用于水管的流量传感器和用于测量流量的方法.pdf

一种用于水管的水流量传感装置，包括：热传感器(20)，其能够利用水中的加热器通过测量散热来测量流量；伸长支撑件(9)，其具体为管状件，具有安装在其自由端的传感器(20)，从而支撑件相对于管道穿过一孔被横向插入，支撑件是悬臂式的，以将传感器保持在管的中央区域。支撑件的自由端包括薄板状延伸构件。另外，该装置包括用于将测量信号发送到远程控制单元的装置(5，7)。本发明还包括一种测量水流的方法。

1、  一种用于水管的水流量传感装置，包括：
固态热传感器，所述固态热传感器具有至少一个加热器和与水处于同一温度下的至少一个热电阻，所述传感器适于通过测量所述至少一个加热器和所述至少一个热电阻之间的温度差来测量流量，提供与所述流量成比例的出口信号；
用于所述传感器的支撑件，所述支撑件具有伸长的形状，具有第一端部和第二端部，所述传感器布置在所述支撑件的所述第一端部，所述第一端部适于插入到所述管道中形成的孔中，以在远离管道壁的水流区域将所述传感器支撑在所述管道的内部点中；
紧固装置，该紧固装置将所述支撑件保持在所述孔中，从而所述支撑件的所述第一端部位于所述管道中。

2、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑件提供薄板形延长构件，所述薄板形延长构件一体连接在所述第一端部并且适于被放入水流中，所述延长构件保持远离所述第一端部的所述传感器。

3、  根据权利要求2所述的装置，其中，所述延长构件包括第一电触点，该第一电触点适于在所述第一端部与在所述支撑件中形成的各个电触点结合，所述薄板具有用于将所述薄板的第一触点与所述传感器的壳体连接的纵向电路径，在所述壳体中，所述薄板具有第二电触点以结合到所述传感器中的各个触点。

4、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述固态热传感器具有沿着水流的方向彼此相邻地布置的第一加热器和第一热电阻以及第二加热器和第二热电阻，具体地说，所述第一热电阻和第二热电阻彼此交错结合。

5、  根据权利要求2所述的装置，其中，响应于使用根据本发明的流量传感器的管道的直径，所述薄板可被制成具有不同长度。

6、  根据权利要求2所述的装置，其中，所述薄板由陶瓷制成并且所述路径利用厚膜技术制成。

7、  根据权利要求2所述的装置，其中，所述薄板具有适于流体动力学使用的截面，并且所述传感器插入所述薄板的一端，从而不为水流提供边缘，所述薄板具有容纳所述传感器的凹槽。

8、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感装置包括用于将电力供应到所述传感器的装置，所述装置从包括以下元件的组中选择：
-集成到所述支撑件的电池；
-在所述支撑件的所述第二端部连接到所述传感装置的外部电源；
-自馈送装置，其使用与管道中的水的运动相关的动能，具体地说，基于“能量收集”技术使用所述动能。

9、  根据权利要求8所述的装置，其中，所述电池可通过与外部的电连接而再充电。

10、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感装置包括用于将所述测量信号发送到远程中央控制单元的装置。

11、  根据权利要求10所述的装置，其中，所述用于发送的装置从包括以下元件的组中选择：
-与所述传感装置相关的电磁信号发送器和远程布置并连接到所述中央控制单元的电磁信号接收器；
-在所述传感装置和所述中央控制单元之间的电连接件。

12、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述支撑件具有带封闭端部的管状，以容纳所述电池和所述用于发送的装置。

13、  根据权利要求12所述的装置，其中，所述管状支撑件包括可被打开以用于更换电池的部分。

14、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述孔中的所述支撑件的所述可释放紧固装置从包括以下元件的组中选择：
-在所述支撑件上的外螺纹部分和在所述孔中的内螺纹部分；
-与所述支撑件一体的凸缘，所述凸缘可固定到所述管道；
-可释放的密封锁定装置。

15、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括用于通过必须由所述传感器消耗的电力以脉冲方式驱动所述传感器的装置。

16、  根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括用于驱动所述传感器的装置，该装置使传感器的加热元件保持与水的温度差小于50℃。

