TWI782450B - 管路液體之監測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種管路液體之監測裝置，包含：夾具可拆卸地固定於管路之外表面；第一超音波探頭設置於夾具；處理模組儲存有最小訊號閾值，控制第一超音波探頭沿管路之徑向發射第一感測訊號及接收對應第一感測訊號之第一反射訊號，依據管路之徑向相鄰及相對第一超音波探頭之第一內表面及第二內表面反射第一感測訊號至第一超音波探頭之時間自第一反射訊號解析出第一時段訊號及第二時段訊號，若判斷第一時段訊號大於最小訊號閾值且第二時段訊號小於最小訊號閾值，則產生代表第一超音波探頭或管路內液體發生異常之警告訊號；顯示單元用以顯示警告訊號。

Description

管路液體之監測裝置
本發明有關監測裝置，且特別是有關一種管路液體之監測裝置。
現今產業大量製造產品的過程需使用儲槽及管路儲存及輸送各種液體，從管路內液體的溫度、壓力、流量、黏度、成分、雜質、氣泡到管路的厚度、材質、瑕疵等液體及管路的狀態資料是有關生產的成本、效率、良率及安全的重要因素，因此，業者發展出例如：溫度計、壓力計、流量計、黏度計、測厚計等各種量測液體及管路的設備。
以裝設方式區分，量測液體及管路的設備區分為侵入（管路）式及非侵入式。侵入式設備至少須將感測元件設置於管路內直接接觸液體進行量測，侵入式設備的量測結果的精確度較高，但容易發生液體滲漏的問題。非侵入式設備容易安裝，但量測結果的精確度較差，若感測器的裝設位置偏差、管路磨耗、液體或環境條件變化過大，甚至會發生無法量測的異常情形，而生產現場人員難以判斷誤差或異常的原因是設備、管路、液體或環境，通常需由設備廠商的技術人員排除異常，不僅耗費時間且影響生產。
在液體儲存及輸送過程，一旦發生空管、液體的組成（例如：雜質、氣泡或分離）或環境條件（例如：溫度、壓力、管路材質）變化，將嚴重影響製程效率及產品良率。目前液體量測設備的業者尚未開發出可監測空管、液體組成變化等異常的設備，使用液體的製造業亟需可準確、全時且便利監測管路液體狀態的技術及裝置。
為解決上述種種問題，本發明提供一種管路液體之監測裝置，包含：夾具、第一超音波探頭、處理模組以及顯示單元。夾具可拆卸地固定於管路之外表面。第一超音波探頭設置於夾具。處理模組連接第一超音波探頭且儲存有最小訊號閾值，控制第一超音波探頭沿管路之徑向發射第一感測訊號及接收對應第一感測訊號之第一反射訊號，依據管路之徑向相鄰及相對第一超音波探頭之第一內表面及第二內表面反射第一感測訊號至第一超音波探頭之時間自第一反射訊號解析出第一時段訊號及第二時段訊號，若判斷第一時段訊號大於最小訊號閾值且第二時段訊號小於最小訊號閾值，則產生代表第一超音波探頭或管路內液體發生異常之警告訊號。顯示單元連接處理模組，用以顯示警告訊號。
於一實施例，自上述第一感測訊號發射的時間點起算，區分上述第一時段訊號及上述第二時段訊號之時間介於上述第一內表面反射上述第一感測訊號至上述第一超音波探頭之時間與上述第二內表面反射上述第一感測訊號至上述第一超音波探頭之時間。
於一實施例，上述處理模組解析上述第一內表面及上述第二內表面反射上述第一感測訊號至上述第一超音波探頭之時間差，依據時間差及二倍之上述第一內表面與上述第二內表面之徑向距離，產生上述液體之實測聲速。
於一實施例，上述處理模組儲存有最大訊號閾值，若上述處理模組判斷上述第一時段訊號大於最大訊號閾值且上述第二時段訊號小於最小訊號閾值，則產生代表上述夾具未正確固定或上述第一超音波探頭未正確設置之檢查訊號；上述顯示單元顯示檢查訊號。
於一實施例，上述管路液體之監測裝置更包含：殼體及溫度感測器，其中殼體設置於上述夾具，溫度感測器與上述第一超音波探頭設置於殼體且連接上述處理模組，溫度感測器用以量測上述管路之外表面之溫度。
於一實施例，若上述處理模組判斷上述第一時段訊號大於上述最大訊號閾值且上述第二時段訊號小於上述最小訊號閾值，則產生代表上述夾具未正確固定或上述殼體未正確設置之檢查訊號；上述顯示單元顯示檢查訊號。
於一實施例，上述管路液體之監測裝置更包含：第二超音波探頭，與上述第一超音波探頭沿上述管路之徑向相對設置於上述夾具，且連接上述處理模組；上述處理模組控制第二超音波探頭接收沿上述管路之徑向通過上述管路之第一感測訊號，若上述處理模組判斷第二超音波探頭接收之上述第一感測訊號小於上述最小訊號閾值，則產生代表上述第一超音波探頭或上述管路內液體發生異常之警告訊號。
於一實施例，若上述處理模組判斷上述第二超音波探頭接收之上述第一感測訊號大於上述最小訊號閾值，則解析上述第一超音波探頭接收上述第二內表面反射上述第一感測訊號至上述第一超音波探頭與上述第二超音波探頭接收上述第一感測訊號之時間差，依據時間差及上述第一內表面與上述第二內表面之徑向距離，產生上述液體之實測聲速。
於一實施例，上述管路液體之監測裝置更包含：第三超音波探頭及第四超音波探頭，設置於上述夾具，且分別連接上述處理模組；上述處理模組控制第三超音波探頭沿與上述管路之徑向成一夾角之方向發射第三感測訊號及第四超音波探頭接收第三感測訊號，解析第三感測訊號自第三超音波探頭至第四超音波探頭之傳輸時間，控制第四超音波探頭沿與夾角成對稱角之方向發射第四感測訊號及第三超音波探頭接收第四感測訊號，解析第四感測訊號自第四超音波探頭至第三超音波探頭之傳輸時間，依據第三感測訊號與第四感測訊號之傳輸距離及傳輸時間差、上述液體之實測聲速、上述管路之徑向面積及第三感測訊號或第四感測訊號通過上述液體之入射角，產生上述液體之流量。
