TWI442028B - Capacitive vibration amplitude level measurement device - Google Patents

Description

容抗振幅式料位量測裝置

本發明係關於一種料位量測裝置，尤指一種可將一桶槽內之物體或液體位置轉換為電子訊號供使用者運用，且可避免雜訊干擾且降低雜散電容影響的容抗振幅式料位量測裝置；本發明可應用於化學儲液槽、油槽、水槽、煤灰儲存桶、石灰、水泥儲存桶等工業用物體或液體位置的監控，以及穀倉、酒精溶液、果汁等食品級物體或液體位置之監控。

在工業製造或日常生活等場合常會將物料放置在桶槽內儲存，待需使用時再將物料取出，為了隨時能得知物料在桶槽內的高度及儲存量，故會使用料位量測裝置來測量物料在桶槽內的高度，其中容抗振幅式料位量測裝置是一種常用的料位量測裝置；既有容抗振幅式料位量測裝置多使用電阻與電容分壓原理，請參閱圖6與圖7所示，其包括有一交流訊號產生器81、一檢測電阻82、一量測電極83與一參考電極84，其中該參考電極84是由桶槽本身所構成，且該參考電極84係透過該檢測電阻82接地；又量測電極83係伸入裝有待測物料的桶槽內以與待測物料接觸，並與參考電極84之間形成一待測電容C₂ ，該交流訊號產生器81則會產生固定頻率的交流訊號送至待測電容C₂ ，並在待測電容C₂ 與檢測電阻82的分壓節點上取出，待測電容C₂ 的改變量，當待測電容C₂ 改變量於一定範圍內時，其檢測電阻82上之電壓V₂ 與待測電容C₂ 成正比，故只需量測檢測電阻82上的電壓V₂ 並傳輸至量測訊號分析單元(圖中未示)，該量測訊號分析單元即可換算並反推待測電容C₂ ，進而透過該待測電容C₂ 的變化量換算出桶槽內的料位。

唯，前述容抗振幅式料位量測裝置的參考電極84係先透過該檢測電阻82才接至電路的地，容易量測到介於參考電極84與接地端之間的雜散電容C₃ ，使實際量測到的等效電容值C₁ 幾乎等於待測電容C₂ 與雜散電容C₃ 的總合C₁ C₂ +C₃ ，無法穩定量測出待測電容C₂ 的變化量；又請參閱圖8與圖9所示，為解決前述問題，乃有另一量測裝置問世，其包括有一交流訊號產生器91、一檢測電阻92、一量測電極93與一參考電極94，其結構與原理大致與前述容抗振幅式料位量測裝置相同，其不同之處在於：該既有技術的電路使參考電極94不需透過檢測電阻92即可連接電路的地，可使雜散電容C₃ 接近於零；但檢測電阻92上電壓V₂ 振幅大小與交流訊號產生器91相同，故量測到檢測電阻92上的電壓V₂ 超過量測訊號分析單元(圖中未示)可以處理的最大電壓值，故無法進行訊號處理以反推待測電容C₂ 值。以上所述皆為既有技術未臻理想之處，實有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

為解決既有容抗振幅式料位量測裝置會產生雜散電容的缺點，本發明之主要目的在於提供一種改良的容抗振幅式料位量測裝置，其令一量測電極與參考電極構成的待測電容透過一訊號耦合元件與一理想的系統接地端連接，可避免雜散電容的干擾，且利用訊號耦合元件將量測訊號轉換為後端電路可以處理的小訊號。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述容抗振幅式料位量測裝置包括：一訊號產生器，具有一訊號輸出端，用以產生一交流訊號；一訊號耦合元件，其具有至少一個一次側線圈與至少一相互隔離惟感應耦合的二次側線圈，該一、二次側線圈分別具有相對的一第一端與一第二端，其中，一次側線圈第一端與前述訊號產生器的訊號輸出端連接；一系統接地端；一待測電容，包括一量測電極與一參考電極，該量測電極係與訊號耦合元件的二次側線圈之第一端連接，參考電極係與前述系統接地端連接；又參考電極係由一金屬桶槽所構成，該量測電極係設於桶槽內；當桶槽內盛裝待測物料時，量測電極與待測物料接觸，並透過待測物料與參考電極構成該待測電容；一檢測電阻，係連接於該訊號耦合元件與系統接地端之間；一量測訊號分析單元，係跨接前述檢測電阻上，以取出一量測訊號，經運算放大後輸出。

