TWI384205B - 液面高度的量測方法 - Google Patents

Description

液面高度的量測方法

本發明是有關於一種流體的量測方法，且特別是有關於一種液面高度的量測方法。

廢水處理系統是由處理單元、管線、機械設備與土木結構物等所組成的系統，其目的在於使處理後之放流水能夠達到「符合法規排放標準」，進而能保護承受水體與環境。而在廢水處理系統中，廢水會經過廢水處理程序以進行污染物的去除。由於廢水處理程序是由不同的物理、化學或生物處理等單元所組成，其設備程序和一般的工業製程同樣複雜，所以為了達到提高系統穩定性、處理效率以及減少操作成本之目標，部分或全面性的自動化監控已是無可避免。

在各個監測之項目中，水體之流量最具有關鍵性，因為在廢水處理系統中，其如何因應進流流量之變動，以進行自動控制策略與操作最佳化策略之推求，或是進行計算及產生信號驅動控制設備以進行系統程序的控制，均需要廢水流量之資料以作為上述操作之依據。

一般而言，水體之流量測量方法包括容器法、量水堰法、流速計法以及流量計法等。其中，流量計或量水堰法為較常使用之方法。對於流量計而言，一般常用之流量計係為接觸式量測原理，但是流體隨時處於變化的狀態，因此要確切執行廢水流量之量測有其難度，且廢水之溫度、 密度、黏度及壓力等流體特質亦有可能影響流量測量資料之精確度。再者，接觸式量測原理之流量計係直接安置於廢水中，若廢水中含有腐蝕成分，則容易對監測儀器產生破壞之問題，因此在設備維護上往往會產生困擾。

另外，對於量水堰法而言，量水堰法需配合水位計，在量測液面位置－水頭(head)高度－之數據後，再經由適當的水理公式以計算流量。但是，現行大多數的水位計仍為接觸式的水位計，上述在接觸式量測設備中會產生的問題，仍然會在接觸式之水位計中發生。

因此，量水堰搭配非接觸式之水位量測法，將可解決上述流體特性的干擾與量測之限制。在許多已發展之非接觸式液面位置測量方法中，Yoichi Takagi等人利用非接觸式的量測系統(Takagi et al,Development of a non－contact liquid level measuring system using image processing,Water Science and Technology Volume：37,Issue：12,pp.381－387,1998)對於液面位置進行量測。Yoichi Takagi等人將一金屬片傾斜放置於液體中，並利用影像輪廓分析，量測液體界面處所顯現出曲折點的位置，再利用刻度尺比對而計算出相對之水面高度。

然而，上述之非接觸式的液面測定方法大多為「點」的量測，其所能提供的資訊有限。此外，利用雷射、超音波等量測設備所提供的有限資訊，其並不能完全反應水體之水面位置的真實情況，且雷射與超音波等量測設備的成本也較高，不利於量測設備成本之降低。

本發明提供一種液面高度的量測方法，其較為準確，且其為非接觸式的量測方法。

本發明之一實施例提出一種液面高度的量測方法，其適於利用一影像擷取裝置量測一容器中的一液體之一液面的高度。影像擷取裝置具有一影像感測器，而容器之一內壁上具有多個刻度線。液面高度的量測方法包括下列步驟：(a)利用影像擷取裝置擷取一影像畫面，其中影像畫面包括至少部分這些刻度線及液面之影像；(b)決定至少部分這些刻度線及液面之影像在影像感測器上的多個刻度線成像位置及一液面成像位置；(c)利用三角函數定理、至少部分這些刻度線的實際位置及與其對應之這些刻度線成像位置運算出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁上的實際位置之間的一換算關係；以及(d)透過換算關係將液面成像位置換算為液面在內壁上的一液面實際位置。

在本發明之一實施例中，步驟(c)包括下列步驟：首先，根據至少部分這些刻度線的實際位置及與其對應之這些刻度線成像位置，並利用三角函數定理求出影像擷取裝置的一光軸相對於液面的一傾斜角。接著，利用傾斜角及三角函數定理計算出液面實際位置。