於一實施例，若上述處理模組判斷上述第二時段訊號大於上述最小訊號閾值且上述第三感測訊號或上述第四感測訊號小於上述最小訊號閾值，上述處理模組產生代表調整上述第三超音波探頭與上述第四超音波探頭之相對位置之校正訊號。
本發明之管路流體之監測裝置利用超音波訊號監測管路及液體可大幅減少環境雜訊的干擾，準確判斷管路液體是否發生空管或大量氣泡或大量固形物的情況，且可自我判斷感測元件是否正確設置於管路，提高監測數據的可信度，達成準確、全時且便利監測管路液體之目的。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習本發明所屬技術領域中之通常知識者在研讀本說明書後可據以實施本發明。
圖1為本發明之一實施例之管路液體之監測裝置之側視示意圖。如圖1所示，管路流體之監測裝置1包含：夾具11、第一超音波探頭12、超音波耦合層13、處理模組14及顯示單元15，夾具11可拆卸地固定於管路100的外表面，第一超音波探頭12設置於夾具11，超音波耦合層13夾置於第一超音波探頭12與管路100的第一外表面，處理模組14經由有線或無線通訊方式連接第一超音波探頭12，顯示單元15經由有線或無線通訊方式連接處理模組14。
超音波通過介質傳輸的過程，二種介質的聲阻差異越大，二介質的介面反射超音波越強，二種介質的聲阻差異越小，二介質的介面反射超音波越弱。第一超音波探頭12主要由訊號線路、壓電材料、聲阻匹配層等構成，具有發射及接收特定頻率範圍超音波訊號的功能。夾具11包含容置槽111及扣件112，第一超音波探頭12設置於容置槽111，容置槽111的底部形成開口，聲阻匹配層通過容置槽111的開口貼合超音波耦合層13，扣件112可迫緊第一超音波探頭12與管路100，使超音波耦合層13相對二側分別貼合第一超音波探頭12與管路100的第一外表面，避免第一超音波探頭12與管路100的第一外表面之間有影響超音波訊號傳輸的空隙。超音波耦合層13的材質（例如：矽油、矽膠、橡膠等）與管路100的材質（例如：銅、鐵、不鏽鋼、聚氯乙烯、聚丙烯）的聲阻相近，以提高超音波訊號傳輸至管路100的能量比例。
處理模組14例如是包含微處理器、微控制器、時脈產生器、電子訊號處理器、數據多工器、訊號放大器、類比/數位訊號轉換器、記憶體、有線及無線通訊等功能電路組合，且記憶體預儲存處理超音波訊號、運算超音波聲速及液體狀態資料的應用程式、及判斷超音波訊號的最小訊號閾值及最大訊號閾值。顯示單元15例如是燈光元件或現有可顯示文字或影像資訊的液晶或發光二極體顯示器。於本實施例，處理模組14及顯示單元15與第一超音波探頭12組構成單機型式；於其他實施例，處理模組14及/或顯示單元15可建置於遠端的監測電腦裝置且經由有線或無線通訊方式連接單一或複數第一超音波探頭12。
圖2A為圖1所示管路液體之監測裝置於管路充滿液體的情況發射及接收超音波訊號之示意圖。如圖2A所示，處理模組14可切換第一超音波探頭12的發射及接收超音波訊號，以控制第一超音波探頭12沿管路100的徑向（如圖2A中的Y軸方向）發射第一感測訊號及接收對應第一感測訊號的第一反射訊號；實心箭頭記號表示第一超音波探頭12發射的第一感測訊號，虛線箭頭記號表示對應第一感測訊號的第一反射訊號。
於管路100中充滿液體的情況，第一超音波探頭12的壓電材料121產生第一感測訊號，第一感測訊號通過聲阻匹配層122而接觸聲阻匹配層122與超音波耦合層13的介面時，部分第一感測訊號反射至第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及壓電材料層121（定義為聲阻匹配層介面反射訊號R1），部分第一感測訊號沿管路100的徑向通過超音波耦合層13；通過超音波耦合層13的第一感測訊號接觸超音波耦合層13與管路100相鄰第一超音波探頭12的第一外表面的介面時，部分第一感測訊號反射至超音波耦合層13、第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及壓電材料層121（定義為超音波耦合層介面反射訊號R2），部分第一感測訊號沿管路100的徑向通過管路100相鄰第一超音波探頭12的第一管壁101；通過第一管壁101的第一感測訊號接觸管路100相鄰第一超音波探頭12的第一內表面與液體的介面時，部分第一感測訊號反射至第一管壁101、超音波耦合層13、第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及壓電材料層121（定義為管路第一內表面反射訊號R3），部分第一感測訊號沿管路100的徑向通過液體；通過液體的第一感測訊號接觸液體與管路100相對第一超音波探頭12的第二內表面的介面時，部分第一感測訊號反射至液體、第一管壁101、超音波耦合層13、第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及壓電材料層121（定義為管路第二內表面反射訊號R4），部分第一感測訊號沿管路100的徑向通過管路100相對第一超音波探頭12的第二管壁102；通過第二管壁102的第一感測訊號接觸管路100相對第一超音波探頭12的第二外表面與空氣的介面時，由於管路100的材質與空氣的聲阻差極大，通過第二管壁102的第一感測訊號幾乎全部反射至第二管壁102、液體、第一管壁101、超音波耦合層13、第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及壓電材料層121（定義為管路第二外表面反射訊號R5）。
