TWI613441B - 感測裝置及物質感測方法 - Google Patents

Abstract

一種感測裝置，包含一探棒及一感測模組；該感測模組包含一物質感測電路、一運算單元及一訊號輸出電路。該感測模組產生一掃頻訊號並且傳送該掃頻訊號至該探棒以感測一物質之一狀態；該掃頻訊號為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號；當該掃頻訊號接觸到該物質時，利用該物質的一等效電容產生一反射訊號；該物質感測電路接收該反射訊號並傳遞該反射訊號至該運算單元；該運算單元對該反射訊號運算以產生一波形訊號以判斷該物質之該狀態；該運算單元利用一阻抗頻譜以判斷該物質之該狀態。

Description

感測裝置及物質感測方法

本發明係有關於一種感測裝置及物質感測方法，特別是一種具有可變化頻率偵測的感測裝置及具有可變化頻率偵測的物質感測方法。

靜電容/射頻導納式感測器係用以偵測物質的電容量的變化；基於電容公式C=εA/d，靜電容/射頻導納式感測器將感測到的資訊由物理訊號傳換成電子訊號；當靜電容/射頻導納式感測器安裝於桶槽或管道內時，固定了上述公式內的A(物質接觸面積)與d(極板距離)，因此C的變化量將受到ε(物質的介電常數)影響。

靜電容/射頻導納式感測器係發射一固定頻率的交流訊號至探棒，並接著將電容值轉換為電訊號；當物質接觸到探棒時，會產生訊號的強度變化。簡易的靜電容/射頻導納式開關感測器的控制單元(uC或比較電路)會設定一判斷點；當探棒沒有接觸到物質時，回傳的訊號強度不會超過此判斷點；當探棒接觸到物質時，回傳的訊號強度會超過此判斷點。

再者，在安裝靜電容/射頻導納連續式感測器之後，靜電容/射頻導納連續式感測器會進行兩點校正；在靜電容/射頻導納連續式感測器上輸入這兩點的值，接著控制單元會計算出這兩點的斜率變化；因此，如果物質變化，依據訊號強度的變化，可計算出物質在桶槽的等效容量。接著，可將結果顯示於 靜電容/射頻導納連續式感測器的介面，以及訊號可透過例如RS-485介面、4-20mA、Modbus介面等等輸出給後端系統。

以下例子說明相關技術的方法：在感測器安裝完後，桶槽中物質接觸探棒為10公分，於桶槽內容量比為10%，此時，訊號強度為100mV；接著，物質接觸探棒改變為50公分，於桶槽內容量比為50%，此時，訊號強度為500mV。將上述容量比輸入至感測器中，控制單元會計算得知容量比與訊號強度的關係，即(50%-10%)/(500mV-100mV)=0.1(%/mV)。因此，當訊號強度變化成600mV時，就可以直接在感測器上或輸出訊號得知桶槽內的容量比變成60%。

物質的介電常數常會因為環境(例如溫度或濕度)的變化、物質性質的劣化(例如含水率的差異)以及感測器所發射的頻率的差異而有不同的阻抗響應。然而，相關技術之靜電容式/射頻導納式感測器的缺點為相關技術之靜電容式/射頻導納式感測器無法操作在不同的頻率，只能操作在固定頻率，因此限制了發展成為智能化與多功能測量的可能。

