MXPA05000243A

MXPA05000243A - Sensor de posicion que utiliza una fuente de flujo magnetico de compuesto.

Info

Publication number: MXPA05000243A
Application number: MXPA05000243A
Authority: MX
Inventors: Ronald Francis Hurd
Original assignee: Fisher Controls Int
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-04-11
Also published as: US20040004473A1; WO2004005854A3; WO2004005854A2; US20060012362A1; CA2491301C; AU2003239217A8; BR0312316A; CN1678886B; US6909281B2; AU2003239217A1; US7005847B2; EP1521943A2; CA2491301A1; EP1521943B1; BRPI0312316B1; JP2010210631A; JP2005531784A; CN1678886A

Abstract

Un sensor de posicion sin contacto detecta el desplazamiento relativo entre dos objetos. Una fuente de flujo magnetico se proporciona a traves de una pluralidad de imanes discretos selectivamente determinados para producir una fuente de flujo altamente configurable que facilmente se adapta al desplazamiento giratorio o rectilineo. La interaccion de los campos de flujo individuales generados por los imanes discretos es controlada para producir relaciones tanto lineales como no lineales con respecto a los cambios en el desplazamiento. Una pieza de polo de reunion de flujo dimensionalmente es optimizada para integrar la pluralidad de campos de flujo individuales dirigidos hacia un sensor magnetico.

Description

WO 2004/005854 A2 lililí III «??? For two-letter codes and other abbreviations, refer to the "Guid-ance Notes on Codes andAbbreviations" appearing al the begin-ning of each regular issue of the PCT Gazette. 1 SENSOR DE POSICION QUE UTILIZA UNA FUENTE DE FLUJO MAGNETICO DE COMPUESTO REFERENCIA CRUZADA A LAS SOLICITUDES DE E. U. A. Y PATENTES DE E. U. A. RELACIONADAS Esta solicitud está relacionada con la patente de E. U. A. 5,451,923 presentada el 18 de septiembre de 1995 intitulada "Sistema y Método de Comunicación", patente de E. U. A. 6,060,881 presentada el 6 de agosto de 1997 intitulada "Piezas de Polo de Configuración de Flujo para un Sensor de Desplazamiento Magnético", y la solicitud de E. U. A. copendiente 09/836,307 presentada el 17 de abril del 2001 intitulada "Método para Detectar un Vástago de Válvula Roto", las cuales están cedidas al mismo cesionario de la presente solicitud de patente, y se incorporan aquí por referencia.

CAMPO DE LA INVENCION Esta solicitud se refiere a un aparato para medir el desplazamiento o posición entre dos objetos. Más específicamente, se describe un sensor de posición sin contacto que tiene una fuente de flujo magnético configurable que se utiliza para detectar la posición del vástago de válvula en una válvula de control. 2 ANTECEDENTES DE LA INVENCION Las plantas de procesamiento industrial utilizan válvulas de control en una amplia variedad de aplicaciones desde el control del flujo del producto en una planta de procesamiento de alimentos para mantener los niveles de fluido en granjas de tanques grandes. Las válvulas de control, las típicamente son automáticas, se utilizan para manejar el flujo de producto funcionando como un orificio pasaje variable. Al mover un componente de válvula interna, el obturador de la válvula, la cantidad de producto que pasa a través del cuerpo de válvula puede ser controlada con exactitud. La válvula de control típicamente se automatiza utilizando un accionador y un instrumento remotamente operado, el cual se comunica entre una computadora de control de procedimiento y el accionador para dirigir los cambios de flujo dentro de la válvula para lograr la estrategia de control deseada de los operadores de la planta. Los sensores de posición juegan un papel crítico de mantener un exacto control de procedimiento. Cuando la computadora de control de procedimiento emite un comando para modificar el flujo, el instrumento remotamente operado debe leer la posición actual de la válvula y aplicar la acción correctiva apropiada a través del accionador. Un accionador típico es accionado a través de una fuente de aire presurizado, la cual se controla a través del instrumento remotamente operado. Por ejemplo, en un accionador de resorte y diafragma utilizado en una válvula de vástago deslizante, las variaciones en la presión del aire aplicado a 3 un diafragma grande ocasionan el movimiento o desplazamiento del diafragma. Unido al diafragma se encuentra un vastago de accionador, el cual a su vez está conectado al obturador de válvula. Al cambiar la presión del aire hacia el diafragma, el instrumento remotamente operado puede colocar directamente el obturador de válvula y de esta manera controlar el flujo a través de la válvula de control. Con el fin de controlar apropiadamente el flujo, el instrumento siempre debe conocer en donde está el obturador de válvula y hacia donde debe ser movido como respuesta a un nuevo comando. Esto se logra uniendo un sensor de posición entre el instrumento remotamente operado y el vástago de accionador. La salida del sensor de posición puede ser directamente conectada al instrumento remotamente operado para proporcionar la realimentación de posición del vástago para un control preciso de la válvula. Los sensores de posición tradicionales, tales como los potenciómetros, requieren de enlaces mecánicos dinámicos o en movimiento para acoplar el movimiento o desplazamiento hacia el sensor. En aplicaciones en donde existen vibraciones mecánicas causadas por un flujo turbulento, los errores o inestabilidades del sistema pueden reducir la confiabilidad del sensor de posición ocasionando millones de ciclos operacionales que se acumulan en un periodo de tiempo muy breve. Los enlaces mecánicos también tienen puntos de contacto o de desgaste. Durante condiciones de servicio pesadas, las inestabilidades literalmente pueden "barrer" los enlaces 4 mecánicos en los puntos de desgaste, desconectando así el vastago de válvula del instrumento remotamente operado. Se deben evitar las fallas catastróficas de este tipo que destruyen el control de la válvula. Para mejorar la confiabilidad del sensor, los diseños de sensor han emigrado a métodos de detección de posición sin contacto. Un tipo de diseño de sensor sin contacto es un sensor de posición magnético. Los sensores de posición magnéticos detectan el desplazamiento entre dos objetos uniendo una fuente de flujo magnético, típicamente un imán, al primer objeto y un sensor, tal como un sensor de efecto de Hall hacia el segundo objeto. La fuente de flujo magnético presenta un campo magnético que es detectado por el sensor. Cualquier movimiento por uno o ambos objetos que produzca el desplazamiento relativo presenta una porción diferente del campo magnético hacia el sensor, cambiando así la salida del sensor. Esta salida puede estar directamente relacionada con el desplazamiento relativo entre el accionador y el vástago de válvula.