圖2B為圖2A所示管路液體之監測裝置於管路充滿液體的情況發射及接收超音波訊號之時域訊號示意圖。如圖2A及2B所示，處理模組14控制第一超音波探頭12發射第一感測訊號後，隨即控制第一超音波探頭12接收第一反射訊號，第一反射訊號來自不同聲阻的二材料的介面反射第一感測訊號，包含上述定義的聲阻匹配層介面反射訊號R1、超音波耦合層介面反射訊號R2、管路第一內表面反射訊號R3、管路第二內表面反射訊號R4及管路第二外表面反射訊號R5，其中聲阻匹配層介面反射訊號R1、超音波耦合層介面反射訊號R2及管路第一內表面反射訊號R3在第一超音波探頭12接收的時間點上極為接近，管路第一內表面反射訊號R3及管路第二內表面反射訊號R4在第一超音波探頭12接收訊號的時間點上有區隔（相隔超音波訊號沿管路100的徑向往返通過液體的時間），管路第二內表面反射訊號R4及管路第二外表面反射訊號R5在第一超音波探頭12接收訊號的時間點上極為接近；因此，於管路充滿液體的情況，第一反射訊號在時域上可明顯區分出先後分離的二訊號波群。
第一超音波探頭12開始發射第一感測訊號的時間點定義為T0，第一感測訊號發射完成的時間點T1，T0至T1的時間長度例如5、10或15微秒，第一超音波探頭12結束接收第一反射訊號的時間點定義為T3，自第一感測訊號開始發射時間點T0至第一反射訊號結束接收的時間點T3的時間長度（T0至T3）與管路材質、液體、管徑尺寸有關，可經由實測或理論取一個時間長度上限值，例如200，400，1000微秒（一般的2吋管徑的管路取400微秒即可接收完整的第一反射訊號）。本發明依據第一超音波探頭12接收管路100的第一內表面及第二內表面反射第一感測訊號的時間將第一反射訊號的時間長度區分成先後的第一時段（T1至T2）及第二時段（T2至T3），第一時段接收的訊號定義為第一時段訊號，第二時段接收的訊號定義為第二時段訊號，第一時段訊號包含聲阻匹配層介面反射訊號R1、超音波耦合層介面反射訊號R2及管路第一內表面反射訊號R3，第二時段訊號包含管路第二內表面反射訊號R4及管路第二外表面反射訊號R5，區分第一時段及第二時段的時間點T2介於第一超音波探頭12接收管路第一內表面反射訊號R3的時間點TR3與接收第二內表面反射訊號R4的時間點TR4之間。自第一感測訊號開始發射的時間點T0起算，T0至TR3的時間長度為第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返聲阻匹配層122、超音波耦合層13及第一管壁101的時間長度和，T0至TR4的時間長度為第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返聲阻匹配層122、超音波耦合層13、第一管壁101及液體的時間長度和。
聲阻匹配層122的材質及尺寸為已知，第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返聲阻匹配層122的時間長度TR3-1可以使用計算式：2×聲阻匹配層122的厚度/超音波在聲速匹配層122的聲速，或預先實測獲得；超音波耦合層13的材質及尺寸為已知，第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返超音波耦合層13的時間長度TR3-2可以使用計算式：2×超音波耦合層13的厚度/超音波在超音波耦合層13的聲速，或實測獲得；現有工業標準已規範各種管路的材質及尺寸(如 ISO15494定義了不同塑料的工業用管路尺寸)，在管路的外徑相近且材質相同的條件下，縱使歸屬不同工業標準的管路，超音波訊號通過管壁的時間差實測結果在10微秒內（通常約1到3微秒），據此，處理模組14可預儲存超音波訊號在各種管路管壁的聲速，使用者於開始監測前輸入管路型號或管壁厚度，第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返第一管壁101的時間長度TR3-3可以使用計算式：2×管壁徑向厚度/超音波在管路管壁的聲速，或實測獲得；超音波在液體的通常聲速介於600至2600米/秒，為便於區分第一時段及第二時段，不同的管路內徑、超音波在液體的通常聲速可預儲存於處理模組14，使用者於開始監測前輸入管路內徑及選擇預儲存聲速，第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返液體的時間長度TR4-1可以使用計算式：2×管路內徑/超音波在液體的預儲存聲速，或實測獲得；自第一感測訊號開始發射的時間點T0加總時間長度TR3-1、TR3-2及TR3-3即可獲得時間點TR3，時間點TR3加時間長度TR4-1即可獲得時間點TR4，進而決定區分第一時段及第二時段的時間點T2（TR3＜T2＜TR4）。以一般常用管路的實測結果為例，自第一感測訊號開始發射時間點T0起算，區分第一時段及第二時段的時間點T2介於15至200微秒，例如：20至50微秒、50至100微秒、150至150微秒、150至200微秒。
