NO305045B1

NO305045B1 - Magnetic sensing method and apparatus

Info

Publication number: NO305045B1
Application number: NO924519A
Authority: NO
Inventors: Arcy Desmond Joseph D
Original assignee: Remote Marine Systems Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1999-03-22
Also published as: NO924519D0; NO924519L; GB9011732D0; WO1991019168A1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et system for avføling av orienteringen av et bevegelig element av en anordning, ved hjelp av magnetiske organer. Oppfinnelsen er spesielt, men ikke utelukkende, anvendelig for å bestemme åpningsgraden av en ventil. The present invention relates to a method and a system for sensing the orientation of a movable element of a device, using magnetic means. The invention is particularly, but not exclusively, applicable to determining the degree of opening of a valve.

Mange industrielle installasjoner krever at stoffer kan beveges mellom punkter via rørledninger og at slik bevegelse skal kunne styres ved bruk av et system av ventiler. Det er viktig til enhver tid å kunne kontrollere åpningstilstanden av en spesiell ventil, f.eks. å forsikre seg om at den åpner eller lukker helt som reaksjon på et styresignal. Et spesifikt eksempel på dette er når en plugg skal sendes ned gjennom en rørledning, idet hvis en ventil som antas å være åpen viser seg å være bare ubetydelig lukket, kan dette resultere i stor skade. Many industrial installations require that substances can be moved between points via pipelines and that such movement must be controlled using a system of valves. It is important at all times to be able to check the opening state of a particular valve, e.g. to ensure that it opens or closes fully in response to a control signal. A specific example of this is when a plug is to be sent down a pipeline, where if a valve thought to be open turns out to be only marginally closed, this can result in major damage.

I situasjoner hvor rørledningene er lett tilgjengelige, vil en visuell inspeksjon via et vindu over ventilen være tilstrekkelig. Ved mange anvendelser, så som innen den petrokjemiske industri, kan imidlertid rørledningene være lagt i omgivelser hvor en slik fremgangsmåte er vanskelig eller umulig, hvorfor et alternativt fjernkontrollsystem er nødvendig. In situations where the pipelines are easily accessible, a visual inspection via a window above the valve will be sufficient. In many applications, such as within the petrochemical industry, however, the pipelines may be laid in environments where such a method is difficult or impossible, which is why an alternative remote control system is necessary.

Flere forskjellige fjernkontrollsystemer for å fastlå posisjonen av en ventil er kjent, inkludert bruk av grensebrytere, posisjonsresolvere og potensiometre. Vanligvis er disse imidlertid "berørings"-systemer, dvs. innføyet i eller fysisk forbundet med ventilen. Disse er vanskelige og kostbare å vedlikeholde, idet reparasjon eller utskiftning av bevegelige deler innebærer adgang til ventilanordningen og eventuelt krever at installasjonen den benyttes i må stanses. Several different remote control systems for determining the position of a valve are known, including the use of limit switches, position resolvers and potentiometers. Usually, however, these are "touch" systems, i.e. inserted into or physically connected to the valve. These are difficult and expensive to maintain, as repair or replacement of moving parts involves access to the valve device and possibly requires that the installation in which it is used must be stopped.

Det kan gis to eksempler på "posisjons-berøringsfølere" som benyttes ved kuleventiler. Den første benytter prinsippet ved en såkalt "tannhjulspumpe" og er anbragt i mateledningen for ventilelementets hydrauliske drivanordning. En føler teller et antall omdreininger av et tannhjul som drives av oljestrømningen gjennom ledningen. Ut fra oljemengden som passerer gjennom, kan det beregnes og utledes en tilnærmet indikasjon på drivanordningens posisjon. Denne indirekte avfølingsmetode gir ikke et tilstrekkelig pålitelig eller nøyaktig resultat for alle formål. Two examples can be given of "position-touch sensors" used for ball valves. The first uses the principle of a so-called "gear pump" and is placed in the supply line for the valve element's hydraulic drive device. A sensor counts a number of revolutions of a gear driven by the flow of oil through the line. Based on the amount of oil that passes through, an approximate indication of the drive device's position can be calculated and derived. This indirect sensing method does not provide a sufficiently reliable or accurate result for all purposes.

Det andre system benytter to potensiometre (det andre er anordnet i tilfellet av feil på det første), idet dreining av ventilelementet dreier potensiometrene via et tannhjulsystem, og gir således en indikasjon på ventilelementets orientering. Uheldigvis er dette utsatt for lekkasje, og fordi potensiometerets motstand påvirkes av f.eks. saltvann, resulterer dette i unøyaktigheter. The second system uses two potentiometers (the second is arranged in case of failure of the first), as turning the valve element turns the potentiometers via a gear system, thus giving an indication of the valve element's orientation. Unfortunately, this is prone to leakage, and because the potentiometer's resistance is affected by e.g. salt water, this results in inaccuracies.

