TWI679410B - 嵌入式感測模組及感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種嵌入式感測模組包含一筒體及至少一片狀感測器。筒體環繞出一液流槽，且筒體具有多個流孔，這些流孔與液流槽相連通。至少一片狀感測器嵌設於液流槽。

Description

嵌入式感測模組及感測裝置

本發明係關於一種嵌入式感測模組及感測裝置，特別是一種具有片狀感測器的嵌入式感測模組及感測裝置。

由於目前社會對於環境保護的意識抬頭，因此對於管件中流動的流體之離子濃度、溫度、酸鹼度、電導度、光穿透度、濁度、生化需氧量及特定分子之含量進行檢測，以了解是否管件內的流體各項性質及成分含量是否符合要求。

現階段對於管件或是槽體中的流體之性質及成分含量大多分為離線式或是在線式的檢測方式來得知。所謂的離線式檢測方式是經由分管的設置對於流體進行取樣後，再帶回實驗室進行分析。但是，採樣的流體在進行分析之前已經過一段時間，因此所感測的資訊並非即時資訊，且在運送採樣的流體過程中可能與外界接觸而被汙染，導致流體的檢測結果不準確，故目前大部分都是採用在線式檢測方式。

目前用於在線式檢測方式的感測模組為直接設置於流體流經的管件中進行檢測，且感測模組中的感測器僅能針對流體中單一的性質作量測。若欲同時針對流體中多項性質進行量測時，則需將每個量測不同性質的感測器整合在一起，使得整體感測模組的體積過大而不容易設置於管件上。

本發明在於提供一種嵌入式感測模組及感測裝置，藉以解決先前技術中同時量測流體多個性質的感測器因體積過大而不易安裝於管件的問題。

本發明之一實施例所揭露之一種嵌入式感測模組包含一筒體及至少一片狀感測器。筒體環繞出一液流槽，且筒體具有多個流孔，這些流孔與液流槽相連通。至少一片狀感測器嵌設於液流槽。

本發明之另一實施例所揭露之一種感測裝置包含一流管、一筒體及至少一片狀感測器。流管環繞一液體流道。筒體環繞出一液流槽，且筒體具有多個流孔，這些流孔與液流槽相連通。至少一片狀感測器嵌設於液流槽。其中，筒體可分離地插入流管，以使至少一片狀感測器透過這些流孔連通於液體流道。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

請參閱圖1至圖3。圖1為根據本發明第一實施例所揭露的感測裝置的立體示意圖。圖2為圖1的分解圖。圖3為圖1的剖視圖。

本實施例的感測裝置10例如用來檢測流管100中的流體之子濃度、溫度、酸鹼度、電導度、光穿透度、濁度、生化需氧量及特定分子之含量等性質。

感測裝置10包含一流管100、一筒體200、一密封環300、一第一電連接器400及一片狀感測器500。流管100環繞一液體流道110，液體流道110內通常有流動的流體。流管100具有一內螺紋120，內螺紋120用以供後續說明的筒體200組裝。其中，片狀感測器500可嵌入於筒體200中，以形成一嵌入式感測模組。

筒體200環繞出一液流槽230，且筒體200具有多個流孔240，這些流孔240與液流槽230相連通。詳細來說，筒體200包含軸向上相連的一柱體部210及一組裝座部220，柱體部210環繞液流槽230，且這些流孔240分別位於柱體部210。柱體部210具有二導槽211，二導槽211皆位於液流槽230內。二導槽211分別自柱體部210遠離組裝座部220的一端朝組裝座部220延伸。組裝座部220包含一座體221及一組裝環222，且組裝環222凸出於座體221。柱體部210連接於組裝環222遠離座體221的一端。組裝環222具有一外壁面2221及一外螺紋結構2222，且外螺紋結構2222位於外壁面2221上。筒體200可分離地插入流管100，並透過組裝環222的外螺紋結構2222螺合於流管100的內螺紋120，以使筒體200固定於流管100。

組裝環222更具有一套設槽2223，套設槽2223位於外壁面2221上，且套設槽2223位於外螺紋結構2222與座體221之間。密封環300套設於套設槽2223而被夾持於座體221與流管100之間，以防止流體從筒體200之座體221與流管100的接合處溢漏。第一電連接器400設置於組裝座部220的座體221內，且片狀感測器500的相對二端分別對應二導槽211，並受到二導槽211之導引而嵌設於液流槽230，以使片狀感測器500透過這些流孔240連通於液體流道110。片狀感測器500具有一第二電連接器510，且第二電連接器510電性連接於第一電連接器400。

