的信号。一对隔离膜片设置在基本相同的平面中，每个隔离膜片密封相应的过程流体压力入口。第一流体通路可操作地连接到一个隔离膜片和压差传感器的入口。第二流体通路可操作地连接到另一个隔离膜片和传感器腔室入口。超压保护特征可操作地连接到传感器腔室、第一流体通路和第二流体通路。

附图说明

图1是对于本发明的实施例特别有用的共面压差传感器模块和电子器件壳体的图解视图。

图2是适于海底使用的共面压差传感器模块的图解局部剖视图。

图3是根据本发明的实施例的压差传感器模块的方框图。

图4是根据本发明的实施例的共面压差传感器模块的图解剖视图。

图5是根据本发明的实施例的安装至传感器座架并且承受高压侧压力和参考压力之间的压差的压差传感器的图解剖视图。

图6是根据本发明的实施例的使用超压保护机构的共面压力传感器模块的一部分的图解剖视图。

图7是根据本发明的实施例的使用超压保护机构的共面压差传感器模块的一部分的另一图解视图。

图8是根据本发明的实施例的使用与管线压力传感器组合的超压保护模块的共面压力传感器模块的一部分的图解剖视图。

具体实施方式

当在压差传感器上加载的压力是不均匀的时，压差传感器输出可以随管线压力而变化。由于不是压差的函数的任何变化是误差，所以这是不期望的。本文中描述的实施例减少或消除改变的管线压力对压差传感器的影响。

图1是对于本发明的实施例特别适用的共面压差传感器模块100的图解视图。传感器模块100可连接到电子器件外壳102并且可以测量在一对过程流体压力入口104、106处引入的压差。电子器件外壳102可以包括适当的电路以将从模块100得到的过程流体压力传输到另一装置或控制室。在一些示例中，压差传感器模块100的基部部分108可以用适合于直接浸入盐水中的材料构造。该材料的一个示例是可从印地安纳州的科科莫的海恩斯国际公司获得的在商业名称哈司特镍合金c276下的合金c276。然而，该材料是相对昂贵的并且因而为了减少本发明的一些实施例的材料成本，整个共面压差传感器模块被设计成尽可能少地使用该昂贵的合金。另外地，基部部分108可以包括尺寸和形状形成为接收海底额定壳体或端盖并且焊接到其中的环状圆环109。通过这种方式，在一些示例中，部分108可以由与现有海底壳体的材料相同的材料形成，材料诸如为合金c276。

如图1所示，基部部分是相对较小的并且在一些示例中可以具有大约四英寸的直径。共面压差传感器模块100还包括连接到基部部分108的侧壁110，所述侧壁110连接到盖112。电引线连接器114可连接到电子器件外壳102并且包括导体以向模块100以及双向通信器提供功率。在一些示例中，模块100可以通过相同导体通信，模块100通过导体而被驱动。

图2是适于直接浸入海水中的共面压差传感器模块100(图1图示)的图解视图。具体地，共面压差传感器模块100的接近电连接点115的上部分覆盖有高压支承端盖120，高压支承端盖120用适合于直接浸入海水中的诸如合金c276的材料构造。端盖120优选地用与共面压差传感器模块100的底部部分108相同的材料构造。例如，如果模块100的底部部分108用合金c276构造，则优选的是端盖120也用合金c276构造。如可以从图2认识到的，通过在界面122处将端盖120简单地直接地焊接到下部分108，共面压差传感器模块100可以相对地容易地适于直接浸入海水中。另外地，在该示例中，整个组件仍然是相对较小的从而节约了用该昂贵合金构造的材料的量。

图3是压差传感器模块中的电路217的方框图。电路217包括每个都可以连接到过程通信环路或部段的功率模块158和通信模块150。在一个实施例中，功率模块158从过程通信环路接收能量并且向电路217的所有构件提供电力。通信模块150连接到控制器152使得通信模块150向控制器152提供指示接收自过程通信环路或部段的过程通信信号的数据。

通信模块150可以是适于根据过程通信工业标准协议在过程通信环路上生成适当信号的任何适当的装置。该过程工业通信协议的适当示例包括高速通道可定址远程转换器协议、foundationtm现场总线协议或诸如iec62591的无线过程通信协议。另外地，至少在一些实施例中，凭借功率模块158和通信模块150之间的协作的电路217能够通过相同的通信媒介通信，电路217从所述通信媒介接收功率。

控制器152是能够执行一系列计划指令以提供控制或监控功能的任何适当的装置。在一个实施例中，控制器152是微处理器。控制器152连接到测量电路154，测量电路154连接到压差传感器218和温度传感器156。测量电路154包括适当的电路以测量压差传感器218和温度传感器156的一个或多个改变的电特性，并且向控制器152提供指示压差(p2-p1)以及温度传感器156所检测到的温度的数据。在一些实施例中，温度传感器156设置在电路217附近并且提供压力变送器的壳体中的温度的指示。温度传感器156可以是能够提供涉及温度的信号的任何适当的装置，所述装置包括但是不限于，电阻温度装置(rtd)、热电偶或电热调节器。温度传感器156也可以是使用压力传感器的温度依赖特性得到的温度读数，温度依赖特性诸如为应变仪压力传感器的桥路电阻。优选地，测量电路154包括至少一个模数转换器，所述至少一个模数转换器适于将压差传感器218和温度传感器156中的每个的诸如电阻的电特性转换成被传输至控制器152的数字数据。