Ifølge et aspekt ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte for berøringsløs avføling av et bevegelig element av en anordning, idet denne er forsynt med en målemagnetf el&fciiée som er innrettet til å beveges eller påvirkes av det bevegelige element, og som omfatter de trinn å anordne en magnetisk følerenhet i umiddelbar nærhet av anordningen for å gi et signal avhengig av orienteringen av den magnetiske fluks som frembringes av målemagnetfeltkilden, og bearbeide signalet fra den magnetiske følerenhet for å tilveiebringe en indikasjon på posisjonen eller orienteringen av det bevegelige element, som erkarakterisert vedat følerenheten er en selvstendig enhet som er avtettet i forhold til det bevegelige element på en slik måte at den kan fjernes fra anordningen som en enhet. According to one aspect of the present invention, a method for non-contact sensing of a moving element of a device is provided, as this is provided with a measuring magnetic field which is arranged to be moved or affected by the moving element, and which includes the steps to arrange a magnetic sensor unit in the immediate vicinity of the device to provide a signal dependent on the orientation of the magnetic flux produced by the measuring magnetic field source, and processing the signal from the magnetic sensor unit to provide an indication of the position or orientation of the movable element, which is characterized in that the sensor unit is an independent unit that is sealed in relation to the moving element in such a way that it can be removed from the device as a unit.

Ifølge et andre aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebragt et system for berøringsløs avføling av et bevegelig element av en anordning, omfattende en målemagn«tfeltkilde som er innrettet til å beveges eller påvirkes av det bevegelige element, en magnetisk følerenhet for detektering av orienteringen av en magnetisk fluks som er frembragt av målemagnetf eltkilde, og anordninger for å frembringe et signal fra den magnetiske følerenhet for å tilveiebringe en indikasjon på posisjonene eller orienteringen av det bevegelige element, og som erkarakterisert vedat følerenheten er en selvstendig enhet som er avtettet i forhold til det bevegelige element, og at huset er innrettet til å anbringes fjernbart på anordningen. According to a second aspect of the invention, a system is provided for non-contact sensing of a moving element of a device, comprising a measuring magnetic field source which is arranged to be moved or affected by the moving element, a magnetic sensor unit for detecting the orientation of a magnetic flux produced by the measuring magnetic field source, and devices for producing a signal from the magnetic sensor unit to provide an indication of the positions or orientation of the moving element, and which is characterized in that the sensor unit is an independent unit that is sealed in relation to the moving element, and that the housing is designed to be removably attached to the device.

Således tilveiebringer utførelsene av oppfinnelsen et berøringsløst magnetisk avfølingssystem og en fremgangsmåte for avføling ved bruk av magnetisk fluksforslyngning, og spesielt orienteringen av fluksen, for å avføle tilstanden av måleanordningen. Fluksen utgår fra en målemagnetfeltkilde (f.eks. en permanentmagnet) , som enten er festet til det bevegelige element av anordningen, eller er anordnet på annen måte, slik at dens fluks varieres ved bevegelse av det bevegelige element. En magnetisk føler som er anordnet i et separat avtettet hus, avføler fluksens orientering og tilveiebringer et utgangssignal som er avhengig av posisjonen og orienteringen av det bevegelige element. Følere som reagerer på orienteringen av et magnetfelt er i og for seg kjent, f.eks. for navigasjonsformål. Et nettverk av støtte-elektronikk bearbeider og overfører data fra én eller flere slike enheter til en fjernstyrt visnings- og styre-enhet via en kabelforbindelse. Thus, the embodiments of the invention provide a non-contact magnetic sensing system and method of sensing using magnetic flux snaking, and in particular the orientation of the flux, to sense the state of the measuring device. The flux originates from a measuring magnetic field source (e.g. a permanent magnet), which is either attached to the movable element of the device, or is arranged in another way, so that its flux is varied by movement of the movable element. A magnetic sensor arranged in a separate sealed housing senses the orientation of the flux and provides an output signal dependent on the position and orientation of the moving element. Sensors that react to the orientation of a magnetic field are known per se, e.g. for navigation purposes. A network of support electronics processes and transmits data from one or more such units to a remote display and control unit via a cable connection.