17、  一种用于测量水管中水流的方法，所述方法通过用于水管的具有热流量传感器的水流量传感装置实现，所述方法的特征在于以下步骤：
-将所述传感器布置在所述管道中，以使其在对于测量有重要意义的水流区域，具体地说，在与管道的壁相距足够远的区域被水流环绕；
-在必须由所述传感器消耗的电力下，用信号以脉冲方式驱动所述传感器，所述驱动步骤包括持续时间为T1的供应时间和持续时间为T2的暂停时间的连续。

18、  根据权利要求17所述的方法，在所述供应时间的所述持续时间T1中，信号功率通过能够保持所述传感器的加热器和水之间的预定温度差的反馈控制而改变，通过合适地改变供应信号的幅度来平衡水流量的改变，这样，所述供应信号幅度是与水流量测量相关的信息。

19、  根据权利要求18所述的装置，其中，所述预定温度差为小于50℃。

20、  根据权利要求17所述的装置，其中，提供了通过所述加热器和热电阻的两个电偶来辨别水流的方向的步骤。

21、  根据权利要求17所述的装置，其中，所述供应时间具有设置在0,1和8秒之间，优选为4秒的固定时间段T1，并且所述暂停时间具有长于0,1秒的时间段T2。

用于水管的流量传感器和用于测量流量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量流体流动的物理参数的装置，更具体地说，涉及一种用于在水管中流动的水的流量传感器。
背景技术
一方面为了检查网络中的耗水量，另一方面为了确定水在何处大量流失或者管道在何处发生破裂，需要测量水管管道中的流量，尤其是测量水管管道中的流动数据。
为了监视水流，应该沿着网络的管道设置许多传感器，并且这些传感器应该非常便宜和容易被清洁，或者容易更换而不需要停止水流。
现有的不同性质的许多传感器能够测量管道中的流量。在它们当中，热电子固态传感器能够通过测量电阻器传递到液体的热来测量水流，具体地说，通过测量加热器和热电阻之间的温度差来测量水流。这种传感器的一个例子在US 6,494,090中描述。
此外，这种传感器优选地将测量的数据与控制系统通信，从而使得在已知的装置中用于创建线缆链接的成本高，而导致在管道线路中的传感器的数量太少，有时不足以进行精确的水流控制。
此外，利用这种热动力学原理的公知的传感器具有以下缺点：在测量的过程中，电阻器的热产生蒸汽气泡，这些蒸汽气泡部分保持附着于传感器上，并且部分被水流带走。这些气泡使得传感器周围绝热并且对水流测量存在不利影响。此外，利用这种热动力学原理的传感器增加了在热表面上的碳酸钙(石灰石)的沉积，随着时间的推移，使得传感器的功能变差。
发明内容
因此，本发明的一个特征是提供一种用于水管的水流量传感装置，其具有热流量传感器，能够快速和容易地安装而不用使水流停止。
本发明的另一特征是提供一种用于水管的水流量传感装置，其能够将热流量传感器布置在相对于水流的基本中心的位置，其中水管壁对水流的影响不大。
本发明的另一特征是提供一种用于水管的水流量传感装置，其能够便宜地与中央控制单元进行通信。
本发明的另一方面是提供一种用于水管的水流量传感装置，其能够避免在测量期间产生气泡和这种气泡积聚在传感器的表面上的问题。
本发明的另一特征是提供一种用于水管的水流量传感装置，其能够使由于碳酸钙的沉积导致的传感器损坏最小化。
本发明的另一特征是提供一种用于水管的水流量传感装置，其允许通过压紧流量固态热传感器来辨别水管中水流的方向。
本发明的另一特征是提供一种用于水管的允许测量水流的方法，该方法实现上述目的。
参照本发明的第一方面，通过一种用于水管的水流量传感装置实现这些和其它目的，所述装置包括：
一固态热传感器，其具有至少一个加热器和与水处于同一温度下的至少一个热电阻，所述传感器适于通过测量所述至少一个加热器和至少一个热电阻之间的温度差来测量流量，提供与所述流量成比例的出口信号；
