CN1468366A - 非接触式检测转子转动状态的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

非接触式检测转子(10)转动状态的装置和方法。转子具有分割成导电部分(1e)和不导电部分(1f)的表面。三个电线圈(2a，2b，2c)分别包含在各自的并联共振电路中，这些线圈布置为靠近并以其纵轴线指向转子导电部分的旋转通路(rotational path)。共振的衰减取决于转子的旋转位置。用电子电路计算旋转状态。在液流表中，线圈可以布置在表的干燥部分。

Description

非接触式检测转子转动状态的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种非接触式检测转子转动状态的装置，即至少检测旋转位置、旋转方向、通过的旋转通路和旋转速度等状态之一。转子具有面向轴向的端面或，作为另外一种选择，具有面向轴向到径向的包络面的一部分，所述面环绕一圈分割成导电部分和不导电部分，这两个部分围绕转子旋转轴线的中心角加起来是360°。该装置包括三个电线圈，这些线圈静止固定在转子导电部分的旋转通路附近，并且线圈的轴线指向转子导电部分的该旋转通路，最好垂直于转子导电部分表面。这些线圈分别与一个电容器电连接以形成闭合并联共振电路。这些线圈的共振电路与脉冲件连接以引起共振，并且与一个电路连接以计算和展示选择的旋转状态数据。装置可用于测量液体的流量表中。本发明还涉及通过该装置检测转子转动状态的方法。
背景技术
以前公知的是在包括一个线圈和一个电容器的串联共振电路，即所谓的电感电容(LC)振荡电路中，衰减受线圈是否靠近导电体，或者两个共振电路是否相互靠近影响。从德国公开文献DE 3318900 A1中获知一种带电感电容电路的简单电路。在电感电容电路中用直流脉冲引起共振过程，并且表明当导电体靠近电感电容电路的线圈时，振荡过程受到更大程度的衰减。
德国公开文献DE 3213602 A1描述了如何设计电子设备以从上述事实中获得优点。当借助脉冲发生器在共振电路中引起共振过程后，当共振过程转换到振幅低于选定的阈值时，设备向计数器产生矩形脉冲。各个振荡过程的矩形脉冲数与幅值大于阈值的半周期振荡数对应，并且该矩形脉冲数取决于共振电路是否通过外部影响，例如通过靠在共振电路的线圈上的金属体被衰减。
以前还公知的是利用这种检测原理在测量液体的流量表中对旋转状态进行非接触式检测，其中流量表具有和液流一起旋转的叶轮。德国专利说明书DE 3923398 C1基于这样的已知流量表，该表的转子的一个表面部分环绕一圈分割成具有不同电磁性质的表面部分，即分别具有导电性质和不导电性质。许多包含在相应数量电感电容电路中的电线圈布置在这些转子表面部分的旋转通路附近。在些振荡电路中，通过按适当的时间次序发射给电路的直流脉冲以周期性序列引起共振过程，借此根据电路的线圈目前是位于具有导电性质的转子表面部分附近还是位于具有不导电性质的转子表面部分附近，各个共振过程受到不同程度的衰减，即以不同速度被衰减。振荡过程转换成供给电感电容电路的不同数量的输出矩形脉冲，这些脉冲分别受到最大程度和最小程度的衰减。矩形脉冲通向连接在计算单元上的计数器，该计算单元从这些状态信号中计算出想得到的关于旋转和旋转方向的数据。