在本實施例中，片狀感測器500為透過微機電製程技術及網版電極印刷技術所製成，且片狀感測器500可為量測流體單一性質的感測器，或是可為同時量測流體多種性質的多重感測器。此外，第一電連接器400是透過防水封裝並內嵌於組裝座部220的座體221內，且座體221遠離柱體部210之一端由電線11穿設並電性連接於第一電連接器400，用以提供片狀感測器500所需之電力，以及傳輸片狀感測器500所感測之訊號。

在本實施例中，藉由筒體200的結構與筒體200的流孔240，可減緩原本位於流管100中流動的流體之流速及壓力，使流體經由這些流孔進入液流槽230後的流體流速及壓力變小而形成穩定的流場，因此可避免片狀感測器500被破壞外，還可提升量測流體的性質及成分含量的準確度及數值的穩定性。此外，更可藉由調整這些流孔240的直徑D1、筒體200的內徑D2、筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1及柱體部210的管長L2的大小，以進一步提升筒體200之液流槽230內降速及降壓的效果，以下將藉由模擬數據進行詳細說明。

首先以模擬數據說明這些流孔240的直徑D1與筒體200的內徑D2的之間的關係。請先參閱圖4及圖5，圖4為圖3的流孔在不同直徑下所形成之液流槽的流場平均流速折線圖。圖5為圖3的流孔在不同直徑下所形成之液流槽的流場平均壓力折線圖。

以筒體200的內徑D2為50公厘、柱體部210之管長L2為100公厘、筒體200軸向上相鄰的任二流孔240之間距L1為20公厘，流場之長度L為300公厘、寬度W為100公厘、高度H為100公厘，流場的入口流速為10公尺/秒，以及流體之黏滯係數為1×10^-3 Pa．S為模擬條件下，觀察在不同流孔240之直徑之下流速與壓力的變化。

由圖4及圖5可知，隨著這些流孔240的直徑D1從2公厘變化到10公厘，位於液流槽230內的流體流速隨著流孔240的直徑D1增加，流體流速及流體壓力亦增加。其中，若這些流孔240的直徑小於2公厘時，液流槽230內的流體流速與壓力皆為0，即表示流體並未進入液流槽230內。接著，若這些流孔240的直徑D1為6公厘時，位於液流槽230內的流體流速已從10公尺/秒降至5.12公尺/秒，且位於液流槽230內的流體壓力亦從約8.20×10⁴ Pa降至5.23×10⁴ Pa，即代表在這些流孔240的直徑D1為6公厘之下可有效降低位於液流槽230內的流體流速及流體壓力。但若這些流孔240的直徑D1為10公厘時，位於液流槽230之流體流速與流體壓力與流場之入口流速及流體壓力相當，亦即這些流孔240過大而無明顯之減速及減壓之效果。由此可知，這些流孔240的直徑D1與筒體200的內徑D2之比值大約介於十分之一至五分之一之間，可更有效地降低液流槽230內的流體流速及流體壓力。

接著，透過已知流體的電導度及相對應的量測電壓，判斷不同流孔240的直徑D1之下所形成之液流槽230的流場對於片狀感測器500所感測已知流體的量測電壓值之影響，請參閱圖6及圖7，圖6為圖3的流孔在不同直徑下片狀感測器所感測之電壓隨著時間變化的折線圖。圖7為圖3的流孔在不同直徑下片狀感測器所感測之電壓量測變異數的折線圖。

舉例來說，若已知流體的電導度為0.748mS/cm，則此已知流體在靜止狀態下的量測電壓為296毫伏。但若流體是位於液流槽230中，則以前述模擬相同配置之下，片狀感測器500在不同時間所感測出流體的電壓值則會隨著這些流孔240的直徑D1的增加而呈現波動的狀態，且電壓量測變異數亦會隨著這些流孔240的直徑D1增加而變大。詳細來說，由圖6及圖7所示，可觀察出當這些流孔240的直徑D1小於2公厘時，因液流槽230內的流體之流速為0，故電壓量測的變異數為0。但當這些流孔240的直徑D1為10公厘時，因液流槽230內的流體流速近似流場之入口流速，因此片狀感測器500會受到流體之的流動及壓力之擾動，而使得所量測的電壓在不同時間之下會呈現波動的狀態，且電壓量測的變異數則高達206毫伏。因此，可得知在液流槽230內流體流動的狀態下，這些流孔240的直徑D1與筒體200的內徑D2之比值大約介於十分之一至五分之一之間，可保有較低的量測電壓變異數之下，又還具有進一步降低液流槽230內的流體流速及流體壓力的效果。

