CN115112756A - 管路液体的监测装置 - Google Patents

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CN115112756A CN202210260737.1A CN202210260737A CN115112756A CN 115112756 A CN115112756 A CN 115112756A CN 202210260737 A CN202210260737 A CN 202210260737A CN 115112756 A CN115112756 A CN 115112756A
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Abstract

一种管路液体的监测装置，包含：夹具可拆卸地固定于管路的外表面；第一超音波探头设置于夹具；处理模块存储有最小信号阈值，控制第一超音波探头沿管路的径向发射第一感测信号及接收对应第一感测信号的第一反射信号，依据管路的径向相邻及相对第一超音波探头的第一内表面及第二内表面反射第一感测信号至第一超音波探头的时间自第一反射信号解析出第一时段信号及第二时段信号，若判断第一时段信号大于最小信号阈值且第二时段信号小于最小信号阈值，则产生代表第一超音波探头或管路内液体发生异常的警告信号；显示单元用以显示警告信号。

Description

管路液体的监测装置
技术领域
本发明涉及一种监测装置，尤其涉及一种管路液体的监测装置。
背景技术
现今产业大量制造产品的过程需使用储槽及管路存储及输送各种液体，从管路内液体的温度、压力、流量、黏度、成分、杂质、气泡到管路的厚度、材质、瑕疵等液体及管路的状态数据是有关生产的成本、效率、良率及安全的重要因素，因此，业者发展出例如：温度计、压力计、流量计、黏度计、测厚计等各种测量液体及管路的设备。
以装设方式区分，测量液体及管路的设备区分为侵入(管路)式及非侵入式。侵入式设备至少须将感测组件设置于管路内直接接触液体进行测量，侵入式设备的测量结果的精确度较高，但容易发生液体渗漏的问题。非侵入式设备容易安装，但测量结果的精确度较差，若传感器的装设位置偏差、管路磨耗、液体或环境条件变化过大，甚至会发生无法测量的异常情形，而生产现场人员难以判断误差或异常的原因是设备、管路、液体或环境，通常需由设备厂商的技术人员排除异常，不仅耗费时间且影响生产。
在液体存储及输送过程，一旦发生空管、液体的组成(例如：杂质、气泡或分离)或环境条件(例如：温度、压力、管路材质)变化，将严重影响制程效率及产品良率。目前液体测量设备的业者尚未开发出可监测空管、液体组成变化等异常的设备，使用液体的制造业亟需可准确、全时且便利监测管路液体状态的技术及装置。
发明内容
为解决上述种种问题，本发明提供一种管路液体的监测装置，包含：夹具、第一超音波探头、处理模块以及显示单元。夹具可拆卸地固定于管路的外表面。第一超音波探头设置于夹具。处理模块连接第一超音波探头且存储有最小信号阈值，控制第一超音波探头沿管路的径向发射第一感测信号及接收对应第一感测信号的第一反射信号，依据管路的径向相邻及相对第一超音波探头的第一内表面及第二内表面反射第一感测信号至第一超音波探头的时间自第一反射信号解析出第一时段信号及第二时段信号，若判断第一时段信号大于最小信号阈值且第二时段信号小于最小信号阈值，则产生代表第一超音波探头或管路内液体发生异常的警告信号。显示单元连接处理模块，用以显示警告信号。
于一实施例，自上述第一感测信号发射的时间点起算，区分上述第一时段信号及上述第二时段信号的时间介于上述第一内表面反射上述第一感测信号至上述第一超音波探头的时间与上述第二内表面反射上述第一感测信号至上述第一超音波探头的时间。
于一实施例，上述处理模块解析上述第一内表面及上述第二内表面反射上述第一感测信号至上述第一超音波探头的时间差，依据时间差及二倍的上述第一内表面与上述第二内表面的径向距离，产生上述液体的实测声速。
于一实施例，上述处理模块存储有最大信号阈值，若上述处理模块判断上述第一时段信号大于最大信号阈值且上述第二时段信号小于最小信号阈值，则产生代表上述夹具未正确固定或上述第一超音波探头未正确设置的检查信号；上述显示单元显示检查信号。
于一实施例，上述管路液体的监测装置还包含：壳体及温度传感器，其中壳体设置于上述夹具，温度传感器与上述第一超音波探头设置于壳体且连接上述处理模块，温度传感器用以测量上述管路的外表面的温度。
于一实施例，若上述处理模块判断上述第一时段信号大于上述最大信号阈值且上述第二时段信号小于上述最小信号阈值，则产生代表上述夹具未正确固定或上述壳体未正确设置的检查信号；上述显示单元显示检查信号。
于一实施例，上述管路液体的监测装置还包含：第二超音波探头，与上述第一超音波探头沿上述管路的径向相对设置于上述夹具，且连接上述处理模块；上述处理模块控制第二超音波探头接收沿上述管路的径向通过上述管路的第一感测信号，若上述处理模块判断第二超音波探头接收的上述第一感测信号小于上述最小信号阈值，则产生代表上述第一超音波探头或上述管路内液体发生异常的警告信号。
