專利名稱：利用線圈電感變化的測位裝置、浮標型流量計及測位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用線圈電感的變化來測量位置的測位裝置，它適合作為微流量計，可以在例如10到100[ml/min.]的流率范圍內(nèi)測量流率，或者作為長度測量單元用來測量活塞桿在移進或移出套管時活塞桿的長度，本發(fā)明還涉及浮標型流量計，以及位置測量的方法。
背景技術：
市場需求一種浮標型流量計，它可以以電的方式而不是通過視覺來探測流體中浮標的位置。這種浮標型流量計需要應用在當流體顏色很深以致浮標的位置不能夠在視覺上發(fā)現(xiàn)，或者當需要使用所探測的浮標位置來自動控制流體速度的情況下。
一種常規(guī)的電探測流體中浮標的位置的浮標型流量計在例如日本已公開的專利文本No.10-38644中描述。
所公開的浮標型流量計包含一個浮標，它的位置根據(jù)圓筒管中流過的流體的速率而變化。圓筒管用金屬制成，浮標用可以磁性滲透的材料制成。初級線圈及次級線圈纏繞在圓筒管上，浮標作為磁芯使用，組成了按比例變化的差接變壓器用于以電的方式直接檢測浮標的位置。
但是，已公開的浮標型流量計只有在浮標的長度大于線圈的全長時才能夠測量預期的流率。而且成比例變化的差接變壓器的結構復雜。
具有線性連續(xù)的微小磁鐵(minute magnets)，即所謂的磁屑(Magnescale)的桿可以作為長度測量單元使用，用來測量活塞桿在移進或移出套管時活塞桿的長度。但是，使用這種長度測量單元是昂貴的，并且電路結構會變得復雜。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的目標就是提供一種結構簡單，成本低廉，并且可以生成電輸出信號的測位裝置、浮標型流量計、以及位置測量的方法。
本發(fā)明涉及的測位裝置，浮標型流量計、以及位置測量的方法使用由交流電流激勵的線圈，并且包含這樣纏繞的導體，使得生成的磁通量密度沿著線圈的軸線方向逐漸變化(減少或者增加)。沿著線圈軸方向相對移動的、包含磁性材料的移動元件(moving element)的位置可以根據(jù)由于移動元件相對于線圈的移動而在線圈電感上產(chǎn)生的變化來測量。
特別地，本發(fā)明所涉及的測位裝置包括線圈、移動元件、電感變化探測器、以及位置計算器。線圈具有這樣纏繞的導體，使得生成的磁通量密度將沿著線圈軸向方向逐漸變化。移動元件由磁性材料制成，它可以平行于線圈軸移動。電感變化探測器檢測到由移動元件的移動引起的線圈的電感值的變化，該線圈由加到線圈上的交流電流激勵。然后位置計算器根據(jù)探測到的線圈電感值的變化來確定移動元件在軸線方向上的位置。
通過以上設置，生成沿著線圈軸線方向逐漸變化的磁通量密度的、具有由導體纏繞的線圈由交流電流激勵，并且由磁性材料制成的移動元件平行于經(jīng)過激勵的線圈的軸線方向移動。這時，當移動元件向磁通量密度較大的線圈區(qū)域移動時，電感經(jīng)歷了的變化要比向磁通量密度較小的線圈區(qū)域移動時電感經(jīng)歷了的變化要大。根據(jù)以上原理，可以確定移動元件在軸線方向的位置。
因此，移動元件的長度要比線圈總的長度要小。這個線圈要比差接線圈結構簡單。另外，移動元件的位置可以作為電輸出信號來確定。
電感變化探測器可以包含LC振蕩電路，用于將電感值的變化轉換成振蕩頻率的變化。
電感變化探測器可以包含交流電流源，用來供給線圈恒定頻率的恒定交流電流，還包含電壓表，用來在線圈以恒定交流電流源供電的時候，測量線圈之間產(chǎn)生的與其電感相關的電壓值，由此可以通過電壓表將電感值的變化轉換為電壓的變化?；蛘?，電感變化探測器可以包含交流電壓源，用來供給線圈恒定頻率的恒定交流電壓，還包含電流表，用來在線圈以恒定交流電壓源供電的時候，測量線圈之間產(chǎn)生的與其電感相關的電流值，由此可以通過電流表將電感值的變化轉換為電流的變化。
線圈可以在垂直于軸線方向上具有恒定橫截面形狀，其間隔逐漸變化。
線圈可以纏繞在外表面上具有引導槽的桿或者空心桿上，這些引導槽將引導線圈的走線。