根据DE 3923398 C1，在这些已知装置中一个共同的实施例是，转子的导电和不导电旋转表面部分分别包括180°并且四个电线圈均匀地布置在转子导电和不导电表面部分的旋转通路附近。通过使四个线圈相互成90°，至少一个共振电路始终被衰减到最大程度，并且至少一个共振电路始终意味着到最小程度。从同一个说明书中已知，作为一个基本情况，即除检测旋转幅值外还要检测旋转方向时，除了布置为相互成180°的两个线圈外，还需要第三个线圈，该第三个线圈最好布置为90°。利用在四个线圈中布置在90°角上的第四个线圈被认为是一个有利的实施例。在这种情况下，也可以在例如由于某些故障而损失一个线圈的情况下检测旋转方向。
这样，已知的装置都是基于这样的事实，即根据是否发生通过外部影响的衰减，振荡过程在振荡幅值低于规定阈值之前进行不同数量的振荡。但是，由于来自例如周围温度的影响或组成子部件变化的影响，该单个振荡的数量是变化的。在某些情况下，这些变化可能影响如此之大，以致振荡电路在未衰减状态进行的振荡数量由于这些外部环境而变得少到与振荡电路在衰减状态最初产生的振荡数在一个水平上，或更低。尽管试图通过各种计算方法和通过线圈的位置补偿这种情况，结果仍然不能令人满意。此外，使用大量检测线圈可能侵占非常小的转子装置中的结构空间。这特别适用这样的情况，即如果为了空间的原因，转子设计成它由装置轴的一部分组成，而且在这种情况下，可取的是线圈靠近并且轴向指向轴的端面。该端面相对容纳在那里的线圈来说可能非常小。
德国专利说明书DE 4137659 C2描述了对这种事实的解决方案，即共振的形状和范围不仅受与转动检测相关的衰减的影响，而且还受其它外部环境如温度变化的影响，并且如果转子的轴颈支撑带有径向游隙，则该径向游隙在该处是不可忽略的并可能对转子表面和线圈之间的距离有不可预知的影响，在这种情况下振荡的衰减可以变化，这也会影响共振的形状和范围。所述解决方案是通过利用一个比较部件实现的，该比较部件在连续的共振中一直比较振荡数。如果是那样的话，仅需要使用两个布置成180°的检测线圈，或者在还需要检测旋转方向时，另外再加上一个布置成90°的第三个线圈。但是，如果布置成180°的线圈在开始检测时穿过转子导电和不导电表面部分之间的边界，则还会有一个问题。在这种情况下，不存在至少一个振荡电路被衰减到最大程度和至少一个振荡电路被衰减到最小程度的情况。计算也因此容易使人误解。这是特别适用的，因为经常需要在转子的轴承中有间隙，从而要容许各个线圈和转子导电表面部分之间的最小距离在转子转动过程中变化。
本发明的目的
本发明的目的是要解决非接触式检测转子转动状态过程中所产生的上述问题，使得即使在电感电容电路共振的振荡性质例如由于来自周围温度的影响而发生变化时，以及由于大操作温度范围转子必须这样用轴颈支撑，即它能够轴向自由移动一定距离以允许温度膨胀时能够运动而不会被夹紧时，也能可靠检测完成的圈数或一部分圈数，以及可能的旋转方向。
发明内容
上述目的是借助本发明以用于非接触式检测开头所述类型转子的旋转状态的装置形式实现的。该装置的特征在于，转子导电部分和不导电部分分别占据180°±50°范围内的中心角，最好都是180°，该装置的特征还在于，三个线圈布置为其中两个最小中心角的和比分别由转子导电部分和不导电部分占据的两个中心角中最大的至少大10°，最好是线圈均匀分布，它们之间的三个中心角都是120°。这样，在转子的所有转动方向上，至少一个共振电路受到最大程度的衰减，至少一个共振电路受到最小程度的衰减。因此，通过设计成带有在计算选定的旋转状态数据过程中补偿各个线圈和转子导电部分旋转通路之间的距离变化，即补偿转子轴承中的间隙的自动装置，与共振电路所连的电子电路可提供改善的计算结果。因此，转子可做得非常小，而且在轴和转子都旋转的设备中甚至可组成轴的一个整体部分。