Fordi systemet overflødiggjør kontakt med ventilen eller en annen komponent hvis bevegelige element skal overvåkes, kan følerenheten eventuelt avtettes ytterligere fra ventilen, f.eks. ved hjelp av en umagnetisk dekkplate av rustfritt stål, og er også utført løsbar, hvilket muliggjør enkel utskiftning av føleren uten å forstyrre ventilen. Because the system eliminates contact with the valve or another component whose moving element is to be monitored, the sensor unit can possibly be further sealed from the valve, e.g. by means of a non-magnetic cover plate made of stainless steel, and is also designed to be removable, which enables easy replacement of the sensor without disturbing the valve.

Det foreligger eksempler innen andre tekniske felt for There are examples in other technical fields for

ikke-berørende magnetisk avføling av posisjonen av ventil-elementer. F.eks. viser US-A-4 392 375 og GB-A-2 137 313 magnetiske anordninger for avføling av posisjonen av en klaffventil. Disse anordninger ville ikke egne seg for undervannsbruk fordi den magnetiske føler i disse ikke er non-contact magnetic sensing of the position of valve elements. E.g. US-A-4 392 375 and GB-A-2 137 313 show magnetic devices for sensing the position of a butterfly valve. These devices would not be suitable for underwater use because the magnetic sensor in them is not

i et separat hus, slik at hvis følerdelen ble avmantlet under vann, ville ventilen oversvømmes. I tillegg ville det selvsagt være umulig å benytte føleren for å inspisere en rekke av ventiler, slik det foretrekkes ved utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse. in a separate housing, so that if the sensor part were stripped under water, the valve would be flooded. In addition, it would of course be impossible to use the sensor to inspect a number of valves, as is preferred in embodiments of the present invention.

Det skal nå vises til eksempler i forbindelse med de vedføyede tegninger, hvor Reference must now be made to examples in connection with the attached drawings, where

fig. 1 viser et delvis tversgående enderiss av et eksempel på kjent teknikk, fig. 1 shows a partial transverse end view of an example of prior art,

fig. 2 er et skjematisk snitt av foreliggende oppfinnelse, fig. 2 is a schematic section of the present invention,

fig. 3 og 4 viser tverrsnitt resp. enderiss av en utførelse av oppfinnelsen, og fig. 3 and 4 show cross-sections and end view of an embodiment of the invention, and

fig. 5 og 6 viser alternative utførelser av en andre utførelse av oppfinnelsen. Fig. 1 viser et eksempel på en kjent føler for avføling av orienteringen av et ventilorgan av en kuleventil. Denne ventiltype benyttes vanligvis i rørledninger med stor diameter for å styre strømningen av et flytende medium, f.eks. som stengeventil i et nødstilfelle. To roterbart regulerbare potensiometre 17 (det andre anordnet i tilfellet av feil på det første) griper ved hjelp av en tannhjulsanordning 18 inn med en bevegelig del av anordningen, f.eks. en ventilspindel 21. Bevegelse av anordningen bevirker at hvert potensiometer dreier seg og således endrer sin motstand, som så kan bestemmes for å gi et mål for orienteringen. En ulempe ved denne anordning er at i tilfellet av en lekkasje i ventillegemet 16, vil potensiometerets 17 umiddelbare omgivelser forandre seg og vil kunne endre den målte motstand og således gi en feilaktig indikasjon på orienteringen. En ytterligere ulempe består i at potensiometrene 17 er fysisk forbundet med ventilanordningen, slik at vedlikehold krever adkomst til ventilens indre. Fig. 2 viser skjematisk systemet ifølge foreliggende oppfinnelse, og fig. 3 og 4 viser en spesiell utførelse av oppfinnelsen som benyttes ved samme type kuleventil som vist på fig. 1. fig. 5 and 6 show alternative embodiments of a second embodiment of the invention. Fig. 1 shows an example of a known sensor for sensing the orientation of a valve member of a ball valve. This type of valve is usually used in pipelines with a large diameter to control the flow of a liquid medium, e.g. as a shut-off valve in an emergency. Two rotatably adjustable potentiometers 17 (the second arranged in the event of failure of the first) engage by means of a gear arrangement 18 with a movable part of the arrangement, e.g. a valve stem 21. Movement of the device causes each potentiometer to rotate and thus change its resistance, which can then be determined to provide a measure of orientation. A disadvantage of this device is that in the event of a leak in the valve body 16, the immediate surroundings of the potentiometer 17 will change and will be able to change the measured resistance and thus give an incorrect indication of the orientation. A further disadvantage consists in the fact that the potentiometers 17 are physically connected to the valve device, so that maintenance requires access to the interior of the valve. Fig. 2 schematically shows the system according to the present invention, and Fig. 3 and 4 show a special embodiment of the invention which is used with the same type of ball valve as shown in fig. 1.

