旋转位置感测 |
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| 申请号 | CN201380019708.5 | 申请日 | 2013-03-01 | 公开(公告)号 | CN104246443B | 公开(公告)日 | 2017-09-01 |
| 申请人 | 埃尔斯特水计量有限公司; | 发明人 | 大卫·马丁·普利; | ||||
| 摘要 | 一种用于感测可旋转构件的旋转 位置 的旋转位置感测装置，其包括至少一个励磁 电路 。励磁电路具有包括励磁线圈的部分，并且励磁电路可操作为激励所述部分，在所述部分没有被驱动时， 能量 导致 电流 在所述部分中流动，从而激发振荡电 磁场 。提供了用于耦合至 电磁场 的器件，从而阻碍电磁场的振荡。一个或多个励磁电路或 耦合器 件与可旋转构件关联。通过提供这样的耦合器件能够提高阻尼。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于感测可旋转构件的旋转位置的旋转位置感测装置，所述装置包括： |
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| 说明书全文 | 旋转位置感测技术领域发明内容[0002] 根据本发明，提供了一种用于感测可旋转构件的旋转位置的旋转位置感测装置，所述装置包括：至少一个励磁电路(excitation circuit)，所述励磁电路或每个励磁电路具有包括励磁线圈的部分，所述励磁电路可操作为激励所述部分，当所述部分没有被驱动时，能量导致电流在所述部分中流动，从而激发振荡电磁场；用于耦合至电磁场从而阻碍所述电磁场的振荡的器件；一个或多个励磁电路或耦合器件与所述可旋转构件关联。通过提供这样的耦合器件能够提高阻尼。 [0003] 为了便于制造，耦合器件可以包括包含耦合线圈的耦合电路。优选地，耦合电路包括电容器，耦合线圈围绕该电容器。 [0004] 优选地，为了提高阻尼，通过每个励磁电路可激发的电磁场以预定频率振荡，这导致耦合电路在耦合至电磁场时发生谐振。 [0005] 为了便于测量，所述装置优选包括用于检测振荡的至少一个参数的值的器件，所述振荡与一个或多个励磁线圈中的每个励磁线圈中的一个或多个激发中的每一个关联的。所述装置可以进一步包括处理器件，所述处理器件用于根据所述参数值或每个参数值确定在特定时刻处的可旋转构件的旋转位置。参数可以是关于其幅值超过预定阈值的振荡的数目。所述处理器件可能可操作为确定可旋转构件的速度。 [0006] 为了提高功能，所述装置可以包括至少两个励磁电路，其中所述处理器件可操作为确定可旋转构件的旋转方向。 [0007] 在一个优选实施方案中，处理器件可操作为确定作用于可旋转构件上的驱动力的至少一个特性，并且所述驱动力优选为流体的流动，其中处理器件优选地可操作为确定流体流动的速率；处理器件可以可操作为确定流体流动的体积。 [0008] 为了便于制造，可旋转构件优选地包括在其上安装了耦合电路的板元件。 [0009] 所述板元件优选为印刷电路板的形式，并且所述耦合线圈由印刷电路板的印制线形成。电容器优选地安装在印刷电路板的主面的中间部分上且与所述印制线电气连接，所述印制线以其围绕所述电容器的布置被安装在印刷电路板的主面上。 [0010] 可选地，所述板元件可以为双面印刷电路板的形式，并且所述耦合线圈由所述双面印刷电路板的印制线形成。优选地，电容器被安装在印刷电路板的中间部分上且与所述印制线电气连接，所述印制线以其围绕所述电容器的布置被安装在印刷电路板的主面上的相应部分。 [0011] 在另外的优选实施方案中，为了通用性，可旋转构件包括基本上与所述可旋转构件的旋转轴共轴的筒状物，并且其中，所述耦合线圈沿着所述筒状物的外表面的一部分附着。每个励磁线圈可以被固定，使得其相对于所述可旋转构件的旋转轴被径向设置，在所述可旋转构件的一次完整旋转期间，所述励磁线圈的中心与所述耦合线圈的中心基本上对准一次。 [0012] 有利地，耦合器件的品质因数优选大于0.5，更优选在1至3之间。 [0013] 励磁器件和耦合器件的谐振频率的范围优选在100kHz至1MHz之间，更优选在250KHz至350KHz之间。 [0014] 耦合器件的电感的范围优选在0.1微亨至2微亨之间，更优选在0.4微亨至0.7微亨之间。 [0015] 耦合器件的电容的范围优选在100nF至2000nF之间，更优选在500nF至1400nF之间。 [0016] 印制线的宽度优选在0.2mm至0.4mm之间，更优选为0.3mm，且具有的间距在0.1mm至0.3mm之间，优选为0.2mm。 [0017] 优选地，2oz的铜被用于印制线，所述铜的厚度在50μm至100μm之间，优选为70μm。 [0018] 在另一个方面中，本发明提供了包括流体流量计和流体流量计外围设备的流体流量计套件，所述流体流量计包括可旋转构件、耦合器件和附接器件；所述流体流量计外围设备包括励磁器件和对应于所述流体流量计的附接器件的附接器件，所述附接器件用于将所述流体流量计外围设备可拆卸地附接至所述流体流量计；当所述流体流量计外围设备通过所述附接器件附接至所述流体流量计时，所述可旋转构件、耦合器件和励磁器件的布置根据如上述的旋转位置感测装置。通过提供这样的外围设备，可以促进远程测量以及易于维护和校准。 [0019] 优选地，流体流量计外围设备包括检测器件和处理器件，当流体流量计外围设备通过所述附接器件附接至流体流量计时，所述可旋转构件、耦合器件、励磁器件、检测器件和处理器件的布置根据如上述的装置。 [0020] 本发明扩展至包括电容器以及双面印刷电路板形式的板元件的可旋转构件，其中所述双面印刷电路板的印制线形成耦合线圈。 [0021] 本发明进一步扩展至包括电容器以及印刷电路板形式的板元件的可旋转构件，其中所述印刷电路板的印制线形成耦合线圈，所述印制线围绕所述电容器。 [0022] 耦合器件的品质因数优选大于0.5，更优选在1至3之间。 [0023] 励磁器件和耦合器件的谐振频率的范围优选在100kHz至1MHz之间，更优选在250KHz至350KHz之间。 [0024] 耦合器件的电感的范围优选在0.1微亨至2微亨之间，更优选在0.4微亨至0.7微亨之间。 [0025] 耦合器件的电容的范围优选在100nF至2000nF之间，更优选在500nF至1400nF之间。 [0026] 所述印制线的宽度优选在0.2mm至0.4mm之间，更优选为0.3mm，且具有的间距在0.1mm至0.3mm之间，优选为0.2mm。 [0027] 优选地，2oz的铜被用于印制线，所述铜的厚度在50μm至100μm之间，优选为70μm。 [0028] 所述可旋转构件优选包括指针。 [0030] 现在将参考所附示意图，仅通过示例的方式描述本发明，在附图中： [0031] 图1显示了根据本发明的旋转位置感测装置的三个励磁线圈、可旋转构件以及耦合电路的示意图； [0032] 图2a显示了图1的旋转位置感测装置的双面印刷电路板以及安装在双面印刷电路板上的电容器的俯视图和仰视图； [0033] 图2b显示了图1的旋转位置感测装置的双面印刷电路板以及安装在双面印刷电路板上的电容器的另一个示例的俯视图和仰视图； [0034] 图3显示了图1的装置的励磁电路、比较器和微控制器的示意图； [0035] 图4显示了图1的装置的励磁电路和耦合电路的示意图； [0037] 图6显示了流体流量计的透视图，其包括图1的旋转位置感测装置的可旋转构件和耦合电路； [0038] 图7显示了附接至图6的流体流量计的流体流量计外围设备的透视图，流体流量计外围设备包括图1的装置的励磁电路和微控制器； [0039] 图8显示了图7的流体流量计和流体流量计外围设备的剖面透视图； [0040] 图9a和9b显示了图6的流体流量计的可旋转构件和耦合电路的透视图； [0041] 图10显示了包括图1的旋转位置感测装置的流体流量计的透视图； [0042] 图11显示了图10的流体流量计的剖面透视图； [0043] 图12a和12b显示了图10的流体流量计的可旋转构件和耦合电路的透视图； [0044] 