經由前述之模擬與實驗，可判斷出當這些流孔240的直徑D1為6公厘時，不僅能有效地使液流槽230內的流體流速及流體壓力降低外，亦對於片狀感測器500的量測變異數保持在可接受的範圍內。接著，將這些流孔240的直徑D1設定在6公厘且其他條件不變之情形下，模擬不同筒體200的內徑D2對於液流槽230內流體流速及流體壓力的影響。請參閱圖8及圖9，圖8為圖2的筒體在不同內徑下所形成之液流槽的流場平均流速折線圖。圖9為圖2的筒體在不同內徑下所形成之液流槽的流場平均壓力折線圖。

由圖8及圖9所示，在筒體200的內徑D2為70公厘及90公厘的情形下，位於液流槽230內流體流速分別為10.53公尺/秒及12.5公尺/秒，且流體壓力分別為10.25×10⁴ Pa及20×10⁴ Pa。由此可知，隨著筒體200的內徑D2增加，位於液流槽230內的流體流速及流體壓力亦會隨之增加。其中，在筒體200的內徑D2為70公厘時，液流槽230的流速已趨近於流場之入口流體流速，更當筒體200的內徑D2為90公厘時，液流槽230的流速更超過流場之入口流體流速，因此在筒體200的內徑D2為70公厘及90公厘之下的量測變異數會比筒體200的內徑D2為50公厘之情形下更為增加。綜合前述之模擬及實驗，可驗證這些流孔240的直徑D1與筒體200的內徑D2之比值大約介於十分之一至五分之一之間，可進一步地將液流槽230內的流體流速及流體壓力降低，以獲得較小的量測變異數，而使片狀感測器500的感測值正確性更為提高。

接著，再以模擬數據說明筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1與柱體部210的管長L2之間的關係，其中二流孔240之間距L1指的是流孔240中心到另一流孔240中心的距離。請先參閱圖10及圖11，圖10為圖2的筒體軸向上相鄰的二流孔在不同間距下所形成之液流槽的流場平均流速折線圖。圖11為圖2的筒體軸向上相鄰的二流孔在不同間距下所形成之液流槽的流場平均壓力折線圖。

以筒體200的內徑D2為50公厘、柱體部210之管長L2為100公厘、這些流孔240的直徑D1為20公厘，流場之長度L為300公厘、寬度W為100公厘、高度H為100公厘，流場的入口流速為10公尺/秒，以及流體之黏滯係數為1×10^-3 Pa．S為模擬條件下，觀察筒體200軸向上相鄰的二流孔240在不同間距L1之下流速與壓力的變化。

由圖10及圖11所示，可得知隨著筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1增加，對於液流槽230內的流體流速及流體壓力會逐漸降低。詳細來說，當筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1為10公厘時，液流槽230內的流體流速為11.32公尺/秒，而無減緩流場的入口流速的效果。但當筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1為15公厘時，液流槽230內的流體流速為7.53公尺/秒，對於流場的入口流速已有明顯之減緩的效果。因此，從模擬中可得知筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1與柱體部210的管長L2之比值需大於十分之一，可進一步地將液流槽230內的流體流速及流體壓力降低。

在本實施例中，經由上述模擬及實驗之數據可得知，當這些流孔240的直徑D1與筒體200的內徑D2之間的比值需介於十分之一至五分之一之間，以及筒體200軸向上相鄰的二流孔240之間距L1與柱體部210的管長L2之比值需大於十分之一，可進一步地透降低液流槽230內的流體速度及流體壓力，而形成更穩定平緩的流場，使得片狀感測器500在量測流體之性質及成分含量時，不僅提升了量測的準確度及數值的穩定性外，亦可避免感測裝置10被破壞。

此外，前述模擬及實驗中，每個流孔240之直徑D1大小皆是相同之設置，但並不以此為限。在其他實施例中，可在前述模擬及實驗所得知這些流孔的直徑與筒體的內徑的之間的比值需介於十分之一至五分之一之間，以及筒體軸向上相鄰的二流孔之間距與柱體部的長度之比值需大於十分之一之前提下，這些流孔可具不同大小的直徑之搭配所形成。

