CN112013888A - 潜水泵组件和用于操作潜水泵组件的方法 - Google Patents

潜水泵组件和用于操作潜水泵组件的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种潜水泵组件(1)，包括：具有壳体(3)的潜水泵(2)；以及具有气密式密封的机罩(5)的传感器封壳(4)，其中，所述传感器封壳(4)能释放地安装在传感器位置(6)处，所述传感器位置定位于所述潜水泵(2)的壳体(3)的外表面(7)处，其中，潜水泵(2)包括位于壳体(3)内部的初级线圈(8)，并且传感器封壳(4)包括位于机罩(5)内部的次级线圈(9)，其中，所述初级线圈(8)和所述次级线圈(9)被布置成彼此感应耦合，用于当所述传感器封壳(4)被安装在所述传感器位置(6)处时穿过所述壳体(3)和所述机罩(5)而无线传输数据和/或功率。

Description

潜水泵组件和用于操作潜水泵组件的方法
技术领域
本发明涉及一种潜水泵组件和一种用于操作潜水泵组件的方法。
背景技术
WO 2014/154500 A1公开了一种用于检测流体管路中的压力的装置，该装置包括壳体部分，该壳体部分可以连接到流体管路并具有测量通道，用于压力测量的传感器模块被引入该测量通道中，该传感器模块被连接到传送模块，用于无线传输由传感器模块检测到的测量数据，其中，该装置被设计用于通过读取装置对该传感器模块进行外部无线功率供给。壳体部分在其与测量通道相对的端部设有盖子，其中，盖子由塑料制成。该读取装置包括天线。
壳体部分和传感器模块适于维持流体管路中存在的压力，用于检测压力的装置将连接到该流体管路。然而，如果用于检测压力的装置被浸没在液体中，则该装置不适于维持存在的压力。特别地，盖子不适于维持大的压力、由于例如振动或热而产生的机械应力。用于检测压力的装置无法在不中断用于输送流体的流体管路的情况下从流体管路移除。
发明内容
与这种已知的用于检测压力的装置相比，本公开的实施例提供了一种潜水泵组件，该潜水泵组件完全能够维持潜水泵组件将被浸没在其中的流体中存在的大的压力、机械应力和/或热，并且该潜水泵组件能够在潜水泵组件的操作期间在其部件之间提供改进的无线通信。本公开的进一步实施例提供了一种用于操作这种潜水泵组件的方法。
基于用于实现这一点的本公开的基本思想是提供一种潜水泵组件，其包括：潜水泵和气密式密封的传感器封壳(sensor capsule)，其中，传感器封壳能够安装成使得潜水泵的初级线圈和传感器封壳的次级线圈可以在潜水泵与传感器封壳之间有效且无线地传输数据和/或功率。
根据本公开的第一方面提供了一种潜水泵组件，该潜水泵组件包括：
-具有壳体的潜水泵；以及
-具有气密式密封的机罩(hermetically sealed casing)的传感器封壳，其中，传感器封壳可释放地安装在位于潜水泵壳体外表面处的传感器位置处，
-其中，潜水泵包括位于壳体内部的初级线圈，并且传感器封壳包括位于机罩内部的次级线圈，
-其中，初级线圈和次级线圈被布置成彼此感应耦合，用于当传感器封壳被安装在传感器位置处时穿过壳体和机罩而进行无线传输数据和/或功率。
这种潜水泵组件包括潜水部件，这些潜水部件适于维持潜水泵组件将被浸没在其中的液体中存在的压力。气密式密封的传感器封壳可以被安装在传感器位置处，以耦合初级线圈和次级线圈，用于功率和/或数据传送。线圈之间的感应耦合使得气密式密封的传感器封壳成为可能，即，即使处于来自周围液体的压力下，也能防止任何液体进入传感器封壳，并避免由于传感器封壳内部的湿气引起的任何问题。由于潜水泵和传感器封壳之间的感应耦合，可以省去朝向和/或从传感器封壳传送数据和/或功率的任何缆线或线材。
初级线圈位于泵壳体内，并且次级线圈位于传感器机罩内。通过将传感器封壳安装在传感器位置中，初级线圈和次级线圈可以被耦合用于感应功率和/或数据传送。数据和/或功率的传送通过线圈对线圈的布置来完成，其中，一个线圈是位于传感器封壳中的次级线圈，另一个线圈是位于用作主机装置的潜水泵的壳体中的初级线圈。线圈的使用改善了特别是穿过布置在线圈之间的壳体和机罩而进行的功率和/或数据的传输。可以在没有任何物理连接器、缆线、电池和/或打开传感器封壳或拆卸潜水泵组件的情况下实现从传感器封壳和/或向传感器封壳的功率和/或数据传送。
传感器封壳在传感器位置中的可释放安装允许了泵组件的有效维护。特别是，可以在不拆卸潜水泵的情况下更换传感器封壳。
可选地，壳体的内表面可以包括壳体凹槽，其中，初级线圈被布置在壳体凹槽中。这种壳体凹槽允许了初级线圈通过壳体凹槽被定向为朝向传感器位置的有效定位。因此，当传感器封壳被安装在传感器位置中时，初级线圈以优选的方式被定位成与次级线圈耦合。
可选地，机罩的内表面可以包括机罩凹槽，其中，次级线圈被布置在机罩凹槽中。这种机罩凹槽允许了次级线圈的有效定位，使得当传感器封壳被安装在传感器位置中时，次级线圈以优选的方式被定位成与初级线圈耦合。优选地，机罩包括机罩凹槽，并且壳体包括壳体凹槽，以提供线圈的有效对准。
可选地，当传感器封壳被安装在传感器位置中时，初级线圈与次级线圈之间的间距可以小于5mm、优选小于3mm。初级线圈与次级线圈之间的这种间距允许可靠的安装并同时允许初级线圈与次级线圈之间足够的感应耦合。壳体和机罩位于初级线圈与次级线圈之间，并且最小间距为2mm、优选为1mm、甚至更优选为0.5mm，这有利于实现能够维持大的压力和机械应力的耐用的气密式密封的传感器封壳。初级线圈与次级线圈之间的间距优选地与线圈可安装在其中的壳体和机罩中的大致柱体形的凹槽的底部之间的间距一致。