一用于所述传感器的支撑件，其具有伸长的形状，具有第一端部和第二端部，所述传感器布置在所述支撑件的所述第一端部，所述第一端部适于插入到在管道中形成的孔中，以在远离管壁的水流区域将所述传感器支撑在所述管道的内部点中；
一紧固装置，其将所述支撑件保持在所述孔中，从而所述支撑件的所述第一端部位于所述管道中。
有利地，所述支撑件提供薄板形伸长构件，所述薄板形伸长构件一体连接在所述第一端并且适于被放入水流中，所述伸长构件保持远离所述第一端部的所述传感器。
有利地，所述伸长构件包括第一电触点，第一电触点适于在所述第一端部与在所述支撑件中形成的各个电触点结合，所述薄板具有用于将所述薄板的第一触点与所述传感器的壳体连接的纵向电路径，在所述壳体中，所述薄板具有第二电触点以结合到所述传感器中的各个触点。
有利地，所述固态热传感器具有沿着水流的方向彼此相邻地布置的第一加热器和第一热电阻以及第二加热器和第二热电阻，具体地说，所述第一热电阻和第二热电阻彼此交错结合。
这样，所述支撑件、所述薄板和所述传感器可分开设置并且容易地装配以降低成本。
具体地说，响应于使用根据本发明的流量传感器的管道的直径，所述薄板可被制成具有不同长度。
有利地，所述薄板由陶瓷制成并且所述路径利用厚膜技术制成。
优选地，所述薄板具有适于流体动力学使用的截面，并且所述传感器插入所述薄板的一端，从而不为水流提供边缘，所述薄板具有容纳所述传感器的凹槽。
这样，这种传感器除了确定水流强度之外还能够确定水的流动方向；实际上，由于第一热电阻和第二热电阻彼此交错结合，所以它们处于与水相同的温度，第一加热器位于所述水流的上游而第二加热器位于下游，由于水流的作用，与第一加热器相比，第二加热器交换更少的热，因此通过从加热器和热电阻的两个电偶获得的信号的差异来确定水流方向。
有利地，所述传感装置包括用于将电力供应到所述传感器的装置，所述装置从包括以下元件的组中选择：
-集成到所述支撑件的电池；
-在所述支撑件的所述第二端部连接到所述传感装置的外部电源；
-自馈送装置，其使用与管道中的水的运动相关的动能(具体地说，基于“能量收集”技术)。
具体地说，所述电池可通过与外部的电连接而再充电。
有利地，所述传感装置包括用于将所述测量信号发送到远程中央控制单元的装置。
具体地说，所述用于发送的装置从由以下元件构成的组中选择：
-与所述传感装置相关的电磁信号发送器和远程布置并连接到所述中央控制单元的电磁信号接收器；
-在所述传感装置和所述中央控制单元之间的电连接件。
具体地说，所述支撑件具有带封闭端部的管状，以容纳所述电池和所述用于发送的装置。
具体地说，所述管状支撑件包括可被打开以用于更换电池的部分。
具体地说，所述孔中的所述支撑件的所述可释放紧固装置从由以下元件组成的组中选择：
-在所述支撑件上的外螺纹部分和在所述孔中的内螺纹部分；
-与所述支撑件一体的凸缘，所述凸缘可固定到所述管道；
-可释放的密封锁定装置。
有利地，所述用于水管的水流量传感装置包括用于通过必须由传感器消耗的电力以脉冲方式驱动所述传感器的装置。这样，在测量步骤中在预定时间段后通过在传感器的表面上加热而形成的气体或蒸汽气泡在两个测量步骤之间被水流去除，避免干扰测量的噪声和沉积物的产生。
有利地，所述用于水管的水流量传感装置包括用于驱动所述传感器的装置，该装置使传感器的加热元件保持与水的温度差小于50℃。这样，通过利用脉冲操作，此外保持加热器相对于水的温度差小于50℃，抑制了在传感器的表面上生成气泡和沉积碳酸钙。
根据本发明的另一方面，通过一种用于测量水管中水流的方法来实现上述目的，所述方法通过用于水管的具有热流量传感器的水流量传感装置实现，所述方法的特征在于以下步骤：
-将所述传感器布置在所述管道中，以使其在对于测量有重要意义的水流区域(具体地说，在与管道的壁相距足够远的区域)被水流环绕；
-在必须由传感器消耗的电力下，用信号以脉冲方式驱动所述传感器，所述驱动步骤包括持续时间为T1的供应时间和持续时间为T2的暂停时间的连续。
