CN105318919A - 流量传感器 - Google Patents

Abstract

用于测量含离子流体的流量的流量传感器可以使用机械或电学技术来实现。机械流量传感器具有移动部件，并因此在一定时间之后变得不可靠并制造成本高。霍尔效应型流量传感器典型地需要可翻转磁场来补偿电化学效应。包括这种传感器的流量计使用电磁体。描述了一种流量传感器(100)，该流量传感器使用电容性传感器(10)和处理器(12)，根据电容和磁场变化来确定流率。这样的流量传感器可以使用CMOS技术来实现。流量传感器可以在永磁体产生的磁场中操作并且可靠地测量流量。

Description

流量传感器

技术领域

本发明涉及用于测量流体的流率的流量传感器。

背景技术

用于例如测量水流率的流体流量计使用广泛并且基于不同的物理工作原理而操作。一类流量计被称作磁流量计，并且依赖于洛伦茨力原理，对承载包含离子的流体的通道施加磁场。与流动方向正交的磁场位移或分离流体中的正离子(阳离子)和负离子(阴离子)。这在通道上引起与流体流量成比例的电势差。该电势差可以由在通道任一侧处的传感器电极检测作为DC测量。形成通道的材料必须是绝缘体，使得可以检测到电势差。由于流体流量难以确定，电极处的电化学和其他效应可以引起电势差漂移并因此导致电势差分量。这可以通过使用电磁铁并持续使磁场反转来消除。然而，这仅可以在相对较低频率下进行，原因在于频率越高，洛伦茨力对离子的作用越难以测量。

发明内容

本发明的各个方面在所附权利要求中限定。在第一方面中，描述了一种用于检测通道中含离子流体的流率的流量传感器，该流量传感器包括：电容性传感器以及耦接至电容性传感器的处理器，并且其中电容性传感器可操作于检测由于磁场对流体中离子的偏转而引起的电容值变化，并且处理器可操作于根据检测的电容值变化和预定磁场强度值来确定流体的流速。

电容性传感器允许流量传感器置于通道内或与流量方向平行的单个平面上。这是因为电容值变化不需要电极位于不同平面上。电容性感测的使用减小了对电迁移效应的灵敏度，并因此可以不使用电磁铁而使用永磁铁来产生磁场，从而获得较低成本的传感器。

在流量传感器的实施例中，电容性传感器包括多个纳米电极。多个纳米电极可以用于在存在磁场的情况下检测流经传感器的流体中的极小电容变化，这种极小电容变化可以几个阿托法拉。

在流量传感器的实施例中，电容性传感器还包括：多个电荷泵电路和多个积分电容器，其中多个电荷泵电路中的每一个耦接至多个纳米电极中相应的一个以及多个积分电容器中相应的一个。

在实施例中，流量传感器包括与处理器耦接的温度传感器。这允许流量传感器针对给定流率动态地补偿温度对所测量电容值的任何影响。

在实施例中，流量传感器包括与处理器耦接的磁场传感器。这允许流量传感器针对给定流率动态地补偿与所测量电容值有关的任何磁场强度变化。

在流量传感器的实施例中，处理器还可操作于在预定截面面积的通道中流经电容性传感器的流体体积。

如果流量传感器放置在已知截面面积的流体通道中，则处理器可以通过随时间对与截面面积相乘而确定的流体流量速度进行积分来确定流经传感器的流体体积。

在实施例中，流量传感器可以包括与处理器耦接的触摸传感器，并且流量传感器可操作于响应于用户对触摸传感器的触摸，从待机操作模式变化到正常操作模式。这可以在不需要流量感测时降低功耗要求。

在实施例中，流量传感器可以包括与处理器耦接的近场通信(NFC)接收器。NFC接收器可以用于接收与预定体积或流率有关的数据，或者可以用于更新缺省的流率值或从NFC发射器发送的磁场强度。NFC接收器也可以用于致动例如分接头(tap)上的阀门，以及发起对流量传感器的校准或初次测量。

流量传感器的实施例可以包括与处理器耦接的射频应答器。RF应答器或收发机允许流量传感器与遥控和/或监控设备无线通信。遥控和/或监控设备可以是专用无线网络，或者可以经由互联网连接。包括RF应答器的流量传感器的实施例可以根据Zigbee标准或其他建筑物控制系统中使用其他协议来通信。

流量传感器的实施例可以实现为集成电路，以允许以较低成本制造鲁棒的流量传感器。

流量传感器的实施例可以形成包括磁体的流量测量设备的一部分，磁体布置为使得在操作中磁场将流体中的正离子和负离子之一朝向电容性传感器位移。

为了最大灵敏度，用于提供磁场的磁体可以布置为使得磁场与要测量的流体的流动方向正交。然而，假设磁场沿朝向流量传感器的一般方向偏转阳离子或阴离子，则可检测到电容变化。

