用于流体流动控制装置的位置传感器的制作方法

1.本发明涉及一种用于确定控制阀中阀构件位置的位置传感器，尤其涉及一种测量磁场强度的电子位置传感器。


背景技术：

2.在管道和导管等流体流动系统中，例如在许多不同的工业环境中，如石油和气体燃料工业中，需要控制通过导管的流体流中的流体流动。诸如流体流动控制阀和压力调节器的装置可用于控制或调节通过导管的流体流动或压力。这些装置可以提供所需的流量，或上游或下游压力，因此可以控制在完全打开和完全关闭位置之间的范围。或者，这些装置可以简单地充当截止阀，在完全打开和完全关闭位置之间移动。
3.阀构件通常是这些阀中的移动部件，并且被致动以打开和关闭该阀。因此，为了精准和确定地控制流量或压力，对于用户，知道阀构件的位置可能很重要，因为这将决定流动被节流的程度。在阀完全打开或完全关闭很重要的应用中(例如在紧急情况下)，可以确定阀构件的位置，以向用户保证阀已经相应地被致动。
4.附接到阀构件的磁体和附接到阀壳体的磁场传感器可用于确定阀构件的位置。然而，由于磁体的磁场强度会随着时间的推移和温度的变化而降低，如果不定期重新校准磁场传感器，就会导致精度下降。例如，在阀安装在偏远(例如，地下或海底)位置的情况下，这可能是昂贵且不切实际的。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种改进的位置传感器，用于确定流体流动控制装置中的阀构件的位置。
6.当从第一方面看时，本发明提供了一种用于控制流体通过导管从装置的上游侧到装置的下游侧的流动的装置，该装置包括:
7.阀壳体，其内限定有阀孔；
8.阀构件，该阀构件相对于阀孔可移动地安装，并且布置成在选择性地打开和关闭阀孔的方向上往复移动；
9.磁体，其安装在阀构件上或相对于阀构件安装，其中磁体被布置成通过阀构件在平行于阀构件位移方向的方向上的位移而移动；和
10.多个磁场传感器，安装在阀壳体上的多个不同位置。
11.本发明提供了一种流体流动控制装置(例如，控制阀或压力调节器)，其中阀构件控制通过限定在装置壳体中的阀孔的流体流动，从而允许安装有装置的导管中的流体流动在装置的上游侧和下游侧之间受到控制。安装在阀构件上或相对于阀构件安装的磁体和安装在阀壳体上的多个磁场传感器(用于测量磁体的磁场(例如强度和/或角度))，一起允许确定阀构件在流体流动控制装置中的位置，例如，由于磁体的磁场相对于磁场传感器的相对运动，使用磁场传感器的电输出。
12.磁体被安装成通过阀构件在与阀构件相同的方向上的往复运动而移动(允许根据磁体的检测位置确定阀构件的位置)。因此，磁体相对于(例如，朝向和远离)阀孔移动(并且也相对于壳体的其余部分移动)。多个磁场传感器安装在壳体上，例如，相对于阀孔的固定位置，使得磁体由阀构件相对于磁场传感器移动。磁场传感器被布置成检测当磁体相对于它们移动时它们从磁体检测到的磁场的变化，这允许确定阀构件的位置。
13.应了解，通过提供多个磁场传感器，可以更准确地确定阀构件的位置(例如，由于可以更准确地测量磁体磁场的运动)。这可以以比使用多轴磁场传感器更经济的方式来执行。然而，可以使用多个多轴传感器。在至少优选实施例中，提供多个磁场传感器可允许针对磁体磁场随时间和/或温度的变化(例如退化)自动校准测量值。
14.流体流动控制装置可以包括任何合适且期望的装置类型，其用于控制通过导管从装置的上游侧到装置的下游侧的流体流动。例如，流体流动控制装置可以包括控制阀或压力调节器。在一些实施例中，该装置可以设置成为截止阀操作，例如，阀构件可以设置成(仅)在阀孔的完全打开位置和完全关闭位置之间移动。在一些实施例中，该装置可被布置为对通过阀孔的流体流量提供更多样的控制，例如，阀构件可被布置为在阀孔完全打开和完全关闭之间的(例如连续的)位置范围之间移动。
15.在一组优选的实施例中，流体流动控制装置包括轴向流体流动控制装置。因此，优选地，通过该装置的主要流体流动是在轴向上。优选地，装置的上游侧和下游侧彼此同轴。因此，优选地，该装置包括阀入口和阀出口，其中阀入口与阀出口同轴。这使得该装置能够容易地插入导管，例如插入一段管道(pipework)。在一组实施例中，该装置包括上游法兰(例如，围绕阀入口)和下游法兰(例如，围绕阀出口)用于连接到导管(例如，相对应的法兰)。
