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专利名称：包括用于监督房间状况的超声传感器的多功能传感器系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于监督房间状况、特别是在建筑物管理系统中用于控制大气房间状况的多功能传感器系统和相应的方法。
背景技术：
建筑物管理系统需要关于建筑物房间状况(例如，房间入住、房间温度、湿度和(X)2 浓度)的信息。基于这条信息，可通过加热空调和通风(HVAC)系统来执行大气房间状况的控制。从由布置在待控制的相应房间中的不同种类的传感器提供的测量值导出必需信息。在常用系统中，根据待测量的参数提供每个传感器，例如，用于提供当前温度值的温度传感器，用于测量湿度的湿度传感器等。还已知在多功能传感器系统中组合不同种类的传感器，如其在EP 0 838 792 A2中所公开的那样。其中描述的多功能入住传感器在一个传感器设备中组合不同种类的传感器功能，每个多功能传感器包括用于检测入住、环境光水平、 温度和其它参数的不同传感器。越来越重要的项目是节能，这被看作对于(全球)环境而言至关重要。北美和欧洲的法律要求节能措施。在照明工业和建筑物自动化中，传感器为实现节能效果的重要使能器。这特别地指入住传感器。为了减小建筑物中传感器系统的安装成本，特别是在现有建筑物中在后来安装这种系统的情况下，需要将传感器安装于相应房间中而无需安装任何新布线。较低的安装成本证明无线传感器的额外费用是。期望不仅实现传感器与控制设备(其接收测量的数据)之间的无线通信，而且还提供传感器的无线能量供应。这种独立能量供应能由电池供电的传感器或者例如通过使用太阳能或类似物由能量收获来实现。这仅可利用具有超低能量消耗的传感器来实现以实现长寿命，大约十年或更长。为了由加热空调和通风系统(HVAC)进行控制，温度、湿度、CO2浓度和房间入住是实现整个房间控制的很重要的参数。此外，当已知实际(X)2浓度时，能提供通风调节或甚至警告信号。在通常已知的系统中，这些不同的参数必须由多功能传感器系统来测量，多功能传感器系统包括针对每个参数的传感器，这增加了传感器系统的总能量消耗。针对入住、温度、湿度和(X)2浓度的传感器难以集成在测量这些参数的一个单个无线传感器设备中。针对每个参数具有一个传感器的这样的系统的功率需求较高且在多功能传感器系统运行于如电池这样的独立电源上时缩短了该多功能传感器系统的寿命。高能量消耗也造成了采用如太阳能电池等这样的独立能量收获方法中的问题。因此本发明的目的在于提供用于以低的构造努力和低的功率消耗来监督房间状况以测量控制大气房间状况所必需的参数值的多功能传感器系统和方法，使得可能提供真实的无线传感器系统，降低安装成本。

发明内容
这个目的由用于监督房间状况的多功能传感器系统来实现，该多功能传感器系统包括温度传感器；湿度传感器；超声换能器，其被提供用于发射超声波且定位于离能反射超声波的固定反射表面固定距离处；测量设备，其用于测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间；以及，计算设备，其用于根据温度传感器和湿度传感器的输出值和测量的飞行时间来计算CO2浓度。根据本发明的多功能传感器系统仅包括用于导出四个不同房间参数的三个不同检测单元。尽管以普通方式提供湿度传感器和温度传感器来测量温度和湿度值，该超声换能器能用于一方面检测房间入住且另一方面测量发射的超声波在换能器和固定反射表面之间的飞行时间。根据飞行时间值，能借助于相应传感器提供的温度和湿度值来导出0)2浓度。使用用于上述目的的超声换能器使得有可能在没有额外CO2传感器的情况下进行降低多功能传感器系统的构造努力和总构造成本以及其能量消耗，使得有可能构造完全无线运行的系统。因此，根据本发明的多功能传感器系统的安装容易且廉价。超声换能器通常已知用于检测房间入住，它们在本发明的传感器系统中的集成以及使用被发射的超声波的运行时间效应来间接地导出(X)2浓度提供了很有效的一般概念。在一个优选实施例中，提供超声换能器以在前侧和后侧发射超声波，多功能传感器系统还包括超声波导，换能器被布置成后侧朝向超声波导的第一端。在此布置中，能测量超声波在换能器后侧与固定反射表面之间的飞行时间，同时在换能器的相对的前侧发射的超声波能用于检测房间入住。根据另一优选实施例，固定反射表面为镜子，镜子布置于超声波导的相对的第二端。根据本发明的另一实施例，超声波导具有直管形式，换能器的后侧和镜子在共同管轴上朝向彼此。根据不同实施例，超声波导具有弯曲角的形式。正确地选择弯曲参数使得将不引入信号降级，且照此，可以减小整个超声换能器单元的厚度。根据本发明的建筑物管理系统包括如上文所述的多功能传感器系统和用于控制房间状况的控制设备。用于如上文所述的多功能传感器系统中的超声换能器单元包括超声换能器，其被提供用于至少在后侧发射超声波；超声波导，其用于在换能器后侧引导超声波；固定反射表面，其布置于与换能器相对的波导的端；以及，用于测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间的设备。