于一实施例，若上述处理模块判断上述第二超音波探头接收的上述第一感测信号大于上述最小信号阈值，则解析上述第一超音波探头接收上述第二内表面反射上述第一感测信号至上述第一超音波探头与上述第二超音波探头接收上述第一感测信号的时间差，依据时间差及上述第一内表面与上述第二内表面的径向距离，产生上述液体的实测声速。
于一实施例，上述管路液体的监测装置还包含：第三超音波探头及第四超音波探头，设置于上述夹具，且分别连接上述处理模块；上述处理模块控制第三超音波探头沿与上述管路的径向成一夹角的方向发射第三感测信号及第四超音波探头接收第三感测信号，解析第三感测信号自第三超音波探头至第四超音波探头的传输时间，控制第四超音波探头沿与夹角成对称角的方向发射第四感测信号及第三超音波探头接收第四感测信号，解析第四感测信号自第四超音波探头至第三超音波探头的传输时间，依据第三感测信号与第四感测信号的传输距离及传输时间差、上述液体的实测声速、上述管路的径向面积及第三感测信号或第四感测信号通过上述液体的入射角，产生上述液体的流量。
于一实施例，若上述处理模块判断上述第二时段信号大于上述最小信号阈值且上述第三感测信号或上述第四感测信号小于上述最小信号阈值，上述处理模块产生代表调整上述第三超音波探头与上述第四超音波探头的相对位置的校正信号。
本发明的管路流体的监测装置利用超音波信号监测管路及液体可大幅减少环境噪声的干扰，准确判断管路液体是否发生空管或大量气泡或大量固形物的情况，且可自我判断感测组件是否正确设置于管路，提高监测数据的可信度，达成准确、全时且便利监测管路液体的目的。
附图说明
图1为本发明的一实施例的管路液体的监测装置的侧视示意图；
图2A为图1所示管路液体的监测装置于管路充满液体的情况发射及接收超音波信号的示意图，图2B为图2A所示管路液体的监测装置于管路充满液体的情况发射及接收超音波信号的时域信号示意图；
图3A为图1所示管路液体的监测装置于管路内液体发生异常的情况发射及接收超音波信号的示意图，图3B为图3A所示管路液体的监测装置于管路内液体异常的情况发射及接收超音波信号的时域信号示意图；
图4A为图1所示管路液体的监测装置未正确固定于管路的情况发射及接收超音波信号的示意图，图4B为图4A所示管路液体的监测装置未正确固定于管路的情况发射及接收超音波信号的时域信号示意图；
图5为本发明的另一实施例的管路液体的监测装置沿管路径向的剖视示意图；
图6A为本发明的管路液体的监测装置的另一实施例的侧视示意图，图6B为图6A所示壳体的上视图；以及
图7A为本发明的另一实施例的管路液体的监测装置沿管路的轴向的剖视示意图，图7B为本发明的另一实施例的管路液体的监测装置沿管路的轴向剖视示意图。
其中，附图标记说明如下：
1,2,3,4,4’:管路液体的监测装置
11,21,31,41:夹具
12,22,33,42:第一超音波探头
13,24,34,46:超音波耦合层
14,25,37,47:处理模块
15,26,38,48:显示单元
23,43:第二超音波探头
32:壳体
35:温度传感器
36:振动传感器
44:第三超音波探头
45:第四超音波探头
100,200,300,400:管路
101,201:第一管壁
102,202:第二管壁
111:容置槽
112:扣件
121:压电材料
122:声阻匹配层
211,411:第一框
212,412:第二框
R1:声阻匹配层接口反射信号
R2:超音波耦合层界面反射信号
R3:管路第一内表面反射信号
R4:管路第二内表面反射信号
R5:管路第二外表面反射信号
Rmin1:第一时段最小信号阈值
Rmin2:第二时段最小信号阈值
Rmax:最大信号阈值
T0:第一感测信号发射开始时间点
T1:第一感测信号发射完成时间点
T2:区分第一时段及第二时段的时间点
T3:第一反射信号接收完成的时间点
具体实施方式
以下配合附图及组件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后可据以实施本发明。
图1为本发明的一实施例的管路液体的监测装置的侧视示意图。如图1所示，管路流体的监测装置1包含：夹具11、第一超音波探头12、超音波耦合层13、处理模块14及显示单元15，夹具11可拆卸地固定于管路100的外表面，第一超音波探头12设置于夹具11，超音波耦合层13夹置于第一超音波探头12与管路100的第一外表面，处理模块14经由有线或无线通信方式连接第一超音波探头12，显示单元15经由有线或无线通信方式连接处理模块14。
超音波通过介质传输的过程，二种介质的声阻差异越大，二介质的接口反射超音波越强，二种介质的声阻差异越小，二介质的接口反射超音波越弱。第一超音波探头12主要由信号线路、压电材料、声阻匹配层等构成，具有发射及接收特定频率范围超音波信号的功能。夹具11包含容置槽111及扣件112，第一超音波探头12设置于容置槽111，容置槽111的底部形成开口，声阻匹配层通过容置槽111的开口贴合超音波耦合层13，扣件112可迫紧第一超音波探头12与管路100，使超音波耦合层13相对二侧分别贴合第一超音波探头12与管路100的第一外表面，避免第一超音波探头12与管路100的第一外表面之间有影响超音波信号传输的空隙。超音波耦合层13的材质(例如：硅油、硅胶、橡胶等)与管路100的材质(例如：铜、铁、不锈钢、聚氯乙烯、聚丙烯)的声阻相近，以提高超音波信号传输至管路100的能量比例。
