氣體流量計的制作方法

專利名稱：氣體流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及測定體積的氣體流量計領域。這里描述的氣體 流量計技術特別適用于住宅應用的氣體流量計。
背景技術：
測定體積的住宅用氣體流量計的最常見形式是隔膜氣體 流量計。這是一種以正位移原理工作的機械裝置，其在每個完全的 周期內允許固定體積的氣體通過。機械流量計在正常的操作中 會受到磨損的影響，這將導致精度隨時間降低以及最后完全失效的可能性。自動計量讀數(Automatic Meter Reading, AMR) 裝置的日益流行意味著必須經常用 一 些形式的編碼器與機械 讀出器形成接口，以便可以自動地讀出消耗量信息。希望可以提供不包含運動部件的氣體流量計，即靜態氣體 流量計，其中，消耗的氣體的體積的測量是直接以電子形式獲 得的。從這種實現中還可以獲得其他的益處，包括基于使用時 間、高峰需求或者局部氣體價格變動來設置更加復雜的價目表 的能力，或者與其他諸如電、油或可再生能源之類的家用能源 共享信息的能力。已經開發出了三個類型的靜態體積測量的氣 體流量計。第 一類型是可以商業獲得的用于利基應用的傳播時 間式超聲流量計，利基應用可以支撐這種流量計的高昂成本。 第二類型已知技術是熱質量流量計，這是該領域中的較新的技 術，采用了旁路方法和微型加工傳感器。第三類型是射流振蕩 器流量計，這種類型是在20世紀50年代開發的。所有這些劑 量技術都具有比機械式流量計更昂貴的缺點，并要求相當數量的電池能量，這也增大了成本。US3， 688， 106 (Brain )描述了一種用于測量導管中的氣體 速度的流量計。這種流量計具有一個離子源和兩個離子采集 器，以便導管中的首先被電離，然后通過采集器。將電壓脈沖 施加到第一采集器，測量這個脈沖和在第二采集器處所采集到 的離子數量中產生的效果之間的間隔，來給出氣體速度。通過 確定在第二個采集器位置處在脈沖之間采集的離子的數量來 測量氣體密度，從速度和密度的乘積中得到質量流量。在該系 統中，施加到第一采集器的電壓脈沖是100Hz方波，120伏的 電壓被施加通過第二采集器。高電壓和高調制頻率使這種設計 不適合家用氣表所需要的低電壓供電工作。在US3， 842, 670 和US2， 632， 326中描述了離子化速度氣體流量計的其他結構。希望4是供在US3， 688， 106 (Brain)中描述的通用類型的 氣體流量計，其可以以幾伏的工作電壓工作，以-使可以用標準 電池對這種流量計進行經濟地供電。然而，對于Brain所描述 的流量計的幾何結構，本質上要求釆集器的電極是足夠間隔 的，使得采集器對氣流表現出很小的阻抗或者不表現出阻抗。 從而，需要一個超過IOO伏的工作電壓來提供足夠大的電場以 使流量計的電極發揮作用。由于要用只有幾伏的工作電壓來產 生相同的電場，安裝在Brain流量計中的導管直徑需要小100 倍，這會顯著地阻擋家用氣體供應的氣流。至少在其優選實施例中，本發明尋求提供一種改進的體積 測量的氣體流量計，這種流量計以電學操作原理和離子化氣流 檢測工作，采用下面的原理氣體的速度場與離子化分布相互 作用，并改變檢測到的信號。在特定的實施例中，該氣體流量 計特別適用于計量來自國家或地區的供氣網絡的氣體用量。發明內容因此，從一個方面考慮，本發明提供了氣體流量計，該氣 體流量計包括一個用作氣流通路的導管以及在使用中用于使導管中的氣流電離的電離裝置。在電離裝置下游的調制電極結 構用于調制在已電離的氣流中的離子分布。在調制電極結構下 游的至少一個第一檢測電極結構用于檢測已電離氣流中的已 調制的離子分布。配置調制電極結構和檢測電極結構中的至少 一個，以產生具有至少一個平行于氣流方向的實質分量的電 場。從而，根據本發明，電極結構產生電場，該電場具有至少 一個平行于氣流方向的實質分量。通過使電場平行而不是像現 有技術中的情況那樣垂直于氣流方向，通過改變電極結構的電 極之間的間距，可以調制電場強度，間距的這種改變不需要影 響通過導管的氣流，以這種方式，可以使氣體流量計的流體動 態需要獨立于電學需要，這使得可以制造可以以足夠低的電壓 工作的用作家用氣體流量計的氣體流量計。可以配置調制電極結構來產生具有至少一個平行于氣流 方向的實質分量的電場(例如)來選擇用作已電離的氣流的離 子的特定極性。另外或可替換地，可以配置檢測電極結構來產 生具有至少平行于氣流方向的實質分量的電場(例如)來選擇 性地檢測離子的特定極性。在特定實施例中，產生的電場基本上平行于氣流的方向。 然而，這不是必要的。例如，高電場可以包括基本上平行于氣 流方向的分量以及基本上垂直于氣流方向的分量。調制電極結構和/或^r測電極結構可以采用任何合適的形 狀和結構。例如，該電極結構可以是拱形的、半圓柱形的、半 球形的等等。然而，在通常的實施例中，調制電極結構包括基 本相對的平板電極對，其被布置得基本垂直于氣流的方向。