處理模組14預儲存最小訊號閾值Rmin，最小訊號閾值Rmin的定義可使用已知管路100充滿液體的實測最小訊號閾值或現有動態閾值的演算技術。動態閾值演算技術包含但不限於：時域法：將時域訊號先進行濾波處理，去除非超音波頻率的雜訊，判定訊號基準線（Baseline）及局部最大訊號值（Local maximum signal），以局部最大訊號值的特定比例（例如但不限於：5%、10%、15%或20%）作為最小訊號閾值；頻域法：將時域訊號經傅立葉轉換成頻域訊號，選定超音波的頻率範圍，判定訊號基準線及局部最大訊號強度，以局部最大訊號強度的特定比例（例如但不限於：5%、10%、15%或20%）作為最小訊號閾值。因第一時段訊號的訊號強度大於第二時段訊號強度，處理模組14分別預設第一時段的最小訊號閾值Rmin1及第二時段的最小訊號閾值Rmin2，按時域或頻域自第一反射訊號解析第一時段訊號及第二時段訊號，分別比對第一時段訊號及/或第二時段訊號是否大於第一時段最小訊號閾值Rmin1及第二時段最小訊號閾值Rmin2，進而判斷管路100的液體狀態正常或異常。
若處理模組14判斷第一時段訊號大於第一時段最小訊號閾值Rmin1且第二時段訊號大於第二時段最小訊號閾值Rmin2，則處理模組14可依據最第一時段小訊號閾值Rmin1及第二時段最小訊號閾值Rmin2分別解析第一超音波探頭12接收第一內表面反射訊號R3及第二內表面反射訊號R4的時間點，例如：按第一感測訊號及第一反射訊號沿管路100的徑向往返聲阻匹配層122的時間長度TR3-1、往返超音波耦合層的時間長度TR3-2及往返第一管壁101的時間長度TR3-3，判斷第一時段訊號中超過第一時段最小訊號閾值Rmin1的第三個最大波峰或波谷（Local maximum or minimum）的時間點作為第一內表面反射訊號R3的時間點，按第二時段訊號中超過第二時段最小訊號閾值Rmin2的第一個最大波峰或波谷的時間點作為第二內表面反射訊號R4的時間點。第一超音波探頭12接收第一內表面反射訊號R3與第二內表面反射訊號R4的時間差即為第一感測訊號及第一反射訊號於液體往返通過第一內表面與第二內表面的徑向距離（即2×管路100的內徑）所需時間，處理模組14依據第一超音波探頭12接收管路第一內表面及第二內表面反射第一感測訊號的時間差及管路100內徑的2倍，即可產生液體的實測聲速。
若管路100的液體維持穩定狀態，則處理模組14定時產生液體的（實測）聲速會落在一定範圍；若管路100的液體的組成（如：溶質濃度上升、液相分層）或溫度發生較大變化，導致處理模組14產生液體的聲速改變，使用者可視液體的性質預先將正常的液體聲速範圍與超出正常液體聲速範圍的異常通報訊息（例如：濃度變化、溫度變化或液相分層）儲存於處理模組14，管路液體之監測裝置1即可監測管路100中液體的組成或溫度是否發生異常情況。
圖3A為圖1所示管路液體之監測裝置於管路內液體發生異常的情況發射及接收超音波訊號之示意圖。圖3A中，實心箭頭記號表示第一超音波探頭12發射的第一感測訊號，虛線箭頭記號表示對應第一感測訊號的第一反射訊號。於管路100無液體或含大量氣泡或有大量固形物等異常情況，處理模組14控制第一超音波探頭12發射第一感測訊號，第一感測訊號通過管路100的徑向（如圖3A中Y軸所示方向）相鄰第一超音波探頭12的第一管壁101，由於管路100的材質與空氣的聲阻差極大，空氣或氣泡或固形物阻斷第一感測訊號繼續沿管路100的徑向傳輸，管路100徑向相鄰第一超音波探頭12的第一內表面與空氣或氣泡的介面將大部分的第一感測訊號反射至第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及壓電材料層121（即聲阻匹配層介面反射訊號R1、超音波耦合層介面反射訊號R2及管路第一內表面反射訊號R3），少部分的第一感測訊號發生散射或在往返通過第一側管壁101的過程耗損。
圖3B為圖3A所示管路液體之監測裝置於管路內液體異常的情況發射及接收超音波訊號之時域訊號示意圖。如圖3A及3B所示，處理模組14自第一反射訊號解析出第一時段訊號及第二時段訊號，判斷第一時段訊號大於第一時段最小訊號閾值Rmin1且第二時段訊號小於第二時段最小訊號閾值Rmin2，則產生代表管路100內無液體（即空管）或有大量氣泡或有大量固形物的管路內液體異常的警告訊號。顯示單元15自處理模組14接收警告訊號後，以燈光、文字或影像訊息顯示代表管路內液體異常的警告訊號。以2吋PVC管，管壁厚度4 mm，第一超音波探頭發射第一感測訊號頻率 2Mhz及強度10 V，於攝氏20度實測結果：空管的第一時段訊號最大強度大於600 mV，第二時段訊號小於80 mV；充滿水的第一時段訊號的最大強度大於500 mV，第二時段訊號大於100 mV。處理模組14預設第一時段最小訊號閾值Rmin1為200 mV，第二時段最小訊號閾值Rmin2為100 mV，即可判斷管路100內液體是否發生空管、大量氣泡或大量固形物的異常情況。
藉由本發明之管路液體之監測裝置可監測管路空管的功能，將本發明之管路液體之監測裝置安裝於液體儲槽的液位管，亦可監測液體儲槽的液位高度，當儲槽的液位低於管路液體之監測裝置的安裝高度，管路液體之監測裝置即可顯示低液位的警告訊號。
