專利名稱：用于測量對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的小型設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量對(duì)象(3)的速度以及旋轉(zhuǎn)方向的小型設(shè)備。所述設(shè)備適用于在惡劣的環(huán)境中操作，所述環(huán)境例如為在高壓下，在高溫下并且面對(duì)腐蝕性流體。本申請(qǐng)?zhí)貏e適用于石油、核、機(jī)器人和汽車方面等。
在石油方面，可以進(jìn)行碳?xì)浠衔锷a(chǎn)井的監(jiān)督。為了做到這一點(diǎn)，人們依照盡可能精確的方式來設(shè)法獲得一定量的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)涉及流入井中的多種液體。這種數(shù)據(jù)是說明液體的屬性、流速和不同時(shí)期的比例的例子。
在汽車方面，人們例如可以試圖找出車輪的速度和旋轉(zhuǎn)方向以便確定是否激活車輪的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在我們返回到石油方面。在碳?xì)浠衔锷a(chǎn)井中，人們總是面臨由石油、煤氣和水形成的三態(tài)流體。這種流體狀態(tài)不具有相同的密度，不以相同速度移動(dòng)，不以相同的比例存在，并且不進(jìn)入井的相同位置。在所述流體中，液體的不同狀態(tài)的分布根據(jù)該井是垂直的、傾斜的還是水平的而各不相同。實(shí)際上，因?yàn)樵诹黧w的不同狀態(tài)的密度方面有所不同，故而所述狀態(tài)隨著井傾斜度的增加而漸進(jìn)地出現(xiàn)分層。在傾斜乃至水平的井的同一部分中，人們可能會(huì)碰到以不同速度且并非始終沿相同方向移動(dòng)的多個(gè)狀態(tài)。
為了確定井中流體狀態(tài)的屬性以及它們的比例，人們可以使用光學(xué)傳感器和/或電阻率傳感器。人們還可以使用核能或者密度測定來進(jìn)行確定。
為了確定井中流體的速度和旋轉(zhuǎn)方向，人們?cè)诰刑峁┝嗽S多螺旋槳，其中每個(gè)螺旋槳試圖被將其浸入其中的流體驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。人們將這種螺旋槳與用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備組合在一起，由此能夠獲得這些參數(shù)值。最好是在沒有任何接觸的情況下進(jìn)行組合，以避免瓦解螺旋槳的自由運(yùn)動(dòng)。由于有至少一個(gè)磁體與所述螺旋槳集成為一體，所以，其旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生磁場變化，該磁場變化可以由一個(gè)或多個(gè)磁性傳感器檢測到。這個(gè)磁場變化可以表示螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。
必須注意的另一限制在于用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備被提供有多個(gè)用于與外部連接并且盡可能的小的導(dǎo)體。
實(shí)際上，用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備首先必須有能量，其次必須傳送對(duì)應(yīng)于其所執(zhí)行測量的信號(hào)?？梢詫㈦娫丛O(shè)置在表面上，或者設(shè)置在井中靠近所述測量設(shè)備的真空外殼中。用于處理測量設(shè)備傳送的信號(hào)的設(shè)備也被設(shè)置在所述外殼中。人們還在所述外殼中設(shè)置用于處理由光學(xué)和/或電阻率傳感器傳送的信號(hào)的設(shè)備。在所述外殼中，具有不同于井中壓力的壓力，并且其大體上等于大氣壓力。必須為所述導(dǎo)體提供真空密封的通道，以便用于將所述傳感器和用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備連接到處理設(shè)備和電源。形成這些真空密封的通道始終是難處理的，并且因?yàn)闀?huì)弄亂它們而且為了不產(chǎn)生漏氣而最好不要增加它們的數(shù)量。
在核應(yīng)用中，如果將所述測量設(shè)備置于放射性的外殼內(nèi)，那么人們還需要使與所述測量設(shè)備組合在一起的導(dǎo)體的數(shù)目最小。
能夠測量速度和/或旋轉(zhuǎn)方向的幾種磁運(yùn)動(dòng)傳感器是可以購買到的。對(duì)于所述傳感器的工作原理不作詳細(xì)敘述，無論它們是霍爾效應(yīng)傳感器、磁阻傳感器還是超大磁阻傳感器，都可以將它們歸為兩個(gè)主要的種類。
第一種涵概線性型傳感器。此類傳感器包括至少一個(gè)敏感部分，該部分易感受磁場的強(qiáng)度。其輸出端以相對(duì)低的電壓傳送模擬信號(hào)。所述信號(hào)與磁場的強(qiáng)度成正比。此類傳感器傳統(tǒng)上與用于處理所述信號(hào)的電路相連。所述電路相當(dāng)復(fù)雜，它包括放大器、比較器、集成電源以及電壓控制電路，以此來提供適當(dāng)?shù)男盘?hào)。為了更加小型化，這種復(fù)雜的電路必須采取特殊集成電路的形式，其縮寫為ASIC(Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路)，這樣極大地增加了開發(fā)成本并且當(dāng)其只能少量制造時(shí)增加了部件的成本價(jià)格。附加于此類設(shè)備的導(dǎo)體數(shù)目最少是三個(gè)，但是傳統(tǒng)上存在更多。
