ITMI20011236A1

ITMI20011236A1 - POSITION TRANSDUCER

Info

Publication number: ITMI20011236A1
Application number: IT2001MI001236A
Authority: IT
Inventors: Claudio Accorsi; Daniele Ghezzi
Original assignee: Elesystems S R L
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-12
Also published as: ITMI20011236A0; EP1430274A1; WO2002101333A1

Description

DESCRIZIONE dell’ invenzione industriale dal titolo:, DESCRIPTION of the industrial invention entitled :,

“TRASDUTTORE DI POSIZIONE” "POSITION TRANSDUCER"

La presente invenzione riguarda un trasduttore di posizione, ed in particolare un trasduttore di posizione assoluta lineare che può essere impiegato per misurare il movimento di un corpo, per controllare il livello di un liquido e per tutte le applicazioni nelle quali parti in movimento relativo non possono essere a contatto elettrico o meccanico tra loro. The present invention relates to a position transducer, and in particular a linear absolute position transducer that can be used to measure the movement of a body, to control the level of a liquid and for all applications in which parts in relative movement cannot be in electrical or mechanical contact with each other.

Sono noti trasduttori di posizione comprendenti uno o più sensori magnetici che misurano l’intensità del flusso magnetico generato da un magnete ed emettono un segnale elettrico variabile in funzione della loro distanza dal magnete stesso. Tuttavia, questi traduttori noti forniscono un risultato errato quando il campo magnetico del magnete varia nel tempo, ad esempio a causa del suo invecchiamento o della sua sostituzione con un altro magnete, in quanto il segnale emesso dai sensori è direttamente proporzionale all’intensità misurata. Position transducers are known including one or more magnetic sensors that measure the intensity of the magnetic flux generated by a magnet and emit a variable electrical signal according to their distance from the magnet itself. However, these known translators provide an incorrect result when the magnetic field of the magnet varies over time, for example due to its aging or its replacement with another magnet, as the signal emitted by the sensors is directly proportional to the measured intensity.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un trasduttore esente da tali inconvenienti, ovvero un trasduttore che fornisca risultati corretti anche quando varia il campo generato dal magnete. Detto scopo viene conseguito con un trasduttore le cui caratteristiche principali sono specificate nella prima rivendicazione ed altre caratteristiche sono specificate nelle rivendicazioni successive. The object of the present invention is therefore to provide a transducer free from such drawbacks, ie a transducer that provides correct results even when the field generated by the magnet varies. Said object is achieved with a transducer whose main characteristics are specified in the first claim and other characteristics are specified in the subsequent claims.

Grazie al sensore aggiuntivo, ai convertitori analogico-digitali ed ai mezzi elettronici di calcolo, il trasduttore secondo la presente invenzione può compensare in maniera automatica eventuali variazioni del campo magnetico, così da fornire sempre risultali precisi ed affidabili. Thanks to the additional sensor, the analog-digital converters and the electronic calculation means, the transducer according to the present invention can automatically compensate for any variations in the magnetic field, so as to always provide accurate and reliable results.

Inoltre, grazie alla tabella di valori memorizzata nella memoria digitale, il trasduttore secondo la presente invenzione può essere tarato in maniera semplice e precisa prima dell’uso, così da compensare eventuali tolleranze di misura dei sensori magnetici o di posizione relativa del magnete. Furthermore, thanks to the table of values stored in the digital memory, the transducer according to the present invention can be calibrated in a simple and precise manner before use, so as to compensate for any measurement tolerances of the magnetic sensors or relative position of the magnet.

Secondo un particolare aspetto dell’invenzione, il trasduttore può essere provvisto di più coppie di sensori magnetici collegati ai mezzi elettronici di calcolo, così da poter determinare la posizione del magnete su traiettorie lunghe, anche non rettilinee. According to a particular aspect of the invention, the transducer can be provided with several pairs of magnetic sensors connected to the electronic calculation means, so as to be able to determine the position of the magnet on long trajectories, even if not straight ones.

