TWI577966B - 複合式水文監測系統 - Google Patents

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TWI577966B TW105111172A TW105111172A TWI577966B TW I577966 B TWI577966 B TW I577966B TW 105111172 A TW105111172 A TW 105111172A TW 105111172 A TW105111172 A TW 105111172A TW I577966 B TWI577966 B TW I577966B
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Description

複合式水文監測系統
本發明係關於一種複合式水文監測系統，特別是一種可偵測沖刷深度及水位高度及/或流速之複合式水文監測系統。
傳統的沖刷深度及水位高度測量主要是依靠人工檢測，但人工檢測的準確性卻必須依賴檢測人員的操作經驗，且水上作業也威脅著檢測人員之生命安全。
近年來，已陸續發展多種監測沖刷及水位狀況之技術，例如現已發展之時域反射法，其可配合不同的導波器設計，以監測水位、沖刷等物理參數，其中更有人提出可採用結合類似地錨鋼索的導波器設計，以解決安裝實務及訊號衰減等問題，但卻仍有結構複雜且經濟成本過高之缺點。另外，亦有發展一種可監測河床沖刷深度及水流流速泥砂濃度之系統，其包含多數感測球、一中繼裝置及一運算裝置，其中各感測球分別對應砂土層的不同深度，當被沖刷浮起時，內建的加速度計、水深壓力計及定位單元分別可測得感測球之移動加速度、水深及位置，計算辨識量得的沖刷深度、水 深、位置及在水深方向之流速分佈，但此系統卻有電路結構複雜、施工不易、經濟成本過高、生存時數低等問題。
有鑒於上述缺失，目前亟需發展一種結構簡單、低成本、施工容易且生存時數高之水文監測系統，以即時掌握洪水沖刷河床深度及洪水水位與流速。
本發明之一目的在於提供一種複合式水文監測系統，其可用於監測沖刷深度、水位高度、流速等，且結構簡單、低成本、施工容易、生存時數高，有利於即時掌握防洪安全，並確保河工及海工構造物之安全性。
為達上述目的，本發明提供一種複合式水文監測系統，其包括：一第一中空座體，其內部呈一第一容置空間，且側壁上設有與該第一容置空間相連通之複數第一穿孔；一第二中空座體，係設置於該第一容置空間中，其內部呈一第二容置空間，且側壁上設有與該第一容置空間及該第二容置空間相連通之複數第二穿孔；一配重件，係容設於該第二中空座體之該第二容置空間內，該配重件於重力作用下可於一垂直方向上移動；一受測單元，其係隨著該配重件於該垂直方向上移動而產生一力學能變化；一繩體，其係連接該配重件及該受測單元，且該配重件於該垂直方向上移動時，係透過該繩體而帶動該受測單元產生該力學能變化；一第一感測單元，用以偵測該受測單元之該力學能變化，以產生一第一 信號；一浮體，其係可移動地套設於該繩體上；一第二感測單元，其包含複數感應元件，且該些感應元件係於該垂直方向上以一預定間隔設置於該第一中空座體與該第二中空座體之間，其中該浮體可觸動其對應位置上之該感應元件，使該第二感測單元產生一第二信號；以及一信號處理單元，用以接收該第一信號及該第二信號，並將該第一信號轉換成一沖刷深度資料值，且將該第二信號轉換成一水流速資料值及一水位高度資料值中之至少一者。
此外，本發明更提供另一種複合式水文監測系統，其包括：一第一中空座體，其內部呈一第一容置空間，且側壁上設有與該第一容置空間相連通之複數第一穿孔；一配重件，係容設於該第一中空座體之該第一容置空間內，該配重件於重力作用下可於一垂直方向上移動；一受測單元，其係隨著該配重件於該垂直方向上移動而產生一力學能變化；一繩體，其係連接該配重件及該受測單元，且該配重件於該垂直方向上移動時，係透過該繩體而帶動該受測單元產生該力學能變化；一第一感測單元，用以偵測該受測單元之該力學能變化，以產生一第一信號；一第二感測單元，其包含複數感應元件，且該些感應元件係以一預定間隔排列於該垂直方向上，其中該些感應元件係用以偵測其對應位置處環境狀態以產生一第二信號；以及一信號處理單元，用以接收該第一信號及該第二信號，並將該第一信號轉換成一沖刷深 度資料值，且將該第二信號轉換成一水位高度資料值及一水流速資料值中之至少一者。
據此，本發明之複合式水文監測系統可用於監測沖刷深度及水位高度/流速，以掌握防洪安全，確保河工及海工構造物(如橋墩、堤防、鑽油平台、離岸風力發電設施等)之安全性。例如，該第一及第二中空座體可直立插設於河床地上，其側壁上的第一及第二穿孔可供水、沙泥等進出第一及第二中空座體之內部，當洪水沖刷河床時，該配重件於重力作用下會隨河床遭沖刷掏空而下陷，並將繩體往下拉，導致該受測單元因繩體拉力作用而產生力學能變化，藉此即可透過第一感測單元以偵測該力學能變化，進而從繩體移動的長度而測得配重件之垂直位置，俾可得知河床沖刷深度。同時，由於浮體於浮力作用下將浮於水面上，故當水位改變時，浮體亦隨著水位改變而於垂直方向上移動，而浮體會觸動第二感測單元中相應位置高度上之感應元件，藉此便可透過第二感測單元以測得浮體之垂直位置，進而可得知水位高度。此外，由於浮體於水的紊流作用下會因震動而觸動感應元件產生訊號變化，故亦可藉此測得不規則信號變化程度而得知水流流速。或者，設置於不同垂直位置處的感應元件亦可直接偵測其對應位置處之水理參數(如水溫、水壓、流速等)，進而得知水位高度、水流流速等。
