TW201809609A - 具水量測量功能之杯具 - Google Patents

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Abstract

一種具水量測量功能之杯具，包括杯蓋、杯體及設置於杯蓋內的測量模組。測量模組至少包括微控制單元、記憶單元及音波收發單元，記憶單元內預存有記錄頻率與杯體內剩餘水量的對應關係的查找表。音波收發單元以掃頻方式朝杯體內發射音波並接收反射回來的反射波，微控制單元依據反射波的能量強度判斷目前頻率是否為空氣共振頻率。於目前頻率是空氣共振頻率時，微控制單元依據空氣共振頻率查詢查找表，以得出杯體內的剩餘水量。本發明以掃頻方式發射音波來測量杯體內的剩餘水量，可令使用者在不需打開杯蓋的前提下直接得知剩餘水量。

Description

具水量測量功能之杯具
本發明涉及一種杯具，尤其涉及一種具水量測量功能之杯具。
許多醫學報導指出，定時定量的飲水有益於身體健康。因此，有許多民眾已養成習慣，每天隨身攜帶杯具，以便於隨時補充水份。
承上所述，部分民眾習慣使用塑膠材質的透明水杯。此類杯具通常於表面上設有刻度，便於使用者直接查看杯具中的剩餘水量，藉此瞭解今日飲用的水量是否足夠。惟，塑膠材質的杯具並不具有保溫效果，因此無法滿足部分使用者欲飲用的溫水的需求。
然而，保溫杯具一般為不透光材質所製成(例如不銹鋼)，因此若使用保溫杯具盛水，則使用者無法在不打開杯蓋的情況下，直接得知杯具中的剩餘水量。也就是說，使用者無法以最簡便的方式得知杯具內的剩餘水量，因此若要確認已飲用的水量，將會相當的麻煩。
本發明的主要目的，在於提供一種具水量測量功能之杯具，可以掃頻方式於杯具內部發射與接收音波，藉此測量杯具內的剩餘水量。
為了達成上述的目的，本發明揭露了一種包括一杯蓋、一杯體及設置於該杯蓋內的一測量模組的杯具，該杯具可藉由該測量模組提供水量測量功能。該測量模組至少包括一微控制單元、一記憶單元及一音波收發單元，其中該記憶單元內預存有記錄頻率與該杯體內的剩餘水量的對應關係的一查找表。該音波收發單元以掃頻方式朝該杯體內部發射音波並接收反射回來的反射波，該微控制單元依據反射波的能量強度判斷目前頻率是否為一空氣共振頻率。於目前頻率是該空氣共振頻率時，該微控制單元依據該空氣共振頻率查詢該查找表，以得出該杯體內目前的剩餘水量。
本發明對照現有技術所能達到的技術功效在於，依據反射波的能量大小來測量音波的空氣共振頻率，再依據空氣共振頻率查詢剩餘水量，藉此可令使用者在不需打開杯蓋的前提下直接得知杯體內的剩餘水量。
茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。
首請參閱圖1，為本發明的第一具體實施例的杯具立體圖。如圖1所示，本發明揭露了一種具水量測量功能之杯具(下面簡稱杯具1)，該杯具1主要具有一杯蓋2及一杯體3。該杯體3一側具有一開口處30，該杯蓋2用以套設於該開口處30。當該杯蓋2套設於該杯體3的該開口處30時，可於該杯體3內形成一密閉空間。該密閉空間用以盛裝液體(例如水或飲料)，並且該密閉空間內的液體不會溢出該杯體3外。
本發明的主要技術特徵在於，該杯具1還包括一測量模組4，設置於該杯蓋2內，當該杯蓋2套設於該開口處30時，該測量模組4恰朝向該密閉空間內設置。如圖1所示，該測量模組4主要包括一觸發單元41、一顯示單元42、一微控制單元43、一記憶單元44及一掃頻式音波收發單元45。
