TWI553300B - 液面感測裝置 - Google Patents

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龔存雄
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Description

液面感測裝置
本發明為一種偵測裝置，特別是一種液面感測裝置。
液體高度感測器或是液面感測器是一種被廣泛應用在各種領域的技術。舉例來說，液面感測器可用於雨量計(rain gauge)，用以監控雨量資訊。此外，液面感測器也可應用在醫療領域上。舉例來說，液面感測器可應用在裝有靜脈注射(intravenous injection)溶液的容器(receptacle)內，用以監控靜脈注射的流量或速度，並提供給醫護人員參考。
傳統的液面感測器以影像辨識的方式來判斷液面位置，如美國專利號7,982,201。此外，另一傳統的液面感測器係以超音波偵測方式來判斷液面位置，如美國專利號4,610,164。不過這些液面感測器昂貴，且結構複雜，不利於使用者使用。除此之外，習知亦有一種藉由電極直接接觸液面的方式來判斷液面位置，但是這種侵入式的偵測機制(intrusion detection solution)不易達成無菌的目的，因此不能應用在醫療器材。
本案提出一種新的液面感測器，利用至少一個電極去偵測待測液體的液面位置，並根據待測液體的液面感測一電容 值後，查詢一對照表以得到待測液體的液面資訊。
本發明的一實施例為一種液面感測器，用以偵測一容器內的一待測液體的液面高度資訊。液面感測器包括一電極、一感測電路、一放大器以及一控制器。電極，設置於該容器之外部表面上。感測電路，耦接該電極以偵測該待測液體的體積變化。感測電路更接收一時脈信號以產生一第一電壓信號以及一第二電壓信號。該放大器，接收該第一電壓信號以及該第二電壓信號以產生一輸出電壓。該控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的液面高度資訊。
本發明的另一實施例為一種液面感測裝置，用以偵測一容器內的一待測液體的資訊。液面感測裝置包括一第一電極、一第二電極、一感測電路、一放大器以及一控制器。該第一電極以及該第二電極，透過一黏貼層附著該容器的外部表面以偵測該待測液體的體積變化。該感測電路，耦接該第一電極與該第二電極，並接收一時脈信號以產生一第一電壓信號以及一第二電壓信號。該放大器，接收該第一電壓信號以及該第二電壓信號以產生一輸出電壓。該控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的液面高度資訊。
本發明的另一實施例提供一種液面感測裝置，用以偵測一容器內的一待測液體的資訊，包括一第一電極、一感測電路、一放大器以及一控制器。第一電極，設置於該容器的外部表面上，以偵測該待測液體的體積變化。感測電路，耦接該容器上的一第一電極，並接收一時脈源產生之一時脈信號以產生一第一電壓信號以及一第二電壓信號。放大器，接收該第一電壓信號以 及該第二電壓信號以產生一輸出電壓。一控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的液面高度資訊。
10‧‧‧容器
11‧‧‧第一電極
12‧‧‧第二電極
13‧‧‧感測器
21‧‧‧放大器
22‧‧‧低通濾波器
23‧‧‧控制器
24‧‧‧電壓容量對照表
25‧‧‧時脈源
31‧‧‧第一電極
32‧‧‧第二電極
33‧‧‧本體
34‧‧‧延伸部
41‧‧‧電極
43‧‧‧時脈源
42‧‧‧放大器
44‧‧‧箝波器
45‧‧‧低通濾波器
46‧‧‧控制器
47‧‧‧電壓容量對照表
48‧‧‧感測電路
第1圖為根據本發明之一液面感測裝置的一實施例的示意圖。
第2圖為根據本發明之一感測器的一實施例的示意圖。
第3圖為根據本發明之一電極的一實施例的示意圖。
第4圖為根據本發明之一液面感測裝置的另一實施例的示意圖。
本發明提出一種液面感測裝置，利用至少一個電極去感測待測液體以得到感測電容值，並根據感測電容值查詢對照表以得到待測液體的液面高度資訊。
第1圖為根據本發明之液面感測裝置的實施例的示意圖。液面感測裝置包括一第一電極11、一第二電極12以及一感測器13。容器10內裝有待測液體，而容器10的外部表面設置有第一電極11以及第二電極12，且第一電極11與第二電極12的電容值變化為梯度變化。在本實施例中，第一電極11與第二電極12為梯狀電極。