於本發明中，上述之複合式水文監測系統更可包 括一第三感測單元，其係設置於該配重件處，用以偵測該配重件之移動，以產生一第三信號，其中該信號處理單元可將該第三信號轉換成一參考資料值，且該參考資料值係與沖刷深度、水流速及水位高度之至少一者相關。
於本發明中，該浮體並無特殊限制，只要其可觸動對應位置處之感應元件即可，例如，若欲利用磁電原理以觸動感應元件，則該浮體之側面可設有磁性元件，但此僅為一舉例說明，本發明並不限於利用磁電原理以觸動感應元件。
於本發明中，該受測單元並無特殊限制，只要其可隨該配重件於垂直方向上移動而產生力學能變化即可，例如，可利用該受測單元所產生的轉動變化而得知配重件位置改變，亦即，該受測元件可相對一中心軸旋轉，且繩體係相對於該中心軸而捲繞於該受測元件上，當該配重件向下移動時，該繩體因受該配重件之拉力而拉長，並帶動該受測元件順向轉動。此外，為避免配重件下陷時過度拉扯繩體而導致繩體被拉長的長度大於配重件的移動量，該受測元件較佳係藉由一彈性回復機制，以提供回復彈力。舉例說明，該受測單元可具有一殼體、一力學轉盤、一渦形彈簧及一三爪內傾式機械耦合件，該力學轉盤係套設於該殼體之一軸心外，該渦形彈簧係捲繞於該軸心外，並設於該力學轉盤之一內側，而該繩體則纏繞於該力學轉盤之一外側上，並且該三爪內傾式機械耦合件係連接該力學轉盤與該第一感測單元，三爪內 傾式機械耦合件提供第一感測單元緊扣力學轉盤，維護時可輕易拆卸與組裝。藉此，該渦形彈簧可構成彈性回復機制，當該繩體被拉長之長度大於配重件向下移動之移動量時，該渦形彈簧可藉由提供回復彈力，使力學轉盤反向轉動，俾使繩體回捲至緊繃狀態，以確保繩體被拉長的長度等於配重件的移動量，俾可準確測得配重件之垂直位置。
於本發明中，該第一感測單元並無特殊限制，只要其可偵測受測單元所產生之力學能變化即可，例如，當受測單元所產生之力學能變化為轉動變化時，則可使用旋轉編碼器作為該第一感測單元，且該旋轉編碼器可與該受測單元同步轉動，藉此以偵測受測單元之轉動情形。例如，本發明一具體實施態樣所使用之旋轉編碼器為光學編碼器，其具有一編碼轉盤、一光發射元件及一光接收元件，該編碼轉盤係與該受測單元連接並同步旋轉，而該光發射元件及該光將收元件則分別設置於編碼轉盤之相對兩側上。藉此，由於編碼轉盤上設有黑白相間之一或複數碼道，因此當該編碼轉盤隨該力學轉盤同步旋轉時，該光發射元件所發出的光會因該些碼道而產生”不透光”及”透光”狀態，而光接收元件便可依此”不透光”及”透光”狀態而產生脈沖信號，以作為第一信號，俾將轉動脈沖數輸出，以供信號處理單元對該脈沖信號計數，進而得知轉動情形。例如，於本發明一具體實施態樣中，該第一感測單元可產生包含A相脈衝信號、B相脈衝信號、Z相 脈衝信號之第一信號，藉此即可測得該受測單元之轉動角度、轉動方向(即順向或反向轉動)等。
於本發明中，該第二感測單元係於不同垂直位置上設置感應元件，以進行多點測量，其中所述感應元件可設置於第一中空座體與第二中空座體之間，以偵測浮體狀態，或者其可設置於繩體處，以偵測對應位置處之水理參數。例如，於本發明之一實施態樣中，該浮體之側面上可設有一具高導磁率之磁性元件，以與感應元件發生磁電感應，進而產生第二信號。藉此，當水位改變時，浮體可於浮力作用下沿著繩體於垂直方向上移動，此時可透過第二信號判斷該浮體是觸動哪個位置上之感應元件，以確認該浮體移動後之所在位置，進而得知水位高度。舉例來說，可將該些感應元件對稱設置於該第二中空座體之至少兩相對外側上，以構成複數感應部，其中每一感應部具有排列成一垂直列之複數感應元件，以於不同垂直位置上與浮體側面上具高導磁率之磁性元件發生磁電感應。在此，該些感應元件可為磁力開關，且每一感應部之感應元件可並聯於兩條導線上，當浮體對應到相應位置上之磁力開關時，浮體上具高導磁率之磁性元件會導致該對應之磁力開關閉合，進而使導線於該對應位置上導通，形成一導通迴路。由於導線於不同位置導通會有不同電阻，故可從導通迴路之兩端測得不同電壓值，藉此，透過所測得之電壓信號即可確認浮體之所在位置。在此，為準確量 得電壓值，該第二感測單元較佳係利用四線式量測法，以產生第二信號。或者，該些感應元件亦可藉由感應線圈，以與浮體上具高導磁率之磁性元件產生磁電感應，亦即，每一感應元件可具有一感應線圈圍繞於第二中空座體，當浮體穿過該感應線圈時，浮體上具高導磁率之磁性元件會對該感應線圈發生作用，使第二感測單元產生該第二信號。藉此，可透過偵測浮體穿過某個感應線圈時所引起之電性或磁性(如電感、電動勢、磁力等)變化，以判定浮體之所在位置，進而得知水位高度。例如，該第二感測單元更可包含複數電感解算數位模組，以感測感應線圈之電感變化。同樣地，由於浮體於水的紊流作用下亦會因震動而導致電性或/及磁性變化，因此亦可透過偵測電性或/及磁性變化情形以得知流速。此外，本發明之另一實施態樣則係於繩體之不同垂直位置處設置感應元件，以偵測各垂直位置所對應的物理參數(如溫度、壓力、流速等)。由於水面下與水面上會有不同的物理參數，甚至水面下各深度亦會有不同的水溫、水壓、流速等，因此可藉由感應元件(如溫度計、壓力計等)所測得之物理參數，以判斷哪個位置上之感應元件位於水面處，進而可得知水位高度。