為改善上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種感測裝置。

為改善上述習知技術之缺點，本發明之又一目的在於提供一種物質感測方法。

為達成本發明之上述目的，本發明之感測裝置用以感測一物質之一介電常數之一變化狀態，該裝置感測裝置包含：一探棒；及一感測模組，該感測模組連接該探棒。其中該感測模組包含：一物質感測電路；一運算單元， 該運算單元電性連接至該物質感測電路；及一訊號輸出電路，該訊號輸出電路電性連接至該運算單元。其中該感測模組產生一掃頻訊號並且傳送該掃頻訊號至該探棒以感測該物質之一狀態；該掃頻訊號為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號；當該掃頻訊號接觸到該物質時，利用該物質的一等效電容產生一反射訊號；該物質感測電路接收該反射訊號並傳遞該反射訊號至該運算單元；該運算單元對該反射訊號運算以產生一波形訊號以判斷該物質之該狀態。其中該運算單元利用一阻抗頻譜以判斷該物質之該狀態；該阻抗頻譜界定有複數之狀態區；該些狀態區的每一個分別具有不同的一輸出訊號；該運算單元應用該波形訊號之一訊號強度與一分佈頻率於該阻抗頻譜以判斷該波形訊號在該些狀態區的一位置，並據此進行一換算以得到該物質之一物質等效容積以及一物質品質並判斷該物質之該狀態；依據該波形訊號在該些狀態區的該位置，該運算單元利用該訊號輸出電路向外輸出該位置的該狀態區的該輸出訊號。

為達成本發明之上述又一目的，本發明之物質感測方法包含下列步驟：準備一感測裝置，其中該感測裝置係用以量測一物質之一狀態且具有一探棒及連接該探棒的一感測模組；將該探棒設置於該物質中；對該感測裝置進行一環境校正；利用該感測模組產生一掃頻訊號並且傳送該掃頻訊號至該探棒以感測該物質之該狀態，其中該掃頻訊號為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號；當該掃頻訊號接觸到該物質時，利用該物質的一等效電容產生一反射訊號；該感測模組對該反射訊號運算以產生一波形訊號並進行一量測模式以判斷該物質之該狀態而得到一量測結果並對外輸出，其中該量測模式為利用一阻抗頻譜判斷該物質之該狀態，該阻抗頻譜界定有複數之狀態區，該些狀態區的每一個分別具有不同的一輸出訊號；該感測模組應用該波形訊號之一訊號強度與一分佈頻率於該阻抗頻譜以判斷該波形訊號在該些狀態區的一位置，並據此進行一換算以得到該物質之一物質等效容積以及一物質品質並判斷該物質 之該狀態；及依據該波形訊號在該些狀態區的該位置，該感測模組向外輸出該位置的該狀態區的該輸出訊號。

本發明之功效在於提供一種具有可變化頻率偵測的智能型感測器。為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

10‧‧‧感測裝置

20‧‧‧物質

30‧‧‧桶槽

102‧‧‧探棒

104‧‧‧感測模組

106‧‧‧物質感測電路

108‧‧‧運算單元

110‧‧‧訊號輸出電路

112‧‧‧掃頻訊號

114‧‧‧反射訊號

116‧‧‧溫度感測電路

118‧‧‧溫度感測訊號

120‧‧‧溫度感測單元

122‧‧‧第一訊號輸出電路

124‧‧‧第二訊號輸出電路

126‧‧‧第一訊號

128‧‧‧第二訊號

1000‧‧‧測量區

1001‧‧‧第一變異區

1002‧‧‧第二變異區

1003‧‧‧第三變異區

1004‧‧‧第四變異區

2001‧‧‧第一波形訊號

2002‧‧‧第二波形訊號

2003‧‧‧第三波形訊號

2004‧‧‧第四波形訊號

2005‧‧‧第五波形訊號

2006‧‧‧第六波形訊號

2007‧‧‧第七波形訊號

3001‧‧‧第一預設訊號強度邊界

3002‧‧‧第二預設訊號強度邊界

3003‧‧‧第三預設訊號強度邊界

3004‧‧‧第四預設訊號強度邊界

S02~16‧‧‧步驟

T02~12‧‧‧步驟

圖1為本發明之感測裝置之之一實施例方塊圖。

圖2為本發明之物質感測方法之一實施例流程圖。

圖3為本發明之物質感測方法之另一實施例流程圖。

圖4為本發明之阻抗頻譜之波形圖。

圖5為本發明之該些狀態區之示意圖。

圖6為本發明之概念圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參考圖1，其係為本發明之感測裝置之一實施例方塊圖。本發明之感測裝置10係用以感測一物質20之一介電常數(permittivity)變化狀態；該物質20係放置於一桶槽30內。該裝置感測裝置10包含一探棒102、一感測模組104及複數之溫度感測單元120。該感測模組104包含一物質感測電路106、一運算單元108、一訊號輸出電路110及一溫度感測電路116。該訊號輸出電路110包含一第一 訊號輸出電路122及一第二訊號輸出電路124。上述該些元件係彼此電性連接，且該感測模組104係連接該探棒102，而該些溫度感測單元120的每一個係分別間隔地設置於該探棒102上。