当在最好带有可借助液体作用而旋转的叶轮的涡轮式流量表中使用装置测量液流时，其特征还可在于，带有转子以其导电部分和其不导电部分布置在流量表的湿部，即在液体中，而与三个电容器可形成三个并联共振电路的三个线圈，以及这些电容器和相关电路布置在流量表的干燥部分，其中线圈附着在一个分隔物另一侧上的转子导电部分的旋转通路上。
通过本发明该目的还以借助本发明的装置非接触检测转子旋转状态的方法实现。因此，装置包括转子部分，该部分旋转一周展示出导电和不导电部分，三个电线圈布置为靠近并以线圈轴线指向转子导电部分的旋转通路。此外，每个线圈与一个电容器电连接以形成闭合并联共振电路，该共振电路与脉冲元件连接以引起共振，还与一个电子电路连接以计算选定的转子旋转状态数据。根据本发明，该方法的特征在于，依赖转子导电部分根据转子旋转位置要实现的衰减，每次以一个共振电路中的直流脉冲，即以按顺序引起电路共振的方式在每个共振电路中引起不同衰减率的电共振，该方法的特征还在于，用电子电路检测和计算按这种次序的这些振荡以展示或进一步利用选定的旋转状态数据。因此，在进行共振检测时，在线圈和电容器上的三个电路之间没有明显的相互影响。
在一个优选实施例中，该方法的特征在于，仅在要在电路中引起共振时，每对线圈和电容器的电子电路才闭合成起作用的并联共振电路，因此最迟当下一个并联共振电路闭合并且在其中引起共振时该并联共振电路又被断开。这样，三个并联共振电路的线圈相互影响最小，并且可以彼此靠接安装以检测小转子的转动。
方法的另一个优选实施例的特征在于，在电路闭合成并联共振电路并借助直流脉冲引起共振之前，三个电路中的每一个中的线圈和电容器彼此串联连接并共同连接在一个直流电源上，例如电容器连接在直流电源上并且线圈接地(一个参考电压)，而且与用于检测共振的电子电路的连接布置在线圈和电容器之间，该实施例的特征还在于，通过闭合穿过电容器和线圈的短路导体开始各自的共振。这样，不需要控制直流脉冲的时间延伸。
附图简要描述
下面参考附图更详细地描述本发明，其中
图1示意性地示出了用于进行轴向旋转检测的三个电感电容电路的线圈，这些线圈靠近轴的端面或靠近安装在轴上的转子端面，
图2示意性地示出了用于进行轴向旋转检测的三个电感电容电路的线圈，这些线圈靠近轴的包络面或靠近安装在轴上的转子的包络面，
图3示出了带有线圈和电容器和断路器的基本电路图，其中所述断路器用于打开和闭合共振电路以及在闭合电路时产生脉冲以在电路中引起共振，其中还示出了如何连接在电子电路上以检测和计算振荡并从而检测和计算转子的旋转，
图4示出了检测顺序的时间图，
图5示出了在液流表中使用本发明的实例。
优选实施例描述
图1示意性地示出了非接触式检测转子旋转状态的装置的转子1的端视图。转子也可以是轴的端部零件。三个电线圈2a，2b，2c布置在转子端面附近，在所示实施例中线圈纵轴线方向平行于转子轴的纵轴线以进行轴向旋转检测。为根据本发明检测转子的旋转，转子端面分割成导电部分1a和不导电部分1b。在所示优选实施例中，两个部分分别包含转子端面的180°。三个电线圈2a，2b，2c布置为固定靠近并以其轴线指向转子端面导电部分的旋转通路，最好垂直于其表面。
作为替代形式，图2示意性地示出了三个电线圈2a，2b，2c可以沿包络面的纵剖面如何布置为靠近转子的包络面，该包络面环绕一圈分割成导电部分1c和不导电部分1d。转子也可由轴的纵剖面组成。在所示实施例中，三个线圈布置为它们的纵轴线方向从包络面径向向外以进行径向旋转检测。它们布置为靠近并以其轴线指向转子包络面的这个剖面的导电部分的旋转通路，最好当表面的通道通过各个线圈时垂直于表面。