16.优选地，阀孔(例如，限定在阀入口或阀出口中)与装置的上游侧和下游侧同轴(因此，例如，与阀入口和阀出口)。优选地，阀构件与装置的上游侧和下游侧同轴(因此，例如，与阀入口和阀出口)。优选地，阀构件与阀孔同轴。
17.这本身被认为是新颖的和创造性的，因此当从第二方面来看时，本发明提供了一种用于控制流体通过导管从装置的上游侧到装置的下游侧的流动的装置，该装置包括:
18.阀壳体，其中限定有阀入口、阀出口和阀孔，其中阀入口、阀出口和阀孔彼此同轴；
19.阀构件，该阀构件相对于阀孔可移动地安装，并且布置成在与阀孔同轴的轴向方向上往复移动，以选择性地打开和关闭阀孔；
20.安装在阀构件上或相对于阀构件安装的磁体，其中磁体被布置成通过阀构件在平行于阀构件位移方向的方向上的位移而移动；和
21.磁场传感器，安装在阀壳体上。
22.应当理解，本发明的这一方面可以(并且优选地确实)包括一个或多个(例如所有)这里概述的可选和优选特征。
23.因此，在一组优选的实施例中，流体流动控制装置具有延伸穿过该装置的轴线(例如旋转对称轴线)，该轴线与一个或多个(例如所有)阀构件(及其往复运动的方向)、阀孔、阀入口、阀出口、导管的上游侧和导管的下游侧同轴。优选地，阀孔、阀入口、阀出口和导管的(上游和/或下游侧)中的一个或多个(例如全部)围绕轴线，并在垂直于轴线的平面内具有以轴线为中心的横截面区域。
24.尤其(在至少优选实施例中)限定阀孔并且磁场传感器安装在其上的阀壳体可以以任何合适和期望的方式提供。优选地，如果提供的话，壳体限定了阀入口和阀出口。优选地，如果提供的话，壳体包括上游法兰和下游法兰。
25.阀构件可以以任何合适和期望的方式相对于阀孔(并因此相对于壳体)安装，使得阀构件能够往复移动，以选择性地打开和关闭阀孔(或在两者之间设置位置)。在一组优选实施例中，阀构件安装在壳体上。优选地，壳体包括阀芯，阀构件安装在阀芯上。
26.阀构件可以以任何合适和期望的方式安装在壳体(例如阀芯)上。在一个实施例中，阀构件安装在阀芯周围，例如，阀构件可以包括围绕阀芯的外表面并在阀芯的外表面上移动的盖。在一个实施例中，阀构件安装在阀芯中，例如，阀构件可以包括在阀芯内延伸和移动的活塞。因此，优选地，阀芯(例如，阀构件在其上或其中移动的部分)基本上是筒形的(例如，旋转对称的)。
27.安装在阀构件上或相对于阀构件安装的磁体可以包括任何合适和期望的磁体。优选地，磁体包括永磁体。优选地，流体流动控制装置包括围绕磁体的护套。护套有助于保护可能非常易碎的磁铁。护套可以有助于避免磁体与流体流动控制装置的工作流体(即，流过导管的流体，其流动受到控制)接触。例如，当流体流动控制装置用于水工业时，为了监管批准，这可能是必需的。护套也有助于减少磁体移动时的摩擦。
28.优选地，磁体纵向延伸(即长度大于其宽度(例如直径))，例如，在阀构件(以及磁体)被布置成移动的方向上。优选地，磁体是筒形的，例如在圆柱体横截面的投影方向上纵向延伸(沿着圆柱体的长度)。
29.磁体可以以任何合适和期望的方式在阀构件上或相对于阀构件安装。在一组优选实施例中，磁体被安装成使得当磁体被阀构件移动时，例如甚至当阀构件相对于壳体旋转(周向)时，磁体保持相同的周向和/或径向位置(例如相对于壳体和/或流体流动控制装置的轴线)。
30.在操作期间保持相同周向和/或径向位置的磁体有助于保持磁体和磁场传感器之间的相同位置关系(除了磁体与阀构件的预期(例如轴向)位移之外)，并因此保持磁体和磁场传感器之间(例如装置的(例如有色金属)材料(例如塑料或金属))的一致环境。这有助于精确地确定阀构件的位置，例如，即使当阀构件相对于壳体旋转(周向)时(这在操作期间是常见的)，因为磁场传感器所处的(experienced)磁场强度和角度不会随着阀构件的旋转而变化。此外，固定的周向和/或径向位置有助于在磁体退化时保持磁场传感器所处的磁场角度。
31.在一组实施例中，磁体(直接)安装在(即附接到)阀构件上，例如，使得磁体固定地(例如刚性地)连接到阀构件。因此，磁体的运动直接对应于阀构件的运动。磁体可以沿着阀构件的轴线安装，例如安装在阀构件的活塞轴内(将磁体定位在阀构件内有助于将磁体与流体流动控制装置的工作流体隔离)。因此，例如，磁体沿着阀构件的轴线纵向延伸。磁体可包括环形(例如，周向对称)磁体，例如安装在阀构件(例如，轴线)的周围。在阀构件的中心轴线处或围绕阀构件的中心轴线周向延伸设置磁体有助于将磁体保持在相同的周向和径向位置。