可选地，初级线圈可以具有初级磁轴线，次级线圈可以具有次级磁轴线，其中，当传感器封壳被安装在传感器位置中时，次级磁轴线与初级磁轴线同轴对准和/或平行对准。这允许了初级线圈和次级线圈之间的有效磁耦合，其具有优化的功率和/或数据传送度。有利地，磁轴线的对准可以通过在机罩和壳体中提供大致柱体形的凹槽来有效地实现。
可选地，潜水泵组件可以进一步包括包围传感器封壳的固定构件。固定构件可以优选地帮助传感器封壳在传感器位置中的安装和/或对准。固定构件可以被安装到壳体的外表面，并包括包围部段、例如通道或凹槽，用于包围传感器封壳，特别是在传感器位置处。固定构件保护传感器封壳在泵组件的操作期间、例如在钻孔中免受冲击。
可选地，传感器封壳可以限定从可释放地安装在传感器位置处的第一传感器封壳部分延伸到第二传感器封壳部分的纵向轴线，其中，传感器封壳被固定构件沿周向包围，并且其中，固定构件限定了用于第二传感器封壳部分与环境流体之间的流体连通的通道，潜水泵被配置成浸没在该环境流体中。这限定了传感器封壳和固定构件的优选几何形状。固定构件包括通道，传感器封壳可优选平行于纵向轴线被引导穿过该通道，使得传感器封壳可被安装成其第一传感器封壳部分位于传感器位置处。穿过通道的流体连通可用于改进传感器封壳的传感能力。
可选地，固定构件可以包括过滤器、阻尼元件和/或阻碍部(obstacle)，其被布置在用于第二传感器封壳与环境流体之间的流体连通的通道中，潜水泵被配置成浸没在该环境流体中。流体尤其可以是液体。这种过滤器、阻尼元件和/或阻碍部可用于改进传感器封壳用于执行可靠测量的能力和/或保护传感器封壳免受环境条件的影响。阻尼元件和/或阻碍部可以避免传感器封壳附近的水锤和/或气穴现象。过滤器、阻尼元件和/或阻碍部可以是固定构件的集成元件，或者是可以从固定构件移除的例如用于清洁的单独部分。过滤器、阻尼元件和/或阻碍部保护传感器封壳在泵组件的操作期间在钻孔中免受悬浮在潜水泵组件将被浸没的液体中的颗粒的冲击，并且通过最小化来自潜水泵的潜在温度影响来支持液体温度的有效测量。
可选地，固定构件可以由塑料或复合材料制成，以提供固定构件的低成本的实施例，其可以低成本地制造和安装。固定构件可以包括由除塑料或复合材料之外的材料，例如金属、特别是钢所制成的部段。
可选地，壳体和/或机罩可以包括位于传感器位置处的传送部段，该传送部段包括不锈钢、玻璃和/或金属，其导电率小于107A/(Vm)、优选小于8x 106A/(Vm)、更优选小于2x106A/(Vm)。考虑到传感器封壳一方面被气密式密封，并且另一方面对于电磁耦合足够透明，这种传送部段是有益的。
可选地，壳体和/或机罩可以包括位于传感器位置处的传送部段，该传送部段包括不锈钢、玻璃和/或金属，其相对磁导率低于5、优选低于2。同样，考虑到一方面传感器封壳被气密式密封，并且另一方面对于电磁耦合足够透明，这种传送部段是有益的。
可选地，潜水泵组件可以进一步包括电子控制单元，该电子控制单元被配置为扫描初级线圈操作频率，以在满足功率传送效率高于最小功率传送效率的第一条件和满足信噪比高于最小信噪比的第二条件的频率下操作初级线圈。这改进了传送效率，当安装在传感器位置处时，传送效率可取决于传感器封壳的精确位置。值得注意的是，初级线圈和/或次级线圈的谐振频率提供了优化的传送效率，但是，由于在该频率下的信噪比特别是当从传感器封壳到潜水泵通信时通常太小，这种谐振频率并不能提供功率和/或数据传输的最佳选择。通过对初级线圈操作频率的扫描，可以找到作为足够的传输效率和足够的信噪比之间折衷的更好的频率。具体而言，特别是当潜水泵和/或其任何部件通电时，扫描可以通过相对粗和宽的扫频来执行，该扫频找到最大功率点(mpp)，即功率传送最有效且满足第一条件的频率。随后是对操作频率进行更窄和更精细的搜索，其满足接近且通常低于最大功率点的第二条件。优选地，电子控制单元可以被配置为当重新评估功率传送并发现不满足第一条件和/或第二条件时重复扫描过程。可以在连续、定期或事件触发的基础上重新评估功率传送。
可选地，传感器封壳的机罩可以具有限定纵向轴线的大致柱体的形状，其中，次级线圈限定了平行于机罩纵向轴线的磁轴线，以改进次级线圈与初级线圈的对准以及传感器封壳的定位和对准。传感器封壳可以通过一端部安装在外壳体凹槽中，以便实现纵向轴线和/或第二磁轴线的有效对准。
可选地，传感器封壳可以限定从可释放地安装在传感器位置处的第一传感器封壳部分延伸到第二传感器封壳部分的纵向轴线，其中，第一传感器封壳部分包括传感器电子装置，第二传感器封壳部分包括传感元件。该实施例改进了传感器封壳在传感器位置中的有效安装，使得包括次级线圈的第一传感器封壳部分关联于包括初级线圈的壳体而被安装，以允许初级线圈与次级线圈之间的有效磁耦合。同时，第二传感器封壳部分可以关联于将由传感元件感测其性质的流体而进行布置。
可选地，潜水泵可以具有大致柱体的形状，该形状限定了用于在泵操作期间基本上沿着竖直方向定向的纵向轴线并具有底端部，其中，传感器位置位于潜水泵壳体底端部的外表面处，以允许潜水泵组件的有效安装。
可选地，传感器封壳可以包括位于气密式密封的机罩内部的传感器电子装置，其中，传感器电子装置被配置成产生泵控制命令，例如开/关切换命令或泵速度命令，并且将所述泵控制命令从次级线圈穿过壳体和机罩而无线发送到初级线圈。该实施例改进了潜水泵的控制。潜水泵可以根据潜水泵组件浸没在其中的液体的性质来控制，并且该液体的性质由传感器封壳感测。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于操作潜水泵组件的方法，该方法包括以下步骤:
