NO863906L

NO863906L - DEVICE FOR A DETERMINED POSITION OF A MOVING BODY MOVING AFTER A PRESET PROJECTED, SPECIFICALLY BY ROTATION.

Info

Publication number: NO863906L
Application number: NO863906A
Authority: NO
Inventors: Jens M Hovem; Kurt-Even Kristensen
Original assignee: Sintef
Priority date: 1986-10-01
Filing date: 1986-10-01
Publication date: 1988-04-05
Also published as: NO863906D0; WO1988002473A1

Description

Oppfinnelsen gjelder en anordning i samsvar med innledningen til patentkrav 1 for å bestemme posisjonen til et bevegelig legeme som forflyttes etter en forutbestemt bane, særlig ved rotasjon. The invention relates to a device in accordance with the preamble of patent claim 1 for determining the position of a moving body which is moved along a predetermined path, in particular during rotation.

I forskjellige sammenhenger er det behov for å overvåke stillingen til dreibare eller forskyvbare gjen-stander, f.eks. spindler på ventiler. For ventiler i olje/- gass-rørledninger er det vanlig å bruke elektromagnetiske vinkelgivere. Disse har kort levetid, bl.a. på grunn av bevegelige deler. Dessuten vil leggingen av elektriske kabler i eksplosjonsfårlige væsker/gasser og innbære en risiko. In various contexts, there is a need to monitor the position of rotatable or displaceable objects, e.g. spindles on valves. For valves in oil/gas pipelines, it is common to use electromagnetic angle sensors. These have a short lifespan, i.a. due to moving parts. In addition, the laying of electrical cables in explosive liquids/gases will entail a risk.

Det er fra tidligere kjent anordninger hvor en med elektromagnetisk o.l. stråling har bestemt avstanden til bevegelige objekt. Slike anordninger har imidlertid ikke latt seg utnytte for posisjonsbestemmelser hvor det er tale om små bevegelser f.eks. vinkelposisjon til en dreibar spindel. It is from previously known devices where one with electromagnetic etc. radiation has determined the distance to moving objects. However, such devices have not been able to be utilized for position determinations where small movements are involved, e.g. angular position of a rotatable spindle.

Oppfinnelsens hovedformål er å skape en anordning for å bestemme posisjonen til bevegelig legeme, særlig til en spindel som roterer eller kan dreies over en viss vinkel. Det er et særlig formål å skape en slik anordning uten bevegelige deler og med redusert behov for tilførsel av elektriske ledninger til miljø med eksplosjonsfare, f.eks. i forbindelse med offshore-anlegg. The main purpose of the invention is to create a device for determining the position of a moving body, in particular of a spindle which rotates or can be turned over a certain angle. It is a particular aim to create such a device without moving parts and with a reduced need for the supply of electrical cables to environments with a risk of explosion, e.g. in connection with offshore facilities.

Oppfinnelsen omfatter en anordning som angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1. The invention includes a device as stated in the characterizing part of patent claim 1.

Slikt måleutstyr er særlig egnet for fastlegging av vinkelposisjon eller dreiestillingen til spindler, f.eks. på ventiler og andre betjeningsenheter, hvor et organ er dreid eller skal dreies over en vinkel i et vinkelintervall mindre enn 360°. Such measuring equipment is particularly suitable for determining the angular position or the turning position of spindles, e.g. on valves and other operating devices, where a member is turned or is to be turned over an angle in an angle interval of less than 360°.

Oppfinnelsen kan imidlertid også brukes for måling av posisjonen til maskindeler o.l. som beveges rettlinjet. However, the invention can also be used for measuring the position of machine parts etc. which moves in a straight line.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de avhengige patentkravene. Further features of the invention are set out in the dependent patent claims.

Eksempel:Example:

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere med henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser skjematisk en måleoppstilling med tilhørende blokkdiagram for signalbehandlingskretsen, The invention will be described in more detail below with reference to the drawings, where: fig. 1 schematically shows a measurement setup with associated block diagram for the signal processing circuit,

fig. 2 viser et vertikalsnitt i skjematisk gjengivelse gjennom en måleenhet i samsvar med oppfinnelsen beregnet for montering på en spindel,mens fig. 2 shows a vertical section in schematic representation through a measuring unit in accordance with the invention intended for mounting on a spindle, while

fig. 3 viser tverrsnitt gjennom en mekanisme med rettlinjet bevegelse utformet i samsvar med oppfinnelsen. fig. 3 shows a cross-section through a mechanism with rectilinear movement designed in accordance with the invention.

