能量自主气流计的制作方法

1.本公开总体上涉及气流计，更具体地说，涉及从气流中收集能量以为气流计供电。


背景技术：

2.工业过程或设施可以采用导管，例如管道(也称为管子)或其他流体承载结构来输送流体以进行处理。流体例如可以是气体和/或液体，并且可以是可压缩的或不可压缩的。工业处理系统可以采用监测设备，例如流量计，来监测整个工业过程中流体的特性。流量计可以使用电力线供电；然而，出于安全目的，例如在危险的处理环境中，通过这种电力线的电量可能受到限制。流量计也可以使用电池供电，电池需要定期检查并在耗尽或枯竭时更换。


技术实现要素：

3.根据实施例，提供了一种用于监测导管中的气流的流量计系统和方法。流量计系统包括多个组件，其包括:用于感测气流的流速的传感器；通信设备，用于将对应于所感测的流速的信息传输到远程设备；能量收集设备，用于从气流产生电能以为通信设备或流量计系统的其他组件的操作供电；以及能量存储设备，用于存储由能量收集设备生成的电能。
4.根据实施例，传感器可以被配置成使用能量收集设备或其组件来感测流速。能量收集设备可以包括涡轮机，气流通过该涡轮机。该涡轮机可以包括带有磁体的转子和带有电(或导电)线圈的定子。转子被配置成由于气流而旋转，从而在电线圈上生成电流，用于为能量存储设备充电或为流量计的一个或多个组件供电。传感器被配置成感测电线圈上的电流，所述电流具有对应于气流的流速的频率。流量计系统还可以包括ac至dc转换器，用于将电线圈上的交流电(ac)转换成直流电(dc)，以为能量存储设备充电或为流量计系统的一个或多个组件供电。
5.根据实施例，能量收集设备可以包括压差导管和热电发电机，压差导管具有孔板，气流通过该孔板，热电发电机将从通过压差导管的气流生成的热量转换成电能，用于为能量存储设备充电或为流量计系统的一个或多个组件供电。传感器可以包括压差传感器，用于使用测压口感测孔板上游和下游的气流压差。
6.根据另一个实施例，能量收集设备可以包括用于从气流生成电能的涡轮机。导管包括孔板。传感器包括压差传感器，用于使用测压口感测孔板上游和下游的气流的压差。涡轮机被配置成通过至少一个测压口接收来自导管的气流的一部分。流量计还可以包括阀开关，用于选择性地将气流的一部分引导至压差传感器或涡轮机。
7.根据另一个实施例，对应于流速的信息可以作为脉冲信号经由通信设备被实时传输。此外，响应于流体的流速下降到能量收集设备生成的电能足以为流量计的一个或多个组件供电的水平以下，流量计的一个或多个组件可以使用能量存储设备存储的电能来供电。
8.附加的目的和优点部分将在下面的描述中阐述，并且部分将从描述中显而易见，
或者可以通过本公开和/或权利要求的实践来了解。这些目的和优点中的至少一些可以通过所附权利要求中特别指出的元素和组合来实现和获得。
9.应该理解的是，前面的总体描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，而不是对如所公开或要求保护的本发明的限制。权利要求应该被赋予其全部范围，包括等同物。
附图说明
10.结合附图解释各种示例实施例的描述。
11.图1示出了根据第一实施例的监测系统的示例，该监测系统包括气流计，该气流计具有能量收集设备以从待监测的气流生成能量。
12.图2是根据第二实施例的示例性气流计的概述，该气流计包括从待监测的气流生成能量的能量收集设备。
13.图3是根据第三实施例的示例性气流计的概述，该气流计包括能量收集设备以从待监测的气流生成能量。
14.图4是根据第四实施例的示例性气流计的概述，该气流计包括从待监测的气流生成能量的能量收集设备。
15.图5示出了根据实施例的流量计及其组件的示例操作方法。
16.图6示出了根据实施例的计算机系统的示例组件。
具体实施方式
