一种差压传感器具有在筒中自由移动的磁化活塞。磁端盖密封筒的端部,从而在活塞的任一侧形成室。可动磁活塞受到端盖的相反磁场限制。活塞覆盖有磁性铁磁流体,从而提供活塞围绕活塞的低摩擦气密密封。筒具有两个压力输入管线,活塞的任一侧的室连接一个。输入管线的相对压力使活塞移动到筒中的均衡位置,其中端盖的磁场抗衡压力使活塞保持在适当的位置。磁场角传感器检测筒外部的通量线,并且读数与两个输入管线之间的压力差相关。
1.一种差压传感器,包括:具有第一端和第二端的筒;第一磁端盖,配置成密封所述筒的所述第一端,所述第一磁端盖包括面向所述筒的第一室的磁南极;第二磁端盖,配置成密封所述筒的所述第二端;到所述筒的所述第一室的第一压力管线输入;到所述筒的第二室的第二压力管线输入;活塞,设置在所述筒中,并且配置成具有面向所述第一室的磁极和面向所述第二室的另一磁极;以及传感器,定位在所述筒外部,并且配置成检测与所述活塞关联的磁通线。
2.如权利要求1所述的差压传感器,其中,所述活塞的面向第一室的磁极是磁南极,所述传感器是磁通角传感器,并且还包括:控制器,连接到所述传感器用于接收与磁通线关联的数据,并且配置成确定压力读数。
3.如权利要求2所述的差压传感器,还包括:磁性铁磁流体,设置在所述活塞上,以便提供所述活塞与所述筒之间的密封。
4.如权利要求3所述的差压传感器,其中,所述控制器使用所述磁通角传感器的读数来确定所述活塞的位置,供在生成所述压力读数中使用。
5.如权利要求4所述的差压传感器,其中,所述第二磁端盖包括面向所述筒的所述第二室的磁北极。
6.如权利要求5所述的差压传感器,其中,所述活塞面向所述第二室的另一磁极是磁北极;并且其中所述磁通角传感器检测所述活塞的所述磁北极与所述活塞的所述磁南极之间的所述磁通线。
7.如权利要求6所述的差压传感器,其中所述压力读数是所述第一室中的第一压力与所述第二室中的第二压力之间的差压读数。
8.如权利要求3所述的差压传感器,其中,所述磁性铁磁流体磁性附连到所述活塞;并且其中所述活塞与所述筒之间的所述密封是气密密封。
9.一种差压传感器,包括:具有第一端和第二端的空心筒;第一磁端盖,配置成密封所述筒的所述第一端,所述第一磁端盖包括面向所述筒的第一室的第一取向的磁极;第一活塞,设置在所述筒中,并且配置成具有面向所述第一室的所述第一取向的磁极;到所述筒的所述第一室的第一压力管线输入;第二活塞,设置在所述筒中,以便形成所述第一活塞与所述第二活塞之间的第二室,所述第二活塞配置成具有面向所述第二室的第二取向的磁极;到所述筒的所述第二室的第二压力管线输入;第二磁端盖,配置成密封所述筒的所述第二端,所述第二磁端盖包括面向所述筒中在所述第二活塞与所述第二磁端盖之间形成的第三室的所述第一取向的磁极;所述第一室与第三室之间的压力管线连接器,其中所述第三室在所述第二活塞和所述第二磁端盖之间形成;第一磁通角传感器,定位在所述筒外部,以便检测来自所述第一活塞的第一磁通线;以及计算部件,用于使用所述第一磁通角传感器的第一读数来生成压力读数。
10.如权利要求9所述的差压传感器,其中,所述第一活塞具有所述第一活塞与所述筒之间的第一磁性铁磁流体密封,并且所述第二活塞具有所述第二活塞与所述筒之间的第二磁性铁磁流体密封。
11.如权利要求10所述的差压传感器,其中,所述第一磁性铁磁流体密封磁性附连到所述第一活塞,并且所述第二磁性铁磁流体密封磁性附连到所述第二活塞;并且其中所述第一磁性铁磁流体密封和所述第二磁性铁磁流体密封均为气密密封。
12.如权利要求9所述的差压传感器,其中,所述压力读数是差压读数,所述差压传感器还包括:第二磁通角传感器,定位在所述筒外部,以便检测来自所述第二活塞的第二磁通线;其中所述计算部件使用所述第一磁通角传感器的所述第一读数和所述第二磁通角传感器的第二读数来生成所述差压读数。
13.如权利要求12所述的差压传感器,其中,所述差压读数是所述第一室中的第一压力与所述第二室中的第二压力之间的差。
14.如权利要求12所述的差压传感器,其中,所述第二磁通角传感器的所述第二读数用于补偿由重力、加速度或取向引起的误差。
15.如权利要求12所述的差压传感器,其中,将所述第二读数与180度相加以得到和,并且对所述和求反以得到经调整的第二读数,以便补偿由重力、加速度或取向引起的误差。
