CN107576365B - 一种显示流量的液体容器及其液体流量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种显示流量的液体容器及其液体流量检测方法，所述方法包括以下步骤：利用MEMS姿态传感器实时测量液体容器的姿态变化，并基于液体容器的姿态变化来确定液体容器上部的出液口的出液开始时刻和出液结束时刻；实时测量从出液开始时刻到出液结束时刻的出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；基于所述出液期间实时测量的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量。本发明能够实时地、精确地测量小型容器的小口径、非管道式的出液口处的输出流量。
Description
技术领域
本发明涉及智能家居器具技术领域，具体涉及一种显示流量的液体容器及其液体流量检测方法。
背景技术
传统的液体流量测量技术通常分为接触式和非接触式测量方法，大部分的流量测量技术为接触式流量测量方法，如节流式流量计、皮托管流量计、转子流量计、涡轮流量计等等，这类方法需要在测量管道中插入测量元器件，结构相对复杂，精度相对较差，且适用的是测量流速大的流体流量测量。采用非接触式测量方法的非接触式流量计有电磁流量计和超声波流量计等，其中电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律，通过磁传感器来测量液体的流速，电磁流量计的使用存在一定的局限性，比如被测液体必须是导电的液体，且结构比较复杂，成本比较高。超声波流量计是通过测量超声波在液体中传播的速度来检测流体的流速，当流速不同时，超声波在液体中传播的速度会发生改变，这样可以得到不同的流速和流量。超声波流量计可以测量任何液体和气体，但是也存在一点的局限性，比如温度过高会无法测量，测量时需要有一定长度的直管段，产品结构比较复杂，成本比较高。如上描述的非接触式流量计主要应用在工农业领域，对流体管道有一定要求，且结构设计比较复杂，成本高。
目前的测量技术还没有适合应用到低流速、小口径、非管道式的非接触式的实时流量测量方法。而在实际日常应用中实时的流量测量是很重要的，如对于日常炒菜时用来倒油的油壶，其需要精确的控制每次倒油的油量，来保证身体健康；对于用来浇灌娇小植物的小型浇花器同样要精确控制每次浇水量，来保证植物的健康。现有技术中，虽然出现了能够测量油量的油壶，但其是静态地测量出油量，即每倒完油后才知道到了多少油，无法实现倒油量的实时监测，因此难以实现油量的精确控制。因此，如何提供一种能够精确地实时测量液体流量的流量测量方法及能够测量并显示流量的相应容器，是有待解决的一个技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够测量并显示流量的液体容器及其流量检测方法，以解决现有技术中的一个或更多个问题。
根据本发明的一方面，提供了一种液体容器的流量检测方法，该方法包括以下步骤：
利用姿态传感器实时测量液体容器的姿态变化，并基于液体容器的姿态变化来确定液体容器上部的出液口的出液开始时刻和出液结束时刻；
实时测量出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；
基于所述出液期间实时测量的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量。
在一实施例中，基于液体容器的姿态变化来确定液体容器上部的出液口的出液开始时刻和出液结束时刻的步骤包括：计算姿态角采样曲线的斜率；对斜率连续求平方差；以及基于平方差计算结果和预设的动作判断门限值，来确定出油开始时刻和结束时刻。
在一实施例中，上述方法还包括：在计算姿态角采样曲线的斜率之前对采集的姿态角数据进行滤波处理。
在一实施例中，所述预设的动作判断门限值根据液体容器中液体量的不同而被修正。
在一实施例中，用于修正预设的动作判断门限值的修正系数为h/H0*ΔA，其中H0为溶液充满容器且容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度，h为当前液体容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度。
在一实施例中，所述姿态传感器为MEMS(微机电系统，Micro-Electro-MechanicalSystem)三轴加速度传感器、MEMS三轴角速度传感器、MEMS六轴传感器、重力计或磁力计。