第二種涵概數(shù)字(或者全部或全無)類型的傳感器。這些成批生產(chǎn)的傳感器包括至少一個(gè)敏感部分以及傳送數(shù)字信息的電子電路。當(dāng)它們檢測到某個(gè)磁場閾值時(shí)，它們傳送一信號(hào)。在我們自己沒有涉及它們溫度性能的情況下(這并不總是最佳的)，此類速度傳感器經(jīng)常無法檢測方向，并且當(dāng)它們?cè)试S檢測方向時(shí)，它們具有至少四個(gè)導(dǎo)體。此外，如果轉(zhuǎn)速很低，那么速度測量的分辯率不是很好，當(dāng)人們將一個(gè)對(duì)象和單個(gè)磁體組合在一起時(shí)，那么所傳送的信號(hào)通常包括所述對(duì)象每旋轉(zhuǎn)一次兩個(gè)脈沖。如果人們要使用更多的磁體，那么他往往增加了對(duì)象在旋轉(zhuǎn)方面的復(fù)雜性，這并不總是可能的，并且因?yàn)榇艌鼍€路從一個(gè)磁體到另一磁體閉合，從而使得人們往往必須使對(duì)象的傳感器在旋轉(zhuǎn)過程中彼此靠得更近。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體目的在于提供一種用于測量對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，由此本發(fā)明不具有上述缺點(diǎn)。本發(fā)明致力于一種用于測量對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，尤其是小型設(shè)備，該設(shè)備適用于在惡劣的環(huán)境下操作，并且本發(fā)明具有盡可能最少的導(dǎo)體數(shù)目，所述導(dǎo)體用于其電源和發(fā)送其傳送的信息。所述設(shè)備必須在沒有與對(duì)象沿運(yùn)動(dòng)方向接觸的情況下操作。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明使用了一種由電流接收裝置組合而成的磁檢測設(shè)備，所述電流接收裝置在磁測量設(shè)備的電源導(dǎo)體上建立對(duì)流經(jīng)其中的電流的調(diào)制。依照將涉及所述對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的信息都進(jìn)行編碼的方式來進(jìn)行調(diào)制。由此，用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備所消耗的電流傳達(dá)搜尋信息。
更確切的說，本發(fā)明涉及一種用于測量一靠近其放置位置的對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備。它包括一磁檢測設(shè)備，用于響應(yīng)產(chǎn)生磁場變化的對(duì)象的旋轉(zhuǎn)傳送表示其速度及其旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，一導(dǎo)體，試圖與一電源相連以便至少向所述磁檢測設(shè)備提供電流，一設(shè)置在磁檢測設(shè)備和導(dǎo)體之間的電流接收裝置，用于根據(jù)從磁檢測設(shè)備發(fā)出的信號(hào)調(diào)制導(dǎo)體中流經(jīng)的電流，所述調(diào)制電流反映對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向。
所述電流接收裝置可以包括至少一個(gè)由一電阻和一例如晶體管的換向元件形成的串聯(lián)組件。
調(diào)制電流的頻率或者它所具有的轉(zhuǎn)換次數(shù)反映所述對(duì)象的速度。它的形式反映所述對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向。
所述磁檢測設(shè)備可以是傳送兩對(duì)相位彼此不同信號(hào)的線性傳感器，所述信號(hào)與該對(duì)象的角位置相關(guān)。
所述測量設(shè)備可以包括兩個(gè)比較器，每個(gè)比較器的輸入端接收一對(duì)信號(hào)，每個(gè)比較器的輸出端經(jīng)由串聯(lián)組件的電阻與所述導(dǎo)體相連，兩個(gè)電阻具有不同的值。
在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)比較器包括一個(gè)用于使所述電流接收裝置換向的元件。
所述調(diào)制電流可以當(dāng)所述對(duì)象沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)具有第一不對(duì)稱形式，并且當(dāng)所述對(duì)象沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)具有相同形式但是只能通過鏡像看到。
在另一結(jié)構(gòu)中，所述磁檢測設(shè)備是一數(shù)字傳感器，用于傳送表示速度的信號(hào)以及表示對(duì)象旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)。
所述調(diào)制電流可以當(dāng)所述對(duì)象沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)具有大于預(yù)定閾值的循環(huán)比，并且當(dāng)所述對(duì)象沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)具有小于預(yù)定閾值的循環(huán)比。
用于測量對(duì)象速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備可以包括兩個(gè)比較器，每個(gè)比較器的輸入端用于接收一對(duì)信號(hào)，包括用于編碼對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向的裝置，其輸入端與所述比較器的輸出端相連，混合裝置，其輸入端與比較器的輸出端相連并且與編碼裝置的輸出端相連，所述混合裝置的輸出端用于傳送反映對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)，所述唯一信號(hào)用于控制所述電流接收裝置。
用于對(duì)旋轉(zhuǎn)方向編碼的裝置可以包括換路器D。
