气体流量计的制作方法

专利名称：气体流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定体积的气体流量计领域。这里描述的气体 流量计技术特别适用于住宅应用的气体流量计。
背景技术：
测定体积的住宅用气体流量计的最常见形式是隔膜气体 流量计。这是一种以正位移原理工作的机械装置，其在每个完全的 周期内允许固定体积的气体通过。机械流量计在正常的操作中 会受到磨损的影响，这将导致精度随时间降低以及最后完全失效的可能性。自动计量读数(Automatic Meter Reading, AMR) 装置的日益流行意味着必须经常用 一 些形式的编码器与机械 读出器形成接口，以便可以自动地读出消耗量信息。希望可以提供不包含运动部件的气体流量计，即静态气体 流量计，其中，消耗的气体的体积的测量是直接以电子形式获 得的。从这种实现中还可以获得其他的益处，包括基于使用时 间、高峰需求或者局部气体价格变动来设置更加复杂的价目表 的能力，或者与其他诸如电、油或可再生能源之类的家用能源 共享信息的能力。已经开发出了三个类型的静态体积测量的气 体流量计。第 一类型是可以商业获得的用于利基应用的传播时 间式超声流量计，利基应用可以支撑这种流量计的高昂成本。 第二类型已知技术是热质量流量计，这是该领域中的较新的技 术，采用了旁路方法和微型加工传感器。第三类型是射流振荡 器流量计，这种类型是在20世纪50年代开发的。所有这些剂 量技术都具有比机械式流量计更昂贵的缺点，并要求相当数量的电池能量，这也增大了成本。US3， 688， 106 (Brain )描述了一种用于测量导管中的气体 速度的流量计。这种流量计具有一个离子源和两个离子采集 器，以便导管中的首先被电离，然后通过采集器。将电压脉沖 施加到第一采集器，测量这个脉冲和在第二采集器处所采集到 的离子数量中产生的效果之间的间隔，来给出气体速度。通过 确定在第二个采集器位置处在脉沖之间采集的离子的数量来 测量气体密度，从速度和密度的乘积中得到质量流量。在该系 统中，施加到第一采集器的电压脉沖是100Hz方波，120伏的 电压被施加通过第二采集器。高电压和高调制频率使这种设计 不适合家用气表所需要的低电压供电工作。在US3， 842, 670 和US2， 632， 326中描述了离子化速度气体流量计的其他结构。希望4是供在US3， 688， 106 (Brain)中描述的通用类型的 气体流量计，其可以以几伏的工作电压工作，以-使可以用标准 电池对这种流量计进行经济地供电。然而，对于Brain所描述 的流量计的几何结构，本质上要求釆集器的电极是足够间隔 的，使得采集器对气流表现出很小的阻抗或者不表现出阻抗。 从而，需要一个超过IOO伏的工作电压来提供足够大的电场以 使流量计的电极发挥作用。由于要用只有几伏的工作电压来产 生相同的电场，安装在Brain流量计中的导管直径需要小100 倍，这会显著地阻挡家用气体供应的气流。至少在其优选实施例中，本发明寻求提供一种改进的体积 测量的气体流量计，这种流量计以电学操作原理和离子化气流 检测工作，采用下面的原理气体的速度场与离子化分布相互 作用，并改变检测到的信号。在特定的实施例中，该气体流量 计特别适用于计量来自国家或地区的供气网络的气体用量。发明内容因此，从一个方面考虑，本发明提供了气体流量计，该气 体流量计包括一个用作气流通路的导管以及在使用中用于使导管中的气流电离的电离装置。在电离装置下游的调制电极结 构用于调制在已电离的气流中的离子分布。在调制电极结构下 游的至少一个第一检测电极结构用于检测已电离气流中的已 调制的离子分布。配置调制电极结构和检测电极结构中的至少 一个，以产生具有至少一个平行于气流方向的实质分量的电 场。从而，根据本发明，电极结构产生电场，该电场具有至少 一个平行于气流方向的实质分量。通过使电场平行而不是像现 有技术中的情况那样垂直于气流方向，通过改变电极结构的电 极之间的间距，可以调制电场强度，间距的这种改变不需要影 响通过导管的气流，以这种方式，可以使气体流量计的流体动 态需要独立于电学需要，这使得可以制造可以以足够低的电压 工作的用作家用气体流量计的气体流量计。可以配置调制电极结构来产生具有至少一个平行于气流 方向的实质分量的电场(例如)来选择用作已电离的气流的离 子的特定极性。另外或可替换地，可以配置检测电极结构来产 生具有至少平行于气流方向的实质分量的电场(例如)来选择 性地检测离子的特定极性。在特定实施例中，产生的电场基本上平行于气流的方向。 然而，这不是必要的。例如，高电场可以包括基本上平行于气 流方向的分量以及基本上垂直于气流方向的分量。调制电极结构和/或^r测电极结构可以采用任何合适的形 状和结构。例如，该电极结构可以是拱形的、半圓柱形的、半 球形的等等。然而，在通常的实施例中，调制电极结构包括基 本相对的平板电极对，其被布置得基本垂直于气流的方向。