在图3中，一个基本电路图示出了三个电线圈2中的每一个，即2a，2b和2c如何连接在电容器3上，以便当穿过线圈和电容器的连接延伸到闭合电路中时，形成并联共振电路4。因此，各个线圈2接地(参考电压)，电容器3在其背离线圈一侧连接在直流电源5上。可以控制电路断路器6以中断和闭合穿过电容器和线圈的电连接，中断和闭合的频率与使用的范围相适应。当闭合该连接时，也闭合了穿过线圈和电容器到达共振电路的电路，同时通过短路来自直流电流5的电位在共振电路中产生电脉冲。脉冲的产生会引起共振，根据电路本身和在很大程度上来自其周围的不同衰减条件，共振受到不同程度的衰减，即以不同速度被衰减。由于线圈指向的转子部分分割成导电部分1a，1c和不导电部分1b，1d，这些部分在转子旋转过程中交替通过并靠近各自的线圈，所以根据转子的旋转位置各个共振电路发生不同的衰减。这使得能够准确检测转子的旋转。在所示实施例中，用线圈2和电容器3之间的连接7检测各个共振电路中的共振。连接可备有电子转接装置8，为进行计算，该连接连接在一个能够展示选定的旋转状态数据的电子电路中上(未示出)。
这种电子电路可以已知方式设计，根据从检测装置共振电路获得的主要涉及转子旋转时不同衰减情况下振荡的时间延伸的振荡值，计算并展示要展示的旋转状态的所有子成份，主要是旋转位置、旋转方向、通过的旋转通路和旋转速度。由于目的是设计尽可能有效并且尽可能小的现代测量设备，在这种情况下主要是流量表，所以在这些小装置中只为检测装置留有一点空间。因此，本发明的一种情况是仅使用三个电线圈，这是允许既测量旋转通路又测量旋转方向的最小线圈数量，也是在小转子尺寸情况下允许这三个线圈仅被转子表面的一个导电部分和一个不导电部分影响，以清楚显示它们不同的衰减效果的最小线圈数量。
但是在检测装置中，仅使用三个线圈和转子表面两个部分的一个难点是除了例如温度变化和转子轴承中必要的轴向间隙的影响外，上述因素本身可能干扰但根据现有技术不会防止电子电路计算旋转状态，当使用这么少量的线圈时，也有一些纯几何状况，即在旋转过程中，有时或者三个线圈全部到达转子表面的同一个部分内，或者线圈中的两个正好位于转子导电部分和转子不导电部分之间的边界线上方。因此，在转子旋转过程中，有时不存在至少一个共振电路被衰减到最大程度并且同时至少一个共振电路被衰减到最小程度的情况。因此，例如当转子进行小的往复旋转运动时，这些检测时刻使得电子电路无法进行计算工作或者十分困难，以致获得的值不是完全可靠的。根据现有技术，如果存在用于检测的180°导电和180°不导电转子表面，当两个检测线圈彼此对角相对时，即它们之间夹角为180°，并且第三个检测线圈位于另外两个线圈之间的某个位置，例如与另外两个线圈相距90°，即在另外两个线圈中间，这时就会出现上述情况。
为消除这种对检测额外的且在实践中是决定性的干扰，本发明建议一种实施例，其中转子导电部分和不导电部分占据的中心角范围在180°±50°内，最好都是180°，并且三个线圈这样布置，即它们之间两个最小的中心角之和比分别由转子导电部分和不导电部分占据的两个中心角中最大的至少大10°，线圈最好均匀布置，它们之间的中心角都是120°。这样，在所有的转子旋转位置，至少一个共振电路被衰减到最大程度并且至少一个共振电路被衰减到最小程度。因此，尽管有所述其它干扰，电子电路也可设计成对于所有的旋转状态部分显示正确的值。
在附图的图1和图2中，根据上述内容选择了最优选的实施例，即三个线圈之间的夹角为连续的120°，为检测过程准备的两个转子表面部分围绕转子分别延伸180°。这样，两个线圈不能同时到达正好位于表面部分之间的两个边界上方，或者甚至不能同时到达与边界非常接近的位置。相反地，至少一个线圈中的振荡始终被衰减到最大程度，同时其它线圈中至少一个中的振荡被衰减到最小程度。
