TW201913046A - 氣壓式水位計及其量測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於氣壓式水位計及其量測方法,係經由量測氣壓並將其轉換為水位高度之水位計;此水位計包括高點量測模組與低點量測模組,其中高點量測模組包括氣壓計、顯示器、電源模組與微處理器;而低點量測模組包括氣壓計與溫度計。利用前述模組,透過本發明之量測方法與流程,量測氣壓與溫度值並加以校正與計算即可得量測點淹水之水位高度。

Description

氣壓式水位計及其量測方法
本發明係關於一種利用氣壓變化,量取水位高度之方法以及連續式水位計,其可用於長時間水位監測環境。
由於天氣的劇烈變化於短時間內極端暴雨屢屢發生,水溝、大排水溝因各種原因排水不及而造成區域性淹水,若能及早知道水溝、大排水溝或路面之水位高度,協助進行水災發生前預警,將有助於生命財產之保全,習知水位監測方法都是朝此方向進行研發。
相關專利如中華民國專利TW1573099B(區域性水位監測方法),其水位高度係經由大量衛星雷達資源、監視鏡頭與大量數學運算之高成本水位監測方法,並非直接量測。
另外,中華民國專利TWI572767B(智慧型水位偵測系統及其方法),其中水位感測器為該系統用以感知車輛周邊的水位變化,並輸出一水位訊號,主要著重於停車格之停車安全,屬於水位偵測與應用之水位計,並非水位感測器之發明或創新。
由此可見,水位量測的方法在歷經上述的改進仍有諸 多缺失,亟待再加以持續改良。本案發明人乃亟思加以改良創新,提出一利用氣壓可連續無段式呈現量測水位高度之氣壓式水位計,以提供易淹水區之水位量測方案。
本發明目的在於發明一種適用於不論淹水時間長短,具備大氣壓力變化校正與環境溫度變化校正之直接量測式水位計,以較低成本、即時通報之淹水地區水位量測連續式水位計。
本發明係提供一種氣壓式水位計,其包括:一低點量測模組,其設置於淹水時之一水面下量測點,該低點量測模組包括一低點氣壓計以量測淹水時之該水面下量測點之氣壓;以及一高點量測模組,其設置於淹水時之一水面上量測點且電性連接於該低點量測模組,該高點量測模組包括一高點氣壓計以量測淹水時之該水面上量測點之氣壓;其中,藉由該低點量測模組與該高點量測模組分別所量測的氣壓以計算水位高度。
前述之氣壓式水位計,其中該水位高度(L)=特定溫度之水柱高度x(低點量測模組即時氣壓值-低點淹水前瞬間氣壓值-高點量測模組氣壓同時段之變化量)x(1/dw),該1/dw為水在特定溫度之密度與測試點水溫之水密度之比值。
前述之氣壓式水位計,其中該低點量測模組進一步包括一低點溫度計,用以量測該測試點水溫。
前述之氣壓式水位計,其中該高點量測模組進一步包 包括一微處理器,其係連接於該低點量測模組之該低點氣壓計和該低點溫度計以及該高點量測模組之該高點氣壓計,以接收所量測之氣壓值與溫度值,並提供所計算之該水位高度。
前述之氣壓式水位計,其中該高點量測模組進一步包括一電源模組,其係連接於該低點量測模組之該低點氣壓計和該低點溫度計以及該高點量測模組之該高點氣壓計和該微處理器,以提供電源於該高點量測模組及該低點量測模組。
前述之氣壓式水位計,其中該高點量測模組進一步包括一顯示器,其係連接該電源模組與該微處理器以顯示該微處理器所提供的該水位高度。
前述之氣壓式水位計,其中該特定溫度為4℃。
前述之氣壓式水位計,其中該特定溫度之水柱高度係1033.227452799886公分-水柱高度。
前述之氣壓式水位計,其中該低點量測模組與該高點量測模組之電性連接係透過銅纜。
本發明另提供一種用於氣壓式水位計之量測方法,其包括:(1)分別量測一高點量測模組及一低點量測模組之初始氣壓值,其中該低點量測模組設置於淹水時之一水面下量測點且該高點量測模組設置於淹水時之一水面上量測點;(2)量測該高點與低點量測模組之即時氣壓值; (3)藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值;(4)量測該高點量測模組之氣壓變化量與該低點量測模組的溫度及其對應之水密度;(5)計算水位高度;以及(6)顯示水位高度。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,其中該計算水位高度係利用下列公式計算:水位高度(L)=特定溫度之水柱高度x(低點量測模組即時氣壓值-低點淹水前瞬間氣壓值-高點量測模組氣壓同時段之變化量)x(1/dw),其中該1/dw為水於該特定溫度之密度與測試點水溫之水密度之比值。