专利名称：检测液体分配系统中影响液体流量之事件的制作方法
检测液体分配系统中影响液体流量之事件
相关申请本申请基于在2009年6月11日提交的先前共同未决的美国专利申请，序号 12/483041，在此依据35U. S. C. § 120要求该专利申请的提交日期权益。
曲旦冃足对许多住宅中的活动来说，水都是必需的，例如洗涤、清洁、烹饪、饮水以及园艺。 美国环境保护局(EPA)在2008年估算，在未来5年美国有36个州会面临严重的缺水。除此之外，在2001年，美国水利工程协会指出，只要减少全美15%的住宅用水，就可以大约每天节省27亿加仑，且每年可节省超过20亿美元。就此问题更进一步的是EPA较新的估算中指出，每年有超过1兆加仑的水从美国的家庭中渗漏出，这是平均家庭用水的10%。渗漏可以在磨损的水龙头或马桶阀门中，也可以是安装在起居用结构中的输管线的渗漏。大多数的消费者除了每月(或双月)水费账单上所示出的总使用量(它基于周期性的水表读数)以外，并没有可以精确测量住宅用水的机制。此外，由于家庭中水系统的渗漏对居住者而言并不明显，因此常常没有被发现。为了可以更好地保存水资源及防止渗漏，就必需让居住者知道从洗一批衣服到淋浴或冲马桶的每一种类型的用水活动所消耗的水量。之前被引导向对住宅用水量进行监测的方向上的工作产生了一种有许多缺陷的方法。例如，这种早先的方法使用压靠在住所中特定管线(包括冷水入口、热水入口、以及废水排出口)外侧的多个麦克风，以便基于使用水的模式(例如与洗碗机相关联的一系列加注周期)来展示对几种重要活动的识别。这种早先的技术不能可靠地区分多重情形的相似装配件的用水(例如在多个水槽中的每一个处打开或关闭阀门，或是对住宅中多个马桶冲水)，亦不能可靠地区别同时发生的多个活动(例如当有人在淋浴时冲马桶)，且不会试图去估算在这些水消耗活动中水系统所用掉的水量。而且环境噪音(例如靠近住宅的热水器上放置的传感器而安装的空调单元所产生的噪音)，对使用这些基于音频的传感器会造成很大的困难。另外，这种先前的方法无法感测特定装配件的渗漏。在许多的工业应用中(例如灌溉系统)会使用提供高精细度流速(flow rate)监测的传感器，但这些先前技术方法不是过于昂贵而无法用于居家使用(例如，单个超声波或激光多普勒测速传感器要大约2000美元到8000美元)，就是需要由管线工专业地安装多个在线流动传感器。一个在线流动传感器被通过切入到现有管线中的方式安装用于每个关注的装配件。在实验室中也示出出安装在管线外部上的多个加速度计产生与水流速具有很强的确定关系的一种信号，但这种效应对于管线的管径、材质和构形是高度敏感的。其他人亦提出使用住宅现有的总水量计与具有多个在管线上的加速度计的一个网络一起来推断住宅各处的流速。然而，所有这些先前技术方法都需要将多个传感器沿着唯一地与各个关注的装配件相关联的多个管线路径来放置或是放置在它们之中(即它们是不能使用一个单一传感器来监测一个结构的水系统中所有装配件的分布式的直接感测方法)。因此明显的是，可以希望采用一种更佳的方法及系统来低成本地并且无需专业的管线工而易安装地监测在住所或是多起居单元(multi-living unit)中的多个不同装配件中每一个的水流。这样的系统及方法应使每个装配件的用水量或体积流量能够被容易地确定。此外，还可以希望采取这样一种系统及方法来在特定装配件处或一个结构的水系统中的多个点处的检测渗漏，从而使得至少某些类型的渗漏可以被识别出，进而便于对导致了这种渗漏的条件进行改正。 概述本申请通过引用明确地结合了以上作为相关申请而说明的每个专利申请和已发布专利的披露内容及附图。如以下描述的，因此一种示例性的新颖的方法被开发出来用于对结构中分配系统的液体的流动进行监测。如在此使用的术语“结构”旨在不仅涵盖如房屋、多单元起居区(multi-unit living quarter)(如二联式公寓)、私人公寓(condominium)、连栋房屋 (townhouse)、公寓(apartment)、旅馆、汽车旅馆等起居结构，而且应该理解的是还包括任何具有用于分配液体的管线或导管的系统的设施，如用炼油厂、化学工厂、酿酒厂来列举几个实例而不具任何有意图的或隐含的限制性。这种示例性方法包括以下步骤，即监测在分配系统中的第一点处的液体压力，且响应于此，产生一个表示了分配系统中压力的输出信号。然后，在分配系统中发生的液体相关事件被基于压力的改变而检测到，例如由输出信号表示的瞬时压力波形。下一步，通过将该输出信号的特性和与事件的不同类型相关联的决定性(determinative)的指标进行比较，从多种事件的不同类型之中识别出已经检测到的一个液体相关事件的特定类型。典型地会有多个阀门连接至该分配系统。因此，检测多个液体相关事件的步骤可包括采用该输出信号来检测这些阀门中的一个或多个阀门的状态改变，S卩一个阀门打开得更多或关闭得更多。被识别出的这个阀门可以与连接至分配系统的多个不同装配件中的一个特定装配件相关联，这样使得这个特定装配件因此通过对该阀门的打开或关闭进行检测而被识别出来。这种方法可以进一步包括确定与这个特定装配件相关联的这个阀门是否通过关闭得更多或打开得更多而已经改变了状态。有些分配系统可能包括一个带有阀门的储液器(例如马桶的储箱)，如果在该储液器中液体的一个水平降到一个预定水平以下这个阀门就会自动打开。如果是这种情况的话，这种方法可包括以下步骤，即通过识别一个压力瞬时波形的多个特征来检测该储液器的一个渗漏，而该压力瞬时波形表示了一个周期，在该周期中，对液体进入该储液器的流动进行控制的这个阀门根据要求来打开和关闭以便再次加注该储液器从而替代从该储液器渗漏的液体。作为另一个功能，这种方法可以包括自动地确定作为该输出信号与用于该分配系统的一个预定的流阻(flow resistance)两者的一个函数的该分配系统中的一个体积流速的步骤。