專利名稱：利用復(fù)合磁通量源的位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間的位移或位置的設(shè)備。更具體地說(shuō)，公開(kāi)了一種非接觸位置傳感器，該傳感器具有可配置的磁通量源，該磁通量源用于檢測(cè)控制閥上的閥桿位置。
背景技術(shù)：
工業(yè)加工廠在從食品加工廠內(nèi)控制生產(chǎn)流程到大型油庫(kù)中保持流體水平面的廣泛用途中使用控制閥。通常是自動(dòng)的控制閥通過(guò)起到如同可變節(jié)流孔或通道的作用來(lái)管理生產(chǎn)流程。通過(guò)移動(dòng)內(nèi)部閥部件、閥塞，可以精確控制通過(guò)閥體的產(chǎn)品量?？刂崎y通常利用致動(dòng)器和遠(yuǎn)程操縱的儀器而是自動(dòng)化的，該遠(yuǎn)程操縱的儀器在過(guò)程控制計(jì)算機(jī)和致動(dòng)器之間通信，來(lái)指令閥內(nèi)的流量變化，從而實(shí)現(xiàn)工廠管理者所希望的控制策略。位置傳感器在保持精確過(guò)程控制中起到關(guān)鍵作用。
當(dāng)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)發(fā)出改變流量的指令時(shí)，遠(yuǎn)程操縱的儀器必須讀取當(dāng)前的閥位置，并通過(guò)致動(dòng)器施加適當(dāng)?shù)男拚齽?dòng)作。典型的致動(dòng)器有加壓空氣源驅(qū)動(dòng)，而該空氣源由遠(yuǎn)程操縱的儀器控制。例如，在用于滑動(dòng)桿閥的彈簧和膜片致動(dòng)器中，施加到大膜片上的氣壓變化導(dǎo)致膜片移動(dòng)或位移。連接到膜片上的是致動(dòng)器桿，而致動(dòng)器桿又連接到閥塞上。通過(guò)改變施加于膜片的氣壓，遠(yuǎn)程操縱儀器可以直接定位閥塞，并因此控制通過(guò)控制閥的流量。為了正確控制流量，該儀器必須一直知道閥塞處于何處，以及響應(yīng)新的指令閥塞必須移動(dòng)到何處。這是通過(guò)在遠(yuǎn)程操縱的儀器和致動(dòng)器桿之間連接一個(gè)位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。位置傳感器的輸出可以直接連接到遠(yuǎn)程操縱的儀器上，來(lái)為精確閥控制提供桿位置反饋。
傳統(tǒng)的位置傳感器，如電位計(jì)，需要?jiǎng)討B(tài)或移動(dòng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，來(lái)將移動(dòng)或位移耦合到傳感器中。在存在湍流造成的機(jī)械振動(dòng)的情況下，系統(tǒng)誤差或不穩(wěn)定性會(huì)由于在非常短的時(shí)間內(nèi)累積數(shù)百萬(wàn)次運(yùn)算循環(huán)而減小位置傳感器的可靠性，機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)還具有接觸點(diǎn)或磨損點(diǎn)。在惡劣的工作條件下，不穩(wěn)定簡(jiǎn)直會(huì)在磨損點(diǎn)處“鋸開(kāi)”機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由此將閥桿與遠(yuǎn)程操縱的儀器斷開(kāi)。這種類型的災(zāi)難性故障損壞了閥控制，并因此必須予以避免。為了改善傳感器的穩(wěn)定性，傳感器設(shè)計(jì)必須遷移到非接觸位置檢測(cè)方法。
一種類型的非接觸傳感器設(shè)計(jì)是磁性位置傳感器。磁性位置傳感器通過(guò)將一個(gè)磁通量源，通常為磁體安裝到第一物體上，而將傳感器，如霍爾效應(yīng)傳感器安裝到第二物體上，來(lái)檢測(cè)兩個(gè)物體之間的位移。磁通量源發(fā)出一個(gè)由傳感器檢測(cè)的磁場(chǎng)。產(chǎn)生相對(duì)位移的一個(gè)或兩個(gè)物體的任何移動(dòng)都會(huì)將磁場(chǎng)的不同部分呈現(xiàn)給傳感器，由此改變傳感器的輸出。這個(gè)輸出可以與致動(dòng)器和閥桿之間的相對(duì)位置直接相關(guān)聯(lián)。
非接觸位置傳感器適應(yīng)性非常強(qiáng)，并且可以測(cè)量各種形式的位移。但是，目前的非接觸位置傳感器通常受到將它們安裝到移動(dòng)元件上的方法的限制。在仍使用接觸的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)耦合位移的遠(yuǎn)程操縱的儀器中存在多種位置或反饋傳感器的商用示例。一種這樣的結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)的蝸輪設(shè)備，來(lái)將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)直接耦合到非接觸磁阻元件。盡管磁阻元件可以歸類為非接觸傳感器，該運(yùn)動(dòng)實(shí)際上通過(guò)接觸設(shè)備來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將如同傳統(tǒng)的基于聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電位計(jì)那樣遭遇可靠性降低的問(wèn)題。
