流体流量的测量系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及流体测量技术领域，特别涉及一种流体流量的测量系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前想要知道水龙头的出水量常用方法是在水管上加一个流量传感器，再把流量传感器的流量信息传递给人机交互设备，人们通过人机交互设备知道水龙头的出水量是多少。
3.采用上述方法的过程中不仅需要加装流量传感器，且人机交互设备需要单独供电，如果使用电池供电，需要经常更换电池或给电池充电，增加不便。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种流体流量的测量系统，旨在提供一种节能环保的方式测量流体的流量。
5.为实现上述目的，本发明提出的一种流体流量的测量系统，所述流体流量的测量系统包括：
6.流体发电装置，所述流体发电装置设于管路，用以将所述管路内流体运动的动能转化为电能，并生成对应的电压信号；
7.信息采集处理装置，所述信息采集处理装置电性连接所述流体发电装置，用以采集所述电压信号；用以将所述电压信号换算成流体的流量；以及
8.输出模块，所述输出模块电性连接所述信息采集处理装置，用以将所述流量以声音的形式和/或数字的形式显示出来。
9.可选地，述信息采集处理装置包括：
10.电气参数采集模块，所述电气参数采集模块电性连接所述流体发电装置，用以采集所述电压信号；和
11.信息处理模块，所述信息处理模块电性连接所述电气参数采集模块，用以将所述电压信号换算成流体的流量；
12.所述电气参数采集模块为单片机。
13.可选地，所述输出模块为lcd显示屏。
14.可选地，所述流体发电装置与所述电气参数采集模块之间设有整流滤波模块。
15.可选地，所述流体发电装置电连接有蓄电设备，所述蓄电设备电连接所述电气参数采集模块、信息处理模块和输出模块中的至少一者。
16.可选地，所述信息处理模块包括声控单元；所述声控单元用于接收声音信息，并经过控制系统控制所述电气参数采集模块采集所述电压信号；
17.且/或，所述蓄电设备为充电电池，所述充电电池设有外部充电接口，用以连接外电路激活所述充电电池。
18.本技术还提供一种流体流量的测量系统的控制方法，所述流体流量的测量系统的控制方法包括：
19.控制所述流体发电装置在流体的作用下产生电压信号；
20.通过所述信息采集处理模块获取所述电压信号，并根据所述电压信号计算获得所述流体的流量；
21.控制所述输出模块输出流量信息。
22.可选地，根据所述电压信号来计算所述流体的流量的步骤，具体为：
23.建立所述电压信号与流体流量之间的映射关系表或关系曲线，并将所述映射关系表或关系曲线存储于所述信息采集处理模块；
24.控制所述信息采集处理模块接收所述电压信号，并根据所述映射关系表或关系曲线得到对应的流体流量。
25.可选地，所述建立所述电压信号与所述流量之间的映射关系表的步骤包括：
26.通过流量测量装置获得流量；
27.通过电压测量装置获得在所述流量情况下所述流体发电装置产生的电压信号；
28.接收所述流量与电压信号，并将所述流量与所述电压信号一一映射形成所述映射关系表。
29.可选地，通过所述信息采集处理模块获取所述电压信号的步骤之前，还包括：
30.接收声控信息；
31.根据所述声控信息控制所述信息采集处理模块采集所述电压信号。
32.本发明技术方案涉及一种流体流量的测量系统。包括流体发电装置、信息采集处理装置和输出模块，流体发电装置、信息采集处理装置和输出模块依次电性连接，流体发电装置设于管路，用以将管路内流体运动的动能转化为电能，并生成对应的电压信号；信息采集处理装置用以采集电压信号；用以将电压信号换算成流体的流量；输出模块用以将流量以声音的形式和/或数字的形式显示出来。通过上述系统测量流体的流量，不需要加装流量传感器，这样免去了额外的流量传感器，节省成本和安装空间。且输出模块不需要单独供电，无需使用外部电路，节能环保。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
34.图1为本发明一种流体流量的测量系统的控制方法的流程示意图；
35.图2为本发明一种流体流量的测量系统的控制方法的示意图；
36.图3为蓄电设备与流体流量的测量系统之间的电连接示意图；
37.图4为本发明一种压电发电元件的结构示意图。
