TWI524057B - 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，特別有關一種利用線圈感應方式量測液位的液位量測裝置。

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，包含：一內管單元，其具有一內管及纏繞該內管的至少一內管線圈；一外管單元，具有複數個外管，每個外管上設有複數個外管線圈，該等外管垂直堆疊設置，該內管設置於該等外管內，隨著該等外管內之液面高度變化而升降；以及一控制單元，其與該等外管線圈各別電性連接，該控制單元針對一個外管發送一組位置 編碼訊號給設於其上的外管線圈，並且依序發送同一組位置編碼訊號給每一個外管上的外管線圈，該至少一內管線圈與對應該內管所在液面高度之外管線圈經電磁感應而產生感應訊號，該控制單元根據該至少一內管線圈產生的感應訊號以及該至少一內管線圈產生該感應訊號時接收該等位置編碼訊號的外管所在高度的資訊，決定出液面高度。

另一方面，本發明提供一種液位量測裝置，包含：一外管單元，其具有一外管及纏繞該外管的至少一外管線圈；一內管單元，具有複數個內管，每個內管上設有複數個內管線圈，該等內管垂直堆疊設置，該外管套設於該等內管上，隨著液面高度變化而升降；以及一控制單元，其與該等內管線圈各別電性連接，該控制單元針對一個內管發送一組位置編碼訊號給設於其上的內管線圈，並且依序發送同一組位置編碼訊號給每一個內管上的內管線圈，該至少一外管線圈與對應該外管所在液面高度之內管線圈經電磁感應而產生感應訊號，該控制單元根據該至少一外管線圈產生的感應訊號以及該至少一外管線圈產生該感應訊號時接收該等位置編碼訊號的內管所在高度的資訊，決定出液面高度。

本發明透過內管線圈經電磁感應方式感應控制單元依序施加一組位置編碼訊號到每一個外管上的複數外管線圈，實現了液位的量測，亦可達成液位的實時監控。本發明的液位量測裝置具有成本低、容易大量佈建等優勢。並且，本發明中外管係 模組化設計，每個外管的結構和尺寸是相同或類似的，因此只要簡單地增加或減少外管的數量，即可因應不同液位高度的量測需求。再者，對於不同尺度的液位量測環境，可以簡單地透過改變外管的尺寸，即可適用，產品開發成本低。另外，外管損壞時，也能很容易地進行替換。

10‧‧‧內管單元

11‧‧‧內管

12‧‧‧內管線圈

20‧‧‧外管單元

21‧‧‧外管

22‧‧‧外管線圈

30‧‧‧控制單元

40‧‧‧過濾器

41‧‧‧外管

42‧‧‧外管線圈

51‧‧‧內管

52‧‧‧內管線圈

60‧‧‧控制單元

C1、C2、C3‧‧‧曲線

第1圖顯示本發明第一實施例的液位量測裝置的示意圖。

第2圖顯示本發明中控制單元向外管線圈施加訊號的示意圖。

第3A圖顯示本發明中第一內管線圈和第二內管線圈分別與第一外管線圈和第二外管線圈處於重疊或接近位置時產生的訊號示意圖。

第3B圖顯示本發明中第一內管線圈和第二內管線圈分別與第二外管線圈和第三外管線圈處於重疊或接近位置時產生的訊號示意圖。

第3C圖顯示本發明中第一內管線圈和第二內管線圈分別與第三外管線圈和第四外管線圈處於重疊或接近位置時產生的訊號示意圖。

第4圖顯示本發明第二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配置在內管的內管線圈感應(電磁感應)施加於複數個外管上的複數個外管線圈的訊號來實現液位的實時監控，具有成本低、容易大量佈建等優勢。並且，該等外管係為模組化外管，可以視應用環境需求，決定外管的數量，與應用環境的適配性高，而且透過改變外管的尺寸設計，可以很容易地適用於不同尺度之應用環境的液位量測。

第1圖顯示本發明第一實施例的液位量測裝置的示意圖。本發明第一實施例的液位量測裝置包含一內管單元10、一外管單元20和一控制單元30。內管單元10具有一內管11及至少一內管線圈12(較佳為至少兩個)，內管線圈12纏繞在內管11上。外管單元20具有複數個外管21，每個外管21上纏繞有複數個外管線圈22。該等外管21在結構上、尺寸上是完全相同的，為模組化的外管，也就是說，可以輕易地以一個外管21來替換另一個外管21。

