DE69306914T2

DE69306914T2 - Verbesserung in Weggebern

Info

Publication number: DE69306914T2
Application number: DE69306914T
Authority: DE
Inventors: Michael John Thurso Caithness Scotland Kw14 7Pu Berrill
Original assignee: Rolls Royce Marine Power Operations Ltd; Rolls Royce and Associates Ltd
Current assignee: Rolls Royce Submarines Ltd
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: EP0595553A1; EP0595553B1; DE69306914D1; FI934785A0; US5793200A; NO933922L; FI934785A; NO933922D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Lagebestimmung, das einen Magnetfeldsensor benutzt, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen im Hinblick auf den wirksamen Arbeitsbereich und auf Sensoren hierfür.
Ein Gerät zur magnetischen Lagebestimmung ist in WO86/02444 beschrieben. Diese Anmeldung beschreibt ein Gerät zur Feststellung eines Magnetfeldes, bestehend aus einem Magnetsensor, der innerhalb des Luftspaltes zwischen zwei den Fluß konzentrierenden Elementen angeordnet ist.
Ein weiteres Gerät zur magnetischen Lagebestimmung ist in der US-A-4 728 950 beschrieben. Dieses Patent beschreibt ein System zur Fernüberwachung der Skalen eines Meßgerätes unter Benutzung von Hall-Effekt-Vorrichtungen. Die Hall- Effekt-Vorrichtungen sind konzentrisch um die Drehachse eines Zeigers angeordnet, an dessen freiem Ende ein Permanentmagnet befestigt ist. Die Hall-Effekt-Vorrichtungen sind in einer Ebene aus magnetisch leitfähigem Weicheisenmaterial angeordnet und auf den Umfangspfad des Permanentmagneten ausgerichtet.
Es gibt zahlreiche Verfahren, bei denen eine direkt kontaktierende Sonde oder dergleichen zur Überwachung einer Lageänderung nicht benutzt werden kann, beispielsweise wegen der ungeeigneten Umgebung, wegen der aggressiven Natur des zu überwachenden Materials, oder weil es unzweckmäßig ist, eine Diskontinuität in einem Behälter zu erzeugen. In diesen Fällen müssen berührungslose Sensoren benutzt werden, beispielsweise solche, die auf Magnetfelder ansprechen.
Bei Geräten mit Magnetfeldsensor stellt der Abstand zwischen einem Betätigungsmagneten und einer oder mehreren Sensorvorrichtungen einen wichtigen Faktor im Hinblick auf die ordnungsgemäße Arbeitsweise des Gerätes dar. Das Medium, durch das der Betätigungsmagnet oder die Betätigungsmagnete auf den Sensor oder die Sensoren einwirken müssen, ist ebenfalls ein wichtiger Faktor.
Wenn insbesondere eine solche Sensorvorrichtung einen Betätigungsmagneten vorsieht, der sich im Gebrauch in einer ungünstigen Umgebung befindet, dann können der Abstand zwischen dem Betätigungsmagneten und der Sensorvorrichtung sowie das Mittel, welches Magnet und Sensor voneinander trennt, durch zahlreiche andere Faktoren bestimint werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Anordnung, wo der Betätigungsmagnet innerhalb eines Behälters angeordnet ist, der eine unter hoher Temperatur stehende Flüssigkeit oder ein unter hoher Temperatur stehendes Gas enthält, beispielsweise ein Kocher, und es ist notwendig, eine ausreichend dicke Temperaturisolation vorzusehen, um eine Beschädigung der Sensorvorrichtungen zu vermeiden. Es kann auch notwendig sein, eine beträchtliche Materialdicke bei der Herstellung der Behälterwand zu benutzen, damit eine ausreichende mechanische Festigkeit erreicht wird, beispielsweise wenn es sich um hohe Drücke handelt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die die Wirksamkeit eines Betätigungsmagneten auf den Sensor über die Arbeitsdistanz verbessert wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Gerät zur Lagebestimmung eine berührungslose