16.如权利要求12所述的差压传感器,其中,所述计算部件使用所述第一磁通角传感器的所述第一读数来确定所述第一活塞的第一位置;并且其中所述计算部件使用所述第二磁通角传感器的所述第二读数来确定所述第二活塞的第二位置。
17.如权利要求9所述的差压传感器,其中,所述第一取向的所述磁极是磁北极,而所述第二取向的所述磁极是磁南极。
18.如权利要求17所述的差压传感器,其中,所述第一磁通角传感器检测所述第一活塞的所述磁北极与所述第一活塞的磁南极之间的所述第一磁通线;并且其中所述第二磁通角传感器检测所述第二活塞的磁北极与所述第二活塞的所述磁南极之间的所述第二磁通线。
19.一种感测筒中的压力的方法,所述方法包括:形成所述筒中在配置成密封所述筒的第一端的第一磁端盖与设置在所述筒中的活塞之间的第一室,所述第一磁端盖包括面向所述第一室的磁南极;提供密封所述筒的第二端的第二磁端盖,形成所述筒中位于所述第二磁端盖与所述活塞之间的第二室;其中所述活塞包括面向所述第一室的磁极以及面向所述第二室的另一磁极;接收经由到所述第一室的第一压力管线输入在压力下进入所述第一室的液体;接收经由到所述第二室的第二压力管线输入在压力下进入所述第二室的液体;以及在所述筒外部检测与所述活塞关联的磁通线,以便确定所述活塞的位置;以及基于所述活塞的所述位置来确定压力读数。
20.如权利要求19所述的方法,其中,所述活塞的面向所述第一室的磁极是磁南极;且所述第二磁端盖包括面向所述第二室的磁北极,并且所述活塞的面向所述第二室的另一磁极是磁北极;以及其中所述压力读数是基于所述活塞的所述位置的差压。技术领域
本发明的各个实施例涉及传感器和测量装置,更具体来说,涉及压力传感器。
背景技术
存在能够测量的许多不同的压力相关的参数。绝对压力传感器测量与0磅每平方英寸(PSI)的完全真空压力或零压力相对的压力。大气压力在海平面参照真空为101.325kPa(14.7PSI)。对汽车轮胎所进行的压力测量有时称作表压。表压传感器在测量场所测量相对于给定大气压力的压力。例如,当轮胎压力计读取0PSI时,轮胎中存在实际大约14.7PSI(或大气压力)。第三种类型的压力测量是差压(differentialxa0pressure)。差压传感器测量对感测装置的两个压力输入之间的差。例如,差压传感器可用于测量管线输油泵上的压力增加。存在用于基于多种不同技术进行操作的压力传感器的若干常规设计。压阻应变计压力传感器利用压阻效应来检测因施加到所接合的应变计的压力而引起的应变。压阻压力传感器使用诸如石英之类的材料的压阻效应来测量压力感应应变。电容压力传感器具有设计成创建用于检测因所施加压力而引起的应变的可变电容器的隔膜和压力腔。电磁压力传感器通过利用电感的变化、霍耳效应、涡流原理或者使用线性可变差动变压器(LVDT),来测量隔膜的位移。但是,这类常规压力感测技术没有完全适合测量低差压,成本高,并且可能难以工作在要求高耐受压力的环境中。相应地,需要一种用于测量低差压的强健的紧凑型压力传感器。
发明内容
本文所公开的各个实施例涉及一种差压传感器,该差压传感器具有其中磁端盖密封各端的空心筒(缸,cylinder)。筒包含还具有磁体的活塞。活塞设置成使得其南极面向一个端盖的南极,而其北极面向另一个端盖的北极。各个实施例特点为提供活塞与所述筒之间的密封的围绕活塞的磁性铁磁流体(magneticxa0ferrofluid)涂敷层。筒具有馈入筒的在活塞与端盖之一之间形成的第一室中的第一压力管线输入。第二压力管线馈入筒的在活塞与另一个端盖之间的第二室。磁通角(magneticxa0fluxxa0angle)传感器定位在筒外部,以便检测来自活塞的磁通线,从而确定其位置。基于活塞的位置,计算部件生成两个输入管线之间的差压读数。
附图说明
结合在本说明书中并且构成其组成部分的附图示出本发明的各个实施例。附图连同一般描述一起用于说明本发明的原理。附图包括:图1A-C示出按照本发明的各个实施例的差压传感器的截面图;图2A-C示出图1A-C所示的活塞的三个位置的通量图;图3A-C示出按照本发明的各个实施例的重力补偿压力传感器的截面图;以及图4示出根据本文所公开的实施例、用于实施各种方法的行为的流程图。