前述訊號產生器係透過訊號耦合元件送出交流訊號至待測電容，又量測訊號分析單元由檢測電阻上取得一隨待測電容容值變化的量測訊號，藉以換算出桶槽內待測物料的料位；由於待測電容與理想的系統接地端連接，可避免雜散電容的干擾，又量測訊號分析單元係由檢測電阻上取得經由訊號耦合元件轉換的小訊號，可滿足後端電路的需求。

以下配合圖式與本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定創作目的所採取的技術手段。

請參閱圖1與圖2所示，本發明的第一較佳實施例係包括一訊號產生器10、一訊號耦合元件20、一系統接地端30、一待測電容C₂ 、一檢測電阻50及一量測訊號分析單元60。

該訊號產生器10具有一訊號輸出端，用以產生一交流訊號，且該交流訊號可為弦波。

該訊號耦合元件20具有至少一個一次側線圈21與至少一和該一次側線圈21相互隔離惟感應耦合的二次側線圈22，該一、二次側線圈21、22分別具有相對的一第一端與一第二端，其中，一次側線圈21第一端與前述訊號產生器10的訊號輸出端連接，且該訊號耦合元件20係為一變壓器；在此較佳實施例中，該一次側線圈21的第二端係與該系統接地端30連接，其會從一次側線圈21轉換並放大電壓至二次側線圈，如量測範圍較大時可使用多組線圈放大電壓，其一次側線圈21第一端與地之間電壓V₁ 的峰對峰值為10V，其二次側線圈22第一端與系統接地端30之間電壓V₃ 的峰對峰值為20V，其放大倍率為兩倍；在其他實施例中，該一、二次側線圈可接至不同的地，係其為量測隔離式架構，量測原理相同，不同之處在於須在包括有二次側線圈22的二次側迴路多建立一組隔離電源，且訊號須透過增 設的另一個變壓器耦合回包括有一次側線圈21的一次側迴路進行處理。

該待測電容C₂ 包括一量測電極41與一參考電極42，該量測電極41係與訊號耦合元件20的二次側線圈22之第一端連接，參考電極42係與前述系統接地端30連接；又參考電極42係由一金屬桶槽所構成，該量測電極41係設於桶槽內；當桶槽內盛裝待測物料71時，量測電極41與待測物料71接觸，並透過待測物料71與參考電極42構成該待測電容C₂ 。

該檢測電阻50係連接於該訊號耦合元件20二次側線圈22之第二端與系統接地端30之間，且該檢測電阻50上的跨壓V₂ 即為與一等效電容C₁ 成正比的一量測訊號。其中該等效電容C₁ 幾近於待測電容C₂ 與雜散電容C₃ 的總合(C₁ C₂ +C₃ )，由於本發明的待測電容40與理想的系統接地端30連接，使雜散電容C₃ 趨近於零，等效電容C₁ 幾近於待測電容C₂ (C₁ C₂ )，故該檢測電阻50上的跨壓V₂ 即為一與該待測電容C₂ 之值成正比的量測訊號。

該量測訊號分析單元60係跨接前述檢測電阻50上，以取出一量測訊號V₂ ，經運算放大後輸出，此輸出訊號與等效電容C₁ 呈正比關係；在此較佳實施例中，請參閱圖3所示，該量測訊號分析單元60係包括有一訊號放大器61、一濾波器62、一交直流訊號整流器63、一類比數位轉換器65；將此量測訊號經由該訊號放大器61放大振幅，再接至濾波器62濾除操作頻率外之干擾訊號，並使用一交直流訊號整流器63整流成直流訊號，並經由類比數位轉換器65將該直 流訊號從類比訊號轉換為數位訊號輸出至微控制器輸入端72；在此較佳實施例中，該交直流訊號整流器63與類比數位轉換器65之間係設有一放大倍率控制器64，其可依偵測到不同容值變化，選擇進行其對應的放大倍率輸出，用以提高該容抗振幅式料位量測裝置的量測範圍。