32.在一组实施例中，磁体相对于阀构件安装(但不必连接)。因此，优选地，磁体与阀构件是离散的(即，单独的部件)。优选地，磁体由阀构件作用，使得磁体被阀构件在与阀构
件的位移相同的方向上移动。
33.在一些实施例中，磁体可以由阀构件直接作用，例如阀构件可以直接接触磁体。在一些实施例中，磁体可以由阀构件间接作用，例如阀构件可以不直接接触磁体。相反，阀构件可以作用在磁体周围的护套上，或者作用在阀构件和磁体之间的另一个部件上。
34.在一个实施例中，流体流动控制装置包括位于阀构件和磁体之间的间隔件，其中阀构件被布置成使间隔件移动(例如，直接接触)，从而移动磁体(例如，间隔件可以进而直接接触磁体(或其护套))。可以使用间隔件来帮助相对于(例如更接近)磁场传感器定位磁体。
35.在一组实施例中(例如，当磁体没有附接到阀构件或与阀构件成一体时)，磁体朝向阀构件偏置。优选地，流体流动控制装置包括偏置构件(例如(例如压缩)弹簧)，该偏置构件被布置成朝向阀构件偏置磁体。优选地，磁体位于阀构件和偏置构件之间。朝向阀构件偏置磁体有助于保持磁体相对于阀构件的相同(例如轴向)位置(例如保持磁体(或护套或间隔件)与阀构件接触)。
36.优选地，偏置构件被布置成(例如，对磁体施加足够的偏置力)保持磁体(或护套或间隔件)与阀构件接触。然而，优选地，由偏置构件施加在阀构件上的偏置力(例如，通过磁体)与作用在阀构件上的其他力相比可以忽略不计(例如，大约1％)，例如，其他力来自工作流体的(上游或下游)流体压力、作用在阀构件上的控制流体的控制压力和/或作用在阀构件上的(主)偏置弹簧的弹簧力。
37.在一组实施例中(例如，当磁体没有(刚性地)附接到阀构件或与阀构件成一体时)，流体流动控制装置包括(例如，纵向延伸，例如，在轴向方向上)腔体，磁体位于该腔体中并被布置成移动。优选地，偏置构件位于腔体中，例如磁体位于阀构件和偏置构件之间。优选地，偏置构件由有色金属材料制成。
38.优选地，当磁体位于腔体内时，腔体包括压力平衡孔。这有助于将腔体内任何积聚的不希望的压力排出，例如排出到(装置内的)控制空间，腔体通过压力平衡孔与该控制空间流体连接。
39.磁体在朝向阀构件的方向上的位移可能受到磁体组件和/或阀壳体的固定特征的限制。优选地，磁体包括一个或多个沿着磁体轴向延伸的凹槽，并且阀壳体包括从阀壳体突出的止动构件(例如，部分地在腔体的入口上方)，其中止动构件被布置成伸入到一个或多个凹槽中。优选地，止动构件与一个或多个凹槽配合，例如，使得止动构件在磁体移动期间在一个或多个凹槽中运行，并且使得止动构件在磁体的期望(例如，最大)位移处紧靠凹槽的端部，从而使磁体停止移动并将其保持在腔体中。优选地，止动构件与一个或多个凹槽的接合防止磁体旋转，使得磁场的周向不对称不会影响位置测量的精度。优选地，止动构件被布置成当阀构件从阀壳体移除时与一个或多个(例如仅)凹槽的端部接合。因此，在至少优选的实施例中，在流体流动控制装置的正常操作期间，磁体的移动使得止动构件不起到限制磁体移动的作用。
40.磁体可以相对于阀构件安装(并且因此，例如，可以形成腔体)在流体流动装置的任何合适的和期望的部分中。优选地，磁体可移动地安装在壳体(例如，壳体的阀芯)上。优选地，腔体形成在壳体(例如，壳体的阀芯)中。优选地，磁体(例如，磁体的护套)(或例如腔体)暴露于流过流体流动控制装置的工作流体(并且因此例如流体的工作压力)。
41.优选地，磁体(例如，可移动地)安装在从流体流动控制装置(以及阀构件)的中心轴线径向偏移的位置处。这可以有助于将磁体定位得更靠近(例如径向地)磁场传感器。当磁体相对于(因此不是在)阀构件安装时，优选地将其安装(例如在腔体中)以使其保持其周向和/或径向位置，例如，即使当阀构件沿周向旋转时。
42.在一个实施例中，阀构件包括(例如，周向延伸的)环形凹槽，用于接收(例如，定位)磁体(或护套或间隔件)的端部。因此，磁体(或护套或间隔件)的端部优选地与环形凹槽中的阀构件接触(并由此被阀构件移动)。该凹槽有助于保持磁体的径向位置，例如同时允许阀构件沿周向旋转(从而有助于磁体保持其周向位置，即使当阀构件以及磁体沿轴向移动时也是如此)。
43.磁体可以是任何合适和期望的尺寸。优选地，磁体的长度(例如在轴向上)大于阀构件的最大(例如轴向)位移。这有助于在流体流动控制装置(例如壳体)上提供一(例如轴向)位置，在该位置，磁体与阀构件(以及磁体)的所有(例如轴向)位移重叠。优选地，磁体的长度大于或等于阀构件的最大(例如轴向)位移和磁场传感器的(例如轴向)扩展之和。这允许磁场传感器被定位(并且在一个实施例中，它们被定位)成使得它们在阀构件的所有(例如轴向)位移处与磁体重叠。