在一实施例中，所述容器的本体具有规则形状，上述方法还包括：预先测量容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度；其中，所述实时测量出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度的步骤包括：基于所述竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的出液开始时刻的容器姿态角数据计算出液开始时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；在后续每一采样时刻，基于前一采样时刻到当前采样时刻的时间间隔内流出的液体流量更新竖直状态液位垂直高度，并基于更新的竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的当前时刻容器姿态角数据计算当前时刻出液口到液面间的倾斜状态垂直液位高度。
在一实施例中，预先测量容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度的步骤包括：预先测量容器竖直摆放时容器内的液体体积或液体质量，并基于容器形状获得所述竖直状态液位垂直高度；或者利用光电液位传感器测量所述竖直状态液位垂直高度。
在一实施例中，所述实时测量出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度的步骤包括：利用压力传感器或质量传感器测量容器竖直摆放时容器内的液体体积，基于测量出的液体体积、出液期间的实时测量的姿态角以及预先存储的液体体积与姿态角以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，实时获得出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；或者利用光电液位传感器实时感测液体倒出期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
在一实施例中，所述方法还包括：在出液结束后以液体实际出液量来修正计算的流量，获得实际流量校准系数。
根据本发明的另一方面，还提供一种液体容器，该液体容器包括：
容器本体，所述容器本体上部具有出液口；
姿态传感器，其固定在所述容器本体上、用于实时测量所述容器本体的姿态变化；
液量测量装置，其用于在容器竖直摆放时测量所述液体容器内液体的质量、体积或垂直液位高度；以及
控制器，该控制器连接所述姿态传感器以及所述液量测量装置，以执行如下操作：
基于所述姿态传感器检测到的液体容器的姿态变化来确定液体从所述出液口流出的开始时刻和结束时刻；
基于液量测量装置的测量结果以及姿态传感器获得的容器姿态角数据实时计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态垂直液位高度；
基于实时获得的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量。
在一实施例中，所述液体容器包括还包括：显示器，其设置在所述容器本体上并连接所述控制器，用于在所述控制器的控制下实时显示液体流量。
在一实施例中，所述液体容器的本体具有规则形状；所述控制器基于液量测量装置的测量结果获得容器竖直摆放时的竖直状态液位高度，基于所述竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的出液开始时刻的容器姿态角数据计算出液开始时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；所述控制器在后续每一采样时刻，基于前一采样时刻到当前测量的时间间隔内流出的液体流量更新竖直状态液位垂直高度，并基于更新的竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的当前时刻容器姿态角数据计算当前时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
在一实施例中，所述液量测量装置为设置于所述液体容器底部的压力传感器或质量传感器；所述控制器利用压力传感器或质量传感器测量容器竖直摆放时容器内的液体体积，基于测量出的液体体积、出液期间的实时测量的姿态角以及预先存储的液体体积与姿态角以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，来实时获得出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
在一实施例中，所述姿态传感器为MEMS三轴加速度传感器、MEMS三轴角速度传感器、MEMS六轴传感器、重力计或磁力计。
在一实施例中，所述液体容器的容器本体为圆柱形或方柱形等规则形状。
在一实施例中，所述出液口设置在：所述容器主体的侧壁上、所述容器主体的顶部中心或所述容器主体的顶部边缘。
在一实施例中，所述液体容器上具有与控制器连接的人机交互模块，用于设置期望的流量值。
在一实施例中，所述液体容器上还具有报警装置，在计算出的液体流量超出所述期望的流量值时发出报警信息，所述报警信息为声音信号或视觉信号。
在一实施例中，所述液体容器还包括与所述控制器连接的温度传感器以及存储器；所述温度传感器用于感测液体温度或环境温度；所述存储器用于记录液体使用日志；所述控制器还被设置为基于温度传感器检测的温度和/或液体使用日志信息在显示器上显示液体质量提示信息。