如果该分配系统包括多个布置在多个不同点处的多个阀门，则此方法可以包括以下多个步骤，即实验性地对该分配系统中的多个不同点中的每个点处的体积流速进行测量，而这些不同点从一个入口至该分配系统供应的距离是不同的；以及基于在该体积流速被测量时由该输出信号表示的在压力中的一个改变，确定用于该分配系统的在这些不同点中的每个点处的该预定流阻。然后，可以基于在这些不同点处测量到的该预定流阻，估算该分配系统中能够发生液体使用的多个其他点处的流阻。在某些应用中，液体分配系统可以包括一个在线(inline)液体体积流量检测器，例如为一个水表。在这种情况下，这种方法可以进一步包括以下步骤，即使用该在线液体体积流量检测器来依次确定该分配系统的多个不同点中的每个点处的一个体积流速。这个体积流速是随着在该点处的一个阀门被打开一段时间并且然后被关闭来测量的。然后，基于在该点处的阀门被打开时所测量的该体积流速，在这些不同点中的每个点处确定对于该分配系统的该预定流阻。通过使用该液体体积流量检测器来检测该分配系统中液体在一个延长的时间段中(在该延长的时间段中该分配系统中的这些阀门没有一个已经被检测到已经被打开)的一个流动，检测该分配系统中的一个相对低流量渗漏。由于没有液体会通过名义上是关闭的多个阀门，因此，测量到的任何流动必定是起因于这种缓慢的渗漏。识别已经被检测出的一个事件的特定类型的步骤可以包括以下这些步骤，即为被连接到该分配系统上的每个装配件确定一个预定的瞬时压力波特征，并且储存或以其他方式保存这些瞬时压力波特征。然后，将由该输出信号表示的一个瞬时压力波特征与被存储或保存的这些预定的瞬时压力波特征做比较，并且识别液体流动已经在其上改变的一个特定装配件，而这是通过对这个装配件具有与该输出信号所表示的该瞬时压力波特征最接近地相匹配的这个预定的瞬时压力波特征进行识别，并且基于该分配系统中这个特定装配件的位置来进行的。识别已经被检测到的一个液体相关事件的特定类型的步骤包括以下步骤，即将该输出信号分段以便基于该分配系统中多个压力改变来分离多个离散事件。然后，将检测到的每一个离散事件分类为一个阀门打开事件亦或一个阀门关闭事件。此外，将每一个阀门打开或关闭事件可以根据产生该阀门事件的一个特定装配件来分类。该分段步骤可以包括以下这些步骤，即对该输出信号进行滤波以便产生一个平滑的输出信号，并确定该平滑的输出信号的一个导数。然后，在一个滑动窗中分析该平滑的输出信号及其导数以便基于至少一个条件来检测一个阀门事件的开始。而这些可能的条件包括以下各项，其中该平滑的输出信号的导数超出相对于该分配系统中的静压力的一个预定的第一阈值，或者其中在该滑动窗中的最大压力值与最小压力值之间的差异超出相对于该分配系统中的静压力的一个预定的第二阈值。基于该平滑的输出信号的导数的一个符号的改变以及该导数中的一个改变的幅值，可以进一步分析该平滑的输出信号的导数以便检测一个阀门事件的结束。将每一个检测到的离散液体相关事件分类为一个阀门打开事件亦或一个阀门关闭事件的步骤可以基于发生从以下有多个条件的组中选定的一个条件，该组由以下各项组成(a)该平滑的压力在一个阀门事件的开始时与结束时的一个差异幅值超出一个相对于该分配系统中的静压力的第三预定阈值，其中该平滑的压力在该阀门事件的开始时与结束时之间的一个减少表示一个阀门打开事件，而该平滑的压力在该阀门事件的开始时与结束时之间的一个增加表示一个阀门关闭事件；或者，(b)基于该平滑的压力的导数在该阀门事件的开始时与该导数的一个第一极值之间的一个平均值，其中该导数的一个正的平均值表示一个阀门打开事件，而该导数的一个负的平均值表示一个阀门关闭事件。这种方法可以包括以下步骤，即使用一个基于模版的分离器来使得多个阀门打开或阀门关闭事件与多个特定装配件相关联。在这种情况中，选择了与该输出信号的这些特征据有最大相关性的一个模版，并且识别已经检测到一个事件的该装配件。这种选择是在根据多个互补的距离量度标准对能够用于该分类器的多个可能的模版进行筛选之后做出的。这些量度标准可以包括一个匹配滤波器距离量度标准、一个匹配导数滤波器距离量度标准、一个匹配实倒频谱滤波器距离量度标准、以及一个均方误差滤波器距离量度标准。 这种方法可以进一步包括一下步骤，即基于在训练数据中提供的这些互补的距离量度标准来确定多个阈值用于执行这些可能的模版的筛选步骤。若对应于多个不同装配件的多个模版通过了所有这些滤波器，则基于一个单一距离量度标准(该单一距离量度标准在用于这些装配件的训练数据中表现最佳)而可以由这些滤波器中选择一个滤波器。这个选择的滤波器然后可以被实用在对已经检测到一个事件的该装配件进行的识别中。这种方法可以任选地包括以下步骤，即监测该分配系统中一个第二点处的压力， 从而产生另一个输出信号。这个第二点与第一点是间隔分开的。然后，部分地基于该第一点处的输出信号与该第二点处的输出信号之间的一个时间差，可以检测该分配系统中发生的这些液体相关事件。而且，部分地基于该时间差，从这些事件的不同类型中识别已经检测到的该液体相关事件的特定类型。另一个任选项是对分配系统中的液体施加一个瞬时压力脉冲(例如，通过反转偏置这个压力传感器)，并检测对应于该瞬时压力脉冲在该分配系统中的反射的一个压力脉冲波形。检测一个压力脉冲波形，它对应于分配系统中的瞬时压力脉冲的一个反射。基于该压力脉冲波形的多个特征，可以确定以下各项中的一个或多个项，即瞬时压力脉冲以及压力脉冲波形通过该分配系统的一个路径、分配系统中液体流动的一个表示、和/或这些分配系统中阀门的一个或多个阀门的状态。本披露以及多个权利要求的另一个方面被指向一种包括机器可读取并且可执行指令的媒质，用于在这些机器可读取并且可执行指令被一个处理器执行时，执行在对一个结构内的分配系统中的液体进行监测中被采用的多个功能。这些功能大致上与以上讨论的示例性方法一致。