另 外或可替換地，檢測電極結構可以包括基本相對的平板電極 對，其被布置得基本垂直于氣流的方向。電極"對"不表示這 些電極是相同的，即使它們可以相同。總之，電極在氣流方向上被隔開。電極的間隔可以小于 lmm，優選小于0.25iM。通常，在使用中，在電極之間產生電場。在優選實施例中，電極均具有多個限定在其中的孔，用作 氣流通過電極的通路。這在本質上被認為是一種新的結構。從而，從另一個方面 考慮，本發明提供了一種氣體流量計，其包括在使用中用作氣 流通路的導管，以及用于使導管中的氣流電離的電離裝置。在 電離裝置下游的調制電極結構用于調制已電離的氣流中的離 子分布。在調制電極結構下游的至少 一 個第 一 檢測電極結構用 于檢測已電離氣流中的已調制的離子分布。調制電極結構和檢 測電極結構中的至少 一個包括至少 一個電極，其被布置在橫斷 氣流方向的方向上，并具有多個限定在其中的孔，用作氣流通 過該電^l的通路。孔的數量可以超過十個。從而，根據本發明的這個方面，配置該電極，允許氣流通 過該電才及。以這種方式，可以定位該電才及，以在沒有對通過流 量計的氣流產生不利影響的情況下獲得想要的電效應或電磁 效應。該電極被布置在橫斷氣流方向的方向上。這意味著電極不 平行于氣流方向。乂人而，氣流在一定程度上沖擊該電才及。通常， 電極被布置得垂直于氣流的方向。以這種方式，已電離氣流的 電調制或電檢測發生在沿導管的最短可能距離中，以便可以使 氣體流量計的空間分辨率最大，并因此使氣體流量計的檢測精 度最大化。而且，垂直的電極不會使氣流偏向導管壁。該電極可以包括多個導體，其中，用相鄰電才及導體之間的 間隔提供這些孔。不需要在單一的單元中形成這些導體，但可 以用離散的導體提供。然而， 一個電極的這些導體在使用中均 連接至同一電勢。從而，該電極可以采用線(例如，并行線) 布置得形式。可替換地，該電極可以采用單片的形式(通常為 金屬片)，其具有形成在其中的孔。這些孔可以是用模塑、切、 蝕刻、壓戳或其他方式限定在金屬中的。這些孔可以是孔、槽、 針孔或其他任何合適的孔。在優化布置中，該電極可以是網孔或網格的形式。通常， 網格是限定在相鄰導體之間的規則陣列的孔。該陣列可以在一 個方向上延伸，例如，并行槽的網格，或者可以在兩個方向上 延伸，例如，水平和垂直導體的網格。選擇網孔的間距使電極的電學有效性最大化。在本發明的實施例中，網孔的間距小于5mm,優選小于3mm。理想上，網 孔的填充系數要盡可能地小，以保證最大的氣流。在本發明的 實施例中，網孔的填充系數小于30%，優選小于20%。總之， 選擇調制電極結構和檢測電極結構的電極的構造，使調制或檢 測效率最大化。然而，為了便于生產的原因，例如，可以選擇 相同的電才及。在本發明的實施例中，氣體流量計包括電才及對，該電才及對 布置在橫斷氣流的方向上，并具有限定在其中的用作氣流通過 的通路的多個孔。通常，這些電極是一樣的，但是并不必需一 樣的。可以在纟黃斷氣流方向的方向上4吏該電才及對的 一 個電才及中 的孔相對于電極對其他電極上的孔偏移。這種布置特別有利，分量:這在電極是調制:極的情況下特別有利，這是因°為在垂 直于電極平面的方向上的電場的分量有助于將離子導向電極 以實現捕捉，并從而增大電極結構的調制效率。 電極對可以在氣流方向上^皮間隔開。可替換地，電極可以 基本上是共平面的。例如， 一個電極的導體可以位于其他電極 的導體之間的間隔(孔)中。換句話說，該電極可以是交叉梳 狀的。以這種布置，電極結構產生的電場可以完全垂直于氣流 的方向。在優選實施例中，該電極對的各個電極的孔之間的偏移基 本上等于這些電極中的一個電極的相鄰孔之間的間隔的一半。 以這種方式，可以使在垂直于電極平面的方向上的電場的任何 分量最大化。調制電才及結構可以包括上游的電極和下游的電極。在使用 中，可以將各個調制電勢施加到各個電極，以調制已電離氣流中的離子分布。施加到下游電極的調制電勢可以與施加到上游 電極上的調制電勢的極性相反，并具有選擇的幅度，以便在該 調制電極的下游，由于上游電極而產生的電場^皮由于下游的電 極產生的電場抵消。這在本質上被認為是一種新的結構。從而，從另一個方面 來看，本發明提供了一個氣體流量計，其包括一個在使用中用 作氣流通路的導管，并包括一個電離裝置，其在使用中用于使 導管中的氣流電離。布置在電離裝置的下游調制電極結構，用 來調制在已電離的氣流中的離子分布。將至少 一個第 一檢測電極結構布置在該調制電極的下游，用以;險測在已電離氣流中的 已調制離子分布。該調制電極結構包括一個上游電極和一個下 游電極，在使用中，將各個調制電勢施加到每個電極，以調制 在已電離氣流中的離子分布。施加到下游電極的調制電勢與施 加到上游電極的調制電勢的極性相反，并具有選擇的幅度，以 便在該調制電極的下游，由上游電極而產生的電場;故由于下游 的電極產生的電場抵消。