海底壳体组件和海底传感器的制作方法

本实用新型涉及海底壳体组件和海底传感器。

背景技术：

海底传感器在海底处理设施中有许多应用。海底传感器的实例包括温度传感器、绝对或线压传感器、差压传感器等。例如，传感器可以安装到管部分，过程流体流过该管部分，例如气体、液体或多相流体(其可以包括气体、液体和固体成分)。特别是在海底应用中，这种过程流体的压力可达到相当大的值，例如超过1,000或1400巴。当在海底环境中测量这种过程流体的参数时，必须确保过程流体不会泄漏到海水中。

为此，可以在能够承受如此大的压力的海底传感器中提供穿透器。作为示例，可以采用玻璃穿透器，以引导与传感器元件的电连接并提供玻璃对金属密封，这种穿透器能够承受相对较大的压差。

在这些应用中，通常需要在传感器壳体和电导体之间保持一定的最小电阻(绝缘稳定性，IR)，例如至少1GΩ的电阻，该电导体通过这种穿透器穿过壳体中的开口。通过吸收湿度，这种穿透器的电阻可能会降至1GΩ以下。此外，通常需要将这种障碍物测试到最大压力的2.5倍的压力。因此，如果这种传感器在大约1400巴的压力下输送过程流体的流动管线上运行，则测试压力需要在大约3,500巴的数量级上。在这样的压力下，由上述穿透器提供的玻璃对金属密封可能超过其极限。此外，当在如此高的压力下，特别是在水下进行测试时，由于上面概述的玻璃吸收湿度，可能导致低绝缘电阻。此外，为了满足规格，在安装这样的传感器之前，可能需要额外的最终处理过程，例如干燥过程。这种过程是时间和成本密集的。

因此，期望提高这种海底传感器的性能，特别是允许这种海底传感器与高压过程流体一起使用，同时满足所有规格，例如所需的绝缘电阻，并提供所需的操作安全性。

技术实现要素：

因此，需要与海底传感器相关的改进，特别是关于处理这种高过程压力的改进。

独立权利要求的特征满足了这一需求。从属权利要求描述了本实用新型的实施例。

根据本实用新型的实施例，提供了一种海底壳体组件。海底壳体组件包括海底壳体，其中，海底壳体的第一壳体部分包括用于数据通信的第一电连接件，并且其中，海底壳体的第二壳体部分包括用于数据通信的第二电连接件。壁提供第一和第二壳体部分之间的分离。海底壳体组件还包括电感耦合器，电感耦合器包括设置在第一壳体部分中的第一耦合部分和设置在第二壳体部分中的第二耦合部分。电感耦合器被配置成提供跨过壁的电感耦合，用于提供至少在第一壳体部分中的第一电连接件和第二壳体部分中的第二电连接件之间的数据通信。

通过提供具有这种电感耦合器的海底壳体组件，可以通过海底壳体的壁建立数据通信，这允许例如更好地密封第一壳体部分。例如，当用于海底传感器时，第一壳体部分可以包括传感器元件，并且壁可以为过程流体压力提供压力屏障，使得压力可以被限制在第一壳体部分内。数据通信可以例如包括模拟或数字传感器值或读数的通信，例如可以包括原始或已处理的传感器数据。

通过提供电感耦合器，不需要提供包括玻璃对金属密封的玻璃穿透器。因此，可以避免与跨过这种穿透器的大压差以及这种穿透器的绝缘电阻降低相关的问题。因此会降低泄漏的风险。此外，由于分离由壁提供，并且不需要穿透器，所以测试标准可仅需要较低的测试压力，从而便于通过包括这种海底壳体组件的相应装置来满足规格。

在实施例中，壁可以是金属壁。在实施例中，由第一壳体部分和壁提供的屏障可以不包括非金属部件。特别地，密封可以通过金属对金属密封件实现，并且可以不包括玻璃对金属密封件。金属屏障的测试压力通常低于非金属屏障所需的测试压力，从而可以实现更安全的密封，并且可以采用较低的测试压力。

在实施例中，壁是配置为抵抗跨过壁的预定最小压差的压力屏障。这样的最小压差可以例如是预期过程压力的至少1.5倍或甚至2.5倍(压差可以相对于零压力或1巴压力或相对于主要海底压力来计算，这取决于第二壳体部分的构造和应用)。