Som vist på fig. 2 består systemet hovedsakelig av to deler; en målemagnetf eltkilde 10 i måleanordningen, og en selvstendig følerenhet 9. As shown in fig. 2, the system mainly consists of two parts; a measuring magnetic field source 10 in the measuring device, and an independent sensor unit 9.

Målemagnetfeltkilden 10 vil vanligvis være en permanentmagnet. Små magneter av sjeldne jordarter er tilgjengelige (f.eks. neodymbor eller samariumkobolt), hvilke har et kraftig og langtidsvarende magnetfelt som muliggjør detek-sjon av magnetisk fluks over en brukbar avstand fra måleanordningen og som kan sitte på plass i mange år. Hvis det ønskes, vil imidlertid magnetfeltkilden kunne tilveiebringes på annen måte, f.eks. ved hjelp av en elektromagnet. Ved enhver spesielt anordnet målekilde blir det fortrinnsvis tilveiebragt en magnetfeltstyrke som er kraftig nok til at jordfeltet blir neglisjerbart i sammenligning. På den annen side vil muligens måleanordningen allerede inneholde en magnetisk komponent som gir en detekterbar fluks, slik at en spesielt anordnet målemagnet ikke lenger vil være nødvendig. The measuring magnetic field source 10 will usually be a permanent magnet. Small rare earth magnets are available (e.g. neodymium boron or samarium cobalt), which have a strong and long-lasting magnetic field that enables the detection of magnetic flux over a usable distance from the measuring device and which can sit in place for many years. If desired, however, the magnetic field source could be provided in another way, e.g. using an electromagnet. With any specially arranged measuring source, a magnetic field strength is preferably provided which is strong enough that the earth's field becomes negligible in comparison. On the other hand, it is possible that the measuring device will already contain a magnetic component that provides a detectable flux, so that a specially arranged measuring magnet will no longer be necessary.

Målekilden 10 vil vanligvis være festet til et hvilket som helst egnet bevegelig element 8 av anordningen, som direkte eller indirekte reflekterer orienteringen av det element som skal avf øles. Som vist på fig. 2, roterer elementet 8 om en horisontal akse i papirplanet. Det vil eventuelt være mulig å anordne kilden 10 på en annen måte, men slik at dens magnetiske flukslinjér fremdeler påvirkes ved bevegelse av det bevegelige element 8. Målekilden 10 kan eventuelt være omgitt av en former 11 som roterer med den, for å bidra til å forme dens magnetfelt, tilveiebringe uavhengighet av jordfeltet og/eller av andre lokale magnetiske materialer, og forbedre oppløsningslinearitet og målenøyaktighet. Ved den viste utførelse består formeren av to polstykker, ett for hver ende av magneten. Bruken av et åk eller en former gjør feltlinjene mer ensartede og mindre tilbøyelige til innrettingsfeil.Måleæagneten kan også være omsluttet eller fysisk beskyttet ved hjelp av en uavhengig umagnetisk beskyttelsesskjerm. Slike skjermer kan bestå av plast, rustfritt stål av egnet kvalitet, eller et annet umagnetisk materiale. The measurement source 10 will usually be attached to any suitable movable element 8 of the device, which directly or indirectly reflects the orientation of the element to be sensed. As shown in fig. 2, the element 8 rotates about a horizontal axis in the plane of the paper. It would possibly be possible to arrange the source 10 in a different way, but so that its magnetic flux lines are affected by the movement of the movable element 8. The measuring source 10 could possibly be surrounded by a shaper 11 which rotates with it, in order to contribute to shaping its magnetic field, providing independence of the Earth's field and/or of other local magnetic materials, and improving resolution linearity and measurement accuracy. In the embodiment shown, the shaper consists of two pole pieces, one for each end of the magnet. The use of a yoke or former makes the field lines more uniform and less prone to misalignment. The measuring magnet can also be enclosed or physically protected by means of an independent non-magnetic shield. Such screens can consist of plastic, stainless steel of suitable quality, or another non-magnetic material.

