TWI457543B - Eddy current sensor and its application - Google Patents

Description

渦流感測器及其應用

本發明係關於一種渦流感測器及其應用，尤指一種利用流體之渦街效應使線圈感應產生電動勢，擷取其電壓變化之信號應用為流量量測之基準值以計算出流量，同時將電動勢應用為電源使用之渦流感測器及其應用。

按，渦流感測器係一種藉由渦街效應，以進行流量感測作用之裝置，最常見之應用就是組裝成渦流流量計使用。習知渦流感測器之構造，基本上包含：一流體通道，其具有一流體入端及一流體出端；一渦流鈍形體，設置於該流體通道中，將該流體通道區分為一上游區段及一下游區段，流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段，然後沖擊該渦流鈍形體後，即在下游區段內產生渦街現象(又稱卡門渦街，Karman vortex street)；一感測桿，插設於該下游區段，接受流體所產生之渦街現象推動而做往復位移運動；及一磁場，設置於該感測桿頂端頭；該感測桿位移時與該磁場產生切割作用，因此藉由擷取磁場變化所對應產生之信號做為流量量測之基準值，據以計算出流體流量。

因磁場變化信號微弱且不穩定，須經過多重整理方可利用，因此整體運算作業較為繁雜，且準確度相對較低。另者，現今之計量器具(例如流量計)皆運用配置有軟、硬體之電子式運算單元，來進行訊號接收，數據比對運算及資料遠距傳輸之工作，因 此都需要使用到電力驅動。上述習知渦流感測器僅具感測流體流量之作用，除外即無其他用途，而渦流感測器組裝成渦流流量計使用時經常被裝設於荒郊野外人煙稀少處，電力之使用上頗為不便，經常需要申請電力公司拉線，因此而大幅墊高裝設費用，實值改善。

針對上述缺失，本發明人乃深入構思研發改良，經長時間努力，遂有本發明產生。

爰是，本發明之主要目的即在提供一種可以自行感應產生電動勢，擷取其電壓信號應用為流量量測之基準值以計算出流量，同時將電動勢應用為電源使用之渦流感測器及其應用。

為達成上述目的，本發明係設計一種渦流感測器，包含一流體通道、一渦流鈍形體、一感測桿、一磁場及一線圈，其中，該流體通道具有一流體入端及一流體出端；該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，設置於該流體通道內部，以將該流體通道內部空間區分為一上游區段及一下游區段；該感測桿自上方通過該流體通道之壁體，再向內插設於該下游區段內，該感測桿與該渦流鈍形體相距一小段距離；該磁場設置於該流體通道之外壁上，其磁力線圍覆住該感測桿頂端頭；該線圈裝設於該感測桿外圍；使用時，流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段內後，先有平順之流動現象，然後沖擊到該渦流鈍形體，隨即在該下游區段內產生渦街現象，並即推動該感測桿產生往復位移運動，因此切割該磁場產生變化，同時該線圈內即感應產生電動勢。

在上述渦流感測器中，該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，採 與流體流動方向垂直狀態設置於該流體通道內部。

在上述渦流感測器中，該感測桿外部圍覆一保護件，內部設置類似軸襯或軸承之物件，以輔助穩定該感測桿及供該感測桿通過。

在上述渦流感測器中，該保護件係以絕緣材質成型。

在上述渦流感測器中，該線圈與一電力收集器連接。

在上述渦流感測器中，該磁場由分位於該感測桿二側之第一磁性件及第二磁性件所組成，產生之磁力線係為橫向通過模式。

在上述渦流感測器中，該磁場由成型為圓環狀之磁性件構成，產生之磁力線係為上下環繞之模式。

本發明同時提供一種渦流感測器之應用，渦流感測器包含一流體通道、一渦流鈍形體、一感測桿、一磁場及一線圈，其中，該流體通道具有一流體入端及一流體出端；該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，設置於該流體通道內部，以將該流體通道內部空間區分為一上游區段及一下游區段；該感測桿自上方通過該流體通道之壁體，再向內插設於該下游區段內，該感測桿與該渦流鈍形體相距一小段距離；該磁場設置於該流體通道之外壁上，其磁力線圍覆住該感測桿頂端頭；該線圈裝設於該感測桿外圍；流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段內後，先有平順之流動現象，然後沖擊到該渦流鈍形體，隨即在該下游區段內產生渦街現象，並即推動該感測桿伴隨產生往復位移運動，因此切割該磁場產生變化，同時該線圈內即感應產生電動勢，然後擷取其電壓變化之信號，經過放大、濾波、轉換諸項整理過程後，應用為流量量測之基準值，藉以計算出流體流量。