這些外管21沿著垂直方向(即，垂直於液面的方向)堆疊設置，較佳地，沿著同一直線排列。液體可藉由各種方式進入外管21而使液位上升，液體流出外管21時液位下降，又或者可利用連通管原理使得外管21內之液體的液位與外部液體的液位一 致，此時監測到的液位等於外部液體的液位。內管11的徑向長度小於外管21的徑向長度，內管11設置於該等外管21內，內管11隨著該等外管21內之液面高度變化而升降。內管11本體可為木頭、塑膠或空心的非鐵質金屬材料。

內管11和外管21的橫截面形狀不限於圓形，三角形、四邊形、多邊形和其它幾何形狀亦可適用之，只要內管11和外管21的形狀互相匹配即可。內管11可為管狀物，亦可以實心柱狀體來實現，本文所稱內管實涵蓋了以柱狀體實現的方式，而不僅限於空心管體。

控制單元30與該等外管線圈22各別電性連接。也就是，控制單元30一一電性連接到所有外管21上的各個外管線圈22，此連接方式使得控制單元30可對外管21上的單一個外管線圈22施加訊號。控制單元30並可接收內管11經電磁感應產生的訊號，對此訊號進行處理與相關計算。

以下描述本發明液位量測的操作原理。

首先，控制單元30對該等外管線圈22施加訊號，具體地，控制單元30針對一個外管21發送一組位置編碼訊號給設於其上的外管線圈22，並且控制單元30係依序發送同一組位置編碼訊號給每一個外管21上的外管線圈22。舉例來說，控制單元30先發送一組位置編碼訊號給位於最下方的外管21，接著控制單元30發送該組位置編碼訊號給位於中段的外管21，而後控制單元30發 送該組位置編碼訊號給位於最上方的外管21，當然，此次序也可反轉，亦即從最上方的外管21到最下方的外管21。

該等位置編碼訊號可以使得內管線圈12位在單一個外管21之不同高度時所產生的感應訊號不同。也就是說，內管線圈12位在一個外管21某一高度時產生的感應訊號不同於位在該外管21另一高度時產生的感應訊號。因此，透過該等位置編碼訊號，可以得知內管11是位在一個外管21的哪一個高度上。

該等位置編碼訊號可為包含不同物理特性的電子訊號。舉例來說，該等位置編碼訊號具有不同的訊號波形、頻率、電壓及/或極性。舉例來說，一個外管21上具有四個彼此獨立的外管線圈22，控制單元30向第一外管線圈22發送具有第一波形的訊號，向第二外管線圈22發送具有第二波形的訊號，向第三外管線圈22發送具有第三波形的訊號，向第四外管線圈22發送具有第四波形的訊號，控制單元30可以根據內管線圈12感應出的主要波形(即，波形成份中振幅較大之波形)，判定內管11相對於該外管21所處之高度。

在控制單元30依序發送該組位置編碼訊號給每一個外管21、對每一個外管21進行掃描的過程中，內管線圈12與對應該內管11所在液面高度之外管線圈22經電磁感應而產生感應訊號。內管線圈12所產生的感應訊號可經由下列幾種方式傳送給控制單元30進行後續處理及計算。

(1)訊號感應的方式。內管線圈12所產生的感應訊號可接著被與其對應之外管21上的外管線圈22經電磁感應方式感應，該外管21上之外管線圈22所感應出的訊號可透過其與控制單元30固有的連接線直接傳送到控制單元30。

(2)無線傳輸的方式。內管線圈12所產生的感應訊號可透過無線傳輸的方式傳送到控制單元30，可選的無線傳輸方式包含NFC、藍芽和紅外線傳輸。

(3)有線傳輸的方式。內管線圈12可利用線纜與控制單元30電性連接，內管線圈12所產生的感應訊號透過該線纜直接傳送給控制單元30。

控制單元30會對內管線圈12所產生的感應訊號進行判讀，經由轉換函數或查表等方式得出內管11處在單一外管21的哪一個高度上，並且由於發送到外管線圈22的位置編碼訊號是由控制單元30發送的，控制單元30可以知道內管線圈12產生的感應訊號是對應於哪一個外管21及其所處高度的資訊。因此，控制單元30可以根據內管線圈12產生的感應訊號以及內管線圈12產生該感應訊號時接收該等位置編碼訊號的外管21所在高度的資訊，決定出液面高度。