以這種布置，可以采用該調制電勢，以確保于該調制電極 結構相關的電場不會直接影響該檢測電極結構的工作。該調制電極結構可以被用于優先捕捉一種極性的離子，以 此來產生包括大部分相反極性的離子的已電離氣流。可以對該 調制電極結構施加一個可替換的調制電勢，以便該調制電極結 構順序地捕捉一種極性的離子，并順序地捕捉相反極性的離 子，以此產生的已電離氣流包括序列區域，該區域大部分離子 的極性交替變化。以這種方式，以交變信號對該氣流進行編碼。 在該檢測電極結構處接收到的信號以及該調制電勢之間的延 遲比較提供了通過導管的氣流速度的指示。該;險測電才及結構可以包括至少一個連^^妄到電荷源的電才及， 以此，大部分離子具有一種極性的已電離氣流相對于電極的運動導致電荷在電極中的重新分布，這會產生電極和電荷源之間 的離子分布的電流指示。這在本質上祐/認為是一種新的結構。從而，從另一個方面來看，本發明提供了一種氣體流量計，其包括一個在使用中用 作氣流通路的導管，以及一個電離裝置，該電離裝置用于使導 管中的氣流電離。在電離裝置的下游的調制電極結構被布置來 調制在已電離的氣流中的離子分布。在該調制電極結構的下游 的至少 一個第 一檢測電極結構被布置來檢測在已電離氣流中 的已調制離子分布。調制電極結構用于捕捉一種極性的離子， 以此來產生包括大部分離子為相反極性的已電離的氣流。該枱， 測電極結構包括至少一個連接至電荷源的電極，以此，在使用 中，大部分離子具有一種極性的的已電離氣流相對于電極的運 動導致電荷在電極中的重新分布，這會產生在電極和電荷源之 間的離子分布的電流指示。通常，電荷源是接地電位。根據本發明的這個方面，通過由于在電極結構中的電荷的 重新分布所產生的電流的優點，該檢測電極結構檢測通過的可 以是極性交變的已電離氣流。這具有顯著的優勢，即在檢測電 極結構的電極之間不需要電場。另外，在不捕捉離子的情況下實現;險測，以^使沿導管可以布置 一 系列這種沖全測電才及結構。在這種布置下，4企測電極結構可以只包括一個單一的電 極，其響應于通過的已離子化的氣流。然而，在特定的實施例 中，該檢測電極結構包括一個上游的電極和一個下游的電極， 每個電極均連接至電荷源。該上游電極保護下游電極不受到來 的已離子化的氣流的影響，并提供了來自下游電極的限定更好 的檢測信號。氣體流量計可以包括位于第 一檢測電極結構下游的第二 檢測電極結構，每個檢測電極結構均被布置來檢測在已電離氣 流中的已調制的離子分布。這在本質上4皮認為是一種新的結構。從而，從另一個方面 來看，本發明提供了一種氣體流量計，其包括在使用中用作氣流通路的導管，并包括一個電離裝置，該電離裝置在使用中用 于使導管中的氣流電離。在該電離裝置的下游的調制電極結構 被布置來調制在已電離氣流中的離子分布。在該調制電極結構 的下游的第 一檢測電極結構被布置來檢測在已電離氣流中的 已調制的離子分布。在該調制電極結構下游的第二檢測電極結 構被布置來檢測在該已電離氣流中的已調制的離子分布。第二檢測電極結構的提供可以被用來增大氣體流量計的 動態范圍。從而，第一檢測電極結構可以被布置來檢測相對低 的流速的離子分布，以及第二纟企測電極結構可以;故布置來4企測 較高流速的離子分布，此時離子云在相同的時間周期內移動得 更遠。在特定的實施例中，從第一調制電極結構到第一檢測電 極結構的距離可以小于10,。在特定的實施例中，從第一調制電極結構到第二檢測電極結構的距離可以大于50mm。通常， 從第 一調制電極結構到第二檢測電極結構的距離小于10Omm。 第 一檢測電極結構可以被布置來優先地捕捉一種極性的 離子，第二檢測電極結構可以被布置來優先地捕捉相反極性的離子。在這種布置中，第一檢測電極結構選擇性地捕捉離子的 一種極性，而第二檢測電極結構選擇性地捕捉另一種極性。以 這種方式，每個^r測電極結構接收它自己的獨立的用于4全測的 離子流，在第二檢測電極結構處的信號沒有被第 一檢測電極結 構的操作削減。以這種方式，兩個才企測電才及結構可以工作在同 一離子流上。第一檢測電極結構可以包括一個間隔電極對。在使用中可 以在電極之間施加 一 個電場來捕捉已電離的氣流的離子，并產 生離子分布的電流指示。另外或可替換地，第二檢測電極結構 可以包括一個間隔的電極對，在〗吏用中可以在電才及之間施加一 個電場來捕捉已電離氣流的離子并產生離子分布的電流指示。如果需要的話，氣體流量計可以包括多于兩個的^r測電極 結構。在本發明的通常實施例中，施加到調制電極結構的調制電壓是小于10Hz的頻率。類似地，施加到該調制電極結構上的 調制電壓通常小于交流IOV。而且，施加到檢測電極結構的電 壓(如果有的話)通常小于直流IOV。以這些工作參數，氣體 流量計適于電池供電工作。根據本發明的氣體流量計適于用作家用氣體流量計。這意 味著一種可以在使用者房產處被連接至國家、區域或者國際供氣網絡，并且足夠精確地將使用者氣體用量的信息提供至網絡 操作員以作帳單之用的氣體流量計。然而，根據本發明的該氣 體流量計可以用于其它測量氣體體積、流速和/或速度的環境 中。在本發明的實施例中，該電離裝置是一種放射性源。然而， 可以采用其它的電離裝置，例如，由放電操作的電離裝置。導管通常是管，其可以具有圓形的截面。在本發明的實施 例中，管的寬度(直徑)小于30mm。雖然本發明被限定在術語氣體流量計中，本發明還可以擴 展至氣體計量的方法和如這里所述的用于氣體計量的裝置。


