MX2012009563A - Sensor de limite y posicion interna para maquinas de piston libre. - Google Patents

Abstract

Un sensor para detectar la posición de un pistón libre oscilante en una máquina de Stirling de pistón libre; el sensor tiene un disco montado a una cara de extremo del pistón de energía coaxialmente con su cilindro y oscilando con el pistón; el disco incluye un borde alrededor de su perímetro exterior formado de un material eléctricamente conductor; una bobina está devanada coaxialmente con el cilindro, separada hacia fuera desde el perímetro exterior del disco y montada en posición fija con relación al recipiente de presión, de preferencia sobre el exterior de la pared del recipiente de presión.

Description

SENSOR DE LIMITE Y POSICION INTERNA PARA MAQUINAS DE PISTON LIBRE CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se refiere a motores Stirling de pistón libre, enfriadores y bombas térmicas y, de manera más particular, se refiere a un sensor de posición para detectar la posición del pistón de energía oscilante de dicha máquina de pistón libre. El sensor tiene la ventaja de que se agrega solamente de forma insignificante a la longitud de la máquina de pistón libre. También, tiene la ventaja de que la parte de la bobina del sensor, la cual proporciona la señal de salida eléctrica, se puede montar al exterior de la cabeza del recipiente de presión de la máquina de pistón libre de manera que no requiere que conductores eléctricos sean alimentados a través del recipiente de presión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION La solicitud de patente provisional con número de serie 61/305986, presentada el 19/02/2010 y de la cual se reclama prioridad, se incorpora aquí en esta solicitud por referencia. Las Patentes EUA 4,667,158; 4,866,378; y 4,912,409 también se incorporan aquí por referencia.

Las máquinas Stirling de pistón libre son osciladores termo-mecánicos que son muy conocidos en la técnica anterior. Las máquinas Stirling de pistón libre ofrecen numerosas ventajas incluyendo la capacidad para controlar su frecuencia, fase y amplitud, la capacidad para ser herméticamente selladas contra su ambiente circundante y su falta de un requerimiento para un sello de fluido mecánico entre partes en movimiento a fin de evitar el mezclado del gas operante y el aceite lubricante. Generalmente, una máquina Stirling de pistón libre incluye un pistón de energía que oscila en un cilindro y está unido a un resorte para formar un sistema resonante. El pistón de energía también está unido a una carga, cuando la máquina Stirling es operada como un motor, y a una fuente energética oscilante para impulsar el pistón en la oscilación cuando la máquina Stirling es operada como una bomba térmica o enfriador. En una máquina Stirling de pistón libre, el pistón, y un desplazador en caso de haber uno, no están conectados entre sí o a una carga o fuente energética a través de un enlace mecánico que confine su oscilación a un golpe fijo, por ejemplo, varillas de conexión y cigüeñales. Más bien, el golpe del pistón oscilante puede variar libremente.

Las máquinas de pistón libre típicamente están diseñadas con el pistón que tiene un golpe de diseño nominal. Sin embargo, debido a que la máquina encuentra parámetros operativos variables, tal como cargas variables o temperaturas operativas variables, el golpe del pistón varia lejos del golpe de diseño nominal debido a que su golpe no queda confinado por enlaces mecánicos. Si el golpe operativo aumenta lo suficiente, el pistón puede chocar con otras estructuras mecánicas de la máquina tal como un desplazador o partes fijas en extremos axialmente opuestos del cilindro en donde oscila el pistón.

Debido a las variaciones en el golpe como una función de los parámetros operativos y la posibilidad de choques, las máquinas de pistón libre comúnmente tienen un sistema de control electrónico. Uno de los parámetros más importantes que son detectados y utilizados por el sistema de control es la posición lineal del pistón. Por ejemplo, en ocasiones es deseable detectar la posición lineal instantánea o traslación del pistón a medida que oscila a través de su movimiento cíclico y/o para detectar los límites del extremo opuesto de la oscilación del pistón.