或者，線圈可以包含恒定橫截面形狀，它的大小在垂直于軸線的方向上逐漸變化，其間隔恒定。這樣，纏繞的線圈彼此之間將更加緊密。
另外，當線圈包含恒定橫截面形狀，但是它們的大小在垂直于軸線的方向上逐漸減小時，其間隔也將逐漸減小。而當線圈包含恒定橫截面形狀，但是它的大小在垂直于軸線的方向上逐漸增大時，其間隔也將逐漸增大。通過以上設置，由線圈產(chǎn)生的磁通量密度可以在軸線方向上突然變化，產(chǎn)生的結果就是線圈電感的突然變化。
線圈可以包含多個線圈串聯(lián)連接的串聯(lián)線圈，它們包含分別纏繞的導體，這樣生成的磁通量密度可以沿著軸線方向逐漸變化。
由于本發(fā)明所述的線圈包含多個串聯(lián)連接的線圈，所以移動元件可以在比單個線圈更大的范圍內(nèi)移動。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明還提供了浮標型流量計，它可以根據(jù)放置在管道中可以移動的浮標的位置來測量在具有垂直軸的管道中向上流動的流體的速率，浮標型流量計包含用導體纏繞在管道上的線圈，由此生成的磁通量密度沿著軸線方向逐漸變化，管道是由不導電的材料制成的，浮標內(nèi)部包含磁性材料，電感變化探測器用來探測由浮標的移動引起的、由交流電流激勵的線圈的電感值的變化，以及位置計算器用來根據(jù)探測到的線圈電感值變化確定浮標在軸線方向上的位置。
由于浮標的移動取決于流體在管道中流動的速率，并且線圈的電感值隨著浮標的移動發(fā)生變化，所以浮標的位置可以被以電的方式檢測到。由于浮標的不同位置可以和流體的不同速率一一對應，所以檢測到的浮標的位置可以立即轉換成相應的流體的速率。浮標的長度可以小于整個線圈的長度。本發(fā)明所涉及的浮標型流量計由于不需要使用成比例變化的差接變壓器，所以結構上相對簡單。
本發(fā)明所涉及的移動位置測量裝置包括具有導體纏繞的線圈桿，由此生成的磁通量密度可以沿著線圈的軸線方向逐漸變化，由磁性材料制成的空心軸在桿的上方進行伸縮運動，還包括電感變化探測器，用來探測由空心軸移動引起的線圈電感值的變化，以及位置計算器，用來根據(jù)探測到的線圈電感值變化確定空心軸在軸向方向的位置。
這樣構成的移動位置測量裝置可以通過簡單的設置確定空心軸在軸向方向上的位置，而不需要磁屑。
移動位置測量裝置進一步包含多個安裝在桿的一端上的齒，該桿設置在空心軸內(nèi)部，且這些齒沿著和空心軸的內(nèi)壁表面的相反方向滑動，用來在當空心軸在桿上進行伸縮運動時保持桿和空心軸的軸線對齊。這樣，桿就可以容易固定在空心軸的里面了。
桿可以包含至少嵌入其中心軸區(qū)域內(nèi)的磁性材料，這樣在空心軸移動的時候電感值變化較大。
本發(fā)明所涉及的位置測量的方法包含如下步驟用交流電流給具有導體纏繞的線圈激勵，由此生成的磁通量密度可以沿著線圈軸線方向逐漸變化；移動具有磁性材料的移動元件，使之平行于線圈軸線方向移動；檢測由移動元件的移動引起的線圈的電感值的變化；最后根據(jù)檢測到的線圈上電感值的變化確定移動元件的位置。
以上方法可以由測位裝置、浮標型流量計、長度測量單元或類似裝置來實現(xiàn)。
線圈可以纏繞在外表面上有引導槽的桿或者空心桿上，這些引導槽可以引導線圈的導體沿著引導槽繞線。這樣線圈可以容易生產(chǎn)。
以上及本發(fā)明的其他目標、特征及其優(yōu)點在下面結合圖示的描述中將變得更加明顯，這些圖示以示例的方式顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。