44.多个磁场传感器可以以任何合适和期望的方式安装在阀壳体上的多个不同位置。在一个实施例中，多个磁场传感器安装在阀壳体的外壳上。这允许容易地访问磁场传感器，例如用于将读出线连接到其上。在一组优选实施例中，多个磁场传感器安装在壳体的阀芯上或阀芯中。这可使磁场传感器位于靠近磁体的位置。
45.例如，当磁体可移动地安装在壳体中(例如，壳体的阀芯)时，多个磁场传感器可位于非常靠近磁体的位置。这有助于减少磁体和磁场传感器之间的材料量，这有助于允许磁场传感器精确测量磁体的磁场，例如由于磁场传感器经过的磁场强度的线性度和梯度增加。在一个实施例中，磁场传感器安装在磁体的30mm内(例如在径向方向上)，例如距磁铁约20mm。
46.在一个实施例中，阀壳体的(例如阀芯)包括一个或多个腔体，磁场传感器位于腔体中。多个磁场传感器可以布置在相同的腔体中或者布置在多个相应的腔体中。
47.优选地，磁场传感器(并且因此，例如，用于磁场传感器的一个或多个腔体)布置在(例如暴露于)大气压力下。优选地，磁场传感器与流体流动控制装置的工作流体(例如，流体压力)隔离(即，不暴露于工作流体)，例如，由于它们安装在阀壳体上或阀壳体内的位置。这使得磁场传感器(以及，例如，任何相关的电子设备)能够在相对安全的环境中运行，并且能够相对容易地访问。例如，磁场传感器可能不需要复杂的密封机构。
48.在一组优选实施例中，磁场传感器固定地(例如刚性地)安装在阀壳体上。例如，提供静态磁场传感器有助于简化任何连接接线和/或电子设备。它还可以允许使用静态密封(相对简单和安全，例如与动态密封相比)密封壳体中的磁场传感器。
49.多个磁场传感器可以以任何合适和期望的方式设置在多个不同的(相应的)位置，例如使得它们彼此处于不同的磁体磁场强度。在一个实施例中，多个磁场传感器彼此径向间隔。优选地，多个磁场传感器彼此轴向间隔。在其他实施例中，磁场传感器在径向和轴向之间成角度。优选地，磁场传感器成角度的，使得来自磁体的径向场线穿过磁性(例如霍尔效应)传感器的顶部。
50.多个磁场传感器可以通过将它们安装在多个不同的(相应的)基板(例如印刷电路板)上而彼此间隔开，例如用于将它们定位在阀壳体中的多个不同腔体中。或者，多个磁场传感器安装在同一基板(例如印刷电路板)上，但彼此间隔开，例如用于将磁场传感器定位在同一腔体中。
51.因此，视情况而定，一个或多个腔体可纵向延伸，例如径向或轴向延伸。例如，当多个磁场传感器位于同一腔体中时，腔体可以在轴向方向上纵向延伸(因此磁场传感器可以彼此轴向间隔开)。或者，例如，当多个磁场传感器位于多个腔体中时，腔体可以彼此轴向间隔开(例如在相同的周向位置)但径向延伸。
52.多个磁场传感器可以以任何合适的和期望的距离彼此间隔开。优选地，磁场传感器在磁体的最大(例如轴向)位移内定位在阀壳体上，例如当磁场传感器彼此轴向间隔开时。这允许磁场传感器在磁体的所有位移处与磁体重叠。然而，在磁场传感器是多轴传感器的实施例中，可以使用更小(例如更短)的磁体。
53.磁场传感器可以是任何合适和期望类型的磁场传感器。在一组实施例中，磁场传感器包括磁霍尔效应传感器。磁场传感器可以包括多个(例如双)轴传感器。多轴传感器可以被配置为确定两个(例如水平和垂直)轴上的磁场的大小。磁场角度可以从一个或多个单轴或多轴磁场传感器的输出计算。然而，磁场传感器可包括(例如，更便宜的)磁场角度或单轴传感器。可以根据计算的或测量的磁场角度来确定(例如通过控制单元)阀构件的位置。使用磁场角度而不是磁场的大小来确定阀构件的位置，可以改进可以确定的阀构件的位移范围。此外，该确定可以独立于温度的波动。
54.在一个实施例中，磁场传感器可以包括霍尔效应开关(例如代替其他磁场传感器或除了其他磁场传感器之外)。霍尔效应开关优选地位于磁体(例如，在任一方向上)的最大(例如轴向)位移处或之外侧的阀壳体上。因此，霍尔效应开关可利用磁体磁场的不连续性来检测磁体是否已达到其最大(例如轴向)位移(在任一方向)。以这种方式使用霍尔效应开关可能适用于开关阀或截止阀，或者校准来自(例如，中间定位的)其他磁场传感器的测量值。