Las tres patentes EUA antes citadas para Robert W. Redlich muestran un sensor de posición que tiene una bobina alargada y un tubo que oscila dentro y fuera de la bobina. La inductancia y, por lo tanto, la impedancia de la bobina disminuyen como una función de la longitud de inserción del tubo en la bobina. Aunque el sensor de Redlich es efectivo, éste ocupa una longitud dentro de la máquina Stirling que es del orden de al menos dos veces el golpe del pistón. El motivo es que, a fin de detectar la posición a lo largo de todo el golpe, tanto la bobina como el tubo deben tener una longitud al menos igual al golpe. El tubo debe poder oscilar entre una posición de máximo retiro de la bobina a una posición de máxima inserción en la bobina y la distancia entre el máximo retiro y la máxima inserción debe ser al menos igual al golpe. En consecuencia, la longitud de todo el sensor de Redlich debe ser al menos dos veces la longitud del golpe en la posición de máximo retiro. Además de la longitud del sensor de Redlich, el diseño de la máquina de Stirling debe permitir la colocación tanto de la bobina como del tubo oscilante dentro de la máquina. En consecuencia, el sensor de Redlich agrega requerimientos de volumen y longitud a una máquina de Stirling de pistón libre. Además, debido a que la bobina del sensor de Redlich debe estar ubicada dentro del recipiente de presión herméticamente sellado de la máquina de Stirling, los hilos del conductor eléctrico desde la bobina se deben extender a través de la pared del recipiente de presión para conexión a la circuiteria de control. Eso reduce la conflabilidad de la máquina debido a que dichos agujeros de alimentación eléctrica deben estar sellados . para soportar una alta presión. Los sellos proporcionan un riesgo de falla adicional .

Un objetivo y característica de la presente invención es proporcionar un sensor de posición que se añade solamente de forma insignificante a la longitud y volumen de una máquina de Stirling de pistón libre.

Otro objetivo . y característica de la invención es proporcionar una modalidad de la invención que no requiere hilos de conductor eléctrico extendiéndose a través del recipiente de presión.

SUMARIO DE LA INVENCION La invención es un sensor para detectar la traslación o posición de un pistón libre oscilante en una máquina de Stirling de pistón libre. La máquina de Stirling, tal como se conoce en la técnica, tiene un recipiente de presión exterior para contener un gas operante y al menos un pistón de energía que oscila libremente en un cilindro dentro del recipiente de presión a un golpe máximo diseñado nominal a lo largo de un eje de oscilación. La invención tiene un disco montado a una cara de extremo del pistón coaxialmente con el cilindro y oscilando con el pistón. El disco incluye un borde alrededor de su perímetro exterior formado de un material eléctricamente conductor y de preferencia está completamente formado de un material eléctricamente conductor. Una bobina está devanada coaxialmente con el cilindro, separada hacia fuera desde el perímetro exterior del disco y montada en una posición fija con relación al recipiente de presión, de preferencia en su exterior. El disco es considerablemente más corto en su dirección axial que la bobina. De preferencia, la bobina tiene una longitud al menos sustancialmente igual al golpe máximo diseñado nominal del pistón y está sustancialmente centrado en el centro del golpe máximo diseñado nominal. Existen dos modalidades preferidas de la bobina, la bobina distribuida y la bobina concentrada en el extremo.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La figura 1 es una vista diagramático en sección axial de una porción de una máquina de Stirling de pistón libre que tiene una modalidad de la invención instalada en la misma .

La figura 2 es un diagrama en bloques de un circuito de sensor y bobina simplificado incorporando la invención y que ilustra sus principios de operación.

La figura 3 es una vista en sección axial de una máquina de Stirling de pistón libre que tiene otra modalidad de la invención instalada en ésta.

La figura 4 es una vista en sección de la modalidad de la figura 3 y tomada sustancialmente a lo largo de la línea 4-4 de la figura 3.

La figura 5 es un gráfico que ilustra la impedancia de bobina aparente como una función de la posición del pistón para la modalidad de bobina distribuida de la invención.

La figura 6 es un gráfico que ilustra la impedancia de bobina aparente como una función de la posición del pistón para la modalidad de bobina concentrada de extremo de la invención .

La figura 7 es un diagrama en bloques de una bobina y un circuito de detección para detectar una señal de la bobina que es una función de la posición del pistón.

La figura 8 es un gráfico que ilustra la señal de salida del circuito de detección de la figura 7 como una función de tiempo para la modalidad de la bobina distribuida de la invención.

La figura 9 es un gráfico que ilustra la señal de salida del circuito de detección de la figura 7 como una función de tiempo para la modalidad de la bobina concentrada de extremo de la invención.

La figura 10 es un diagrama que muestra los dos arreglos de bobina diferentes.

Al describir la modalidad preferida de la invención la cual se ilustra en los dibujos, se recurrirá a terminología específica para propósitos de claridad. Sin embargo, no se pretende que la invención quede limitada al término específico así seleccionado y se entenderá que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que operan en una manera similar para lograr un propósito similar .