本發明之另一實施例提出一種液面高度的量測方法，其適於利用一影像擷取裝置量測一容器中的一液體之一液面的高度。影像擷取裝置具有一影像感測器，而容器之一內壁上具有多個刻度線。液面高度的量測方法包括下 列步驟：(a)利用影像擷取裝置擷取一影像畫面，其中影像畫面包括至少部分這些刻度線及液面之影像；(b)決定至少部分這些刻度線及液面之影像在影像感測器上的多個刻度線成像位置及一液面成像位置；(c)透過對至少部分這些刻度線在內壁上的實際位置及與其對應之這些刻度線成像位置所進行的迴歸分析，運算出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁上的實際位置之間的一換算關係；以及(d)透過換算關係將液面成像位置換算為液面在內壁上的一液面實際位置。

在本發明之一實施例中，步驟(c)包括由至少部分這些刻度線在內壁上的實際位置與其所對應之這些刻度線成像位置得到一迴歸函數，而步驟(d)包括將液面成像位置代入迴歸函數以得到液面實際位置。

以下列舉同時適用於上述二種液面高度的量測方法之實施例。

在本發明之一實施例中，影像感測器具有多條水平掃描線，而決定這些刻度線成像位置及液面成像位置包括下列步驟。首先，求出影像畫面在至少部分這些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值，以獲得這些平均灰階值相對於影像感測器上之成像位置的一關係曲線。接著，微分關係曲線一次，以獲得一第一階導數曲線。然後，以第一階導數曲線的多個波峰或多個波谷所對應之成像位置為這些刻度線成像位置及液面成像位置。

在本發明之一實施例中，影像感測器具有多個水平掃 描線，而決定這些刻度線成像位置及液面成像位置包括下列步驟。首先，求出影像畫面在至少部分這些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值，以獲得這些平均灰階值相對於影像感測器上之成像位置的一關係曲線。接著，微分關係曲線二次，以獲得一第二階導數曲線。然後，以第二階導數曲線與一平均灰階值之第二階導數為零所構成的橫軸之多個交叉點所對應之成像位置為這些刻度線成像位置及液面成像位置。

在本發明之一實施例中，液面高度的量測方法更包括每隔一設定時間，重複步驟(a)、步驟(b)、步驟(c)及步驟(d)。

在本發明之一實施例中，液面高度的量測方法在執行步驟(a)的同時更包括以一光源照射這些刻度線及液體。

在本發明之一實施例中，液面高度的量測方法更包括利用一水理公式將液面實際位置換算為液體之一流量。

在本發明之一實施例中，容器包括槽體、渠道或非滿流管線。

在本發明之一實施例中，步驟(b)、步驟(c)及步驟(d)是藉由一與影像擷取裝置電性連接的運算單元所執行。

在本發明之一實施例中，這些刻度線沿著一與液面垂直之方向等間隔分佈。

在本發明一實施例之液面高度的量測方法中，由於利用了三角函數定理或迴歸分析以求出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁上的實際位置之間的一換算關係，因 此透過此換算關係所求出的液面高度較為精確。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第一實施例

圖1為本發明第一實施例之液面高度的量測方法之流程圖，而圖2繪示用以執行圖1之量測方法的量測系統。 請先參照圖2，本實施例之量測系統200適於量測一容器50中的一液體60之一液面62的高度。在本實施例中，容器50為一槽體，而槽體例如為堰槽、巴歇爾槽或量水容器。然而，在其他實施例中，容器50亦可以是渠道、非滿流管線或其他可由液面推算流量或體積的容器。此外，在本實施例中，液體60例如是水或廢水。然而，在其他實施例中，液體60亦可以是任何其他待量測的液體。再者，在本實施例中，容器50具有液體輸入口與液體輸出口(未繪示)，而液體60可在容器50中流動。然而，在其他實施例中，液體亦可以是靜止在容器中。

量測系統200包括一影像擷取裝置210及位於容器50之一內壁52上的多個刻度線222。在本實施例中，影像擷取裝置210例如為一數位攝影機，其可配置於容器50之另一內壁54上。影像擷取裝置210可具有一影像感測器(未繪示)，而影像感測器例如為電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或互補式金氧半導體感測器(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)。在本實 施例中，刻度線222可位於一配置於內壁52上之背景板220上，而影像擷取裝置210可對準背景板220以擷取影像畫面。再者，在本實施例中，這些刻度線222可沿著一與液面62垂直之方向等間隔分佈。

在本實施例中，量測系統200更包括一監控裝置230，其與影像擷取裝置210電性連接，以指示影像擷取裝置210擷取影像畫面，其中監控裝置230例如為一電腦或其他適當的監控主機。此外，監控裝置230可電性連接至一螢幕240，螢幕240可提供影像畫面讓使用者觀看。

