TWI723757B - 液位監測系統及其方法 - Google Patents

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TWI723757B
TWI723757B TW109102526A TW109102526A TWI723757B TW I723757 B TWI723757 B TW I723757B TW 109102526 A TW109102526 A TW 109102526A TW 109102526 A TW109102526 A TW 109102526A TW I723757 B TWI723757 B TW I723757B
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黃俊銘
陳振嘉
林志興
吳建明
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財團法人國家實驗研究院
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Abstract

一種液位監測系統包含一硬體單元、一處理單元、一訊號發射單元及一感測單元。該硬體單元包括一延伸一管件長度的內管件。該處理單元存有一可變動之頻率範圍且根據該頻率範圍輸出各別的發射控制訊號。該訊號發射單元用於根據每一發射控制訊號發出對應的入射波。每一入射波根據一液面而反射形成一反射波。該感測單元接收並對應每一反射波輸出對應的回饋訊號至該處理單元。該處理單元將該等回饋訊號中對應具有振幅最大值之頻率標記為一最大振幅頻率，且根據該最大振幅頻率及該管件長度運算出一液位高度。透過該處理單元將該等回饋訊號中具有振幅最大值所對應之頻率標記為最大振幅頻率，以透過空氣柱共振之原理計算出該液位高度。

Description

液位監測系統及其方法
本發明是有關於一種液位監測系統及其方法，特別是指一種以音波為基礎的液位監測系統及其方法。
習知的液位監測系統用於量測液位高度，主要分為兩種，一種為接觸式、一種為非接觸式，接觸式的液位監測系統的量測方式為透過液體的壓力或浮力來計算液位高度，非接觸式的液位監測系統則是透過測量超音波或雷達波飛行時間(Time of flight)以計算出液位高度。前述的液位監測系統主要有以下缺點：
一、建置成本高，接觸式的液位監測系統的建置成本約10k~30k，非接觸式的液位監控系統的建置成本則為30k~300k，若要大面積監控液位，所耗費的成本相當高昂。此外，非接觸式的液位監控系統還有維修成本高昂的問題。
二、解析度低，接觸式的液位監測系統的解析度為5mm~10mm，而非接觸式的液位監控系統的解析度則為2mm(利用雷達波)~10mm(利用超音波)，因此，除了不能用於進行高準確度 的實驗外，解析度為固定，不能根據使用者的需求調整。
因此，本發明的第一目的，即在提供一種建置成本低的液位監測系統。
於是，本發明液位監測系統，適用於量測一液面的一液位高度，該液位監測系統包含一硬體單元、一處理單元、一訊號發射單元，及一感測單元。
該硬體單元包括一穿設該液面且延伸一管件長度的內管件。該內管件界定出一傳遞通道。
該處理單元設置於該硬體單元，並存有一可變動之頻率範圍，且根據該頻率範圍內的複數頻率輸出各別的發射控制訊號。
該訊號發射單元設置於該硬體單元，並用於根據每一發射控制訊號發出對應的入射波。每一入射波沿該傳遞通道傳遞且根據該液面而反射形成一反射波。
該感測單元用於接收該等反射波，並對應每一反射波輸出對應的回饋訊號至該處理單元。
其中，該處理單元接收該等回饋訊號，並將該等回饋訊號中對應具有振幅最大值之頻率標記為一最大振幅頻率，且至少根據該最大振幅頻率及該管件長度運算出該液位高度。
因此，本發明的第二目的，即在提供一種建置成本低的液位監測方法。
於是，本發明液位監測方法，適用於計算一內管件之內部之一液面的一液位高度。該液位監測方法運用於一處理單元。該處理單元適用於訊號連接一訊號發射單元及一感測單元。該訊號發射單元接收一發射控制訊號並發出一對應的入射波，該入射波根據該液面而反射形成一反射波。該感測單元感測該反射波並輸出一對應的回饋訊號，該液位監測方法包含以下步驟：