在一实施例中，所述液体容器还包括电源模块和/或无线通信模块，所述无线通信模块用于向外部装置传送记录的数据。
在一实施例中，液体容器还包括与所述控制器连接的实时时钟RTC模块。
根据本发明的显示流量的液体容器及其液体流量检测方法，能够实时地、精确地测量小型容器的小口径、非管道式的出液口处的输出流量，为用户提供了有用的数据，不仅满足了用户需要还提高了用户体验。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
参考附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，在附图中：
图1为流体从容器下部的小管口流出的示意图；
图2为不同管嘴形式的示意图；
图3本发明一实施例中液体容器的流量检测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中油壶的各旋转姿态角的转轴示例；
图5为本发明一实施例中利用姿态角判断液体流出过程的示意图；
图6a为本发明一实施例中倾斜状态液位垂直高度H1和竖直状态液位垂直高度H的几何关系示意图；
图6b为本发明另一实施例中倾斜状态液位垂直高度H1和竖直状态液位垂直高度H的几何关系示意图；
图7本发明一实施例中显示流量的液体容器的结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明的技术精神及其主要操作不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
在本发明中，是基于由伯努利方程确定的出液口流量与出液口到液面间的液位高度之间的关系，来通过实时获得该液位高度实时地计算液体的流量。在流体从容器第小孔流出的情况下，假设在距液面下H处的容器壁上开有一小孔，液体在重力作用下自小孔流出，如图1所示，断面I-I′为液面，断面c-c′为出液管嘴的断面，基于断面I-I′和断面c-c′列伯努利方程，伯努利方程可具有如下形式：
如上公式(1)中，a0，a为动能修正系数；v0，v分别为断面I-I′和断面c-c′处的平均流速(即管口出的平均流速)；g为重力加速度；H为液位高度；ζn为管嘴阻力系数。管嘴可以设置为不同的形式(例如如图2所示的a，b，c，d，e，f这几种形式，本发明并不限于此)，针对管壁上具有相同的孔口面积的不同管嘴形式，具有不同的ζn值，该值可以通过实验来得到。在管道锐缘进口的情况(如图2中的c管嘴)，ζn＝0.5。
在容器的液面和出液口的管口面积相差很大时，此时v>>v0≈0,可忽略V0，公式(1)可以变形为从管口流出的液体的单位面积流速与液面距管口的高度之间的关系：
其中，φn为另一种形式的管嘴阻力系数。
基于如上公式(2)，得到管嘴的流速为：
以上计算管嘴流量的公式(3)仅为示例，对于不同流体和出流方式，伯努利方程可以有不同的应用形式，因此，本发明并不限于如上公式(3)中给出的具体计算流量的公式。
本发明旨在通过实时获得管口到液面的高度来实时计算出瞬态平均流量，用这个实时流量乘以单位采样时间，就能得到单位采样时间内流体体积，通过迭加整个倒油期间的单位时间内的体积和就可以得到整个流体的体积，进一步地以体积乘以密度就可以得到单次倒油的流量或质量。
图3所示为本发明实施例中液体容器的流量检测方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括步骤S310-S350，详细说明如下：
在步骤S310，利用MEMS姿态传感器实时测量液体容器的姿态变化，并基于液体容器的姿态变化来确定液体容器的出液口的出液开始时刻和出液结束时刻。
所使用的MEMS姿态传感器可以为MEMS三轴加速度传感器、MEMS三轴角速度传感器(如MEMS陀螺仪)或MEMS六轴传感器，但本发明并不限于此。
MEMS技术发展迅速，基于MEMS角速度传感器可得到物体运动角速度，通过对角速度进行积分的方法得到物体的姿态角。也可以通过数字运动引擎(DMP，Digital MotionProcessor)计算得到四元数，由四元数转换为欧拉角。根据传感器在液体容器上的位置，就能得到倾角的实际数值。
以烹饪中使用的油壶为例，从开始拿起容器到倒油过程中，经历了三个明显阶段：(1)从垂直竖立到倾斜倒油；(2)流体持续流出；(3)倒油完毕，收油回到垂直过程。以油壶垂直面为轴，按照欧拉角定义，可以定义三个姿态角：俯仰角(pitch)，翻滚角(roll)以及偏航角(yaw)，如图4所示，分别绕定义的X、Y、Z三个轴做逆时针旋转次序，旋转角度分别为θ，Φ，α。图4中的各旋转姿态角的定义仅为示例，只要X、Y、Z三个轴的定义符合右手定律，三个旋转姿态角的定义也可以不同，本发明中各旋转姿态角和MEMS传感器的加速度轴的方向相对应。
如图4所示，在倒油过程中，起主要作用的是绕X轴方向旋转的俯仰角θ。在倒油过程中从θ角度看，大致经过了这样一个阶段(如图5所示)：阶段1，倾斜油壶，θ快速增加，但尚未出油；阶段2，出油阶段，θ平稳区，均匀出油；阶段3，停止出油并逐渐端正油壶，θ快速减小。