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La figura 1 ilustra en forma de diagrama una modalidad de la invención montada a una máquina Stirling de pistón libre que es conocida de la técnica anterior. Los componentes de la técnica anterior de la máquina Stirling incluyen un pistón de energía 10 que oscila en un cilindro 12 a lo largo de un eje 14. Como se conoce de la técnica anterior, un imán o serie de imanes 16 están acomodados en una configuración anular alrededor del eje 14. Los imanes 16 están unidos al pistón 10 de manera que los imanes 16 oscilan con el pistón 10 dentro de un armazón que comprende una bobina de armazón 18 y un núcleo ferromagnético de baja reluctancia 20. Estos componentes están alojados dentro de un recipiente de presión exterior 22 que está herméticamente sellado y contiene el gas operante de la máquina Stirling. Como se conoce en la técnica, la estructura de la figura 1 puede ser operada como un alternador lineal impulsado por un motor de Stirling o como un enfriador de Stirling o bomba térmica impulsada por un motor lineal eléctrico. Como también se conoce en la técnica, el pistón de energía alternativamente puede ser conectado a otras cargas o fuentes energéticas. La invención es un sensor para detectar la posición del pistón libre oscilante 10 a lo largo de su eje 14 de oscilación. El sensor tiene un disco 24 que está montado a una cara de extremo 26 del pistón 10 coaxialmente con el cilindro 12 y oscilando con el pistón 10. El disco 24 tiene un borde 28 alrededor de su perímetro exterior formado de un material eléctricamente conductor, tal como aluminio, el cual es preferido debido a su alta conductividad. Aunque es necesario solamente que este borde exterior 28 sea un conductor eléctrico, ordinariamente es deseable hacer todo el disco de metal.

Una bobina de sensor 30 está devanada coaxialmente con el cilindro 12 y está separada hacia fuera desde el perímetro exterior 28 del disco 24 y está montada en posición fija con relación al recipiente de presión. En la modalidad de la figura 1, la bobina está montada alrededor del exterior del recipiente de presión 22 y el recipiente de presión está construido de un material no ferromagnético, tal como acero inoxidable o Inconel, de forma que no tiene algún efecto significativo sobre el acoplamiento magnético entre el disco 24 y la bobina 30. La bobina 30 tiene hilos conductores 32 para conexión a un circuito detector. Alternativamente, la bobina puede ser devanada alrededor del interior del recipiente de presión pero tiene la desventaja de que requiere que los hilos conductores se extiendan a través de y sean sellados a la pared del recipiente de presión 22. Sin embargo, tiene la ventaja de que el acoplamiento magnético entre el disco y la bobina sea mayor. También es preferible tener un blindaje ferromagnético anular colocado hacia fuera de la bobina a fin de evitar la interferencia de los campos electromagnéticos de dispersión y para elevar al máximo el acoplamiento magnético entre el disco y la bobina.

El principio básico de operación es que la reactancia inductiva, y por lo tanto la impedancia, de la bobina cambia como una función de la posición del disco dentro o cerca de los extremos de la bobina. La reactancia inductiva de la bobina es una función de decremento del acoplamiento magnético entre el disco y la bobina; es decir, mientras mayor es el flujo magnético (de la corriente de la bobina) en la ubicación del disco, menor es la reactancia inductiva de la bobina. La longitud de la bobina 30 es al menos sustancialmente igual al golpe máximo diseñado nominal del pistón 10 y la bobina está sustancialmente centrada en el centro del golpe máximo diseñado nominal. Un ejemplo de un golpe de pistón típico es 10mm, aunque el golpe diseñado varía considerablemente dependiendo del tamaño y propósito de la máquina de Stirling de pistón libre.' El recipiente de presión de una máquina de Stirling de pistón libre puede tener un diámetro del orden de 10 a 30cm, similarmente dependiendo del tamaño y propósito de la máquina. En consecuencia, la bobina 30 tiene una relación de aspecto de diámetro a longitud que la hace una bobina corta. El diámetro de la bobina es mucho más largo que la longitud de la bobina de manera que existen efectos del extremo de la bobina a través de toda la longitud de la bobina. Por lo tanto, el flujo magnético en la bobina y el acoplamiento magnético entre la bobina y el disco varía a lo largo del eje de toda la bobina. Esencialmente no hay un incremento de la traslación del disco que no cause una variación en la impedancia de la bobina.

