具有双向通信的流体管道的制作方法

1.本发明总体上涉及一种流体管道。更具体地，本发明涉及一种结合有双向通信设备的流体管道以及用于监测位于流体管道上的印刷传感器的方法。


背景技术：

2.流体管道用于流体或气体介质的传输需要连接的应用场合。流体管道的选择通常取决于预期用途的具体要求，结果需要考虑管道的多种特性，例如直径、最小弯曲半径、压力负载和耐温性。
3.在许多情况下，用于车辆中以传输流体的流体管道不包括物理地附接到管道以用于测量和监测安全相关运行参数的探针或其它传感器，所述安全相关运行参数例如为监测温度和在流体管道中流动的介质的体积流量。
4.原则上，希望监测在车辆的流体管道中流动的介质的运行参数，例如燃料输送、用于冷却发动机的冷却流体、用于转向和制动系统以及气动空气系统中的液压流体。通过直接监测管道的运行参数，可以防止对这些系统以及车辆的操作的中断。通过监测管道的运行参数，可以快速地诊断和识别中断的可能原因。例如压降、由管道输送的流体的温度变化以及管道材料的过大应力，可以被识别并随后被补救。这样，车辆和流体管道的寿命和可靠性可以增加，并且管道故障可以最小化。
5.因此，本发明的目的是提供一种流体管道，其允许以简单的方式监测管道的运行和功能参数。例如，待监测的参数可以包括但不限于管道壁和/或在管道中的流动介质的温度，作用在管道壁上的正压或负压，以及引出管道的完整性和管道材料的老化程度的从管道壁的流体泄漏的检测管道。


技术实现要素：

6.本发明涉及结合了双向通信设备的流体管道和用于监测位于流体管道上的印刷传感器的方法。
7.在第一实施例中，流体管道包括内径和外壁。印刷电子材料沉积在流体管道的外壁上。印刷电子材料被配置成感测流体管道的运行参数。通信地连接到印刷电子材料的双向通信设备被配置为将运行参数无线地发送到移动设备。
8.在第二实施例中，提供了一种方法。该方法包括感测流体管道的至少一个运行参数。流体管道包括内径和外壁。该方法还包括将电子材料印刷在流体管道的外壁上以及使用双向通信设备将该运行参数无线地传输到移动装置，该电子材料用于感测流体管道的至少一个运行参数。通过以下附图、描述和权利要求，其它技术特征对于本领域技术人员来说是显而易见的。
附图说明
9.现在结合附图参考以下描述，以更完整地理解本发明，在附图中：
10.图1示出了根据本发明的具有印刷在管道上的温度传感器的示例性的流体管道；
11.图2示出了根据本发明的示例性的控制器；
12.图3示出了根据本发明的具有印刷在包括双向通信模块的管道上的应变计传感器的流体管道；
13.图4示出了根据本发明的具有印刷在包括双向通信模块的管道上的泄漏检测传感器的流体管道；
14.图5示出了根据本发明的具有印刷在包括保护层的管道上的印刷传感器的流体管道的截面图；以及
15.图6示出了根据本发明的具有印刷在包括保护层的管道上的印刷传感器的流体管道的截面图。
具体实施方式
16.在本专利文件中，下面讨论的附图和用于描述本发明原理的各种实施例仅仅是说明性的，并且不应当以任何方式解释为限制本发明的范围。本领域技术人员将理解，本发明的原理可以在任何类型的适当布置的装置或系统中实现。
17.在本技术的含义内，术语“流体管道”是指半刚性管道，以及管道联接件及其部件。管道通常采用细长的圆柱形中空本体的形式。在其一端或两端，管道可选地具有管道接头或管道接头的一部分，即所谓的配件，通过该配件管道可以连接到例如另一管道或其它管道单元，例如固定的管道系统或管道组件的其它部分。
18.在本发明的优选实施例中，管道的壁包括热塑性材料。仅作为实例而非限制性地，为聚酰胺(pa)或聚烯烃如聚乙烯(pe)或聚丙烯，或它们的共聚物，或聚氯乙烯(pvc)或热塑性硫化橡胶(tpv)，如santoprene。
19.这种热塑性管道例如可以以这样的方式生产，即热塑性材料直接挤出成所需管道的形式。或者，热塑性材料可以例如通过挤出而转变成材料幅的形式，例如挤出的成型边缘或膜幅，然后将其螺旋地缠绕，并且其中相邻螺旋缠绕件的纵向边缘区段或材料幅的相对的边缘区域被彼此重叠地连接。此外，管道壁也可以包括多叠或多层热塑性材料，所述多叠或多层热塑性材料例如以多个薄膜叠的形式(“夹层结构”)一个布置在另一个之上。
