专利名称：利用线圈电感变化的测位装置、浮标型流量计及测位方法
技术领域：
本发明涉及利用线圈电感的变化来测量位置的测位装置，它适合作为微流量计，可以在例如10到100[ml/min.]的流率范围内测量流率，或者作为长度测量单元用来测量活塞杆在移进或移出套管时活塞杆的长度，本发明还涉及浮标型流量计，以及位置测量的方法。
背景技术：
市场需求一种浮标型流量计，它可以以电的方式而不是通过视觉来探测流体中浮标的位置。这种浮标型流量计需要应用在当流体颜色很深以致浮标的位置不能够在视觉上发现，或者当需要使用所探测的浮标位置来自动控制流体速度的情况下。
一种常规的电探测流体中浮标的位置的浮标型流量计在例如日本已公开的专利文本No.10-38644中描述。
所公开的浮标型流量计包含一个浮标，它的位置根据圆筒管中流过的流体的速率而变化。圆筒管用金属制成，浮标用可以磁性渗透的材料制成。初级线圈及次级线圈缠绕在圆筒管上，浮标作为磁芯使用，组成了按比例变化的差接变压器用于以电的方式直接检测浮标的位置。
但是，已公开的浮标型流量计只有在浮标的长度大于线圈的全长时才能够测量预期的流率。而且成比例变化的差接变压器的结构复杂。
具有线性连续的微小磁铁(minute magnets)，即所谓的磁屑(Magnescale)的杆可以作为长度测量单元使用，用来测量活塞杆在移进或移出套管时活塞杆的长度。但是，使用这种长度测量单元是昂贵的，并且电路结构会变得复杂。

发明内容
为此，本发明的目标就是提供一种结构简单，成本低廉，并且可以生成电输出信号的测位装置、浮标型流量计、以及位置测量的方法。
本发明涉及的测位装置，浮标型流量计、以及位置测量的方法使用由交流电流激励的线圈，并且包含这样缠绕的导体，使得生成的磁通量密度沿着线圈的轴线方向逐渐变化(减少或者增加)。沿着线圈轴方向相对移动的、包含磁性材料的移动元件(moving element)的位置可以根据由于移动元件相对于线圈的移动而在线圈电感上产生的变化来测量。
特别地，本发明所涉及的测位装置包括线圈、移动元件、电感变化探测器、以及位置计算器。线圈具有这样缠绕的导体，使得生成的磁通量密度将沿着线圈轴向方向逐渐变化。移动元件由磁性材料制成，它可以平行于线圈轴移动。电感变化探测器检测到由移动元件的移动引起的线圈的电感值的变化，该线圈由加到线圈上的交流电流激励。然后位置计算器根据探测到的线圈电感值的变化来确定移动元件在轴线方向上的位置。
通过以上设置，生成沿着线圈轴线方向逐渐变化的磁通量密度的、具有由导体缠绕的线圈由交流电流激励，并且由磁性材料制成的移动元件平行于经过激励的线圈的轴线方向移动。这时，当移动元件向磁通量密度较大的线圈区域移动时，电感经历了的变化要比向磁通量密度较小的线圈区域移动时电感经历了的变化要大。根据以上原理，可以确定移动元件在轴线方向的位置。
因此，移动元件的长度要比线圈总的长度要小。这个线圈要比差接线圈结构简单。另外，移动元件的位置可以作为电输出信号来确定。
电感变化探测器可以包含LC振荡电路，用于将电感值的变化转换成振荡频率的变化。
电感变化探测器可以包含交流电流源，用来供给线圈恒定频率的恒定交流电流，还包含电压表，用来在线圈以恒定交流电流源供电的时候，测量线圈之间产生的与其电感相关的电压值，由此可以通过电压表将电感值的变化转换为电压的变化。或者，电感变化探测器可以包含交流电压源，用来供给线圈恒定频率的恒定交流电压，还包含电流表，用来在线圈以恒定交流电压源供电的时候，测量线圈之间产生的与其电感相关的电流值，由此可以通过电流表将电感值的变化转换为电流的变化。
线圈可以在垂直于轴线方向上具有恒定横截面形状，其间隔逐渐变化。
线圈可以缠绕在外表面上具有引导槽的杆或者空心杆上，这些引导槽将引导线圈的走线。
或者，线圈可以包含恒定横截面形状，它的大小在垂直于轴线的方向上逐渐变化，其间隔恒定。这样，缠绕的线圈彼此之间将更加紧密。
