TW201348679A - 液體位準偵測的方法與裝置 - Google Patents

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一種液體位準偵測的方法與裝置，包含一具有複數交錯之正電極線與負電極線的感應電容單元；一具有一振盪電路的電路集成，連接至該感應電容單元的正電極線；一濾波電路，連接至該感應電容單元的該負電極線；一整流電路，連接至該濾波電路。本發明將複數所述感應電容單元設於儲存有液體的容器外側壁的不同高度位置，藉由電壓之輸出與輸入的比值與液體涵蓋感應電容單元的面積具有線性比例關係，將電流輸入感應電容單元後，可藉由感應電容單元交錯的感應電極來感應容器內部的液體，並且藉由輸出電壓的數值得知液體涵蓋感應電容單元的接觸面積，進而可計算出液體的高度或位準。

Description

液體位準偵測的方法與裝置
本發明涉及一種不需接觸液體，即可偵測複數液體位準變化的方法與裝置。
傳統的液體位準偵測技術例如用在廁所馬桶的浮球，透過浮球來偵測液體位準的高低使進水的水量能夠固定在一個基準而達成馬桶儲水的目的。然而該種液體位準偵測技術僅能偵測單一液體位準，亦即只能偵測到馬桶儲水足夠的該液體位準，而不能有多液體位準的偵測，更無法有線性化偵測。該種偵測方式雖以能滿足廁所馬桶的需求，但對於更廣泛的應用來說，就顯得不足了。
而另一種傳統的液體位準偵測裝置可參考第一圖，為一設在用來儲存液體Q(不一定是單純的水)之儲存器內的偵測裝置，於該裝置內設有複數個不同長度之金屬導電元件，例如為第一金屬導電元件M1、第二金屬導電元件M2與第三金屬導電元件M3，該三個不同長度之金屬導電元件與外部電路連結，當液體Q碰觸到第三金屬導電元件M3時，第三金屬導電元件M3與外部電路導通使之偵測到液體液面高度達到第三金屬導電元件M3的高度位準。同理，當液體Q碰觸到第二金屬導電元件M2時，第二金屬導電元件M2與外部電路導通使之偵測到液體Q達到第二金屬導電元件M2的高度位準；當液體Q碰觸到第一金屬導電元件M1時，第一金 屬導電元件M1與外部電路導通使之偵測到液體Q達到第一金屬導電元件M1的高度位準。此種偵測方式雖比前述的浮球式能夠偵測到的液體位準數目為多，然而由於金屬導電元件M1、M2與M3必須直接接觸到液體，因此可能會有金屬氧化，或者是金屬材質本身污染到液體，更或者可能有液體與金屬導電元件產生化學反應而產生的安全性問題等等的缺點。
鑑於上述傳統偵測裝置的缺點，一種不需要直接接觸到液體，能偵測多位準變化以及能夠線性化的偵測裝置是值得相關領域人士進行研究開發努力的目標。
本發明之目的，是提供一組電路以及一感應電容單元之結合裝置，以非接觸的方式來偵測液體的液面高度。
本發明的另一目的，是藉由複數交錯的電極板所構成的感應電容單元來偵測液體的液面高度，並且藉此使液面高度的偵測達到線性化，可以改善習知偵測裝置僅能偵測少量位準的缺點。
本發明的特色在於捨棄了傳統需要接觸液體才能偵測到液體高度或位準的方式，而採用了以電容感應的非接觸的方式來進行液體高度或位準的偵測。
本發明的另一特色是在於將複數電極板交錯設置於一板體上，以構成一感應電容單元，藉由此感應電容單元使得在偵測液體位準或高度時能夠達到線性化的目的，並且大大的提高了偵測 的精準度。
本發明的技術手段，包含一具有複數交錯之正電極線與負電極線的感應電容單元；一具有一振盪電路的電路集成，連接至該感應電容單元的正電極線；一濾波電路，連接至該感應電容單元的該負電極線；一整流電路，連接至該濾波電路；本發明將複數所述感應電容單元設於儲存有液體的容器外側壁的不同高度位置，藉由電壓之輸出與輸入的比值與液體涵蓋感應電容單元的面積具有線性比例關係，將電流輸入感應電容單元後，可藉由感應電容單元交錯的感應電極來感應容器內部的液體，並且藉由輸出電壓的數值得知液體涵蓋感應電容單元的接觸面積，進而可計算出液體的高度或位準。
本發明的特點可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚的了解。
參考第二圖之本發明實施示意圖；本發明之偵測裝置包括有一感應電容單元1與一電路集成2；其中，所述感應電容單元1具有一基板，並在基板1上設置複數交錯的正電極線11與負電極線12，該複數正電極線11連接至該感應電容單元1上的正極接點111，該複數負電極線12連接至該感應電容單元1上的負極接點121(參考第三圖)。所述電路集成2具有一振盪電路21、一濾波電路22、與一整流電路23；該振盪電路21連接至感應電容單元1 的該複數正電極線11；該濾波電路22連接至該感應電容單元1的該複數負電極線；該整流電路23連接至該濾波電路22，並具有一輸出Vo。
