TWI476378B - Level and temperature sensing device - Google Patents

Description

物位與溫度感測裝置

本發明係一種感測裝置，尤指一種可同時感測物位及溫度的感測裝置。

倉儲管理係於存放物料與保存物料時，一個相當重要的課題，各種類型的產業皆會用到儲倉來儲存各種物料，如石化工業、大宗食品業、飼料業、鋼鐵業、水泥業等。而存放於儲倉中的物料有固體、液體、固液混合體等不同的物質形態，舉例來說，有石油、煤礦、鐵砂、水泥、玉米、小麥、麵粉、牛油等不同的物料。各種物料在儲存於儲倉時，儲倉內的溫度、濕度與物料存量的多寡，都會影響到儲存於儲倉中各種物料的保存期限與保存品質的優劣。而在某些特定的產業，儲倉內溫度若沒有控管好，則可能導致物料的爆炸或其他公安意外的發生，例如乾燥的物料玉米、大豆、導電粉塵等，會因為溫度變異，導致悶燒或火花塵爆。

現有技術的感測器，係可檢測該儲倉中的溫度、濕度或物位(即物料存量的多寡)，並根據檢測到的數值來調整儲倉內的溫度、濕度與物位，以增加儲倉中物料的保存期限或提高保存品質。但現有技術的感測器係只能同時檢測溫度、濕度或物料存量其中一種，或是將各種不同的感測器建構成一整個系統方能達成同時檢測溫度、濕度或物料存量之目的。於實際使用時，係在儲倉裝安裝多種不同量測目的之感應器，管理者便根據多種感應器檢測到的數據，來調整儲倉內的溫度、濕度或物料存量。

進一步而言，現有技術的一種物位感測器係利用射頻導納(RF Admittance)原理，藉由已知物料的介電係數，以及對該物位感應器的一物料電極施以一定額電壓，並測量該電極與接地電位之間，因物料在該電極與該接地電位間具有等效電容，引起的電流差值，以及射頻導納的原理來計算出目前的物料存量。

現有技術的感測器只能提供整個儲倉內的一個單一溫度的資訊，無法取得沿著儲倉內物位變化的方向的溫度分布。對於某些特定產業的倉儲管理無法取得沿著儲倉內物位變化的方向的溫度分布，則無法準確的控管物料，舉例來說，當石化工業在對石油進行分餾時，沿著儲倉內物位變化的方向的溫度分布會影響分餾出的石油的品質，因此取得沿著儲倉內物位變化的方向的溫度分布對石化工業而言係相當重要的。且現有技術的感測器無法同時感測多通道溫度及物位。進一步而言，各種物料的介電係數會隨者溫度變化而連帶產生變化，且各種物料的電容值亦會隨著溫度改變，而電容值與介電係數係射頻導納原理中計算物料存量的重要參數，若無法確定其正確知數值，則計算出的物料存量會與目前實際的物料存量有一段誤差，無法準確的得知目前實際的物料存量。故現有技術的感測器有必要做進一步之改良。

有鑑於前述現有技術的缺點，本發明係提供一種物位與溫度感測裝置，係可同時感測並計算出物料存量與物位沿特定方向的溫度分布，且藉由感測到的溫度分布得知目前物料實際的介電係數與電容值，並進行參數較正，利用射頻導納原理重新計算出正確的物料存量。

為達成上述發明目的所採取的技術手段係令前述物位與溫度感測裝置包含有：一纜線，係包含有一電極及複數溫度感測單元，該複數溫度感測單元係間隔地沿著該纜線的佈線方向設置；一物位感測模組，係電連接至該纜線之電極，以輸出一波形訊號至該纜線之電極，以供射頻導納之用；一溫度感測模組，係分別電連接至該複數溫度感測單元；一處理模組，係包含有一儲存單元及一處理單元；其中該儲存單元係電連接至該處理單元，且儲存有一溫度與物料電容對照表；該處理單元係分別電連接至該物位感測模組及該溫度感測模組，以接收一物位訊號及一溫度訊號，並讀取儲存於該儲存單元中的溫度與物料電容對照表，根據該溫度與物料電容對照表找出該溫度訊號對應的物料電容值，及根據射頻納原理計算出物料存量；及一電源模組，係電連接至該纜線、該物位感測模組、該溫度感測模組及該處理模組，以提供電能使其正常運作。