另外，当线圈包含恒定横截面形状，但是它们的大小在垂直于轴线的方向上逐渐减小时，其间隔也将逐渐减小。而当线圈包含恒定横截面形状，但是它的大小在垂直于轴线的方向上逐渐增大时，其间隔也将逐渐增大。通过以上设置，由线圈产生的磁通量密度可以在轴线方向上突然变化，产生的结果就是线圈电感的突然变化。
线圈可以包含多个线圈串联连接的串联线圈，它们包含分别缠绕的导体，这样生成的磁通量密度可以沿着轴线方向逐渐变化。
由于本发明所述的线圈包含多个串联连接的线圈，所以移动元件可以在比单个线圈更大的范围内移动。
根据本发明，本发明还提供了浮标型流量计，它可以根据放置在管道中可以移动的浮标的位置来测量在具有垂直轴的管道中向上流动的流体的速率，浮标型流量计包含用导体缠绕在管道上的线圈，由此生成的磁通量密度沿着轴线方向逐渐变化，管道是由不导电的材料制成的，浮标内部包含磁性材料，电感变化探测器用来探测由浮标的移动引起的、由交流电流激励的线圈的电感值的变化，以及位置计算器用来根据探测到的线圈电感值变化确定浮标在轴线方向上的位置。
由于浮标的移动取决于流体在管道中流动的速率，并且线圈的电感值随着浮标的移动发生变化，所以浮标的位置可以被以电的方式检测到。由于浮标的不同位置可以和流体的不同速率一一对应，所以检测到的浮标的位置可以立即转换成相应的流体的速率。浮标的长度可以小于整个线圈的长度。本发明所涉及的浮标型流量计由于不需要使用成比例变化的差接变压器，所以结构上相对简单。
本发明所涉及的移动位置测量装置包括具有导体缠绕的线圈杆，由此生成的磁通量密度可以沿着线圈的轴线方向逐渐变化，由磁性材料制成的空心轴在杆的上方进行伸缩运动，还包括电感变化探测器，用来探测由空心轴移动引起的线圈电感值的变化，以及位置计算器，用来根据探测到的线圈电感值变化确定空心轴在轴向方向的位置。
这样构成的移动位置测量装置可以通过简单的设置确定空心轴在轴向方向上的位置，而不需要磁屑。
移动位置测量装置进一步包含多个安装在杆的一端上的齿，该杆设置在空心轴内部，且这些齿沿着和空心轴的内壁表面的相反方向滑动，用来在当空心轴在杆上进行伸缩运动时保持杆和空心轴的轴线对齐。这样，杆就可以容易固定在空心轴的里面了。
杆可以包含至少嵌入其中心轴区域内的磁性材料，这样在空心轴移动的时候电感值变化较大。
本发明所涉及的位置测量的方法包含如下步骤用交流电流给具有导体缠绕的线圈激励，由此生成的磁通量密度可以沿着线圈轴线方向逐渐变化；移动具有磁性材料的移动元件，使之平行于线圈轴线方向移动；检测由移动元件的移动引起的线圈的电感值的变化；最后根据检测到的线圈上电感值的变化确定移动元件的位置。
以上方法可以由测位装置、浮标型流量计、长度测量单元或类似装置来实现。
线圈可以缠绕在外表面上有引导槽的杆或者空心杆上，这些引导槽可以引导线圈的导体沿着引导槽绕线。这样线圈可以容易生产。
以上及本发明的其他目标、特征及其优点在下面结合图示的描述中将变得更加明显，这些图示以示例的方式显示了本发明的优选实施例。


图1是本发明的一个实施例中测位装置的透视图，其中部分是框图的形式，该装置用于测量线圈的电压以确定线圈电感值的变化；图2显示了测位装置的线圈的间隔；图3是测位装置可能使用的另一种线圈的透视图；图4是显示电压如何根据移动元件在轴线上位置变化(和电感值如何变化相关)而变化的图示；图5是测位装置可能使用的另一种线圈的透视图；图6是本发明另一个实施例中测位装置的透视图，其中部分是框图的形式，该装置用于测量线圈的频率以确定线圈电感值的变化；图7是显示频率如何根据移动元件在轴线上位置变化(和电感值如何变化相关)而变化的图示；图8是本发明所述的位置测量方法的操作顺序的示例流程图；图9是本发明的另一个实施例中桥型测位装置的透视图，其中部分是框图的形式，该装置用于测量线圈的电压以确定线圈电感值的变化；图10是显示如图9中所示的桥型测位装置