TWI521189B - Self - correcting tuning - fork sensing device and its self - correcting method - Google Patents

Description

可自我校正的音叉式感測裝置及其自我校正的方法

本發明係有關於音叉式感測裝置，尤指一種可自我校正的音叉式感測裝置及其自我校正的方法。

坊間化學桶槽、食品工業、石油化學等各類型產業多係利用音叉式感測裝置檢知其倉儲的物、液位高度，便可監控其倉儲內的物料之高度變化，以進一步得知其物料的存量變化，以供使用者參考。

音叉式感測裝置於使用時，係藉由一控制模組驅動一壓電元件，進而可使一音叉產生共振頻率，透過音叉與物料接觸，可使音叉取得一個頻率訊號並傳送至控制模組，並經由計算其頻率的變化，即可得出該物料的深度，進而可得知該物料於倉儲內的儲量。

然不同的物料具有不同的比重，故音叉與物料接觸時所產生的頻率訊號不盡相同，也因此使音叉傳送至控制模組的頻率變化亦不相同，進而造成該音叉感測裝置所計算出來的物料之深度有所誤差，如美國公開第US2006/0053863A1號專利案已揭露如何利用診斷方式來判斷適合作為驅動的振盪部分，此種設計方式除了針對振盪的部份做診斷外，並沒有將不同物料比重所造成的影響列入考慮，這可能使桶槽內物料改變時容易造成計算誤差。

一般相同的物料中，其比重會隨著溫度的變化而變化，如汽油、酒精或鹽水等易因溫度的高低而造成該物料的比重有所飄移，故極易造成音叉式感測裝置的偵測誤差，鑑於上述問題，實有必要檢討，並謀求可行的解決方案。

有鑒於上述現有技術的缺點，本發明主要目的係提供一種可自我校正的音叉式感測裝置，主要係藉由不斷地信號回饋以調整感測裝置的感測誤差，藉此提供可適用於各種物質及各種環境的音叉式感測裝置。

為達成上述目的所採取的技術手段係令前述音叉式感測裝置包含有：一音叉模組，包含有一音叉組及一個以上的壓電元件，該音叉組係與壓電元件連接；一控制器，具有運算功能，其內部包含有多數個類比數位轉換器、一個以上的數位類比轉換器，另控制器內建有一個以上音叉振盪時具備的電壓參考值；一感測模組，具有一個以上的差動放大器、一個以上的濾波器及一個以上的放大器，該差動放大器輸出端係分別連接至濾波器及控制器的一類比數位轉換器，該濾波器係自差動放大器取得輸出訊號並輸出至放大器，該放大器的輸出端係連接至控制器；一輸出模組，包括一個以上的保護單元及一個以上的狀態輸出器，該保護單元的輸出端係與控制器連接，該狀態輸出器係自控制器及保護單元取得訊號後，以輸出對應的狀態控制訊號；一電源單元，其內設有多數個直流對直流轉換器，且其輸出端係分別連接至前述的控制器、感測模組、輸出模組及音叉模組，其中一直流對直流轉換器的輸出端係連接至音叉模組的壓電元件及控制器的一類比數位轉換器； 依照上述構造所構成的音叉式感測裝置，在進行自我校正時，主要係由音叉模組的壓電元件自電源單元取得一驅動電壓後，利用壓電元件電能與機械能互換特性而產生形變，進而使該音叉組共振以產生共振頻率及振幅，其中此振幅會藉由感測模組輸出至控制器，並與內建的電壓參考值相比較，如相符合則維持不變，並完成自我校正；如振幅電壓較低，則該控制器會提升該電源單元輸出至壓電元件及控制器內的類比數位轉換器的驅動電壓，進一步使音叉組的壓電元件得以因此提升其振幅，並由感測模組感測提升後的振幅電壓，再將該振幅電壓與控制器的電壓參考值比較，根據兩者差值再由控制器調整電源單元輸出至壓電元件的驅動電壓，如此重複運作，直至感測模組感測到的振幅電壓與該電壓參考值相符合後，始表示自我校正完畢；反之該振幅電壓過大時，亦可透過控制器使電源單元降低輸出至該壓電元件之驅動電壓，藉以降低音叉組的振幅，如同前述重複修正，直至感測模組感測到的振幅電壓與控制器的內建電壓參考值相符，即維持該電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓而完成自我校正。使用時再以音叉組感測正確的物料之容積訊息，以供使用者得以正確的監控物料容積，如此一來藉由前述控制器重複輸出修正訊號，使達到自我校正的目的，且於不同比重的物料及各 種環境所產生比重飄移現象之狀態時，亦可正確的感測倉儲內的物料存量，以避免使用者監控錯誤。