另外，其他非接觸位置傳感器存在這樣的問(wèn)題，即它們不能夠針對(duì)不同類型的位移測(cè)量(例如直線的和旋轉(zhuǎn)的)來(lái)重新構(gòu)造磁通量源，以提供預(yù)定義的輸出。這些類型的位置傳感器的示例可以在Riggs等人的美國(guó)專利US5359288、Wolf等人的美國(guó)專利US5497081以及Takaishi等人的美國(guó)專利US5570015中找到。

發(fā)明內(nèi)容
在此描述的位置傳感器組件提供了一種非接觸位置傳感器，用來(lái)精確檢測(cè)兩個(gè)物體之間的相對(duì)位移，更具體的說(shuō)，用來(lái)精確測(cè)量閥桿在控制閥組件中的位置。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種利用多個(gè)分立磁體的具有高度可配置磁通量源的位置傳感器，該位置傳感器適于測(cè)量直線位移或旋轉(zhuǎn)位移。這是通過(guò)磁性組件的受控設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。將單個(gè)磁體組裝起來(lái)，以形成連續(xù)的復(fù)合磁通量場(chǎng)，由此產(chǎn)生可變物理形狀的磁通量源。
在另一實(shí)施例中，定制(programming)磁性組件可以預(yù)定行程和位置傳感器輸出之間的關(guān)系。通過(guò)預(yù)先定義磁場(chǎng)，然后定制多個(gè)分立磁體以協(xié)同產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)，可以設(shè)計(jì)多種輸出關(guān)系。
另一實(shí)施例利用圓柱形磁體來(lái)形成旋轉(zhuǎn)位置傳感器，該旋轉(zhuǎn)位置傳感器在延長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)范圍上具有高度線性輸出特性。通過(guò)精確控制圓柱形磁體的長(zhǎng)度和在傳感器組件內(nèi)的氣隙，可以極大提高相應(yīng)特性。


在此描述的位置傳感器的特征和優(yōu)點(diǎn)將在參照下面詳細(xì)描述和附圖時(shí)得以更好地理解，圖中圖1A示出用來(lái)說(shuō)明定位在磁通量源中心附近的磁性傳感器的橫截面圖的方塊圖；圖1B示出用來(lái)說(shuō)明定位在磁通量源一端附近的圖1A的磁性傳感器的橫截面圖的方塊圖；圖1C是說(shuō)明對(duì)應(yīng)于圖1A的磁性傳感器輸出的曲線；圖1D是說(shuō)明對(duì)應(yīng)于圖1B的磁性傳感器輸出的曲線；圖2A是安裝到滑動(dòng)桿致動(dòng)器上來(lái)檢測(cè)閥桿的直線位移的非接觸位置傳感器組件的透視圖；圖2B是圖2A的完整非接觸位置傳感器組件的透視圖，示出磁通量源和非接觸位置傳感器之間的互連；圖2C是用于直線非接觸位置傳感器的傳感器殼體和傳感器組件的透視圖；圖3A是示出磁通量源的位置傳感器的側(cè)視圖，該磁通量源包含多個(gè)為直線行程而定位的具有單獨(dú)感應(yīng)值的分立磁體；圖3B是圖3A的用于直線行程的位置傳感器的俯視圖，并示出磁通量源在傳感器組件之內(nèi)的橫向位置和插入深度；圖3C和3D是結(jié)合起來(lái)說(shuō)明用于間歇為磁性傳感器供能并調(diào)節(jié)脈沖輸出信號(hào)以產(chǎn)生用于遠(yuǎn)程操縱儀器的模擬信號(hào)的電路的示意圖；圖4A是用于說(shuō)明如現(xiàn)有技術(shù)中所描述那樣放置并用作直線位移測(cè)量的磁通量源的單根棒狀磁體的非線性末端效應(yīng)的自由空間圖；圖4B是用來(lái)說(shuō)明離散化的磁通量源的各分立磁體所產(chǎn)生的重疊磁通量場(chǎng)以及所形成的由通量聚集極片所聚集的復(fù)合磁場(chǎng)的自由空間圖；圖5A是所標(biāo)注的圓柱形磁體托架的說(shuō)明性側(cè)視圖，示出用于4.5英寸直線行程位置傳感器的磁通量源中螺旋形取向的分立磁體的等距垂直間隔；圖5B是用于直線位置傳感器的螺旋取向分立磁體陣列的說(shuō)明性俯視圖，示出分立磁體在磁通量源內(nèi)的角度旋轉(zhuǎn)和磁通量源在傳感器組件之內(nèi)的橫向位置和插入深度；圖6是耦合到旋轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的說(shuō)明性透視圖，其中，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁通量源的多個(gè)分立磁體以圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線均勻一致的角度分布定位；圖7A是端部安裝的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的透視圖，其中，圓柱形磁通量源在通量聚集基片的支腿之間轉(zhuǎn)動(dòng)；圖7B是示出呈現(xiàn)線性輸出特性的端部安裝的旋轉(zhuǎn)位置傳感器的基準(zhǔn)檢測(cè)平面和最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度的說(shuō)明性端視圖。