55.流体流动控制装置可以包括任何合适和期望数量的磁场传感器。在一组优选实施例中，流体流动控制装置包括两个或更多磁场传感器，例如三个或更多磁场传感器。具有三个或更多磁场传感器提供了一些冗余，例如其中一个传感器停止工作。
56.在一组优选实施例中，流体流动控制装置包括控制单元，该控制单元被设置成从磁场传感器接收输出(例如，磁体的磁场(例如，强度和/或角度)的测量)。控制单元可以通过有线或无线连接到磁场传感器。优选地，控制单元被设置成根据从磁场传感器接收的输出来确定阀构件的位置。优选地，控制单元包括处理电路，该处理电路被布置成接收从磁场传感器接收的输出，并根据测量的磁场(例如强度和/或角度)计算阀构件的位置。优选地，视情况而定，处理电路被设置成执行控制单元的一个或多个(例如所有)功能。
57.阀构件的位置可以以任何合适和期望的方式确定。测量阀构件的位置有助于(例如向使用者)保证阀孔根据需要完全打开或完全关闭。阀构件的位置可用于确定阀构件节流通过阀孔的流体流动的量。这进而又可以允许将阀构件定位在特定位置，例如提供所需的节流量。阀构件的位置可用于允许确定(或估计)通过流体流动控制装置的流量。阀构件的位置可以用作流体流动控制装置的健康检查和/或状况监测的一部分。
58.在一组优选实施例中，阀构件的确定位置被用作(例如主动的)反馈控制回路的一部分。因此，优选地，控制单元被设置成使用阀构件的确定位置来控制流体流量控制装置的操作，例如将阀构件定位在特定位置。这可以以任何合适和期望的方式完成，例如由于所使用的流体流动控制装置的类型。例如，控制单元可以(例如控制先导阀)设定流体流动控制装置中的控制压力(例如使用阀构件的确定位置)以将阀构件移动到特定位置。这允许主动调整阀构件的位置，以便例如可以控制流体流动控制阀以特定方式运行，例如以恒定流量运行。
59.在一组优选实施例中，控制单元被设置成对来自磁场传感器的输出执行误差最小化，以确定阀构件的位置。误差最小化利用来自多个磁场传感器(或多轴传感器的多个轴)的多次测量，并有助于说明磁体随温度或时间的任何变化。此外，根据所使用的误差最小化算法，还可以确定磁体的温度和/或磁化强度(因此在一个实施例中，控制单元被布置为使用来自磁场传感器输出来确定磁体的温度和/或磁化强度)。
60.在一些实施例中，除了阀构件的位置之外，流体流动控制装置(例如，控制阀或压力调节器)还可以监控其一个或多个操作参数(例如，上游和/或下游压力、通过该装置的流体流量、控制容积压力、先导阀压力)。测量这些操作参数的相应传感器优选地连接(例如提供反馈)到控制单元。
61.优选地，基于流体流动装置的操作参数，通过控制单元操作流体流动控制装置。这有助于更精确地控制流体流动装置。
附图说明
62.现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：
63.图1示出了根据本发明实施例的装置的剖视图，其中磁体和位置传感器都轴向安装在阀芯内；
64.图2示出了针对磁体标称磁化强度的三个位置传感器的示例性位置测量值；
65.图3示出了当磁化强度减小但使用原始校准曲线时三个位置传感器的示例性位置测量值；
66.图4示出了示例性误差最小化算法中的一个步骤，由此确定估计的磁化强度；
67.图5示出了根据本发明实施例的装置的剖视图，其中磁体嵌入在可移动阀构件内并且传感器安装在阀芯中的径向孔内；
68.图6示出了根据本发明实施例的装置的剖视图，其中环形磁铁沿致动器内的中心轴线定位并且传感器安装在阀芯中的径向孔内；
69.图7示出了根据本发明实施例的装置的剖视图，其中磁体嵌入在可移动阀构件内并且三个位置传感器安装在阀芯中的三个单独的径向孔内；和
70.图8示出了根据本发明实施例的装置的剖视图，其中磁体嵌入在可移动阀构件内并且单个位置传感器安装在阀芯中的径向孔内。
具体实施方式
71.在许多不同的工业情况下，确定阀内阀构件的精确位移是很重要的。如现在将描述的，本发明的实施例提供能够确定这样的信息的设备。
72.图1示出了根据本发明实施例的包括电子位置传感设备的流体流动装置1的剖视图。装置1包括壳体2、阀芯4和筒形阀盖6，所有这些都由有色金属材料(例如塑料或316不锈钢)制成。壳体2限定了入口孔8。阀芯4安装在壳体2的下游端，并且包括在壳体2内沿上游方向延伸的筒形上游部分5。阀芯4还包括多个出口孔34。