在本發明中，該物位感測模組係利用測量該電極與接地電位間的電流差值，以及射頻導納原理，來換算出物料存量，且本發明於該纜線中間隔地沿著佈線方向埋設有複數溫度感測單元，利用該溫度感測單元測量物位沿該纜線佈線方向之溫度分布，並建立一溫度資訊給該處理模組，該處理模組根據該溫度資訊計算出沿該纜線佈線方向之溫度變化，使儲倉的管理人員可根據該該溫度變化來判斷與調整儲倉內之溫度與物料存量。

進一步而言，本發明之處理模組中，還儲存有一溫度與物料電容對照表，根據該溫度與物料電容對照表與該溫度感測單元所測得的溫度，即可對應並計算出正確的物料電容值。因物料電容值係射頻導納原理中重要的參 數，故本發明係先利用溫度關係來校正物料電容值，使利用射頻導納原理計算時，能有更準確的參數，以計算出更準確的物料存量。通常物質對於溫度係數的變化關係，可以概分為正溫度係數關係(溫度上升，相同物料容積，電容值上升)、負溫度係數關係(溫度上升，相同物料容積，電容值下降)，其變化可能是線性或非線性函數關係。該溫度與物料電容對照表係根據多次的實驗結果觀測各種不同溫度下，建立各種不同物料的電容值，並記錄後整理成該溫度與物料電容對照表，使本發明於計算物料存量時，可根據該溫度與物料電容對照表，對照該溫度感測單元沿著不同電纜位置所測得的物料溫度，找出該溫度下正確的物料電容值，並根據射頻導納原理計算出正確的物料存量。

10‧‧‧纜線

11‧‧‧電極

12‧‧‧溫度感測單元

121‧‧‧第一溫度感測單元

122‧‧‧第二溫度感測單元

123‧‧‧第三溫度感測單元

124‧‧‧第四溫度感測單元

13‧‧‧濕度感測單元

14‧‧‧容置盒

20‧‧‧物位感測模組

21‧‧‧物位訊號處理單元

22‧‧‧類比數位轉換器

23‧‧‧波形產生單元

24‧‧‧隔離訊號處理器

25‧‧‧類比訊號隔離器

30‧‧‧溫度感測模組

31‧‧‧溫度訊號處理單元

32‧‧‧類比數位轉換器

33‧‧‧數位訊號隔離器

34‧‧‧切換單元

40‧‧‧處理模組

41‧‧‧儲存單元

42‧‧‧處理單元

50‧‧‧電源模組

60‧‧‧使用者介面

61‧‧‧顯示單元

62‧‧‧輸入單元

70‧‧‧輸出模組

80‧‧‧濕度感測模組

81‧‧‧濕度訊號處理單元

82‧‧‧類比數位轉換器

圖1係本發明較佳實施例的功能方塊圖。

圖2係本發明較佳實施例的側視圖。

圖3係本發明較佳實施例的使用示意圖。

圖4A係本發明較佳實施例儲倉中未存放物料時之示意圖。

圖4B係圖4A之儲倉中物位高度及感測溫度之折線圖。

圖5A係本發明較佳實施例儲倉中存放少數物料時之示意圖。

圖5B係圖5A之儲倉中物位高度及感測溫度之折線圖。

圖6A係本發明較佳實施例儲倉中存放多數物料時之示意圖。

圖6B係圖6A之儲倉中物位高度及感測溫度之折線圖。

以下配合圖示及本發明之較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。

請參閱圖1所示，本發明係一物位與溫度感測裝置，該物位與溫度感測裝置係包含有一纜線10、一物位感測模組20、一溫度感測模組30、一處理模組40及一電源模組50。

該纜線10係包含有一電極11及複數溫度感測單元12。該複數溫度感測單元12係間隔地沿著該纜線10的佈線方向設置。在本較佳實施例中，該電極11係使用一鋼索材質，除可導電並傳導訊息外，該鋼索亦可提供較佳的耐衝擊能力及載重能力。