(A)該處理單元存有一可變動的頻率範圍，且根據該頻率範圍內的複數頻率輸出各別的該發射控制訊號。
(B)該處理單元接收該等回饋訊號，並將該等回饋訊號中對應具有振幅最大值之頻率標記為一最大振幅頻率。
(C)該處理單元至少根據該最大振幅頻率與該內管件之長度運算出該液位高度。
本發明之功效在於：本發明是利用音波量測液位，相較於先前技術的雷達波或超聲波，成本較低，藉此達到降低建置成本的功效。
1:硬體單元
11:內管件
111:傳遞通道
12:反射件
121:反射面
13:容置盒
14:連接模組
141:連接件
142:連接筒件
143:連接部
144:螺紋部
145:夾持部
146:固定部
15:連通件
151:貫孔
16:固定組
161:固定件
17:墊圈
2:處理單元
21:處理器
22:通訊模組
3:訊號發射單元
31:擴音器
4:感測單元
41:波動感測器
42:溫度感測器
5:液體
51:液面
9:水槽
101:步驟
102:步驟
103:步驟
104:步驟
105:步驟
S1:發射控制訊號
S2:回饋訊號
S3:溫度感測訊號
L:管件長度
h:液位高度
H:距離
D:直徑
P,Q,R:標記點
f0:中心頻率
△f:頻率區間
fP:頻率
fQ:頻率
fR:頻率
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式 中清楚地呈現，其中：圖1是一張立體圖，說明本發明液位監測系統的一個實施例；圖2是該實施例的一張立體分解圖；圖3與圖4分別是沿著圖1中之線III-III與線IV-IV所截取的剖視示意圖；圖5(a)與圖5(b)分別是該實施例於設置一反射件前、後的量測示意圖；圖6是該實施例的反射波在不同共振模態數的量測示意圖；圖7是本發明液位監測方法的一張流程圖；圖8是該實施例的一張電路方塊示意圖；圖9(a)與圖9(b)分別是該實施例於溫度校正前、後的量測示意圖；及圖10(a)與圖10(b)分別是該實施例的一頻率範圍變動之前、後的量測示意圖。
參閱圖1、圖2及圖3，本發明液位監測系統的一實施例適用於量測一液面51的一液位高度h，該液面51為一液體5的表面。
該液位監測系統包含一硬體單元1、一處理單元2、一訊號發射單元3，及一感測單元4。
該硬體單元1包括一穿設該液面51的內管件11、一設置在該液面51的反射件12、一位於該液面51之上方的容置盒13、一連接該容置盒13與該內管件11的連接模組14、一設置於該內管件11之相反於該容置盒13之一側的連通件15、一用於固定該內管件11的固定組16，及一設置在該容置盒13與該連接模組14間的墊圈17。
該內管件11界定出一傳遞通道111，且延伸有一管件長度L。其中，該內管件11可以是如圖3所示為設置在一水槽9，且離該水槽9底部具有一距離H，但也可以是依實際需求而設置在下水道、蓄水池等處，該內管件11也可以是直接貼靠在底部設置。當該內管件11是離底部該距離H設置時，所計算得出之該液位高度h需再加上該距離H才是實際的液位高度。
該反射件12具有一朝向該感測單元4的反射面121。該反射件12能浮於該液面51上且該反射面121之材質為緻密物質，其目的在於減少每一入射波反射後能量的耗損。值得說明的是，請參閱圖5(a)與圖5(b)，其中，強度AP<AQ，也就是說，未設置該反射件12時，該等反射波的振幅較小(如圖5(a))，在設置該反射件12後，該等反射波所呈現之波形之振幅較大(如圖5(b))，可見該反射件12確實可以減少能量耗損而提升該等反射波的振幅，藉此，較佳是在液位高度h較低時，也就是每一反射波需傳輸較長之距離時，選擇 設置該反射件12，使該等反射波的振幅能維持一定的強度，而能供後述之該感測單元4量測，以降低量測誤差。
參閱圖1、圖2、圖3及圖4，該連接模組14具有一套設於該內管件11且可拆卸地組裝於該容置盒13的連接件141，及一套設該內管件11與該連接件141且與該連接件141相配合以環繞並迫緊該內管件11的連接筒件142。
