CN102007328A - 具有磁式角度传感器的阀致动器和包括该传感器的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种包括磁式角度传感器的阀致动器。所述磁式角度传感器可作为绝对位置编码器使用。所述磁式角度传感器也可作为增量位置编码器使用。所述磁式角度传感器可产生角速度数据。所述磁式角度传感器可用于直角回转和单回转的旋转阀致动器。所述磁式角度传感器也可用于多回转的旋转阀致动器，以及可用于线性阀致动器。

Description

具有磁式角度传感器的阀致动器和包括该传感器的系统
优先权声明
本申请要求2008年1月30日提交的、标题为“Valve Actuators Having Magnetic Angle Sensors and Systems Including Same”的美国专利申请12/022,992的提交日的权益。
技术领域
本发明的实施例总体而言涉及阀致动器，尤其涉及具有磁式角度传感器的阀致动器，使用磁式角度传感器的方法，以及包括磁式角度传感器的系统。
背景技术
阀致动器用于操作阀，其被制成多种形状、尺寸和结构，并且具有各种广泛的用途。通常，阀致动器的操作者需要了解阀的确切位置。绝对式编码器和增量式编码器已经被应用于阀致动器，以确定阀的位置。所述编码器通过监测阀致动器的位置来确定阀的对应位置。
绝对式编码器为阀致动器的每个位置使用唯一的标识。绝对式编码器通常使用单个码盘或者多个码盘，所述码盘随着阀致动器移动到不同的位置而转动。绝对式编码器的单个或多个码盘上具有记号，这些记号的不同组合为阀致动器的每个位置提供了唯一标识。所述唯一标识随时被分析，用于确定阀致动器的位置。
另一方面，增量式编码器则不具有对应于阀致动器每个位置的唯一标识。相反，增量式编码器监测阀致动器中相对于某个随机起始点(例如阀的全闭合位置)的变化。增量式编码器也称作相对式编码器，通常是单个码盘，码盘边缘环绕着一系列相同的记号。随着码盘转动，每当其中一个记号经过一点时，位置上的一个变化就被记录下来。由于这些记号记录在计算机的存储器中，因此就可以知道阀致动器的位置。
绝对式编码器的优点在于，如果断电，位置信息也不会随之丢失。重新上电后，可以分析所述的唯一标识来确定位置信息。如果增量式编码器的计算机存储器断电，则位置信息会丢失。然而，绝对式编码器相对于增量式编码器而言更容易受损，不耐用且难以对准。
发明内容
本发明的一个示例性实施例涉及一种阀致动器，包括至少一个可转动部件和构造成与所述至少一个可转动部件一起使用的磁式角度传感器。
本发明的另一个示例性实施例涉及一种确定阀致动器位置的方法。所述方法包括使安装在阀致动器中的磁式角度传感器的电输出与阀致动器输出轴的位置相关联。所述传感器被赋能以从其产生电输出。所述输出轴的位置通过所述传感器的电输出来确定。
本发明的又一个示例性实施例涉及一种阀系统。所述阀系统包括阀和可操作地与所述阀耦接的阀致动器。所述阀致动器包括至少一个可转动部件和可操作地与所述至少一个可转动部件耦接的磁式角度传感器。
附图说明
虽然本说明书所附的权利要求书已特别指出并清楚地声明了本发明的范围，然而通过以下结合附图对本发明进行的描述，将使本发明的实施例更为明确。附图中：
图1示出了磁式角度传感器的一个实施例；
图2示出了包括磁式角度传感器实施例的阀致动器的一个实施例；并且
图3示出了包括磁式角度传感器实施例的阀致动器的一个实施例。
具体实施方式
本发明的实施例总体涉及一种阀致动器。更特别地，本发明的实施例涉及具有磁式角度传感器的阀致动器，使用磁式角度传感器的方法，以及包括磁式角度传感器的系统。
以下将参考附图，所述附图不必是成比例的。
图1示出了磁式角度传感器100的一个示例性图示。磁式角度传感器100可以是本领域已知的任一种磁式角度传感器。磁式角度传感器100可以包括磁体10、电路20和印刷电路板30(PCB 30)。磁体10可以是双极圆柱磁体。磁体10可以实际上不和电路20接触。磁体10可以和电路20集成在单一的封装中；或者替代性地，磁体10也可以在电路20的任何封装之外。电路20可以通过惯用方式安装在PCB30上。PCB 30也可以是任选的。磁式角度传感器100还可以包括磁式角度传感器所通常包括有的其他部件。
磁体10产生磁场12且可以围绕轴线15转动。电路20可用于监测磁场12并根据磁场12的位置确定磁体10的转动位置。