該觸發單元41設置於該杯蓋2一側表面，用以接受使用者的外部操作，以觸發該測量模組4進行該杯體3內的剩餘水量的測量。該顯示單元42用以於該測量模組4測量完成後，顯示該剩餘水量。本實施例中，該顯示單元42可例如為發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)、液晶顯示器(Liquid-Crystal Display, LCD)、七段顯示器(Seven-segment display)等，不加以限定。
較佳地，該觸發單元41可為一透明之觸控板，該顯示單元42設置於該觸發單元41下方，藉此，使用者可直接透過該觸發單元41而看見該顯示單元42所顯示的資訊。更佳地，該觸發單元41與該顯示單元42可整合為單一觸控螢幕，不加以限定。
該微控制單元43與該記憶單元44設置於該測量模組4的內部。該掃頻式音波收發單元45(下面簡稱為音波收發單元45)設置於該測量模組4的底部，並由該測量模組4的底部朝外設置。更具體地，該音波收發單元45的設置位置位於該杯蓋2的正中央，當該杯蓋2套設於該杯體3上時，該音波收發單元45的設置位置恰位於該杯體3的正中央。
請同時參閱圖2，為本發明的第一具體實施例的測量模組方塊圖。如圖2所示，該微控制單元43電性連接上述該觸發單元41、該顯示單元42、該記憶單元44與該音波收發單元45。
該記憶單元44中儲存有預設的一查找表441，該查找表441記錄有複數頻率與該杯體3內的複數剩餘水量的對應關係。具體地，本發明的主要技術手段是由該音波收發單元45以掃頻方式持續朝該杯體3的杯底發射一音波，並接收該音波打到該杯體3內的水而反射回來的一反射波。該微控制單元43依據該反射波的能量強度判斷該音波目前採用的頻率是否為一空氣共振頻率(即，該音波是否於該密閉空間中產生空氣共振)。當該微控制單元43找到該空氣共振頻率時，再依據該空氣共振頻率查詢該查找表441，以取得該空氣共振頻率對應的該餘剩水量，並通過該顯示單元42加以顯示。
具體地，當該微控制單元43找到該空氣共振頻率時，可將該空氣共振頻率套入一數學公式中以直接計算出該剩餘水量(容後詳述)。本發明係預先計算複數空氣共振頻率與複數剩餘水量的對應關係，記錄於該查找表441內，並以查表手段取代即時運算手段。藉此，可降低該微控制單元43的運算量，進而縮短水量測量的時間，並減少該測量模組4的耗電量。該查找表441的內容主要可如下表所示：
值得一提的是，該杯體3內的溫度(t)會影響到該音波的速度(v)(一般來說，v=331.45+0.6t)，也就是說在剩餘水量相同的情況下，不同的溫度會造成該音波在該杯體3內具有不同的空氣共振頻率。於本實施例中，係假設該杯體3內的溫度為室溫(21度)，該音波的速度為344m/s，但不加以限定。
更具體地，該杯體3的形狀也會影響到該音波在該杯體3內的空氣共振頻率。本實施例中，該杯體3主要是以一圓柱型杯體為例，但不以此為限。本發明實可運用於各種不同形狀之杯體，然而當運用於不同形狀之杯體時，該查找表441的內容將會有所不同(因為空氣共振頻率不同)。
該觸發單元41電性連接該微控制單元43。本實施例中，該微控制單元43係於該觸發單元41接受外部觸發時，控制該音波收發單元45開始朝該密閉空間發射該音波。該顯示單元42電性連接該微控制單元43，用以於該微控制單元43查詢該查找表441完畢後，顯示該微控制單元43查詢所得的該剩餘水量。