另 外或可替换地，检测电极结构可以包括基本相对的平板电极 对，其被布置得基本垂直于气流的方向。电极"对"不表示这 些电极是相同的，即使它们可以相同。总之，电极在气流方向上被隔开。电极的间隔可以小于 lmm，优选小于0.25iM。通常，在使用中，在电极之间产生电场。在优选实施例中，电极均具有多个限定在其中的孔，用作 气流通过电极的通路。这在本质上被认为是一种新的结构。从而，从另一个方面 考虑，本发明提供了一种气体流量计，其包括在使用中用作气 流通路的导管，以及用于使导管中的气流电离的电离装置。在 电离装置下游的调制电极结构用于调制已电离的气流中的离 子分布。在调制电极结构下游的至少 一 个第 一 检测电极结构用 于检测已电离气流中的已调制的离子分布。调制电极结构和检 测电极结构中的至少 一个包括至少 一个电极，其被布置在横断 气流方向的方向上，并具有多个限定在其中的孔，用作气流通 过该电^l的通路。孔的数量可以超过十个。从而，根据本发明的这个方面，配置该电极，允许气流通 过该电才及。以这种方式，可以定位该电才及，以在没有对通过流 量计的气流产生不利影响的情况下获得想要的电效应或电磁 效应。该电极被布置在横断气流方向的方向上。这意味着电极不 平行于气流方向。乂人而，气流在一定程度上沖击该电才及。通常， 电极被布置得垂直于气流的方向。以这种方式，已电离气流的 电调制或电检测发生在沿导管的最短可能距离中，以便可以使 气体流量计的空间分辨率最大，并因此使气体流量计的检测精 度最大化。而且，垂直的电极不会使气流偏向导管壁。该电极可以包括多个导体，其中，用相邻电才及导体之间的 间隔提供这些孔。不需要在单一的单元中形成这些导体，但可 以用离散的导体提供。然而， 一个电极的这些导体在使用中均 连接至同一电势。从而，该电极可以采用线(例如，并行线) 布置得形式。可替换地，该电极可以采用单片的形式(通常为 金属片)，其具有形成在其中的孔。这些孔可以是用模塑、切、 蚀刻、压戳或其他方式限定在金属中的。这些孔可以是孔、槽、 针孔或其他任何合适的孔。在优化布置中，该电极可以是网孔或网格的形式。通常， 网格是限定在相邻导体之间的规则阵列的孔。该阵列可以在一 个方向上延伸，例如，并行槽的网格，或者可以在两个方向上 延伸，例如，水平和垂直导体的网格。选择网孔的间距使电极的电学有效性最大化。在本发明的实施例中，网孔的间距小于5mm,优选小于3mm。理想上，网 孔的填充系数要尽可能地小，以保证最大的气流。在本发明的 实施例中，网孔的填充系数小于30%，优选小于20%。总之， 选择调制电极结构和检测电极结构的电极的构造，使调制或检 测效率最大化。然而，为了便于生产的原因，例如，可以选择 相同的电才及。在本发明的实施例中，气体流量计包括电才及对，该电才及对 布置在横断气流的方向上，并具有限定在其中的用作气流通过 的通路的多个孔。通常，这些电极是一样的，但是并不必需一 样的。可以在纟黄断气流方向的方向上4吏该电才及对的 一 个电才及中 的孔相对于电极对其他电极上的孔偏移。这种布置特别有利，分量:这在电极是调制:极的情况下特别有利，这是因°为在垂 直于电极平面的方向上的电场的分量有助于将离子导向电极 以实现捕捉，并从而增大电极结构的调制效率。 电极对可以在气流方向上^皮间隔开。可替换地，电极可以 基本上是共平面的。例如， 一个电极的导体可以位于其他电极 的导体之间的间隔(孔)中。换句话说，该电极可以是交叉梳 状的。以这种布置，电极结构产生的电场可以完全垂直于气流 的方向。在优选实施例中，该电极对的各个电极的孔之间的偏移基 本上等于这些电极中的一个电极的相邻孔之间的间隔的一半。 以这种方式，可以使在垂直于电极平面的方向上的电场的任何 分量最大化。调制电才及结构可以包括上游的电极和下游的电极。在使用 中，可以将各个调制电势施加到各个电极，以调制已电离气流中的离子分布。施加到下游电极的调制电势可以与施加到上游 电极上的调制电势的极性相反，并具有选择的幅度，以便在该 调制电极的下游，由于上游电极而产生的电场^皮由于下游的电 极产生的电场抵消。这在本质上被认为是一种新的结构。从而，从另一个方面 来看，本发明提供了一个气体流量计，其包括一个在使用中用 作气流通路的导管，并包括一个电离装置，其在使用中用于使 导管中的气流电离。布置在电离装置的下游调制电极结构，用 来调制在已电离的气流中的离子分布。将至少 一个第 一检测电极结构布置在该调制电极的下游，用以;险测在已电离气流中的 已调制离子分布。该调制电极结构包括一个上游电极和一个下 游电极，在使用中，将各个调制电势施加到每个电极，以调制 在已电离气流中的离子分布。施加到下游电极的调制电势与施 加到上游电极的调制电势的极性相反，并具有选择的幅度，以 便在该调制电极的下游，由上游电极而产生的电场;故由于下游 的电极产生的电场抵消。