專(zhuān)利名稱(chēng)：自由活塞位置測(cè)定裝置及控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諸如液力壓縮機(jī)中的往復(fù)式活塞的自由活塞的位置的測(cè)定裝置以及所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的控制裝置，所述活塞與驅(qū)動(dòng)裝置如一曲軸不作機(jī)械連接。
背景技術(shù)：
一種自由活塞機(jī)，其具有一不與一驅(qū)動(dòng)曲軸作機(jī)械連接的往復(fù)式活塞。更確切地說(shuō)，通常是使用一線性電動(dòng)機(jī)或者一交流發(fā)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)或加載一在活塞缸中的自由活塞(諸如在參考文獻(xiàn)1中所揭示的發(fā)明)。這些機(jī)器被實(shí)際應(yīng)用作為氣體壓縮機(jī)、斯特林冷卻器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)以及其它的自由活塞機(jī)。
因?yàn)樵撟杂苫钊慌c一曲軸作機(jī)械連接，所以該自由活塞機(jī)自然地不能夠?qū)ζ渥杂苫钊鹘^對(duì)活塞位移控制。因此，為了要在避免噪音以及由超行程引起的可能損害的情況下獲得最大的行程，就一定要不斷地監(jiān)測(cè)及控制其活塞運(yùn)動(dòng)。在這種應(yīng)用中的一理想傳感器應(yīng)是非接觸式的、沒(méi)有可動(dòng)部份以及無(wú)需安裝在該自由活塞機(jī)的機(jī)殼或壓力容器內(nèi)。
迄今，在先有技術(shù)中，有人業(yè)已提出方法，在每一所述方法中，在一自由活塞上布置一永久磁鐵以及在一活塞缸上布置一霍爾效應(yīng)型傳感器，并且通過(guò)該霍爾效應(yīng)型傳感器測(cè)量隨該自由活塞移動(dòng)的磁鐵來(lái)測(cè)定該自由活塞的位置(參考文獻(xiàn)2和參考文獻(xiàn)3)。這些方法基于一種原理，即在一永久磁鐵經(jīng)過(guò)一磁性傳感器的時(shí)候，該磁性傳感器產(chǎn)生一波型輸出信號(hào)，而在該永久磁鐵與該磁性傳感器最接近的時(shí)候，該波型輸出信號(hào)會(huì)有一峰值。明確地說(shuō)，在該波型信號(hào)的強(qiáng)度超過(guò)一額定容許值的時(shí)候，可輸出一自由活塞位置信號(hào)。
參考文獻(xiàn)1US 4,602,174參考文獻(xiàn)2JPA 1989-31002
參考文獻(xiàn)3JPA 2003-527591然而，這些先有技術(shù)沒(méi)有揭示如何探測(cè)一自由活塞的行程和該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置的具體探測(cè)方法。大體上，要探測(cè)一自由活塞是否達(dá)到一預(yù)定的行程位置是有可能的，假如一磁性傳感器這樣布置以致于當(dāng)該自由活塞達(dá)到一預(yù)定行程位置時(shí)，即在該最大行程位置時(shí)，一輸出信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)超過(guò)一設(shè)定值。不過(guò)，在這種方法中，為了控制該自由活塞的每一可變行程，就需要多個(gè)行程設(shè)定值和多個(gè)磁性傳感器。尤其是，要連續(xù)不斷地控制該自由活塞的可變行程在實(shí)際上是不可能的。況且，難以理解如何利用該些先有技術(shù)來(lái)探測(cè)該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于提供一種自由活塞位置測(cè)定裝置，其可輕易地測(cè)定該在一自由活塞機(jī)中的自由活塞的每一行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置，即使當(dāng)該自由活塞行程有變化。本發(fā)明的第二目的在于提供一種自由活塞控制裝置，其通過(guò)使用該自由活塞位置測(cè)定裝置來(lái)控制該自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置。
根據(jù)本發(fā)明的自由活塞位置測(cè)定裝置，其包括一放置于一包含一自由活塞的機(jī)殼中的磁性傳感器以及一放置在該機(jī)殼中往復(fù)移動(dòng)的自由活塞上的磁鐵。當(dāng)該與該自由活塞往復(fù)移動(dòng)的磁鐵配置在距該磁性傳感器一預(yù)定距離內(nèi)的時(shí)候，該磁性傳感器產(chǎn)生脈沖。該自由活塞的行程可基于該脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算，而該活塞的平均活塞位置自一設(shè)計(jì)的平均位置的偏移可基于該些脈沖之間的間隔來(lái)計(jì)算。