該連接件141具有一可拆卸地固定於該容置盒13之底部的連接部143、一連接該連接部143且外表面形成有螺紋的螺紋部144，及數由該螺紋部144下周緣延伸且用於迫緊該內管件11的夾持部145。
該連接筒件142的內表面形成有與該連接件141之螺紋部144配合以互相螺鎖的螺紋，且為一止漏管夾(Repair clamp)，藉此使該連接筒件142能透過夾持的方式連接不同直徑的該內管件11。具體來說，該連接筒件142具有一設置於外表面的扣合部146。如此，使用者可以透過數穿設於該扣合部的螺絲(圖未示)，使該扣合部146扣合以夾持該內管件11，藉此使該連接筒件142能連接不同直徑的該內管件11。
該連通件15具有數連通該內管件11內部的貫孔151，藉此，使內管件11之內外液面高度相同。
該固定組16具有二沿垂直方向相間隔地設置在該內管件 11外的固定件161。該等固定件161適用於透過複數螺絲(圖未示)而固定於該水槽9。
該墊圈17被夾設在該連接件141的連接部143、該內管件11之一端面與該容置盒13之外表面間。
參閱圖3、圖4及圖8，該處理單元2設置於該硬體單元1的該容置盒13，並包括一處理器21、一通訊模組22，及一顯示件(圖未示)。
該處理器21存有一可變動之頻率範圍，並訊號連接於該通訊模組22，該處理器21根據該頻率範圍內的複數頻率經該通訊模組22輸出各別的發射控制訊號S1。在本實施例中，該處理器21為一電腦，該顯示件為一電腦螢幕，以分別計算及顯示該液位高度h。在本實施例的其他變化態樣中，該處理器21與該顯示件也可以是一體地，同時具有顯示及計算功能，又或者是，該處理器21與該顯示件為兩個各別之元件，該處理器21將計算後的數據傳送至該顯示件顯示。
該通訊模組22使該感測單元4與該訊號發射單元3訊號連接至該處理器21。在本實施例中，該通訊模組22是訊號連接線，使該感測單元4與該訊號發射單元3訊號連接至該處理器21。在本實施例的其他變化態樣中，該通訊模組22也可以是無線通訊元件(如：藍芽、WIFI與其他行動通訊)，使該感測單元4及該訊號發射 單元3與該處理器21間是以無線方式連接。
進一步說明的是，該通訊模組22還可以用於將該處理器21所計算出的該液位高度h傳送至一遠端資料庫(圖未示)，藉此，使用者在有需求時，再透過讀取該遠端資料庫內的資訊，以獲得即時或先前時間的該液位高度h。
該訊號發射單元3設置於該硬體單元1的容置盒13，並用於根據每一發射控制訊號S1發出對應的入射波。在本實施例中，該訊號發射單元3包括一擴音器31(電阻值為4Ω，功率為3W)及一訊號產生器(圖未示，Direct Digital Synthesizer，型號可以但不限於是AD9838)。該訊號產生器訊號連接於該處理器21，並用於接收該等發射控制訊號S1，及對應該等發射控制訊號S1控制該擴音器31發出對應的入射波。
每一入射波沿該傳遞通道111傳遞且根據該液面51而反射形成各別之反射波。在本實施例中，每一入射波是透過設置在該液面51的該反射件12之反射面121反射而形成各別的反射波，在本實施例的其他變化態樣中，於未設置該反射件12時，每一入射波是直接藉由該液面51反射而形成各別的反射波。
該感測單元4設置於該硬體單元1的容置盒13，並包括一設置於該內管件11內部且用於接收該等反射波的波動感測器41，及一設置於該內管件11內部且輸出一相關於一環境溫度T的溫度 感測訊號S3的溫度感測器42(型號LM35)。
該波動感測器41對應每一反射波輸出對應的回饋訊號S2至該處理單元2。在本實施例中，該波動感測器41可以但不限於是型號為ADMP401的麥克風組件，且透過該處理器21擷取其中的頻率與振幅資訊。
其中，該處理單元2接收該等回饋訊號S2，並將該等回饋訊號S2中對應具有振幅最大值之頻率標記為一最大振幅頻率，且根據該最大振幅頻率、該內管件11的直徑D、該管件長度L及該環境溫度T運算出該液位高度h。詳細計算步驟請參以下說明。
首先要說明的是，該處理單元2根據下列公式計算該液位高度h：
Figure 109102526-A0305-02-0011-1