圖1是本發(fā)明的一個實施例中測位裝置的透視圖，其中部分是框圖的形式，該裝置用于測量線圈的電壓以確定線圈電感值的變化；圖2顯示了測位裝置的線圈的間隔；圖3是測位裝置可能使用的另一種線圈的透視圖；圖4是顯示電壓如何根據(jù)移動元件在軸線上位置變化(和電感值如何變化相關)而變化的圖示；圖5是測位裝置可能使用的另一種線圈的透視圖；圖6是本發(fā)明另一個實施例中測位裝置的透視圖，其中部分是框圖的形式，該裝置用于測量線圈的頻率以確定線圈電感值的變化；圖7是顯示頻率如何根據(jù)移動元件在軸線上位置變化(和電感值如何變化相關)而變化的圖示；圖8是本發(fā)明所述的位置測量方法的操作順序的示例流程圖；圖9是本發(fā)明的另一個實施例中橋型測位裝置的透視圖，其中部分是框圖的形式，該裝置用于測量線圈的電壓以確定線圈電感值的變化；圖10是顯示如圖9中所示的橋型測位裝置的電壓如何根據(jù)移動元件在軸線上位置變化(和電感值如何變化相關)而變化的圖示；圖11是本發(fā)明的另一個實施例中浮標型測位裝置的正視圖，其中部分是框圖的形式；圖12是浮標型流量計中浮標的截面圖；圖13是本發(fā)明的另一個實施例中移動測位裝置的截面圖，用來檢測活塞桿的位置；圖14顯示了如圖13所示的移動測位裝置中安裝在桿中的活塞桿的截面圖，該桿上有線圈纏繞；圖15是本發(fā)明的另一個實施例中移動測位裝置的截面圖，它包含另一個有線圈纏繞在其上的桿；圖16是圖15沿著直線XVI-XVI的截面圖；及圖17是本發(fā)明的另一個實施例中移動測位裝置的截面圖，它包含另一個有線圈纏繞在其上的桿，該桿包含磁性材料的芯棒。
具體實施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測位裝置10的原理的示意圖。
測位裝置10具有圓柱體線圈16，它是由導體12纏繞在作為線軸的空心桿14上構成的。纏繞線圈16的導體12由直流電供電，也就是當導體12由直流電激勵或者由交流電激勵的時候，所生成的磁通量密度沿著線圈16的軸線方向A逐漸變化。
線圈16具有終端22，24，分別位于導體12上相對的端點上。線圈16垂直于軸線方向A的截面圖形狀是具有恒定面積的圓環(huán)形。導體12按照從導體12一端的位置x1到另一端的位置x2逐漸減小的間隔被纏繞。線圈16并不僅限于圖1所示的圓環(huán)形橫截面形狀，而可以具有任何適合的形狀，如三角形，方形，或者是橢圓形的橫截面形狀。
為了使導體12的間隔逐漸減小并且精確，用諸如氟樹脂或者類似的合成樹脂制成的空心桿14在其外表面上具有充分螺旋狀的引導槽(圖中沒有顯示)，用來引導導體12的繞線。本實施例中的導體12是絕緣的電線，例如直徑為0.2[mm]的漆包銅線。此外，在本實施例中空心桿的外直徑范圍是8-10[mm]。
正如用示意圖在圖2中著重顯示的，線圈16的第一匝繞在接近于終端24的端點位置x2處，并且間隔以每匝2/100[mm]逐漸增大，逐漸從端點位置x2處繞到端點位置x1處(見圖1)。在圖2中，導體12的直徑為d。線圈16上的線圈匝在圖2中按照等差級數(shù)纏繞，它們也可以按照指數(shù)規(guī)律纏繞。
如圖3所示，纏繞在圖1所示的空心桿14上的圓柱體線圈16可以替換成圓錐體線圈30，此時導體12纏繞在空心的圓錐體線軸17上，這樣由導體12生成的磁通量密度沿著空心的圓錐體線軸17的軸線方向A逐漸變化。
線圈30按照恒定的間隔纏繞。線圈30垂直于軸線方向A的截面圖形狀是相似的圓環(huán)形，其大小沿著軸線方向A逐漸變化。在圖3中，圓環(huán)形的線圈30的截面形狀從端點位置x2到端點位置x1逐漸增大。線圈30并不僅限于圓環(huán)形橫截面形狀，而可以是任何所希望的橫截面形狀。如果線圈30按照一定的間隔纏繞，那么圓錐體線軸17在其外表面上應具有引導槽，來引導線圈30的繞線。但是，線圈30匝上的線圈可以緊挨著纏繞在圓錐體線軸17上，而并不需要引導槽，使線圈30的成本降低。通過線圈30上的緊挨著纏繞的線圈匝，根據(jù)線圈30橫截面形狀的大小，使得由線圈30生成的磁通量密度沿著軸線方向A逐漸變化。由于線圈30上緊挨著纏繞的線圈可以有效地增加由線圈30生成的磁通量密度，測位裝置10其他部件所要求的性能就不需要有很高的效率。
線圈16和30的導體12最好是導電涂層的形式，而不是電線的形式，這樣就允許空心桿14及圓錐體線軸17可以是玻璃或者陶瓷的。
如圖1所示，測位裝置10基本上包含了線圈16，由磁性材料構成的移動元件20，它設置在線圈16內(nèi)并且可以平行于線圈16的軸線A移動，還包括連接到線圈16終端的22，24的電感變化探測器18，用來探測由移動元件20沿著軸線A移動引起的線圈16的電感值變化，及電壓-位置轉換器26，它作為位置計算器連接到電感變化探測器18，用來確定移動元件20在軸線A上的位置。