Los sensores de posición sin contacto son muy adaptables y pueden medir numerosas formas de desplazamiento. Sin embargo, los sensores de posición sin contacto actuales por lo regular están limitados por el método de unirlos a los elementos en movimiento. Existe numerosos ejemplos comerciales de un sensor de posición o de realimentación en instrumentos remotamente operados que siguen utilizando enlaces dinámicos "de contacto" para acoplar el desplazamiento. Una de estas configuraciones utiliza un aparato de engranajes de gusano convencional para acoplar directamente el movimiento giratorio a un elemento magneto-resistivo sin contacto. Aunque el elemento magneto-resistivo puede ser clasificado como un sensor sin contacto, el movimiento en realidad es traducido a través de un aparato "de contacto" y presentará una contabilidad reducida justo como los potenciómetros a base de enlaces tradicionales. Además, otros sensores de posición sin contacto sufren de la incapacidad de reconfigurar la fuente de flujo magnético para proporcionar una salida predefinida para varios tipos de medición de de desplazamiento (por ejemplo, rectilíneo y giratorio). Ejemplos de estos tipos de sensores de posición se encuentran en la patente de E. U. A. 5,359,288 de Riggs y otros, patente de E. U. A. 5,497,081 de Wolf y otros, y patente de E. U. A. 5,570,015 de Takaishi y otros.