於本發明中，該信號處理單元可對接收到的第一信號及第二信號進行處理及轉換，以藉由配重件之垂直位置而獲得沖刷資訊(如沖刷深度)，同時可透過浮體於水流作用下所發生之垂直位置改變或/及震動情況，或者透過不同垂直位 置處所測得的水理參數，以獲得水流資訊(如水位高度、流速等)。在此，本發明可採用磁力開關作為偵測浮體之感應元件，據此，該信號處理單元可包含一解碼模組、一第一轉換模組、一信號放大模組、一第二轉換模組及一演算分析模組；或者，本發明亦可採用感應線圈作為偵測浮體之感應元件，據此，該信號處理單元則可包含一解碼模組、一第一轉換模組、一解算傳輸模組、一第二轉換模組及一演算分析模組。其中，該解碼模組係用以接收該第一信號，並將該第一信號處理成一解碼訊號；該第一轉換模組係用以接收該解碼訊號，並將該解碼訊號轉變成該沖刷深度資料值；該信號放大模組/解算傳輸模組係用以接收該第二信號，並將該第二信號處理成一放大訊號/解算訊號；該第二轉換模組係用以接收該放大訊號/解算訊號，並將該放大訊號/解算訊號轉變成該水流速資料值及該水位高度資料值中之至少一者；該演算分析模組可對該沖刷深度資料值與該水位高度資料值作整合分析，以提出警訊信號。在此，該解碼模組可透過AB相解碼電路，以讀取第一感測單元所輸出之脈沖信號，並對脈沖信號進行計數加以解碼；該第一轉換模組則可透過脈沖轉換電路，將解碼訊號轉換成沖刷深度；該信號放大模組可透過鎖相放大技術，過濾掉雜訊，以獲得準確之電壓值，而該解算傳輸模組則可採用分時多工存取(TDMA)方式，使第二感測單元中之複數電感解算數位模組可共享傳輸介質，並各自於所屬的指定時段內 回傳資料至該解算傳輸模組，以判斷哪個感應線圈產生電感值變化並得知其電感變化值；該第二轉換模組則可藉由線電阻轉換成位置，或者藉由某個感應線圈電感值變化，以獲得水位高度，而線電阻或感應線圈電感值變化頻繁，則得水流速度；該演算分析模組將讀進沖刷深度資料值與水位高度資料值作一綜合分析，並可於下述3種狀況下發出警訊信號：(1)當沖刷深度資料值大於第一警戒閥值時，演算分析模組會發出警訊信號，反之，當沖刷深度資料值小於第一警戒閥值時，則演算分析模組不會發出警訊信號；(2)當水位高度資料值大於第二警戒閥值時，演算分析模組會發出警訊信號，反之，當水位高度資料值小於第二警戒閥值時，演算分析模組不會發出警訊信號；(3)若沖刷深度資料值小於第一警戒閥值時，且水位高度資料值小於第二警戒閥值時，但是沖刷深度資料值與水位高度資料值之總和值大於第三警戒閥值，則演算分析模組會發出警訊信號；反之，若沖刷深度資料值小於第一警戒閥值時，且水位高度資料值小於第二警戒閥值時，但是沖刷深度資料值與水位高度資料值之總和值小於第三警戒閥值，則演算分析模組不會發出警訊信號，其中第一警戒閥值、第二警戒閥值及第三警戒閥值分別為一設定參數。
於本發明中，該信號處理單元更可藉由無線或有線傳輸方式，將上述之沖刷深度資料值、水位高度資料值、水流速資料值及警訊信號傳輸至一接收端，更詳細地說，該 信號處理單元更可包含一通信模組，其係用以接收該沖刷深度資料值、該水流速資料值、該水位高度資料值及該警訊信號，並將該沖刷深度資料值、該水流速資料值、該水位高度資料值及該警訊信號傳輸至一接收端。在此，該通信模組可每隔一預定時間讀取沖刷深度資料值、水流速資料值及水位高度資料值，且當演算分析模組發出警訊信號時，該通信模組可藉由如簡訊、電子郵件、音信息等方式，即時提醒管理人員。
100‧‧‧複合式水文監測系統
10‧‧‧第一中空座體
11‧‧‧第一容置空間
13、23‧‧‧側壁
131‧‧‧第一穿孔
20‧‧‧第二中空座體
21‧‧‧第二容置空間
231‧‧‧第二穿孔
31‧‧‧配重件
33‧‧‧第三感測單元
40‧‧‧繩體
50‧‧‧受測單元
51‧‧‧殼體
511‧‧‧軸心
53‧‧‧力學轉盤
531‧‧‧卡孔
55‧‧‧渦形彈簧
57‧‧‧三爪內傾式機械耦合件
571‧‧‧卡爪
5711‧‧‧端部
573‧‧‧連接軸
60‧‧‧第一感測單元
61‧‧‧編碼轉盤
611‧‧‧透光狹縫
63‧‧‧光發射元件
65‧‧‧光接收元件
70‧‧‧浮體
701‧‧‧通孔
71‧‧‧磁性元件
80‧‧‧第二感測單元
801‧‧‧第一感應部
803‧‧‧第二感應部
81‧‧‧感應元件
83‧‧‧導線
85‧‧‧電感解算數位模組
90‧‧‧信號處理單元
91‧‧‧解碼模組
92‧‧‧第一轉換模組
93‧‧‧信號放大模組
94‧‧‧解算傳輸模組
95‧‧‧第二轉換模組