的电压如何根据移动元件在轴线上位置变化(和电感值如何变化相关)而变化的图示；图11是本发明的另一个实施例中浮标型测位装置的正视图，其中部分是框图的形式；图12是浮标型流量计中浮标的截面图；图13是本发明的另一个实施例中移动测位装置的截面图，用来检测活塞杆的位置；图14显示了如图13所示的移动测位装置中安装在杆中的活塞杆的截面图，该杆上有线圈缠绕；图15是本发明的另一个实施例中移动测位装置的截面图，它包含另一个有线圈缠绕在其上的杆；图16是图15沿着直线XVI-XVI的截面图；及图17是本发明的另一个实施例中移动测位装置的截面图，它包含另一个有线圈缠绕在其上的杆，该杆包含磁性材料的芯棒。
具体实施例方式
图1显示了根据本发明的一个实施例的测位装置10的原理的示意图。
测位装置10具有圆柱体线圈16，它是由导体12缠绕在作为线轴的空心杆14上构成的。缠绕线圈16的导体12由直流电供电，也就是当导体12由直流电激励或者由交流电激励的时候，所生成的磁通量密度沿着线圈16的轴线方向A逐渐变化。
线圈16具有终端22，24，分别位于导体12上相对的端点上。线圈16垂直于轴线方向A的截面图形状是具有恒定面积的圆环形。导体12按照从导体12一端的位置x1到另一端的位置x2逐渐减小的间隔被缠绕。线圈16并不仅限于图1所示的圆环形横截面形状，而可以具有任何适合的形状，如三角形，方形，或者是椭圆形的横截面形状。
为了使导体12的间隔逐渐减小并且精确，用诸如氟树脂或者类似的合成树脂制成的空心杆14在其外表面上具有充分螺旋状的引导槽(图中没有显示)，用来引导导体12的绕线。本实施例中的导体12是绝缘的电线，例如直径为0.2[mm]的漆包铜线。此外，在本实施例中空心杆的外直径范围是8-10[mm]。
正如用示意图在图2中着重显示的，线圈16的第一匝绕在接近于终端24的端点位置x2处，并且间隔以每匝2/100[mm]逐渐增大，逐渐从端点位置x2处绕到端点位置x1处(见图1)。在图2中，导体12的直径为d。线圈16上的线圈匝在图2中按照等差级数缠绕，它们也可以按照指数规律缠绕。
如图3所示，缠绕在图1所示的空心杆14上的圆柱体线圈16可以替换成圆锥体线圈30，此时导体12缠绕在空心的圆锥体线轴17上，这样由导体12生成的磁通量密度沿着空心的圆锥体线轴17的轴线方向A逐渐变化。
线圈30按照恒定的间隔缠绕。线圈30垂直于轴线方向A的截面图形状是相似的圆环形，其大小沿着轴线方向A逐渐变化。在图3中，圆环形的线圈30的截面形状从端点位置x2到端点位置x1逐渐增大。线圈30并不仅限于圆环形横截面形状，而可以是任何所希望的横截面形状。如果线圈30按照一定的间隔缠绕，那么圆锥体线轴17在其外表面上应具有引导槽，来引导线圈30的绕线。但是，线圈30匝上的线圈可以紧挨着缠绕在圆锥体线轴17上，而并不需要引导槽，使线圈30的成本降低。通过线圈30上的紧挨着缠绕的线圈匝，根据线圈30横截面形状的大小，使得由线圈30生成的磁通量密度沿着轴线方向A逐渐变化。由于线圈30上紧挨着缠绕的线圈可以有效地增加由线圈30生成的磁通量密度，测位装置10其他部件所要求的性能就不需要有很高的效率。
线圈16和30的导体12最好是导电涂层的形式，而不是电线的形式，这样就允许空心杆14及圆锥体线轴17可以是玻璃或者陶瓷的。
如图1所示，测位装置10基本上包含了线圈16，由磁性材料构成的移动元件20，它设置在线圈16内并且可以平行于线圈16的轴线A移动，还包括连接到线圈16终端的22，24的电感变化探测器18，用来探测由移动元件20沿着轴线A移动引起的线圈16的电感值变化，及电压-位置转换器26，它作为位置计算器连接到电感变化探测器18，用来确定移动元件20在轴线A上的位置。
本实施例中的移动元件20是完全的圆柱体形状，并且由铁氧体制成，它是高度磁性渗透的物质。移动元件20在轴线A上的长度比线圈16的整个长度要小得多，例如为线圈16的整个长度的五分之一。移动元件20最好位于线圈16的外面，而不是在它内部。