具体实施方式
示范实施例的以下详细描述参照附图。不同附图中的相同参考标记标识相同或相似的元件。此外,以下详细描述并不是要限制本发明。本发明的范围而是由所附权利要求来定义。图1A-C示出按照本发明的实施例的差压传感器100的截面图。本文所公开的各个实施例涉及差压换能器,差压换能器使用包含在筒中的一个或更多永久磁化的移动活塞以及密封到筒端部中的固定磁体。筒可由具有低磁导率、对磁通线是透明的但是能够耐受所测量压力的材料制成。可动活塞101使用提供极低摩擦气密密封的铁磁流体105来密封到筒103中。活塞101配置成包括磁体。活塞101通过来自定位于筒103的两端的两个磁端盖107和109中的固定磁体的反向磁场而被轴向限制。磁端盖107和109的磁极配置成与活塞101的相应邻近磁极为相同的极性,因而相互排斥。如图1A-C所示,磁端盖107的南极面向活塞101磁体的南极,而磁端盖109的北极面向活塞101磁体的北极。这样,活塞101受到从任一端反抗其的磁端盖107和109排斥。常规压力感测装置通常依靠在压力室的壁上开缺口的活塞传感器。但是,由于本文所公开的各个实施例使用磁场位置感测,所以筒103的壁能够配置成相当厚,能够耐受极高的绝对压力。此外,限制活塞101的磁场的使用提供非线性输出,从而赋予装置能够检测压力差(pressurexa0differential)的较大动态范围。差压传感器100趋向于在较低压力差下具有最大灵敏度,这在某些情况下是一个优点。筒103配置成具有两个压力输入111和113。差压传感器100测量输入111和输入113中的压力之间的差。当两个输入111和113的每个在活塞上方和下方的室115和117中提供相等压力时,则活塞101将保持在其标称中心位置,如图1A所示。虽然附图示出相等尺寸的压力室115和117,但是在一些实施例中,压力室可设计成包含不同容积。这能够是有用的,例如以便使传感器系统100的预期灵敏度适合来自输入管线111和113的预计压力输入的范围。转回到图1A-C,如果输入111和113不同,则来自输入111和113的活塞101上方和下方的压力起作用以使活塞101从标称中心位置位移。图1B示出输入113比输入111具有较高的压力,因而向上驱动活塞101离开磁端盖109而朝向磁端盖107。图1B中,室121中的压力超过室119中的压力。图1C中,输入113具有比输入111更低的压力,因而活塞101被向下拉,朝向磁端盖109而离开磁端盖107。图1C中,室125中的压力低于室123中的压力。压力传感器系统100的活塞101可由磁性材料制成或者可配置成保持磁体。在任一种情况下,活塞101具有响应两个输入111与113之间的压力变化而移动的磁体。移动磁体的外场允许使用定位在筒103外部的一个或更多磁场角传感器127来检测活塞101的位置。场角传感器127通常定位得充分靠近筒103外部,以便准确解析可动活塞101中的固定磁体的位置。传感器127可采用若干类型的磁通场角传感器的任一种来实现,包括例如隧穿磁阻(TMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器、各向异性磁阻(AMR)、霍耳效应装置或者本领域普通技术人员已知的其它相似类型的磁场角传感器。TMR传感器能够提供数百毫伏的大信号输出,并且具有两个输出,一个与入射磁通角的正弦成比例,而另一个与余弦成比例。TMR传感器是灵敏装置,并且工作在磁饱和中,以致在某个小最小值以上通量的绝对幅值是不重要的。当两个输入111与113之间的压力差发生变化时,筒103中的活塞101的位置也发生变化。这又改变所测量的磁场通线的角。对磁场通量线的影响由磁场角传感器227来检测。这可在图2A-C中更清楚地看到。在各个实施例中,角传感器127输出被连接到微处理器或其它控制器,以便提供数字输出、校准因子和重力调整计算。(下面结合图3A-C来描述重力调整计算。)转到图1A,磁场角传感器127连接到控制器149或其它计算部件,控制器149或其它计算部件将磁通角与活塞101的位置相关并且计算两个压力输入111与113之间的压力差。