本發明主要目的係提供一種音叉式感測裝置自我校正的方法，為達成前述目的主要係令前述感測裝置內的控制器執行以下步驟，其包含有：a.開始；b.初始程序，讀取內建的物料之電壓參考值；c.自一壓電元件回饋取得一音叉組的共振頻率及振幅電壓；d.比較電壓值大小，係將c步驟的振幅電壓與電壓參考值相比較，如不符合，則執行e步驟，如符合，則執行h步驟；e.提升或降低一電源單元輸出至一壓電元件的驅動電壓；f.自該壓電元件回饋取得該音叉組的共振頻率及振幅電壓；g.比較電壓值大小，係將f步驟的振幅電壓與電壓參考值相比較，如不符合，則執行e步驟；h.維持該電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓；上述音叉式感測裝置自我校正的方法，主要係在初始時，由該感測模組取得音叉組共振時的振幅電壓，並輸出至控制器的類比數位轉換器以取得一數位形式的振幅電壓值，藉以與控制器內的電壓參考值相互比較電壓大小，如二者不相同，則控制器會使電源單元的直流對直流轉換器提高或降低其輸出至壓電元件的驅動電壓，以供音叉模組 修正該共振頻率的振幅，同時將此驅動電壓回授至控制器的類比數位轉換器，進一步與控制器的電壓參考值比較以使電源單元輸出另一驅動電壓，如此重複e步驟至g步驟，直至該振幅電壓值與電壓參考值相符合後，即維持該電源單元輸出至壓電元件的驅動電壓，以供該音叉組得以共振於適當振幅，並藉此與物料接觸時能正確地偵測其物料的存量，以解決因振幅過大或不足時造成感測多種物料及不同環境下因不同比重下造成偵測誤差之問題。

關於本發明之一實施例，請參閱圖1，該感測裝置係包含有一音叉模組10、一控制器20、一感測模組30、一輸出模組40及一電源單元50，其中：

該音叉模組10設有一音叉組11(如圖2所示)及一壓電元件12，該壓電元件12主要係受電源單元50驅動及感測模組30的輸出端回授，始可進一步使音叉組11產生共振。

該控制器20具有運算功能，並設有多數個類比數位轉換器21、26、一個以上的數位類比轉換器22，另控制器20內建有多數個符合不同物料的電壓參考值。

該感測模組30內設有依序連接的一個以上的差動放大器31、一個以上的濾波器32及一個以上的放大器33，其中差動放大器31輸出端係連接至濾波器32及控制器20的一類比數位轉換器26。

該輸出模組40設有一個以上的保護單元及一狀態輸出器43，於本實施例中，計有兩個保護單元，分別為一過電 流保護單元41及一電壓保護單元42，該電壓保護單元42係可偵測過高壓及過低壓，該過電流保護單元41及電壓保護單元42係分別自電源單元50取得其輸出電源，藉以判斷電源單元50的輸出電流及輸出電壓，可保護該音叉式感測裝置避免損毀，又該狀態輸出器43係自控制器20及過電流保護單元41與電壓保護單元42取得訊號後以輸出對應的狀態訊號，以供使用者可得知該音叉式感測裝置是否發生異常、有關物料的資訊或藉以控制進料開關以維持物料存量。