首先，該感測模組104產生一掃頻訊號(frequency sweep signal)112並且接著傳送該掃頻訊號112至該探棒102(以感測該物質20之一狀態)；該掃頻訊號112為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號。當該掃頻訊號112接觸到該物質20時，利用該物質20的一等效電容產生一反射訊號114；該物質感測電路106接收該反射訊號114並傳遞該反射訊號114至該運算單元108。該運算單元108對該反射訊號114運算以產生一波形訊號以判斷該物質20之該狀態(容後詳述)。

換言之，本發明的第一個技術特徵是提供一種具有可變化頻率偵測的智能型感測器，稱之為阻抗頻譜感測器。阻抗頻譜感測器的測量原理是該感測模組104會發射具有一可調整頻率範圍(即該掃頻訊號112，例如但本發明不限定為50MHz至200MHz)的一交流訊號至該探棒102上；該交流訊號的訊號強度不會因為頻率變化而變化，其為一固定強度的電壓。該探棒102結構與電路可以等效成一固定的等效電感值(Ld)，且一固定的等效電容值(Cd)是由該探棒102接觸該物質20所形成(當該探棒102沒有接觸到該物質20時，該探棒102的介質是介電常數為1的空氣)。

藉由該感測模組104發射該掃頻訊號112，該運算單元108即可繪製出該探棒102在空氣中的LdCd頻率響應圖，並計算出在空氣(即介電常數為1)中，在某一頻率時出現的最大的阻抗值，即是諧振點(Fd)。當該物質20接觸到該探棒102時，等效電容值會改變成為C1；此時，該運算單元108重新計算出諧振點為F1。

在阻抗頻譜感測器的該運算單元108中，寫入一預設值(A1)。藉由上述F1與A1，本發明可設計出連續式(continuous)測量的感測器或感測開關(point sensor)。例如但本發明不限定為，在感測開關的應用上，如果F1大於A1，則感測器輸出訊號；如果F1小於或等於A1，則感測器不輸出訊號。一般來說，該物質20的介電常數大於1，因此產生的等效電容值只會增加，所以諧振點會比在空氣的諧振點還要小。

不同的物質20有不同的介電常數，而阻抗頻譜感測器可以精確的量測出差異。例如但本發明不限定，原本感測該物質20為機油，其介電常數為E1，因為長期使用，該物質20變質或是具有太多雜質，使得該物質20的介電常數改變為E2；阻抗頻譜感測器可以感測到諧振點的變化以計算判斷出該物質20性質改變了。阻抗頻譜感測器可為例如但本發明不限定為油質劣化器(oil conditioning sensor)或物質劣化器。

又例如，原本感測該物質20為玉米粒，玉米粒的含水率為20%以上，阻抗頻譜感測器設定含水率20%~30%以上的玉米粒的介電常數為E3；當阻抗頻譜感測器感測玉米粒的含水率偏低(例如，低於15%)時，玉米粒的介電常數變為E4，此變化可由阻抗頻譜感測器測得；此應用類似於含水率測試儀(moisture instrument)，只是在此類似的應用當中，該物質20的介電常數的變化，是因為環境及時間的變化，而非容積的變化。

請復參考圖1。該溫度感測電路116係用以偵測一外部環境溫度(該感測模組104的溫度)以產生一溫度感測訊號118並傳送該溫度感測訊號118至該運算單元108；接著，該運算單元108利用該溫度感測訊號118對該波形訊號進行一訊號補償；亦即，在一訊號補償模式當中，該感測模組104產生該溫度感測訊號118以對該波形訊號進行該訊號補償。