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,其中該特定溫度為4℃。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,其中該特定溫度之水柱高度為1033.227452799886公分-水柱高度。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,其中進行該量測該高點與低點量測模組之即時氣壓值之步驟前,進一步包括固定時間間隔步驟,其係經過一固定時間間隔再進行該量測該高點與低點量測模組之即時氣壓值之步驟。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,進一步包括淹水輪測之步驟,其係當該低點量測模組處於淹水時,經過一固定時間間隔,進行該藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值之步驟。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,進一步包括無淹水輪測之步驟,其係當該低點量測模組未淹水時,將該高 點量測模組所量測的氣壓即時值設定為初始值,且將該低點量測模組所量測的氣壓即時值設定為初始值,並進行該固定時間間隔步驟。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,其中該固定時間間隔係選自為5秒至10秒之間。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,進一步包括判斷水位高度是否為零之步驟,其係判斷現有水位是否退至該低點量測模組所位於的淹水時之該水面下量測點以下;其中,若為是,進行該無淹水輪測之步驟;若為否,進行淹水輪測之步驟。
前述用於氣壓式水位計之量測方法,其中在進行該藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值之步驟前,進一步包括判斷該低點量測模組是否淹水之步驟,其係判斷該低點量測模組氣壓的變化量是否大於該高點量測模組氣壓之變化量的五倍;其中,若該低點量測模組氣壓的變化量大於該高點量測模組氣壓之變化量的五倍,進行該藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值之步驟;若該低點量測模組氣壓的變化量小於該高點量測模組氣壓之變化量的五倍,進行該無淹水輪測之步驟。
本發明所提供之氣壓式水位計及其量測方法,與前述既有技術相互比較時,更具有下列之優點:
1、本發明之氣壓式水位計及其量測方法,屬於直接量測型水位計,具有大氣壓力校正與溫度校正功能,可進行長時間之水位量測與監視,其準確度不受氣壓與溫度變化 影響。
2、本發明之氣壓式水位計及其量測方法,可應用於海邊、河流低漥易淹水地區之水位監測,於水位暴漲之前提早發出警報,以利及早因應,保障人身財產安全。
1‧‧‧銅纜
2‧‧‧量測點淹水處
101‧‧‧高點量測模組
102‧‧‧氣壓計
103‧‧‧顯示器
104‧‧‧電源模組
105‧‧‧微處理器
106‧‧‧開口向下之容器
201‧‧‧低點量測模組
202‧‧‧開口向下之容器
203‧‧‧氣壓計
204‧‧‧溫度計
S101‧‧‧量測高點與低點模組初始氣壓值
S102‧‧‧固定時間間隔
S103‧‧‧量測高點與低點模組即時氣壓值
S104‧‧‧判斷低點量測模組是否淹水
S105‧‧‧低點量測模組量測並記錄淹水氣壓值
S106‧‧‧量測高點量測模組之氣壓變化量與低點量測模組的溫度及其對應之水密度
S107‧‧‧計算水位高度
S108‧‧‧顯示水位高度
S109‧‧‧判斷水位高度是否為零
S110‧‧‧淹水輪測
S111‧‧‧無淹水輪測
請參閱有關本發明之詳細說明及其附圖,將可進一步瞭解本創作之技術內容及其目的功效;有關附圖為:
第1圖為本發明之氣壓式水位計之架構示意圖。
第2圖為本發明之用於氣壓式水位計之量測方法的步驟流程圖。
本發明係關於一種氣壓式水位計及其量測方法,其中為達成本發明目的之氣壓式水位計,係利用於4℃時1大氣壓力近似於1033.227452799886cm-H2O,4℃水柱高度之定義而設計,但為提升量測準確度,本發明亦針對水位與溫度的關係、水位與大氣壓波動的影響均分別進行校正,說明如下:
