CN104634385B - 物位与温度感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一物位与温度感测装置，其包含有一缆线、一物位感测模块、一温度感测模块、一处理模块及一电源模块。本发明是利用射频导纳原理检测并计算出目前的物料存量，且于该缆线中间隔的埋设有多个温度感测单元，以检测沿该缆线布线方向的温度变化。本发明进一步利用温度与物料电介质的变化关系，校正射频导纳原理中重要的物理参数，物料电容值，并于校正后计算出正确的物料存量，以消除因温度变化造成的电介质差异所产生的参数误差，从而避免造成计算物差，以提高利用射频导纳原理计算的物料存量的准确度。本发明同时通过不同物质接口间温度陡降的特征点，提高量测解析度。

Description

物位与温度感测装置

技术领域

本发明是关于一种感测装置，尤指一种可同时感测物位及温度的感测装置。

背景技术

仓储管理于存放物料与保存物料时，一个相当重要的课题，各种类型的产业皆会用到储仓来储存各种物料，如石化工业、大宗食品业、饲料业、钢铁业、水泥业等。而存放于储仓中的物料有固体、液体、固液混合体等不同的物质形态，举例来说，有石油、煤矿、铁砂、水泥、玉米、小麦、面粉、牛油等不同的物料。各种物料在储存于储仓时，储仓内的温度、湿度与物料存量的多寡，都会影响到储存于储仓中各种物料的保存期限与保存品质的优劣。而在某些特定的产业，储仓内温度若没有控管好，则可能导致物料的爆炸或其他公共安全意外的发生，例如干燥的物料玉米、大豆、导电粉尘等，会因为温度变异，导致闷烧或火花尘爆。

现有技术的感测器，可检测该储仓中的温度、湿度或物位(即物料存量的多寡)，并根据检测到的数值来调整储仓内的温度、湿度与物位，以增加储仓中物料的保存期限或提高保存品质。但现有技术的感测器只能同时检测温度、湿度或物料存量其中一种，或是将各种不同的感测器建构成一整个系统方能达成同时检测温度、湿度或物料存量的目的。于实际使用时，在储仓装安装多种不同量测目的感应器，管理者便根据多种感应器检测到的数据，来调整储仓内的温度、湿度或物料存量。

进一步而言，现有技术的一种物位感测器是利用射频导纳(RF Admittance)原理，通过已知物料的介电系数，以及对该物位感应器的一物料电极施以一定额电压，并测量该电极与接地电位之间，因物料在该电极与该接地电位间具有等效电容，引起的电流差值，以及射频导纳的原理来计算出目前的物料存量。

现有技术的感测器只能提供整个储仓内的一个单一温度的信息，无法取得沿着储仓内物位变化的方向的温度分布。对于某些特定产业的仓储管理无法取得沿着储仓内物位变化的方向的温度分布，则无法准确的控管物料，举例来说，当石化工业在对石油进行分馏时，沿着储仓内物位变化的方向的温度分布会影响分馏出的石油的品质，因此取得沿着储仓内物位变化的方向的温度分布对石化工业而言是相当重要的。且现有技术的感测器无法同时感测多通道温度及物位。进一步而言，各种物料的介电系数会随着温度变化而连带产生变化，且各种物料的电容值亦会随着温度改变，而电容值与介电系数是射频导纳原理中计算物料存量的重要参数，若无法确定其正确知数值，则计算出的物料存量会与目前实际的物料存量有一段误差，无法准确的得知目前实际的物料存量。故现有技术的感测器有必要做进一步的改良。

发明内容

有鉴于前述现有技术的缺点，本发明提供一种物位与温度感测装置，可同时感测并计算出物料存量与物位沿特定方向的温度分布，且通过感测到的温度分布得知目前物料实际的介电系数与电容值，并进行参数较正，利用射频导纳原理重新计算出正确的物料存量。

为达成上述发明目的所采取的技术手段是令前述物位与温度感测装置包含有：

一缆线，包含有一电极及多个温度感测单元，该多个温度感测单元间隔地沿着该缆线的布线方向设置；

一物位感测模块，电连接至该缆线的电极，以输出一波形信号至该缆线的电极，以供射频导纳之用；

一温度感测模块，分别电连接至该多个温度感测单元；

一处理模块，包含有一储存单元及一处理单元；其中该储存单元电连接至该处理单元，且储存有一温度与物料电容对照表；该处理单元分别电连接至该物位感测模块及该温度感测模块，以接收一物位信号及一温度信号，并读取储存于该储存单元中的温度与物料电容对照表，根据该温度与物料电容对照表找出该温度信号对应的物料电容值，及根据射频纳原理计算出物料存量；及