图13显示了包括图1的旋转位置感测装置的流体流量计的剖面透视图； [0045] 图14显示了图13的流体流量计的一部分的透视图； [0046] 图15显示了图13的流体流量计的励磁线圈和耦合线圈的透视图； [0047] 图16显示了图13的流体流量计的可旋转构件和耦合线圈的透视图； [0048] 图17显示了图13的流体流量计的可旋转构件和耦合线圈的局部透视图； [0049] 图18显示了包括图1的旋转位置感测装置的流体流量计的透视图； [0050] 图19显示了图18的流体流量计的剖面透视图；以及 [0051] 图20a和20b显示了图18的流体流量计的可旋转构件和耦合电路的透视图。 具体实施方式[0052] 参考附图中的图1至图4，一般由附图标记10表示旋转位置感测装置。旋转位置感测装置用于感测可旋转构件12的旋转位置。 [0053] 装置10大体上包括三个励磁电路14、耦合电路16形式的耦合器件、关联于每个励磁电路的比较器18形式的检测器件以及微控制器19形式的处理器件。 [0054] 每个励磁电路14包括励磁线圈20。耦合电路16包括耦合线圈22。三个励磁线圈20的每一个在相对于可旋转构件12的旋转轴24的固定位置上。三个励磁线圈20进一步处于其中每个励磁线圈在可旋转构件的不同旋转位置处基本上与耦合线圈22对准的布置中。 [0055] 参考附图中的图2a和2b，可旋转构件12包括双面印刷电路板26形式的板元件。耦合电路16包括在闭合电路中与耦合线圈22连接的电容器28。耦合线圈由印刷电路板的印制线形成。电容器被安装在印刷电路板的中间部分上且与印刷电路板的印制线电气连接。印刷电路板的印制线以其围绕电容器并且向着印刷电路板的边缘延伸的布置被安装在印刷电路板的主面的相应部分上。可选地，电容器可以安装在线圈外部，而不论其在印刷电路板上或者不在印刷电路板上。耦合线圈的品质因数大于0.5，优选在1至3的范围中。耦合电路通常在不需要铁氧体磁心的情况下工作。 [0056] 参考附图中的图3和图4，每个励磁电路14具有振荡部分30和激励部分32。振荡部分为RLC电路的形式并且包括以电路元件C建模的电容器、以电路元件L建模的励磁线圈20以及用于连接电容器至励磁线圈或从励磁线圈分离电容器的开关S2。RLC电路具有以电路元件R(在图3中未示出)建模的内阻。激励部分包括DC电源V以及用于连接DC电源V至振荡部分的电容器或者从振荡部分的电容器分离DC电源V的开关S1。 [0057] 参考附图中的图3，对于每个励磁电路14，检测器件包括比较器18和开关S3。比较器比较在励磁线圈20(以电感器L建模)上的电压值与阈值电压V参考。当开关S3闭合时，比较器的输入端连接在电感器L上。在比较器的输出处每一个时间周期产生一个脉冲，在该时间周期中励磁线圈上的电压超过参考电压V参考。 [0058] 参考附图中的图4，耦合电路16的耦合线圈22以电路元件LC建模，耦合电路的电容器28以电路元件CC建模，以及耦合电路的内阻以电阻RC建模。当励磁线圈和耦合线圈对准时，每个励磁电路14的励磁线圈20和耦合电路的耦合线圈之间的耦合以耦合因子k建模。 [0059] 在使用中，参考图1，可旋转构件12根据流体的流动围绕其旋转轴24旋转。耦合线圈22因而围绕可旋转构件12的旋转轴24旋转。在可旋转构件的每一次完整旋转期间，耦合线圈与三个励磁线圈20中的每一个对准一次。 [0060] 在使用中，参考图3和图4，励磁电路14的激励部分32可操作为将振荡部分30激励到预定程度。更具体而言，闭合开关S1且断开开关S2，从而DC电源V为电容器C充电，同时其与电感器L分离。之后断开开关S1且闭合开关S2，从而DC电源V与电容器C分离，并且在电容器C和励磁线圈电感器L之间能够产生电流的流动。因此，电容器C充电预定量的能量，之后该能量在RLC电路中被转移至电感器L且从电感器L中被转移，从而导致在RLC电路中的阻尼振荡。流过励磁线圈电感器L的振荡电流激发振荡电磁场。当RLC电路振荡时，DC电源V不会为其增加能量。因此，在RLC电路振荡时其不被驱动。 [0061] 在预定时间之后，断开开关S2且闭合开关S1，从而停止LC电路中的振荡并且将电容器C与DC源V连接。 [0062] 电容器C的充电以及随后RLC电路和电磁场的振荡能够以预定励磁频率重复。由此在励磁线圈电感器L上可观测到以谐振频率的包含在振荡的激发频率处的脉冲的波形。脉冲的占空比基本上为在单个周期中RLC电路的振荡持续时间(开关S1断开；开关S2闭合)除以在单个周期中RLC电路的振荡持续时间与电容器的充电持续时间之和(开关S1闭合；开关S2断开)。 [0063] 在使用中，参考图5a，观测到在一个时间段上励磁线圈20上的振荡脉冲连同比较器18的输出，在该时间段期间，励磁线圈20和耦合线圈22未对准。在所述时间段上在比较器输出处观测到十五个脉冲。 [0064] 参考图5b，显示出如在一个时间段上观测的励磁线圈20上的振荡脉冲连同比较器18的输出，在该时间段期间，励磁线圈和耦合线圈22对准。通过励磁电路激发的电磁场以预定频率振荡，这导致在耦合电路16耦合至电磁场时，耦合电路16谐振。 [0065] 更具体而言，通过励磁线圈20激发的振荡电磁场在耦合线圈22中感应电流，该耦合线圈22的受激电磁场阻碍励磁线圈的振荡电磁场。因此，与当耦合线圈与励磁线圈未对准时相比，当耦合线圈22与励磁线圈20对准时，在励磁线圈上观测的振荡的阻尼相对较大。这通过在对应于图5a中观测的时间段的一个时间段上在比较器的输出处仅观测到六个脉冲而得以证实。当由励磁线圈20激发的振荡电磁场被由耦合线圈激发的电磁场阻碍时，没有能量被增加至励磁电路14的振荡部分30。当励磁电路的振荡部分振荡时其没有被驱动的特征由此进一步支持了在励磁线圈与耦合线圈对准时的励磁线圈中的振荡阻尼。 [0066] 在比较器18的输出处的较低脉冲计数的发生因此作为耦合线圈与励磁线圈20对准的指示符，并且从而作为耦合线圈22附接的可旋转构件12的旋转位置的指示符。 [0067] 微控制器19可操作为根据在励磁电路14的比较器18的输出处的脉冲确定在特定时刻处可旋转构件12的旋转位置、旋转速度和旋转方向。 [0068] 此外，微控制器19可操作为根据在励磁电路14的比较器18的输出处的脉冲确定在特定时刻处作用于可旋转构件12上的驱动力的至少一个特性。 [0069] 如果可旋转构件12的驱动力为流体的流动，那么微控制器19可操作为根据在励磁电路14的比较器18的输出处的脉冲确定流体流动的速率、流体流动的体积以及流体流动的方向。 [0070] 当旋转构件从励磁线圈与耦合线圈22未对准的位置旋转至励磁线圈与耦合线圈对准的旋转位置时，励磁线圈20的表观电阻发生改变。用于励磁线圈的设计的品质因子为ΔR/(ω0L)，其中ΔR为励磁线圈的表观电阻的变化量，ω0为励磁电路14的谐振频率，且L为励磁线圈的电感。 [0071] 通过以特定配置利用特定材料制造耦合电路16能够优化品质因子。对于一层和二层印刷电路板，具有0.2mm印制线和间距、具有4.9mm的外径以及与励磁线圈20的间隔为5mm的2oz铜的耦合线圈22在其具有至少五个绕组(turn)时充分地执行。对于由2oz的铜制成的且具有0.2mm的印制线和间距、1.5mm的内径和5mm的间隔的单层耦合线圈22，性能随着线圈尺寸呈指数方式提高。当耦合线圈的铜厚度与其印制线和间距共同变化以最大化目前铜的量时，对于具有0.05至0.4mm的印制线和间距、4.9mm的耦合线圈外径且与励磁线圈间隔为5mm的0.5到4oz的铜，当铜的量增加时观测到性能的线性提高。作为对一层或两层印刷电路板的替代，能够使用多层印刷电路板，从而增加耦合线圈的电感。所使用的衬底厚度不会影响耦合线圈的性能很多。优选较薄的衬底以最小化印刷电路板的重量，从而减小谐振阻尼器的总体重量。 [0072] 对于由单面印刷电路板的印制线形成的耦合线圈22，优选2oz的铜和0.2mm的印制线和间距来最大化电感。包括耦合线圈的耦合电路16的电容器优选为相当大，例如，1206大小的1μF电容器。 [0073] 对于由双面印刷电路板26的印制线形成的耦合线圈22，优选具有0.4mm印制线和0.2mm间距的2oz的铜。通过使用3oz的铜和0.3mm的印制线和间距，包括耦合线圈的耦合电路16的性能能够提高大约10％。