專利名稱：具有磁式角度傳感器的閥致動器和包括該傳感器的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例總體而言涉及閥致動器，尤其涉及具有磁式角度傳感器的閥致動 器，使用磁式角度傳感器的方法，以及包括磁式角度傳感器的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
閥致動器用于操作閥，其被制成多種形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)，并且具有各種廣泛的用 途。通常，閥致動器的操作者需要了解閥的確切位置。絕對式編碼器和增量式編碼器已經(jīng) 被應(yīng)用于閥致動器，以確定閥的位置。所述編碼器通過監(jiān)測閥致動器的位置來確定閥的對 應(yīng)位置。絕對式編碼器為閥致動器的每個位置使用唯一的標(biāo)識。絕對式編碼器通常使用 單個碼盤或者多個碼盤，所述碼盤隨著閥致動器移動到不同的位置而轉(zhuǎn)動。絕對式編碼器 的單個或多個碼盤上具有記號，這些記號的不同組合為閥致動器的每個位置提供了唯一標(biāo) 識。所述唯一標(biāo)識隨時被分析，用于確定閥致動器的位置。另一方面，增量式編碼器則不具有對應(yīng)于閥致動器每個位置的唯一標(biāo)識。相反，增 量式編碼器監(jiān)測閥致動器中相對于某個隨機(jī)起始點(例如閥的全閉合位置)的變化。增量 式編碼器也稱作相對式編碼器，通常是單個碼盤，碼盤邊緣環(huán)繞著一系列相同的記號。隨著 碼盤轉(zhuǎn)動，每當(dāng)其中一個記號經(jīng)過一點時，位置上的一個變化就被記錄下來。由于這些記號 記錄在計算機(jī)的存儲器中，因此就可以知道閥致動器的位置。絕對式編碼器的優(yōu)點在于，如果斷電，位置信息也不會隨之丟失。重新上電后，可 以分析所述的唯一標(biāo)識來確定位置信息。如果增量式編碼器的計算機(jī)存儲器斷電，則位置 信息會丟失。然而，絕對式編碼器相對于增量式編碼器而言更容易受損，不耐用且難以對 準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個示例性實施例涉及一種閥致動器，包括至少一個可轉(zhuǎn)動部件和構(gòu)造 成與所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件一起使用的磁式角度傳感器。本發(fā)明的另一個示例性實施例涉及一種確定閥致動器位置的方法。所述方法包括 使安裝在閥致動器中的磁式角度傳感器的電輸出與閥致動器輸出軸的位置相關(guān)聯(lián)。所述傳 感器被賦能以從其產(chǎn)生電輸出。所述輸出軸的位置通過所述傳感器的電輸出來確定。本發(fā)明的又一個示例性實施例涉及一種閥系統(tǒng)。所述閥系統(tǒng)包括閥和可操作地與 所述閥耦接的閥致動器。所述閥致動器包括至少一個可轉(zhuǎn)動部件和可操作地與所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件耦接的磁式角度傳感器。


雖然本說明書所附的 權(quán)利要求書已特別指出并清楚地聲明了本發(fā)明的范圍，然而 通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行的描述，將使本發(fā)明的實施例更為明確。附圖中圖1示出了磁式角度傳感器的一個實施例；圖2示出了包括磁式角度傳感器實施例的閥致動器的一個實施例；并且圖3示出了包括磁式角度傳感器實施例的閥致動器的一個實施例。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例總體涉及一種閥致動器。更特別地，本發(fā)明的實施例涉及具有磁 式角度傳感器的閥致動器，使用磁式角度傳感器的方法，以及包括磁式角度傳感器的系統(tǒng)。以下將參考附圖，所述附圖不必是成比例的。