处理模块14例如是包含微处理器、微控制器、频率产生器、电子信号处理器、数据多任务器、信号放大器、模拟/数字信号转换器、内存、有线及无线通信等功能电路组合，且内存预存储处理超音波信号、运算超音波声速及液体状态数据的应用程序、及判断超音波信号的最小信号阈值及最大信号阈值。显示单元15例如是灯光组件或现有可显示文字或图像信息的液晶或发光二极管显示器。于本实施例，处理模块14及显示单元15与第一超音波探头12组构成单机型式；于其他实施例，处理模块14和/或显示单元15可建置于远程的监测计算机装置且经由有线或无线通信方式连接单一或多个第一超音波探头12。
图2A为图1所示管路液体的监测装置于管路充满液体的情况发射及接收超音波信号的示意图。如图2A所示，处理模块14可切换第一超音波探头12的发射及接收超音波信号，以控制第一超音波探头12沿管路100的径向(如图2A中的Y轴方向)发射第一感测信号及接收对应第一感测信号的第一反射信号；实心箭头记号表示第一超音波探头12发射的第一感测信号，虚线箭头记号表示对应第一感测信号的第一反射信号。
于管路100中充满液体的情况，第一超音波探头12的压电材料121产生第一感测信号，第一感测信号通过声阻匹配层122而接触声阻匹配层122与超音波耦合层13的接口时，部分第一感测信号反射至第一超音波探头12的声阻匹配层122及压电材料层121(定义为声阻匹配层接口反射信号R1)，部分第一感测信号沿管路100的径向通过超音波耦合层13；通过超音波耦合层13的第一感测信号接触超音波耦合层13与管路100相邻第一超音波探头12的第一外表面的接口时，部分第一感测信号反射至超音波耦合层13、第一超音波探头12的声阻匹配层122及压电材料层121(定义为超音波耦合层接口反射信号R2)，部分第一感测信号沿管路100的径向通过管路100相邻第一超音波探头12的第一管壁101；通过第一管壁101的第一感测信号接触管路100相邻第一超音波探头12的第一内表面与液体的接口时，部分第一感测信号反射至第一管壁101、超音波耦合层13、第一超音波探头12的声阻匹配层122及压电材料层121(定义为管路第一内表面反射信号R3)，部分第一感测信号沿管路100的径向通过液体；通过液体的第一感测信号接触液体与管路100相对第一超音波探头12的第二内表面的接口时，部分第一感测信号反射至液体、第一管壁101、超音波耦合层13、第一超音波探头12的声阻匹配层122及压电材料层121(定义为管路第二内表面反射信号R4)，部分第一感测信号沿管路100的径向通过管路100相对第一超音波探头12的第二管壁102；通过第二管壁102的第一感测信号接触管路100相对第一超音波探头12的第二外表面与空气的接口时，由于管路100的材质与空气的声阻差极大，通过第二管壁102的第一感测信号几乎全部反射至第二管壁102、液体、第一管壁101、超音波耦合层13、第一超音波探头12的声阻匹配层122及压电材料层121(定义为管路第二外表面反射信号R5)。
图2B为图2A所示管路液体的监测装置于管路充满液体的情况发射及接收超音波信号的时域信号示意图。如图2A及图2B所示，处理模块14控制第一超音波探头12发射第一感测信号后，随即控制第一超音波探头12接收第一反射信号，第一反射信号来自不同声阻的二材料的接口反射第一感测信号，包含上述定义的声阻匹配层接口反射信号R1、超音波耦合层接口反射信号R2、管路第一内表面反射信号R3、管路第二内表面反射信号R4及管路第二外表面反射信号R5，其中声阻匹配层接口反射信号R1、超音波耦合层接口反射信号R2及管路第一内表面反射信号R3在第一超音波探头12接收的时间点上极为接近，管路第一内表面反射信号R3及管路第二内表面反射信号R4在第一超音波探头12接收信号的时间点上有区隔(相隔超音波信号沿管路100的径向往返通过液体的时间)，管路第二内表面反射信号R4及管路第二外表面反射信号R5在第一超音波探头12接收信号的时间点上极为接近；因此，于管路充满液体的情况，第一反射信号在时域上可明显区分出先后分离的二信号波群。
第一超音波探头12开始发射第一感测信号的时间点定义为T0，第一感测信号发射完成的时间点T1，T0至T1的时间长度例如5、10或15微秒，第一超音波探头12结束接收第一反射信号的时间点定义为T3，自第一感测信号开始发射时间点T0至第一反射信号结束接收的时间点T3的时间长度(T0至T3)与管路材质、液体、管径尺寸有关，可经由实测或理论取一个时间长度上限值，例如200，400，1000微秒(一般的2寸管径的管路取400微秒即可接收完整的第一反射信号)。本发明依据第一超音波探头12接收管路100的第一内表面及第二内表面反射第一感测信号的时间将第一反射信号的时间长度区分成先后的第一时段(T1至T2)及第二时段(T2至T3)，第一时段接收的信号定义为第一时段信号，第二时段接收的信号定义为第二时段信号，第一时段信号包含声阻匹配层接口反射信号R1、超音波耦合层接口反射信号R2及管路第一内表面反射信号R3，第二时段信号包含管路第二内表面反射信号R4及管路第二外表面反射信号R5，区分第一时段及第二时段的时间点T2介于第一超音波探头12接收管路第一内表面反射信号R3的时间点TR3与接收第二内表面反射信号R4的时间点TR4之间。自第一感测信号开始发射的时间点T0起算，T0至TR3的时间长度为第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返声阻匹配层122、超音波耦合层13及第一管壁101的时间长度和，T0至TR4的时间长度为第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返声阻匹配层122、超音波耦合层13、第一管壁101及液体的时间长度和。
