CN101292410A - 用于确定转动体的位置的可变磁阻位置传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可变磁阻位置传感器和用于确定转动体位置的方法。可变磁阻位置传感器包括被构置成可操作地连接至转动体的可转动构件。可转动构件(192)具有第一非磁性体部分(212)以及彼此等距地设置在第一非磁性体部分(212)的外部区域周围的多个磁体(194，196，198，200)。可变磁阻位置传感器还包括具有第二非磁性体部分的定子组件(210)，该第二非磁性体部分具有贯穿其中的孔，用于在其中容纳可转动构件。定子组件还包括多个线圈(230，232，234)和多个线圈支架(214，216，218)。所述多个线圈中的每个线圈分别连接至所述多个线圈支架中的相应线圈支架。所述多个线圈支架(214，216，218)彼此等距地固定连接至第二非磁性体部分。可转动构件的转动引起所述多个线圈(230，232，234)产生能指示可转动构件的位置的电压信号。

Description

用于确定转动体的位置的可变磁阻位置传感器和方法
背景技术
已经研发出了霍尔效应传感器来检测马达的转动位置。与霍尔效应传感器相关的一个问题是，当在具有较高操作温度(例如350°F)的操作环境中使用霍尔效应传感器时，来自传感器的输出信号可能会变差。
此外，还研发出了测量马达线圈中的反电动势电压以确定马达的转动位置的位置测量电路。与这些电连接至马达的电路相关的一个问题是在较高的操作温度下，电路输出信号具有较低的信噪比，这将不能准确指示马达的转动位置。
因此，发明人在此已经认识到需要一种改进的位置传感器，该传感器与马达电绝缘从而可产生能指示马达的转动位置的信号。
发明内容
根据一个典型实施例，提供了一种用于感测转动体的位置的可变磁阻位置传感器。可变磁阻位置传感器包括被构置成可操作地连接至转动体的可转动构件。可转动构件具有第一非磁性体部分以及彼此等距地设置在第一非磁性体部分的外部区域周围的多个磁体。可变磁阻位置传感器还包括具有第二非磁性体部分的定子组件，该第二非磁性体部分具有贯穿其中的孔，用于在其中容纳可转动构件。定子组件还包括多个线圈和多个线圈支架。所述多个线圈中的每个线圈分别连接至所述多个线圈支架中的相应线圈支架。所述多个线圈支架彼此等距地固定连接至第二非磁性体部分。可转动构件的转动引起所述多个线圈产生能指示可转动构件的位置的电压信号。
根据另一典型实施例，提供了一种使用可变磁阻位置传感器来确定转动体的位置的方法。可变磁阻位置传感器包括被构置成可操作地连接至转动体的可转动构件。可转动构件具有第一非磁性体部分以及彼此等距地设置在第一非磁性体部分的外部区域周围的多个磁体。可变磁阻位置传感器还包括具有第二非磁性体部分的定子组件，该第二非磁性体部分具有贯穿其中的孔，用于在其中容纳可转动构件。定子组件还包括多个线圈和多个线圈支架。所述多个线圈中的每个线圈分别连接至所述多个线圈支架中的相应线圈支架。所述多个线圈支架彼此等距地固定连接至第二非磁性体部分。该方法还包括响应于连接至可转动构件的转动体构件的转动，转动该可变磁阻位置传感器的可转动构件，其中，位于可转动构件上的多个磁体转动经过可变磁阻位置传感器的定子组件的多个线圈，以感应所述多个线圈从而产生电压信号。这种方法还包括使用控制器测量所产生的电压信号以确定可转动构件的位置。
附图说明
图1是根据一个典型实施例的，具有用于从地层获得井壁岩心的取岩心设备的岩心取出系统的框图。
图2是在图1的取岩心设备中使用的转动取岩心装置的一部分的剖视图。
图3是在图1的取岩心设备中使用的转动取岩心装置的一部分的侧视图。
图4是在图1的取岩心设备中使用的转动取岩心装置的一部分的轴测图。
图5是放置在井眼中的转动取岩心装置的示意图。
图6是用于将转动取岩心装置的取岩心工具移动至井眼内所需位置的液压控制系统和液压致动器的示意图。
图7是使用在转动取岩心装置中的取岩心工具的轴测图。
图8是位于井眼中第一操作位置的转动取岩心装置的一部分的侧视图。
图9是位于井眼中第二操作位置的转动取岩心装置的部分的侧视图。
图10是位于井眼中第三操作位置的转动取岩心装置的部分的侧视图。