73.筒形阀盖6包括筒形中心孔，其直径基本上等于阀芯4的上游部分5的直径。阀盖6还包括沿上游方向中心延伸的筒形上游部分7。上游部分7的直径基本上等于入口孔8的直径。阀盖6被布置成沿阀芯4的上游部分5的外表面往复移动。
74.阀盖6可在两个极限位置之间移动：完全关闭位置，其中阀盖6的上游端7完全位于入口孔8内，以阻止通过孔8的流体流动；以及完全打开位置，其中，阀盖6的内表面10紧靠阀芯4的上游部分5的上游表面，以允许通过孔8的最大流量。
75.阀芯4包括从阀芯4的上游表面延伸至内表面14的中心孔3。弹簧12位于中心孔3内，处于阀盖6的内表面10和阀芯4的内表面14之间，使得弹簧12用于将阀盖6偏置至完全关闭位置。
76.阀芯4还包括第一轴向孔16和第二轴向孔18。第一轴向孔16从阀芯4的上游部分5的上游表面延伸到阀芯4中。第二轴向孔18从阀芯4的下游表面延伸到阀芯4中。
77.磁体子组件20位于第一轴向孔16内。磁体子组件20包括扩展器部分19和磁体21，其中扩展器部分19刚性连接到磁体21的上游端，使得扩展器部分19朝向阀盖6的上游方向突出。阀盖6包括环形凹槽50，该环形凹槽50定位成接收磁体子组件20的扩展器部分19的上游端。安装在第一轴向孔16内的磁体21周围的有色金属弹簧22用于朝向阀盖6偏置磁体子组件20，使得扩展器部分19的上游表面被连续推靠在阀盖6的环形凹槽50上。在替代实施例中，弹簧22可以定位在第一轴向孔16内，使得其作用在磁体21的下游端和第一轴向孔16的下游端之间，以朝向阀盖6以相同的方式偏置磁体子组件20。因此，阀盖6的任何轴向移动都会导致磁体子组件20在第一个轴向孔16内的相等的相应轴向移动。
78.选择弹簧22以提供足够的力以保持磁体子组件20和阀盖6的内表面10之间的接触，即使在阀的快速操作期间，即与弹簧22的力相比，磁体子组件20的推力必须很小。然而，弹簧22的力也必须足够小，以不影响主弹簧12的操作(例如，弹簧22可以提供总弹簧力的大约1％)。
79.磁体子组件20包含在护套内，以避免与流体直接接触。当磁体子组件20轴向移动时，护套充当保护层并减少摩擦。此外，可能需要护套以符合水务法规咨询计划(wras)和“atex”指令(99/92/ec和94/9/ec指令)设定的要求。
80.第一轴向孔16还包括在第一轴向孔16和阀芯4的中心孔3之间延伸的压力平衡孔23。压力平衡孔23流体地连接第一轴向孔16和阀芯4，使得第一轴向孔16内的任何不需要的压力的积累可以排放到中心孔3。
81.磁体子组件20还包括从磁体子组件20的末端沿下游方向轴向延伸的凹槽27。阀芯4包括止动构件25，该止动构件25从阀芯4的上游部分5部分地突出进入到第一轴向孔16的入口，使得当磁体子组件20位于第一轴向孔16内时，止动构件25被布置成进入到凹槽27中。止动构件25与凹槽27互相配合，使得止动构件25在磁体子组件20位移期间在凹槽27中运行，并且使得止动构件25在磁体子组件20沿入口孔8的方向的最大位移处紧靠凹槽27的下游端，从而使磁体子组件20停止移动并将其保持在第一轴向孔16中。
82.止动构件25与凹槽27的接合还阻止磁体子组件20的旋转，使得磁场的周向不对称不会影响位置测量的精度。
83.印刷电路板(pcb)24位于第二轴向孔18内并且包括三个磁场传感器(霍尔效应传感器)26，其布置成使得磁体21的径向磁场线穿过传感器26的顶部。从第二轴向孔18延伸到装置1外部的径向孔28馈送的电缆向pcb24提供电源，并允许磁场强度的测量值从每个传感器26发送到处理器30。第二轴向孔18的下游端由塞子32密封，塞子32防止流体流动到第二轴向孔18，从而保护pcb 24。
84.处理器30使用误差最小化算法来处理磁场强度测量值，以便估计阀盖6的轴向位置。如果只使用一个磁性传感器26，这种误差最小化是不可能的。
85.选择第一轴向孔16和第二轴向孔18之间的距离以最大化测量的磁场强度信号的线性度和梯度。在这种情况下，磁体21和传感器26之间的距离是20mm。
86.在该实施例中，磁体21没有刚性连接到阀1的移动元件6。在轴流式阀中，移动元件6通常周向移动。如果磁体21刚性安装在阀盖6上，阀盖6的周向运动将导致磁体21远离传感器26的周向运动。由于在磁体21和传感器26之间保持适当的距离以确保场强测量的准确性很重要，因此磁体21的这种布置将是不利的。另一方面，本实施例中所示的布置允许阀盖6周向移动，而不影响磁体21和传感器26之间的距离。