又另一个方面被指向一种示例性装置用于对一个结构中的一个分配系统中的液体的流动进行监测。该装置包括压力传感器，它被适配为连接至分配系统以便感测分配系统中的压力，并适配为然后产生表示该压力的一个模拟信号。如在此使用的，术语“压力传感器”旨在广义地被理解为包括对在管线或导管中的液体压力现象做出反应的任何传感器，而不具任何有意图的或隐含的限制性；传感器例如为压阻式传感器、应变计(strain gauge)或检测隔层(diaphragm)机械弯曲的其他传感器、微型机电系统 (microelectromechanical system, MEMS)传感器、光纤干涉式传感器、电容式传感器(例如对于压力所导致的非导电距离的改变进行响应)、声学传感器，以及振动式传感器(例如对压力波形进行响应的加速度计)。提供了一个连接器并且该连接器被确定尺寸用于将压力传感器连接至结构中的一个装配件(例如水龙头接头)。使用了一个模数转换器来将来自压力传感器的模拟信号转换为数字信号。一个微控制器被连接至这个模数转换器以便接收数字信号并且控制该数字信号的获取以及处理该数字信号以便产生一个输出信号用于基于由该输出信号所表示的压力中的多个改变来检测一个分配系统中发生的多个事件。该输出信号被用于从多个事件的不同类型中识别一个事件的特定类型。可以包括一个通信链接用于将输出信号连接至计算装置以便对输出信号做进一步处理。本披露以及以下多个权利要求的又另一个方面被指向一个示例性系统用于监测一个结构中的一个分配系统中液体的流动。该系统包括与上述装置总体一致的多个部件，且还包括一个计算装置。该计算装置包括储存了多个机器可执行指令的一个存储器，以及连接至该存储器用于执行这些机器可执行指令的一个处理器。当压力传感器连接到一个分配系统时，执行该些机器可执行指令致使该处理器实现多个功能。这些功能总体上与以上讨论的方法的这些步骤一致。本概述已经被提供以便以一种简化的方式来引入以下在说明书中被详细描述的几个概念。然而，本概述并不旨在对所要求的主题事项的关键点或重要特征进行区分，它也不旨在帮助确定所要求的主题事项的范围。
附图一个或多个示例性实施方案及对其的修改的多个不同方面及伴随的优点将变得更加易于理解，这是由于在结合附图时通过参考以下详细说明其变得更佳地被理解，在附图中
图1为双卧室双浴室居住结构中的基本水系统的示例性示意图，示出本新颖方法如何能够被安装在一个单点处(例如一个外部软管接头水龙头)来在结构中多个装配件处的不同的活动中监测用水，并检测该水系统中可能发生的渗漏；图2A为一个示例性图表，示出使用本新颖方法在阀门打开事件过程中检测到的特性压力(PSi)对时间(秒)的响应，这被识别为居住结构中厨房水龙头的打开；图2B为一示例性图表，示出使用本新颖方法在阀门打开事件过程中检测到的特性压力(Psi)对时间(秒)的响应，这被识别为图2A中被打开的这个厨房水龙头的关闭；图3为用于本新颖方法的一个示例性实施方案中的压力传感器及控制器的功能框图，其中采用一种蓝牙无线电来将表示压力的输出信号传输至计算装置用于进一步处理和分类；图4为与试验了本新颖方法的九个居住结构相关的综合数据的图表；图5为对于水龙头、马桶以及浴缸对应地展示了示例性阀门打开和关闭压力波 (压力对时间)的三个图表，其中对应装配件处的阀门被打开，维持打开状态一段时间，然后被关闭；图6为一个示例性表格，展示了本新颖方法在图4的九个居住结构的试验中，装配件阀门打开及装配件阀门关闭事件被正确识别出的百分率；图7为一个示例性表格，展示了图6结果的一种不同的看法，其中装配件阀门打开及关闭事件被正确识别出的百分率被针对居住结构中每种类型的装配件而展示；图8为一个示例性表格，展示了使用本新颖方法来确定的、图4这些试验居住结构中的四个的打开的阀门的流速的误差数据；图9为一个示例性图表，示出了图4试验居住结构中的四个的打开的阀门的流速对采样编号的平均误差；图10为多个发生在水系统中的重叠事件的压力对时间的示例性图表，其中用于淋浴、马桶和水龙头的多个阀门在多个重叠时间段过程中打开，从而展示了本新颖方法能够检测出每个事件以及每个发生事件的装配件；图11为一个逻辑流程图，展示了可用于本新颖方法来对装配件/阀门事件进行检测的示例性步骤；图12为一个逻辑流程图，展示了可用于根据本新颖方法对阀门事件进行分类的示例性步骤；图13A展示了来自布置在一个结构的水系统上不同点处的两个压力传感器的原始输出信号，从而展示了对于一个共同的装配件事件的这些输出信号间之间的时间延迟；图13B展示了使图13A这两个原始输出信号中的每一个通过一个13Hz低通滤波器得到的波形，从而清楚地示出了由于从该装配件到每个压力传感器的传播路径不同而产生的两个波形之间的时间位移；图14A表示了被用作探针信号的一个主动压力信号，其中这个主动压力信号是由压力转换器产生的并且被引入到一个结构的水系统中，这样使得这个主动压力信号在这些管线中传播；图14B为图14A主动压力信号结束一段短暂的时间后的从水系统管线系接收的一个反射压力信号；以及图15为一个总体上常规的计算装置的示例性功能框图(如个人计算机)，该计算装置对于处理来自压力传感器的输出信号以及本新颖系统的控制器是可用的。
说明书
图示及披露的实施方案不是限制的在附图的多个参考图示中展示了多个示例性实施方案。在此披露的这些实施方案和图示旨在被展示性地而非限制性地考虑。没有任何对后文的技术范围和权利要求范围的限制会被附加在附图中示出的这些实例上并且会在此被讨论。
用于监测用水的示例件系统
