CN103245393A - 比例式多重切换物液位量测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种比例式多重切换物液位量测方法及装置，主要是在物料槽内依高度分设有复数电极，两相邻电极分别构成一电极对，相邻电极对之间具有一宽度W，各电极对的两电极间分别形成一信道，该信道具有一长度L、一相对水平面的角度θ；当待测物料的物液位升高并接触各电极对时，可根据H＝N×L×sinθ+N×W+[(S/L)×sinθ]，计算出物液位的高度，其中H为待测物料的高度、N为被淹没的电极对数量、S为部分浸入电极对的浸入长度；另进一步判断各电极对的状态改变情况，可分析出待测物料是否具备多重液体相层。

Description

比例式多重切换物液位量测方法及装置

技术领域

本发明是一种物液位量测装置，尤指一种使用复数电极量测待测物料高度的比例式多重切换物液位量测装置。

背景技术

现有的电容式物液位量测装置，请参阅图11所示，是包含有一量测电极91、一参考电极92、一检测电阻96与一量测单元90，该量测电极91是设置于装有一待测物料的一桶槽93并与该待测物料接触，该参考电极92是由桶槽93本身构成，且经由检测电阻96连接至一接地点，该量测电极91是与参考电极92平行设置并保持一固定距离，该二电极间可等效为一待测电容94；当该量测单元90送出一交流信号至量测电极91，此时，待测电容94与检测电阻96形成一回路，而于检测电阻96上产生一电压降，该电压降是与待测电容94的变化成正比，因此量测该检测电阻96二端的电压值可反推得到二电极间的电容值时，由待测电容94的变化，可对应得到桶槽93中待侧物料的高度。

当使二电极平行设置且量测其等效电容值，以得到对应高度有其使用限制，当使用于不同介电系数的液状待测物料或有空气参杂的固体状待测物料，待测物料的温度、压力、黏性、导电度等皆会使得前述的等效电容值产生误差，此外，桶槽93与接地点之间形成一杂散电容95，使量测单元90量测检测电阻96的电压时，因杂散电容95并联于检测电阻96的二端，而产生误差而使量测单元90得到错误的待测物液位高度值。

发明内容

如前公开所述，不同待测物料的特性与桶槽接地方式，会使得二电极间的等效电容值产生误差，而使量测装置得到错误的高度量测值；因此本发明主要目的是使用复数电极量测待测物料高度的比例式多重切换物液位量测方法与装置，以解决因等效电容值误差而产生错误高度的问题。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述比例式多重切换物液位量测方法，包含有：

在一物料槽内依高度分设有复数的电极，令两相邻电极分别构成一电极对，各电极对之间分别具有一宽度W，每一电极对的两电极间分别形成一信道，该信道具有一长度L、一相对水平面的角度θ；

当物料槽内所设待测物料的物液位升高并接触各电极对时，根据高度计算公式H＝N×L×sinθ+N×W+[(S/L)×sinθ]，计算出物液位的高度，其中H为待测物料的高度值、N为被淹没的电极对数量与S为部分浸入电极对的浸入长度；

上述比例式多重切换物液位量测方法，进一步包含有：令被待测对象淹没的电极对具有一第一信号状态，未浸入的电极对具有一第二信号状态；并以下列方式扫描所有电极对；

逐一判断各电极对与相邻电极对的信号状态是否相同，相同时定义该电极对的切换次数加θ，不同时，定义该电极对的切换次数加1；

当电极对的切换次数为1，代表量测功能正常；

当电极对的切换次数大于等于2，表示电极对上沾附物质，代表量测功能异常。

前述电极对的第一信号状态包含有被淹没与部分浸入；当所有电极对均为第一信号状态表示物料槽内为满物液位；若所有电极对均为第二信号状态表示物料槽内为空物液位。

为达成前述目的，本发明又提供一比例式多重切换物液位量测装置，包含有：

一量测单元，是有一个以上输出/入埠，用以量测待测物液位高度；

一电极单元，包含有复数电极，各电极与量测单元有电连接，又两相邻电极分别构成一电极对，各电极对之间具有一宽度W，每一电极对的两电极间分别形成一信道，该信道具有一长度L及一相对水平面的角度θ；

利用前述组件组成的比例式多重切换物液位量测装置，由量测单元依序侦测各电极对的状态，可分为电极对被淹没、部分浸入与未浸入的三种状态，当物料槽内所设待测物料的物液位升高并接触各电极对时，可根据前述高度计算公式H＝N×L×sinθ+N×W+[(S/L)×sinθ]，由量测单元分别计算三种状态的电极对数量，而得到待测物料的高度，藉此使待测物料的料液位量测更为精确。