87.磁体21的长度被选择为等于阀盖6的行程加上传感器26占据的pcb24的长度。因此，在完全打开和完全关闭之间的阀盖6的所有位置处，传感器26将轴向定位在磁体21的端部限制内。这是有益的，因为磁体21的场强在超过磁体21的极限时变得非单调。
88.现在将描述图1所示的设备的操作。
89.在阀1的正常操作期间，流体通过入口孔8流入阀1，并通过出口孔34离开阀1。阀盖6的上游部分7上的上游流体的压力抵抗弹簧12的力在下游方向上推动阀盖6。如果流体压力的力超过弹簧12的反作用力，则阀盖6向下游朝向其完全打开位置移动。
90.当磁体子组件20被布置成紧靠阀盖6的内表面10时，阀盖6的轴向运动导致磁体子组件20克服弹簧22的力移动等于阀盖6的轴向位移的距离。磁体21相对于传感器26的运动意味着磁场强度的变化值被传感器26连续测量。
91.磁场传感器26向处理器30提供磁场强度的测量值，处理器30根据每个传感器26的校准函数解译数据。
92.图2中示出了三个传感器26，s1、s2和s3，的示例性校准曲线，用于磁体21的标称磁化强度m0。可以看出，由每个传感器26测量的信号si对应于轴向位移xi。如果磁体21的磁化强度m等于标称磁化强度m0，每个传感器26的瞬时信号读数si应该对应于相同的位移值x。
93.然而，磁体21的磁化强度随着时间自然降低，并且进一步受到诸如温度的其他因素的影响。如果操作期间的磁化强度m小于标称磁化强度m0并且使用原始校准曲线，则来自三个传感器26的推断位移xi将不同，如图3所示。应当理解，这种变化是明显的误差源。
94.磁体21在标称磁化强度m0下的位移xi由下式给出：
95.xi＝c
i-1
(si)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
96.如果磁体21的磁化强度m从标称磁化强度m0降低了一个因子，则磁体的位移由下式给出：
[0097][0098]
可以看出，校准函数ci在磁场强度方面是线性的。因此，上述函数的垂直压缩说明磁体26的磁化强度降低。因此，通过垂直压缩上述函数直到从每个传感器26测量的信号si推断的值xi基本相等，即找到均方根误差(rmse)在xi最小的值，可以获得更精确的磁化强度估计。如图4所示。
[0099]
对于三个传感器26，这可以在数学上表示为：
[0100][0101]
从等式3获得的值可用于计算磁体21的位移x的精确值，其等于阀1的移动元件6的位移。对于获得的值
[0102]
x1＝x2＝x3＝x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0103]
诸如这样的误差最小化算法的应用意味着位置估计的精度基本上较少受到磁体21的退磁的影响。该算法可以实时执行，以确保阀位移测量值的准确性。
[0104]
每个传感器26可以被配置为提供单个信号(例如，如果传感器26是单轴磁场传感器)或多个信号(例如，如果传感器26是多轴磁场传感器)。
[0105]
在使用一个或多个多轴传感器26的情况下，传感器26可以被布置为测量磁场的水平分量m
x
和垂直分量my。
[0106]
磁场角度θ
xy
可以根据以下等式确定：
[0107][0108]
随着阀盖6轴向位移的增加，磁场线相对于水平轴和垂直轴的角度的变化基本上是线性的。因此，如上所述，可以通过计算磁场角度θ
xy
并从校准曲线识别相应的轴向位移来确定阀盖6的精确轴向位置。
[0109]
可以使用多个单轴传感器，而不是多轴传感器。然而，在这种情况下，只能使用相关曲线的陡峭单调部分。根据以上述方式计算的磁场角度确定阀盖6的轴向位置增加了位置传感设备的有用范围，并且提供了与温度波动无关的确定。
[0110]
图5示出了根据本发明实施例的包括电子位置传感设备的流体流动装置101的剖视图。装置101包括阀芯104、上游阀壳136和下游阀壳138。上游阀壳136限定了入口孔108，下游阀壳138包括围绕并限定了出口孔134的阀座140。图5中的流体流动是沿着限定在阀壳136、138内的导管142从左到右。
[0111]
阀芯104限定了从阀芯104的下游端轴向延伸到阀芯104中的中心孔146。活塞144位于中心孔146内，使得当由致动器(未示出)致动时，活塞144能够在中心孔146内轴向移动。阀盖106附接到活塞144的下游端，使得阀盖106随着活塞144轴向移动。
[0112]
