TWI440829B - Method and device for measuring liquid level of proportional switch - Google Patents

Description

比例式多重切換物液位量測方法及裝置

本發明係一種物液位量測裝置，尤指一種使用複數電極量測待測物料高度的比例式多重切換物液位量測裝置。

現有的電容式物液位量測裝置，請參閱圖11所示，係包含有一量測電極91、一參考電極92、一檢測電阻96與一量測單元90，該量測電極91係設置於裝有一待測物料的一桶槽93並與該待測物料接觸，該參考電極92係由桶槽93本身構成，且經由檢測電阻96連接至一接地點，該量測電極91係與參考電極92平行設置並保持一固定距離，該二電極間可等效為一待測電容94；當該量測單元90送出一交流訊號至量測電極91，此時，待測電容94與檢測電阻96形成一迴路，而於檢測電阻96上產生一電壓降，該電壓降係與待測電容94的變化成正比，因此量測該檢測電阻96二端的電壓值可反推得到二電極間的電容值時，由待測電容94的變化，可對應得到桶槽93中待側物料的高度。

當使二電極平行設置且量測其等效電容值，以得到對應高度有其使用限制，當使用於不同介電係數的液狀待測物料或有空氣參雜的固體狀待測物料，待測物料的溫度、壓力、黏性、導電度等皆會使得前述的等效電容值產生誤差，此外，桶槽93與接地點之間形成一雜散電容95，使量測單元90量測檢測電阻96的電壓時，因雜散電容95並聯於檢測電阻96的二端，而產生誤差而使量測單元90得到錯誤的待 測物液位高度值。

如前揭所述，不同待測物料的特性與桶槽接地方式，會使得二電極間的等效電容值產生誤差，而使量測裝置得到錯誤的高度量測值；因此本發明主要目的是使用複數電極量測待測物料高度的比例式多重切換物液位量測方法與裝置，以解決因等效電容值誤差而產生錯誤高度的問題。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述比例式多重切換物液位量測方法，包含有：在一物料槽內依高度分設有複數的電極，令兩相鄰電極分別構成一電極對，各電極對之間分別具有一寬度W，每一電極對的兩電極間分別形成一通道，該通道具有一長度L、一相對水平面的角度θ ；當物料槽內所設待測物料的物液位升高並接觸各電極對時，根據高度計算公式H=N×L×sinθ +N×W+[(S/L)×sinθ ]，計算出物液位的高度，其中H為待測物料的高度值、N為被淹沒的電極對數量與S為部分浸入電極對的浸入長度；上述比例式多重切換物液位量測方法，進一步包含有：令被待測物件淹沒的電極對具有一第一訊號狀態，未浸入的電極對具有一第二訊號狀態；並以下列方式掃描所有電極對；逐一判斷各電極對與相鄰電極對的訊號狀態是否相同，相同時定義該電極對的訊號狀態切換次數加0，若訊號 狀態不同時，定義該電極對的訊號狀態切換次數加1；當電極對的訊號狀態切換次數為1，代表量測功能正常；當電極對的訊號狀態切換次數大於等於2，表示電極對上沾附物質，代表量測功能異常。

前述電極對的第一訊號狀態包含有被淹沒與部分浸入；當所有電極對均為第一訊號狀態表示物料槽內為滿物液位；若所有電極對均為第二訊號狀態表示物料槽內為空物液位。

為達成前述目的，本發明又提供一比例式多重切換物液位量測裝置，包含有：一量測單元，係有一個以上輸出/入埠，用以量測待測物液位高度；一電極單元，係包含有複數電極，各電極與量測單元有電連接，又兩相鄰電極分別構成一電極對，各電極對之間具有一寬度W，每一電極對的兩電極間分別形成一通道，該通道具有一長度L及一相對水平面的角度θ ；該量測單元依各電極對被待測物淹没與部分浸入的狀態，計算待測物料的高度為H=N×L×sinθ +N×W+[(S/L)×sinθ ]，其中H為待測物的高度值、N為被淹沒的電極對數量、S為部分浸入電極對的浸入長度。