20.根据本发明的管道的壁具有印刷在壁上的电子材料层。特别地，电子材料可以完全或部分地嵌入管道壁中。或者，它可以被设置为管道外侧上的涂层的形式或管道壁的部件的涂层的形式。也可以将印刷电子材料均匀地布置在整个管道壁上，或者仅布置在管道壁的一部分中，例如材料幅中。
21.印刷电子材料具有至少一种材料特性，该材料特性可根据管道的至少一个运行参数而变化。在本技术的含义中，“运行参数”是指管道的状态变量，其特别地选自由管道壁的温度、作用于管道壁上的正压或负压、以及管道壁的完整性所组成的组，管道壁的温度例如为管道壁的内部的温度或管道壁的内表面上的温度，结果是可以推断位于管道中的介质的温度；其中管道壁的完整性由于管道壁的破裂或管道壁材料的老化而导致的流体从管道壁的泄漏所引起。印刷电子材料形成为使得其适于确定至少一个运行参数。
22.因此，根据本发明的管道具有很大的优点，即，由于包含在管道壁上的电子材料，可以以简单的方式直接确定管道的一个或多个期望的运行参数，而不需要使用外部测量探
头。
23.印刷电子材料优选地为至少一个传感器的形式。本发明基于在管道的外部上由电子材料印刷至少一个电子传感器。可以使用单个的印刷电子传感器或数个印刷电子传感器。例如，可以使用多个印刷电子器件，以便多次或在管道的多个点处实现相同的运行参数，和/或单独地或彼此组合地实现不同的功能。
24.在此应注意，管道的外壁与管道的内部内壁具有紧密关系，并且因此与例如位于管道的内部的流体具有紧密关系。结果，电子材料的运行参数可以在接近管道内部和其中包含的流体处运用。这可以产生如下效果，即，由印刷电子材料组成的传感器例如由于传感器尽可能靠近管道内部而能够提供更好的测量结果。
25.印刷电子材料的生产可以通过印刷工艺或通过不同印刷工艺的组合来进行。例如，印刷的电子材料可以通过柔性版印刷工艺、通过凹版印刷工艺、通过丝网印刷工艺和/或通过数字印刷工艺沉积在管道上。因此，各种印刷方法可用于利用相应的性质将各种印刷电子器件印刷在管道的外壁上。刚刚描述的印刷方法可以用于针对期望的传感器结构的印刷油墨的直接印刷。可替代地，在预备步骤中，可在将期望的传感器结构印刷于管道外壁上之前首先将粘附促进层施加到管道外壁。这在管道的外壁由难以在其上印刷的材料(例如橡胶或其它橡胶注入材料)构成的情况下是期望的。附加地，在又一预备步骤中，可通过在管道壁中激光雕刻且接着用形成传感器结构及将导体布线互连的电子材料填充来制作期望的传感器结构。
26.替代地或附加地，印刷电子材料可通过在挤出期间的结构化而部分地或完全地形成。替代地或附加地，印刷电子材料可以通过插入诸如例如形成为单独单元的片状件或格栅的结构而被部分地或完全地替换，并且通过诸如粘合剂的任何方便的手段而被施加到管道的外壁。
27.优选地，印刷电子材料仅部分地布置在管道壁上，使得保留足够的没有印刷电子材料的部分。这样，可以保持管道壁的足够的表面是自由的，以便实现与第二层的足够的直接粘附，所述第二层例如是形成在印刷电子材料上的保护层。
28.根据本发明的一个方面，管道包括沉积在管道外壁上的、在印刷电子材料之上的绝缘材料保护层。这样，印刷电子材料被覆盖并保护免受在车辆操作中的由道路碎片和任何环境或机械效应所引起的外部影响的损坏。
29.根据本发明，印刷电子材料被设计为用于检测管道的运行参数的传感器，例如温度传感器、压力传感器或泄漏检测传感器。因此，可以感测从内部施加在管道外壁上的管道的至少一个运行参数。例如，由管道输送的流体可将其温度传递到管道的外壁，使得流体的温度可由温度传感器检测。
30.根据本发明的实施例的另一方面，提供了一种连接到印刷电子传感器的双向通信系统。双向通信系统接收由电子传感器检测到的运行参数，并将信息无线地发送到外部设备以供显示。例如，由印刷电子传感器感测的运行参数可以连接到安装在流体管道上并且由电池供电的无线蓝牙低功耗(ble)硬件模块。ble模块将信息传输至远程定位的移动ble设备，诸如智能电话或执行特别设计的操作软件的配备有ble硬件的其他移动设备。在移动设备经由操作软件请求信息时，ble模块将从电子传感器接收的信息发送到移动ble设备，以显示给技术人员。