附图说明

图1：是本发明第一较佳实施例的电路方块图。

图2：是本发明第二较佳实施例的电极单元结构示意图。

图3：是本发明第三较佳实施例的电极单元结构示意图。

图4：是本发明第四较佳实施例的电极单元结构示意图。

图5：是本发明第五较佳实施例的电极单元结构示意图。

图6：是本发明第四较佳实施例的实施状态示意图。

图7：是本发明第二至第五较佳实施例的电容与待测物高度曲线图。

图8：是本发明第二至第五较佳实施例的待测物质物理性质斜率图。

图9：是本发明第六较佳实施例的电极单元结构示意图。

图10：是本发明第七较佳实施例的电极单元结构示意图。

图11：是现有的电容式料位量测装置示意图。

【主要组件符号说明】

10量测单元            11信号产生单元

12感测单元            13多任务切换单元

14信号处理单元        141信号放大单元

142滤波器             143信号整流器

144模拟数字转换器     15微处理器

16数据参考单元

20电极单元            21-25电极对

210信道               211第一电极

212第二电极

31-35电极

40软性电路板          41探棒

42外覆管

60外管                61-64组合管

90量测单元            91量测电极

92参考电极            93桶槽

94待测电容            95杂散电容

96检测电阻

具体实施方式

关于本发明的第一较佳实施例，请参阅图1所示，其包含有一量测单元10与一连接至量测单元10的电极单元20，其中，该量测单元10包含有：

一信号产生单元11，是有一输出端，用以输出一交流信号；

一感测单元12，包含有一个以上输出/入埠，其中的一输出/入端口为信号输入端且连接至信号产生单元11的输出端；

一多任务切换单元13，具有多数的输入埠及一个以上的输出埠，各输入端口分别与电极单元20连接，其输出埠是连接至感测单元12的输出/入埠；

一信号处理器14，具有一个以上输出/入埠，其中一个输出/入埠是连接至感测单元11的输出/入端口，该信号处理器14包含有一信号放大单元141、一滤波器142、一信号整流器143与一模拟数字转换器144；

一微处理器15，具有一个以上输出/入埠，其中一个输出/入埠是连接至连接至信号处理器14的输出/入埠；

一数据参考单元15，是与微处理器14电连接。

该电极单元20包含有复数电极，两相邻电极分别为一第一电极211与一第二电极212并构成一电极对21，电极对21的两电极211、212之间形成有一信道210，其它电极对22-24是与电极对21以相同方式设置，又该电极对21中相邻电极的第一电极211与一第二电极212分别构成一接点，且二接点是分别连接至多任务切换单元13的各个输入埠。

利用前述组件组成的比例式多重切换物液位量测装置，由信号产生单元11产生交流信号送至感测单元12，并透过多任务切换单元13，将交流信号送至电极单元20，再由多任务切换单元13取得电极单元20中各电极对21-24的状态信号，并将该信号送至信号处理器14，由其包含的信号放大单元141、滤波器142、信号整流器143与模拟数字转换器144，进行信号放大、滤波、整流与模拟/数字转换后，再由微处理器15根据信号判断电极对21的状态并计算待测物液位的高度。

关于本发明的第二较佳实施例，请参阅图2所示，该电极单元20的设置方式是与第一较佳实施例大致相同，唯该信道210具有一长度L及一相对水平面的角度θ，并于各电极对21-24之间具有一宽度W，该待测物料的高度计算公式为H＝N×L×sinθ+N×W+[(S/L)×sinθ]，其中，H为待测物料的高度值、N为被淹没的电极对数量与S为部分浸入电极对的浸入长度，于本实施例中，该待测物料高度将电极对21与22淹没(N＝2)及有部分浸入的电极对23，并有电极对24未浸入，又各信道与水平面形成的角度为45°；则前述高度计算公式可写为H＝2×L×sin45°+2×W+[(S/L)×sin45°]，再代入电极对21长度L、宽度W与部分浸入电极对的浸入长度S的尺寸即可得待测物料高度。

关于本发明的第三较佳实施例，请参阅图3所示，本实施例是与第二较佳实施例大致相同，唯各电极对中的其中一电极的接点是共同连接至多任务切换单元13的其中一输出/入埠。

关于本发明的第四较佳实施例，请参阅图4所示，该电极单元20的各电极是分别交错排列且相对设置，于本实施例中，是由五个电极31-35组成，各电极31-35具有相同长度而分别位于不同高度且平行相间的排列，其中，该电极31的上半部与相邻电极32的下半部相对，并视为一电极对，又次高的电极32的上半部又与相邻电极33的下半部相对，而组成另一电极对，藉此相邻的电极(31，32)(32，33)(33，34)(34，35)将分别构成一电极对，使微处理器15可依据各电极间的状态来计算高度。