θ角的采样结果(如图5所示)根据三个阶段可以分为三条曲线，这三条曲线斜率会有明显的不同，通过对曲线斜率计算并引入动作模型，可判断出使用者行为动作，从而确定倒油开始和结束时刻。
结合倒油过程中伯努利方程计算得出的实时流量计算，可以计算出从倒油开始时刻到结束时刻一次倾倒过程的总流量。通过动作模型判断的倒油开始和结束时刻的准确性直接影响到总流量计算的误差。本发明实施例中斜率计算和动作模型设计如下：
1、对θ采样结果连续计算斜率，定义斜率为ρ，时间间隔为Δt，每隔Δt时刻采样一个θ。
方法(1)：构建θ采样数据曲线拟合方程
θ＝aΔt∧n+bΔt∧(n-1)+cΔt∧(n-2)……+mΔt∧1+x
其中，a、b、c…m、x为常数，根据曲线方程项数决定，n为阶数。
曲线上一点(θ，Δt)切线的斜率为：
ρ＝(n+1)aΔt∧n+n bΔt∧(n-1)+(n-1)cΔt∧(n-2)……+mΔt；
方法(2)：取曲线任意两点做直线求取斜率；
ρ＝(θi+1–θi)/Δt；
其中，θi+1和θi分别表示第i+1和第i个采样点的θ值。
2、对斜率连续求平方差，定义平方差为Δρ，i为采样点；
Δρ＝(ρi+1)∧2–(ρi)∧2；
3、基于平方差计算结果和预设的动作判断门限值确定出油开始时刻和结束时刻。
预先设定的多个门限值例如可以包括tsd0、tsd1、tsd2、tsd3，这些门限值可以基于油壶的形状、大小等因素通过实验测试经验得到。
具体地，可基于平方差计算结果Δρ与各个门限值的比较来确定出油开始时刻和结束时刻，例如：
0≤Δρ≤tsd0，对应阶段一，即从垂直竖立到倾斜的动作，但还没有倒出油；
tsd1≤Δρ≤tsd2，对阶段二，开始有油倒出，且在该阶段油持续流出；刚开始进入该阶段的时刻为倒油开始时刻。
tsd3≤Δρ≤0，对阶段三，倒油结束，收油回到垂直过程；刚开始进入该阶段的时刻为倒油结束时刻。
在本发明一实施例中，各个门限值可以根据油壶中油量的不同而有变化，这可以通过实验方法来预先设定好不同油量情况下的各个门限值。
在一示例中，可利用修正公式(门限值修正系数)来修正实际门限值。取油壶垂直竖立时装满液体时液位高度为H0，每次倾倒前实际液位高度为h，则可以设定门限修正系数为h/H0*ΔA，其中ΔA为试验测试经验值。在后续倒油过程中可以参照门限修正系数进行实际动作模型判断的修正。该修正门限值的方法仅为示例，本发明并不限于此。
3、实际动作模型判断修正0≤Δρ≤(h/H0*ΔA*tsd0)，阶段一；
(h/H0*ΔA*tsd1)≤Δρ≤(h/H0*ΔA*tsd2)，阶段二；
(h/H0*ΔA*tsd3)≤Δρ≤0，阶段三；
作为示例，tsd0取值可为20，tsd1取值可为-10，tsd2取值为可为10，tsd3的取值可为-25，这些取值仅为示例，本发明并不限于此，实际取值会因油壶的形状不同而有变化，实际取值可以是经过多次试验而获得的统计结果。
优选地，在计算姿态角采样曲线的斜率之前，可先对采集的姿态角数据进行滤波处理(如软件滤波)，来去除过程中的停顿或者抖动，以得到更加准确的倒油开始和停止时刻。
如上的利用斜率和动作模型来确定倒油开始时刻和结束时刻的方法仅为示例，实际上不限于此，而是可以有多种方式。另选地，可基于深度学习来学习倒油轨迹，从而可以更准确地判断倒油开始时刻和结束时刻。
对于更复杂的动作模型判断，可以引入剩下的两个姿态角，比如在倒油过程中左右摆动油壶，此时偏航角度也会变化，可以同时检测三个姿态角综合判断油壶的状态。对θ曲线在出油和收油的拐点时，角度会在某个小的范围内波动和震荡，这里也可以引入软件上的动态判断去识别。
本发明实施例中也可以使用MEMS加速度传感器测量加速度来计算容器的倾角，由此来判断容器(如油壶)的姿态变化。可以根据灵敏度的要求来合理地选择使用一维、二维或三维加速度数据。作为示例，MEMS姿态传感器还可以由感测1维姿态角变化的重力计或磁力计来代替。
在步骤S330，实时测量从出液开始时刻到出液结束时刻的出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
在此，所说的倾斜状态是相对正常放置液体容器时的垂直状态而言的，倾斜状态液位垂直高度是指使容器倾斜从而使得液体从出液口流出时出液口到液面的垂直高度。
在本发明一实施例中，要实时测量出液期间(如油壶出油期间)出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度，有多种方法来测量倾斜状态液位垂直高度，第一种方法是，对于有规则形状(比如圆柱形或者柱状型)的容器，首先获知容器在竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度，然后可按照体积和底面积和高的关系来计算在倾斜状态下的垂直液面高度。在倒油过程中，每次采样测量时，竖直状态液位垂直高度H是不一样的，这样会导致流速在整个过程中需要动态调整。