有關本發明之量測原理，請參閱圖1所示，設訊號產生器10產生出具固定電壓和頻率的交流訊號為V₁ (=V_ac )，並送出該交流訊號V₁ 至訊號耦合元件20的一次側線圈21，再由一次側線圈21將該交流訊號V₁ 耦合至二次側線圈22、等效電容C₁ 與檢測電阻50組成的二次側迴路，其中R₁ 係為該檢測電阻50，而i_LOOP 代表流經訊號耦合元件20二次側線圈22、等效電容C₁ 與檢測電阻50的二次側迴路電流，且等效電容C₁ 幾近於待測電容C₂ (C₁ C₂ )，V₂ (=V_out )為該檢測電阻50對該系統接地端30的電壓，則可列出以下算式：

由於待測電容C₂ 容值與參考電極42內的待測物料71料位成正比，故等效電容C₁ 容值也正比於待測物料71料 位，且等效電容C₁ 之電容抗與電容量成反比Z _C =1/2πfC ₁ (其中f代表振盪頻率)，檢測電阻50之阻抗與其阻值相等Z _R =R ₁ ，C₁ 與R₁ 串聯等效阻抗Z等於C₁ 的阻抗與R₁ 的阻抗總合，若檢測電阻50選用阻值小之電阻，則計算時可忽 略之，則阻抗Z與C₁ 成反比如式(A)。而訊 號耦合元件20二次側迴路電流，與C₁ 成 正比，如式(B)。R₁ 對地電壓V _out =i _LOOP R₁ C₁ ，與C₁ 成正比，如式(C)。因此可證實量測檢測電阻50之跨壓即可推算出待測物料71料位，如式(D)。亦可考慮檢測電阻50的影響，則V₂ (=V_out )與C₁ 的關係如式(E)。

由上述可知，算式(A)~(E)證明V₂ 與C₁ 有一定的函數關係，且因且等效電容C₁ 幾近於待測電容C₂ (C₁ C₂ )，故V₂ 與待測電容C₂ 有一定的函數關係，因此透過量測訊號分析單元60將V₂ 轉換為較易處理的直流檢測訊號，即可供後端設備作為監控待測物料位置之依據。且位於訊號耦合元件20二次側迴路的待測電容C₁ 與檢測電阻50會形成一分壓電路，當前述交流訊號V₁ 從訊號耦合元件20的一次側線圈21耦合至二次側迴路時，交流訊號V₁ 轉換會耦合放大至到 二次側迴路，其二次側迴路等效阻抗為，當待測電容 C₁ 改變時，電壓降壓在該二次側線圈22與檢測電阻50上的分壓也隨之改變，若該檢測電阻50選用阻值小之電阻，因為檢測電阻50的阻抗遠小於二次側線圈22待測電容C₁ 的阻抗，則大部分的壓降位於待測電容C₁ 上，而檢測電阻 50上只有小部分的壓降，故量測訊號分析單元60可由檢測電阻50上取得經由訊號耦合元件20轉換的小訊號，以滿足後端電路的需求；在此較佳實施例中，訊號耦合元件20上二次側線圈22至系統接地端30的峰對峰值為20V，而在該檢測電阻50上跨壓V₂ 的峰對峰值為0.2~1V；且由於待測電容C₂ 與理想的系統接地端30連接，故可避免雜散電容C₃ 的干擾。