該測量模組4還可包括一無線收發單元46，電性連接該微控制單元43。該無線收發單元46藉由無線通訊手段(如藍牙、射頻、近場通訊等)與一外部裝置(如電腦、智慧型手機、平板電腦等，圖未標示)進行無線連接，以將該剩餘水量傳輸至該外部裝置，並由該外部裝置進行顯示或記錄。藉此，該外部裝置可依據該剩餘水量計算使用者的已攝取水量、不足水量等資訊，藉此益於對使用者進行健康管理。
本發明中，該顯示單元42與該無線收發單元46的目的主要皆在於令使用者得知該杯體3內的剩餘水量，因此該顯示單元42與該無線收發單元46可以僅擇一設置，藉此降低該杯具1的生產成本。
該測量模組4還包括一電池單元47，電性連接該微控制單元43，用以提供該測量模組4運作所需之所有電力。
該測量模組4還可包括一溫度感測單元48，電性連接該微控制單元43。測量模組4藉由該溫度感測單元48感測該杯體3內的溫度，藉此，該微控制單元43可同時依據該空氣共振頻率及該溫度查詢該查找表441，以得出對應的該剩餘水量。值得一提的是，於該測量模組4具有該溫度感測單元48的實施例中，該查找表441主要記錄複數頻率、複數溫度以及複數剩餘水量的對應關係(容後詳述)。
請同時參閱圖3與圖4，分別為本發明的第一具體實施例的剩餘水量計算示意圖與空氣共振頻率示意圖。如前文中所述，該杯體3主要為圓柱型杯體。該杯體3的體積為該杯體3的截面積K乘上杯體高度H，而該杯體3的截面積K為3.14乘上該杯體3的半徑(D/2)平方。本實施例中，該微控制單元43主要是計算該杯體3內的一空氣柱的體積，並將該杯體3的體積減去該空氣柱的體積後，得到該杯體3中剩餘的水5的容量。其中，該杯體3的截面積K、杯體高度H及該空氣柱的截面積K皆為已知(該空氣柱的截面積K相等於該杯體3的截面積K)，也就是說，只要可以測得空氣柱高度L，即可計算得出該水5的容量。
如圖4所示，該音波收發單元45係以掃頻方式朝該杯體3的杯底發射該音波，即，每次皆以不同的頻率(遞增或遞減)朝該杯體3內發射該音波。本實施例中，該音波收發單元45係受該微控制單元43的控制，並由低頻開始慢慢遞增至高頻，以發射該音波，但不加以限定。
該音波打到該杯體3中的該水5的一水面51或該杯體3的杯底(即，該杯體3中沒有水)時，會反射該反射波。本實施例中，該杯體3係藉由該杯蓋2套設於該開口處30而形成一密閉空間，且該音波收發單元5的設置位置對應於該杯體3的正中央，故該音波收發單元5發射的該音波的起始點會落在波形的0度，也就是該音波的相位為0度(如圖4中的波形所示)。
本案發明人經實驗得知，當該音波的頻率為f且已知波長為λ時，該空氣柱高度L在相等於及其倍數時(λ、、……，也就是波長為時)可令該音波產生空氣共振(即，該頻率f為該空氣共振頻率)，其中N為任意正整數。因此，當該音波收發單元45以掃頻方式遞增頻率並發射該音波，且該微控制單元43由接收的該反射波發現目前採用的頻率為該空氣共振頻率時，即可通過該空氣共振頻率的波長計算出該空氣柱高度L。
具體地，當該音波產生空氣共振時，其波形能量為相加效果，也就是能量為最大。本實施例中，該微控制單元43主要是藉由該反射波的能量強度來判斷是否有空氣共振現象產生，進而判斷目前採用的頻率是否為空氣共振頻率。更具體地，該微控制單元43可經過一數位類比轉換程序，將該反射波轉換為一類比電壓，進而由該類比電壓的大小判斷該反射波的能量強度，但不加以限定。
如圖4所示，當該音波於該密閉空間中產生空氣共振時，表示該音波打在該水面51上的點為一共振點P1，而該共振點P1恰位於該音波的的位置。