电感耦合器还可以配置为从第二壳体部分中的电连接件向第一壳体部分中的电连接件提供电力。因此，设置在第一壳体部分中的传感器元件可以被供应电力。

在一些配置中，可以提供单个电线用于电力供应和数据通信，例如通过在电力线上提供相应的调制。在其他实施例中，可以提供分开的线，并且可以是相应的电连接件的一部分，例如用于电力供应和数据通信的专用线。在一些实施例中，传感器可以仅是无源传感器，并且只有读取这种无源传感器所需的电力可以通过电感耦合器传输。在其它应用中，可以在第一壳体部分中提供另外的电气和/或电子部件，例如用于操作传感器元件或处理传感器数据。电感耦合器优选地包括提供用于数据通信和电力传输二者的电感耦合的第一和第二耦合部分。在其他实施例中，电感耦合器可以包括另外的耦合部分，例如用于分开地传送电力和通信信号。

在实施例中，第一壳体部分至少包括第一室。该室可以是耐压室，其中当海底壳体组件安装在海底时，保持预定压力，特别是小于10巴、小于5 巴或小于1.5巴的压力。因此，在这种室中可以使用常规的电气和电子部件。室可以填充气体，例如空气或氮气或另外的气体混合物。至少第一耦合部分可以设置在第一室中。第一室可以以液密方式密封。特别地，第一室可以是密封的。

在其他应用中，第一室可以是压力补偿室，其内部压力与环境压力(例如当安装海底时的周围海底压力)平衡。

第一壳体部分可以例如包括传感器组件，传感器组件包括隔膜(例如过程隔膜和传感器隔膜)、传感器元件、介质填充通道等，并且第一壳体部分还可以包括第一压力屏障，第一压力屏障提供在这种介质填充通道和第一室中分布的压力之间的分离。作为示例，过程隔膜可以将过程流体的压力传递到存在于通道中的介质(例如油)，这又将压力施加到传感器元件。因此，如果这种第一压力屏障失效，并且过程流体或过程流体压力被传递到第一室中，则这种流体/压力可以通过构成第二压力屏障的壁限制在第一壳体部分内。

第一壳体部分可以通过金属密封件，特别是金属垫圈密封抵靠金属本体。作为示例，海底壳体组件可以是海底传感器的一部分，并且第一壳体部分可以密封抵靠管部分，例如圣诞树形中的流动管道或管线部分。第一壳体部分可以包括用于将海底壳体组件安装到这种金属本体的安装凸缘。

在实施例中，海底壳体是海底电气装置的海底壳体，并且第一壳体部分可以至少包括第一室，其中，海底电气装置的电气和/或电子部件设置在第一室中。这样的部件可以例如包括用于操作传感器元件或过程传感器数据的传感器电子部件；在其他应用中，例如当与海底控制模块一起使用时，第一室可以包括控制电子器件等。

在实施例中，第二壳体部分至少包括第二室。第二室可以是压力补偿室，其压力平衡于环境压力，特别是当安装海底时平衡于海水压力。通过利用这种压力补偿室，可以容易地进行室的密封，因为跨过室的壁的压差可以保持较低。此外，第二壳体部分的壁因此不需要能够承受相对较高的海底压力，使得可以实现更紧凑和轻便的海底壳体组件。

第二耦合部分可以设置在第二室中。第二室可以填充有(基本上)不可压缩介质，例如液体或凝胶，特别是介电液体。示例是油或Midel(合成酯基液体)。

在实施例中，第二壳体部分包括提供压力补偿的压力补偿器。附加地或可替代地，第二壳体部分可以以介质(特别是油)填充软管的形式连接到海底电缆。可以通过油填充软管对第二室进行压力补偿。作为示例，可以在第二室和介质填充软管的内部容积之间存在流动连通，使得第二室内的压力可以相等。在其它实施例中，可以例如通过膜、波纹管等来提供这些容积之间的分离。

在实施例中，壁是提供第一壳体部分中的第一室与第二壳体部分中的第二室之间的分离的压力屏障。第一室可以是耐压室或压力补偿室，并且第二室可以是耐压室或压力补偿室。优选地，第一室是耐压的，而第二室是压力补偿的，但是应当清楚的是，在其它实施例中，可以在海底壳体组件中设置两个压力补偿室或两个耐压室。作为示例，第二室可以包括穿透器，其在第二室的内部和介质(或油)填充软管之间提供压力屏障。