-在定位于潜水泵壳体的外表面的传感器位置处安装具有气密式密封的机罩的传感器封壳，使得壳体内部的初级线圈和机罩内部的次级线圈被布置成彼此感应耦合；以及
-通过初级线圈与次级线圈之间的感应耦合而穿过壳体和机罩来进行无线传输数据和/或功率。
气密式密封的传感器封壳可以被安装在壳体的外表面上，以能够安装在传感器位置处，从而耦合初级线圈和次级线圈，用于功率和/或数据传送。线圈之间的感应耦合使得气密式密封的传感器封壳成为可能，并且可以省去朝向和/或从传感器封壳传送数据和/或功率的任何缆线或线材。
潜水泵组件的电子装置包括位于泵壳体内的初级线圈和位于传感器机罩内的次级线圈。通过将传感器封壳安装在泵壳体的外表面处，初级线圈和次级线圈可以被耦合用于感应功率和/或数据传送。
可选地，无线传输数据和/或功率的步骤可以包括产生处于0.5kHz至200kHz范围内、优选处于1kHz至100kHz范围内、更优选处于5kHz至50kHz范围内的初级线圈操作频率，以在初级线圈与次级线圈之间提供特别有效的感应耦合，其中，考虑到泵壳体和传感器机罩被布置在初级线圈与次级线圈之间，并且其中，传感器壳体和/或泵壳体可以由导电材料制成。
可选地，该方法可以进一步包括扫描操作频率和找到满足功率传送效率高于最小功率传送效率的第一条件和满足信噪比高于最小信噪比的第二条件的操作频率的步骤。这改进了传送效率，当安装在传感器位置处时，传送效率可取决于传感器封壳的精确位置。扫描操作频率并找到满足第一条件和第二条件的操作频率可以是潜水泵与传感器封壳之间的所谓“握手”部分，并且优选在潜水泵与传感器封壳之间的实际功率和/或数据传输之前。当任何条件不再满足时，可以在潜水泵组件的操作期间重复扫描操作频率和找到操作频率。
可选地，该方法可以进一步包括通过位于传感器封壳的气密式密封的机罩内部的传感器电子装置产生泵控制命令(例如开/关切换命令或泵速度命令)的步骤，并且其中，无线传输数据和/或功率的步骤包括将所述泵控制命令从次级线圈发送到初级线圈泵。该实施例改进了潜水泵的控制。潜水泵可以根据潜水泵组件浸没在其中的液体的性质来控制，并且该液体的性质由传感器封壳来感测。
可选地，安装步骤可以触发从次级线圈向初级线圈上传诸如泵配置或软件更新等数据。因此，可以通过安装传感器将这些数据自动上传至泵。传感器可以例如询问泵是否需要软件更新，并且如果需要的话开始上传更新。
附图说明
现在将参考以下附图以示例的方式描述本公开的实施例，其中：
图1示出了本文公开的潜水泵组件的实施例的局部纵向剖视图；
图2示出了图1的潜水泵组件的放大视图；
图3示出了如图1和2中所示的传感器封壳的半剖立体图；
图4示出了本文公开的传感器封壳的替代实施例的局部半剖立体图；
图5示出了本文公开的潜水泵的替代实施例的局部半剖立体细节图；
图6-8示出了以固定构件的不同实施例公开的潜水泵的不同实施例的局部半剖立体图；
图9示意性示出了本文公开的潜水泵组件的电子装置的实施例；
图10示出了本文公开的传感器封壳的分解和组装实施例的立体图；
图11示出了本文公开的具有脱耦的传感器封壳的潜水泵组件的立体细节图；和
图12示意性地示出了传感器封壳的替代集成方案。
附图标记说明如下：
1 潜水泵组件
2 潜水泵
3 壳体
4 传感器封壳
5 机罩
6 传感器位置
7 可控泵装置
8 初级线圈
9 次级线圈
10 安全构件
11 通道
12 阻碍部
13 电子控制单元
14 传感器电子装置
15 传感元件
20a，20b印刷电路板
21 传感器封壳功率供给装置
22 功率存储装置
23a，23b调制装置
24a，24b解调装置
25 控制接口
26 通信装置
27 功率供给装置
28 功率驱动器
29 信号转换器
30 微控制器
31 外表面
32 内表面
33 壳体凹槽
34 壳体传送部段
35 底端部
36 外壳体凹槽
37 密封元件
41 第一传感器封壳部分
42 第二传感器封壳部分
52 内表面
53 机罩凹槽
54 机罩传送部段
57 密封元件
60 空心体
61 传感电子装置
62 帽
63 O形圈
64 安装构件
66 传感器控制器
67 数据存储装置
100 液体
d 间距
I 初级磁轴线
II 次级磁轴线
A、L 纵向轴线
具体实施方式
图1示出了潜水泵组件1。潜水泵组件1包括具有壳体3的潜水泵2。潜水泵组件1适于被浸没在液体100中，例如水中，特别是淡水和/或海水中。液体100对潜水泵组件1的部件施加压力。潜水泵2和壳体3适于维持由液体100施加的压力，潜水泵组件1浸没或将浸没在该液体中。潜水泵2适于泵送液体100。
潜水泵组件1还包括具有气密式密封的机罩5的传感器封壳4。机罩5的气密式密封确保了传感器封壳4可浸没在液体100中，同时传感器封壳4可维持液体100中的压力，而没有任何液体100进入传感器封壳4和/或引起湿气问题。机罩5完全包围位于传感器封壳4内部中的部件，例如传感器电子装置14和传感元件15。传感元件15可以适于感测以下属性中的至少一个：压力、温度、盐度、pH和/或存在于液体100中的另一种物质的浓度。传感元件15还可以包括加速度计和/或定向传感器。
