用于经受高工作压力的压力变送器的过程流体压力传感组件的利记博彩app

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【专利摘要】发本明公开了一种压力测量组件。所述组件包括压力传感器安装件，所述压力传感器安装件具有穿过该压力传感器安装件的孔。压力传感器穿过所述孔并被安装到所述孔处。压力传感器具有随外加压力变化的电特性。隔离塞被构造成暴露给过程流体。隔离塞具有被设置成与过程流体接触的隔离膜片。通路以流体连通的方式连接到隔离膜片以通过不可压缩流体将过程流体压力从隔离膜片传送到压力传感器。压力传感器安装件被连接到隔离塞，并且当沿着孔的轴线观察所述压力传感器安装件时该压力传感器安装件具有非圆形形状。
【专利说明】用于经受高工作压力的压力变送器的过程流体压力传感组 件

【背景技术】
[0001] 工业过程控制系统用于监测和控制用于生产或输送流体等的工业过程。在该系统 中，通常重要的是测量诸如温度、压力、流量、液位等的"过程变量"。过程控制变送器测量该 过程变量并将与测量的过程变量有关的信息发送回到诸如中央控制室的中央位置。
[0002] -种类型的过程变量变送器是测量过程流体压力并提供与测量的压力有关的输 出的压力变送器。这种输出可以是过程流体的压力、流量、液位、或可以由测量的压力得出 的其它过程变量。压力变送器被构造成将与测量压力有关的信息发送回到中央控制室。通 常通过二线式过程控制回路提供所述发送，然而，有时也使用其它通信技术。
[0003] 用于压力测量的一种尤其有挑战的环境是具有非常高的工作压力的应用。一种这 样的应用是海底环境。在这种应用中，过程设备被暴露给的静压力可能非常高。此外，过程 流体可能会腐蚀许多公知的金属。例如，当前正在考虑需要20000psi (磅/平方英寸）的 最大工作压力（MWP)的一些海底应用。
[0004] 该考虑通常需要专门的高性能、高成本特殊材料以提供耐用的结构。这种高性能、 高成本、耐腐蚀合金的例子包括从印第安纳州Kokomo的海恩斯国际股份有限公司获得的 Hastelloy?合金C-276或从纽约州New Hartford的特殊金属公司获得的Inconel?合金 625。尽管选择这种特殊合金能够允许过程变量变送器在这样不利的环境中工作，所述特殊 合金确实通常增加整个结构的成本。


【发明内容】

[0005] 本发明公开了一种压力测量组件。所述组件包括压力传感器安装件，所述压力传 感器安装件具有穿过该压力传感器安装件的孔。压力传感器穿过所述孔并被安装到所述孔 处。压力传感器具有随外加压力变化的电特性。隔离塞被构造成暴露给过程流体。隔离塞 具有被设置与过程流体接触的隔离膜片。通路以流体连通的方式连接到隔离膜片以通过不 可压缩流体将过程流体压力从隔离膜片传送到压力传感器。压力传感器安装件被连接到隔 离塞，并且当沿着孔的轴线观察所述压力传感器安装件时该压力传感器安装件具有非圆形 形状。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1是本发明的实施例可以被实践的海底PT(压力/温度）变送器的图解立体图。
[0007] 图2是一般用于图1中示出的探头内的压力传感器模块的图解正视图。
[0008] 图3是用于根据先前技术安装单晶材料压力传感器的传感器安装件的俯视图。
[0009] 图4提供图3所示的传感器安装件的截面正视图。
[0010] 图5是根据本发明的实施例的非圆形传感器安装件的俯视图。
[0011] 图6是图5所示的传感器安装件的图解剖视图。
[0012] 图7是根据本发明的实施例的具有非圆形传感器安装件的隔离塞的俯视图。
[0013] 图8是根据本发明的实施例的压力探头的压力传感组件部分的图解截面图。