用于測量對(duì)象速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備可以包括一混合裝置，其輸入端與磁檢測設(shè)備相連并且其輸出端用于傳送反映對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)，所述唯一信號(hào)用于控制所述電流接收裝置。
所述混合裝置可以通過基于邏輯門的電路而形成。
所述磁檢測設(shè)備、所述導(dǎo)體和電流接收裝置至少可以封裝在由非磁性材料制成的外殼中，所述導(dǎo)體可從所述外殼的外部訪問。
所述外殼可以由諸如鈦或者不銹鋼的金屬制成。
所述磁檢測設(shè)備與用于其電源的另一導(dǎo)體相連，所述另一導(dǎo)體限制在外殼范圍內(nèi)。
本發(fā)明還涉及一種用于獲得流體中數(shù)據(jù)的磁系統(tǒng)，特別是用于碳?xì)浠衔锞?，所述系統(tǒng)包括具有這種特性的測量設(shè)備，并且其中所述對(duì)象采取與至少一個(gè)磁體集成的無磁性螺旋槳的形式。
為了盡可能少地干擾浸入螺旋槳的流體，將所述螺旋槳和測量設(shè)備沿旋轉(zhuǎn)軸置于彼此相同的線路中。


通過參照附圖閱讀給出的對(duì)實(shí)施例的描述，將會(huì)更加徹底地理解本發(fā)明，所述實(shí)施例純粹是一種指示而不具有任何限制性，其中圖1是依照本發(fā)明的用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的第一實(shí)施例的電氣圖。
圖2是可用于圖1的磁檢測設(shè)備的電氣圖。
圖3是可用于圖1的比較器的電氣圖。
圖4A到4D是流入圖1中用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的導(dǎo)體的電流Iout的分量Is、Ivc1、Ivc2、Ivc的時(shí)序圖，圖4E給出了電流Iout的形狀。
圖5是依照本發(fā)明的用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的第二實(shí)施例的電氣圖。
圖6是可用于圖1的混合裝置的電氣圖。
圖7A到7D是流入圖5中用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的電源導(dǎo)體的電流Iout的分量Is、Ivc的時(shí)序圖，圖7D給出了電流Iout的形狀。
圖8A是依照本發(fā)明的用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的另一實(shí)施例的電氣圖。
圖8B是可用于圖8A的混合裝置的電氣圖。
圖9是依照本發(fā)明用于獲得數(shù)據(jù)的磁系統(tǒng)的圖示，包括圖1中用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的橫截面。
在此后描述的不同附圖中，相同、相似或等效物具有相同的參考標(biāo)記，以便可以從一幅圖很容易想到另一幅。
附圖中所示的不同部分不必具有一致的標(biāo)度，以便使得附圖易于讀懂。
具體實(shí)施例方式
我們將參照?qǐng)D1，圖1示出了依照本發(fā)明的用于測量對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的電氣圖。此結(jié)構(gòu)是本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗貏e簡單、小型并且不貴?？梢约俣ù擞糜跍y量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備將要用于烴類提取領(lǐng)域，在該情況下，所述對(duì)象是與至少一個(gè)磁體集成在一起的一螺旋槳。
用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備包括無磁性金屬屏蔽外殼1，其中包括磁檢測設(shè)備2，用于傳送表示與其合并的對(duì)象3的速度和旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，所述對(duì)象3同時(shí)可以在磁檢測設(shè)備2附近旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生磁場變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速基本上恒定時(shí)，磁場變化是周期性的。
在我們的例子中，所述螺旋槳的參考數(shù)字標(biāo)記是30和磁體的參考數(shù)字標(biāo)記是31。此外殼1還可能用于連接到地線，正如稍后將看到的那樣，在該情況下，它由導(dǎo)電材料形成。
為了工作，電流必須流經(jīng)磁檢測設(shè)備2。它試圖經(jīng)由電源導(dǎo)體4與電源(未示出)相連。與所述磁檢測設(shè)備2相連的所述導(dǎo)體4可以從屏蔽外殼1的外部被訪問。所述磁檢測設(shè)備2還與用于其電源的另一導(dǎo)電體5相連。所述另一導(dǎo)體5還可以與用于返回電流的電源的第二端子(其通常是地線)相連，在該情況下，它像導(dǎo)體4一樣從屏蔽外殼1引出。在特別感興趣的實(shí)施例中，所述另一導(dǎo)體5限制在屏蔽外殼1的范圍內(nèi)，并且被置于與屏蔽外殼1的電觸點(diǎn)，其通常是接地的。更確切的說，所述屏蔽外殼1被置于數(shù)據(jù)獲取設(shè)備的主體中，并且置于與其的電觸點(diǎn)中，而且它是與地線連接的設(shè)備的主體。這樣，只有單個(gè)導(dǎo)體4被引出外殼1。