图11是根据一个典型实施例的，在转动取岩心装置中使用的可变磁阻位置传感器的侧视图。
图12是在图11的可变磁阻位置传感器中使用的转子的轴测图。
图13是图11的可变磁阻位置传感器的剖视图。
图14是图13的可变磁阻位置传感器沿线14-14的剖视图。
图15是图13的可变磁阻位置传感器沿线15-15的剖视图；以及
图16是图1的岩心取出系统中使用的位置感测系统的电示意图。
图17-19是由图11的可变磁阻位置传感器产生的位置信号的示意图。
具体实施方式
参考图1，提供了一种用于从邻近井眼的地层20中获得井壁岩心的岩心取出系统10。岩心取出系统10包括取岩心设备12、起重机14、以及控制器16。
取岩心设备12通过连接至起重机14的钢丝22而放置到地层20的井眼18内的选定深度。该取岩心设备12被构置成用于获取处于预定深度的、邻近井眼18的地层的一部分的至少一个井壁岩心。取岩心设备12包括电动液压部分30、转动取岩心设备32、以及岩心容器部分34。
设置了电动液压部分30以容放用于响应于来自控制器16的控制信号来控制锁臂40、41的延伸和缩回的电元件和电路。特别地，电动液压部分30沿朝外的方向伸出锁臂40、41以在邻近井眼18的井壁处移动取岩心设备12从而获取井壁岩心。交替地，电动液压部分30缩回锁臂40、41以使取岩心设备12移离井壁。电动液压部分30还包括下面将进一步详细说明的液压控制系统40。
参考图1-5，设置了转动取岩心装置32以从地层20获取井壁岩心。转动取岩心装置32包括电动马达50，传动装置52，位置感测系统54，取岩心工具56，液压致动器58、60、轴62、64、引导板66、68，枢轴臂70、72、液压致动器74、76、连接臂78、80、以及岩心弹射轴82。
参考图2，设置了电动马达50来驱动取岩心工具56中的齿轮组从而以多种转动速度中的一种速度转动该转动取心钻130。在一个典型实施例中，电动马达50包括DC电动马达。然而，应当注意，在其它典型实施例中，电动马达50可以包括任何本领域普通技术人员已知的其它马达，比如可变磁阻马达或变换磁阻马达等。电动马达50包括定子(未示出)和转子90，转子90响应于来自控制器16的通信信号以多种转动速度中的一种速度转动。例如，响应于第一预定深度的地层20的预定参数，控制器16可以产生引起电动马达50以第一预定转动速度转动的通信信号。此外，例如，响应于第二预定深度的地层20的预定参数，控制器16可以产生引起电动马达50以大于第一预定转动速度的第二预定转动速度转动的通信信号。如图所示，电动马达50可操作地连接至传动装置52。特别地，马达50的转子90可操作地连接至传动装置52的连接构件100。
参考图2和4，设置传动装置52以从马达50向取岩心工具56中的齿轮组传递扭矩。传动装置52包括壳体部分96、98，连接构件100，驱动轴102，锥齿轮104，以及小齿轮106。壳体部分96、98可操作地联接在一起并限定了用于封装传动装置52的其余部件的内部区域。连接构件100在第一端可操作地连接至马达50的转子90。此外，连接构件100在第二端可操作地连接至驱动轴102的第一端。驱动轴的第二端固定连接至锥齿轮104。因此，转子90的转动引起驱动轴102和锥齿轮104两者的转动。锥齿轮104可操作地连接至小齿轮106。因此，锥齿轮104的转动引起小齿轮106的转动。
参考图4和7，设置取岩心工具56以用于从地层20取出井壁岩心。取岩心工具56包括壳体120，含有齿轮122和齿轮124的齿轮组，可移动板126，一对导销128(示出其中一个)，一对导销129(示出其中一个)以及转动取心钻130。壳体120限定了用于容放齿轮122，齿轮124以及可移动板126的内部区域。当取岩心工具56移动到传动装置52的小齿轮106与齿轮122啮合的操作位置时，小齿轮106的转动引起齿轮122的转动。此外，齿轮122的转动引起齿轮124和转动取心钻130的转动。可移动板128可沿转动取心钻130的轴向移动。如下文将进一步详细说明的，导销128设置在可移动板126的相对两侧，并被设置用于引导转动取心钻130沿直线方向(相对于壳体120向外或向内)移动。如下文将进一步详细说明的，导销129设置在壳体120的相对两侧，并被设置用于引导转动取心钻130沿直线方向(相对于壳体120向外或向内)移动。