多数的现代住所都连接到公共供水或是连接到在压力下将水提供至这个住所中的水系统的一个私人的水井。公共设施(public utility)依靠重力和多个泵送站以足够满足水在由这个设施供水的每个住宅或其他类型的结构中流动的要求的一个水压来通过主管网(mains)分配水。住所以较小的服务管线连接至主管线，且典型地会有水表布置在这个连接处或其附近。靠近这个水表的一个回流阀门防止了水从这个结构流回到主管线中。使用私人水井的住宅使用一个泵来将水抽出地面并且进入这个住宅中的一个小型集获空气压力储箱(captive air pressure tank)中，水被在压力下储存于在这个储箱中，这样使得这个泵无需在水系统的阀门打开时持续运转。
图1描绘了用于具有双浴室的结构的一个典型的住所水系统20。冷水通过连接至供水主管网(或是私人水井)的服务管线22进入，取决于像这个住宅的高度及其到一个蓄水池或泵送站的靠近程度这样的因素(或在私人水井是水源的情况下的其他因素)典型地是以 50磅每平方英寸至100磅每平方英寸(psi)。许多住宅临近水表26处具有一个压力调节器24，这个压力调节器用于保护住宅使其不受可能由主管线传来的瞬时变化(transient) 或压力尖峰(pressure spike)影响，并且还将进入水压降至对于家用装配件和装置而言是安全的水平上。在这个调节器的下游处，在典型的住所管线布置中会发现有两种基本布局，即串连竖直的(series plumbed)和分枝的。几乎所有的多装配件住宅都具有这两种布局的一个组合。冷水供管线42分枝至这些单独的装配件(例如以便向马桶、洗手池以及淋浴供水)并提供冷水至热水器36的供给入口。传统的热水器在一个隔离的储箱中用电阻元件或是燃烧气体的燃烧器(均未示出)将水加热。当使用热水时，随着冷水再次加注这个储箱，来自冷水供应管线的压力持续迫使热水从热水储箱中通过一个热管线44。每个热水储箱都有一个泄压阀门(未示出)以便防止因过量的过度加热以及作为其结果的蒸汽压力而导致的可能的爆炸；并且还有一个排水阀门40，该排水阀门对于维护是重要的，这是因为热水器每一年至少应排水一次以便将矿物沉积物冲掉并且提高运作效率。许多住宅还有一个集获空气热膨胀储箱38 (captive air thermal expansion tank)靠近热水器的冷水供应入口而连接，如果这个系统在水表处包括一个回流阀门并且因此为“封闭系统”。热膨胀储箱38在热水从热水储箱被汲出后，容纳在热水器中被加热的冷水的热膨胀。替代保留加热的水的一个热水储箱直至有需要时的是，有些结构使用无储箱热水器来在冷水穿过一个热交换器是通过对这些冷水进行快速加热而按照需要提供热水，从而使用由电阻元件或气体燃烧器产生的热能。这两种类型的用于加热水的装置建立了冷水与热水线路之间的一种连接，且在本方法中监测到的压力波动是通过这两种热水器来对水系统的冷水及热水部分二者传播的。在此实例中，压力传感器30被螺纹紧固到一个外部水龙头接头32上。这个水龙头上的阀门是打开的，这样使得压力传感器能够响应于结构中水系统的压力而产生对应的一个信号，这个信号作为输出信号被处理和传送至计算装置，以下会更详细的描述。在这个结构的第一浴室中连接到该水系统上的是第一马桶46、具有冷水阀门48a 及热水阀门48b的第一浴室洗手池、以及具有热水阀门及冷水阀门二者(均未示出)的浴缸50。厨房包括具有冷水阀门52a及热水阀门52b的一个厨房洗手池，以及一个洗碗机 54 (具有热水及冷水的机电螺线管阀门-均未示出)。在第二浴室中的是一个淋浴56 (具有热水及冷水阀门-未示出)、具有冷水阀门58a及热水阀门58b的第二洗手池、以及第二马桶60。这个结构进一步包括一个洗衣机62，该洗衣机也包括对来自该水系统的热水及冷水流动的多个机电螺线管阀门。
识别水装配件该水系统形成一个封闭回路压力系统，其中在水系统中没有水在流动时，水在整个管线系中被维持在一个稳定的压力上。具有压力调节器的结构会维持基本上稳定的压力，除非供给压力降至调节器的设定点以下。没有压力调节器的结构可能会偶尔经历在水压上有不大的改变，这是取决于邻居在主供给线上的需求，这种改变被检测为一个结构的水系统中的水压的波动。
当一个阀门打开或关闭时(不论它是浴室或厨房的水龙头、或是洗碗机或洗衣机的机电螺线管阀门)，会发生一个压力改变，且会在水系统中产生一个瞬时压力波脉冲(如对应地示出在图2A和图2B的图表100和图表102的)。瞬时压力是一种波的现象，其起因于一个管线中水的速度的快速改变(类似于动力线上的电瞬间变化)。这种瞬时压力波会在一个阀门被快速打开或关闭时发生，其常被称为“浪涌”或“7jC锤”，并且在压力振波行进通过管线时，有时可以产生一种锤击声或是可以听到的噪音。瞬时压力浪涌的幅值既不取决于工作压力且远大于工作压力。这种瞬时压力脉冲可以是正的亦或负的，这取决于压力改变率的正或负(即阀门在水系统中是否是正被打开还是正被关闭)。如洗碗机或洗衣机的应用控制它们的机电螺线管阀门，所以它们会快速地改变状态并且因此经常产生显著的水锤。相比之下，相当缓慢地被打开或关闭的水龙头阀门只产生较小的水锤脉冲。
流动的突然改变可以危险地产生超出住所管线的安全工作压力限制的高瞬时变化。热膨胀储箱38 (图1)提供一些(但非全部)对这些瞬时变化的抑制(dampening)。在一些水系统中，充满空气的立管被邻近地安装到洗碗机或洗衣机的输入线路上以便提供对这些瞬时变化的抑制。大多数阀门的状态改变都表现为无害的水锤脉冲，但这可以被安装在水系统上的一个压力传感器检测到。水锤波形会典型地持续几秒钟，这是由于这种瞬时压力波会通过这些管线来回振荡。使用本方法，就能够在水系统内的任何地方(即便安装了抑制器)检测到这种水锤效应，因此使得能够实现对于整个水系统中的效应的单点感测。