检测还可能受到这种情况的干扰，即共振电路本身以及它们的相互共振彼此影响，即每个电路中的衰减受到影响。因此在根据本发明的方法中，每次在一个共振电路中产生共振，即电路的共振是按顺序开始的。然后按这种顺序检测并用电子电路计算这些振荡，以展示或进一步利用选定的旋转状态数据。图4示出了在时间上如何按顺序分配用于在三个共振电路中产生振荡的脉冲9a，9b和9c。
为防止共振电路相互影响，根据本发明，还可以保证仅需要在共振电路中产生振荡的期间才使每个共振电路保持闭合，而其余时间则使电路断开以使其不构成闭合共振电路。因此，三个并联共振电路中的线圈仅受到最小程度的相互影响，并且它们可以安装成彼此靠近以检测小转子的旋转。
实现该目的的一个方式是通过根据图3的连接，其中电路断路器6断开和闭合共振电路，并且在每次闭合时，同时产生引起共振的电脉冲。通过该实施例，也不需要对直流脉冲的时间延伸进行任何控制。
图5示出了如果在带叶轮的液流表中布置检测。在所示实施例中叶轮10是检测装置的转子，它位于流量表的湿部，即在液体中，而作为检测装置一部分的三个电线圈2a，2b和2c位于流量表的干燥部分。在线圈和叶轮之间有一个围绕线圈的分隔物(未示出)或其它绝缘体，它们防止围绕叶轮的液体进入布置了各个线圈的空间内。叶轮中心侧面零件之一具有圆形平面形状，该平面在半圆形部分1e喷涂了金属，在另一个半圆部分1f是不导电的。作为另外一种选择，该半侧喷涂了金属的圆形表面也可以是轴零件的旋转轴端面，然后叶轮附着在轴零件上，这样叶轮仅包括轮辋12和叶片10a。叶轮还可以设计成围绕轴零件11并与该轴零件一起旋转，轴零件11用轴颈以这样的方式支撑，即在旋转过程中摩擦很小。作为另外一种选择，叶轮可以用轴颈支撑以围绕固定轴旋转，在这种情况下其轴承也可设计得摩擦低。
在图5中，三个线圈2a，2b和2c布置为靠近半侧喷涂了金属的与叶轮一起旋转的圆形表面，但位于分隔物(未示出)的另一侧。线圈纵轴线垂直于半侧喷涂了金属的圆形表面。考虑到可能出现的任何形式的干扰，它们相互之间夹角为120°以能够提供来自连接在各个线圈和相关电容器上的并联共振电路的最佳可能检测值。检测值传输到为此目的设计且本身已知的电子电路(未示出)，该电路设计为计算并且展示或进一步利用在叶轮旋转状态中包括的选定的数据。替代实施例
当然，在不偏离如权利要求1和4中所述的本发明的情况下，检测装置及其使用方法的不同详细实施例可以不同方式变化。例如，转子的导电和不导电旋转部分可分别布置在另一个位置，而不布置在旋转件的轴向端面或径向包络面上。作为另外一种选择，它们可例如布置在圆锥形或弧形的旋转件上。例如如果不要求线圈纵轴线完全垂直表面，那么线圈在检测设备中更容易布置，则在这种情况下线圈的纵轴线不必完全垂直表面。除所述电路断路器外，还可用某些其它装置产生供给并联共振电路以开始共振的脉冲。

Claims (6)

1、用于非接触式检测转子旋转状态，即至少旋转位置、旋转方向、通过的旋转通路和旋转速度这些状态之一的装置，其中转子(1，10)具有面向轴向的端面(1a+1b)(1e+1f)或，作为另外一种选择，具有面向轴向到径向的包络面的一部分，所述面环绕一圈分割成导电部分(1a，1c，1e)和不导电部分(1b，1d，1f)，所述两部分围绕转子旋转轴线的中心角加起来是360°，而且装置包括三个电线圈(2a，2b，2c)，这些线圈固定附着在转子导电部分的旋转通路附近，并且线圈的轴线指向该旋转通路，最好垂直于转子导电部分表面，这些线圈(2)分别与一个电容器(3)电连接以形成闭合并联共振电路(4)，这三个线圈的共振电路与脉冲件连接以引起共振，并且与一个可计算和展示选择的旋转状态数据的电路连接，