[0014] 图9是图8中示出的组件的图解立体图。
[0015]图10是根据本发明的另一个实施例的具有非圆形传感器安装件的压力传感组件 的俯视图。
[0016] 图11是图10中沿A-A线获得的图解截面图。
[0017] 图12是图10所示的压力传感组件的俯视图，但是旋转了90度。
[0018] 图13是图12中沿C-C线获得的图12中所示的压力传感组件的截面图。
[0019] 图14是图11和图13中示出的压力传感组件的图解立体图，其中滤网被移除。
[0020] 图15是图11和图13中示出的压力传感组件的图解立体图，其中滤网被焊接到压 力传感组件上。

【具体实施方式】
[0021] 图1是典型的海底PT (压力/温度）变送器的图解立体图。变送器10包含电子装 置壳体12, API (美国石油研究所）管道法兰14,及压力/温度探头16。探头16插入穿过管 壁的开口并在管中定位一个或两个压力/温度隔离膜片。一般地，这些膜片被定位在管的 内径处，在所述内径处测量过程压力。基于可获得的已知的海底变送器，一般的探头直径变 动范围为36. 5mm到46. 5mm并且所述探头一般由高性能、高成本、耐腐蚀的诸如Hastelloy? 合金c-276或ineonel?合金625之类的合金构建成。这些合金适合海底环境，但是所述合 金一般地增加全部组件的成本。考虑到许多应用中涉及到高压，管道法兰14和电子装置壳 体12的大小一般由探头16的外径决定。探头组件16的关键元件是探头16中的压力密封 舱。压力密封舱一般包含压力传感器和过程流体隔离膜片，所述过程流体隔离膜片接触过 程流体并且将过程流体压力传送到压力传感器而不允许过程流体接触压力传感器。除了压 力传感器，密封舱可以包括温度传感器。密封舱一般地也包括诸如滤网的过程接口，和将过 程压力传送到压力传感器的液压系统（诸如填充流体）。如图1所示，API法兰安装件14 包括8个尺寸能够通过螺栓的螺栓孔，所述螺栓接合管道法兰以将变送器10安装到管道。 考虑到所涉及的压力，法兰14的尺寸和厚度不是薄弱的。
[0022] 图2是一般用于探头16(如图1所示）内的压力传感器模块的图解正视图。传感 器模块20包括滤网22,所述滤网适合暴露给过程流体，并且保护传感器模块20的诸如图8 中所示的隔离膜片64之类的内部元件免受过程流体中微粒和其他固体材料的损害。隔离 塞24被构造成直接暴露给过程流体并物理地将压力传感器26与过程流体隔离，然而依然 能够将过程流体压力输送给压力传感器26。隔离塞24 -般被焊接到传感器主体28的焊接 点30处。隔离塞将过程流体压力输送给压力传感器26而不允许过程流体和压力传感器之 间物理接触的方法是通过使用诸如硅油之类的液压填充流体（也就是不可压缩流体）。液 压填充流体通过填充管32被引入封闭系统，然后所述填充管32被密封。过程流体然后对 隔离膜片的一侧施压，而隔离膜片的另一侧填充着液压填充流体。填充流体然后将压力输 送给压力传感器26。用这种方法，压力传感器26只接触液压填充流体而不会接触潜在地腐 蚀的、热的或在其他方面有挑战性的过程流体。在某些情况下，压力传感器26是能够耐高 压和高温的、小型单晶压力传感器。在某些情况下，这种单晶压力传感器由蓝宝石形成。这 些单晶压力传感器是已知的。例如，美国专利No. 6520020公开了这样一种传感器。对单晶 衬底的压缩导致压力传感器的单晶材料的两层或更多层之间距离的改变。设置在压力传感 器内表面的导体因此可以彼此接近或远离移动从而改变这种导体之间的电容。电容的这种 改变被电子装置壳体12中的合适电路检测到并与压力有关。在许多情况下，单晶压力传感 器也会包含一种温度敏感结构，诸如电阻温度器件。因此，这种小型压力敏感/温度敏感元 件可以形成一种适合相对不利环境的小型的、高度耐用的传感系统。