圖1示出了磁式角度傳感器100的一個示例性圖示。磁式角度傳感器100可以是 本領(lǐng)域已知的任一種磁式角度傳感器。磁式角度傳感器100可以包括磁體10、電路20和印 刷電路板30 (PCB 30)。磁體10可以是雙極圓柱磁體。磁體10可以實際上不和電路20接 觸。磁體10可以和電路20集成在單一的封裝中；或者替代性地，磁體10也可以在電路20 的任何封裝之外。電路20可以通過慣用方式安裝在PCB30上。PCB 30也可以是任選的。 磁式角度傳感器100還可以包括磁式角度傳感器所通常包括有的其他部件。磁體10產(chǎn)生磁場12且可以圍繞軸線15轉(zhuǎn)動。電路20可用于監(jiān)測磁場12并根 據(jù)磁場12的位置確定磁體10的轉(zhuǎn)動位置。電路(傳感器芯片)20可以包括霍爾傳感器陣列，這些傳感器在其水平面內(nèi)對著 磁場的徑向。磁體10布置為使其南/北軸線平行于傳感器的水平面。所述傳感器將所受 磁場的角度和內(nèi)置參考角度進(jìn)行對比，并且以數(shù)字的方式給出360度方位上的角度差。磁 場角度傳感器芯片實際上是一組極小的霍爾傳感器，這些霍爾傳感器沿徑向排列，從而使 得電路20中的電子元件能夠分析來自每個傳感器的信號的相對強(qiáng)度以確定其所在磁場的 方向和大小。在典型的操作中，和磁場一致的霍爾傳感器將具有最強(qiáng)的信號。垂直于磁場 的霍爾傳感器將具有最弱的信號。知道每個霍爾傳感器擺放的物理角度，就能夠確定磁場 的角度。對于低分辨率的結(jié)果，可以簡單地確定哪個傳感器提供了最強(qiáng)信號，并將該傳感器 的物理角度位置作為磁場的角度而報告。在一個特定實施例中，為了更高的精度，可以將來 自所有傳感器的信號進(jìn)行矢量相加，這樣就允許對磁場的方向進(jìn)行插值以得到位于傳感器 實際物理擺放位置之間的值。當(dāng)磁場強(qiáng)度高于給定的閾值水平時，所報告的角度將和磁場 強(qiáng)度不會有實質(zhì)性的差別，因為它只對所受磁場的相對角度敏感。在另外的實施例中，磁場 12可以在電路20的每個傳感器中產(chǎn)生電壓，稱為霍爾電壓。因此，電路20可以絕對地指示 磁體10的位置。以下將要討論的閥致動器可以進(jìn)而轉(zhuǎn)動磁體10。因此，磁體10的位置可 以用于指示閥致動器的位置。電路20可以包括磁致電阻傳感器。在該實施例中，電路20可以測量電阻效應(yīng)。 磁場12的角度可改變電路20中導(dǎo)體的電阻。于是阻值的變化將和磁場的角度相關(guān)聯(lián)。電 路20所受的磁場12的角度可根據(jù)磁體10的轉(zhuǎn)動位置而改變。因此，阻值可用于確定磁體10的轉(zhuǎn)動位置。不過，電阻也可不受磁場12方向的影響。因此，可以測量180度角或者磁 體10的半周旋轉(zhuǎn)，每個角度具有一個唯一阻值。所述的唯一阻值可用作為磁體10位置的 唯一標(biāo)識。如果磁體10的轉(zhuǎn)動被限制為旋轉(zhuǎn)半周，那么就可以知道磁體10的位置，進(jìn)而， 磁體10的位置就可以用來指示閥致動器的位置。如圖2所示，閥致動器200可以包含磁式角度傳感器100。閥致動器200可以包括 一個或多個可轉(zhuǎn)動部件。磁式角度傳感器100可以和任意的可轉(zhuǎn)動部件一起使用。如圖2 所示，磁式角度傳感器100可以和輸出軸270 —起使用。 閥致動器200可以包括本領(lǐng)域已知的任一種閥致動器。圖2示出了簡化的示例性 閥致動器200。圖2沒有示出完整的閥致動器。為簡化敘述，本領(lǐng)域已知的部件，例如外殼、 原動機(jī)、控制器、顯示器、離合器等都沒有表示出來。閥致動器200可以設(shè)計為手動操作、電 動操作、氣動操作或液壓操作。閥致動器200可以包括輸入軸240。輸入軸240的一端可以 外接小齒輪250。小齒輪250可以設(shè)置為和齒輪260配合。齒輪260進(jìn)而可以外接輸出軸 270。輸入軸240可以連接本領(lǐng)域已知的任一種閥致動器驅(qū)動機(jī)構(gòu)。