該物位感測模組20係包含有一物位訊號處理單元21、一類比數位轉換器22及一波形產生單元23。該物位訊號處理單元21係分別與該纜線10之電極11及該類比數位轉換器22電連接，以接收該電極11送出之物位訊號並傳送至該類比數位轉換器22。該類比數位轉換器22於接收到該物位訊號處理單元21送出的經過處理的類比物位訊號後，轉換成數位物位訊號輸出。該波形產生單元23係接收一控制訊號，並根據該控制訊號產生特定頻率的波形訊號，以輸出至該電極11，供射頻導納之用。

該溫度感測模組30係包含有溫度訊號處理單元31及一類比數位轉換器32。該溫度訊號處理單元31係分別電連接至該複數溫度感測單元12及該類比數位轉換器32，以接收各溫度感測單元12送出之溫度訊號並傳送至該類比數位轉換器32。該類比數位轉換器32於接收到該溫度訊號處理單元31送出的經過處理的類比溫度訊號後，轉換成數位溫度訊號輸出。在本較佳實施例中，該複數溫度感測單元12可分別為感溫三端元件(one-wire digital thermometer)、電阻式溫度感測器(RTD)或熱電偶(Thermocouple)。

該處理模組40係包含有一儲存單元41及一處理單元42。該儲存單元41係電連接至該處理單元42，且儲存有一溫度與物料電容對應表。該處理單元42又分別電連接至該物位感測模組20及該溫度感測模組30的類比數位轉換器22、32，以接收該數位物位訊號及該數位溫度訊號，並讀取儲存於該儲存單元41中的溫度與物料電容對應表。該處理單元42根據該溫度與物料電容對應表及該數位溫度訊號，找出該數位溫度訊號所對應的物料電容值，並根據該物料電容值及該數位物位訊號，由射頻導納原理計算出目前實際的物料存量。在本較佳實施例中，該處理單元42係藉由Data Input/Output 1-Wire interface pin，以MODBUS通訊協定來讀取該複數溫度感測單元12的溫度資料

該電源模組50係電連接至該纜線10、該物位感測模組20、該溫度感測模組30及該處理模組40，以提供電能使其正常運作。

該物位感測模組20係進一步包含有一隔離訊號處理器24及一類比訊號隔離器25。該隔離訊號處理器24係電連接在該物位訊號處理單元21及該纜線10電極11之間，以將該纜線10電極11所送出的訊號中的雜訊移除，避免誤判的情況發生。該類比訊號隔離器25係電連接在該隔離訊號處理器24及該物位訊號處理單元21之間，並電連接至該波形產生單元23，以避免電壓突波而造成的電路損壞。

該溫度感測模組30係進一步包含有一數位訊號隔離器33及一切換單元34。該數位訊號隔離器33係電連接在該類比數位轉換器32及該處理單元42之間，以避免電壓突波而造成的電路損壞。該切換單元34係分別電連接至該複數溫度感測單元12及該數位訊號隔離器33，以透過該數位訊號隔離器33接收該處理單元42送出的控制訊號，來調整該複數溫度感測單元12的感測溫度級距，進而調整本發明溫度感測的靈敏度。在本較佳實施例中，該溫度訊號處理 單元31、一類比數位轉換器32及該切換單元34可整合在一晶片中，以降低組裝時的複雜度，且可進一步節省空間，縮小本發明的體積。

在本較佳實施例中，該物位與溫度感測裝置係進一步設置有一使用者介面60、一輸出模組70及一濕度感測模組80。該使用者介面60係電連接至該處理模組40的處理單元42，並包含有一顯示單元61及一輸入單元62。該顯示單元61係顯示該感測器所測得的各種資訊，例如溫度或物料存量，該輸入單元62係提供使用者輸入控制指令，例如調整該複數溫度感測單元12的感測溫度級距，或該顯示單元61所顯示的項目。在本較佳實施例中，該顯示單元61可為一組按鈕或一觸控面板。