潜水泵2包括位于壳体3内部的初级线圈8，传感器封壳4包括位于机罩5内部的次级线圈9。初级线圈8和次级线圈9被布置成彼此感应耦合，用于当传感器封壳4被安装在传感器位置6处时，穿过壳体3和机罩5而进行无线传输数据和/或功率。传感器位置6被布置成保证潜水泵2与传感器封壳4之间，即初级线圈8与次级线圈9之间的数据和/或功率的有效传输。在该实施例中，传感器位置6通过壳体3的外表面31处的外壳体凹槽36和/或附接到壳体3的底端部35上的固定构件10而被几何地限定。
壳体3具有内表面32，并且内表面32包括壳体凹槽33，其中，初级线圈8布置在壳体凹槽33中。壳体凹槽33改进了初级线圈8相对于传感器位置6的对准，并改进了初级线圈8在壳体3内部的可安装性。优选地，壳体凹槽33包括具有侧表面和平坦基部的大致柱体的形状，其中，初级线圈8被侧表面沿周向包围并相对于平坦基部对准。也就是说，初级线圈8包括初级磁轴线I，并且磁轴线I垂直于壳体凹槽33的平坦基部。
机罩5具有内表面52，并且内表面52包括机罩凹槽53，其中，次级线圈9被布置在机罩凹槽53中。当传感器封壳4被安装在传感器位置6中时，机罩凹槽53改进了次级线圈9相对于初级线圈8的对准，并且改进了次级线圈9在机罩5内部的可安装性。优选地，机罩凹槽53包括具有侧表面和平坦基部的大致柱体的形状，其中，次级线圈8被侧表面沿周向包围并相对于该基部对准。也就是说，次级线圈9包括次级磁轴线II，并且磁轴线II垂直于机罩凹槽53的平坦基部。
壳体3包括处在壳体3的外表面31处的外壳体凹槽36，以改进传感器封壳4在传感器位置6中的可安装性。优选地，外壳体凹槽36具有与机罩5的形状匹配的形状。例如，如果机罩5具有柱体形形状，外壳体凹槽36也具有柱体形形状，其尺寸使得传感器封壳4可以至少部分地插入外壳体凹槽36中。在传感器位置6中，当传感器封壳4被安装在传感器位置6处时，次级磁轴线II与初级磁轴线I平行对准。这允许在初级线圈8和次级线圈9之间特别有效地传送功率和/或数据。
潜水泵组件1包括固定构件10。固定构件10包括通道11。通道11是成比例的，使得传感器封壳4可以被引导穿过通道11并被安装在传感器位置6处。在传感器位置6处，传感器封壳4被固定构件10包围并由安装构件64支撑。安装构件64有助于将传感器封壳4引导至传感器位置6，并且可以将传感器封壳4锁定在传感器位置6处。安装构件64可以与固定构件10分离，并且可以从允许传感器封壳4运动穿过通道11的贯通通过位置而可运动、即可移动和/或可旋转到将传感器封壳4锁定在传感器位置6处的锁定位置。安装构件64可以由弹性材料制成和/或包括弹簧，特别是用于将传感器封壳4锁定在传感器位置6处。安装构件64可适于将传感器封壳4可释放地安装在通道11内部的传感器位置6处。
壳体3和/或固定构件10包括至少一个紧固构件，该紧固构件适于将固定构件10附接到壳体3的底端部35上。例如，紧固构件可以包括至少一个突出部、凹槽和/或锁定装置，其被布置在壳体3的底端部35处并且适于附接固定构件10。紧固构件可用于促进壳体3和固定构件10的附接和/或改进固定构件10相对于壳体3的对准，使得传感器封壳4可安装在传感器位置6处。紧固构件可适于允许固定构件10和壳体3的可释放安装。密封O形环63被安置在壳体3和/或固定构件10之间。
传感器封壳4能够可释放地安装在位于潜水泵2的壳体3的外表面31处的传感器位置6处。传感器封壳4在传感器位置6处的可释放安装是通过将固定构件10可释放地安装到潜水泵2的壳体3上和/或通过将传感器封壳4可释放地安装在固定构件10的通道11内部来实现的。
潜水泵组件1包括仅示意性示出的电子控制单元13，并且其布置在潜水泵2内部或潜水泵处，例如如图1中所示的壳体3内部或壳体3的外表面31处(未示出)。电子控制单元13被配置为扫描初级线圈操作频率以操作初级线圈8，并参照图9进行详细说明。
传感器封壳4包括位于气密式密封的机罩5内部的传感器电子装置14，从而保护传感器电子装置14免受水和/或机械应力和/或热应力的影响。传感器电子设备14尤其被配置成控制传感元件15的测量并与潜水泵2通信。参考图9详细解释传感器电子装置14。
图2示出了图1的潜水泵组件1的放大视图。
潜水泵2具有大致柱体的形状，其限定了用于在泵操作期间基本上沿着竖直方向定向的纵向轴线A。潜水泵2具有底端部35，并且传感器位置6位于底端部35的外表面31处。底端部35可以被焊接到剩余的壳体3上，以气密式地封闭泵2内部的容积。优选地，底端部35和/或壳体3由金属制成。
传感器封壳4具有大致柱体的形状并限定了从第一传感器封壳部分41延伸到第二传感器封壳部分42的纵向轴线L，其中，第一传感器封壳部分41可释放地安装在传感器位置6处。纵向轴线L平行于次级线圈9的第二磁轴线II并与之重合，以实现改进的传送效率。在传感器位置6处，第二磁轴线II与初级线圈8的初级磁轴线I同轴对准，以确保初级线圈8与次级线圈9之间的有效磁耦合。通过传感器封壳4的纵向轴线L和潜水泵2的纵向轴线A的对准，促进了磁轴线I、II的对准，当传感器封壳4安装在传感器位置6处时，这两个轴线对准。纵向轴线A、L的平行对准由固定构件10和通道11的形状来支持，其中，通道11具有大致柱体的形状，并且当固定构件10附接到潜水泵2上时，限定了平行于潜水泵2的纵向轴线L的纵向轴线。