以这种布置，可以采用该调制电势，以确保于该调制电极 结构相关的电场不会直接影响该检测电极结构的工作。该调制电极结构可以被用于优先捕捉一种极性的离子，以 此来产生包括大部分相反极性的离子的已电离气流。可以对该 调制电极结构施加一个可替换的调制电势，以便该调制电极结 构顺序地捕捉一种极性的离子，并顺序地捕捉相反极性的离 子，以此产生的已电离气流包括序列区域，该区域大部分离子 的极性交替变化。以这种方式，以交变信号对该气流进行编码。 在该检测电极结构处接收到的信号以及该调制电势之间的延 迟比较提供了通过导管的气流速度的指示。该;险测电才及结构可以包括至少一个连^^妄到电荷源的电才及， 以此，大部分离子具有一种极性的已电离气流相对于电极的运动导致电荷在电极中的重新分布，这会产生电极和电荷源之间 的离子分布的电流指示。这在本质上祐/认为是一种新的结构。从而，从另一个方面来看，本发明提供了一种气体流量计，其包括一个在使用中用 作气流通路的导管，以及一个电离装置，该电离装置用于使导 管中的气流电离。在电离装置的下游的调制电极结构被布置来 调制在已电离的气流中的离子分布。在该调制电极结构的下游 的至少 一个第 一检测电极结构被布置来检测在已电离气流中 的已调制离子分布。调制电极结构用于捕捉一种极性的离子， 以此来产生包括大部分离子为相反极性的已电离的气流。该枱， 测电极结构包括至少一个连接至电荷源的电极，以此，在使用 中，大部分离子具有一种极性的的已电离气流相对于电极的运 动导致电荷在电极中的重新分布，这会产生在电极和电荷源之 间的离子分布的电流指示。通常，电荷源是接地电位。根据本发明的这个方面，通过由于在电极结构中的电荷的 重新分布所产生的电流的优点，该检测电极结构检测通过的可 以是极性交变的已电离气流。这具有显著的优势，即在检测电 极结构的电极之间不需要电场。另外，在不捕捉离子的情况下实现;险测，以^使沿导管可以布置 一 系列这种冲全测电才及结构。在这种布置下，4企测电极结构可以只包括一个单一的电 极，其响应于通过的已离子化的气流。然而，在特定的实施例 中，该检测电极结构包括一个上游的电极和一个下游的电极， 每个电极均连接至电荷源。该上游电极保护下游电极不受到来 的已离子化的气流的影响，并提供了来自下游电极的限定更好 的检测信号。气体流量计可以包括位于第 一检测电极结构下游的第二 检测电极结构，每个检测电极结构均被布置来检测在已电离气 流中的已调制的离子分布。这在本质上4皮认为是一种新的结构。从而，从另一个方面 来看，本发明提供了一种气体流量计，其包括在使用中用作气流通路的导管，并包括一个电离装置，该电离装置在使用中用 于使导管中的气流电离。在该电离装置的下游的调制电极结构 被布置来调制在已电离气流中的离子分布。在该调制电极结构 的下游的第 一检测电极结构被布置来检测在已电离气流中的 已调制的离子分布。在该调制电极结构下游的第二检测电极结 构被布置来检测在该已电离气流中的已调制的离子分布。第二检测电极结构的提供可以被用来增大气体流量计的 动态范围。从而，第一检测电极结构可以被布置来检测相对低 的流速的离子分布，以及第二纟企测电极结构可以;故布置来4企测 较高流速的离子分布，此时离子云在相同的时间周期内移动得 更远。在特定的实施例中，从第一调制电极结构到第一检测电 极结构的距离可以小于10,。在特定的实施例中，从第一调制电极结构到第二检测电极结构的距离可以大于50mm。通常， 从第 一调制电极结构到第二检测电极结构的距离小于10Omm。 第 一检测电极结构可以被布置来优先地捕捉一种极性的 离子，第二检测电极结构可以被布置来优先地捕捉相反极性的离子。在这种布置中，第一检测电极结构选择性地捕捉离子的 一种极性，而第二检测电极结构选择性地捕捉另一种极性。以 这种方式，每个^r测电极结构接收它自己的独立的用于4全测的 离子流，在第二检测电极结构处的信号没有被第 一检测电极结 构的操作削减。以这种方式，两个才企测电才及结构可以工作在同 一离子流上。第一检测电极结构可以包括一个间隔电极对。在使用中可 以在电极之间施加 一 个电场来捕捉已电离的气流的离子，并产 生离子分布的电流指示。另外或可替换地，第二检测电极结构 可以包括一个间隔的电极对，在〗吏用中可以在电才及之间施加一 个电场来捕捉已电离气流的离子并产生离子分布的电流指示。如果需要的话，气体流量计可以包括多于两个的^r测电极 结构。在本发明的通常实施例中，施加到调制电极结构的调制电压是小于10Hz的频率。类似地，施加到该调制电极结构上的 调制电压通常小于交流IOV。而且，施加到检测电极结构的电 压(如果有的话)通常小于直流IOV。以这些工作参数，气体 流量计适于电池供电工作。根据本发明的气体流量计适于用作家用气体流量计。这意 味着一种可以在使用者房产处被连接至国家、区域或者国际供气网络，并且足够精确地将使用者气体用量的信息提供至网络 操作员以作帐单之用的气体流量计。然而，根据本发明的该气 体流量计可以用于其它测量气体体积、流速和/或速度的环境 中。在本发明的实施例中，该电离装置是一种放射性源。然而， 可以采用其它的电离装置，例如，由放电操作的电离装置。导管通常是管，其可以具有圆形的截面。在本发明的实施 例中，管的宽度(直径)小于30mm。虽然本发明被限定在术语气体流量计中，本发明还可以扩 展至气体计量的方法和如这里所述的用于气体计量的装置。