該輸出模組70係電連接至該處理單元42，以將該處理單元42所輸出的各種資訊，例如溫度或物料存量，透過電連接傳送至其他電子裝置。在本較佳實施例中，該輸出模組70可為RS-232或USB介面。

該纜線10係進一步設置有複數濕度感測單元13，該複數濕度感測單元13係間隔地沿著該纜線10的佈線方向設置。該濕度感測模組80係具有一濕度訊號處理單元81及一類比數位轉換器82。該濕度訊號處理單元81係分別電連接至該複數濕度感測單元13及該類比數位轉換器82，以接收各濕度感測單元13送出之濕度訊號並傳送至該類比數位轉換器82。該類比數位轉換器82係電連接至該處理單元42，並於接收到該濕度訊號處理單元81送出的經過處理的類比濕度訊號後，轉換成數位濕度訊號輸出至該處理單元42。

該儲存單元41儲存有一濕度與物料電容對應表。該處理單元42係接收該數位物位訊號及該數位濕度訊號，並讀取儲存於該儲存單元41中的濕度與物料電容對應表。該處理單元42根據該濕度與物料電容對應表及該數位濕度訊號，比對找出目前濕度狀態下的物料電容值，並根據該物料電容值及該數位物位訊號，由射頻導納原理計算出目前實際的物料存量。

請參閱圖2及圖3所示，該纜線10之一端設有一容置盒14，係容置一電路板(圖中未示)，而該電路板係具有上述各個模組。且本較佳實施例係將該容置盒14設置於一儲倉的頂壁，並將該纜線10垂放入該儲倉中，而該纜線之另一端係與該儲倉之底壁固接，以確保該纜線10係垂放至該儲倉之底壁，使該纜線可測量到整個儲倉的高度，故無論物料存量的多寡，皆可感測到，並計算出來。

請參閱圖5A、5B、6A及6B所示，本發明係進一步發現於不同物質交界處附近的溫度感測單元12所感測到的溫度會有一段落差。舉例來說，在物料高度以下的物質係儲倉內的物料，其溫度係較高且相對變化較小，但於逐漸向上測量溫度，並超越物料高度時，在物料高度以上的物質係儲倉中的空氣，所感測到的溫度有較大的變化，而形成一段溫差，且濕度亦然。例如在空氣與液體物質的交界處、空氣與固體物質的交界處、液體物質與固體物質的交界處，可以明顯發現因為不同物質間的熱傳速度不同，通常會有明顯的溫度梯度變化。利用此關係，傳統習知的物料存量測量技術，是在全域(Full Scale)量測範圍，展開後端的類比數位轉換，例如12bits的類比數位轉換器，相當於將全域量測分割為4096；若要提高解析度，則必須更換更高解析度的類比數位轉換器。本發明利用溫度陡降的特徵點。再沿著纜線的任意兩個分布點間，設定成為全域的量測範圍，如此可實踐出用低解析度的類比數位轉換器，達到高解析度量測物質Level的目的。

請參閱圖4A及4B所示，舉例來說，若本發明初始設定的檢測範圍，即類比數位轉換的範圍，係自第一溫度感測單元121至第二溫度感測單元122之間，即是從儲倉內最高的溫度感測單元12至最低的溫度感測單元12之間，而該數位類比轉換器32的轉換解析度係2¹⁶ ，且於該第一溫度感測單元121附近所測得的電容值係870pf，於該第二溫度感測單元122附近所測得的電容值係500pf， 故本次類比數位轉換的精準度係(870-500)/2¹⁶ 。請參閱圖5A、5B、6A及6B所示，經過訊號調變，藉由溫度陡變的位置為依據，重新設定檢測範圍，自第三溫度感測單元123至第四溫度感測單元124之間，而該數位類比轉換器22的轉換解析度不變，於該第三溫度感測單元123附近所測得的電容值係750pf，於該第四溫度感測單元124附近所測得的電容值係550pf，本次的類比數位轉換的精準度則係(750-550)/2¹⁶ 。相對而言，係提高了類比數位轉換的精準度，另一方面，本發明可以採用較低解析度的類比數位轉換器，即可達到與習知技術採用高解析度的類比數位轉換器相同的精準度。