magnetische Betätigungsvorrichtung und eine Reihe von Magnetfeldsensoren auf (vorzugsweise Hall-Effekt-Generatoren in Form integrierter Schaltungen), die aufeinanderfolgend längs eines Pfades der Relativbewegung der berührungslosen magnetischen Betätigungsvorrichtung angeordnet sind, die auf die jeweiligen Sensorelemente bei Annäherung auf diese einwirkt, wobei das Gerät eine Reihe magnetischer Flußkonzentrationselemente aufweist, die zwischen jedem benachbarten Paar von Sensoren in Reihe mit diesen Elementen angeordnet sind, wobei diese Flußkonzentrationselemente so angeordnet sind, daß sie den Magnetfluß von der Betätigungsvorrichtung auf die Sensorelemente in einer Richtung parallel zum Pfad der relativen Bewegung der Betätigungsvorrichtung richten.
Vorzugsweise bestehen die Flußkonzentrationselemente aus Stäben aus einem Material, welches eine magnetische Permeabilität aufweist, die beträchtlich größer ist als die des freien Raumes, und beispielsweise können sie aus Ferrit bestehen.
Die Vorrichtung umfaßt vorzugsweise eine Printplatte, die mit elektrischen Verbindungen nach den Sensorelementen versehen ist, die im Abstand zueinander auf der Printplatte angeordnet sind, wobei die Flußkonzentrationselemente auf der Printplatte zwischen den Stellen der Sensorelemente angebracht sind.
Beim Stande der Technik war die Anwendung derartiger magnetischer Lagesensoren als Anzeigevorrichtung für den Flüssigkeitsstand bei abgedichteten Behältern beschränkt wegen des begrenzten Bereichs, über den das Magnetfeld vom Betätigungsmagnet auf die Sensorvorrichtung übertreten konnte, um diese zu erregen. Dies schloß die Benutzung in all jenen Fällen aus, in denen eine Behälterwand zwischen Sensor und Betätigungsmagnet einen dicken Isolationsüberzug benötigte. Die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Anordnung ermöglicht eine wirksame Pegelbestimmung selbst dann, wenn die magnetische Betätigungsvorrichtung von den Sensorelementen durch eine dicke Schicht aus Wärmeisolationsmaterial (mehr als 30 mm dick) zusätzlich zu der nicht magnetischen Wand des Behälters getrennt war.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung, die in der Lage ist, eine solche Messung durchzuführen, besitzen die Flußkonzentrationselemente Querschnittsabmessungen, die sich den Querschnittsdimensionen der Sensoren annähern und im wesentlichen mit den Abmessungen der Sensoren übereinstimmen, wobei die Flußkonzentrationselemente eine Längenabmessung besitzen, die etwa viermal so groß ist wie die Querschnittsabmessung. Die Sensorelemente sind vorzugsweise Festkörper-Hall-Effekt-Generatoren, und sie können voneinander in einem Abstand von etwa 20 mm liegen. Die magnetische Betätigungsvorrichtung kann von sämtlichen Sensorelementen durch einen Abstand von wenigstens 10 mm getrennt sein. Außerdem ist die berührungslose magnetische Betätigungsvorrichtung vorzugsweise ein Ringmagnet in Rohrform, der aus einer magnetischen Legierung besteht, bei der die magnetischen Kristalldomänen in Längsrichtung des Rohres orientiert sind.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Vergrößerung des wirksamen Detektorbereichs der Lage der magnetischen Betätigungsvorrichtung relativ zu einer Vielzahl magnetischer Feldsensoren, die aufeinanderfolgend längs eines Pfades der Relativbewegung der magnetischen Betätigungsvorrichtung angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Es wird ein Flußkonzentrationselement zwischen jeweils zwei Sensorelemente gefügt, und es werden die Flußkonzentrationselemente so ausgerichtet, daß der Magnetfluß von der magnetischen Betätigungsvorrichtung auf die Sensorelemente in einer Richtung parallel zum Pfad der Relativbewegung der Betätigungsvorrichtung verläuft.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines magnetischen Schwimmermeßsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Sensorfeldes, das für das System nach Fig. 1 geeignet ist.