图4是根据本发明的实施例的共面压差传感器模块的图解剖视图。模块200具有与模块100相似的一些特征(如图1所示)并且类似的构件被类似地编号。馈通连接器214连接到端盖212，端盖212附接至侧壁210。侧壁210和端盖212协作以限定用于传感器电子器件217(图3示出)的壳体216。传感器电子器件217可以是能够连接到压差传感器218并且从压差传感器218获得有用的电信号的适当的电子器件。在一个实施例中，压差传感器218是硅应变仪压力传感器。然而，其它类型的压力传感器，诸如使用电容性感测的那些压力传感器也可以用于压差传感器218。另外地，电子器件217可以用于放大、线性化和/或补偿压差传感器信号。

如图4所示，模块200包括设置在基部部分208中的一对隔离组件220、222。隔离组件220包括被构造成接收过程流体的过程流体入口224。例如，入口224可以具有被构造成接收适当的配件的内螺纹。过程流体连接器226包括由隔离膜片230密封的过程流体通路228。过程流体连接器226经由适当的机械连接，诸如界面234处的焊接部，连接到隔离插头232。隔离膜片230接触过程流体，并且过程流体的压力移动隔离膜片230。在隔离膜片230的相反侧的填充流体通过通路236传送至腔室240，在腔室240中，填充流体完全地浸渍压差传感器218。这提供加载在压差传感器218上的高度均匀压力。因而，尽管工作(管线)压力可以是非常高的(例如20,000psi)，压差传感器可以被选择以提供任何适当的压差范围，诸如，±5psi、±30psi、±75psi、±800psi或±4000psi。相应地，本发明的一些实施例支持约20,000psi的工作压力。可以用在约10,000psi-20,000psi的范围中的工作压力实践本发明的实施例。本发明的其它实施例可以支持超过20,000psi的工作压力。

相应地，过程流体压力p1移动隔离膜片230从而导致填充流体通过通路236的运动，隔离膜片230然后变形或以其它方式物理地影响压差传感器218，然后用传感器电子器件壳体216中的适当电子器件电子地测量所述影响。如图4所示，至压差传感器218的第二流体连接件250经由管线252可操作地连接至隔离组件206。因而，作用在压力入口254处的压力p2撞击隔离膜片256并且因而移动通路258中的全部流体。流体通路258与体积262直接通信并且偏转膜片260。该加压流体然后通过管线252传送至压差传感器218。这样，压差传感器218响应于过程流体压力p1和p2中的差值。

如图4所示，共面压差传感器模块200包括将相对于图6-8更详细地如下所述的超压保护特征270。根据本发明的实施例，压差传感器218具有小于压力传感器模块的工作压力等级的压力等级，在一个实施例中，用于压力传感器模块的工作压力等级是20,000psi并且用于压差传感器218的压力等级小于该等级。为了保护压差传感器，超压保护特征用于在超压事件发生时保护压差传感器218免于损坏。在一个实施例中，超压保护机构270被设置成超压保护膜片260的形式，超压保护膜片260具有比隔离膜片230、256的位移更大的位移，这允许当施加的压差大于压差传感器218的超压等级时，隔离膜片基本降至最低点。该设计还分离压差传感器与超压保护设备，从而允许相对较小的构件布置在用于压力连接的共面构造中。该设计还从传感器分离压力保持构件，使得具有不同最大工作压力等级的不同的压力模块能够利用相同的传感器和电路。

如图4所示，图示的实施例的重要方面包括包封压差传感器218、隔离膜片组件、油填充系统和壳体216中的电子器件217的单个壳体。另外地，该壳体还包括用于海底壳体的连接点209。在一个实施例中，隔离膜片230、256具有约0.5英寸或小于0.5英寸的相对较小直径。另外地，压差传感器218完全地浸入腔室240内侧的填充流体中。此外，图4示出的实施例包括一体式压差过度保护特征270。相对较小的尺寸和单个壳体将壳体216中的电子器件、传感器218和油填充系统有效地保持在类似的温度下。由于设置在壳体216中的简单的温度传感器可以用于提供对于整个组件相对精确的热指示，所以这简化了整个系统的温度补偿。通过简单地焊接在适当的壳体上(诸如图2示出的壳体)，相对较小的尺寸也能使设计容易地改进以用于海底应用。