声阻匹配层122的材质及尺寸为已知，第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返声阻匹配层122的时间长度TR3-1可以使用计算式：2×声阻匹配层122的厚度/超音波在声速匹配层122的声速，或预先实测获得；超音波耦合层13的材质及尺寸为已知，第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返超音波耦合层13的时间长度TR3-2可以使用计算式：2×超音波耦合层13的厚度/超音波在超音波耦合层13的声速，或实测获得；现有工业标准已规范各种管路的材质及尺寸(如ISO15494定义了不同塑料的工业用管路尺寸)，在管路的外径相近且材质相同的条件下，纵使归属不同工业标准的管路，超音波信号通过管壁的时间差实测结果在10微秒内(通常约1到3微秒)，据此，处理模块14可预存储超音波信号在各种管路管壁的声速，使用者于开始监测前输入管路型号或管壁厚度，第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返第一管壁101的时间长度TR3-3可以使用计算式：2×管壁径向厚度/超音波在管路管壁的声速，或实测获得；超音波在液体的通常声速介于600至2600米/秒，为便于区分第一时段及第二时段，不同的管路内径、超音波在液体的通常声速可预存储于处理模块14，用户于开始监测前输入管路内径及选择预存储声速，第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返液体的时间长度TR4-1可以使用计算式：2×管路内径/超音波在液体的预存储声速，或实测获得；自第一感测信号开始发射的时间点T0加总时间长度TR3-1、TR3-2及TR3-3即可获得时间点TR3，时间点TR3加时间长度TR4-1即可获得时间点TR4，进而决定区分第一时段及第二时段的时间点T2(TR3＜T2＜TR4)。以一般常用管路的实测结果为例，自第一感测信号开始发射时间点T0起算，区分第一时段及第二时段的时间点T2介于15至200微秒，例如：20至50微秒、50至100微秒、150至150微秒、150至200微秒。
处理模块14预存储最小信号阈值Rmin，最小信号阈值Rmin的定义可使用已知管路100充满液体的实测最小信号阈值或现有动态阈值的演算技术。动态阈值演算技术包含但不限于：时域法：将时域信号先进行滤波处理，去除非超音波频率的噪声，判定信号基线(Baseline)及局部最大信号值(Local maximum signal)，以局部最大信号值的特定比例(例如但不限于：5％、10％、15％或20％)作为最小信号阈值；频域法：将时域信号经傅立叶变换成频域信号，选定超音波的频率范围，判定信号基线及局部最大信号强度，以局部最大信号强度的特定比例(例如但不限于：5％、10％、15％或20％)作为最小信号阈值。因第一时段信号的信号强度大于第二时段信号强度，处理模块14分别默认第一时段的最小信号阈值Rmin1及第二时段的最小信号阈值Rmin2，按时域或频域自第一反射信号解析第一时段信号及第二时段信号，分别比对第一时段信号和/或第二时段信号是否大于第一时段最小信号阈值Rmin1及第二时段最小信号阈值Rmin2，进而判断管路100的液体状态正常或异常。
若处理模块14判断第一时段信号大于第一时段最小信号阈值Rmin1且第二时段信号大于第二时段最小信号阈值Rmin2，则处理模块14可依据最第一时段小信号阈值Rmin1及第二时段最小信号阈值Rmin2分别解析第一超音波探头12接收第一内表面反射信号R3及第二内表面反射信号R4的时间点，例如：按第一感测信号及第一反射信号沿管路100的径向往返声阻匹配层122的时间长度TR3-1、往返超音波耦合层的时间长度TR3-2及往返第一管壁101的时间长度TR3-3，判断第一时段信号中超过第一时段最小信号阈值Rmin1的第三个最大波峰或波谷(Local maximum or minimum)的时间点作为第一内表面反射信号R3的时间点，按第二时段信号中超过第二时段最小信号阈值Rmin2的第一个最大波峰或波谷的时间点作为第二内表面反射信号R4的时间点。第一超音波探头12接收第一内表面反射信号R3与第二内表面反射信号R4的时间差即为第一感测信号及第一反射信号于液体往返通过第一内表面与第二内表面的径向距离(即2×管路100的内径)所需时间，处理模块14依据第一超音波探头12接收管路第一内表面及第二内表面反射第一感测信号的时间差及管路100内径的2倍，即可产生液体的实测声速。