再者，該些溫度感測單元120係用以偵測該外部環境溫度(該物質20的溫度)並通知該溫度感測電路116該外部環境溫度，使得該溫度感測電路116產生該溫度感測訊號118並傳送該溫度感測訊號118至該運算單元108；接著，該運算單元108利用該溫度感測訊號118對該波形訊號進行該訊號補償；亦即，在該訊號補償模式當中，該感測模組104產生該溫度感測訊號118以對該波形訊號進行該訊號補償。上述兩種訊號補償可於不同時間分別安排，因此他們不會互相干擾。

換言之，本發明的第二個技術特徵是對溫度的訊號補償；因為偵測該外部環境溫度變化會造成該物質20的介電常數變化以及電路板與電路板上的半導體零件的特性變化，所以該感測模組104需要進行溫度補償，使得該外部環境溫度變化不會影響該感測模組104的精確。再者，該物質20受溫度變化的影響也要回饋給該運算單元108，讓該運算單元108可以了解到該物質20的溫度而進行介電常數變化的補償，所以該探棒102上會有該些溫度感測單元120。本發明的第二個技術特徵將使得阻抗頻譜感測器具有另一個感知能力以達到智能化的判斷。

請復參考圖1。該運算單元108利用一阻抗頻譜以判斷該物質20之該狀態；該阻抗頻譜界定有複數之狀態區；該些狀態區的每一個分別具有不同的一輸出訊號。該運算單元108應用該波形訊號之一訊號強度與一分佈頻率於該阻抗頻譜以判斷該波形訊號在該些狀態區的一位置，並據此進行一換算以得到該物質20之一物質等效容積以及一物質品質並判斷該物質20之該狀態。依據該波形訊號在該些狀態區的該位置，該運算單元108利用該訊號輸出電路110向外輸出該位置的該狀態區的該輸出訊號。該些狀態區包含一測量區以及複數個變異區；該測量區係位於一事先定義中間頻率位置；依據複數之預設訊號強度邊界，該些變異區分別分佈在該測量區之兩側。以上內容容後詳述。

該運算單元108對應該物質等效容積驅動該第一訊號輸出電路122以輸出一第一訊號126；該運算單元108對應該物質品質驅動該第二訊號輸出電路124以輸出一第二訊號128；該輸出訊號包含該第一訊號126與該第二訊號128。而該第一訊號126與該第二訊號128的訊號型式包含下列三種型式：

(1)該第一訊號126為一類比訊號且該第二訊號128為一類比訊號；亦即，該第一訊號126與該第二訊號128皆為類比訊號。

(2)該第一訊號126為一數位訊號且該第二訊號128為一數位訊號；亦即，該第一訊號126與該第二訊號128皆為數位訊號。

(3)該第一訊號126為一類比訊號且該第二訊號128為一數位訊號，或者是該第一訊號126為一數位訊號且該第二訊號128為一類比訊號；亦即，該第一訊號126與該第二訊號128的其中之一為一類比訊號，另一個為一數位訊號。

請參考圖2，其係為本發明之物質感測方法之一實施例流程圖。本發明之物質感測方法包含下列步驟：

S02：準備一感測裝置，其中該感測裝置係用以量測一物質之一狀態且具有一探棒及連接該探棒的一感測模組。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S04。

S04：將該探棒設置於該物質中。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S06。

S06：對該感測裝置進行一環境校正。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S08。

S08：利用該感測模組產生一掃頻訊號並且傳送該掃頻訊號至該探棒以感測該物質之該狀態，其中該掃頻訊號為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S10。

S10：當該掃頻訊號接觸到該物質時，利用該物質的一等效電容產生一反射訊號。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S12。

S12：該感測模組對該反射訊號運算以產生一波形訊號並進行一量測模式以判斷該物質之該狀態而得到一量測結果並對外輸出，其中該量測模式為利用一阻抗頻譜判斷該物質之該狀態，該阻抗頻譜界定有複數之狀態區，該些狀態區的每一個分別具有不同的一輸出訊號。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S14。

S14：該感測模組應用該波形訊號之一訊號強度與一分佈頻率於該阻抗頻譜以判斷該波形訊號在該些狀態區的一位置，並據此進行一換算以得到該物質之一物質等效容積以及一物質品質並判斷該物質之該狀態。接著，本發明之物質感測方法進入步驟S16。