电感变化探测器18包含恒定的交流电流源28，用来通过终端22，24给线圈16提供恒定频率的交流电流，及电压表32，用来测量在线圈16由所提供的恒定交流电流激励时，在线圈16之间产生的与线圈16电感相关的电压Va。电压Va由线圈16的阻抗和流过线圈16的电流相乘得到。
电压-位置转换器26由例如微型计算机组成。特别地，微型计算机具有CPU(中央处理器)，它有控制、计算、以及判断功能，还具有ROM(只读存储器)来存储程序等等，还有EEPROM(电可擦除只读存储器)来存储电可擦除的数据，还有RAM(随机存储器)，用于A/D转换器和D/A转换器的输入/输出接口，时钟，计数器，计时器等等。
当铁氧体制成的移动元件20从线圈16上线圈密度较低的端点位置x1向线圈16上绕线密度较高的端点位置x2移动时，由线圈16产生的磁通量的集中程度(例如，磁通量密度)将会增加。因此线圈16的电感值在间隔减小时将增加。因此，线圈16上产生的与其上的电感值相关的电压Va将会与电感值的变化成比例地增加。
在图4中，实曲线表示了由线圈16的电感值产生的电压Va的电压变化特征36，它从电压V1变化到电压V2。在图3中圆锥形线圈30上产生的电压也按照电压变化特征36上的实曲线变化。
正如可以从实曲线上看到的，当移动元件20从端点位置x1向端点位置x2沿着轴线方向移动一段距离x[m]的时候，电压Va[V]的变化率(电压除以移动元件20的单位移动距离)增大。
存储器，如电压-位置转换器26的EEPROM，将电压变化特征36存储为一个表或者一个计算公式。电压-位置转换器26的CPU参考电压变化特征36的表或者使用电压变化特征36的计算公式来根据从电压表32输入的电压Va确定移动元件20的位置x。
电压Va的电压变化特征36可能会因为时间发生变化。因此，过了特定的一段时间，就应该学习(测量)电压Va的电压变化特征36，且存储器的内容，如电压-位置转换器26的EEPROM的内容应该更新为所学习的电压变化特征36。通过这种方法，测量到的移动元件20的位置x就可以有很高的精度。
所测量的移动元件20的位置将在如液晶显示屏或者其他类似的显示单元40中通过电压-位置转换器26显示，并且作为模拟或者数字信号输出到输出终端42。
通过如上所述的图1的测位装置10，移动元件20的长度小于线圈16的整个长度。由于测位装置10不使用成比例变化的差接变压器，它的配置相对简单。产生的结果就是，测位装置10成本低，并且可以生成高精度的输出信号。
图1中的电感变化探测器18具有恒定交流电流源28，用来使用恒定的交流电流来激励线圈16。然而，电感变化探测器18也可以通过恒定的交流电压来激励线圈16。特殊地，如图1中括号内所示，恒定交流电流源28可以替换为恒定交流电压源，来为线圈16提供恒定的交流电压，将电压表32替换为电流表，用于在为线圈16提供恒定的交流电压激励的时候，根据其上的电感值测量流过线圈16的电流值Ia，将电压-位置转换器26替换为电流-位置转换器，以将线圈16电感值的变化转换成电流Ia的变化。
图5显示了另一种线圈46，它的使用使电压变化特性36更加陡峭。线圈46是圆锥形，具有连续的线圈匝，从端点位置x1到端点位置x2随着线圈46的垂直于轴线A方向的圆环形横截面大小逐渐变小，线圈的间隔也逐渐变小。反过来说，随着线圈46的圆匝形横截面形状逐渐变大，线圈的间隔也逐渐变大。
当移动元件20从端点位置x1向端点位置x2移动时，由线圈46产生的磁通量的集中程度(例如，磁通量密度)将会急剧增加。因此，线圈46的电感值在间隔减小时将急剧增加。图4中，点划曲线展示了电压变化特征48，它显示了在线圈48上产生的电压Va，它从电压V1变化到电压V3。使用线圈46，移动元件20在轴线方向A上的位置就可以更精确地检测到。