在实施例中，壁与第一壳体部分的第一壳体本体一体地形成。第一壳体本体可以例如形成为具有开口的金属罐，传感器的一部分通过该开口延伸并且被密封到金属本体，例如管部分等(其中安装了海底传感器)。第一壳体本体可以是单件金属本体。

在其他实施例中，第一壳体部分包括多个壳体部分，并且壳体部分优选地通过金属密封件彼此密封。应当注意，表述“单件金属本体”并不意味着壳体部分不能包括安装到这种单件金属本体的其它元件，而是意味着包括提供压力屏障并且被密封到例如管部分(或第一壳体部分的另一部分)的壁的第一壳体部分的一部分由单件材料一体地形成。因此，可以获得海底壳体组件内的安全和可靠的压力屏障，其可以承受例如在过程流体压力和周围环境压力之间的大到非常大的压差。

在实施例中，第二壳体部分固定地安装到第一壳体部分。作为示例，第二壳体部分可以螺栓连接或焊接到第一壳体部分。因此可以实现第一和第二壳体部分之间的可靠连接。

作为示例，第二壳体部分可以包括具有开口的外壳。第二壳体部分可以附接到第一壳体部分，使得开口被第一壳体部分封闭并密封。开口可以例如由壁至少部分地封闭，跨过该壁提供电感耦合。第二耦合部分可以位于或邻近这样的开口。因此，由于当将第二壳体部分安装到第一壳体部分时，不需要建立电连接，所以可以方便地组装海底壳体组件。

第一和第二壳体部分之间的密封可以由O形环密封件提供，例如两个弹性O形密封件。例如，当第二室是压力补偿腔室时，这种密封件可提供可靠的密封，因为压差相对较低。将第一和第二壳体部分安装在一起通常发生在顶侧，即第一和第二壳体部分可不在海底环境中连接。

在实施例中，电感耦合器的第一耦合部分和/或第二耦合部分由相应的线圈提供。线圈连接到相应的电连接件。作为示例，第二壳体部分中的线圈可以由可以调制用于数据通信的AC电流驱动。所得到的电磁场可以在第一壳体部分中的第一耦合部分的线圈中感应出电流。因此，电力和数据通信信号 (其可以包括控制信号)可以被传送到第一壳体部分中。类似地，可以将调制电流提供给第一耦合部分的线圈，其在第二耦合部分中感应出相应的电流，例如用于传送传感器数据等。

在实施例中，第一耦合部分包括内部线圈，并且第二耦合部分包括外部线圈，反之亦然。外部线圈可以至少部分地围绕内部线圈。壁的至少一部分可以在内部线圈和外部线圈之间延伸。作为示例，壁可以成形为围绕内部线圈延伸，使得其围绕内部线圈至少部分其宽度，并且覆盖内部线圈的一侧。外部线圈可以围绕该壁部分延伸。

在实施例中，第一耦合部分包括第一线圈，第二耦合部分包括第二线圈，并且第一和第二线圈可以布置在壁的相对两侧。线圈可以基本上同轴布置，它们可以同轴布置。

在一些实施例中，第一和第二耦合部分的线圈可以具有基本相同的直径，并且壁可以包括布置在线圈之间的平面壁部分。

优选地，第一耦合部分的线圈是内部线圈，并且第二耦合部分的线圈是围绕内部线圈延伸的外部线圈。

根据本实用新型的另一实施例，提供了包括根据上述任何一种构造的海底壳体组件的海底传感器。海底传感器可以包括设置在第一壳体部分中的传感器元件。第一电连接件可以配置为与传感器元件通信(例如用于传送原始或经处理的传感器数据)。第二电连接件可以配置为提供至少海底传感器的传感器输出。作为示例，来自传感器元件的传感器数据可以经由第一电连接件、电感耦合器和第二电连接件传送到海底传感器的输出端。

如上所述，第一壳体部分可以包括另外的压力屏障，并且传感器元件可以例如布置在其暴露于过程流体的压力的区域中。壳体可以包括第一室(设置在第一压力屏障的后面)，第一室包括与传感器有关的电子器件，并且还包括用于通过电感耦合器提供数据通信的发射器/接收器。