該電源單元50設有多數個直流對直流轉換器51，且其輸出端係分別連接至前述的音叉模組10、控制器20、感測模組30及輸出模組40，於本實施例中，其中一直流對直流轉換器51係對應連接至音叉模組10的壓電元件12，使可驅動該壓電元件12並使音叉組11產生共振。

該音叉式感測裝置於本實施例中進一步設有一使用者5介面60，其包含有一測試單元61及一顯示單元62，該測試單元61係與控制器20連接，主要係供使用者簡易測試該音叉式感測裝置是否有異常，使能快速地初步檢知，另顯示單元62係接收控制器20及輸出模組40的狀態輸出器43之狀態訊號，並依其狀態訊號顯示其所對應的燈號或影像等以供使用者即時得知監控。

上述音叉模組10的壓電元件12係於電源單元50送入驅動電壓之後，即進行自振產生一第一時脈訊號，該第一時脈訊號經由感測模組30而於放大器33輸出端產生一第二時脈訊號，此第二時脈訊號係用以回授推動壓電元件 12，其第一、第二時脈訊號之相位差可達90度或180度，該感測模組30的放大器33輸出端的第二時脈訊號回授至音叉模組10，以提供該壓電元件12一方波訊號，藉此方波訊號可提供該壓電元件12維持固定頻率振盪。

另於本實施例中，上述控制器20進一步設有一偵測錯誤單元23、一限流器24及一頻率計算器25，該偵測錯誤單元23主要係偵測該音叉式感測裝置因外力或電路關係使其控制器20頻率計算器25計算出來的頻率是否於非預期的範圍內，並將其偵測結果輸出至使用者介面60的顯示單元62顯示或透過輸出單元40輸出，另限流器24主要係讀取輸出模組40中的過電流保護單元41之輸出訊號，當偵測發生有過電流狀況發生時，該限流器24則會關閉狀態輸出器43，藉此可減少其電流流量，以避免持續性的過電流產生而造成損毀，並顯示於使用者介面60的顯示單元提供告警，確保使用端的安全。又該頻率計算器25內建有一預設值，其主要係計算經由感測模組30輸出的共振頻率，始可依其共振頻率進一步得知該音叉組11所偵測的物料係為何種物料，並顯示於使用者介面60的顯示單元62或透過輸出模組40輸出，當頻率計算器25計算出的共振頻率小於或是大於該預設值，則將其顯示於使用者介面60的顯示單元，藉以告知目前的音叉組11其音叉可能因為外力撞擊損壞或是腐蝕而造成動作異常，並關閉輸出模組40中的狀態輸出器43，確保使用端的安全。

依上述構造所構成的音叉式感測裝置，主要係透過電源單元50驅動音叉模組10的壓電元件12使能自振，進而 使音叉組11得以共振，當音叉組11與物料接觸，經由感測模組30感測取得一共振頻率和振幅後輸出至控制器20，以透過控制器20運算該共振頻率的變化即可得知正確的物料存量。其中，本發明為避免音叉組11感測誤差，故在使用前須先進行自我校正，主要係透過控制器20分別取得感測模組30輸出的振幅電壓及電源單元50輸出至音叉模組10的壓電元件12之驅動電壓，初始時先由電源單元50輸出驅動電壓至壓電元件12以供自振，並令音叉組11共振，此時透過感測模組30取得音叉模組10共振時的振幅電壓，並送至控制器20與其內建的電壓參考值相比，如相等，則無須變更任何設定，並藉由控制器20輸出至使用者介面60的顯示單元62及輸出模組40，如不相等，則利用控制器20控制電源單元50，進一步調整電源單元50輸出至該壓電元件12的驅動電壓，再由感測模組30經由壓電元件12回饋取得音叉組11的振幅電壓，將此振幅電壓送至控制器20以再次與該電壓參考值比較，如此重複運作，直至感測模組30感測到音叉組11的振幅電壓與控制器20的電壓參考值相等時，即維持該電源單元50輸出至壓電元件12的驅動電壓，並完成自我校正，使能進一步讓該音叉組11振盪至適當的幅度，以便在使用時取得正確的物料訊號，如此一來使用者即可正確得知物料的存量，且藉此可透過該音叉式感測裝置的自我校正的功能，可讓使用者方便地使用於各種比重的物料，並且無須擔心其溫度高低所造成比重飄移而使偵測出現誤差。