請參閱圖2與圖4所示，本發明的第二較佳實施例與第一較佳實施例大致相同，不同之處在於：該檢測電阻50A係設於在訊號耦合元件20A一次側線圈之第二端與系統接地端30之間，且該檢測電阻50上的跨壓V₂ 即為一與該待測電容C₂ 值成正比的交流檢測訊號；在此較佳實施例中，該訊號耦合元件20一次側線圈21第一端與地之間電壓V₁ 的峰對峰值為10V，其二次側線圈22第一端與系統接地端30之間電壓V₃ 的峰對峰值為20V，其放大倍率為兩倍，而在該檢測電阻50A上跨壓V₂ 的峰對峰值為0.2~1V。

前述訊號產生器10A送出交流訊號V₁ 至訊號耦合元件20的一次側線圈21，再由一次側線圈21將該交流訊號V₁ 耦合至二次側線圈22與待測電容C₂ 組成的二次側迴路，訊號流經待測電容C₂ 時，待測電容C₂ 的容值變化會改變流經二次側迴路及二次側線圈22訊號的電流大小，且該電流大小的變化也會由二次側線圈22對一次側線圈21產生影響，使一次側線圈21流經檢測電阻50A的電流大小隨著流經二次側線圈22的電流改變，進而使該檢測電阻50A上的跨壓V₂ 改變，量測訊號分析單元60由檢測電阻50A上 取得一隨待測電容容值變化的量測訊號，藉以換算出桶槽內待測物料71的料位，且因為檢測電阻50A的阻抗較一次側線圈21的阻抗小，故大部分的壓降位於一次側線圈21上，而檢測電阻50A上只有小部分的壓降，故量測訊號分析單元60可由檢測電阻50A上取得經由訊號耦合元件20轉換的小訊號，以滿足後端電路的需求；且由於待測電容C₂ 與理想的系統接地端30連接，可避免雜散電容C₃ 的干擾。

請參閱圖2與圖5所示，該第三較佳實施例的結構與第一較佳實施例不同之處，在於該訊號耦合元件20B係為一功率分配器，該功率分配器具有至少一個輸入端埠及三個輸出端埠，且該訊號耦合元件20B具有至少一個一次側傳輸線與至少一相互隔離惟感應耦合的二次側傳輸線，該一次側傳輸線功能近似於第一、二實施例中的一次側線圈，該二次側傳輸線功能近似於第一、二實施例中的二次側線圈，該一、二次側傳輸線分別具有一第一端與一第二端，其中，一次側傳輸線第一端係為輸入端埠，且與前述訊號產生器10的訊號輸出端連接，一次側傳輸線第二端與二次側傳輸線的兩端皆為輸出端埠，且二次側傳輸線的兩端皆接地，且該待測電容C₂ 係連接在第一側傳輸線的第二端與系統接地端30之間，而該檢測電阻50B係連接在第二側傳輸線的一端與系統接地端30之間，而第二側傳輸線的另端係與系統接地端30連接；在此較佳實施例中，該功率分配器可為一定向耦合器，請參閱圖2與圖10所示，其包括二道平行且長度為λ/4的分路臂75、76，兩分路臂分別 為一第一側傳輸線與一第二側傳輸線，各分路臂75、76的兩端分別朝斜外方向延伸形成一第一至第四端埠751、752、761、762；於本實施例中，第一端埠751係作為一輸入端埠，第二至第四端埠752、761、762作為輸出端埠；其中，第二端埠752為直通端埠，第三端埠761為耦合端埠，第四端埠762為隔離端埠；待測電容C₂ 係連接在第二端埠752與系統接地端30之間，而檢測電阻50B係連接在第三端埠761與系統接地端30之間，第四端埠762與系統接地端30連接。