[0023] 图3是根据先前技术安装单晶材料压力传感器的传感器安装件的俯视图。传感器 安装件34是圆形的并且直径一般为0. 279" (7. 09毫米）。位于传感器安装件34的中心， 狭槽36的大小设置成能够接收具有矩形横截面的单晶压力传感器。当压力传感器如此安 装进狭槽36时，进行铜焊或焊接操作将压力传感器26物理地附接到或以其他方式安装到 传感器安装件34上。
[0024] 图4提供传感器安装件34的截面正视图。图4中，传感器安装件34的高度被标 记为大约〇. 170" (4. 32毫米）。进一步地，所示狭槽36完全延伸通过传感器安装件34。
[0025] 根据本发明的实施例，传感器安装件的形状被修改成非圆形结构，所述非圆形结 构允许更紧凑的传感器安装布置，同时仍然提供异常耐用的传感器安装件。
[0026] 图5是根据本发明的实施例的根据非圆形传感器安装件的传感器安装件的图解 俯视图。传感器安装件40依然包括狭槽或孔36,所述狭槽或孔36的大小和形状被设置成 接收和安装诸如那些当前使用的或以后可以被研发出的单晶压力传感器。然而，当沿着孔 36的轴线观察（也就是图5中所示的向下看穿过孔36)时，传感器安装件40具有非圆形 形状。在一个实施例中，传感器安装件40包括被细长的部分46彼此分开的一对弯曲末端 42、44。用这种方法，传感器安装件40的俯视图类似于椭圆形或竞赛的跑道。在一个实施 例中，椭圆形的宽度大概是0.170" (4.32毫米）并且椭圆形的长度大概是0.279" (7.09 毫米）。尽管与图5相关的所阐述的实施例表明，细长的部分46在弯曲端42,44之间具有 直线，但是只要总体形状是非圆形，细长部分46中的一些轻微的弯曲是允许的。通过背离 圆形，额外的空间被提供给诸如填充管之类的其他元件，所述元件将会在与图7和8相关的 更多细节中得到解释。
[0027] 图6表明如传感器安装件34 -样，传感器安装件40具有完全延伸穿过所述安装 件40的狭槽36并且优选地在一个实施例中具有与传感器安装件34相同的高度0. 170英 寸。
[0028] 图7是根据本发明的实施例的隔离塞的俯视图，隔离塞具有以铜焊或其它方式附 接到其上的非圆形传感器安装件40。传感器安装件40具有安装在其中的压力传感器52。 压力传感器52优选地由诸如蓝宝石之类的单晶材料构建成。压力传感器52通过铜焊接头 或软钎焊接头被安装到传感器安装件40。当这样安装时，传感器安装件40将压力传感器 52配置进压力传感室54内（如图8所示）。过程流体压力通过隔离流体从隔离膜片64被 传送到压力传感器52使得压力传感器52可以检测过程流体压力。优选地，压力传感器52 也包括至少一种温度敏感元件从而所述温度敏感元件也会提供对过程流体温度的指示。填 充流体通过油填充管56被引导进入隔离膜片和压力传感室54之间的空间里。在一种实施 例中，油填充管56沿基本上与安装压力传感器52的孔的轴线平行的方向（也就是坚直地） 从隔离塞50延伸。这为压力传感组件提供十分紧凑的布置。一旦系统被填满油，油填充管 56就被密封使得保持封闭的容积。
[0029] 图8是根据本发明的实施例的压力探头的压力传感组件部分的图解截面图。组件 60包括滤网62或其他合适的结构，滤网62或其他合适的结构设置成靠近隔离膜片64使 得在过程流体中移动的微粒或固体不会物理地接触隔离膜片。然而，滤网62的确包含允许 过程流体通达隔离膜片64的多个孔。当过程流体对隔离膜片64施加压力时，封闭系统中 的填充流体将过程流体压力通过油道66输送给压力传感室54。在一些实施例中，压力传 感室54包括一个或多个油容积插入件68,所述插入件68实质上是不可压缩的并且减少压 力传感室54中所需要的油容积的数量。当填充流体被过程流体加压时，压力传感器52的 相对层基于压力被朝向另一方推动。压力传感器52的相对层的位移造成了层间距离的改 变。设置在该层的内表面的敷金属或导电层形成电容板使得提供具有随外加压力变化的电 容的电容器。