关于本发明的第五较佳实施例，请参阅图5所示，是与第四较佳实施例大致相同，唯各电极分别与水平面形成一夹角θ。

关于本发明的第六较佳实施例，请参阅图6所示，本实施例是采用前述第四实施例的电极设置方式，但不限于第四实施例使用；主要将电极单元20设于一软性电路板40上，其上形成有复数电极，并构成复数电极对，再将软性电路板40卷绕设置于一探棒41上，再使软性电路板40上的各个电极对分别电连接至多任务切换单元13，由量测单元10透过软性电路板40上的电极单元20量测待测物液位高度，并可进一步于探棒41外侧覆盖一非导电外覆管42，以量测不同导电系数物质的物液位高度。

又本发明可进一步判断前述第二至第五实施例的电极单元量测功能是否异常，或进一步判断待测物料是否具备多重液体相层；请参阅图2所示，其揭示有二电极对21、22被待测物料淹没、电极对23为部分浸入，电极对24则未被浸入；请参阅图7所示，被淹没的电极对21、22的二电极会对应物液位高度而改变电极对信道的电容值，该电容值为

其中ε₀为一介电常数、ε为一相对介电常数、d为信道的宽度、A为该电极对的面积；

当电极对的信道被不同待测物料淹没时，该相对介电常数ε不同，使得电容值产生改变；量测单元10可藉由量测各电极对的电容值，如电极对21的电容值为C₂₁、电极对22的电容值为C₂₂、电极对23的电容值为C₂₃与电极对24的电容值为C₂₄；当电容值为C₂₁等于C₂₂大于C₂₃远大于C₂₄时，得知待测物液位物液位高度在电极对23的位置，而电极对22则被待测物淹没，其电容值C₂₂为C_max，又电极对24未被待测物淹没，其电容值C₂₄为C_mm，该斜率为

由前述公式

可知，当ε相对介电常数不同时，电极对的电容值会改变，意即会改变C_max与C_min的大小，所以会产生两种不同斜率；当量测单元10计算时，将各电极对的电容值进行累加，则可得到如图8所示；藉由待测物料的物理性质与各电极对间，其会形成与待测物料高度的一个线性斜率关系，当待测物质物理性质未变化前，可将线性斜率SA的关系纪录在量测单元10的数据参考单元15中；当待测物质产生物理性质变化时，其线性斜率改变为SR，使其与SA比对，可判定物质产生变化的程度。

又本发明可再进一步判断待测物料是否具备多重液体相层，请参阅图9所示该待测物料高度淹没三电极对21-23与部分浸入的电极对24(其产生的信号通称为第一种信号状态)，并有电极对25未浸入(其产生的信号称为第二种信号状态)，由量测单元10依序判断各电极对21-25的状态，其与邻近电极对的信号状态不相同时，定义信号切换次数+1，若与邻近电极对的信号状态相同，则定义信号切换次数+0；其中，二电极对21、22淹没在一第一液体相层，电极对23部份浸入第一液体相层与一第二液体相层，电极对24部份浸入第二液体相层与电极对25未浸入，由量测单元10分别量测各电极对的电容值，其中，C₂₁等于C₂₂大于C₂₃大于C₂₄远大于C₂₅时，得知待测物液位物液位高度分在电极对23与电极对24的位置，其信号切换次数分别于电极对23与电极对24各+1，表示该待测物料具有二液体相层。

关于本发明的第七较佳实施例，请参阅图10所示，主要是将阵列电极对21-24设于一外管60内，该外管60是由数段组合管61-64组成，并形成一主轴电极，令前述各电极对21-24分设于各组合管61-64内，于本实施例中，该电极对21-24与该组合管61-64，以物液位高度方式排列；其中，各电极对组合区块的其中一电极241、各电极对组合区块的组合管61-64分别与多任务切换单元13电连接，量测单元10分别侦测各电极对组合区块中的电极241与主轴电极之间的状态与电容值，可得到分段高度的待测物液位高度。

由前述可知，由复数电极量测待测物料高度，可提高量测准确度，并解决现有技术使用二平行量测电极因等效电容值误差而产生错误高度的问题。

虽然本发明内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明内容，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明内容的保护范围当视前述的申请专利范围所界定者为准。

Claims (16)

1.一种比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，包含有：

在一物料槽内依高度分设有复数的电极，令两相邻电极分别构成一电极对，各电极对之间分别具有一宽度W，每一电极对的两电极间分别形成一信道，该信道具有一长度L、一相对水平面的角度θ；

当物料槽内所设待测物料的物液位升高并接触各电极对时，根据高度计算公式H＝N×L×sinθ+N×W+[(S/L)×sinθ]，计算出物液位的高度，其中H为待测物料的高度值、N为被淹没的电极对数量与S为部分浸入电极对的浸入长度。