為了使由磁檢測設(shè)備2所傳送的信號(hào)可以在不增加引出用于測量對(duì)象速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的導(dǎo)電體數(shù)目的情況下被訪問，所述用于測量對(duì)象3的測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備包括電流接收裝置6，該裝置設(shè)置在磁檢測設(shè)備2和導(dǎo)電體4之間。如果格式化之后合適，所述電流接收裝置6從磁檢測設(shè)備2接收信號(hào)，并且在電源導(dǎo)體4中利用來自所述磁檢測設(shè)備的信號(hào)調(diào)制其中流通的電流的幅度。然后，在電源導(dǎo)體4中流經(jīng)的電流傳遞與對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)的信息。
依照此實(shí)施例，所述磁檢測設(shè)備2是線性傳感器類型的磁致電阻效應(yīng)傳感器。它實(shí)際上是角位置傳感器。它傳送存在于旋轉(zhuǎn)磁場和固定基準(zhǔn)方向(例如在構(gòu)成傳感器的元件中流經(jīng)的電流方向)之間的角位移α的信號(hào)。圖2中示出了等效的圖表。
為了能夠檢測兩種信息，換言之，為了能夠檢測速度和旋轉(zhuǎn)方向，需要兩個(gè)敏感元件以傳送例如π/2的異向信號(hào)。在所述實(shí)施例中，所述磁性傳感器2包括第一敏感元件20和第二敏感元件21，其中，所述兩個(gè)敏感元件均采用安裝在橋中的四個(gè)磁致電阻元件來構(gòu)成。所述第一敏感元件20的磁致電阻元件利用201到204來標(biāo)記，第二敏感元件21的磁致電阻元件利用211到214來標(biāo)記。所述元件的電阻隨磁場強(qiáng)度函數(shù)的變化而變化。第一敏感元件20傳送一對(duì)反相電壓信號(hào)，一個(gè)與sinα成比例，另一個(gè)與sin(α-π)成比例。第二敏感元件21傳送一對(duì)反相電壓信號(hào)，一個(gè)與cosα成比例而另一個(gè)與cos(α-π)成比例。
兩個(gè)敏感元件20、21是同一磁性傳感器的一部分，這意味著它們具有類似的特征以及或多或少相同的溫度表現(xiàn)。
除了使用相同磁性傳感器的兩個(gè)敏感元件，人們可以想象到使用兩個(gè)不同的磁性傳感器。這種結(jié)構(gòu)不是十分有利，這是由于如果用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備在溫度常有變化的環(huán)境中操作并且如果所述傳感器具有不同的靈敏性，那么測量可能會(huì)有誤，尤其是關(guān)于旋轉(zhuǎn)方向的測量。
將每對(duì)電壓信號(hào)施加到一比較器的輸入端，所述比較器被標(biāo)記為用于所述第一對(duì)信號(hào)的C1，和用于所述第二對(duì)信號(hào)的C2。
第一比較器C1的輸出端經(jīng)由第一校準(zhǔn)電阻器R1連接到導(dǎo)電體4。第二比較器C2的輸出端經(jīng)由第二校準(zhǔn)電阻器R2連接到電源導(dǎo)體4。
所述兩個(gè)校準(zhǔn)電阻器R1以及R2具有不同的值。人們例如可以選擇R2＝2R1，其中，R1等于一千歐。阻抗值被挑選作為電流幅度調(diào)制的函數(shù)。
然而，其它值也是可能的。與校準(zhǔn)電阻器R1以及R2相關(guān)聯(lián)的比較器編碼由角位置傳感器3傳送的信號(hào)。
所述比較器C1和C2是常規(guī)的集成比較器。比較器具有兩個(gè)輸出狀態(tài)它傳送高電平電壓或者低電平電壓，并且根據(jù)施加到其輸入端的信號(hào)來執(zhí)行此操作。圖3中示出了常規(guī)比較器原理的簡圖。它包括作為輸入級(jí)的由晶體管Q1和Q2形成的差動(dòng)器對(duì)。根據(jù)晶體管Q1產(chǎn)生反向輸入。根據(jù)晶體管Q2產(chǎn)生正相輸入。所述差動(dòng)器對(duì)被放置在兩個(gè)電源接線端之間，其中，在一側(cè)，由電流反射鏡形成的源極包括晶體管Q6和Q7以及極化電阻R′，在另一側(cè)，由電流反射鏡形成的負(fù)載包括晶體管Q3和Q4。它包括由集電極開路晶體管Q5形成的輸出級(jí)。所述晶體管Q5是一中斷器晶體管。所述比較器的輸出端位于晶體管Q5的集電極上。
在用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備中，此集電極因此經(jīng)由校準(zhǔn)電阻器R1、R2之一與導(dǎo)體4相連。所述校準(zhǔn)電阻器R1和R2替代了傳統(tǒng)上用在此類比較器的輸出端并且通常具有10千歐左右值的下拉電阻。
現(xiàn)在我們回到所述比較器的操作。當(dāng)施加到同相輸入端的電壓比施加到反向輸入端的電壓正得更多，那么晶體管Q5的基極電壓下降并且晶體管Q5截止。比較器輸出端的電壓取高電平；它等于電源電壓。當(dāng)晶體管Q5截止時(shí)，下拉電阻將比較器的輸出電壓降低為電源電壓。
當(dāng)施加到同相輸入端的電壓比施加到反向輸入端的電壓正得較少時(shí)，那么晶體管Q5的基極電壓增加并且晶體管Q5變得飽和。比較器的輸出電壓采用低電平。
圖1中示出的比較器C1和C2于是可以分解為包括差動(dòng)器對(duì)、負(fù)載和源極的輸入塊C10、C20，所述輸入塊后跟隨有由晶體管Q5、即換向元件形成的輸出級(jí)C11、C21。
然后，所述電流接收裝置6由兩個(gè)串聯(lián)組件61、62形成，第一組件61包括比較器C1的輸出級(jí)C11以及串聯(lián)的電阻R1，第二組件62包括比較器C2的輸出級(jí)C21以及串聯(lián)的電阻R2。
所述電流接收裝置6由施加到兩個(gè)比較器C1、C2的輸出級(jí)C11、C21的每個(gè)晶體管Q5的基極的電壓來加以控制。
流經(jīng)電源導(dǎo)體4的電流Iout可以分解為用于供應(yīng)磁檢測設(shè)備2和比較器C1、C2的電源電流Is、為電流接收裝置6所吸收的電流Ivc，所述電流Ivc自身分解為被電流接收裝置6的第一組件61所吸收的電流Ivc1以及被電流接收裝置6的第二組件62所吸收的電流Ivc2。