具體實(shí)施例方式
為了理解在此描述的位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)，需要理解位置傳感器的各部件以及它們?nèi)绾喂ぷ鱽?lái)測(cè)量控制閥的位移。雖然優(yōu)選實(shí)施例教導(dǎo)了與控制閥相關(guān)的位移測(cè)量，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員也將意識(shí)到與其他位移測(cè)量用途的相關(guān)性。轉(zhuǎn)到附圖并首先參照?qǐng)D1A，示出非接觸位置傳感器的關(guān)鍵部件。
在圖1A中，傳感器5位于磁通量源8附近。如眾所周知的，磁通量源8提供一個(gè)連續(xù)的、三維磁通量場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)完全包圍磁通量源8和傳感器5。并且，傳感器5是一種能夠產(chǎn)生正比于圍繞它的磁場(chǎng)10的電信號(hào)的裝置。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的，所檢測(cè)到的磁場(chǎng)10的大小相對(duì)于在磁場(chǎng)10內(nèi)的位置加以變化。于是，傳感器5的相對(duì)于磁場(chǎng)的位移或相對(duì)位置的任何變化將在傳感器5的輸出中產(chǎn)生相應(yīng)變化，如圖1C的曲線所示。這個(gè)關(guān)系將用來(lái)形成非接觸位置傳感器。
在非接觸位置或位移測(cè)量用途中，傳感器5和磁通量源8安裝在兩個(gè)機(jī)械獨(dú)立的物體(未示出)上。不使用任何動(dòng)態(tài)或移動(dòng)機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)將磁通量源8之間的相對(duì)位移耦合到傳感器5中。在此參照?qǐng)D1A，傳感器5和磁通量源8的相對(duì)位置將傳感器5以D1所標(biāo)識(shí)的位移放置在磁通量源8中心附近。圖1C中相應(yīng)的曲線示出對(duì)于D1的位移的傳感器5的輸出，該輸出由V1標(biāo)識(shí)。在圖1B中，位移改變到由D2標(biāo)識(shí)的新的位置，將傳感器5放置到磁通量源8的端部附近。圖1D中的相應(yīng)曲線示出與傳感器5在由磁通量源8產(chǎn)生的磁場(chǎng)10中的位置變化直接相關(guān)的傳感器5的輸出，該輸出由V2標(biāo)識(shí)。傳感器5的輸出信號(hào)中的這些變化用作兩個(gè)機(jī)械獨(dú)立物體之間的位移的直接測(cè)量值。連接到傳感器5上的電路(未示出)處理傳感器5的輸出信號(hào)，以用在下面更詳細(xì)解釋的控制閥用途中。
現(xiàn)在，參照?qǐng)D2A，圖2A示出耦合到滑動(dòng)桿致動(dòng)器20上的位置傳感器，以用于控制閥的自動(dòng)控制。滑動(dòng)桿致動(dòng)器20適于直線運(yùn)動(dòng)(即，沿筆直的直線運(yùn)動(dòng))。圖2A的透視圖示出位置傳感器的磁性傳感器組件11和磁通量源18a(在圖3-7中更詳細(xì)示出)是如何獨(dú)立安裝在滑動(dòng)桿致動(dòng)器20和遠(yuǎn)程操縱儀器19(只示出了遠(yuǎn)程操縱儀器的模塊底座)之間的。
如所已知的，滑動(dòng)桿致動(dòng)器20、遠(yuǎn)程操縱儀器19和控制閥(未示出)結(jié)合到一起來(lái)形成閥組件23。安裝組件14將磁通量源18a安裝到桿連接器27上。安裝組件14由安裝板15a和對(duì)齊板15b構(gòu)成。桿連接器27利用桿連接器螺栓16a和16b連接在致動(dòng)器桿17和閥桿21之間。
未配備本位置傳感器的典型閥組件的普通操作在美國(guó)專利US5451923中得以描述，該專利轉(zhuǎn)讓給Fisher控制國(guó)際公司(Fisher ControlsInternational Inc)，并合并于此作為參考。如所已知的，當(dāng)移動(dòng)閥塞的指令由遠(yuǎn)程操縱儀器19接收到時(shí)，加壓空氣被導(dǎo)向滑動(dòng)桿致動(dòng)器20，從而致動(dòng)器桿17將移動(dòng)。致動(dòng)器桿17的任何位移都在磁通量源18a相對(duì)于傳感器組件11的位置中產(chǎn)生一個(gè)變化。這個(gè)位置變化改變了傳感器輸出。輸出信號(hào)被傳送到遠(yuǎn)程操縱儀器19以用于處理，從而對(duì)閥塞(未示出)進(jìn)行精確控制。圖2B示出直線位置傳感器30a的透視圖。磁通量源18a和傳感器組件11非?？拷胤胖?，以便充分將磁場(chǎng)10(圖1A和圖1B)耦合到傳感器組件11上，但是在工作過(guò)程中不形成接觸。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2C，傳感器組件11安裝在傳感器殼體22內(nèi)。傳感器殼體22使得通量聚集極片32和磁性傳感器35(下面將更詳細(xì)描述)位置對(duì)齊。磁性傳感器35和通量聚集極片32由支架38和兩個(gè)螺釘24a和24b保持在傳感器殼體22內(nèi)。此外，通過(guò)將傳感器殼體22直接集成到遠(yuǎn)程操縱儀器19內(nèi)，電連接得以簡(jiǎn)化，并且與在危險(xiǎn)環(huán)境中內(nèi)在安全和防爆炸操作的工業(yè)規(guī)定相符合，這些都是本領(lǐng)域公知的。