在本實施例中，背景板220例如為白色背景板，以提升其在液面62上方處與下方處之對比。此外，量測系統200可更包括一光源250，以照射背景板220、刻度線222及液體60，以讓影像擷取裝置210所擷取到的影像畫面更為清晰，並使背景板220在液面62上方處與下方處之對比更高，進而使液面62的影像更容易辦識。在本實施例中，光源250例如為白色高週波螢光燈或白光發光二極體(light－emitting diode,LED)。一般而言，紅綠藍(RGB)影像畫面之分析在光源250的選擇上，以選用上述高色溫的光源為佳，如此能夠取得較佳的顏色判別效果。

請參照圖1與圖2，本實施例之液面高度的量測方法適於利用影像擷取裝置210量測容器50中的液體60之液面62的高度。液面高度的量測方法包括下列步驟。首先，執行步驟110，其為利用影像擷取裝置210擷取影像畫面，其中影像畫面包括至少部分上述那些刻度線222及液面62 之影像(即刻度線影像222’及液面影像62’)。接著，執行步驟120，其為決定這些刻度線影像222’及液面影像62’在影像擷取裝置210之影像感測器上的多個刻度線成像位置及一液面成像位置。在本實施例中，成像位置例如是影像感測器上的畫素(pixel)座標，具體而言，決定這些成像位置即是決定刻度線影像222’及液面影像62’是在畫素陣列中的第幾行。

圖3A為用以說明本發明第一實施例中決定液面成像位置的方法之示意圖，而圖3B為用以說明本發明第一實施例中決定刻度線成像位置的方法之示意圖。請參照圖1、圖2、圖3A及圖3B，在本實施例中，影像感測器具有多條水平掃描線，這些水平掃描線可與液面影像62’平行。在本實施例中，決定液面成像位置包括下列步驟。首先，求出影像畫面在至少部分這些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值(亦即每一條上的畫素所偵測到的平均灰階值)，以獲得這些平均灰階值相對於影像感測器上之成像位置的一關係曲線S1，具體而言，即是平均灰階值相對於垂直液面影像62’之垂直畫素座標的關係曲線S1。在本實施例中，影像感測器為彩色影像感測器，而平均灰階值即為紅色灰階值、綠色灰階值及藍色灰階值的平均值。然而，在其他實施例中，影像感測器亦可以是黑白影像感測器，而平均灰階值即為灰色灰階值。

接著，微分關係曲線S1一次，以獲得一第一階導數曲線S1’。然後，在本實施例中，是以第一階導數曲線S1’ 的一波峰P1所對應之成像位置X1為液面成像位置。然而，在其他實施例中，隨著背景板220及光源250的顏色之不同，亦可能是以第一階導數曲線的一波谷所對應之成像位置為液面成像位置。

在一實施例中，亦可以是微分關係曲線S1二次，以獲得一第二階導數曲線S1”。然後，以第二階導數曲線S1”與一平均灰階值之第二階導數為零所構成的橫軸Y之一交叉點A所對應之成像位置X2為液面成像位置。

在本實施例中，決定上述那些刻度線成像位置包括下列步驟。首先，求出影像畫面在至少部分上述那些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值(亦即每一條上的畫素所偵測到的平均灰階值)，以獲得這些平均灰階值相對於影像感測器上之成像位置的一關係曲線S2，具體而言，即是平均灰階值相對於垂直液面影像62’之垂直畫素座標的關係曲線S2。

接著，以如同上述求出液面成像位置的方法求出刻度線成像位置。具體而言，是先微分關係曲線S2一次，以獲得關係曲線S2之一第一階導數曲線(未繪示)。然後，以此第一階導數曲線的多個波峰或多個波谷所對應之成像位置為上述那些刻度線成像位置。在一實施例中，亦可以是微分關係曲線S2二次，以獲得關係曲線S2之一第二階導數曲線(未繪示)。然後，以此第二階導數曲線與一平均灰階值之第二階導數為零所構成的橫軸之多個交叉點所對應之成像位置為液面成像位置。

圖4A與圖4B為用以說明本發明第一實施例中利用三角函數定理求得成像位置與實際位置之間的換算關係之方法的示意圖。請參照圖1、圖2、圖4A及圖4B，本實施例之量測方法的下一步驟為執行步驟130，其為利用三角函數定理、至少部分這些刻度線222的實際位置及與其對應之這些刻度線成像位置運算出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁52上的實際位置之間的一換算關係。