換句話(huà)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的自由活塞位置測(cè)定裝置測(cè)定一在一自由活塞機(jī)中的自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置，而且該測(cè)定裝置包括一脈沖串產(chǎn)生裝置和一自由活塞位置計(jì)算裝置。該自由活塞機(jī)包括一包含一自由活塞的機(jī)殼以及一驅(qū)動(dòng)該自由活塞的驅(qū)動(dòng)裝置。該自由活塞不與該驅(qū)動(dòng)裝置作機(jī)械連接。該脈沖串產(chǎn)生裝置包括一放置在該自由活塞上的磁鐵和一放置在該機(jī)殼上的磁性傳感器。
當(dāng)該自由活塞的位置在該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一設(shè)計(jì)中心的時(shí)候，該磁性傳感器和磁鐵在垂直于該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向?qū)R。當(dāng)該磁鐵配置在距在該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向的該磁性傳感器一預(yù)定距離內(nèi)的時(shí)候，該磁性傳感器產(chǎn)生脈沖。該自由活塞位置計(jì)算裝置包括該些脈沖持續(xù)時(shí)間、該些脈沖之間的間隔和該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量裝置。該自由活塞位置計(jì)算裝置基于該些脈沖持續(xù)時(shí)間和該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)計(jì)算該自由活塞的行程，然后基于該些脈沖之間的間隔、該自由活塞的計(jì)算行程和該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)計(jì)算該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均活塞位置自該自由活塞的一設(shè)計(jì)的平均活塞位置的偏移。
該磁性傳感器最好是一霍爾效應(yīng)型傳感器。該自由活塞機(jī)最好是一斯特林型機(jī)器。該磁性傳感器最好放置在該機(jī)殼的外表面上。
根據(jù)本發(fā)明的自由活塞控制裝置控制一在一自由活塞機(jī)中的自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均活塞位置。明確地說(shuō)，該自由活塞控制裝置把該自由活塞的實(shí)際行程值和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置的實(shí)際偏移值與預(yù)定的給定值相比。然后，該自由活塞控制裝置基于在該些實(shí)際值與該些預(yù)定的給定值之間的差來(lái)反饋控制該自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置。
根據(jù)本發(fā)明的自由活塞控制裝置包括以上所述的自由活塞位置測(cè)定裝置和該自由活塞的一種往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置。該往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置包括一行程誤差計(jì)算裝置、一行程誤差信號(hào)處理裝置和一行程控制裝置。該往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置還包括一偏移誤差計(jì)算裝置、一偏移誤差信號(hào)處理裝置和一偏移控制裝置。
該行程誤差計(jì)算裝置計(jì)算在該自由活塞的計(jì)算行程和其設(shè)計(jì)行程之間的偏差，并且把該偏差作為一行程誤差信號(hào)來(lái)輸出。該行程誤差信號(hào)處理裝置基于該行程誤差信號(hào)產(chǎn)生一行程控制信號(hào)。該行程控制裝置基于該行程控制信號(hào)控制該自由活塞的行程。
該偏移誤差計(jì)算裝置計(jì)算在該計(jì)算偏移值和一設(shè)計(jì)偏移值之間的偏差，然后把該偏差作為一偏移誤差信號(hào)來(lái)輸出。該偏移誤差信號(hào)處理裝置基于該偏移誤差信號(hào)產(chǎn)生一偏移控制信號(hào)。該偏移控制裝置基于該偏移控制信號(hào)控制該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均活塞位置。