參考第三圖為本發明之感應電容單元1的簡化示意圖，該感應電容單元1包含有一電路基板，其上形成有複數的金屬線以及金屬接點，即為複數交錯的正電極線11、負電極線12以及正極接點111、負極接點121。另外，該基板可進一步設有一接地端點(圖中未表示)，用以降低外界的電壓干擾。
所述電路集成2具有一振盪電路21、一濾波電路22以及一整流電路23。該振盪電路21於本實施例中為一RC振盪電路，連接至感應電容單元1的正極接點111進而與該複數正電極線11相連。該振盪電路21於此提供一連續的方波電壓輸入Vr至該感應電容單元1的正極接點111。而該連續的方波電壓輸入Vr通過該電極板1後會由電極板1的負極接點121輸出一連續的三角波電壓Vt至與該電極板1連接的濾波電路22。於本實施例中，該濾波電路22包含一高通濾波器221與一低通濾波器222，用以將輸入至該濾波電路22的連續三角波電壓Vt的訊號進行雜訊過濾的步驟。最後受到濾波電路22過濾後的電壓訊號Vtp再輸出至整流電路23將訊號進行整流之後再輸出一個輸出電壓Vo，該輸出電壓Vo可於外部裝置如示波器進行讀取。該輸出電壓Vo的大小是依據輸入電壓Vr的最大與最小電壓來決定，亦即感應電容單元1的電壓變化會影響輸出電壓Vo的大小。
接著參考第四圖，為利用本發明偵測容器內之液位的示意圖；係將感應電容單元1設置於一容器B的側壁外面，容器B內部裝有高度為L的液體。在感應電容單元1接受電路集成2的振盪電路21提供的一連續的方波電壓輸入Vr後，其上的正電極線11與負電極線12會發出電力線(如圖上的虛線所示)，由於電力線在容器B內沒有液體的部分以及有液體的部分的變化是不同的，因此可以將此變化偵測方式簡化成一等效模型(如第五圖所示)。第五圖中，該容器B兩側為一等效的感應電容單元，其中等效電容值C為下方公式所示： ε為等效電容的介電常數；d為等效感應電容單元之間的距離；而A為第六圖中，液體於容器內側的接觸面積。
接著參考第七圖，為將第二圖電路簡化後的等效電路圖，感應電容單元1會等效於一個電容，其電容值為C，與第五圖中的等效電容值C相同，而該感應電容單元1的電路則等效為一阻抗Z以及一輸出電壓Vo。因此可以從該等效電路得知輸入Vr與輸出Vo之間的關係如下所示。
其中A為第六圖中，水於容器內接觸容器內側的面積；d為等效電容的二感應電容單元之距離；ε為等效電容的介電常數；f為輸入電壓Vr的震盪頻率。由於d、f、ε與Z為定值，因此從前述方程式最後一條可以得知，輸出Vo與輸入Vr的比值與A具有線性比例關係。由這個線性關係，可以經由輸入的電壓Vr，以及藉由示波器測量得知的輸出電壓Vo後可以得知液體接觸容器內側的接觸面積，接著透過A=w*L這個等式即可計算出液體的液面高度L(其中w為容器的寬度，為一定值)。
由上述可知，只要能夠測量輸出電壓Vo，就可以得知A，並由A就可得知液體的液面高度L，達到本發明測量液體高度的目的。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
1‧‧‧感應電容單元
11‧‧‧正電極線
111‧‧‧正極接點
12‧‧‧負電極線
121‧‧‧負極接點
2‧‧‧電路集成
21‧‧‧振盪電路
22‧‧‧濾波電路
221‧‧‧高通濾波器
222‧‧‧低通濾波器
23‧‧‧整流電路
Vo‧‧‧輸出
w‧‧‧容器寬度
L‧‧‧液面高度
A‧‧‧接觸面積
Vr‧‧‧電壓輸入
Vt‧‧‧三角波電壓
Vtp‧‧‧電壓訊號
Vo‧‧‧輸出電壓
C‧‧‧電容值
Z‧‧‧阻抗
d‧‧‧距離
ε‧‧‧介電常數
f‧‧‧震盪頻率
M1‧‧‧第一金屬導電元件
M2‧‧‧第二金屬導電元件
M3‧‧‧第三金屬導電元件
Q‧‧‧液體
B‧‧‧容器
第一圖為習知液體位準偵測裝置之平面示意圖。
第二圖為本發明之偵測裝置之示意圖。
第三圖為本發明之感應電容單元之簡化示意圖。
第四圖為本發明之感應電容單元設於容器外側之平面示意圖。
第五圖為本發明之感應電容單元等效於一組位於容器兩側的電容之平面示意圖。
第六圖為本發明之感應電容單元等效於一組位於容器兩側的電容之立體示意圖。
第七圖為本發明之等效電路圖。
1‧‧‧感應電容單元
2‧‧‧電路集成
21‧‧‧振盪電路
22‧‧‧濾波電路
221‧‧‧高通濾波器
222‧‧‧低通濾波器
23‧‧‧整流電路
Vr‧‧‧電壓輸入
Vt‧‧‧三角波電壓
Vtp‧‧‧電壓訊號
Vo‧‧‧輸出電壓