Haciendo referencia a la figura 2, una fuente de corriente alterna 40 en una frecuencia de portadora en el orden de 50 kHz a 200 kHz se aplica a la bobina. La corriente alterna induce corrientes parásitas alrededor de la periferia del disco causando que el disco actúe como un cortocircuitado secundario de un transformador. El campo magnético para las corrientes parásitas está magnéticamente acoplado a la bobina 30 reduciendo la reactancia de la bobina en respuesta al incremento del acoplamiento magnético. El acoplamiento magnético está en su máximo cuando el disco está centrado en una bobina que tiene sus giros distribuidos a lo largo de toda su longitud. Por lo tanto, la impedancia de la bobina varia en una función del acoplamiento magnético entre el disco y la bobina y está en su mínimo cuando el disco está centrado en una bobina que tiene sus giros distribuidos a lo largo de toda su longitud. A medida que el disco se mueve dentro de la bobina, la amplitud del voltaje a través de la bobina a la frecuencia de portadora varía como una función de la posición del disco debido a que la fuente AC 40 es una fuente de corriente constante y la impedancia de la bobina está variando como una función de la posición del disco. Esa variación de amplitud es detectada por un desmodulador de modulación de amplitud 42 para proporcionar una señal de envoltura que es una función de la posición del disco.

A medida que aumenta el acoplamiento magnético entre el disco y la bobina, las pérdidas resistivas que resultan de las corrientes parásitas en el disco ocasionan que aumente la resistencia aparente vista en las terminales de la bobina. Sin embargo, la disminución en el componente reactivo de la impedancia de bobina es dominante y considerablemente mayor que el incremento en el componente resistivo de la impedancia de bobina aparente.

Disco De preferencia, el disco 24 es circular y tiene un grosor en la dirección axial de no más de 30 por ciento del golpe máximo diseñado nominal y con mayor preferencia es 10 por ciento del golpe. También, la dimensión radial perpendicular al eje o el radio para un disco perfectamente circular, es mayor que el grosor del disco en la dirección axial. Con mayor preferencia, la dimensión radial es al menos 10 veces mayor que el grosor axial del disco. Es precisamente esta relación de aspecto del disco y el grosor relativamente pequeño del disco lo que permite que el sensor de la invención agregue muy poco a la longitud de la máquina de Stirling. El grosor del disco está sometido a compensaciones de ingeniería. Un disco más delgado proporcionará mayor resolución. Sin embargo, también es deseable que el disco sea lo suficientemente rígido de forma que no haya una flexión significativa como resultado de la aceleración y desaceleración alternas de la oscilación del pistón. Hemos utilizado un disco con un grosor de aproximadamente 2mm, por ejemplo .

Ya sea que la bobina esté colocada dentro o fuera del recipiente de presión, es deseable que el disco se extienda radialmente hacia fuera para colocar su periferia exterior lo más cerca que resulte práctico de la bobina para elevar al máximo el acoplamiento magnético entre éstos. Por bobina externa se indica lo más cerca que resulte práctico de la pared del recipiente de presión. Práctico significa tan cerca como lo permita el juicio de ingeniería sin el riesgo de realizar contacto físico en virtud de las tolerancias de movimiento radiales del diseño.

Aunque el disco puede ser construido de una sola hoja imperforada de material conductor, hay ventajas para formar el disco con perforaciones y particularmente en una configuración de rueda. La colocación de perforaciones en el disco permite que el gas operante se mueva con mayor libertad dentro de la máquina de Stirling y así se reducen las pérdidas de bombeo. Las figuras 3 y 4 ilustran una máquina de Stirling de pistón libre con un disco 49 convenientemente formado con un concentrador central 50 montado al pistón 52 y un borde periférico exterior 54 con rayos 56 uniendo el concentrador 50 al borde 54.

Otra ventaja del disco de la presente invención, particularmente en la configuración de rayo, es que también puede servir como un amortiguador para acolchonar el pistón 52 en extremos opuestos de su oscilación en caso que su golpe exceda un golpe permisible máximo. Para acolchonado de dicho golpe excedente, al menos un par de topes anulares 60 y 62 están montados dentro del recipiente de presión 64 en lados opuestos del disco 49 en posiciones fijas con relación al recipiente de presión 64. Los topes 60 y 62 están separados una distancia igual al golpe permisible diseñado nominal máximo. Los topes 60 y 62 están equidistantemente fijos en lados axialmente opuestos del centro del golpe máximo diseñado nominal y alineados para ser contactados por el borde 54 del disco 49 en caso que el golpe exceda el golpe permisible diseñado nominal máximo. Los topes 60 y 62 alternativamente pueden ser topes discontinuos colocados a intervalos y anularmente distribuidos para contacto similar con el borde 54 del disco 49.