Secondo un altro particolare aspetto dell’invenzione, i mezzi elettronici di calcolo del trasduttore possono comprendere un microcontrollore o microprocessore, in modo da ridurre i costi e la complessità di fabbricazione e manutenzione del trasduttore stesso. According to another particular aspect of the invention, the electronic calculation means of the transducer can comprise a microcontroller or microprocessor, in order to reduce the costs and complexity of manufacturing and maintenance of the transducer itself.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del trasduttore secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente descrizione dettagliata e non limitativa di due sue forme realizzative con riferimento agli annessi disegni in cui: Further advantages and characteristics of the transducer according to the present invention will become evident to those skilled in the art from the following detailed and non-limiting description of two of its embodiments with reference to the attached drawings in which:

- la figura 1 mostra uno schema del trasduttore secondo la prima forma realizzativa dell’ invenzione; - Figure 1 shows a diagram of the transducer according to the first embodiment of the invention;

- le figure 2 e 3 mostrano diagrammi ottenuti dal trasduttore di figura 1 ; e Figures 2 and 3 show diagrams obtained by the transducer of Figure 1; And

- la figura 4 mostra uno schema del trasduttore secondo la seconda forma realizzativa dell’invenzione. - Figure 4 shows a diagram of the transducer according to the second embodiment of the invention.

Facendo riferimento alla figura 1, si vede che il trasduttore secondo la prima forma realizzativa dell’invenzione comprende in modo noto almeno un sensore magnetico 1, ad esempio un sensore ad effetto Hall od un sensore magneto-resistivo, il quale misura l’intensità del flusso magnetico generato da almeno un magnete 2, ad esempio un magnete permanente. Il magnete 2 può essere fissato ad un corpo che scorre lungo una traiettoria sostanzialmente parallela all’asse di orientamento delle polarità del magnete stesso, indicato dalla freccia 3, in modo che il sensore 1 può emettere un segnale elettrico variabile in funzione della sua distanza del magnete 2. Il moto del magnete 2 rispetto al sensore 1 è da considerarsi relativo, per cui è anche possibile che in altre fonrie realizzative dell’invenzione il sensore sia mobile ed il magnete sia fisso o mobile. With reference to Figure 1, it can be seen that the transducer according to the first embodiment of the invention comprises in a known way at least one magnetic sensor 1, for example a Hall effect sensor or a magneto-resistive sensor, which measures the intensity of the magnetic flux generated by at least one magnet 2, for example a permanent magnet. The magnet 2 can be fixed to a body which slides along a trajectory substantially parallel to the orientation axis of the polarity of the magnet itself, indicated by the arrow 3, so that the sensor 1 can emit an electrical signal which varies according to its distance from the magnet 2. The motion of the magnet 2 with respect to the sensor 1 is to be considered relative, therefore it is also possible that in other embodiments of the invention the sensor is mobile and the magnet is fixed or mobile.