38.附图标号说明：
39.标号名称标号名称10管路30流体发电装置
20压电发电元件40集流结构21弹片41溢流口211压板42溢流盖212弹簧43弹性件22压电元件
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40.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“a和/或b为例”，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
45.目前想要知道水龙头的出水量常用方法是在水管上加一个流量传感器，再把流量传感器的流量信息传递给人机交互设备，人们通过人机交互设备知道水龙头的出水量是多少。该方案存在一些弊端：一方面需要加装流量传感器，增加成本，加大安装空间；另一方面人机交互设备需要单独供电，如果使用电池供电，需要经常更换电池或给电池充电，增加不便，且电池会污染环境。如果使用市电供电，会存在一定的安全隐患。
46.本技术提供一种节能环保的系统测量流体的流量。无需安装使用流量传感器，简化成本。
47.流体流量的测量系统；包括流体发电装置30、信息采集处理装置和输出模块，流体发电装置30、信息采集处理装置和输出模块依次电性连接，流体发电装置30设于管路10，用以将管路10内流体运动的动能转化为电能，并生成对应的电压信号；信息采集处理装置用以采集电压信号；用以将电压信号换算成流体的流量；输出模块用以将流量以声音的形式和/或数字的形式显示出来。通过上述系统测量流体的流量，不需要加装流量传感器，这样
免去了额外的流量传感器，节省成本和安装空间。且输出模块不需要单独供电，无需使用外部电路，节能环保。
48.流体发电装置30的结构可以是发电装置和叶轮，叶轮设于管路10，通过水流带动叶轮转动，流体发电装置和叶轮连接，用于通过叶轮的转动而产生电能；根据法拉第电磁感应定律及其公式e＝blv，叶轮的转速与速度成正比，叶轮的转速受管道内流体的影响，流体流速越大，叶轮转速越大，因此，电压与流速成正比。如此，通过测量流体发电装置的电压可以推算出流体的流速。
49.当然，流体发电装置30也可以是压电发电装置，压电材料具有正压电效应和逆压电效应，其正压电效应是将机械能转换为电能，例如，一种压电发电装置，包括基板和固定在基板上的压电陶瓷片，压电陶瓷片的上方还设有一端与基板固定地压板，压板的下表面上固设有压块，压块对应于压电陶瓷片的中部，压块随压板的上下运动间歇地施加载荷于压电陶瓷片上。固设在基板上的压电陶瓷片在受到弯曲应力时，即会产生压缩应力或扩张应力，压电发电装置的发电电流和电压与所产生的压缩应力或扩张应力成正比，由于压电陶瓷片所产生的电压与压电陶瓷片的变形即伸缩量成正比，在将压电发电装置用于在流体中发电时，通过流体流动产生的动力挤压压电发电装置，流体的流速越大对压电发电装置产生的压力越大，使得压电陶瓷片的变形越大，基于电陶瓷片所产生的电压与压电陶瓷片的变形即伸缩量成正比，则流体的流速与电压成正比，如此，通过测量压电发电装置的电压可以推算出流体的流速。
50.进一步地，信息采集处理装置包括电气参数采集模块和信息处理模块：电气参数采集模块电性连接流体发电装置30，用以采集电压信号；信息处理模块电性连接电气参数采集模块，用以将电压信号换算成流体的流量；电气参数采集模块为单片机。
51.考虑到家庭用的水流量较低，产生的电量有限，应尽可能采用耗电量小的设备来测量电压。
52.进一步地，电气参数采集模块包括单片机，通过单片机采样获得电压信号。单片机通过ad采样获得电压信号。本技术采用功耗小的单片机来实现电压的测量，处理过程是先用ad转换器对流体发电装置30产生的电压信号进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值。
53.进一步地，考虑到在一些情形下，流量较小，因此尽量选用功耗小的输出模块，由于lcd显示屏功耗较低，因此输出模块为lcd显示屏。
54.进一步地，流体发电装置30与电气参数采集模块之间设有整流滤波模块。整流就是把交流电转换为直流电的过程，滤波就是把整流后的脉动直流电变成波形比较平滑的直流电的过程。使输出的电路稳定，使整个电路运行性能稳定，长时间工作仍能保持良好的电性能，保证流量测量的稳定性和可靠性。