参考图5，如上所讨论，转动取岩心装置32包括液压致动器58，60。设置液压致动器58，60用于将取岩心工具56移动到井眼18内的所需操作位置。液压致动器58，60分别构置成用于延伸和缩回活塞轴62，64。此外，轴62，64还分别连接至引导板66，68。
参考图5和7，引导板66，68设置成用于引导取岩心工具56的移动。引导板66包括贯穿其中延伸的凸轮槽140，142。凸轮槽140，142设置成用于在其中容放取岩心工具56的第一侧上的导销128，129。引导板68包括贯穿其中延伸的凸轮槽144，146。凸轮槽144，146设置成用于在其中容放取岩心工具56的第二侧上的导销128，129。
参考图5和8，现在将说明转动取岩心装置32的其余部件。枢轴臂70，72操作地连接至取岩心工具56的壳体120。枢轴臂70具有细长部分160以及U型部分162。细长部分160在第一端连接至壳体120。细长部分160在第二端连接至连接臂78。U型部分162从细长部分160向外延伸，并被构置成用于允许枢轴臂70相对于固定销移动。枢轴臂72具有细长部分164和U型部分166。细长部分164在第一端连接至壳体120。细长部分164在第二端连接至连接臂80。U型部分166从细长部分164向外延伸，并被构置成用于允许枢轴臂70相对于固定销移动。液压致动器74，76分别操作地连接至连接臂78，84，控制取岩心工具56的移动。特别地，液压致动器74，76分别缩回或延伸连接臂78，80以移动取岩心工具56。岩心弹射轴82用于与取岩心工具56内包含的井壁岩心接触，用于当取岩心工具56被放置在如图8中所示的井眼18中的直立位置时，将岩心从取岩心工具56弹射进入岩心容器部分34中。
参考图8，现在将说明用于获取井壁岩心的取岩心工具56的定位。首先，如图所示，取岩心工具56被放置于井眼18内传动装置52下方。参考图6和9，其后，控制器16向液压控制系统40输出命令信号。命令信号促使液压控制系统40引起液压致动器58，60分别推动引导板66，68向上运动，这又使得转动取岩心工具56转动，以使得转动取心钻130从取岩心工具56的壳体120向外移动。特别地，在转动取岩心工具56的第一侧上的导销128，129在凸轮槽140，142内运动。同时，在转动取岩心工具56的第二侧上的导销128，129在引导板68上的凸轮槽144，146内运动。参考图10，当液压致动器58，60推动引导板66，68至预定延伸位置时，传动装置52的齿轮106操作地连接至取岩心工具56的齿轮122，以向齿轮122传递扭矩。此外，连接至可移动板126上的导销128向外推动可移动板126(图10中为向右)以使得转动取心钻130与地层20的一部分接触。此后，控制器16产生通信信号以引起马达50转动该转动取心钻130，从而获取井壁岩心。
参考图13-16，设置了位置感测系统54以产生能够指示马达50的转子90的转动位置的位置信号。所述由位置感测系统54产生的信号被控制器16接收，并且响应于该位置信号，控制器16产生用于控制马达50的操作的通信信号。位置感测系统54包括可变磁阻位置传感器180以及放大电路182。
参考图11-15，可变磁阻位置传感器180被构置成机械地连接至马达50的转子90，以产生能够指示转子90位置的电压信号。可变磁阻位置传感器180的一个在于该传感器不电连接至马达50，因此从由传感器180产生的位置信号中去除了由马达50产生的电噪声。可变磁阻位置传感器180的另一个优点在于当在较高的温度下操作时，该传感器180能够产生准确的位置信号。可变磁阻位置传感器180包括壳体190，转子192，磁体194，196，198，200，202，204，206，208以及定子组件210。
壳体190设置成用于封装可变磁阻位置传感器180的其余部件。壳体190由非磁性材料例如铝制成。