Secondo l’invenzione, il trasduttore comprende almeno un ulteriore sensore magnetico 4 preferibilmente disposto lungo un asse che attraversa il sensore 1 ed è sostanzialmente parallelo all’asse 3. Le uscite dei sensori 1 e 4 sono opportunamente collegate a convertitori analogico-digitali 5 che convertono i segnali elettrici analogici dei sensori 1, 4 in segnali digitali. I convertitori analogico-digitali 5 sono a loro volta collegati a mezzi elettronici di calcolo 6 che elaborano i segnali digitali provenienti dai convertitori 5 ed emettono un segnale analogico o digitale in funzione di tale elaborazione attraverso almeno un’interfaccia di uscita 7, alla quale possono essere collegati altri dispositivi elettronici in funzione dell’applicazione desiderata. I mezzi elettronici di calcolo 6 comprendono almeno un’unità di calcolo 8 ed almeno una memoria digitale 9. I mezzi elettronici di calcolo 6 possono in particolare consistere in un microcontrollore o microprocessore 10 che comprende anche i convertitori analogico-digitali 5, come ad esempio il PIC modello 16F874 della ditta Micron. Questo modello comprende una pluralità di convertitori analogico-digitali a 10 bit, una memoria RAM, una memoria Flash ed una memoria EEPROM e trasmette attraverso l’interfaccia di uscita 7 un segnale PWM avente un ciclo di funzionamento proporzionale alla posizione del magnete 2 rispetto ai sensori 1 e 4. Nella memoria 9, in particolare nella memoria Flash, è opportunamente memorizzata almeno una funzione di elaborazione, come ad esempio una tabella contenente una serie di coppie di valori associati tra loro. I primi valori R della tabella corrispondono ad un intervallo di possibili valori d’ingresso che dipendono dai segnali provenienti dai convertitori 5, mentre i secondi valori P corrispondono ad un intervallo di possibili valori d’uscita della posizione del magnete 2 rispetto ad una determinata origine sull’asse 3. According to the invention, the transducer comprises at least one further magnetic sensor 4 preferably arranged along an axis which crosses the sensor 1 and is substantially parallel to the axis 3. The outputs of the sensors 1 and 4 are suitably connected to analog-digital converters 5 which they convert the analog electrical signals of sensors 1, 4 into digital signals. The analog-digital converters 5 are in turn connected to electronic calculation means 6 which process the digital signals coming from the converters 5 and emit an analog or digital signal as a function of this processing through at least one output interface 7, to which they can other electronic devices can be connected according to the desired application. The electronic computing means 6 comprise at least one computing unit 8 and at least one digital memory 9. The electronic computing means 6 may in particular consist of a microcontroller or microprocessor 10 which also comprises the analog-digital converters 5, such as for example the PIC model 16F874 of the company Micron. This model comprises a plurality of 10-bit analog-to-digital converters, a RAM memory, a Flash memory and an EEPROM memory and transmits through the output interface 7 a PWM signal having an operating cycle proportional to the position of the magnet 2 with respect to the sensors 1 and 4. In memory 9, in particular in Flash memory, at least one processing function is suitably stored, such as for example a table containing a series of pairs of values associated with each other. The first R values of the table correspond to an interval of possible input values that depend on the signals coming from the converters 5, while the second P values correspond to an interval of possible output values of the position of magnet 2 with respect to a given origin on axis 3.

In figura 2 è mostrato un esempio dei grafici dei segnali elettrici SI ed S2, in particolare differenze di potenziale in mV rispetto ad una tensione nominale, i quali provengono ai mezzi elettronici di calcolo 6 dai sensori 1 , 4 attraverso i convertitori 5. 1 segnali S1 ed S2 variano secondo la posizione del magnete 2 rispetto ai sensori 1 e 4, ed in funzione del valore di questi segnali i mezzi elettronici di calcolo 6 possono ricavare dalla tabella nella memoria 9 la posizione P del magnete stesso, espressa in mm nel grafico. Figure 2 shows an example of the graphs of the electrical signals SI and S2, in particular potential differences in mV with respect to a nominal voltage, which come to the electronic calculation means 6 from the sensors 1, 4 through the converters 5. 1 signals S1 and S2 vary according to the position of the magnet 2 with respect to the sensors 1 and 4, and according to the value of these signals the electronic calculation means 6 can obtain from the table in the memory 9 the position P of the magnet itself, expressed in mm in the graph .