以上所述的“自由活塞機(jī)”指的是一種具有一往復(fù)移動(dòng)且與一曲軸不作任何機(jī)械連接的自由活塞的機(jī)器，并且包括，例如，氣體壓縮機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等等?！耙话蛔杂苫钊臋C(jī)殼”指的是，例如，一種內(nèi)有一往復(fù)移動(dòng)的自由活塞的活塞缸、一包含該活塞缸的機(jī)殼、或一壓力容器?！耙蛔杂苫钊?qū)動(dòng)裝置”指的是一種與該自由活塞沒(méi)有作任何連接的自由活塞驅(qū)動(dòng)裝置，其包括，例如，氣體壓縮機(jī)或斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的一種通過(guò)改變加載于該自由活塞的端面上的工作介質(zhì)壓力來(lái)引致該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置、或斯特林冷卻器的一種用線性電動(dòng)機(jī)以電磁驅(qū)動(dòng)一自由活塞的裝置。
“一放置在一自由活塞上的磁鐵”包括把該磁鐵嵌入該自由活塞的外表面上的一種結(jié)構(gòu)以及還包括把磁鐵放置在一附著該自由活塞的支承件上的一種結(jié)構(gòu)。“斯特林型機(jī)器”包括屬于外燃發(fā)動(dòng)機(jī)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、或所謂的斯特林冷卻器?！耙蛔杂苫钊恢脺y(cè)定裝置”和“一自由活塞控制裝置”包括負(fù)反饋控制器，其控制一在一自由活塞機(jī)中的自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置。


圖1所示為一根據(jù)本發(fā)明的包括一自由活塞位置測(cè)定裝置和一自由活塞位置控制裝置的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖。
圖2所示為一顯示一霍爾效應(yīng)型傳感器的電狀態(tài)與該霍爾效應(yīng)型傳感器和一磁鐵的相隔距離Z之間的關(guān)系的示意圖。
圖3所示為一用圖表顯示在脈沖持續(xù)時(shí)間和活塞行程之間的相反關(guān)系的示意圖。
圖4所示為一用圖表顯示在脈沖間隔和自由活塞的偏移之間的關(guān)系的示意圖。
圖5所示為一用圖表顯示在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖間隔之間的關(guān)系的示意圖。
圖6所示為一顯示自由活塞的一種控制方法的流程圖。
根據(jù)本發(fā)明就可以獲得以下的有利效果。本發(fā)明僅僅以一組磁性傳感器和磁鐵就可以測(cè)量一自由活塞的行程和偏移。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是基于當(dāng)放置在該自由活塞上的磁鐵的磁通橫過(guò)該在機(jī)殼上放置的磁性傳感器時(shí)，該自由活塞位置測(cè)定裝置產(chǎn)生脈沖，可基于該些脈沖持續(xù)時(shí)間計(jì)算該自由活塞的行程，然后可基于該些脈沖間隔計(jì)算該自由活塞的偏移。
由于該磁性傳感器或該磁鐵沒(méi)有可動(dòng)部份并且彼此互不接觸，所以本發(fā)明簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和在沒(méi)有任何磨損下提高了使用壽命。此外，由于該磁性傳感器放置在機(jī)殼外而無(wú)需把導(dǎo)線引出穿過(guò)機(jī)殼，這樣就避免了額外成本和簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
使用霍爾效應(yīng)型傳感器作為一磁性傳感器具有降低成本和方便設(shè)計(jì)的用途，因?yàn)榛魻栃?yīng)型傳感器被廣泛使用和容易獲得，而且其性能特征是完全公開(kāi)的。
斯特林型機(jī)器大體在效率、無(wú)噪聲和穩(wěn)定性方面很優(yōu)秀。這些特征在小型和低功率斯特林型機(jī)器中做得更優(yōu)秀。當(dāng)一根據(jù)本發(fā)明的自由活塞位置測(cè)定裝置并入一用發(fā)電機(jī)把一自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，或者一用線性電動(dòng)機(jī)以電磁驅(qū)動(dòng)一自由活塞的斯特林冷卻器的時(shí)候，其可避免該不與一曲軸作任何機(jī)械連接的自由活塞的超行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均活塞位置的超位移。這種功能幫斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或斯特林冷卻器簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和縮減了尺寸。