圖4A為圖1所示管路液體之監測裝置未正確固定於管路的情況發射及接收超音波訊號之示意圖。圖4A中，實心箭頭記號表示第一超音波探頭12發射的第一感測訊號，虛線箭頭記號表示對應第一感測訊號的第一反射訊號。於管路液體之監測裝置1未正確固定於管路100的情況，處理模組14控制第一超音波探頭12發射第一感測訊號，超音波耦合層13與第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及/或管路100的外表面之間有空隙，由於聲阻匹配層122或超音波耦合層13與空氣的聲阻差極大，空隙將極大部分的第一感測訊號直接反射至第一超音波探頭12的壓電材料層121（即聲阻匹配層介面反射訊號R1、或聲阻匹配層介面反射訊號R1與超音波耦合層介面反射訊號R2），僅極少部分的第一感測訊號及第一反射訊號於往返聲阻匹配層122或超音波耦合層13而耗損。若管路液體之監測裝置1正確地固定於管路100，使超音波耦合層13的相對二側表面分別緊貼第一超音波探頭12的聲阻匹配層122及管路100的外表面，第一感測訊號及第一反射訊號必然因往返管路100的第一管壁101而耗損；因此，管路液體之監測裝置1未正確固定於管路100的第一反射訊號的最大強度必然大於管路液體之監測裝置1正確固定於管路100的第一反射訊號的最大強度。
圖4B為圖4A所示管路液體之監測裝置未正確固定於管路的情況發射及接收超音波訊號之時域訊號示意圖。如圖4A及4B所示，處理模組14預儲存最大訊號閾值Rmax，最大訊號閾值Rmax的定義可使用已知管路100空管的實測第一反射訊號的最大值的特定比例（例如但不限於：110%、120%、130%、或140%）或該次第一感測訊號的最大或平均強度的特定比例（例如但不限於：20%、30%、40%、或50%）。若處理模組14判斷第一時段訊號大於最小訊號閾值Rmin1且大於最大訊號閾值Rmax而第二時段訊號小於最小訊號閾值Rmin2，則產生代表管路液體之監測裝置未正確固定（夾具11未正確固定或第一超音波探頭12未正確設置）的檢查訊號。顯示單元15自處理模組14接收檢查訊號後，以燈光、文字或影像訊息顯示代表管路液體之監測裝置1未正確固定的檢查訊號。以2吋PVC管，管壁厚度4 mm，第一超音波探頭發射第一感測訊號頻率 2Mhz及強度10 V，於攝氏20度實測結果：第一超音波探頭12未正確設置的第一時段訊號最大強度約855 mV，第二時段訊號小於最小訊號閾值Rmin2（例如100 mV）；第一超音波探頭12正確設置但管路內液體異常（空管或有大量氣泡或有大量固形物）的第一時段訊號最大強度約683 mV，第二時段訊號小於最小訊號閾值Rmin2。處理模組14預設最大訊號閾值為700 mV，即可判斷第一超音波探頭12是否正確設置。
圖5為本發明之另一實施例之管路液體之監測裝置沿管路徑向之剖視示意圖。如圖5所示，管路流體之監測裝置2包含：夾具21、第一超音波探頭22、第二超音波探頭23、複數超音波耦合層24、處理模組25及顯示單元26，夾具21可拆卸地固定於管路200的外表面，第一超音波探頭22及第二超音波探頭23沿管路200的徑向相對二側設置於夾具21，超音波耦合層24分別夾置於第一超音波探頭22與管路100的第一外表面，及第二超音波探頭23與管路100的第二外表面，處理模組25經由有線或無線通訊方式連接第一超音波探頭22及第二超音波探頭23，顯示單元26經由有線或無線通訊方式連接處理模組25。夾具21包含可彼此對合鎖固的第一框211及第二框212，第一超音波探頭22、第二超音波探頭23、處理模組25及顯示單元26的構造及功能如上述管路液體之監測裝置1的第一超音波探頭12、處理模組14及顯示單元15。
於管路200中充滿液體的情況，處理模組25控制第一超音波探頭22沿管路200的徑向發射第一感測訊號及接收對應第一感測訊號的第一反射訊號，控制第二超音波探頭23接收沿管路200的徑向通過相鄰第一超音波探頭的第一管壁201、液體、相鄰第二超音波探頭的第二管壁202的第一感測訊號。假設超音波訊號通過第一管壁201及超音波耦合層24的時間與通過第二管壁202及超音波耦合層24的時間無差異，且超音波耦合層24分別正確貼合管路200的第一外表面與第一超音波探頭22，及管路200的第二外表面與第二超音波探頭23，則第一超音波探頭22接收管路第二內表面反射訊號（超音波2次通過第一管壁201及液體）與第二超音波探頭23接收第一感測訊號（超音波1次通過第一管壁201、液體及第二管壁202）的時間差可視為超音波訊號於液體通過第一內表面與第二內表面的徑向距離（管路200的內徑）所需時間。處理模組25依據預儲存的最小訊號閾值，解析管路200的第二內表面反射第一感測訊號至第一超音波探頭12與第二超音波探頭23接收第一感測訊號的時間點及時間差，依據管路200的第二內表面反射第一感測訊號至第一超音波探頭與第二超音波探頭23接收第一感測訊號的時間差及管路200的內徑，即可產生液體的實測聲速。
上述管路液體之監測裝置組合量測其他物理性質的感測元件，可進一步監測管路液體的狀態。圖6A為本發明之管路液體之監測裝置之另一實施例之側視示意圖，圖6B為圖6A所示殼體之上視圖。如圖6A及6B所示，管路液體之監測裝置3包含夾具31、殼體32、第一超音波探頭33、超音波耦合層34、溫度感測器35、振動感測器36、處理模組37及顯示單元38，夾具31可拆卸地固定於管路300的外表面，殼體32設置於夾具31，第一超音波探頭33、溫度感測器35及振動感測器36沿管路300的軸向排列設置於殼體32且連接處理模組37，超音波耦合層34夾置於第一超音波探頭33與管路300的外表面，顯示單元38連接處理模組37。溫度感測器35用以量測管路300的外表面的溫度，振動感測器36用以量測管路的振動狀態。