作为一个示例，容器在竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度是基于压力传感器(重力传感器或质量传感器)测得的。更具体地，可在液体容器底部设置压力传感器(如应变片压力传感器)，通过在出液前预先测量容器竖直摆放时容器内的液体质量，在已知液体的密度的情况下可计算出液体的体积，并可进一步基于容器的形态结构(如容器形状、直径或底面积等信息)获得容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度，例如，在容器本体具有规则形状(如圆筒状)的情况下，液体的体积除以底面积便可获得竖直状态液位垂直高度。在获得竖直状态液位垂直高度之后，本发明实施例可利用竖直状态液位垂直高度、容器姿态角以及倾斜状态液位垂直高度之间的几何关系来基于获得的竖直状态液位垂直高度、通过MEMS姿态传感器获得的出液开始时刻的容器姿态角数据计算出液开始时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。如图6a和图6b示出了倾斜状态液位垂直高度H1和竖直状态液位垂直高度H的几何关系示意图。在出液口位置不同的情况下，倾斜状态液位垂直高度H1和竖直状态液位垂直高度H之间的几何关系也不同，图6a和图6b中示出的仅为示例，本发明并不限于此。
在获得出液开始时刻的倾斜状态液位垂直高度之后，在后续每一采样时刻，可根据前一采样时刻到当前采样时刻的时间间隔内流出的液体流量更新竖直状态液位垂直高度，并基于更新的竖直状态液位垂直高度、通过MEMS姿态传感器获得的当前采样时刻容器姿态角数据来计算当前时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。也就是说，在每一采样时刻，都可以实时地测量出出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
本发明还可以利用其它方式来实时测量出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度，例如，对于具有不规则形状的容器，可以通过实验或者仿真方法得到。实验方法举例如下：
把竖直状态下的液位垂直高度和/或体积按照一定的分度做标定，比如按照10等分，从0％一直到100％，分别得到体积V1，V2，……，V10以及对应的液位垂直高度H1，H2，……H10,然后在倾斜状态下分别测试各个V1，V2，……，V10体积下不同θ角下的倾斜状态液位垂直高度HT1，……，HT10，θ角可以从0-180度按照每5度来分度。这样就事先得到了液体体积与姿态角θ以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，可将该对应关系数据预先存储在容器底部的控制器中。得到了不同体积下，不同角度下的倾斜状态液位垂直高度，可以用两点间插值的办法来得到任意一个体积下在某个倾斜角度下的液位垂直高度。
此外，本发明还可以利用光电液位传感器来感测液体倒出期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。由于光电液位传感器的具体实现属于现有技术，在此不再赘述。在利用光电液位传感器的情况下，容器壁在光源的位置采用透光材料，比如玻璃。光源可以是可见光也可以是非可见光(比如红外光)。为了提高液位测试精度，可以在油壶壁两侧分别安装若干发射和接收管(光敏二极管)。检测方法可以是采用对射，反射，偏振，镜面，漫发射等原理实现。
在步骤S350，基于出液期间实时测量的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量。也即，每次将实时测量的倾斜状态液位垂直高度代入到前面描述的公式(3)，就可以得到当前测量时刻的液体流速，利用液体流速乘以采样时间间隔便得到该时间间隔内的流量。将当前测得的流量与之前的测得的流量相累加便可以得到当前时刻已经倒出的总流量。
持续测量过程，直至通过MEMS的姿态感测结果判断倒油过程结束。
基于如上所述的本发明，整个倒油过程会实时显示倒油的变化重量。在倒油完成而将油壶重新放回竖直位置时，可利用压力传感器测得倒油结束时的重量，从而计算出这次倒油最终的体积变化。可把这个数值保存下来，用作校准实际出油量。例如，可令Qa＝k*Q，其中0<k<2，为实际流量校准系数，Qa为实际出油量，可以通过多次实际测试来修正Q的实际值。
由于可以得到油的最终体积，软件可以增加油壶的油量提醒功能，当油快导完的时候可以提醒用户加油。
下面描述本发明实施例的能够实时显示流量的液体容器。
图7所示为本发明一实施例中显示流量的液体容器的结构示意图，如图4和图7所示，该液体容器包括：容器本体10、压力传感器710、MEMS姿态传感器720、显示器730、无线通信单元740、报警装置750、温度传感器760、存储器770、电源模块780以及控制器(如MCU)700等。
