專利名稱：氣體流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測定體積的氣體流量計領(lǐng)域。這里描述的氣體流量計技術(shù)特別適用于 住宅應(yīng)用的氣體流量計。
背景技術(shù)：
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(jī)械裝置，其在每個完全的周期內(nèi)允許固定體積的 氣體通過。機(jī)械流量計在正常的操作中會受到磨損的影響，這將導(dǎo)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(shù)(Automatic Meter Reading,AMR)裝置的日益流行 意味著必須經(jīng)常用一些形式的編碼器與機(jī)械讀出器形成接口，以便可以自動地讀出消耗量 fn息ο希望可以提供不包含運動部件的氣體流量計，即靜態(tài)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(xiàn)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(shè)置更加復(fù)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(jīng)開發(fā)出了三個類型的靜 態(tài)體積測量的氣體流量計。第一類型是可以商業(yè)獲得的用于利基應(yīng)用的傳播時間式超聲流 量計，利基應(yīng)用可以支撐這種流量計的高昂成本。第二類型已知技術(shù)是熱質(zhì)量流量計，這是 該領(lǐng)域中的較新的技術(shù)，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(jì)50年代開發(fā)的。所有這些劑量技術(shù)都具有比機(jī)械式流量計更昂 貴的缺點，并要求相當(dāng)數(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(shù)量中產(chǎn)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(shù)量來測量氣體密度，從速度和密度的乘積中得到質(zhì)量流量。在該系統(tǒng)中，施加到第一采 集器的電壓脈沖是IOOHz方波，120伏的電壓被施加通過第二采集器。高電壓和高調(diào)制頻率 使這種設(shè)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(jié)構(gòu)。希望提供在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，以便可以用標(biāo)準(zhǔn)電池對這種流量計進(jìn)行經(jīng)濟(jì)地供電。然而，對于Brain 所描述的流量計的幾何結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上要求采集器的電極是足夠間隔的，使得采集器對氣流 表現(xiàn)出很小的阻抗或者不表現(xiàn)出阻抗。從而，需要一個超過100伏的工作電壓來提供足夠 大的電場以使流量計的電極發(fā)揮作用。由于要用只有幾伏的工作電壓來產(chǎn)生相同的電場，安裝在Brain流量計中的導(dǎo)管直徑需要小100倍，這會顯著地阻擋家用氣體供應(yīng)的氣流。至少在其優(yōu)選實施例中，本發(fā)明尋求提供一種改進(jìn)的體積測量的氣體流量計，這 種流量計以電學(xué)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(qū)的供氣網(wǎng)絡(luò)的氣體用量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，從一個方面考慮，本發(fā)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(dǎo)管以及在使用中用于使導(dǎo)管中的氣流電離的電離裝置。在電離裝置下游的調(diào)制 電極結(jié)構(gòu)用于調(diào)制在已電離的氣流中的離子分布。在調(diào)制電極結(jié)構(gòu)下游的至少一個第一檢 測電極結(jié)構(gòu)用于檢測已電離氣流中的已調(diào)制的離子分布。配置調(diào)制電極結(jié)構(gòu)和檢測電極結(jié) 構(gòu)中的至少一個，以產(chǎn)生具有至少一個平行于氣流方向的實質(zhì)分量的電場。從而，根據(jù)本發(fā)明，電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電場，該電場具有至少一個平行于氣流方向的實 質(zhì)分量。通過使電場平行而不是像現(xiàn)有技術(shù)中的情況那樣垂直于氣流方向，通過改變電極 結(jié)構(gòu)的電極之間的間距，可以調(diào)制電場強(qiáng)度，間距的這種改變不需要影響通過導(dǎo)管的氣流， 以這種方式，可以使氣體流量計的流體動態(tài)需要獨立于電學(xué)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生具有至少一個平行于氣流方向的實質(zhì)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(jié)構(gòu)來產(chǎn)生具有至少平行于氣流方向的實質(zhì)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(chǎn)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)和/或檢測電極結(jié)構(gòu)可以采用任何合適的形狀和結(jié)構(gòu)。例如，該電 極結(jié)構(gòu)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(diào)制電極結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)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?？傊?，電極在氣流方向上被隔開。