次级线圈9可以收集从初级线圈8发射的功率，反之亦然。功率传输是通过感应方式来提供的。感应场分别穿过壳体3和机罩5的界面部段34、54。因此，感应场穿过由泵壳体3和传感器机罩5给出的两层。壳体3包括位于壳体凹槽33处的壳体传送部段34。机罩5包括位于机罩凹槽53处的机罩传送部段54。传送部段34、54由例如不锈钢的材料制成，其适于保证传感器封壳4的气密式密封，并允许初级线圈8与次级线圈9之间的有效磁耦合。当传感器封壳4被安装在传感器位置6处时，初级线圈8与次级线圈9之间的间距d小于5mm、优选小于3mm。
图3示出了如图1和2中的传感器位置6中所示的传感器封壳4。传感器封壳4的机罩5优选由不锈钢制成和/或包括由不锈钢制成的部段。传感器封壳4可以包括柔性阻尼元件(未示出)，其布置在次级线圈9与机罩5之间，以吸收由热膨胀、振动和/或压力引起的机械应力，从而避免传感器封壳4的部件中的高应力。
机罩5作为一个部分被制作，其中，几个部段被焊接在一起。机罩5也可以包括几个部分，如图4中所示；例如，当初级线圈8和次级线圈9感应耦合时，一个部分可以构成机罩5的接口部段54，其具有比机罩5的其余部分更低的相对磁导率和/或更低的电导率，以减少穿过接口部段54的电磁场的电磁损耗。
如图3中所示，传送部段54由与机罩5相同的材料制成。为了改进潜水泵2中次级线圈9与初级线圈2的电磁耦合，并且为了促进次级线圈9的对准，机罩5包括机罩凹槽53，机罩凹槽53具有比机罩5的剩余壁厚更薄的壁厚。由于机罩5在机罩凹槽53处的壁厚减小，电磁辐射仅被很差地屏蔽并且次级线圈9与初级线圈9可以有效地感应耦合。
传感器电子装置14或其至少一个部件可以由一个或多个印刷电路板20a、20b构成和/或布置在其上。优选地，印刷电路板20a、20b的尺寸小于传感元件15的尺寸，以允许从一端部组装传感器封壳，从而只需要一个焊缝。通过沿着纵向轴线L朝向第一传感器封壳部分41使次级线圈运动而首先将次级线圈9引入机罩5，直到次级线圈9到达机罩凹槽53，可以组装传感器封壳5。随后，通过沿着纵向轴线L朝向次级线圈9使印刷电路板20a、20b运动，将印刷电路板20a、20b引入机罩5中，使得印刷电路板20a、20b到达由机罩内部的几何形状所限定的位置，并使得印刷电路板20a、20b由传感器封壳4的内表面52支撑。最后，通过将传感元件15附接到第二传感器封壳部分42上，传感器封壳4可以被封闭和气密密封。在该示例中，传感器封壳4包括两个印刷电路板20a、20b。在替代实施例中，传感器封壳4可以包括一个或多于两个的印刷电路板20a、20b。印刷电路板20a、20b在空间上彼此分离，但是彼此电连接。印刷电路板20a、20b、次级线圈9和/或传感元件15也可以被单独组装和测试，以在被引入机罩5中之前和被用于潜水泵组件1中之前获得校准数据集。
图4示出了传感器封壳4的替代实施例，将针对与图1至图3中所示的传感器封壳4的实施例的差异来解释该实施例。机罩传送部段54由不同于机罩5的材料制成。例如，机罩5可以由不锈钢制成，并且机罩传送部段54可以由导电率小于不锈钢的金属、相对磁导率低于5、优选低于2的金属、玻璃、陶瓷和/或其组合制成。机罩传送部段54也可以称为膜片，其确保传感器封壳4的气密密封不受损害，并且当传感器封壳5被安装在传感器位置6中时，保证初级线圈8和次级线圈9的电磁耦合。当传感器封壳4被浸没时，由聚合物制成的机罩5不能起到气密式密封的作用。机罩传送部段54在第一传感器封壳部分41处被布置在柱体形传感器封壳5的顶板中。
为了改进传感器封壳4的气密密封和/或促进传感器封壳4的安装，传感器封壳4可以包括布置在机罩5和机罩传送部段54之间的密封元件57。密封元件57可以由弹性材料制成，以吸收由传感器封壳4和/或潜水泵2的任何部件的振动和/或热膨胀所引起的机械应力。
图5示出了具有固定构件10的潜水泵2的替代实施例，将针对与图1和图2中所示实施例的差异来解释该实施例。壳体传送部段34由不同于壳体3的材料制成。例如，壳体3可以由不锈钢制成，并且壳体传送部段34可以由导电率小于不锈钢的金属、相对磁导率低于5、优选低于2的金属、玻璃、陶瓷和/或其组合制成。壳体传送部段34确保潜水泵2的气密密封不受损害，并且当传感器封壳5被安装在传感器位置6中时，保证初级线圈8和次级线圈9的电磁耦合。壳体机罩传送部段34被布置在壳体3的底端部35处。
为了改进壳体3的气密密封和/或促进壳体3的安装，壳体3可以包括布置在壳体3和壳体传送部段34之间的密封元件37。密封元件37可以由弹性材料制成，以吸收由传感器封壳4和/或潜水泵2的任何部件的振动和/或热膨胀所引起的机械应力。
图6至图8示出了固定构件10的实施例，固定构件10每个被附接到潜水泵2上。周围介质、特别是液体100可以通过一个或多个通道11到达传感元件15。通道11或多个通道11延伸穿过固定构件10。可选地，通道11也可以在固定构件10和底端部35之间延伸。固定构件10包括至少一个阻碍部12，该阻碍部12被布置在通道11中并且实现了传感器封壳4与潜水泵2浸没在其中的流体100之间的流体连通。
在图6中，固定构件10包括安装构件64，该安装构件促进了将传感器封壳4安装在传感器位置6中。阻碍部12保护传感器封壳4免受例如悬浮在液体100中并且可以是可运动的颗粒的影响。在传感器封壳4运动穿过通道直到传感器封壳4到达壳体3底端部35处的传感器位置6之后，安装构件64和阻碍部12可以被放置在通道11中。