只通过示例，并参照附图，对本发明的实施例进行描述， 其中，图1是根据本发明第一个实施例的气体流量计的示意图； 图2示出了用于根据本发明的气体流量计的网孔电极； 图3是根据本发明第二个实施例的气体流量计的示意图； 图4是施加到图3的气体流量计的调制电极结构的调制电 压的示意表示；部件。
具体实施方式
图1示意地示出了根据本发明第一个实施例的气体流量 计。该气体流量计包括用作气流通路的导管1，气流用箭头A表示。在该实施例中，该导管是内径为23mm的圆柱形管。电 离装置2被布置在电离导管中的气流的导管侧。在该实施例 中，电离装置2是限制在银箔或金箔(家用烟雾监测器类型中 所采用的)中的lpCi Americium 241放射性源。源2通常具 有每秒钟37000个oc粒子的放射速度，在空气中具有3cm的范 围。电离效率是每个a粒子产生200, 000个离子对，其中50% 在100ms内重新结合。放射源2使直接在它附近的气体电离， 来形成电离云3，其被气流携带通过管l。调制电极结构4被提供在放射源2的下游的管1中。该调 制电极结构4调制已电离气流中的离子分布，以便在该调制电 极结构4的下游该电离云是可识别的。在该实施例中，该调制 电极结构4包括一个上游电极5和一个下游电极6。如图2所 示，每个电极5、 6是以网孑L (或栅格)的形式出现的，该网 孔是用合适方法从金属薄片上切出来的。电极5、 6的直径对 应于管1的内直径，这些电极被布置得垂直于管1的轴，并从 而垂直于气流的方向。电才及5、 6具有0. 2mm的厚度和lmm或 更小的间距。这些电极的填充系数(网孔材料的面积百分比) 是20%或更小。在该实施例中，上游调制电极5和下游调制电极6之间的 间距是O. 125mm。如图1所示，可变调制电压^皮施加在调制电 极5、 6之间。该调制电压是具有最大IOV的幅度和l-4Hz频 率的方波。该施加的调制电压产生调制电极5、 6之间的电场。 如图1所示，上游调制电极5和下游调制电极6的网孔被相对 偏移了等于网孔间距一半的距离，以便以其它电极的间距来排 列在一个电极的间隔之间的导体7，反之亦然。以这种方式， 在调制电极5、 6之间的电场在垂直于气流方向(管l的轴) 上具有最大的分量。理想上，每个电极5、 6的导体7在垂直 于气流方向的相同平面上的其他电极的导体之间被交叉，以便 两个电极5、 6之间的电场完全垂直于气流方向。然而，这样 的布置导致非常复杂的调制电极结构4，并从而难以制造，制造成本高昂。通过在气流方向上间隔电才及5、 6并偏移网孔， 在便于制造性以及操作效率之间取了折中。当施加在调制电极5、 6之间的调制电压非零时，产生的 电场在离子云3中的正离子和负离子被捕捉到的情况下，将它 们导向各个调制电极5、 6。电场在垂直于气流方向上的高分 量使离子向各个调制电极5、 6的偏离最大。周期性调制电压 的这种效果是在调制电极结构4的下游的气流中产生高和低 离子浓度连续区域。如下所述，可以检测这些区域来确定这些 区域的行程时间并因此确定气体的流速。图1的气体流量计包括在管1中在调制电极结构4下游的 第一#全测电极结构8和第二纟全测电才几结构9，来4全测在已电离 气流中的已调制离子分布。第二电极结构9位于第 一检测电极 8的下游。在该实施例中，第一和第二才全测电极8、 9每一个 均包括一个上游电极10和一个下游电极11。每个电极10、 11 均具有通常的网孔(或网格)的形式，其是用合适的方法从金 属薄片中切出来的，如图2所示。电极IO、 ll的直径对应于 管1的内径，电极10、 11被布置在垂直于管1的轴的方向上， 并因此垂直于气流的方向。电极IO、 11具有0. 2mm的厚度和 2mm的间距。电极的填充系数(网孔材料的面积百分比)是10% 或者更小。在该实施例中，上游4全测电极10和下游4全测电极11之间 的间隔是O. 25mm。如图1所示，上游检测电极10和下游检测 电极ll的网孔被对准。以这种方式，检测电极IO、 ll之间的 电场在平行于气流的方向(管1的轴)上具有最大的分量。以 这种方式，在不影响流体流过导管1的情况下，通过改变电极 10、 ll之间的间距，可以改变冲企测电极10、 ll之间的电场强 度。如图l所示，在检测电极IO、 ll之间施加检测电压。在 该实施例中，4企测电压是+3V D.C.的恒压，其产生检测电相_ 10、 ll之间的电场。