TWI509227B - 液位量測裝置 - Google Patents

Description

液位量測裝置

本發明係關於一種液位量測裝置，特別有關於一種磁力式液位量測裝置。

隨著全球暖化，極端氣候的現象越趨明顯，河川氾濫、都市淹水的情形也越來越嚴重。因此，對於河川、水庫或容易淹水地區的水位監測是刻不容緩的問題。此外，在其他領域亦有水位/液位監測的需求，如工業用水或工業用液體的液位監測。水位/液位的量測在許多領域是相當重要的一環，因此有必要因應產業所需開發一種低成本、有效率的液位量測裝置。

本發明之目的在於提供一種液位量測裝置，以低成本、有效率的方式來量測液面高度。

為達成上述目的，本發明提供一種液位量測裝置，其包含：一管體，用以容置一液體；一漂浮件，設置在該管體內，該漂浮件隨著該管體中液體的液面高度變化而升降；一磁力感測單元，具有至少一磁力感測元件，該磁力感測元件與該漂浮件固定在一起，使得該磁力感測元件與該漂浮件一起浮動；以及複數個磁力源，設置在該管體外，該等磁力源沿著液面高度變化的方 向分散設置，以構建出一特定的磁場強度分佈，其中該磁力感測元件感測所在液面高度下之磁場強度並對應輸出一量測訊號，該液體的液面高度係根據該磁力感測元件輸出的量測訊號而決定。

另一方面，本發明提供一種液位量測裝置，其包含：一管體；一過濾器，設置於該管體之底面，液體經由該過濾器進入該管體內，該過濾器用以過濾存在於該液體中的固體雜質，以避免固體雜質進入該管體內；一漂浮件，設置在該管體內，該漂浮件隨著該管體中液體的液面高度變化而升降；至少兩個磁力感測元件，其設置成彼此相距一段預定的距離，該兩磁力感測元件與該漂浮件固定在一起，使得該兩磁力感測元件與該漂浮件一起浮動；以及複數個磁力源，沿著該管體的外壁設置，該等磁力源的磁場強度大小不等且依不等的間距沿著液面高度變化的方向分散設置，以構建出一特定的磁場強度分佈，其中該兩磁力感測元件分別感測所在位置下的磁場強度並對應輸出量測訊號，該液體的液面高度係根據該兩磁力感測元件輸出的量測訊號而決定。

本發明利用固定在漂浮件上的一個或一個以上的磁力感測元件感測磁力源所建立的磁場，能夠實現液體的液面高度的量測。本發明的液位量測裝置可佈建在河川、水庫或容易淹水的區域，提供實時、穩定及可靠的液位量測。本發明亦能用來監測工業用水或工業用液體的液位變化，或應用於其他領域中。相較於現有技術來說，根據本發明實現的液位量測裝置具有低成本、結構簡易、容易大量佈置的優勢。

10‧‧‧液位量測裝置

11‧‧‧管體

12‧‧‧液體

13‧‧‧漂浮件

14‧‧‧磁力感測單元

15‧‧‧磁力感測元件

16‧‧‧磁力源

17‧‧‧過濾器

20‧‧‧液位量測裝置

30‧‧‧液位量測裝置

120‧‧‧液位

第1圖顯示本發明的液位量測裝置的概念示意圖。

第2圖顯示本發明中的磁場強度分佈示意圖。

第3圖顯示本發明中磁場強度分佈的一個實驗結果示意圖。

第4圖顯示根據本發明一實施例的液位量測裝置的示意圖。

第5圖顯示本發明中磁場強度分佈的另一個實驗結果示意圖。

第6圖顯示根據本發明另一實施例的液位量測裝置的示意圖。

本發明提供一種液位量測裝置，其在工業上的應用，可用來量測工業用液體/用水的液面高度，提供長期、穩定的液位量測。再者，本發明的液位量測裝置亦可佈建在水流湍急的水域或容易淹水的區域，即時監控水位資訊，作為水位或淹水警示。本發明的液位量測裝置是藉由佈建多個磁力源以及至少一個用來感測磁力源之磁場的磁性感測元件來實現液位的實時監控，具有成本低、容易大量佈建等優勢。