利用前述元件組成的比例式多重切換物液位量測裝置，由量測單元依序偵測各電極對的狀態，可分為電極對被淹沒、部分浸入與未浸入的三種狀態，當物料槽內所設待測 物料的物液位升高並接觸各電極對時，可根據前述高度計算公式H=N×L×sinθ +N×W+[(S/L)×sinθ ]，由量測單元分別計算三種狀態的電極對數量，而得到待測物料的高度，藉此使待測物料之料液位量測更為精確。

關於本創作的第一較佳實施例，請參閱圖1所示，其包含有一量測單元10與一連接至量測單元10的電極單元20，其中，該量測單元10包含有：一訊號產生單元11，係有一輸出端，用以輸出一交流訊號；一感測單元12，係包含有一個以上輸出/入埠，其中的一輸出/入埠係為訊號輸入端且連接至訊號產生單元11的輸出端；一多工切換單元13，具有多數的輸入埠及一個以上的輸出埠，各輸入埠分別與電極單元20連接，其輸出埠係連接至感測單元12的輸出/入埠；一訊號處理器14，具有一個以上輸出/入埠，其中一個輸出/入埠係連接至感測單元12的輸出/入埠，該訊號處理器14包含有一訊號放大單元141、一濾波器142、一訊號整流器143與一類比數位轉換器144；一微處理器15，具有一個以上輸出/入埠，其中一個輸出/入埠係連接至連接至訊號處理器14的輸出/入埠；一資料參考單元16，係與微處理器14電連接。

該電極單元20包含有複數電極，兩相鄰電極分別為一 第一電極211與一第二電極212並構成一電極對21，電極對21的兩電極211、212之間形成有一通道210，其他電極對22~24係與電極對21以相同方式設置，又該電極對21中相鄰電極的第一電極211與一第二電極212分別構成一接點，且二接點係分別連接至多工切換單元13的各個輸入埠。

利用前述元件組成的比例式多重切換物液位量測裝置，由訊號產生單元11產生交流訊號送至成測單元12，並透過多工切換單元13，將交流訊號送至電極單元20，再由多工切換單元13取得電極單元20中各電極對21~24的訊號狀態，並將該訊號狀態送至訊號處理器14，由其包含的訊號放大單元141、濾波器142、訊號整流器143與類比數位轉換器144，進行訊號放大、濾波、整流與類比/數位轉換後，再由微處理器15根據訊號判斷電極對21~24的狀態並計算待測物液位的高度。

關於本創作的第二較佳實施例，請參閱圖2所示，該電極單元20的設置方式係與第一較佳實施例大致相同，唯該通道210具有一長度L及一相對水平面的角度θ ，並於各電極對21~24之間具有一寬度W，該待測物料的高度計算公式為H=N×L×sinθ +N×W+[(S/L)×sinθ ]，其中，H為待測物料的高度值、N為被淹沒的電極對數量與S為部分浸入電極對的浸入長度，於本實施例中，該待測物料高度將電極對21與22淹沒(N=2)及有部分浸入的電極對23，並有電極對24未浸入，又各通道與水平面形成的角度為45°；則前述高度計算公式可寫為H=2×L×sin45°+2×W+[(S/L)×sin45°]，再 代入電極對21長度L、寬度W與部分浸入電極對的浸入長度S的尺寸即可得待測物料高度。

關於本創作的第三較佳實施例，請參閱圖3所示，本實施例係與第二較佳實施例大致相同，唯各電極對中的其中一電極的接點係共同連接至多工切換單元13的其中一輸出/入埠。

關於本創作的第四較佳實施例，請參閱圖4所示，該電極單元20的各電極係分別交錯排列且相對設置，於本實施例中，係由五個電極31~35組成，各電極31~35具有相同長度而分別位於不同高度且平行相間的排列，其中，該電極31的上半部與相鄰電極32的下半部相對，並視為一電極對，又次高的電極32的上半部又與相鄰電極33的下半部相對，而組成另一電極對，藉此相鄰的電極(31,32)(32,33)(33,34)(34,35)將分別構成一電極對，使微處理器15可依據各電極間的狀態來計算高度。