另外，在本實施例中，筒體200是透過組裝環222的外螺紋結構2222與流管100之內螺紋120螺合，以使筒體200良好地固定於流管100，使得筒體200不會因受到流管100中的流體壓力而產生位移，而使片狀感測器500的量測準確度及穩定性降低。再者，筒體200與流管100之間利用螺紋螺合的方式，並非用以限定本發明。請參閱圖12，圖12為根據本發明第二實施例的感測裝置的分解圖。

本實施例的感測裝置10’中，筒體200’環繞出一液流槽230’，且筒體200’具有多個流孔240’，這些流孔240’與液流槽230’相連通。詳細來說，筒體200’包含軸向上相連的一柱體部210’及一組裝座部220’。柱體部210’環繞液流槽230’，這些流孔240’分別位於柱體部210’。組裝座部220’包含一座體221’及一組裝環222’，組裝環222’凸出於座體221’，且柱體部210’連接於組裝環222’遠離座體221’的一端。組裝環222’具有一外壁面2221’及第一卡扣結構2222’，且第一卡扣結構2222’位於外壁面2221’。流管100’具有第二卡扣結構120’，第一卡扣結構2222’與第二卡扣結構120’結合，以使筒體200’固定於流管100’。在本實施例中，第一卡扣結構2222’與第二卡扣結構120’的數量各為二個，但並不以此為限。

根據上述實施例所揭露的感測裝置，因片狀感測器在需對於流體之多個性質同時進行量測時，僅需於片狀感測器上增設對應量測流體不同性質的感測元件，因此整合過後的片狀感測器之重量及體積並不會明顯增加，故可容易地設置於流管。

此外，藉由將片狀感測晶片設置於筒體之液流槽內，使得流管中的流體從這些流孔進入液流槽時，由於筒體的結構與筒體之柱體部的流孔的設計，可減緩原本位於流管中流動的流體之流速及壓力，使流體經由這些流孔進入液流槽後的流體流速及壓力變小而形成穩定的流場，因此可避免片狀感測器被破壞外，還可提升片狀感測晶片量測流體的性質及成分含量的準確度及數值的穩定性。

再者，可藉由調整這些流孔的直徑與筒體的內徑的之間的比值介於十分之一至五分之一之間，以及筒體軸向上相鄰的二流孔之間距與柱體部的長度之比值大於十分之一，以進一步地降低液流槽內的流體速度及流體壓力，而形成更穩定平緩的流場，使得片狀感測器在量測流體之性質及成分含量時，不僅更加提升了量測的準確度及數值的穩定性外，更可避免感測裝置被破壞。

另外，在部分實施例中，筒體與流管之間的固定方式分別採用螺紋螺合或是卡扣結構之間的卡固，以使筒體良好地固定於流管，使得筒體不會因受到流管中的流體壓力而產生位移，而可維持片狀感測器的量測準確度及穩定性。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10、10’‧‧‧感測裝置