Når det gjelder føleren 9, omfatter denne en magnetisk føleranordning 12, som kan være én av flere forskjellige typer, f.eks. ved bruk av én eller flere fluksport-, Hall-effekt- eller magneto-resistive følere, og er fullstendig innelukket i et umagnetisk hus 13 (f.eks. av rustfritt stål) som muliggjør at fluksforslyngning kan skje uhindret. For å være følsom for orienteringen av det magnetiske felt, vil føleranordningen vanligvis omfatte flere enn ett, og fortrinnsvis mellom to og fire, individuelle følerorganer for forskjellige komponenter av magnetfeltet. Bruken av flere enn to følerorganer gir en grad av overflødighet som kan benyttes for å kompensere for drift eller feilfunksjon av ett av organene. As for the sensor 9, this comprises a magnetic sensor device 12, which can be one of several different types, e.g. using one or more flux gate, Hall effect or magneto-resistive sensors, and is completely enclosed in a non-magnetic housing 13 (e.g. of stainless steel) which enables flux winding to occur unimpeded. In order to be sensitive to the orientation of the magnetic field, the sensor device will usually comprise more than one, and preferably between two and four, individual sensor means for different components of the magnetic field. The use of more than two sensing elements provides a degree of redundancy which can be used to compensate for the operation or malfunction of one of the elements.

Ved en alternativ utførelse kan den magnetiske kilde omfatte et par individuelle magneter som er festet til innerveggen av formeren i form av et skål- eller karformet åk. Føleren rager så inn i det indre av skålen, inn i feltet og detekterer skålens orientering mens den roterer. Ved én utførelse er skålen hovedsakelig sylindrisk med diametralt motsatte områder med større veggtykkelse som svarer til magnetenes plassering. In an alternative embodiment, the magnetic source may comprise a pair of individual magnets which are attached to the inner wall of the former in the form of a bowl- or vessel-shaped yoke. The sensor then protrudes into the interior of the bowl, into the field and detects the orientation of the bowl as it rotates. In one embodiment, the bowl is mainly cylindrical with diametrically opposite areas of greater wall thickness corresponding to the location of the magnets.

Den nettopp nevnte utførelse vil vanligvis ikke være forsynt med et deksel, men imidlertid er en plasttapp innpasset i "skålens" åpning når føleren er fjernet, f.eks. for kontroll. I drift er hele montasjen oversvømmet av sjøvann. Ved alternative utførelser hvor det er anordnet et deksel, kan ventilen, som nå er avtettet mot omgivelsene, være nedsenket i olje. The just-mentioned embodiment will not usually be provided with a cover, but however a plastic tab is fitted into the "bowl" opening when the sensor is removed, e.g. for control. During operation, the entire assembly is flooded with seawater. In alternative designs where a cover is provided, the valve, which is now sealed against the environment, can be immersed in oil.

Følerens tilstand kan overvåkes av den fjerntliggende fremvisningsenhet, idet overføringskabelens motstand også detekteres. Føleren 12 er forbundet med en tilpasset elektronisk krets 20, som også er fullstendig omsluttet av huset 13 og som omdanner informasjon fra føleren 12 til et digitalt (f.eks. BCD) signal. Det digitale signal overføres via en slått parkabel 19 til en fjerntliggende fremvisningsenhet (ikke vist), og forlater huset 13 via en passende avtettet kabelgjennomføringsanordning 15. En fordel ved å omdanne følerinformasjonen til digital kode ved føler-enhetens ende, er at det overførte signal da er mindre utsatt for forvrengning på grunn av dårlige forbindelser, interferens, etc. Imidlertid vil følerenheten, om ønsket, kunne gi et forsterket analogt signal, som da ville bli bearbeidet på avstand (f.eks. i en kontrollstasjon eller ombord på et skip). Ved å benytte rustfritt stål eller et materiale med samme styrke, kan huset gjøres meget støtsik-kert og være i stand til å tåle havdyp opp til eller som overskrider 750 m. Husets indre vil normalt være fylt med luft, skjønt alternative omgivelser (f.eks. olje, fett eller harpiks) vil kunne anordnes for ytterligere avskjermning og/eller avtetning. Den fjerntliggende fremvisningsenhet kan f.eks. vise målorientering, følertemperatur og føler-tilstand. The condition of the sensor can be monitored by the remote display unit, as the resistance of the transmission cable is also detected. The sensor 12 is connected to a suitable electronic circuit 20, which is also completely enclosed by the housing 13 and which converts information from the sensor 12 into a digital (eg BCD) signal. The digital signal is transmitted via a twisted pair cable 19 to a remote display unit (not shown), and leaves the housing 13 via a suitable sealed cable entry device 15. An advantage of converting the sensor information into digital code at the sensor unit end is that the transmitted signal then is less prone to distortion due to poor connections, interference, etc. However, if desired, the sensor unit would be able to provide an amplified analog signal, which would then be processed remotely (e.g. in a control station or on board a ship) . By using stainless steel or a material of the same strength, the house can be made very shockproof and able to withstand sea depths of up to or exceeding 750 m. The interior of the house will normally be filled with air, although alternative environments (e.g. e.g. oil, grease or resin) can be arranged for further shielding and/or sealing. The remote display unit can e.g. display target orientation, sensor temperature and sensor condition.