1、水位與溫度關係之校正:
由於水密度是溫度的函數,當溫度改變時密度亦會微微改變,因此本發明氣壓式水位計內部放置溫度計,於未淹水時氣壓式水位計容器內之氣壓為量測點之大氣壓力,當量測點淹水後:容器內的壓力P=Pt+Pw其中Pt為即時之大氣壓力,Pw為水壓, 即Pw=P-Pt,結合不同溫度之水密度帶入公式,得出水位L=1033.227452799886cm-H2O x Pw x(1/dw)cm亦即L=1033.227452799886cm-H2O x(P-Pt)x(1/dw)cm。
其中1/dw為水4℃密度與量測點水溫之水密度的比值。
2、水位與大氣壓波動影響之校正:
由於本發明係一種利用氣壓變化量測水位高度之方法,但大氣壓力為一變量,若只有一只氣壓計進行水位量測,即使水位高度完全無變化,因為氣壓之變動,使得水位計之顯示數據亦會隨著氣壓波動而變動,特別是在長時間監測水位高度之水位計其失真將更加嚴重,因此本發明設計以另外一只氣壓計於量測時做為氣壓變化校正之用,使不受大氣壓力變化之影響。
基於上述目的與原理,本發明氣壓式水位計之架構請參閱第1圖所示。其內容詳述如下:一種氣壓式水位計,其中包括:一低點量測模組201,置於量測點淹水處2,用以量測氣壓與溫度,以銅纜1與高點量測模組101連接;以及一高點量測模組101,置於高於水面處,用以量測氣壓,提供高點與低點模組電源,並綜合氣壓、溫度計算以顯示水位。
其中該低點量測模組201,為一開口向下之容器202,包括: 一氣壓計203,連接高點量測模組101,用以量測低點處之氣壓;以及一溫度計204,連接高點量測模組101,用以量測低點處之溫度。
其中該氣壓計203用以量測低點處之氣壓,以銅纜1與高點量測模組101連接,接收其電源模組104供給之電源並提供低點處之氣壓量測值到高點量測模組101之微處理器105。
其中該溫度計204用以量測低點處之溫度,以銅纜1與高點量測模組101連接,接收其電源模組104供給之電源並提供低點處之溫度量測值至高點量測模組101之微處理器105。
其中該高點量測模組101,為一開口向下之容器106,包括:一氣壓計102,連接電源模組104與微處理器105,用以量測高點處之氣壓;一顯示器103,連接電源模組104與微處理器105,用以顯示水位;一電源模組104,連接低點量測模組201與高點量測模組101,用以提供電源;以及一微處理器105,連接低點量測模組201與高點量測模組101,用以接收其量測後之氣壓值與溫度值,並提供計算後之水位值至顯示器103。
其中該氣壓計102用以量測高點處之氣壓,其連接電源模組104以接收電源並連接微處理器105以提供高點處 之氣壓量測值。
其中該顯示器103用以顯示水位,其連接電源模組104以接收電源並連接微處理器105以接收計算後之水位值。
其中該電源模組104連接低點量測模組201之氣壓計203、溫度計204與高點量測模組101之氣壓計102、顯示器103、微處理器105以提供運作之電源。
其中該微處理器105連接電源模組104以獲得電源,連接低點量測模組201之氣壓計203與溫度計204並接收其量測後之氣壓值與溫度值,連接高點量測模組101之氣壓計102以接收其量測後之氣壓值,連接顯示器103以將計算後之水位值供其顯示。
由於高點量測模組始終在水面之上,故其量測氣壓值為大氣壓,而低點量測模組在淹水前量測氣壓值為大氣壓,而淹水後氣壓值為水壓與大氣壓之和,但淹水後低點之大氣壓難以確知,故導入高點量測模組的氣壓值變化量以協助校正,其水位計算方法如下:
由於地理位置相近,因此低點量測模組淹水前大氣壓值隨時間之變化量與高點量測模組大氣壓值隨時間之變化量幾乎相同。
因此,低點量測模組在淹水後水位L=1033.227452799886cm-H2O x(低點量測模組即時氣壓值-低點量測模組大氣壓)x(1/dw)。
其中低點量測模組大氣壓=低點量測模組淹水前瞬間氣壓值+高點量測模組氣壓同時段之變化量,取代後: L=1033.227452799886cm-H2O x(低點量測模組即時氣壓值-低點淹水前瞬間氣壓值-高點量測模組氣壓同時段之變化量)x(1/dw);其中1/dw:水4℃密度與測試點水溫之水密度之比值。
依前述發明目的與內容,本發明之量測方法為一種氣壓式水位計量測方法,其量測流程請參閱第2圖,其中包括:
(1)量測高點與低點模組初始氣壓值S101;此步驟係高點量測模組量測並記錄初始氣壓值,及低點量測模組量測並記錄初始氣壓值。