若管路100的液体维持稳定状态，则处理模块14定时产生液体的(实测)声速会落在一定范围；若管路100的液体的组成(如：溶质浓度上升、液相分层)或温度发生较大变化，导致处理模块14产生液体的声速改变，使用者可视液体的性质预先将正常的液体声速范围与超出正常液体声速范围的异常通报信息(例如：浓度变化、温度变化或液相分层)存储于处理模块14，管路液体的监测装置1即可监测管路100中液体的组成或温度是否发生异常情况。
图3A为图1所示管路液体的监测装置于管路内液体发生异常的情况发射及接收超音波信号的示意图。图3A中，实心箭头记号表示第一超音波探头12发射的第一感测信号，虚线箭头记号表示对应第一感测信号的第一反射信号。于管路100无液体或含大量气泡或有大量固形物等异常情况，处理模块14控制第一超音波探头12发射第一感测信号，第一感测信号通过管路100的径向(如图3A中Y轴所示方向)相邻第一超音波探头12的第一管壁101，由于管路100的材质与空气的声阻差极大，空气或气泡或固形物阻断第一感测信号继续沿管路100的径向传输，管路100径向相邻第一超音波探头12的第一内表面与空气或气泡的接口将大部分的第一感测信号反射至第一超音波探头12的声阻匹配层122及压电材料层121(即声阻匹配层接口反射信号R1、超音波耦合层接口反射信号R2及管路第一内表面反射信号R3)，少部分的第一感测信号发生散射或在往返通过第一侧管壁101的过程耗损。
图3B为图3A所示管路液体的监测装置于管路内液体异常的情况发射及接收超音波信号的时域信号示意图。如图3A及3B所示，处理模块14自第一反射信号解析出第一时段信号及第二时段信号，判断第一时段信号大于第一时段最小信号阈值Rmin1且第二时段信号小于第二时段最小信号阈值Rmin2，则产生代表管路100内无液体(即空管)或有大量气泡或有大量固形物的管路内液体异常的警告信号。显示单元15自处理模块14接收警告信号后，以灯光、文字或图像信息显示代表管路内液体异常的警告信号。以2寸PVC管，管壁厚度4mm，第一超音波探头12发射第一感测信号频率2Mhz及强度10V，于摄氏20度实测结果：空管的第一时段信号最大强度大于600mV，第二时段信号小于80mV；充满水的第一时段信号的最大强度大于500mV，第二时段信号大于100mV。处理模块14默认第一时段最小信号阈值Rmin1为200mV，第二时段最小信号阈值Rmin2为100mV，即可判断管路100内液体是否发生空管、大量气泡或大量固形物的异常情况。
藉由本发明的管路液体的监测装置可监测管路空管的功能，将本发明的管路液体的监测装置安装于液体储槽的液位管，亦可监测液体储槽的液位高度，当储槽的液位低于管路液体的监测装置的安装高度，管路液体的监测装置即可显示低液位的警告信号。
图4A为图1所示管路液体的监测装置未正确固定于管路的情况发射及接收超音波信号的示意图。图4A中，实心箭头记号表示第一超音波探头12发射的第一感测信号，虚线箭头记号表示对应第一感测信号的第一反射信号。于管路液体的监测装置1未正确固定于管路100的情况，处理模块14控制第一超音波探头12发射第一感测信号，超音波耦合层13与第一超音波探头12的声阻匹配层122和/或管路100的外表面之间有空隙，由于声阻匹配层122或超音波耦合层13与空气的声阻差极大，空隙将极大部分的第一感测信号直接反射至第一超音波探头12的压电材料层121(即声阻匹配层接口反射信号R1、或声阻匹配层接口反射信号R1与超音波耦合层接口反射信号R2)，仅极少部分的第一感测信号及第一反射信号于往返声阻匹配层122或超音波耦合层13而耗损。若管路液体的监测装置1正确地固定于管路100，使超音波耦合层13的相对二侧表面分别紧贴第一超音波探头12的声阻匹配层122及管路100的外表面，第一感测信号及第一反射信号必然因往返管路100的第一管壁101而耗损；因此，管路液体的监测装置1未正确固定于管路100的第一反射信号的最大强度必然大于管路液体的监测装置1正确固定于管路100的第一反射信号的最大强度。
图4B为图4A所示管路液体的监测装置未正确固定于管路的情况发射及接收超音波信号的时域信号示意图。如图4A及图4B所示，处理模块14预存储最大信号阈值Rmax，最大信号阈值Rmax的定义可使用已知管路100空管的实测第一反射信号的最大值的特定比例(例如但不限于：110％、120％、130％、或140％)或所述次第一感测信号的最大或平均强度的特定比例(例如但不限于：20％、30％、40％、或50％)。若处理模块14判断第一时段信号大于最小信号阈值Rmin1且大于最大信号阈值Rmax而第二时段信号小于最小信号阈值Rmin2，则产生代表管路液体的监测装置未正确固定(夹具11未正确固定或第一超音波探头12未正确设置)的检查信号。显示单元15自处理模块14接收检查信号后，以灯光、文字或图像信息显示代表管路液体的监测装置1未正确固定的检查信号。以2寸PVC管，管壁厚度4mm，第一超音波探头发射第一感测信号频率2Mhz及强度10V，于摄氏20度实测结果：第一超音波探头12未正确设置的第一时段信号最大强度约855mV，第二时段信号小于最小信号阈值Rmin2(例如100mV)；第一超音波探头12正确设置但管路内液体异常(空管或有大量气泡或有大量固形物)的第一时段信号最大强度约683mV，第二时段信号小于最小信号阈值Rmin2。处理模块14默认最大信号阈值为700mV，即可判断第一超音波探头12是否正确设置。