In Fig. 1 ist ein Gerät 10 zur Messung eines Flüssigkeits pegels dargestellt, welches die Form eines magnetischen Schwimmermeßgerätes aufweist, wobei der Schwimmer einen Betätigungsmagneten 12 besitzt, dessen Nord- und Südpole N bzw. S durch (nicht dargestellte) Mittel so gehalten werden, daß sie sich linear längs der Wand 14 eines Behälters gemäß dem Flüssigkeitspegel 16 darin bewegen. Die Wand 14 des Aufnahmebehälters kann beispielsweise einen strukturellen Abschnitt 14a aus geeignetem Material, beispielsweise aus nicht-magnetischem rostfreiem Stahl, und eine Schicht beträchtlicher Dicke aus Wärmeisolationsmaterial 14b aufweisen. Auf der Außenseite 20 der Wand 14 des Aufnahmebehälters ist ein Feld von Magnetfeldsensoren 22 angeordnet, beispielsweise Festkörper-Hall-Effekt- Generatoren (beispielsweise UGS3140U-Schalter, die von Allegro Microsystems Inc., Worcester, Massachusetts, USA hergestellt werden). Jeder Sensor 22 ist von dem benachbarten Sensor 22 durch ein Flußkonzentrationselement 24 getrennt. Das Flußkonzentrationselement kann die Gestalt eines Stabes aus Ferritmaterial oder aus einem anderen Material haben, das einen geeigneten Wert der magnetischen Permeabilität besitzt, die beträchtlich höher ist als die Permeabilität des freien Raumes.
Die magnetische Flußdichte, die durch die magnetischen Flußlinien 30 dargestellt ist, wird durch die Ferritstäbe 24 auf einen Wert konzentriert, der beträchtlich größer ist als im freien Raum, und der Fluß wird über die Länge eines jeden der Stäbe 24 geleitet, die genügend dicht am Betätigungsmagneten 12 angeordnet sind. An jedem Ende 25, 26 der Ferritstäbe 24 wird der konzentrierte Fluß in das entsprechende Ende des benachbarten Ferritstabes eingeleitet, der in dichter Nachbarschaft ausgerichtet hierauf angeordnet ist. Die relativ kleine Abmessung der Sensorelemente 22 zwischen benachbarten Ferritstäben 24 verursacht nur eine kleine Störung im Flußpfad, insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen den Enden 25, 26 der benachbarten Ferritstäbe 24 und den dazwischenliegenden Sensoren 22 minimal gehalten wird. Die Positionierung der Ferritstäbe 24 hat die Wirkung einer Maximierung des Flusses, der durch jeden Sensor hindurchfließt
Die Benutzung von Ferritstäben ist besonders geeignet bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, was Kosten und Gewicht anbelangt, es ist jedoch klar, daß auch andere Substanzen mit hoher magnetischer Permeabilität als Flußkonzentrationselement benutzt werden können.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte Ansicht des Sensorgerätes gemäß Fig. 1. Die Sensorvorrichtungen sind unter Benutzung bekannter Techniken auf einer Printplatte 30 aufgebracht. Die elektrischen Verbindungen nach einer Signalverarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) von jedem Sensor sind in bekannter Weise hergestellt. Eine geeignete Signalverarbeitungsschaltung ist in einer parallel laufenden Anmeldung beschrieben.
Die einzelnen Ferritstangen der Flußkonzentrationselemente 24 sind auf der Printplatte 30 unter Benutzung von Plastikgabeln 24 in bekannter Weise festgelegt. Die Ferritstangen sind aufeinander seitlich der Sensoren 22 ausgerichtet, und zur Vollendung des Gerätes ist vorzugsweise eine Abdichtung der einzelnen Bestandteile durch eine Einbettungszusammensetzung 32 vorgesehen. Die Stangen können beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein.