由上述說明可知，本發明進一步使前述控制器提供一 種音叉式感測裝置自我校正的方法，其包含有(如圖3所示)：a.開始；b.初始程序，讀取內建的物料之電壓參考值；c.自一壓電元件回饋取得一音叉組的共振頻率及振幅電壓；d.比較電壓值大小，係將e步驟的振幅電壓與電壓參考值相比較，如不符合，則執行e步驟，如符合，則執行h步驟；e.提升或降低一電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓；f.自音叉組取得其共振頻率及振幅電壓；g.比較電壓值大小，係將f步驟的振幅電壓與電壓參考值相比較，如不符合，則執行e步驟；h.維持該電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓。

上述音叉式感測裝置自我校正的方法，主要係初始時利用感測模組30自壓電元件12取得該音叉組11共振時的振幅電壓，並輸出至控制器20的類比數位轉換器26，藉以取得一數位訊號，供控制器20透過此數位訊號可得知該音叉組11當時的振幅電壓，藉以與控制器20內的電壓參考值相互比較電壓大小，如二者不相同，則控制器20會使電源單元50的直流對直流轉換器51提高或降低其輸出至壓電元件12的驅動電壓，如此重複e步驟至g步驟，直至由音叉組11取得的振幅電壓與電壓參考值相符合後，即維持該電源單元50輸出至壓電元件12的驅動電壓，如此一來即可達到自我校正的音叉式感測裝置，以供該音叉模組10 得以共振於適當的振幅，並供該感測器能正確地偵測其物料的存量，且可適用於多種比重的物料，且亦可使用於不同環境所造成的比重誤差之狀態，又該驅動電壓亦同時回授至控制器20，並由類比數位轉換器21讀入，且與電壓參考值比較，接著使控制器20控制該電源單元50，藉以輸出另一對應的驅動電壓，藉以增加其校正的效率以穩定修正後的值。

10‧‧‧音叉模組

11‧‧‧音叉組

12‧‧‧壓電元件

20‧‧‧控制器

21‧‧‧類比數位轉換器

22‧‧‧數位類比轉換器

23‧‧‧偵測錯誤單元

24‧‧‧限流器

25‧‧‧頻率計算器

26‧‧‧類比數位轉換器

30‧‧‧感測模組

31‧‧‧差動放大器

32‧‧‧濾波器

33‧‧‧放大器

40‧‧‧輸出模組

41‧‧‧過電流保護單元

42‧‧‧電壓保護單元

43‧‧‧狀態輸出器

50‧‧‧電源單元

51‧‧‧直流對直流轉換器

60‧‧‧使用者介面

61‧‧‧測試單元

62‧‧‧顯示單元

圖1：係為本發明之方塊圖。

圖2：係為本發明之剖面圖。

圖3：係為本發明之控制器流程圖。

10‧‧‧音叉模組

11‧‧‧音叉組

12‧‧‧壓電元件

20‧‧‧控制器

21‧‧‧類比數位轉換器

22‧‧‧數位類比轉換器

23‧‧‧偵測錯誤單元

24‧‧‧限流器

25‧‧‧頻率計算器

26‧‧‧類比數位轉換器

30‧‧‧感測模組

31‧‧‧差動放大器

32‧‧‧濾波器

33‧‧‧放大器

40‧‧‧輸出模組

41‧‧‧過電流保護單元

42‧‧‧電壓保護單元

43‧‧‧狀態輸出器

50‧‧‧電源單元

51‧‧‧直流對直流轉換器

60‧‧‧使用者介面

61‧‧‧測試單元

62‧‧‧顯示單元

Claims (7)