图5为本发明的另一实施例的管路液体的监测装置沿管路径向的剖视示意图。如图5所示，管路流体的监测装置2包含：夹具21、第一超音波探头22、第二超音波探头23、多个超音波耦合层24、处理模块25及显示单元26，夹具21可拆卸地固定于管路200的外表面，第一超音波探头22及第二超音波探头23沿管路200的径向相对二侧设置于夹具21，超音波耦合层24分别夹置于第一超音波探头22与管路100的第一外表面，及第二超音波探头23与管路100的第二外表面，处理模块25经由有线或无线通信方式连接第一超音波探头22及第二超音波探头23，显示单元26经由有线或无线通信方式连接处理模块25。夹具21包含可彼此对合锁固的第一框211及第二框212，第一超音波探头22、第二超音波探头23、处理模块25及显示单元26的构造及功能如上述管路液体的监测装置1的第一超音波探头12、处理模块14及显示单元15。
于管路200中充满液体的情况，处理模块25控制第一超音波探头22沿管路200的径向发射第一感测信号及接收对应第一感测信号的第一反射信号，控制第二超音波探头23接收沿管路200的径向通过相邻第一超音波探头的第一管壁201、液体、相邻第二超音波探头的第二管壁202的第一感测信号。假设超音波信号通过第一管壁201及超音波耦合层24的时间与通过第二管壁202及超音波耦合层24的时间无差异，且超音波耦合层24分别正确贴合管路200的第一外表面与第一超音波探头22，及管路200的第二外表面与第二超音波探头23，则第一超音波探头22接收管路第二内表面反射信号(超音波2次通过第一管壁201及液体)与第二超音波探头23接收第一感测信号(超音波1次通过第一管壁201、液体及第二管壁202)的时间差可视为超音波信号于液体通过第一内表面与第二内表面的径向距离(管路200的内径)所需时间。处理模块25依据预存储的最小信号阈值，解析管路200的第二内表面反射第一感测信号至第一超音波探头12与第二超音波探头23接收第一感测信号的时间点及时间差，依据管路200的第二内表面反射第一感测信号至第一超音波探头与第二超音波探头23接收第一感测信号的时间差及管路200的内径，即可产生液体的实测声速。
上述管路液体的监测装置组合测量其他物理性质的感测组件，可进一步监测管路液体的状态。图6A为本发明的管路液体的监测装置的另一实施例的侧视示意图，图6B为图6A所示壳体的上视图。如图6A及图6B所示，管路液体的监测装置3包含夹具31、壳体32、第一超音波探头33、超音波耦合层34、温度传感器35、振动传感器36、处理模块37及显示单元38，夹具31可拆卸地固定于管路300的外表面，壳体32设置于夹具31，第一超音波探头33、温度传感器35及振动传感器36沿管路300的轴向排列设置于壳体32且连接处理模块37，超音波耦合层34夹置于第一超音波探头33与管路300的外表面，显示单元38连接处理模块37。温度传感器35用以测量管路300的外表面的温度，振动传感器36用以测量管路的振动状态。
温度传感器35及振动传感器36须贴合管路300的外表面，才能准确地测量管路300的温度值及振动值，若温度传感器35或振动传感器36因故(例如：振动、碰撞)未贴合管路300的外表面，可能测量出错误的温度值或振动值，使用者无法判断现有测量管路温度或管路振动的装置的温度传感器或振动传感器是否贴合管路的外表面，其所显示的温度值或振动值是否可信。于本实施例，第一超音波探头33、温度传感器35及振动传感器36设置于壳体32，且第一超音波探头33、温度传感器35及振动传感器36的测量面露出壳体32的一侧表面，若发生夹具31未正确固定或壳体32未正确设置的情况，第一超音波探头33、温度传感器35及振动传感器36与管路300的外表面之间有空隙，处理模块37存储有最小信号阈值及最大信号阈值，控制第一超音波探头33发射第一感测信号，超音波耦合层34与第一超音波探头33的声阻匹配层和/或管路300的外表面之间的空隙将极大部分的第一感测信号直接反射至第一超音波探头33，仅极少部分的第一感测信号及第一反射信号于往返声阻匹配层或超音波耦合层34而耗损。处理模块37自第一反射信号解析第一时段信号及第二时段信号，判断第一时段信号大于最大信号阈值且第二时段信号小于最小信号阈值，则产生代表夹具31未正确固定或壳体32未正确设置的检查信号；显示单元38显示检查信号。藉此，使用者可确认管路流体的监测装置3显示的温度值或振动传感器36显示的振动值是否为温度传感器35或振动传感器36实际测量管路300的外表面所得的数值。