傳感器殼體22由鋁或其他任何適當(dāng)?shù)姆谴判圆牧现瞥?，并且適于容納傳感器組件11。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3A和3B，詳細(xì)描述優(yōu)選實(shí)施例內(nèi)的磁通量源18a(圖3A)和傳感器組件11(圖3B)。在優(yōu)選實(shí)施例中，磁通量源18a被設(shè)計(jì)成測(cè)量直線行程，并在位移測(cè)量的整個(gè)范圍上提供線性輸出信號(hào)。例如，在位移上百分之十的變化將在位置傳感器的輸出信號(hào)中產(chǎn)生相應(yīng)的百分之十的變化。位置傳感器輸出中的所有變化正比于位移的變化。線性輸出關(guān)系在遠(yuǎn)程操縱儀器的功能上是至關(guān)重要的。通過(guò)形成位移的直接正比測(cè)量，不需要遠(yuǎn)程操縱儀器19或傳感器電子設(shè)備13(圖3C和3D)進(jìn)行額外的處理來(lái)提供位置反饋。
多個(gè)單獨(dú)的或分立的圓柱形磁體50-72組裝在矩形托架41上，以產(chǎn)生磁通量場(chǎng)18a。托架41的優(yōu)選材料是非磁性的，如鋁或塑料。在優(yōu)選實(shí)施例中，二十三個(gè)分立磁體50-72布置在托架41中，來(lái)形成能夠測(cè)量大約4.5英寸直線行程的線性陣列。分立的磁體50-72優(yōu)選地由ALNICO8H制造，并垂直和水平對(duì)齊。在一個(gè)實(shí)施例中，磁體50-72利用環(huán)氧樹(shù)脂，如來(lái)自3M of Saint Paul，Minnesota的2214結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑，安裝在托架內(nèi)。每個(gè)分立的磁體50-72直徑大約0.1875英寸、長(zhǎng)度大約0.1875英寸。單獨(dú)的磁體在垂直方向上中心到中心的間隔大約是0.25英寸，在陣列的中心部分上提供大約4.5英寸的位移測(cè)量。托架41使得磁體陣列機(jī)械對(duì)齊，并利用桿連接器螺栓16a和16b直接安裝到桿連接器27上，同時(shí)，安裝組件14安裝到桿連接器27上，如前面的圖2A所示。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解到的，在將遠(yuǎn)程操縱儀器19安裝在致動(dòng)器20上的過(guò)程中所出現(xiàn)的尺寸公差累積需要在閥組件23工作之前進(jìn)行儀器標(biāo)定。儀器標(biāo)定是通過(guò)沿著行程的縱軸并在垂直于該縱軸的水平平面內(nèi)進(jìn)行粗略位置對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同于直接將運(yùn)動(dòng)耦合到傳感器上的現(xiàn)有技術(shù)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝組件14的安裝板15a和對(duì)齊板15b是靜止的，并且只在安裝過(guò)程中進(jìn)行調(diào)節(jié)。磁通量源18a和傳感器組件11的水平對(duì)齊在圖3B中進(jìn)一步得到描述。
圖3B中所示的俯視圖清楚示出傳感器組件11的U形通量聚集極片32。通量聚集極片32由兩個(gè)L形部分33a和33b構(gòu)成，這兩個(gè)L形部分由高導(dǎo)磁性材料形成，優(yōu)選地為來(lái)自Pennsylvania州的Carpenter讀取技術(shù)公司(Carpenter Technology of Reading)的退火的HyMu”80”，并且這兩個(gè)L形部分彼此放置在鏡像位置上。L形部分33a和33b在底部連接，且具有一個(gè)間隙，這個(gè)間隙適于接納磁性傳感器35并將每個(gè)L形部分33a和33b放置成與磁性傳感器35緊密接觸。每個(gè)L形部分33a和33b的方形橫截面尺寸大約是0.15英寸。優(yōu)選的是，每個(gè)L形部分33a和33b深度大約是1.25英寸，而跨過(guò)底腿(base leg)的長(zhǎng)度為0.445英寸，從而形成一個(gè)具有深度大約1.25英寸、寬度大約0.89英寸的外部尺寸的U形。在優(yōu)選實(shí)施例中，磁性傳感器35是Allegro 3516霍爾效應(yīng)元件，但是同樣也可以使用或添加其他類型的磁性傳感器。
磁性傳感器35的輸出由電路13處理(圖3C和3D)。電路13提供磁性傳感器35與遠(yuǎn)程操縱儀器19之間的接口。如圖3C所示，一對(duì)連接器J1和J2從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4-20mA電流回路接收功率。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解到的，用于磁性傳感器35和電路13的功率可以從穩(wěn)壓電源電路產(chǎn)生，該穩(wěn)壓電源電路由來(lái)自California州Santa Clara的國(guó)家半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductor)的LM285微功率基準(zhǔn)電壓二極管U2和無(wú)源元件R5、R6、R7、R10、R11、R12和C5設(shè)計(jì)。圖3C和3D中的這些和其他器件的值/規(guī)格在表1中給出。