55.进一步地，流体发电装置电连接有蓄电设备，蓄电设备电连接电气参数采集模块、信息处理模块和输出模块中的至少一者。例如，蓄电设备电连接电气参数采集模块、信息处理模块、输出模块；或，流体发电装置电连接有蓄电设备，蓄电设备电连接电信息处理模块和输出模块；或，流体发电装置电连接有蓄电设备，蓄电设备电连接输出模块，以及其他情形，具体不作限定。
56.在一些情形下，电压较低，难以驱动负载正常工作，此时，蓄电设备将平时的电能
储蓄，应对突发的流量不足的情形。例如，正常工作时，管路的流体流速能驱动流体发电装置30产生足够的电能，出现异常情况时，流体流量减小，不足以通过流体流量的测量系统输出流量信息，此时，平时储蓄的电能供能实现信息输出。
57.例如，一实施例中，如图2所示，蓄电设备的输出端设有三条线路，一条线路导通电气参数采集模块、信息处理模块、输出模块；另一条线路导通电信息处理模块和输出模块；再一条线路导通输出模块。三条线路设有三个开关，用以使得蓄电设备为三条线线路中的任一条线路供电。可根据蓄电设备储蓄的电能以及发电装置能带动的功率选择打开任意开关，使电气参数采集模块、信息处理模块、输出模块正常工作。
58.例如，流体发电装置30不能带动电气参数采集模块、信息处理模块、输出模块，则蓄电设备连通电气参数采集模块、信息处理模块、输出模块进行工作；流体发电装置30只能带动电气参数采集模块，则蓄电设备连通信息处理模块、输出模块进行工作；流体发电装置30只能带动电气参数采集模块和信息处理模块，则蓄电设备连通输出模块进行工作。
59.进一步地，信息处理模块包括声控单元；声控单元用于接收声音信息，并经过控制系统后控制电气参数采集模块采集电压信号；增加了声控单元耗电量更高，因此，蓄电设备的存在有利于保证正常工作。
60.进一步地，蓄电设备包括充电电池，充电电池设有外部充电接口，用以连接外电路激活充电电池。由于充电电池需要激活，例如，长时间不使用充电电池不能正常充电，在充电电池设有外部充电接口，使得可通过外部电路给充电电池充电，激活充电电池。
61.还可以理解的是，通过检测电流信号，通过电压电流转换器将电流信号转化为电压信号来计算流量信息。
62.本技术的流体流量的测量系统还具有监控的功能，可监控流量，并控制开关调节流量的大小，以及还设有用水量过量报警器，向用户发出警报，流体用量较多，需要节约使用，特别是现阶段水资源短缺，提高用户的节能意识。例如，流体流量的测量装置包括控制系统和报警装置，控制系统电连接流体发电装置30，用以监控流量的大小，并控制报警装置发出警报。
63.还可以理解的是输出模块上设有按键开关，在需要查看时，按下开关，以避免时刻显示流量情况，以降低耗电量。
64.如图3所示，在一实施例中，发电装置采用压电发电。流体发电装置30包括压电发电元件和集流结构，压电发电元件设于管路10，集流结构设于压电发电元件的外围，用于将流体汇集引导至压电发电元件。
65.在采用压电发电元件20发电的过程中，可以理解的是压电发电元件20包括若干弹片21，弹片21的一个侧面或者两个侧面上贴覆有压电元件22；流体的冲击力可带动弹片21振动，使得弹片21上一个侧面或者两个侧面上的压电元件22产生压电效应，进行发电。压电元件22包括附着在压电元件两侧导电极，导电极通过导线与整流电路连接，整流电路的两个输出线接负载。
66.由于发电过程中需要弹片21不断振动，以进行发电，为方便流体形成对弹片21的有效扰动，并提高对流体的有效利用，通过在压电发电元件20的外围设置集流结构40，将流体汇集，形成对弹片21较大的冲击力，提高发电效率。为了形成对弹片21的扰动，使弹片21不断振动，在集流结构40的侧边开溢流口41，溢流口41上设有溢流盖42，一定的冲击力将溢
流盖42推开，使流体溢流出去，此时水流的冲击弹片21的力量减弱，有助于弹片21复位，由于源源不断的水流朝向集流结构40运动，使得弹片21不断振动，以进行发电。并且，在管路10中，流体最终需要引导出去，通过该溢流口41方便将流体引导出去。可以理解的是集流结构40为喇叭状的结构，以方便流体的汇集。