96‧‧‧演算分析模組
97‧‧‧通信模組
C‧‧‧中心軸
S1‧‧‧第一信號
S2‧‧‧第二信號
S3‧‧‧第三信號
Y1、Y2、Y3、Y10‧‧‧位置
D1‧‧‧垂直方向
G‧‧‧河床地
W‧‧‧水面
A、B‧‧‧箭頭
U‧‧‧接收端
圖1為本發明一具體實施例之複合式水文監測系統示意圖；圖2為本發明一具體實施例之受測單元及第一感測單元示意圖；圖3為本發明一具體實施例之受測單元分解示意圖；圖4為本發明一具體實施例之第二感測單元用以偵測浮體之示意圖；圖5為本發明一具體實施例之信號處理單元方塊圖；圖6為本發明一具體實施例之演算分析流程圖；圖7為本發明另一具體實施例之第二感測單元示意圖；圖8為本發明另一具體實施例之感應元件用以偵測浮體之示意圖；圖9為本發明另一具體實施例之信號處理單元方塊圖； 圖10為本發明一具體實施例之電感解算數位模組與解算傳輸模組之連接架構示意圖；圖11為本發明另一具體實施例之配重件內設有第三感測單元之示意圖；以及圖12為本發明另一具體實施例之複合式水文監測系統示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。惟需注意的是，以下圖式均為簡化之示意圖，圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更，且元件佈局狀態可更為複雜。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
請參見圖1，其為本發明一具體實施例之複合式水文監測系統100示意圖。如圖1所示，本發明之複合式水文監測系統100包括一第一中空座體10、一第二中空座體20、一配重件31、一繩體40、一受測單元50、一第一感測單元60、一浮體70、一第二感測單元80及一信號處理單元90。該第一中空座體10可為一中空鋼柱，其內部呈一第一容置空間11，且側壁13上設有與該第一容置空間11相連通之複數第一穿孔131。該第二中空座體20可為一中空塑膠管，係設置於第一容 置空間11中，其內部呈一第二容置空間21，且側壁23上設有與第一容置空間11及第二容置空間21相連通之複數第二穿孔231。該配重件31可為一鉛錘，其係容設於該第二中空座體20之該第二容置空間21內，並可於一垂直方向D1上移動；該繩體40可為約30米長之鋼線，其相對兩端係分別連接該配重件31及該受測單元50，當該配重件31因重力而於垂直方向D1上移動時，其可透過該繩體40而帶動該受測單元50產生力學能變化。該第一感測單元60可偵測該受測單元50之力學能變化，以產生第一信號S1。該浮體70可為保麗龍，其中心處開設有通孔701，且側面可設有磁鐵片及高導磁性材質作為磁性元件71，該繩體40係穿過該浮體70之通孔701，使浮體70包覆且可移動地套設於繩體40上，於浮力作用下，浮體70可沿著繩體40於垂直方向D1上移動，此外，浮體70亦可於水的紊流作用下震動。該第二感測單元80包含複數感應元件81，且該些感應元件81係於垂直方向D1上以一預定間隔設置於第一中空座體10與第二中空座體20之間，並固定於第二中空座體20之外側上，其中第二中空座體20內之浮體70可透過其磁性元件71以觸動其相對位置上之感應元件81，使第二感測單元80產生第二信號S2。該信號處理單元90可接收第一信號S1及第二信號S2，並將第一信號S1及第二信號S2分別轉換成沖刷深度資料值及水位高度與流速資料值。
據此，本發明之複合式水文監測系統100可用於 即時偵測洪水沖刷河床深度及洪水水位。當洪水沖刷淘空河床地G時，配重件31會往淘空處下沉，而繩體40被配重件31往下拉，進而帶動受測單元50產生力學能變化，透過第一感測單元60測得力學能變化後，便可進一步得知配重件31之垂直位置，藉此測得河床沖刷深度。同時，浮體70於浮力作用下可浮於水面W上，當水面W高度改變時，浮體70之垂直位置亦隨水面W高度改變，且浮體70上之磁性元件71將觸動第二感測單元80中相應位置高度上之感應元件81，藉此即可得知浮體70之垂直位置，進而測得水位高度，同時更可藉由不規則信號變化之程度而得知水流流速。
下文將逐一詳細說明該複合式水文監測系統100之各構件結構及其作用。
請參見圖2及3，以進一步說明受測單元50與第一感測單元60之結構及作用。在此，本具體實施例係以旋轉式之受測單元50及第一感測單元60作進一步示例性說明。如圖2所示之受測單元50與第一感測單元60示意圖，該受測單元50係與該第一感測單元60相互軸接，且繩體40係相對於一中心軸C而捲繞於該受測單元50上，當受測單元50相對中心軸C旋轉時，第一感測單元60亦隨該受測單元50同步旋轉。更詳細地說，如圖3所示之受測單元50分解示意圖，該受測單元50具有一殼體51、一力學轉盤53、一渦形彈簧55及一三爪內傾式機械耦合件57，該殼體51之內部中心處設有一軸心511，該力 學轉盤53係容置於殼體51內部，並套設於該殼體51之軸心511外，渦形彈簧55係設於該力學轉盤53之內側，並捲繞於該軸心511外，以構成彈力回復機制，而繩體40則纏繞於力學轉盤53之外側上，且三爪內傾式機械耦合件57之一端係藉由三個卡爪571而嵌固於力學轉盤53之卡孔531內，另一端則藉由一連接軸573連接第一感測單元60(見圖2)。