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专利名称：用磁阻传感器以非接触方式测量位置的装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种用磁阻传感器以非接触方式测量位置的装置及其操作方法。
背景技术：
ABB公司的规格参数表10/18-0. 22-DE公开了 一种电动气动位置调节器，其具有 一个设计为旋转记录器的用于确定执行器位置的位移传感器，该位移传感器可覆盖直至 270°的旋转角。借助一种所谓的安装组件安装位置调节器，使得可以直接检测旋转式执行 器的位置，或者将旋转运动转变为往复运动以间接方式检测线性执行器或往复式执行器的 位置。该公开文献中所使用的术语“位置调节器”表示一种机电系统，其根据一个或多个 输入信号控制气动调节驱动器的辅助能源，以使调节机构进入特定位置。数字式气动位置 调节器需要压力气体作为辅助能源以及电能才能发挥作用。这种数字式气动位置调节器具有至少一个以下将要详细描述的核心部件。根据一 个或多个输入信号，利用气动系统有针对性地对单向作用或双向作用的气动驱动器的腔室 进行充气或排气。借助位置反馈传感装置将调节机构的运动和位置表示为一个或多个信 号。此外还有一个电子控制装置，该电子控制装置具有一个微控制器并且接收一个或多个 输入信号。电子控制装置内的固件将输入信号和位置反馈传感装置的信号处理成输出信 号，这些输出信号作为气动系统的输入信号。该数字式位置调节器的固件实现对所连接的调节驱动器的动态特性进行分析的 功能。在工作中，在初始化过程中经历一次调节机构的调节范围，并记录调节范围的初始值 和终值。调节驱动器可分为旋转驱动器和往复式驱动器。在往复式驱动器的情况下，调节 驱动器所传动的线性运动被直接传递给线性驱动的调节机构。相反，在旋转驱动器的情况 下，则利用适当的装置将调节驱动器输出的线性运动转变为旋转运动。已知可使用具有滑动触头的电位器作为传感器来测定位置。但是这种电位器的缺 点在于没有充分的耐振动/耐摇晃性能，且滑动触头在经过一定的运动次数之后会磨损。 化学影响因素也会对滑动触头式电位器的使用寿命造成不利影响。这种缺点会造成行程测 量故障，因此而造成设备功能故障。此外这些具有滑动触头的电位器只有不超过大约270° 的测量范围，并且有无法忽略的滞后。因此人们力图用技术手段提高传感器的可靠性。为此可采用所谓的磁阻传感器， 以下简称为MR传感器。这种MR传感器的适当实施方式是磁敏电阻。磁敏电阻在磁场作用 下改变电阻。现有技术是根据电位器样式设计的一种预装配组件，内部由一个连通的磁敏 电阻结构构成，在其上方垂直设置有一个与磁敏电阻无接触的永磁体。将磁敏电阻通电，就会对外形成电连接，用于分析电路之中。对应于磁敏电阻电位 器的轴可以旋转安装，由此可以记录旋转运动。该轴经由轴承进入磁敏电阻电位器内部。永 磁体在这里以机械方式与轴固定相连。通过该轴使得永磁体能够根据从外部检测到的旋转运动以无接触方式在磁敏电阻组件上方旋转，从而改变磁敏电阻结构的电阻。但是这种磁敏电阻结构的传输函数在360°旋转角范围内具有类似于正弦函数的 特性。特征曲线的全部范围不适合用来测量某一位置。可以通过测量技术(尤其是利用模 数转换器)检测和分析的顶点斜率太小或者根本没有斜率，无法进行位置测量。因此可供 这种传感器使用的两个范围分别约为120° ..140°。与常规的滑动触头式继电器不同，这 些测量范围具有0° ..180°上升斜率、180° ..360°下降斜率，具有严格单调上升的电阻 变化(当旋转时)，并且具有滑动触头离开电阻条的未定义区域。在经过未定义区域之后， 滑动触头式电位器的滑动触头将在其起始位置处重新搭在电阻条上。在已知的位置调节器中，可利用滑动触头式电位器的这个特性来确定作用方式。 在典型的往复式驱动器的情况下，由于要向左旋转到达位置传感器上的零位置，因此利用 两个位置点来描述工作范围，其中将电阻值较小的工作点定义为工作范围的0%，将电阻值 较高的工作点定义为100%。因此可以认为驱动器在左转时朝向其0%的位置运动，而在右 转时则朝向100%的位置运动。之所以能够如此，是因为位置传感器具有严格单调上升特 性，电阻值能唯一地表征一个位置。