檢測液體分配系統(tǒng)中影響液體流量之事件的制作方法
【專利說明】檢測液體分配系統(tǒng)中影響液體流量之事件 本申請是申請日為2009年8月14日、申請?zhí)枮?200980160818. 7"、發(fā)明名稱為"檢測 液體分配系統(tǒng)中影響液體流量之事件"的發(fā)明專利申請的分案申請。 相關(guān)申請
[0001] 本申請基于在2009年6月11日提交的先前共同未決的美國專利申請，序號 12/483041，在此依據(jù)35U.S.C. § 120要求該專利申請的提交日期權(quán)益。 背景
[0002] 對許多住宅中的活動來說，水都是必需的，例如洗滌、清潔、烹飪、飲水以及園藝。 美國環(huán)境保護局（EPA)在2008年估算，在未來5年美國有36個州會面臨嚴(yán)重的缺水。除 此之外，在2001年，美國水利工程協(xié)會指出，只要減少全美15%的住宅用水，就可以大約每 天節(jié)省27億加侖，且每年可節(jié)省超過20億美元。就此問題更進一步的是EPA較新的估算 中指出，每年有超過1兆加侖的水從美國的家庭中滲漏出，這是平均家庭用水的10%。滲 漏可以在磨損的水龍頭或馬桶閥門中，也可以是安裝在起居用結(jié)構(gòu)中的輸管線的滲漏。大 多數(shù)的消費者除了每月（或雙月）水費賬單上所示出的總使用量（它基于周期性的水表讀 數(shù)）以外，并沒有可以精確測量住宅用水的機制。此外，由于家庭中水系統(tǒng)的滲漏對居住者 而言并不明顯，因此常常沒有被發(fā)現(xiàn)。為了可以更好地保存水資源及防止?jié)B漏，就必需讓居 住者知道從洗一批衣服到淋浴或沖馬桶的每一種類型的用水活動所消耗的水量。
[0003] 之前被引導(dǎo)向?qū)ψ≌盟窟M行監(jiān)測的方向上的工作產(chǎn)生了一種有許多缺陷的 方法。例如，這種早先的方法使用壓靠在住所中特定管線（包括冷水入口、熱水入口、以及 廢水排出口）外側(cè)的多個麥克風(fēng)，以便基于使用水的模式（例如與洗碗機相關(guān)聯(lián)的一系列 加注周期）來展示對幾種重要活動的識別。這種早先的技術(shù)不能可靠地區(qū)分多重情形的相 似裝配件的用水（例如在多個水槽中的每一個處打開或關(guān)閉閥門，或是對住宅中多個馬桶 沖水），亦不能可靠地區(qū)別同時發(fā)生的多個活動（例如當(dāng)有人在淋浴時沖馬桶），且不會試 圖去估算在這些水消耗活動中水系統(tǒng)所用掉的水量。而且環(huán)境噪音（例如靠近住宅的熱水 器上放置的傳感器而安裝的空調(diào)單元所產(chǎn)生的噪音），對使用這些基于音頻的傳感器會造 成很大的困難。另外，這種先前的方法無法感測特定裝配件的滲漏。
[0004] 在許多的工業(yè)應(yīng)用中（例如灌溉系統(tǒng)）會使用提供高精細度流速（flowrate)監(jiān) 測的傳感器，但這些先前技術(shù)方法不是過于昂貴而無法用于居家使用（例如，單個超聲波 或激光多普勒測速傳感器要大約2000美元到8000美元），就是需要由管線工專業(yè)地安裝多 個在線流動傳感器。一個在線流動傳感器被通過切入到現(xiàn)有管線中的方式安裝用于每個關(guān) 注的裝配件。在實驗室中也示出出安裝在管線外部上的多個加速度計產(chǎn)生與水流速具有很 強的確定關(guān)系的一種信號，但這種效應(yīng)對于管線的管徑、材質(zhì)和構(gòu)形是高度敏感的。其他人 亦提出使用住宅現(xiàn)有的總水量計與具有多個在管線上的加速度計的一個網(wǎng)絡(luò)一起來推斷 住宅各處的流速。然而，所有這些先前技術(shù)方法都需要將多個傳感器沿著唯一地與各個關(guān) 注的裝配件相關(guān)聯(lián)的多個管線路徑來放置或是放置在它們之中（即：它們是不能使用一個 單一傳感器來監(jiān)測一個結(jié)構(gòu)的水系統(tǒng)中所有裝配件的分布式的直接感測方法）。