電極的間隔可以小于1mm，優(yōu)選小于0. 25mm。通 常，在使用中，在電極之間產(chǎn)生電場。在優(yōu)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(zhì)上被認(rèn)為是一種新的結(jié)構(gòu)。從而，從另一個方面考慮，本發(fā)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(dǎo)管，以及用于使導(dǎo)管中的氣流電離的電離 裝置。在電離裝置下游的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)用于調(diào)制已電離的氣流中的離子分布。在調(diào)制電極 結(jié)構(gòu)下游的至少一個第一檢測電極結(jié)構(gòu)用于檢測已電離氣流中的已調(diào)制的離子分布。調(diào)制 電極結(jié)構(gòu)和檢測電極結(jié)構(gòu)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，用作氣流通過該電極的通路?？椎臄?shù)量可以超過十個。從而，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，配置該電極，允許氣流通過該電極。以這種方式，可 以定位該電極，以在沒有對通過流量計的氣流產(chǎn)生不利影響的情況下獲得想要的電效應(yīng)或
5電磁效應(yīng)。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。從而， 氣流在一定程度上沖擊該電極。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(diào)制或電檢測發(fā)生在沿導(dǎo)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?qū)Ч鼙?。該電極可以包括多個導(dǎo)體，其中，用相鄰電極導(dǎo)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(dǎo)體，但可以用離散的導(dǎo)體提供。然而，一個電極的這些導(dǎo)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?？商鎿Q 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(yōu)化布置中，該電極可以是網(wǎng)孔或網(wǎng)格的形式。通常，網(wǎng)格是限定在相鄰導(dǎo)體之 間的規(guī)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(wǎng)格，或者可以在兩個 方向上延伸，例如，水平和垂直導(dǎo)體的網(wǎng)格。選擇網(wǎng)孔的間距使電極的電學(xué)有效性最大化。在本發(fā)明的實施例中，網(wǎng)孔的間距 小于5mm，優(yōu)選小于3mm。理想上，網(wǎng)孔的填充系數(shù)要盡可能地小，以保證最大的氣流。在本 發(fā)明的實施例中，網(wǎng)孔的填充系數(shù)小于30%，優(yōu)選小于20%?？傊?，選擇調(diào)制電極結(jié)構(gòu)和檢 測電極結(jié)構(gòu)的電極的構(gòu)造，使調(diào)制或檢測效率最大化。然而，為了便于生產(chǎn)的原因，例如，可 以選擇相同的電極。在本發(fā)明的實施例中，氣體流量計包括電極對，該電極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?？梢栽跈M斷氣流方向的方向上使該電極對的一個電極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，是因為電極之間的電場可以包括垂直于電極平面的 方向上的分量。這在電極是調(diào)制電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(dǎo)向電極以實現(xiàn)捕捉，并從而增大電極結(jié)構(gòu)的調(diào)制效率。電極對可以在氣流方向上被間隔開。可替換地，電極可以基本上是共平面的。例 如，一個電極的導(dǎo)體可以位于其他電極的導(dǎo)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電場可以完全垂直于氣流的方向。在優(yōu)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)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(diào)制電 勢施加到各個電極，以調(diào)制已電離氣流中的離子分布。施加到下游電極的調(diào)制電勢可以與 施加到上游電極上的調(diào)制電勢的極性相反，并具有選擇的幅度，以便在該調(diào)制電極的下游， 由于上游電極而產(chǎn)生的電場被由于下游的電極產(chǎn)生的電場抵消。這在本質(zhì)上被認(rèn)為是一種新的結(jié)構(gòu)。從而，從另一個方面來看，本發(fā)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(dǎo)管，并包括一個電離裝置，其在使用中用于使導(dǎo)管中的氣流電離。布置在電離裝置的下游調(diào)制電極結(jié)構(gòu)，用來調(diào)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(jié)構(gòu)布置在該調(diào)制電極的下游，用以檢測在已 電離氣流中的已調(diào)制離子分布。該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)包括一個上游電極和一個下游電極，在使 用中，將各個調(diào)制電勢施加到每個電極，以調(diào)制在已電離氣流中的離子分布。施加到下游電 極的調(diào)制電勢與施加到上游電極的調(diào)制電勢的極性相反，并具有選擇的幅度，以便在該調(diào) 制電極的下游，由上游電極而產(chǎn)生的電場被由于下游的電極產(chǎn)生的電場抵消。