在图7中，固定构件10包括位于通道11中的两个阻碍部12。阻碍部12在通道11中彼此沿径向相对地定位，这允许了特别有效地保护传感元件15免受可能存在于潜水泵组件1将被浸没在其中的液体100中的颗粒的影响。每个阻碍部12包括从基本柱体形通道11的侧壁延伸到通道11内部的突出部和垂直于突出部的突起，使得液体100中的颗粒可以沉积在阻碍部12上。在该实施例中，在固定构件10被附接到潜水泵2的壳体3上之前，传感器封壳4可以被插入到通道11中。当固定构件10从壳体3分开时，传感器封壳4可以被拆卸，并且阻碍部12可以被清洁以去除沉积颗粒。
将针对与图7的实施例的差异来描述图8。在图8中，固定构件10包括一个以上的通道11。附加通道被布置成改进传感器封壳4附近的液体100的流动，使得来自传感器封壳4的热可以被传输到液体100。这可以改进操作期间传感器封壳4的冷却，并且当传感器封壳4适于进行温度测量时，这是特别有利的。
图9示出了参照图1至图3解释那样的潜水泵组件1的电子装置的示意图。功率和/或数据通过谐振电路传输，该谐振电路包括潜水泵2的初级线圈8和传感器封壳4的次级线圈9。
潜水泵2包括具有电子控制单元13，其具有功率供给装置27、功率驱动器28、微控制器30、用于控制初级线圈8的线圈驱动器以及具有初级线圈8的串联谐振电路。
功率供给装置27可以是为微控制器30和谐振电路供电的低压功率供给装置，例如5V，<200mA。微控制器30适于通过找到半桥和/或初级线圈8的优化驱动频率来处理启动，使得它匹配用于功率和/或数据传输的谐振电路的优化频率。电子控制单元13被配置为扫描初级线圈操作频率，以在满足初级线圈8和次级线圈9之间的感应功率传输的功率传送效率高于最小功率传送效率的第一条件和满足信噪比高于最小信噪比的第二条件的频率下操作初级线圈8。初级线圈操作频率在0.5kHz至200kHz的范围内、优选在1kHz至100kHz的范围内、更优选在5kHz至50kHz的范围内，用于在潜水泵2和传感器封壳5之间无线传输数据和/或功率。
电子控制单元13包括调制装置23a和解调装置24a，以执行去往和来自传感器封壳4的通信的调制和/或解调，其中，调制装置23a和解调装置24a电连接到微控制器30和初级线圈8上。微控制器30可以包括或电连接到通信装置26，该通信装置形成到控制接口25的接口，例如到诸如控制潜水泵2的电子装置那样的其他装置的UART接口。半桥驱动器适于利用从微控制器30中继的频率来处理谐振电路和初级线圈8的供电。微控制器30可适于运行程序以检测潜水泵2是否干燥运行，即没有任何液体100，和/或适于改进公差补偿，以补偿例如传感器位置6中未对准的传感器封壳4的影响。电子控制单元13包括连接到微控制器30、调制装置23a和解调装置24b的数据存储装置67。数据存储装置67可以存储将从潜水泵2发送到传感器封壳4和/或由潜水泵2从传感器封壳4接收的数据。
传感器封壳4的传感器电子装置14包括传感器封壳功率供给装置21、可选的功率存储装置22、调制装置23b和解调装置24b、传感器控制器66、传感装置15、信号转换器29以及可选地用于存储信息的数据存储器，该信息尤其可以在没有缆线或打开机罩5的情况下被读取和/或写入。
传感器封壳功率供给装置21向传感器电子装置14提供电能，该电能可以从潜水泵2经由初级线圈8和次级线圈9和/或从功率存储装置22传送到功率供给装置21。功率供给装置21使用整流器将可由潜水泵2的功率和/或数据传输所接收的交流电转换成直流电。直流电的电能被存储在电容器中，并被转换成向传感器电子装置14供电的调节电压。
感测装置15通过测量泵组件1将被浸没在其中的液体100的性质来感测模拟信号。模拟信号被引导至信号转换器29，信号转换器将模拟信号转换成数字信号，并将数字信号引导至传感器控制器66。传感器控制器66适于产生命令以通过感测装置15执行测量和/或促进传感器封壳4和潜水泵2之间的通信。
传感器封壳4和潜水泵2之间的通信可以例如通过由调制装置23a、23b将通信信号直接调制到功率传输信号上来实现。例如，这可以通过振幅移位键控(ask)方法、频率移位键控(fsk)、相移位键控(psk)和/或其组合来完成。例如，通过振幅移位键控的通信可以通过以脉冲模式“打开”和“关闭”初级线圈8来实现，即，通过直接调制来自初级线圈8的电磁场发射，以及通过改变传感器封壳4中的谐振电路的谐振部分来实现，这导致跨初级线圈8的电压变化。为了接收和评估接收到的信号，解调装置24a、24b可以解调初级线圈8和/或次级线圈9中的交流电模式，并且微控制器30和/或传感器控制器66可以评估接收到的信号和/或控制命令。可选地，传感器封壳4和潜水泵2之间的通信可以通过其他已知的无线技术来提供，例如蓝牙或其他能够贯穿穿过机罩5和/或壳体3的标准通信技术。
传感器电子设备14被配置用于产生泵控制命令，例如开/关切换命令或泵速度命令，并用于将所述泵控制命令从次级线圈9穿过壳体3和机罩5无线发送到初级线圈8。因此，传感器电子装置14可以用于闭环控制泵操作。传感器电子装置14包括具有次级线圈8的并联谐振电路，可选地包括功率供给装置21、传感器控制器66和ASSP(专用标准产品)模拟前端。并联谐振电路被匹配用于在与电子控制单元13中的串联谐振电路相同的频率上谐振，并使用次级线圈9将所传输的磁场转换成具有交流电的电压。交流电被传感器封壳功率供给装置21转变成调节电压，以向传感器电子装置14的其余部件供给。ASSP模拟前端对来自传感元件15的模拟输出电压进行采样和滤波，传感元件将物理量的测量值转换成可传输给潜水泵2的电压。即使没有通过传感器封壳4执行测量，传感器封壳4也可以用于向潜水泵2提供应用或配置信息，例如，在不需要拆卸潜水泵2的情况下更新潜水泵2的软件。