在磁敏电阻电位器的情况下，只有当能够肯定使用0° ..180°区间或者使用 180° ..360°区间作为传感器范围时，才会在运动方向和驱动器的作用方向之间有这种固 定的对应关系。但从实际应用情况来看，并不能保证这种约束。尤其是在可用传感范围不足大约+/-70。(140° )的应用情况下，借助一个传动 比(例如传动比2 1)以机械方式扩展测量范围。由于位移传感器轴没有机械约束，且必 须将其转动两次(即720° )才能使得传感器旋转一周(360° )，因此会出现测量范围终值 (例如0°位置点)一会儿处在传感器的第一测量范围(0° ..180° )、一会儿又处在第二 测量范围(180° ..360° )的现象。因此同一个测量点上的斜率一会儿上升、一会儿下降， 在运动方向和驱动器的作用方向之间无法确定对应关系。

发明内容
因此本发明的目的在于给出一种用MR传感器以非接触方式测量位置的装置及其 操作方法，其能够使得位移传感器轴的运动方向唯一对应于驱动器的作用方向。按照本发明所述，采用具有权利要求1所述特征的装置来实现这一目的。除此之 外，还采用具有权利要求11所述特征的方法来实现这一目的。在从属权利要求中分别给出 了本发明的有益实施例。本发明由已知的借助安装组件与位置调节器相连的调节驱动器出发，其中位置调 节器具有电子控制装置，该电子控制装置借助微控制器接收一个或多个输入信号并输出用 于控制调节驱动器的调节信号。位置反馈传感装置装配有以形状吻合的方式与调节驱动器 的位置传感器相连的旋转式磁阻式测量系统。该测量系统具有与位移成正比的传输特征曲 线，该特征曲线具有多个适用于位置测量且其相应特征曲线片段不仅具有正斜率、而且也 具有负斜率的范围。按照本发明所述，设置了至少一个与电子控制装置相连、用来检测磁阻式测量系 统的特征曲线范围的范围传感器，所述磁阻式测量系统被设计成在其中进行位置测量的磁 敏电阻电位器。其中每一个范围传感器恰好对应于测量系统的一个特征曲线范围。激活一个范围传感器表明在测量系统的哪一个特征曲线范围内进行位置测量。因此能够知道所涉 及的是相对于调节驱动器运动方向上升还是下降的特征曲线片段。这样就将位移传感轴的 运动方向唯一对应于驱动器的作用方向。根据本发明的另一特征，所述范围传感器被设计为以非接触方式工作的开关。具 有优点的是，这种开关的可用性比较高，因为避免了脏污、磨损和腐蚀引起的功能故障。根据本发明的另一特征，可以磁性方式激活所述范围传感器。尤其是可通过磁阻 式测量系统的磁铁激活所述范围传感器。具有优点的是，这样就可不必使用特殊的激活手 段，从而使得用于范围检测的材料开销保持在很小。根据本发明的另一特征，可通过一个独立的磁铁激活以非接触方式工作的范围传 感器，所述磁铁可以与调节装置的位移传感器同步运动。具有优点的是，所述范围传感器被 集成在已有的电子组件上，从而不必使用额外的电路板、电连接和/或机械固定装置。根据本发明的另一特征，所述范围传感器及其操作单元被集成在所述磁阻式测量 系统中。具有优点的是，这样形成了紧凑的结构单元，其将测量系统的所有元件整合在一 起。根据本发明的另一特征，所述范围传感器被设置在一个独立的电路板上，该电路 板遮盖激活磁铁，从而能够可靠检测测量范围。具有优点的是，电路板及其电连接和机械固 定装置被设置为使得能够将标准以外的附加零件分配给该组件，从而能够根据某一选项确 定所产生的附加费用。根据本发明的另一特征，可以用机械方式激活以非接触方式工作的范围传感器。 具有优点的是，充分利用位置反馈传感装置的机械传动元件的运动，从而能够以很小的开 销可靠检测相应的测量范围。根据本发明的另一特征，可以用光学方式激活以非接触方式工作的范围传感器。根据本发明的另一特征，可以用电容方式激活以非接触方式工作的范围传感器。在这种测量系统中，位置测量系统的特征曲线斜率的符号对应于每一个范围传感 器的激活状态，根据该符号判断调节驱动器的作用方向。这样就能知道所涉及的是相对于 调节驱动器运动方向上升还是下降的特征曲线片段，并且使位移传感轴的运动方向唯一对 应于驱动器的作用方向。根据本发明的另一特征，在初始化过程中向每一个范围传感器馈电，并且在调节 驱动器的初始化结束之后将其断电。具有优点的是，这样使得调节驱动器在其符合规定的 使用期间的能量需求不会由于范围传感器而增加。根据本发明的另一特征，在初始化过程中激活唯一的范围传感器，从而识别出第 一测量范围；在初始化过程中不激活唯一的范围传感器，从而识别出第二测量范围。当在所 有测量范围或者没有在测量范围内激活该唯一的范围传感器时，则存在故障。根据本发明的另一特征，当测量系统发生故障时生成一个诊断通知。根据本发明的另一特征，范围传感器的作用范围小于测量系统的测量范围，分别 在测量范围终值之前终止，并且在初始化过程中分别有至少一次完全经过范围传感器的作 用范围，以观察范围传感器的开关状态。