S16：依據該波形訊號在該些狀態區的該位置，該感測模組向外輸出該位置的該狀態區的該輸出訊號。

而該些狀態區係包含一測量區以及複數個變異區；該測量區係位於一事先定義中間頻率位置；依據複數之預設訊號強度邊界，該些變異區分別分佈在該測量區之兩側。本發明係設定一操作模式並且依據該操作模式驅使該感測裝置進行該物質之一物質容積量測或該物質之一物質品質量測，或同時進行該物質之該物質容積量測與該物質之該物質品質量測。該感測模組對該物質容積量測之一結果產生一第一訊號以對外輸出該第一訊號；該感測模組對該物質品質量測之一結果產生一第二訊號以對外輸出該第二訊號；該輸出訊號包含該第一訊號與該第二訊號。

請參考圖3，其係為本發明之物質感測方法之另一實施例流程圖。本發明之物質感測方法包含下列步驟：

T02：安裝本發明之感測裝置。接著，本發明之物質感測方法進入步驟T04。

T04：校正環境參數。接著，本發明之物質感測方法進入步驟T06。

T06：感測物質並運算與判斷物質特徵。接著，本發明之物質感測方法進入步驟T08或T10。

T08：進行物質的物理性測量容積計算以產生第一訊號。接著，本發明之物質感測方法進入步驟T12。

T10：進行物質的品質量測以鑑別不同物質種類以產生第二訊號。接著，本發明之物質感測方法進入步驟T12。

T12：操作模式選擇。本發明之物質感測方法可以選擇單一訊號輸出，或該第一訊號與該第二訊號任意組合之複數訊號輸出；接著，輸出電路依操作模式將訊號轉換成現有類比或數位通訊界面的訊號，其中現有類比或數位通訊界面為例如但本發明不限定為Wireless HART界面、RS-485界面、4-20mA界面或IO-Link界面等等。

換言之，本發明的第三個技術特徵是提供一種判斷方法以綜合地考量與判斷物質的介電常數的變化、溫度的變化以及物質的容積的變化，以設計出一個判斷公式：Curve(x)=f(T，ε)+I(T，ε，V)，其中f代表發射頻率，I代表回饋訊號強度，T代表溫度，ε代表物質的介電常數，V代表物質的容積。

請參考圖4，其係為本發明之阻抗頻譜之波形圖；請參考圖5，其係為本發明之該些狀態區之示意圖；圖4包含了7條曲線(即，在7種不同狀態下所分別量測到的7個波形訊號)，他們為一第一波形訊號2001、一第二波形訊號2002、一第三波形訊號2003、一第四波形訊號2004、一第五波形訊號2005、一第六波形訊號2006及一第七波形訊號2007；在圖4與圖5當中，頻率的單位為赫茲，強度的單位則不予限制，可為任意單位。

依照上述公式、圖4及圖5，阻抗頻譜可以區分為五個狀態區，包含一個測量區1000以及四個變異區，其中四個變異區包含一第一變異區1001、一第二變異區1002、一第三變異區1003及一第四變異區1004；該測量區1000係位於一事先定義中間頻率位置；依據複數之預設訊號強度邊界(包含一第一預設訊號強度邊界3001、一第二預設訊號強度邊界3002、一第三預設訊號強度邊界3003及一第四預設訊號強度邊界3004)，該些變異區(即該第一變異區1001、該第二變異區1002、該第三變異區1003及該第四變異區1004)係分別分佈在該測量區1000之兩側。

在該測量區1000：溫度在預先設定範圍；物質介電常數在預先設定範圍；物質容積具變化值；發射頻率在預先設定範圍；回饋訊號強度具變化值。在這個模式下，其通常屬於事先定義物質的容積的變化的量測區域。

換句話說，該波形訊號的該訊號強度的一最大值被定義為一強度最大值；當該強度最大值的一頻率介於一第一頻率與一第二頻率時(例如圖4所示之該第五波形訊號2005、該第六波形訊號2006及該第七波形訊號2007)，該外部環境溫度被判定為在一預先設定溫度範圍，該物質之該介電常數被判定為在一預先設定介電常數範圍，該物質之該物質等效容積被判定為超出一預先設定容積範圍，該反射訊號之一訊號強度被判定為超出一預先設定反射強度範圍，其中該第二頻率大於該第一頻率。