11‧‧‧電線

100、100’‧‧‧流管

110‧‧‧液體流道

120‧‧‧內螺紋

120’‧‧‧第二卡扣結構

200、200’‧‧‧筒體

210、210’‧‧‧柱體部

211‧‧‧導槽

220、220’‧‧‧組裝座部

221、221’‧‧‧座體

222、222’‧‧‧組裝環

2221、2221’‧‧‧外壁面

2222‧‧‧外螺紋結構

2222’‧‧‧第一卡扣結構

2223‧‧‧套設槽

230、230’‧‧‧液流槽

240、240’‧‧‧流孔

300‧‧‧密封環

400‧‧‧第一電連接器

500‧‧‧片狀感測器

510‧‧‧第二電連接器

D1‧‧‧直徑

D2‧‧‧內徑

L2‧‧‧管長

L1‧‧‧間距

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

H‧‧‧高度

圖1為根據本發明第一實施例所揭露的感測裝置的立體示意圖。 圖2為圖1的分解圖。 圖3為圖1的剖視圖。 圖4為圖3的流孔在不同直徑下所形成之液流槽的流場平均流速折線圖。 圖5為圖3的流孔在不同直徑下所形成之液流槽的流場平均壓力折線圖。 圖6為圖3的流孔在不同直徑下片狀感測器所感測之電壓隨著時間變化的折線圖。 圖7為圖3的流孔在不同直徑下片狀感測器所感測之電壓量測變異數的折線圖。 圖8為圖2的筒體在不同內徑下所形成之液流槽的流場平均流速折線圖。 圖9為圖2的筒體在不同內徑下所形成之液流槽的流場平均壓力折線圖。 圖10為圖3的筒體軸向上相鄰的二流孔在不同間距下所形成之液流槽的流場平均流速折線圖。 圖11為圖3的筒體軸向上相鄰的二流孔在不同間距下所形成之液流槽的流場平均壓力折線圖。 圖12為根據本發明第二實施例的感測裝置的分解圖。

Claims (12)

1. 一種嵌入式感測模組，包含：一筒體，環繞出一液流槽，且該筒體具有多個流孔，該些流孔與該液流槽相連通；以及至少一片狀感測器，嵌設於該液流槽；其中，每一該流孔的直徑與該筒體的內徑之比值介於十分之一至五分之一之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式感測模組，其中該筒體包含軸向上相連的一柱體部及一組裝座部，該柱體部環繞該液流槽，該些流孔分別位於該柱體部。
3. 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式感測模組，其中於該筒體軸向上相鄰的任該二流孔之間距與該柱體部的管長之比值大於十分之一。
4. 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式感測模組，更包含一密封環，該組裝座部包含一座體及一組裝環，該組裝環凸出於該座體，該柱體部連接於該組裝環遠離該座體的一端，該組裝環具有一外壁面、一套設槽及一外螺紋結構，該套設槽與該外螺紋結構皆位於該外壁面上，且該套設槽位於該外螺紋結構與該座體之間，該密封環套設於該套設槽。
5. 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式感測模組，更包含一第一電連接器，該至少一片狀感測器具有一第二電連接器，該第一電連接器設置於該組裝座部內並電性連接於該至少一片狀感測器的該第二電連接器。
6. 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式感測模組，其中該柱體部具有二導槽，該二導槽皆位於該液流槽內，該二導槽分別自該柱體部遠離該組裝座部的一端朝該組裝座部延伸，該至少一片狀感測器的相對二端分別對應該二導槽而嵌設於該液流槽。
7. 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式感測模組，其中該組裝座部包含一座體及一組裝環，該組裝環凸出於該座體，該柱體部連接於該組裝環遠離該座體的一端，該組裝環具有一外壁面及一卡扣結構，該卡扣結構位於該外壁面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式感測模組，其中該些流孔具不同大小的直徑。
9. 一種感測裝置，包括：一流管，環繞一液體流道；一筒體，環繞出一液流槽，且該筒體具有多個流孔，該些流孔與該液流槽相連通；以及至少一片狀感測器，嵌設於該液流槽；其中，該筒體可分離地插入該流管，以使該至少一片狀感測器透過該些流孔連通於該液體流道，每一該流孔的直徑與該筒體的內徑之比值介於十分之一至五分之一之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之感測裝置，其中該筒體包含軸向上相連的一柱體部及一組裝座部，該柱體部環繞該液流槽，該些流孔分別位於該柱體部，該組裝座部包含一座體及一組裝環，該組裝環凸出於該座體，該柱體部連接於該組裝環遠離該座體的一端，該組裝環具有一外壁面及一外螺紋結構，該外螺紋結構位於該外壁面，該流管具有一內螺紋，該外螺紋結構與該內螺紋結合，以使該筒體固定於該流管。
11. 如申請專利範圍第9項所述之感測裝置，其中該筒體包含軸向上相連的一柱體部及一組裝座部，該柱體部環繞該液流槽，該些流孔分別位於該柱體部，該組裝座部包含一座體及一組裝環，該組裝環凸出於該座體，該柱體部連接於該組裝環遠離該座體的一端，該組裝環具有一外壁面及至少一第一卡扣結構，該至少一第一卡扣結構位於該外壁面，該流管具有至少一第二卡扣結構，該至少一第一卡扣結構與該至少一第二卡扣結構結合，以使該筒體固定於該流管。
12. 如申請專利範圍第9項所述之感測裝置，其中該筒體包含軸向上相連的一柱體部及一組裝座部，該柱體部環繞該液流槽，該些流孔分別位於該柱體部，且該筒體軸向上相鄰的任該二流孔之間距與該柱體部的管長之比值大於十分之一。