在此，如圖3所示，該三爪內傾式機械耦合件57之三個卡爪571皆具有向內傾折之端部5711，藉此卡爪571之端部5711可垂直嵌入力學轉盤53之卡孔531內，以利於拆卸與組裝。此外，如圖2所示，本具體實施例係採用屬於旋轉編碼器類型之光學編碼器作為第一感測單元60，其具有一編碼轉盤61、一光發射元件63及一光接收元件65，其中編碼轉盤61係與受測單元50之三爪內傾式機械耦合件57連接，而光發射元件63及光接收元件65係分別設置於編碼轉盤61之相對兩側上。該編碼轉盤61上設有複數透光狹縫611，其可藉由”透光”及”不透光”兩種狀態分別代表”1”和”0”之二進制代碼。當光發射元件63所發射的光穿過透光狹縫611到達光接收元件65時，即產生代表”1”的訊號；反之，當光發射元件63所發射的光未對應到透光狹縫611，導致光接收元件65未接收到光時，即產生代表”0”的訊號。據此，藉由對光接收元件65產生的101010…訊號計數，即可得知轉動情形。
此外，該編碼轉盤61可設有複數碼道(圓周上黑 白相間的一圈稱為一碼道，而圖2僅繪示一圈透光狹縫作簡單示意)，以產生包含A相脈衝信號、B相脈衝信號、Z相脈衝信號之第一信號，其中A相與B相之相位差為90度，透過比較A相在前或B相在前，得以判別編碼轉盤61為正轉或反轉，而Z相脈衝信號係由只有一條透光狹縫的第三碼道(Z)所產生，其為零位參考位。
藉此，當河床因沖刷而下陷時，配重件31(見圖1)於重力作用下亦隨河床下陷，而繩體40則因受該配重件31之拉力而捲出拉長，進而帶動受測單元50之力學轉盤53順向轉動(如箭頭A所示)，同時第一感測單元60之編碼轉盤61亦隨之同步順向轉動；為確保繩體40被拉出的長度等於下陷深度，受測單元50之渦形彈簧55(見圖3)可提供回復彈力，當配重件31所拉出之繩體40長度大於下陷深度時，該力學轉盤53於渦形彈簧55之彈性作用下可反向轉動(如箭頭B所示)，以將繩體40回捲至緊繃狀態，而第一感測單元60之編碼轉盤61亦隨之同步反向轉動。最後，經由對A相、B相及Z相脈衝信號計數，即可得知繩體40移動長度。
接著，請參見圖4，以進一步說明浮體70與第二感測單元80間之作用關係。如圖4所示，第二感測單元80之感應元件81係對稱設置於第一中空座體(圖未示)之兩相對內側與第二中空座體(圖未示)之兩相對外側之間，以構成一第一感應部801及一第二感應部803。在此，本第一個具體實施例係採 用磁力開關作為感應元件81之示例性說明，其中第一感應部801及第二感應部803之該些感應元件81係於Y1、Y2、Y3...位置處分別並聯於兩條導線83上，且於垂直方向D1以約5公分之間隔距離排列成一垂直列。藉此，如圖4所示，當浮於水面上之浮體70對應到相應垂直位置Y3上之感應元件81時，浮體70上之磁性元件71將觸動Y3位置處之感應元件81，使第一感應部801及第二感應部803中之兩條導線83分別於Y3位置處接通而形成導通迴路，進而可由導通迴路的兩端測得一電壓值。由於兩條導線83於不同位置處導通會有不同的電阻，因此浮體70對應到不同位置的感應元件81時，即會產生不同的電壓值，藉此即可由測得的電壓值判斷水面高度。在此，較佳是利用四線式量測方式，以測得準確的電壓值。
接著，請參見圖5所示之信號處理單元方塊圖，第一感測單元60及第二感測單元80所產生的第一信號S1及第二信號S2將傳送到信號處理單元90，以進行信號處理。如圖5所示，本第一具體實施例所採用之信號處理單元90包含一解碼模組91、一第一轉換模組92、一信號放大模組93、一第二轉換模組95、演算分析模組96及一通信模組97。
當解碼模組91接收到第一信號S1時，其可利用AB相解碼電路，以將第一信號S1處理成解碼訊號。接著，第一轉換模組92再利用脈衝轉換電路，以將解碼訊號轉變成沖刷深度資料值。此外，信號放大模組93於接收到第二信號S2 時，則係藉由鎖相放大技術，將第二信號S2處理成放大訊號。更詳細地說，如上所述，圖4所示之感應元件81係以約5公分之距離間隔設置，由於此位置變化所產生的電阻變化很小，受雜訊及其他飄移干擾會很大，因此利用鎖相放大技術，可過濾掉雜訊，進而準確量得信號。接著，放大訊號再利用第二轉換模組95，藉由線電阻轉換成位置，以獲得成水位高度及水流速資料值。隨後，該演算分析模組96將對沖刷深度資料值及水位高度資料值作一綜合分析，以提出警訊信號，且演算分析模組96會將該警訊信號及所讀到的沖刷深度資料值、水位高度資料值及水流速資料值傳送至通信模組97，而該通信模組97每隔一預定時間將讀取上述資料值，並藉由無線或有線傳輸方式，將上述資料值及警訊信號傳至接收端U，據此，該接收端U便可於螢幕上X軸及Y軸上分別表示沖刷深度及水位高度或流速，且當演算分析模組96發出警訊信號時，該通信模組97可藉由簡訊、電子郵件、音信息等方式，及時提醒管理人員。