而本發明第三較佳實施例的原理與第一較佳實施例大致相同，其訊號產生器10B由第一端埠751送入訊號耦合元件20B，並經分路臂75送出交流訊號直接送至與第二端埠612連接的待測電容C₂ ，當交流訊號流經待測電容C₂ 時，待測電容C₂ 的容值變化會改變流經分路臂75的電流大小，且該電流大小的變化也會由分路臂75對分路臂76耦合，並分送至第三、第四端埠621，622，使流經分路臂76及檢測電阻50B的電流大小隨著流經分路臂75的電流改變，進而使該檢測電阻50B上的跨壓V₂ 改變，使量測訊號分析單元60(如圖3所示)可由檢測電阻50B上取得一隨待測電容C₂ 容值變化的量測訊號，藉以換算出桶槽內待測物料71的料位；且因為檢測電阻50B的阻抗較待測物料的等 效阻抗小，故大部分的壓降位於分路臂76上，而檢 測電阻50B上只有小部分的壓降，故量測訊號分析單元60可由檢測電阻50B上取得經由訊號耦合元件20B轉換的小 訊號，以滿足後端電路的需求；由於待測電容C₂ 與理想的系統接地端30連接，可避免雜散電容C₃ 的干擾。在其他的實施例中，該訊號耦合元件20B也可為一藍澤(Lange)藕合器(如圖11所示)或一改良式藍澤(Lange)藕合功率分配器(如圖12所示)；如圖11所示，該藍澤藕合器包括第一至第四端埠771~774，其中第一、第四端埠771、774與第二、第三端埠772、773係平行且以λ/4的距離相間排列，第一端埠771係作為一輸入端埠，第二至第四端埠772、773、774作為輸出端埠；又第三、第四端埠773、774之間是以λ/4的傳輸線775相接，且進一步透過跳線776相連，再者，第一、第二端埠771、772的一端分別延伸一耦合段777、778，並透過跳線779相互連接，兩耦合段777、778並以間隙S與前述傳輸線775耦合；當信號由第一端埠771送入，將透過跳線779送至第二端埠772，並透過耦合段777、778與λ/4的傳輸線775耦合而分別送至第三、第四端埠773、774，其中第三端埠773為耦合端埠，第四端埠774為隔離端埠；如圖12所示，該改良式的藍澤藕合器包括第一至第四端埠781~784，其中第一、第四端埠781、784是透過兩λ/4的傳輸線785相接，並作平行排列，且兩傳輸線785間平行且隔離地設有一耦合段787，又第二、第三端埠782、783亦以一λ/4的傳輸線788相連且平行排列，該傳輸線788兩端又透過跳線789與前述耦合段787連接；藉此令第一端埠781構成一輸入端埠，第二至第四端埠782~784則為輸出端埠，其中第二端埠782為隔離端埠，第三端埠783為耦合端埠，第四端埠784為直通端埠。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非對本發明作任何形式上之限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

1、1A、1B．．．容抗振幅式感測器

10．．．訊號產生器

20、20B．．．訊號耦合元件

30．．．系統接地端

41．．．量測電極

42．．．參考電極

50、50A、50B．．．檢測電阻

60．．．量測訊號分析單元

61．．．訊號放大器

62．．．濾波器

63．．．交直流訊號轉換電路

64．．．放大倍率控制器

65．．．類比數位轉換器

71．．．待測物料

72．．．微控制器輸入端

75、76．．．分路臂

751、771、781．．．第一端埠

752、772、782．．．第二端埠

761、773、783．．．第三端埠

762、774、784．．．第四端埠

775、785、788．．．傳輸線

777、778、787．．．耦合段

776、779、789．．．跳線

81、91．．．交流訊號產生器

82、92．．．檢測電阻

83、93．．．量測電極

84、94．．．參考電極

圖1係為本發明一較佳實施例之電路圖。

圖2係為本發明量測電極與參考電極之示意圖。

圖3係為本發明的功能方塊圖。

圖4係為本發明第二較佳實施例之電路圖。

圖5係為本發明第三較佳實施例之電路圖。

圖6係為既有容抗振幅式料位量測裝置之電路圖。

圖7係為既有容抗振幅式料位量測裝置的量測電極與參考電極示意圖。

圖8係為另一既有容抗振幅式料位量測裝置之電路圖。

圖9係為另一既有容抗振幅式料位量測裝置的量測電極與參考電極示意圖。

圖10係為本發明第三較佳實施例訊號耦合元件之可行實施例連接示意圖。

圖11與圖12係為本發明第三較佳實施例訊號耦合元件之可行實施例示意圖。

1‧‧‧容抗振幅式感測器

10‧‧‧訊號產生器

20‧‧‧訊號耦合元件

21‧‧‧一次側線圈

22‧‧‧二次側線圈

30‧‧‧系統接地端

50‧‧‧檢測電阻

Claims (10)