圖4A作為時(shí)間函數(shù)簡要地示出了電流Is的形狀，圖4B示出了電流Icv1的形狀而圖4C示出了電流Icv2的形狀。圖4D示出了為電流接收裝置6所吸收的電流Ivc，其是電流Ivc1和電流Ivc2的和。假定對(duì)象3沿一個(gè)方向做出一個(gè)旋轉(zhuǎn)并且沿另一個(gè)方向做出一個(gè)旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)象3進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，電源電流Is基本上總是恒定的。所述電流Ivc1、Ivc2有π/2的相位差，這是因?yàn)橐粋€(gè)反映正弦而另一個(gè)反映相同角度的余弦。當(dāng)所述對(duì)象沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流Ivc1勝過電流Ivc2，而當(dāng)對(duì)象3沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)剛好相反。由于校準(zhǔn)電阻器R1和R2是不同的，所以電流Ivc1和Ivc2的幅度是不同的。依照比率2來選擇電阻R1、R2的事實(shí)允許其中一個(gè)電流的幅度是另一個(gè)的二倍。
在對(duì)象3每次旋轉(zhuǎn)被重復(fù)兩次的步驟中，電流Ivc采取不對(duì)稱信號(hào)的形式。當(dāng)對(duì)象3沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，它具有確定的形式，并且當(dāng)所述對(duì)象3沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，具有相同形式但是只能通過鏡像看到。其頻率或者不對(duì)稱信號(hào)的轉(zhuǎn)換次數(shù)反映對(duì)象的速度。所述電流反映對(duì)象3的速度和旋轉(zhuǎn)方向。
在圖4E中示出了電流Iout。由于電流Is已經(jīng)被簡單地添加到其上，所以它具有與電流Ivc相同的特征。由此，它具有為用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備所吸收的電流Iout，用于表明旋轉(zhuǎn)方向。對(duì)于其一部分而言，電流Iout的頻率表明轉(zhuǎn)速。所述電流Iout傳送有關(guān)對(duì)象3的速度和旋轉(zhuǎn)方向的信息。
電流Iout在對(duì)象3每次旋轉(zhuǎn)時(shí)具有8次轉(zhuǎn)換。即使是對(duì)象3以低速旋轉(zhuǎn)，電流Iout也具有很好的速度分辨率。
用于檢測速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備不一定要放置在一穩(wěn)定的磁場中才能夠正確操作。雖然溫度可能影響磁場的強(qiáng)度和/或影響磁性傳感器的靈敏度，但是所采取的測量不受溫度變化的影響。
由于比較器C1和C2的存在，此類用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備相對(duì)于所述磁性傳感器對(duì)于對(duì)象的相對(duì)位置方面的輕微變化不是很靈敏，所述比較器均接收來自于同一敏感元件的相位相反的兩個(gè)信號(hào)。
圖5示出了用于處理從同一磁性傳感器2所傳送的信號(hào)的另一裝置。還示出了如圖1所示的比較器C1和C2。將它們的輸出端經(jīng)由下拉電阻Ra與電源導(dǎo)體4相連。此時(shí)，比較器C1和C2依照常規(guī)的方式使用，并且不再作為電流接收裝置來調(diào)制在電源導(dǎo)體4中流經(jīng)的電流。如先前所述，所述比較器以具有接近50％的循環(huán)比的脈沖傳送信號(hào)。因?yàn)樗鼈兙哂笑?2的相位差，所以它們有區(qū)別。它們的頻率代表對(duì)象的轉(zhuǎn)速。
在這種結(jié)構(gòu)中，可以發(fā)現(xiàn)電流接收裝置6被設(shè)置在磁檢測設(shè)備2和電源導(dǎo)體4之間，用于調(diào)制流經(jīng)所述電源導(dǎo)體的電流，以便反映對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向。
然而，此時(shí)，電流接收裝置6受到從比較器C1、C2傳送的信號(hào)中所獲得的唯一信號(hào)S的侵襲。
我們現(xiàn)在將看到如何產(chǎn)生唯一信號(hào)S，所述唯一信號(hào)S用于傳送有關(guān)速度和旋轉(zhuǎn)方向的信息。我們首先提取直接反映旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)S1。為此，人們使用用于編碼旋轉(zhuǎn)方向50的裝置，其可以采取換路器D的形式。將第一比較器C1的輸出端與換路器D的數(shù)據(jù)輸入端D相連，將第二比較器C2的輸出端與換路器D的定時(shí)器輸入端H相連。反之亦然。換路器D的輸出端Q發(fā)射信號(hào)S1；當(dāng)對(duì)象沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)它是高電平，而當(dāng)對(duì)象沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)是低電平。
人們還提供了用于組合來自于比較器C1、C2的信號(hào)(分別以C1、C2標(biāo)記以便簡單)的混合裝置51，以及編碼旋轉(zhuǎn)方向50的裝置，以便產(chǎn)生表示對(duì)象速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)S。所述信號(hào)S試圖控制電流接收裝置6，這意味著對(duì)流經(jīng)導(dǎo)體4的電流進(jìn)行調(diào)制。
所述混合裝置51對(duì)循環(huán)比有影響。當(dāng)對(duì)象沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們傳送具有大于預(yù)定閾值的循環(huán)比的信號(hào)，并且當(dāng)所述對(duì)象沿另一個(gè)方向轉(zhuǎn)向時(shí)具有小于預(yù)定閾值的循環(huán)比的信號(hào)。所述信號(hào)的頻率直接表示對(duì)象的轉(zhuǎn)速。所述預(yù)定閾值在此結(jié)構(gòu)中等于50％。