溫度感測器35及振動感測器36須貼合管路300的外表面，才能準確地量測管路300的溫度值及振動值，若溫度感測器35或振動感測器36因故（例如：振動、碰撞）未貼合管路300的外表面，可能量測出錯誤的溫度值或振動值，使用者無法判斷現有量測管路溫度或管路振動的裝置的溫度感測器或振動感測器是否貼合管路的外表面，其所顯示的溫度值或振動值是否可信。於本實施例，第一超音波探頭33、溫度感測器35及振動感測器36設置於殼體32，且第一超音波探頭33、溫度感測器35及振動感測器36的量測面露出殼體32的一側表面，若發生夾具31未正確固定或殼體32未正確設置的情況，第一超音波探頭33、溫度感測器35及振動感測器36與管路300的外表面之間有空隙，處理模組37儲存有最小訊號閾值及最大訊號閾值，控制第一超音波探頭33發射第一感測訊號，超音波耦合層34與第一超音波探頭33的聲阻匹配層及/或管路300的外表面之間的空隙將極大部分的第一感測訊號直接反射至第一超音波探頭33，僅極少部分的第一感測訊號及第一反射訊號於往返聲阻匹配層或超音波耦合層34而耗損。處理模組37自第一反射訊號解析第一時段訊號及第二時段訊號，判斷第一時段訊號大於最大訊號閾值且第二時段訊號小於最小訊號閾值，則產生代表夾具31未正確固定或殼體32未正確設置的檢查訊號；顯示單元38顯示檢查訊號。藉此，使用者可確認管路流體之監測裝置3顯示的溫度值或振動感測器36顯示的振動值是否為溫度感測器35或振動感測器36實際量測管路300的外表面所得的數值。
圖7A為本發明之另一實施例之管路液體之監測裝置沿管路之軸向之剖視示意圖，圖7B為本發明之另一實施例之管路液體之監測裝置沿管路之軸向之剖視示意圖。如圖7A及7B所示，管路流體之監測裝置4包含：夾具41、第一超音波探頭42、第二超音波探頭43、第三超音波探頭44、第四超音波探頭45、複數超音波耦合層46、處理模組47及顯示單元48，夾具41可拆卸地固定於管路400的外表面，第一超音波探頭42、第二超音波探頭43、第三超音波探頭44及第四超音波探頭45設置於夾具41，複數超音波耦合層46分別夾置於第一超音波探頭42、第二超音波探頭43、第三超音波探頭44、第四超音波探頭45與管路400的外表面，處理模組47經由有線或無線通訊方式連接第一超音波探頭42、第二超音波探頭43、第三超音波探頭44及第四超音波探頭45，顯示單元48經由有線或無線通訊方式連接處理模組47。夾具41包含可彼此對合鎖固的第一框411及第二框412，第一超音波探頭42、第二超音波探頭43、第三超音波探頭44、第四超音波探頭45、處理模組47及顯示單元48的構造及功能如上述管路液體之監測裝置1的第一超音波探頭12、處理模組14及顯示單元15。
於圖7A所示管路流體之監測裝置4，第一超音波探頭42、第三超音波探頭44及第四超音波探頭45沿管路400的軸向（圖7A中X軸所示方向）一側排列，第二超音波探頭43設置於管路400徑向相對第一超音波探頭42的一側；於圖7B所示之管路流體之監測裝置4’，第一超音波探頭42與第三超音波探頭44沿管路400的軸向一側排列，第二超音波探頭43與第四超音波探頭45沿管路400相對第一超音波探頭42與第三超音波探頭44的軸向一側排列。圖7A及7B所示之管路流體之監測裝置4, 4’，第一超音波探頭42與第二超音波探頭43的連線平行管路400的徑向（或垂直管路400的軸向），第三超音波探頭44及第四超音波探頭45沿管路400的軸向相隔一距離排列，第三超音波探頭44及第四超音波探頭45位於第一超音波探頭42之二側；於其他實施例，第三超音波探頭44及第四超音波探頭45位於第一超音波探頭42之同一側。
於管路400輸送液體的情況，圖7A所示處理模組47可控制第一超音波探頭42沿管路400的徑向（圖7A中Y軸所示方向）發射第一感測訊號及接收對應第一感測訊號的第一反射訊號，自第一反射訊號解析管路400的徑向相鄰及相對第一超音波探頭42的第一內表面及第二內表面反射第一感測訊號至第一超音波探頭42的時間差，依據第一內表面及第二內表面反射第一感測訊號至第一超音波探頭42的時間差及第一內表面與第二內表面的徑向距離（管路400的內徑）的2倍，產生液體的實測聲速。圖7B所示處理模組47可控制第一超音波探頭42沿管路400的徑向發射第一感測訊號及接收對應第一感測訊號的第一反射訊號，控制第二超音波探頭43通過管路400的第一感測訊號，解析第一超音波探頭42接收第一反射訊號中管路第二內表面反射訊號與第二超音波探頭43接收第一感測訊號的時間差，依據第一超音波探頭42接收管路第二內表面反射訊號與第二超音波探頭43接收第一感測訊號的時間差及管路400的內徑，產生液體的實測聲速。
處理模組47控制第三超音波探頭44沿與管路400的徑向成一夾角的方向（斜向）發射第三感測訊號及第四超音波探頭45接收第三感測訊號，解析第三感測訊號自第三超音波探頭44至第四超音波探頭45的傳輸時間，控制第四超音波探頭45沿與第三超音波探頭發射夾角成對稱角的方向發射第四感測訊號及第三超音波探頭44接收第四感測訊號，解析第四感測訊號自第四超音波探頭45至第三超音波探頭44的傳輸時間，依據計算式：瞬時流量Q=液體流速v×管路徑向截面積A，液體流速v=第三感測訊號與第四感測訊號的傳輸時間差Δt×液體聲速C 2/2×管路內徑D×tanΘ，其中Θ表示第三感測訊號通過液體的入射角（預儲存於處理模組47），產生液體之流量。