本實施例中的移動元件20是完全的圓柱體形狀，并且由鐵氧體制成，它是高度磁性滲透的物質(zhì)。移動元件20在軸線A上的長度比線圈16的整個長度要小得多，例如為線圈16的整個長度的五分之一。移動元件20最好位于線圈16的外面，而不是在它內(nèi)部。
電感變化探測器18包含恒定的交流電流源28，用來通過終端22，24給線圈16提供恒定頻率的交流電流，及電壓表32，用來測量在線圈16由所提供的恒定交流電流激勵時，在線圈16之間產(chǎn)生的與線圈16電感相關的電壓Va。電壓Va由線圈16的阻抗和流過線圈16的電流相乘得到。
電壓-位置轉換器26由例如微型計算機組成。特別地，微型計算機具有CPU(中央處理器)，它有控制、計算、以及判斷功能，還具有ROM(只讀存儲器)來存儲程序等等，還有EEPROM(電可擦除只讀存儲器)來存儲電可擦除的數(shù)據(jù)，還有RAM(隨機存儲器)，用于A/D轉換器和D/A轉換器的輸入/輸出接口，時鐘，計數(shù)器，計時器等等。
當鐵氧體制成的移動元件20從線圈16上線圈密度較低的端點位置x1向線圈16上繞線密度較高的端點位置x2移動時，由線圈16產(chǎn)生的磁通量的集中程度(例如，磁通量密度)將會增加。因此線圈16的電感值在間隔減小時將增加。因此，線圈16上產(chǎn)生的與其上的電感值相關的電壓Va將會與電感值的變化成比例地增加。
在圖4中，實曲線表示了由線圈16的電感值產(chǎn)生的電壓Va的電壓變化特征36，它從電壓V1變化到電壓V2。在圖3中圓錐形線圈30上產(chǎn)生的電壓也按照電壓變化特征36上的實曲線變化。
正如可以從實曲線上看到的，當移動元件20從端點位置x1向端點位置x2沿著軸線方向移動一段距離x[m]的時候，電壓Va[V]的變化率(電壓除以移動元件20的單位移動距離)增大。
存儲器，如電壓-位置轉換器26的EEPROM，將電壓變化特征36存儲為一個表或者一個計算公式。電壓-位置轉換器26的CPU參考電壓變化特征36的表或者使用電壓變化特征36的計算公式來根據(jù)從電壓表32輸入的電壓Va確定移動元件20的位置x。
電壓Va的電壓變化特征36可能會因為時間發(fā)生變化。因此，過了特定的一段時間，就應該學習(測量)電壓Va的電壓變化特征36，且存儲器的內(nèi)容，如電壓-位置轉換器26的EEPROM的內(nèi)容應該更新為所學習的電壓變化特征36。通過這種方法，測量到的移動元件20的位置x就可以有很高的精度。
所測量的移動元件20的位置將在如液晶顯示屏或者其他類似的顯示單元40中通過電壓-位置轉換器26顯示，并且作為模擬或者數(shù)字信號輸出到輸出終端42。
通過如上所述的圖1的測位裝置10，移動元件20的長度小于線圈16的整個長度。由于測位裝置10不使用成比例變化的差接變壓器，它的配置相對簡單。產(chǎn)生的結果就是，測位裝置10成本低，并且可以生成高精度的輸出信號。
圖1中的電感變化探測器18具有恒定交流電流源28，用來使用恒定的交流電流來激勵線圈16。然而，電感變化探測器18也可以通過恒定的交流電壓來激勵線圈16。特殊地，如圖1中括號內(nèi)所示，恒定交流電流源28可以替換為恒定交流電壓源，來為線圈16提供恒定的交流電壓，將電壓表32替換為電流表，用于在為線圈16提供恒定的交流電壓激勵的時候，根據(jù)其上的電感值測量流過線圈16的電流值Ia，將電壓-位置轉換器26替換為電流-位置轉換器，以將線圈16電感值的變化轉換成電流Ia的變化。
圖5顯示了另一種線圈46，它的使用使電壓變化特性36更加陡峭。線圈46是圓錐形，具有連續(xù)的線圈匝，從端點位置x1到端點位置x2隨著線圈46的垂直于軸線A方向的圓環(huán)形橫截面大小逐漸變小，線圈的間隔也逐漸變小。反過來說，隨著線圈46的圓匝形橫截面形狀逐漸變大，線圈的間隔也逐漸變大。