在一个优选实施例中也提供此超声换能器来在前侧发射超声波，允许其用于检测在此方向中的房间入住。此接收单元可连接到计算设备以借助于由温度传感器和湿度传感器输出的测量值来导出CO2浓度。根据本发明用于监督房间状况的方法包括测量房间温度；测量房间湿度；从超声换能器发射超声波到位于离换能器固定距离的固定反射表面，该固定反射表面能反射超声波；以及，测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间；之后根据测量的房间温度、测量的湿度和测量的飞行时间来计算CO2浓度。这种方法基于以下事实超声波在气体中的速度由包括气体中温度、压力和分子量作为参数的关系式给出。当已知温度和压力时，能检测分子量变化，而分子量变化又指示 CO2的存在。在根据本发明的这个方法的优选实施例中，借助于换能器进行入住检测。这意味着换能器具有通过发射和接收超声波而指示房间入住的上文所述的额外功能。根据一个优选实施例，该方法包括从换能器的相对侧发射超声波，其中在与固定反射表面相对的换能器的侧面进行入住检测。根据另一个优选实施例，在朝向固定反射表面的换能器的侧面进行入住检测。根据本发明方法的再一个实施例，在波导内在换能器与固定反射表面之间引导超声波。根据本发明的方法的另一优选实施例包括将至少测量的房间温度值、测量的湿度值和测量的飞行时间值传送至计算设备以计算(X)2浓度。此计算设备可以是与建筑物房间中不同多功能传感器系统无线连接的计算机。在本发明的优选实施例中，如上文所述的方法可包括校准步骤，其中在换能器与壁结构之间的距离基于在预定条件下超声波在换能器与壁结构之间的飞行时间测量来计
笪弁。该监督方法的这个实施例包括关于壁结构位置的自学习步骤，例如使得换能器与壁结构之间的距离是已知的。在下面的过程中，此距离然后也能用作用于计算CO2浓度的参数。执行校准步骤的预定条件可包括预定(X)2浓度。该校准步骤还可在预定的一天的时间(day time)执行。举例而言，自学习步骤在夜间进行，可以假定夜间为CO2浓度具有系统已知的恒定值的一天的时间。也能在安装系统之后以平均值开始测量且在预定条件下在夜间调整此值。通过下文提供的详细描述，本发明的另外的方面和益处将会变得显然。应了解详细的描述和特定的实例虽然指示本发明的示例性实施例，但其旨在仅出于说明目的且不旨在限制本发明的范围。


参看附图，通过下文的描述，本发明的上述特征、方面和优点将会更好理解，在附图中
图1是根据本发明的建筑物管理系统的实施例的示意略图；以及图2为根据本发明的多功能传感器系统的优选实施例的示意图。
具体实施例方式如图1中所示的建筑物管理系统包括通常由附图标记10标注的多功能传感器系统和在由附图标记12标注的图右侧上的控制系统。提供多功能传感器系统10以监督受到建筑物管理系统控制的建筑物房间的状况。为此目的，关于房间状态的不同参数被多功能传感器系统10测量和导出且无线地传输到控制系统12。该控制系统12可以包括用于管理所讨论的房间的大气状况(即，温度、湿度等)的加热空调和通风(HVAC)系统。举例而言，测量该房间的当前大气状况和入住状态，且所测量的数据从多功能传感器系统10无线地传输到控制系统12，而控制系统12又设置用于房间的加热、空调和通风的合适值。为了监视房间状况，多功能传感器系统包括温度传感器14、湿度传感器16和超声换能器单元18。超声换能器单元18提供两种功能。首先，其被用于通过发射超声波和通过接收反射的超声波而导出入住状态来检测房间入住。此外，如将参考超声换能器单元18的构造细节详细地解释，此单元用于测量由为换能器单元18的部分的换能器和作为固定反射表面的反射壁结构发射的超声波的飞行时间，以及用于使用由相应温度传感器14和湿度传感器16提供的测量的温度和湿度数据来从测量的飞行时间导出(X)2浓度。因此，多功能传感器系统提供用于管理和控制房间状况的四个重要值，即温度、湿度、入住和(X)2浓度。 这些值能以无线方式直接转移到控制系统12。参看图2，用于用在根据图1的多功能传感器系统10中的超声换能器单元18包括超声换能器20，超声换能器20布置于具有直管形式的波导22的一端。在管22的一端，换能器20布置成使得其后侧M面向该管22。超声换能器20的前侧沈是自由的。提供超声换能器20的相对侧M和沈这二者以发射超声波。在管22的另一端，镜子观布置为固定反射表面使得管22的两端由(一方面)镜子观和(另一方面)换能器20关闭。面向超声换能器20的镜子观的内侧30能将通过管 22在超声换能器20的后侧M上行进的超声波反射到镜子观。由换能器20的后侧M发射的这些超声波的行进方向由箭头32标记。由镜子30反射的超声波的行进方向由另一箭头34标记。这些反射超声波能由超声换能器20的相应接收部分接收。超声换能器单元18 还包括测量装置，其用于测量超声波在换能器20与镜子观之间的飞行时间。为此目的，提供测量设备36以进行测量从而自动导出超声波在距离2L上的飞行时间，距离2L是换能器 20与镜子观之间的管22的长度L的两倍。应当指出的是，这个测量设备36只是示意性地描绘且能以任何形式提供为多功能传感器系统10的部分。出于本发明的目的，任何用于测量超声波在换能器20的后侧M处的发射与反射的波在换能器20处的接收之间的时间的设备是合适的。管22被提供有管22侧壁处的两个相对侧面处的两个空气入口 38、40。通过这些空气入口 38、40，大气环境空气能引入到管22内使得提供了波导内的大气状况对应于房间状况。从测量的超声波飞行时间，以下面的方式导出填充管22的空气中的(X)2浓度。在固定距离上，由空气对超声波的吸收将为CO2含量的函数。由于以下事实在超声换能器20 与镜子观之间存在固定距离L，能从飞行时间(ToF)测量来计算吸收系数。声音的速度为温度、压力、湿度和CO2含量的函数，由以下方程式(1)给出