其中，f表示該最大振幅頻率，v表示空氣中的聲速，一般為331公尺/秒，n表示一共振模態數，A表示一相關該內管件11之直徑D的參數。
該參數A與該內管件11之直徑D的比值介於0.7~0.9間。
該式(1)之公式為利用空氣柱共振之原理，以計算出該液位高度h，其中，(L-h)為空氣柱長度，該A為校正之參數，由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知其原理，因此在此不詳細推導此式。
在本實施例中，該參數A與該內管件11之直徑D的比值為0.8，且將聲速以v=331+0.6T代入，單位為公尺/秒，T為環境溫度(單位為攝氏溫標)，也就是說，式(1)可以改寫為以下式子：
Figure 109102526-A0305-02-0012-3
以下計算與說明皆以式(2)作為計算公式。
值得說明的是，參閱圖6，在液位高度h、環境溫度T與管件長度L皆相同下，該共振模態數n越高時，該最大振幅頻率f越大，且振幅越小。
參閱圖4、圖7與圖8，本發明液位監測方法的步驟如下：
步驟101：請配合參閱圖10(a)，該處理單元2存有可變動的該頻率範圍，且根據該頻率範圍內的複數頻率發出各別的發射控制訊號S1。該頻率範圍為(f0-△f)~(f0+△f)，f0為一中心頻率，△f為一頻率區間。值得說明的是，在本實施例中，每一頻率是以整數遞增，較佳的是，該頻率範圍內的相鄰二頻率之差值為1Hz，且發射間隔為1秒，也就是說，該訊號發射單元3每隔一秒發射提高1Hz的入射波。
步驟102：該處理單元2接收該等回饋訊號S2，並將該等回饋訊號S2中對應具有振幅最大值之頻率標記為該最大振幅頻率。該波動感測器41接收該等反射波，且較佳是針對該頻率區間進行掃描接收。
步驟103：該處理單元2根據該最大振幅頻率與該管件長度L運算出該液位高度h，亦即，該處理單元2根據該式(1)計算出該液位高度h，並將該液位高度h之資訊傳送至該通訊模組22。
值得說明的是，請參閱圖9(a)與圖9(b)，於實驗中，當液位高度h基本不變時，在未使用溫度校正時之長時間量測圖形如圖9(a)所示，其液位高度h會因溫度變化而跳動，導致所得出的液位高度h不連續，且所計算出的液位高度h之最大值與最小值之間的差值為1.067公分，而於使用即時溫度做量測之長時間量測圖形如圖9(b)所示，其液位高度h可隨溫度變化校正，而成為一連續的線，且所計算出的液位高度h最大值與最小值之間的差值為0.104公分，顯示透過即時溫度量測的步驟可以使量測結果更為準確。因作，於該步驟103中，該處理單元2較佳是還根據該環境溫度T算出該液位高度h，亦即，該處理單元2根據最大振幅頻率f、該管件長度L與該環境溫度T，以該式(2)計算出該液位高度h，並將該液位高度h之資訊傳送至該通訊模組22。
步驟104：該處理單元2對應步驟102中的該最大振幅頻率界定出一新的頻率範圍，該處理單元2會將該新的頻率範圍取代該步驟101中的頻率範圍，詳細來說，該處理單元2使用該最大振幅頻率作為新的中心頻率f0。該步驟104可一併參考圖10(a)與圖10(b)，於圖10(a)時，原始中心頻率為f0，頻率範圍為(f0-△f)~(f0+ △f)，於該步驟102量測後，最大振幅點如圖10(a)中的標記點R，也就是該最大振幅頻率為該標記點R所對應之頻率fR，因此以該頻率fR更新該中心頻率f0，也就是說，新的頻率範圍為(fR-△f)~(fR+△f)，亦即為，當下一次再進行步驟101時，其頻率範圍是如圖10(b)所示的(fR-△f)~(fR+△f)。
步驟105：再次執行該步驟101至該步驟104。
進一步說明，該處理器21還可以根據當前的液位高度h調整該共振模態數n，以符合使用者所需的解析度△h，原理說明如下：當液位高度介於h1~h2之間時，解析度△h之計算公式為：
Figure 109102526-A0305-02-0014-4
其中，f1、f2分別是液位高度為h1、h2時，套用式(2)所計算出的最大振幅頻率f，因此，解析度△h指的是每增加或減少1Hz之頻率所能辨識的高度差值。