當移動元件20從端點位置x1向端點位置x2移動時，由線圈46產(chǎn)生的磁通量的集中程度(例如，磁通量密度)將會急劇增加。因此，線圈46的電感值在間隔減小時將急劇增加。圖4中，點劃曲線展示了電壓變化特征48，它顯示了在線圈48上產(chǎn)生的電壓Va，它從電壓V1變化到電壓V3。使用線圈46，移動元件20在軸線方向A上的位置就可以更精確地檢測到。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的測位裝置52的設置原則。
如圖6所示，測位裝置52可包含圖3所示的線圈30。但是，測位裝置52也可以包含圖1所示的線圈16或者圖5所示的線圈46。
測位裝置52包含電感變化探測器54，它包含連接到線圈30兩端的電容器60，由線圈30的電感和電容器60的電容構成的LC電路，包含連接到LC電路上的LC振蕩電路56，及連接到LC振蕩電路56的輸出終端的頻率計數(shù)器58。
頻率計數(shù)器58具有連接到頻率-位置轉換器62的輸出終端，它由微型計算機組成。頻率-位置轉換器62連接到顯示單元40和輸出終端42。
測位裝置52按照下列方式工作。當移動元件20在軸線方向A上移動時，線圈30的電感值發(fā)生變化，引起LC振蕩電路56的振蕩信號的頻率fa發(fā)生變化。頻率fa由線圈30的電感和電容器60的電容確定。這時，線圈30由交流電流激勵。
來自LC振蕩電路56的振蕩信號頻率fa由頻率計數(shù)器58來檢測，并作為振蕩頻率fa提供給頻率-位置轉換器62。
頻率-位置轉換器62參考圖7所示的存儲在其自身的存儲器的頻率變化特征66表。頻率變化特征66展示了根據(jù)線圈30的電感變化的振蕩頻率fa與位置x(從x1到x2的一個位置)的關系，且頻率-位置轉換器62從頻率變化特性66表中確定移動元件20當前的位置x。所確定的當前的位置x在顯示單元40中顯示，或者提供給輸出終端42。
由圖1和圖6所示的測位裝置10，52實現(xiàn)的位置測量方法如下。如圖8所示，線圈16、30或46包含導體12，它被這樣纏繞，使得由導體12生成的磁通量密度沿著軸線方向A逐漸變化，在步驟S1中已準備好。
然后，在步驟S2中，磁性材料的移動元件20平行于線圈16、30或46的軸線方向A移動，如果需要，就停止移動。
移動元件20的移動引起了線圈16、30或46電感值的變化，這一變化在步驟S3中被檢測到。根據(jù)電感值的變化，移動元件20在軸線方向上的位置在步驟S4中被計算出來。
上面所述的位置測量的方法可以使用簡單的配置完成位置x的測量。
圖9顯示了本發(fā)明的另一個實施例所述的橋型測位裝置72的設置原則。
如圖9所示，橋型測位裝置72包含線圈76，該線圈包含兩個圖1所示的線圈16。這兩個線圈16的端點處的線圈匝緊緊纏繞著，它們串聯(lián)連接。橋型測位裝置72也可以包含2個如圖3或者圖5所示的線圈30或者線圈46，它們以同樣的方式串聯(lián)連接。
橋型測位裝置72電感變化探測器84。這個電感變化探測器84包含串聯(lián)連接在一起并且具有相同阻值的一對電阻78、80，還包含恒定的交流電壓源82，用來提供具有恒定頻率的交流電壓，以及電壓表32。
串聯(lián)的電阻78，80并聯(lián)連接到對面的線圈76的終端22，23上，并且恒定的交流電壓源82連接到終端22，23之間。這樣線圈16和電阻78，80連接成橋。在電阻78，80之間連接處的中點和線圈16連接到位置x2的終端24，或者線圈76中點的電壓Vb送入電壓表32。
電壓表32具有連接到電壓-位置轉換器85的輸出終端，它連接到顯示單元40和輸出終端42。
橋型測位裝置72操作如下。當移動元件20沿著軸線方向A移動時，線圈76的電感值發(fā)生了變化，引起了線圈76中點的電壓Vb的變化。
電壓表32檢測到電壓Vb并把測量到的電壓Vb送到電壓-位置轉換器85。
電壓-位置轉換器85參考圖10所示的存儲在自身存儲器的頻率變化特征86表。頻率變化特征86展示了根據(jù)線圈76的電感值變化的電壓Vb(從-V4[V]到0[V]到+V4[V])與位置x(從位置x1到位置x2到位置x3的一個位置)的關系，且電壓-位置轉換器85從頻率變化特性86表中確定移動元件20當前的位置x。所確定的當前的位置x在顯示單元40中顯示，或者提供給輸出終端42。