以下将根据一个实施例对本发明进行详细描述。相关附图如下图1带有位置调节器的调节驱动器的原理示意2以非接触方式对调节驱动器的位置进行测量的装置的透视示意图
具体实施例方式如图1所示，在图中没有进一步示出的工艺设备的以一部分来表示的管道1中装 入了一个处理阀2作为调节驱动器。处理阀2在其内部具有一个与阀座3相互作用、用于 控制流经的处理介质5的量的闭合件4。闭合件4由一个设计为往复式驱动器的气动调节 驱动器6通过往复杆7线性驱动。调节驱动器6通过轭8与处理阀2相连。数字式位置调 节器9安装在轭8上。通过位置记录器10将往复杆7的往复运动报告给位置调节器9。在 电子控制装置18中将检测到的往复运动与通过通信接口 11所传送的额定值进行比较，并 根据所确定的调节偏差控制调节驱动器6。位置调节器9的电子控制装置18具有一个I/P 变换器，用于将调节偏差电信号变换成等同的控制压力。位置调节器9的I/P变换器通过 压力介质导管19与调节驱动器6相连。位置记录器10在位置调节器9中与磁阻传感器、尤其是磁敏电阻电位器的旋转轴 相连，并且具有一个圆孔，往复杆7上的配合件伸入到该圆孔之中。图2示出了一种优选的实施方式，使用一个霍尔传感器21作为以非接触方式工作 的开关，固定设置在图中未示出的电路板上。霍尔传感器21的激活元件是大致呈半圆形的 永磁体20，该永磁体与处理阀2的往复杆7上的位移传感器同步运动。尤其是该永磁20可 旋转地安装在齿轮22上。其中齿轮22每转动半圈，对应于一个测量范围。在第一测量范 围之内，永磁体20处于霍尔传感器21的检测范围内。第二测量范围完全处在霍尔传感器 21的检测范围之外。所述电路板靠近霍尔传感器21背离永磁体20的一侧，并且平行于永磁体20的平在这种实施方式中，处理阀2的位移传感器借助由第一齿轮23和第二齿轮22构 成的传动比为21的变速装置耦合到设计为磁敏电阻电位器的非接触式位移传感器上。 永磁体20安装在较大的第二个齿轮22的一半处。永磁体20掠过的角度小于180°。这样 避免了永磁体20由于误调和公差而遮盖测量范围从而意外激活第二位移测量范围。在本发明的特殊实施方式中，仅在初始化过程中、尤其是在自补偿时或者在确定 测量范围上限和下限的过程中为霍尔传感器21供电。此时将检查是否将霍尔传感器21至 少激活了一次，并且测量值是否在任何时刻均处在有效测量范围之内。如果已激活霍尔传 感器21，则认为磁敏电阻电位器的传输特征曲线具有正的斜率；如果没有激活霍尔传感器 21，则认为是负的斜率。根据所确定的特征曲线斜率推断出调节驱动器6的具体的固定作 用方向。附图标记列表1 管道2处理阀3 阀座4闭合件
5处理介质
6调节驱动器
7阀杆
8轭
9位置调节器
10位置记录器
11通信接口
18电子控制装置
19压力介质导管
20永磁体
21霍尔传感器
22，23齿轮
权利要求
用于在位置调节器(9)中用磁阻式测量系统在位移传感器处以非接触方式时调节装置(7，1)的位置进行测量的装置，所述磁阻式测量系统的与位移成正比的传输特征曲线具有多个适用于位置测量且其相应特征曲线片段不仅具有正斜率、而且也具有负斜率的范围，所述位置调节器具有电子控制装置(18)，该电子控制装置借助微控制器接收一个或多个输入信号并输出用于控制调节驱动器(6)的调节信号，其特征在于，设置有至少一个与电子控制装置(18)相连、用来检测磁阻式测量系统的特征曲线范围的范围传感器(21)，所述磁阻式测量系统被设计为在其中进行测量位置的磁敏电阻电位器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述范围传感器(21)被设计为以非接触 方式工作的开关。