在該第一變異區1001：溫度超出預先設定範圍；物質介電常數低於預先設定範圍；物質容積變化不明顯，在一定定義範圍內；發射頻率高於預先設定範圍；回饋訊號強度高於預先設定範圍。在這個模式下(溫度變化且物質變化)，其通常屬於容積沒有變化，但物質有性質上變化(物質改變為不同物質或物質本身性質變化)的一種區域。

換句話說，當該強度最大值的該頻率大於該第二頻率且該強度最大值大於一第一強度預設值時(例如圖4所示之該第一波形訊號2001)，該外部環境溫度被判定為超出該預先設定溫度範圍，該物質之該介電常數被判定為低於該預先設定介電常數範圍，該物質之該物質等效容積被判定為在該預先設定容積範圍，該反射訊號之該訊號強度被判定為超出該預先設定反射強度範圍，但該物質之該物質品質被判定為改變。

在該第二變異區1002：溫度超出預先設定範圍；物質介電常數高於預先設定範圍；物質容積變化不明顯，在一定定義範圍內；發射頻率低於預先設定範圍；回饋訊號強度低於預先設定範圍。在這個模式下(溫度變化且物質變化)，其通常屬於容積沒有變化，但物質有性質上變化(物質改變為不同物質或物質本身性質變化)的一種區域。

換句話說，當該強度最大值的該頻率小於該第一頻率且該強度最大值不大於一第二強度預設值時(例如圖4所示之該第三波形訊號2003)，該外部環境溫度被判定為超出該預先設定溫度範圍，該物質之該介電常數被判定為高於該預先設定介電常數範圍，該物質之該物質等效容積被判定為在該預先設定容積範圍，該反射訊號之該訊號強度被判定為低於該預先設定反射強度範圍，但該物質之該物質品質被判定為改變。

在該第三變異區1003：溫度在預先設定範圍；物質介電常數高於預先設定範圍；物質容積變化不明顯，在一定定義範圍內；發射頻率低於預先設定範圍；回饋訊號強度在預先設定範圍。在這個模式下(物質變化)，其通常屬於容積沒有變化，但物質有性質上變化(物質改變為不同物質或物質本身性質變化)的一種區域。

換句話說，當該強度最大值的該頻率小於該第一頻率且該強度最大值大於該第二強度預設值時(例如圖4所示之該第四波形訊號2004)，該外部 環境溫度被判定為在該預先設定溫度範圍，該物質之該介電常數被判定為高於該預先設定介電常數範圍，該物質之該物質等效容積被判定為在該預先設定容積範圍，該反射訊號之該訊號強度被判定為在該預先設定反射強度範圍，但該物質之該物質品質被判定為改變。

在該第四變異區1004：溫度在預先設定範圍；物質介電常數低於預先設定範圍；物質容積變化不明顯，在一定定義範圍內；發射頻率在高於預先設定範圍；回饋訊號強度在預先設定範圍。在這個模式下(物質變化)，其通常屬於容積沒有變化，但物質有性質上變化(物質改變為不同物質或物質本身性質變化)的一種區域。

換句話說，當該強度最大值的該頻率大於該第二頻率且該強度最大值不大於該第一強度預設值時(例如圖4所示之該第二波形訊號2002)，該外部環境溫度被判定為在該預先設定溫度範圍，該物質之該介電常數被判定為低於該預先設定介電常數範圍，該物質之該物質等效容積被判定為在該預先設定容積範圍，該反射訊號之該訊號強度被判定為在該預先設定反射強度範圍，但該物質之該物質品質被判定為改變。

因此，本發明的第三個技術特徵為，藉由上述五個區域的事先定義以綜合地判斷物質的介電常數的變異、環境的溫度的變異以及物質的容積的變異；本發明包含至少一個上述區域的判別。