Huset 13 er på f jernbar måte festet til en hvilken som helst egnet del av måleanordningen, som er stasjonær i forhold til den bevegelige del og som gjør det mulig for føleren å befinne seg i området for den magnetiske fluks fra målemagneten 10. Som et eksempel kan et slikt område være av stør-relsesordenen 25 mm. En magnetisk former 14 kan være inn-lemmet innvendig eller (som vist) utvendig. Denne former (i forbindelse med målekildens former 11, hvis anordnet) er vanligvis sylindrisk, idet føleren er plassert nær én ende mens den andre ende vender mot magneten og virker for å forme den magnetiske fluks og forbedre oppløsningsforhold, linearitet og nøyaktighet ved å sikre uavhengighet av andre magnetiske påvirkninger. The housing 13 is removably attached to any suitable part of the measuring device, which is stationary in relation to the moving part and which enables the sensor to be in the area of the magnetic flux from the measuring magnet 10. As an example such an area can be of the order of 25 mm. A magnetic former 14 can be incorporated internally or (as shown) externally. This shaper (in connection with the measuring source shaper 11, if provided) is usually cylindrical, the sensor being located near one end while the other end faces the magnet and acts to shape the magnetic flux and improve resolution ratio, linearity and accuracy by ensuring independence of other magnetic influences.

o o

En annen anvendelse av en ytre former 14 består i at den virker som en "avstandsholder" mellom målet og føleren for å forhindre magnetisk metning av denne. Et umagnetisk deksel 22 er også anordnet for å tilveiebringe en magnetisk transparent skjerm mellom måleanordningen og følerenheten. Another application of an outer former 14 is that it acts as a "spacer" between the target and the sensor to prevent magnetic saturation of the latter. A non-magnetic cover 22 is also arranged to provide a magnetically transparent screen between the measuring device and the sensor unit.

Ved kuleventilutførelsen vist på fig. 3 og 4 er en målemagnet 10 festet til en bevegelig del av måleventilanordningen. Magneten 10 vil kunne festes direkte til ventilelementet eller dettes drivspindel 21; i det viste tilfelle er den imidlertid festet til et tannhjul av et tannhjulsystem 18 som drives av spindelen 21. Denne anordning muliggjør større fleksibilitet i kalibreringen av systemet og også større deteksjonsfølsomhet, idet man ved valg av passende tannhjul vil kunne omdanne en kvart omdreining av spindelen til (f.eks.) trekvart omdreining av målemagneten og således forsterke den resulterende magnetiske fluksendring. In the case of the ball valve design shown in fig. 3 and 4, a measuring magnet 10 is attached to a movable part of the measuring valve device. The magnet 10 will be able to be attached directly to the valve element or its drive spindle 21; in the case shown, however, it is attached to a gear wheel of a gear system 18 which is driven by the spindle 21. This device enables greater flexibility in the calibration of the system and also greater detection sensitivity, since by choosing a suitable gear it will be possible to convert a quarter turn of the spindle to (eg) three-quarters of a turn of the measuring magnet and thus amplify the resulting magnetic flux change.

En umagnetisk fysisk skjerm 22 (f.eks. av rustfritt stål) avtetter ventilanordningen fra følerenheten 9, som i den viste utførelse er permanent eller halvpermanent montert på ventilen med sin føler 12 meget nær målemagneten 10. Selvsagt ville følerenheten 9 kunne være laget i en lett fjernbar, bærbar utførelse, f.eks. for å tillate inspeksjon av et antall suksessive ventiler. I dette tilfelle er det å foretrekke å anordne kileforbindelse på ventilhuset, skjermen 22 og/eller følerenhetens hus 13 for å sikre fast lokalisering av føleren 12 i forhold til målemagneten 10. Imidlertid er det vanligvis ikke nødvendig at følerenheten berører måleanordningen så lenge føleren befinner seg innenfor området av målets magnetiske fluks. A non-magnetic physical screen 22 (e.g. made of stainless steel) seals off the valve device from the sensor unit 9, which in the embodiment shown is permanently or semi-permanently mounted on the valve with its sensor 12 very close to the measuring magnet 10. Of course, the sensor unit 9 could be made in a easily removable, portable design, e.g. to permit inspection of a number of successive valves. In this case, it is preferable to arrange a wedge connection on the valve housing, the screen 22 and/or the housing of the sensor unit 13 to ensure a fixed location of the sensor 12 in relation to the measuring magnet 10. However, it is not usually necessary for the sensor unit to touch the measuring device as long as the sensor is located within the range of the target's magnetic flux.