COMPENDO DE LA INVENCION Un ensamble de sensor de posición como se describe aquí proporciona una posición sin contacto para detectar con exactitud el desplazamiento relativo entre los objetos y más específicamente para medir con presión la posición de un obturador de válvula en un ensamble de válvula de control. En una modalidad, un sensor de posición con una fuente de flujo magnético altamente configurable que utiliza una pluralidad de imanes discretos que está adaptado para medir el desplazamiento rectilíneo como el desplazamiento giratorio. Esto se logra a través de 6 un diseño controlado del ensamble magnético. Se ensamblan imanes individuales para crear un campo de flujo de compuesto continuo creando así una fuente de flujo magnético de geometría física variable. En otra modalidad, la programación del ensamble magnético predetermina la relación entre el recorrido y la salida del sensor de posición. Numerosas relaciones de salida son diseñadas predefiniendo el campo magnético, y después programando la pluralidad de imanes discretos para crear cooperativamente el campo magnético deseado. Otra modalidad utiliza un imán cilindrico para crear un sensor de posición giratoria con características de salida altamente lineales a través de una escala de rotación extendida. Al controlar con exactitud la longitud del imán cilindrico y el hueco de aire dentro del ensamble de sensor, las características de respuestas son enormemente mejoradas.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las características y ventajas del sensor de posición aquí descrito se apreciarán mejor después de hacer referencia a la siguiente descripción detallada y los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1A muestra un diagrama de bloque que ilustra una vista en sección transversal de un sensor magnético colocado cerca del centro de una fuente de flujo magnético. 7 La Figura 1B muestra un diagrama de bloque que ilustra una vista en sección transversal del sector magnético de la Figura 1A colocado cerca de un extremo de la fuente de flujo magnético. La Figura 1C es una gráfica que ilustra la salida de sensor magnético que corresponde a la Figura 1A. La Figura 1D es una gráfica que ilustra la salida de sensor magnético que corresponde a la Figura 1D. La Figura 2A es una vista en perspectiva de un ensamble de sensor de posición sin contacto montado en un accionador de vástago deslizante para detectar el desplazamiento rectilíneo de un vástago de válvula. La Figura 2B es una vista en perspectiva del ensamble de sensor de posición sin contacto completo de la Figura 2A que muestra la interconexión entre la fuente de flujo magnético y el ensamble de sensor de posición sin contacto. La Figura 2C es una vista en perspectiva de un alojamiento de sensor y un ensamble de sensor para el sensor de posición sin contacto rectilíneo. La Figura 3A es una vista lateral del sensor de posición que muestra una fuente de flujo de imán que contiene una pluralidad de imanes discretos que tienen válvulas de inducción individuales colocadas para el recorrido rectilíneo. La Figura 3B es una vista superior del sensor de posición de la Figura 3A para el recorrido rectilíneo y muestra la posición lateral y la profundidad de inserción de la fuente de flujo magnético dentro del 8 ensamble de sensor. Las Figura 3A y 3D son, en combinación, una vista esquemática que ilustra un circuito electrónico que se utiliza para accionar intermitentemente el sensor magnético y la condición de la señal de la salida pulsada para crear una señal análoga para utilizarse en un instrumento remotamente operado. La Figura 4A es un diagrama de espacio libre utilizado para ilustrar los efectos extremos no lineales de un imán de barra individual colocado como se describió en la técnica anterior y utilizado como una fuente de flujo magnético para la medición del desplazamiento rectilíneo. La Figura 4B es un diagrama de espacio libre que se usa para ilustrar los campos de flujo traslapantes generados por los imanes discretos de la fuente de flujo magnético discreta y el campo magnético de compuesto resultante reunido por la pieza de polo de reunión de flujo. La Figura 5A es una vista lateral ilustrativa de un portador de imán cilindrico marcado para mostrar la separación vertical equidistante de imanes discretos helicoidalmente orientados en la fuente de flujo magnético para un sensor de posición de recorrido rectilíneo de 11.43 cm. La Figura 5B es una vista en planta superior ilustrativa de la disposición de imán discreto o helicoidalmente orientado para un sensor de posición rectilíneo que muestra la rotación angular de los imanes discretos dentro de la fuente de flujo magnético y la posición 9 latera! y la profanidad de inserción de la fuente de flujo magnético dentro del ensamble de sensor. La Figura 6 es una vista en perspectiva ilustrativa de un sensor de posición de rotación acoplado a una flecha giratorio en donde la pluralidad de imanes discretos que comprenden la fuente de flujo magnético está colocada dentro de una distribución angular uniforme alrededor del eje de rotación. La Figura 7A es una vista en perspectiva ilustrativa de un sensor de posición giratorio de extremo montado, en donde la fuente de flujo magnético cilindrica se hace girar entre las extremidades e la pieza de polo de reunión de flujo. La Figura 7B es una vista extrema ilustrativa que muestra el plano de percepción de referencia y la rotación angular máxima para el sensor de posición giratorio extremo montado que exhibe características de salida lineal.