31.可替换地，ble模块可以安装在远离印刷电子传感器的区域。在本发明的这个方面，印刷在管道上的电子传感器包括延伸到接线盒的导体线。一个或多个传感器可以使它们的导体延伸到接线盒。包括处理器单元和至少一个ble收发器的控制器连接到接线盒。在移动ble设备请求时，处理器单元将所选择的传感器连接到ble收发器，以将传感器运行参数传输到移动ble设备。操作软件还可以适于允许技术人员同时请求一个或多个传感器的信息，向移动ble设备提供来自于多个电子传感器的一系列运行参数。
32.根据本发明的另一方面，提供一种具有内径和外壁的流体管道，该流体管道包括:沉积在流体管道外壁上的印刷电子材料，该印刷电子材料被配置成感测流体管道的至少一个运行参数；和双向通信设备，用于将运行参数无线传输到移动设备。
33.进一步地，其中所述管道的所述至少一个运行参数选自管道壁的温度、作用在管道壁上的正压或负压或管道壁的完整性。
34.进一步地，其中所述印刷电子材料产生至少一个传感器元件，所述传感器元件被配置为感测并提供表示感测到的流体管道的运行参数的输出信号。
35.进一步地，其中所述至少一个传感器元件选自电导体和电阻元件，所述电导体和电阻元件组合形成:
36.用于测量的壁温度的温度传感器；
37.用于测量作用在管壁上的正压或负压的应变计传感器，
38.或泄漏检测传感器，用于测量管道壁的完整性；以及电导体，用于传送表示感测的至少一个传感器元件的运行参数。
39.进一步地，所述双向通信设备是无线模块，所述无线模块包括天线，所述无线模块和天线附接到所述流体管道，所述无线模块通信地连接到所述至少一个传感器元件并适于使用无线协议从天线发送表示感测到的运行参数的输出信号到移动设备。
40.进一步地，用于传送输出信号的电导体沿流体管道的轴向延伸到控制器，控制器包括无线双向通信单元，控制器适于接收至少一个传感器元件的输出信号，并使通信单元使用无线双向通信协议将输出信号从无线双向通信单元无线传输到移动设备。
41.进一步地，保护层沉积在管道的坐落有印刷电子材料、导体、双向通信设备和天线的整个圆周上。
42.根据本发明的一个方面，提供一种用于感测流体管道的至少一个运行参数的方法，该流体管道包括内径和外壁，该方法包括:
43.在流体管道的外壁上印刷电子材料，该电子材料用于感测至少一个运行参数；和
44.使用双向通信设备将运行参数无线传输到移动设备。
45.现在转到图1，示出了温度传感器10，其被布置为流体管道50的外壁51上的负温度系数(ntc)热敏电阻。热敏电阻材料15被印刷在导电焊盘12和12'之间的外壁51上。导电焊盘12和12'电连接到导线13，对于ntc热敏电阻，当热敏电阻材料的温度增加时，由热敏电阻感测的电阻减小。相反，当热敏电阻材料的温度降低时，热敏电阻材料的电阻增加。由管道50输送的流体可将其温度传递到管道的外壁51，使得流体的温度可由传感器10检测。
46.由传感器10的热敏电阻15感测的电阻被施加到包括电导体13的导线网络，该电导体在管道的轴向上平行于管道轴线延伸或者也可以围绕管道轴线螺旋地延伸。可替代地，导体13可以嵌入在外壁51中。图1中的导体13延伸到接线板或接线盒，例如接线板100。控制
器200连接到接线板100，并且布置成从温度传感器10接收电阻读数。
47.如图2所示，控制器200包括至少一个处理器202、至少一个存储设备204、至少一个通信单元206和至少一个输入/输出(i/o)单元208。每个处理器202可以执行指令，例如可以被加载到存储器212中的那些指令。这些指令可以智能地处理来自远程定位的移动设备的、并由通信单元206接收的查询。每个处理器202表示任何适当的处理设备，例如一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或分立电路。
48.存储器210和永久性存储装置212是存储设备204的示例，其表示能够存储信息(诸如数据、程序代码和/或其他合适的信息，临时的或永久的)并促进其检索的任何结构(多个结构))。存储器210可以表示随机存取存储器或任何其它合适的易失性或非易失性存储设备(多个存储设备)。永久性存储器212可以包含支持数据的长期存储的一个或多个组件或设备，诸如只读存储器或闪存。
49.通信单元206支持与其它系统或设备的通信。例如，通信单元206可以包括便于通过无线网络通信的无线收发器。通信单元206可以支持通过任何合适的无线通信链路的通信。例如，无线收发器可包括使用蓝牙低功耗(ble)协议无线地通信的蓝牙低功耗(ble)收发器。
