NO844058L - Anordning for magnetisk posisjonsbestemmelse. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en anordning for magnetisk posisjonsbestemmelse og er mer spesielt rettet mot nøyaktig posisjonsbestemmelse eller nivåmåling i , tanker og lignende. Det vil imidlertid innsees at selv om oppfinnelsen primært er utviklet med sikte på nivåmåling i tanker med en flottør på væskeoverflaten i tanken, er det klart at oppfinnelsen også kan ha andre anvendelser .

Det er tidligere kjent å utnytte magnetisk induksjon som grunn-lag for posisjonsdetektorer, bl.a. utførelser hvor en magnetinnretning etablerer et omgivende magnetfelt og en sonde er innrettet til å avføle magnetfeltet i forskjellige relative posisjoner av magnetinnretningen og sonden.

På den annen side er det f.eks. fra norsk patent 134 572 kjent en nivåmåleanordning basert på en ringformet flottør som bærer en magnet innrettet til å påvirke en sonde som kan føres i en bane gjennom flottøren.

Denne oppfinnelse har til formål å fremskaffe en forbedret anordning for magnetisk posisjonsbestemmelse, særlig for å oppnå øket nøyaktighet samtidig som anordningen er meget robust og i meget høy grad eliminerer eksplosjonsfaren. Dette er egenskaper som har stor betydning ved posisjonsbestemmelse eller -måling i mange tankanlegg og f.eks. i forbindelse med forskjellige måle-metoder og arbeidsoperasjoner innen olje- og gassutvinning.

De nye og særegne trekk ved anordningen ifølge oppfinnelsen

er nærmere angitt i patentkravene.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 viser et forenklet snitt av en del av et nivåmålesystem

med flottør,

Fig. 2 viser en utførelsesform av en magnetinnretning og tilhø- rende sonde for posisjonsbestemmelse, Fig. 3 viser et diagram til forklaring av virkemåten av anordnin gen på Fig. 2, Fig. 4 viser en annen utførelse av magnetinnretningen og til-hørende sonde, hvor sonden er beregnet til å føres i et trangt rør,

Fig. 5 viser mer detaljert og forstørret sonden på Fig. 4, og

Fig. 6 viser et diagram til nærmere forklaring av virkemåten

av anordningen på Fig. 4.

Fig. 1 illustrerer den primære anvendelse som oppfinnelsen tar sikte på. Det er der vist et flottør-legeme 1 som flyter på en væskeoverflate 3. Flottøren 1 har en gjennomgående sentral åpning 1a for et langstrakt element 2 som kan være et rør, en målestav eller lignende. Det er på Fig. 1 forutsatt at det dreier seg om et rør 2 i hvis indre det kan føres en sonde 4, f.eks. opphengt i et målebånd 4a.

Som det fremgår av Fig. 1 passerer røret 2 med god klaring gjennom åpningen 1a i flottøren 1, slik at det er liten sannsyn-lighet for fastkiling på grunn av smuss eller avsetninger. Dette er av betydning for at flottøren 1 skal kunne følge væskeoverflaten 3 nøyaktig ved variasjoner i nivået. Dette innebærer at flottøren 1 også kan foreta dreiebevegelser om en vertikal akse som mer eller mindre faller sammen med retningen av det langstrakte element 2 gjennom åpningen 1a.

I flottøren 1 er det skjematisk vist en magnetinnretning 5 som er ringformet og dermed omslutter åpningen 1a og elementet 2 som går gjennom denne. Magnetinnretningen 5 er innrettet til å frembringe et magnetfelt som kan påvirke sonden 4 når denne er nær flottøren, særlig når den befinner seg på høyde med magnetinnretningen 5. Samvirket mellom magnetinnretningen og sonden skal forklares nærmere under henvisning til Fig. 2.

Den situasjon som skjematisk og forenklet er illustrert på

Fig. 1, kan opptre i analoge former i andre anvendelser, f.eks.

i forbindelse med instrumentering eller måling ved boring efter olje eller gass. Det langstrakte element 2 kan f.eks. være en kabel som er ført ned i et borehull, mens legemet 1 kan være et verktøy, instrument eller lignende hvis relative posisjon til lengderetningen av kabelen 2 ønskes bestemt.

På Fig. 2 er det antydet et stykke av et rør 22 svarende til det langstrakte element 2 på Fig 1, i hvis indre det er anordnet en sonde med to deler 24a og 24b av ferromagnetisk materiale, beliggende efter eller over hverandre i lengderetningen av røret 22. Utenfor røret 22 er det skjematisk vist en ringmagnet 25

med nordpol øverst og sydpol nederst, slik at det blir etablert et magnetfelt med feltlinjer som antydet. Ringmagneten 25 kan ganske enkelt være en permanent-magnet eller et permanent-magnet-

element med tilhørende polstykker e.l. Med en slik magnetinnretning vil magnetfeltet som vist på figuren, forløpe gjennom røret 22 et stykke stort sett aksielt gjennom den åpning som omsluttes av ringmagneten 25, slik at sonden 24a, 24b vil kunne komme inn i dette magnetfelt.