图6显示了根据本发明的另一个实施例的测位装置52的设置原则。
如图6所示，测位装置52可包含图3所示的线圈30。但是，测位装置52也可以包含图1所示的线圈16或者图5所示的线圈46。
测位装置52包含电感变化探测器54，它包含连接到线圈30两端的电容器60，由线圈30的电感和电容器60的电容构成的LC电路，包含连接到LC电路上的LC振荡电路56，及连接到LC振荡电路56的输出终端的频率计数器58。
频率计数器58具有连接到频率-位置转换器62的输出终端，它由微型计算机组成。频率-位置转换器62连接到显示单元40和输出终端42。
测位装置52按照下列方式工作。当移动元件20在轴线方向A上移动时，线圈30的电感值发生变化，引起LC振荡电路56的振荡信号的频率fa发生变化。频率fa由线圈30的电感和电容器60的电容确定。这时，线圈30由交流电流激励。
来自LC振荡电路56的振荡信号频率fa由频率计数器58来检测，并作为振荡频率fa提供给频率-位置转换器62。
频率-位置转换器62参考图7所示的存储在其自身的存储器的频率变化特征66表。频率变化特征66展示了根据线圈30的电感变化的振荡频率fa与位置x(从x1到x2的一个位置)的关系，且频率-位置转换器62从频率变化特性66表中确定移动元件20当前的位置x。所确定的当前的位置x在显示单元40中显示，或者提供给输出终端42。
由图1和图6所示的测位装置10，52实现的位置测量方法如下。如图8所示，线圈16、30或46包含导体12，它被这样缠绕，使得由导体12生成的磁通量密度沿着轴线方向A逐渐变化，在步骤S1中已准备好。
然后，在步骤S2中，磁性材料的移动元件20平行于线圈16、30或46的轴线方向A移动，如果需要，就停止移动。
移动元件20的移动引起了线圈16、30或46电感值的变化，这一变化在步骤S3中被检测到。根据电感值的变化，移动元件20在轴线方向上的位置在步骤S4中被计算出来。
上面所述的位置测量的方法可以使用简单的配置完成位置x的测量。
图9显示了本发明的另一个实施例所述的桥型测位装置72的设置原则。
如图9所示，桥型测位装置72包含线圈76，该线圈包含两个图1所示的线圈16。这两个线圈16的端点处的线圈匝紧紧缠绕着，它们串联连接。桥型测位装置72也可以包含2个如图3或者图5所示的线圈30或者线圈46，它们以同样的方式串联连接。
桥型测位装置72电感变化探测器84。这个电感变化探测器84包含串联连接在一起并且具有相同阻值的一对电阻78、80，还包含恒定的交流电压源82，用来提供具有恒定频率的交流电压，以及电压表32。
串联的电阻78，80并联连接到对面的线圈76的终端22，23上，并且恒定的交流电压源82连接到终端22，23之间。这样线圈16和电阻78，80连接成桥。在电阻78，80之间连接处的中点和线圈16连接到位置x2的终端24，或者线圈76中点的电压Vb送入电压表32。
电压表32具有连接到电压-位置转换器85的输出终端，它连接到显示单元40和输出终端42。
桥型测位装置72操作如下。当移动元件20沿着轴线方向A移动时，线圈76的电感值发生了变化，引起了线圈76中点的电压Vb的变化。
电压表32检测到电压Vb并把测量到的电压Vb送到电压-位置转换器85。
电压-位置转换器85参考图10所示的存储在自身存储器的频率变化特征86表。频率变化特征86展示了根据线圈76的电感值变化的电压Vb(从-V4[V]到0[V]到+V4[V])与位置x(从位置x1到位置x2到位置x3的一个位置)的关系，且电压-位置转换器85从频率变化特性86表中确定移动元件20当前的位置x。所确定的当前的位置x在显示单元40中显示，或者提供给输出终端42。
图9所示的桥型测位装置72，可以在较长的移动范围内测量移动元件20的位置。
图11显示了本发明的另一个实施例所述的浮标型流量计90。