容器本体10上部具有出液口30，容器本体上部、出液口的相对一侧可以有气孔40，容器本体10的下部可选地设置有底座20。在一实施例中，出液口可设置在容器主体的侧壁上，在另一实施例中，出液口可设置在容器主体的顶部中心或容器主体的顶部边缘，分别如图6(a)和6(b)所示。在一实施例中，控制器700、存储器770、压力传感器710、MEMS姿态传感器720、报警装置750、温度传感器760、电源模块780等当中的部分或全部模块可安装在油壶本体底部的底座30内，但本发明并不限于此。
显示器730设置在容器本体上，用于实时显示液体流量。显示单元730优选地为OLED显示器、LED、二极管点阵或触摸屏，但并不限于此。优选地，液体容器上可设置有与控制器连接的、包括显示器在内的人机交互模块，用于设置每次倾倒液体时的期望的流量值。
MEMS姿态传感器720固定在容器本体上、用于实时测量容器本体的姿态变化。优选地，该MEMS姿态传感器可以是MEMS三轴加速度传感器、MEMS三轴角速度传感器或MEMS六轴传感器。此外，MEMS姿态传感器720还可以由感测1维姿态角变化的重力计或磁力计来代替。
压力传感器710用于在容器竖直摆放时测量液体容器内液体的质量。基于压力传感器710测得的重量信息，可以求得容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度。另选地，压力传感器710可由光电液位传感器等其他液量感测装置来代替，同样可以感测液体倒出期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
存储器770用于存储检测到的数据和用于计算流量的算法、记录液体使用日志等。此外，存储器770还可以预先存储液体体积与姿态角以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，以便可利用当前液体体积和该对应关系来计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。存储器可以是EEPROM、FLASH、CF卡或其他类型的存储介质。控制器能够通过存储器存储半年以上用油量和温度等用户数据以及用于计算流量的算法，在没有BLE4.0连接的情况下也能自动保存用户数据，避免数据丢失。
电源模块780用于向容器的电子部件供电。
控制器700连接显示器、MEMS姿态传感器以及压力传感器，用于对与其连接的电子部件进行整体控制，并可执行如下操作：(1)基于MEMS姿态传感器检测到的液体容器的姿态变化来确定液体从出液口流出的开始时刻和结束时刻；(2)基于压力传感器的测量结果获得容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度；(3)基于竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的容器姿态角数据实时计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；(4)基于实时获得的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量并在显示器上进行显示。另选地，控制器可基于压力传感器或质量传感器测量出的液体体积、出液期间的MEMS传感器实时测量的姿态角以及预先存储的液体体积与姿态角以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，实时获得出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
在油壶静止一定时长后MCU可控制电源模块进入休眠模式已降低功耗达到延长电池使用寿命的目的，休眠可以通过壶体的姿态的改变被唤醒。
容器本体上还可以设置有无线通信模块740，以通过该无线通信模块740与外部装置进行交互，例如，可以将流量、日期、温度和/或用油日志等信息同步到终端设备，如手机，PAD等，还可以通过外部装置来设置每次允许倾倒的液量。
虽然是以油壶为例对本发明进行了描述，但本发明的液体容器及其流量测量方法并不仅适用于油壶，还适用于浇花器、盛放酱油和醋的容器以及其他需要盛放液体并关注液体倾倒流量的各类液体容器。
容器上还可设置有报警装置750，以便于容器中油的总量低于预定值时发出提示信息，来提示用户及时添加液体。此外，当每次倾倒的总流量高于预定值(如流量期望值)时，报警装置750也可以发出报警信息来提示用户。报警装置750可以是发声或发光装置，相应地，报警信息为声音信号或视觉信号。
此外，容器上还可设置有温度传感器760和实时时钟(RTC)模块(未示出)。温度传感器760用于检测油壶中油的温度或环境温度，可通过温度检测数据结合用油日志可以计算油品质量，提醒用户及时更换。控制器可基于温度传感器检测的温度信息以及记录的已存放时间信息在显示器上显示液体质量提示信息。例如，在预定高温(如60℃)下，油壶中的油存放时间超过2个月，则控制器可以控制报警装置750发出警报信息，来防止油类等液体变质。RTC模块可以通过人机交互界面输入时间或者在和云端同步时同步网络时间，用于标记用户数据生成时间。