在本實施例中，求出換算關係可以下述步驟進行。首先，如圖4A所繪示，影像擷取裝置210所擷取到的影像畫面之範圍例如為由R點至R’點，其中R點高於上述那些刻度線的最高者，亦即高於位於r0點之刻度線。此時，在本實施例中可在影像畫面之範圍中取一較小的計算範圍，即由C點至C’點的範圍(如圖4B所繪示)，其中C點與r0點重合，且C－C’線段與影像擷取裝置210的光軸O垂直。影像擷取裝置210所擷取到的影像畫面可視為落在C－C’線段上的一虛像，而虛像與螢幕240上所顯示的影像畫面可呈線性關係，亦即虛像上任一位置的單位長度為影像畫面上任一位置的單位長度乘以一比例常數。因此，藉由分析虛像上的位置與內壁52上的實際位置之關係即可得知影像感測器上的成像位置與內壁52上的實際位置之關係。

接著，根據至少部分那些刻度線222的實際位置及與其對應之那些刻度線成像位置，並利用三角函數定理求出影像擷取裝置210的一光軸O相對於液面62的一傾斜角θ 。以下舉出一具體的運算實例，但本發明並不以此為限。

首先，根據相似三角形定理可知，C－C’線段與內壁52的夾角會等於光軸O相對於液面62的傾斜角θ 。此外，位於r0點之最高刻度線222以下的刻度線依序為位於r1點、r2點、…、及rn點之刻度線，其中n為正整數，而F點為影像擷取裝置210之焦點。再者，內壁52上與F點同高度的點為F’點，而F－F’線段的長度W在將影像擷取裝置210架設於內壁54上時即為已知，且任兩相鄰之刻度線222之間距及其與F’點的距離亦為以知。

接著，r0－F線段與內壁52的夾角為θ 0，r1－F線段與內壁52的夾角為θ 1，r2－F線段與內壁52的夾角為θ 2，…，而rn－F線段與內壁52的夾角為θ n，其中

其中為F’點至r0點的距離，為F’點至r1點的距離，為F’點至r2點的距離，而為F’點至rn點的距離。如此一來，即可求出θ 0、θ 1、θ 2…及θ n的值。

再來，r0－r1線段的長度為d1，其對應於上述虛像上的長度為j1，而r0－r2線段的長度為d2，其對應於上述虛像上的長度為j2，在本實施例中，可根據正弦定理獲得下 述兩方程式：

此外， j1＝k*j2， (7) 其中k為j1與j2的比例常數，其可在影像畫面中求得。在上述(5)、(6)及(7)式中，d1、d2、θ 1、θ 2及k皆為已知，而未知數則有j1、j2及θ 。如此一來，由(5)、(6)及(7)三個方程式即可解出j1、j2及θ 三個未知數。本發明並不限定以上述三個方程式來求得θ 值，在其他實施例中，亦可以是以 jm＝k’*jn； (10) 三個方程式來求得θ 值，其中dm為r0－rm線段的長度，其對應於上述虛像上的長度為jm，而dn為r0－rn線段的長度，其對應於上述虛像上的長度為jn，m與n為任兩不相等之正整數。

再來，在本實施例中可利用傾斜角θ 及三角函數定理計算出液面成像位置與液面實際位置的關係。舉例而言， r0－F線段的長度為L，而 因此，L為已知。接著，夾角φ c＝π －θ 0－θ ，所以夾角φ c亦為已知。然後，液面62與內壁52的交界處J在虛像上的位置為Cw點，而C－Cw線段長度設為jw。由於j1、j2…及jn為已知，因此可由影像畫面中jw與j1的比例關係求得jw。再來， 夾角θ w＝夾角φ w－傾斜角θ ， (11) 且由正弦定理可知： 其中，dw為F’－J線段的長度。由(11)、(12)及(13)式可知，未知數共有dw、θ w及φ w三個，而(11)、(12)及(13)三個方程式恰可解出dw、θ w及φ w三個未知數，因此可求得dw，即求得液面實際位置，而(13)式即為影像感測器上的成像位置與其對應於內壁52上的實際位置之間的換算關係。