第一電極11的第一端與第二電極12的第二端耦接至感測器13。感測器13會施加時脈信號至第一電極11或第二電極12，以感測第一電極11與第二電極12及該容器10內液體形成的等 效電容的電容值。
感測器13內的電路更包括一參考電容，且根據該參考電容的電容值與該等效電容的電容值產生一感測電壓。感測器13根據該感測電壓與一電壓容量對照表得知目前容器10內的待測液體的體積。在本實施例中，等效電容的最大電容值為容器10滿載該待測液體時，感測器13所感測到該第一電極11或該第二電極12形成的一等效電容的電容值。
第2圖為根據本發明之一感測器的實施例的示意圖。感測器用以連至一容器，用以偵測容器內的待測液體的體積。容器上具有一第一電極與一第二電極，用以提供一感測信號給感測器。
感測器13包括放大器21、低通濾波器22、控制器23、電壓容量對照表24以及時脈源25。感測器13具有一端點N1，耦接第一電極，如第1圖的第一電極11，以及一可變電容CAP的一第一端。可變電容CAP根據如第1圖的第一電極11、第二電極12、及容器10內液體形成的一等效電容。感測器13具有一端點N2，耦接第二電極，如第1圖的第二電極12，以及一參考電容CREF的一第一端。端點N2更耦接一可變電容CAP的一第二端及一時脈源25，接收一時脈信號，且可變電容CAP的電容值會隨著容器內的待測液體的體積而變化。
感測器13更包括一電阻R1與一電阻R2。電阻R1具有一第一端耦接至端點N1與放大器21的一第一輸入端，以及一第二端耦接至端點N3。電阻R2具有一第一端耦接至端點N3，以及一第二端耦接至放大器21的一第二輸入端與參考電容CREF的一第二 端。在本實施例中，端點N3接收一共模電壓VCM。在本實施例中，放大器21的工作電壓為5V，且共模電壓為2.5V。
前述的可變電容CAP、參考電容CREF、電阻R1與一電阻R2可視為一感測電路。感測電路接收時脈源25發出的時脈信號以產生一第一電壓V1與一第二電壓V2至放大器21。放大器21根據第一電壓V1與第二電壓V2輸出一輸出電壓V。接著該電壓透過低通濾波器22傳送給控制器23。低通濾波器22用以濾除輸出電壓V的高頻雜訊。控制器23根據接收到的電壓值，自電壓容量對照表24查詢以得到待測液體資訊，如待測液體的殘留容量或是待測液體減少的體積。在一實施例中，該電壓容量對照表24儲存在一儲存裝置內。
第3圖為根據本發明之一電極的一實施例的示意圖。在本實施例中，第一電極31與第二電極32之尺寸、大小、形狀皆相同。第一電極31具有一本體33及複數個延伸部34，以形成一梳狀電極，也就是第一電極31。同樣地，第二電極32具有與第一電極31相同之結構。在一實施例中，第一電極31與第二電極32之一面具有一黏貼層，用以黏貼在一容器上，以偵測容器的待測液體的體積變化。在另一實施例中，第一電極31與第二電極32可直接以金屬印刷方式形成在容器的表面上。且第一電極31與第二電極32皆具有接點以耦接感測器。
因為透過第一電極31與第二電極32感測到的一等效電容是與電極板的面積成正比，因此在本案中，第一電極31與第二電極32的設計需滿足下列規則：(W1+S1)×A=△V D>W2(D+W2)/4<S2<(D+W2)/2
其中W1為延伸部34的寬度、D為延伸部34的長度、W2為本體33的寬度、S1為同一電極上任兩個延伸部34之間的距離，S2為第一電極31的一延伸部與第二電極32的一延伸部之間的距離，A為容器的截面積，且△V為待測液體的容積變化量。
請參考下表一。表一為利用如第3圖的雙梳形電極作為電極以及第2圖的感測器的一測試結果。其中梳形電極的延伸部34的寬度W1及兩個延伸部34之間的距離S1，配合實驗容器的截面積A，將待測液體的容積變化量△V設計為10ml，即(W1+S1)×A=10ml。本實施例中，待測液體的容積變化量△V設計為10m1，但本發明並非以此為限。
感測器設置環境為：放大器放大倍率400倍，時脈信號頻率250KHz。
由表一可看出在不同的待測溶液體積，輸出電壓，如第2圖中經低通濾波器22濾除後的電壓V’，皆不同，且大致每 增加10ml的待測溶液體積，其電壓變化量規則變化約50mV。因此，透過本發明的感測裝置，不僅可以用來偵測待測溶液體積也可以用來偵測待測溶液的體積變化。其中，表一係在W1<S1的條件所得到之實驗結果，但本發明並非以W1<S1為限。
前述的實施例中皆以雙電極為例說明，然本發明亦可使用單電極。請參考第4圖。第4圖為根據本發明之一液面感測器的另一實施例的示意圖。液面感測器包括一電極41、一放大器42、一時脈源43、一箝波器44、一低通濾波器45、一控制器46、一電壓容量對照表47以及一感測電路48。