為電路間歇供能可以減少磁性傳感器35和電路13的功率消耗。磁性傳感器35通過(guò)連接器J3連接到電路上，并通過(guò)N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)Q2以大約200Hertz進(jìn)行功率開(kāi)關(guān)或脈動(dòng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，嵌入式控制器U1，可從Arizona州Phoenix的微芯片技術(shù)公司(Microchip Technology)購(gòu)得的PIC 12C508A，以及無(wú)源元件R1、Y1、Cl和C2提供脈沖工作的時(shí)序和控制。來(lái)自磁性傳感器35的脈沖輸出信號(hào)必須經(jīng)插值或重構(gòu)，以形成一個(gè)可以由遠(yuǎn)程操縱儀器19所處理的模擬信號(hào)。FET Ql、運(yùn)算放大器U3A(圖30)、以及無(wú)源元件R2、R8、R13、R14、C3、C6和C7形成一個(gè)采樣和保持電路，來(lái)重構(gòu)模擬信號(hào)。運(yùn)算放大器U3B和無(wú)源元件R3、R4、R9和C4調(diào)節(jié)(即調(diào)節(jié)增益和偏置)并過(guò)濾重構(gòu)的模擬信號(hào)，來(lái)形成最終的輸出信號(hào)。最終的輸出信號(hào)或位置位移測(cè)量值通過(guò)連接器J4(圖3C)傳遞到遠(yuǎn)程操縱儀器19。最后，測(cè)試連接器J5可以微對(duì)磁性傳感器35和電路13進(jìn)行診斷評(píng)估(diagnostic evaluation)提供測(cè)試信號(hào)。


表1接著到圖4B，通量聚集極片32收集來(lái)自磁通量源18a的磁場(chǎng)10，并將磁通量導(dǎo)向磁性傳感器35，這將在下面詳細(xì)描述。磁通量源18a大致垂直于傳感器組件11安裝，使得任何相對(duì)的水平位移不會(huì)造成磁通量源18a與通量聚集極片32的內(nèi)支腿物理相接觸。磁通量源18a穿過(guò)U形通量聚集極片32的開(kāi)口、接合大約0.3125英寸。在磁通量源18a的每一側(cè)上大約0.2英寸的氣隙使得磁通量源18a對(duì)稱定位在傳感器組件11中。
每個(gè)分立磁體50-72產(chǎn)生磁場(chǎng)。如所已知的，磁場(chǎng)的形狀和密度與若干因素直接有關(guān)。這些因素中的兩個(gè)是磁體的感應(yīng)和磁體與外來(lái)磁場(chǎng)的相互作用。為了更好地理解磁通量源18a的獨(dú)特性質(zhì)，下面詳細(xì)解釋上述這些因素。
磁體的感應(yīng)是磁體固有的磁場(chǎng)強(qiáng)度的直接測(cè)量并且可以在制造過(guò)程中加以控制和定制。如所已知的，對(duì)于一個(gè)給定物理幾何形狀的磁體，它感應(yīng)的增大在磁體的強(qiáng)度以及它的磁場(chǎng)密度方向產(chǎn)生相應(yīng)的增大。通過(guò)控制分立磁體的感應(yīng)，就以控制它的磁通量密度(即在給定體積內(nèi)的磁通量多少)，并因此控制它的磁場(chǎng)。而且，不是由分立磁體所產(chǎn)生的任何附加或外來(lái)磁場(chǎng)可以與分立磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相結(jié)合。附加磁場(chǎng)的極性和密度可以“附加地”增大或減小圍繞分立磁體的磁場(chǎng)。在此描述的磁路利用感應(yīng)控制和外來(lái)磁場(chǎng)之間的相互作用二者，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)可定制的磁通量源。
如現(xiàn)有技術(shù)中所演示的，單根棒狀磁體在利用磁體整個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)存在困難。如圖4A所示，在單根棒狀磁體應(yīng)用中的磁極的極化方向或取向平行于行程方向。這種磁極取向在磁極附近行程高度集中的磁場(chǎng)130a和130b。在這些密集磁通量區(qū)域內(nèi)，磁力線之間的排斥力在磁場(chǎng)中造<p>發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明描述了用破裂劑引發(fā)、控制或增強(qiáng)粘彈性表面活性劑流體的清理的組合物和方法。破裂劑可以是內(nèi)部的、外部的或者它們的組合。這些組合物和方法集中在，但不限于用于粘彈性表面活性劑系統(tǒng)(基于陽(yáng)離子表面活性劑，例如瓢兒菜基甲基雙(2-羥乙基)氯化銨(“EMHAC”)；兩性離子表面活性劑，例如內(nèi)銨鹽(betaine)表面活性劑；和陰離子表面活性劑，例如油酸衍生物)的破裂劑。然而，此處描述的方法和組合物也用來(lái)破裂基于陰離子、陽(yáng)離子、非離子和兩性離子表面活性劑的粘彈性表面活性劑流體。
已知各種類型的醇、有機(jī)酸和鹽，可賦予粘彈性凝膠的粘度減小--或者甚至完全破裂凝膠。對(duì)于試驗(yàn)過(guò)的組合物，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些破裂劑具有下述效率