I eksemplet er det vist en spindel 11 som kan til-høre en vilkårlig maskindel og være beregnet for dreining over en begrenset vinkel, f.eks. 60°. Det kan f.eks. være en spindel på en ventil, eller på et behandlingsverktøy. Her ønsker en å måle spindelens bevegelse eller posisjon, f.eks. regnet i grader,fra ei utgangsstilling. In the example, a spindle 11 is shown which can belong to any machine part and be intended for turning over a limited angle, e.g. 60°. It can e.g. be a spindle on a valve, or on a processing tool. Here one wants to measure the movement or position of the spindle, e.g. calculated in degrees, from a starting position.

På spindelen 11 er det festet en reflektor 12 på en hensiktsmessig bærer 13. Reflektoren 12 er utformet for refleksjon av akustiske bølger. Reflektoren 12 kan være av rustfritt eller fast materiale med rektangulært fronttverrsnitt. Bæreren kan f.eks. være skrudd til akselen 11. A reflector 12 is attached to the spindle 11 on a suitable carrier 13. The reflector 12 is designed for reflection of acoustic waves. The reflector 12 can be made of stainless or solid material with a rectangular front cross-section. The carrier can e.g. be screwed to the axle 11.

Utenfor reflektoren 12, i dens bevegelsesområde er det stilt ei rekke 14 med elektroakustiske omformerelementer (svingerelementer eller transducere) 15a...n. Rekka 14 har geometrisk sirkelbueform med sentrum som faller sammen med akselens 11 rotasjonsakse 16. Outside the reflector 12, in its range of motion, there is a row 14 of electroacoustic converter elements (transducer elements or transducers) 15a...n. The row 14 has a geometric circular arc shape with the center coinciding with the rotation axis 16 of the shaft 11.

Omformerelementene 15a..n, som kan være piezoelek-triske, er direktive og har maksimal følsomhetsretning mot rotasjonsaksen 16. Omformerelementene er hver for seg tilkoplet en koblingskrets 17, som på den ene sida er til-sluttet en signalgenerator 18 og på den andre sida en signalbehandlingskrets 19. For styring av systemet og angivelse av måleresultatene er det i eksemplet vist en terminal 20 tilkoplet signalbehandlingskretsen 19, som kan være mikroprosessorbasert. The transducer elements 15a..n, which can be piezoelectric, are directive and have a maximum sensitivity direction towards the axis of rotation 16. The transducer elements are each connected to a switching circuit 17, which is connected on one side to a signal generator 18 and on the other side a signal processing circuit 19. For controlling the system and indicating the measurement results, the example shows a terminal 20 connected to the signal processing circuit 19, which may be microprocessor-based.

Målingen av akselens 11 vinkelstilling er basert på at det fra en og en av omformerne 15a n sendes ut et signal og at det reflekterte signalet som opptas i de andre omformerne tilføres signalbehandlingskretsen 19. The measurement of the angular position of the shaft 11 is based on the fact that a signal is sent out from each of the converters 15a n and that the reflected signal which is recorded in the other converters is fed to the signal processing circuit 19.

Posisjonsbestemmelsen omfatter to operasjoner: Først bestemmes det vinkelintervallet som reflektoren 12 befinner seg i, dvs. hvilke omformerelementer 15a...n reflektoren befinner seg mellom. Deretter bestemmes en nøyaktig posisjon i intervallet. The position determination comprises two operations: First, the angle interval in which the reflector 12 is located, i.e. which converter elements 15a...n the reflector is located between, is determined. An exact position in the interval is then determined.

Etter at det er sendt pulser fra omformerelementene 15a....n etter tur, finnes reflektorplasseringen mellom elementene i det elementparet som har høyest nivå på mottatt signal. After pulses have been sent from the converter elements 15a...n in turn, the reflector location is found between the elements in the element pair that has the highest level of received signal.