[0005]因此明顯的是，可以希望采用一種更佳的方法及系統(tǒng)來低成本地并且無需專業(yè)的 管線工而易安裝地監(jiān)測在住所或是多起居單元(multi-livingunit)中的多個不同裝配件 中每一個的水流。這樣的系統(tǒng)及方法應(yīng)使每個裝配件的用水量或體積流量能夠被容易地確 定。此外，還可以希望采取這樣一種系統(tǒng)及方法來在特定裝配件處或一個結(jié)構(gòu)的水系統(tǒng)中 的多個點處的檢測滲漏，從而使得至少某些類型的滲漏可以被識別出，進而便于對導(dǎo)致了 這種滲漏的條件進行改正。 概述
[0006] 本申請通過引用明確地結(jié)合了以上作為相關(guān)申請而說明的每個專利申請和已發(fā) 布專利的披露內(nèi)容及附圖。
[0007] 如以下描述的，因此一種示例性的新穎的方法被開發(fā)出來用于對結(jié)構(gòu)中分配系 統(tǒng)的液體的流動進行監(jiān)測。如在此使用的術(shù)語"結(jié)構(gòu)"旨在不僅涵蓋如房屋、多單元起居 區(qū)（multi-unitlivingquarter)(如二聯(lián)式公寓）、私人公寓（condominium)、連棟房屋 (townhouse)、公寓（apartment)、旅館、汽車旅館等起居結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)該理解的是還包括任 何具有用于分配液體的管線或?qū)Ч艿南到y(tǒng)的設(shè)施，如用煉油廠、化學(xué)工廠、釀酒廠來列舉幾 個實例而不具任何有意圖的或隱含的限制性。這種示例性方法包括以下步驟，即監(jiān)測在分 配系統(tǒng)中的第一點處的液體壓力，且響應(yīng)于此，產(chǎn)生一個表示了分配系統(tǒng)中壓力的輸出信 號。然后，在分配系統(tǒng)中發(fā)生的液體相關(guān)事件被基于壓力的改變而檢測到，例如由輸出信號 表示的瞬時壓力波形。下一步，通過將該輸出信號的特性和與事件的不同類型相關(guān)聯(lián)的決 定性（determinative)的指標(biāo)進行比較，從多種事件的不同類型之中識別出已經(jīng)檢測到的 一個液體相關(guān)事件的特定類型。
[0008] 典型地會有多個閥門連接至該分配系統(tǒng)。因此，檢測多個液體相關(guān)事件的步驟可 包括采用該輸出信號來檢測這些閥門中的一個或多個閥門的狀態(tài)改變，即：一個閥門打開 得更多或關(guān)閉得更多。被識別出的這個閥門可以與連接至分配系統(tǒng)的多個不同裝配件中的 一個特定裝配件相關(guān)聯(lián)，這樣使得這個特定裝配件因此通過對該閥門的打開或關(guān)閉進行檢 測而被識別出來。
[0009] 這種方法可以進一步包括確定與這個特定裝配件相關(guān)聯(lián)的這個閥門是否通過關(guān) 閉得更多或打開得更多而已經(jīng)改變了狀態(tài)。