以這種布置，可以采用該調(diào)制電勢，以確保于該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)相關(guān)的電場不會直 接影響該檢測電極結(jié)構(gòu)的工作。該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)可以被用于優(yōu)先捕捉一種極性的離子，以此來產(chǎn)生包括大部分相 反極性 的離子的已電離氣流?？梢詫υ撜{(diào)制電極結(jié)構(gòu)施加一個可替換的調(diào)制電勢，以便該 調(diào)制電極結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的已 電離氣流包括序列區(qū)域，該區(qū)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(jìn)行編碼。在該檢測電極結(jié)構(gòu)處接收到的信號以及該調(diào)制電勢之間的延遲比較提供了 通過導(dǎo)管的氣流速度的指示。該檢測電極結(jié)構(gòu)可以包括至少一個連接到電荷源的電極，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(dǎo)致電荷在電極中的重新分布，這會產(chǎn)生電極和 電荷源之間的離子分布的電流指示。這在本質(zhì)上被認(rèn)為是一種新的結(jié)構(gòu)。從而，從另一個方面來看，本發(fā)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(dǎo)管，以及一個電離裝置，該電離裝置用 于使導(dǎo)管中的氣流電離。在電離裝置的下游的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)被布置來調(diào)制在已電離的氣流 中的離子分布。在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的下游的至少一個第一檢測電極結(jié)構(gòu)被布置來檢測在已 電離氣流中的已調(diào)制離子分布。調(diào)制電極結(jié)構(gòu)用于捕捉一種極性的離子，以此來產(chǎn)生包括 大部分離子為相反極性的已電離的氣流。該檢測電極結(jié)構(gòu)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(dǎo)致電荷 在電極中的重新分布，這會產(chǎn)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(jù)本發(fā)明的這個方面，通過由于在電極結(jié)構(gòu)中的電荷的重新分布所產(chǎn)生的電流 的優(yōu)點，該檢測電極結(jié)構(gòu)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(yōu)勢，即 在檢測電極結(jié)構(gòu)的電極之間不需要電場。另外，在不捕捉離子的情況下實現(xiàn)檢測，以便沿導(dǎo) 管可以布置一系列這種檢測電極結(jié)構(gòu)。在這種布置下，檢測電極結(jié)構(gòu)可以只包括一個單一的電極，其響應(yīng)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(jié)構(gòu)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(hù)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(jié)構(gòu)下游的第二檢測電極結(jié)構(gòu)，每個檢測 電極結(jié)構(gòu)均被布置來檢測在已電離氣流中的已調(diào)制的離子分布。這在本質(zhì)上被認(rèn)為是一種新的結(jié)構(gòu)。從而，從另一個方面來看，本發(fā)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(dǎo)管，并包括一個電離裝置，該電離裝置在使 用中用于使導(dǎo)管中的氣流電離。在該電離裝置的下游的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)被布置來調(diào)制在已電離氣流中的離子分布。在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的下游的第一檢測電極結(jié)構(gòu)被布置來檢測在已電 離氣流中的已調(diào)制的離子分布。在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)下游的第二檢測電極結(jié)構(gòu)被布置來檢測 在該已電離氣流中的已調(diào)制的離子分布。第二檢測電極結(jié)構(gòu)的提供可以被用來增大氣體流量計的動態(tài)范圍。從而，第一檢 測電極結(jié)構(gòu)可以被布置來檢測相對低的流速的離子分布，以及第二檢測電極結(jié)構(gòu)可以被布 置來檢測較高流速的離子分布，此時離子云在相同的時間周期內(nèi)移動得更遠(yuǎn)。在特定的實 施例中，從第一調(diào)制電極結(jié)構(gòu)到第一檢測電極結(jié)構(gòu)的距離可以小于10mm。在特定的實施例 中，從第一調(diào)制電極結(jié)構(gòu)到第二檢測電極結(jié)構(gòu)的距離可以大于50mm。通常，從第一調(diào)制電極 結(jié)構(gòu)到第二檢測電極結(jié)構(gòu)的距離小于100mm。第一檢測電極結(jié)構(gòu)可以被布置來優(yōu)先地捕捉一種極性的離子，第二檢測電極結(jié)構(gòu) 可以被布置來優(yōu)先地捕捉相反極性的離子。在這種布置中，第一檢測電極結(jié)構(gòu)選擇性地捕 捉離子的一種極性，而第二檢測電極結(jié)構(gòu)選擇性地捕捉另一種極性。以這種方式，每個檢測 電極結(jié)構(gòu)接收它自己的獨立的用于檢測的離子流，在第二檢測電極結(jié)構(gòu)處的信號沒有被第 一檢測電極結(jié)構(gòu)的操作削減。以這種方式，兩個檢測電極結(jié)構(gòu)可以工作在同一離子流上。第一檢測電極結(jié)構(gòu)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(chǎn)生離子分布的電流指示。