此外，針對上述訊號感應的方式，控制單元30亦可透過判斷哪一個外管21傳來訊號，判定出內管線圈12所產生的感應訊號是對應哪一個外管21產生的，由此決定出內管11所處液位 所對應之外管21及其高度資訊。

本發明透過內管線圈12經電磁感應方式感應控制單元30依序施加一組位置編碼訊號到每一個外管21上的複數外管線圈22，實現了液位的量測，亦可達成液位的實時監控。本發明的液位量測裝置具有成本低、容易大量佈建等優勢。並且，本發明中外管21係模組化設計，每個外管21的結構和尺寸是相同或類似的，因此只要簡單地增加或減少外管21的數量，即可因應不同液位高度的量測需求。再者，對於不同尺度的液位量測環境，可以簡單地透過改變外管21的尺寸，即可適用，產品開發成本低。另外，外管21損壞時，也能很容易地進行替換。

上述在控制單元30依序發送一組位置編碼訊號給每一個外管21之外管線圈22的過程中，也可以優先對前一次決定出的液面高度所對應的外管21發送該組位置編碼訊號。也就是說，控制單元30可以記錄前一次決定出的液面高度所對應的外管21，並在當次量測液面時，優先掃描前一次量測出的液位所對應的外管21，以提升液位量測速度。

上述該等外管線圈22還可以在沒有進行液位量測時，用來對內管單元10內的電子元件進行無線充電。舉例來說，若內管線圈12透過一通訊元件以無線傳輸的方式傳送到控制單元10，在沒有進行液位量測時，控制單元10可控制該等外管線圈22對內管單元10的通訊元件進行無線充電，以維持該通訊元件的電 力。

以下舉出一個例子來說明位置編碼訊號如何使得內管線圈12所產生的感應訊號可以與單一外管21的高度相互對應。

如第2圖所示，每一個外管21上纏繞有四個外管線圈22，由上而下依序稱為第一外管線圈、第二外管線圈、第三外管線圈和第四外管線圈。內管11上纏繞有兩個內管線圈12，由上而下依序稱為第一內管線圈和第二內管線圈。

針對一個外管21，控制單元30施加給該外管21的位置編碼訊號分別為-10V、+10V、+10V和-10V的弦波，其中正負代表極性不同，10V代表最大振福。也就是，控制單元30施加給第一外管線圈-10V的訊號，施加給第二外管線圈+10V的訊號，施加給第三外管線圈+10V的訊號，施加給第四外管線圈-10V的訊號。

當第一內管線圈與第二內管線圈分別與第一外管線圈和第二外管線圈位在重疊或接近位置時，第一內管線圈和第二內管線圈產生的感應訊號分別如第3A圖中的曲線C2和曲線C3所示。類似地，當第一內管線圈與第二內管線圈分別與第二外管線圈和第三外管線圈位在重疊或接近位置時，第一內管線圈和第二內管線圈產生的感應訊號分別如第3B圖中的曲線C2和曲線C3所示。當第一內管線圈與第二內管線圈分別與第三外管線圈和第四外管線圈位在重疊或接近位置時，第一內管線圈和第二內管線圈產生的感應訊號分別如第3C圖中的曲線C2和曲線C3所示。

當第一內管線圈和第二內管線圈處於如第3A圖所示的位置時，在外管線圈訊號C1為正極性時，第一內管線圈和第二內管線圈產生的感應訊號分別為負極性和正極性；當第一內管線圈和第二內管線圈處於如第3C圖所示的位置時，在外管線圈訊號C1為正極性時，第一內管線圈和第二內管線圈產生的感應訊號分別為正極性和負極性。可見，當第一內管線圈和第二內管線圈處於第3A圖和第3C圖所示的位置時，內管線圈產生的感應訊號的組合不同。並且，當第一內管線圈和第二內管線圈處於如第3B圖所示的位置時，其內管線圈產生的感應訊號也明顯與第3A圖和第3C圖所示的曲線C2和曲線C3不同。從第3A圖至第3C圖可知，對應單一外管21上不同位置或高度處，內管線圈可以產生不同的感應訊號或感應訊號組合。