67.可以理解的是弹片21包括一个压板211和与压板211连接的弹簧212，弹簧212可实现压板211的复位，例如，在流体冲击压板211时，压板211压缩弹簧212，压板211抵压压电元件22产生压电效应；在流体将溢流盖42推开，流体从溢流口41流出的过程中，水流的冲击弹片21的力量减弱，弹簧212伸长使压板211复位，溢流盖42与集流结构40通过弹性件43连接，溢流盖42可被反复的打开和关闭，可以理解的是为了实现溢流盖42自动的反复开关，弹性件43连接压电元件22的输出端，也即弹性件43作为负载之一，并且弹性件43与输出端之间连接有时间开关，实现对弹性件43间断的通电，且弹性件43为温控弹簧，在通电后弹性件43受热发生伸长，使得通过弹性件43将溢流盖42推动至溢流口41处，如此实现溢流盖42的反复开关，实现在集流结构40处流体的分流，而使得改变流体的冲击力，实现弹片21不断振动，以进行发电。可以理解的是压电发电元件20还连接蓄电设备，弹性件43还连接蓄电设备，以保证弹性件43的工作稳定性。
68.综上，本技术提出采用在水管上安装流体发电装置30驱动低功耗液晶屏来显示流量的方案，同时，我们通过采集水力发电装置所发出来的电压，来推算出水力发电装置的转速，进而根据管径推算出水流量。这样免去了额外的流量传感器，节省成本和安装空间。
69.且流体发电装置30发的电可以给人机交互设备供电，无需电池和市电供电，起到节能环保且安全的效果。
70.本技术还提供一种流体流量的测量系统的控制方法，流体流量的测量系统的控制方法包括流体流量的测量系统的流体发电装置、信息采集处理模块、输出模块。由于流体流量的测量系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
71.如图1所示，流体流量的测量方法包括：控制流体发电装置30在流体的作用下产生的电压信号；通过信息采集处理模块获取电压信号，并根据电压信号计算获得流体的流量；控制输出模块输出流量信息。通过上述方法测量流体的流量，不需要加装流量传感器，这样免去了额外的流量传感器，节省成本和安装空间。且输出模块不需要单独供电，无需使用外部电路，节能环保。
72.进一步地，根据电压信号来计算流体的流量的步骤，具体为：建立电压信号与流体流量之间的映射关系表或关系曲线，并将映射关系表或关系曲线存储于信息采集处理模块；控制信息采集处理模块接收电压信号，并根据映射关系表或关系曲线得到对应的流体流量。
73.可以理解的是，由于流量与电压呈正比例关系，在其他条件一定的情况下，也即，在单一变量的情况下，则在一定流量下得到一定的电压，如此形成流量与电压的映射关系表。通过单片机得到电压值，该电压对应特定的流量，信息采集处理模块根据单片机反馈的电压值，查询映射关系表，得出该电压值对应的流量，并将流量信息通过输出模块输出，反馈给用户。
74.建立电压信号与流量之间的映射关系表的步骤包括：通过流量测量装置获得流
量；通过电压测量装置获得在流量情况下流体发电装置产生的电压信号；接收流量与电压信号，并将流量与电压信号一一映射形成映射关系表。
75.也即，映射关系表通过实验得到，例如，在管路上安装好流体流量的测量系统，在一定的水管管径下，输出流量，通过流量测量装置获得流量信息，并通过电压测量装置获得相应流量下的电压值，重复测量多次，取平均值，得到一定流量下对应的电压值，改变流量进行测量，得到不同流量对应的电压值，得到映射关系表。当然，可通过多组流量与电压的关系拟合出流量与电压的关系曲线，信息处理模块根据单片机反馈的电压值，带进关系曲线进行换算，得到流量值。
76.进一步地，通过信息采集处理模块获取电压信号的步骤之前，还包括：接收声控信息；根据声控信息控制信息采集处理模块采集电压信号。
77.也即，流体流量的测量系统好包括控制系统，控制系统在接收到声控信息时控制信息采集处理模块采集电压信号。使得用户在需要时输出流量信息，避免流量开启时时刻计算流量信息，影响流体流量的测量系统的使用寿命，并且还可以在流体流量的测量系统上设置蓄能设备，充分储蓄电能，只有在用户需要时才输出流量信息，但是只要流体流动就会产生电能，通过蓄电设备将电能有效的储蓄，节能环保。
78.其中声控信息可以是用户发出一定的指令，例如拍手产生的声音，语言发出的指令均可。
79.当然还可以的是，流体流量的测量系统设有开关装置，用户触摸或按压开关，实现流量的测量输出。例如，流体发电装置与电气参数采集模块之间设有开关，开关闭合时，流体发电装置与电气参数采集模块电导通，否则两者不导通电。
80.其中，输出模块可以是声音输出，也可以是显示屏输出，或两者的结合；特别是在一些情形下，流量较小，电能不足以驱动声音输出的设备，此时可以采用显示屏输出。
81.上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。