使用如上所述的相对较小的隔离膜片能使具有便于改进共面压差传感器模块的重要的额外设计特征。例如，便于过程连接件、压差传感器和电子器件的更靠近间隔以及提供填充流体体积的减少。这些特征便于整个组件的环境温度补偿。另外地，相对较小的直径导致较小的压力支承表面，较小的压力支承表面在压力抑制结构中生成较小的力(诸如，围绕传感器的油填充系统和在隔离器和过程连接器之间的区域)。这些较小的力可以导致使用较薄壁的能力，较薄壁然后可以使用全焊透焊缝而被焊接并且不要求额外的支架，诸如较大的螺栓结合凸缘。相应地，该较小的设计可以使用全焊接构造而被执行。

图5是对于本发明的实施例特别有用的压差传感器的图解放大视图。与压差传感器218(图4示出)相比，传感器300是基本倒置的。传感器300包括基部部分302，基部部分302包括在界面308处密封地附接至传感器座架306的基座304。如所示，基座304包括口孔310，口孔310与传感器安装表面306的通路312流体连通。口孔310允许参考或低压侧压力访问压差传感器300的内部314。如图5所示，高压侧压力抵抗参考压力(流体地连接到内部314)围绕压差传感器300的大致地所有外表面作用以偏转传感器膜片。设置在压力传感器300上或中的电气特征变形或以其它方式改变位置使得位置可以被电地检测到。适当的电路检测该改变并且提供传感器输出。在一个示例中，传感器300由硅形成，具有可操作地连接到传感器300的应变仪。然而，本发明的实施例可以包括利用电容板的基于电容的感测，电容板连接到或设置在压差传感器300中。

如可以认识到的，因为压差传感器300可以由硅形成，因此压差传感器可以具有容易辨认的压力等级，超过该压力等级操作可能损坏传感器或不提供可靠的输出。相应地，本发明的一些实施例提供超压保护特征，超压保护特征确保基于硅的压差传感器不经受可以损坏基于硅的压差传感器或以其它方式影响其操作的超压事件。另外地，参考压力可以是任何适当的参考压力，包括但是不限于：真空，所述真空从而将整个测量转换成绝对压力应用；大气压力，所述大气压力从而将整个测量转换成仪表压力应用；或低压侧压力(诸如图4示出)，其中压差应用被提供。

图5示出的压力传感器装置提供具有非常低的管线压力影响的益处。对于压差(dp)传感器，输出仅应该相对于高压侧压力和低压侧压力之间的差值改变。dp传感器的输出应该不对高压侧压力和低压侧压力的共用模式改变的压力作出响应。该共用模式改变的压力称为管线压力。因为图5示出的传感器将随着管线压力增加而仅感测到流体静压力的改变，不会由于管线压力的改变而导致传感器的形状的改变或膜片的偏转，不会导致传感器输出随着管线压力而改变。

图6是根据本发明的实施例的具有超压保护特征的共面压差传感器模块的一部分的图解视图。为了清楚起见，变送器壳体和电子器件未被图6示出。

图6示出超压(在箭头500处图解地图示)被应用于过程流体压力端口224。当该情况发生时，隔离膜片230被抵靠隔离插头232完全地推动和接触隔离插头232。相应地，隔离膜片230被认为降至最低点。然而，如所示，通路208中的过程流体还凭借超压保护流体导管502与超压保护膜片270流体连通。这允许超压保护膜片270进一步变形以允许隔离膜片230降至最低点并且允许隔离膜片256完全地延伸。在隔离膜片230降至最低点时，任何额外的压力将不被传送到压差传感器218。类似地，图7示出超压500被应用于过程流体压力端口254从而导致隔离膜片256降至最低点。在该情况下，超压保护膜片270被朝高压侧推动，这导致隔离膜片230延伸。在图6和7示出的超压情况下，压差传感器218的压力通过适当设计的超压保护膜片而被保持在压差传感器的压力等级以下，从而防止损坏压差传感器或对于压差传感器的不期望影响。适当设计的超压保护膜片是足够刚性的以防止隔离膜片在传感器的最大压差被达到之前降至最低点。

图8是根据本发明的另一个实施例的共面压差传感器模块的一部分的图解视图。图8示出的实施例的一些方面类似于图6和7的那些方面，并且类似的构件被类似地编号。关于图8，附图示出的实施例和之前的实施例之间的差异包含不连续的管线压力传感器700。相应地，尽管压差传感器718提供压力p1和压力p2之间的压差的直接指示，但是压力传感器700提供管线压力的直接指示。这有利于随着管线压力接近和甚至超过选择的压力等级而提供警告或补偿。此外，尽管图8示出的实施例示出单个管线压力传感器700，但是明确预期的是多个该传感器可以用做冗余传感器，以及如果压差传感器718被损坏，则冗余传感器能够提供压差的冗余指示以确认或替代来自压差传感器718的读数。

虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。例如，尽管本文中描述的实施例特别适用于流量相关的应用，用更高范围的压差传感器替换低压差传感器能使进行额外的应用，诸如测量过滤元件两端的压差。