如上所述的本发明，能够实时地、精确地测量小型容器的小口径、非管道式的出液口处的输出流量，为用户提供了有用的数据，不仅保证了用户的健康，还提高了用户体验。
本发明应用于民用产品领域，提出的低成本、智能实时非接触式的新型流量检测方法基于MEMS技术，不仅体积小，成本低，而且实现简单，精度高。
本发明可以非接触检测小容积流量，不受结构或管道约束，设计灵活，方案简单，成本低。
本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或者它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可以用本领域共知的下列技术中的任一项或者他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在流程图中表示或者在此以其它方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
如上针对一个实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (21)
1.一种液体容器的流量检测方法，其特征在于，该液体容器具有小口径、非管道式出液口，该方法包括以下步骤：
测量容器竖直摆放时容器内的液体的质量、体积或垂直液位高度；
利用姿态传感器实时测量液体容器的姿态变化，并基于液体容器的姿态变化来确定液体容器上部的出液口的出液开始时刻和出液结束时刻；
基于测量的容器竖直摆放时容器内的液体的质量、体积或垂直液位高度以及液体容器的姿态角计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；
基于所述出液期间实时测量的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于液体容器的姿态变化来确定液体容器上部的出液口的出液开始时刻和出液结束时刻的步骤包括：
计算姿态角采样曲线的斜率；
对斜率连续求平方差；
基于平方差计算结果和预设的动作判断门限值，来确定出油开始时刻和结束时刻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在计算姿态角采样曲线的斜率之前对采集的姿态角数据进行滤波处理。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设的动作判断门限值根据液体容器中液体量的不同而被修正。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用于修正预设的动作判断门限值的修正系数为h/H0*ΔA，其中H0为溶液充满容器且容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度，h为当前液体容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态传感器为MEMS三轴加速度传感器、MEMS三轴角速度传感器、MEMS六轴传感器、重力计或磁力计。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述容器的本体具有规则形状，所述测量容器竖直摆放时容器内的液体的质量、体积或垂直液位高度包括：测量容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度；
所述基于测量的容器竖直摆放时容器内的液体的质量、体积或垂直液位高度以及液体容器的姿态角计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度的步骤包括：
基于所述竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的出液开始时刻的容器姿态角数据计算出液开始时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；
在后续每一采样时刻，基于前一采样时刻到当前采样时刻的时间间隔内流出的液体流量更新竖直状态液位垂直高度，并基于更新的竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的当前时刻容器姿态角数据计算当前时刻出液口到液面间的倾斜状态垂直液位高度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，预先测量容器竖直摆放时的竖直状态液位垂直高度的步骤包括：
预先测量容器竖直摆放时容器内的液体体积或液体质量，并基于容器形状获得所述竖直状态液位垂直高度；或者
利用光电液位传感器测量所述竖直状态液位垂直高度。
9.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，
所述测量容器竖直摆放时容器内的液体的质量、体积或垂直液位高度包括：利用压力传感器或质量传感器测量容器竖直摆放时容器内的液体体积；