另外或可替換地，第二檢測 電極結(jié)構(gòu)可以包括一個間隔的電極對，在使用中可以在電極之間施加一個電場來捕捉已電 離氣流的離子并產(chǎn)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檢測電極結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的通常實施例中，施加到調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的調(diào)制電壓是小于10Hz的頻率。 類似地，施加到該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)上的調(diào)制電壓通常小于交流10V。而且，施加到檢測電極結(jié) 構(gòu)的電壓(如果有的話)通常小于直流10V。以這些工作參數(shù)，氣體流量計適于電池供電工作。根據(jù)本發(fā)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(chǎn)處被連接至國家、區(qū)域或者國際供氣網(wǎng)絡(luò)，并且足夠精確地將使用者氣體用量的信息 提供至網(wǎng)絡(luò)操作員以作帳單之用的氣體流量計。然而，根據(jù)本發(fā)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(huán)境中。在本發(fā)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(dǎo)管通常是管，其可以具有圓形的截面。在本發(fā)明的實施例中，管的寬度(直徑) 小于30mm。雖然本發(fā)明被限定在術(shù)語氣體流量計中，本發(fā)明還可以擴(kuò)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(fā)明的實施例進(jìn)行描述，其中，圖1是根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)明的氣體流量計的網(wǎng)孔電極；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的氣體流量計的示意圖4是施加到圖3的氣體流量計的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的調(diào)制電壓的示意表示；對應(yīng)的參考標(biāo)號用于在本發(fā)明的各個實施例中的對應(yīng)的部件。
具體實施例方式圖1示意地示出了根據(jù)本發(fā)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(dǎo)管1，氣流用箭頭A表示。在該實施例中，該導(dǎo)管是內(nèi)徑為23mm的圓柱形 管。電離裝置2被布置在電離導(dǎo)管中的氣流的導(dǎo)管側(cè)。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(jiān)測器類型中所采用的)中的lyCi Americium 241放射性源。 源2通常具有每秒鐘37000個a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(chǎn)生200，000個離子對，其中50%在100ms內(nèi)重新結(jié)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。調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4被提供在放射源2的下游的管1中。該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4調(diào)制已電 離氣流中的離子分布，以便在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游該電離云是可識別的。在該實施例 中，該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)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(wǎng)孔(或柵格)的形式出現(xiàn)的，該網(wǎng)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(yīng)于管1的內(nèi)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。電極5、6具有0.2mm的厚度和1mm或更小的間距。這些電極的填充系數(shù)(網(wǎng)孔材料的 面積百分比)是20%或更小。在該實施例中，上游調(diào)制電極5和下游調(diào)制電極6之間的間距是0. 125mm。如圖 1所示，可變調(diào)制電壓被施加在調(diào)制電極5、6之間。該調(diào)制電壓是具有最大10V的幅度和 l-4Hz頻率的方波。該施加的調(diào)制電壓產(chǎn)生調(diào)制電極5、6之間的電場。如圖1所示，上游調(diào) 制電極5和下游調(diào)制電極6的網(wǎng)孔被相對偏移了等于網(wǎng)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(dǎo)體7，反之亦然。以這種方式，在調(diào)制電極5、6 之間的電場在垂直于氣流方向(管1的軸)上具有最大的分量。理想上，每個電極5、6的 導(dǎo)體7在垂直于氣流方向的相同平面上的其他電極的導(dǎo)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(dǎo)致非常復(fù)雜的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)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極5、6并偏移網(wǎng)孔，在便于制造性以 及操作效率之間取了折中。