图10示出了根据本公开实施例的两个传感器封壳4的立体图。图10左侧的传感器封壳4被分解，图10右侧的传感器封壳4处于组装状态。参考图1至3中的附图来解释传感器封壳4。在图10中示出了传感元件15包括传感电子装置61和保护帽62。传感电子装置61电连接到位于印刷电路板20a、20b上的传感器电子装置14。保护帽62由金属例如不锈钢或塑料制成，并被压到机罩5上。保护帽具有允许传感器封壳4将被浸没在其中的液体100围绕传感电子装置61流动的孔，用于精确测量液体性质，例如温度和/或压力。
图11示出了根据本公开实施例的潜水泵组件1的立体图。参照图1至2中的附图来解释潜水泵组件1。潜水泵2的底端部35被焊接到壳体3的侧壁上。底端部35在壳体3的外表面31处包括处于壳体传送部段34处的壳体凹槽33。传感器封壳4包括机罩5，其中，机罩传送部段54由不同于机罩5材料的材料制成。传感器封壳4被引入固定构件10中，并且固定构件10适于被附接到潜水泵2上。当固定构件10被附接到潜水泵2上时，传感器封壳4处于传感器位置6处(未示出)。
图12示出了传感器封壳4的替代集成方案。传感器封壳4可以被集成在潜水泵2中和/或连接到潜水泵，并持续地或根据潜水泵2的要求提供测量信息。传感器封壳4也可以用作单独的单元，并被放置在潜水泵组件1的中空体60上，例如在阀门、管道、管件或与潜水泵2相关的其它地方中。其中，传感器封壳4被定向成其第二传感器封壳部分42朝向中空体60，以对中空体60内部的液体100执行测量。第一传感器封壳部分41朝向潜水泵2定向，并且潜水泵2的电子控制单元13可以控制可控泵装置7，例如用于启动、停止和/或控制液体100的泵送。
在前面的描述中，当提及具有已知的、明显的或可预见的等同物的整体或元件时，这些等同物在此被并入，如同被单独陈述一样。应当参考权利要求书来确定本公开的真实范围，其应当被解释为包括任何这样的等同物。读者还要理解的是，被描述为可选的、优选的、有利的、方便的等的本公开的整体或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。
上述实施例应被理解为本公开的说明性示例。应当理解，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或多个特征结合使用，或者与任何其他实施例的任何组合结合使用。虽然已经示出和描述了至少一个示例性实施例，但是应当理解，对于本领域普通技术人员来说，其他修改、取代和替换是显而易见的，并且可以在不脱离这里描述的主题的范围的情况下进行改变，并且本申请旨在覆盖这里讨论的特定实施例的任何变化或变型。
此外，“包括”不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除复数。此外，已经参考上述示例性实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。方法步骤可以以任何顺序或并行应用，或者可以构成另一方法步骤的一部分或更详细的版本。应该理解的是，在这里所辩解的本专利范围内应该包含作为合理和适当地属于本领域贡献范围内的所有修改。这样的修改、取代和替换可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行，本公开的精神和范围应当由所附权利要求及其法律等同物来确定。

Claims (21)

1.一种潜水泵组件(1)，包括：
-具有壳体(3)的潜水泵(2)；以及
-具有气密式密封的机罩(5)的传感器封壳(4)，其中，所述传感器封壳(4)能释放地安装在传感器位置(6)处，所述传感器位置定位于所述潜水泵(2)的壳体(3)的外表面(31)处，
其中，所述潜水泵(2)包括位于所述壳体(3)内部的初级线圈(8)，并且所述传感器封壳(4)包括位于所述机罩(5)内部的次级线圈(9)，
其中，所述初级线圈(8)和所述次级线圈(9)被布置成彼此感应耦合，用于当所述传感器封壳(4)被安装在所述传感器位置(6)处时穿过所述壳体(3)和所述机罩(5)而无线传输数据和/或功率。
2.根据权利要求1所述的潜水泵组件(1)，其中，所述壳体(3)的内表面(32)包括壳体凹槽(33)，其中，所述初级线圈(8)被布置在所述壳体凹槽(33)中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述机罩的内表面(52)包括机罩凹槽(53)，其中，所述次级线圈(9)被布置在所述机罩凹槽(53)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，当所述传感器封壳(4)被安装在所述传感器位置(6)处时，所述初级线圈(8)与所述次级线圈(9)之间的间距(d)小于5mm、优选小于3mm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述初级线圈(8)具有初级磁轴线(I)，所述次级线圈(9)具有次级磁轴线(II)，其中，当所述传感器封壳(4)被安装在所述传感器位置(6)处时，所述次级磁轴线(II)与所述初级磁轴线(I)同轴对准和/或平行对准。
6.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，还包括包围所述传感器封壳(4)的固定构件(10)。