(2)固定時間間隔S102;此步驟係流程中延遲固定時間間隔再進行下一步驟,以兼顧現場水位、氣壓變化與氣壓計量測之最佳需求,其最適時間間隔為5~10秒。
(3)量測高點與低點模組即時氣壓值S103;此步驟係高點量測模組量測並記錄即時氣壓值,及低點量測模組量測並記錄即時氣壓值。
(4)判斷低點量測模組是否淹水S104,如是則進行步驟(5),如否則進行步驟(11)無淹水輪測;此步驟係以低點量測模組氣壓變化量>5倍之高點量測模組氣壓變化量為依據。
(5)低點量測模組量測並記錄淹水氣壓值S105;此步驟係判定低點量測模組處淹水即量測並記錄淹水氣壓值。
(6)量測高點量測模組之氣壓變化量與低點量測模組的溫度及其對應之水密度S106;此步驟係量測高點量測模組之即時氣壓與初始氣壓之差值變化量,並量測低點量測模組內的溫度並對應到該溫度之水密度。
(7)計算水位高度S107;此步驟係依公式:水位=1033.227452799886cm-H2O x(低點量測模組即時氣壓值-低點淹水前瞬間氣壓值-高點量測模組氣壓同時段之變化量)x(水4℃密度與測試點水溫之水密度之比值)。
(8)顯示水位高度S108;此步驟係將量測氣壓、溫度並經計算後之水位高度顯示於高點量測模組之顯示器。
(9)判斷水位高度是否為零S109,如否則進行步驟(10),如是則進行步驟(11);此步驟係確認水位是否消退至低點量測模組以下,以決定下一流程方向。
(10)淹水輪測S110;以及此步驟係低點量測模組處於淹水時,延遲固定時間間隔5~10秒後至低點量測模組量測並記錄淹水氣壓值步驟,進行輪測流程。
(11)無淹水輪測S111。
此步驟係低點量測模組未淹水時,將高點量測模組氣壓即時值設定為初始值,低點量測模組氣壓即時值設定為 初始值,並至固定時間間隔S102步驟,進行輪測流程。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
綜上所述,本案不但在技術思想上確屬創新,並能較習用方法增進上述多項功效,應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件,爰依法提出申請,懇請 貴局核准本件發明專利申請案,以勵發明,至感德便。

Claims (20)

  1. 一種氣壓式水位計,其包括:一低點量測模組,其設置於淹水時之一水面下量測點,該低點量測模組包括一低點氣壓計以量測淹水時之該水面下量測點之氣壓;以及一高點量測模組,其設置於淹水時之一水面上量測點且電性連接於該低點量測模組,該高點量測模組包括一高點氣壓計以量測淹水時之該水面上量測點之氣壓;其中,水位高度係由該低點量測模組與該高點量測模組分別所量測的氣壓所計算出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣壓式水位計,其中,該水位高度(L)=特定溫度之水柱高度x(低點量測模組即時氣壓值-低點淹水前瞬間氣壓值-高點量測模組氣壓同時段之變化量)x(1/d w),其中,該1/d w為水在特定溫度之密度與測試點水溫之水密度之比值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氣壓式水位計,其中,該低點量測模組進一步包括一低點溫度計,用以量測該測試點水溫。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之氣壓式水位計,其中,該高點量測模組進一步包括一微處理器,其係連接於該低點量測模組之該低點氣壓計和該低點溫度計以及該高點量測模組之該高點氣壓計,以接收所量測之氣壓值與溫度值,並提供所計算出之該水位高度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之氣壓式水位計,其中,該高點量測模組進一步包括一電源模組,其係連接於該低點量測模組之該低點氣壓計和該低點溫度計以及該高點量測模組之該高點氣壓計和該微處理器,以提供電源於該高點量測模組及該低點量測模組。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之氣壓式水位計,其中,該高點量測模組進一步包括一顯示器,其係連接該電源模組與該微處理器以顯示該微處理器所提供的該水位高度。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之氣壓式水位計,其中,該特定溫度為4℃。