NO863906L - Anordning for aa bestemme posisjon til et bevegelig legeme som forflyttes etter en forutbestemt bane, saerlig ved rotasjon. - Google Patents

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.

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.

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.

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.

Oppfinnelsen omfatter en anordning som angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 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°.

Oppfinnelsen kan imidlertid også brukes for måling av posisjonen til maskindeler o.l. som beveges rettlinjet.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de avhengige patentkravene.

Eksempel:

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere med henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser skjematisk en måleoppstilling med tilhørende blokkdiagram for signalbehandlingskretsen,

fig. 2 viser et vertikalsnitt i skjematisk gjengivelse gjennom en måleenhet i samsvar med oppfinnelsen beregnet for montering på en spindel,mens

fig. 3 viser tverrsnitt gjennom en mekanisme med rettlinjet bevegelse utformet i samsvar med oppfinnelsen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Det finnes flere kjente måter å kombinere signal-nivået til to eller flere naboomformere, som gir en entydig posisjonsbestemmelse innenfor et intervall.

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.

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.

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.

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.

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.

Det indre av huset 21 er hensiktsmessig fylt med ei væske 32, f.eks. lakserolje.

Alternativer:

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.

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.

Claims (4)

1. Anordning for å bestemme posisjonen til et bevegelig legeme som forflyttes etter en forutbestemt bane, særlig ved rotasjon, med en sender som utstråler et akus-tisk signal mot legemet og med en mottaker for å oppfange reflekssignal fra legemet, samt med en signalbehandlingskrets for å fastslå og anvise en geometrisk dimensjon i forholdet sender-legeme, karakterisert ved at den omfatter et reflektorelement (12) festet til legemet, ved roterende legeme radialt utenfor legemets rotasjonsakse, og ei rekke (14) sende-mottaksenheter (15a....n), ved roterende legeme oppstilt i sirkelbueform med krumnings-sentrum som faller sammen med legemets rotasjonakse (16), og at enhetene er tilknyttet hhv. en signalgenerator (18) for sekvensvis pulsing av senderelementene og en signalbehandlingskrets (19) for å bestemme refleksmaksima og angi vinkelposisjon.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at reflektoren (12; 36); er festet på en bærer (13; 31) montert på det bevegelige legemet (11; 22;34).

3. Anordning i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter ei svingbar stang (22) montert i et lukket hus (21), idet denne stanga er utformet for sammenkopling og dreining sammen med et legeme hvor vinkelposisjonen skal måles, og hvor stanga tjener som bærer for reflektoren (30), idet rekka (14) av omformerelementer (15a n) er montert på husets vegg radielt utenfor reflektorens svingebane.

4. Framgangsmåte for bruk av anordningen i samsvar med patentkrav 1 for måling av vinkelbevegelse av et bevegelig legeme som forflyttes etter en forutbestemt bane, særlig ved rotasjon karakterisert ved at legemets vinkel bestemmes ut fra amplitudemåling eller fasemåling av signalet som mottas på mottakerenhetene (15a...ri), ved først å bestemme et vinkelintervall som reflektoren befinner seg i og deretter bestemme en nøyaktigere posisjon ved å kombinere signalene til to eller flere nabomottakere samtidig som en tar hensyn til direktiviteten til mottakerne i forhold til reflektoren og derved framskaffer en størrelse som er en entydig funksjon av posisjon, dvs. vinkel.