图7A为本发明的另一实施例的管路液体的监测装置沿管路的轴向的剖视示意图，图7B为本发明的另一实施例的管路液体的监测装置沿管路的轴向的剖视示意图。如图7A及图7B所示，管路流体的监测装置4包含：夹具41、第一超音波探头42、第二超音波探头43、第三超音波探头44、第四超音波探头45、多个超音波耦合层46、处理模块47及显示单元48，夹具41可拆卸地固定于管路400的外表面，第一超音波探头42、第二超音波探头43、第三超音波探头44及第四超音波探头45设置于夹具41，多个超音波耦合层46分别夹置于第一超音波探头42、第二超音波探头43、第三超音波探头44、第四超音波探头45与管路400的外表面，处理模块47经由有线或无线通信方式连接第一超音波探头42、第二超音波探头43、第三超音波探头44及第四超音波探头45，显示单元48经由有线或无线通信方式连接处理模块47。夹具41包含可彼此对合锁固的第一框411及第二框412，第一超音波探头42、第二超音波探头43、第三超音波探头44、第四超音波探头45、处理模块47及显示单元48的构造及功能如上述管路液体的监测装置1的第一超音波探头12、处理模块14及显示单元15。
于图7A所示管路流体的监测装置4，第一超音波探头42、第三超音波探头44及第四超音波探头45沿管路400的轴向(图7A中X轴所示方向)一侧排列，第二超音波探头43设置于管路400径向相对第一超音波探头42的一侧；于图7B所示的管路流体的监测装置4’，第一超音波探头42与第三超音波探头44沿管路400的轴向一侧排列，第二超音波探头43与第四超音波探头45沿管路400相对第一超音波探头42与第三超音波探头44的轴向一侧排列。图7A及7B所示的管路流体的监测装置4,4’，第一超音波探头42与第二超音波探头43的连接线平行管路400的径向(或垂直管路400的轴向)，第三超音波探头44及第四超音波探头45沿管路400的轴向相隔一距离排列，第三超音波探头44及第四超音波探头45位于第一超音波探头42的二侧；于其他实施例，第三超音波探头44及第四超音波探头45位于第一超音波探头42的同一侧。
于管路400输送液体的情况，图7A所示处理模块47可控制第一超音波探头42沿管路400的径向(图7A中Y轴所示方向)发射第一感测信号及接收对应第一感测信号的第一反射信号，自第一反射信号解析管路400的径向相邻及相对第一超音波探头42的第一内表面及第二内表面反射第一感测信号至第一超音波探头42的时间差，依据第一内表面及第二内表面反射第一感测信号至第一超音波探头42的时间差及第一内表面与第二内表面的径向距离(管路400的内径)的2倍，产生液体的实测声速。图7B所示处理模块47可控制第一超音波探头42沿管路400的径向发射第一感测信号及接收对应第一感测信号的第一反射信号，控制第二超音波探头43通过管路400的第一感测信号，解析第一超音波探头42接收第一反射信号中管路第二内表面反射信号与第二超音波探头43接收第一感测信号的时间差，依据第一超音波探头42接收管路第二内表面反射信号与第二超音波探头43接收第一感测信号的时间差及管路400的内径，产生液体的实测声速。
处理模块47控制第三超音波探头44沿与管路400的径向成一夹角的方向(斜向)发射第三感测信号及第四超音波探头45接收第三感测信号，解析第三感测信号自第三超音波探头44至第四超音波探头45的传输时间，控制第四超音波探头45沿与第三超音波探头发射夹角成对称角的方向发射第四感测信号及第三超音波探头44接收第四感测信号，解析第四感测信号自第四超音波探头45至第三超音波探头44的传输时间，依据计算式：瞬时流量Q＝液体流速v×管路径向截面积A，液体流速v＝第三感测信号与第四感测信号的传输时间差Δt×液体声速C2/2×管路内径D×tanΘ，其中Θ表示第三感测信号通过液体的入射角(预存储于处理模块47)，产生液体的流量。
值得说明的是，现有非侵入式(外挂式)超音波流量计产生管路液体流量的方法是预存储特定液体(例如：水或油)于特定范围的顺逆流传输时间差对流量的线性函数，实测管路液体的顺逆流的传输时间差，利用内插法产生流量，而未实测液体的声速；此种方法所产生管路液体的流量的误差较大，当液体或环境条件变化超出预存储的线性函数范围，现有非侵入式超音波流量计产生的流量的误差可能达到影响生产(错误)的程度。此外，当液体或环境条件变化超过超音波流量计的默认条件，超音波探头无法接收斜向传输的感测信号，以致无法产生流量，须调整轴向排列的二超音波探头的相对位置，而生产现场的人员通常不具有调整超音波探头的技术，需等待超音波流量计厂商的技术人员处理，影响监测功能和生产安全。
本发明的管路流体的监测装置具有实测液体声速的功能，以实测的液体声速产生液体流量，不仅提高测量流量的准确度，更扩大测量范围(包含液体种类及流量)。当处理模块47解析第一超音波探头42接收第二时段信号或第二超音波探头43接收通过管路的第一感测信号大于最小信号阈值(即超音波信号可径向传输/接收)且第四超音波探头45接收的第三感测信号或第三超音波探头44接收的第四感测信号小于最小信号阈值(即超音波信号无法斜向接收)，处理模块47产生代表调整第三超音波探头44与第四超音波探头45的相对位置的校正信号；藉此功能，生产现场的用户仅需沿管路的轴向移动第三超音波探头44或第四超音波探头45至第三感测信号或第四感测信号大于最小信号阈值，处理模块47即停止校正信号且继续产生流量数据，不需等待超音波流量计厂商的技术人员处理，大幅降低校正超音波探头的技术门坎，提高安装及校正管路液体监测装置的便利性。