本方法依靠以下事实是，对于一个具体的装配件而言，被感测到的独特的压力瞬时变化或水锤特征取决于阀门类型及其在这个结构的水系统中的位置。本方法检测一个事件的位置的能力提供了很强的识别力，从而使其有可能在同型号的两个装配件之间(例如，在房屋中在这些相同马桶中的两个处发生的事件之间)并且甚至在同一个装配件的两个阀门之间(例如在一个洗手池的热水阀门及冷水阀门之间)进行区分，这是因为它们的压力波脉冲在到达压力传感器之前行经不同的路径通过水系统的底管线基础结构。压力下降和导致的压力震波的幅值取决于压力传感器到事件源头的相对位置，但特征的形状并不会改变。如下讨论的，还考虑到的是在该水系统中的多个不相关的点处安装多个压力传感器，这样使得由这些压力传感器感测到的多个瞬时压力波形之间的时间差可以提供附加的有用信息来识别一个事件以及与该事件相关联的这个装配件的位置。 对流动讲行估算压力的改变以及压力瞬时变化的速率着手使得阀门打开及阀门关闭事件能够精确地检测到。压力还可以被用来测量水系统的流速，这与电路类似，在电路中知道阻抗 (即导致水流阻力的管线的限制、弯曲等)以及电压的改变(即压力)就能够确定电流 (即流速)。流速通过泊肃叶定律((Poiseuille’ s Law)，也称哈根-泊肃叶等式 (Hagen-Poiseuille equation))与压力改变相关联，泊肃叶定律说明了一个管线中液体的体积流速Q是取决于该管线的半径r、该管线的长度L、液体的粘度μ以及压力降ΔΡ:
权利要求
1.一种用于监测在结构中分配系统内的液体流动的方法，该方法包括以下步骤(a)监测该分配系统中的一个第一点处的液体压力，从而产生一个输出信号，这个输出信号表示该分配系统中的压力；(b)基于由该输出信号所表示的压力中的多个改变，检测在该分配系统中发生的多个液体相关事件；并且(c)从多个事件的不同类型中，通过对该输出信号的多个特征与和这些事件的不同类型相关联的多个决定性指标进行比较，识别出一个已经被检测到的液体相关事件的一个特定类型。
2.如权利要求1所述的方法，其中多个不同阀门被连接至该分配系统，并且其中该检测多个液体相关事件的步骤包括以下步骤，即采用该输出信号用于对包括在这些不同的阀门中的一个阀门的一个状态的改变进行检测，该阀门的状态的这种改变在该阀门打开得更多或关闭得更多时发生。
3.如权利要求2所述的方法，其中这些不同阀门中的一个或多个阀门是与被连接至该分配系统的多个不同装配件中的一个特定装配件相关联的，该方法进一步包括以下步骤， 即识别已经改变状态的该阀门与之相关联的一个特定装配件。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤，即确定与该特定装配件相关联的该阀门是否通过关闭得更多或通过打开得更多而已改变状态。
5.如权利要求3所述的方法，其中该分配系统包括带有一个阀门的一个储液器，如果该储液器中的液体水平降到一个预定水平之下该阀门就会自动打开；该方法进一步包括以下步骤，即通过识别一个压力瞬时波形的多个特征来检测该储液器的渗漏，而该压力瞬时波形表示了一个周期，在该周期中，对液体进入该储液器的流动进行控制的该阀门按照要求来打开和关闭以便再加注该储液器从而替代从该储液器中渗漏的液体。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤，即自动地确定作为该输出信号与用于该分配系统的一个预定的流阻的一个函数的该分配系统中的一个体积流速。
7.如权利要求6所述的方法，其中该分配系统包括布置在多个不同点处的多个阀门， 该方法进一步包括以下步骤(a)实验性地测量该分配系统中的多个不同点中的每个点处的体积流速，而这些不同点距该分配系统供应的一个入口的距离是不同的；并且(b)基于在该体积流速被测量时由该输出信号表示的在压力中的一个改变，确定在这些不同点中的每个点处的对于该分配系统的预定流阻。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤，即基于在这些不同点处测量的预定流阻，估算该分配系统中可发生液体使用的每个其他点处的流阻。
9.如权利要求6所述的方法，其中该液体分配系统包括一个在线液体体积流量检测器，该方法进一步包括以下步骤(a)使用该在线液体体积流量检测器来依次确定在该分配系统中的多个不同点的每个点处的、当在该点处的一个阀门被打开一段时间并且然后被关闭时的一个体积流速；并且(b)基于在该点处的阀门被打开时所确定的用于该点的这个体积流速，确定这些不同点中的每个点处的对于该分配系统的该预定流阻。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤，S卩检测该分配系统中的一个相对低流量的渗漏，这是通过使用该液体体积流量检测器来检测该分配系统中液体在一个延长的时间段中的一个流动来进行的，而在该延长的时间段中，这些分配系统中的这些阀门中没有一个阀门已经被检测到已被打开。
11.如权利要求1所述的方法，其中该识别已经被检测出的这些事件的一个特定类型的步骤包括以下步骤(a)为连接至该分配系统的每一个装配件确定一个预定的瞬时压力波特征；(b)储存这些预定的瞬时压力波特征；(c)将由该输出信号表示的一个瞬时压力波特征与这些预定的瞬时压力波特征进行比较；并且(d)识别液体流动在其上已经改变的一个特定装配件，而这是通过对该装配件具有与该输出信号所表示的该瞬时压力波特征最接近地相匹配的该预定的瞬时压力波特征进行识别、并且基于该分配系统中该特定装配件的位置来进行的。
12.如权利要求1所述的方法，其中该识别已经被检测到的一个液体相关事件的特定类型的步骤包括以下步骤(a)基于该分配系统中多个压力改变将该输出信号分段以便分离多个离散事件；(b)将检测到的每一个液体相关事件分类为一个阀门打开事件亦或一个阀门关闭事件，其中该阀门打开事件对应于一个阀门打开得更多，而一个阀门关闭事件对应于一个阀门关闭得更多；并且(c)将每一个阀门打开或关闭事件根据产生该阀门事件的一个特定装配件来分类。