[0030] 如图8所示，压力传感器52被安装到优选地被铜焊到隔离塞50的传感器安装件 40。因此，传感器安装件和隔离塞的特征被结合成单件隔离塞。通过结合特征，传感器主体 28和隔离塞24之间的必备的深熔透焊缝被消除并且组件60的总高度和直径被减小。目前 的过程和材料可以用来将传感器安装件40、压力传感器52和油填充管56铜焊或软钎焊入 隔离塞50。
[0031] 返回参考图7,通过利用非圆形传感器安装件50,结合坚直的油填充管56,两种结 构都可以存在于环形70的周边之内。这允许将组件的外直径减小因此将整个结构最小化， 这也减少了需要用来制造探头的高性能、高成本合金的数量。
[0032] 图9是显示被设置在环形70的周边内的压力传感器52和油管56的压力传感系 统60的图解立体图。此外，滤网62被展示为焊接到隔离塞50的焊接点72处。
[0033] 图10是根据本发明的另一个实施例的压力传感组件80的俯视图。压力传感组件 80与压力传感组件50(如图7所示）有些相似并且相似的元件进行了类似的编号。如图 10所示，组件80包含一对非圆形的压力传感器安装件40,每个所述压力传感器安装件40 具有孔，相应的压力传感器52安装在孔中（当沿着传感器安装件的孔的轴线观察时，例如 如图图10所示，安装件40具有非圆形形状）。另外，压力传感器52大致彼此隔开且另外 布置成相对彼此平行。进一步地，压力传感组件80包括一对油填充管56,所述油填充管56 可以将不可压缩填充流体引入进压力传感组件80中多个不同的封闭流体容积中。
[0034] 图11是沿图10中A-A线得到的压力传感组件80的图解截面图。如所示，压力传 感组件80包含焊接到滤网84的焊接点86处的隔离塞82。隔离塞82的远端88具有一对 隔离膜片90、92,所述隔离膜片90、92大致彼此对齐但在横向于该隔离膜片的各自平面的 方向上彼此分隔开。每个隔离膜片90、92被连接到将过程流体压力传送到压力传感器52 的各自的油道94、96。在一些实施例中，每个压力传感器52也包括温度敏感元件。另外，在 图11所示的实施例中，每个膜片90、92和滤网84之间存在显著的间隙以最小化或减小水 合物（固体）堆积和影响隔离膜片90、92的运动的可能性。
[0035] 每个压力传感器安装件40优选地铜焊到隔离塞82。进一步地，每个压力传感器 52优选地软钎焊到或以其他方式附接到所述压力传感器的各自的传感器安装件。当整个压 力传感组件80完成时，所述压力传感组件80可以优选地通过在界面处或表面98处焊接连 接到或以其他方式附接到探头。
[0036] 图12是图10所示的压力传感组件80的俯视图，但是旋转了 90度。
[0037] 图13是沿图12中C-C线得到的如图12所示的压力传感组件的截面图。特别地， 图13中所示的截面图是沿图12中的C-C线得到的，所述C-C线自图10中A-A线旋转90°。 图13显示每个填充管56,所述填充管56连接到隔离塞82并且通过油道100输送油以填充 每个不同的油填充系统。一旦这种系统被填满，每个油管56被关闭或以其他方式密封使得 施加在相应的隔离膜片上的过程流体压力被传送到各自的压力传感器。图10-13所示的多 压力/温度测量实施例允许提供冗余压力测量。然而，在一些实施例中，可以基于由多压力 /温度传感器测量的压力间的不同来测量差压。