Los rayos radiales funcionan tal como resortes de hoja. Cualquier golpe excesivo sustancial desvia los rayos y gradualmente absorbe la energía cinética del pistón conforme es llevado a un tope. Después, los resortes del rayo liberan la energía cinética almacenada dando al pistón un empuje de retorno en la dirección opuesta. Para mejorar adicionalmente esta característica conveniente, el disco 49 puede ser construido de dos materiales diferentes. El borde 54 puede ser formado de un material conductor que tiene más conductividad que los rayos 56 y los rayos pueden ser formados de un material de resorte. Con dicha construcción de dos partes del disco 49, el borde típicamente es hecho para tener un ancho radial que es 5% a 15% del radio del disco 49.

A fin de elevar al máximo la ventaja del efecto de resorte y amortiguador anterior, un separador 64 está coaxialmente interpuesto entre el concentrador 50 del disco 49 y la cara de extremo 66 del pistón 52. El separador 64 tiene un diámetro menor que el diámetro del pistón 52 de manera que los rayos 56 se pueden flexionar entre el borde 50 y el separador 64. El disco 49 está unido al pistón 52 por un tornillo o tuerca de máquina a través de un agujero central coaxialmente a través del concentrador 50.

Bobina La bobina utilizada en el sensor de la invención puede ser hecha en múltiples modalidades diferentes. Las dos más significativas son la bobina .distribuida y la bobina concentrada de extremo. La diferencia es la distribución de los devanados de la bobina a lo largo de la longitud de la bobina .

La figura 10 ilustra estas dos modalidades de bobina. En la modalidad de bobina distribuida 30A, los giros de la bobina están distribuidos a lo largo de toda la longitud de la bobina, de preferencia, distribuidos de manera uniforme. En la modalidad de bobina concentrada 30B, los devanados están concentrados en los extremos de la bobina. De preferencia, la bobina concentrada puede ser considerada como dos componentes de bobina cortos, cada componente de bobina de preferencia centrado en extremos opuestos del golpe operativo nominal máximo diseñado pero conectados en serie. De preferencia, la longitud de cada uno de los dos componentes de bobina cortos es aproximadamente 25% del golpe de pistón con la conexión en serie extendiéndose entre los dos componentes de bobina.

Aunque el número de giros en cualquier modalidad de bobina no es critico, mientras mayor es el número de giros, mayor es el cambio en impedancia como una función de la posición del disco dentro de la bobina. En consecuencia, la elección del número de giros es una compensación de ingeniería entre suficientes giros para obtener una señal útil y , no tantos giros que brinden un beneficio disminuido para los giros adicionales.

La longitud de la bobina es sustancialmente la longitud del golpe operativo nominal máximo. Las consideraciones son estas. Una máquina de Stirling de pistón libre puede ser diseñada para operar a un solo golpe. El golpe nominal es el golpe al cual está diseñado para operar. La longitud preferida de la bobina es al menos la longitud del golpe con los extremos de la bobina estando radialmente colocados hacia fuera del disco en las posiciones de extremo de ese golpe. Sin embargo, al igual que con tantos parámetros en la ingeniería y la ciencia, una pequeña desviación hace solo una pequeña diferencia en la operación de manera que el dispositivo sigue siendo práctico y útil sobre un rango que se extiende en cualquier lado de la longitud preferida y posicionamiento . Esto es cierto con esta invención. Aunque se prefiere que la longitud de la bobina sea igual o exceda el golpe de diseño nominal, no es necesario que sea exactamente igual al golpe nominal. La longitud de bobina puede ser mayor o menor que el. golpe nominal pero a medida que la longitud de la bobina se aleja de la longitud del golpe, las características deseables y funciones de la invención se reducen progresivamente. Se cree que la invención sigue siendo práctica y efectiva para longitudes de bobina en el rango de 90% a 110% de la longitud de golpe y se prefiere que la bobina sea ligeramente más larga que el golpe de diseño. Se cree que una desviación significativa de ese rango, pudiera cuasar un deterioro de la efectividad operativa o que innecesariamente se ocupe espacio adicional dentro del recipiente de presión. Sin embargo, la bobina se puede extender adicionalmente cuando se desea detectar la posición del pistón sobre un rango más amplio de posición de pistón. Algunas máquinas de Stirling de pistón libre están diseñadas para operar con un golpe variable que varía sobre un rango de diseño nominal. En ese caso, sin embargo, la longitud de una modalidad de una sola bobina de la invención de preferencia seria el golpe máximo dentro del rango de golpe de diseño nominal con desviaciones posibles de ese valor como se describió anteriormente.