輸入軸240可以包 括本領(lǐng)域已知的任一種閥致動器輸入裝置。輸入軸240可以設(shè)計為轉(zhuǎn)動或直線運(yùn)動。例如， 輸入軸240可以和手輪或者電動機(jī)連接。圖2示出了單根輸入軸240 ；然而，也可以具有多 根輸入軸240。例如，當(dāng)閥致動器200包括允許電動機(jī)或手輪都能夠驅(qū)動閥致動器200的離 合器時，就可具有兩根輸入軸240。輸入軸240可以垂直于或平行于輸出軸270，或者可以 與輸出軸270在同一直線上或與輸出軸270是同一根軸。在一個替換實施例中，輸出軸可 以驅(qū)動單個編碼器軸，不論其是否由電動機(jī)或手輪驅(qū)動。小齒輪250和齒輪260可以包括已知用于閥致動器的任意類型的齒輪布置結(jié)構(gòu)。 小齒輪250和齒輪260可以包括多個齒輪、軸、帶輪、皮帶或任何把機(jī)械能從輸入軸240傳 遞到輸出軸270的其他裝置。小齒輪250和齒輪260只是如何把機(jī)械能從輸入軸240傳遞 到輸出軸270的一個示例。輸出軸270可以包括本領(lǐng)域已知的任一種閥致動器的輸出裝置。輸出軸270可以 設(shè)計為用于轉(zhuǎn)動或直線運(yùn)動。輸出軸270可以設(shè)計為操作直角回轉(zhuǎn)閥、單回轉(zhuǎn)閥、多回轉(zhuǎn)閥 或線性閥。僅作為一種示例，輸出軸270可以包括實心軸。所述實心軸可以設(shè)計為與閥的閥 桿耦接在一起，例如直角回轉(zhuǎn)閥或是單回轉(zhuǎn)閥。輸出軸270 (此處為實心軸)的轉(zhuǎn)動然后就 會帶動閥桿轉(zhuǎn)動。在另一個示例中，輸出軸270可以包括驅(qū)動空心軸或輸出驅(qū)動組件。驅(qū) 動空心軸可以和多回轉(zhuǎn)閥一起使用。驅(qū)動空心軸可以包括驅(qū)動管、軸承、蝸輪和編碼器錐齒 輪。驅(qū)動空心軸還可以包括離合機(jī)構(gòu)。直角回轉(zhuǎn)、單回轉(zhuǎn)和多回轉(zhuǎn)閥致動器都可以使用驅(qū) 動空心軸。驅(qū)動空心軸的中心可以包括外部帶鍵的內(nèi)螺紋的閥桿螺母或是內(nèi)/外都帶鍵的 扭矩螺母。兩種螺母都可以容納閥桿并對其施加力從而使閥運(yùn)動。驅(qū)動空心軸可以和閥桿 螺母接合，而閥桿螺母又設(shè)計為和閥桿的螺紋接合。于是，輸出軸270(此處為驅(qū)動空心軸 和閥桿螺母)的轉(zhuǎn)動可以升高或降低螺紋閥桿。磁體10可以用本領(lǐng)域已知的任何手段附接到輸出軸270。替代性地，電路20也 可以附接到輸出軸270。磁體10與輸出軸270的附接僅是磁式角度傳感器100可如何構(gòu) 造成和輸出軸270 —起使用的一個例子。在又一個實施例中，多個傳感器芯片可以和旋轉(zhuǎn) 軸上的單個磁體軸向?qū)?zhǔn)，其中一個傳感器安裝在PCB 30的磁體側(cè)，其他傳感器安裝在其PCB 30的遠(yuǎn)側(cè)。在一個替換實施例中，帶有兩種不同的霍爾傳感器陣列的單個電路20可以 和旋轉(zhuǎn)軸上的單個磁體10軸向?qū)?zhǔn)，其中電路20安裝在其PCB 30的任意一側(cè)上。本領(lǐng)域 已知的任一種配置磁式角度傳感器的方法都適用于本發(fā)明。附圖沒有示出磁式角度傳感器100的任何封裝。磁式角度傳感器100可以設(shè)計為 把磁體10包含在電路20的同一封裝內(nèi)。替代性地，磁體10也可以在電路20的任何封裝 之外。磁體10可以在電路20之上或之下(從PCB 30在電路20下面這個角度來看)。所 述磁體可以置于和輸出驅(qū)動空心軸直接耦接的軸的末端。所述磁體可以結(jié)合至軸，或者它 可以被包括在電路板組件之內(nèi)，這樣當(dāng)電路板置于軸上時，磁體就自動地和軸上的鍵附著 在一起。應(yīng)能理解，電路板和磁體之間不要求有物理接觸。磁式角度傳感器100可以包括市售的傳感器，或者可包括用戶定制的傳感器。