請參考圖6，其係為本發明之概念圖。本發明可綜合地評判相同物料下的訊號強度變化、不同物料下的訊號頻率變化以及環境溫度影響的特性偏移。結合上述所言，利用阻抗頻譜感測器的掃頻原理、靜電容/射頻導納型感測器判斷強度的方式、連續式感測器的探棒結構以及考慮環境溫度影響的補償電路，本發明提供一種可以量測桶槽內物質容量的多寡，且同時判斷物質的品質狀況，而不會受到環境溫度變化影響的接觸式多功型連續式感測裝置。

阻抗頻譜感測器與靜電容/射頻導納感測器的原理均是將安裝環境下的物質視為一等效電容值，感測器的探棒偵測該等效電容值的變化來進行輸出與反應，其變化的大小取決於物質的介電常數的大小，如果物質的介電常數越大，則變化越大，如果物質的介電常數越小，則變化越小。而靜電容/射頻導納連續式感測器係將探棒接觸物質的面積進行計算，以判斷桶槽內物質的容量。而物質的品質是否會在量測中變化，是需要另外安裝其他感測裝置進行偵測，使其可以達到監測桶槽內物質的容量與品質的效果。

本發明將阻抗頻譜感測器與靜電容/射頻導納感測器的原理進行結合；利用可調整頻率的訊號及接觸型連續式探棒的結構設計，本發明感測從物質的回饋訊號的頻率響應特性以分析訊號頻率的變化與訊號強度，並且進行環境溫度造成電路與物質的補償；本發明判斷桶槽內物質的變化、確認物質的品質以及偵測物質的溫度，並接著顯示結果在感測模組的使用者介面或透過界面(例如但本發明不限定為Wireless HART界面、RS-485界面、4-20mA界面或IO-Link界面等等)輸出到中控系統。

亦即，本發明利用感測模組以感測反射訊號的頻率變異與強度變化，藉由事先定義好之物質的電容率與環境溫度變化的補償，利用雙重判斷模式，本發明透過輸出電路及界面(例如但本發明不限定為Wireless HART界面、RS-485界面、4-20mA界面或IO-Link界面等等)輸出判斷結果，使得訊號頻率偏移曲率與訊號強度變化可被得知，藉此本發明計算出物質高度(即物質容積)與物質品質。再者，本發明也可選擇單一模式測量(料位高度)或多工模式測量(物質劣化判斷)。

然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本發明還可有其它多種實施例，在不背 離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。

10‧‧‧感測裝置

20‧‧‧物質

30‧‧‧桶槽

102‧‧‧探棒

104‧‧‧感測模組

106‧‧‧物質感測電路

108‧‧‧運算單元

110‧‧‧訊號輸出電路

112‧‧‧掃頻訊號

114‧‧‧反射訊號

116‧‧‧溫度感測電路

118‧‧‧溫度感測訊號

120‧‧‧溫度感測單元

122‧‧‧第一訊號輸出電路

124‧‧‧第二訊號輸出電路

126‧‧‧第一訊號

128‧‧‧第二訊號

Claims (12)