具体地说，在所述供应时间的所述持续时间T1中，信号功率通过能够保持传感器的加热器和水之间的预定温度差的反馈控制而改变，通过合适地改变供应信号的幅度来平衡水流量的改变，这样，供应信号幅度是与水流量测量相关的信息。
具体地说，所述预定温度差为小于50℃。
有利地，提供了通过加热器和热电阻的两个电偶辨别水流方向的步骤。
有利地，所述供应时间具有设置在0,1和8秒(优选为4秒)之间的固定时间段T1，并且所述暂停时间具有长于0,1秒的时间段T2。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的示例性但非限制性的示例性实施方式的描述，本发明将变得更清楚，其中：
图1和图2分别显示了适于测量气态或液态的流体的流动的公知类型的固态热传感器的立体图和俯视图；
图3显示了安装在氧化铝延伸板上的这种公知的传感器，所述氧化铝延伸板在一端具有上述传感器，在另一端具有用于固定到支撑件的多个接触焊盘；
图4显示了根据本发明的两个传感器的应用的立体图，所述两个传感器沿着水管安装，使得流量传感器位于远离湍流较强区域的位置；
图4A显示了根据本发明的传感器应用于水管的剖视图，所述传感器通过凸缘连接到水管；
图5以水管的纵向剖视图显示了相同的应用；
图6显示了根据本发明的传感器的立体图，该传感器在其一端安装有流量传感器，并且具有外部电源；
图7显示了该传感器的侧视图；
图8显示了根据本发明的传感器的剖视图，其包含了至少一个电力电池和电子控制电路，此外传感器还具有用于测量的流动数据的无线通信的天线；
图9显示了水管的剖视图，其中安装有根据本发明的传感装置，显示了滞留在传感器的表面上的蒸汽气泡产物，所述气泡产物可通过供应到传感器的脉冲受控电源而避免；
图10显示了传感器脉冲馈送电流与测量时间的关系的实施例。
具体实施方式
参照图1和图2，描述了公知的流量传感器20，其操作基于对通过在安装了传感器的水管中流动的水排出由电阻器提供的热的测量。这种传感器具有支撑板21，并且包括加热器24和25的至少一个、热电阻22和23的至少一个，所述加热器和热电阻安装在不同的电路上，在所述不同的电路的一端具有相应的接触焊盘。在一个示例性实施方式中，两个热电阻22和23可彼此交错结合，生成单个中心矩形，如US 6,494,090所述。通过这种方式，检测到的信号允许辨别流动方向，交错结合的热电阻22和23与水处于在相同的温度，并且加热器25位于同一水流的上游，另一加热器24位于该水流的下游。由于水流的对流作用，这种布置需要第二加热器24交换少量的热，因此通过从加热器和热电阻的两个电偶22、24和23、25获得的信号的差异来确定流动方向。
此外，根据本发明，在图6、图7和图8中所示，上述传感器安装在氧化铝薄板30的端部，然后连接在传感装置1的一端2。在板30的一端集成传感器20并在另一端集成用以连接到传感器的多个接触焊盘32。在传感器的每个触点26处，在板30上设置对应的触点28，并且在每个触点28和对应的触点32之间设置有将它们连接的引线。
一旦在板30上安装传感器20，传感器20的每个触点26和板30上的对应触点28就通过“粘接”的方式连接。
接触焊盘28与从接触焊盘32开始的连接路径相关，并且通过厚膜技术获得。
薄板30具有流体动力学形状，并且被布置为与水流平行以最小化湍流和对水流的阻力。支撑件的自由端2可具有向下弯曲的区域，以容纳传感器20，从而传感器20不从薄板30突出。
在图3所示的可行的示例性实施方式中，在薄板30上，施加有预制钢制成的保护层27，保护层27具有基本上在中心的开口，适于容纳传感器20。