關於本創作的第五較佳實施例，請參閱圖5所示，係與第四較佳實施例大致相同，唯各電極分別與水平面形成一夾角θ 。

關於本創作的第六較佳實施例，請參閱圖6所示，本實施例係採用前述第四實施例的電極設置方式，但不限於第四實施例使用；主要將電極單元20設於一軟性電路板40上，其上形成有複數電極，並構成複數電極對，再將軟性電路板40捲繞設置於一探棒41上，再使軟性電路板40上的各個電極對分別電連接至多工切換單元13，由量測單元10透過軟性電路板40上的電極單元20量測待測物液位高 度，並可進一步於探棒41外側覆蓋一非導電外覆管42，以量測不同導電係數物質的物液位高度。

又本發明可進一步判斷前述第二至第五實施例的電極單元量測功能是否異常，或進一步判斷待測物料是否具備多重液體相層；請參閱圖2所示，其揭示有二電極對21、22被待測物料淹没、電極對23為部分浸入，電極對24則未被浸入；請參閱圖7所示，被淹沒的電極對21、22的二電極會對應物液位高度而改變電極對通道的電容值，該電容值為，其中ε₀ 為一介電常數、ε為一相對介電常數、d 為通 道的寬度、A 為該電極對的面積；當電極對的通道被不同待測物料淹沒時，該相對介電常數ε不同，使得電容值產生改變；量測單元10可藉由量測各電極對的電容值，如電極對21的電容值為C ₂₁ 、電極對22的電容值為C ₂₂ 、電極對23的電容值為C ₂₃ 與電極對24的電容值為C ₂₄ ；當電容值為C ₂₁ 等於C ₂₂ 大於C ₂₃ 遠大於C ₂₄ 時，得知待測物液位物液位高度在電極對23的位置，而電極對22則被待測物淹沒，其電容值C ₂₂ 為C _max ，又電極對24未被待測 物淹沒，其電容值C ₂₄ 為C _min ，該斜率為，由前述 公式可知，當ε相對介電常數不同時，電極對的電容 值會改變，意即會改變C _max 與C _min 的大小，所以會產生兩種不同斜率；當量測單元10計算時，將各電極對的電容值進 行累加，則可得到如圖8所示；藉由待測物料的物理性質與各電極對間，其會形成與待測物料高度的一個線性斜率關係，當待測物質物理性質未變化前，可將線性斜率SA的關係紀錄在量測單元10的資料參考單元15中；當待測物質產生物理性質變化時，其線性斜率改變為SR，使其與SA比對，可判定物質產生變化的程度。

又本發明可再進一步判斷待測物料是否具備多重液體相層，請參閱圖9所示該待測物料高度淹沒三電極對21~23與部分浸入的電極對24(其產生的訊號通稱為第一種訊號狀態)，並有電極對25未浸入(其產生的訊號稱為第二種訊號狀態)，由量測單元10依序判斷各電極對21~25的狀態，其與鄰近電極對的訊號狀態不相同時，定義訊號狀態切換次數+1，若與鄰近電極對的訊號狀態相同，則定義訊號狀態切換次數+0；其中，二電極對21、22淹沒在一第一液體相層，電極對23部份浸入第一液體相層與一第二液體相層，電極對24部份浸入第二液體相層與電極對25未浸入，由量測單元10分別量測各電極對的電容值，其中，C ₂₁ 等於C ₂₂ 大於C ₂₃ 大於C ₂₄ 遠大於C ₂₅ 時，得知待測物液位物液位高度分在電極對23與電極對24的位置，其訊號狀態切換次數分別於電極對23與電極對24各+1，表示該待測物料具有二液體相層。

關於本創作的第七較佳實施例，請參閱圖10所示，主要係將數組電極對21~24設於一外管60內，該外管60係 由數段組合管61~64組成，並形成一主軸電極，令前述各電極對21~24分設於各組合管61~64內，於本實施例中，該電極對21~24與該組合管61~64，以物液位高度方式排列；其中，各組合管61~64的其中一電極241、各組合管61~64分別與多工切換單元13電連接，量測單元10分別偵測各電極241與主軸電極之各組合管61~64的狀態與電容值，可得到分段高度的待測物液位高度。