只通過示例，并參照附圖，對本發明的實施例進行描述， 其中，圖1是根據本發明第一個實施例的氣體流量計的示意圖； 圖2示出了用于根據本發明的氣體流量計的網孔電極； 圖3是根據本發明第二個實施例的氣體流量計的示意圖； 圖4是施加到圖3的氣體流量計的調制電極結構的調制電 壓的示意表示；部件。
具體實施方式
圖1示意地示出了根據本發明第一個實施例的氣體流量 計。該氣體流量計包括用作氣流通路的導管1，氣流用箭頭A表示。在該實施例中，該導管是內徑為23mm的圓柱形管。電 離裝置2被布置在電離導管中的氣流的導管側。在該實施例 中，電離裝置2是限制在銀箔或金箔(家用煙霧監測器類型中 所采用的)中的lpCi Americium 241放射性源。源2通常具 有每秒鐘37000個oc粒子的放射速度，在空氣中具有3cm的范 圍。電離效率是每個a粒子產生200, 000個離子對，其中50% 在100ms內重新結合。放射源2使直接在它附近的氣體電離， 來形成電離云3，其被氣流攜帶通過管l。調制電極結構4被提供在放射源2的下游的管1中。該調 制電極結構4調制已電離氣流中的離子分布，以便在該調制電 極結構4的下游該電離云是可識別的。在該實施例中，該調制 電極結構4包括一個上游電極5和一個下游電極6。如圖2所 示，每個電極5、 6是以網孑L (或柵格)的形式出現的，該網 孔是用合適方法從金屬薄片上切出來的。電極5、 6的直徑對 應于管1的內直徑，這些電極被布置得垂直于管1的軸，并從 而垂直于氣流的方向。電才及5、 6具有0. 2mm的厚度和lmm或 更小的間距。這些電極的填充系數(網孔材料的面積百分比) 是20%或更小。在該實施例中，上游調制電極5和下游調制電極6之間的 間距是O. 125mm。如圖1所示，可變調制電壓^皮施加在調制電 極5、 6之間。該調制電壓是具有最大IOV的幅度和l-4Hz頻 率的方波。該施加的調制電壓產生調制電極5、 6之間的電場。 如圖1所示，上游調制電極5和下游調制電極6的網孔被相對 偏移了等于網孔間距一半的距離，以便以其它電極的間距來排 列在一個電極的間隔之間的導體7，反之亦然。以這種方式， 在調制電極5、 6之間的電場在垂直于氣流方向(管l的軸) 上具有最大的分量。理想上，每個電極5、 6的導體7在垂直 于氣流方向的相同平面上的其他電極的導體之間被交叉，以便 兩個電極5、 6之間的電場完全垂直于氣流方向。然而，這樣 的布置導致非常復雜的調制電極結構4，并從而難以制造，制造成本高昂。通過在氣流方向上間隔電才及5、 6并偏移網孔， 在便于制造性以及操作效率之間取了折中。當施加在調制電極5、 6之間的調制電壓非零時，產生的 電場在離子云3中的正離子和負離子被捕捉到的情況下，將它 們導向各個調制電極5、 6。電場在垂直于氣流方向上的高分 量使離子向各個調制電極5、 6的偏離最大。周期性調制電壓 的這種效果是在調制電極結構4的下游的氣流中產生高和低 離子濃度連續區域。如下所述，可以檢測這些區域來確定這些 區域的行程時間并因此確定氣體的流速。圖1的氣體流量計包括在管1中在調制電極結構4下游的 第一#全測電極結構8和第二纟全測電才幾結構9，來4全測在已電離 氣流中的已調制離子分布。第二電極結構9位于第 一檢測電極 8的下游。在該實施例中，第一和第二才全測電極8、 9每一個 均包括一個上游電極10和一個下游電極11。每個電極10、 11 均具有通常的網孔(或網格)的形式，其是用合適的方法從金 屬薄片中切出來的，如圖2所示。電極IO、 ll的直徑對應于 管1的內徑，電極10、 11被布置在垂直于管1的軸的方向上， 并因此垂直于氣流的方向。電極IO、 11具有0. 2mm的厚度和 2mm的間距。電極的填充系數(網孔材料的面積百分比)是10% 或者更小。在該實施例中，上游4全測電極10和下游4全測電極11之間 的間隔是O. 25mm。如圖1所示，上游檢測電極10和下游檢測 電極ll的網孔被對準。以這種方式，檢測電極IO、 ll之間的 電場在平行于氣流的方向(管1的軸)上具有最大的分量。以 這種方式，在不影響流體流過導管1的情況下，通過改變電極 10、 ll之間的間距，可以改變沖企測電極10、 ll之間的電場強 度。如圖l所示，在檢測電極IO、 ll之間施加檢測電壓。在 該實施例中，4企測電壓是+3V D.C.的恒壓，其產生檢測電相_ 10、 ll之間的電場。