下文將進一步說明演算分析模組96對沖刷深度資料值X及水位高度資料值Y進行整合分析之流程，請參見圖6，首先，演算分析模組96將判斷沖刷深度資料值X是否大於第一警戒閥值hh(步驟S1)；當沖刷深度資料值X大於第一警戒閥值hh時，演算分析模組96會發出警訊信號至通信模組97(步驟S2)；當沖刷深度資料值X小於第一警戒閥值hh時，則演算 分析模組96將接著判斷水位高度資料值Y是否大於第二警戒閥值yy(步驟S3)；當水位高度資料值Y大於第二警戒閥值yy時，演算分析模組96會發出警訊信號至通信模組(步驟S4)；當水位高度資料值Y小於第二警戒閥值yy時，演算分析模組96將接著判斷沖刷深度資料值X與水位高度資料值Y之總和值X+Y是否大於第三警戒閥值zz(步驟S5)；當總和值X+Y大於第三警戒閥值zz時，則演算分析模組96會發出警訊信號至通信模組97(步驟S6)；當總和值X+Y小於第三警戒閥值zz，則演算分析模組96不會發出警訊信號(步驟S7)，其中上述第一、第二及第三警戒閥值(hh,yy,zz)可為設定參數。
此外，請參見圖7，其為第二感測單元80之另一實施態樣示意圖。如圖7所示，可於第二中空座體20外側之Y1、Y2、Y3...位置處分別纏繞上感應線圈，以作為感應元件81，當浮體70隨著水面升降而穿過相應垂直位置上之感應線圈時，浮體70上具高導磁率之磁性元件71會對相應的感應線圈發生作用，進而產生電性或/及磁性(如電感、電動勢、磁力等)上的變化。藉此，可透過偵測浮體70穿過感應線圈時所引起之電性或磁性(如電感、電動勢、磁力等)變化，以判定浮體70之所在位置。同樣地，由於浮體70於水的紊流作用下亦會因震動而導致電性或/及磁性變化，因此亦可透過偵測電性或/及磁性變化以得知流速。在此，本第二個具體實施例係以偵測電感值變化作示例性說明，請併參圖8，每一感應元件81(即 感應線圈)係搭配一電感解算數位模組85，以進行感測。如圖8所示，每一感應元件81(即感應線圈)之兩端係與電感解算數位模組85電性連接，藉此，當浮體70穿過該感應線圈時，感應線圈於浮體70上具高導磁率之磁性元件71作用下將產生電感變化，而透過該電感解算數位模組85，即可解算出電感值，並輸出包含有該感應線圈位置及電感值之第二信號S2。
接著，請參見圖9，其為本第二具體實施例所採用之信號處理單元方塊圖。如圖9所示，該信號處理單元90包含一解碼模組91、一第一轉換模組92、一解算傳輸模組94、一第二轉換模組95、演算分析模組96及一通信模組97。在此，由於第一信號S1之信號處理程序與第一具體實施例所述相同，故不再贅述，以下僅針對第二信號S2之信號處理程序作進一步的說明。如圖9所示，該解算傳輸模組94係用以接收第二信號S2，並將第二信號S2處理成一解算訊號，接著再藉由第二轉換模組95，將該解算訊號轉變成水流速資料值及水位高度資料值，隨後再利用演算分析模組96進行第一具體實施例中所述之綜合分析。
更詳細地說，請併參圖10，其為電感解算數位模組85與解算傳輸模組94之連接架構示意圖。如圖10所示，本第二具體實施例係藉由複數電感解算數位模組85，以感測垂直方向上Y1、Y2、Y3...位置處的電感變化，其中該些電感解算數位模組85係透過防水接頭87相互串接，並最終連接至解 算傳輸模組94，藉此，該些電感解算數位模組85可共享傳輸介質，並可透過分時多工存取(TDMA)方式，於各自所屬的指定時段內回傳資料至解算傳輸模94。由於電感解算數位模組85所傳送之第二信號S2包含有所屬感應線圈的定位編號(ID)及其測得的電感值，因此，該解算傳輸模94可根據第二信號S2，判斷哪個感應線圈產生電感值變化，並得知其電感變化值，進而可藉由第二轉換模組95，以獲得成水位高度及水流速資料值，同樣地，透過偵測電感值變化情形，亦可得知水流速。
此外，請參見圖11，本發明更可於配重件31內設置一第三感測單元33，其中該第三感測單元33可根據該配重件31之移動產生訊號變化，而該信號處理單元90可接收該第三感測單元33所產生之第三信號S3，並將該第三信號S3轉換成與沖刷深度、水流速及水位高度之至少一者相關的參考資料值，以與第一信號S1所獲得之沖刷深度資料值或/及第二信號S2所獲得之水位高度/流速資料值再次比對，俾可確保數據正確性。在此，該第三感測單元33可為任何可用於辨別配重件31是否移動或其運動狀態等之裝置，如加速度計、影像感測器、溫度計、陀螺儀等。