在实施例中，第一室和/或第二室包括用于经由电感耦合器提供数据通信的接收器和发射器，或收发器。

在实施例中，第一壳体部分包括传感器组件，该传感器组件包括在由海底传感器探测的过程流体和第一壳体部分中的第一室之间的第一压力屏障。壁可构成第二压力屏障。因此，如果第一压力屏障失效，则过程流体的压力可以有效地限制在第一壳体部分内。

应当理解，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以用于所示的各种组合，而且可以在其它组合或隔离中使用，而不脱离本实用新型的范围。特别地，应该清楚的是，海底壳体组件可以与海底传感器以外的海底装置一起使用，例如海底电子罐、海底控制单元/模块等。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，本实用新型的上述和其它特征和优点将更加明显。在附图中，相同的附图标记指向相似的元件。

图1是示出了根据本实用新型的实施例的海底壳体组件和海底传感器的示意图。

图2是示出了根据本实用新型的实施例的包括海底壳体组件的海底传感器的示意图。

图3是示出了根据本实用新型的实施例的安装到管部分的海底壳体组件的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本实用新型的实施例。应当理解，仅为了说明的目的给出了对实施例的以下描述，并且不被认为是限制性的。附图仅被视为示意图，附图中的元件不一定相互成比例。相反，选择各种元素的表示，使得它们的功能和一般目的对于本领域技术人员而言是显而易见的。

图1是示出了作为海底传感器200的一部分的海底壳体组件100的示意图。海底壳体组件100包括第一壳体部分10和第二壳体部分20。第一壳体部分10包括第一壳体本体12和第一室11。第二壳体部分20包括第二壳体本体22和第二室21。第一和第二壳体本体12,22分别包括凸缘18,28，第一和第二壳体本体12,22通过凸缘18,28固定地彼此附接。在本示例中，两个壳体部分被螺栓连接在一起。

第一壳体本体12基本上围绕第一室11。特别地，第一壳体部分10包括提供压力屏障的壁30。这允许跨越第一壳体本体12的壁施加高压差。特别地，如图1所示，壁30可以一体地形成，即作为第一壳体本体12的一部分。在这种构造中，在壁30和第一壳体本体12的其余部分之间不需要密封。壁 30提供第一室11和第二室21之间的分离。因此，可以在能够承受高压差(例如超过1,000或甚至2,000巴)的第一和第二室11,21之间提供安全和可靠的密封。

在另一端，第一壳体部分10可以简单地例如通过封闭板等封闭。当海底壳体组件100用于海底罐(例如海底电子罐或控制罐或控制模块)时，可以采用这种构造。在图1的实施例中，海底壳体组件100用于海底传感器200，并且在第一壳体部分10中设置另外的压力屏障(第一压力屏障)17。第一压力屏障17提供第一室11朝向第一壳体部分10的一部分的密封，传感器元件61位于该部分中，并且暴露于高压，例如过程流体的高压。注意，这种暴露可以是例如直接暴露或通过相应的过程隔膜和诸如油等的压力传递流体的间接暴露。

当被实现为如图1所示的海底传感器时，第一室11可以包括传感器电子器件62，例如控制电子器件、数据处理电子器件等。第一室11可以是即使当海底壳体组件100安装在海底位置时，其中保持预定压力的耐压室。这种压力可以是低于10巴的压力，它可以优选地是低于5，甚至低于1.5巴的压力。在第一室11中可有接近于大气压力，第一室可被称为大气室。室11 可以填充有气体，例如氮气，或气体混合物，例如空气或氮气与其他气体的混合物。因此，可以在室11内操作常规的电气和电子部件。

因此，在如图1所示的海底壳体组件的构造中，即使第一压力屏障17 失效，诸如过程流体的高压也可以有效地限制在第一室11内。第一压力屏障17可以例如包括用于与传感器元件61的电连接的馈送通道(feed through)，或者传感器元件61本身可以构造成构成压力屏障。在某些条件下，这种压力障碍可能失效，从而允许高压流体进入室11。由于壁30设置为不包括任何馈送通道，因此可以有效地将压力限制在第一壳体部分10内。