因?yàn)楸景l(fā)明使用一有效的反饋控制器，所以該自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在適當(dāng)?shù)臈l件下可以該簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來(lái)控制。在該反饋控制器中，該活塞位置測(cè)定裝置和往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置包括計(jì)算在該行程和偏移的測(cè)量值及設(shè)計(jì)值之間的偏差的電子電路，而該偏差會(huì)用于該自由活塞的反饋控制。尤其是，當(dāng)一控制用的行程或偏移的目標(biāo)值，例如，一最大的可容許值改變的時(shí)候，本發(fā)明可以輕易地跟隨該新的目標(biāo)值，也就是可以控制行程或偏移以致于不會(huì)超過(guò)該最大的可容許值。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為一根據(jù)本發(fā)明的自由活塞位置測(cè)定裝置以及一包括一往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的略圖。首先，參照?qǐng)D1，說(shuō)明該斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)本身是眾所周知的。在該斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，一自由活塞3和一置換器2在一機(jī)殼4的活塞缸部份41和42中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而且它們的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向是彼此相反。機(jī)殼4由可導(dǎo)磁材料制成，諸如奧氏體不銹鋼。在該自由活塞3和該置換器2的中央，分別形成一軸孔31和一軸孔21。一在機(jī)殼4的一端固定的桿5插入該些軸孔31和21。該自由活塞3和該置換器2通過(guò)使用該桿5作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一中軸來(lái)往復(fù)移動(dòng)。
一受熱換熱器8、一交流換熱器9和一排熱換熱器10卷在一內(nèi)含該置換器2的活塞缸部份42的外圓周上面。一在該機(jī)殼4的一頂部和該置換器2的一頂端之間的上空間43、一在該機(jī)殼4的一底部和該自由活塞3的一底端之間的下空間45和一在該置換器2的一底端和該自由活塞3的一頂端之間的中空間44分別成形。在該置換器2的軸洞21的一閉合端和該桿5的一頂端之間形成一彈簧空間22，而該彈簧空間22起一種氣體彈簧的作用。一圓柱形支承件7與該自由活塞3的底端連接，而該永久磁鐵61則與該圓柱形支承件7的底端連接。該電線圈62在面對(duì)該磁鐵61的位置卷繞地排列。該永久磁鐵61和該電線圈62構(gòu)成一交流發(fā)電機(jī)6。該機(jī)殼4的內(nèi)部充滿(mǎn)作為工作介質(zhì)的高壓氦氣。
以下將說(shuō)明斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的操作。來(lái)自一外部熱源(圖1未顯示)的熱通過(guò)該受熱換熱器8傳到該上空間43，并且提高該空間43內(nèi)的氦氣溫度和壓力。于是，該中空間44的壓力也被提高，因?yàn)樵撝锌臻g44與該上空間43通過(guò)該受熱換熱器8、該交流換熱器9和該排熱換熱器10傳熱。因此，該自由活塞3向下降低。在其時(shí)，在該置換器2中形成的彈簧空間22由于在該彈簧空間22的內(nèi)壓和該上空間43的壓力之間的壓差而縮小，所以，該置換器2移到較低位置。
當(dāng)該自由活塞3向較低位置的移動(dòng)完成之后，通過(guò)在彈簧空間22內(nèi)的壓縮氣體的推斥力，該置換器2被推回較高位置和該上空間43內(nèi)的氦氣被轉(zhuǎn)移到該中空間44內(nèi)。在轉(zhuǎn)移的時(shí)候，氦氣的一部分熱在該交流換熱器9中積聚。然后，在該中空間44內(nèi)的氦氣的熱通過(guò)該排熱換熱器10排出到外部，而且氦氣的溫度和壓力下降。因此，該自由活塞3移到較高的位置。在其時(shí)，該彈簧空間22通過(guò)在該彈簧空間22內(nèi)的壓力和該上空間43的壓力之間的壓差而擴(kuò)大，并且使該置換器2移到較高位置。
當(dāng)該自由活塞3向較高位置的移動(dòng)完成之后，通過(guò)彈簧空間22的推斥力，該置換器2被推回較低位置，而在該中空間44內(nèi)的氦氣移到該上空間43內(nèi)。在其時(shí)，儲(chǔ)存在該交流換熱器9中的一部分熱由氦氣回收。這種熱回收大大地提高了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。
概括地說(shuō)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)自一外部熱源接收熱，消散一部份的熱，剩余的熱被轉(zhuǎn)換為該自由活塞3的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的能量，并且在最后通過(guò)該交流發(fā)電機(jī)6取得電能。當(dāng)該往復(fù)運(yùn)動(dòng)在啟動(dòng)該發(fā)動(dòng)機(jī)之后并不穩(wěn)定的時(shí)候，該交流發(fā)電機(jī)6如一線性電動(dòng)機(jī)般支援該往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