第1圖顯示本發明的液位量測裝置的概念示意圖。本發明的液位量測裝置10主要包含一管體11、一漂浮件13、一磁力感測單元14以及複數個磁力源16。管體11可為一盛水/液體12容器，液體12可藉由各種方式進入管體11而使液位120上升，液體12 流出管體11時液位120下降，又或者可利用連通管原理使得管體11內之液體12的液位120與外部液體的液位一致，此時監測到的液位120等於外部液體的液位。漂浮件13設置在管體11內，漂浮件13會隨著管體11中液體12的液面高度變化而升降，漂浮件13可為木頭、塑膠或空心的非鐵質金屬材料。

磁力感測單元14具有一個或一個以上的磁力感測元件15(第1圖中顯示兩個磁力感測元件15)，磁力感測元件15可利用霍爾效應感測器來實現。磁力感測單元14與漂浮件13固定在一起，因此磁力感測單元14可與漂浮件13一起隨著液面高度變化而浮動。磁力感測元件15可設置在漂浮件13內部而與液體12隔絕，或者磁力感測元件15亦可設置在漂浮件13外表面上而通過一保護殼與液體12隔絕。

磁力源16為可提供磁場的永久磁鐵或電磁鐵。多個磁力源16設置在管體11外，這些磁力源16可直接固定設置在管體11外壁上，又或者，這些磁力源16可固定在一板(未圖式)上，再將此板固定在管體11外壁，因此藉由替換此板和固設其上的磁力源16，可以很方便地視需要選用適當的磁力源16及其產生的磁場分佈。

基本上，這些磁力源16是沿著液面高度變化的方向分散設置，即沿著漂浮件13升降的方向分散設置。這些磁力源16基本上沿一直線排列即可。於其他實施例中，這些磁力源16亦可佈建成二維的型態，圍繞管體11的外壁佈建。這些磁力源16的排 列亦可形成鋸尺狀或其他形狀的排列，而基本上只要沿著垂直方向排列即可。

另一方面，為了使得磁力感測單元14在某一液面高度下感測到的磁場能夠保持穩定，限制其在水平方向上的位移或限制其角位移，使其基本上僅能沿著液位升降的方向移動(即，垂直方向)。這可藉由改變管體11和漂浮件13的大小及形狀來實現。例如，採用方管作為管體11，漂浮件13為一圓球，此方管橫截面的邊長基本上與圓球的直徑一致。又或者，管體11與漂浮件13的橫截面為相同的形狀，如三角形、四邊形、星形或其他適用的形狀。另外，亦可利用一限制機構(未圖式)連接漂浮件13，來限制漂浮件13在水平方向的移動或轉動。

請參閱第2圖，第2圖中的A1曲線表示只有佈建一個磁力源16(如第1圖中位於下方的磁力源)時沿著垂直方向量測到的磁場強度分佈，而只有佈建第1圖中位於上方的磁力源(其磁力較大)時量測到的磁場強度分佈如A2曲線所示。當上方及下方的磁力源同時佈建時，其總和的磁場強度分佈顯示如A3曲線。

從上述實驗結果可知，利用磁力大小不同的數個磁力源沿液位升降方向佈置，可構建出一特定的磁場強度分佈，因此利用磁力感測單元14在所在液面高度下感測到的磁場強度而對應輸出的量測訊號可估算出實際的液面高度。

詳細來說，在磁力感測單元14只具有一個磁力感測元件15的情況下，亦即僅設置一個磁力感測元件15，可藉由紀錄、 追蹤磁力感測元件15持續感測到的磁場強度，來推估實際的液面高度。舉例來說，在液位只可能上升(或只可能下降)的情況下，藉由所感測到的磁場強度經歷過的波峰或波谷，來推估磁力感測元件15目前所處的液面高度。例如，磁力感測元件15在上升過程中，其感測到的磁場強度已經過第一個波峰但未到達第一個波谷(見第2圖)，因此可利用第一個波峰和第一個波谷之間的磁場強度分佈來估算磁力感測元件15當前所處的液面高度。