一电源模块，电连接至该缆线、该物位感测模块、该温度感测模块及该处理模块，以提供电能使其正常运作。

在本发明中，该物位感测模块是利用测量该电极与接地电位间的电流差值，以及射频导纳原理，来换算出物料存量，且本发明于该缆线中间隔地沿着布线方向埋设有多个温度感测单元，利用该温度感测单元测量物位沿该缆线布线方向的温度分布，并建立一温度信息给该处理模块，该处理模块根据该温度信息计算出沿该缆线布线方向的温度变化，使储仓的管理人员可根据该温度变化来判断与调整储仓内的温度与物料存量。

进一步而言，本发明的处理模块中，还储存有一温度与物料电容对照表，根据该温度与物料电容对照表与该温度感测单元所测得的温度，即可对应并计算出正确的物料电容值。因物料电容值是射频导纳原理中重要的参数，故本发明是先利用温度关系来校正物料电容值，使利用射频导纳原理计算时，能有更准确的参数，以计算出更准确的物料存量。通常物质对于温度系数的变化关系，可以概分为正温度系数关系(温度上升，相同物料容积，电容值上升)、负温度系数关系(温度上升，相同物料容积，电容值下降)，其变化可能是线性或非线性函数关系。该温度与物料电容对照表是根据多次的实验结果观测各种不同温度下，建立各种不同物料的电容值，并记录后整理成该温度与物料电容对照表，使本发明于计算物料存量时，可根据该温度与物料电容对照表，对照该温度感测单元沿着不同电缆位置所测得的物料温度，找出该温度下正确的物料电容值，并根据射频导纳原理计算出正确的物料存量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明较佳实施例的功能方块图。

图2为本发明较佳实施例的侧视图。

图3为本发明较佳实施例的使用示意图。

图4A为本发明较佳实施例储仓中未存放物料时的示意图。

图4B为图4A的储仓中物位高度及感测温度的折线图。

图5A为本发明较佳实施例储仓中存放少数物料时的示意图。

图5B为图5A的储仓中物位高度及感测温度的折线图。

图6A为本发明较佳实施例储仓中存放多数物料时的示意图。

图6B为图6A的储仓中物位高度及感测温度的折线图。

附图标号说明：

10缆线 11电极

12温度感测单元 121第一温度感测单元

122第二温度感测单元 123第三温度感测单元

124第四温度感测单元 13湿度感测单元

14容置盒

20物位感测模块 21物位信号处理单元

22模拟数字转换器 23波形产生单元

24隔离信号处理器 25模拟信号隔离器

30温度感测模块 31温度信号处理单元

32模拟数字转换器 33数字信号隔离器

34切换单元

40处理模块 41储存单元

42处理单元

50电源模块

60使用者接口 61显示单元

62输入单元

70输出模块

80湿度感测模块 81湿度信号处理单元

82模拟数字转换器

具体实施方式

以下配合图示及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

请参阅图1所示，为本发明的一物位与温度感测装置，该物位与温度感测装置包含有一缆线10、一物位感测模块20、一温度感测模块30、一处理模块40及一电源模块50。

该缆线10包含有一电极11及多个温度感测单元12。该多个温度感测单元12间隔地沿着该缆线10的布线方向设置。在本较佳实施例中，该电极11是使用一钢索材质，除可导电并传导信息外，该钢索亦可提供较佳的耐冲击能力及载重能力。

该物位感测模块20包含有一物位信号处理单元21、一模拟数字转换器22及一波形产生单元23。该物位信号处理单元21分别与该缆线10的电极11及该模拟数字转换器22电连接，以接收该电极11送出的物位信号并传送至该模拟数字转换器22。该模拟数字转换器22于接收到该物位信号处理单元21送出的经过处理的模拟物位信号后，转换成数字物位信号输出。该波形产生单元23接收一控制信号，并根据该控制信号产生特定频率的波形信号，以输出至该电极11，供射频导纳之用。