由於，由式(2)、(3)中可以看出，液位高度h改變時，最大振幅頻率f也會隨之改變，如此，若是維持該共振模態數n不變，將導致在不同的液位高度h所得到的解析度△h不同。因此，為了在不同的液位高度h皆能維持相同的解析度△h，以得到較佳的偵測精確度，該處理器21較佳是還根據當前的液位高度h調整該共振模態數n。
參照下表一，當該環境溫度T為攝氏25度時，該內管件11的長度L為1.6m，內管件11的直徑D為4.1cm，及液位高度h1、h2分別為0cm、1cm時，表一列出了不同共振模態數n所對應運算出的一共振頻率差值△fn與解析度△h，其中，該共振頻率差值△fn為(f2-f1)之值。
由表一中可見，當共振模態數n越大時，該解析度△h也越小，因此，當所需的解析度△h為小於1mm時，該共振模態數n須至少為15，且該頻率範圍(f0-△f)~(f0+△f)中，2倍的該頻率區間2＊△f須至少大於10.45Hz，才能完整涵蓋所需的頻率掃描區間。
Figure 109102526-A0305-02-0015-8
參閱下表二，表二是根據上述計算方式，在該環境溫度T為攝氏25度，內管件11的直徑D為4.1cm，液位高度h1、h2分別為0cm、1cm時，不同的該內管件11的長度L下，有不同的解析度△h需求時，所運算出的最小共振模態數n，及對應的共振頻率差值△fn。
Figure 109102526-A0305-02-0015-9
例如，在L=1.6m，解析度△h需求為0.1cm時，該共振模態數n最小為15，其對應的共振頻率差值△fn為10.45Hz，此時， 每一頻率實際上所對應的高度差值(解析度△h)為
Figure 109102526-A0305-02-0016-5
0.1cm。
由表一中可見，當內管件11之長度L增加時，若希望達到相同的解析度△h，所需選擇的共振模態數n就要增加。
參閱圖3、圖4及圖8，以下，將描述一完整量測過程，並假設此處的該內管件11為觸底設置，且該環境溫度T為攝氏25度、該內管件11的長度L為1.6m及內管件11的直徑D為4.1cm，且使用者所需的解析度△h為0.1cm。
首先，於初始量測時，使用者先透過目測法或其他量測方式得到一個估計的液位高度h為8cm(即h1)，並將該液位高度h輸入該處理器21，此時，該處理器21會根據前述之方法，以一預定的高度差值計算出h2，並計算出欲達到0.1cm的解析度△h時，最小的共振模態數n為13，且該共振頻率差值△fn為10.1Hz，在本實施過程中，為減少頻繁的該共振模態數n調整，選擇較大的共振模態數n為15，並且，同樣建議使用較大之該頻率區間△f(例如：25Hz)，以避免在液位高度h變動的過程中無法涵蓋其對應的共振頻率差值△fn。
接著，將該共振模態數n為15代入式(2)，可計算出該最 大振幅頻率f為1782Hz。此時，該處理器21所存有的中心頻率為1782Hz，並根據先前所決定的頻率區間△f為25Hz，因此頻率範圍是(1782-25)Hz~(1782+25)Hz，也就是1757~1807Hz。
於設定完成後，該處理器21進行該步驟101，輸出各別的發射控制訊號S1至該訊號發射單元3，使該訊號發射單元3以間隔為1Hz的方式，將該頻率範圍1757Hz~1807Hz內的每一頻率發出為音波(入射波)。該等入射波受該反射件12的反射面121反射，形成該等反射波，而被該感測單元4的該波動感測器41接收。該波動感測器41接收該等反射波後，對應每一反射波發出各別的回饋訊號S2至該處理器21。此時，該處理器21接收之頻譜可以如圖10(a)之圖形示意，其中，振幅相等的灰色點為該訊號發射單元3所發出的入射波，呈峰形的黑色點為反射波的振幅，也就是該等回饋訊號S2所包含的資訊，其中，圖中的f0為1782Hz，而該頻率範圍(f0-△f)~(f0+△f)就是1757Hz~1807Hz。
接著，該處理器21進行該步驟102與該步驟103，該處理器21將該等回饋訊號S2中對應振幅最大者之頻率標記為該最大振幅頻率。以圖10(a)為示意圖，假設對應振幅最大者的頻率fR為1778Hz，因此，該處理器21根據該式(2)與該最大振幅頻率(1778Hz)計算出該液位高度h為7.599cm，並將該液位高度h之資訊傳送至該通訊模組22，且該通訊模組22將該液位高度h傳送至該 遠端資料庫，藉此，使用者可以透過讀取該遠端資料庫之資訊，以了解當前的液位高度h。