为了提供与第一壳体部分10内的电子部件的数据通信，提供了包括第一耦合部分51和第二耦合部分52的电感耦合器50。第一耦合部分51设置在第一室11中，并连接到电连接件15，电连接15至少提供特别与图1的示例中的传感器元件61或传感器电子器件62的数据通信。第二耦合部分52 设置在第二室21中，并且连接到第二壳体部分20中的第二电连接件25。电感耦合器50提供至少跨过壁30的在第一和第二电连接件15,25之间的数据通信。除了发送数据通信之外，耦合器50还被配置成将电力从电连接件25 传递到电连接件15。

第一和第二耦合部分51,52可以例如被实现为线圈。设置到第二耦合部分52的交流电(AC)可以例如在第一耦合部分51中感应出电流，其为包括在第一壳体部分10中的电气和电子部件提供电力。这样，传感器电子器件62和传感器元件61可以被供电。对于数据传输，可以提供调制。作为示例，施加到线圈52的电流可以被调制，并且这种调制将导致在第一耦合部分51中感应的电流的调制。为此，接收器/发射器56可以设置在第二壳体部分20中并且可以联接到第二电连接件25。单元56可以包括接收器和发射器，并且其可以调制在线路41上接收的控制信号，以经由电感耦合器50进行传输，并且它可以解调从第二耦合部分52接收的信号，以经由线路41进一步传输。注意，发射器/接收器56也可以位于不同的位置，例如在线路41的另一端、顶侧等。

类似地，发射器/接收器55设置在室11中的第一壳体部分10中，并且连接到第一电连接件15和第一耦合部分51。单元55可以例如检测从第一耦合部分51接收的电流的调制，并且可以向传感器电子器件62提供相应的控制信号。单元55可以进一步从传感器电子器件62接收传感器数据，并且可以将这样的传感器数据调制到提供给第一耦合部分51的信号上，使得在第二耦合部分52中感应出电流，该电流被发射器/接收器单元56检测和解调。因此，由传感器元件61记录的数据可以在线路41上传送，而不需要穿过提供二次压力屏障的壁30。

包括第一和第二耦合部分51,52的电感耦合器也可以不同地实现。作为示例，GHz或微波发射器/接收器可以设置为用于跨过壁30发射功率和通信信号。此外，电感耦合器可以包括多个耦合部分，例如一些专用于传输电力，并且其他专用于传输数据通信。优选地，电力和数据通信由相同的耦合部分传输。

当压力通过壁30限制在第一壳体部分10内时，第二壳体部分20的密封变得容易。特别地，第二室21可以是压力补偿室，其压力平衡于周围环境压力，特别是当壳体组件100安装在海底时的海底压力。因此，跨过第二壳体本体22的壁的压差相对较低。在图1的示例中，壳体本体22具有开口，第二耦合部分52位于该开口中。该开口例如通过O形环密封件29密封在第一壳体本体12上。优选提供双重密封。

第二室21可以填充有基本上不可压缩的介质，特别是介电液体或凝胶，例如油等。单元56的电气和电子部件可以适于在这种环境中操作，或者如上所述，单元56可以位于室21外部，例如位于传感器200连接的海底罐内或顶侧。压力补偿可以通过形成海底壳体组件100(未示出)的一部分的专用压力补偿器实现。在其他实施例中，海底壳体组件100可以以填充油的软管的形式连接到海底电缆，其中，这种软管的内部容积填充有介电液体(特别是油)，并且由于软管的灵活性针对周围环境进行压力补偿。第二室21的压力补偿可以经由这种软管进行，例如通过允许在软管的内部容积和室21 之间经由开口26的流动连通，或者通过在开口中提供一些压力传递元件，例如膜或波纹管。

在其它构造中，第二室21可以是耐压室。作为示例，在室21中可以保持低于10巴，优选低于5巴或低于1.5巴的预定压力，例如接近大气压。为此，可以在开口26中设置提供压力屏障的穿透器。由于这种穿透器必须承受海底安装时室21的内部压力和外部海底压力之间的压差，所以压差与当屏障(例如由壁30提供的屏障)暴露于过程流体的压力时可能出现的压差相比相对较低。