在磁力感測單元14具有兩個或兩個以上的磁力感測元件15的情況下，由於這兩個磁力感測元件15沿著液面升降方向相距一段預定的距離，因此兩者感測到的磁場強度會有所不同，藉由計算兩者感測到的磁場強度的差值，可以判斷這兩個磁力感測元件15是處於上升狀態還是下降狀態。舉例來說，如第2圖所示，在磁場強度的追蹤、紀錄過程中，若得知這兩個磁力感測元件15位於對應於第一個波谷的位置，接下來若兩者感測到的磁場強度的差值為正，則可確定其處於上升狀態，而若兩者感測到的磁場強度的差值為，則可確定其處於下降狀態。因此，藉由紀錄、追蹤這兩個磁力感測元件15持續感測到的磁場強度以及計算兩者感測到的磁場強度的差值，不管液面是上升或下降，都可以精確地推估出實際的液面高度。

另外，磁力感測單元14的量測訊號可經由電纜線輸出或經由無線(wireless)傳輸方式輸出至一判讀裝置(未圖式)，由該判讀裝置估算出液面高度。而若磁力源16為電磁鐵，可經由 電力配線連接至一電池(未圖式)或一供電裝置(未圖式)以供電予該電磁鐵。

再者，從第3圖可知，經由調整兩磁力源16的間距及大小，可得出在一段範圍內磁場強度近於線性的分佈。B1曲線為只佈建一個磁力源時的磁場強度沿垂直方向的分佈曲線，B2曲線為只佈建另一個磁力較大的磁力源時的磁場強度沿垂直方向的分佈曲線，B3曲線為兩者同時佈建時的總和磁場強度。如第3圖所示，B3曲線中頂點左側的範圍中，磁場強度與液面高度的值基本上為一對一或呈一定的比例，因此在此範圍中，只要量測磁場強度的大小即能推知目前的液面高度，而可將此範圍設為液面高度的量測範圍。

第3圖是以兩個磁力源16作為示例，在此基礎上再增加一個磁力源16，適當選用此磁力源16的磁力大小及與其他磁力源的間距，即可建立另一段線性的磁場強度分佈。如第4圖所示，於一實施例中，液位量測裝置20使用了多個磁力源16，其磁力強度由下而上分別為8G、4G、2G、1G、-1G、-2G及-4G，負號代表極性相反，這些磁力源16係依不等的間距沿著液面高度變化的方向分散設置，通過這些磁力源16磁力大小的配置以及間距的配置，在液面高度的量測範圍內，可構建出線性的磁場強度分佈。由於在此配置中，磁場強度與液面高度的值基本上為一對一，因此只需使用一個磁力感測元件15即可，如第4圖所示。

在第5圖所示的實驗結果的圖表中，總和的磁場強度 分佈(即，C3曲線)具有明顯的波峰和波谷(C1曲線為只佈建一個磁力源時的磁場強度分佈曲線，C2曲線為只佈建另一個磁力較大的磁力源時的磁場強度的分佈曲線)，因此若只採用一個磁力感測元件，則只能適用於已知液位是持續上升(或持續下降)的情況。當採用兩個或兩個以上的磁力感測元件時，不管液位在量測過程中是上升或下降，根據這些磁力感測元件輸出的量測訊號即能估算出實際的液面高度。

如第6圖所示，於另一實施例中，液位量測裝置30亦使用了與第4圖的液位量測裝置20中磁力大小類似的磁力源16，其磁力強度由下而上分別為4G、2G、1G、-1G、-2G及-4G，但這些磁力源16的間距配置與第4圖不同，其構建出的磁場強度分佈具有波峰和波谷(類似於第5圖)。在此實施例中，採用了兩個磁力感測元件15來量測磁場強度，這兩個磁力感測元件15沿著垂直方向彼此相距一段預定的距離，可藉由改變此預定的距離來獲取較佳的量測結果。本發明並非意欲將磁力感測元件15的數目限定為一個或兩個，原則上磁力感測元件15的數目越多則能取得越多的量測訊號與磁力源16所建構出的磁力強度分佈進行分析比對，得出較佳的量測結果。