用 于本發(fā)明的合適的磁式角度傳感器100包括奧地利微系統(tǒng)(Austriamicrosystems)的 AS5045 和雷尼紹(Renishaw)的 AM8192。磁式角度傳感器100可以和閥致動器200 —起使用，以產(chǎn)生輸出軸270的絕對位 置數(shù)據(jù)。根據(jù)前面所述的霍爾傳感器的實施例，電路20能指示磁體10的絕對位置。輸出 軸270可以限制在單周或者更少的旋轉(zhuǎn)之內(nèi)，這樣就可以利用磁體10的轉(zhuǎn)動位置來指示輸 出軸270的轉(zhuǎn)動位置。磁式角度傳感器100可以和閥致動器200 —起使用，以產(chǎn)生輸出軸270的增量位 置數(shù)據(jù)和角速度。當(dāng)電路20由于磁體10位置的變化而發(fā)生變化(例如不論是霍爾電壓或 電阻系數(shù)的變化)時，計算機(jī)存儲器內(nèi)的計數(shù)器就會增加計數(shù)。因此，輸出軸270可以轉(zhuǎn)動 超過一周，而磁式角度傳感器100仍能追蹤輸出軸270的轉(zhuǎn)動位置。電路20的變化率也可 以被追蹤，以確定磁體10的角速度，由此確定輸出軸270的角速度。通過磁式角度傳感器 來產(chǎn)生增量數(shù)據(jù)的方法是本領(lǐng)域已知的。磁體10可以附接到閥致動器200的任何可轉(zhuǎn)動部件。例如，如圖3所示，副軸290 可以轉(zhuǎn)動磁體10 (磁式角度傳感器100的其他部分未示出)。副軸290可以由輸出軸270 驅(qū)動。輸出軸270可以驅(qū)動齒輪280，齒輪280進(jìn)而又可驅(qū)動小齒輪292。小齒輪292和齒 輪280可以包括已知用于閥致動器的任何類型的齒輪布置結(jié)構(gòu)。小齒輪292和齒輪280可 以包括多個齒輪、軸、帶輪、皮帶或任何把機(jī)械能從輸出軸270傳遞到副軸290的其他裝置。 副軸290與齒輪280及小齒輪292 —起可以被設(shè)計為降低、提高或保持輸出軸270的轉(zhuǎn)速。 例如，副軸290可以設(shè)計成使得當(dāng)磁體10轉(zhuǎn)動一周時，輸出軸270需要轉(zhuǎn)動數(shù)周。本領(lǐng)域 已知的任何操作旋轉(zhuǎn)編碼器的方式都可用于把輸出軸270的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為磁體10的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動。齒輪280、小齒輪292和副軸290僅代表了可如何將機(jī)械能從輸出軸270傳遞到磁體 10的一個例子。另外，磁體10還可以附接到輸入軸240。在閥致動器200上也可以使用多 個磁式角度傳感器。如上所述，閥致動器200可以包括本領(lǐng)域已知的任何閥致動器。閥致動器200可 以是本領(lǐng)域已知的任何閥系統(tǒng)的一部分。例如，閥致動器200可以包括直角回轉(zhuǎn)或單回轉(zhuǎn) 的旋轉(zhuǎn)閥致動器。在這些實施例中，磁式角度傳感器100可充當(dāng)絕對位置編碼器。相比典 型的光盤型單回轉(zhuǎn)編碼器，磁式角度傳感器100較不容易受損，耐磨損和/或比較容易對 準(zhǔn)。此外，磁式角度傳感器100還能夠提供精細(xì)的位置分辨率。精細(xì)的分辨率將有利于直 角回轉(zhuǎn)和單回轉(zhuǎn)閥的應(yīng)用。閥致動器200可以把磁式角度傳感器100作為絕對位置傳感器使用，如果閥致動器200斷電，也仍可保留位置數(shù)據(jù)。當(dāng)閥致動器200重新通電后，可以從 磁式角度傳感器100恢復(fù)位置數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，在該示例性實施例中，閥致動器200包括了 能夠只需較低功率，尺寸緊湊并且還非接觸的磁式角度傳感器100。 