其中，該處理器21於該步驟103時，可以是使用式(1)計算該液位高度h，或是使用式(2)，將該溫度感測器42所量測之環境溫度T列入考量，以計算出更準確的液位高度h。
於前述步驟之後，該處理器21進行該步驟104，將該最大振幅頻率(1778Hz)取代原本的中心頻率(1782Hz)，並界定出新的該頻率範圍為(1778-25)Hz~(1778+25)Hz，亦即，新的頻率範圍是1753Hz~1803Hz。以圖10(b)為示意圖，假想線為原始的頻率範圍，由於量測結果中，中心頻率下降(自1782Hz降為1778Hz)，而向左位移，造成新的頻率範圍向左偏移，而如圖10(b)所示，頻率範圍自兩條鉛直的假想線所示區間位移至兩條鉛直的虛線所示區間。
最後，該處理器21再次執行該步驟101至該步驟104，其中，該步驟101中的頻率範圍更新為1753Hz~1803Hz。
其中，該處理器21較佳是會隨著液位高度h變動，而動態地去調整該共振模態數n，以維持偵測的解析度△h符合所需。舉例來說，於前述實施過程中，使用者可以設定該處理器21於多個水位區間內自動地選擇對應之共振模態數n，例如：於該內管件11的長度為1.6公尺，且所需的解析度為小於1mm(0.1cm)時，將該水 位高度h分為三個區間，第一區間(0~50cm)、第二區間(50cm~100cm)與第三區間(100cm~160cm)，當該水位高度h在在該第一區間(0~50cm)時，該處理器21會自動根據水位高度h選擇n=15，而在該第二區間(50cm~100cm)時，該處理器21會自動根據水位高度h選擇n=5，而在該第三區間(100cm~160cm)時，該處理器21會自動根據水位高度h選擇n=1。
經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：
1.透過該處理單元2將該等回饋訊號S2中具有振幅最大值所對應之頻率標記為最大振幅頻率，以透過空氣柱共振之原理計算出該液位高度h，相較於習知利用超聲波、雷達波等透過飛行時間計算出液位高度h之方式，本發明的各別元件購買成本較低，使總建置成本約為1.7k，相較於習知的液位監測系統為10k~30k或30k~300k，本發明達到降低建置成本的功效。
2.除前述之外，透過設置該內管件11而形成該傳輸通道111及設置該反射件12，除了能使該等反射波在該傳輸通道111內傳遞而不受外界干擾外，該反射件12之反射面121質地緻密的特性還能減少每一入射波反射後能量的耗損，而能解決每一反射波傳送較長之距離後訊號不失真的問題，藉此能達到較佳的環境適應性。
3.除前述之外，透過設置該溫度感測器42，及搭配設計該處理器21能根據即時的該環境溫度T以計算出該液位高度h，藉 此減少因溫度變化而造成的誤差，達到增加量測精準度的功效。
4.更進一步的，透過該步驟104中，該處理器21可以根據該最大共振頻率更新該中心頻率f0，並藉此調整該頻率範圍，藉此使該處理器21可以跟隨液面高度h變化調整頻率範圍，避免液面增減而離開可偵測範圍，此外，還透過該步驟105，而能不斷重複執行該步驟101~該步驟104的測量過程，使得量測可以持續的進行，而能不間斷地量測出該液位高度h，藉此，達到即時監控液位之功效。
5.此外，該處理器21藉由隨著液位高度h變動而動態地去調整該共振模態數n，可以維持偵測的解析度△h符合設計需求，增加量測精準度。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
11 :內管件 111:傳遞通道 12:反射件 121:反射面 13:容置盒 14:連接模組 141:連接件 142:連接筒件 143 :連接部 144 :螺紋部 145 :夾持部 15 :連通件 151 :貫孔 16 :固定組 161 :固定件 17 :墊圈 2 :處理單元 3:訊號發射單元 31:擴音器 4:感測單元 41:波動感測器 5:液體 51:液面 9:水槽 L:管件長度 h:液位高度 H:距離 D:直徑