17.提供了监测系统和方法，以使用气流计或其他流量传感器来在诸如工业或自动化过程的过程中监测流经导管的流体，诸如气体。该系统和方法可以采用能量收集技术来收集能量，该能量直接或间接地从待监测的气流产生。所收集的能量可用于为监测系统的组件供电，或者存储在能量存储设备中，以供将来在一定条件下为监测系统的组件供电。例如，所收集的能量可用于为能量存储设备(例如电池或电容器)充电，以便在无流量或流量减少时为仪表供电。在流量计中结合能量收集设备可以通过增加通信设备的潜在可用功率来增加传输速率，并防止或减少对电池更换的需要，从而减少劳动力并改善流量计的功能。
18.在各种实施例中，能量收集技术可包括使用涡轮机、热电发电机或能够将来自被监测气流的能量转换成电或其他能量形式的其他设备，其可用于为监测系统的组件供电。对应于流速的信息也可以作为脉冲信号通过通信设备被实时传输。此外，响应于流体的流速下降到能量收集设备生成的电能足以为流量计的一个或多个组件供电的水平以下，流量计的一个或多个组件可以使用来自能量存储设备的存储电能来供电。
19.下面将参考附图更详细地描述本公开的这些和其他示例特征。
20.图1是监测系统10的示例的概述，其可以包括用于监测和/或控制过程(诸如工业过程)及其设备的计算机系统190，以及用于感测过程的环境和操作特性的一个或多个传感器。计算机系统190可以是plc控制器或其他计算机系统，其被配置为与该一个或多个传感器通信。计算机系统190可以根据从该一个或多个传感器接收的信息控制工业过程及其设备的操作。计算机系统190可以位于工业设施中的控制室或其他控制设施中。
21.根据本公开的第一实施例，该一个或多个传感器可以包括流量计，例如气流计
100。在该示例中，气流计100是涡轮机流量计，用于监测通过导管20(例如管道或其他流体承载通道)的气流的流量特性。流量计100可以包括涡轮机110、传感器120、处理器130、存储器132和通信设备150。
22.涡轮机110可以包括带有磁体的转子和带有电(或导电)线圈的定子。在操作中，转子被配置成由于气体流(或气流)通过导管20并穿过转子而旋转。转子(带有永磁体)的旋转产生磁通量，磁通量又在定子的线圈上生成电能/信号，例如电脉冲形式的电流。电脉冲的速率对应于或正比于转子的旋转频率，而转子的旋转频率又对应于或正比于气流的特性，例如气体的流速。诸如电流传感器的传感器120感测电线圈上的电流，并且可以执行一些信号调节。感测到的电流被提供给处理器130，处理器130可以根据感测到的电流的电脉冲保持旋转次数的计数，并且通过将计数除以持续时间(例如，时间段)来确定流速(或流体速度)。处理器130可以输出对应于流过导管20的气体的流速或其他流量特性的脉冲信号或数据。其他流量特性可以从监测的流速中导出。
23.存储器132可以存储数据，该数据可以包括计算机程序或可执行代码、传感器操作参数或处理器130使用的其他数据。耦合到存储器132的处理器130可以控制如本文所述的流量计100的组件和功能。通信设备150可以执行与诸如计算机190的其他远程设备的有线或无线通信(例如，无线电通信)，以经由传输介质或网络发送和/或接收数据。传输的数据可以包括所监测的流量特性，例如气体的流速。
24.流量计100还包括用于向流量计100的组件供电的电力系统170。电力系统170可以从诸如电池或电容器的能量存储设备172、从其他电源174(例如，来自控制中心或外部源的电力线)和/或从涡轮机110接收和分配电力。在该示例中，涡轮机110也可以用作能量收集设备。如上所述，涡轮机110可以包括具有永磁体的转子和具有电线圈的定子，并且可以通过线圈生成电能/信号，例如电流，这是由于气流导致转子旋转而生成的磁通量的结果。从涡轮机110生成的电能可以使用ac/dc转换器160从交流电(ac)转换成直流电(dc)，并且可以用于为流量计100的一个或多个组件(例如通信设备150)供电，或者为能量存储设备172充电。