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Para apreciar las ventajas del sensor de posición aquí descrito, es deseable tener un entendimiento de un componente del sensor de posición y como operan para medir el desplazamiento en una válvula de control. Aunque la modalidad preferida enseña la medición de desplazamiento con relación a válvulas de control, aquellos expertos en la técnica reconocerán la importancia de otras aplicaciones de medición de desplazamiento. Regresando a los dibujos y haciendo 10 referencia inicialmente a la Figura 1A, se muestran los componentes claves del sensor de posición sin contacto. En la Figura 1A, el sensor 5 está colocado adyacente a la fuente de flujo magnético 8. Como es comúnmente conocido, la fuente de flujo magnético 8 presenta un campo de flujo tridimensional, continuo que completamente envuelve tanto a la fuente de flujo magnético 8 como el sensor 5. Continuando, el sensor 5 es un dispositivo que produce una señal eléctrica que es proporcionada al campo magnético 10 que lo rodea. Como es conocido por aquellos expertos en la técnica, la magnitud detectada el campo magnético 10 cambia con respecto a la posición dentro del campo magnético 10. Consecuentemente, cualquier cambio en la posición relativa al desplazamiento del sensor 5 con respecto al campo magnético 10 producirá un cambio correspondiente en la salida del sensor 5 como se ilustra en la gráfica de la Figura 1C. Esta relación puede ser explotada para crear un sensor de posición sin contacto. En aplicaciones de posición sin contacto de medición de desplazamiento, el sensor 5 y la fuente de flujo magnético 8 están montados sobre dos objetos mecánicamente independientes (no mostrados). Se utilizan enlaces mecánicos no dinámicos o sin movimiento para acoplar el desplazamiento relativo entre la fuente de flujo magnético 8 directamente en el sensor 5. Haciendo referencia de nuevo a la Figura 1A, la posición relativa del sensor 5 y el sensor de flujo magnético 8 coloca al sensor 5 cerca del centro 11 de la fuente de flujo magnético 8 con un desplazamiento indicado por D1. La gráfica correspondiente en la Figura 1C se muestra la salida del sensor 5 indicada por V1 para un desplazamiento de D1. En la Figura 1B, el desplazamiento es cambiado a una nueva posición, indicada por D2 colocando el sensor 5 cerca del extremo de la fuente de flujo magnético 8. La gráfica correspondiente en la Figura 1D muestra el cambio en la salida del sensor 5 directamente relacionado con el cambio en la posición del sensor 5 dentro del campo magnético 10 generado por la fuente de flujo magnético 8, V2. Estos cambios en la señal de salida del sensor 5 se utilizan como una medición directa del desplazamiento entre los dos objetos mecánicamente independientes. Se utiliza un circuito electrónico (no mostrado) conectado al sensor 5 para procesar la señal de salida del sensor 5 para utilizarse en aplicaciones de válvula de control que se explican con mayor detalle más adelante. Haciendo referencia a la Figura 2A, se muestra un sensor de posición acoplado a un accionador de vástago deslizante 20 utilizado para el control automatizado y una válvula de control. El accionador de vástago deslizante 20 está adaptado para el movimiento rectilíneo (es decir, el movimiento en línea recta. La vista en perspectiva de la Figura 2A muestra como el ensamble de sensor magnético 11 del sensor de posición y la fuente de flujo magnético 18a (mostrada con mayor detalle en las Figuras 3-7) están independientemente montados entre el accionador de vástago deslizantemente y el instrumento 19 remotamente operado (solamente se muestra la base 12 de módulo de instrumento remotamente montado). Como se sabe, el accionador de vástago deslizante 20, el instrumento 19 remotamente operado, y la válvula de control (no mostrada) se combinan para formar el ensamble de válvula 23. Un ensamble de montaje 14 une la fuente de flujo magnético 18a al conector de vástago 27. El ensamble de montaje 14 se construye a partir de una placa de montaje 15a y una placa de alineación 15b. El coneclor de vástago 27 está conectado entre el vástago accionador 17 y el vástago de válvula 21 utilizando pernos de conector de vástago 16a y 16b. La operación general de un ensamble de válvula típico no equipado con el sensor de posición de la presente se describe en la patente de E. U. A. 5,451,923, y está cedida a Fisher Controls Internacional, Inc., e incorporada aquí por referencia. Como se muestra, cuando un comando para mover el obturador de válvula es recibido por el instrumento 19 remotamente operado, se dirige aire presurizado al accionador de vástago deslizante 20 y el vástago de accionador 17 se moverá. Cualquier desplazamiento del vástago de accionador 17 crea un cambio relativo en la posición de la fuente de flujo magnético 18a con respecto al ensamble de sensor 11. Este cambio de posición modifica la salida del sensor. La señal de salida es trasmitida al instrumento 19 remotamente operado para procesamiento para crear el control preciso del obturador de válvula (no mostrado). La Figura 2B muestra una vista en perspectiva del sensor de posición rectilíneo 30a. La fuente de flujo magnético 18a y 13 el ensamble de sensor 11 están colocados muy cerca para acoplar adecuadamente el campo magnético 10 (Figura 1A y Figura 1B) al ensamble de sensor 11, pero no hay ningún contacto durante operación . Ahora haciendo referencia a la Figura 2C, el ensamble de sensor 11 está montado en el alojamiento de sensor 22. El alojamiento de sensor 22 proporciona alineación posicional de la pieza de polo de reunión de flujo 32 y el sensor magnético 35 (explicado con mayor detalle más adelante). El sensor magnético 35 y la pieza de polo de reunión de flujo 32 se mantiene en el alojamiento de sensor 22 a través de una ménsula 38 y dos tornillos 24a y 24b. Además, al integrar el alojamiento de sensor 22 directamente en el instrumento 19 remotamente operado, las conexiones eléctricas son simplificadas y están de acuerdo con la restricciones industriales para la operación ¡ntrínsicamente segura y libre de explosión en ambientes peligrosos bien conocidos por aquellos expertos en la técnica. El alojamiento de sensor 22 se fabrica a partir de aluminio o cualquier otra material no magnético adecuado, y está adaptado para recibir el ensamble de sensor 11. Haciendo referencia ahora a la Figura 3A y Figura 3B, la fuente de flujo magnético 18a (Figura 3A) y el ensamble de sensor 11 (Figura 3B) en la modalidad preferida se discuten con mayor detalle. En la modalidad preferida, la fuente de flujo magnético 18a está diseñada para medir el recorrido rectilíneo y proporcionar una señal de salida lineal sobre toda la escala de medición de desplazamiento. 