13.如权利要求12所述的方法，其中该分段步骤包括以下步骤(a)对该输出信号进行滤波以便产生一个平滑的输出信号；(b)确定该平滑的输出信号的一个导数；(c)在一个滑动窗中分析该平滑的输出信号及其导数以便基于从包括多个条件的组中选定的至少一个条件来检测一个阀门事件的开始，该组由以下各项组成(i)该平滑的输出信号的导数超出相对于该分配系统中的静压力的一个预定的第一阈值；以及( )在该滑动窗中的最大压力值与最小压力值之间的一个差异超出相对于该分配系统中的静压力的一个预定的第二阈值；以及(d)基于该平滑的输出信号的导数的一个符号的改变以及该导数中的一个改变的幅值，分析该导数以便检测一个阀门事件的结束。
14.如权利要求13所述的方法，其中将每一个检测到的液体相关事件分类为一个阀门打开事件亦或一个阀门关闭事件的步骤包括基于从多个条件的组中选定的至少一个条件来将该离散事件分类为一个阀门打开事件或一个阀门关闭事件，该组由以下各项组成(a)该平滑的输出信号在一个阀门事件的开始时与结束时的一个差异幅值超出一个第三预定阈值，其中该平滑的输出信号在该阀门事件的开始时与结束时之间的一个减少表示一个阀门打开事件，而该平滑的输出信号在该阀门事件的开始时与结束时之间的一个增加表示一个阀门关闭事件；以及(b)该平滑的输出信号的导数在该阀门事件的开始与该导数的一个第一极值之间的一个平均值，其中该导数的一个正的平均值表示一个阀门打开事件，而该导数的一个负的平均值表示一个阀门关闭事件。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括使用一个基于模版的分类器来使多个阀门打开和阀门关闭事件与多个特定装配件相关联。
16.如权利要求15所述的方法，其中使用该基于模版的分类器的步骤包括在根据多个互补的距离量度标准对能够用于该分类器的多个可能的模版进行筛选之后，选择一个具有最大相关性的模版，以便识别已经检测到一个事件的该装配件的步骤，这些互补的距离量度标准包括从多个距离量度标准的组中选定的至少一个距离量度标准，该组由以下各项组成(a)匹配滤波器距离量度标准；(b)匹配导数滤波器距离量度标准；(c)匹配实倒频谱滤波器距离量度标准；以及(d)均方误差滤波器距离量度标准。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤，即基于在训练数据中提供的这些互补的距离量度标准，确定多个阈值用于执行筛选这些可能的模版的步骤。
18.如权利要求16所述的方法，其中若对应于多个不同装配件的多个模版通过了所有这些滤波器，则该方法进一步包括以下步骤，即基于一个单一距离量度标准由这些滤波器中选择一个滤波器用于对已经检测到一个事件的装配件进行识别，而该单一距离量度标准在用于该装配件的训练数据中表现最佳。
19.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤(a)监测该分配系统中与该第一点分开的一个第二点处的液体压力，从而产生另一个输出信号；(b)部分地基于该第一点处的输出信号与该第二点处的输出信号之间的一个时间差， 检测该分配系统中发生的这些液体相关事件；以及(c)部分地基于该时间差，从这些事件的不同类型中识别已经检测到的该液体相关事件的特定类型。
20.如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤(a)对该分配系统的液体施加一个瞬时压力脉冲；(b)检测一个压力脉冲波形，该压力脉冲波形对应于该瞬时压力脉冲在该分配系统中的一个反射；以及(c)基于该压力脉冲波形的多个特征，确定以下各项中的至少一项(i)该瞬时压力脉冲以及该压力脉冲波形通过该分配系统的一个路径；( )在该分配系统中的液体流动的一个表示；以及(iii)该分配系统中这些阀门之中一个或多个阀门的状态。
21.一种包括机器可读取并且可执行指令的媒质，这些机器可读取并且可执行指令在被一个处理器执行时，用于实现在对一个结构内的分配系统中的液体进行监测中所采用的多个功能，这些功能包括(a)接收并处理表示了该分配系统中的压力的一个输出信号；(b)基于由该输出信号表示的压力中的多个改变，检测在该分配系统中发生的多个液体相关事件；以及(C)通过对该输出信号的多个特征与和多个事件的不同类型相关联的决定性指标进行比较，从这些事件的不同类型中识别已被检测出的一个液体相关事件的一个特定类型。
22.用于监测一个结构中的分配系统中液体的流动的装置，该装置包括(a)一个压力传感器，该压力传感器被适配为连接至一个分配系统以便感测该分配系统中的一个压力、并被适配为然后产生表示该压力的一个模拟信号；(b)一个连接器，其尺寸被确定为用于将该压力传感器连接至一个结构中的一个装配件上；(c)一个模数转换器，用于将来自该压力传感器的模拟信号转换为一个数字信号；(d)一个微控制器，该微控制器被连接至该模数转换器以便接收该数字信号，用于控制该数字信号的获取并用于处理该数字信号以便产生一个输出信号用于基于由该输出信号表示的压力中的多个改变来检测一个分配系统中发生的多个事件，并且该输出信号被用于从多个事件的不同类型中识别一个事件的特定类型；以及(e)一个通信链接，用于将该输出信号连接至一个计算装置。
23.一种用于监测结构中的分配系统中液体流动的系统，该系统包括(a)一个第一压力传感器，它被适配为连接至一个分配系统以便感测该分配系统中液体的一个压力；(b)一个控制器，它被连接至该压力传感器，该控制器控制该压力传感器的压力感测并提供一个输出信号，该输出信号表示了由该压力传感器感测到的该压力；以及(c)一个通信链接，它被连接至该控制器以便接收该输出信号，并将该输出信号传输至一个计算装置，其中该计算装置包括(i) 一个存储器，其中储存了多个机器可执行指令；以及( ) 一个处理器，它被连接至该存储器用于执行这些机器可执行指令，这致使该处理器在该压力传感器连接到一个分配系统时实现多个功能，这些功能包括(A)基于由该输出信号表示的压力中的多个改变，检测该分配系统中发生的多个液体相关事件；以及(B)通过对该输出信号的多个特征与和多个事件的不同类型相关联的决定性指标进行比较，从这些事件的不同类型中识别已被检测出的一个液体相关事件的特定类型。