25.在各种实施例中，处理器130可以经由开关176选择性地控制从不同源中的任何一个或其组合到流量计100的组件的电力供应。处理器还可以被配置成控制由涡轮机110生成的电能在能量存储设备172中的存储，并且使用来自涡轮机100或能量存储设备172的能量来补充从其他电源174到电力系统170的电力供应。
26.图2是根据第二实施例的示例性气流计200的概述，该气流计200包括能量收集设备以从待监测的气流生成能量。在本示例中，流量计是压差(dp或d/p)流量计。
27.如图2所示，流量计200包括导管20中的孔板224(例如，具有中心孔或开口的板)。孔板224限定了孔板224下游的较高(或高)压力区域和孔板上游的较低(或低)压力区域。还可以提供保持系统，以将导管中的孔板224保持在期望的位置。流量计200还包括入口和出口测压口(pressure tap，pt)222，其允许气流的一部分从较高压力区域转向到压差(d/p)传感器220(也称为d/p单元)，并且转向的气流返回到导管20中的较低压力区域。
28.压差传感器120可以测量孔板224的节流口(restriction)两侧的压差。例如，通过孔板224的孔的流体速度之间的关系与通过它的压力损失的平方根成比例。处理器130可以接收压差测量，以确定气体的流量特性，例如流速。在各种实施例中，处理器130可以接收压
差测量以及温度和/或压力数据，这可以使处理器130能够补偿流体密度的变化，并提供气流特性的更精确的测量。
29.流量计200还包括用于向流量计200的组件供电的电力系统170。电力系统170可以从诸如电池或电容器的能量存储设备172、从其他电源174(例如，来自控制中心的电力线)和/或从热电发电机210接收电力。在该示例中，热电发电机(teg)210被用作能量收集设备，以转换由于孔板224周围和通过孔板224的气流而从导管(例如，由导热材料制成的管道或其部分)生成的热量。热电发电机(例如，塞贝克发电机)可以是固态设备，其可以将热通量(例如，温差)直接转换成电能。从热电发电机生成的电能可以使用dc/dc转换器260来稳定，并且可以用于为流量计200的一个或多个组件(例如通信设备150)供电，或者为能量存储设备172充电。
30.如同图2的实施例，在各种实施例中，处理器130可以经由开关176选择性地控制从不同源中的任何一个或其组合到流量计100的组件的电力供应。处理器还可以被配置成控制由热电发电机210生成的电能在能量存储设备172中的存储，并且使用来自热电发电机210或能量存储设备172的能量来补充从其他电源174到电力系统170的电力供应。
31.图3是根据第三实施例的示例性气流计300的概述，该气流计300包括能量收集设备以从待监测的气流生成能量。在该示例中，气流计300可以包括与图2的流量计200相同或相似的组件(例如，d/p传感器220、pt 222和孔板224)，除了气流计300使用涡轮机从气流收集能量。
32.在一个示例中，能量收集设备可以是放置在导管20中的涡轮机310。涡轮机310可以包括带有磁体的转子和带有电线圈的定子，并且可以通过线圈生成电能(例如电流)，这是由于气流导致转子旋转而生成的磁通量的结果。涡轮机310生成的电能可以使用ac-dc转换器360从ac转换成dc。在各种实施例中，涡轮310可影响用于确定通过导管20的气流的流量特性(例如流速)的压差。这样，处理器130可以根据涡轮310对孔口224下游/上游的压差的影响来校准气流的流量特性测量/确定。
33.在第二可替换示例中，能量收集设备可以是涡轮机310’，其布置在导管20的外部。流量计300可以使用测压口222将来自导管20的一部分气流转向或旁路至涡轮310’，使得涡轮310’可以从转向的气流生成电能。阀门开关v可用于控制从测压口222到d/p传感器220或涡轮310’的气流。例如，当不使用d/p传感器220进行监测时，处理器130可以使用涡轮机310’来生成电能。在各种实施例中，处理器130可以例如经由阀开关v控制气流，以在使用d/p传感器感测流量特性和使用涡轮机310’生成电能之间交替(例如，监测持续时间tm之后是能量生成持续时间te，监测持续时间和能量生成持续时间之间的一些其他时间模式，等等)。涡轮机310’生成的电能可以使用ac-dc转换器360从ac转换成dc。