而且，閥致動器200可以包括多回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)閥致動器。在該實施例中，當(dāng)所述閥是 只能朝一個方向(也就是只能順時針(“CW”)或者逆時針(“CCW”))轉(zhuǎn)動的多端口閥時， 磁式角度傳感器100的使用可尤其有益。在該實施例中，輸出軸270轉(zhuǎn)動一整周會使多端 口閥也轉(zhuǎn)動一整周。所述閥可在任意時間定位在任意端口處，但也可被設(shè)計成采用最短路 線，并且不應(yīng)當(dāng)能通過非預(yù)定端口。在某些實施例中，致動器會被要求持續(xù)地使閥在單一方 向上(一直順時針或者一直逆時針)運(yùn)動。在另一個實施例中，致動器會使閥以變化的次 序運(yùn)動，比如向前兩步、退后一步的方案(例如1CW，1CW，1CCW，1CW，1CW，1CCW)。在一個特 定實施例中，磁體10的位置會永久地和輸出軸270的位置、進(jìn)而和多端口閥的位置相關(guān)聯(lián)。 不管磁體10轉(zhuǎn)多少圈，磁體10的位置可與多端口閥的位置相對應(yīng)。因此，在該實施例中， 磁式角度傳感器100可作為絕對位置編碼器。另外，在磁場安裝/配置過程中在磁場角度 位置相對于致動器位置的配準(zhǔn)(registration)期間引入的任何對準(zhǔn)誤差，在致動器或閥 的運(yùn)動中都是不會累積的。相反，任何初始的配準(zhǔn)或配置誤差會保持固定的誤差值，并且不 會隨著閥或致動器的多次轉(zhuǎn)動運(yùn)動而增加或累積。當(dāng)多端口閥(轉(zhuǎn)動)不超過一周(也就是，端口打開的順序是從A到B到C到B 到A交替進(jìn)行)時，也可以使用閥致動器200。在這個實施例中，誤差的累積注定是不重要 的。閥致動器200還可以包括多回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)閥致動器，其使用磁式角度傳感器100作為增 量位置編碼器，磁式角度傳感器100增量式地計數(shù)驅(qū)動空心軸的轉(zhuǎn)動，但絕對式地測量在 任意給定旋轉(zhuǎn)內(nèi)的輸出驅(qū)動角度。閥致動器200可以包括線性閥致動器。例如，輸出軸270可以是直線運(yùn)動的致動 器桿。齒輪280 (圖3)可以是沿輸出軸270長度方向安裝的線性齒條。副軸290可以包括 與輸出軸270上的齒條配合的小齒輪。于是，輸出軸270上齒條的運(yùn)動會轉(zhuǎn)動副軸290。磁 體10的運(yùn)動可用于追蹤輸出軸270的位置。雖然已經(jīng)結(jié)合特定實施例揭示了本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于所述的這些實施 例。相反，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定，根據(jù)所描述的本發(fā)明原理而實施的所有 等同的裝置、方法和系統(tǒng)都在權(quán)利要求書限定的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種閥致動器，包括 至少一個可轉(zhuǎn)動部件；和與所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件相聯(lián)系的磁式角度傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的閥致動器，其中，所述磁式角度傳感器被構(gòu)造為產(chǎn)生絕對位置 數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的閥致動器，其中，所述磁式角度傳感器被構(gòu)造為產(chǎn)生增量位置 數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的閥致動器，其中，所述磁式角度傳感器包括磁體。