24.如权利要求23所述的系统，进一步包括(a)一个模数转换器，用于将由该压力传感器产生的一个模拟信号转换为一个对应的数字信号，该对应的数字信号被输入该控制器；以及(b)一个连接器，用于将该压力传感器连接至一个结构中的分配系统。
25.如权利要求24所述的系统，其中该偶联器包括一个母连接部，该母连接部是有螺纹的以便被可移除的附接至一个分布系统中的装配件上。
26.如权利要求23所述的系统，其中当该压力传感器被连接至具有多个不同阀门的一个分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步使得该处理器用该输出信号来检测这些阀门中所包括的一个阀门的状态改变，其中该状态改变是发生在该阀门打开得更多或关闭得更多时。
27.如权利要求26所述的系统，其中当该压力传感器被连接至一个分配系统，而在该分配系统中这些不同阀门中的一个或多个的阀门与来自多个不同装配件中的一个特定装配件相关联时，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器识别该已改变状态的阀门与之相关联的该特定装配件。
28.如权利要求27所述的系统，其中当该压力传感器被连接到一个分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步使得该处理器确定与该特定装配件相关联的该阀门是否通过关闭得更多或打开得更多而已经改变了状态。
29.如权利要求28所述的系统，其中当该压力传感器被连接到包括一个储液器的一个分配系统上，该储液器具有一个阀门，如果在该储液器中液体的水平降到一个预定水平以下该阀门会自动打开时，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器通过识别一个压力瞬时波形的多个特征来检测该储液器的渗漏，而该压力瞬时波形表示了一个周期，在该周期中，控制液体进入该储液器的流动的阀门根据要求打开及关闭以便再次加注该储液器从而替代从该储液器渗漏的液体。
30.如权利要求23所述的系统，其中当该压力传感器被连接到该分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步使得该处理器确定作为该输出信号与用于该分配系统的一个预定流阻的函数的该分配系统中的一个体积流速。
31.如权利要求30所述的系统，其中当该压力传感器被连接到一个分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下步骤(a)实验性地对该分配系统中多个不同点中的每个点处的体积流速进行测量，而这些不同点在从一个入口至该分配系统供应的距离是不同的；并且(b)基于在该体积流速被测量时由该输出信号表示的在压力中的一个改变，确定用于该分配系统的在这些不同点中的每个点处的预定流阻。
32.如权利要求31所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器基于在这些不同点处测量到的预定流阻来估算在该分配系统中能够发生液体使用的多个其他点处的流阻。
33.如权利要求30所述的系统，其中该液体分配系统包括一个在线液体体积流量检测器，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下步骤(a)使用该在线液体体积流量检测器来依次确定该分配系统中多个不同点中的每个点处随着在该点处的一个阀门被打开一段时间并且然后被关闭的一个体积流速；并且(b)基于在该点处的阀门被打开时所确定的该体积流速，确定用于该分配系统中这些不同点中的每个点处的预定流阻。
34.如权利要求30所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行检测该分配系统中的一个相对低流量渗漏，这是通过使用该液体体积流量检测器来检测该分配系统中液体在一个延长的时间段中的一个流动来进行的，而在该延长的时间段中，该分配系统中的这些阀门中没有一个阀门已经被检测到已经被打开。
35.如权利要求23所述的系统，其中当该压力传感器被连接到一个分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下步骤(a)为被连接到该分配系统上的每个装配件确定一个预定的瞬时压力波特征；(b)储存这些预定的瞬时压力波特征；(c)将由该输出信号表示的一个瞬时压力波特征与这些预定的瞬时压力波特征做比较；并且(d)识别液体流动已经在其上改变的一个特定装配件，而这是通过对该装配件具有与该输出信号所表示的该瞬时压力波特征最接近地相匹配的该预定的瞬时压力波特征进行识别、并且基于该分配系统中该特定装配件的位置来进行的。
36.如权利要求23所述的系统，其中当该压力传感器被连接到一个分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下步骤(a)将该输出信号分段以便基于该分配系统中多个压力改变来分离多个离散事件；(b)将检测到的每一个液体相关事件分类为一个阀门打开事件亦或一个阀门关闭事件，其中一个阀门打开事件对应于一个阀门打开得更多，而一个阀门关闭事件对应于一个阀门关闭得更多；并且(c)将每一个阀门打开或关闭事件根据产生该阀门事件的一个特定装配件来分类。