當(dāng)施加在調(diào)制電極5、6之間的調(diào)制電壓非零時，產(chǎn)生的電場在離子云3中的正離 子和負(fù)離子被捕捉到的情況下，將它們導(dǎo)向各個調(diào)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(diào)制電極5、6的偏離最大。周期性調(diào)制電壓的這種效果是在調(diào)制電極 結(jié)構(gòu)4的下游的氣流中產(chǎn)生高和低離子濃度連續(xù)區(qū)域。如下所述，可以檢測這些區(qū)域來確 定這些區(qū)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)4下游的第一檢測電極結(jié)構(gòu)8和 第二檢測電機(jī)結(jié)構(gòu)9，來檢測在已電離氣流中的已調(diào)制離子分布。第二電極結(jié)構(gòu)9位于第一 檢測電極8的下游。在該實施例中，第一和第二檢測電極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(wǎng)孔(或網(wǎng)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10、11的直徑對應(yīng)于管1的內(nèi)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10、11具有0. 2mm
9的厚度和2mm的間距。電極的填充系數(shù)(網(wǎng)孔材料的面積百分比)是10%或者更小。在該實施例中，上游檢測電極10和下游檢測電極11之間的間隔是0. 25mm。如圖1所示，上游檢測電極10和下游檢測電極11的網(wǎng)孔被對準(zhǔn)。以這種方式，檢測電極10、11 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(dǎo)管1的情況下，通過改變電極10、11之間的間距，可以改變檢測電極10、11之間 的電場強(qiáng)度。如圖1所示，在檢測電極10、11之間施加檢測電壓。在該實施例中，檢測電壓是 +3V D.C.的恒壓，其產(chǎn)生檢測電極10、11之間的電場。對于第一檢測電極結(jié)構(gòu)8而言，上游 檢測電極10連接至地電勢，下游檢測電極11連接至+3V D.C.。對于第二檢測電極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)9的檢測電極10、11之間的電場方向與第一檢測電極結(jié)構(gòu)8的電測電極之間的 電場方向相反?？梢钥吹?，第一檢測電極結(jié)構(gòu)8的下游電極11和第二檢測電極結(jié)構(gòu)9的上游電極 10位于同一電勢。結(jié)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(xué)效應(yīng)，這有助于氣流的精確測量。調(diào)整電極結(jié)構(gòu)4的下游電極 6和第一檢測電極結(jié)構(gòu)9的上游電極10還可以處于同一(地)電勢，以便在這兩個電極之 間沒有電場。第一檢測電極結(jié)構(gòu)8優(yōu)先捕捉正離子，正離子被正的下游電極11和接地的上游電 極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(jié)構(gòu)8的負(fù)離子加速。到達(dá) 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?？梢杂冒才啾?12或其他電流測量裝置來測量該電流。第二電極結(jié)構(gòu)9捕捉負(fù)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(fù)離子被正的上游電極10捕捉，產(chǎn)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(jié)構(gòu)8處的正離子和在第二檢測電極結(jié)構(gòu)9處的負(fù)離子。調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游電極6和第一檢測電極結(jié)構(gòu)8的上游電極10之間的距離 是8mm。調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游電極6和第二檢測電極結(jié)構(gòu)9的上游電極10之間的距離是 70mm。提供兩個間隔的檢測電極結(jié)構(gòu)8、9，增大了該氣體流量計的動態(tài)范圍。對于家用應(yīng)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 1的動態(tài)范圍。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一檢測電極結(jié)構(gòu)8用于確定低 流速，其中，在太多的離子由于再次結(jié)合而從已調(diào)制的離子云中消失之前必須檢測該已調(diào) 制的離子云，而第二檢測電極結(jié)構(gòu)9用于確定高流速，其中，必須在已調(diào)制的離子云通過整 個流量計之前檢測該已調(diào)制的離子云。從兩個檢測電極結(jié)構(gòu)8、9中檢測到的信號可以用來 使在整個測量范圍內(nèi)的流量計的精度最大。圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)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(dǎo)管1，氣流由箭頭A指示。在該實施例中，導(dǎo)管是具有23mm內(nèi)徑的圓柱形 導(dǎo)管。在管1的側(cè)面布置一個電離裝置2，來使導(dǎo)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(jiān)測器類型中所采用的)中的1 μ CiAmericium 241 放射性源。源2通常具有每秒鐘37000個α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離子產(chǎn)生200，000個離子對，其中50%在100ms內(nèi)重新結(jié)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)4。