如圖6所示，該斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括一脈沖串產(chǎn)生裝置1和一自由活塞位置計(jì)算裝置100。該脈沖串產(chǎn)生裝置1具有一放置在一與該自由活塞3連接的支承件7上的磁鐵12和一放置在該機(jī)殼4的外表面上的霍爾效應(yīng)型傳感器11。當(dāng)該自由活塞3位于其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一設(shè)計(jì)中心位置的時(shí)候，該霍爾效應(yīng)型傳感器11和磁鐵12在垂直于該自由活塞3的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向?qū)R。
接下來(lái)，將會(huì)參照?qǐng)D2來(lái)說(shuō)明如何通過(guò)該脈沖串產(chǎn)生裝置1產(chǎn)生脈沖串。這可基于一個(gè)眾所周知的原理，即當(dāng)電流經(jīng)過(guò)該霍爾效應(yīng)型傳感器11的時(shí)候，該霍爾效應(yīng)型傳感器11產(chǎn)生方向垂直于磁通和電流的電動(dòng)勢(shì)。在本發(fā)明中，由于該自由活塞3和磁鐵12一起往復(fù)移動(dòng)，當(dāng)自該磁鐵12放出的磁通經(jīng)過(guò)該霍爾效應(yīng)型傳感器11的時(shí)候，在該霍爾效應(yīng)型傳感器11中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)度與該磁鐵12的磁通強(qiáng)度和該磁鐵12的速度成比例。所以，在該磁鐵12經(jīng)過(guò)該霍爾效應(yīng)型傳感器11的中心線時(shí)，電動(dòng)勢(shì)會(huì)達(dá)到最大且在該磁鐵12移離該霍爾效應(yīng)型傳感器11時(shí)下降。該霍爾效應(yīng)型傳感器11的電狀態(tài)取決于該磁鐵12和該霍爾效應(yīng)型傳感器11之間的距離來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字1或數(shù)字0。
當(dāng)該霍爾效應(yīng)型傳感器11的位置距離該磁鐵在距離Z之內(nèi)的時(shí)候，也就是說(shuō)，當(dāng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)超過(guò)一給定值時(shí)，該霍爾效應(yīng)型傳感器11的電狀態(tài)變成高位且該霍爾效應(yīng)型傳感器11會(huì)響應(yīng)數(shù)字1。當(dāng)該霍爾效應(yīng)型傳感器11遠(yuǎn)離該距離Z且該電動(dòng)勢(shì)下降到低于該給定值的時(shí)候，該霍爾效應(yīng)型傳感器11的電狀態(tài)變成低位且該霍爾效應(yīng)型傳感器11會(huì)響應(yīng)數(shù)字0。所以，該數(shù)字響應(yīng)值1可用作為一脈沖信號(hào)。
一在一自由活塞機(jī)中往復(fù)移動(dòng)的自由活塞基本上以一正弦運(yùn)動(dòng)的方式振動(dòng)。因此，該自由活塞3的位置X可用方程式(1)來(lái)表示。
X＝Asin(ωt)[M] (1)其中，ω＝2π*活塞振動(dòng)頻率[Hz]t＝時(shí)間[s]A＝活塞行程[M]微分方程式(1)，活塞速度V可用方程式(2)來(lái)表示。
V＝ωAcos(ωt)[M/s] (2)當(dāng)cos(ωt)為1，可得到最大的活塞速度Vmax，其可用方程式(3)來(lái)表示，也就是，Vmax＝ωA[M/s] (3)該自由活塞3在經(jīng)過(guò)其平均往復(fù)位置時(shí)會(huì)達(dá)到最大的速度。該平均往復(fù)位置相當(dāng)于當(dāng)該磁鐵12與該霍爾效應(yīng)型傳感器11在垂直于該往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向軸向?qū)R時(shí)的位置。
當(dāng)該距離Z與行程A相比下很小的時(shí)候，該磁鐵12經(jīng)過(guò)該距離Z所需的時(shí)間很短，所以，cos(ωt)大約為1，因此該自由活塞3的速度接近Vmax＝ωA。在該霍爾效應(yīng)型傳感器11的電狀態(tài)響應(yīng)數(shù)字1的時(shí)間間隔，或者在該電狀態(tài)變成高位的時(shí)間間隔，更確切地說(shuō)，脈沖T的持續(xù)時(shí)間，可以用方程式(4)精密地約計(jì)。
T＝2Z/ωA[s] (4)因此，如方程式(5)所示，脈沖T的持續(xù)時(shí)間與該行程A成反比。