本技術領域中具有通常知識者皆知，音波的速度等於頻率乘上波長(v=fλ)，也就是波長等於速度除於頻率()，並且當溫度為室溫(21度)時，音波的速度約等於344m/s。因此，該微控制單元43於感測並取得該空氣共振頻率時，可據此計算出該空氣柱高度L＝(即，)、或(即，)等，不加以限定。如上所述，本實施例中該音波收發單元45係由低頻開始遞增至高頻，故上述公式中的第一空氣共振頻率即為一基頻、第二空氣共振頻率即為一次頻、第三空氣共振頻率即為一第二次頻，以此類推。其中，該基頻低於該次頻、該次頻低於該第二次頻。
進一步，在計算得到該空氣柱高度L後，該微控制單元43即可計算出該杯體3內的剩餘水量為截面積K(杯體高度H－空氣柱高度L)。
值得一提的是，若該測量模組4中設置有該溫度感測單元48，則該微控制單元43可依據公式：v=331.45+0.6t，計算出該音波於該杯體3內的實際速度，進而計算出該空氣柱高度L＝(即，)、或(即，)等。
前文中所述，為了降低該微控制單元43的運算量，以減少該測量模組4的耗電量，本發明係預先通過該微控制單元43或外部計算機(圖未標示)計算出該杯體3內的不同剩餘水量所對應的空氣共振頻率，並預先記錄於該查找表441中。如此一來，當使用者欲測量該杯體3內的剩餘水量時，該微控制單元43僅需通過該音波收發單元45以掃頻方式發射該音波並接收該反射波，並藉由該反射波的能量強度找到該空氣共振頻率(該第一空氣共振頻率、該第二空氣共振頻率或該第三空氣共振頻率等)，即可通過查表方式輕易地得到該杯體3內的剩餘水量。
續請參閱圖5，為本發明的第一具體實施例的水量測量示意圖。圖5揭露了一種水量測量方法，該方法運用於如圖1所示的該杯具1，並且具體包括下列步驟。
首先，該微控制單元43控制該音波收發單元45以一特定頻率發射該音波，並接收反射回來的該反射波(步驟S10)。接著，該微控制單元43依據該反射波的能量強度判斷該特定頻率是否為該空氣共振頻率(步驟S12)。若該特定頻率不是該空氣共振頻率，則該微控制單元43控制該音波收發單元45調整該特定頻率(步驟S14)，並回到該步驟S10，以調整後的該特定頻率再次發出該音波。本實施例中，該音波收發單元45主要是以遞增的方式調整該特定頻率，並由低頻調整至高頻，藉以達到掃頻的效果。
若該特定頻率為該空氣共振頻率，則該微控制單元43以該空氣共振頻率查詢該記憶單元44內的該查找表441(步驟S16)，藉此取得該杯體3內目前的剩餘水量(步驟S18)。最後，該微控制單元43通過該顯示單元42直接顯示該剩餘水量，或通過該無線收發單元46將該剩餘水量傳遞至該外部裝置上顯示(步驟S20)。
值得一提的是，於圖5的實施例中，該測量模組4不包含該溫度感測單元48，因此該查找表441中記錄的複數剩餘水量主要是對應至該杯體3內的溫度為室溫，該音波的速度為344m/s的狀況。
參閱圖6，為本發明的第二具體實施例的水量測量示意圖。圖6揭露了另一種水量測量方法，該方法運用於如圖1所示的該杯具1，並且具體包括下列步驟。
與圖5所示的第一具體實施例相同，於第二具體實施例中，該微控制單元43控制該音波收發單元45以一特定頻率發射該音波，並接收反射回來的該反射波(步驟S30)。接著，該微控制單元43依據該反射波的能量強度判斷該特定頻率是否為該空氣共振頻率(步驟S32)，並且於該特定頻率不是該空氣共振頻率時，控制該音波收發單元45調整該特定頻率(步驟S34)，並重新發射該音波。