[0010] 有些分配系統(tǒng)可能包括一個帶有閥門的儲液器（例如馬桶的儲箱），如果在該儲 液器中液體的一個水平降到一個預(yù)定水平以下這個閥門就會自動打開。如果是這種情況的 話，這種方法可包括以下步驟，即：通過識別一個壓力瞬時波形的多個特征來檢測該儲液器 的一個滲漏，而該壓力瞬時波形表示了一個周期，在該周期中，對液體進入該儲液器的流動 進行控制的這個閥門根據(jù)要求來打開和關(guān)閉以便再次加注該儲液器從而替代從該儲液器 滲漏的液體。
[0011] 作為另一個功能，這種方法可以包括自動地確定作為該輸出信號與用于該分配系 統(tǒng)的一個預(yù)定的流阻（flowresistance)兩者的一個函數(shù)的該分配系統(tǒng)中的一個體積流速 的步驟。如果該分配系統(tǒng)包括多個布置在多個不同點處的多個閥門，則此方法可以包括以 下多個步驟，即：實驗性地對該分配系統(tǒng)中的多個不同點中的每個點處的體積流速進行測 量，而這些不同點從一個入口至該分配系統(tǒng)供應(yīng)的距離是不同的；以及基于在該體積流速 被測量時由該輸出信號表示的在壓力中的一個改變，確定用于該分配系統(tǒng)的在這些不同點 中的每個點處的該預(yù)定流阻。然后，可以基于在這些不同點處測量到的該預(yù)定流阻，估算該 分配系統(tǒng)中能夠發(fā)生液體使用的多個其他點處的流阻。
[0012] 在某些應(yīng)用中，液體分配系統(tǒng)可以包括一個在線（inline)液體體積流量檢測器， 例如為一個水表。在這種情況下，這種方法可以進一步包括以下步驟，即：使用該在線液體 體積流量檢測器來依次確定該分配系統(tǒng)的多個不同點中的每個點處的一個體積流速。這個 體積流速是隨著在該點處的一個閥門被打開一段時間并且然后被關(guān)閉來測量的。然后，基 于在該點處的閥門被打開時所測量的該體積流速，在這些不同點中的每個點處確定對于該 分配系統(tǒng)的該預(yù)定流阻。通過使用該液體體積流量檢測器來檢測該分配系統(tǒng)中液體在一個 延長的時間段中（在該延長的時間段中該分配系統(tǒng)中的這些閥門沒有一個已經(jīng)被檢測到 已經(jīng)被打開）的一個流動，檢測該分配系統(tǒng)中的一個相對低流量滲漏。由于沒有液體會通 過名義上是關(guān)閉的多個閥門，因此，測量到的任何流動必定是起因于這種緩慢的滲漏。
[0013] 識別已經(jīng)被檢測出的一個事件的特定類型的步驟可以包括以下這些步驟，即：為 被連接到該分配系統(tǒng)上的每個裝配件確定一個預(yù)定的瞬時壓力波特征，并且儲存或以其他 方式保存這些瞬時壓力波特征。然后，將由該輸出信號表示的一個瞬時壓力波特征與被存 儲或保存的這些預(yù)定的瞬時壓力波特征做比較，并且識別液體流動已經(jīng)在其上改變的一個 特定裝配件，而這是通過對這個裝配件具有與該輸出信號所表示的該瞬時壓力波特征最接 近地相匹配的這個預(yù)定的瞬時壓力波特征進行識別，并且基于該分配系統(tǒng)中這個特定裝配 件的位置來進行的。
[0014] 識別已經(jīng)被檢測到的一個液體相關(guān)事件的特定類型的步驟包括以下步驟，S卩：將 該輸出信號分段以便基于該分配系統(tǒng)中多個壓力改變來分離多個離散事件。然后，將檢測 到的每一個離散事件分類為一個閥門打開事件亦或一個閥門關(guān)閉事件。此外，將每一個閥 門打開或關(guān)閉事件可以根據(jù)產(chǎn)生該閥門事件的一個特定裝配件來分類。