34.关于第二可替换示例，如果使用小型涡轮流量计来绕过孔板24周围的流量，则可以生成电力而不会过度干扰由d/p传感器220进行的d/p测量。由于旁路流量是由涡轮机310’测量的，因此也可以将旁路流量考虑在内。可替换地，可以省略d/p传感器220，并且可以通过检查通过涡轮机的流速并考虑流体的特性来推断压差(d/p)，如图4中的第四实施例所示。如图4所示，使用测压口(pt)222，气流可以被转向到涡轮机410。涡轮机410布置在导管20的外部，与图1中的第一实施例的涡轮机相反，该涡轮机具有布置在导管20内部的组件。然而，类似于第一实施例中的示例，涡轮机，在这种情况下是图4的涡轮机410，可用于监
测气流的流量特性，并生成电能供流量计400使用。可以根据可以使用从附加传感器收集的信息来监测或导出的流体的特性(例如，温度、密度等)进一步调节监测的流量特性。
35.图5示出了根据实施例的流量计(例如，在图1、2、3或4中)及其组件的示例操作方法。流量计可以包括处理器、传感器、通信设备和能量收集设备。方法500的一些操作可以由监测系统的一个或多个处理器执行或在其控制下执行。
36.在框502，安装具有能量收集设备的气流计以监测导管中的气流。
37.在框504，能量收集设备从导管中的气流中收集能量，以为流量计的一个或多个组件供电，或者为能量存储设备(例如，可充电电池或电容器)充电，该能量存储设备可以稍后用于为流量计的一个或多个组件供电或补充电力。
38.在框506，可以使用流量计来监测流量特性。流量特性可以包括气流的流速。
39.在框508，可以经由通信设备向远程设备传输与所监测的流量特性相关的信息(或数据)。该信息可以实时传输，例如以所监测流速的信号脉冲的形式。
40.方法500还可以包括在框510分析用于警报或其他条件的所监测信息(例如，流量特性)。例如，如果流量特性(例如流速)满足(或不满足)阈值或条件，则处理器确定警报或其他条件存在(或不存在)。例如，如果流速在正常操作参数或值之外进行操作(例如，过低或过高)，则存在警报条件。在框510，警报或其他条件的分析报告也可以经由通信设备传输到远程设备。应当理解，处理器还可以监测和报告与流量计相关的其他情况，例如能量存储设备的状态和能量收集设备的状态(例如，开或关)。可以在流量计中并入附加的传感器来监测这些状态(例如，电压传感器、电流传感器等)。
41.图5所示和描述的方法是作为示例提供的。如本领域技术人员将理解的，在这些方法中描述的各种操作可以被修改，同时仍然保持相同或相似的功能(例如，一些操作可以以不同的顺序实施或组合，或者可以被省略)。
42.图6示出了根据实施例的计算机系统(或计算系统)600的示例组件。如图6所示，计算机系统600可以包括例如存储器620、处理器630、输出设备650、输入设备660、通信设备670和计算机系统的组件之间的总线系统680。在各种实施例中，控制设施中的计算机可以包括这样的计算机系统。
43.存储器620可以存储计算机可执行代码、程序、软件或指令，其由处理器执行时控制计算机系统600的操作，包括这里描述的各种方法/过程。存储器620还可以存储计算机系统600或其组件用来执行这里描述的操作的其他数据。其他数据可以包括但不限于感测或处理的传感器数据、关于被监测流体的被监测流速或其他特性的请求或报告数据、用于在工业或其他过程的流量计或组件、设备或系统上实施动作的预定阈值或条件、以及这里描述的其他信息。
44.输出设备650可以包括显示设备、打印设备、扬声器等。例如，输出设备650可以输出以显示或呈现图形用户界面(gui)、从监测中的一个或多个传感器接收的数据的报告、警报或其他数据或信息，如本文所述。