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，能够用磁场激活以非接触方式工作的范 围传感器(21)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，能够通过磁阻式测量系统的磁铁激活以 非接触方式工作的范围传感器(21)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，能够通过独立的磁铁(20)激活以非接触 方式工作的范围传感器(21)，所述磁铁能够与调节装置的位移传感器同步运动。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述范围传感器(21)及其操 作单元(20)被集成在所述磁阻式测量系统中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述范围传感器是磁性开关 (21)，并且设置在独立的电路板上，所述电路板遮盖激活磁铁(20)，以便可靠地检测测量范 围。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，能够用机械方式激活所述范围传感器 (21)。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，能够用光学方式激活以非接触方式工作 的范围传感器(21)。
10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，能够用电容方式激活以非接触方式工作 的范围传感器(21)。
11.用于操作上述权利要求中任一项所述装置的方法，其特征在于，使进行位置测量的 测量系统的特征曲线斜率的符号对应于每一个范围传感器(21)的激活状态，根据该符号 判断调节驱动器(6)的作用方向。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在初始化过程中向每一个范围传感器 (21)馈电，并且在调节驱动器(6)的初始化结束后将其断电。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在初始化过程中激活范围传 感器(21)，从而识别出第一测量范围；在初始化过程中不激活范围传感器(21)，从而识别 出第二测量范围。
14.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，其中对于每一个特征曲线范围均有一 个范围传感器，其特征在于，在初始化过程中恰好激活一个范围传感器(21)时识别出该测量范围。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在一个范围传感器(21)被激活时识别 出测量系统功能正常，在没有范围传感器(21)被激活或者多个范围传感器均没有被激活时识别出测量系统存在故障。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当测量系统存在故障时生成诊断通知。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，范围传感器(21)的作用 范围小于测量系统的测量范围，分别在测量范围终值之前终止，并且在初始化过程中至少 有一次完全经过范围传感器的作用范围，以观察范围传感器(21)的开关状态。
全文摘要
本发明涉及一种用磁阻传感器以非接触方式对位置进行测量的装置，所述磁阻传感器的与位移成正比的传输特征曲线具有多个适用于位置测量且其相应特征曲线片段不仅具有正斜率、而且也具有负斜率的范围，所述位置调节器具有电子控制装置(18)，该电子控制装置利用微控制器接收一个或多个输入信号并输出用于控制调节驱动器(6)的调节信号；本发明还涉及操作这种装置的方法。为了使位移传感轴的运动方向唯一对应于驱动器的作用方向，建议用至少一个范围传感器来检测设计为磁敏电阻电位器的磁阻式位置测量系统的进行位置测量的特征曲线范围，所述范围传感器与电子控制装置相连。位置测量系统的特征曲线斜率的符号对应于每一个范围传感器的激活状态，据此推断出调节驱动器(6)的作用方向。
文档编号G01B7/02GK101846489SQ201010139730
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月23日
发明者H·克雷瑟, S·泰布兰德尔 申请人:Abb技术股份公司