该温度感测模块30包含有温度信号处理单元31及一模拟数字转换器32。该温度信号处理单元31分别电连接至该多个温度感测单元12及该模拟数字转换器32，以接收各温度感测单元12送出的温度信号并传送至该模拟数字转换器32。该模拟数字转换器32于接收到该温度信号处理单元31送出的经过处理的模拟温度信号后，转换成数字温度信号输出。在本较佳实施例中，该多个温度感测单元12可分别为感温三端元件(one-wire digitalthermometer)、电阻式温度感测器(RTD)或热电偶(Thermocouple)。

该处理模块40包含有一储存单元41及一处理单元42。该储存单元41电连接至该处理单元42，且储存有一温度与物料电容对应表。该处理单元42又分别电连接至该物位感测模块20及该温度感测模块30的模拟数字转换器22、32，以接收该数字物位信号及该数字温度信号，并读取储存于该储存单元41中的温度与物料电容对应表。该处理单元42根据该温度与物料电容对应表及该数字温度信号，找出该数字温度信号所对应的物料电容值，并根据该物料电容值及该数字物位信号，由射频导纳原理计算出目前实际的物料存量。在本较佳实施例中，该处理单元42是通过Data Input/Output1-Wire interface pin，以MODBUS通信协定来读取该多个温度感测单元12的温度数据

该电源模块50电连接至该缆线10、该物位感测模块20、该温度感测模块30及该处理模块40，以提供电能使其正常运作。

该物位感测模块20进一步包含有一隔离信号处理器24及一模拟信号隔离器25。该隔离信号处理器24电连接在该物位信号处理单元21及该探棒10电极11之间，以将该探棒10电极11所送出的信号中的噪音移除，避免误判的情况发生。该模拟信号隔离器25电连接在该隔离信号处理器24及该物位信号处理单元21之间，并电连接至该波形产生单元23，以避免电压突波而造成的电路损坏。

该温度感测模块30进一步包含有一数字信号隔离器33及一切换单元34。该数字信号隔离器33电连接在该模拟数字转换器32及该处理单元42之间，以避免电压突波而造成的电路损坏。该切换单元34分别电连接至该多个温度感测单元12及该数字信号隔离器33，以通过该数字信号隔离器33接收该处理单元42送出的控制信号，来调整该多个温度感测单元12的感测温度级距，进而调整本发明温度感测的灵敏度。在本较佳实施例中，该温度信号处理单元31、一模拟数字转换器32及该切换单元34可整合在一芯片中，以降低组装时的复杂度，且可进一步节省空间，缩小本发明的体积。

在本较佳实施例中，该物位与温度感测装置进一步设置有一使用者接口60、一输出模块70及一湿度感测模块80。该使用者接口60电连接至该处理模块40的处理单元42，并包含有一显示单元61及一输入单元62。该显示单元61显示该感测器所测得的各种信息，例如温度或物料存量，该输入单元62提供使用者输入控制指令，例如调整该多个温度感测单元12的感测温度级距，或该显示单元61所显示的项目。在本较佳实施例中，该显示单元61可为一组按钮或一触控面板。

该输出模块70电连接至该处理单元42，以将该处理单元42所输出的各种信息，例如温度或物料存量，通过电连接传送至其他电子装置。在本较佳实施例中，该输出模块70可为RS-232或USB接口。

该缆线10进一步设置有多个湿度感测单元13，该多个湿度感测单元13间隔地沿着该缆线10的布线方向设置。该湿度感测模块80具有一湿度信号处理单元81及一模拟数字转换器82。该湿度信号处理单元81分别电连接至该多个湿度感测单元13及该模拟数字转换器82，以接收各湿度感测单元13送出的湿度信号并传送至该模拟数字转换器82。该模拟数字转换器82电连接至该处理单元42，并于接收到该湿度信号处理单元81送出的经过处理的模拟湿度信号后，转换成数字湿度信号输出至该处理单元42。

该储存单元41储存有一湿度与物料电容对应表。该处理单元42接收该数字物位信号及该数字湿度信号，并读取储存于该储存单元41中的湿度与物料电容对应表。该处理单元42根据该湿度与物料电容对应表及该数字湿度信号，比对找出目前湿度状态下的物料电容值，并根据该物料电容值及该数字物位信号，由射频导纳原理计算出目前实际的物料存量。

请参阅图2及图3所示，该缆线10的一端设有一容置盒14，容置一电路板(图中未示)，而该电路板具有上述各个模块。且本较佳实施例将该容置盒14设置于一储仓的顶壁，并将该缆线10垂放入该储仓中，而该缆线的另一端与该储仓的底壁固接，以确保该缆线10垂放至该储仓的底壁，使该缆线可测量到整个储仓的高度，故无论物料存量的多寡，皆可感测到，并计算出来。