14 Por ejemplo, un cambio en un 10% en el desplazamiento producirá un cambio del 105 correspondiente en la señal de salida del sensor de posición. Todos los cambios en la salida del sensor de posición están en proporción directa en los cambios en el desplazamiento. La relación de salida lineal es importante para el funcionamiento del instrumento remotamente operado. Al crear una medición de desplazamiento directamente proporcional, no se requiere de ningún procesamiento adicional a través del instrumento 19 remotamente operado o la electrónica de sensor 13 (Figura 3C y 3D) para proporcionar una realimentación de posición. Una pluralidad de imanes cilindricos 50, 72 individuales o discretos está ensamblada en un portador 41 con forma rectangular para crear la fuente de flujo magnético 18a. El material preferido para el portador 41 es uno magnético, tal como aluminio o plástico. En la modalidad preferida, están dispuestos 23 imanes discretos 50-72 en el portador 41 para crear un arreglo lineal capaz de medir aproximadamente 4.5 cm de recorrido rectilíneo. Los imanes discretos 50-72 preferiblemente son fabricados en ALNICO 8H y están alineados vertical y horizontalmente. En una modalidad, los ¡manes 50-72 están montados dentro del portador utilizando una resina epóxica tal como 2214 Structural Adhesive de 3M de Saint Paul, Minnesota. Cada imán discreto 50-72 tiene un diámetro de aproximadamente 0.47625 cm y una longitud de 0.47625 cm. La separación de centro a centro de los ¡manes individuales en la dirección vertical es de aproximadamente 0.635 cm, proporcionando 15 una medición de desplazamiento de aproximadamente 11.43 cm, a través de la porción central del arreglo. El portador 41 proporciona la alineación mecánica del arreglo del imán y se une directamente al conector de vastago 27 con el ensamble de montaje 14 estando unido al conector de vástago 27 utilizando pernos 16a y 16b del conector de vástago como se mostró previamente en la Figura 2A. Como se entenderá por aquellos expertos en la técnica, ocurre un apilamiento de tolerancia dimensional durante el montaje del instrumento 19 remotamente montado sobre el accionador 20 que requiere de la calibración del instrumento antes de la operación del ensamble de válvula 23. La calibración del instrumento se facilita proporcionando una alineación posicional amplia a lo largo del eje longitudinal de recorrido y en un plano horizontalmente perpendicular al eje longitudinal. A diferencia de los enlaces de la técnica anterior que directamente acoplan el movimiento al sensor, la placa de montaje 15a y la placa de alineación 15b del ensamble de montaje 14 son estáticas y solamente proporcionan ajuste durante el procedimiento de instalación. La alineación horizontal de la fuente de flujo magnético 18a y el ensamble de sensor 11 además se muestran en la Figura 3B. La vista superior ¡lustra en la Figura 3B claramente muestra una pieza de polo de reunión de flujo 32 con forma de U del ensamble de sensor 11. La pieza de polo de reunión de flujo 32 está compuesta de dos secciones 33a y 33b con forma de L de un material altamente permeable, preferiblemente HyMu "80"® recocido de 16 Carpenter Technology of Reading, Pennsylvania, colocado en oposición de espejo de entre sí. Las secciones 33a y 33b con forma de L están unidas en la base con un hueco adaptado para recibir el sensor magnético 35 y coloca en cada sección 33a y 33b con forma de L en contacto íntimo con el sensor magnético 35. La dimensión transversal cuadrada de cada sección 33a y 33b con forma de L es de aproximadamente 0.381 cm. Preferiblemente, cada sección 33a y 33b con forma de L tiene una profundidad de aproximadamente 3.175 cm y de 1.1303 cm a través de la extremidad base creando así una forma de U que tiene dimensiones externa de aproximadamente 3.175 cm de profundidad por 2.26 cm de anchura. En una modalidad preferida, el sensor magnético 5 es un elemento de efecto de Allegro 56 Hall, pero también se pueden utilizar otros tipos de sensores magnéticos. La salida del sensor magnético 5 es procesada por el circuito electrónico 13 (Figuras 3C y 3D). El circuito electrónico 13 proporciona la interfase entre el sensor magnético 35 y el instrumento 19 remotamente operado. Como se ilustra en la Figura 3C, un par de conectores J1 y J2 reciben energía de un lazo de corriente 4-20 mA estándar industrial. Como se entiende por aquellos expertos en la técnica, la energía para el sensor magnético 35 y el circuito electrónico 13 puede ser generada a partir de un circuito regulador diseñado con el diodo de referencia de voltaje de microenergía U2 LM285 de Nacional Semiconductor of Santa Clara, California, y los componentes pasivo R5, R6, R7, R10, R11, R12 y 17 C5. Los valores/designaciones para estos y otros componentes de la Figuras 3C y 3D se ilustran en el Cuadro 1. El accionamiento de los circuitos intermitentemente reduce el consumo de energía del sensor magnético 5 y el circuito electrónico 13. El sensor magnético 335 está conectado al circuito electrónico a través de un conector J3 y es "conmutado por energía" o pulsado aproximadamente 200 hertzios a través de un Transistor de Efecto de Campo de Canal N (FET) Q. Como se entenderá por aquellos expertos en la técnica, el controlador embebido U , un PIC12C508A disponible de Microchip Technology of Phoenix, Arizona y los componentes pasivos R1, Y1, C1 y C2 proporcionan el cronómetro y control para la operación pulsada. La señal de salida pulsada del sensor magnético 35 debe ser interpolada o reconstruida para crear una señal analógica que puede ser procesada por el instrumento 19 remotamente operado. El FET Q1, un amplificador operacional U3A (Figura 30) y los componentes pasivos R2, R8, R13, R14, C3, C6 y C7, crean un circuito de muestra y mantenimiento para reconstruir la señal analógica. Un amplificador operacional U3B y los componentes pasivos R3, R4, R9 y C4 acondicionan (es decir ajustan la ganancia y desplazamiento) y filtran la señal analógica reconstruida para crear la señal de salida final. La señal de salida final o medición de desplazamiento de posición es transmitida al instrumento 19 remotamente operado a través del conector J4 (Figura 3C). Finalmente, el conector de prueba J5 puede proporcionar señales de prueba para la evaluación de diagnóstico para el sensor magnético 18 y el circuito electrónico 13.