电路(传感器芯片)20可以包括霍尔传感器阵列，这些传感器在其水平面内对着磁场的径向。磁体10布置为使其南/北轴线平行于传感器的水平面。所述传感器将所受磁场的角度和内置参考角度进行对比，并且以数字的方式给出360度方位上的角度差。磁场角度传感器芯片实际上是一组极小的霍尔传感器，这些霍尔传感器沿径向排列，从而使得电路20中的电子元件能够分析来自每个传感器的信号的相对强度以确定其所在磁场的方向和大小。在典型的操作中，和磁场一致的霍尔传感器将具有最强的信号。垂直于磁场的霍尔传感器将具有最弱的信号。知道每个霍尔传感器摆放的物理角度，就能够确定磁场的角度。对于低分辨率的结果，可以简单地确定哪个传感器提供了最强信号，并将该传感器的物理角度位置作为磁场的角度而报告。在一个特定实施例中，为了更高的精度，可以将来自所有传感器的信号进行矢量相加，这样就允许对磁场的方向进行插值以得到位于传感器实际物理摆放位置之间的值。当磁场强度高于给定的阈值水平时，所报告的角度将和磁场强度不会有实质性的差别，因为它只对所受磁场的相对角度敏感。在另外的实施例中，磁场12可以在电路20的每个传感器中产生电压，称为霍尔电压。因此，电路20可以绝对地指示磁体10的位置。以下将要讨论的阀致动器可以进而转动磁体10。因此，磁体10的位置可以用于指示阀致动器的位置。
电路20可以包括磁致电阻传感器。在该实施例中，电路20可以测量电阻效应。磁场12的角度可改变电路20中导体的电阻。于是阻值的变化将和磁场的角度相关联。电路20所受的磁场12的角度可根据磁体10的转动位置而改变。因此，阻值可用于确定磁体10的转动位置。不过，电阻也可不受磁场12方向的影响。因此，可以测量180度角或者磁体10的半周旋转，每个角度具有一个唯一阻值。所述的唯一阻值可用作为磁体10位置的唯一标识。如果磁体10的转动被限制为旋转半周，那么就可以知道磁体10的位置，进而，磁体10的位置就可以用来指示阀致动器的位置。
如图2所示，阀致动器200可以包含磁式角度传感器100。阀致动器200可以包括一个或多个可转动部件。磁式角度传感器100可以和任意的可转动部件一起使用。如图2所示，磁式角度传感器100可以和输出轴270一起使用。
阀致动器200可以包括本领域已知的任一种阀致动器。图2示出了简化的示例性阀致动器200。图2没有示出完整的阀致动器。为简化叙述，本领域已知的部件，例如外壳、原动机、控制器、显示器、离合器等都没有表示出来。阀致动器200可以设计为手动操作、电动操作、气动操作或液压操作。阀致动器200可以包括输入轴240。输入轴240的一端可以外接小齿轮250。小齿轮250可以设置为和齿轮260配合。齿轮260进而可以外接输出轴270。
输入轴240可以连接本领域已知的任一种阀致动器驱动机构。输入轴240可以包括本领域已知的任一种阀致动器输入装置。输入轴240可以设计为转动或直线运动。例如，输入轴240可以和手轮或者电动机连接。图2示出了单根输入轴240；然而，也可以具有多根输入轴240。例如，当阀致动器200包括允许电动机或手轮都能够驱动阀致动器200的离合器时，就可具有两根输入轴240。输入轴240可以垂直于或平行于输出轴270，或者可以与输出轴270在同一直线上或与输出轴270是同一根轴。在一个替换实施例中，输出轴可以驱动单个编码器轴，不论其是否由电动机或手轮驱动。
小齿轮250和齿轮260可以包括已知用于阀致动器的任意类型的齿轮布置结构。小齿轮250和齿轮260可以包括多个齿轮、轴、带轮、皮带或任何把机械能从输入轴240传递到输出轴270的其他装置。小齿轮250和齿轮260只是如何把机械能从输入轴240传递到输出轴270的一个示例。
输出轴270可以包括本领域已知的任一种阀致动器的输出装置。输出轴270可以设计为用于转动或直线运动。输出轴270可以设计为操作直角回转阀、单回转阀、多回转阀或线性阀。仅作为一种示例，输出轴270可以包括实心轴。所述实心轴可以设计为与阀的阀杆耦接在一起，例如直角回转阀或是单回转阀。输出轴270(此处为实心轴)的转动然后就会带动阀杆转动。在另一个示例中，输出轴270可以包括驱动空心轴或输出驱动组件。驱动空心轴可以和多回转阀一起使用。驱动空心轴可以包括驱动管、轴承、蜗轮和编码器锥齿轮。驱动空心轴还可以包括离合机构。直角回转、单回转和多回转阀致动器都可以使用驱动空心轴。驱动空心轴的中心可以包括外部带键的内螺纹的阀杆螺母或是内/外都带键的扭矩螺母。两种螺母都可以容纳阀杆并对其施加力从而使阀运动。驱动空心轴可以和阀杆螺母接合，而阀杆螺母又设计为和阀杆的螺纹接合。于是，输出轴270(此处为驱动空心轴和阀杆螺母)的转动可以升高或降低螺纹阀杆。