對于第一4企測電才及結構8而言，上游枱r測電極10連接至地電勢，下游4企測電極11連接至+3V D. C.。 對于第二檢測電極結構9而言，下游檢測電極11連接至地電 勢，而上游檢測電極10連接至+3V D.C.。從而，第二檢測電 極結構9的檢測電極10、 11之間的電場方向與第一檢測電極 結構8的電測電才及之間的電場方向相反。可以看到，第一檢測電極結構8的下游電極11和第二檢 測電極結構9的上游電極IO位于同一電勢。結果，在這兩個 電極之間沒有電場，從而，在這些電極之間的離子傳輸只是由 于氣流而不是由于電學效應，這有助于氣流的精確測量。調整 電極結構4的下游電極6和第一檢測電極結構9的上游電極 IO還可以處于同一 (地)電勢，以1更在這兩個電才及之間沒有 電場。第 一檢測電極結構8優先捕捉正離子，正離子被正的下游 電極11和接地的上游電才及10之間的電場減速。相同的電場可 以使通過第一檢測電極結構8的負離子加速。到達接地的上游 電極10的減速的正離子被作為電流從地連接引出的電子中 和。可以用安培表12或其他電流測量裝置來測量該電流。第二電極結構9捕捉負離子，其被正的上游電極10和接 地的下游電極11之間的電場減速。被減速的負離子被正的上 游電極10捕捉，產生可以被安培表12或其他電流測量裝置測 量的電流。以這種方式，該氣體流量表實際上具有兩個獨立的 測量通道在第一檢測電極結構8處的正離子和在第二檢測電 極結構9處的負離子。調制電極結構4的下游電極6和第一檢測電極結構8的上 游電極IO之間的距離是8mm。調制電極結構4的下游電才及6 和第二檢測電極結構9的上游電極IO之間的距離是70mm。提 供兩個間隔的檢測電極結構8、 9,增大了該氣體流量計的動 態范圍。對于家用應用而言，需要限定級別精度的氣體流量計 的通常的測量范圍在每小時40升和每小時6000升之間，這表 示150: l的動態范圍。根據本發明的實施例，第一檢測電極結構8用于確定低流速，其中，在太多的離子由于再次結合而 從已調制的離子云中消失之前必須檢測該已調制的離子云，而 第二檢測電極結構9用于確定高流速，其中，必須在已調制的 離子云通過整個流量計之前檢測該已調制的離子云。從兩個檢 測電極結構8、 9中檢測到的信號可以用來使在整個測量范圍 內的流量計的精度最大。圖3示意性地示出了根據本發明第二個實施例的氣體流 量計。該流量計包括用作氣流通路的的導管1，氣流由箭頭A 指示。在該實施例中，導管是具有23mm內徑的圓柱形導管。 在管1的側面布置一個電離裝置2，來使導管中的氣流電離。 在該實施例中，電離裝置2是限制在銀箔或金箔(家用煙霧監 測器類型中所采用的)中的lpCi Americium 241;故射性源。 源2通常具有每秒鐘37000個ct粒子的》丈射速度，在空氣中具 有3cm的范圍。電離效率是每個a離子產生200， OOO個離子對， 其中50%在100ms內重新結合。放射源2使直接在它附近的氣 體電離，來形成電離云3，其被氣流攜帶通過管1。在管1中提供位于放射源2下游的調制電極結構4。該調 制電極結構4調制在已電離氣流中的離子分布，以便電離云在 調制電極結構4的下游是可識別的。在該實施例中，該調制電 極結構4包括上游電極5和下游電極6。如圖2所示，每個電 極5、 6均是以網孔(或網格)的形式出現的，網孑L (或網格) 是用合適的方法從金屬薄片中切出來的。電極5、 6的直徑對 應于管1的內徑，這些電極被布置得垂直于管1的軸，并因此 垂直于氣流的方向。電極5、 6具有0. 2mm的厚度和lmm或更 小的間距p。這些電極的填充系數(網孔材料的面積百分比) 是20%或更小。在該實施例中，上游調制電極5和下游調制電極6之間的 間隔是O. 125mm。如圖3所示，上游調制電極5的網孔對準下 游調制電極6的網孔。以這種方式，調制電才及5、 6之間的電 場在平行于氣流(管1的軸)的方向上具有最大的分量。以這管1的流體流的情況下，通過改變電極5、 6之間的間隔，可以改變在調制電才及5、 6之間的電場強 度。如圖3所示，在調制電極5、 6之間施加交變調制電壓。 該調制電壓是具有最大IOV的幅度和l-4Hz頻率的方波。施加 的調制電壓在調制電極5、 6之間產生電場。當上游調制電極 5相對于下游的調制電極6是正的時，上游調制電極5從離子 云3捕捉負離子，并使正離子加速通過該調制電極結構4。以 這種方式，在該調制電極結構4下游的離子云主要包括正離 子。當上游調制電極5相對于下游的調制電極6是負的時，上 游調制電極5從離子云3捕捉正離子，并使正離子加速通過該 調制電極結構4。以這種方式，在該調制電極結構4下游的離 子云主要包括負離子。交變調制電壓的作用是在該調制電極結 構4的下游的氣流中產生正離子密度和負離子密度的連續區 域。如下所述，可以檢測這些區域來確定這些區域的行程時間 并因此確定氣體的流速。