对于第一4企测电才及结构8而言，上游枱r测电极10连接至地电势，下游4企测电极11连接至+3V D. C.。 对于第二检测电极结构9而言，下游检测电极11连接至地电 势，而上游检测电极10连接至+3V D.C.。从而，第二检测电 极结构9的检测电极10、 11之间的电场方向与第一检测电极 结构8的电测电才及之间的电场方向相反。可以看到，第一检测电极结构8的下游电极11和第二检 测电极结构9的上游电极IO位于同一电势。结果，在这两个 电极之间没有电场，从而，在这些电极之间的离子传输只是由 于气流而不是由于电学效应，这有助于气流的精确测量。调整 电极结构4的下游电极6和第一检测电极结构9的上游电极 IO还可以处于同一 (地)电势，以1更在这两个电才及之间没有 电场。第 一检测电极结构8优先捕捉正离子，正离子被正的下游 电极11和接地的上游电才及10之间的电场减速。相同的电场可 以使通过第一检测电极结构8的负离子加速。到达接地的上游 电极10的减速的正离子被作为电流从地连接引出的电子中 和。可以用安培表12或其他电流测量装置来测量该电流。第二电极结构9捕捉负离子，其被正的上游电极10和接 地的下游电极11之间的电场减速。被减速的负离子被正的上 游电极10捕捉，产生可以被安培表12或其他电流测量装置测 量的电流。以这种方式，该气体流量表实际上具有两个独立的 测量通道在第一检测电极结构8处的正离子和在第二检测电 极结构9处的负离子。调制电极结构4的下游电极6和第一检测电极结构8的上 游电极IO之间的距离是8mm。调制电极结构4的下游电才及6 和第二检测电极结构9的上游电极IO之间的距离是70mm。提 供两个间隔的检测电极结构8、 9,增大了该气体流量计的动 态范围。对于家用应用而言，需要限定级别精度的气体流量计 的通常的测量范围在每小时40升和每小时6000升之间，这表 示150: l的动态范围。根据本发明的实施例，第一检测电极结构8用于确定低流速，其中，在太多的离子由于再次结合而 从已调制的离子云中消失之前必须检测该已调制的离子云，而 第二检测电极结构9用于确定高流速，其中，必须在已调制的 离子云通过整个流量计之前检测该已调制的离子云。从两个检 测电极结构8、 9中检测到的信号可以用来使在整个测量范围 内的流量计的精度最大。图3示意性地示出了根据本发明第二个实施例的气体流 量计。该流量计包括用作气流通路的的导管1，气流由箭头A 指示。在该实施例中，导管是具有23mm内径的圆柱形导管。 在管1的侧面布置一个电离装置2，来使导管中的气流电离。 在该实施例中，电离装置2是限制在银箔或金箔(家用烟雾监 测器类型中所采用的)中的lpCi Americium 241;故射性源。 源2通常具有每秒钟37000个ct粒子的》丈射速度，在空气中具 有3cm的范围。电离效率是每个a离子产生200， OOO个离子对， 其中50%在100ms内重新结合。放射源2使直接在它附近的气 体电离，来形成电离云3，其被气流携带通过管1。在管1中提供位于放射源2下游的调制电极结构4。该调 制电极结构4调制在已电离气流中的离子分布，以便电离云在 调制电极结构4的下游是可识别的。在该实施例中，该调制电 极结构4包括上游电极5和下游电极6。如图2所示，每个电 极5、 6均是以网孔(或网格)的形式出现的，网孑L (或网格) 是用合适的方法从金属薄片中切出来的。电极5、 6的直径对 应于管1的内径，这些电极被布置得垂直于管1的轴，并因此 垂直于气流的方向。电极5、 6具有0. 2mm的厚度和lmm或更 小的间距p。这些电极的填充系数(网孔材料的面积百分比) 是20%或更小。在该实施例中，上游调制电极5和下游调制电极6之间的 间隔是O. 125mm。如图3所示，上游调制电极5的网孔对准下 游调制电极6的网孔。以这种方式，调制电才及5、 6之间的电 场在平行于气流(管1的轴)的方向上具有最大的分量。以这管1的流体流的情况下，通过改变电极5、 6之间的间隔，可以改变在调制电才及5、 6之间的电场强 度。如图3所示，在调制电极5、 6之间施加交变调制电压。 该调制电压是具有最大IOV的幅度和l-4Hz频率的方波。施加 的调制电压在调制电极5、 6之间产生电场。当上游调制电极 5相对于下游的调制电极6是正的时，上游调制电极5从离子 云3捕捉负离子，并使正离子加速通过该调制电极结构4。以 这种方式，在该调制电极结构4下游的离子云主要包括正离 子。当上游调制电极5相对于下游的调制电极6是负的时，上 游调制电极5从离子云3捕捉正离子，并使正离子加速通过该 调制电极结构4。以这种方式，在该调制电极结构4下游的离 子云主要包括负离子。交变调制电压的作用是在该调制电极结 构4的下游的气流中产生正离子密度和负离子密度的连续区 域。如下所述，可以检测这些区域来确定这些区域的行程时间 并因此确定气体的流速。