另外，本發明的液位量測裝置可再包含一過濾器17(如第4圖和第6圖所示)，其設置在管體11之底面，液體可經由過濾器17進入管體11內，過濾器17係用來過濾存在於液體中的固體雜質，以避免固體雜質進入管體11內，藉此可適於將液位量測裝 置佈建在河川或容易淹水的地區。

本發明利用固定在漂浮件上的一個或一個以上的磁力感測元件感測磁力源所建立的磁場，能夠實現液體的液面高度的量測。本發明的液位量測裝置可佈建在河川、水庫或容易淹水的區域，提供實時、穩定及可靠的液位量測。本發明亦能用來監測工業用水或工業用液體的液位變化，或應用於其他領域中。相較於現有技術來說，根據本發明實現的液位量測裝置具有低成本、結構簡易、容易大量佈置的優勢。

綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明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，當可作各種之更動與潤飾，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。

10‧‧‧液位量測裝置

11‧‧‧管體

12‧‧‧液體

13‧‧‧漂浮件

14‧‧‧磁力感測單元

15‧‧‧磁力感測元件

16‧‧‧磁力源

120‧‧‧液位

Claims (13)

1. 一種液位量測裝置，包含：一管體，用以容置一液體；一漂浮件，設置在該管體內，該漂浮件隨著該管體中液體的液面高度變化而升降；一磁力感測單元，具有至少一磁力感測元件，該磁力感測元件與該漂浮件固定在一起，使得該磁力感測元件與該漂浮件一起浮動；以及複數個磁力源，設置在該管體外，該等磁力源沿著液面高度變化的方向分散設置，以構建出一特定的磁場強度分佈，其中該磁力感測元件感測所在液面高度下之磁場強度並對應輸出一量測訊號，該液體的液面高度係根據該磁力感測元件輸出的量測訊號而決定。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該等磁力源係依不等的間距沿著液面高度變化的方向分散設置。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該等磁力源的磁場強度大小不等。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該等磁力源基本上沿一直線排列。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中在該特定的磁場強度分佈中，於液面高度的量測範圍內，磁場強度與液面高度的值基本上為一對一。
6. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該磁力感測單元具有至少兩個磁力感測元件，該兩個磁力感測元件彼此相距一段預定的距離，該液體的液面高度係根據該兩個磁力感測元件輸出的量測訊號而決定。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該磁力感測元件包含一霍爾效應感測器。
8. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該管體為一方管，該漂浮件為一圓球，該方管橫截面之邊長基本上與該圓球之直徑一致。
9. 一種液位量測裝置，包含：一管體；一過濾器，設置於該管體之底面，液體經由該過濾器進入該管體內，該過濾器用以過濾存在於該液體中的固體雜質，以避免固體雜質進入該管體內；一漂浮件，設置在該管體內，該漂浮件隨著該管體中液體的液面高度變化而升降；至少兩個磁力感測元件，其設置成彼此相距一段預定的距離，該兩磁力感測元件與該漂浮件固定在一起，使得該兩磁力感測元件與該漂浮件一起浮動；以及複數個磁力源，沿著該管體的外壁設置，該等磁力源的磁場強度大小不等且依不等的間距沿著液面高度變化的方向分散設置，以構建出一特定的磁場強度分佈， 其中該兩磁力感測元件分別感測所在位置下的磁場強度並對應輸出量測訊號，該液體的液面高度係根據該兩磁力感測元件輸出的量測訊號而決定。
10. 根據申請專利範圍第9項所述的液位量測裝置，其中該兩磁力感測元件係設置成沿著液面高度升降的方向排列。
11. 根據申請專利範圍第9項所述的液位量測裝置，其中在該特定的磁場強度分佈中，於液面高度的量測範圍內，磁場強度與液面高度的值基本上為一對一。
12. 根據申請專利範圍第9項所述的液位量測裝置，其中該兩磁力感測元件為霍爾效應感測器。
13. 根據申請專利範圍第9項所述的液位量測裝置，其中該管體為一方管，該漂浮件為一圓球，該方管橫截面之邊長基本上與該圓球之直徑一致。