接著，執行步驟140，其為透過換算關係將液面成像位置換算為液面62在內壁52上的一液面實際位置。在本實施例中，亦即由液面成像位置可得知jw的值，而將jw代入(13)式後即可求得dw的值，而dw的值即代表液面實際位置。此外，當初在設定位於r0點的刻度線222時，r0 點至容器50底部之B點的距離即為已知，因此由r0－B線段長減去dw即可求得液面62的高度。

在本實施例中，可利用一水理公式將液面實際位置換算為液體60之一流量，而水理公式的選擇則是根據容器50及液體60的種類之不同而有所不同。在本實施例中，步驟120、130及140是藉由一與影像擷取裝置210電性連接的運算單元所執行，具體而言，例如是位置監控裝置230中的運算單元。

在本實施例之液面高度的量測方法中，由於利用了三角函數定理以求出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁52上的實際位置之間的換算關係，因此透過此換算關係所求出的液面高度較為精確。此外，由於本實施例之量測方法是透過影像擷取裝置210進行光學量測，因此具有非接觸式量測方法的優點，亦即不易受到流體特性的影響而造成操作維護與監測品質不佳等問題，且光學量測較為快速而有效率。此外，本實施例之液面高度的量測方法利用影像擷取裝置210的量測為矩陣式量測，其可改善習知利用雷射或超音波作單點式量測的問題，因此可提升量測之準確性。

再者，液面62的高度可能會隨著流量的變化而變化，而在本實施例中，可每隔一設定時間重複步驟110、步驟120、步驟130及步驟140，以不斷地監控液體60之流量。當此設定時間夠短時，便能夠即時監控液體60之流量，而當流量超出容許範圍時，便能夠馬上採取因應措施。除此 之外，監控裝置230可以是一自動化的即時監控裝置，其可以自動地採取上述因應措施。

由於每次重複步驟110至140時，皆根據刻度線222的實際位置作三角定理之運算，因此即使容器50受到震動而使光軸O的傾斜角θ 偏轉，所量出的液面實際位置仍然能夠被三角函數定理自動校正為準確值。另外，在本實施例中，影像擷取裝置210能夠擷取到液體60的顏色，因此當液體60(例如廢水)的顏色變化太大時，廢水處理廠便能夠採取緊急應便措施，以更進一步達到即時監控的目的。

第二實施例

圖5為本發明第二實施例之液面高度的量測方法之流程圖，而圖6為圖5之液面高度的量測方法中所得到的迴歸函數曲線圖。請參照圖2、圖5及圖6，第二實施例之液面高度的量測方法與上述第一實施例之液面高度的量測方法類似，兩者的差異如下所述。在本實施例之量測方法中，是以步驟130’與步驟140’分別取代第一實施例之量測方法中的步驟130與步驟140(請參照圖1)。步驟130’為透過對至少部分這些刻度線222在內壁52上的實際位置及與其對應之這些刻度線成像位置所進行的迴歸分析，運算出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁52上的實際位置之間的一換算關係。在本實施例中，步驟130’為由至少部分這些刻度線222在內壁52上的實際位置與其所對應之這些刻度線成像位置得到一迴歸函數。在圖6中，t0點、 t1點、t2點…及tn點的縱座標為這些刻度線222在內壁52上的實際位置，而其橫座標為這些刻度線222在影像感測器上的成像位置。將這些數據點的縱座標及橫座標迴歸分析後可得到迴歸函數曲線S3。此外，在本實施例中，步驟140’為將液面成像位置代入迴歸函數曲線S3以得到液面實際位置。以圖6來說明，液面成像位置例如是在圖6中的Q點，而當迴歸曲線函數S3的橫座標落在Q點時，其縱座標是落在U點，而U點即為液面實際位置。

在本實施例之液面高度的量測方法中，由於利用了迴歸分析以求出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁52上的實際位置之間的換算關係，因此透過此換算關係所求出的液面高度較為精確。再者，液面62的高度可能會隨著流量的變化而變化，而在本實施例中，可每隔一設定時間重複步驟110、步驟120、步驟130’及步驟140’，以不斷地監控液體60之流量。當此設定時間夠短時，便能夠即時監控液體60之流量，而當流量超出容許範圍時，便能夠馬上採取因應措施。此外，由於每次重複步驟110、120、130’及140’時，皆根據刻度線222的實際位置作迴歸分析，因此即使容器50受到震動而使光軸O的傾斜角θ 偏轉，所量出的液面實際位置仍然能夠被迴歸分析自動校正為準確值。再者，迴歸分析亦能夠避免人工與人為誤差。另外，本實施例之液面高度的量測方法亦具有第一實施例之液面高度的量測方法之其他功效，在此不再重述。