1. 一種感測裝置，用以感測一物質之一介電常數之一變化狀態，該裝置感測裝置包含：一探棒；及一感測模組，該感測模組連接該探棒，其中該感測模組包含：一物質感測電路；一運算單元，該運算單元電性連接至該物質感測電路；及一訊號輸出電路，該訊號輸出電路電性連接至該運算單元，其中該感測模組產生一掃頻訊號並且傳送該掃頻訊號至該探棒以感測該物質之一狀態；該掃頻訊號為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號；當該掃頻訊號接觸到該物質時，利用該物質的一等效電容產生一反射訊號；該物質感測電路接收該反射訊號並傳遞該反射訊號至該運算單元；該運算單元對該反射訊號運算以產生一波形訊號以判斷該物質之該狀態；其中該運算單元利用一阻抗頻譜以判斷該物質之該狀態；該阻抗頻譜界定有複數之狀態區；該些狀態區的每一個分別具有不同的一輸出訊號；該運算單元應用該波形訊號之一訊號強度與一分佈頻率於該阻抗頻譜以判斷該波形訊號在該些狀態區的一位置，並據此進行一換算以得到該物質之一物質等效容積以及一物質品質並判斷該物質之該狀態；依據該波形訊號在該些狀態區的該位置，該運算單元利用該訊號輸出電路向外輸出該位置的該狀態區的該輸出訊號； 其中該些狀態區包含一測量區以及複數個變異區；該測量區係位於一事先定義中間頻率位置；依據複數之預設訊號強度邊界，該些變異區分別分佈在該測量區之兩側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測模組更包含：一溫度感測電路，該溫度感測電路電性連接至該運算單元，其中該溫度感測電路係用以產生一溫度感測訊號並傳送該溫度感測訊號至該運算單元；該運算單元利用該溫度感測訊號對該波形訊號進行一訊號補償。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中該溫度感測電路係用以偵測一外部環境溫度以產生該溫度感測訊號。
4. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，更包含：複數之溫度感測單元，該些溫度感測單元的每一個係分別間隔地設置於該探棒上且分別電性連接至該溫度感測電路，其中該些溫度感測單元係用以偵測一外部環境溫度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該訊號輸出電路包含：一第一訊號輸出電路，該第一訊號輸出電路電性連接至該運算單元；及一第二訊號輸出電路，該第二訊號輸出電路電性連接至該運算單元，其中該運算單元對應該物質等效容積驅動該第一訊號輸出電路以輸出一第一訊號；該運算單元對應該物質品質驅動該第二訊號輸出電路以輸出一第二訊號；該輸出訊號包含該第一訊號與該第二訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之感測裝置，其中該第一訊號為一類比訊號且該第二訊號為一類比訊號。
7. 如申請專利範圍第5項所述之感測裝置，其中該第一訊號為一數位訊號且該第二訊號為一數位訊號。
8. 如申請專利範圍第5項所述之感測裝置，其中該第一訊號為一類比訊號且該第二訊號為一數位訊號，或者是該第一訊號為一數位訊號且該第二訊號為一類比訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述之感測裝置，其中在一訊號補償模式當中，該感測模組產生一溫度感測訊號以對該波形訊號進行一訊號補償。
10. 一種物質感測方法，包含：準備一感測裝置，其中該感測裝置係用以量測一物質之一狀態且具有一探棒及連接該探棒的一感測模組；將該探棒設置於該物質中；對該感測裝置進行一環境校正；利用該感測模組產生一掃頻訊號並且傳送該掃頻訊號至該探棒以感測該物質之該狀態，其中該掃頻訊號為在一預設頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號；當該掃頻訊號接觸到該物質時，利用該物質的一等效電容產生一反射訊號；該感測模組對該反射訊號運算以產生一波形訊號並進行一量測模式以判斷該物質之該狀態而得到一量測結果並對外輸出，其中該量測模式為利用一阻抗頻譜判斷該物質之該狀態，該阻抗頻譜界定有複數之狀態區，該些狀態區的每一個分別具有不同的一輸出訊號；該感測模組應用該波形訊號之一訊號強度與一分佈頻率於該阻抗頻譜以判斷該波形訊號在該些狀態區的一位置，並據此進行一換算以得到該物質之一物質等效容積以及一物質品質並判斷該物質之該狀態；及 依據該波形訊號在該些狀態區的該位置，該感測模組向外輸出該位置的該狀態區的該輸出訊號；其中該些狀態區包含一測量區以及複數個變異區；該測量區係位於一事先定義中間頻率位置；依據複數之預設訊號強度邊界，該些變異區分別分佈在該測量區之兩側。
11. 如申請專利範圍第10項所述之物質感測方法，更包含：設定一操作模式並且依據該操作模式驅使該感測裝置進行該物質之一物質容積量測或該物質之一物質品質量測，或同時進行該物質之該物質容積量測與該物質之該物質品質量測。
12. 如申請專利範圍第11項所述之物質感測方法，其中該感測模組對該物質容積量測之一結果產生一第一訊號以對外輸出該第一訊號；該感測模組對該物質品質量測之一結果產生一第二訊號以對外輸出該第二訊號；該輸出訊號包含該第一訊號與該第二訊號。