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之氣壓式水位計,其中,該特定溫度之水柱高度係1033.227452799886公分-水柱高度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之氣壓式水位計,其中,該低點量測模組與該高點量測模組之外形均為開口朝下之容器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之氣壓式水位計,其中,該低點量測模組與該高點量測模組之電性連接係透過銅纜。
  11. 一種用於氣壓式水位計之量測方法,其包括:分別量測一高點量測模組及一低點量測模組之初始氣壓值,其中,該低點量測模組設置於淹水時之一水面下量測點且該高點量測模組設置於淹水時之一水面 上量測點;量測該高點與低點量測模組之即時氣壓值;藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值;量測該高點量測模組之氣壓變化量與該低點量測模組的溫度及其對應之水密度;依據該低點量測模組與該高點量測模組分別所量測的氣壓值,計算出水位高度;以及顯示水位高度。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,其中,該水位高度係利用下列公式計算出:水位高度(L)=特定溫度之水柱高度x(低點量測模組即時氣壓值-低點淹水前瞬間氣壓值-高點量測模組氣壓同時段之變化量)x(1/d w),其中,該1/d w為水於該特定溫度之密度與測試點水溫之水密度之比值。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,其中,該特定溫度為4℃。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,其中,該特定溫度之水柱高度為1033.227452799886公分-水柱高度。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,其中,進行該量測該高點與低點量測模組之即時氣壓值之步驟前,進一步包括經過一固定時間間隔再進行該量測該高點與低點量測模組之即時氣壓值之固定時間間隔步驟。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,進一步包括淹水輪測之步驟,其係當該低點量測模組處於淹水時,經過一固定時間間隔,進行該藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值之步驟。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,進一步包括無淹水輪測之步驟,其係當該低點量測模組未淹水時,將該高點量測模組所量測的氣壓即時值設定為初始值,且將該低點量測模組所量測的氣壓即時值設定為初始值,並進行該固定時間間隔步驟。
  18. 如申請專利範圍第15項至第17項中任一項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,其中,該固定時間間隔係選自5秒至10秒之間。
  19. 如申請專利範圍第16項或第17項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,進一步包括判斷水位高度是否為零之步驟,其係判斷現有水位是否退至該低點量測模組所位於的淹水時之該水面下量測點以下;若為是,進行該無淹水輪測之步驟,若為否,進行淹水輪測之步驟。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之用於氣壓式水位計之量測方法,其中,在進行該藉由該低點量測模組量測淹水時之氣壓值之步驟前,進一步包括判斷該低點量測模組是否淹水之步驟,其係判斷該低點量測模組氣壓的變化量是否大於該高點量測模組氣壓之變化量的五倍,若該低點量測模組氣壓的變化量大於該高點量測模組氣壓之變化量的五倍,則進行該藉由該低點量測模組量測淹 水時之氣壓值之步驟,以及若該低點量測模組氣壓的變化量小於該高點量測模組氣壓之變化量的五倍,進行該無淹水輪測之步驟。
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