綜上所述，在本發明一實施例之液面高度的量測方法 中，由於利用了三角函數定理或迴歸分析以求出影像感測器上的成像位置與其對應於內壁上的實際位置之間的換算關係，因此透過此換算關係所求出的液面高度較為精確。此外，由於本發明一實施例之量測方法是透過影像擷取裝置進行光學量測，因此具有非接觸式量測方法的優點。

再者，液面的高度可能會隨著流量的變化而變化，而在本發明一實施例之量測方法中，可每隔一設定時間重複同樣的量測步驟，以不斷地監控液體之流量。當此設定時間夠短時，便能夠即時監控液體之流量，而當流量超出容許範圍時，便能夠馬上採取因應措施。此外，由於每次重複同樣的步驟時，皆根據刻度線的實際位置作三角定理之運算或迴歸分析，因此即使容器受到震動而使影像擷取裝置的光軸之傾斜角偏轉，所量出的液面實際位置仍然能夠被三角函數定理或迴歸分析自動校正為準確值。另外，由於影像擷取裝置能夠擷取到液體的顏色，因此當液體的顏色變化太大時，便能夠採取緊急應便措施，以更進一步達到即時監控的目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧容器

52、54‧‧‧內壁

60‧‧‧液體

62‧‧‧液面

62’‧‧‧液面影像

110、120、130、130’、140、140’‧‧‧步驟

200‧‧‧量測系統

210‧‧‧影像擷取裝置

220‧‧‧背景板

222‧‧‧刻度線

222’‧‧‧刻度線影像

230‧‧‧監控裝置

240‧‧‧螢幕

250‧‧‧光源

A‧‧‧交叉點

B、C、C’、Cw、F、F’、Q、R、R’、r0、r1、r2、rn、t0、t1、t2、t3、t4、t5、tn、U‧‧‧點

d1、d2、j1、j2、W‧‧‧長度

J‧‧‧交界處

O‧‧‧光軸

P1‧‧‧波峰

S1、S2‧‧‧關係曲線

S1’‧‧‧第一階導數曲線

S1”‧‧‧第二階導數曲線

S3‧‧‧迴歸函數曲線

X1、X2‧‧‧成像位置

Y‧‧‧橫軸

θ ‧‧‧傾斜角

θ 0、θ 1、θ 2、θ n、θ w、φ c、φ w‧‧‧夾角

圖1為本發明第一實施例之液面高度的量測方法之流 程圖。

圖2繪示用以執行圖1之量測方法的量測系統。

圖3A為用以說明本發明第一實施例中決定液面成像位置的方法之示意圖。

圖3B為用以說明本發明第一實施例中決定刻度線成像位置的方法之示意圖。

圖4A與圖4B為用以說明本發明第一實施例中利用三角函數定理求得成像位置與實際位置之間的換算關係之方法的示意圖。

圖5為本發明第二實施例之液面高度的量測方法之流程圖。

圖6為圖5之液面高度的量測方法中所得到的迴歸函數曲線圖。

110、120、130、140‧‧‧步驟

Claims (20)