此外，也發(fā)現(xiàn)某些聚合電解質(zhì)具有VES流體破裂劑的作用。不限制本發(fā)明的范圍，據(jù)信合適的聚合電解質(zhì)通過(guò)至少兩種不同的機(jī)理而工作。如果該聚合電解質(zhì)和表面活性劑帶有相反的電荷，則這些破裂劑通過(guò)電荷中和而起作用。如果它們帶有相同的電荷，則這些破裂劑通過(guò)膠束破裂(類似于油氣對(duì)VES流體的破裂效果)而起作用。對(duì)兩性離子表面活性劑而言，兩種機(jī)理共存。對(duì)這些聚合電解質(zhì)的破裂效果是及時(shí)(immediate)的。因此，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，聚合電解質(zhì)被包膠。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供用于這樣的粘彈性表面活性劑膠凝組合物的延遲破裂的方法和組合物，而沒(méi)有顯著地或大量地(substantially)包括在壓裂操作期間支撐劑懸浮和運(yùn)輸所需的初始流體性質(zhì)。因此，本發(fā)明涉及通過(guò)沿著井向下注入包括增稠量的粘彈性表面活性劑的含水流體而處理地下地層的方法，所述方法包括提供破裂系統(tǒng)或破裂系統(tǒng)的前體，所述破裂系統(tǒng)或破裂系統(tǒng)的前體導(dǎo)致在注入后流體粘度的減小，但在表面處或在注入期間沒(méi)有顯著地影響流體的粘度。優(yōu)化的配制劑保證粘彈性凝膠在表面條件下

表2如前面所陳述的，并如表2所示出的，相繼磁體的感應(yīng)值以漸變的量變化，從而產(chǎn)生磁通量源18a的磁場(chǎng)10。分立磁體61位于陣列的幾何中心，并定制為零高斯，以便在儀器標(biāo)定過(guò)程中提供一個(gè)磁性零位，作為絕對(duì)基準(zhǔn)。此外，為了提供絕對(duì)位移測(cè)量，分立磁體50-72在磁性零位的每一側(cè)上極性相反。這個(gè)極性差由電路13(圖4B中未示出)檢測(cè)，并由遠(yuǎn)程操縱儀器19用作絕對(duì)位置測(cè)量。如所已知的，在表2的數(shù)值中的相反數(shù)學(xué)符號(hào)表示極性變化。正值被指定為在磁性零位之上的相對(duì)位移，而負(fù)值被指定為在磁性零位之下的相對(duì)位移。雖然優(yōu)選實(shí)施例教導(dǎo)了具有線性輸出關(guān)系的位置傳感器，但應(yīng)理解的是磁通量源固有的可定制性可以在不改變傳感器組件電子設(shè)備的前提下提供多種位置傳感器輸出信號(hào)行程關(guān)系。離散化磁通量源的獨(dú)特性質(zhì)可以有效地適應(yīng)各種形式的位移測(cè)量。這種適應(yīng)在下文的替代實(shí)施例中詳細(xì)加以描述。
在直線用途的另一實(shí)施例中，在磁通量源內(nèi)重新定位分立磁體來(lái)控制相互作用。如前面所述，優(yōu)選實(shí)施例依賴于定制相鄰分立磁體的感應(yīng)以產(chǎn)生預(yù)定義的輸出信號(hào)?；貋?lái)參看圖1A-1D，磁場(chǎng)中的物理位置確定了該磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)強(qiáng)度。類似地，通過(guò)在相鄰磁體之間產(chǎn)生空間或距離，可以控制分立磁體的表觀強(qiáng)度，并因此可以控制它們的相互作用。
圖5A是替代實(shí)施例的側(cè)視圖。磁通量源18b的分立磁體50-72再次沿著托架42的縱軸46等距離間隔開(kāi)。分立磁體50-72直徑大約為0.125英寸，而長(zhǎng)度大約為0.462英寸。托架42適于在中心到中心間距大約0.25英寸的狀態(tài)下接納分立磁體50-72。磁場(chǎng)相互作用是通過(guò)圍繞磁通量源18b的縱軸螺旋取向或轉(zhuǎn)動(dòng)分立磁體50-72來(lái)加以控制的。如所已知的，通過(guò)在任一方向上增大遠(yuǎn)離磁體的間距，磁體的表觀強(qiáng)度將減弱。在這個(gè)替代實(shí)施例中，在相鄰磁體之間提供繞縱軸的精確角位移可以控制相鄰磁場(chǎng)之間的相互作用。在這個(gè)替代實(shí)施例中，傳感器組件11(未示出)與優(yōu)選實(shí)施例中所解釋的相同。從而，通過(guò)有計(jì)劃地放置分離磁體50-72，可以產(chǎn)生預(yù)定義的輸出信號(hào)。
圖5B是用于直線位置傳感器的螺旋取向磁通量源18b的俯視圖。該圖示出分立磁體50-72的旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)平面126。磁通量源18b大約處于通量聚集極片32的第一和第二L形部分33a和33b之間的中心。下面所示的表3提供了利用所有都定制為大約457高斯的分立磁體50-72來(lái)從傳感器組件11(未示出)獲得基本上線性輸出所需要的旋轉(zhuǎn)角度的示例。