7.根据权利要求6所述的潜水泵组件(1)，其中，所述传感器封壳(4)限定了从第一传感器封壳部分(41)延伸到第二传感器封壳部分(42)的纵向轴线(L)，所述第一传感器封壳部分能释放地安装在所述传感器位置(6)处，其中，所述传感器封壳(4)被所述固定构件(10)沿周向包围，并且其中，所述固定构件(10)限定了用于所述第二传感器封壳部分(42)与环境流体(100)之间的流体连通的通道(11)，所述潜水泵(1)被配置成浸没在所述环境流体中。
8.根据权利要求7所述的潜水泵组件(1)，其中，所述固定构件(10)包括过滤器、阻尼元件和/或阻碍部(12)，所述阻碍部被布置在用于所述第二传感器封壳部分(42)与环境流体(100)之间的流体连通的通道(11)中，所述潜水泵(2)被配置成浸没在所述环境流体中。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述固定构件(10)由塑料或复合材料制成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述壳体(3)和/或所述机罩(5)包括位于所述传感器位置(6)处的传送部段(34，54)，所述传送部段(34，54)包括不锈钢、玻璃和/或金属，其电导率小于107A/(Vm)、优选小于8×106A/(Vm)、更优选小于2×106A/(Vm)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述壳体(3)和/或所述机罩(5)包括位于所述传感器位置(6)处的传送部段(34，54)，所述传送部段(34，54)包括不锈钢、玻璃和/或金属，其相对磁导率低于5、优选低于2。
12.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，还包括电子控制单元(13)，所述电子控制单元(13)被配置为扫描初级线圈操作频率，用于在满足功率传送效率高于最小功率传送效率的第一条件和满足信噪比高于最小信噪比的第二条件的频率下操作所述初级线圈(8)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述传感器封壳(4)的机罩(5)具有限定纵向轴线(L)的大致柱体的形状，其中，所述次级线圈(9)限定了平行于所述机罩(5)的纵向轴线(L)的磁轴线(II)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述传感器封壳(4)限定了从第一传感器封壳部分(41)延伸到第二传感器封壳部分(42)的纵向轴线(L)，所述第一传感器封壳部分能释放地安装在所述传感器位置(6)处，其中，所述第一传感器封壳部分(41)包括传感器电子装置(14)，并且所述第二传感器封壳部分(42)包括传感元件(15)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述潜水泵(2)具有大致柱体的形状，该形状限定了用于在泵操作期间基本上沿着竖直方向定向的纵向轴线(A)并且具有底端部(34)，其中，所述传感器位置(6)位于所述潜水泵(2)的壳体(3)的底端部(34)的外表面(31)处。
16.根据前述权利要求中任一项所述的潜水泵组件(1)，其中，所述传感器封壳(4)包括位于气密式密封的所述机罩(5)内部的传感器电子装置(14)，其中，所述传感器电子装置(14)被配置为产生泵控制命令，例如开/关切换命令或泵速度命令，并且将所述泵控制命令从所述次级线圈(9)穿过所述壳体(3)和所述机罩(5)而无线发送到所述初级线圈(8)。
17.一种用于操作潜水泵组件(1)的方法，所述方法包括以下步骤:
-在定位于潜水泵(2)的壳体(3)的外表面(31)的传感器位置(6)处安装具有气密式密封的机罩(5)的传感器封壳(4)，使得位于所述壳体(3)内部的初级线圈(8)和位于所述机罩(5)内部的次级线圈(9)被布置成彼此感应耦合；以及
-通过所述初级线圈(8)与所述次级线圈(9)之间的感应耦合而穿过所述壳体(3)和所述机罩(5)来无线传输数据和/或功率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，无线传输数据和/或功率的步骤包括产生处于0.5kHz至200kHz范围内、优选处于1kHz至100kHz范围内、更优选处于5kHz至50kHz范围内的初级线圈操作频率。
19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括扫描操作频率和找到满足功率传送效率高于最小功率传送效率的第一条件和满足信噪比高于最小信噪比的第二条件的操作频率的步骤。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，还包括通过位于所述传感器封壳(4)的气密式密封的所述机罩(5)内部的传感器电子装置(14)产生泵控制命令、例如开/关切换命令或泵速度命令的步骤，并且其中，无线传输数据和/或功率的步骤包括将所述泵控制命令从所述次级线圈(9)发送到所述初级线圈泵(8)。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，安装步骤触发从所述次级线圈(9)向所述初级线圈(8)上传诸如泵配置或软件更新等数据。
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