本發明中，可以在內管11上設置至少兩個相互獨立的內管線圈(如第一內管線圈和第二內管線圈)。相對於只設置一個內管線圈，在內管11上設置兩個內管線圈產生的感應訊號更為多元，而且可以其感應訊號組合來進行液位判定，因此液位量測的精確度可以因此提高。

此外，於一實施例中，液位量測裝置可包含一過濾器40(如第2圖所示)，其設置在位於最下側之外管21之底面，液體可經由過濾器40進入該等外管21所圍成的空間中，過濾器40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外管21 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。

第4圖顯示本發明第二實施例的液位量測裝置的示意圖。本發明第二實施例的液位量測裝置與第一實施例的差異在於，在第二實施例中，係使用複數個內管51，每個內管51上設有複數個內管線圈52，該等內管51垂直堆疊設置，而外管41套設於該等內管51上，隨著液面高度變化而升降，外管41上纏繞有至少一外管線圈42。控制單元60係發送位置編碼訊號給該等內管線圈52，由該至少一外管線圈42經電磁感應產生感應訊號。本發明第二實施例的操作原理與第一實施例相同，其應用及技術變化亦與第一實施例類似，在此不再贅述。

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‧‧‧內管單元

11‧‧‧內管

12‧‧‧內管線圈

20‧‧‧外管單元

21‧‧‧外管

22‧‧‧外管線圈

30‧‧‧控制單元

Claims (10)

1. 一種液位量測裝置，包含：一內管單元，其具有一內管及纏繞該內管的至少一內管線圈；一外管單元，具有複數個外管，每個外管上設有複數個外管線圈，該等外管垂直堆疊設置，該內管設置於該等外管內，隨著該等外管內之液面高度變化而升降；以及一控制單元，其與該等外管線圈各別電性連接，該控制單元針對一個外管發送一組位置編碼訊號給設於其上的外管線圈，並且依序發送同一組位置編碼訊號給每一個外管上的外管線圈，該至少一內管線圈與對應該內管所在液面高度之外管線圈經電磁感應而產生感應訊號，該控制單元根據該至少一內管線圈產生的感應訊號以及該至少一內管線圈產生該感應訊號時接收該等位置編碼訊號的外管所在高度的資訊，決定出液面高度。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該等位置編碼訊號係使得該至少一內管線圈位在單一個外管之不同高度時所產生的感應訊號不同。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該控制單元接收該至少一內管線圈所產生的感應訊號，該感應訊號係藉由該等外管線圈再經電磁感應後傳送到該控制單元。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該內管單元具有纏繞該內管的至少兩個相互獨立的內管線圈。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該控制 單元針對一個外管所發送的該組位置編碼訊號包含不同物理特性的電子訊號。
6. 根據申請專利範圍第5項所述的液位量測裝置，其中該組位置編碼訊號具有不同的訊號波形、頻率、電壓及/或極性。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該等外管線圈還用於為該內管單元的電子元件進行無線充電。
8. 根據申請專利範圍第1項所述的液位量測裝置，其中該控制單元並優先對前一次決定出的液面高度所對應的外管發送該等位置編碼訊號。
9. 一種液位量測裝置，包含：一外管單元，其具有一外管及纏繞該外管的至少一外管線圈；一內管單元，具有複數個內管，每個內管上設有複數個內管線圈，該等內管垂直堆疊設置，該外管套設於該等內管上，隨著液面高度變化而升降；以及一控制單元，其與該等內管線圈各別電性連接，該控制單元針對一個內管發送一組位置編碼訊號給設於其上的內管線圈，並且依序發送同一組位置編碼訊號給每一個內管上的內管線圈，該至少一外管線圈與對應該外管所在液面高度之內管線圈經電磁感應而產生感應訊號，該控制單元根據該至少一外管線圈產生的感應訊號以及該至少一外管線圈產生該感應訊號時接收該等位置編碼訊號的內管所在高度的資訊，決定出液面高度。
10. 根據申請專利範圍第9項所述的液位量測裝置，其中該控 制單元接收該至少一外管線圈所產生的感應訊號，該感應訊號係藉由該等內管線圈再經電磁感應後傳送到該控制單元。