综上所述，一般环境少有超音波频率范围的噪声，且超音波探头仅发射及接收特定频率范围的超音波信号，本发明的管路流体的监测装置利用超音波信号监测管路及液体可大幅减少环境噪声的干扰，准确判断管路液体是否发生空管或大量气泡或大量固形物的情况；本发明的管路流体的监测装置还可进一步组合超音波探头及测量其他物理性质的感测组件，除扩大监测项目，且可自我判断感测组件是否正确设置于管路，降低校正感测组件的技术门坎，提高监测数据的可信度，达成准确、全时且便利监测管路液体的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，凡本领域的技术人员，在未脱离本发明所揭示的精神与技术原理下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的申请专利范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种管路液体的监测装置，其特征在于，包含：
夹具，可拆卸地固定于管路的外表面；
第一超音波探头，设置于所述夹具；
处理模块，连接所述第一超音波探头且存储有最小信号阈值，控制所述第一超音波探头沿所述管路的径向发射第一感测信号及接收对应所述第一感测信号的第一反射信号，依据所述管路的径向相邻及相对所述第一超音波探头的第一内表面及第二内表面反射所述第一感测信号至所述第一超音波探头的时间自所述第一反射信号解析出第一时段信号及第二时段信号，若判断所述第一时段信号大于所述最小信号阈值且所述第二时段信号小于所述最小信号阈值，则产生代表所述第一超音波探头或所述管路内液体发生异常的警告信号；以及
显示单元，连接所述处理模块，用以显示所述警告信号。
2.根据权利要求1所述管路液体的监测装置，其特征在于，自所述第一感测信号发射的时间起算，区分所述第一时段信号及所述第二时段信号的时间介于所述第一内表面反射所述第一感测信号至所述第一超音波探头的时间与所述第二内表面反射所述第一感测信号至所述第一超音波探头的时间。
3.根据权利要求1所述管路液体的监测装置，其特征在于，所述处理模块解析所述第一内表面及所述第二内表面反射所述第一感测信号至所述第一超音波探头的时间差，依据所述时间差及二倍的所述第一内表面与所述第二内表面的径向距离，产生所述液体的实测声速。
4.根据权利要求1所述管路液体的监测装置，其特征在于，所述处理模块存储有最大信号阈值，若所述处理模块判断所述第一时段信号大于所述最大信号阈值且所述第二时段信号小于所述最小信号阈值，则产生代表所述夹具未正确固定或所述第一超音波探头未正确设置的检查信号；所述显示单元显示所述检查信号。
5.根据权利要求4所述管路液体的监测装置，其特征在于，更包含：壳体及温度传感器，其特征在于所述壳体设置于所述夹具，所述温度传感器与所述第一超音波探头设置于所述壳体且连接所述处理模块，所述温度传感器用以测量所述管路的外表面的温度。
6.根据权利要求5所述管路液体的监测装置，其特征在于，若所述处理模块判断所述第一时段信号大于所述最大信号阈值且所述第二时段信号小于所述最小信号阈值，则产生代表所述夹具未正确固定或所述壳体未正确设置的检查信号；所述显示单元显示所述检查信号。
7.根据权利要求1所述管路液体的监测装置，其特征在于，还包含：第二超音波探头，与所述第一超音波探头沿所述管路的径向相对设置于所述夹具，且连接所述处理模块；所述处理模块控制所述第二超音波探头接收沿所述管路的径向通过所述管路的所述第一感测信号，若处理模块判断所述第二超音波探头接收的所述第一感测信号小于所述最小信号阈值，则产生代表所述第一超音波探头或所述管路内液体发生异常的警告信号。
8.根据权利要求7所述管路液体的监测装置，其特征在于，若所述处理模块判断所述第二超音波探头接收的所述第一感测信号大于所述最小信号阈值，则解析所述第二内表面反射所述第一感测信号至所述第一超音波探头与所述第二超音波探头接收所述第一感测信号的时间差，依据所述时间差及所述第一内表面与所述第二内表面的径向距离，产生所述液体的实测声速。
9.根据权利要求3或8所述管路液体的监测装置，其特征在于，还包含：第三超音波探头及第四超音波探头，设置于所述夹具，且分别连接所述处理模块；所述处理模块控制所述第三超音波探头沿与所述管路的径向成一夹角的方向发射第三感测信号及所述第四超音波探头接收所述第三感测信号，解析所述第三感测信号自所述第三超音波探头至所述第四超音波探头的传输时间，控制所述第四超音波探头沿与所述夹角成对称角的方向发射第四感测信号及所述第三超音波探头接收所述第四感测信号，解析所述第四感测信号自所述第四超音波探头至所述第三超音波探头的传输时间，依据所述第三感测信号与所述第四感测信号的传输距离及传输时间差、所述液体的实测声速、所述管路的径向面积及所述第三感测信号或第四感测信号通过所述液体的入射角，产生所述液体的流量。
10.根据权利要求9所述管路液体的监测装置，其特征在于，若处理模块判断所述第二时段信号大于所述最小信号阈值且所述第三感测信号或所述第四感测信号小于所述最小信号阈值，所述处理模块产生代表调整所述第三超音波探头与所述第四超音波探头的相对位置的校正信号。
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