T～1/A[s](5)所以，測(cè)量該脈沖T的持續(xù)時(shí)間，通過(guò)求解方程式(5)就可以計(jì)算該行程A。在方程式(5)中的比例常數(shù)基于一特定的物理設(shè)備的特征，而且可以從該距離Z和該頻率ω來(lái)得出。圖3顯示了在該些脈沖持續(xù)時(shí)間和該活塞行程之間的相反關(guān)系。
該自由活塞3的平均活塞位置通常可基于作用于活塞表面上的平均壓力來(lái)求出。在自由活塞機(jī)中，該平均活塞位置自一設(shè)計(jì)的要求平均位置普遍存在無(wú)益的偏差或偏移。如圖4所示，這種偏移改變了由該霍爾效應(yīng)型傳感器11產(chǎn)生的脈沖串中的脈沖之間的逐次間隔。本發(fā)明采用一計(jì)時(shí)電路來(lái)測(cè)量脈沖之間的該些所有的間隔以及一數(shù)字微計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算該自由活塞3的偏移。
參照?qǐng)D5，偏移B可用方程式(6)來(lái)表示。
B＝Asin(ωT1) (6)其中A＝計(jì)算行程ω＝2π*頻率T1＝該活塞在該平均活塞位置和一設(shè)計(jì)中心位置之間移動(dòng)的經(jīng)過(guò)時(shí)間T1如下所示，由短間隔TS或長(zhǎng)間隔TL的持續(xù)時(shí)間來(lái)獲得。
通過(guò)分析圖5，該短時(shí)間間隔TS和長(zhǎng)時(shí)間間隔TL可用方程式(7)和(8)來(lái)表示。
TS＝T2-T1-T[s] (7)TL＝T3-T2-T[s] (8)其中T2＝(π/ω)-T1[s](9)T3＝(2π/ω)+T1[s] (10)T＝2Z/ωA(出自方程式(4))把方程式(9)中的T2代入方程式(7)之內(nèi)，或方程式(9)和(10)中的T2和T3代入方程式(8)之內(nèi)來(lái)求解T1。在由方程式(4)和方程式(7)至(10)來(lái)計(jì)算T1的時(shí)候，如上所述，考慮到該距離Z與行程A相比下很小，可省略該成份2Z/A。然后，偏移B可用下列的方程式(11)和(12)來(lái)計(jì)算，該些方程式是通過(guò)把T1代入方程式(6)之內(nèi)來(lái)獲得。
B＝Asin((π-ωTS)/2) (11)B＝Asin(-(π-ωTL)/2)(12)該自由活塞位置計(jì)算裝置100用一具有一計(jì)時(shí)電路的數(shù)字微計(jì)算機(jī)測(cè)量在該霍爾效應(yīng)型傳感器11中產(chǎn)生的脈沖串的脈沖持續(xù)時(shí)間T。然后該自由活塞位置計(jì)算裝置100通過(guò)求解方程式(5)來(lái)計(jì)算行程A。此外，該自由活塞位置計(jì)算裝置100用該具有計(jì)時(shí)電路的數(shù)字微計(jì)算機(jī)測(cè)量該些脈沖之間的間隔，也就是短時(shí)間間隔TS或長(zhǎng)時(shí)間間隔TL，然后分別通過(guò)求解方程式(11)或(12)來(lái)計(jì)算該自由活塞3的偏移。其它的計(jì)算所需的參數(shù)ω，即該活塞的振動(dòng)頻率，可以通過(guò)用該數(shù)字微計(jì)算機(jī)測(cè)量該些脈沖串的周期來(lái)獲得。
該偏移B的方向通過(guò)一些取決于該特定設(shè)備的物理參數(shù)來(lái)求出。一般來(lái)說(shuō)，該驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)中的線圈的卷繞方向和橫過(guò)該卷繞方向的電壓極性決定該偏移B的方向。該偏移B的這一方向然后作為一正負(fù)號(hào)，即極性來(lái)指派給該偏移B的計(jì)算值。
以上所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括一自由活塞控制裝置，其基于該計(jì)算行程A和計(jì)算偏移B來(lái)控制該自由活塞3的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置。如圖6所示，除了該活塞位置測(cè)定裝置之外，該自由活塞控制裝置還包括一往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置200，其控制該自由活塞3的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置200包括一行程誤差計(jì)算裝置211、一行程誤差信號(hào)處理裝置213和一行程控制裝置214，而且還包括一偏移誤差計(jì)算裝置221、一偏移誤差信號(hào)處理裝置223和一偏移控制裝置224。