50.i/o单元208允许数据的输入和输出。例如，对于热敏电阻15，i/o单元208接收来自连接到接线板100的导体13的输出信号。i/o单元208还可以包括用于通过键盘、鼠标、小键盘、触摸屏或其他合适的输入设备进行用户输入的连接。i/o单元208还可以向显示器、打印机或其他合适的输出设备发送输出。
51.重新参见图1，温度传感器10输出的电阻读数通过导体13施加到接线盒100，应当注意，接线盒100可以通过端接在接线盒上的导线连接到来自位于车辆上不同位置的管道50的多个传感器。以这种方式，控制器200可以接收和处理来自位于来自车辆上多个位置的管道上的传感器网络的输出信号。
52.对于图1所示的示例，i/o单元208从接线板100接收从温度传感器10发送的输出信号。处理器202根据其操作软件可以将来自温度传感器10的模拟电阻值形式的输出信号转换为数字数据。数字输出信号随后可以与时间戳和标识传感器或管道在车辆上的位置的位置数据一起存储在存储器装置204中。以这种方式，可以建立来自车辆的各个位置的一段时间的历史数据读数的日志，并将其存储在存储器设备204中。
53.控制器200适于与由技术人员从远程位置操作的配备有移动ble硬件的设备一起操作，所述设备诸如智能电话、手持计算机或数据平板。根据本发明的一个方面，控制器通信单元206包括使用蓝牙低功耗(ble)协议无线通信的ble收发器。旨在在位于移动ble设备300中的ble收发器和控制器的ble收发器之间建立无线ble通信链路。控制器由电源250供电。电源250可以是专用电池，例如锂动力电池，其可以在需要时被更换或者使用从车辆的操作中收集能量的任何有用方法来充电。替代地或附加地，电源可以连接到车辆配电系统并且从车辆配电系统接收电力。
54.在移动设备300请求时，控制器200处理该请求以将来自温度传感器10的数据发送到移动ble设备300。根据请求的类型，处理器提供代表实时传感器读数的数字数据或存储在存储器设备204中的历史日志数据。所请求的数据被传送到通信单元206和ble收发器以
便发送到发出请求的移动ble设备300。
55.虽然图1和2示出了结合有印刷传感器的流体管道50和用于监测传感器的双向通信方法的示例，但是可以对图1和2做出各种改变，例如，可以组合、进一步细分或省略每幅图中的各种部件，并且可以根据特定需要添加附加部件。此外，配备有移动ble硬件的设备具有各种配置，并且图1和图2不将本发明限制于任何特定的配备有移动ble的设备。
56.现在转到图3，示出了本发明的另一方面。在这个方面，示出了应变计传感器20。用于应变计20的印刷电子材料被印刷在流体管道50的外壁51上。应变计在现有技术中是已知的，并且构成用于记录伸长和压缩变形的装置。应变计的变形改变了应变计的电阻，结果是可以使用应变计的电阻来推断由于流体施加到内壁52的压力或者由于管道50的机械伸长或压缩而引起的流体管道50的变形管道。如上文针对温度传感器10所解释的，通过将应变计电阻元件25直接印刷在导电焊盘22和22'之间的管道50的外壁51上，来直接沉积应变计电子材料。导电焊盘22和22'电连接到应变计电阻元件25，并继而电连接到电导体23。
57.导体23连接到ble模块400。ble模块400直接附接到壁51。ble模块可以靠近应变计传感器20附接到壁51，然而，它也可以附接在管道的任何方便的、将温度和振动的影响最小化的区域。可以使用将ble模块400附接到壁51的任何合适的方法，例如与流体管道50的材料组成相容的粘合剂。一组天线410、410'连接到ble模块400并且用于从模块400接收和发射无线信号。天线410和410'可以由导电材料直接印刷在壁51上。天线410、410'也可以由导线形成并且以与ble模块相同的方式使用粘合剂附接至管道50。如图3中可见，为了提供最佳可能的无线接收和传输质量，天线被安装到管道50的壁51，其中天线410与天线410'成90度定向。这提供了天线辐射图案的分集，从而导致ble设备之间的无线通信链路中的信号质量增强。