接著，請參見圖12，其為本發明另一具體實施例之複合式水文監測系統200示意圖，其包括一第一中空座體10、一配重件31、一繩體40、一受測單元50、一第一感測單 元60、一第二感測單元80及一信號處理單元90。如圖12所示，該複合式水文監測系統200之第一中空座體10、配重件31、受測單元50及第一感測單元60之配置及作動機制與圖1至圖3所述大致相同，主要不同處在於，該複合式水文監測系統200並未設置浮體，其係直接利用設置於繩體40處之第二感測單元80，以測得水位高度、水流流速等。更詳細地說，該第二感測單元80包含有複數感應元件81，其係於垂直方向D1上以預定間隔設置於繩體40之Y1、Y2、Y3...位置處，由於繩體40之不同垂直位置處所處的周遭環境狀態有所差異，故不同位置處之感應元件81可測得不同的物理參數(如溫度、壓力、流速等)，藉此，當該信號處理單元90接收到該第二感應單元80所產生之第二信號S2後，其可藉由測得的參數值以判斷哪個位置上之感應元件81位於水面W處，進而可得知水位高度。例如，可使用溫度計或壓力計作為感應元件81，以偵測不同垂直位置處之溫度或壓力，進而透過所測得之溫度或壓力值，以判斷水位高度。此外，由於水面下各深度會有不同的流速，故繩體40之不同垂直位置處會受到不同的流速作用，藉此，亦可利用感應元件81以偵測不同垂直位置處所對應之流速，甚至可透過流速分布以判斷水位高度。同樣地，該複合式水文監測系統200亦可如圖11所示更包括一第三感測單元33，以提供與沖刷深度、水流速及水位高度之至少一者相關的參考資料值，以與第一信號S1所獲得之沖刷深度資料值或/及第二 信號S2所獲得之水位高度/流速資料值再次比對。
綜上所述，本發明之複合式水文監測系統可藉由配重件及浮體，以感測沖刷深度及水位高度/流速，具有結構簡單、低成本、可靠度及穩定性高等優點，且使用於惡劣洪水期間，其可展現高生存時數，以確保防洪安全。
上述實施例僅用來例舉本發明的實施態樣，以及闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
100‧‧‧複合式水文監測系統
10‧‧‧第一中空座體
11‧‧‧第一容置空間
13、23‧‧‧側壁
131‧‧‧第一穿孔
20‧‧‧第二中空座體
21‧‧‧第二容置空間
231‧‧‧第二穿孔
31‧‧‧配重件
40‧‧‧繩體
50‧‧‧受測單元
60‧‧‧第一感測單元
70‧‧‧浮體
71‧‧‧磁性元件
80‧‧‧第二感測單元
81‧‧‧感應元件
90‧‧‧信號處理單元
S1‧‧‧第一信號
S2‧‧‧第二信號
D1‧‧‧垂直方向
G‧‧‧河床地
W‧‧‧水面

Claims (19)

  1. 一種複合式水文監測系統，包括：一第一中空座體，其內部呈一第一容置空間，且側壁上設有與該第一容置空間相連通之複數第一穿孔；一第二中空座體，係設置於該第一容置空間中，其內部呈一第二容置空間，且側壁上設有與該第一容置空間及該第二容置空間相連通之複數第二穿孔；一配重件，係容設於該第二中空座體之該第二容置空間內，該配重件於重力作用下可於一垂直方向上移動；一受測單元，其係隨著該配重件於該垂直方向上移動而產生一力學能變化；一繩體，其係連接該配重件及該受測單元，且該配重件於該垂直方向上移動時，係透過該繩體而帶動該受測單元產生該力學能變化；一第一感測單元，用以偵測該受測單元之該力學能變化，以產生一第一信號；一浮體，其係可移動地套設於該繩體上；一第二感測單元，其包含複數感應元件，且該些感應元件係於該垂直方向上以一預定間隔設置於該第一中空座體與第二中空座體之間，其中該浮體可觸動其對應位置上之該感應元件，使該第二感測單元產生一第二信號；以及一信號處理單元，用以接收該第一信號及該第二信號，並將該第一信號轉換成一沖刷深度資料值，且將該第二信號轉換成一水位高度資料值及一水流速資料值中之至少 一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式水文監測系統，其中，該浮體之側面設有一具有高導磁率之磁性元件，且該浮體係藉由該磁性元件而觸動其對應位置上之該感應元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之複合式水文監測系統，其中，每一該些感應元件為一磁力開關或感應線圈。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之複合式水文監測系統，其中，該些磁力開關係對稱設置於該第二中空座體之至少兩相對外側上，以構成複數感應部，且每一該些感應部具有排列成一垂直列之該些磁力開關。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之複合式水文監測系統，其中，該些磁力開關係並聯於兩條導線上，當該浮體觸動其對應位置上之該磁力開關時，該磁力開關會與該兩條導線形成一導通迴路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之複合式水文監測系統，其中，該信號處理單元係藉由鎖相技術法，以對該第二信號進行信號處理。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之複合式水文監測系統，其中，該感應線圈係圍繞該第二中空座體，當該浮體穿過該感應線圈時，該浮體之該磁性元件會對該感應線圈發生作用，使該第二感測單元產生該第二信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之複合式水文監測系統，其中，該浮體穿過該感應線圈時，該感應線圈係於該浮 體之該磁性元件作用下產生電感變化。