本實施例與圖5所示的第一具體實施例的差異在於，該測量模組4可進一步包含該溫度感測單元48。本實施例中，當該微控制單元43判斷目前採用的該特定頻率為該空氣共振頻率時，係進一步控制該溫度感測單元48感測該杯體3內的溫度(步驟S36)，並且同時依據該空氣共振頻率及該溫度查詢該記憶單元44的該查找表441(步驟S38)，以得到該杯體3內的剩餘水量(步驟S40)。最後，該微控制單元43通過該顯示單元42或該外部裝置顯示該剩餘水量(步驟S42)。
於一具體實施範例中，該查找表441可同時記錄複數頻率、複數溫度及複數剩餘水量的對照關係，例如下表所示：
如上表所述，當該微控制單元43測量得到該空氣共振頻率及該溫度後，即可同時依據該空氣共振頻率及該溫度來查詢該查找表441，以得到對應的該剩餘水量。例如在該空氣共振頻率為F1且溫度為T1時，該剩餘水量為A1；在該空氣共振頻率為F1且溫度為T2時，該剩餘水量為A1；在該空氣共振頻率為F2且溫度為T1時，該剩餘水量為A4，以此類推。
於另一具體實施範例中，該微控制單元43可在測得該空氣共振頻率及該溫度(例如60度)後，依據該空氣共振頻率及該溫度運算該音波的波長()，並且，再依計算所得的波長，換算該波長於室溫(25度)下的頻率()。最後，該微控制單元43再以換算所得的頻率查詢該查找表441，以取出對應的該剩餘水量。本實施例中，該查找表441係僅記錄在室溫下不同頻率與不同剩餘水量的對應關係。
上述各實施例皆為本案發明人經實驗後所提出的實際計算方式，但並不以此為限。
參閱圖7，為本發明的第三具體實施例的水量測量示意圖。圖7揭露了又一種水量測量方法，該方法運用於如圖1所示的該杯具1，並且具體包括下列步驟。
與圖5、圖6所示的第一具體實施例及第二具體實施例相同，於第三具體實施例中，該微控制單元43控制該音波收發單元45以一特定頻率發射該音波，並接收反射回來的該反射波(步驟S50)。接著，該微控制單元43依據該反射波的能量強度判斷該特定頻率是否為該空氣共振頻率(步驟S52)，並且於該特定頻率不是該空氣共振頻率時，控制該音波收發單元45調整該特定頻率(步驟S54)，並再次發射該音波。
本實施例與圖5、圖6所示的第一具體實施例及第二具體實施例的差異在於，本實施例中，該查找表441中主要係記錄複數頻率與該杯體3內的一空氣柱的複數高度的對應關係。具體地，該查找表441可如下表所示：
該微控制單元43於上述該步驟S52中確認了該空氣共振頻率後，即可依據該空氣共振頻率查詢該查找表441，以取得對應的該空氣柱高度L(步驟S56)。接著，該微控制單元43依據該空氣柱高度L計算該杯體3內的剩餘水量(步驟S58)，並且再依據該顯示單元42或該外部裝置顯示該剩餘水量(步驟S60)。
值得一提的是，如圖3所示，該微控制單元43主要是依據該杯體3的截面積K與該空氣柱高度L計算該杯體3內的該空氣柱的體積，再依據該杯體3的截面積K與該杯體高度H計算該杯體3的體積，並將該杯體3的體積減去該空氣柱的體積以計算該杯體3內的該水5的容量(即，該剩餘水量)。
通過本發明，該杯具1的使用者可在不需開啟該杯蓋2的情況下，藉由操作該觸發單元41來觸發水量的測量功能，並直接於該顯示單元42或與該杯具1無線連接的該外部裝置上查看該杯體3內的剩餘水量，以利於管控使用者的飲水狀況，相當便利。
以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。
1‧‧‧杯具
2‧‧‧杯蓋
3‧‧‧杯體
30‧‧‧開口處
4‧‧‧測量模組
41‧‧‧觸發單元
42‧‧‧顯示單元
43‧‧‧微控制單元
44‧‧‧記憶單元
441‧‧‧查找表
45‧‧‧掃頻式音波收發單元
46‧‧‧無線收發單元