以下將參照?qǐng)D6說(shuō)明該往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置200。該自由活塞位置計(jì)算裝置100基于該霍爾效應(yīng)型傳感器11中產(chǎn)生的脈沖串信號(hào)來(lái)計(jì)算脈沖持續(xù)時(shí)間T和該些脈沖之間的間隔TS或TL，并且用一數(shù)字微計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算該自由活塞3的行程A和偏移B。該計(jì)算的行程A和偏移B的值被送到該行程誤差計(jì)算裝置211和該偏移誤差計(jì)算裝置221。
該行程誤差計(jì)算裝置211比較上述的行程A的計(jì)算值與一記錄在一行程存儲(chǔ)媒體212，即數(shù)字存儲(chǔ)器中的設(shè)計(jì)值，然后把該行程A的計(jì)算值與該設(shè)計(jì)值之間的偏差作為一行程誤差信號(hào)來(lái)輸出。該行程誤差信號(hào)用作為一輸入信號(hào)給該行程誤差信號(hào)處理裝置213，其產(chǎn)生一相應(yīng)的行程控制信號(hào)輸出。
該行程控制信號(hào)被輸入該行程控制裝置214，其通過(guò)控制該交流發(fā)電機(jī)6的電負(fù)載來(lái)改變?cè)撟杂苫钊?的行程。在這種情況下，該自由活塞3由一像是一在一斯特林冷卻器中的線性電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，該行程控制裝置214通過(guò)控制提供給該電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的電功率來(lái)改變?cè)撟杂苫钊?的行程。
該偏移誤差計(jì)算裝置221比較該計(jì)算的偏移B與一記錄在一偏移存儲(chǔ)媒體222，即數(shù)字存儲(chǔ)器中的設(shè)計(jì)值，然后把該偏移B的計(jì)算值與該設(shè)計(jì)值之間的偏差作為一偏移誤差信號(hào)來(lái)輸出。該偏移誤差信號(hào)用作為一輸入信號(hào)給該偏移誤差信號(hào)處理裝置223，其產(chǎn)生一相應(yīng)的偏移控制信號(hào)輸出。該偏移誤差信號(hào)處理裝置223按比例響應(yīng)。
該偏移控制信號(hào)輸入該偏移控制裝置224，其改變?cè)谠摻涣靼l(fā)電機(jī)6或線性電動(dòng)機(jī)中的電流的直流分量的強(qiáng)度和極性，并且改變施加于該自由活塞3的軸線方向的壓力。該自由活塞3的平均位置由在其軸線方向的壓力變化而改變，并且從而控制了該偏移。在其它的實(shí)施例中，一放置在下空間45和中空間44和往復(fù)流動(dòng)的氦氣之間的電磁閥由該偏移控制裝置224開(kāi)啟，而且施加于該自由活塞3的頂端和底端上的壓力平衡有變化，因此改變了該自由活塞3的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置。
除該霍爾效應(yīng)型傳感器11之外，任何其它的可在該磁鐵12的磁通超過(guò)一頂定限度的時(shí)候產(chǎn)生一脈沖信號(hào)的有關(guān)磁性傳感器皆可用作為一脈沖產(chǎn)生裝置。該行程誤差信號(hào)處理裝置213和該偏移誤差信號(hào)處理裝置223并不限于該些可按比例響應(yīng)的裝置，而且任何其它的有關(guān)裝置，例如，一可基于比例加上積分加上導(dǎo)數(shù)的裝置、任何類(lèi)型的簡(jiǎn)單過(guò)濾器、或任何類(lèi)型的簡(jiǎn)單過(guò)濾器的組合皆可適用。
該在該行程存儲(chǔ)媒體212中記錄的行程設(shè)計(jì)值和該在該偏移存儲(chǔ)媒體222中記錄的偏移設(shè)計(jì)值可輕易地根據(jù)該自由活塞機(jī)的用途用程序來(lái)改變。根據(jù)本發(fā)明的自由活塞控制裝置可以輕易地調(diào)整以操縱該自由活塞機(jī)的物理參數(shù)，諸如溫度或壓力等等。在該情況下，通過(guò)改變?cè)撔Q定該些記錄在存儲(chǔ)媒體212和222中的行程和偏移的設(shè)計(jì)值的程序，可輕易地把該些溫度值或壓力值調(diào)到最佳值。
本發(fā)明可廣泛地適用于工業(yè)，諸如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、斯特林冷卻器或任何其它的具有一不與一曲軸作機(jī)械連接的自由活塞的自由活塞機(jī)等等。
權(quán)利要求
1.一種自由活塞位置測(cè)定裝置，所述裝置的特征在于其包括一在一自由活塞機(jī)中的自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置的測(cè)定裝置，所述測(cè)定裝置包括一脈沖串產(chǎn)生裝置和一自由活塞位置計(jì)算裝置所述自由活塞機(jī)具有一圍住所述自由活塞和一自由活塞驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)殼；所述自由活塞與所述驅(qū)動(dòng)裝置不作機(jī)械連接；所述脈沖串產(chǎn)生裝置具有一放置在所述自由活塞上的磁鐵和一放置在所述機(jī)殼上的磁性傳感器；當(dāng)所述自由活塞的位置在所