值得說明的是，現有非侵入式（外掛式）超音波流量計產生管路液體流量的方法是預儲存特定液體（例如：水或油）於特定範圍的順逆流傳輸時間差對流量的線性函數，實測管路液體的順逆流的傳輸時間差，利用內插法產生流量，而未實測液體的聲速；此種方法所產生管路液體的流量的誤差較大，當液體或環境條件變化超出預儲存的線性函數範圍，現有非侵入式超音波流量計產生的流量的誤差可能達到影響生產（錯誤）的程度。此外，當液體或環境條件變化超過超音波流量計的預設條件，超音波探頭無法接收斜向傳輸的感測訊號，以致無法產生流量，須調整軸向排列的二超音波探頭的相對位置，而生產現場的人員通常不具有調整超音波探頭的技術，需等待超音波流量計廠商的技術人員處理，影響監測功能和生產安全。
本發明之管路流體之監測裝置具有實測液體聲速的功能，以實測的液體聲速產生液體流量，不僅提高量測流量的準確度，更擴大量測範圍（包含液體種類及流量）。當處理模組47解析第一超音波探頭42接收第二時段訊號或第二超音波探頭43接收通過管路的第一感測訊號大於最小訊號閾值（即超音波訊號可徑向傳輸/接收）且第四超音波探頭45接收的第三感測訊號或第三超音波探頭44接收的第四感測訊號小於最小訊號閾值（即超音波訊號無法斜向接收），處理模組47產生代表調整第三超音波探頭44與第四超音波探頭45的相對位置的校正訊號；藉此功能，生產現場的使用者僅需沿管路的軸向移動第三超音波探頭44或第四超音波探頭45至第三感測訊號或第四感測訊號大於最小訊號閾值，處理模組47即停止校正訊號且繼續產生流量數據，不需等待超音波流量計廠商的技術人員處理，大幅降低校正超音波探頭的技術門檻，提高安裝及校正管路液體監測裝置的便利性。
綜上所述，一般環境少有超音波頻率範圍的雜訊，且超音波探頭僅發射及接收特定頻率範圍的超音波訊號，本發明之管路流體之監測裝置利用超音波訊號監測管路及液體可大幅減少環境雜訊的干擾，準確判斷管路液體是否發生空管或大量氣泡或大量固形物的情況；本發明之管路流體之監測裝置還可進一步組合超音波探頭及量測其他物理性質的感測元件，除擴大監測項目，且可自我判斷感測元件是否正確設置於管路，降低校正感測元件的技術門檻，提高監測數據的可信度，達成準確、全時且便利監測管路液體之目的。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本發明所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由本發明之申請專利範圍所涵蓋。
1, 2, 3, 4, 4’:管路流體之監測裝置 11, 21, 31, 41:夾具 12, 22, 33, 42:第一超音波探頭 13, 24, 34, 46:超音波耦合層 14, 25, 37, 47:處理模組 15, 26, 38, 48:顯示單元 23, 43:第二超音波探頭 32:殼體 35:溫度感測器 36:振動感測器 44:第三超音波探頭 45:第四超音波探頭 100, 200, 300, 400:管路 101, 201:第一管壁 102, 202:第二管壁 111:容置槽 112:扣件 121:壓電材料 122:聲阻匹配層 211, 411:第一框 212, 412:第二框 R1:聲阻匹配層介面反射訊號 R2:超音波耦合層界面反射訊號 R3:管路第一內表面反射訊號 R4:管路第二內表面反射訊號 R5:管路第二外表面反射訊號 Rmin1: 第一時段最小訊號閾值 Rmin2:第二時段最小訊號閾值 Rmax:最大訊號閾值 T0:第一感測訊號發射開始時間點 T1:第一感測訊號發射完成時間點 T2:區分第一時段及第二時段之時間點 T3:第一反射訊號接收完成之時間點
圖1為本發明之一實施例之管路液體之監測裝置之側視示意圖； 圖2A為圖1所示管路液體之監測裝置於管路充滿液體的情況發射及接收超音波訊號之示意圖，圖2B為圖2A所示管路液體之監測裝置於管路充滿液體的情況發射及接收超音波訊號之時域訊號示意圖； 圖3A為圖1所示管路液體之監測裝置於管路內液體發生異常的情況發射及接收超音波訊號之示意圖，圖3B為圖3A所示管路液體之監測裝置於管路內液體異常的情況發射及接收超音波訊號之時域訊號示意圖； 圖4A為圖1所示管路液體之監測裝置未正確固定於管路的情況發射及接收超音波訊號之示意圖，圖4B為圖4A所示管路液體之監測裝置未正確固定於管路的情況發射及接收超音波訊號之時域訊號示意圖； 圖5為本發明之另一實施例之管路液體之監測裝置沿管路徑向之剖視示意圖； 圖6A為本發明之管路液體之監測裝置之另一實施例之側視示意圖，圖6B為圖6A所示殼體之上視圖；以及 圖7A為本發明之另一實施例之管路液體之監測裝置沿管路之軸向之剖視示意圖，圖7B為本發明之另一實施例之管路液體之監測裝置沿管路之軸向剖視示意圖。
1:管路流體之監測裝置 12:第一超音波探頭 13:超音波耦合層 14:處理模組 15:顯示單元 100:管路 101:第一管壁 102:第二管壁 121:壓電材料 122:聲阻匹配層 R1:聲阻匹配層介面反射訊號 R2:超音波耦合層介面反射訊號 R3:管路第一內表面反射訊號 R4:管路第二內表面反射訊號 R5:管路第二外表面反射訊號