圖9所示的橋型測位裝置72，可以在較長的移動范圍內(nèi)測量移動元件20的位置。
圖11顯示了本發(fā)明的另一個實施例所述的浮標型流量計90。
如圖9所示，浮標型流量計90包含具有垂直軸的管道91及位于管道91之中的活動的浮標92。浮標型流量計90根據(jù)浮標92的位置測量管道91中流體向上流動的速率。
管道91由諸如玻璃、氟樹脂或者類似的非導體材料制成。管道91中空的空間是錐形(圓錐形)的，逐漸向頂端延伸。通過增加中空空間的有效橫截面面積，即使在管道91的長度較短的情況下流體可以被測量的速率仍是很大的。
線圈94包含導體12，這樣纏繞在管道91上，使得當供給線圈94直流電流的時候，由線圈94此生成的磁通量密度沿著軸線方向A變化。
浮標92在功能上等效于圖1所示的移動元件20，如圖12所示，它完全是帶尖端的螺絲釘形狀，具有圓柱形的柄，在柄的兩端分別是圓錐和凸緣(flange)。浮標92包含由如鐵氧體等具有磁性的磁性滲透材料制成的圓柱形(或中空圓柱形)芯96，覆蓋在外面的保護殼(casing)98由諸如氟樹脂或類似的合成樹脂制成。在浮標92中包含這樣的磁性材料來集中磁通量是必須的。事實上，在浮標92的凸緣處提供了槽，這樣允許浮標92可以自由旋轉并防止氣泡的附著。如果浮標92上附著有氣泡，將會導致測量錯誤。
在線圈94的終端22，24之間，連接著包含電感變化探測器18的測位裝置，該電感變化探測器18和圖1所示的電感變化探測器18相同，還包含電壓-位置(流率)轉換器100，顯示單元40，及輸出終端42。
當包含磁性材料的浮標92在軸線方向A上(垂直方向)移動時，它所引起的電感的變化被電感變化探測器18檢測到，電感變化探測器18根據(jù)檢測到的電感的變化產(chǎn)生電壓Va。
電壓-位置(流率)轉換器100參考存儲在其自身的存儲器中的電壓變化特征表(沒有在圖中顯示，但是與圖4所示的電壓變化特征36表相似，在這里電壓Va轉換為流率F)。電壓變化特征86展示了根據(jù)線圈94的電感值變化的電壓Va和流率F與位置x(從位置x1到位置x2的一個位置)的關系，并確定浮標92的位置x，即流率F。所確定的流率F在顯示單元40中顯示，或者提供給輸出終端42。
通過浮標型流量計90，浮標92在軸線方向A上根據(jù)流體在管道91中的速率移動，并且線圈94的電感隨著浮標92的移動變化。因此，浮標92的位置，也就是流率F可以被以電的方式檢測到。由于可以檢測到電感的變化，浮標92的長度可以小于線圈94的整個長度。由于浮標型流量計90不使用成比例變化的差接變壓器，它的配置相對簡單。
浮標型流量計90可以包含圖6中的測位裝置52。
浮標型流量計90適合作為微型流量計使用，它可以測量范圍在10到100[ml/min]的流率。這樣的微型流量計可以應用在半導體制造技術領域中的為晶片提供精確速率的化學溶液或者純凈水的系統(tǒng)中。
圖13和14顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的移動位置測量裝置120的橫截面。
如圖13和14所示，移動位置測量裝置120包含圓柱形的管道114和裝配在圓柱形的管道114相對的兩端的底板116，118，還包含流體的入口/出口端口122，124。除了圓柱形管道126，移動測位裝置120還包括由封閉的支架128支撐的以懸臂方式懸在底板118上的桿130，以及具有空心軸的活塞桿132，它可以沿軸線方向A裝配在桿130之上。
活塞桿132還具有凸緣136及空心軸134，空心軸的一端具有基座，并且用諸如鐵的磁性材料制成。凸緣136的外部圓周邊緣在軸線方向A上以和圓柱形管道114的內(nèi)圓周表面相反的方向滑動?？招妮S134外部圓周表面以和環(huán)狀絕緣層138的內(nèi)圓周表面相反的方向滑動，該環(huán)狀絕緣層138和底板116同軸。
線圈142包含纏繞在桿130上的導體12，使得當供給直流電的時候，由線圈142產(chǎn)生的磁通量密度將沿著軸線方向A發(fā)生變化。
線圈142的終端22，24延伸到底板118之外，并且連接到測位裝置10，該測位裝置包含電感變化探測器18，此電感變化探測器進一步包含如圖1所示的恒定交流電流源28和電壓表32，或者連接到測位裝置52，它包含電感變化探測器54，該電感變化探測器進一步包含圖6所示的LC振蕩電路56。