37.如权利要求36所述的系统，其中当该压力传感器被连接到一个分配系统时，该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下步骤(a)对该输出信号进行滤波以便产生一个平滑的输出信号；(b)确定该平滑的输出信号的一个导数；(c)在一个滑动窗中分析该平滑的输出信号及其导数以便基于从包括多个条件的组中选定的至少一个条件来检测一个阀门事件的开始，该组由以下各项组成(i)该平滑的输出信号的导数超出相对于该分配系统中的静压力的一个预定的第一阈值；以及( )在该滑动窗中的最大压力值与最小压力值之间的一个差异超出相对于该分配系统中的静压力的一个预定的第二阈值；并且(d)基于该平滑的输出信号的导数的一个符号的改变以及该导数中的一个改变的幅值，分析该导数以便检测一个阀门事件的结束。
38.如权利要求37所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器基于从多个条件的组中选定的一个条件的发生来将每个离散事件分类为一个阀门打开事件或一个阀门关闭事件，该组由以下各项组成(a)该平滑的压力在一个阀门事件的开始时与结束时的一个差异幅值超出一个第三预定阈值，其中该平滑的压力在该阀门事件的开始时与结束时之间的一个减少表示一个阀门打开事件，而该平滑的压力在该阀门事件的开始时与结束时之间的一个增加表示一个阀门关闭事件；以及(b)该平滑的压力的导数在该阀门事件的开始时与该导数的一个第一极值之间的一个平均值，其中该导数的一个正的平均值表示一个阀门打开事件，而该导数的一个负的平均值表示一个阀门关闭事件。
39.如权利要求36所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器使用一个基于模版的分类器来使多个阀门打开和阀门关闭事件与多个特定装配件相关联。
40.如权利要求39所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器在根据多个互补的距离量度标准对能够用于该分类器的多个可能的模版进行筛选之后，选择一个具有最大相关性的模版，以便识别已经检测到一个事件的装配件，这些互补的距离量度标准包括从多个距离量度标准的组中选定的至少一个距离量度标准，该组由以下各项组成(a)匹配滤波器距离量度标准；(b)匹配导数滤波器距离量度标准；(c)匹配实倒频谱滤波器距离量度标准；以及(d)均方误差滤波器距离量度标准。
41.如权利要求40所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器基于在训练数据中提供的这些互补的距离量度标准来确定多个阈值用于执行这些可能的模版的筛选步骤。
42.如权利要求40所述的系统，其中若对应于多个不同装配件的多个模版通过了所有的滤波器，则该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器基于一个单一距离量度标准由这些滤波器中选择一个滤波器用于对已经检测到一个事件的该装配件进行的识别，而该单一距离量度标准在用于该装配件的训练数据中表现最佳。
43.如权利要求23所述的系统，进一步包括一个第二压力传感器，该第二压力传感器被适配为在一个第二点处连接至一个分配系统，该第二点与该第一压力传感器被连接的该第一点间隔分开，以便感测该分配系统中在该第二点处的一个压力，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下进一步的多个功能，这些功能包括(a)部分地基于该第一点处的输出信号与该第二点处的一个输出信号之间的一个时间差，检测该分配系统中发生的这些液体相关事件；以及(b)部分地基于该时间差，从这些事件的不同类型中识别已经检测到的该液体相关事件的特定类型。
44.如权利要求26所述的系统，其中该处理器执行这些机器指令进一步致使该处理器执行以下各项(a)对该压力传感器供能以便对该分配系统中的液体施加一个瞬时压力脉冲；(b)接收并处理由该压力传感器响应于一个压力瞬时脉冲波形而产生的一个输出信号，而该压力瞬时脉冲波形对应于该瞬时压力脉冲在该分配系统中的一个反射，其中该输出信号的处理确定了该压力脉冲波形的多个特定的特征；以及(c)基于该压力脉冲波形的这些特征，确定以下各项中的至少一项(i)该瞬时压力脉冲以及该压力脉冲波形通过该分配系统的一个路径；( )在该分配系统中的液体流动的一个表示；以及(iii)该分配系统中这些阀门之中一个或多个阀门的状态。
全文摘要
通过仅使用一个单一的传感器来对一个液体分配系统中液体的压力瞬时变化进行监测，可容易地检测到多个事件，如在多个特定装配件处阀门的打开或关闭。可以被容易地连接至水龙头接头上的传感器将一个输出信号传输至一个计算装置。基于对压力瞬时波形的特性特征与先前在该系统中观察到的多个事件的特性特征进行比较，该装置可以识别每一个此类事件。这些特性特征(它们可以包括该压力瞬时波形的变化的压力、导数以及实倒频谱)可以被用来选定一个特定装配件，其中已经发生了阀门的打开或关闭事件。从该压力瞬时信号中还可以来确定到每个装配件的液流以及该系统中的渗漏。布置在与第一传感器分离的一个点处的一个第二传感器提供进一步的事件信息。
文档编号G01M3/00GK102460104SQ200980160818
公开日2012年5月16日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年6月11日
发明者E·C·拉森, J·A·福格蒂, J·E·�：绽�, S·N·帕特尔 申请人:华盛顿大学
专业数控铣床产品供应商
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