I grafici mostrati in figura 2 con una linea leggennente ingrossata corrispondono ai valori nominali G1 dell’intensità del flusso magnetico generato dal magnete 2. Tuttavia, ad esempio a causa dell’ invecchiamento o della sostituzione del magnete 2, l’intensità del flusso magnetico può cambiare in un valore reale G2, mostrato con una linea più sottile, il quale è differente dal valore nominale Gl. Pertanto, quando varia l’intensità del flusso magnetico generato dal magnete 2, i sensori 1, 4 forniscono due valori s1 e s2, ai quali corrispondono nella tabella in memoria due valori di posizione p1 e p2 che non coincidono tra loro. The graphs shown in figure 2 with a slightly enlarged line correspond to the nominal values G1 of the intensity of the magnetic flux generated by magnet 2. However, for example due to aging or the replacement of magnet 2, the intensity of the magnetic flux can change to a real value G2, shown with a thinner line, which is different from the nominal value Gl. Therefore, when the intensity of the magnetic flux generated by magnet 2 varies, sensors 1, 4 provide two values s1 and s2, to which two position values p1 and p2 that do not coincide with each other correspond in the memory table.

Facendo ora riferimento alla figura 3, si vede che per ovviare al suddetto inconveniente, i valori dei segnali elettrici S1 ed S2 vengono opportunamente elaborati dall’unità di calcolo 8, ad esempio eseguendo un rapporto tra tali valori, in particolare secondo le formule: Referring now to Figure 3, it can be seen that to overcome the aforementioned drawback, the values of the electrical signals S1 and S2 are suitably processed by the calculation unit 8, for example by carrying out a relationship between these values, in particular according to the formulas:

Un altro esempio di elaborazione può consistere nel calcolo dell’angolo formato dalla retta passante per l’origine del diagramma polare in figura 3 e per il punto avente coordinate S1 ed S2. Another example of processing may consist in calculating the angle formed by the straight line passing through the origin of the polar diagram in Figure 3 and the point having S1 and S2 coordinates.

Il valore R ottenuto da queste elaborazioni viene impiegato dall’unità di calcolo 8 per ottenere dalla funzione, in particolare dalla tabella, memorizzata nella memoria 9 un valore P corrispondente alla posizione del magnete 2. Come si può notare dai diagrammi di figura 3, i quali mostrano anche la variazione dei segnali SI ed S2 in funzione dello spostamento del magnete 2 con i due differenti valori di intensità del flusso magnetico G1 e G2, i valori R, e quindi i corrispondenti valori P della tabella nella memoria 9, non variano quando varia l’intensità del flusso magnetico generato dal magnete 2. I valori P così calcolati vengono poi trasmessi all’esterno attraverso l’interfaccia 7. The value R obtained from these elaborations is used by the calculation unit 8 to obtain from the function, in particular from the table stored in the memory 9, a value P corresponding to the position of the magnet 2. As can be seen from the diagrams of Figure 3, the which also show the variation of the signals S1 and S2 as a function of the displacement of the magnet 2 with the two different intensity values of the magnetic flux G1 and G2, the values R, and therefore the corresponding values P of the table in memory 9, do not vary when the intensity of the magnetic flux generated by the magnet 2 varies. The P values thus calculated are then transmitted to the outside through the interface 7.

Per un corretto funzionamento del trasduttore secondo la presente invenzione, la distanza reciproca tra i sensori 1 e 4 è preferibilmente minore della distanza percorsa dal magnete 2 tra i punti in cui si rilevano i valori massimi e minimi dei segnali S 1 ed S2 di questi sensori, in modo tale che i due grafici di figura 2 si sovrappongano per una porzione sufficiente a fornire un risultato univoco. For correct operation of the transducer according to the present invention, the mutual distance between the sensors 1 and 4 is preferably less than the distance traveled by the magnet 2 between the points where the maximum and minimum values of the signals S 1 and S2 of these sensors are detected. , in such a way that the two graphs of figure 2 overlap for a portion sufficient to provide a unique result.

In altre forme realizzative della presente invenzione, i valori dei segnali elettrici S1 ed S2 possono essere combinati dall’unità di calcolo 8 in modi differenti da quello sopra descritto. Ad esempio, combinando tra loro i valori dei segnali S1 ed S2 è possibile determinare un coefficiente di correzione C, che può essere memorizzato nelle memorie RAM e/o EEPROM e viene moltiplicato con entrambi i valori per ottenere una coincidenza tra i corrispondenti valori P della posizione del magnete 2. In other embodiments of the present invention, the values of the electrical signals S1 and S2 can be combined by the computing unit 8 in different ways from that described above. For example, by combining the values of the signals S1 and S2, it is possible to determine a correction coefficient C, which can be stored in the RAM and / or EEPROM memories and is multiplied with both values to obtain a coincidence between the corresponding values P of the magnet position 2.