磁体可以是电磁铁或永磁体，例如Nd₂Fe₁₄B或其他铁磁材料。

流量传感器的实施例可以包括与处理器耦接的pH传感器。

流量传感器的实施例可以与磁体一起并入到水分接头上，水分接头也可以被称作旋塞或龙头。

流量传感器可以确定并显示分配的水体积，使得分接头的用户可以将已知体积的水分配到容器中。这可以减少例如给电热壶注液通常导致太多水(因为在放液时难以看到注液面)时的能量损失。在烹饪食谱中，需要对特定体积的水进行量化，这通常由有刻度的烧杯来进行。包括具有显示器的流量传感器的分接头去除了有刻度的测量烧杯的需要，所述显示器示出了所分配的水量。

包括近场通信接收器的流量传感器的实施例可以包括在分接头中。容器可以包括包含容器容量的分接头，可以将容器容量传送到流量传感器。分接头可以在已经分配了所需水量时产生警报。

具有包括触摸传感器或NFC接收器的流量传感器的分接头的实施例可以耦接至用于控制阀门的致动器。分接头可操作于响应于触摸了触摸传感器或NFC发射器接近分接头放置，来打开和/或关闭阀门。

在第二方面中，描述了一种用于测量含离子流体的流率的方法，该方法包括：检测由于磁场对流体中离子的偏转而引起的电容值，并且根据检测到的电容值来确定流体的流速。

附图说明

现在仅作为示例详细描述并在所述附图示意本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据实施例的流量传感器。

图2是示出了流量传感器的操作原理的等效电路。

图3示出了根据实施例的示例流量传感器。

图4示出了图3的流量传感器电路的操作原理。

图5示出了根据实施例的流量传感器的操作方法。

图6示出了根据实施例的包括温度传感器的流量传感器。

图7示出了根据实施例的包括NFC接收器和显示器的流量传感器。

图8示出了根据另一实施例的包括无线收发机的流量传感器。

图9示出了根据实施例的包括霍耳效应传感器的流量传感器。

图10示出了根据实施例的包括流量传感器的分接头或旋塞或龙头。

图11示出了根据另一实施例的包括与阀门耦接的流量传感器的分接头或旋塞或龙头。

具体实施方式

图1a示出了包括电容性传感器10的流量传感器100，电容性传感器10可以耦接至处理器12。电容性传感器10可以包括多个小电容器电极，多个小电容器电极可以是纳米电极。在操作中，电容性传感器10可以放置为感测通道中包含离子的流体的流量，如图1b所示。例如，该流体可以是水，但是也可以是包含离子的任何其他流体。在例如用于检测水流速Φ的操作中，可以在放置了电容性传感器的点处向通道中水流方向正交地施加磁场B。由于洛伦茨力，磁场将物理上分离流动的水中的正离子(例如，H₃O⁺)和负离子(例如，OH^-)。电容性传感器10可以检测到这种分离。所测量电容与管中水的流速成比例，所测量电容变化依赖于管中水的漂移速度。处理器12可以将检测到的电容值转换成表示水流速的值。

为了降低石灰结垢对传感器的可能影响，其中要测量的流体是水，流量传感器可以置于通道表面的一部分(其中，阳离子置于远离传感器的位置处)上。

在实施例中，处理器可以是与逻辑电路相结合的模数转换器，以产生表示流率的数字值。在实施例中，处理器可以是微处理器或微控制器。电容性传感器的实施例可以包括在单个半导体基板上形成的多个纳米电极。处理器12和电容性传感器10可以实现为单个集成电路。

图2示出了示例电容性传感器的操作原理。在大约50MHz的采样频率下，所测量电极电容C由从电容性传感器到地电势的导纳路径来确定。可以将传感器测量的导纳建模为流体阻抗Z_E，流体阻抗Z_E包括与流体电容C_E并联布置的流体电阻R_E。流体电阻Z_E和流体电容C_E与电极电容C_n串联。电极电容C_n可以是纳米电极。在大于300MHz的频率下，可以将等效电路建模为与电极电容C_n串联的流体电容C_n。

C_n是电极表面处的德拜电容，R_E是水电阻，C_E是水电容。以上均由电极的几何尺寸来确定，如以下给出的表达式所见：

$C_n=c_0\mathrm{\π}{\left(\frac{d}{2}\right)}^2$ 方程1

$R_E=\frac{1}{2d{\mathrm{\σ}}_E}$ 方程2

C_E＝2dε₀ε_E方程3

这里，d是电极(电容器)的直径，c₀是德拜电容(由于离子的存在)，σ_E是水的dc电导率，ε_o是真空的介电常数(8.854×10^-12C/V-m)，以及ε_E是水溶液的相对介电常数。方程1、方程2和方程3的阻抗可以看作是与流量传感器相关的基本阻抗。外部磁场的存在结合水流量可以影响这三个阻抗。水中的离子位移(由于作用于离子的洛伦茨力)会改变c₀、σ_E和ε_E。这里，位移变得依赖于磁场B和流率Φ。因此，可以通过测量电极电容的变化来确定流率。