如图6和8所示，根据本发明的传感装置包括：支撑件9(例如，管状支撑件)，其具有适于容纳传感器20的第一端2和适于在管道外部仍然可操作的第二相反端3。第一端2可包括适于布置为与水流平行的扁平部分，以不产生水压阻力。根据本发明的传感装置1可利用外部电源和将测量的数据发送到中央外部控制单元的线缆8。在这种情况下，由于电源是外部的，所以不必在装配后打开支撑件，从而支撑件可被密封，例如通常通过焊接或用绝缘聚合物或蜡或硬化材料进行填充来进行密封。这样，不会有部件敞开，从而传感装置可持续更长时间。
可选地，如图8所示，传感装置1可在支撑件中包括电源，具体地说，如果支撑件是管状的，则多个电池6可被插入在其中，以能够给传感器20和控制电路5馈电，传感器20和控制电路5连接到用于将测量数据朝着外部控制单元发送(例如通过无线连接发送)的天线7。为了当耗尽时给电池6充电，可设置支撑件9的可被打开的部分(未示出)。可选地，电池6可通过由电缆连接的外部负载单元再充电，在这种情况下，可按照上述描述的方式提供对支撑件9的密封步骤。
因为传感器大量生产而且部件的其余部分也不是很贵，这种传感装置非常便宜，这样可以使用非可再充和密封的电池，电池适于在耗尽时容易地更换。
此外，这种传感器，不仅不贵，而且容易更换，可不用任何线缆进行安装，大大限制了安装成本。事实上，如图4和图5所示，许多传感装置1可沿着水分布管线的管道10和10’安装，从而允许准时监测。更具体地说，图4显示了两个传感装置1的应用的立体图，所述两个传感器组件沿着管道10和10’安装，从而流量传感器20位于远离湍流较强的区域的位置。图5显示了相同的应用，但是是沿着管道的纵向截面显示的。
图4A显示了通过金属管套环13将传感装置1安装到管道10上的装配步骤。套环13的内径等于支撑件9的外径，并且套环13具有合适的长度。套环13被焊接在管道10外部，其轴线与管道10的侧表面正交。然后，在套环13中放置特殊钻尖(图中未示出)，并且在管道中形成孔16。在孔16的钻孔步骤的最后，钻尖被部分地抽出。套环13具有与其轴线正交的侧狭缝(图中未示出)，在狭缝中可放置可用作闸门的阻挡块。这样，在钻尖被抽出的同时，薄板被插入，以防止水流出来。一旦将所述尖抽出，就插入支撑件9，检查阻挡块在正确的时刻抽出。这样，防止水从套环流出。然后，使支撑件穿过管道的所述孔，以合适地布置薄板。
针对套环13中的支撑件9，可设置可释放的锁定装置，或者，将支撑件和套环焊接。在后一种情况下，装置1一旦破损或用尽，就会留在管道中，并且通过在管道10的另一点形成孔而被替换。
由于图1和图2的传感器包括加热器24和25，传感器20的操作以及测量步骤加热在周围流动的水，产生蒸汽气泡11，如图9所示，一些蒸汽气泡仍然附着在传感器上，影响测量。
为了避免这种不便，考虑到必须通过传感器消耗的电力，本发明提供了一种用于通过以脉冲方式操作所述传感器20来测量在水管的管道10中的水流的方法。
作为实施例，在图10中示出了以脉冲方式驱动传感器20的步骤。这样，通过交替进行测量步骤40间歇地执行测量，并且在不测量时暂停。
具体地说，通过示例性测试，找到标为41的理想时间T1，传感器20可被馈电4秒，然后有利地不进行馈电，以允许在时间T2(标为42，大于100msec)散热。
此外，传感器20的加热元件24、25与水之间的最大温度差通过测验检测为50℃，超过该温度，则产生蒸汽气泡并且碳酸钙沉积。所述脉冲操作使得传感器保持相对于水的50℃的温度差，抑制将Ca(HCO₃)₂(碳酸氢钙)转化为CaCO₃(方解石碳酸钙)+CO₂+H₂O的化学反应。碳酸氢钙实际上是可溶解的，并且趋于如碳酸钙一样沉淀，以加热释放CO₂。
具体实施方式的上述描述将在概念上完全揭露本发明，从而其它人员通过应用当前的知识将能够对于诸如实施方式的各种应用进行修改和/或改变，而不用进一步研究并且不脱离本发明的范围，因此，应该理解这种改变和修改必须理解为等同于具体实施方式。为此，在不脱离本发明的领域的情况下，在此描述的用于实现不同功能的装置和材料可具有不同的性质。应该理解，在此使用的用语或术语只是为了描述而非限制。