當磁性材料制成的活塞桿132在軸線方向A上以和圓柱形管道114的內(nèi)圓周表面相反的方向滑動時，或者反過來說，當活塞桿132的空心軸134在桿130上伸縮滑動時，線圈142的電感值發(fā)生變化，并且線圈142電感值的變化被電感變化探測器18，54檢測到。由電感變化探測器18、54輸出的電壓Va或者頻率fa被送到電壓-位置轉換器26或者頻率-位置轉換器62，在那里確定活塞桿132移動到的位置，也就是空心軸134移動到的位置。
這樣，移動測位裝置120也具有長度測量單元的功能，用來測量從底板116伸出的活塞桿132的長度，也就是空心軸134的長度。
移動測位裝置120可以通過簡單的設置確定空心軸134在軸線方向A上移動到的位置，而不需要使用背景技術中所描述的磁屑。
圖15是本發(fā)明的另一個實施例所述的移動測位裝置120的截面圖，且圖16是圖15在直線XVI-XVI上的橫截面視圖。如在圖15和16中所示的，該實施例所述的移動測位裝置120具有包含四個齒154的桿152，這些齒用諸如聚甲醛的光滑的合成樹脂制成，并且這些齒以90度的角度間隔隔開，安裝在空心軸134的遠端。這四個齒154具有徑向向外的端部，以和空心軸134的內(nèi)圓周表面相反的方向滑動。線圈142纏繞著桿152。
當桿152在空心軸134中伸縮移動時，四個齒154以和空心軸134的內(nèi)圓周表面相反的方向滑動，保持桿152的軸線和空心軸134的軸線對齊。這樣懸臂桿152就可以容易地和空心軸134的軸線對齊了。
最好提供至少三個齒154(這些齒以120度的角度間隔隔開)，用來保持桿152的軸線和空心軸134的軸線對齊。如果使用數(shù)目更多的齒154，就會增加摩擦阻力，同時增加流體流過齒154時的阻力。因此，需要選擇與移動測位裝置的大小和應用相匹配的齒的數(shù)目和形狀。盡管優(yōu)選地采用至少三個齒154，采用兩個齒154(以180度的角度間隔隔開)也可以有效地保持桿152與空心軸134軸向對齊。
圖17是本發(fā)明的另一個實施例所述的移動測位裝置120的橫截面。圖17中的移動測位裝置120具有包含芯棒158的桿160，該芯棒158完全嵌入其中心軸區(qū)域內(nèi)，并且用諸如鐵氧體的磁性材料制成。桿160代替圖13和15中的桿130、152。包含芯棒158的桿160使增加線圈142的電感值成為可能，該電感值在桿160相對于空心軸134移動時產(chǎn)生。如果在桿160移動時發(fā)生的線圈142的電感值的變化和圖13所示的變化相同，那么在桿160上纏繞的線圈142的線圈可以在數(shù)目上或者直徑上減少。
本發(fā)明的原理也可以應用于其他裝置，例如，液位計，它將移動元件20作為浮標包括在內(nèi)。
依照如上所述的本發(fā)明的測位裝置、流量計等等，它們結構簡單并且可以產(chǎn)生電輸出信號，所以制造的成本低廉。
雖然本發(fā)明特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)詳細展示和說明了，仍應了解對其所作的不同的改變及修正沒有背離權利要求的范圍。
權利要求
1.測位裝置，包括纏繞的線圈(16，30，46，76)，使得由此產(chǎn)生的磁通量密度沿著所述線圈的軸線方向逐漸變化；移動元件(20)，由磁性材料制成，可以平行于所述線圈的軸線方向移動；電感變化探測器(18)，用來檢測由所述的移動元件的移動所引起的所述線圈的電感變化，所述的線圈由加到其上的交流電流激勵；及位置計算器(26)，用來根據(jù)檢測到的所述的線圈上電感值的變化確定所述的移動元件在所述的軸線方向上的位置。
2.如權利要求1所述的測位裝置，其中所述的電感變化探測器包含LC振蕩電路(56)，用來將所述的電感值的變化轉換為振蕩頻率的變化。