[0038] 图14是示出的压力传感组件80的图解立体图，其中滤网84被移除。从图14可 以看出，隔离膜片92是圆形的并且包括许多环形波纹。另一个隔离膜片优选地实质上与隔 离膜片92相同。图14也示出安装在所述压力传感组件80的各自的传感器安装件40内的 一对压力传感器52。仍然进一步地，设置了一对油填充管56,并且所有这些元件可以设置 到环形70的周边内。
[0039] 图15是示出的压力传感组件80的图解立体图，其中滤网84在焊接点86被焊接 到压力传感组件上。根据本发明的实施例的压力传感组件80的外直径，基于最大工作压力 (MWP) 20000psi(磅/平方英寸）和合适的隔离塞材料，可以小至0.98" (24. 9毫米）。图 15也示出了在焊点86附近钻过或以其他方式通过滤网84的多个孔88。孔88允许气体逃 逸并消除可以影响压力测量的任何"死端"。
[0040] 如前所述，本发明的实施例总体上提供了小直径压力密封舱，通过独特的传感器 安装件和隔离塞几何结构所述小直径压力密封舱适合于海底变送器使用。探头的长度可以 通过应用改变并且一般地由高性能、高成本的材料构建成。压力密封舱是探头组件的关键 元件并且因此决定外直径。减小压力密封舱和探头的大小及直径有利于减小海底压力变送 器的整体大小和成本。减小探头直径的机会将通过减小需要用来制作器件的高成本耐腐蚀 合金（CRA)材料的数量以减小压力变送器的成本。进一步地，器件的总重量也将减小。最 终地，本发明的实施例将使超过标准的2 1/16"直径API管道法兰的其他过程连接件能够 用于一些产品和/或应用。
[0041] 尽管已经参照优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将认识 至IJ，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和细节上进行改变。例如，具有 对隔离塞相对小的修改，滤网可以替换为标准过程连接器并且用于附加的应用或环境。另 夕卜，通过本发明的实施例使具有相对小的直径的探头成为可能，探头可以用于能沉入水中 的用于地下水或废水应用的压力变送器。进一步地，当本发明的实施例提供一对双平面的 隔离膜片（如图11所示）时，本发明的实施例可以在隔离膜片是共面的情况下实践。
【权利要求】
1?一种压力测量组件，包括： 压力传感器安装件，所述压力传感器安装件具有穿过该压力传感安装件的孔； 压力传感器，所述压力传感器穿过所述孔并被安装到该孔处，所述压力传感器具有随 外加压力变化的电特性；和 隔离塞，所述隔离塞被构造成暴露给过程流体，所述隔离塞具有被设置成接触过程流 体的隔离膜片、和通路，所述通路以流体连通的方式连接到隔离膜片以通过不可压缩流体 将过程流体压力从隔离膜片传送到压力传感器； 其中所述压力传感器安装件连接到隔离塞，并且当沿着孔的轴线观察所述压力传感器 安装件时该压力传感器安装件具有非圆形形状。
2. 根据权利要求1所述的压力测量组件，进一步包括填充管，所述填充管连接到隔离 塞并被构造成将不可压缩流体引入通路。
3. 根据权利要求2所述的压力测量组件，其中所述填充管被安装到隔离塞并且沿着与 所述孔的轴线大致平行的方向从隔离塞延伸。
4. 根据权利要求1所述的压力测量组件，其中所述压力传感器安装件被铜焊到隔离 塞。
5. 根据权利要求1所述的压力测量组件，进一步地包括设置在所述隔离膜片之上的滤 网。
6. 根据权利要求5所述的压力测量组件，其中所述滤网被焊接到隔离塞。
7. 根据权利要求1所述的压力测量组件，其中所述压力传感器由单晶材料形成。
8. 根据权利要求7所述的压力测量组件，其中所述单晶材料是蓝宝石。