其特征在于，转子导电部分和不导电部分分别占据在180°±50°范围内的中心角，最好都是180°，其特征还在于，三个线圈布置为其中两个最小中心角之和比分别由转子导电部分和不导电部分占据的两个中心角中最大的至少大10°，线圈最好是均匀分布，它们之间的三个中心角都是120°，借此在转子的所有旋转位置上，至少一个共振电路受到最大程度的衰减，至少一个共振电路受到最小程度的衰减，因此，与共振电路所连的电子电路可设计成带有在计算选定的旋转状态数据过程中补偿各个线圈和转子导电部分旋转通路之间的距离变化，即补偿转子轴承中的间隙的自动装置。
2、根据权利要求1中所述的在包括设计成旋转的轴(1)的设备中的装置，其特征在于，转子组成轴的一个整体部分。
3、根据权利要求1或2中所述的用于在涡轮型流量表中测量液体的装置，流量表最好带有通过液体的作用可旋转的叶轮(10)，其特征在于，带有其导电部分(1e)和其不导电部分(1f)的转子(10，1e，1f)布置在流量表的湿部，即在液体中，而与三个电容器(3)可形成三个并联共振电路(4)的三个线圈(2a，2b，2c)，以及这些电容器和相关电路布置在流量表的干燥部分，其中线圈靠近分隔物另一侧上的转子导电部分(1e)的旋转通路。
4、通过根据权利要求1-3中任一项所述装置非接触检测转子(1，10)旋转状态的方法，装置包括一个转子部分，转子部分旋转一周展示出导电(1a，1c，1e)和不导电部分(1b，1d，1f)，三个电线圈(2a，2b，2c)布置为靠近并以线圈轴线指向转子导电部分的旋转通路，每个线圈与一个电容器(3)电连接以通过线圈和电容器形成闭合并联共振电路(4)，还与一个电子电路连接以计算选定的转子旋转状态数据，
其特征在于，依赖转子导电部分根据转子旋转位置要实现的衰减，每次以一个共振电路中的直流脉冲(9a，9b，9c)，即以按顺序引起电路共振的方式在三个共振电路的每一个中引起不同衰减速度的电共振，其特征还在于，用电子电路检测和计算按这种次序的这些振荡以展示或进一步利用选定的旋转状态数据，借此在进行共振检测时，在线圈和电容器上的三个电路之间没有明显的相互影响。
5、根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，仅在要在电路中引起共振时，每对线圈(2)和电容器(3)的电子电路才闭合成起作用的并联共振电路(4)，因此最迟当下一个并联共振电路闭合并且在其中引起共振时该并联共振电路又被断开，借此三个并联共振电路的线圈相互影响最小，并且可以彼此靠接安装以检测小转子的转动。
6、根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，在电路闭合成并联共振电路(4)并借助直流脉冲(9a，9b，9c)引起共振之前，三个电路每一个中的线圈(2)和电容器(3)保持彼此串联连接并共同连接在一个直流电源上(5)上，例如电容器连接在直流电流上并且线圈接地(参考电压)，而且与用于检测共振的电子电路的连接(7)布置在线圈和电容器之间，其特征还在于，通过闭合穿过电容器和线圈的短路导体(6)开始各自的共振，借此不需要控制直流脉冲的时间延伸。
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