該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4調(diào)制在已 電離氣流中的離子分布，以便電離云在調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游是可識別的。在該實施例中， 該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)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(wǎng)孔 (或網(wǎng)格)的形式出現(xiàn)的，網(wǎng)孔(或網(wǎng)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(yīng)于管1的內(nèi)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1mm或更小的間距p。這些電極的填充系數(shù)(網(wǎng)孔材料 的面積百分比)是20%或更小。在該實施例中，上游調(diào)制電極5和下游調(diào)制電極6之間的間隔是0. 125mm。如圖3 所示，上游調(diào)制電極5的網(wǎng)孔對準(zhǔn)下游調(diào)制電極6的網(wǎng)孔。以這種方式，調(diào)制電極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。以這種方式，在不影響通過 導(dǎo)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(diào)制電極5、6之間的 電場強(qiáng)度。如圖3所示，在調(diào)制電極5、6之間施加交變調(diào)制電壓。該調(diào)制電壓是具有最大10V 的幅度和l-4Hz頻率的方波。施加的調(diào)制電壓在調(diào)制電極5、6之間產(chǎn)生電場。當(dāng)上游調(diào)制 電極5相對于下游的調(diào)制電極6是正的時，上游調(diào)制電極5從離子云3捕捉負(fù)離子，并使正 離子加速通過該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4。以這種方式，在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4下游的離子云主要包 括正離子。當(dāng)上游調(diào)制電極5相對于下游的調(diào)制電極6是負(fù)的時，上游調(diào)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)4。以這種方式，在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu) 4下游的離子云主要包括負(fù)離子。交變調(diào)制電壓的作用是在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游的氣 流中產(chǎn)生正離子密度和負(fù)離子密度的連續(xù)區(qū)域。如下所述，可以檢測這些區(qū)域來確定這些 區(qū)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(diào)制電極結(jié)構(gòu)4下游的第一檢測電極結(jié)構(gòu) 8和第二電極結(jié)構(gòu)9，來檢測在已電離的氣流中的已調(diào)制的離子分布。第二電極結(jié)構(gòu)9位于 第一檢測電極結(jié)構(gòu)8的下游。在該實施例中，每一個第一和第二檢測電極8、9均包括一個上 游電極10和一個下游電極11。每一個電極10、11具有通常的網(wǎng)孔(或網(wǎng)格)形式，這些網(wǎng) 孔(或網(wǎng)格)是用適當(dāng)?shù)姆椒◤慕饘俦∑锨谐龅?，如圖2所示。電極10、11的直徑對應(yīng) 于管1的內(nèi)徑，電極10、11被布置得垂直于管1的軸，并因此垂直于氣流的方向。電極10、 11具有0. 2mm的厚度和2mm的間距。電極的填充系數(shù)(網(wǎng)孔材料的面積百分比)是10% 或更小。在該實施例中，上游檢測電極10和下游檢測電極11之間的間隔是0. 125mm。如圖 3所示，上游檢測電極10網(wǎng)孔對準(zhǔn)于下游檢測電極11的網(wǎng)孔。以這種方式，在不影響流體 通過導(dǎo)管1的情況下，改變電極10、11的間隔，可以改變檢測電極10、11的相對電特性。如圖3所示，每一個檢測電極10、11均連接至地電勢。隨著正和負(fù)離子密度的連續(xù) 區(qū)域接近和通過檢測電極結(jié)構(gòu)8、9，在上游檢測電極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(dǎo)致電流從電極10和地電勢之間流過。類似地，在下游 檢測電極11中的電荷重新分布，以保持電極11中的零電勢。電荷的這種重新分布導(dǎo)致電 流從電極11和地電勢之間流過。這個電流可以被安培表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(diào)制電壓進(jìn)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11，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(hù)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(fù)離子分布之間的轉(zhuǎn)換比上游檢測電極10處的更顯著。調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游電極6和第一檢測電極結(jié)構(gòu)8的上游電極10之間的距離 是8mm。調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4的下游電極6和第二檢測電極結(jié)構(gòu)9的上游電極10之間的距離是 70mm。提供兩個間隔的檢測電極結(jié)構(gòu)8、9增大了該氣體流量計的動態(tài)范圍。對于家用應(yīng)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(tài)范圍是150 1。