[0015] 該分段步驟可以包括以下這些步驟，S卩：對該輸出信號進行濾波以便產(chǎn)生一個平 滑的輸出信號，并確定該平滑的輸出信號的一個導(dǎo)數(shù)。然后，在一個滑動窗中分析該平滑的 輸出信號及其導(dǎo)數(shù)以便基于至少一個條件來檢測一個閥門事件的開始。而這些可能的條件 包括以下各項，其中該平滑的輸出信號的導(dǎo)數(shù)超出相對于該分配系統(tǒng)中的靜壓力的一個預(yù) 定的第一閾值，或者其中在該滑動窗中的最大壓力值與最小壓力值之間的差異超出相對于 該分配系統(tǒng)中的靜壓力的一個預(yù)定的第二閾值?；谠撈交妮敵鲂盘柕膶?dǎo)數(shù)的一個符號 的改變以及該導(dǎo)數(shù)中的一個改變的幅值，可以進一步分析該平滑的輸出信號的導(dǎo)數(shù)以便檢 測一個閥門事件的結(jié)束。將每一個檢測到的離散液體相關(guān)事件分類為一個閥門打開事件 亦或一個閥門關(guān)閉事件的步驟可以基于發(fā)生從以下有多個條件的組中選定的一個條件，該 組由以下各項組成：(a)該平滑的壓力在一個閥門事件的開始時與結(jié)束時的一個差異幅值 超出一個相對于該分配系統(tǒng)中的靜壓力的第三預(yù)定閾值，其中該平滑的壓力在該閥門事件 的開始時與結(jié)束時之間的一個減少表示一個閥門打開事件，而該平滑的壓力在該閥門事件 的開始時與結(jié)束時之間的一個增加表示一個閥門關(guān)閉事件；或者，（b)基于該平滑的壓力 的導(dǎo)數(shù)在該閥門事件的開始時與該導(dǎo)數(shù)的一個第一極值之間的一個平均值，其中該導(dǎo)數(shù)的 一個正的平均值表示一個閥門打開事件，而該導(dǎo)數(shù)的一個負的平均值表示一個閥門關(guān)閉事 件。
[0016] 這種方法可以包括以下步驟，S卩：使用一個基于模版的分離器來使得多個閥門打 開或閥門關(guān)閉事件與多個特定裝配件相關(guān)聯(lián)。在這種情況中，選擇了與該輸出信號的這些 特征據(jù)有最大相關(guān)性的一個模版，并且識別已經(jīng)檢測到一個事件的該裝配件。這種選擇是 在根據(jù)多個互補的距離量度標(biāo)準(zhǔn)對能夠用于該分類器的多個可能的模版進行篩選之后做 出的。這些量度標(biāo)準(zhǔn)可以包括一個匹配濾波器距離量度標(biāo)準(zhǔn)、一個匹配導(dǎo)數(shù)濾波器距離量 度標(biāo)準(zhǔn)、一個匹配實倒頻譜濾波器距離量度標(biāo)準(zhǔn)、以及一個均方誤差濾波器距離量度標(biāo)準(zhǔn)。 這種方法可以進一步包括一下步驟，即：基于在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中提供的這些互補的距離量度標(biāo) 準(zhǔn)來確定多個閾值用于執(zhí)行這些可能的模版的篩選步驟。若對應(yīng)于多個不同裝配件的多個 模版通過了所有這些濾波器，則基于一個單一距離量度標(biāo)準(zhǔn)（該單一距離量度標(biāo)準(zhǔn)在用于 這些裝配件的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中表現(xiàn)最佳）而可以由這些濾波器中選擇一個濾波器。這個選擇的 濾波器然后可以被實用在對已經(jīng)檢測到一個事件的該裝配件進行的識別中。
[0017] 這種方法可以任選地包括以下步驟，即：監(jiān)測該分配系統(tǒng)中一個第二點處的壓力， 從而產(chǎn)生另一個輸出信號。這個第二點與第一點是間隔分開的。然后，部分地基于該第一 點處的輸出信號與該第二點處的輸出信號之間的一個時間差，可以檢測該分配系統(tǒng)中發(fā)生 的這些液體相關(guān)事件。而且，部分地基于該時間差，從這些事件的不同類型中識別已經(jīng)檢測 到的該液體相關(guān)事件的特定類型。