如果磁场的取向是使得负离子朝向电极偏转，则电容会随着流率的增加而增加。如果磁场的取向是使得正离子朝向电极偏转，则电容会随着流率的增加而减小。对于直径小于100nm的纳米电极，对于圆形截面宽度小于100nm的电极，检测到的单独电极变化可以非常小，例如，在阿托法拉(10^-18法拉)范围内。电容性传感器10可以由几百个单独纳米电极的阵列形成，允许统计算法和频率信号调制用于提供鲁棒的信号，尽管存在多种可能的低频寄生影响。

如果流量传感器放置于检测已知截面积的通道中的流量，则可以根据在流量持续时间和截面积上积分的所测量流率来确定流体体积。

图3(a)示出了流量传感器200。电容性传感器具有多个纳米电极传感器300。每个纳米电极传感器300的输出可以连接至模数转换器13，模数转换器13可以包括用于选择多个传感器300的子集的复用电路。模数转换器13的输出可以连接至处理器12。备选地，模数转换器可以包括在处理器中。图3(b)示出了纳米电极传感器300的示例电路。将纳米电极表示为具有德拜电容C_n的电容器。电荷泵电路可以由串联布置的第一电荷泵晶体管CPT1和第二电荷泵晶体管CPT2形成。纳米电极可以连接至第一电荷泵晶体管CPT1的源极和第二电荷泵晶体管CPT2的漏极。第二电荷泵晶体管CPT2的源极可以连接至电源轨VD。源极跟随器电路可以由串联布置的第一源极跟随器晶体管SFT1和第二源极跟随器晶体管SFT2形成。第一电荷泵晶体管CPT1的漏极可以连接至第二源极跟随器晶体管SFT2的源极。第二源极跟随器晶体管SFT2的漏极可以连接至第一源极跟随器晶体管SFT1的源极。第一源极跟随器晶体管SFT1的漏极可以连接至积分电容器Cint的第一电极。电容器Cint的第二电极可以连接至地轨。电容器Cint的第一电极可以经由开关S1连接至第一电压轨Vreset，开关S1可以使用晶体管来实现。电容器Cint的第一电极可以经由开关S2连接至第二电压轨Vcall，开关S2可以使用晶体管来实现。电容器Cint的第一电极可以连接至模数转换器的输入。积分电容C_int、第一源极跟随器晶体管SFT1和第二源极跟随器晶体管SFT2的布置可以形成模拟电荷检测器。在实施例中，C_int可以具有480fF的电容。在实施例中，C_int可以具有100fF到8pF的范围。晶体管CPT1、CPT2、SFT1和SFT2可以是NMOS晶体管。

积分电容器C_int的第一电极可以连接至电压缓冲器B1。电压缓冲器的输出可以连接至模数转换器。

在操作中，电容性传感器可以放置于邻近包含流体(例如，包含离子的水)的通道。纳米电极可以与流体不直接接触，而是可以通过厚度在1nm到1000nm之间的隔离层来分离。等效阻抗可以由C_n和流体阻抗Z_E引起，如图2所示。

在测量开始时，可以通过接通重置开关S1将积分电容器C_int充电到电压V_reset，电压V_reset可以是1.2伏电压。因此，可以通过顺序地关断和接通晶体管CPT1并关断和接通晶体管CPT2，由电荷泵对积分电容器C_int进行放电。在每次循环内传送电荷量，该电荷量可以低于驻留在初始化的积分电容器C_int上的总电荷的三个量级。传送的实际电荷量可以依赖于纳米电极C_n的电容、所连接流体阻抗Z_E和片上阻抗。可以通过离子朝着或者远离纳米电极C_n偏转来感应C_n和/或Z_E的变化，从而改变每次电荷泵循环内传送的电荷量。流体电势V_L可以由与流体接触的基准电极来设定。备选地，无活性纳米电极传感器300的一个或多个纳米电极可以用作基准电极。通过使用无活性纳米电极来设定流体电势V_L，电容性传感器10可以置于通道的一侧上，为流体流量测量提供简单且鲁棒的解决方案。

可以通过由模数转换器13(ADC)测量积分电容器两端的最终电压V_INT，来确定在多个泵浦循环N_i中泵浦远离积分电容器C_int的总电荷量Q_INT。

可以选择多个泵浦循环Ni，使得积分电容器C_int尽可能多地放电。例如，这可以一直到积分节点的剩余电压V_INT刚好足够高(可以是0.6伏电压)以保持电压缓冲器活动为止。作为示例，放电电压VD＝0.1V，电荷泵调制幅度为0.2V，下部共发共基放大器源极跟随器晶体管(lowercascodesourcefollowertransistor)SFT2处的最大电压是VT＝0.3V。源极跟随器晶体管SFT1的栅极可以偏置到电压Vfollow。源极跟随器晶体管SFT2的栅极可以偏置到电压Vtransfer。两个共发共基放大器源极跟随器晶体管在电压为V_Cascode的SFT1的漏极和电压为V_T的SFT2的源极之间可以需要总共0.2V的电势差。在0.5V的最大调制电压处添加0.3V。电源电压可以是1.2V。从而设保留可用于积分电容器上电压摆动的理论0.7V。减去0.1V的安全限度以符合缓冲器需要的所需电压，积分电容器上的最大可应用电压摆动可以是0.6V。对于480fF的积分电容器C_int值，泵浦远离积分电容器的最大电荷Q_INT近似为0.6Voltx480fF＝0.288pC。