表2位置傳感器的另一實(shí)施例在圖6中示出。利用與優(yōu)選實(shí)施例中類似的技術(shù)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)非接觸位置傳感器30b。十五個(gè)分立磁體50-64在扇形托架43內(nèi)以六度的均勻角度分布對(duì)齊。扇形托架垂直于旋轉(zhuǎn)軸47安裝，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)磁通量源18c。再者，扇形托架43優(yōu)選地由鋁制成。轉(zhuǎn)動(dòng)磁通量源18c通過(guò)旋轉(zhuǎn)安裝組件79直接耦合到轉(zhuǎn)軸75上。通量聚集極片的L形部分33a和33b、磁性傳感器35、以及分立磁體50-64與上面描述的相同。下面給出的表4提供了圖6所示的轉(zhuǎn)動(dòng)磁通量源18c的感應(yīng)值。


表4通過(guò)對(duì)每個(gè)分立磁體50-64的受控標(biāo)定，圖6所示的旋轉(zhuǎn)位置傳感器30b在轉(zhuǎn)動(dòng)行程和傳感器輸出之間提供了線性關(guān)系。線性輸出工作特性在90度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍上提供。
在此所描述的原理也可以應(yīng)用到具有延長(zhǎng)的線性工作范圍的旋轉(zhuǎn)位置傳感器30c上。利用與以上參照?qǐng)D2C所描述的相同的通量聚集極片32的L形部分33a和33b以及磁性傳感器，單根圓柱形棒狀磁體39可以用作位置傳感器的磁通量源。如圖7A所示，旋轉(zhuǎn)傳感器30c被設(shè)計(jì)成提供一個(gè)以線性方式變化的輸出。圓柱形磁體39在通量聚集極片32的第一和第二L形部分33a和33b之間轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)提供一個(gè)基本上線性的輸出信號(hào)。通過(guò)正確選擇磁體長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)最大的線性度。對(duì)于通量聚集極片32，圓柱形磁體39的最優(yōu)長(zhǎng)度基本上是通量聚集極片32的L形部分之間的間隙寬度的三分之二。例如，在使用內(nèi)部寬度為0.59英寸的優(yōu)選實(shí)施例的通量聚集極片32的情況下，圓柱形磁體39的長(zhǎng)度大約為0.385英寸。在這個(gè)替代實(shí)施例中，圓柱形磁體39的直徑大約是0.1875英寸。如圖所示，托架44將圓柱形磁體39安裝到轉(zhuǎn)軸75上。托架44適于圍繞轉(zhuǎn)軸75的軸線49安裝到圓柱形磁體39上。此外，圓柱形磁體39穿過(guò)通量聚集極片32的開(kāi)口插入大約0.3125英寸。
如圖7B所示，在110度的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍上提供線性輸出工作特性，由此轉(zhuǎn)動(dòng)范圍圍繞等分通量聚集極片32的第一和第二L形部分33a和33b的平面119對(duì)稱分布。等分平面119相對(duì)于磁性傳感器的檢測(cè)平面118以直角取向。
在不脫離本發(fā)明的精髓和范圍的前提下，可以在此處描述和圖示的技術(shù)和結(jié)構(gòu)中作出各種修改和變型。例如，鐵磁材料構(gòu)成的磁性分路可以放置在分立磁體附近或完全圍繞每個(gè)分立磁體，來(lái)選擇性減弱它的磁場(chǎng)，并因此控制它對(duì)相繼的磁體的影響。另外，也可以利用在單個(gè)磁體之間的非均勻間隙或可變化的磁體長(zhǎng)度。于是，應(yīng)理解到的是，在此描述的方法和設(shè)備僅僅是說(shuō)明性的，并不對(duì)本發(fā)明的范圍加以限制。
權(quán)利要求
1.一種用于閥組件的位置傳感器，其中位置傳感器包括磁通量源，用于產(chǎn)生預(yù)定義的磁場(chǎng)，該磁通量源由多個(gè)分立磁體構(gòu)成；以及傳感器，該傳感器放置在磁通量源附近，來(lái)檢測(cè)由于磁通量源與傳感器之間的相對(duì)位移所導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化。
2.如權(quán)利要求1所述的位置傳感器，其中所述多個(gè)分立磁體產(chǎn)生多個(gè)單獨(dú)的磁場(chǎng)，這些單獨(dú)磁場(chǎng)被設(shè)計(jì)成相互作用并形成一個(gè)復(fù)合磁場(chǎng)，該復(fù)合磁場(chǎng)根據(jù)傳感器相對(duì)于所述多個(gè)單獨(dú)磁場(chǎng)的位置來(lái)產(chǎn)生預(yù)定義的傳感器輸出信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的位置傳感器，其中，傳感器包括磁性傳感器；通量聚集極片，該通量聚集極片幾何形狀上成形為聚積所述單獨(dú)磁場(chǎng)并引導(dǎo)該單獨(dú)的磁場(chǎng)通過(guò)磁性傳感器；以及處理裝置，該處理裝置連接到磁性傳感器上，來(lái)提供代表傳感器和磁通量源之間的位移的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，多個(gè)單獨(dú)磁場(chǎng)的相互作用是由所述多個(gè)分立磁體圍繞穿過(guò)所述多個(gè)分立磁體的幾何中心的軸線角旋轉(zhuǎn)而確定的。
5.如權(quán)利要求2所述的位置傳感器，其中，所述多個(gè)單獨(dú)磁場(chǎng)的相互作用是由多個(gè)分立磁體的感應(yīng)確定的。