由前述可知，由複數電極量測待測物料高度，可提高量測準確度，並解決現有技術使用二平行量測電極因等效電容值誤差而產生錯誤高度的問題。

10‧‧‧量測單元

11‧‧‧訊號產生單元

12‧‧‧感測單元

13‧‧‧多工切換單元

14‧‧‧訊號處理單元

141‧‧‧訊號放大單元

142‧‧‧濾波器

143‧‧‧訊號整流器

144‧‧‧類比數位轉換器

15‧‧‧微處理器

16‧‧‧資料參考單元

20‧‧‧電極單元

21~25‧‧‧電極對

210‧‧‧通道

211‧‧‧第一電極

212‧‧‧第二電極

31~35‧‧‧電極

40‧‧‧軟性電路板

41‧‧‧探棒

42‧‧‧外覆管

60‧‧‧外管

61~64‧‧‧組合管

90‧‧‧量測單元

91‧‧‧量測電極

92‧‧‧參考電極

93‧‧‧桶槽

94‧‧‧待測電容

95‧‧‧雜散電容

96‧‧‧檢測電阻

圖1：係本發明第一較佳實施例的電路方塊圖。

圖2：係本發明第二較佳實施例的電極單元結構示意圖。

圖3：係本發明第三較佳實施例的電極單元結構示意圖。

圖4：係本發明第四較佳實施例的電極單元結構示意圖。

圖5：係本發明第五較佳實施例的電極單元結構示意圖。

圖6：係本發明第四較佳實施例的實施狀態示意圖。

圖7：係本發明第二至第五較佳實施例的電容與待測物高度曲線圖。

圖8：係本發明第二至第五較佳實施例的待測物質物理 性質斜率圖。

圖9：係本發明第六較佳實施例的電極單元結構示意圖。

圖10：係本發明第七較佳實施例的電極單元結構示意圖。

圖11：係現有的電容式料位量測裝置示意圖。

10．．．量測單元

11．．．訊號產生單元

12．．．感測單元

13．．．多工切換單元

14．．．訊號處理單元

141．．．訊號放大單元

142．．．濾波器

143．．．訊號整流器

144．．．類比數位轉換器

15．．．微處理器

16．．．資料參考單元

20．．．電極單元

21~24．．．電極對

210．．．通道

211．．．第一電極

212．．．第二電極

Claims (14)