所述基于测量的容器竖直摆放时容器内的液体的质量、体积或垂直液位高度以及液体容器的姿态角计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度的步骤包括：
基于测量出的液体体积、出液期间的实时测量的姿态角以及预先存储的液体体积与姿态角以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，实时获得出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
10.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在出液结束后以液体实际出液量来修正计算的流量，获得实际流量校准系数。
11.一种液体容器，其特征在于，该液体容器包括：
容器本体，所述容器本体上部具有小口径、非管道式出液口；
姿态传感器，其固定在所述容器本体上、用于实时测量所述容器本体的姿态变化；
液量测量装置，其用于在容器竖直摆放时测量所述液体容器内液体的质量、体积或垂直液位高度；以及
控制器，该控制器连接所述姿态传感器以及所述液量测量装置，以执行如下操作：
基于所述姿态传感器检测到的液体容器的姿态变化来确定液体从所述出液口流出的开始时刻和结束时刻；
基于液量测量装置的测量结果以及姿态传感器获得的容器姿态角数据实时计算出液期间出液口到液面间的倾斜状态垂直液位高度；
基于实时获得的倾斜状态液位垂直高度以及根据伯努利方程预先确定的出液口流量与倾斜状态液位垂直高度之间的关系计算液体的流量。
12.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于，所述液体容器包括还包括：
显示器，其设置在所述容器本体上并连接所述控制器，用于在所述控制器的控制下实时显示液体流量。
13.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于：
所述液体容器的本体具有规则形状；
所述控制器基于液量测量装置的测量结果获得容器竖直摆放时的竖直状态液位高度，基于所述竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的出液开始时刻的容器姿态角数据计算出液开始时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度；
所述控制器在后续每一采样时刻，基于前一采样时刻到当前测量的时间间隔内流出的液体流量更新竖直状态液位垂直高度，并基于更新的竖直状态液位垂直高度、通过姿态传感器获得的当前时刻容器姿态角数据计算当前时刻出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
14.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于，
所述液量测量装置为设置于所述液体容器底部的压力传感器或质量传感器；
所述控制器利用压力传感器或质量传感器测量容器竖直摆放时容器内的液体体积，基于测量出的液体体积、出液期间的实时测量的姿态角以及预先存储的液体体积与姿态角以及倾斜状态垂直液位高度的对应关系，来实时获得出液期间出液口到液面间的倾斜状态液位垂直高度。
15.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于，所述姿态传感器为MEMS三轴加速度传感器、MEMS三轴角速度传感器、MEMS六轴传感器、重力计或磁力计。
16.根据权利要求11-15中任意一项所述的液体容器，其特征在于：
所述出液口设置在：所述容器主体的侧壁上、所述容器主体的顶部中心或所述容器主体的顶部边缘。
17.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于：
所述液体容器上具有与控制器连接的人机交互模块，用于设置期望的流量值。
18.根据权利要求17所述的液体容器，其特征在于：
所述液体容器上还具有报警装置，在计算出的液体流量超出所述期望的流量值时发出报警信息，所述报警信息为声音信号或视觉信号。
19.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于：
所述液体容器还包括与所述控制器连接的温度传感器以及存储器；
所述温度传感器用于感测液体温度或环境温度；
所述存储器用于记录液体使用日志；
所述控制器还被设置为基于温度传感器检测的温度和/或液体使用日志信息在显示器上显示液体质量提示信息。
20.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于：
所述液体容器还包括电源模块和/或无线通信模块，所述无线通信模块用于向外部装置传送记录的数据。
21.根据权利要求11所述的液体容器，其特征在于，所述液体容器还包括：与所述控制器连接的实时时钟RTC模块。
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