纳米电极C_n可以涂覆有层(例如，特氟纶)、导电或绝缘聚合物和/或无机层(例如，SiO2、Si3N4、TiOx、TaOx)。对于要检测水流量的应用，对纳米电极进行涂覆可以降低结垢对传感器的影响。纳米电极可以是金或铜。本领域技术人员将认识到，图2的电容性传感器可以使用CMOS工艺来实现。

图4示出了纳米电极传感器电路300的电荷泵的基本操作原理。首先，由可以是NMOS晶体管的第二晶体管CPT2形成的放电开关接通，即CPT2接通。这可以将纳米电极电容器Cn放电到电源轨V_D，可以将电源轨设定到地电势。在时间t＝0，可以是NMOS晶体管的晶体管CPT1的栅极电压φ_T在使得晶体管CPT1接通的电压处，从而使得将纳米电极电容器Cn充电到电压V_T。在时间t＝0，晶体管CPT2关断，在时间t＝t1，晶体管CPT1的栅极电压φ_T在使得晶体管CPT1关断的电压处。这可以将CPT1的漏极与纳米电极电容器Cn隔离。在t＝t2，将晶体管CPT2的栅极电压φ_T拉高来接通CPT2，以便将纳米电极电容器Cn再次放电到放电电压V_D。在时间t＝t3，CPT1和CPT2均关断。在时间t＝t4，CPT1接通，并且电荷传送循环重复。

在一个循环之后通过电荷泵传送的电荷Q_cycle是：

Q_cycle＝(V_T-V_D)C方程4

其中，C是由纳米电极电容Cn和流体阻抗Z_E引起的有效电容，V_T-V_D是电荷泵调制幅度。在Ni个放电/传送循环之后，从积分电容器传送的总电荷量是：

Qn_cycle＝N_i(V_T-V_D)C方程5

当有效电容C发生了ΔC的变化量时，接着发生从积分电容器传送的电荷的对应变化量ΔQINT。因此，可以在存在电场的情况下检测到由包含离子的流体的流速变化引起的电容变化，这是因为流速变化会改变离子偏转或位移的量，并因此改变得到的有效电容。

尽管由于积分电容器的放电电压V_INT连续下降，但是积分电容器C_int与电荷泵之间的源极跟随器晶体管SFT1和SFT2在电荷泵的输入处保持实质上恒定的电压。两个共发共基放大器跟随器晶体管可以在深亚阈值下工作。通过深亚阈值的偏置，漏极电流可以是大约6毫微安。在实施例中，阈值电压可以是0.3伏特。深亚阈值操作中SFT1和SFT2的漏极电流可以是几个毫微安，而如果SFT1和SFT2的栅源电压差大于阈值单元，则漏极电流可以是几个微安。SFT1和SFT2的栅源电压在深亚阈值操作中可以小于70毫伏。

在深亚阈值偏置区域中，晶体管CPT1和CPT2可以仅需要大约0.1V的漏-源电压来操作。从而两个源极跟随器晶体管共发共基放大器可以仅需要总共大约0.2V。

模数转换器和积分电容器C_int之间的电压缓冲器可以防止积分电容器的电荷状态的影响，如V_INT所表示。然而，电压缓冲器可以在模数转换器和积分电容器电压V_INT之间的几十伏电势降V_x。由于V_x可以随着时间而变化，校准测量可以遵照模数转换器的读出。模数转换器可以是10比特转换器。A/D转换器执行的测量包括V_INT的测量，校准测量可以遵照V_INT的测量。可以通过接通校准开关S2来执行校准测量，从而将校准电压Vcal连接至A/D转换器的输入。该过程可以消除A/D转换器的可能漂移和1/f噪声，并且可以用于从测量中减去源极跟随器的电势降和1/f噪声。两个测量的序列首先获得：

V_ADC1＝V_int-V_x方程6

其中，V_x表示单个源极跟随器两端的未知压降。第二次校准测量获得与V_x有关的信息：

V_ADC2＝V_cal-V_x方程7

根据方程6和7，可以确定积分电容电压Vint的值，并因此已经泵浦远离积分电容器C_int的电荷Q_INT可以计算如下：

Q_INT＝(V_reset-V_adc1+V_adc2-V_cal)*C_int方程8

与模数转换器的数字输出耦接的处理器因此可以使用以上测量步骤并且在给出V_reset、V_cal和C_int的已知值的情况下，计算电荷Q_INT。这可以用于通过将方程5和8相结合来确定由于纳米电极电容C_n和流体电容C_e引起的有效电容C。