在各个实施例中,控制器149或其它计算部件可体现为微处理器、控制逻辑、电路、计算机或者能够编程为执行指令或例程的其它电子装置。控制器149可包含或者有权访问适合存储用于执行与磁通角、活塞位置和压力读数相关的计算的数据、软件指令或例程的存储器或存储装置。压力传感器系统100还具有连接到控制器149的显示器153和用户输入装置155。显示器153可体现为LCD或LED显示器、计算机屏幕或者适合可视地传送系统100的诸如压力读数和控制代码之类的信息的其它相似类型的显示装置。用户输入装置155可体现为小键盘、键盘、按钮、计算机鼠标或者其它相似类型的用户输入装置。铁磁流体材料105是附连到磁体的液体。包围活塞101的铁磁材料105以极低摩擦提供气密密封。铁磁流体是市场销售的包括悬浮液中的纳米级磁性粒子的液体。铁磁流体能够从多个来源得到,包括Ferrofluidicsxa0Corporation(新罕布什尔州,纳舒厄)、Ferrotecxa0Corporation(新罕布什尔州,贝德福德)、3Mxa0Specialtyxa0Chemicalsxa0Division(明尼苏达州,圣保罗)和Liquidsxa0researchxa0Ltd(英国,威尔士,班戈)。在各个实施例中,铁磁流体的类型选择成使得接触到铁磁流体密封105的流体与铁磁流体是不可混合的,并且不会与铁磁流体起化学反应。磁体101防止铁磁流体105漂走。在一些实现中,已经使用基于煤油的铁磁流体。取决于经受压力测量的液体的性质可使用由不同材料组成的其它铁磁流体。如果差压传感器100用于腐蚀性介质的压力测量,则硅酮油屏障可用于使腐蚀性流体不渗透到低压力室。这个活塞磁体101涂敷有铁磁流体105,铁磁流体105当活塞响应压力输入111和113而上下移动时在活塞101与筒103的壁之间产生低摩擦密封。磁角传感器127检测来自三个磁体即来自活塞101的磁体和磁端盖107、109的磁通的所产生磁场角。图2A-C示出图1A-C所示的活塞的三个位置的通量图。图2A中,活塞磁体201位于在磁端盖的两个固定磁体207与209之间的中间,从而使通量线在这个配置中围绕两个轴是对称的。应当注意,通量线的形状不仅取决于磁体之间的距离,而且还取决于设计的多个其它因素和参数。例如,磁体的形状和磁体的强度均是影响磁通线的参数。在一些实现中,取决于系统的设计要求以及组件特征和限制可使用不同形状和/或不同强度的磁体。在图2A所示的实现和活塞位置中,传感器处的通量线与筒的中心轴251基本平行。因此,磁场角传感器227读取0度,这与在两个输入中接收的相等压力相关。图2B中,两个输入的相对压力已经发生变化,从而使活塞磁体201移动到与固定磁体209相比更靠近固定磁体207的位置。这个位置变化引起磁通线的变化,这由传感器227来检测。在图2B所示的实现和活塞位置中,磁场角传感器227读取大约315度(或负45度)。该系统能够将315度读数与两个输入压力之间的特定压力差相关。可基于确定筒中的两个压力室的容积的活塞的位置来计算两个压力。转到图2C,两个输入压力已经再次发生变化,从而使活塞磁体201移动到更靠近固定磁体209而更远离固定磁体207的位置。在图2C所示的实现和活塞位置中,磁场角传感器227读取大约45度。该系统再次能够将45度读数与两个输入压力之间的特定压力差相关。图3A-C示出按照本发明的各个实施例的重力补偿压力传感器的截面图。这些实施例补偿由重力、加速度或取向所引入的误差,即由包括重力、加速度或取向的三个因素的任一个或更多单独或结合起作用所引起的误差。在这些实施例中,通过提供悬浮在磁端盖307和309中包含的固定磁体之间的两个可动活塞磁体301和335,来补偿重力、加速度或取向对移动磁体的影响。注意,端盖309以其磁南极朝内面向压力室317和活塞301的磁南极来定向。还提供压力均衡通路333,以便均衡室339和341中的压力。这样,均衡两个可动活塞磁体301和335的每个与其相应邻近磁端盖309或307之间的压力。换言之,图3A的顶腔和底腔317、331被链接起来,并且因而处于相同压力。类似地,图3B的腔339和341被链接起来,如同图3C的腔345和347那样。