转子192放置在由定子组件210所限定的孔内。转子192基本上为圆柱形并由非磁性材料例如塑料制成。转子192包括从转子192的外表面向内延伸进入转子192的多个第一孔，以在其中容放磁体194，196，198和200。磁体194，196，198和200在沿转子192的第一预定轴向位置绕着轴201彼此间隔90度放置。转子192包括从转子192的外表面向内延伸进入转子192的多个第二孔，以在其中容放磁体202，204，206和208。磁体202，204，206和208在沿转子192的第二预定轴向位置绕着轴201彼此间隔90度放置。磁体202，204，206，和208与磁体194，196，198和200绕着轴201偏置45度。转子192还包括从转子192的第一端向内延伸进入转子192预定距离的孔193。孔193被构置成用于容放马达50的转子90的一端，以将转子192固定连接至转子90。因此，转子192以与马达50的转子90基本相同的速度转动。此外，磁体可以包括稀土元素磁体。
定子组件210包括非磁性体部分212，线圈支架214，216，218，和线圈230，232，234。非磁性体部分212基本为环形，并且具有贯穿其中延伸的、直径大于转子192的外径的孔。换而言之，在转子192的外表面和由非磁性体部分212所限定的内表面之间限定了小空隙。线圈支架214，216，218设置成用于分别在其上固定地保持线圈230，232，234。线圈支架214，216，218被构置成放置在延伸进入非磁性体部分212的外表面内的孔中。线圈支架214，216，218绕着轴201彼此间隔120度放置。此外，线圈支架214，216，218由碳钢制成，以用于把来自转子磁体的磁通量分别集中在线圈230，232，234周围。
现在将说明可变磁阻位置传感器180的操作。传感器180利用当转子192转动时由转子192上的磁体产生的电磁场和由线圈230，232，234响应于移动经过线圈230，232，234的电磁场而产生的电流之间的交互作用。电磁感应的法拉第定律指出，当磁通线相对于导体成直角时，在导体比如线圈中将感应产生电压(比如电磁力EMF)。因此，特别地，当磁体以某速度(w)(每秒弧度)移动经过长度为(L)、匝数为(N)和横截面积为(A)的线圈，并且由磁体生成的磁场(B)均一地成直角经过该导体时，在线圈中感应产生的电压(E)可由下列等式说明：
E＝BNLAw sin(wt)
此外，因为线圈230，232，234彼此间隔120度放置，由转子192上的磁体转动而分别在线圈230，232，234中产生的电压(Ea)，(Eb)，(Ec)可由下列等式说明：
Ea＝BNLAw sin(wt)
Eb＝BNLAw sin(wt-120°)
Ec＝BNLAw sin(wt-240°)
参考图17，示出了表示由线圈230产生的电压(Ea)随时间变化的典型电压波形236。此外，参考图18，示出了表示由线圈232产生的电压(Eb)随时间变化的典型电压波形238。此外，参考图19，示出了表示由线圈234产生的电压(Ec)随时间变化的典型电压波形240。
使用下面的等式确定可变磁阻位置传感器180的转子192的电位置和机械位置之间的关系：
θe＝(Pr/2)＊θm
其中：
θe代表用于磁定向的转子的电角度位置；
θm代表转子192的机械角度位置；以及
Pr代表转子192上的磁体数量。
使用下列等式确定转子192的机械和电速度之间的关系：
ωe＝Pr/2＊ωm
其中：
ωe代表以每秒弧度(或RPM)表示的转子192的电速度；
ωm代表以每秒弧度(或RPM)表示的转子192的机械速度；
参考图16，示出了用于放大电压(Ea)，(Eb)和(Ec)和滤除其中的噪声的放大器电路182。放大器电路182包括微分放大器250，252，254，噪声消除放大器256，258，260，以及导体262，264，266，268，270，272，274，276，278，280，和284。
线圈230通过导体262电连接至放大器250的输入端子。放大器250具有第一和第二输出端子，该第一和第二输出端子分别通过导体264，266电连接至放大器256的第一和第二端子。放大器256的输出端子通过导体268电连接至控制器16。在操作期间，放大器250从线圈230接收电压(Ea)，并在导体264上输出放大后的电压(G＊Ea)，在导体266上输出放大后的电压(-G＊Ea)，其中G对应于预定电压增益。响应于接收电压(G＊Ea)和(-G＊Ea)，噪声消除放大器256输出具有比电压(Ea)小的电噪声的电压(Ea’)。指示转子90的位置的电压(Ea’)由控制器16接收。