CUADRO 1 Componente Valor/Designación R1 100 ?O R2 634 ?O R3 178 ?O R4 86.6 ?O R5 665 ?O R6 24.3 ?O R7 51 ?O R8 221 ?O R9 1 ?O R10 665 ?O R11 15 ?O R12 60.4 ?O R13 2 ?O R14 1 ?O C1 5.1 pFd C2 5.1 pFd C3 0.47 pFd C4 18 pFd C5 47 pFd U1 PIC12C508A U2 LM285BYM U3 OP281 Y1 131 KHz Q1 BSS138 19 Continuando con la Figura 4B, la pieza de polo de reunión de flujo 32 reúne el campo magnético 10 de la fuente de flujo magnético 18a y dirige el flujo al sensor magnético 35 y se discute con mayor detalle más adelante. La fuente de flujo magnético 18a se monta aproximadamente perpendicular al ensamble de sensor 11, de manera que cualquier desplazamiento horizontal relativo no ocasiona el contacto físico de la fuente de flujo magnético 18a con las extremidades internas en la pieza de polo de reunión de flujo 32. La fuente de flujo magnético 18a está acoplada aproximadamente 0.79365 cm más allá de la abertura de la pieza de polo de reunión de flujo 32 con forma de U. Un hueco de aire de aproximadamente 0.508 cm sobre cada lado de la fuente de flujo magnético 18a simétricamente coloca la fuente de flujo magnético 18a dentro del ensamble de sensor 11. Cada imán discreto 50-72 produce un campo magnético. Como se sabe, la forma y densidad del campo magnético directamente está relacionada con varios factores. Dos de esos factores son la inducción del imán y las interacciones del imán con campos magnéticos extraños. Para entender mejor las características únicas 20 de la fuente de flujo magnético 18a, los factores antes mencionados son explicados con mayor detalle a continuación. La inducción del imán es una medida directa de su resistencia magnética inherente y puede ser controlada o programada durante la fabricación. Como se sabe, para una geometría física dada del imán, un incremento en su inducción produce un incremento correspondiente en la resistencia del imán y la densidad de su campo magnético. Al controlar la inducción de los ¡manes discretos, su densidad de flujo (es decir, la cantidad de flujo en un volumen dado) y de esta manera su campo magnético, pueden ser controlados. También, cualquier campo magnético adicional o extraño no generado por el imán discreto puede ser combinado con el campo magnético generado por el imán discreto. La polaridad y densidad del campo magnético adicional puede "aditivamente" incrementar o reducir el campo magnético que rodea el imán discreto. El circuito magnético descrito aquí utiliza tanto el control de inducción como las interacciones entre los campos magnéticos extraños para crear una fuente de flujo magnético programable. Imanes de barra individual como se muestra en la técnica anterior, presentan dificultades cuando utilizan toda la longitud del imán para la medición del desplazamiento. Como se ilustra en la Figura 4A, la dirección de polarización u orientación de los polos magnéticos en la aplicación de imán de barra individual es paralela a la dirección de recorrido. Esta orientación polar establece campos magnéticos 130a y 130b altamente concentrados cerca de los polos 21 del imán. En esta regiones de flujo denso, las fuerzas de repulsión entre las líneas de flujo crean cambios extremadamente no lineales en al campo magnético. Si se va a utilizar un imán de barra individual para la medición del desplazamiento, se requiere de un procesamiento especial por la electrónica del ensamble de sensor para crear una salida lineal. Alternativamente, la longitud del imán puede ser incrementada en aproximadamente un 75% para negar los efectos extremos no lineales, pero este aspecto innecesariamente incrementa el costo y limita la aplicación del sensor de posición debido al incremento en la longitud física. En la modalidad preferida, la longitud de la fuente de flujo de imán puede ser sustancialmente igual al desplazamiento máximo que será detectado y no se requiere de ningún procesamiento especial de la señal de salida. La Figura 4B es un diagrama de espacio libre y una modalidad preferida que utiliza solamente 7 imanes discretos 50-56 para ilustrar gráficamente los imanes magnéticos 110-116 que se combinan para crear el campo magnético de compuesto más grande 10. La siguiente teoría magnética apropiadamente explica la relación entre la pluralidad de imanes discretos. Como se muestra en la Figura 4B los ¡manes magnéticos individuales 110-116 no solamente envuelven los imanes discretos 50-56 a partir de los cuales se originan, sino que también proporcionan un cruce de líneas de flujo para imanes adyacentes. Las regiones de flujo traslapantes aditivamente se combinan para producir un campo magnético predefinido 10 más grande que define toda la .fuente de flujo magnético. En una 22 modalidad preferida, el eje polar de cada imán discreto 50-56 está orientado perpendicular a la dirección de movimiento relativo para facilitar el "apilamiento" de los campos magnéticos secuenciales. Al controlar la inducción o resistencia de cada imán discreto 50-56 y ai colocarlos en un arreglo lineal, los campos magnéticos discretos 110-116 aditivamente se combinan para producir una fuente de flujo magnético programable que produce un campo magnético predefinido 10. Como se estableció previamente, cada imán discreto tiene una cantidad específica de "energía" magnética o inducción asociada con la misma. El volumen magnético físico, la geometría del imán y características de material del imán todos dictan que tanta energía magnética debe residir dentro del imán. Como es conocido por aquellos expertos en la técnica, cada inducción de imán discreto puede ser programada o calibrada utilizando un calibrador de imán convencional, tal como el modelo 990C Magnetreater® hecho por Magnetic Instrumentation, Inc. Of Indianápolis, Indiana. Todas las características de imán antes mencionadas se consideran cuando se utiliza el Magnetreater® modeo 990C. El Cuadro 2, mostrado a continuación, proporciona los valores de inducción para el arreglo lineal ilustrado en la Figura 3A. 23 CUADRO 2 Como se estableció previamente y se muestra en el Cuadro 2, los valores de inducción de imanes secuenciales varían en cantidades graduadas para crear el campo magnético 10 de la fuente de flujo magnético 18a. Un imán discreto 61 está localizado en el 24 centro geométrico del arreglo y está programado a 0 gausios para proporcionar un valor nulo magnético para referencia absoluta durante la calibración del instrumento. Además, para proporcionar una medición de desplazamiento absoluta, los imanes discretos 50-72 son de polaridad opuesta sobre cada lado del valor nulo magnético. Esta diferencia de polaridad es detectada por el circuito electrónico 13 (no mostrado en la Figura 4B) y se utiliza por el instrumento 19 remotamente operado como una medición de posición absoluta. Como se sabe, el signo aritmético opuesto en los valores del Cuadro 2 denota el cambio de polaridad. Convencionalmente, se asignan valores positivos a desplazamientos relativos por arriba del valor nulo magnético y valores negativos se asignan a los desplazamientos relativos por abajo del valor nulo magnético. Aunque la modalidad preferida enseña un sensor de posición con una relación de salida lineal, se debe apreciar que la programabilidad inherente de la fuente de flujo magnético puede proporcionar numerosas relaciones de recorrido de señal de salida del sensor de posición sin modificar la electrónica del ensamble de sensor. Las únicas características de la fuente de flujo magnético discreta proporcionan la adaptación eficiente a varias formas de medición de desplazamiento también. Las adaptaciones son explicadas con mayor detalle en las modalidades alternas descritas más adelante. En otra modalidad de la aplicación rectilínea, la recolocación de los imanes discretos de la fuente de flujo magnético controla las interacciones. Como se mencionó previamente, la modalidad 25 preferida se basa en la programación de la inducción de imanes discretos adyacentes para crear una señal de salida predefinida. Haciendo referencia de regreso a las Figuras 1A-1B, una posición física dentro del campo magnético determina la resistencia de ese campo. Similarmente, al crear un espacio o distancia entre los imanes adyacente, la resistencia aparente de los imanes discretos y de esta manera sus interacciones, puede ser controlada. La Figura 5A es una vista lateral de una modalidad alternativa. Los imanes discretos 50-72 de la fuente de flujo magnético 18b otra vez son separados equidistantemente a io largo del eje longitudinal 46 del portador 42. Los imanes discretos 50-72 tienen un diámetro de aproximadamente 0.3175 cm y una longitud de 1.17348 cm. El portador 42 está adaptado para recibir los imanes discretos 50-72 con una separación de centro a centro de aproximadamente 0.635 cm. Las interacciones del campo magnético se controlan orientando o haciendo girar helicoidaimente los imanes discretos 50-72 alrededor del eje longitudinal 46 de la fuente de flujo magnético 18b. Como se sabe, al incrementar el espacio de un imán en cualquier dirección, la resistencia aparente del imán se reducirá. En esta modalidad alternativa, al proporcionar el desplazamiento angular preciso entre los imanes adyacentes alrededor del eje longitudinal se controlan las interacciones entre los campos magnéticos adyacentes. En esta modalidad alternativa, el ensamble de sensor 11 (no mostrado) es igual es explicado con detalle en la modalidad preferida. De esta manera, a través de la colocación calculada de los imanes discretos 26 50-72, se puede generar una señal de salida predefinida. La Figura 5B es una vista en planta superior de la fuente de flujo magnética helicoidalmente orientada 18b para un sensor de posición rectilínea. La ilustración muestra el plano de referencia de rotación 126 para los imanes discretos 50-72. La fuente de flujo magnético 18b aproximadamente está centrada entre las primera y segunda secciones 33a y 33b con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo 32. El Cuadro 3, mostrado a continuación, proporciona un ejemplo de los ángulos rotacionales requeridos para lograr una salida sustancialmente lineal del ensamble de sensor 11 (no mostrado) con todos lo imanes discretos 50-72 programados a aproximadamente 457 gausios.