Circuito de operación y detección La figura 5 es un gráfico que ilustra la variación de la impedancia de la bobina como una función de la posición del disco en la modalidad de bobina distribuida, referida en el gráfico como la bobina sencilla. El gráfico muestra la variación de impedancia a medida que el pistón se mueve de un extremo de su golpe al extremo opuesto de su golpe en un movimiento sustancialmente sinusoidal que es característico del movimiento del pistón. Como se puede observar en la figura 5, la impedancia de la bobina varía aproximadamente de forma sinusoidal como una función de la posición del disco debido a que la distribución del flujo magnético dentro de la bobina tiene una distribución sinusoidal de un extremo al otro. Debido a que la impedancia es reducida por la presencia del disco, la impedancia mínima ocurre cuando el disco está en el centro de la bobina donde el flujo magnético es máximo. El gráfico es horizontalmente asimétrico debido al efecto parásito de la presencia del pistón que alternativamente se acerca y se aleja de la bobina y por sí mismo es una masa conductora grande colocada cerca del disco. Un efecto parásito adicional resulta del hecho de que las estructuras internas de una máquina de pistón libre son asimétricas en la dirección axial.

La figura 6 es un gráfico que ilustra la variación de la impedancia de la bobina como una función de la posición del disco en la modalidad concentrada en el extremo de la invención a medida que el pistón se mueve de un extremo de su golpe al extremo opuesto de su golpe en un movimiento sustancialmente sinusoidal. El gráfico de la figura 6 muestra que la impedancia de bobina aparente disminuye a medida que el disco se aproxima al centro de uno de los dos componentes de bobina concentrados, aumenta a medida que el disco se aproxima al centro de la bobina concentrada entre los dos componentes de bobina. Después que el disco pasa el centro de la bobina entre los dos componentes de bobina concentrados y se acerca más al segundo componente de bobina, la impedancia disminuye hasta que el disco alcanza el centro del segundo componente de bobina y después aumenta a medida que el disco se mueve hacia el extremo de la bobina.

La figura 7 ilustra un circuito preferido para detectar una señal que es una función de la posición del pistón. Un generador de ondas sinusoidales de 125 kHz impulsa una fuente de corriente para aplicar una fuente de corriente de 125 kHz a través de la bobina 30. Debido a que la bobina es impulsada por una fuente de corriente AC, la amplitud de la sinusoidal, un voltaje AC de 125 kHz a través de la bobina será proporcional a la impedancia de la bobina. En otras palabras, el voltaje a través de la bobina en la frecuencia de portadora de 125 Khz es amplitud modulada por el valor instantáneo de la impedancia de la bobina. En consecuencia, el voltaje a través de la bobina puede ser amplificado, filtrado y desmodulado por un desmodulador A para proporcionar en su salida 70 una señal que sea proporcional a la impedancia de la bobina. Debido a que la impedancia de la bobina es una función de la posición del pistón, la señal en la salida 70 es una función de la posición del pistón. El circuito de detección del amplificador de la figura 7 incluye un amplificador e invierte la señal de salida la cual, como resulta aparente para aquellos expertos en la técnica, una vez más puede ser invertida si asi se desea, aunque por lo general no es necesario.

El circuito de la figura 7 puede ser examinado con más detalle. El generador de ondas sinusoidales 72 tiene un contador para producir una onda cuadrada de 125 kHz que es filtrada pesadamente para producir una onda sinusoidal de 125 kHz. La onda sinusoidal debe ser muy estable y contener pocos componentes de frecuencia diferentes. La salida del generador de ondas sinusoidales 72 se aplica a una fuente de corriente constante 74 que crea una corriente sinusoidal de 125 kHz a través de la bobina ILS 30. El generador de corriente constante 74 utiliza la onda de voltaje creada por el generador de ondas sinusoidales y una resistencia de detección para crear la señal que tiene características de corriente constante. El depósito de corriente de la bobina está en el plano del suelo.

La impedancia de la bobina 30 cambia a medida que se mueve el núcleo del disco a través de ésta. Se utiliza una medición de cuatro alambres Dos alambres proporcionan la corriente a la bobina y los otros 2 miden el voltaje a través de la misma. El ajustador de fase 76 cambia la fase de la onda sinusoidal por aproximadamente 90 grados. Este cambio de fase es creado con un filtro de paso bajo. La sinusoidal para el circuito cuadrado 78 crea una onda cuadrada de la onda sinusoidal de fase cambiada para uso por el desmodulador sincrónico 80. El amperaje de instrumentación 82 mide el voltaje a través de la bobina ILS. Este voltaje es producido por la corriente sinusoidal de 125 kHz que fluye a través de la bobina y depende de la impedancia de la bobina ILS. El pre-filtro 84 es un extremo frontal para el desmodulador que evita que las señales de baja frecuencia no deseadas penetren en el desmodulador.