C＝(V_reset-V_adc1+V_adc2-V_cal)*C_int/(N*(V_T-V_D))方程9

电容性传感器的实施例可以具有许多纳米电极和关联的电荷泵电路和积分电容器。实施例可以具有多于一个模数转换器。电容性传感器可以具有256x256纳米电极阵列，256x256纳米电极阵列布置为256行耦接至8个模数转换器。单个模数转换器可以在近似40微秒内读取32列。针对256个纳米电极的值Qint的读出可以花费140微秒。读取整个阵列可以花费40ms，因此可以以25个采样每秒的速率来对每个纳米电极进行采样。

现在描述流量传感器校准的示例，其中假定水是流体。例如，这可以刚好在水开始流动之前(例如，当操作员触摸打开阀门时)进行。以下示出了体积流率和检测到的测量电容变化之间的关系。

1.可以针对B＝0(没有磁场)和Φ＝0(没有水流量)进行初始电容测量。对于单个纳米电极，这可以给出100aF的测量电容。利用65nm的电极半径，这总计近似8x10^-3法拉/m²的德拜层电容密度。

2.在L.Fraikin等人的“ProbingtheDebyeLayer：CapacitanceandPotentialofZeroChargeMeasuredusingaDebye-LayerTransistor”(2009年4月17日公开于Physicalreviewletters)中，获得德拜层电容变化ΔC_DL＝4x10^-5F/m²/mV，其中，电压是指纳米电极与流体之间的dc电压差(参数V_L)。

3.接着当水如下时必须计算霍尔电压：假定最大流率Φ＝100ml/秒，最大磁场B＝1特斯拉，方形管的截面A＝wxh＝1cmx1cm＝1x10^-4m²。然后最大流速v_d，max＝Φ/A＝1m/s。最大霍尔电压V_H，max＝v_d，maxxBxh＝1x1x10^-2＝10mV。

4.根据第2和3点，随后最大感应德拜层变化满足：ΔC_DL，max＝4x10^-4F/m²。这对应于第1点下的初始信号的5％(4x10^-4/8x10^-3x100％)。

5.根据第4和1点，最大信号为大约100aF的20％(5aF)。对于单个纳米电极噪声为～1aF，对于256x256纳米电极阵列，噪声为10^-2aF，可以检测到值变化。

因此，本领域技术人员应当认识到，可以根据相对于在已知值的磁场中没有流体流动时的值的电容变化，来确定流率。在图5中示出了这一点，在图5中初始校正阶段开始于步骤50。放置在存在流体(但是在步骤52中不流动)的通道中的流量传感器采用电容测量。磁场强度B是可以预先确定的已知基准值Bref。校准阶段在步骤52处结束。校准阶段可以在每次流量传感器上电时重复，或者可以一旦初始安装了流量传感器就进行。一旦已知没有流量情况下的电容值，就可以在步骤56中通过测量电容值C来首先确定流量，并然后在步骤58中计算所测量电容C与零流量处基准电容Cref之间的差值。在步骤60中C与Cref之间的差值可以用于导出霍尔电压。一旦计算了霍尔电压，就可以在步骤62中确定速度并因此确定流率。该方法然后可以返回到步骤56并且重复循环。

图6示出了包括电容性传感器10的流量传感器400，电容性传感器可以耦接至处理器12。电容性传感器10可以包括多个小电容器电极，多个小电容器电极可以是纳米电极并且使用CMOS技术来形成。在操作中，电容性传感器10可以放置于感测通道中包含离子的流体的流量。例如，该流体可以是水但是也可以是包含离子的任何其他流体。在操作中，例如为了检测水流速，可以在放置了电容性传感器的点处向通道中水流方向正交地施加磁场。由于磁场，可以分离流体中的正离子(例如，H₃O⁺)和负离子(例如，OH^-)。电容性传感器10可以检测到这种分离。由于所测量电容可以与管中水的流速成正比，因此处理器12可以将检测到的电容值转换成表示水流速的值。温度传感器14可以连接至处理器12。处理器12可以通过首先确定施加磁场(这可以使用永磁体20)时与不流动流体相对应的电容值，来确定流速。例如，这可以是当用户获知传感器在适当位置并且流体在通道中不流动时用户发起的校准序列。该校准值可以对应于由于由磁场产生的洛伦茨力而引起的流体中离子的最大位移或分离的情况。该初始校准可以仅需要进行一次，但是也可以重复。一旦流体流动，磁场引起的离子分离随着流率的增加平均地降低，并因此电容改变。当不存在流量时所测量电容和基准电容值之间的差值可以给出流速的指示。处理器还可以使用温度传感器测量的流体温度来针对温度补偿所测量电容值。

图7示出了包括电容性传感器10的流量传感器500，电容性传感器10可以耦接至处理器12。电容性传感器10可以包括多个小电容器电极，多个小电容器电极可以是纳米电极并使用CMOS技术形成。近场通信(NFC)接收器16可以连接至处理器12。显示器18可以连接至处理器12。在实施例中，显示器18可以使用LED、LCD或其他已知显示技术。处理器12可以通过首先确定施加磁场(可以使用永磁体20)时与不流动流体相对应的电容值，来确定流速。备选地或附加地，电磁体可以用于提供磁场。如果使用电磁体，则磁场可以周期性反转或磁场强度改变。这降低了对寄生DC漂移的灵敏度。