如图9所示，浮标型流量计90包含具有垂直轴的管道91及位于管道91之中的活动的浮标92。浮标型流量计90根据浮标92的位置测量管道91中流体向上流动的速率。
管道91由诸如玻璃、氟树脂或者类似的非导体材料制成。管道91中空的空间是锥形(圆锥形)的，逐渐向顶端延伸。通过增加中空空间的有效横截面面积，即使在管道91的长度较短的情况下流体可以被测量的速率仍是很大的。
线圈94包含导体12，这样缠绕在管道91上，使得当供给线圈94直流电流的时候，由线圈94此生成的磁通量密度沿着轴线方向A变化。
浮标92在功能上等效于图1所示的移动元件20，如图12所示，它完全是带尖端的螺丝钉形状，具有圆柱形的柄，在柄的两端分别是圆锥和凸缘(flange)。浮标92包含由如铁氧体等具有磁性的磁性渗透材料制成的圆柱形(或中空圆柱形)芯96，覆盖在外面的保护壳(casing)98由诸如氟树脂或类似的合成树脂制成。在浮标92中包含这样的磁性材料来集中磁通量是必须的。事实上，在浮标92的凸缘处提供了槽，这样允许浮标92可以自由旋转并防止气泡的附着。如果浮标92上附着有气泡，将会导致测量错误。
在线圈94的终端22，24之间，连接着包含电感变化探测器18的测位装置，该电感变化探测器18和图1所示的电感变化探测器18相同，还包含电压-位置(流率)转换器100，显示单元40，及输出终端42。
当包含磁性材料的浮标92在轴线方向A上(垂直方向)移动时，它所引起的电感的变化被电感变化探测器18检测到，电感变化探测器18根据检测到的电感的变化产生电压Va。
电压-位置(流率)转换器100参考存储在其自身的存储器中的电压变化特征表(没有在图中显示，但是与图4所示的电压变化特征36表相似，在这里电压Va转换为流率F)。电压变化特征86展示了根据线圈94的电感值变化的电压Va和流率F与位置x(从位置x1到位置x2的一个位置)的关系，并确定浮标92的位置x，即流率F。所确定的流率F在显示单元40中显示，或者提供给输出终端42。
通过浮标型流量计90，浮标92在轴线方向A上根据流体在管道91中的速率移动，并且线圈94的电感随着浮标92的移动变化。因此，浮标92的位置，也就是流率F可以被以电的方式检测到。由于可以检测到电感的变化，浮标92的长度可以小于线圈94的整个长度。由于浮标型流量计90不使用成比例变化的差接变压器，它的配置相对简单。
浮标型流量计90可以包含图6中的测位装置52。
浮标型流量计90适合作为微型流量计使用，它可以测量范围在10到100[ml/min]的流率。这样的微型流量计可以应用在半导体制造技术领域中的为晶片提供精确速率的化学溶液或者纯净水的系统中。
图13和14显示了根据本发明的另一个实施例的移动位置测量装置120的横截面。
如图13和14所示，移动位置测量装置120包含圆柱形的管道114和装配在圆柱形的管道114相对的两端的底板116，118，还包含流体的入口/出口端口122，124。除了圆柱形管道126，移动测位装置120还包括由封闭的支架128支撑的以悬臂方式悬在底板118上的杆130，以及具有空心轴的活塞杆132，它可以沿轴线方向A装配在杆130之上。
活塞杆132还具有凸缘136及空心轴134，空心轴的一端具有基座，并且用诸如铁的磁性材料制成。凸缘136的外部圆周边缘在轴线方向A上以和圆柱形管道114的内圆周表面相反的方向滑动。空心轴134外部圆周表面以和环状绝缘层138的内圆周表面相反的方向滑动，该环状绝缘层138和底板116同轴。
线圈142包含缠绕在杆130上的导体12，使得当供给直流电的时候，由线圈142产生的磁通量密度将沿着轴线方向A发生变化。
线圈142的终端22，24延伸到底板118之外，并且连接到测位装置10，该测位装置包含电感变化探测器18，此电感变化探测器进一步包含如图1所示的恒定交流电流源28和电压表32，或者连接到测位装置52，它包含电感变化探测器54，该电感变化探测器进一步包含图6所示的LC振荡电路56。