1. 一種比例式多重切換物液位量測方法，包含有：在一物料槽內依高度分設有複數的電極，令兩相鄰電極分別構成一電極對，各電極對之間分別具有一寬度W，每一電極對的兩電極間分別形成一通道，該通道具有一長度L、一相對水平面的角度θ；當物料槽內所設待測物料的物液位升高並接觸各電極對時，根據高度計算公式H=N×L×sin θ +N×W+[(S/L)×sinθ ]，計算出物液位的高度，其中H為待測物料的高度值、N為被淹沒的電極對數量與S為部分浸入電極對的浸入長度；當電極對被淹沒與部分浸入，其具有一第一種訊號狀態，當電極對未浸入，其具有一第二種訊號狀態，並以下列方式掃描所有電極對；逐一判斷各電極對與相鄰電極對的訊號狀態是否相同，若該電極對與相鄰電極對的訊號狀態相同時定義該電極對的訊號狀態切換次數+0，若訊號狀態不同時，定義該電極對的訊號狀態切換次數+1；當掃描所有電極對後的訊號狀態切換次數=1，代表量測功能正常，可計算被淹沒與部分浸入電極對的數量，當掃描所有電極對後的訊號狀態切換次數大於或等於2，代表量測功能異常。
2. 如申請專利範圍第1項所述之比例式多重切換物液位量測方法，進一步包括：當所有電極對皆為第一種訊號狀態，表示第一種訊號狀態(物料槽內為滿物液位)； 當所有電極對皆為第二種訊號狀態，表示第二種訊號狀態(物料槽內為空物液位)；當電極對由第二種訊號狀態轉換為第一種訊號狀態代表訊號狀態切換發生，該電極對稱為觸發電極對。
3. 如申請專利範圍第2所述之比例式多重切換物液位量測方法，當訊號狀態切換次數為1時，且該電極對間的待測物的物理性質隨著物液位高度變化而有X種不同斜率，表示待測物質具有X種或X種以上的液體相層。
4. 如申請專利範圍第2項所述之比例式多重切換物液位量測方法，當訊號狀態切換次數為1時，稱該第一次訊號狀態切換的電極對A為觸發電極對，對應到待測物質的第一物理量狀態a，該觸發電極對之間量測的待測物質物理性質隨著物液位高度變化的斜率SA，而待測物質物理性質隨著量測方向變化的參考斜率SR；藉由斜率SA與參考斜率SR的變動，可計算待測物質物理性質產生的變化，做為判斷物質變化的依據。
5. 如申請專利範圍第2項所述之比例式多重切換物液位量測方法，將複數電極對依待測物液位高度分段設置，可得到不同量程的分段待測物液位高度。
6. 如申請專利範圍第1至5項任一項所述之比例式多重切換物液位量測方法，該電極對與相鄰的電極對間的通道寬度，可隨著通道排列方向變化而不同。
7. 如申請專利範圍第1至5項任一項所述之比例式多重切換物液位量測方法，該通道角度θ 為-90°≦θ ≦90°之間。
8. 一種比例式多重切換物液位量測裝置，包含有：一量測單元，係有一個以上輸出/入埠；一電極單元，係包含有複數電極，各電極與量測單元有電連接，又兩相鄰電極分別構成一電極對，各電極對的兩電極間分別形成一通道，該通道具有一長度L、一相對水平面的角度θ 與各電極對間的一寬度W；當電極對被淹沒與部分浸入，其具有一第一種訊號狀態，當電極對未浸入，其具有一第二種訊號狀態，該量測單元依序判斷各電極對與相鄰電極對的訊號狀態是否相同，若該電極對與相鄰電極對的訊號狀態相同時定義該電極對的訊號狀態切換次數+0，若訊號狀態不同時，定義該電極對的訊號狀態切換次數+1；該量測單元依各電極對被待測物料淹沒與部分浸入的狀態，可以計算出待側物料的高度為H=N×L×sinθ +N×W+[(S/L)×sinθ ]，可計算出待測物料的高度，其中H為待測物料的高度值、N為被淹沒的電極對數量、S為部分浸入電極對的浸入長度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之比例式多重切換物液位量測裝置，於該電極單元外側設置一外管，該外管係由數段組合管組成，該等組合管用以容置該複數電極對並形成一主軸電極，該主軸電極的延伸方向與量測方向平行，此主軸電極與多工切換單元電性的連結；又電極單元的各電極對係兩兩並排形成通道，其通道的排列方向與量測方向形成一個角度θ 。
10. 如申請專利範圍第8項所述之比例式多重切換物液 位量測裝置，該電極單元係設置於一軟性電路板上，於電路板上形成有複數電極與複數接點，該複數電極係分別與複數接點電連接；又於該電極單元的外側設置一外覆管，係一具有底部的非導電性中空管，用以容置具有電極單元的軟性電路板於其中。
11. 如申請專利範圍第8至10項任一項所述之比例式多重切換物液位量測裝置，該電極對與相鄰的電極對間的通道寬度，可隨著通道排列方向變化而不同。
12. 如申請專利範圍第8至10項任一項所述之比例式多重切換物液位量測裝置，該通道角度θ 為-90°≦θ ≦90°之間。
13. 如申請專利範圍第9項所述之比例式多重切換物液位量測裝置，該主軸電極是一表示該等組合管的電性上有共同連接。
14. 如申請專利範圍第9項所述之比例式多重切換物液位量測裝置，該主軸電極是一表示該等組合管的電性上沒有共同連接，又該電極對的總數為主軸電極總數的n倍數，意即其中一個組合管的主軸電極可以同時與n個計數電極電性上有共同連接。