58.电池450被附接到壁51并且被电连接到ble模块400。电池450可以由锂离子电池构成并且被布置为提供电力以操作ble模块400。电池450可以使用任何合适的用于附接电池的方法(例如粘合剂)而直接附接到管道的壁51。或者，电池也可安装在电池外壳中，且电池外壳使用任何合适的方法附接到管道50。电池450在电池外壳中的安装将使得电池的更换更加方便。
59.ble模块400适于与移动ble设备300建立双向无线通信链路，该移动ble设备300为诸如智能电话或其他配备有ble硬件的移动设备。移动ble设备300使用专门开发的操作软件和ble协议以通过天线410和410'与ble模块建立无线通信链路。在从移动ble设备300向ble模块400发送信息请求时，ble模块400使用ble协议向移动ble设备300发送传感器20感测到的操作信息。移动ble设备300使用操作软件将传感器数据转换为兼容的数据以显示在移动ble设备上。
60.现在转到图4，示出了根据本发明的泄漏检测传感器30。用于泄漏检测器30的电子材料被印刷到流体管道50的外壁51。用于泄漏检测器30的电子材料包括一系列导电迹线或腿35，其被印刷在导电焊盘32和32'之间的外壁51上。导电迹线35可以印刷在管道的单个特定区域上、管道的多个区域上或沿着管道50的整个长度。原则上，泄漏检测器对流体泄漏的测量是基于在导电迹线35处读取的电导率。当某些导电物，例如流体接触它们时，记录为电导率的变化，例如短路。导电迹线电连接到电导体33。
61.导体33以与图3中所解释的相同的方式连接到ble模块400。ble模块400靠近泄漏
检测传感器30直接附接到壁51。ble模块400适于与移动ble设备300建立双向无线通信链路，该移动ble设备300为例如智能电话或其他配备有ble硬件的移动设备。使用特别开发的操作软件和ble协议的移动ble设备可以通过天线410和410'与ble模块建立无线通信链路。在从移动ble设备300向ble模块400发送信息请求时，ble模块400使用ble协议向移动ble设备300发送由传感器30感测到的操作信息。移动ble设备300使用操作软件将传感器数据转换为兼容的数据以显示在移动ble设备上。
62.如前面所解释的，并且可以在图3和图5中最佳地看到的那样，管道可以包括在印刷传感器、导体、ble模块和天线上方沉积在外壁51上的保护层500。保护层500可由例如绝缘或电介质油墨组合物、环氧树脂或其他绝缘树脂、热塑性树脂或热塑性弹性体组成，其可被施加到印刷或附接到管道50的壁51的电气部件(包括ble模块400和天线410、410')之上。
63.可替代地，保护层可沉积在管道50的坐落有电气部件的整个圆周上，例如图1和图6所示的保护层600，从而包围管道50的壁51的整个部段。这种特定的方法可用于例如保护沿着管道50的外壁的整个长度定位的印刷传感器，例如保护成条的温度传感器10或应变计传感器20。保护层500和600覆盖并有效地封装印刷传感器及其导线网络，以保护它们免受由道路碎片、天气、道路障碍或车辆操作的其它机械效应引起的外部影响的损坏。或者，保护层可以仅覆盖传感器的沿着管道50定位的特定区域。如图4所示，该方法将用于保护例如成条的泄漏检测传感器30。保护层例如525和525'将有效地仅封装印刷传感器、ble模块及其导线网络的特定部分，允许泄漏检测器30的导电迹线35暴露以使得能够检测流体泄漏。
64.本技术中的描述不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围中的必要或关键元件。专利主题的范围仅由授权的权利要求限定。在权利要求中使用诸如(但不限于)“机构”、“模块”、“装置”、“单元”、“部件”、“元件”、“构件”、“设备”、“机器”、“容器”或“系统”的术语被理解和意图指代相关领域的技术人员已知的结构，并通过权利要求本身的特征进一步修改或增强。
65.虽然本发明已经描述了某些实施例和一般相关的方法，但是这些实施例和方法的变更和置换对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，示例性实施例的以上描述不限定或约束本发明。在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。