Hver av delene 24a og 24b av sonden har innbyrdes motsatte partier eller endedeler som er innrettet til å oppfange magnetfeltet og føre dette gjennom sonden. Fra disse utvidede endepartier er hver av delene 24a, 24b utformet slik at de smalner av til mer innsnevrede partier som mellom seg danner et luftgap 20. Følgelig blir magnetfeltet sterkt konsentrert i dette luftgap 20 mellom delene 24a og 24b. I luftgapet er det plassert et føle-element 29 for magnetfluks, og fra dette element er det ført elektriske ledninger antydet ved 29a som f.eks. kan føre til elektronisk måleutstyr på toppen av tanken.

Når den relative posisjon av magnetinnretningen 25 og sonden 24 i vertikal retning, varierer, vil det konsentrerte magnetfelt i luftgapet 20 og dermed gjennom føle-elementet 29, variere til-svarende. En foretrukket form for føle-element er et Hall-element, som har vist seg meget velegnet for dette formål. Med en konfigurasjon og relative dimensjoner som skjematisk vist på Fig. 2 vil magnetfluksen gjennom Hall-elementet 29 avhenge av den relative posisjon mellom magnetinnretningen 25 og sonden 24. Variasjonen i magnetfluks H som funksjon av den relative posisjon er i prinsippet som vist på Fig.3. Ved bevegelse av sonden langt opp eller langt ned i forhold til magnetinnretningen 25 vil magnetfluksen stabilisere seg på en mer eller mindre konstant verdi, mens en temmelig sterk endring i magnetfluksen vil opptre i et arbeidsområde som på Fig. 3 er markert mellom bokstavene A og B, svarende til relative posisjoner hvor sonden befinner seg mer eller mindre direkte i området rett innenfor magnetinnretningen 25. Eftersom magnetfluksen varierer sterkt i dette arbeidsområde vil man kunne oppnå høy nøyaktighet i posisjonsbestemmelsen, basert på en viss referanseverdi av magnetfluksen.

I den utførelse av anordningen som er vist skjematisk på

Fig. 4, er det forutsatt at den viste sonde med delene 4 4a og 44b skal kunne føres i et forholdsvis trangt rør, hvilket har ført til en annen orientering av luftspalten 40 mellom delene 44a og

44b. Som det fremgår av de inntegnede feltlinjer forløper magnetfeltet i luftspalten 40 på tvers i forhold til den aksielle retning av anordningen, i motsetning til det stort sett aksielle feltforløp i luftspalten 20 på Fig. 2. På Fig. 4 er videre de utvidede partier av delene 44a og 44b i avstand fra luftspalten 40, utført mer langstrakt blant annet med sikte på å fange opp feltlinjene med sine sideflater som vender mot den innvendige rør-vegg (ikke vist). Dette gir totalt en større lengde av sonden og dette har ført til at magnetinnretningen er oppbygget med to ring-magneter henholdsvis 45a og 45b som har sin magnetiseringsretning radielt. Den radielle magnetiseringsretning er av motsatt polari-tet i de to magneter 45a og 45b. Dette arrangement gir et for-holdsvist langstrakt, stort sett aksielt forløp av magnetfeltet i den gjennomgående åpning som muliggjør føring av sonden 44 verti-kalt i forhold til magnetinnretningen.

Fig. 5 viser mer detaljert et snitt gjennom sonden på Fig. 4. Den øvre del 44a og den nedre del 44b har utvidede endepartier som f.eks. kan ha en sylindrisk form tilpasset den indre diameter av et rør som sonden skal kunne anbringes eller føres i. Delene 44a og 44b kan med fordel lages av et ferritt-materiale. Fra de utvidede endepartier av delene 44a og 44b er det ført smalere partier frem mot luftgapet 40 hvor magnetfeltlinjene gjennom sonden blir konsentrert. I luftgapet 4 0 er det anbragt et Hall-element 49 som er montert på en halvlederbaerer 48. Denne kan eventuelt omfatte visse elektronikk-kretser eller -komponenter som på i og for seg ikjent måte inngår ved bruk av et Hall-element. Ved den nedre ende av halvlederbæreren 4 8 er det montert terminaler 47 for tilkobling av ledninger 49a som fører til et målesystem eller lignende i avstand fra det aktuelle målested. For at sonden skal utgjøre et enhetlig og robust organ kan det være istøpt en passende støpemasse i de hulrom som er angitt ved 41a og 41b. Fig. 6 viser et eksempel på en karakteristikk for et arrangement som vist på figurene 4 og 5. I likhet med diagrammet på Fig. 3 angir abscissen relativ posisjon (i centimeter) mens ordinaten er utgangsspenning i volt fra Hall-elementet. Kurven eller karakteristikken på Fig. 6 viser signalet fra Hall-elementet som funksjon av sondens relative posisjon i magnetfeltet, i likhet med Fig. 3, men med et noe annet forløp som følge