所述混合裝置51可以通過圖6中舉例說明的邏輯電路而形成。所述邏輯電路包括第一與門60，其一個(gè)輸入端與第一比較器C1的輸出端相連，其另一個(gè)輸入端與第二比較器C2的輸出端相連。第一與門60的輸出端與第一反相器61的輸入端相連。第一反相器61的輸出端與第二與門63的輸入端相連。第二與門63的另一個(gè)輸入端與編碼旋轉(zhuǎn)方向50的裝置的輸出端相連。編碼裝置50的輸出端Q還與第二反相器62的輸入端相連。第二反相器62的輸出端與第三與門64的輸入端之一相連。第三與門64的另一個(gè)輸入端與第一與門60的輸出端相連。第二與門63的輸出端與異或門65的輸入端之一相連。異或門65的另一個(gè)輸入端與第三與門64的輸出端相連。異或門65的輸出端傳送反映對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)S。圖7A的圖表中舉例說明了這種信號(hào)S。在第一狀態(tài)，信號(hào)S具有小于50％的循環(huán)比；這表示對(duì)象沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。在第二狀態(tài)，信號(hào)S具有大于50％的循環(huán)比；這表示對(duì)象沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。所述信號(hào)S的頻率直接表示對(duì)象的轉(zhuǎn)速。
將所述唯一信號(hào)S施加到電流接收裝置6的輸入端，所述電流接收裝置6意欲調(diào)制在導(dǎo)電體4中流經(jīng)的電流Iout。所述電流接收裝置6通過以晶體管形式出現(xiàn)的換向元件Q而形成，所述晶體管的基極與混合裝置51的輸出端相連，其集電極經(jīng)由電阻R與導(dǎo)體4相連，并且其發(fā)射極與另一個(gè)導(dǎo)體5相連。
當(dāng)由信號(hào)S控制它們時(shí)，在導(dǎo)電體4中流經(jīng)的電流Iout可以分解為磁檢測設(shè)備2的電源電流Is以及位于電流接收裝置6的上游的電子以及為電流接收裝置6所吸收的電流Ivc。圖7B中的圖表示出了電流Is的形狀，圖7C中的圖表示出了電流Ivc的形狀，其形式在信號(hào)S的上方描繪出。圖7D中的圖表示出了電流Iout的形狀。
除了使用線性磁性傳感器類型的磁檢測設(shè)備以外，還能夠使用可以購買得到的數(shù)字磁性傳感器80，其具有用于傳送直接反映對(duì)象3速度的信號(hào)Sv的輸出端81，并且傳送直接反映對(duì)象3旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)Ss的輸出端82。在圖8A中示出了此實(shí)施例。所述磁性傳感器可以是霍耳效應(yīng)磁性傳感器或者超大磁阻磁性傳感器。
磁性傳感器的兩個(gè)輸出端與混合裝置83相連，以便產(chǎn)生表示對(duì)象3的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)S，所述唯一信號(hào)S意欲控制電流接收裝置6，這意味著用于調(diào)制在電源導(dǎo)體4中流經(jīng)的電流。
所述混合裝置83可以可與圖5和6中的那些相比較，并且基于循環(huán)比編碼在其輸入端施加的信號(hào)。
圖8B示出了混合裝置83的實(shí)施例。它包含邏輯電路，所述邏輯電路包括單穩(wěn)態(tài)85，其輸入端與磁性傳感器80(用于傳送信號(hào)Sv的那個(gè)裝置)的輸出端81相連。所述單穩(wěn)態(tài)805用來中斷信號(hào)Sv的對(duì)稱性，所述信號(hào)Sv具有等于50％的循環(huán)比。它產(chǎn)生受控寬度的脈沖，以便獲得具有循環(huán)比不同于50％的信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)805的輸出端與第一反相器800的輸入端相連。第一反相器800的輸出端與第一與門801的輸入端相連。第一與門801的另一個(gè)輸入端與磁性傳感器80(傳送信號(hào)Ss的那個(gè)裝置)的輸出端82相連。磁性傳感器80的輸出端82還與第二反相器802的輸入端相連。第二反相器802的輸出端與第二與門803的輸入端之一相連。第二與門803的另一個(gè)輸入端與磁性傳感器80的輸出端81相連。第一與門801的輸出端與異或門804的輸入端之一相連。異或門的另一個(gè)輸入端與第二與門803的輸出端相連。異或門的輸出端傳送反映對(duì)象的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)S。當(dāng)它例如具有小于50％的循環(huán)比時(shí)，它表示對(duì)象是沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)它例如具有大于50％的循環(huán)比時(shí)，它表示對(duì)象是沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的。所述唯一信號(hào)S的頻率直接表示對(duì)象的轉(zhuǎn)速。所述唯一信號(hào)S用來控制所述電流接收裝置6，所述電流接收裝置6采用與圖5中所示相同的結(jié)構(gòu)。圖8A中用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備的另一不同是還可以從屏蔽外殼1的外部訪問另一個(gè)導(dǎo)體5。所述另一導(dǎo)體5不再限制在屏蔽外殼1的范圍內(nèi)。
屏蔽外殼1可以用非磁性材料制作，所述材料對(duì)于將要浸入的環(huán)境具有抵抗性。
在石油應(yīng)用中，150℃左右的液體，其壓力在108Pa左右并且腐蝕性可能很強(qiáng)。它可以包含懸浮中的亞硫化合物、沙或者其它碎石等。所述屏蔽外殼1例如可以用無磁性的鈦或者不銹鋼制作。