磁体10可以用本领域已知的任何手段附接到输出轴270。替代性地，电路20也可以附接到输出轴270。磁体10与输出轴270的附接仅是磁式角度传感器100可如何构造成和输出轴270一起使用的一个例子。在又一个实施例中，多个传感器芯片可以和旋转轴上的单个磁体轴向对准，其中一个传感器安装在PCB 30的磁体侧，其他传感器安装在其PCB 30的远侧。在一个替换实施例中，带有两种不同的霍尔传感器阵列的单个电路20可以和旋转轴上的单个磁体10轴向对准，其中电路20安装在其PCB 30的任意一侧上。本领域已知的任一种配置磁式角度传感器的方法都适用于本发明。
附图没有示出磁式角度传感器100的任何封装。磁式角度传感器100可以设计为把磁体10包含在电路20的同一封装内。替代性地，磁体10也可以在电路20的任何封装之外。磁体10可以在电路20之上或之下(从PCB 30在电路20下面这个角度来看)。所述磁体可以置于和输出驱动空心轴直接耦接的轴的末端。所述磁体可以结合至轴，或者它可以被包括在电路板组件之内，这样当电路板置于轴上时，磁体就自动地和轴上的键附着在一起。应能理解，电路板和磁体之间不要求有物理接触。
磁式角度传感器100可以包括市售的传感器，或者可包括用户定制的传感器。用于本发明的合适的磁式角度传感器100包括奥地利微系统(Austriamicrosystems)的AS5045和雷尼绍(Renishaw)的AM8192。
磁式角度传感器100可以和阀致动器200一起使用，以产生输出轴270的绝对位置数据。根据前面所述的霍尔传感器的实施例，电路20能指示磁体10的绝对位置。输出轴270可以限制在单周或者更少的旋转之内，这样就可以利用磁体10的转动位置来指示输出轴270的转动位置。
磁式角度传感器100可以和阀致动器200一起使用，以产生输出轴270的增量位置数据和角速度。当电路20由于磁体10位置的变化而发生变化(例如不论是霍尔电压或电阻系数的变化)时，计算机存储器内的计数器就会增加计数。因此，输出轴270可以转动超过一周，而磁式角度传感器100仍能追踪输出轴270的转动位置。电路20的变化率也可以被追踪，以确定磁体10的角速度，由此确定输出轴270的角速度。通过磁式角度传感器来产生增量数据的方法是本领域已知的。
磁体10可以附接到阀致动器200的任何可转动部件。例如，如图3所示，副轴290可以转动磁体10(磁式角度传感器100的其他部分未示出)。副轴290可以由输出轴270驱动。输出轴270可以驱动齿轮280，齿轮280进而又可驱动小齿轮292。小齿轮292和齿轮280可以包括已知用于阀致动器的任何类型的齿轮布置结构。小齿轮292和齿轮280可以包括多个齿轮、轴、带轮、皮带或任何把机械能从输出轴270传递到副轴290的其他装置。副轴290与齿轮280及小齿轮292一起可以被设计为降低、提高或保持输出轴270的转速。例如，副轴290可以设计成使得当磁体10转动一周时，输出轴270需要转动数周。本领域已知的任何操作旋转编码器的方式都可用于把输出轴270的运动转化为磁体10的旋转运动。齿轮280、小齿轮292和副轴290仅代表了可如何将机械能从输出轴270传递到磁体10的一个例子。另外，磁体10还可以附接到输入轴240。在阀致动器200上也可以使用多个磁式角度传感器。
如上所述，阀致动器200可以包括本领域已知的任何阀致动器。阀致动器200可以是本领域已知的任何阀系统的一部分。例如，阀致动器200可以包括直角回转或单回转的旋转阀致动器。在这些实施例中，磁式角度传感器100可充当绝对位置编码器。相比典型的光盘型单回转编码器，磁式角度传感器100较不容易受损，耐磨损和/或比较容易对准。此外，磁式角度传感器100还能够提供精细的位置分辨率。精细的分辨率将有利于直角回转和单回转阀的应用。阀致动器200可以把磁式角度传感器100作为绝对位置传感器使用，如果阀致动器200断电，也仍可保留位置数据。当阀致动器200重新通电后，可以从磁式角度传感器100恢复位置数据。进一步地，在该示例性实施例中，阀致动器200包括了能够只需较低功率，尺寸紧凑并且还非接触的磁式角度传感器100。