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一設(shè)計(jì)中心的時(shí)候，所述磁性傳感器和所述磁鐵在垂直于所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向?qū)R；當(dāng)所述磁鐵配置在距在所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向的所述磁性傳感器一預(yù)定距離內(nèi)的時(shí)候，所述磁性傳感器產(chǎn)生脈沖；所述自由活塞位置計(jì)算裝置包括所述脈沖的持續(xù)時(shí)間、所述脈沖之間的間隔和所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量裝置；所述自由活塞位置計(jì)算裝置基于所述脈沖持續(xù)時(shí)間和所述自由活塞的所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)計(jì)算所述自由活塞的行程；以及所述自由活塞位置計(jì)算裝置基于所述脈沖之間的間隔、所述自由活塞的計(jì)算行程和所述自由活塞的所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)計(jì)算所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均活塞位置自所述自由活塞的一設(shè)計(jì)的平均活塞位置的偏移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞位置測(cè)定裝置，其特征在于所述磁性傳感器為一霍爾效應(yīng)型傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由活塞位置測(cè)定裝置，其特征在于所述自由活塞機(jī)為一斯特林型機(jī)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞位置測(cè)定裝置，其特征在于所述自由活塞機(jī)為一斯特林型機(jī)器。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的自由活塞位置測(cè)定和自由活塞位置控制的裝置，其特征在于所述一在一自由活塞機(jī)中的自由活塞的行程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均位置的測(cè)定裝置包括一種如權(quán)利要求1或2或3或4所述的自由活塞位置測(cè)定裝置和一種所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制裝置包括一行程誤差計(jì)算裝置、一行程誤差信號(hào)處理裝置、一行程控制裝置、一偏移誤差計(jì)算裝置、一偏移誤差信號(hào)處理裝置和一偏移控制裝置；所述行程誤差計(jì)算裝置計(jì)算在所述自由活塞的計(jì)算行程和所述自由活塞的設(shè)計(jì)行程之間的偏差，并且把所述偏差作為一行程誤差信號(hào)來(lái)輸出；所述行程誤差信號(hào)處理裝置基于所述行程誤差信號(hào)產(chǎn)生一行程控制信號(hào)；所述行程控制裝置基于所述行程控制信號(hào)控制所述自由活塞的行程；所述偏移誤差計(jì)算裝置計(jì)算在所述偏移和一設(shè)計(jì)偏移之間的偏差，然后把所述偏差作為一偏移誤差信號(hào)來(lái)輸出；所述偏移誤差信號(hào)處理裝置基于所述偏移誤差信號(hào)產(chǎn)生一偏移控制信號(hào)；以及所述偏移控制裝置基于所述偏移控制信號(hào)控制所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平均活塞位置。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種用于諸如液力壓縮機(jī)的自由活塞的一種位置測(cè)定裝置以及所述自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種控制裝置，所述活塞與曲軸不作機(jī)械連接。一種自由活塞位置測(cè)定裝置，其包括一放置于一包含一自由活塞的機(jī)殼中的磁性傳感器以及一放置在該自由活塞上的磁鐵。當(dāng)該磁鐵的位置距離該磁性傳感器一預(yù)定距離內(nèi)的時(shí)候，該磁性傳感器產(chǎn)生脈沖。該自由活塞的行程可基于該脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算，而該平均活塞位置自設(shè)計(jì)的平均位置的偏移可基于該些脈沖之間的間隔來(lái)計(jì)算。
文檔編號(hào)H02K35/02GK1789689SQ200510129409
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者D·M·貝爾舒維茲, R·L·馬什二世 申請(qǐng)人:環(huán)球冷卻有限公司