请参阅图5A、5B、6A及6B所示，本发明进一步发现于不同物质交界处附近的温度感应单元12所感测到的温度会有一段落差。举例来说，在物料高度以下的物质是储仓内的物料，其温度较高且相对变化较小，但于逐渐向上测量温度，并超越物料高度时，在物料高度以上的物质是储仓中的空气，所感测到的温度有较大的变化，而形成一段温差，且湿度亦然。例如在空气与液体物质的交界处、空气与固体物质的交界处、液体物质与固体物质的交界处，可以明显发现因为不同物质间的热传速度不同，通常会有明显的温度梯度变化。利用此关系，现有传统的物料存量测量技术，是在全域(Full Scale)量测范围，展开后端的模拟数字转换，例如12bits的模拟数字转换器，相当于将全域量测分割为4096；若要提高解析度，则必须更换更高解析度的模拟数字转换器。本发明利用温度陡降的特征点。再沿着缆线的任意两个分布点间，设定成为全域的量测范围，如此可实践出用低解析度的模拟数字转换器，达到高解析度量测物质Level的目的。

请参阅图4A及4B所示，举例来说，若本发明初始设定的检测范围，即模拟数字转换的范围，是自第一温度感测单元121至第二温度感测单元122之间，即是从储仓内最高的温度感测单元12至最低的温度感测单元12之间，而该数字模拟转换器32的转换解析度为2¹⁶，且于该第一温度感测单元121附近所测得的电容值为870pf，于该第二温度感测单元122附近所测得的电容值为500pf，故本次模拟数字转换的精准度为(870-500)/2¹⁶。请参阅图5A、5B、6A及6B所示，经过信号调变，通过温度陡变的位置为依据，重新设定检测范围，自第三温度感测单元123至第四温度感测单元124之间，而该数字模拟转换器22的转换解析度不变，于该第三温度感测单元123附近所测得的电容值为750pf，于该第四温度感测单元124附近所测得的电容值为550pf，本次的模拟数字转换的精准度则为(750-550)/2¹⁶。相对而言，提高了模拟数字转换的精准度，另一方面，本发明可以采用较低解析度的模拟数字转换器，即可达到与现有技术采用高解析度的模拟数字转换器相同的精准度。

本发明是通过测量该电极11与接地电位之间因物质在两电极间具有等效电容，所引起的电流差值，以及射频导纳的原理来计算出目前的物料存量。而在射频导纳原理中介电系数是一重要的参数，且介电系数会影响物料电容值。但物料的介电系数会随着温度及湿度的影响而改变介电系数，因而导致物料电容值的变动，进一步使得根据射频导纳原理计算出来的结果产生误差，无法准确的计算目前的物料存量。故本发明是通过该温度感测模块30及该湿度感测模块80来感测出目前的储仓内物料的温度与湿度，再根据该温度与物料电容对应表及该湿度与物料电容对应表来查找出目前正确的物料电容值，以校正目前的物料电容值，让该处理单元42能计算出更准确的物料存量。

进一步而言，本发明的处理模块中，还储存有一湿度与物料电容对照表，根据该湿度与物料电容对照表，即可对应找出正确的物料电容值对湿度的系数。因物料电容值是射频导纳原理中重要的参数，故本发明是利用湿度关系来校正物料电容值，使利用射频导纳原理计算时，能有更准确的参数，以计算出更准确的物料存量。通常物质对于湿度系数的变化关系，可以概分为正湿度系数关系(湿度上升，相同物料容积，电容值上升)、负湿度系数关系(湿度上升，相同物料容积，电容值下降)，其变化可能是线性或非线性函数关系。该湿度与物料电容对照表是根据多次的实验结果观测各种不同湿度下，建立各种不同物料的电容值，并记录后整理成该湿度与物料电容对照表，使本发明于计算物料存量时，可根据该湿度与物料电容对照表，对照该湿度感测单元沿着不同电缆位置所测得的物质湿度，找出该湿度下正确的物料电容值，并根据射频导纳原理计算出正确的物料存量。