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，第一檢測電極結(jié)構(gòu)8用來確定低流速， 其中，在太多的離子由于再次結(jié)合而從已調(diào)制的離子云中消失之前必須檢測該已調(diào)制的離 子云，而第二檢測電極結(jié)構(gòu)9用于確定高流速，其中，必須在已調(diào)制的離子云通過整個流量 計之前檢測該已調(diào)制的離子云。從兩個檢測電極結(jié)構(gòu)8、9中檢測到的信號可以用來使在 整 個測量范圍內(nèi)的流量計的精度最大。在上述實施例的改進(jìn)中，上游調(diào)制電勢U和下游調(diào)制電勢D可以被施加到調(diào)制電 極結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的上游和下游調(diào)制電極5、6上，來提供電極5、6之間的調(diào)制電壓。如圖4所 示，下游調(diào)制電勢D可以被選擇為與上游調(diào)制電勢U反相，并具有選擇的幅度，來補(bǔ)償與上 游調(diào)制電極5相關(guān)的電場的遠(yuǎn)電場效應(yīng)。換句話說，在調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4下游的上游和下游 調(diào)制電極5、6的結(jié)合的電磁效應(yīng)被下游調(diào)制電勢D抵消掉。以這種方式，由于與產(chǎn)生的離 子分布相反，調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4本身并不影響由第一和第二檢測電極結(jié)構(gòu)8、9產(chǎn)生的信號。對于該氣體流量計，通過在該電離裝置的相對側(cè)向提供上述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)和檢測 電極結(jié)構(gòu)之外的調(diào)制和檢測電極結(jié)構(gòu)，可以測量在導(dǎo)管中的相反流向的氣流。該之外的調(diào) 制和檢測電極結(jié)構(gòu)可以被布置為上述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)和檢測電極結(jié)構(gòu)的鏡像。然而，在家用 流量計應(yīng)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(xiàn)在電離裝 置上游的電離氣體的出現(xiàn)(由于反向流)的電極結(jié)構(gòu)。例如，可以布置該電極結(jié)構(gòu)來測量 氣流的阻抗?？傊?，氣體流量計包括用作氣流A的通路的導(dǎo)管1和用來使導(dǎo)管1中的氣流電離 的電離裝置2。在該電離裝置下游的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4調(diào)制在已電離的氣流中的離子分布。位 于該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4下游的第一檢測電極結(jié)構(gòu)8和第二電極結(jié)構(gòu)9檢測在已電離氣流中的 已調(diào)制離子分布?？梢耘渲迷撜{(diào)制電極結(jié)構(gòu)4和該檢測電極結(jié)構(gòu)8、9來產(chǎn)生具有至少平行 于氣流方向的實質(zhì)分量的電場。該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)4和該檢測電極結(jié)構(gòu)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(diào)制電極結(jié)構(gòu) 4可以被用來捕捉一個極性的離子，來產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致電荷在電極中的重新分布，這將產(chǎn)生電極11和電荷源之間的離子分布的電流指
7J\ ο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(diào)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(xiàn)有的不能被直接利用的計量方法具有顯著的優(yōu)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(tài)范圍或線性度來滿足國家標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)置的計量要求；(c)采用的放射性源的活性比通常在家用應(yīng)用中的可接受活性大；(d)他們沒有被優(yōu)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(fā)明的特定實施例克服了或者至少減輕了這些問題。雖然關(guān)于特定清楚的實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但這不是要限制本公開的范圍。 因此，本領(lǐng) 域技術(shù)人員將認(rèn)識到，一個實施例的特性可以結(jié)合另一個實施例的特性使用，即 使沒有被清楚地提及。
權(quán)利要求
一種氣體流量計，其包括導(dǎo)管，其在使用中用作氣流的通路；電離裝置，其被用來對導(dǎo)管中的氣流進(jìn)行電離；調(diào)制電極結(jié)構(gòu)，位于電離裝置的下游，被設(shè)置來調(diào)制在已電離氣流中的離子分布；以及至少一個第一檢測電極結(jié)構(gòu)，位于所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的下游，被布置得用來檢測在所述已電離氣流中的已調(diào)制的離子分布，其中，所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)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(diào)制電勢，以調(diào)制在已電離氣流中的離子分布，其中，施加到下游電極的調(diào)制電勢與施加到上游電極的調(diào)制電勢的極性相反，并具有一個選擇的幅度，以便在該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的下游，由于上游電極而產(chǎn)生的電場被由于下游的電極產(chǎn)生的電場抵消。