本發明另又提供一種渦流感測器之應用，渦流感測器包含一 流體通道、一渦流鈍形體、一感測桿、一磁場及一線圈，其中，該流體通道具有一流體入端及一流體出端；該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，設置於該流體通道內部，以將該流體通道內部空間區分為一上游區段及一下游區段；該感測桿自上方通過該流體通道之壁體，再向內插設於該下游區段內，該感測桿與該渦流鈍形體相距一小段距離；該磁場設置於該流體通道之外壁上，其磁力線圍覆住該感測桿頂端頭；該線圈裝設於該感測桿外圍；流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段內後，先有平順之流動現象，然後沖擊到該渦流鈍形體，隨即在該下游區段內產生渦街現象，並即推動該感測桿伴隨產生往復位移運動，因此切割該磁場產生變化，同時該線圈內即感應產生電動勢，將所產生之電動勢收集，經過穩壓、整流、變壓諸項整理過程後，儲存為電源應用。

1‧‧‧渦流感測器

10‧‧‧流體通道

101‧‧‧流體入端

102‧‧‧流體出端

11‧‧‧上游區段

12‧‧‧下游區段

20‧‧‧渦流鈍形體

30‧‧‧感測桿

31‧‧‧保護件

40‧‧‧磁場

41‧‧‧第一磁性件

42‧‧‧第二磁性件

43‧‧‧第三磁性件

50‧‧‧線圈

第一圖所示係本發明第一實施例之立體圖

第二圖所示係本發明第一實施例之俯視圖

第三圖所示係本發明第一實施例之側視使用示意圖

第四圖所示係本發明第一實施例之俯視使用示意圖

第五圖所示係本發明第二實施例之立體圖

第六圖所示係本發明第二實施例之俯視圖

第七圖所示係本發明第二實施例之側視使用示意圖

為達成上述目的，本發明所採用之技術手段及可達致之功效，茲舉以下較佳可行實施例配合附圖進行詳細解說說明，俾能 完全瞭解。

請參閱第一~四圖所示，本發明第一實施例之渦流感測器1，係包含一流體通道10、一渦流鈍形體20、一感測桿30、一磁場40及一線圈50，其中，該流體通道10具有一流體入端101及一流體出端102；該渦流鈍形體20為一塊體狀之物件，採與流體流動方向垂直狀態設置於該流體通道10內部，以將該流體通道10內部空間區分為一上游區段11及一下游區段12，當流體經由該流體通道10之流體入端101進入上游區段11內後，先有平順之流動現象，然後即沖擊到該渦流鈍形體20，而隨即在該下游區段12內產生渦街現象(又稱卡門渦街，Karman vortex street)；亦即該渦流鈍形體20形成為流體流動過程的一個障礙，導致流體通過該渦流鈍形體20後於該下游區段12內產生渦街現象。該渦流鈍形體20實際上可以有許多種外觀造型，並不受本發明說明書及圖式所揭露侷限，因此只要可以讓流體沖擊後產生渦流現象之塊體狀物件即為本發明所界定之渦流鈍形體20。

該感測桿30自上方通過該流體通道10之壁體，並與流體通道10之壁體間介以類似軸襯或軸承及防水墊圈等之物件護持而定位，再向內插設於該下游區段12內，該感測桿30與該渦流鈍形體20相距一小段距離，所以感測桿30接受流體所產生之渦街現象推動時會伴隨產生微小之往復位移現象，其位移方向係伴隨渦街現象而運動。為穩持該感測桿30，所以在感測桿30外部更可圍覆一保護件31，係以絕緣材質成型，內部設置類似軸襯或軸承之物件，以輔助穩定該感測桿30及供該感測桿30通過。