5.如權(quán)利要求4所述的閥致動器，其中，所述磁體隨著所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。
6.如權(quán)利要求4所述的閥致動器，其中，所述磁體的旋轉(zhuǎn)軸線和所述至少一個可轉(zhuǎn)動 部件的旋轉(zhuǎn)軸線在同一直線上。
7.如權(quán)利要求4所述的閥致動器，其中，所述磁式角度傳感器還包括傳感器電路。
8.如權(quán)利要求7所述的閥致動器，其中，所述傳感器電路包括霍爾傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的閥致動器，其中，所述傳感器電路包括磁致電阻傳感器。
10.如權(quán)利要求1所述的閥致動器，其中，所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件被構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)小于 或者等于一周。
11.如權(quán)利要求1所述的閥致動器，其中，所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件被構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)數(shù)周。
12.一種確定閥致動器位置的方法，所述方法包括使安裝在閥致動器內(nèi)的磁式角度傳感器的電輸出和所述閥致動器的輸出軸的位置相 關(guān)連；向所述磁式角度傳感器賦能以從所述磁式角度傳感器產(chǎn)生電輸出；和 通過所述磁式角度傳感器的所述電輸出來確定所述輸出軸的位置。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，確定所述閥致動器的所述位置包括確定所述輸 出軸的絕對位置。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，確定所述閥致動器的所述位置包括確定所述輸 出軸的增量位置。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，還包括確定所述輸出軸的角速度。
16.一種閥系統(tǒng)，包括 閥；與所述閥可操作地耦接的閥致動器，所述閥致動器包括 至少一個可轉(zhuǎn)動部件；和與所述至少一個可轉(zhuǎn)動部件可操作地耦接的磁式角度傳感器。
17.如權(quán)利要求16所述的閥系統(tǒng)，其中，所述閥包括多端口閥。
18.如權(quán)利要求16所述的閥系統(tǒng)，其中，所述閥包括旋轉(zhuǎn)閥。
19.如權(quán)利要求16所述的閥系統(tǒng)，其中，所述閥包括包括線性閥。
20.如權(quán)利要求16所述的閥系統(tǒng)，其中，所述閥致動器包括直角回轉(zhuǎn)或單回轉(zhuǎn)閥致動ο
全文摘要
本發(fā)明提出了一種包括磁式角度傳感器的閥致動器。所述磁式角度傳感器可作為絕對位置編碼器使用。所述磁式角度傳感器也可作為增量位置編碼器使用。所述磁式角度傳感器可產(chǎn)生角速度數(shù)據(jù)。所述磁式角度傳感器可用于直角回轉(zhuǎn)和單回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)閥致動器。所述磁式角度傳感器也可用于多回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)閥致動器，以及可用于線性閥致動器。
文檔編號F16K1/48GK102007328SQ200980111951
公開日2011年4月6日 申請日期2009年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者B·A·弗洛伊里, W·T·迪倫蒂 申請人:芙羅服務(wù)管理公司