圖3的氣體流量計包括在管1中位于該調制電極結構4 下游的第一檢測電極結構8和第二電極結構9，來檢測在已電 離的氣流中的已調制的離子分布。第二電極結構9位于第 一檢 測電極結構8的下游。在該實施例中，每一個第一和第二才企測 電極8、 9均包括一個上游電極IO和一個下游電極11。每一 個電極IO、 11具有通常的網孔(或網格)形式，這些網孔(或 網格)是用適當的方法從金屬薄片上切出的，如圖2所示。電 極10、 11的直徑對應于管1的內徑，電極IO、 ll被布置得垂 直于管l的軸，并因此垂直于氣流的方向。電極IO、 11具有 0. 2mm的厚度和2mm的間距。電極的填充系凄t (網孔材料的面 積百分比)是10%或更小。在該實施例中，上游4企測電極10和下游^全測電才及11之間 的間隔是O. 125mm。如圖3所示，上游4企測電才及10網孔對準 于下游才企測電極11的網孔。以這種方式，在不影響流體通過導管1的情況下，改變電^ l10、 ll的間隔，可以改變4企測電 極10、 11的相對電特性。如圖3所示，每一個4全測電極10、 ll均連接至地電勢。 隨著正和負離子密度的連續區域接近和通過檢測電極結構8、 9，在上游4企測電極10中的電荷重新分布，以保持電極10中 的零電勢。電荷的這種重新分布導致電流從電極10和地電勢 之間流過。類似地，在下游才企測電極11中的電荷重新分布， 以保持電極ll中的零電勢。電荷的這種重新分布導致電流從 電極11和地電勢之間流過。這個電流可以凈皮安培表12或其他 電流測量裝置測量，并可以采用交變信號的形式，通過與調制 電壓進行比較，可以從該交變信號中確定該離子云的行程時 間。選擇下游檢測電極ll,用于重新分布電流的測量，這是 因為上游檢測電極10電磁性地保護下游檢測電極11不受接近 的離子分布的影響，從而，在下游檢測電極11處的正負離子 分布之間的轉換比上游檢測電極10處的更顯著。調制電極結構4的下游電極6和第 一檢測電極結構8的上 游電極10之間的距離是8mm。調制電極結構4的下游電極6 和第二檢測電極結構9的上游電極IO之間的距離是70mm。提 供兩個間隔的檢測電極結構8、 9增大了該氣體流量計的動態 范圍。對于家用應用而言，氣流的需要限定級別精度的通常測 量范圍是在每小時40升到每小時6000升之間，這表示動態范 圍是150: 1。根據本發明的這個實施例，第一檢測電極結構8 用來確定低流速，其中，在太多的離子由于再次結合而從已調 制的離子云中消失之前必須檢測該已調制的離子云，而第二檢 測電極結構9用于確定高流速，其中，必須在已調制的離子云 通過整個流量計之前檢測該已調制的離子云。從兩個4全測電極 結構8、 9中檢測到的信號可以用來使在整個測量范圍內的流 量計的精度最大。在上述實施例的改進中，上游調制電勢U和下游調制電勢 D可以被施加到調制電極結構的對應的上游和下游調制電極5、 6上，來提供電極5、 6之間的調制電壓。如圖4所示，下 游調制電勢D可以被選擇為與上游調制電勢U反相，并具有選 擇的幅度，來補償與上游調制電極5相關的電場的遠電場效 應。換句話說，在調制電極結構4下游的上游和下游調制電^L 5、 6的結合的電》茲效應纟皮下游調制電勢D纟氏消掉。以這種方 式，由于與產生的離子分布相反，調制電極結構4本身并不影 響由第一和第二檢測電極結構8、 9產生的信號。對于該氣體流量計，通過在該電離裝置的相對側向提供上 述調制電極結構和檢測電極結構之外的調制和檢測電極結構， 可以測量在導管中的相反流向的氣流。該之外的調制和檢測電 極結構可以被布置為上述調制電極結構和;險測電極結構的鎮 像。然而，在家用流量計應用中，只需要檢測而不是測量相反 的流。因此，只需要提供可以檢測出現在電離裝置上游的電離 氣體的出現(由于反向流)的電極結構。例如，可以布置該電 極結構來測量氣流的阻抗。總之，氣體流量計包括用作氣流A的通路的導管1和用來使導管1中的氣流電離的電離裝置2。在該電離裝置下游的調 制電極結構4調制在已電離的氣流中的離子分布。位于該調制 電極結構4下游的第一檢測電極結構8和第二電極結構9檢測 在已電離氣流中的已調制離子分布。可以配置該調制電極結構 4和該^r測電^l結構8、 9來產生具有至少平4于于氣流方向的 實質分量的電場。該調制電極結構4和該檢測電極結構8、 9 可以包括電極對5、 6、 10、 11，每一個電極對均包括多個限 制在其中的孔，用作氣流的通路。該調制電極結構4可以被用 來捕捉一個極性的離子，來產生包括多個相反極性離子的已電 離氣流，在這種情況下，檢測電極結構可以包括至少一個電極 11，其連接至電荷源。已電離氣流相對于電極的運動導致電荷 在電極中的重新分布，這將產生電極11和電荷源之間的離子 分布的電流指示。各個布置提供了 一種氣體流量計，這種氣體流量計可以以小于IOV的調制電壓工作，并因此適于作為家用氣體流量計。在滿足用于自容式體積測量的氣體流量計的成本、功耗或性能 需要方面，這相對于現有的不能被直接利用的計量方法具有顯著的優點。這種情況的通常原因是(a)它們需要高電壓來偏置電極，這會消耗能量，并有 潛在的安全威脅；(b )它們不具有足夠的動態范圍或線性度來滿足國家標 準體系設置的計量要求；(c )采用的放射性源的活性比通常在家用應用中的可接 受活性大；(d )他們沒有被優化以用于體積測量氣體流量計所需的通常的測量帶寬和信噪比。本發明的特定實施例克服了或者至少減輕了這些問題。 雖然關于特定清楚的實施例已經描述了本發明，但這不是要限制本公開的范圍。因此，本領域技術人員將認識到， 一個實施例的特性可以結合另一個實施例的特性使用，即使沒有被清楚地提及。