Gemäß einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel sind fünfzig Sensoren 22 mit Ferritstangen 24 dazwischen auf einer Printplatte 30 vorgesehen, die etwa einen Meter lang ist. Vorzugsweise werden Ferritstangen mit einem Durchmesser von etwa 5 mm benutzt, und dies entspricht im großen und ganzen den Gesamtabmessungen der Sensoren. Gemäß einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt jede Stange eine Länge von 18,5 mm. Diese Abmessung ist nur beispielsweise, und es können andere Konfigurationen gewählt werden. Wenn eine Einbettmasse 32 benutzt wird, ist es zweckmäßig, eine flexible Ausführung derartiger Polyurethankunstharze zu benutzen, da die Gesamtlänge der Printplatte 30 derart ist, daß unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Druckplatte 30 und Einbettmasse 32 eine Relativbewegung dazwischen erfordern, um mechanische Beschädigungen der Printplatte und der Schaltungselemente zu vermeiden.
Gemäß einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die Benutzung einer Kette von Ferritstäben 24 dargestellt, um die Wirksamkeit des Arbeitsabstandes zu verbessern, über den der Betätigungsmagnet 12 die Sensoren 22 auslösen kann. Die Verbesserung erfolgt hierbei um einen Faktor von wenigstens Sechs. Unter Benutzung eines besonderen bekannten Ringmagneten, der auf die Sensorschalter einwirkt, ergibt sich eine wirksame Arbeitsweise bei einem Behälter mit einer 4 mm dicken Wand aus rostfreiem Stahl und einer 6 mm dicken Isolationsschicht. Der Gesamtabstand zwischen Betätigungsmagnet und Sensorvorrichtung ist größer als 30 mm.
Der gegenwärtig bevorzugte Betätigungsmagnet zur Benutzung in einem Schwimmer 12 ist ein Ring aus einer Magnetlegierung in Form eines flachen Rohres, das etwa 20 mm lang ist und einen Außendurchmesser von 40 mm und einen Innendurchmesser von 27 mm aufweist. Die bevorzugte Magnetlegierung ist als Alcomax 3 in den UK bekannt (Alnico 5 in den USA), und diese Legierung ist charakterisiert durch ein metallurgisches Kristallwachstum, welches über die Länge orientiert ist, so daß die Magnetpole darin gleich orientiert sind. Die magnetischen Nordpole und Südpole sind deshalb an den in Längsrichtung entgegengesetzten Enden des Rohres vorhanden. Ein solcher Magnet ist verfügbar von Sermag Limited, 94 Holywell Road, Sheffield, England.
Wenn man Flußkonzentrationsmaterialien benutzt, deren relative magnetische Permeabilität höher ist als die von Ferrit, so führt dies zu einer weiteren Verbesserung des Arbeitsabstandes.
Eine weitere Empfindlichkeitsverbesserung kann durch Modifikation der Gestalt der Flußkonzentrationsvorrichtungen erreicht werden, wenn der Durchmesser der Ferritstäbe 24 im Mittelabschnitt des Stabes größer ist und kleiner an jedem Ende, damit der Fluß präziser auf die Sensoren fokussiert werden kann, während allgemein ein größeres Gesamtvolumen des Materials zum Durchtritt des Flusses geschaffen wird.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Anwendung auf eine Anzeigevorrichtung für einen Flüssigkeitsstand beschrieben, wobei eine lineare Kette von Flußkonzentrationsvorrichtungen benutzt wurde. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch auf andere Lagebestimmungsgeräte anwendbar ist, auch für solche, die eine Drehstellung angeben. Es ist auch klar, daß ein einziger Sensor mit einem oder mehreren Flußkonzentrationsmitteln benutzt werden kann, die in geeigneter Lage benachbart hierzu angeordnet sind.