[0018] 另一個任選項是對分配系統(tǒng)中的液體施加一個瞬時壓力脈沖（例如，通過反轉(zhuǎn)偏 置這個壓力傳感器），并檢測對應(yīng)于該瞬時壓力脈沖在該分配系統(tǒng)中的反射的一個壓力脈 沖波形。檢測一個壓力脈沖波形，它對應(yīng)于分配系統(tǒng)中的瞬時壓力脈沖的一個反射?；?該壓力脈沖波形的多個特征，可以確定以下各項中的一個或多個項，即：瞬時壓力脈沖以及 壓力脈沖波形通過該分配系統(tǒng)的一個路徑、分配系統(tǒng)中液體流動的一個表示、和/或這些 分配系統(tǒng)中閥門的一個或多個閥門的狀態(tài)。
[0019] 本披露以及多個權(quán)利要求的另一個方面被指向一種包括機器可讀取并且可執(zhí)行 指令的媒質(zhì)，用于在這些機器可讀取并且可執(zhí)行指令被一個處理器執(zhí)行時，執(zhí)行在對一個 結(jié)構(gòu)內(nèi)的分配系統(tǒng)中的液體進行監(jiān)測中被采用的多個功能。這些功能大致上與以上討論的 示例性方法一致。
[0020] 又另一個方面被指向一種示例性裝置用于對一個結(jié)構(gòu)中的一個分配系統(tǒng)中的 液體的流動進行監(jiān)測。該裝置包括壓力傳感器，它被適配為連接至分配系統(tǒng)以便感測 分配系統(tǒng)中的壓力，并適配為然后產(chǎn)生表示該壓力的一個模擬信號。如在此使用的，術(shù) 語"壓力傳感器"旨在廣義地被理解為包括對在管線或?qū)Ч苤械囊后w壓力現(xiàn)象做出反應(yīng) 的任何傳感器，而不具任何有意圖的或隱含的限制性；傳感器例如為壓阻式傳感器、應(yīng) 變計（straingauge)或檢測隔層（diaphragm)機械彎曲的其他傳感器、微型機電系統(tǒng) (microelectromechanicalsystem，MEMS)傳感器、光纖干涉式傳感器、電容式傳感器（例 如對于壓力所導(dǎo)致的非導(dǎo)電距離的改變進行響應(yīng)）、聲學(xué)傳感器，以及振動式傳感器（例如 對壓力波形進行響應(yīng)的加速度計）。提供了一個連接器并且該連接器被確定尺寸用于將壓 力傳感器連接至結(jié)構(gòu)中的一個裝配件（例如水龍頭接頭）。使用了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器來將來 自壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。一個微控制器被連接至這個模數(shù)轉(zhuǎn)換器以便接 收數(shù)字信號并且控制該數(shù)字信號的獲取以及處理該數(shù)字信號以便產(chǎn)生一個輸出信號用于 基于由該輸出信號所表示的壓力中的多個改變來檢測一個分配系統(tǒng)中發(fā)生的多個事件。該 輸出信號被用于從多個事件的不同類型中識別一個事件的特定類型。可以包括一個通信鏈 接用于將輸出信號連接至計算裝置以便對輸出信號做進一步處理。
[0021] 本披露以及以下多個權(quán)利要求的又另一個方面被指向一個示例性系統(tǒng)用于監(jiān)測 一個結(jié)構(gòu)中的一個分配系統(tǒng)中液體的流動。該系統(tǒng)包括與上述裝置總體一致的多個部件， 且還包括一個計算裝置。該計算裝置包括儲存了多個機