活塞144和阀盖106可在两个极限位置之间移动：完全打开位置和完全关闭位置。在完全打开位置，阀盖106位于中心孔146内，为流体从装置101的上游侧到下游侧通过出口
孔134的流动留下流动路径。在完全关闭位置，活塞144和阀盖106移动，使得阀盖106抵靠阀座140密封。这防止了流体经由出口孔134流过装置101。
[0113]
阀芯104还包括从阀芯104的外表面延伸到阀芯104中的径向孔148。pcb 124位于径向孔148内，包括三个磁场传感器(霍尔效应传感器)126。通过径向孔148馈送的电缆向pcb 124提供电源，并允许磁场强度的测量值从每个传感器126发送到处理器130。
[0114]
沿轴向延伸的磁体121嵌入活塞144的中心。由于磁体121刚性嵌入活塞144内，活塞144的轴向位移与磁体121的轴向位移精确对应。由于磁体121位于活塞144的中心，阀盖106的任何周向运动都不会引起磁体121和传感器126之间距离的变化。
[0115]
在装置101的正常操作期间，通过装置101从入口孔108到出口孔134的流体流动由致动器(未示出)通过活塞144和阀盖106的运动控制。随着阀盖106向阀座140移动，流经装置101的流动受到限制。因此，可以通过调节活塞144和阀盖106的轴向位移来节流流体流动。
[0116]
当磁体121与活塞144和阀盖106一起移动时，传感器126连续测量磁体121的磁场强度。以与上述实施例相同的方式，处理器130可以使用误差最小化算法来处理测量值，以便确定活塞144和阀盖106的轴向位置。
[0117]
图6示出了根据本发明实施例的包括电子位置传感设备的流体流动装置201的剖视图。装置201基本上与上面讨论的装置101相同。然而，轴向磁体121已经被嵌入活塞244内的环形磁体221代替。
[0118]
包括三个霍尔效应传感器226的pcb 224电连接到处理器230，位于径向孔248内。磁体221位于在活塞244内，使得在活塞244的所有轴向位置处，传感器226位于磁体221的端部界限内。
[0119]
此外，由于环形磁铁221嵌入活塞244的中心，阀盖206的任何周向运动不会导致磁体221和传感器226之间的距离发生变化。
[0120]
在装置201的正常操作期间，通过装置201的流动被活塞244和阀盖206的轴向位移节流。当环形磁铁221与活塞244和阀盖206一起移动时，传感器226连续测量环形磁体221的磁场强度。以与上述实施例相同的方式，处理器230可以使用误差最小化算法来处理测量值，以便确定活塞244和阀盖206的轴向位置。
[0121]
图7示出了根据本发明实施例的包括电子设备位置传感设备的流体流动装置301的剖视图。装置301基本上与上面讨论的装置101相同。然而，阀芯304包括另外两个径向孔348，它们从阀芯304的外表面延伸到阀芯304中。径向孔348在阀芯304内轴向间隔开。
[0122]
包括霍尔效应传感器326的pcb 324，电连接到处理器330，位于每个径向孔348内。磁体321位于活塞344内，使得在活塞344的所有轴向位置处，传感器326位于磁体321的端部界限内。
[0123]
以与上述实施例相同的方式，当磁体321随活塞344和阀盖306一起移动时，传感器326连续测量磁体321的磁场强度。测量值可由处理器330使用误差最小化算法进行处理，以确定活塞344和阀盖306的轴向位置。
[0124]
图8示出了根据本发明实施例的包括电子位置传感设备的流体流动装置401的剖视图。装置401基本上与图5所示的装置101相同，除了位于单个径向孔448内的pcb 424仅包括一个传感器426。传感器426是多轴(例如双轴)传感器。仅使用单个传感器有助于降低传
感器消耗的功率。
[0125]
以与上述实施例相同的方式，当磁体与活塞444和阀盖406一起移动时，传感器426连续测量磁体421的磁场强度。测量值可以由处理器430使用误差最小化算法进行处理，以便确定活塞444和阀盖406的轴向位置。从上面可以看出，在至少优选实施例中，本发明提供了一种流体流动控制装置，其中提供了具有多个磁场传感器的磁性位置传感设备，使得它们处于安装在流体流动控制装置的阀构件上或相对于阀构件的磁体的磁场的不同部分。这有助于更精确地确定阀构件的位置，并且可以允许针对磁体磁场随时间和/或温度的变化(例如退化)自动校准测量值。