在图3A-C的实施例中,能够通过对上部的磁场角传感器329相加180度,反转符号(即,与负一相乘),并且取两个读数的平均,来补偿重力、加速度和取向的影响。转到图3B,磁场角传感器329读取负45度,而磁场角传感器327读取225度。传感器329的读数通过相加180度来调整(-45+180=135度)。反转符号给出-135度,这等于225度。对于图3A,传感器329读取0度,而传感器327读取180度。传感器329通过相加180度来调整(0+180=180度)。反转符号给出-180度,这等于+180度。上面段落的说明使用取自附图的理想读数,并且因此对经调整的值求平均不会产生任何进一步的精确性(例如,225=225度;以及180=180度)。但是,实际上,重力或加速度的影响可产生读数的少许不一致,这会通过对经调整的值求平均来消除。再次转到图3B,磁场角传感器329可能读取负46度,而磁场角传感器327可能由于相同因素错误地读取224度。传感器329的读数通过相加180度来调整(-46+180=134度)。反转符号给出-134度,这等于226度。取两个传感器读数的平均会产生(226+224)/2=225。按照相同极性彼此相向的磁体来描述了各个实施例。这如图1所示,其中端盖107的南极面向活塞101的磁南极,而端盖109的北极面向活塞101的磁北极。这样,同性极相互推开。但是,一些实施例配置成使得相异磁极彼此相向,即端盖的南极面向活塞的磁北极,而端盖的北极面向活塞的磁南极。这样,异性磁极相互吸引而不是相互推开。图4示出根据本文所公开的实施例、用于实施各种方法的行为的流程图。以上结合图1-3更详细地描述了许多行为。该方法开始于框401,并且进入403,其中磁活塞被装入筒中。通常,磁活塞的最靠近筒壁的外表面涂敷有帮助提供活塞与筒壁之间的密封的铁磁流体材料。在图4的框405,筒的一个开口端采用第一磁端盖来密封,从而创建活塞与第一端盖之间的第一室。第一磁端盖定向成使得它具有面向筒的第一室的磁南极。活塞也具有面向筒的第一室的磁南极。该方法进入407以将第一压力管线连接到第一室。在框409筒的另一端采用第二磁端盖来密封,从而形成活塞与第二磁端盖之间的第二室。第二磁端盖定向成使得它具有面向筒的第二室的磁北极。活塞的北极也面向第二室。在框411,将第二压力管线连接到第二室。进入框413,定位在室外部、与活塞邻近的磁通角检测器检测来自活塞的通量线。这样,在框415,通过检测活塞的磁通线,能够确定活塞的位置。一旦活塞的位置为已知,则在框417能够计算两个筒之间的差压。本文所使用的术语仅为了描述具体实施例,而并不是要限制本发明。本文所使用的单数形式“一”和“该”预计也包含复数形式,除非上下文另加明确说明。还会理解,在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”表示存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或上述各项的群组。本文中以及权利要求书中所使用的术语“得到”可意味着从计算机可读存储介质进行检索、从另一计算机程序接收、从用户接收、基于其它输入来计算或者得到数据或数据集的任何其它方式。本文中以及权利要求书中所使用的术语“多个”表示所述元件的两个或更多。但是,不应当被理解为一定涉及整个装置中的所述元件的每一个实例。具体来说,是否提到“多个”元件的“各”元件。在整个装置中可存在附加元件,它们没有包含在“多个”中并且因此没有由“各”来提及。权利要求中的所有部件或步骤加上功能元件的对应结构、材料、动作和等效体预计包括具体要求保护的用于与其它要求保护的元件结合执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是为了说明和描述而提供的,而并不意在是详尽的或者局限于所公开形式的发明。许多修改和变更将是本领域的普通技术人员显而易见的,而没有背离本发明的范围和要点。选择和描述了本文所包含的各个实施例,以便最好地说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够对于具有适合所考虑的具体使用的各种修改的各个实施例来理解本发明。