当磁性材料制成的活塞杆132在轴线方向A上以和圆柱形管道114的内圆周表面相反的方向滑动时，或者反过来说，当活塞杆132的空心轴134在杆130上伸缩滑动时，线圈142的电感值发生变化，并且线圈142电感值的变化被电感变化探测器18，54检测到。由电感变化探测器18、54输出的电压Va或者频率fa被送到电压-位置转换器26或者频率-位置转换器62，在那里确定活塞杆132移动到的位置，也就是空心轴134移动到的位置。
这样，移动测位装置120也具有长度测量单元的功能，用来测量从底板116伸出的活塞杆132的长度，也就是空心轴134的长度。
移动测位装置120可以通过简单的设置确定空心轴134在轴线方向A上移动到的位置，而不需要使用背景技术中所描述的磁屑。
图15是本发明的另一个实施例所述的移动测位装置120的截面图，且图16是图15在直线XVI-XVI上的横截面视图。如在图15和16中所示的，该实施例所述的移动测位装置120具有包含四个齿154的杆152，这些齿用诸如聚甲醛的光滑的合成树脂制成，并且这些齿以90度的角度间隔隔开，安装在空心轴134的远端。这四个齿154具有径向向外的端部，以和空心轴134的内圆周表面相反的方向滑动。线圈142缠绕着杆152。
当杆152在空心轴134中伸缩移动时，四个齿154以和空心轴134的内圆周表面相反的方向滑动，保持杆152的轴线和空心轴134的轴线对齐。这样悬臂杆152就可以容易地和空心轴134的轴线对齐了。
最好提供至少三个齿154(这些齿以120度的角度间隔隔开)，用来保持杆152的轴线和空心轴134的轴线对齐。如果使用数目更多的齿154，就会增加摩擦阻力，同时增加流体流过齿154时的阻力。因此，需要选择与移动测位装置的大小和应用相匹配的齿的数目和形状。尽管优选地采用至少三个齿154，采用两个齿154(以180度的角度间隔隔开)也可以有效地保持杆152与空心轴134轴向对齐。
图17是本发明的另一个实施例所述的移动测位装置120的横截面。图17中的移动测位装置120具有包含芯棒158的杆160，该芯棒158完全嵌入其中心轴区域内，并且用诸如铁氧体的磁性材料制成。杆160代替图13和15中的杆130、152。包含芯棒158的杆160使增加线圈142的电感值成为可能，该电感值在杆160相对于空心轴134移动时产生。如果在杆160移动时发生的线圈142的电感值的变化和图13所示的变化相同，那么在杆160上缠绕的线圈142的线圈可以在数目上或者直径上减少。
本发明的原理也可以应用于其他装置，例如，液位计，它将移动元件20作为浮标包括在内。
依照如上所述的本发明的测位装置、流量计等等，它们结构简单并且可以产生电输出信号，所以制造的成本低廉。
虽然本发明特定的优选实施例已经详细展示和说明了，仍应了解对其所作的不同的改变及修正没有背离权利要求的范围。
权利要求
1.测位装置，包括缠绕的线圈(16，30，46，76)，使得由此产生的磁通量密度沿着所述线圈的轴线方向逐渐变化；移动元件(20)，由磁性材料制成，可以平行于所述线圈的轴线方向移动；电感变化探测器(18)，用来检测由所述的移动元件的移动所引起的所述线圈的电感变化，所述的线圈由加到其上的交流电流激励；及位置计算器(26)，用来根据检测到的所述的线圈上电感值的变化确定所述的移动元件在所述的轴线方向上的位置。
2.如权利要求1所述的测位装置，其中所述的电感变化探测器包含LC振荡电路(56)，用来将所述的电感值的变化转换为振荡频率的变化。
3.如权利要求1所述的测位装置，其中所述的电感变化探测器(18)包含交流电流源或者交流电压源(28)，用来供给所述的线圈具有恒定频率的恒定的交流电流或者恒定的交流电压，及电压表或者电流表(32)，用来测量当所述的线圈由恒定的交流电流供电或者由恒定的交流电压供电时，所述线圈上与其电感值相关的电压，或者测量所述线圈上流过的与其电感值相关的电流，由此所述的电感值的变化就可以被电压表或者电流表转换成电压的变化或者电流的变化。