For å bestemme posisjonen nøyaktig kan en enten måle amplituden av de reflekterte signalene, og bruke direktiviteten til svingerne og reflektoren eller måle fasen på det mottatte signalet. Begge framgangsmåtene er mulig i praksis, men en amplitudemåling er mindre følsom for unøy-aktigheter i systemgeometrien og monteringen. Det vil der-for være mest gunstig å utnytte svingernes og reflektorens direktivitet. To determine the position accurately, one can either measure the amplitude of the reflected signals, and use the directivity of the transducers and reflector, or measure the phase of the received signal. Both procedures are possible in practice, but an amplitude measurement is less sensitive to inaccuracies in the system geometry and assembly. It will therefore be most beneficial to utilize the directivity of the transducers and the reflector.

Det finnes flere kjente måter å kombinere signal-nivået til to eller flere naboomformere, som gir en entydig posisjonsbestemmelse innenfor et intervall. There are several known ways of combining the signal level of two or more neighboring transducers, which provide an unambiguous position determination within an interval.

Nøyaktigheten er avhengig av innbyrdes avstand mellom elementene, elementenes og reflektorens direktivitet, avstanden mellom reflektoren og omformerelementene, signal/støy-forhold og nøyaktigheten av tall-representasjonen i signalbehandlingen. I en kombinasjon som gir en størrelse som er tilnærmet lineært avhengig av vinkel/posisjon, vil posisjonen bli angitt jo mer nøyaktig desto større stigningstallet i den lineære tilnærmelsen er og nøyaktigheten vil være den samme over det lineære området. The accuracy depends on the mutual distance between the elements, the directivity of the elements and the reflector, the distance between the reflector and the converter elements, signal/noise ratio and the accuracy of the number representation in the signal processing. In a combination that gives a quantity that is approximately linearly dependent on angle/position, the position will be indicated more accurately the greater the slope number in the linear approximation and the accuracy will be the same over the linear range.

I en laboratoriemodell med innbyrdes avstand mellom elementene på 3° og frekvens på 500 kHz blir det oppnådd 0,5° nøyaktighet over hele vinkelintervallet. Med en annen kombinasjon av signalnivåene kunne en ha oppnådd bedre enn 0,1° nøyaktighet over et intervall på + 1° rundt et element 15a n. En vil altså kunne få delintervaller med svært god oppløsning. In a laboratory model with an element spacing of 3° and a frequency of 500 kHz, 0.5° accuracy is achieved over the entire angular interval. With a different combination of the signal levels, one could have achieved better than 0.1° accuracy over an interval of + 1° around an element 15a n. One would thus be able to obtain partial intervals with very good resolution.

I fig. 2 er det vist eksempel på en utførelsesform av oppfinnelsen beregnet for plassering på en aksel. 1 et kasseformet hus 21 er det montert ei dreibar stang 22, som er opplagret med lager hhv. 23 og 24 ved motstående side-vegger i huset. Stanga 22 er ført igjennom det nedre lageret 24 i figuren og forsynt med en koplingsflens 25 utvendig på huset 21. Huset 21 er dessuten forsynt med to festelabber, hhv. 26 og 27 for montering på en ikke vist maskin, ventil eller liknende. Alternativt til at stanga 22 føres igjennom det nedre lageret 24 kan tenkes benyttet f.eks. magnetisk kopling mellom spindelen, akslingen, som skal posisjonbestemmes, og måleenhetens aksling. Dermed unngås gjennomføring av akslingen, og kompleksiteten av den mekaniske utformingen av målesystemet reduseres. In fig. 2 shows an example of an embodiment of the invention intended for placement on an axle. In a box-shaped housing 21, a rotatable rod 22 is mounted, which is stored with bearings or 23 and 24 at opposite side walls in the house. The rod 22 is passed through the lower bearing 24 in the figure and provided with a connecting flange 25 on the outside of the housing 21. The housing 21 is also provided with two fixing lugs, respectively. 26 and 27 for mounting on a not shown machine, valve or similar. As an alternative to the rod 22 being passed through the lower bearing 24, it is conceivable to use e.g. magnetic coupling between the spindle, the shaft, whose position is to be determined, and the shaft of the measuring unit. This avoids carrying out the shafting, and the complexity of the mechanical design of the measuring system is reduced.

Huset 21 er innvendig forsynt med ei foring 28 av absorberende materiale, f.eks. armert skumgummi. I et hjørne av huset 21 er det utenfor foringa 28 plassert et rom 29 for de deler av signalbehandlingskretsene etc. som det er hensiktsmessig å plassere på bruksstedet. The housing 21 is internally provided with a lining 28 of absorbent material, e.g. reinforced foam rubber. In a corner of the housing 21, outside the lining 28, a room 29 is placed for the parts of the signal processing circuits etc. which it is appropriate to place at the place of use.