Claims (5)

  1. 一種液體位準偵測的裝置，包括：一感應電容單元，具有複數交錯的正電極線與負電極線，該複數正電極線連接至該感應電容單元的正極接點，該複數負極線連接至該感應電容單元的負極接點；一電路集成，具有一振盪電路、一濾波電路與一整流電路，該濾波電路連接至該感應電容單元的該複數負電極線，該整流電路連接至該濾波電路，並具有一輸出。
  2. 依據申請專利範圍第1項之液體位準偵測的裝置，其中該濾波電路包括一高通濾波器與一低通濾波器。
  3. 依據申請專利範圍第1項之液體位準偵測的裝置，其中該感應電容單元進一步包含一接地接點。
  4. 一種液體位準偵測的方法，係在儲存有液體的容器外側壁面設置一感應電容單元與一電路集成，該感應電容單元具有複數交錯的正電極線與負電極線，該複數正電極線連接至該感應電容單元的正極接點，該複數負極線連接至該感應電容單元的負極接點；該電路集成具有一振盪電路、一濾波電路與一整流電路，該濾波電路連接至該感應電容單元的該複數負電極線，該整流電路連接至該濾波電路，並具有一輸出；將電流輸入該感應電容單元，藉由該感應電容單元交錯的感應電極來感應該容器內部的液體，並且藉由輸出電壓的數值得知液體涵蓋感應電容單元的接觸面積，進而可計算出液體的高度或位準。
  5. 依據申請專利範圍第4項之液體位準偵測的方法，其中，將複數所述感應電容單元設於該容器側壁外面的數個不同高度位置，以偵測數個不同的液體高度或水準。
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