Tale combinazione può essere basata su un algoritmo di tipo ricorsivo, nel quale il coefficiente di correzione C viene variato dall’ unità di calcolo 8 fino a quando i valori P non coincidono tra loro. This combination can be based on a recursive algorithm, in which the correction coefficient C is varied by the calculation unit 8 until the P values coincide with each other.

Con riferimento infine alla figura 4, si vede che nella seconda forma realizzati va dell’invenzione il trasduttore comprende più coppie di sensori magnetici 1, 4 preferibilmente disposti lungo la traiettoria di scorrimento del magnete 2, la quale può anche essere non rettilinea, ma curva, nel qual caso la disposizione delle coppie di sensori 1, 4 segue questa traiettoria. In questa forma realizzativa dell’invenzione i mezzi elettronici di calcolo 6, che possono consistere in un elaboratore di un sistema che realizza anche altre funzioni, ricevono sempre i segnali dai sensori 1 , 4 attraverso convertitori analogico-digitali 5 e li elaborano nel modo sopra descritto, tuttavia a ciascuna coppia di sensori 1, 4 corrisponde una diversa tabella memorizzata nella memoria 9, in modo da poter ottenere la posizione assoluta del magnete 2 in funzione delle coppie di segnali SI ed S2 fomite da ciascuna coppia di sensori 1, 4. Finally, with reference to Figure 4, it can be seen that in the second embodiment of the invention the transducer comprises several pairs of magnetic sensors 1, 4 preferably arranged along the sliding trajectory of the magnet 2, which can also be not straight, but curved , in which case the arrangement of the pairs of sensors 1, 4 follows this trajectory. In this embodiment of the invention, the electronic calculation means 6, which can consist of a processor of a system that also performs other functions, always receive the signals from the sensors 1, 4 through analog-digital converters 5 and process them in the above way described, however, each pair of sensors 1, 4 corresponds to a different table stored in the memory 9, so as to be able to obtain the absolute position of the magnet 2 as a function of the pairs of signals S1 and S2 supplied by each pair of sensors 1, 4.

Nell’uso, i valori delle posizioni P del magnete in funzione del risultato R dell’elaborazione sono preferibilmente memorizzati nelle tabelle della memoria 9 al momento del collaudo, in modo da poter adattare i valori P ad eventuali differenze di risposta dei sensori 1, 4 in presenza od in assenza del magnete 2. Ad esempio, è possibile che in assenza di campo magnetico i sensori forniscano segnali di valore diverso, per cui si compensa questa differenza modificando opportunamente i valori P oppure introducendo un coefficiente di correzione C per entrambi i valori dei sensori 1, 4. È inoltre possibile che in presenza di campo magnetico i sensori 1, 4 forniscano segnali di valore diverso a parità di distanza del magnete 2 da ciascun sensore. Anche in questo caso si può compensare questa differenza modificando opportunamente i valori P oppure introducendo un coefficiente di correzione C per entrambi i valori dei sensori 1, 4. Una volta memorizzate le tabelle corrette nella memoria 9, l’unità di calcolo 8 provvederà a calcolare nel modo sopra descritto la posizione del magnete 2 in funzione dei segnali dei sensori 1, 4, compensando automaticamente eventuali variazioni dell’intensità del flusso magnetico generato dal magnete stesso o da un magnete sostitutivo. In use, the values of the positions P of the magnet as a function of the result R of the processing are preferably stored in the tables of memory 9 at the time of testing, so as to be able to adapt the values P to any response differences of the sensors 1, 4 in the presence or absence of magnet 2. For example, it is possible that in the absence of a magnetic field the sensors provide signals of different values, so this difference is compensated by appropriately modifying the P values or introducing a correction coefficient C for both values of sensors 1, 4. It is also possible that in the presence of a magnetic field the sensors 1, 4 provide signals of different values for the same distance of the magnet 2 from each sensor. Also in this case it is possible to compensate for this difference by appropriately modifying the values P or by introducing a correction coefficient C for both values of sensors 1, 4. Once the correct tables have been stored in memory 9, the calculation unit 8 will calculate in the manner described above, the position of the magnet 2 as a function of the signals of the sensors 1, 4, automatically compensating for any variations in the intensity of the magnetic flux generated by the magnet itself or by a replacement magnet.