  9. 一種複合式水文監測系統，包括：一第一中空座體，其內部呈一第一容置空間，且側壁上設有與該第一容置空間相連通之複數第一穿孔；一配重件，係容設於該第一中空座體之該第一容置空間內，該配重件於重力作用下可於一垂直方向上移動；一受測單元，其係隨著該配重件於該垂直方向上移動而產生一力學能變化；一繩體，其係連接該配重件及該受測單元，且該配重件於該垂直方向上移動時，係透過該繩體而帶動該受測單元產生該力學能變化；一第一感測單元，用以偵測該受測單元之該力學能變化，以產生一第一信號；一第二感測單元，其包含複數感應元件，且該些感應元件係以一預定間隔排列於該垂直方向上，其中該些感應元件係用以偵測其對應垂直位置處之環境狀態，以產生一第二信號；以及一信號處理單元，用以接收該第一信號及該第二信號，並將該第一信號轉換成一沖刷深度資料值，且將該第二信號轉換成一水位高度資料值及一水流速資料值中之至少一者，其中當欲獲得該水位高度資料值時，該信號處理單元係藉由該些感應元件所測得之各對應垂直位置的環境狀態，以判斷該些感應元件中之何者位於水面處，進而由位於水面處之該感應元件的垂直位置得知水位高度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之複合式水文監測系統，其中，該些感應元件係設置於該繩體處。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之複合式水文監測系統，其中，該些感應元件為溫度計或壓力計。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之複合式水文監測系統，更包括：一第三感測單元，其係設置於該配重件處，用以偵測該配重件之移動，以產生一第三信號，其中該信號處理單元可將該第三信號轉換成一參考資料值，且該參考資料值係與沖刷深度、水流速及水位高度之至少一者相關。
  13. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之複合式水文監測系統，其中，該力學能變化為該受測單元之一轉動變化，而該第一感測單元係用以偵測該受測元件之該轉動變化。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之複合式水文監測系統，其中，該受測單元可相對一中心軸旋轉，且該繩體係相對於該中心軸而捲繞於該受測元件上，當該配重件向下移動時，該繩體因受該配重件之拉力而拉長，並帶動該受測元件順向轉動。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之複合式水文監測系統，其中，當該繩體被拉長之長度大於該配重件向下移動之移動量時，該受測單元可藉由一回復彈力而反向轉動，使該繩體回捲至緊繃狀態。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之複合式水文監測系 統，其中，該受測單元具有一殼體、一力學轉盤、一渦形彈簧及一三爪內傾式機械耦合件，該力學轉盤係套設於該殼體之一軸心外，該渦形彈簧係捲繞於該軸心外，並設於該力學轉盤之一內側，而該繩體則纏繞於該力學轉盤之一外側上，該三爪內傾式機械耦合件係連接該力學轉盤與該第一感測單元。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之複合式水文監測系統，其中，該第一感測單元係一旋轉編碼器，其可與該受測單元同步旋轉。
  18. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之複合式水文監測系統，其中，該信號處理單元包含有一演算分析模組，其能將該沖刷深度資料值與該水位高度資料值整合分析，以提出一警訊信號。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之複合式水文監測系統，其中，該演算分析模組將讀取該沖刷深度資料值與該水位高度資料值作一綜合分析，並於下述狀況下發出該警訊信號：(1)當該沖刷深度資料值大於一第一警戒閥值時，該演算分析模組會發出該警訊信號，反之，當該沖刷深度資料值小於該第一警戒閥值時，則該演算分析模組不會發出該警訊信號；(2)當該水位高度資料值大於一第二警戒閥值時，該演算分析模組會發出該警訊信號，反之，當該水位高度資料值小於該第二警戒閥值時，則該演算分析模組不會發出該警 訊信號；以及(3)當該沖刷深度資料值小於該第一警戒閥值時，且該水位高度資料值小於該第二警戒閥值時，但是該沖刷深度資料值與該水位高度資料值之總和值大於一第三警戒閥值，則該演算分析模組會發出該警訊信號；反之，若該沖刷深度資料值小於該第一警戒閥值時，且該水位高度資料值小於該第二警戒閥值時，但是該沖刷深度資料值與該水位高度資料值之總和值亦小於該第三警戒閥值，則該演算分析模組不會發出該警訊信號，其中該第一警戒閥值、該第二警戒閥值及該第三警戒閥值分別為一設定參數。
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