權利要求
1.一種氣體流量計，其包括在使用中用作氣流通路的導管；電離裝置，在使用中用來對導管中的氣流進行電離；調制電極結構，位于電離裝置下游，被布置來調制在已電離氣流中的離子分布；以及至少一個位于所述調制電極結構下游的第一檢測電極結構，其被布置來檢測在已電離氣流中的已調制的離子分布，其中，配置所述調制電極結構和所述檢測電極結構中的至少一個，來產生具有至少平行于氣流方向的實質分量的電場。
2. 根據權利要求1所屬的氣體流量計，其中，配置所述調制電極 結構來產生具有至少平行于氣流方向的實質分量的電場。
3. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，配置所 述檢測電極結構來產生具有至少平行于氣流方向的實質分量的電場。
4. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述產 生的電場基本平行于氣流的方向。
5. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述調 制電極結構包括基本相對的平面電極對，其被布置得基本垂直于氣流的 方向。
6. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述檢 測電極結構包括基本相對的平面電極對，其被布置得基本垂直于氣流的 方向。
7. 根據權利要求5或者6所述的氣體流量計，其中，在所述的氣 流方向上間隔所述的電極。
8. 根據權利要求5、 6或者7所述的氣體流量計，其中，在使用中， 所述的電場是產生在電極之間的。
9. 根據權利要求5-8所述的氣體流量計，其中，所述電極每一個 均具有多個限定在其中的孔，用作氣流通過的通路。
10. —種氣體流量計，其包括導管，其在使用中用作氣流的通路；電離裝置，其被用來對導管中的氣流進行電離；調制電極結構，位于電 離裝置的下游，被布置得用來調制在所述已電離氣流中的離子分布；以 及至少一個第一檢測電極，位于所述調制電極結構的下游，被布置得用 來檢測在所述已電離氣流中的已調制的離子分布，其中，所述調制電極 結構和所述檢測電極結構中的至少一個包括橫斷氣流方向布置的至少 一個電極，并具有多個限定在其中的孔，以用作氣流通過的通路。
11. 根據權利要求9或者IO所述的氣體流量計，其中，所述電極 是以網孔的形式出現的。
12. 根據權利要求9-11中任一項所述的氣體流量計，其包括橫斷 氣流方向布置的電極對，并具有多個限定在其中的孔，用作氣流通過的 通路，其中，所述電極對中的一個電極中的孔在橫斷氣流方向的方向上 相對于在所述電極對的另一個電極的孔被偏移了。
13. 根據權利要求12所述的氣體流量計，其中，在所述電極對的 各個電極的孔之間的偏移基本等于所述電極的一個的相鄰孔之間的間 隔的一半。
14. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述調 制電極結構包括上游電極和下游電極，以及在使用中，把各個調制電勢 施加到每個電極，以調制在已電離氣流中的離子分布，其中，所述的施 加到下游電極的調制電勢與所述的施加到上游電極的調制電勢的極性 相反，并具有所選擇的幅度，以便在該調制電極結構的下游，由于上游 電極而產生的電場#:由于下游的電^ L產生的電場4氐消。
15. —種氣體流量計，其包括導管，其在使用中用作氣流的通路; 電離裝置，其被用來對導管中的氣流進行電離；調制電極結構，位于電 離裝置的下游，被布置得用來調制在所述已電離氣流中的離子分布；以 及至少一個第一檢測電極結構，位于所述調制電極結構的下游，被布置 得用來檢測在所述已電離氣流中的已調制的離子分布，其中，所述調制 電極結構包括上游電極和下游電極，在使用中向每個電極施加各個調制電勢，以調制在已電離氣流中的離子分布，其中，所述的施加到下游電 極的調制電勢與所述的施加到上游電極的調制電勢的極性相反，并具有 所選擇的幅度，以便在該調制電極的下游，由于上游電極而產生的電場 被由于下游的電極產生的電場抵消。
16. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述調 制電極結構被用來捕捉一種極性的離子，以此來產生已電離的氣流，其 包括的大部分離子的極性為相反極性。
17. 根據權利要求16所述的氣體流量計，其中，所述檢測電極結 構包括至少一個連接至電荷源的電極，因此，大部分離子為一種極性的 的已電離氣流相對于電極的移動致使電荷在電極中重新分布，這會在所 述電極和所述電荷源之間產生離子分布的電流指示。
18. —種氣體流量計，其包括導管，其在使用中用作氣流的通路； 電離裝置，其被用來在使用中對導管中的氣流進行電離；調制電極結構， 位于電離裝置的下游，被布置得用來調制在所述已電離氣流中的離子分 布；以及至少一個第一檢測電極，位于所述調制電極結構的下游，被布 置得用來檢測在所述已電離氣流中的已調制的離子分布，其中，所述調 制電極結構用來優先捕捉一種極性的離子，以此來產生包括大部分離子 為相反極性的的已電離氣流，以及，所述檢測電極結構包括至少一個連 接至電荷源的電極，以此，在使用中，大部分離子具有一種極性的已電 離氣流相對于所述電極的移動致使電荷在所述電極中重新分布，這產生 了在所述電極和所述電荷源之間的離子分布的電流指示。
19. 根據權利要求17或18所述的氣體流量計，其中，所述電荷源 是地電勢。
20. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其還包括第二 檢測電極結構，其位于第一4企測電極結構下游，每個4企測電極結構被布 置得用來檢測在已電離氣流中的已調制的離子分布。
21. —種氣體流量計，其包括在使用中用作氣流通路的導管；電離裝置，其被布置得在使用中來對導管中的氣流進行電離；調制電極結 構，其位于所述電離裝置的下游，被布置得用來調制在已電離氣流中的離子分布；第一檢測電極結構，其位于所述調制電極結構的下游，被布 置得用來檢測在已電離氣流中的已調制離子分布；以及第二檢測電極結 構，其位于所述調制電^ i結構的下游，凈皮布置得用來4全測在已電離氣流 中的已調制的離子分布。
22. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，第一檢 測電極結構用來優先地捕捉一種極性的離子，第二檢測電極結構用來優 先地捕捉相反極性的離子。
23. 根據權利要求22所述的氣體流量計，其中，所述第一檢測電極結構包括間隔電極對，在使用中，在所述電極之間施加電場，來從已電 離的氣流中捕捉離子，并產生所述離子分布的電流指示。
24. 根據權利要求22或23所述的氣體流量計，其中，第二檢測電 極結構包括間隔的電極對，在使用中，在所述電極之間施加電場，來從 已電離的氣流中捕捉離子并產生所述離子分布的電流指示。
25. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，施加到 所述調制電極結構的調制電壓是處于小于10Hz的頻率的。
26. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，施加到 所述調制電極結構的調制電壓小于10V A. C.。
27. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述電 離裝置包括一個放射性源。
28. 根據之前任何一項權利要求所述的氣體流量計，其中，所述流 量計是電池供電的。
全文摘要
一種氣體流量計，其包括用作氣流通路的導管(1)以及用于使導管(1)中的氣流電離的電離裝置(2)。位于電離裝置下游的調制電極結構(4)調制已電離的氣流中的離子分布。位于調制電極結構(4)下游的第一檢測電極結構(8)和第二電極結構(9)檢測已電離的氣流中的已調制的離子分布。可以配置該調制電極結構(4)和檢測電極結構(8，9)，以產生具有至少平行于氣流方向的實質性的分量的電場。該調制電極結構(4)和檢測電極結構(8，9)可以包括電極對(5，6，10，11)，每一個均具有限定在其中的多個孔，用作氣流的通路。調制電極結構(4)可以用于捕捉一種極性的離子，以產生電離的氣流，該氣流包括大部分相反極性的離子，在這種情況下，該檢測電極結構可以包括至少一個連接到電荷源的電極(11)。電離的氣流相對于電極的運動導致電荷在電極中的重新分布，這會產生表示電極(11)和電荷源之間的離子分布的電流。多種裝置提供了可以以小于10伏的調制電壓工作的氣體流量計，從而，這些裝置適于作為家用氣體流量計。
文檔編號G01F1/704GK101331386SQ200680046805
公開日2008年12月24日 申請日期2006年10月5日 優先權日2005年12月13日
發明者基蒙·魯索普洛斯, 漢斯·喬基姆·斯坦納, 愛德華·格雷利耶·科爾比, 西蒙·亞當·莎士比亞, 馬修·伊曼紐爾·米爾頓·斯托基 申請人:森泰克有限公司