9. 根据权利要求1所述的压力测量组件，进一步地包括至少一个不可压缩的容积插入 件，所述容积插入件靠近压力传感器的一部分定位并设置在不可压缩流体中。
10. 根据权利要求1所述的压力测量组件，其中所述组件被嵌入压力探头中并且是压 力变送器的一部分。
11. 根据权利要求1所述的压力测量组件，其中所述压力传感器进一步包括至少一个 温度敏感元件，所述温度敏感元件被设置成提供过程流体温度指示。
12. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述隔离塞由耐腐蚀合金形成。
13. 根据权利要求12所述的压力测量系统，其中所述耐腐蚀合金是C276。
14. 根据权利要求12所述的压力测量系统，其中所述耐腐蚀合金是因科镍合金 (Inconel)625。
15. 根据权利要求1所述的压力测量系统，其中所述非圆形形状基本上是椭圆形。 16?-种压力测量组件，包括： 第一压力传感器安装件，所述第一压力传感器安装件具有穿过该第一压力传感器安装 件的第一孔； 第一压力传感器，所述第一压力传感器穿过所述第一孔并被安装到该第一孔处，所述 第一压力传感器具有随外加压力变化的电特性； 第二压力传感器安装件，所述第二压力传感器安装件具有穿过该第二压力传感器安装 件的第二孔； 第二压力传感器，所述第二压力传感器穿过所述第二孔并被安装到该第二孔处，所述 第二压力传感器具有随外加压力变化的电特性；以及 隔离塞，所述隔离塞被构造成暴露给过程流体，所述隔离塞具有被设置成接触过程流 体的第一隔离膜片，并且所述隔离塞包括第一通路，所述第一通路以流体连通的方式连接 到第一隔离膜片以通过不可压缩流体将过程流体压力从第一隔离膜片传送到第一压力传 感器；所述隔离塞也具有被设置成接触过程流体的第二隔离膜片，并且所述隔离塞包括第 二通路，所述第二通路以流体连通的方式连接到第二隔离膜片以通过不可压缩流体将过程 流体压力从第二隔离膜片传送到第二压力传感器； 其中所述第一压力传感器安装件和第二压力传感器安装件被连接到隔离塞，并且当沿 着第一孔的轴线观察所述第一压力传感器安装件和第二压力传感器安装件时该第一压力 传感器安装件和第二压力传感器安装件具有非圆形形状。
17. 根据权利要求16所述的压力传感器组件，其中所述第一和第二隔离膜片是圆形 的。
18. 根据权利要求17所述的压力传感器组件，其中所述第一和第二隔离膜片在轴向方 向上彼此间隔开。
19. 根据权利要求18所述的压力传感器组件，其中所述第一和第二隔离膜片彼此对 准。
20. 根据权利要求16所述的压力传感器组件，进一步包括连接到隔离塞的滤网，并且 其中所述每个隔离膜片和滤网隔开。
21. 根据权利要求20所述的压力传感器组件，其中所述滤网包括邻近与隔离塞的界面 布置的多个孔。
22. 根据权利要求16所述的压力测量组件，进一步包括： 第一填充管，所述第一填充管连接到隔离塞并被构造成将不可压缩流体引入第一通 路；和 第二填充管，所述第二填充管连接到隔离塞并被构造成将不可压缩流体引入第二通 路。
23. 根据权利要求22所述的压力测量组件，其中所述第一填充管和第二填充管沿着与 孔的轴线基本上平行的方向从隔离塞延伸。
24. 根据权利要求22所述的压力测量组件，其中所述压力测量组件具有大概0.98"或 更小的直径。
25. 根据权利要求16所述的压力测量组件，其中所述第一压力传感器和第二压力传感 器各自由单晶材料形成。
26. 根据权利要求16所述的压力测量组件，其中所述非圆形形状基本上是椭圆形。
【文档编号】G01L9/12GK104515546SQ201410363633
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】尼克拉斯·约翰·海伍德 申请人:罗斯蒙特公司