45.输入设备660可以包括任何用户输入设备，例如鼠标、轨迹球、麦克风、触摸屏、操纵杆、控制台、键盘/垫、触摸屏或用户可操作的其他设备。输入设备660也可以接受来自外部源(例如其他设备和系统)的数据。
46.与计算机系统的其他组件交互的处理器630被配置成控制或实现这里描述的各种
操作。这些操作可包括：处理从诸如流量计的一个或多个传感器接收的数据(流速、可从中导出流速的数据、流量计的功率状态等)；基于由一个或多个传感器感测到的特性或待监测流体的导出流体特性来计算流体的流速或其他监测特性；存储和传输数据；控制流量计的电力系统中的电力流；根据监测到的流速或与流量计相关联的其他检测到的条件采取动作，包括但不限于警报、通知、安全动作(例如，关闭工业过程中的系统或组件)等，或本文所描述的其他过程。处理器可以使用通信设备670与流量计或其他远程设备通信，通信设备670可以跨传输介质或网络发送或接收数据。
47.上面描述了诸如计算机、服务器或其他数据处理系统的计算机系统的示例组件。输出设备650和输入设备660可以分别通过本地总线或网络与处理器630通信。计算机系统可以是分布式处理系统。
48.应当理解，这里描述的能量收集技术的示例可以在各种气流计中实现，包括但不限于涡轮机流量计、压差流量计或其他已知的气流计。压差流量计可以包括孔板流量计、文丘里(venturi)流量计或使用压差原理测量流体流量的其他压差流量计。
49.还应当理解，这里公开和教导的示例性实施例易于进行多种不同的修改和替代形式。因此，单数术语的使用，例如但不限于“一个”等，并不旨在限制项目的数量。此外，这里使用的各种组件、功能、特性、阈值和其他元素的命名约定被提供作为示例，并且可以被赋予不同的名称或标记。术语“或”的使用不限于排他的“或”，还可以表示“和/或”。
50.应当理解，结合所公开的实施例的各方面的实际的、真实的商业应用的开发将需要许多实施方式特定的决定来实现开发者对于商业实施例的最终目标。这种实施方式特定的决定可以包括并且可能不限于符合系统相关、商业相关、政府相关和其他约束，这些约束可能因特定的实施方式、位置和时间而异。虽然从绝对意义上来说，开发者的努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域技术人员来说，这种努力仍然是常规任务。
51.使用在此提供的描述，通过使用标准编程和/或工程技术来产生编程软件、固件、硬件或其任意组合，示例实施例可以被实现为机器、过程或制品。
52.具有计算机可读程序代码的任何最终程序可以包含在一个或多个有形的或非暂时的计算机可用介质上，例如常驻存储设备、智能卡或其他可移除存储设备或传输设备，从而制造根据实施例的计算机程序产品或制品。因此，这里使用的术语“制品”和“计算机程序产品”旨在包括永久或临时存在于任何计算机可用或存储介质上或传输这种程序的任何传输介质中的计算机程序。
53.这里描述的处理器可以是处理系统，其可以包括一个或多个处理器，例如cpu、控制器、asic、数据处理电路或其他处理单元，其控制设备或系统的操作或执行这里描述的数据或信号处理。存储器/存储设备可以包括但不限于磁盘、固态驱动器、光盘、可移除存储设备(例如智能卡、sim、wim)、半导体存储器(例如ram、rom、prom)等。传输介质或网络包括但不限于经由无线通信(例如，射频(rf)通信、wi-fi、li-fi等)、因特网、内联网、基于电话/调制解调器的网络通信、硬接线/电缆通信网络、卫星通信以及其他固定或移动网络系统/通信链路的传输。
54.虽然已经示出和描述了本公开的特定实施例和应用，但是应当理解，本公开不限于这里公开的精确构造和组成，并且在不脱离所附权利要求中限定的本发明的情况下，各种修改、改变和变化可以从前述描述中显而易见。