Claims

1. Gerät (10) zur Lagebestimmung, bestehend aus einer berührungslos arbeitenden Betätigungsvorrichtung und einer Reihe von Magnetfeldsensorelementen (22), die aufeinanderfolgend längs eines Pfades der Relativbewegung der berührungslos wirkenden magnetischen Betätigungsvorrichtung (12) angeordnet sind, wobei die Betätigungsvorrichtung (12) auf die jeweiligen Sensorelemente (22) durch Annäherung an diese einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Reihe von magnetischen Flußkonzentrationselementen (24) aufweist, die zwischen jedem benachbarten Paar der Sensorelemente angeordnet sind, und daß die Flußkonzentrationselemente so ausgerichtet sind, daß der magnetische Fluß (30) von der Betätigungsvorrichtung (12) auf die Sensorelemente parallel zum Bewegungspfad der Betätigungsvorrichtung gerichtet wird.

2. Gerät zur Lagebestimmung nach Anspruch 1, bei welchem die Flußkonzentrationselemente aus Stäben eines Materials bestehen, dessen magnetische Permeabilität beträchtlich größer ist als die Permeabilität des freien Raumes, und bei welchem die Sensorelemente aus Festkörper Hall-Effekt-Generatoren bestehen.

3. Gerät zur Lagebestimmung nach Anspruch 2, bei welchem jedes Flußkonzentrationselement aus einem Ferritstab besteht.

4. Gerät zur Lagebestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem eine Printplatte (30) vorgesehen ist, die die elektrischen Verbindungen nach den Sensorelementen (22) aufgedruckt enthält, welche Sensorelemente im Abstand zueinander auf der Printplatte montiert sind, wobei die Flußkonzentrationselemente auf der Druckplatte zwischen den Sensorelementstellen festgelegt sind.

5. Gerät zur Lagebestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die magnetische Betätigungsvorrichtung (12) von den Sensorelementen durch eine Lage aus Wärmeisolationsmaterial (14b) getrennt ist.

6. Gerät zur Lagebestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Sensorelemente voneinander in einem Abstand von etwa 20 mm angeordnet sind, und bei welchem die magnetische Betätigungsvorrichtung von sämtlichen Sensorelementen in einem Abstand von wenigstens 10 mm liegt.

7. Gerät zur Lagebestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem benachbart zu den Sensorvorrichtungen die Flußkonzentrationselemente eine Querschnittsabmessung besitzen, die im wesentlichen der Querschnittsabmessung der Sensorelemente entspricht, wobei die Flußkonzentrationselemente eine Längsabmessung haben, die etwa viermal so groß ist wie die Querschnittsabmessungen.

8. Gerät zur Lagebestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die berührungslos arbeitende magnetische Betätigungsvorrichtung aus einem Ringmagneten besteht, der eine rohrförmige Ausbildung besitzt und aus einer Magnetlegierung besteht, bei welcher die magnetischen Kristalldomänen in Längsrichtung des Rohres ausgerichtet sind.

9. Verfahren zur Vergrößerung des wirksamen Bereichs der Feststellung der Lage einer magnetischen Betätigungsvorrichtung (12) relativ zu mehreren Magnetfeldsensorelementen (22), die aufeinanderfolgend längs eines Pfades einer Relativbewegung der magnetischen Betätigungsvorrichtung angeordnet sind, gekennzeichnet durch die Schritte der Positionierung eines Flußkonzentrationselementes (24) zwischen jedes Paar der Sensorelemente (22) und der Positionierung der Flußkonzentrationselemente (24) in einer Lage derart, daß der Magnetfluß (30) von der Betätigungsvorrichtung in die Sensorelemente in einer Richtung parallel zum Pfad der Relativbewegung der Betätigungsvorrichtung gerichtet wird.