在本发明中，同时发现通过不同物质接口间温度陡降的特征点，例如在空气与液体物质的接口、空气与固体物质的接口、液体物质与固体物质的接口，可以明显发现因为接口间的热传速度不同，通常会有明显的温度梯度变化。利用此关系，现有传统的Level测量技术，是在全域(Full Scale)量测范围，展开后端的模拟数字转换，例如12bits模拟转换器，相当于将全域量测分割为4096；若要提高解析度，则必须更换更高解析度的模拟数字转换器。本发明利用温度陡降的特征点。再沿着缆线的任意两个分布点间，设定成为全域的量测范围，如此可实践出用低解析度的模拟数字转换器，达到高解析度量测物质Level的目的。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种物位与温度感测装置，其特征在于，用于量测储仓的物料存量与温度，且包含有：

一缆线，包含有一电极及多个温度感测单元，所述多个温度感测单元间隔地沿着所述缆线的布线方向设置，所述多个温度感测单元测量沿着所述缆线的布线方向的温度分布；

一物位感测模块，电连接至所述缆线的电极，以输出一波形信号至所述缆线的电极，以供射频导纳之用；

一温度感测模块，分别电连接至所述多个温度感测单元；

一处理模块，包含有一储存单元及一处理单元；其中所述储存单元电连接至所述处理单元，且储存有一温度与物料电容对照表；所述处理单元分别电连接至所述物位感测模块及所述温度感测模块，以接收一物位信号及一温度信号，并读取储存于所述储存单元中的温度与物料电容对照表，根据所述温度与物料电容对照表找出所述温度信号对应的物料电容值，及根据射频纳原理计算出物料存量；及

一电源模块，电连接至所述缆线、所述物位感测模块、所述温度感测模块及所述处理模块，以提供电能使其正常运作，

其中所述物位感测模块包含有一物位信号处理单元、一模拟数字转换器及一波形产生单元；其中所述物位信号处理单元分别与所述缆线的电极及所述物位感测模块的模拟数字转换器电连接以接收所述缆线的电极送出的所述物位信号并传送至所述模拟数字转换器；所述模拟数字转换器电连接至所述处理模块的处理单元，并于接收到所述物位信号处理单元送出的经过处理的模拟物位信号后，转换成数字物位信号输出；所述波形产生单元电连接至所述缆线的电极，并接收一控制信号，并根据所述控制信号产生特定频率的波形信号，以输出至所述缆线的电极，供射频导纳之用。

2.根据权利要求1所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述温度感测模块包含有一温度信号处理单元及一模拟数字转换器；所述温度信号处理单元分别电连接至所述多个温度感测单元及所述模拟数字转换器；所述模拟数字转换器电连接至所述处理模块的处理单元。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的物位与温度感测装置，其特征在于，进一步包含有一湿度感测模块，所述湿度感测模块包含有一湿度信号处理单元及一模拟数字转换器；

其中所述缆线进一步包含有多个湿度感测单元，所述多个湿度感测单元间隔地沿着所述缆线的布线方向设置；及

其中所述湿度信号处理单元分别电连接至所述多个湿度感测单元及所述湿度感测模块的模拟数字转换器，而所述湿度感测模块的模拟数字转换器电连接至所述处理模块的处理单元。

4.根据权利要求3所述的物位与温度感测装置，其特征在于，处理模块的处理单元进一步包含有一湿度与物料电容对照表。

5.根据权利要求1所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述缆线的电极为一钢索。

6.根据权利要求1所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述多个温度感测单元为感温三端元件、电阻式温度感测器或热电偶。

7.根据权利要求1所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述物位感测模块进一步包含有一隔离信号处理器，所述隔离信号处理器电连接在所述物位信号处理单元及所述电极之间。

8.根据权利要求7所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述物位感测模块进一步包含有一模拟信号隔离器，所述模拟信号隔离器电连接在所述隔离信号处理器及所述物位信号处理单元之间，并电连接至所述波形产生单元。

9.根据权利要求2所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述温度感测模块进一步包含有一数字信号隔离器，所述数字信号隔离器电连接在所述模拟数字转换器及所述处理单元之间。

10.根据权利要求9所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述温度感测模块进一步包含有一切换单元，所述切换单元分别电连接至所述多个温度感测单元及所述数字信号隔离器。

11.根据权利要求1所述的物位与温度感测装置，其特征在于，进一步包含有一输出模块，所述输出模块电连接至所述处理模块。

12.根据权利要求1所述的物位与温度感测装置，其特征在于，所述处理模块根据不同物质交界处之间温度陡降的特征点的温度梯度变化，进一步重新设定模拟数字转换的范围，提高物料存量的模拟数字转换解析度。