47‧‧‧電池單元
48‧‧‧溫度感測單元
5‧‧‧水
51‧‧‧水面
D‧‧‧直徑
K‧‧‧截面積
L‧‧‧空氣柱高度
H‧‧‧杯體高度
P1‧‧‧共振點
S10~S20‧‧‧量測步驟
S30~42‧‧‧量測步驟
S50~S60‧‧‧量測步驟
圖1為本發明的第一具體實施例的杯具立體圖。
圖2為本發明的第一具體實施例的測量模組方塊圖。
圖3為本發明的第一具體實施例的剩餘水量計算示意圖。
圖4為本發明的第一具體實施例的空氣共振頻率示意圖。
圖5為本發明的第一具體實施例的水量測量示意圖。
圖6為本發明的第二具體實施例的水量測量示意圖。
圖7為本發明的第三具體實施例的水量測量示意圖。

Claims (10)

  1. 一種具水量測量功能之杯具，包括： 一杯體，具有一開口處； 一杯蓋，設置於該杯體的該開口處；及 一測量模組，設置於該杯蓋內，並且包括： 一記憶單元，儲存有記錄複數頻率與該杯體內的複數剩餘水量的對應關係的一查找表； 一掃頻式音波收發單元，以掃頻方式朝該杯體內發射一音波並接收一反射波；及 一微控制單元，電性連接該記憶單元及該掃頻式音波收發單元，依據該反射波的能量強度判斷該音波的頻率為一空氣共振頻率時，依據該空氣共振頻率查詢該查找表以取得對應的該剩餘水量。
  2. 如請求項1所述的具水量測量功能之杯具，其中該杯體為一圓柱型杯體。
  3. 如請求項2所述的具水量測量功能之杯具，其中該掃頻式音波收發單元由該測量模組的底部朝外設置，並且該掃頻式音波收發單元的設置位置位於該杯蓋正中央。
  4. 如請求項1所述的具水量測量功能之杯具，其中還包括顯示該杯體內的該剩餘水量的一顯示單元，電性連接該微控制單元。
  5. 如請求項1所述的具水量測量功能之杯具，其中還包括無線傳送該杯體內的該剩餘水量至一外部裝置的一無線收發單元，電性連接該微控制單元。
  6. 如請求項1所述的具水量測量功能之杯具，其中還包括感測該杯體內的溫度的一溫度感測單元，電性連接該微控制單元，並且該查找表記錄複數頻率、複數溫度以及複數剩餘水量的對應關係。
  7. 如請求項1所述的具水量測量功能之杯具，其中還包括一觸發單元，電性連接該微控制單元，該微控制單元於該觸發單元接受外部觸發時控制該掃頻式音波收發單元開始發射該音波。
  8. 一種具水量測量功能之杯具，包括： 一杯體，具有一開口處； 一杯蓋，設置於該杯體的該開口處；及 一測量模組，設置於該杯蓋內，並且包括： 一記憶單元，儲存有記錄複數頻率與該杯體內的一空氣柱的複數高度的對應關係的一查找表； 一掃頻式音波收發單元，以掃頻方式朝該杯體內發射一音波並接收一反射波；及 一微控制單元，電性連接該記憶單元及該掃頻式音波收發單元，依據該反射波的能量強度判斷該音波的頻率為一空氣共振頻率時，依據該空氣共振頻率查詢該查找表以取得該空氣共振頻率對應的該高度，並依據該高度計算該杯體內的一剩餘水量。
  9. 如請求項8所述的具水量測量功能之杯具，其中該微控制單元依據該杯體的截面積與該高度計算該杯體內的該空氣柱的體積，並將該杯體的體積減去該空氣柱的體積以計算該剩餘水量。
  10. 如請求項9所述的具水量測量功能之杯具，其中該杯體為一圓柱型杯體，該掃頻式音波收發單元由該測量模組的底部朝外設置，並且該掃頻式音波收發單元的設置位置位於該杯蓋正中央，並且該具水量測量功能的杯具更包括顯示該杯體內的該剩餘水量的一顯示單元，電性連接該微控制單元。
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