它可以采取小型圓柱狀管的形式，同時(shí)軸XX’具有5毫米左右的外徑以及25毫米左右長。所述磁檢測設(shè)備2和關(guān)聯(lián)的電路C1、C2、R1、R2采取多芯片模型或者M(jìn)CM的形式。所述模塊被插入外殼1中，以便允許導(dǎo)體4引出，如果合適的話，允許另一導(dǎo)體5引出。然后將所述外殼1用諸如環(huán)氧樹脂的填充材料裝滿，以便與其它所有元件一起聯(lián)鎖。
圖9表示用于獲得流體中數(shù)據(jù)的磁系統(tǒng)，尤其用于碳?xì)浠衔锞?。它包括依照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)的依照本發(fā)明的用于測量速度和旋轉(zhuǎn)方向設(shè)備的橫截面。所述系統(tǒng)包括另外的對(duì)象3，其采取與至少一個(gè)磁體31集成的無磁性的螺旋槳30的形式。所述磁性傳感器2、比較器C1、C2和校準(zhǔn)電阻器R1、R2被安裝在支持器6上，例如軟性印制電路類型的支持器。所述角磁性傳感器2、比較器C1、C2和校準(zhǔn)電阻器R1、R2之間的電連接在支持器6上形成。當(dāng)它們被集成時(shí)，所使用的部件(例如比較器C1、C2)可以在支持器6上裸露的安裝。填充材料用7來標(biāo)記。為了占據(jù)盡可能少的空間，支持器6的兩個(gè)主要的平面承擔(dān)各個(gè)部件。在圖9所述的例子中，電阻R1、R2被固定在支持器6的一個(gè)平面上，并且比較器C1、C2被固定在另一個(gè)平面上。所述磁性傳感器2位于支持器6的末尾。它被基本上垂直地固定到支持器6的平面。
所述對(duì)象3可以沿旋轉(zhuǎn)軸32位于外殼1的延伸，如圖1、5、8A和9所示。對(duì)象的旋轉(zhuǎn)軸32和外殼1的軸XX′被合并。當(dāng)所述對(duì)象如圖1、5、8A和9那樣設(shè)置時(shí)，對(duì)象3和磁性傳感器2之間的距離可以在幾毫米左右。此距離取決于傳感器的靈敏度和磁場的強(qiáng)度，這是磁體及其材料的維數(shù)的函數(shù)。
在圖9中，我們?cè)O(shè)法示出對(duì)象3可以位于緊接于外殼1，它們的軸32、XX’被移動(dòng)但是基本上平行。此位置中的對(duì)象3作為虛線顯示。
雖然已經(jīng)詳細(xì)地示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是，在不超出本發(fā)明范圍的情況下，可以做出不同的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于測量置于其附近的一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于它包括一磁檢測設(shè)備(2)，用于響應(yīng)于產(chǎn)生磁場變化的對(duì)象(3)的旋轉(zhuǎn)傳送一表示其速度及旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，一導(dǎo)體(4)，用于與電源相連以便至少向所述磁檢測設(shè)備(2)提供電流，一電流接收裝置(6)，設(shè)置在所述磁檢測設(shè)備(2)和所述導(dǎo)體(4)之間，用于根據(jù)來自所述磁檢測設(shè)備(2)的信號(hào)調(diào)制流經(jīng)所述導(dǎo)體(4)的電流(Iout)，所述調(diào)制電流(Iout)反映對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向。
2.如權(quán)利要求1所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于，所述電流接收裝置(6)包括至少一個(gè)由電阻(R1，R2)和換向元件(Q5)形成的串聯(lián)組件(61，62)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)制電流(Iout)的頻率或者其所具有的轉(zhuǎn)換次數(shù)反映所述對(duì)象(3)的速度。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述調(diào)制電流(Iout)的形式反映所述對(duì)象(3)的旋轉(zhuǎn)方向。
5.如權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述磁檢測設(shè)備(2)是一線性傳感器，用于傳送相位彼此不同的兩對(duì)信號(hào)，所述信號(hào)與所述對(duì)象的角位置有關(guān)。
6.如權(quán)利要求5所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于它包括兩個(gè)比較器(C1，C2)，每個(gè)比較器的輸入端接收一對(duì)信號(hào)，每個(gè)比較器(C1，C2)的輸出端經(jīng)過所述串聯(lián)組件的電阻(R1，R2)與導(dǎo)體(4)相連，所述兩個(gè)電阻(R1，R2)具有不同的值。
7.如權(quán)利要求6所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于每個(gè)比較器(C1，C2)包括用于電流接收裝置(6)的換向元件(Q5)。
8.如權(quán)利要求4到7任一項(xiàng)所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于，當(dāng)所述對(duì)象以一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述調(diào)制電流(Iout)具有第一不對(duì)稱的形式，而當(dāng)對(duì)象(3)以另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述調(diào)制電流(Iout)具有相同的形式但是通過鏡像看到。