電極41透過一黏貼層附著在裝有待測液體的容器的外部表面。感測電路48，耦接電極41，根據時脈源43輸入的時脈信號，感測待測液體的資訊，並輸出一第一電壓與一第二電壓至放大器的正輸入端與負輸入端。放大器42根據第一電壓與第二電壓輸出一第一輸出電壓信號給箝波器44。在本實施例中，不對稱的感測電路48，使得第一輸出電壓信號會隨著時脈信號而有正電壓部分與負電壓部分，因此透過箝波器44將第一輸出電壓信號中的負電壓的部分轉換為正電壓，並輸出一第二輸出電壓信號給低通濾波器45，此時濾波後的第二輸出電壓信號為一直流電壓。低通濾波器45輸出一電壓值給控制器46，控制器46根據接收到的電壓值，自電壓容量對照表47查詢以得到待測液體資訊，如待測液體的殘留容量或是待測液體減少的體積。
感測電路48包括一可變電容CAP、一第一電容CR0、一第二電容CR1、一電阻R1與一電阻R2。可變電容CAP具有一第一端耦接電極41，以及一第二端接地。第一電容CR0具有一第一端，耦 接電極41與放大器42的正輸入端，以及一第二端耦接端點N1。端點N1用以接收時脈源43輸入的時脈信號。第二電容CR1具有一第一端耦接端點N1，以及一第二端耦接放大器42的負輸入端。電阻R1具有一第一端，耦接電極41與放大器42的正輸入端，以及一第二端耦接端點N2。電阻R2具有一第一端耦接端點N2，以及一第二端耦接放大器42的負輸入端。端點N2用以接收一共模電壓。在本實施例中，放大器42的工作電壓為5V，且共模電壓為2.5V。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧容器
11‧‧‧第一電極
12‧‧‧第二電極
13‧‧‧感測器

Claims (13)

  1. 一種液面感測裝置，用以偵測一容器內的一待測液體的液面高度資訊，包括：一第一電極與一第二電極，設置於該容器之外部表面上；一感測器，耦接該容器上的一第一電極與一第二電極，該感測器包括：一第一複數被動元件電路；以及一第二複數被動元件電路；其中，該感測器接收一時脈源產生之一時脈信號，並透過上述第一複數被動元件電路將該時脈訊號轉換為一第一電壓信號；其中，該感測器透過上述第二複數被動元件電路將該時脈訊號轉換為一第二電壓信號；一放大器，接收該第一電壓信號以及該第二電壓信號以產生一輸出電壓；以及一控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的該液面高度資訊；其中，該第一電極與該第二電極為梳狀電極，且該第一電極與該第二電極皆包括一本體，以及複數個延伸部，其中W1為該等延伸部的寬度、D為該等延伸部的長度、W2為該本體的寬度、S1為該等延伸部中任意兩相鄰者之間的距離，S2為該第一電極的該等延伸部與該第二電極的該等延伸部 之間的距離，A為該液面感測裝置之一容器的截面積，且△V為該待測液體的容積變化量，且W1、W2、D、A、S2、S1、△V滿足下列條件：(W1+S1)×A=△V，D>W2，且(D+W2)/4<S2<(D+W2)/2。
  2. 一種液面感測裝置，用以偵測一容器內的一待測液體的液面高度資訊，包括：一第一電極與一第二電極，設置於該容器之外部表面上；一感測器，耦接該容器上的一第一電極與一第二電極，並接收一時脈源產生之一時脈信號以產生一第一電壓信號以及一第二電壓信號；一放大器，接收該第一電壓信號以及該第二電壓信號以產生一輸出電壓；以及一控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的該液面高度資訊；其中，該感測器包括：一第一電阻，具有一第一端，耦接至一第一端點與該放大器的一第一輸入端，以及一第二端，耦接至一第三端點；一第二電阻，具有一第一端，耦接該第三端點，以及一第二端，耦接至該放大器的一第二輸入端；一可變電容，具有一第一端，耦接至該第一端點與該第一電 極，以及一第二端，耦接至一第二端點與該第二電極，其中該可變電容係為該容器上的該第一電極與該第二電極，及該容器內液體形成的一等效電容；以及一參考電容，具有一第一端，耦接該第二端點，以及一第二端，耦接至該放大器的該第二輸入端；其中該時脈信號輸入至該第二端點，且該第三端點接收一共模電壓；其中，該第一電阻的該第一端和該第二電阻的該第二端，分別輸出該第一電壓信號和該第二電壓信號。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液面感測裝置，更包括一低通濾波器，接收並濾除該輸出電壓的高頻雜訊，並將過濾後的電壓傳送給該控制器。