6.如權(quán)利要求2所述的位置傳感器，其中，傳感器相對(duì)于所述多個(gè)分立磁體的相對(duì)位移是直線的。
7.如權(quán)利要求6所述的位置傳感器，其中，磁場(chǎng)的變化相對(duì)于位移來(lái)說(shuō)是基本線性的。
8.如權(quán)利要求2所述的位置傳感器，其中，傳感器相對(duì)于所述多個(gè)分立磁體的相對(duì)位移是轉(zhuǎn)動(dòng)的。
9.如權(quán)利要求8所述的位置傳感器，其中，多個(gè)分立磁體定位在圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的恒定半徑上，并且所述多個(gè)分立磁體以圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸線相同的角度分布定位。
10.如權(quán)利要求9所述的位置傳感器，其中，磁場(chǎng)的變化相對(duì)于位移來(lái)說(shuō)基本上是線性的。
11.如權(quán)利要求2所述的位置傳感器，其中，磁性傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器、磁電阻、巨磁阻橋或磁閥。
12.一種位置傳感器，其中，位置傳感器包括磁通量源，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁通量源由多個(gè)分立磁體構(gòu)成，其中所述分立磁體產(chǎn)生相互作用的磁場(chǎng)；磁性傳感器；以及處理裝置，該處理裝置連接到磁性傳感器上，以提供一個(gè)代表磁性傳感器和磁通量源之間的位移的信號(hào)。
13.如權(quán)利要求12所述的位置傳感器，其中，多個(gè)單獨(dú)磁場(chǎng)之間的相互作用是由多個(gè)分立磁體的感應(yīng)來(lái)確定的。
14.如權(quán)利要求12所述的位置傳感器，其中，多個(gè)單獨(dú)磁場(chǎng)的相互作用是由所述多個(gè)分立磁體圍繞穿過(guò)每個(gè)所述多個(gè)分立磁體的幾何中心的軸線角旋轉(zhuǎn)而確定的。
15.如權(quán)利要求12所述的位置傳感器，其中，磁性傳感器包括響應(yīng)于磁場(chǎng)的電子器件和通量聚集極片，其中，通量聚集極片適于聚積所述相互作用的磁場(chǎng)并引導(dǎo)該相互作用的磁場(chǎng)通過(guò)磁性傳感器。
16.如權(quán)利要求15所述的位置傳感器，其中，電子設(shè)備是霍爾效應(yīng)器件、磁電阻、巨磁阻橋或磁閥。
17.如權(quán)利要求12所述的位置傳感器，其中，單獨(dú)磁場(chǎng)之間的相互作用以基本上線性的方式在代表位移的信號(hào)中產(chǎn)生變化。
18.一種位置傳感器，其中，位置傳感器包括傳感器，該傳感器包括響應(yīng)于磁場(chǎng)的電子器件和通量聚集極片，該通量聚集極片是通過(guò)對(duì)稱放置形成U形的導(dǎo)磁材料的第一和第二L形部分而構(gòu)成的，U形極片的底部具有將第一和第二L形部分分開(kāi)的間隙，其中，該間隙尺寸確定為與電子器件緊密接觸；磁通量源，用于產(chǎn)生基本以線性方式變化的磁場(chǎng)，該磁通量源為圓柱形狀并在通量聚集極片的第一和第二L形部分之間轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提供代表傳感器和磁通量源之間的位移的信號(hào)。
19.如權(quán)利要求18所述的位置傳感器，其中，磁通量源的長(zhǎng)度基本是通量聚集極片的內(nèi)部寬度的三分之二。
20.如權(quán)利要求19所述的位置傳感器，其中，磁通量源由單根棒狀磁體構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求19所述的位置傳感器，其中，磁通量源由多個(gè)分立磁體構(gòu)成，這些分立磁體以磁極吸引的方式緊密接觸地放置。
22.如權(quán)利要求18所述的位置傳感器，其中，所述代表信號(hào)是在大約110度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍上產(chǎn)生的，該轉(zhuǎn)動(dòng)范圍圍繞等分通量聚集極片的第一和第二L形部分的平面對(duì)稱分布，該等分平面正交于磁性傳感器的檢測(cè)平面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種非接觸位置傳感器，該傳感器檢測(cè)兩個(gè)物體之間的相對(duì)位移。磁通量源是由多個(gè)分立磁體提供，選擇性確定所述多個(gè)分立磁體，來(lái)產(chǎn)生高度可構(gòu)造的磁通量源，該磁通量源易于適應(yīng)旋轉(zhuǎn)或直線位移。由分立磁體所產(chǎn)生的單獨(dú)磁通量場(chǎng)的相互作用被控制成相對(duì)于位移變化產(chǎn)生線性和非線性關(guān)系。通量聚集極片尺寸上進(jìn)行優(yōu)化，以便整合多個(gè)單獨(dú)磁通量場(chǎng)，將其導(dǎo)向磁性傳感器。
文檔編號(hào)G01B7/30GK1678886SQ03820913
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者喬治·W·加斯曼, 卡爾·G·斯卡費(fèi)里, 羅納德·F·赫德 申請(qǐng)人:費(fèi)希爾控制國(guó)際公司