1. 一種可自我校正的音叉式感測裝置，其包含有：一音叉模組，包含有一音叉組及一個以上的壓電元件，該音叉組係分別與該壓電元件連接；一控制器，具有運算功能，其內部包含有多數個類比數位轉換器、一個以上的數位類比轉換器，另該控制器內建有多數個符合不同物料的電壓參考值；一感測模組，具有一個以上的差動放大器、一個以上的濾波器及一個以上的放大器，該差動放大器輸出端係分別連接至該濾波器及該控制器的一類比數位轉換器，該濾波器係自該差動放大器取得輸出訊號並輸出至該放大器，該放大器的輸出端係連接至該控制器；一輸出模組，包括一個以上的保護單元及一狀態輸出器，該保護單元的輸出端係與該控制器連接，該狀態輸出器係自該控制器及該保護單元取得訊號後，以輸出對應的狀態訊號；一電源單元，其內設有多數個直流對直流轉換器，且其輸出端係分別連接至該控制器、該感測模組、該輸出模組及該音叉模組，其中一直流對直流轉換器的輸出端係連接至該音叉模組的壓電元件及該控制器的一類比數位轉換器；其中，該控制器係透過該感測模組自該壓電元件回饋取得該音叉組的共振頻率及振幅電壓，而以該振幅電壓與內建的電壓參考值比較，若不符合即提升或降低該電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓，由該感測模組再次取得該音叉 組的共振頻率及振幅電壓，並以該振幅電壓與內建的電壓參考值比較，直到該振幅電壓和該電壓參考值相符，即維持該電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓。
2. 如請求項1所述之可自我校正的音叉式感測裝置，該音叉式感測模組進一步設有一使用者介面，其內包含有一顯示單元；該顯示單元係分別自該控制器及該輸出模組取得其輸出訊號。
3. 如請求項2所述之可自我校正的音叉式感測裝置，該輸出模組的保護器係包含有一過電流保護單元及一電壓保護單元；該過電流保護單元係自該電源單元輸入電流，並輸出至該控制器及該狀態輸出器；該電壓保護單元係可偵測過電壓及過低壓，其係自該電源單元輸入電壓，並輸出至該狀態輸出器。
4. 如請求項1至3項中任一項所述之可自我校正的音叉式感測裝置，該控制器進一步設有一偵測錯誤單元、一頻率計算器、一限流器；該偵測錯誤單元係輸出至該使用者介面的顯示單元或該輸出模組的狀態輸出器；該頻率計算器係取得計算該感測模組輸出的共振頻率，並輸出至偵測錯誤單元；該限流器係取得該輸出模組的過電流保護單元的輸出訊號，藉以可關閉該控制器。
5. 如請求項4所述之可自我校正的音叉式感測裝置，該 壓電元件自振後產生一第一時脈訊號，經輸入該感測模組的差動放大器後產生一第二時脈訊號，該第一、第二時脈訊號之相位差為90度。
6. 如請求項4所述之可自我校正的音叉式感測裝置，該壓電元件自振後產生一第一時脈訊號，經輸入該感測模組的差動放大器後產生一第二時脈訊號，該第一、第二時脈訊號之相位差為180度。
7. 一種音叉式感測裝置自我校正的方法，主要係由請求項1至6中任一項所述之控制器所執行，其包含有：a.開始；b.初始程序，讀取內建的物料之電壓參考值；c.自一壓電元件回饋取得一音叉組的共振頻率及振幅電壓；d.比較電壓值大小，係將c步驟的振幅電壓與電壓參考值相比較，如不符合，則執行e步驟，如符合，則執行h步驟；e.提升或降低一電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓；f.自該壓電元件回饋取得該音叉組的共振頻率及振幅電壓；g.比較電壓值大小，係將f步驟的振幅電壓與電壓參考值相比較，如不符合，則執行e步驟；h.維持該電源單元輸出至該壓電元件的驅動電壓。