Claims (10)

  1. 一種液位監測系統，適用於量測一液面的一液位高度，該液位監測系統包含：一硬體單元，包括一穿設該液面且延伸一管件長度的內管件，該內管件界定出一傳遞通道；一處理單元，設置於該硬體單元，並存有一變動的頻率範圍，且根據該頻率範圍內的複數頻率輸出各別的發射控制訊號；一訊號發射單元，設置於該硬體單元，並用於根據每一發射控制訊號發出對應的入射波，每一入射波沿該傳遞通道傳遞且根據該液面而反射形成一反射波；及一感測單元，用於接收該等反射波，並對應每一反射波輸出一對應的回饋訊號至該處理單元；其中，該處理單元接收該等回饋訊號，並將該等回饋訊號中對應具有振幅最大值之頻率標記為一最大振幅頻率，且至少根據該最大振幅頻率及該管件長度運算出該液位高度。
  2. 如請求項1所述的液位監測系統，其中，該感測單元包括一設置於該內管件內部且接收該等反射波的波動感測器，及一設置於該內管件內部且輸出一相關於一環境溫度的感測溫度信號的溫度感測器，該處理單元接收該感測溫度信號並還根據該環境溫度運算出該液位高度。
  3. 如請求項1所述的液位監測系統，其中，該頻率範圍為(f-△f)~(f+△f)，f為一中心頻率，△f為一頻率區間，該處理 單元使用該最大振幅頻率作為新的中心頻率f。
  4. 如請求項1所述的液位監測系統，其中，該硬體單元還包括一設置在液面且具有一反射面的反射件，該反射面用於反射該等入射波以形成對應的該等反射波。
  5. 如請求項1所述的液位監測系統，其中，該硬體單元還包括一用於容置該處理單元、該訊號發射單元及該感測單元的容置盒，及一連接該容置盒與該內管件的連接模組，該連接模組具有一套設於該內管件且可拆卸地組裝於該容置盒的連接件，及一套設該內管件與該連接件且與該連接件相配合以環繞並迫緊該內管件的連接筒件。
  6. 如請求項1所述的液位監測系統，其中，該處理單元根據下列公式計算該液位高度：
    Figure 109102526-A0305-02-0025-6
     其中，f表示該最大振幅頻率，v表示空氣中的聲速，n表示一共振模態數，L、h、A分別表示該管件長度、該液位高度，及一相關該內管件的直徑的參數，該參數與該內管件之直徑的比值介於0.7~0.9間，且該處理單元還根據該液位高度變化調整該共振模態數。
  7. 一種液位監測方法，適用於計算一內管件之內部之一液面的一液位高度，該液位監測方法運用於一處理單元，該處理單元適用於訊號連接一訊號發射單元及一感測單元，該訊號發射單元接收一發射控制訊號並發出一對應的入射波，該入射波根據該液面而反射形成一反射波，該感測單元感測該反射波並輸出一對應的回饋訊號，該液位監測方 法包含以下步驟：(A)該處理單元存有一可變動的頻率範圍，且根據該頻率範圍內的複數頻率輸出各別的該發射控制訊號；(B)該處理單元接收該等回饋訊號，並將該等回饋訊號中對應具有振幅最大值之頻率標記為一最大振幅頻率；及(C)該處理單元至少根據該最大振幅頻率與該內管件之長度運算出該液位高度。
  8. 如請求項7所述的液位監測方法，還包含下列步驟：(D)該處理單元還根據該最大振幅頻率界定出一新的頻率範圍，並將該新的頻率範圍取代該步驟(A)中的該頻率範圍；及(E)該處理單元再次執行該步驟(A)至該步驟(D)。
  9. 如請求項8所述的液位監測方法，其中，該頻率範圍為(f-△f)~(f+△f)，f為一中心頻率，△f為一頻率區間，於步驟(D)中，該處理單元還使用該最大振幅頻率作為新的中心頻率f。
  10. 如請求項7或9所述的液位監測方法，其中，該處理單元根據下列公式計算該液位高度：
    Figure 109102526-A0305-02-0026-7
     其中，f表示該最大振幅頻率，v表示空氣中的聲速，n表示一共振模態數，L、h、A分別表示該管件長度、該液位高度，及一相關該內管件的直徑的參數，該參數與該內管件之直徑的比值介於0.7~0.9間，且該處理單元還根據該 液位高度變化調整該共振模態數。
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