而且，阀致动器200可以包括多回转的旋转阀致动器。在该实施例中，当所述阀是只能朝一个方向(也就是只能顺时针(“CW”)或者逆时针(“CCW”))转动的多端口阀时，磁式角度传感器100的使用可尤其有益。在该实施例中，输出轴270转动一整周会使多端口阀也转动一整周。所述阀可在任意时间定位在任意端口处，但也可被设计成采用最短路线，并且不应当能通过非预定端口。在某些实施例中，致动器会被要求持续地使阀在单一方向上(一直顺时针或者一直逆时针)运动。在另一个实施例中，致动器会使阀以变化的次序运动，比如向前两步、退后一步的方案(例如1CW，1CW，1CCW，1CW，1CW，1CCW)。在一个特定实施例中，磁体10的位置会永久地和输出轴270的位置、进而和多端口阀的位置相关联。不管磁体10转多少圈，磁体10的位置可与多端口阀的位置相对应。因此，在该实施例中，磁式角度传感器100可作为绝对位置编码器。另外，在磁场安装/配置过程中在磁场角度位置相对于致动器位置的配准(registration)期间引入的任何对准误差，在致动器或阀的运动中都是不会累积的。相反，任何初始的配准或配置误差会保持固定的误差值，并且不会随着阀或致动器的多次转动运动而增加或累积。
当多端口阀(转动)不超过一周(也就是，端口打开的顺序是从A到B到C到B到A交替进行)时，也可以使用阀致动器200。在这个实施例中，误差的累积注定是不重要的。阀致动器200还可以包括多回转的旋转阀致动器，其使用磁式角度传感器100作为增量位置编码器，磁式角度传感器100增量式地计数驱动空心轴的转动，但绝对式地测量在任意给定旋转内的输出驱动角度。
阀致动器200可以包括线性阀致动器。例如，输出轴270可以是直线运动的致动器杆。齿轮280(图3)可以是沿输出轴270长度方向安装的线性齿条。副轴290可以包括与输出轴270上的齿条配合的小齿轮。于是，输出轴270上齿条的运动会转动副轴290。磁体10的运动可用于追踪输出轴270的位置。
虽然已经结合特定实施例揭示了本发明，但本发明并不局限于所述的这些实施例。相反，本发明的范围仅由所附权利要求书限定，根据所描述的本发明原理而实施的所有等同的装置、方法和系统都在权利要求书限定的范围中。

Claims (20)

1.一种阀致动器，包括：
至少一个可转动部件；和
与所述至少一个可转动部件相联系的磁式角度传感器。
2.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述磁式角度传感器被构造为产生绝对位置数据。
3.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述磁式角度传感器被构造为产生增量位置数据。
4.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述磁式角度传感器包括磁体。
5.如权利要求4所述的阀致动器，其中，所述磁体随着所述至少一个可转动部件转动。
6.如权利要求4所述的阀致动器，其中，所述磁体的旋转轴线和所述至少一个可转动部件的旋转轴线在同一直线上。
7.如权利要求4所述的阀致动器，其中，所述磁式角度传感器还包括传感器电路。
8.如权利要求7所述的阀致动器，其中，所述传感器电路包括霍尔传感器。
9.如权利要求7所述的阀致动器，其中，所述传感器电路包括磁致电阻传感器。
10.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述至少一个可转动部件被构造为旋转小于或者等于一周。
11.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述至少一个可转动部件被构造为旋转数周。
12.一种确定阀致动器位置的方法，所述方法包括：
使安装在阀致动器内的磁式角度传感器的电输出和所述阀致动器的输出轴的位置相关连；
向所述磁式角度传感器赋能以从所述磁式角度传感器产生电输出；和
通过所述磁式角度传感器的所述电输出来确定所述输出轴的位置。
13.如权利要求12所述的方法，其中，确定所述阀致动器的所述位置包括确定所述输出轴的绝对位置。
14.如权利要求12所述的方法，其中，确定所述阀致动器的所述位置包括确定所述输出轴的增量位置。
15.如权利要求12所述的方法，其中，还包括确定所述输出轴的角速度。
16.一种阀系统，包括：
阀；
与所述阀可操作地耦接的阀致动器，所述阀致动器包括：
至少一个可转动部件；和
与所述至少一个可转动部件可操作地耦接的磁式角度传感器。
17.如权利要求16所述的阀系统，其中，所述阀包括多端口阀。
18.如权利要求16所述的阀系统，其中，所述阀包括旋转阀。
19.如权利要求16所述的阀系统，其中，所述阀包括包括线性阀。
20.如权利要求16所述的阀系统，其中，所述阀致动器包括直角回转或单回转阀致动器。
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