图3的气体流量计包括在管1中位于该调制电极结构4 下游的第一检测电极结构8和第二电极结构9，来检测在已电 离的气流中的已调制的离子分布。第二电极结构9位于第 一检 测电极结构8的下游。在该实施例中，每一个第一和第二才企测 电极8、 9均包括一个上游电极IO和一个下游电极11。每一 个电极IO、 11具有通常的网孔(或网格)形式，这些网孔(或 网格)是用适当的方法从金属薄片上切出的，如图2所示。电 极10、 11的直径对应于管1的内径，电极IO、 ll被布置得垂 直于管l的轴，并因此垂直于气流的方向。电极IO、 11具有 0. 2mm的厚度和2mm的间距。电极的填充系凄t (网孔材料的面 积百分比)是10%或更小。在该实施例中，上游4企测电极10和下游^全测电才及11之间 的间隔是O. 125mm。如图3所示，上游4企测电才及10网孔对准 于下游才企测电极11的网孔。以这种方式，在不影响流体通过导管1的情况下，改变电^ l10、 ll的间隔，可以改变4企测电 极10、 11的相对电特性。如图3所示，每一个4全测电极10、 ll均连接至地电势。 随着正和负离子密度的连续区域接近和通过检测电极结构8、 9，在上游4企测电极10中的电荷重新分布，以保持电极10中 的零电势。电荷的这种重新分布导致电流从电极10和地电势 之间流过。类似地，在下游才企测电极11中的电荷重新分布， 以保持电极ll中的零电势。电荷的这种重新分布导致电流从 电极11和地电势之间流过。这个电流可以净皮安培表12或其他 电流测量装置测量，并可以采用交变信号的形式，通过与调制 电压进行比较，可以从该交变信号中确定该离子云的行程时 间。选择下游检测电极ll,用于重新分布电流的测量，这是 因为上游检测电极10电磁性地保护下游检测电极11不受接近 的离子分布的影响，从而，在下游检测电极11处的正负离子 分布之间的转换比上游检测电极10处的更显著。调制电极结构4的下游电极6和第 一检测电极结构8的上 游电极10之间的距离是8mm。调制电极结构4的下游电极6 和第二检测电极结构9的上游电极IO之间的距离是70mm。提 供两个间隔的检测电极结构8、 9增大了该气体流量计的动态 范围。对于家用应用而言，气流的需要限定级别精度的通常测 量范围是在每小时40升到每小时6000升之间，这表示动态范 围是150: 1。根据本发明的这个实施例，第一检测电极结构8 用来确定低流速，其中，在太多的离子由于再次结合而从已调 制的离子云中消失之前必须检测该已调制的离子云，而第二检 测电极结构9用于确定高流速，其中，必须在已调制的离子云 通过整个流量计之前检测该已调制的离子云。从两个4全测电极 结构8、 9中检测到的信号可以用来使在整个测量范围内的流 量计的精度最大。在上述实施例的改进中，上游调制电势U和下游调制电势 D可以被施加到调制电极结构的对应的上游和下游调制电极5、 6上，来提供电极5、 6之间的调制电压。如图4所示，下 游调制电势D可以被选择为与上游调制电势U反相，并具有选 择的幅度，来补偿与上游调制电极5相关的电场的远电场效 应。换句话说，在调制电极结构4下游的上游和下游调制电^L 5、 6的结合的电》兹效应纟皮下游调制电势D纟氏消掉。以这种方 式，由于与产生的离子分布相反，调制电极结构4本身并不影 响由第一和第二检测电极结构8、 9产生的信号。对于该气体流量计，通过在该电离装置的相对侧向提供上 述调制电极结构和检测电极结构之外的调制和检测电极结构， 可以测量在导管中的相反流向的气流。该之外的调制和检测电 极结构可以被布置为上述调制电极结构和;险测电极结构的镇 像。然而，在家用流量计应用中，只需要检测而不是测量相反 的流。因此，只需要提供可以检测出现在电离装置上游的电离 气体的出现(由于反向流)的电极结构。例如，可以布置该电 极结构来测量气流的阻抗。总之，气体流量计包括用作气流A的通路的导管1和用来使导管1中的气流电离的电离装置2。在该电离装置下游的调 制电极结构4调制在已电离的气流中的离子分布。位于该调制 电极结构4下游的第一检测电极结构8和第二电极结构9检测 在已电离气流中的已调制离子分布。可以配置该调制电极结构 4和该^r测电^l结构8、 9来产生具有至少平4于于气流方向的 实质分量的电场。该调制电极结构4和该检测电极结构8、 9 可以包括电极对5、 6、 10、 11，每一个电极对均包括多个限 制在其中的孔，用作气流的通路。该调制电极结构4可以被用 来捕捉一个极性的离子，来产生包括多个相反极性离子的已电 离气流，在这种情况下，检测电极结构可以包括至少一个电极 11，其连接至电荷源。已电离气流相对于电极的运动导致电荷 在电极中的重新分布，这将产生电极11和电荷源之间的离子 分布的电流指示。各个布置提供了 一种气体流量计，这种气体流量计可以以小于IOV的调制电压工作，并因此适于作为家用气体流量计。在满足用于自容式体积测量的气体流量计的成本、功耗或性能 需要方面，这相对于现有的不能被直接利用的计量方法具有显著的优点。这种情况的通常原因是(a)它们需要高电压来偏置电极，这会消耗能量，并有 潜在的安全威胁；(b )它们不具有足够的动态范围或线性度来满足国家标 准体系设置的计量要求；(c )采用的放射性源的活性比通常在家用应用中的可接 受活性大；(d )他们没有被优化以用于体积测量气体流量计所需的通常的测量带宽和信噪比。本发明的特定实施例克服了或者至少减轻了这些问题。 虽然关于特定清楚的实施例已经描述了本发明，但这不是要限制本公开的范围。因此，本领域技术人员将认识到， 一个实施例的特性可以结合另一个实施例的特性使用，即使没有被清楚地提及。