Systemet kan oppnå en avfølingsnøyaktighet på f.eks. ± 1 omdreiningsgrad av målemagneten og et oppløsningsforhold på 0,5°. Ved en tannhjulsanordning, som i den viste utførelse, kan denne omsette til en deteksjonsnøyaktighet for ventilelementet på + 0,38° eller bedre. The system can achieve a sensing accuracy of e.g. ± 1 degree of rotation of the measuring magnet and a resolution ratio of 0.5°. In the case of a gear arrangement, as in the embodiment shown, this can translate into a detection accuracy for the valve element of + 0.38° or better.

Ett eksempel på bruken av dette system er i forbindelse med oljerørledninger som strekker seg fra oljeplattformer. Ventiler i slike rørledninger aktiveres hydraulisk via navlestrengledninger, og kablene fra følerenheter som er installert på slike ventiler vil hensiktsmessig bli ledet gjennom disse navlestrengledninger for å tilveiebringe fremvisning ombord på plattformen. One example of the use of this system is in connection with oil pipelines that extend from oil platforms. Valves in such pipelines are actuated hydraulically via umbilicals, and the cables from sensor units installed on such valves will conveniently be routed through these umbilicals to provide display on board the platform.

Utførelsen på fig. 5 benytter en ytterligere fremgangsmåte for å tilveiebringe en rotasjonsbevegelse av et magnetisk felt i forhold til en føler. Her er en fordeling av magnetiske poler langsmed en stang 24 anordnet på en slik måte at de magnetiske poler blir liggende langs skruelinjer 25 og, etterhvert som stangen beveges aksialt i forhold til den faste føler 9, blir denne utsatt for et roterende magnetfelt. The embodiment in fig. 5 uses a further method to provide a rotational movement of a magnetic field relative to a sensor. Here, a distribution of magnetic poles along a rod 24 is arranged in such a way that the magnetic poles lie along helical lines 25 and, as the rod is moved axially in relation to the fixed sensor 9, this is exposed to a rotating magnetic field.

Denne anordning omsetter en lineær bevegelse av stangen 24 til en roterende bevegelse av et magnetfelt uten å benytte fortannede eller andre deler som beveger seg. This device converts a linear movement of the rod 24 into a rotary movement of a magnetic field without using teeth or other moving parts.

Denne fremgangsmåte for å frembringe den relative rotasjon av magnetfelt og føler vil kunne innbefatte en stang som beveger seg i en ring av følere som beskrevet ovenfor. Som vist på fig. 6, kan den imidlertid alternativt innbefatte den omvendte geometri av et rør 28 med et innvendig skruelinjeformet magnetisk mønster 25 som omgir føleren 9 som innesluttes i et "stempel". This method for producing the relative rotation of the magnetic field and sensor could include a rod that moves in a ring of sensors as described above. As shown in fig. 6, however, it may alternatively include the reverse geometry of a tube 28 with an internal helical magnetic pattern 25 surrounding the sensor 9 which is enclosed in a "piston".

I begge tilfeller bestemmer føleren den aksiale posisjon av anordningen nøyaktig ved å måle orienteringen av et magnetfelt og, hvis den magnetiske skruelinje tvinges til mindre enn en hel omdreining, vil posisjonen alltid kunne bestemmes uten tvetydighet. Systemet må selvsagt forhindre eller kompensere eventuell rotasjon av stangen, idet dette ellers ville bli registrert som langsgående bevegelse. In both cases, the sensor accurately determines the axial position of the device by measuring the orientation of a magnetic field and, if the magnetic helix is forced to less than one full turn, the position will always be unambiguously determined. The system must of course prevent or compensate for any rotation of the rod, as this would otherwise be registered as longitudinal movement.

En spesiell anvendelse av denne type utformning består i måling av posisjonen av en undersjøisk ventilstyreanordning hvor det foreligger adkomstmulighet til drivakselen, som bare beveger seg i retning forover eller bakover. A particular application of this type of design consists in measuring the position of an underwater valve control device where there is access to the drive shaft, which only moves in the forward or backward direction.

Skjønt det i den foregående beskrivelse er referert til kuleventiler, vil det forstås at oppfinnelsen også kan anvendes for omtrent enhver ventiltype, så som en under-vannsventil, en brønnventil for bruk på oljeområdet, en kjemisk eller kjernefysisk prosessventil eller andre ventiler. Dessuten kan oppfinnelsen benyttes ved mange andre typer anordninger hvor orienteringen av et bevegelig element, eller annen posisjonsinformasjon som er avhengig av en orientering, må bestemmes. Generelt vil anordningen omfatte en roterende og en stasjonær del, og føleren vil gjennomføre en måling av den ene i forhold til den andre. Although the preceding description refers to ball valves, it will be understood that the invention can also be used for almost any type of valve, such as an underwater valve, a well valve for use in the oil field, a chemical or nuclear process valve or other valves. Moreover, the invention can be used in many other types of devices where the orientation of a moving element, or other positional information which is dependent on an orientation, must be determined. In general, the device will comprise a rotating and a stationary part, and the sensor will carry out a measurement of one in relation to the other.