2.如权利要求1所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，进一步包括：

当电极对被淹没，其信号皆为第一种信号状态，表示第一种状态(空)；

当电极对未浸入，其信号为第二种信号状态，表示第二种状态(满)；

当一个以上电极对为第一种信号状态，又一个以上电极对为第二种信号状态；其与邻近电极对的信号状态不相同时，定义信号切换次数+1，若与邻近电极对的信号状态相同，则定义信号切换次数+0；其中，若信号切换次数＝1，则代表电极单元正常测量；当信号状态切换发生时，该电极对称为触发电极对；若信号切换次数大于或等于2，表示电极单元非正常测量。

3.如权利要求1所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，进一步包括：

当电极对被淹没，其信号皆为第一种信号状态，表示第二种状态(满)；

当电极对未浸入，其信号皆为第二种信号状态，表示第一种状态(空)；

当一个以上电极对为第一种信号状态，又一个以上电极对为第二种信号状态；其与邻近电极对的信号状态不相同时，定义信号切换次数+1，若与邻近电极对的信号状态相同，则定义信号切换次数+0；其中，若信号切换次数＝1，则代表电极单元正常测量；当信号状态切换发生时，该电极对称为触发电极对；若信号切换次数大于或等于2，表示电极单元非正常测量。

4.如权利要求2或3所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，该信号切换次数大于等于2时，其第一次信号切换的电极对A，第二次信号切换的电极对B与最后一次信号切换的电极对C，该电极对A作为待测物质的参考位置，取第二次信号切换时电极对B与最后一次信号切换的电极对C间的差值，视为干扰物质的假信号。

5.如权利要求2或3所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，当信号切换次数为1时，且该电极对间的待测物质物理性质随着物液位高度变化而有X种不同斜率，表示待测物质具有X种或X种以上的液体相层。

6.如权利要求2或3所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，当信号切换次数为1时，称该第一次信号切换的电极对A为触发电极对，对应到待测物质的第一物理量状态a，该触发电极对之间量测的待测物质物理性质随着物液位高度变化的斜率SA，而待测物质物理性质随着量测方向变化的参考斜率SR；藉由斜率SA与参考斜率SR的变动，可计算待测物质物理性质产生的变化，做为判断物质变化的依据。

7.如权利要求2或3所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，将复数电极对依待测物液位高度分段设置，可得到不同量程的分段待测物液位高度。

8.如权利要求1至3任一项所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，该电极对与相邻的电极对间的信道宽度，可随着信道排列方向变化而不同。

9.如权利要求1至3任一项所述的比例式多重切换物液位量测方法，其特征在于，该信道角度θ为-90°≤θ≤90°之间。

10.一种比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，包含有：

一量测单元，是有一个以上输出/入埠；

一电极单元，包含有复数电极，各电极与量测单元有电连接，又两相邻电极分别构成一电极对，各电极对的两电极间分别形成一信道，该信道具有一长度L、一相对水平面的角度θ与各电极对间的一宽度W；

该量测单元依各电极对被待测物料淹没与部分浸入的状态，可以计算出待侧物料的高度为H＝N×L×sinθ+N×W+[(S/L)×sinθ]，可计算出待测物料的高度，其中H为待测物料的高度值、N为被淹没的电极对数量、S为部分浸入电极对的浸入长度。

11.如权利要求10所述的比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，于该电极单元外侧设置一个以上组合管，该组合管是一具有底部的中空管体，用以容置该复数电极对，并于该外管的外侧壁上形成有一接点，使该组合管形成一主轴电极，该电极的延伸方向与量测方向平行，此主轴电极与量测的接地原有电性的连结；又电极单元的各电极对是两两并排形成信道，其信道的排列方向与量测方向形成一个角度θ。

12.如权利要求10所述的比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，该电极单元是设置于一软性电路板上，于电路板上形成有复数电极与复数接点，该复数电极分别与复数接点电连接；又于该电极单元的外侧设置一外覆管，是一具有底部的非导电性中空管，用以容置具有电极单元的软性电路板于其中。

13.如权利要求10至12任一项所述的比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，该电极对与相邻的电极对间的信道宽度，可随着信道排列方向变化而不同。

14.如权利要求10至12任一项所述的比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，该信道角度θ为-90°≤θ≤90°之间。

15.如权利要求11所述的比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，该主轴电极是一表示该组合管的电性上有共同连接。

16.如权利要求11所述的比例式多重切换物液位量测装置，其特征在于，该主轴电极是一表示该组合管的电性上没有共同连接，又该电极对的总数为主轴电极总数的n倍数，意即其中一个区域的主轴电极可以同时与n个计数电极电性上有共同连接。

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