Claims (10)

  1. 一種管路液體之監測裝置，包含：夾具，可拆卸地固定於管路之外表面；第一超音波探頭，設置於該夾具；處理模組，連接該第一超音波探頭且儲存有最小訊號閾值，控制該第一超音波探頭沿該管路之徑向發射第一感測訊號及接收對應該第一感測訊號之第一反射訊號，依據該管路之徑向相鄰及相對該第一超音波探頭之第一內表面及第二內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭之時間自該第一反射訊號解析出第一時段訊號及第二時段訊號，若判斷該第一時段訊號大於該最小訊號閾值且該第二時段訊號小於該最小訊號閾值，則產生代表該管路內液體發生異常之警告訊號；以及顯示單元，連接該處理模組，用以顯示該警告訊號。
  2. 如請求項1所述管路液體之監測裝置，其中自該第一感測訊號發射之時間起算，區分第一時段訊號及第二時段訊號之時間介於該第一內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭之時間與該第二內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭之時間。
  3. 如請求項1所述管路液體之監測裝置，其中該處理模組解析該第一內表面及該第二內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭之時間差，依據該時間差及二倍之該第一內表面與該第二內表面之徑向距離，產生該液體之實測聲速。
  4. 一種管路液體之監測裝置，包含：夾具，可拆卸地固定於管路之外表面；第一超音波探頭，設置於該夾具； 處理模組，連接該第一超音波探頭且儲存有最小訊號閾值及最大訊號閾值，控制該第一超音波探頭沿該管路之徑向發射第一感測訊號及接收對應該第一感測訊號之第一反射訊號，依據該管路之徑向相鄰及相對該第一超音波探頭之第一內表面及第二內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭之時間自該第一反射訊號解析出第一時段訊號及第二時段訊號，若判斷該第一時段訊號大於該最大訊號閾值且該第二時段訊號小於該最小訊號閾值，則產生代表該夾具未正確固定或該第一超音波探頭未正確設置之檢查訊號；以及顯示單元，連接該處理模組，顯示該檢查訊號。
  5. 如請求項1或4所述管路液體之監測裝置，更包含：殼體及溫度感測器，其中該殼體設置於該夾具，該溫度感測器與該第一超音波探頭設置於該殼體且連接該處理模組，該溫度感測器用以量測該管路之外表面之溫度。
  6. 如請求項4所述管路液體之監測裝置，其中該處理模組解析該第一內表面及該第二內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭之時間差，依據該時間差及二倍之該第一內表面與該第二內表面之徑向距離，產生該液體之實測聲速。
  7. 如請求項1或4所述管路液體之監測裝置，更包含：第二超音波探頭，與該第一超音波探頭沿該管路之徑向相對設置於該夾具，且連接該處理模組；該處理模組控制該第二超音波探頭接收沿該管路之徑向通過該管路之該第一感測訊號，若該處理模組判斷該第二超音波探頭接收之該第一感測訊號大於該最小訊號閾值，則解析該第二內表面反射該第一感測訊號至該第一超音波探頭與該第二超音波探頭接收該第一感測訊號之時間差，依據該時間差及該第一內表面與該第二內表面之徑向距離，產生該液體之實測聲速。
  8. 如請求項7所述管路液體之監測裝置，更包含：第三超音波探頭及第四超音波探頭，設置於該夾具，且分別連接該處理模組；該處理模組控制該第三超音波探頭沿與該管路之徑向成一夾角之方向發射第三感測訊號及該第四超音波探頭接收該第三感測訊號，解析該第三感測訊號自該第三超音波探頭至該第四超音波探頭之傳輸時間，控制該第四超音波探頭沿與該夾角成對稱角之方向發射第四感測訊號及該第三超音波探頭接收該第四感測訊號，解析該第四感測訊號自該第四超音波探頭至該第三超音波探頭之傳輸時間，依據該第三感測訊號與該第四感測訊號之傳輸距離及傳輸時間差、該液體之實測聲速、該管路之徑向面積及該第三感測訊號或第四感測訊號通過該液體之入射角，產生該液體之流量。
  9. 如請求項3或6所述管路液體之監測裝置，更包含：第三超音波探頭及第四超音波探頭，設置於該夾具，且分別連接該處理模組；該處理模組控制該第三超音波探頭沿與該管路之徑向成一夾角之方向發射第三感測訊號及該第四超音波探頭接收該第三感測訊號，解析該第三感測訊號自該第三超音波探頭至該第四超音波探頭之傳輸時間，控制該第四超音波探頭沿與該夾角成對稱角之方向發射第四感測訊號及該第三超音波探頭接收該第四感測訊號，解析該第四感測訊號自該第四超音波探頭至該第三超音波探頭之傳輸時間，依據該第三感測訊號與該第四感測訊號之傳輸距離及傳輸時間差、該液體之實測聲速、該管路之徑向面積及該第三感測訊號或第四感測訊號通過該液體之入射角，產生該液體之流量。
  10. 如請求項9所述管路液體之監測裝置，若處理模組判斷該第二時段訊號大於該最小訊號閾值且該第三感測訊號或該第四感測訊號小於該最小訊號閾值，該處理模組產生代表調整該第三超音波探頭與該第四超音波探頭之相對位置之校正訊號。
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