3.如權利要求1所述的測位裝置，其中所述的電感變化探測器(18)包含交流電流源或者交流電壓源(28)，用來供給所述的線圈具有恒定頻率的恒定的交流電流或者恒定的交流電壓，及電壓表或者電流表(32)，用來測量當所述的線圈由恒定的交流電流供電或者由恒定的交流電壓供電時，所述線圈上與其電感值相關的電壓，或者測量所述線圈上流過的與其電感值相關的電流，由此所述的電感值的變化就可以被電壓表或者電流表轉換成電壓的變化或者電流的變化。
4.如權利要求1所述的測位裝置，其中所述的線圈在垂直于軸線方向上具有恒定橫截面形狀，且所述線圈的纏繞間隔在軸線方向上逐漸變化。
5.如權利要求1所述的測位裝置，其中所述的線圈(30)在具有相同的橫截面形狀，但是其大小沿著垂直于軸線方向上逐漸變化，且所述線圈的纏繞間隔在軸線方向上是恒定的。
6.如權利要求1所述的測位裝置，其中所述的線圈(46)在具有相同的橫截面形狀，但是其大小沿著垂直于軸線方向上逐漸減小，且所述線圈的纏繞間隔在軸線方向上逐漸減小。
7.如權利要求1所述的測位裝置，其中所述的線圈是有多個串聯(lián)連接的纏繞線圈組成的串聯(lián)線圈(76)，由此產(chǎn)生的磁通量密度沿著軸線方向逐漸變化。
8.用來測量流體向上流經(jīng)管道(91)的速率的浮標型流量計(90)，具有垂直軸，它根據(jù)設置在所述的管道(91)內(nèi)可移動的浮標的位置來進行測量，所述的浮標型流量計(90)包括纏繞在管道上的線圈(94)，使得由此產(chǎn)生的磁通量密度沿著所述線圈的軸線方向逐漸變化，所述的管道是由不導電的材料制成的；所述的浮標在其中包含磁性材料(96)；電感變化探測器(18)，用來檢測由所述的浮標的移動所引起的所述線圈的電感變化，所述的線圈由加到其上的交流電流激勵；及位置計算器(100)，用來根據(jù)檢測到的所述的線圈上電感值的變化確定所述的浮標在所述的軸線方向上的位置。
9.移動測位裝置，包括纏繞有線圈的桿(130)，使得由此產(chǎn)生的磁通量密度沿著所述線圈的軸線方向逐漸變化；由磁性材料制成的空心軸(134)，它可以在所述的桿上伸縮移動；電感變化探測器，用來檢測由所述的空心軸的移動所引起的所述線圈的電感變化；及位置計算器，用來根據(jù)檢測到的所述的線圈上電感值的變化確定所述的空心軸在所述的軸線方向上的位置。
10.如權利要求9所述的移動測位裝置，還包括多個安裝在所述桿的一端的齒(154)，這個桿設置在空心軸內(nèi)，所述的齒(154)沿著和所述的空心軸內(nèi)壁表面的相反方向滑動，用來在當所述的空心軸在所述的桿上伸縮移動時保持所述的桿的軸線和所述的空心軸的軸線對齊。
11.如權利要求9所述的移動測位裝置，其中所述的桿包括至少嵌入其中心軸區(qū)域的磁性材料(158)。
12.位置測量的方法，包含的步驟如下用交流電流給纏繞的線圈激勵，使得由所述的線圈生成的磁通量密度沿著所述的線圈的軸線方向逐漸變化(S1)；沿著所述的線圈的軸線方向移動磁性材料制成的移動元件(S2)；檢測由移動元件的移動引起的所述的線圈電感值的變化(S3)；及根據(jù)檢測到的所述的線圈電感值的變化確定移動元件在所述線圈的軸線方向上的位置(S4)。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述的線圈所纏繞的桿或者空心桿在其外表面具有引導槽，可以通過所述的引導槽引導所述線圈的繞線。
全文摘要
浮標型流量計(90)，根據(jù)設置在所述的管道(91)內(nèi)可移動的并且包含磁性材料的浮標(92)的位置測量流體向上流過管道(91)的速率。線圈(94)纏繞在管道(91)上，使得線圈的間隔在軸線方向上逐漸減小。線圈(94)由來自電感變化探測器(18)的交流電流供電并激勵。電感變化探測器(18)檢測到由浮標(92)在軸線方向(A)上的移動所引起的線圈(94)的電感變化，并產(chǎn)生一個電壓(Va)。電壓－位置(流率)轉換器(100)通過和浮標(92)的位置相應的電壓(Va)確定流率(F)。
文檔編號G01B7/00GK1467483SQ0314120
公開日2004年1月14日 申請日期2003年6月6日 優(yōu)先權日2002年6月7日
發(fā)明者冨田清二, 川崎節(jié)郎, 五月女元広, 渡邊毅, 元, 田清二, 郎 申請人:Smc株式會社