线圈232通过导体270电连接至放大器252的输入端子。放大器252第一和第二输出端子，该第一和第二输出端子分别通过导体272，274电连接至放大器258的第一和第二端子。放大器258的输出端子通过导体276电连接至控制器16。在操作期间，放大器252从线圈232接收电压(Eb)，并在导体272上输出放大后的电压(G＊Eb)，在导体274上输出放大后的电压(-G＊Eb)，其中G对应于预定电压增益。响应于接收电压(G＊Eb)和(-G＊Eb)，噪声消除放大器258输出具有比电压(Eb)小的电噪声的电压(Eb’)。也指示转子90的位置的电压(Eb’)由控制器16接收。
线圈234通过导体278电连接至放大器254的输入端子。放大器254具有第一和第二输出端子，该第一和第二输出端子分别通过导体280，282电连接至放大器260的第一和第二端子。放大器260的输出端子通过导体284电连接至控制器16。在操作期间，放大器254从线圈234接收电压(Ec)，并在导体280上输出放大后的电压(G＊Ec)，在导体282上输出放大后的电压(-G＊Ec)，其中G对应于预定电压增益。响应于接收电压(G＊Ec)和(-G＊Ec)，噪声消除放大器260输出具有比电压(Ec)小的电噪声的电压(Ec’)。指示转子90的位置的电压(Ec’)由控制器16接收。
再次参考图1，控制器16设置成用于控制取岩心设备12和起重机14的操作。特别地，控制器16产生控制信号来控制起重机14的操作以将转动取岩心装置32定位在井眼18内的预定深度。此外，控制器16产生控制信号来控制液压控制系统44的操作以在井眼20内对转动取岩心装置32的取岩心工具56进行定向，从而获取井壁岩心。此外，控制器16产生控制信号来控制转动取岩心装置32中使用的马达50的操作以驱动转动取心钻130。此外，控制器16从位置感测系统54接收位置电压(Ea’)，(Eb’)，(Ec’)并使用所述位置电压来控制马达50的操作。
用于确定转动体的位置的可变磁阻位置传感器和方法比其它传感器和方法具有显著的优点。特别地，可变磁阻位置传感器与马达电绝缘，并且可以产生指示马达转子的转动位置的位置信号，而没有来自于马达的太大电噪声。此外，当以较高的温度操作时(例如大于350华氏度)，可变磁阻位置传感器可产生转子的准确位置信号。
上述方法能够以计算机执行的处理和用于实现那些处理的设备的形式来实施。在一个典型实施例中，该方法以由计算机或控制器执行的计算机程序代码来实施。该方法能够以包含指令的计算机程序代码的形式来实施，该代码载于软盘，CD-ROM，硬盘驱动器或任何其它计算机可读取的存储介质等实体介质中，其中，当计算机程序代码被载入控制器中并由控制器执行时，控制器成为用于实现本发明的设备。
这里的术语“第一”，“第二”等不代表任何顺序、数量、或重要性，而是用于将元件彼此区别开，并且这里的术语“一”和“一个”不代表对数量的限制，而是代表存在至少一个相关项目。除非另外定义，否则，本文中所使用的技术和科学术语与本发明所属领域的技术人员通常理解的意义相同。
尽管已参考典型实施例描述了本发明，本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对其元件进行各种改变，并且可进行等同替换。此外，在不背离本发明的本质范围的情况下，可以进行多种修改以使特定情况或材料与本发明的教导相适应。因此，本发明不仅限于作为预期用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括属于后附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种转动位置传感器，包括：
可转动构件，其具有第一非磁性体部分和多个磁体；以及
定子组件，其具有第二非磁性体部分，所述第二非磁性体部分内具有用于容纳可转动构件的孔，所述定子组件还具有多个线圈，所述多个线圈被构置成响应于可转动构件的转动而产生能够指示可转动构件的位置的信号。
2.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述多个磁体包括稀土元素磁体。