在流量传感器500的操作中，电容性传感器10可以放置为感测具有预定截面积的通道中包含离子的流体的流量。该流体例如可以是水但是也可以是包含离子的任何其他流体。在操作中，例如为了检测水流速，可以在放置了电容性传感器的点处向通道中水流方向正交地施加磁场。由于洛伦茨力，磁场在物理上分离流动的水中的正离子(例如，H₃O⁺)和负离子(例如，OH^-)。电容性传感器10可以检测到这种分离。由于所测量电容与管中水的流速成比例，处理器12可以将检测到的电容值转换成表示水流速的值。在操作中，NFC接收器可以从NFC发射器接收信号，以向流量传感器500供电。NFC接收器可以从NFC发射器接收对流体的预定容量加以指示的信号。在实施例中，NFC接收器36可以包括安全元件。处理器12可以计算开始条件之后一段时间之后已通过流量传感器的流体体积，开始条件例如可以涉及根据流率、截面积和流量持续时间对处理器施加重置信号。处理器12可以在显示器上显示体积。处理器12可以在显示器18上指示何时达到了预定体积。

图8示出了包括电容性传感器10的流量传感器600，电容性传感器可以耦接至处理器12。电容性传感器10可以包括多个小电容器电极，小电容器电极可以是纳米电极并使用CMOS技术来形成。触摸传感器32可以连接至电力管理单元28。电池30可以连接至电力管理单元28。电力管理单元28可以连接至电容性传感器10、温度传感器24、处理器12和应答器22，应答器22可以配置为根据Zigbee标准发送/或接收信号。应答器22可以连接至天线26。应答器22可以连接至处理器12。温度传感器24可以连接至处理器12。处理器12可以连接至显示器18。

在流量传感器600的操作中，电容性传感器10可以放置为感测具有预定截面积的通道中包含离子的流体的流量。该流体例如可以是水但是也可以是包含离子的任何其他流体。在操作中，例如为了检测水流速，可以在放置了电容性传感器的点处向通道中水流方向正交地施加磁场。由于洛伦茨力，磁场在物理上分离流动的水中的正离子(例如，H₃O⁺)和负离子(例如，OH^-)。电容性传感器10可以检测到这种分离。由于所测量电容与管中水的流速成正比，因此处理器12可以将检测到的电容值转换成表示水流速的值。处理器可以使用温度传感器24检测到的温度值来针对温度补偿检测到的值，温度传感器24可以是PTat温度传感器。电力管理单元28可以响应于对触摸传感器的触摸，向电容性传感器20、温度传感器24、处理器12、应答器22和显示器18供电。可以在低电力或睡眠模式下周期性地向电容性传感器10和处理器12供电。电力管理单元28可以响应于与较大流率增加相对应的所检测电容快速变化，改变到正常电力模式。这可以例如由打开分接头或龙头引起。流量传感器500可以显示特定时间段期间流经流量传感器的流体的流体流率、流体温度和体积中的一个或多个。

应答器22可以向接收器发送与流速、流体体积和温度有关的数据。应答器22可以接收控制信息(例如，信号)来使流量传感器500断电或重置流量传感器500。应答器22可以接收对要测量的流体的预定流率和/或体积加以指示的数据。这可以用于例如遥控和/或监控通过分接头或喷水器分配的水流率或水体积。应答器22可以经由无线路由器向互联网发送数据。

电力管理单元28、电容性传感器10、温度传感器、处理器12和应答器22中的一个或多个可以集成在CMOS集成电路上。处理器12可以是配置为根据检测到的电容计算流率的微处理器或微控制器。备选地，处理器12可以实现为逻辑硬件。

图9示出了包括电容性传感器10的流量传感器700，电容性传感器10可以耦接至处理器12。电容性传感器10可以包括多个小电容器电极，多个小电容器电极可以是纳米电极并使用CMOS技术形成。触摸传感器32可以连接至电力管理单元28。电池30可以连接至电力管理单元28。电力管理单元28可以连接至电容性传感器10、温度传感器24、处理器12和应答器22。应答器22可以配置为根据Zigbee标准发送和/或接收信号。应答器22可以连接至天线26。应答器22可以连接至处理器12。温度传感器24可以连接至处理器12。可以是霍尔效应传感器的磁场传感器34可以连接至处理器12。NFC收发机36可以连接至处理器12。在操作中，NFC收发机36可以从NFC发射器接收信号，以向流量传感器400供电。NFC收发机36可以从NFC发射器接收对预定流体体积加以指示的信号。在实施例中，NFC收发机36可以包括安全元件。

流量传感器700的操作类似于流量传感器600的操作。此外，可以是霍尔效应传感器的磁场传感器34可以感测磁场。处理器12可以使用霍尔效应传感器的该输出来确定磁场强度，从而提供用于计算流率的预定磁场强度值。此外，处理器可以补偿确定流体流率时的任何磁场强度变化的影响。在操作中，NFC应答器38可以从NFC发射器接收信号，以向流量传感器700供电。NFC收发机36可以从NFC发射器接收对预定流体体积加以指示的信号。在实施例中，NFC收发机36可以包括安全元件。这可以用于例如认证用于控制通道中流体的阀门是否打开或者是否可以调整。