Ulteriori varianti e/o aggiunte possono essere apportate dagli esperti del ramo alle forme realizzative dell’invenzione qui descritte ed illustrate restando nell’ambito dell’invenzione stessa. Ad esempio, il trasduttore secondo la presente invenzione può essere provvisto di concentratori di flusso che modificano le linee del flusso magnetico generato dal magnete 2, nel qual caso può variare anche la disposizione dei sensori e/o la loro sensibilità. Further variations and / or additions can be made by those skilled in the art to the embodiments of the invention described and illustrated here, remaining within the scope of the invention itself. For example, the transducer according to the present invention can be provided with flux concentrators which modify the lines of the magnetic flux generated by the magnet 2, in which case the arrangement of the sensors and / or their sensitivity can also vary.

Claims

CLAIMS 1. Position transducer, which comprises at least one magnetic sensor (1) which measures Γ intensity of the magnetic flux generated by at least one magnet (2) able to move with a relative motion with respect to the sensor (1) so that the latter emits an electrical signal that varies according to its distance from the magnet (2), characterized by the fact that it comprises at least one further magnetic sensor (4), in which each of the sensors (1, 4) is connected through analog-digital converters (5) to electronic calculation means (6) equipped with at least one digital memory (9) and a calculation unit (8) which processes the signals (SI, S2) coming from the sensors (1, 4) and obtains the position (P ) of the magnet (2) as a function of the result (R) of this processing.

2. Transducer according to the preceding claim, characterized in that the magnet (2) can slide along a path substantially parallel to the orientation axis of its polarities, and that the magnetic sensors (1, 4) are arranged along a substantially parallel axis to the sliding path of the magnet (2).

3. Transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the mutual distance between the sensors (1, 4) is less than the distance traveled by the magnet (2) between the points where the maximum and minimum values of the signals (S 1, S2) of these sensors.

4. Transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic calculation means (6) are provided with an output interface (7).

5. Transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic calculation means (6) consist of a microcontroller (10) provided with at least one Flash memory (9).

6. Transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation unit (8) processes the values (S1, S2) of the sensor signals (1, 4) based on a function stored in the memory (9).

7. Transducer according to the previous claim, characterized by the fact that the computing unit (8) obtains the position (P) of the magnet (2) through at least one table stored in the memory (9).

8. Transducer according to claim 6 or 7, characterized by the fact that the calculation unit (8) processes the values (S1, S2) of the sensor signals (1, 4) based on the formulas:

R is the result of the processing, e S1, S2 are the values (S1, S2) of the sensor signals (1, 4).

Transducer according to one of claims 6 to 8, characterized in that the computing unit (8) processes the values (S1, S2) of the sensor signals (1, 4) and determines a correction coefficient (C) to be multiply by both values (SI, S2) to obtain the corresponding values (P) of the position of the magnet (2).

10. Transducer according to claim 9, characterized in that said processing of the values (S1, S2) of the sensor signals (1, 4) is based on a recursive algorithm, in which the calculation unit (8) varies the correction coefficient (C) until the values (P) of the position of the magnet (2) coincide with each other.

11. Transducer according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises several pairs of magnetic sensors (1, 4) connected through analog-digital converters (5) to the electronic calculation means (6).