3.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述第一非磁性体部分由塑料制成。
4.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述第二非磁性体部分由塑料制成。
5.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述多个线圈支架由碳素钢制成。
6.根据权利要求1所述的转动位置传感器，还包括壳体，该壳体具有用于封装可转动构件和定子组件的至少一个部分的内部区域。
7.根据权利要求6所述的转动位置传感器，其特征在于，壳体由铝制成。
8.根据权利要求7所述的转动位置传感器，其特征在于，壳体具有从壳体的外表面向内延伸进入壳体的对准槽，以用于定位壳体。
9.根据权利要求1所述的可转动位置传感器，其特征在于，可转动构件的第一非磁性体部分具有从第一非磁性体部分的第一端延伸至第一非磁性体部分内的孔，该孔被构置成容纳转动体的一部分以用于将可转动构件固定联接至转动体。
10.一种使用转动位置传感器确定转动体的位置的方法，该转动位置传感器包括可转动构件，该可转动构件具有第一非磁性体部分和多个磁体，可变磁阻位置传感器还包括定子组件，该定子组件具有第二非磁性体部分，该第二非磁性部分内具有用于容纳可转动构件的孔，定子组件还具有多个线圈，该方法包括：
响应于连接至可转动构件的转动体构件的转动，转动该转动位置传感器的可转动构件，其中，位于可转动构件上的多个磁体转动经过转动位置传感器的定子组件的多个线圈，以在所述多个线圈中产生信号；以及
使用控制器测量所述产生的信号以确定可转动构件的位置。
11.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述多个磁体彼此等距地设置在第一非磁性体部分的外部区域周围。
12.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，定子组件还包括多个支架，所述多个线圈中的每个线圈分别连接至所述多个线圈支架中的相应线圈支架，所述多个线圈支架彼此等距地固定连接至第二非磁性体部分。
13.根据权利要求1所述的转动位置传感器，还包括计算机，该计算机被构置成从所述多个线圈中接收信号并基于来自所述多个线圈的信号而产生多个第一信号。
14.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述传感器适合于在井眼环境中操作。
15.根据权利要求1所述的转动位置传感器，其特征在于，所述传感器适合于在高于350华氏度的温度下操作。
16.一种用于控制钻井装置的系统，所述钻井装置具有转动体，包括：
位置传感器，其具有可转动构件和定子组件，所述可转动构件可操作地连接至所述转动体，所述可转动构件具有第一非磁性体部分和多个磁体，所述定子组件具有第二非磁性体部分，所述第二非磁性体部分被构置成用于容纳可转动构件，所述定子组件还具有多个线圈，所述多个线圈被构置成响应于可转动构件的转动而产生能够指示可转动构件的位置的信号；以及
控制器，可操作地与所述位置传感器通信，所述控制器被构置成基于位置传感器的信号而控制所述钻井装置的操作。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述多个磁体包括稀土元素磁体。
18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述第一非磁性体部分由塑料制成。
19.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述位置传感器适合于在井眼环境中操作。
20.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述位置传感器适合于在高于350华氏度的温度下操作。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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