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量計，其中，所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)被設(shè)置來捕捉一種極 性的離子，以此來產(chǎn)生已電離的氣流，其包括的大部分離子的極性為相反極性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體流量計，其中，所述檢測電極結(jié)構(gòu)包括至少一個連接至 電荷源的電極，由此，大部分離子為一種極性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(chǎn)生離子分布的電流指示。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)被配置來產(chǎn)生 具有至少一個平行于氣流方向的實質(zhì)分量的電場。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，所述檢測電極結(jié)構(gòu)被配置來產(chǎn)生 具有至少一個平行于氣流方向的實質(zhì)分量的電場。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)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(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，所述檢測電極結(jié)構(gòu)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。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，所述的電極在所述的氣流方向上 被間隔開。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量計，其中調(diào)制電極結(jié)構(gòu)和檢測電極結(jié)構(gòu)中的至少 一個包括被布置在橫斷氣流方向的電極對，其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。
11.根據(jù)權(quán)利要求10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中的一個電極的相鄰孔之間的間隔的一半。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量計，其中，所述電極中的至少一個是以網(wǎng)孔的形式 出現(xiàn)的。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，還包括第二檢測電極結(jié)構(gòu)，其位于第一 檢測電極結(jié)構(gòu)下游，每個檢測電極結(jié)構(gòu)被布置得用來檢測在已電離氣流中的已調(diào)制的離子 分布。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的氣體流量計，其中，所述第二檢測電極結(jié)構(gòu)包括被間隔開 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(chǎn)生所 述離子分布的電流指示。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，施加到所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的調(diào)制 電壓的頻率小于IOHz。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的氣體流量計，其中，施加到所述調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的調(diào)制 電壓小于IOV A. C.。
17.根據(jù)前述任一權(quán)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。
18.根據(jù)前述任一權(quán)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(dǎo)管(1)以及用于使導(dǎo)管(1)中的氣流電離的電離裝置(2)。位于電離裝置下游的調(diào)制電極結(jié)構(gòu)(4)調(diào)制已電離的氣流中的離子分布。位于調(diào)制電極結(jié)構(gòu)(4)下游的第一檢測電極結(jié)構(gòu)(8)和第二電極結(jié)構(gòu)(9)檢測已電離的氣流中的已調(diào)制的離子分布?？梢耘渲迷撜{(diào)制電極結(jié)構(gòu)(4)和檢測電極結(jié)構(gòu)(8，9)，以產(chǎn)生具有至少平行于氣流方向的實質(zhì)性的分量的電場。該調(diào)制電極結(jié)構(gòu)(4)和檢測電極結(jié)構(gòu)(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(diào)制電極結(jié)構(gòu)(4)可以用于捕捉一種極性的離子，以產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致電荷在電極中的重新分布，這會產(chǎn)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(diào)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G01F1/704GK101871802SQ20101020581
公開日2010年10月27日 申請日期2006年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)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(dāng)·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