利用这种设计能够使用相对小的0603电容器。 [0074] 下面的组件可以用于耦合线圈22作为印刷电路板的替代：弹性线圈(flexi coil)、冲压箔线圈(在该实例中，层叠电容器可以用作耦合电路16的电容器28)、形成到扁平线圈中的铜线或绕线组件。 [0075] 装置10的励磁电路14和耦合电路16被设计为在250KHz至350KHz的频率范围内工作。耦合线圈22的电感L的范围从0.4微亨至0.7微亨。配套的电容器28的大小的范围为从500nF到1400nF。印刷电路板26的印制线的宽度为0.3mm，具有0.2mm的间距和70μm的厚度(对于2oz的铜)。印刷电路板由标准FR4PCB材料制成。 [0076] 通过移动励磁线圈20和耦合线圈22使两者更紧密结合以及通过增加印刷电路板26的直径能够实现在励磁电路14中提高的振荡阻尼。 [0077] 参考附图中的图6，一般由附图标记100表示流体流量计，其包括用于确定可旋转构件的旋转位置的装置10的耦合电路16和可旋转构件12的示例。流体流量计100的耦合电路116和可旋转构件112的特征与装置10的耦合电路16和可旋转构件12的那些特征相同，并且由相应的附图标记来表示。流体流量计100的耦合电路116和可旋转构件112处于它们相对于彼此的布置与在装置10中的它们相对于彼此的布置相同的布置中。 [0078] 可旋转构件112包括指针。该指针充当流体流量计的机械读数的刻度盘上的指针。 [0079] 参考附图中的图7至图9b，一般由附图标记200表示流体流量计外围设备。流体流量计外围设备200包括用于确定可旋转构件的旋转位置的装置10的励磁电路20和微控制器19的示例。流体流量计外围设备200的励磁电路214和微控制器的特征与装置10中的那些相同并且通过相应的附图标记表示。 [0080] 流体流量计包括以保持结构150和保持针孔152形式的附接器件。流体流量计外围设备包括以保持结构250和保持针孔252形式的附接器件，该保持结构250对应于流体流量计的保持结构。 [0081] 如图8中所示，当流体流量计外围设备附接至流体流量计时，流体流量计100的可旋转构件112和耦合电路116以及流体流量计外围设备200的励磁电路214和微控制器在装置10中。 [0082] 参考图10至12b，一般由附图标记300表示包括装置10的示例的流体流量计。由对应于装置10中的附图标记的附图标记来表示流体流量计300中的装置的特征。与流体流量计100相比，包括励磁线圈320的三个励磁电路以及耦合电路316被包含在流体流量计300中。 [0083] 参考图13至17，一般由附图标记400表示包括装置10的另一个示例的流体流量计。 [0084] 用于确定流体流量计400中的可旋转构件的旋转位置的装置与装置10的不同之处在于其不包括印刷电路板26形式的板元件，其中印刷电路板26的印制线形成耦合线圈20。可旋转构件412包括基本上与可旋转构件的旋转轴共轴的筒状物450。耦合线圈422沿着筒状物的外表面的一部分附着。每个励磁线圈420被固定使得其相对于可旋转构件412的旋转轴被径向设置，在可旋转构件的一次完整旋转期间，励磁线圈的中心与耦合线圈的中心基本上对准一次。流体流量计400中的装置的其他特征与装置10中的那些相同并且由相应附图标记表示。 [0085] 参考图18至20b，一般由附图标记500表示包括装置10的示例的流体流量计。由对应于装置10的附图标记的附图标记来表示流体流量计500中的装置的特征。相比于流体流量计300，可旋转构件512和耦合电路516被设置在流体流量计500的亲水侧(wet side)。 [0086] 可以设想，通过使用本发明的旋转位置感测装置可实现的阻尼效应在装置中的元件相对于彼此的配置中将允许相对较高程度的容差。更具体而言，可以设想，励磁线圈和耦合线圈可以彼此相对远离，从而允许以成本更有效的方式制造包括该装置的设备。 |
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