Således vil utførelsesformer av oppfinnelsen tilveiebringe et nøyaktig og pålitelig system for avføling av tilstanden av et bevegelig element i en anordning. Selv i risikofylte omgivelser (f.eks. under vann, kjemiske eller kjerne-fysiske) , muliggjør den berøringsløse natur av systemet, med en fullstendig avtettet følerenhet (som er forsynt med et robust, støtmotstandsdyktig hus som ingen bevegelig del eller aksel trenger gjennom) at systemet får lang levetid. Det antas at systemet, ved en typisk anvendelse, vil kunne vare i opp til 25 år uten vedlikehold, noe som kan sammen-lignes med f.eks. den forventede levetid av kuleventiler ved anvendelse under vann. Selv hvis det er påkrevet å reparere eller skifte ut følerenheten, oppnås dette enkelt uten å forstyrre målemagneten eller måleanordningen. Thus, embodiments of the invention will provide an accurate and reliable system for sensing the condition of a moving element in a device. Even in hazardous environments (e.g. underwater, chemical or nuclear), the non-contact nature of the system, with a fully sealed sensor unit (which is provided with a robust, shock-resistant housing through which no moving part or shaft penetrates) enables that the system has a long service life. It is assumed that the system, in a typical application, will be able to last for up to 25 years without maintenance, which can be compared with e.g. the expected service life of ball valves when used underwater. Even if it is required to repair or replace the sensing unit, this is easily achieved without disturbing the measuring magnet or the measuring device.

Claims

1. Method for non-contact sensing of a moving element of a device, where this is provided with a measuring magnetic field source which is arranged to be moved or affected by the moving element, comprising arranging a magnetic sensor unit in the vicinity of the device to emit a signal in dependence on the orientation of the magnetic flux produced by the measuring magnetic field source, and processing the signal from the magnetic sensor unit to provide an indication of the position or orientation of the movable element, characterized in that the sensor unit is an independent unit that is sealed in relation to the movable element in such a way that it can be removed as a unit from the device.

2. Method according to claim 1, characterized in that the movable element is a rotating shaft, and the signal is an indication of the degree of rotation of the shaft.

3. Method according to claim 2, characterized in that the measuring magnetic field source is a magnetic rod which is attached to the shaft.

4. Method according to claim 1, characterized in that the movable element is a rod which moves in the longitudinal direction and the measuring magnetic field source is a magnetic device on the rod, which produces a field whose orientation varies along the rod, the signal indicating the position of the rod in the longitudinal direction.

5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is used for measuring the position or orientation of a component of an underwater installation.

6. System for non-contact sensing of a moving element of a device, comprising a measuring magnetic field source which is arranged to be moved or affected by the moving element, a magnetic sensor unit for determining the orientation of a magnetic flux produced by the measuring magnetic field source, and devices for produce a signal from the magnetic sensor unit to provide an indication of the position or orientation of the movable element, characterized in that the sensor unit is an independent unit which is sealed from the movable element and is designed to be removably used in the aforementioned device.

7. System according to claim 6, characterized in that the sensor unit comprises a non-magnetic housing which encloses a sensor device, and that the sensor comprises a mainly cylindrical field shaper with the sensor device placed near one axial end and intended to face the magnetic field source at the other end.

8. System according to one of claims 6 or 7, characterized in that the measuring magnetic field source is a magnetic rod which is arranged to rotate with the movable element perpendicular to its own axis.

9. System according to one of claims 6 or 7, characterized in that the measuring magnetic field source comprises a pair of magnets which are placed facing each other across the diameter of a bowl-shaped magnetic yoke, and that the sensor unit extends into the area of this diameter.

10. System according to one of claims 6 or 7, characterized in that the measuring magnetic field source is in the form of a rod which can move in the longitudinal direction and produces a magnetic field whose orientation varies along the length of the rod, and that the sensor unit surrounds the rod or vice versa.

11. Valve device comprising a movable element and a sensor device as stated in one of claims 6-10, characterized in that the valve comprises a rotating shaft which has gear transmission to the movable element.

12. Valve device according to claim 11, characterized in that it comprises a non-magnetic cover plate which separates the valve from the sensor unit.