El generador de onda cuadrada no produce una señal con exactamente 50% de ciclo de trabajo que cambia su valor promedio. Sin el pre-filtro de paso alto, esto permitiría que ciertas señales de baja frecuencia no deseadas pasaran al desmodulador. Si el ciclo de trabajo de la onda cuadrada cambiada fuese exactamente 50%, este pre-filtro pudiera no ser necesario. El desmodulador 80 es un desmodulador sincrónico que recupera la señal modulada del amperaje de instrumentación. La señal sinusoidal de 125 kHz es modulada por cambios en la impedancia de la bobina ILS. El desmodulador 80 multiplica la señal del amperaje de instrumentación con la onda cuadrada cambiada. Un filtro de paso bajo es entonces utilizado para remover los componentes de frecuencia superior dejando solamente la señal modulada que representa la impedancia de la bobina ILS. Debido a que la forma y nivel de la onda cuadrada o es perfecta, ésta se utiliza para controlar un interruptor. Cuando está cerrado, el interruptor multiplica la señal por 0, y cuando está abierto éste multiplica efectivamente la señal por 1.

La señal de salida del desmodulador 80 para una modalidad de bobina distribuida se ilustra como una función de tiempo sobre, un ciclo de movimiento de pistón en la figura 8. Esta muestra la señal de salida a medida que el pistón se mueve de un extremo de su golpe cerca de un extremo de la bobina distribuida al extremo opuesto de su golpe cerca del extremo opuesto de la bobina y después de regreso. Como resulta aparente a partir de los gráficos, el gráfico de la figura 8 tiene una primera parte que es simplemente la figura 5 invertida seguido por una segunda parte que es una imagen de espejo de la primera parte a medida que regresa el pistón. La figura 9 muestra la misma cosa para la bobina concentrada de extremo y tiene la misma relación con la figura 6.

En caso que se desee alinear la señal de la salida 70 para obtener una señal que tenga una magnitud con una variación lineal con la posición del pistón, se pueden utilizar técnicas anteriores para hacer esto. Por ejemplo, la salida del circuito detector de la figura 7 se puede convertir de formato análogo a digital. En un procedimiento de prueba de laboratorio, el pistón es movido a lo largo del eje de oscilación creando una serie de topes separados por pequeños intervalos discretos de traslación. En cada tope, la magnitud de la señal de salida es almacenada en una memoria digital en asociación con la posición medida y relacionada del pistón. La recopilación de estos pares de datos asociados proporciona una tabla de búsqueda. Durante la operación del sensor de la invención con un circuito detector, la salida del desmodulador del circuito detector es muestreada periódicamente, convertida a formato digital y utilizada para ingresar a la tabla de búsqueda y encontrar la posición del pistón que corresponda a la magnitud detectada de la salida del desmodulador.

Resulta aparente a partir de las figuras 5 y 6 que, aunque el sensor de la presente invención proporciona una señal que es una función del valor absoluto de la posición del pistón, tal como se describió anteriormente, éste no proporciona información referente a la polaridad de la posición del pistón; es decir, la magnitud detectada de la señal de salida no indica en qué lado de la posición del pistón central está situado el pistón. Sin embargo, la información se puede obtener, si así se desea, utilizando técnicas anteriores. Por ejemplo, la polaridad del voltaje a través de la bobina de armazón 30 (figura 1) se puede monitorear e indica en cuál lado del centro está ubicado el pistón. Alternativamente, la asimetría de los gráficos ilustrados en los dibujos puede ser utilizada, por ejemplo, incluyendo la parte asimétrica del gráfico en la tabla de búsqueda antes descrita.

Esta descripción detallada en conexión con los dibujos está destinada principalmente como una descripción de las modalidades actualmente preferidas de la invención, y no pretende representar la única forma en la cual se puede construir o utilizar la presente invención. La descripción establece los diseños, funciones, medios y métodos para implementar la invención en conexión con las modalidades ilustradas. Sin embargo, se entenderá que las mismas o equivalentes funciones y características se pueden lograr a través de diferentes modalidades que también están destinadas a quedar abarcadas dentro del espíritu y alcance de la invención y que se pueden adoptar diversas modificaciones sin apartarse de la invención o alcance de las siguientes reivindicaciones .