9.如權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的用于測量以對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述磁檢測設(shè)備(2)是一數(shù)字傳感器，用于傳送表示速度的信號(hào)以及表示對(duì)象旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)。
10.如權(quán)利要求1到5、9的任一項(xiàng)所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于，當(dāng)所述對(duì)象(3)以一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述調(diào)制電流(Iout)具有一大于預(yù)定閾值的循環(huán)比，而當(dāng)所述對(duì)象(3)以另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述調(diào)制電流(Iout)具有一小于預(yù)定閾值的循環(huán)比。
11.如與權(quán)利要求1到5任一項(xiàng)有關(guān)的權(quán)利要求10所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于它包括兩個(gè)比較器(C1，C2)，每個(gè)比較器的輸入端接收一對(duì)信號(hào)；一用于編碼所述對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向的編碼裝置(50)，其輸入端與所述比較器(C1，C2)的輸出端相連；一混合裝置(51)，其輸入端與所述比較器(C1，C2)的輸出端相連并且與所述編碼裝置(50)的輸出端相連，所述混合裝置(51)的輸出端傳送反映所述對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)(S)，所述唯一信號(hào)控制所述電流接收裝置(6)。
12.如權(quán)利要求11所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述編碼旋轉(zhuǎn)方向的編碼裝置(50)包括一換路器D。
13.如與權(quán)利要求9有關(guān)的權(quán)利要求10所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于它包括一混合裝置(83)，其輸入端與所述磁檢測設(shè)備(80)相連且其輸出端用于傳送反映所述對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的唯一信號(hào)(S)，所述唯一信號(hào)控制所述電流接收裝置(6)。
14.如權(quán)利要求11到13任一項(xiàng)所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述混合裝置(51，83)是由基于邏輯門的電路(60到65，800到805)所形成的。
15.如權(quán)利要求1到14任一項(xiàng)所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述磁檢測設(shè)備(3，80)、所述導(dǎo)體(4)以及所述電流接收裝置(6)至少被封裝在用非磁性材料制作的外殼(1)中，所述導(dǎo)體(4)可從所述外殼(1)的外部被訪問。
16.如權(quán)利要求15所述的用于測量一對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述外殼(1)是由諸如鈦或者不銹鋼的金屬形成的。
17.如權(quán)利要求1到16任一項(xiàng)所述的用于測量對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備，其特征在于所述磁檢測設(shè)備(3，80)與用于其電源的另一導(dǎo)體(5)相連，所述另一導(dǎo)體(5)與所述外殼(1)電連接。
18.一種用于獲取流體數(shù)據(jù)的磁系統(tǒng)，其特征在于它包括如權(quán)利要求1到17任一項(xiàng)所述的測量設(shè)備，并且所述對(duì)象(3)的形式是與至少一個(gè)磁體(31)集成在一起的一無磁性螺旋槳(30)。
19.如權(quán)利要求19所述的用于獲取數(shù)據(jù)的磁系統(tǒng)，其特征在于所述螺旋槳(30)和所述測量設(shè)備沿所述螺旋槳的軸向具有彼此相同的線路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量靠近其放置的對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)備。它包括磁檢測設(shè)備(2)，用于響應(yīng)產(chǎn)生磁場變化的對(duì)象(3)的旋轉(zhuǎn)來傳送表示其速度及其旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，導(dǎo)體(4)，用于與電源相連以便至少向磁檢測設(shè)備(2)提供電流，電流接收裝置(6)，設(shè)置在磁檢測設(shè)備(2)和導(dǎo)體(4)之間，用于根據(jù)來自于磁檢測設(shè)備(2)的信號(hào)調(diào)制在導(dǎo)體(4)中流經(jīng)的電流(Iout)，所述調(diào)制電流(Iout)反映對(duì)象(3)的速度和旋轉(zhuǎn)方向。尤其在石油工業(yè)中特別適用。
文檔編號(hào)G01P3/42GK1672014SQ03817654
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2003年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月23日
發(fā)明者瑪麗安·福爾, 雅克·塞林, 伯納德·帕門蒂爾 申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格海外股份有限公司