权利要求
1.用于监督房间状况的多功能传感器系统(10)，包括 温度传感器(14)，湿度传感器(16)，超声换能器(20)，其被提供用于发射超声波且定位于离能反射超声波的固定反射表面固定距离处，测量设备(36)，其用于测量超声波在所述换能器与所述固定反射表面之间的飞行时间，以及计算设备(42)，其用于根据所述温度传感器和所述湿度传感器的输出值和测量的飞行时间来计算(X)2浓度。
2.根据权利要求1所述多功能传感器系统(10)，其中，所述超声换能器(20)具有前侧和后侧且被提供用于在所述前侧(26)和在所述后侧(24)发射超声波，所述多功能传感器系统(10 )还包括超声波导(22 )，所述换能器(20 )被布置成所述后侧(24)面向所述超声波导(22)的第一端。
3.根据权利要求2所述的多功能传感器系统，其中，所述固定反射表面是镜子(28)，所述镜子(28)布置于所述超声波导(22)的相对的第二端。
4.根据权利要求2或3之一所述的多功能传感器系统，其中，所述超声波导(22)具有直管形式，所述换能器(20)的所述后侧(24)和所述镜子(28)在共同管轴上面向彼此。
5.根据权利要求2或3之一所述的多功能传感器系统，其中，所述超声波导(22)具有弯曲角的形式。
6.建筑物管理系统，包括根据前述权利要求之一所述的多功能传感器系统(10)和至少一个用于控制一个或多个房间状况的控制设备(12)。
7.用在根据权利要求1所述的多功能传感器系统(10)中的超声换能器单元(18)，包括超声换能器(20)，其具有前侧和后侧且被提供以至少在所述后侧(24)发射超声波， 超声波导(22)，其用于在所述换能器(20)的所述后侧(24)引导所述超声波， 固定反射表面，其布置于与所述换能器(20)相对的所述波导(22)的端，以及测量设备(36)，其用于测量超声波在所述换能器(20)与所述固定反射表面之间的飞行时间。
8.根据权利要求7所述的超声换能器单元(18)，其中，还提供所述超声换能器(20)用于在所述前侧(26)发射超声波。
9.用于监督房间状况的方法，包括 测量房间温度，测量房间湿度，从超声换能器(20)发射超声波到位于离所述换能器(20)固定距离的固定反射表面， 所述固定反射表面能反射超声波，以及测量超声波在所述换能器(20)与所述固定反射表面之间的飞行时间， 然后根据所述测量的房间温度、所述测量的湿度和所述测量的飞行时间来计算CO2浓度。
10.根据权利要求9所述的方法，其包括，借助于所述换能器(20)进行入住检测。
11.根据权利要求10所述的方法，其包括，从所述换能器(20)的相对侧(M，26)发射超声波，其中在与所述固定反射表面相对的所述换能器(20)的侧面进行入住检测。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，在面向所述固定反射表面的所述换能器(20) 的侧面进行入住检测。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括在波导(22)内在所述换能器(20) 与所述固定反射表面之间弓I导所述超声波。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，包括将至少所述测量的房间温度值、所述测量的湿度值和所述测量的飞行时间值传送至用于计算所述CO2浓度的计算设备。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，包括校准步骤，在该校准步骤中基于预定状况下超声波在所述换能器(20)与所述固定反射表面之间的飞行时间测量来计算所述换能器(20)与所述固定反射表面之间的距离。
全文摘要
本发明涉及用于监督房间状况的多功能传感器系统和对应的方法，包括温度传感器、湿度传感器、用于发射超声波且定位于离反射性固定反射表面固定距离处的超声换能器。为了计算受监督房间中的CO2浓度，测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间，且根据温度传感器、湿度传感器的输出值和所测量的飞行时间来计算CO2浓度。
文档编号G01N29/24GK102472727SQ201080030635
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月24日 优先权日2009年7月7日
发明者K. 斯里德哈兰奈尔 B., 迪尔克森 P., F. 帕斯维尔 W. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司