本發明係藉由測量該電極11與接地電位之間因物質在兩電極間具有等效電容，所引起的電流差值，以及射頻導納的原理來計算出目前的物料存量。而在射頻導納原理中介電係數係一重要之參數，且介電係數會影響物料電容值。但物料之介電係數會隨者溫度及濕度的影響而改變介電係數，因而導致物料電容值的變動，進一步使得根據射頻導納原理計算出來的結果產生誤差，無法準確的計算目前的物料存量。故本發明係藉由該溫度感測模組30及該濕度感測模組80來感測出目前的儲倉內物料的溫度與濕度，再根據該溫度與物料電容對應表及該濕度與物料電容對應表來查找出目前正確的物料電容值，以校正目前的物料電容值，讓該處理單元42能計算出更準確的物料存量。

進一步而言，本發明之處理模組中，還儲存有一濕度與物料電容對照表，根據該濕度與物料電容對照表，即可對應找出正確的物料電容值對濕度的係數。因物料電容值係射頻導納原理中重要的參數，故本發明係利用濕度關係來校正物料電容值，使利用射頻導納原理計算時，能有更準確的參數，以計算出更準確的物料存量。通常物質對於濕度係數的變化關係，可以概分為正濕度係數關係(濕度上升，相同物料容積，電容值上升)、負濕度係數關係(濕度上升，相同物料容積，電容值下降)，其變化可能是線性或非線性函數關係。該 濕度與物料電容對照表係根據多次的實驗結果觀測各種不同濕度下，建立各種不同物料的電容值，並記錄後整理成該濕度與物料電容對照表，使本發明於計算物料存量時，可根據該濕度與物料電容對照表，對照該濕度感測單元沿著不同電纜位置所測得的物質濕度，找出該濕度下正確的物料電容值，並根據射頻導納原理計算出正確的物料存量。

在本發明中，同時發現藉由不同物質介面間溫度陡降的特徵點，例如在空氣與液體物質的介面、空氣與固體物質的介面、液體物質與固體物質的介面，可以明顯發現因為介面間的熱傳速度不同，通常會有明顯的溫度梯度變化。利用此關係，傳統習知的Level測量技術，是在全域(Full Scale)量測範圍，展開後端的類比數位轉換，例如12bits類比轉換器，相當於將全域量測分割為4096；若要提高解析度，則必須更換更高解析度的類比數位轉換器。本發明利用溫度陡降的特徵點。再沿著纜線的任意兩個分布點間，設定成為全域的量測範圍，如此可實踐出用低解析度的類比數位轉換器，達到高解析度量測物質Level的目的。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明以較佳實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做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作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10‧‧‧纜線

11‧‧‧電極

12‧‧‧溫度感測單元

13‧‧‧濕度感測單元

20‧‧‧物位感測模組

21‧‧‧物位訊號處理單元

22‧‧‧類比數位轉換器

23‧‧‧波形產生單元

24‧‧‧隔離訊號處理器

25‧‧‧類比訊號隔離器

30‧‧‧溫度感測模組

31‧‧‧溫度訊號處理單元

32‧‧‧類比數位轉換器

33‧‧‧數位訊號隔離器

34‧‧‧切換單元

40‧‧‧處理模組

41‧‧‧儲存單元

42‧‧‧處理單元

50‧‧‧電源模組

60‧‧‧使用者介面

61‧‧‧顯示單元

62‧‧‧輸入單元

70‧‧‧輸出模組

80‧‧‧濕度感測模組

81‧‧‧濕度訊號處理單元

82‧‧‧類比數位轉換器

Claims (13)