4.如权利要求1所述的测位装置，其中所述的线圈在垂直于轴线方向上具有恒定横截面形状，且所述线圈的缠绕间隔在轴线方向上逐渐变化。
5.如权利要求1所述的测位装置，其中所述的线圈(30)在具有相同的横截面形状，但是其大小沿着垂直于轴线方向上逐渐变化，且所述线圈的缠绕间隔在轴线方向上是恒定的。
6.如权利要求1所述的测位装置，其中所述的线圈(46)在具有相同的横截面形状，但是其大小沿着垂直于轴线方向上逐渐减小，且所述线圈的缠绕间隔在轴线方向上逐渐减小。
7.如权利要求1所述的测位装置，其中所述的线圈是有多个串联连接的缠绕线圈组成的串联线圈(76)，由此产生的磁通量密度沿着轴线方向逐渐变化。
8.用来测量流体向上流经管道(91)的速率的浮标型流量计(90)，具有垂直轴，它根据设置在所述的管道(91)内可移动的浮标的位置来进行测量，所述的浮标型流量计(90)包括缠绕在管道上的线圈(94)，使得由此产生的磁通量密度沿着所述线圈的轴线方向逐渐变化，所述的管道是由不导电的材料制成的；所述的浮标在其中包含磁性材料(96)；电感变化探测器(18)，用来检测由所述的浮标的移动所引起的所述线圈的电感变化，所述的线圈由加到其上的交流电流激励；及位置计算器(100)，用来根据检测到的所述的线圈上电感值的变化确定所述的浮标在所述的轴线方向上的位置。
9.移动测位装置，包括缠绕有线圈的杆(130)，使得由此产生的磁通量密度沿着所述线圈的轴线方向逐渐变化；由磁性材料制成的空心轴(134)，它可以在所述的杆上伸缩移动；电感变化探测器，用来检测由所述的空心轴的移动所引起的所述线圈的电感变化；及位置计算器，用来根据检测到的所述的线圈上电感值的变化确定所述的空心轴在所述的轴线方向上的位置。
10.如权利要求9所述的移动测位装置，还包括多个安装在所述杆的一端的齿(154)，这个杆设置在空心轴内，所述的齿(154)沿着和所述的空心轴内壁表面的相反方向滑动，用来在当所述的空心轴在所述的杆上伸缩移动时保持所述的杆的轴线和所述的空心轴的轴线对齐。
11.如权利要求9所述的移动测位装置，其中所述的杆包括至少嵌入其中心轴区域的磁性材料(158)。
12.位置测量的方法，包含的步骤如下用交流电流给缠绕的线圈激励，使得由所述的线圈生成的磁通量密度沿着所述的线圈的轴线方向逐渐变化(S1)；沿着所述的线圈的轴线方向移动磁性材料制成的移动元件(S2)；检测由移动元件的移动引起的所述的线圈电感值的变化(S3)；及根据检测到的所述的线圈电感值的变化确定移动元件在所述线圈的轴线方向上的位置(S4)。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述的线圈所缠绕的杆或者空心杆在其外表面具有引导槽，可以通过所述的引导槽引导所述线圈的绕线。
全文摘要
浮标型流量计(90)，根据设置在所述的管道(91)内可移动的并且包含磁性材料的浮标(92)的位置测量流体向上流过管道(91)的速率。线圈(94)缠绕在管道(91)上，使得线圈的间隔在轴线方向上逐渐减小。线圈(94)由来自电感变化探测器(18)的交流电流供电并激励。电感变化探测器(18)检测到由浮标(92)在轴线方向(A)上的移动所引起的线圈(94)的电感变化，并产生一个电压(Va)。电压－位置(流率)转换器(100)通过和浮标(92)的位置相应的电压(Va)确定流率(F)。
文档编号G01B7/00GK1467483SQ0314120
公开日2004年1月14日 申请日期2003年6月6日 优先权日2002年6月7日
发明者冨田清二, 川崎節郎, 五月女元広, 渡边毅, 元, 田清二, 郎 申请人:Smc株式会社