CUADRO 3 Número de Imán Angulo de Rotación (grados) 50 10 51 43 52 70 53 71 54 71 55 74.5 56 79 57 80 58 82 59 85 27 Otra modalidad del sensor de posición se muestra en la Figura 6. Un sensor de posición sin contacto giratorio 30b se construye utilizando técnicas similares descritas en la modalidad preferida. Se alinean 15 imanes discretos 50-64 en un portador 43 con forma de sector con una distribución angular uniforme de 6 grados. El portador con forma de sector se monta perpendicular al eje de rotación 47 para crear la fuente de flujo magnético giratorio 18c. Otra vez, el portador 43 con forma de sector preferiblemente se hace de aluminio. La fuente de flujo magnético giratoria 18c está directamente acoplada a una flecha giratoria 75 a través de un ensamble de montaje giratorio 79. Las secciones 33a y 33b con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo, el sensor magnético 35 y los imanes discretos 50-64 son iguales como se explicó anteriormente. El cuadro 4, mostrado a continuación, proporciona los valores de 28 inducción para la fuente de flujo magnético giratoria 18c ilustrada la Figura 6.

CUADRO 4 El sensor de posición giratorio 30d mostrado en la Figura 6 proporciona una relación lineal entre el recorrido giratorio y la salida de sensor a través de la calibración controlada de la inducción de cada imán discreto 50-64. Las características de operación de salida lineal son provistas a través de 90 grados de rotación. Los principios aquí descritos también pueden ser aplicados a un sensor de posición rotacional 30c con una escala de operación 29 lineal extendida. Ai utilizar las mismas secciones 33a y 33b con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo 32 y el sensor magnético, como se describió anteriormente con referencia a la Figura 2C, se puede utilizar un imán de barra cilindrica individual 39 como la fuente de flujo magnético para el sensor de posición. Como se muestra en la Figura 7A, el sensor giratorio 30c está disenado para proporcionar una salida que varía en una forma lineal. El imán cilindrico 39 se hace girar entre las primera y segunda secciones 33a y 33b con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo 32 para proporcionar una señal de salida sustancialmente lineal. La linealidad máxima se logra a través de una selección apropiada de la longitud del imán. Con respecto a la pieza de polo de reunión de flujo 32, la longitud óptima del imán cilindrico 39 es esencialmente dos tercios de la anchura del hueco entre las secciones con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo 32. Por ejemplo, utilizar la pieza de polo de reunión de flujo 32 de la modalidad preferida con una anchura interna de aproximadamente 1.4986 cm, el imán cilindrico 39 tendrá una longitud de aproximadamente 0.9779 cm. En esta modalidad alternativa, el diámetro del imán cilindrico 39 es de aproximadamente 0.47625 cm. Como se muestra, el portador 44 une el imán cilindrico 39 a la flecha giratoria 75. El portador 44 está adaptado para unirse el imán cilindrico 39 alrededor del eje 49 de la flecha giratoria 75. Además, el imán cilindrico 39 es insertado a aproximadamente 0.79375 cm más allá de la abertura de la pieza de polo de reunión de flujo 32. 30 Como se muestra en la Figura 7B, las características de operación de salida lineal se proporcionan a través de 110 grados de rotación, por lo que la rotación es simétricamente distribuida alrededor de un plano 119 que cruza las primera y segunda secciones 33a y 33b con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo 32. El piano de cruce 119 está orientado a un ángulo recto hacia el plano de percepción del sensor magnético. Se pueden hacer muchas modificaciones y variaciones en las técnicas y estructuras descritas e ilustradas aquí sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención. Por ejemplo, una derivación magnética construida de un material f erromag nético puede ser colocada adyacente a o rodeando completamente cada imán discreto para reducir selectivamente su campo magnético y de esta manera controlar su efecto sobre los imanes subsecuentes. Además, también se . puede utilizar una separación no uniforme entre los imanes individuales y la longitud variable del imán. Por consiguiente, se debe entender que los métodos y aparatos aquí descritos son solo ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la presente invención. .