权利要求
1.一种气体流量计，其包括在使用中用作气流通路的导管；电离装置，在使用中用来对导管中的气流进行电离；调制电极结构，位于电离装置下游，被布置来调制在已电离气流中的离子分布；以及至少一个位于所述调制电极结构下游的第一检测电极结构，其被布置来检测在已电离气流中的已调制的离子分布，其中，配置所述调制电极结构和所述检测电极结构中的至少一个，来产生具有至少平行于气流方向的实质分量的电场。
2. 根据权利要求1所属的气体流量计，其中，配置所述调制电极 结构来产生具有至少平行于气流方向的实质分量的电场。
3. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，配置所 述检测电极结构来产生具有至少平行于气流方向的实质分量的电场。
4. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述产 生的电场基本平行于气流的方向。
5. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述调 制电极结构包括基本相对的平面电极对，其被布置得基本垂直于气流的 方向。
6. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述检 测电极结构包括基本相对的平面电极对，其被布置得基本垂直于气流的 方向。
7. 根据权利要求5或者6所述的气体流量计，其中，在所述的气 流方向上间隔所述的电极。
8. 根据权利要求5、 6或者7所述的气体流量计，其中，在使用中， 所述的电场是产生在电极之间的。
9. 根据权利要求5-8所述的气体流量计，其中，所述电极每一个 均具有多个限定在其中的孔，用作气流通过的通路。
10. —种气体流量计，其包括导管，其在使用中用作气流的通路；电离装置，其被用来对导管中的气流进行电离；调制电极结构，位于电 离装置的下游，被布置得用来调制在所述已电离气流中的离子分布；以 及至少一个第一检测电极，位于所述调制电极结构的下游，被布置得用 来检测在所述已电离气流中的已调制的离子分布，其中，所述调制电极 结构和所述检测电极结构中的至少一个包括横断气流方向布置的至少 一个电极，并具有多个限定在其中的孔，以用作气流通过的通路。
11. 根据权利要求9或者IO所述的气体流量计，其中，所述电极 是以网孔的形式出现的。
12. 根据权利要求9-11中任一项所述的气体流量计，其包括横断 气流方向布置的电极对，并具有多个限定在其中的孔，用作气流通过的 通路，其中，所述电极对中的一个电极中的孔在横断气流方向的方向上 相对于在所述电极对的另一个电极的孔被偏移了。
13. 根据权利要求12所述的气体流量计，其中，在所述电极对的 各个电极的孔之间的偏移基本等于所述电极的一个的相邻孔之间的间 隔的一半。
14. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述调 制电极结构包括上游电极和下游电极，以及在使用中，把各个调制电势 施加到每个电极，以调制在已电离气流中的离子分布，其中，所述的施 加到下游电极的调制电势与所述的施加到上游电极的调制电势的极性 相反，并具有所选择的幅度，以便在该调制电极结构的下游，由于上游 电极而产生的电场#:由于下游的电^ L产生的电场4氐消。
15. —种气体流量计，其包括导管，其在使用中用作气流的通路; 电离装置，其被用来对导管中的气流进行电离；调制电极结构，位于电 离装置的下游，被布置得用来调制在所述已电离气流中的离子分布；以 及至少一个第一检测电极结构，位于所述调制电极结构的下游，被布置 得用来检测在所述已电离气流中的已调制的离子分布，其中，所述调制 电极结构包括上游电极和下游电极，在使用中向每个电极施加各个调制电势，以调制在已电离气流中的离子分布，其中，所述的施加到下游电 极的调制电势与所述的施加到上游电极的调制电势的极性相反，并具有 所选择的幅度，以便在该调制电极的下游，由于上游电极而产生的电场 被由于下游的电极产生的电场抵消。
16. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述调 制电极结构被用来捕捉一种极性的离子，以此来产生已电离的气流，其 包括的大部分离子的极性为相反极性。
17. 根据权利要求16所述的气体流量计，其中，所述检测电极结 构包括至少一个连接至电荷源的电极，因此，大部分离子为一种极性的 的已电离气流相对于电极的移动致使电荷在电极中重新分布，这会在所 述电极和所述电荷源之间产生离子分布的电流指示。
18. —种气体流量计，其包括导管，其在使用中用作气流的通路； 电离装置，其被用来在使用中对导管中的气流进行电离；调制电极结构， 位于电离装置的下游，被布置得用来调制在所述已电离气流中的离子分 布；以及至少一个第一检测电极，位于所述调制电极结构的下游，被布 置得用来检测在所述已电离气流中的已调制的离子分布，其中，所述调 制电极结构用来优先捕捉一种极性的离子，以此来产生包括大部分离子 为相反极性的的已电离气流，以及，所述检测电极结构包括至少一个连 接至电荷源的电极，以此，在使用中，大部分离子具有一种极性的已电 离气流相对于所述电极的移动致使电荷在所述电极中重新分布，这产生 了在所述电极和所述电荷源之间的离子分布的电流指示。
19. 根据权利要求17或18所述的气体流量计，其中，所述电荷源 是地电势。
20. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其还包括第二 检测电极结构，其位于第一4企测电极结构下游，每个4企测电极结构被布 置得用来检测在已电离气流中的已调制的离子分布。
21. —种气体流量计，其包括在使用中用作气流通路的导管；电离装置，其被布置得在使用中来对导管中的气流进行电离；调制电极结 构，其位于所述电离装置的下游，被布置得用来调制在已电离气流中的离子分布；第一检测电极结构，其位于所述调制电极结构的下游，被布 置得用来检测在已电离气流中的已调制离子分布；以及第二检测电极结 构，其位于所述调制电^ i结构的下游，净皮布置得用来4全测在已电离气流 中的已调制的离子分布。
22. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，第一检 测电极结构用来优先地捕捉一种极性的离子，第二检测电极结构用来优 先地捕捉相反极性的离子。
23. 根据权利要求22所述的气体流量计，其中，所述第一检测电极结构包括间隔电极对，在使用中，在所述电极之间施加电场，来从已电 离的气流中捕捉离子，并产生所述离子分布的电流指示。
24. 根据权利要求22或23所述的气体流量计，其中，第二检测电 极结构包括间隔的电极对，在使用中，在所述电极之间施加电场，来从 已电离的气流中捕捉离子并产生所述离子分布的电流指示。
25. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，施加到 所述调制电极结构的调制电压是处于小于10Hz的频率的。
26. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，施加到 所述调制电极结构的调制电压小于10V A. C.。
27. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述电 离装置包括一个放射性源。
28. 根据之前任何一项权利要求所述的气体流量计，其中，所述流 量计是电池供电的。
全文摘要
一种气体流量计，其包括用作气流通路的导管(1)以及用于使导管(1)中的气流电离的电离装置(2)。位于电离装置下游的调制电极结构(4)调制已电离的气流中的离子分布。位于调制电极结构(4)下游的第一检测电极结构(8)和第二电极结构(9)检测已电离的气流中的已调制的离子分布。可以配置该调制电极结构(4)和检测电极结构(8，9)，以产生具有至少平行于气流方向的实质性的分量的电场。该调制电极结构(4)和检测电极结构(8，9)可以包括电极对(5，6，10，11)，每一个均具有限定在其中的多个孔，用作气流的通路。调制电极结构(4)可以用于捕捉一种极性的离子，以产生电离的气流，该气流包括大部分相反极性的离子，在这种情况下，该检测电极结构可以包括至少一个连接到电荷源的电极(11)。电离的气流相对于电极的运动导致电荷在电极中的重新分布，这会产生表示电极(11)和电荷源之间的离子分布的电流。多种装置提供了可以以小于10伏的调制电压工作的气体流量计，从而，这些装置适于作为家用气体流量计。
文档编号G01F1/704GK101331386SQ200680046805
公开日2008年12月24日 申请日期2006年10月5日 优先权日2005年12月13日
发明者基蒙·鲁索普洛斯, 汉斯·乔基姆·斯坦纳, 爱德华·格雷利耶·科尔比, 西蒙·亚当·莎士比亚, 马修·伊曼纽尔·米尔顿·斯托基 申请人:森泰克有限公司