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. - Un sensor para detectar la traslación o posición de un pistón libre oscilante en una máquina de Stirling de pistón libre que tiene un recipiente de presión exterior para contener un gas operante y al menos un pistón de energía que oscila libremente en un cilindro dentro del recipiente de presión a un golpe máximo diseñado nominal a lo largo de un eje de oscilación; el sensor comprende: (a) un disco montado a una cara de extremo del pistón coaxialmente con el cilindro y oscilando con el pistón, el disco incluye un borde alrededor de su perímetro exterior formado de un material eléctricamente conductor; y (b) una bobina devanada coaxialmente con el cilindro, separada hacia fuera desde el perímetro exterior del disco y montada en una posición fija con relación al recipiente de presión, la bobina tiene hilos conductores para conexión a un circuito detector.

2. - El sensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el disco tiene un grosor en la dirección axial de no más del 30 por ciento del golpe máximo diseñado nominal y las dimensiones radiales perpendiculares al eje mayores que su grosor en la dirección axial.

3.- El sensor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la bobina tiene una longitud al menos sustancialmente igual al golpe máximo diseñado nominal y está sustancialmente centrado en el centro del golpe máximo diseñado nominal.

4. - El sensor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la bobina está devanada exteriormente alrededor del recipiente de presión y el recipiente de presión es un material no ferromagnético .

5. - El sensor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el disco comprende un concentrador central montado al pistón, un borde periférico exterior y rayos uniendo el concentrador al borde.

6. - El sensor de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el borde es un material conductor que tiene más conductividad que los rayos y los rayos están formados de un material de resorte.

7. - El sensor de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el pistón de libre oscilación tiene el golpe permisible de diseño nominal máximo y el sensor además comprende al menos un par de topes que están montados dentro del recipiente de presión en posición fija con relación al1 recipiente de presión y separados por una distancia igual al golpe permisible de diseño nominal máximo de forma equidistante en lados axialmente opuestos del centro del golpe máximo diseñado nominal y alineados para ser contactados por el borde del disco en caso que el golpe exceda el golpe permisible de diseño nominal máximo.

8. - El sensor de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque un separador está coaxialmente interpuesto entre el disco y la cara de extremo del pistón, el separador tiene un diámetro menor que el diámetro del pistón para permitir que los rayos se doblen entre el borde y el separador.

9. - El sensor de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el disco tiene una periferia exterior circular.

10. - El sensor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la bobina está devanada con giros que están más concentrados en sus extremos opuestos.

11. - El sensor de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el disco comprende un concentrador central montado al pistón, un borde periférico exterior y rayos que unen el concentrador al borde.

12. - El sensor de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el borde es un material conductor que tiene más conductividad que los rayos y los rayos están formados de un material de resorte.

13. - El sensor de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el pistón libre oscilante tiene un golpe permisible de diseño nominal máximo y el sensor además comprende al menos un par de topes y están montados dentro del recipiente de presión en posición fija con relación al recipiente de presión y separados una distancia igual al golpe permisible de diseño nominal máximo equidistantemente sobre lados axialmente opuestos del centro del golpe máximo diseñado nominal y alineados para ser contactados por el borde del disco en caso que el golpe exceda el golpe permisible de diseño nominal máximo.

14. - El sensor de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque un separador está coaxialmente interpuesto entre el disco y la cara de extremo del pistón, el separado tiene un diámetro menor que el diámetro del pistón para permitir que los rayos se doblen entre el borde y el separador.

15. - El sensor de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el disco tiene una periferia exterior circular.

16. - El sensor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el disco comprende un concentrador central montado al pistón, un borde periférico exterior y rayos que unen el concentrador al borde.

17. - El sensor de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el borde es un material conductor que tiene más conductividad que los rayos y los rayos están formados de un material de resorte.

18. - El sensor de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el pistón libre oscilante tiene un golpe permisible de diseño nominal máximo y el sensor además comprende al menos un par de topes y están montados dentro del recipiente de presión en la posición fija con relación al recipiente de presión y separados por una distancia igual al golpe permisible de diseño nominal máximo equidistantemente sobre lados axialmente opuestos del centro del golpe máximo diseñado nominal y alineados para ser contactados por el borde del disco en caso que el golpe exceda el golpe permisible de diseño nominal máximo.

19. - El sensor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el separador está coaxialmente interpuesto entre el disco y la cara de extremo del pistón, el separador tiene un diámetro menor que el diámetro del pistón para permitir que los rayos se doblen entre el borde y el separador.

20.- El sensor de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el disco tiene una periferia exterior circular.