De vesentlige elementer ved utstyret er en reflektor 30 som er montert på en radial utragende bærer 31 festet til stanga 22. Radialt utenfor reflektoren 30 er det, festet til husets 21 vegg, innvendig på foringa 28 plassert ei rekke 14 med omformerelementer 15a n. The essential elements of the equipment are a reflector 30 which is mounted on a radially projecting carrier 31 attached to the rod 22. Radially outside the reflector 30, attached to the wall of the housing 21, inside the lining 28 is placed a row 14 with converter elements 15a n.

Det indre av huset 21 er hensiktsmessig fylt med ei væske 32, f.eks. lakserolje. The interior of the housing 21 is appropriately filled with a liquid 32, e.g. castor oil.

Alternativer:Options:

Reflektoren kan erstattes med et svingerelement festet på spindelen eller stempelstanga, og som sender ut akustiske signaler mot svingerrekka. Disse vil da bare benyttes som mottakerelementer. Signalbehandlingsprosedyren for posisjonsbestemmelse blir som i tilfellet med reflektor, mens de analoge elektronikk-kretsene som er nødvendige for å sende ut og motta pulser, blir enklere. Imidlertid reduseres målesystemets pålitelighet og sikkerhet idet det må føres ut en elektrisk kabel til en bevegelig del. The reflector can be replaced with a transducer element attached to the spindle or piston rod, which emits acoustic signals towards the transducer array. These will then only be used as receiver elements. The signal processing procedure for position determination becomes the same as in the case of the reflector, while the analog electronics circuits necessary to transmit and receive pulses become simpler. However, the measuring system's reliability and safety are reduced as an electric cable must be routed to a moving part.

Oppfinnelsen kan også brukes for å måle lineær forskyvning slik det er illustrert i fig. 3. Her er det vist utsnitt av en hydraulisk sylinder 33 med ei stempel-stang 34. Her er det i sylinderveggen innebygget ei rettlinjet rekke omformerelementer 35, mens det til stempelstanga 34 er festet en reflektor 36. Posisjonen til reflektoren 36 kan finnes på tilsvarende måte som beskrevet ovenfor. The invention can also be used to measure linear displacement as illustrated in fig. 3. Here is shown a section of a hydraulic cylinder 33 with a piston rod 34. Here, a rectilinear series of converter elements 35 is built into the cylinder wall, while a reflector 36 is attached to the piston rod 34. The position of the reflector 36 can be found on the corresponding manner as described above.

Claims

1. Device for determining the position of a moving body that is moved along a predetermined path, in particular during rotation, with a transmitter that radiates an acoustic signal towards the body and with a receiver to pick up the reflex signal from the body, as well as with a signal processing circuit for to determine and indicate a geometric dimension in the relationship between the transmitter and body, characterized in that it comprises a reflector element (12) attached to the body, in the case of a rotating body radially outside the axis of rotation of the body, and a number (14) of transmitter-receiver units (15a... n), in the case of a rotating body arranged in a circular arc with a center of curvature that coincides with the body's axis of rotation (16), and that the units are connected respectively a signal generator (18) for sequentially pulsing the transmitter elements and a signal processing circuit (19) for determining the reflection maxima and indicating angular position.

2. Device in accordance with claim 1, characterized in that the reflector (12; 36); is attached to a carrier (13; 31) mounted on the movable body (11; 22; 34).

3. Device in accordance with claim 1 or 2, characterized in that it comprises a pivotable rod (22) mounted in a closed housing (21), this rod being designed for connection and rotation together with a body where the angular position is to be measured, and where the rod serves as a support for the reflector (30), the row (14) of converter elements (15a n) being mounted on the housing wall radially outside the reflector's swing path.

4. Procedure for using the device in accordance with patent claim 1 for measuring the angular movement of a moving body that is moved along a predetermined path, particularly in the case of rotation characterized by the body's angle being determined from amplitude measurement or phase measurement of the signal received on the receiver units (15a. ..ri), by first determining an angular interval in which the reflector is located and then determining a more accurate position by combining the signals of two or more neighboring receivers while taking into account the directivity of the receivers in relation to the reflector and thereby obtaining a quantity that is a unique function of position, i.e. angle.