1. 一種物位與溫度感測裝置，係用於量測儲倉的物料存量與溫度，且包含有：一纜線，係包含有一電極及複數溫度感測單元，該複數溫度感測單元係間隔地沿著該纜線的佈線方向設置；一物位感測模組，係電連接至該纜線之電極，以輸出一波形訊號至該纜線之電極，以供射頻導納之用；一溫度感測模組，係分別電連接至該複數溫度感測單元；一處理模組，係包含有一儲存單元及一處理單元；其中該儲存單元係電連接至該處理單元，且儲存有一溫度與物料電容對照表；該處理單元係分別電連接至該物位感測模組及該溫度感測模組，以接收一物位訊號及一溫度訊號，並讀取儲存於該儲存單元中的溫度與物料電容對照表，根據該溫度與物料電容對照表找出該溫度訊號對應的物料電容值，及根據射頻納原理計算出物料存量；及一電源模組，係電連接至該纜線、該物位感測模組、該溫度感測模組及該處理模組，以提供電能使其正常運作。
2. 如請求項1所述之物位與溫度感測裝置，其中該物位感測模組係包含有一物位訊號處理單元、一類比數位轉換器及一波形產生單元；其中該物位訊號處理單元係分別與該纜線之電極及該物位感測模組的類比數位轉換器電連接；該類比數位轉換器係電連接至該處理模組的處理單元；該波形產生單元係電連接至該纜線之電極。
3. 如請求項1所述之物位與溫度感測裝置，其中該溫度感測模組係包含有一溫度訊號處理單元及一類比數位轉換器；該溫度訊號處理單元係分別電連接至該複數溫度感測單元及該類比數位轉換器；該類比數位轉換器係電連接至該處理模組的處理單元。
4. 如請求項1至3中任一項所述之物位與溫度感測裝置，係進一步包含有一濕度感測模組，該濕度感測模組係包含有一濕度訊號處理單元及一類比數位轉換器；其中該纜線係進一步包含有複數濕度感測單元，該複數濕度感測單元係間隔地沿著該纜線的佈線方向設置；及其中該濕度訊號處理單元係分別電連接至該複數濕度感測單元及該濕度感測模組的類比數位轉換器，而該濕度感測模組的類比數位轉換器係電連接至該處理模組的處理單元。
5. 如請求項4所述之物位與溫度感測裝置，其中處理模組的處理單元係進一步包含有一濕度與物料電容對照表。
6. 如請求項1所述之物位與溫度感測裝置，其中該纜線之電極係一鋼索。
7. 如請求項1所述之物位與溫度感測裝置，其中該複數溫度感測單元係感溫三端元件(one-wire digital thermometer)、電阻式溫度感測器(RTD)或熱電偶(Thermocouple)。
8. 如請求項2所述之物位與溫度感測裝置，其中該物位感測模組係進一步包含有一隔離訊號處理器，該隔離訊號處理器係電連接在該物位訊號處理單元及該電極之間。
9. 如請求項8所述之物位與溫度感測裝置，其中該物位感測模組係進一步包含有一類比訊號隔離器，該類比訊號隔離器係電連接在該隔離訊號處理器及該物位訊號處理單元之間，並電連接至該波形產生單元。
10. 如請求項3所述之物位與溫度感測裝置，其中該溫度感測模組係進一步包含有一數位訊號隔離器，該數位訊號隔離器係電連接在該類比數位轉換器及該處理單元之間。
11. 如請求項10所述之物位與溫度感測裝置，其中該溫度感測模組係進一步包含有一切換單元，該切換單元係分別電連接至該複數溫度感測單元及該數位訊號隔離器。
12. 如請求項1所述之物位與溫度感測裝置，係進一步包含有一輸出模組，該輸出模組係電連接至該處理模組。
13. 如請求項1所述之物位與溫度感測裝置，其中該處理模組係根據不同物質交界處之間溫度陡降的特徵點的溫度梯度變化，進一步重新設定類比數位轉換的範圍，提高物料存量的類比數位轉換解析度。