第二壳体部分20可以例如包括用于提供到海底电缆的连接的配件或连接器。在其他构造中，诸如控制模块等的另外的单元可以直接安装到海底壳体组件100。

第一耦合部分51和第二耦合部分52可以固定地安装到它们各自的第一或第二壳体本体12,22，它们例如可以被焊接。此外，通过设置电感耦合器 50，可以克服与绝缘电阻有关的问题。特别地，在这种情况下，在由第一和第二壳体本体12,22提供的金属架和相应的耦合部分51,52之间测量绝缘电阻，使得绝缘电阻可以保持较高。特别地，由于不使用玻璃穿透器，所以在高压试验期间也可以保持绝缘电阻。

图2示出了形成海底传感器200的另一实施例的一部分的海底壳体组件 100的另一实施例。因此，上面关于图1给出的说明同样适用于图2的实施例，并且仅在下文中更详细地说明差异。第一壳体部分10设置有用于密封海底装置的密封件19，特别是诸如管部分的金属本体。密封件19优选地以金属密封件(特别是金属垫圈)的形式提供。

在图2的实施例中，第一耦合部分51以内部线圈的形式提供，并且第二耦合部分52以围绕内部线圈延伸的外部线圈的形式提供。两个线圈同轴布置。壁30在第一和第二耦合部分51,52之间延伸。因此，在图2的示例中，壁30是弯曲的并且围绕内部线圈延伸。同样，壁30与第一壳体部分10的第一壳体本体12一体地形成。通过这种配置，可以在保持第一和第二室11,21 之间的有效和可靠的压力屏障的同时实现数据通信和电力的有效传送。

在图2的实施例中，第二壳体本体22具有较小的直径部分，其附接到第一壳体本体12的较大直径部分(凸缘18)。作为示例，第二壳体本体22 可以拧入第一壳体本体12中。在两个壳体本体之间设置有密封件29，其可以是弹性体或金属O形环密封件的形式。开口26具有配件的形式，海底电缆(诸如填充油的软管)的端部可以被拧入或以其他方式附接到该开口中。例如，它可能是MKII配件。安装凸缘16用于将海底壳体组件100安装到另一海底装置，特别是管部分。

在图2中，电连接件15,25以及其他电气和电子部件是为了清楚呈现而省略的。应该清楚的是，这些部件肯定可以存在。

在图3中，示出了作为海底传感器200的实施例的一部分的海底壳体组件100的另一实施例。关于图1和图2进一步给出的说明同样适用于图3的实施例。在图3中，海底壳体组件100安装到以管部分的形式的海底装置80，过程流体流过该管部分。可以看出，通过安装凸缘16，第一壳体本体12被压靠在海底装置80上，并通过可以是金属垫圈的密封件19密封。注意，可以提供两个密封件19以提供双重屏障。

传感器元件61可以例如测量流过管部分的过程流体的温度和/或压力，并且各个读数可以由发射器/接收器55经由电感耦合器50调制和传输。

填充油的软管40的形式的海底电缆安装到第二壳体部分20的端口26。注意，海底电缆可以形成海底传感器200的一部分，并且可以在海底电缆40 的另一端处设置(湿配合或干配合)连接器，用于将传感器200连接到另一海底装置或上侧安装件。在图3的示例中，海底电缆40的管线41直接连接到电连接件25和第二耦合部分52。应当清楚的是，在其他实施例中，可以提供诸如发送/接收单元56的另外的电气和电子部件。再次注意，在一些实施例中，开口26可允许海底电缆40的内部与第二室21之间的流动连通，而在其他实施例中，可以设置为分离。这种分离可以由诸如膜的压力传递元件提供，或者通过允许保持跨过开口26的压差的穿透器来提供。

以上关于海底传感器200中的使用描述了海底壳体组件100，但是应当清楚的是，它也可以用于其它应用中，特别是在压力屏障的完整性重要的情况下，例如用于保护电气和电子部件。这种应用可以包括在海底控制单元中的应用，其中需要确保一个大气室的完整性。其他应用是可以想到的。

虽然本文公开了具体实施例，但是在不脱离本实用新型的范围的情况下可以进行各种改变和修改。本实施例在所有方面都被认为是说明性和非限制性的，并且所附权利要求书的含义和等同范围内的所有改变都将被包含在其中。