av den dobbelte magnetinnretning som fremgår av Fig. 4. Det velges med fordel et arbeidspunkt eller -område på en av de bratte deler av kurven på Fig. 6, nemlig som angitt med bokstavene C til D. Kurveforløpet i dette arbeidsområde vil endre seg lite ved drift i forskjellige parametre, f.eks. temperatur, slik at det er mulig å oppnå en meget høy nøyaktighet i posisjonsbestemmelsen. Referansepunktet kan f.eks. være en spenning på 5,0 volt. Nøy-aktigheter på omkring 1/10 mm er oppnåelig i et praktisk arrangement som illustrert på Fig. 1. En annen fordel med det angitte arbeidsområde er at virkningen av magnetisk hysterese ikke blir nevneverdig. Det fremgår

av Fig. 3 og særlig Fig. 6 at de angitte arbeidsområder ligger nær en vendetangent i de viste karakteristikker.

Det er ovenfor i tilknytning til tegningsfigurene beskrevet to eksempler på utførelser i henhold til oppfinnelsen, men det er klart at disse utførelser kan modifiseres i forskjellige retninger med bibehold av den samme prinsipielle virkemåte som oppfinnelsen angir. Som det har fremgått av beskrivelsen, særlig i tilknytning til de viste karakteristikker, går metoden ut på å bestemmme et punkt eller enposisjon hvor magnetfeltet gir en definert magnetfluks eller utgangsspenning fra Hall-elementet, dvs. en forhåndsbestemt referanseverdi.

Det er ikke nærmere beskrevet hvordan utgangssignalet fra Hall-elementet behandles i passende elektronikk, men dette er kon-vensjonelt, inkludert en hensiktsmessig temperaturkompensasjon.

De omtalte permanentmagneter kan eventuelt erstattes med elektro-magneter, enten energisert med likestrøm eller med vekselstrøm. Det er imidlertid klart at i omgivelser med eksplosjonsfare fore-trekkes permanentmagneter.

Permanentmagnetene kan med fordel bestå av flere segmenter, f.eks. 4 segmenter, fordelt symmetrisk rundt omkretsen. I det spe-sialtilfelle at den relative radielle bevegelse av sonden og magnetinnretningen er neglisjerbar, kan eventuelt ett eneste permanent-magnet-segment være tilstrekkelig for etablering av det nødvendige magnetfelt, med bibehold av ønsket nøyaktighet i posisjonsbestemmelsen.

Av Fig. 1 fremgår det at den relative bevegelse mellom magnetinnretningen og sonden er tilnærmet aksiell og rettlinjet. Det vil innsees at man kan tenke seg anvendelser hvor denne førings-bane riktignok følger en linje, men denne trenger ikke nødvendig-vis å være rett.

Claims (8)

1. Anordning for magnetisk posisjonsbestemmelse omfattende tildels et legeme (1) forsynt med en magnetinnretning (5, 25, 45a, b) for etablering av et omgivende magnetfelt, og tildels en sonde (4, 24a,b, 44a,b) til å avføle magnetfeltet i forskjellige relative posisjoner av legemet og sonden, karakterisert ved at legemet (1) er i det vesent-lige rotasjonssymmetrisk og har en sentral åpning (1a) for et gjennomgående, langstrakt element (2), at magnetinnretningen (5, 25, 45a,b) er ringformet og omslutter den sentrale åpning, at magnetfeltet er innrettet til å forløpe et stykke stort sett aksielt gjennom åpningen, at sonden føres i eller bæres av det langstrakte element og omfatter to ferromagnetiske deler (24a, 24b, 44a,44b) som ligger efter hverandre sett i lengderetningen av det langstrakte element, at hver av de to deler har et forholdsvis utvidet parti som smalner av til et mer innsnevret parti, at de innsnevrede partier av delene (24a, 24b, 44a, 44b) mellom seg danner et luftgap (20, 40) med betydelig redusert magnetfluks-tverrsnitt i forhold til de utvidede partier, og at et føle-element (29, 49) for magnetfluks er plassert i luftgapet (20, 40).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at føle-elementet er et Hall-element (29, 49).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at luftgapet (20) strekker seg stort sett på tvers av lengderetningen av det langstrakte element.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at luftgapet (40) strekker seg stort sett parallelt med lengderetningen av det langstrakte element.

5. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at magnetinnretningen omfatter i det minste en ringformet permanentmagnet.

6. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at magnetinnretningen omfatter et antall symmetrisk fordelte permanentmagnetsegmenter

7. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at magnetinnretningen omfatter to sett magneter (45a, 45b) som har en innbyrdes forskyvning i lengderetningen av det langstrakte element.

8. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at posisjonsbestemmelsen er basert på en referanseverdi av magnetfluks i, henholdsvis på en steil del av anordningens karakteristikk.