1. 一種容抗振幅式料位量測裝置，其包括有：一訊號產生器，具有一訊號輸出端，用以產生一交流訊號；一訊號耦合元件，其具有至少一個一次側線圈與至少一和該一次側線圈相互隔離惟感應耦合的二次側線圈，該一、二次側線圈分別具有相對的一第一端與一第二端，其中，該一次側線圈第一端與前述訊號產生器的訊號輸出端連接；一系統接地端；一待測電容，包括一量測電極與一參考電極，該量測電極係與訊號耦合元件的二次側線圈之第一端連接，參考電極係與前述系統接地端連接；又參考電極係由一金屬桶槽所構成，該量測電極係設於桶槽內；當桶槽內盛裝待測物料時，量測電極與待測物料接觸，並透過待測物料與參考電極構成該待測電容；一檢測電阻，係連接於該訊號耦合元件與系統接地端之間；一量測訊號分析單元，係跨接前述檢測電阻上，以取出一量測訊號，經運算放大後輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該量測訊號分析單元係包括有：一訊號放大器，係接收並將該量測訊號加以運算放大後輸出；一濾波器，用以濾除操作頻率外的干擾雜訊；一交直流訊號整流器，用以將該量測訊號整流成直流訊號；一類比數位轉換器，用於將該直流訊號從類比訊號轉換為數位訊號輸出。
3. 如申請專利範圍第2項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該量測訊號分析單元的類比數位轉換器輸出端係與一微控制器輸入端連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該量測訊號分析單元的交直流訊號整流器與類比數位轉換器之間設有一放大倍率控制器，其依偵測到不同容值變化，選擇進行其對應的放大倍率輸出，用以提高感測裝置的量測範圍。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該訊號耦合元件係為一變壓器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該檢測電阻係連接於該訊號耦合元件二次側線圈之第二端與系統接地端之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該訊號耦合元件的一次側線圈第二端與前述系統接地端連接。
8. 如申請專利範圍第5項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該檢測電阻係設於在訊號耦合元件一次側線圈之第二端與系統接地端之間。
9. 一種容抗振幅式料位量測裝置，其包括有：一訊號產生器，具有一訊號輸出端，用以產生一交流訊號；一訊號耦合元件，其為一功率分配器，該功率分配器具有至少一個輸入端埠及三個輸出端埠，且該訊號耦合元件具有至少一個一次側傳輸線與至少一相互隔離惟感應耦合的二次側傳輸線，該一、二次側傳輸線分別具有一第一端與一第二端，其中，一次側傳輸線第一端係為輸入端埠，且與前述訊號產生器的訊號輸出端連接，一次側傳輸線第二端與二次側傳輸線的兩端皆為輸出端埠，且二次側傳輸線的兩端皆接地；一系統接地端；一待測電容，包括一量測電極與一參考電極，該量測電極係與訊號耦合元件的一次側傳輸線之第二端連接，參考電極係與前述系統接地端連接；又參考電極係由一金屬桶槽所構成，該量測電極係設於桶槽內；當桶槽內盛裝待測物料時，量測電極與待測物料接觸，並透過待測物料與參考電極構成該待測電容；一檢測電阻，係連接於該訊號耦合元件二次側傳輸線與系統接地端之間；一量測訊號分析單元，係跨接前述檢測電阻上，以取出一量測訊號，經運算放大後輸出。
10. 如申請專利範圍第9項所述之容抗振幅式料位量測裝置，該功率分配器係為一定向耦合器、一藍澤藕合器或一改良式藍澤藕合器。