在实施例中，电力管理单元28、电容性传感器10、温度传感器24、磁传感器34、RF收发机22/处理器12和NFC收发机36中的一个或多个可以集成在CMOS集成电路上。

图10以纵向截面800和横向截面800’示出了分接头或旋塞或龙头。分接头700具有用于承载流体的管46和位于管46内的阀门40，阀门40控制通过由管形成的通道以及通过出口48离开分接头的流体流量。沿与磁场方向B正交的方向44示出了流体流量的方向。电容性传感器10位于通道中并且耦接至处理器12。处理器12可以耦接至电池30。电池30可以连接至显示器18和电容性传感器10。阀门40可以控制水或包含离子的其他流体的流量。永磁体20放置为，使得磁场B与流体流量方向近似正交。在操作中，当阀门40打开以允许水流动时，电容性传感器10检测到由于永磁体20提供的磁场对水中离子的位移而引起的电容变化。这种电容变化由处理器12处理，处理器12将电容值变化转换成流体流量的测量。该信息显示在显示器18上。分接头中流体流动的通道的截面积是已知的，并因此处理器12也可以向显示器18发送与阀门40打开之后已流动的水或包含离子的其他流体的总体积有关的数据。所测量电容值的任何明显变化可以指示流量已经开始，即，阀门40已经打开。备选地，所测量电容值的任何变化可以指示流体流量已经停止，即，阀门已经关闭。磁体20可以放置为使得磁场与电容性传感器10的感测平面正交。这使得离子的最大位移直接朝向或直接远离电容性传感器10。因此这种定位赋予了检测流率的最大灵敏度。然而，在以降低灵敏度为代价的情况下磁体和传感器的其他相对定位也是可能的。电容性传感器10可以通过电线连接至处理器12，备选地，连接可以是例如经由NFC链路的无线连接。在后一种情况下，电容性传感器12可以包括NFC接收器来经由NFC链路接收电力。

图11以纵向截面900和横向截面900’示出了分接头或旋塞或龙头。分接头900包括图9的实施例的流量传感器700。分接头900具有用于承载流体的管46和位于管46内的阀门40，阀门40控制通过由管形成的通道以及通过出口48离开分接头的流体流量。流量传感器700可以连接至致动器42。致动器42可以连接至阀门40。永磁体20可以置于分接头900的主体上，使得磁场可以与流体流量的方向44正交。备选地，分接头可以至少部分地由硬磁材料形成。

由于洛伦茨力，磁场在物理上分离流动的水中的正离子(例如，H₃O⁺)和负离子(例如，OH^-)。流量传感器700可以检测到这种随电容而变化的分离。由于所测量电容可以与管中水的流速成正比，因此流量传感器700可以将检测到的电容值转换成表示水流速的值。流量传感器700可以使用温度传感器24检测到的温度值和磁场传感器34检测到的所测量磁场，针对温度补偿检测到的值。流量传感器700可以响应于对触摸传感器的触摸发信号通知致动器42打开阀门70。

流量传感器700中的应答器22可以向接收器发送与流量速度、流体体积和温度有关的数据。应答器22可以接收控制信息(例如，信号)以使流量传感器700断电或重置流量传感器700。应答器22可以接收对要测量的流体的预定流率和/或体积加以指示的数据。这可以用于遥控和/或监控通过分接头800分配的流体流率或流体体积。应答器22可以经由无线路由器向互联网发送数据。

在操作中，NFC应答器38可以从NFC发射器接收信号，以向流量传感器700供电。NFC应答器38可以从NFC发射器接收对预定流体体积加以指示的信号。NFC发射器可以并入在包含液体的器皿(例如，杯子)。在操作中，例如为了检测水流速，可以在放置了电容性传感器的点处向通道中水流方向正交地施加磁场。由于洛伦茨力，磁场在物理上分离流动的水中的正离子(例如，H₃O⁺)和负离子(例如，OH^-)。电容性传感器10可以检测到这种分离。由于所测量电容与管中水的流速成正比，因此处理器12可以将检测到的电容值转换成表示水流速的值。处理器可以使用温度传感器24检测到的温度值来针对温度补偿检测到的值，温度传感器24可以是PTat温度传感器。电力管理单元28可以响应于对触摸传感器的触摸，向电容性传感器20、温度传感器24、处理器12、应答器22和显示器18供电。可以在低电力或睡眠模式下周期性地向电容性传感器10和处理器12供电。电力管理单元28可以响应于与较大流率增加相对应的所检测电容快速变化，改变到正常电力模式。这可以例如由打开分接头或龙头引起。流量传感器700可以显示特定时间段期间流经流量传感器的流体的流体流率、流体温度和体积中的一个或多个。