1. 一種液面高度的量測方法，適於利用一影像擷取裝置量測一容器中的一液體之一液面的高度，其中該影像擷取裝置具有一影像感測器，而該容器之一內壁上具有多個刻度線，該液面高度的量測方法包括：(a)利用該影像擷取裝置擷取一影像畫面，其中該影像畫面包括至少部分該些刻度線及該液面之影像；(b)決定至少部分該些刻度線及該液面之影像在該影像感測器上的多個刻度線成像位置及一液面成像位置；(c)利用三角函數定理、至少部分該些刻度線的實際位置及與其對應之該些刻度線成像位置運算出該影像感測器上的成像位置與其對應於該內壁上的實際位置之間的一換算關係；以及(d)透過該換算關係將該液面成像位置換算為該液面在該內壁上的一液面實際位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，其中該影像感測器具有多條水平掃描線，而決定該些刻度線成像位置及該液面成像位置包括：求出該影像畫面在至少部分該些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值，以獲得該些平均灰階值相對於該影像感測器上之成像位置的一關係曲線；微分該關係曲線一次，以獲得一第一階導數曲線；以及以該第一階導數曲線的多個波峰或多個波谷所對應 之成像位置為該些刻度線成像位置及該液面成像位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，其中該影像感測器具有多個水平掃描線，而決定該些刻度線成像位置及該液面成像位置包括：求出該影像畫面在至少部分該些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值，以獲得該些平均灰階值相對於該影像感測器上之成像位置的一關係曲線；微分該關係曲線二次，以獲得一第二階導數曲線；以及以該第二階導數曲線與一平均灰階值之第二階導數為零所構成的一橫軸之多個交叉點所對應之成像位置為該些刻度線成像位置及該液面成像位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，其中步驟(c)包括：根據至少部分該些刻度線的實際位置及與其對應之該些刻度線成像位置，並利用三角函數定理求出該影像擷取裝置的一光軸相對於該液面的一傾斜角；以及利用該傾斜角、該液面成像位置及三角函數定理計算出該液面實際位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，更包括每隔一設定時間，重複步驟(a)、步驟(b)、步驟(c)及步驟(d)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，在執行步驟(a)的同時更包括以一光源照射該些刻度線 及該液體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，更包括利用一水理公式將該液面實際位置換算為該液體之一流量。
8. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，其中該容器包括槽體、渠道或非滿流管線。
9. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，其中步驟(b)、步驟(c)及步驟(d)是藉由一與該影像擷取裝置電性連接的運算單元所執行。
10. 如申請專利範圍第1項所述之液面高度的量測方法，其中該些刻度線沿著一與該液面垂直之方向等間隔分佈。
11. 一種液面高度的量測方法，適於利用一影像擷取裝置量測一容器中的一液體之一液面的高度，其中該影像擷取裝置具有一影像感測器，而該容器之一內壁上具有多個刻度線，該液面高度的量測方法包括：(a)利用該影像擷取裝置擷取一影像畫面，其中該影像畫面包括至少部分該些刻度線及該液面之影像；(b)決定至少部分該些刻度線及該液面之影像在該影像感測器上的多個刻度線成像位置及一液面成像位置；(c)透過對至少部分該些刻度線在該內壁上的實際位置及與其對應之該些刻度線成像位置所進行的迴歸分析，運算出該影像感測器上的成像位置與其對應於該內壁上的實際位置之間的一換算關係；以及 (d)透過該換算關係將該液面成像位置換算為該液面在該內壁上的一液面實際位置。
12. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，其中該影像感測器具有多條水平掃描線，而決定該些刻度線成像位置及該液面成像位置包括：求出該影像畫面在至少部分該些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值，以獲得該些平均灰階值相對於該影像感測器上之成像位置的一關係曲線；微分該關係曲線一次，以獲得一第一階導數曲線；以及以該第一階導數曲線的多個波峰或多個波谷所對應之成像位置為該些刻度線成像位置及該液面成像位置。
13. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，其中該影像感測器具有多個水平掃描線，而決定該些刻度線成像位置及該液面成像位置包括：求出該影像畫面在至少部分該些水平掃描線之每一條上的一平均灰階值，以獲得該些平均灰階值相對於該影像感測器上之成像位置的一關係曲線；微分該關係曲線二次，以獲得一第二階導數曲線；以及以該第二階導數曲線與一平均灰階值之第二階導數為零所構成的橫軸之多個交叉點所對應之成像位置為該些刻度線成像位置及該液面成像位置。
14. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方 法，其中步驟(c)包括由至少部分該些刻度線在該內壁上的實際位置與其所對應之該些刻度線成像位置得到一迴歸函數，而步驟(d)包括將該液面成像位置代入該迴歸函數以得到該液面實際位置。
15. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，更包括每隔一設定時間，重複步驟(a)、步驟(b)、步驟(c)及步驟(d)。
16. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，在執行步驟(a)的同時更包括以一光源照射該些刻度線及該液體。
17. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，更包括利用一水理公式將該液面實際位置換算為該液體之一流量。
18. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，其中該容器包括槽體、渠道或非滿流管線。
19. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，其中步驟(b)、步驟(c)及步驟(d)是藉由一與該影像擷取裝置電性連接的運算單元所執行。
20. 如申請專利範圍第11項所述之液面高度的量測方法，其中該些刻度線沿著一與該液面垂直之方向等間隔分佈。