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液面感測裝置，其中該電壓容量對照表將儲存該待測液體的殘留容量或減少的體積儲存在一儲存裝置內。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液面感測裝置，其中該第一電極與第二電極以金屬印刷方式形成在容器的外部表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液面感測裝置，其中該第一電極與該第二電極之一面各具有一黏貼層，用以黏貼於在該容器之外部表面上。
  7. 一種液面感測裝置，用以偵測一容器內的一待測液體的液 面高度資訊，包括：一第一電極，設置於該容器的外部表面上；一感測電路，耦接該容器上的一第一電極，該感測器包括：一第一複數被動元件電路；以及一第二複數被動元件電路；其中，該感測器接收一時脈源產生之一時脈信號，並透過上述第一複數被動元件電路將該時脈訊號轉換為一第一電壓信號；其中，該感測器透過上述第二複數被動元件電路將該時脈訊號轉換為一第二電壓信號；一放大器，接收該第一電壓信號以及該第二電壓信號以產生一輸出電壓；以及一控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的液面高度資訊；其中，該第一電極為梳狀電極，且該第一電極包括一本體，以及複數個延伸部，其中W1為該等延伸部的寬度、D為該等延伸部的長度、W2為該本體的寬度、S1為該等延伸部中任意兩相鄰者之間的距離，A為該容器的截面積，且△V為該待測液體的容積變化量，且W1、W2、A、D、S1、△V滿足下列條件：(W1+S1)×A=△V，且D>W2。
  8. 一種液面感測裝置，用以偵測一容器內的一待測液體的液面高度資訊，包括：一第一電極，設置於該容器的外部表面上；一感測電路，耦接該容器上的一第一電極，並接收一時脈源產生之一時脈信號以產生一第一電壓信號以及一第二電壓信號；一放大器，接收該第一電壓信號以及該第二電壓信號以產生一輸出電壓；以及一控制器，根據該輸出電壓與一電壓容量對照表以得到該待測液體的液面高度資訊；其中，該感測電路包括：一第一電阻，具有一第一端，耦接至一第一端點與該放大器的一第一輸入端，以及一第二端，耦接至一第二端點；一第二電阻，具有一第一端，耦接該第二端點，以及一第二端，耦接至該放大器的一第二輸入端；一可變電容，具有一第一端，耦接至該第一端點與該第一電極，以及耦接至地之一第二端，其中該可變電容係為該容器上的該第一電極與接地，及該容器內液體形成的一等效電容；一第一參考電容，具有一第一端，耦接該第一端點，以及一第二端，耦接至一第三端點；以及一第二參考電容，具有一第一端，耦接至該第三端點，以及 一第二端，耦接至該放大器之該第二輸入端；其中該時脈信號輸入至該第三端點，且該第二端點接收一共模電壓；其中，該第一電阻的該第一端和該第二電阻的該第二端，分別輸出該第一電壓信號和該第二電壓信號。
  9. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之液面感測裝置，更包括一低通濾波器，接收並濾除該輸出電壓的高頻雜訊，並將過濾後的電壓傳送給該控制器。
  10. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之液面感測裝置，其中該輸出電壓會隨著該時脈變動而形成一輸出電壓信號，該液面感測裝置更包括一箝波器，將該輸出電壓信號中的負電壓的部分轉換為正電壓，並輸出一第二輸出電壓。
  11. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之液面感測裝置，其中該電壓容量對照表將該待測液體的殘留容量或減少的體積儲存在一儲存裝置內。
  12. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之液面感測裝置，其中該第一電極以金屬印刷方式形成在容器的表面上。
  13. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之液面感測裝置，其中該第一電極之一面具有一黏貼層，用以黏貼在容器的外部表面上。
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