应答器22可以向接收器发送与流速、流体体积和温度有关的数据。应答器22可以接收控制信息(例如，信号)来使流量传感器500断电或重置流量传感器500。应答器22可以接收对要测量的流体的预定流率和/或体积加以指示的数据。这可以用于例如遥控和/或监控通过分接头或喷水器分配的水流率或水体积。例如，包含NFC发射器或RFID标签的的杯子可以包括表示杯子所包含的水体积的数据。当将杯子移到分接头900附近时注满杯子所需的水量，可以从NFC发射器发送，并由流量传感器700中的NFC应答器接收。流量传感器700然后发信号通知阀门致动器42打开阀门40。流量传感器700可以感测阀门40打开之后流经分接头的水体积。一旦已经达到预定体积，流量传感器700就可以发信号通知阀门致动器42关闭阀门40。应答器22可以经由连接至计算机网络的无线路由器向远程位置发送数据。在实施例中，NFC应当器38可以包括安全元件。这可以用于例如认证用于控制通道中流通的阀门是否可以打开或者是否可以调整。

流量传感器的实施例可以包括在分接头或水计量计中。流量传感器的实施例也可以包括在用于灌溉的控制系统中。流量传感器的实施例也可以用于检测泄露。流量传感器也可以包括其他类型的传感器。例如，pH传感器可以耦接至处理器，并且流量传感器然后可以用于检测水的化学成分的变化。流量传感器可以与其他模拟和数字电路一起形成在集成电路上。

流量传感器的实施例可以包括在分接头或水计量计中。流量传感器的实施例可以包括在水静电计中。例如，静电计可以安装在到房屋的主水管道处，或者房屋内部(例如，厨房、浴室等)的若干管道处。静电计可以经由RF与集线器通信，并且向集线器传递消耗了多少水的数据。集线器可以保持有房屋中水消耗的概况。

流量传感器还可以包括在使用过程中的水的其他机器(例如，自动咖啡机、洗碗机和洗衣机)中。

尽管所附权利要求涉及特征的特定组合，但是应当理解，本发明的公开范围还包括任何新颖特征或本文显式或隐式或一般公开的特征的任何新颖组合，而无论是否涉及任何权利要求中当前所要求保护的相同发明，以及是否减少了任何或所有与本发明相同的技术问题。

在分离实施例的上下文中描述的特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简要起见在单个实施例的上下文中描述的多个特征也可以分离地或在任何适合的子组合中提供。

据此申请人给出以下说明：在本申请或从本申请得到的任何再申请的审查期间，新的权利要求可以阐述为这样的特征和/或这样的特征的组合。

为了完整起见，还陈述了术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一个”不排除多个，单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干装置的功能，并且权利要求中的附图标记不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (16)

1.一种流量传感器，用于检测通道中含离子流体的流率，所述流量传感器包括：

电容性传感器；以及

耦接至电容性传感器的处理器，

其中电容性传感器操作于检测由于磁场对流体中离子的偏转而引起的电容值变化，并且处理器操作于根据检测的电容值变化和预定的磁场强度值来确定流体的流速。

2.根据权利要求1所述的流量传感器，其中电容器传感器包括多个纳米电极。

3.根据权利要求2所述的流量传感器，其中电容性传感器还包括：多个电荷泵电路和多个积分电容器，并且多个电荷泵电路中的每一个耦接至多个纳米电极中相应的一个以及多个积分电容器中相应的一个。

4.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与处理器耦接的温度传感器，其中流量传感器操作于测量流体温度，并且处理器操作于响应于检测到的温度来调整流率的确定。

5.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与处理器耦接的磁场传感器，其中流量传感器还操作于检测磁场强度，并且处理器操作于响应于检测到的磁场强度来调整流率的确定。

6.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中处理器还操作于计算在预定截面积的通道中流经电容性传感器的流体的体积。

7.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与处理器耦接的触摸传感器，其中流量传感器操作于响应于用户对触摸传感器的触摸从待机操作模式改变到正常操作模式。

8.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与处理器耦接的近场通信接收机。

9.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与处理器耦接的射频应答器。

10.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与处理器耦接的pH传感器，其中流量传感器操作于检测流体的化学成分的变化。

11.一种集成电路，包括任一前述权利要求所述的流量传感器。

12.一种流量测量设备，包括：权利要求1至9中任一项所述的流量传感器，并且还包括磁体，布置为使得在操作中磁场使流体中的正离子和负离子之一朝向电容性传感器位移。

13.一种分接头，包括根据权利要求12所述的流量测量设备。

14.一种分接头，包括根据权利要求8所述的流量传感器，其中近场通信接收器操作于接收从近场通信发射器发送的对预定体积加以表示的数据。

15.根据权利要求13或14所述的分接头，其中流量传感器耦接至用于控制阀门的致动器，并且所述分接头操作于响应于对触摸传感器的触摸来打开和/或关闭阀门。

16.一种测量含离子流体的流率的方法，所述方法包括：

检测由于磁场对流体中离子的偏转而引起的电容值变化；并且

根据电容值变化来确定流率。