Claims

31 REIVINDICACIONES 1. - Un sensor de posición para un ensamble de válvula, en donde el sensor de posición comprende: una fuente de flujo magnético para generar un campo magnético predefinido, la fuente de flujo magnético estando compuesta de una pluralidad de imanes discretos, y un sensor colocado cerca de la fuente de flujo magnético para detectar las variaciones en el campo magnético como resultado del desplazamiento relativo entre la fuente de flujo magnético y el sensor. 2. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pluralidad de imanes discretos crea una pluralidad de campos magnéticos individuales diseñados para interactuar y crear un campo magnético de compuesto que produce una señal de salida predefinida del sensor, dependiendo de la colocación del sensor con relación a la pluralidad de campos magnéticos individuales. 3. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el sensor comprende: un sensor magnético; una pieza de polo de reunión de flujo, la pieza de polo de reunión de flujo estando geométricamente formada para acumular y dirigir los campos magnéticos individuales a través del sensor magnético; y medios de procesamiento conectados al sensor magnético para 32 proporcionar una señal representativa del desplazamiento entre el sensor y la fuente de flujo magnético. 4. - El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la interacción de la pluralidad de campos magnéticos individuales se determina por la rotación angular de la pluralidad de imanes discretos alrededor de un eje a través del centro geométrico de la pluralidad de imanes discretos. 5. - El aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en donde las interacciones entre la pluralidad de campos magnéticos individuales se determina por la inducción de la pluralidad de imanes discretos. 6. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el desplazamiento relativo del sensor con respecto a la pluralidad de imanes discretos es rectilíneo. 7.~ El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 6, en donde las variaciones en el campo magnético son sustancialmente lineales con respecto al desplazamiento. 8. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el desplazamiento relativo del sensor con respecto a la pluralidad de imanes discretos es giratorio. 9. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 8, en donde la pluralidad de imanes discretos se coloca sobre un radio constante alrededor del eje de rotación, la pluralidad de imanes discretos estando colocada con una distribución angular uniforme alrededor del eje de rotación. 33 10. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 9, en donde las variaciones en el campo magnético son sustancialmente lineales con respecto al desplazamiento. 11. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el sensor magnético es un sensor de efecto de Hall, un magneto-resistor, un puente de magneto-resistivo gigante, o una compuerta de flujo. 12. - Un sensor de posición, en donde el sensor de posición de posición comprende: una fuente de flujo magnético para generar un campo magnético, la fuente de flujo magnético estando compuesta de una pluralidad de imanes discretos, en donde los imanes discretos producen campos magnéticos de interacción; un sensor magnético; y medios de procesamiento conectados al sensor magnético para proporcionar una señal representativa del desplazamiento entre el sensor magnético y la fuente de flujo magnético. 13. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 12, en donde las interacciones entre la pluralidad de campos magnéticos individuales se determina por la inducción de la pluralidad de imanes discretos. 14. - El aparato de acuerdo con ia reivindicación 12, en donde la interacción de la pluralidad de imanes magnéticos individuales se determina por la rotación angular de la pluralidad de imanes discretos alrededor de un eje a través del centro geométrico de cada 34 uno de la pluralidad de imanes discretos. 15. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el sensor magnético comprende un dispositivo electrónico que responde a un campo magnético y una pieza de polo de reunión de flujo, en donde la pieza de polo de reunión de flujo está adaptada para acumular y dirigir los campos magnéticos de interacción a través del sensor magnético. 16. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el dispositivo electrónico es un dispositivo de efecto de Hall, un magneto-resistor, un puente magneto-resistivo gigante, o una compuerta de flujo. 17. - El sensor de posición de acuerdo con la reivindicación 12, en donde las interacciones entre los campos magnéticos individuales generan cambios en la señal representativa del desplazamiento en una forma sustancialmente lineal. 18. - Un sensor de posición, en donde el sensor de posición comprende: un sensor, el sensor incluyendo un dispositivo electrónico que es sensible a campos magnéticos y una pieza de polo de reunión de flujo, la pieza de polo de reunión de flujo estando construida a través de la colocación simétrica de una primera y una segunda sección con forma de L de un material magnéticamente permeable formando una configuración con forma de U, la base de la pieza de polo con forma de U teniendo un hueco que separa las primera y segunda secciones con forma de L, en donde el hueco está dimensionado para 35 proporcionar un contacto íntimo con el dispositivo electrónico; una fuente de flujo magnético para generar un campo magnético que varía en una forma sustancialmente lineal, la fuente de flujo magnético teniendo una fDrma cilindrica y gira entre la primera y la segunda secciones con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo para proporcionar una señal representativa del desplazamiento entre el sensor y la fuente de flujo magnético. 19. - El aparato de acuerdo con la reivindicación 18, en donde la fuente de flujo magnético tiene una longitud esencialmente de dos tercios de la anchura interna de la pieza de polo de reunión de flujo. 20. - El aparato de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la fuente de flujo magnético está compuesta de un imán de barra individual. 21. - El aparato de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la fuente de flujo magnético está compuesta de una pluralidad de imanes discretos colocados en contacto íntimo con la atracción polar. 22. - El aparato de acuerdo con la reivindicación 18, en donde la señal representativa es producida a través de aproximadamente 110 grados de rotación, ia rotación estando simétricamente distribuida alrededor de un plano que cruza las primera y segunda secciones con forma de L de la pieza de polo de reunión de flujo, el plano de intersección siendo ortogonal al plano de percepción del sensor magnético.