該磁場40設置於該流體通道10之外壁上，其磁力線圍覆住該感測桿30頂端頭，因此該感測桿30受推動位移時會切割該磁場40之磁力線，使產生變化。該線圈50裝設於該感測桿30外圍，並共同受該保護件31所圍覆，該線圈50係裝設為固定不動，二端頭則穿出該保護件31後，與一電力收集器(未示於圖)連接。在第一~四圖所示中，該磁場40係由分位於該感測桿30二側之第一磁性件41(例如磁鐵)及第二磁性件42(例如磁鐵)所組成，因此所產生之磁力線係為橫向通過模式。

接著，請參閱第五~七圖所示，本發明第二實施例在構造組成上與第一實施例有絕大相同之處，因此相同之構造組成即採相同元件編號，以免混淆。第二實施例不同於第一實施例之處在於該磁場40係由成型為圓環狀之第三磁性件43(例如磁鐵)構成，而將該感測桿30圍覆於中央，因此第二實施例之磁場40所產生之磁力線係為上下環繞之模式。惟不論是第一實施例中由分位左右之第一磁性件41與第二磁性件42所組成之磁場40，或是第二實施例中由圓環狀之第三磁性件43所構成之磁場40，皆有相同之組成原理及作用功效。

本發明使用時係與流體管路連接，亦即在要進行流體感測之處，將流體管路斷開，然後將本發明中流體通道10之流體入端101與流體管路之供應端連接，流體出端102則與流體管路之承接端連接，並將該保護件31設置為在流體通道10上方之位置。當流體經由該流體入端101進入上游區段11內後，會先有平順之流動現象，然後即沖擊到該渦流鈍形體20，而隨即在該下游區段12內產生渦街現象，並即推動該感測桿30伴隨 產生往復位移現象，因此切割該磁場40產生變化。同時該線圈50內基於磁生電原理而會感應產生電動勢，並經由二端頭穿出該保護件31後，連接至一電力收集器接收，再經該電力收集器內部進行穩壓、整流、變壓等整理過程後，儲存為電源應用。同時另可擷取其電壓變化之信號，經過放大、濾波、轉換諸項整理過程後，應用為流量量測之基準值，藉以計算出流體流量。

因此，本發明中之線圈50因感測桿30位移切割磁場所伴隨感應產生之電動勢，可作如下應用：

1.擷取所感應產生之電動勢之電壓變化信號，經過放大、濾波、轉換諸項整理過程後，可以應用為流量量測之基準值，藉以計算出流體流量，其穩定性及準確度皆相對較高。

2.所產生之電動勢經收集整理後，可以應用成為常設電源，以直接供應本發明渦流感測器1組裝成渦流流量計使用時，內部配置有軟、硬體之電子式運算單元運作時所需之電力。因該流體通道10內流經之流體一般係源源不絕，所以可以持續性產生電動勢，以作持續性供電。因此縱使渦流感測器1組裝成渦流流量計使用時係裝設於荒郊野外人煙稀少處，但仍能保持渦流流量計之正常用電運作。

3.所產生之電動勢經收集及整理後，可以應用成為備用電源，以供應偶而需要之用電。例如：裝設於荒郊野外人煙稀少處之渦流流量計，仍會偶有巡查人員進行保養檢修之時候，此時即可利用該備用電源供電巡查人員另備之用電物品(例如小型照明發光器、數據處理機、或信號傳送機)使用，達致方便性。

綜上所述，本發明確可達到所預期之發明目的及使用功效，並且已詳盡揭露說明使嫻熟此項技藝人士得據以實施，因此已完 全符合成立發明專利之要件。然上述內容僅用以說明本發明可以成立之最佳實施例，並非因此即侷限本發明之專利範為，故舉凡運用本發明內容所為之等功效結構變化，仍不脫離本發明之權利範疇。

1‧‧‧渦流感測器

10‧‧‧流體通道

101‧‧‧流體入端

102‧‧‧流體出端

11‧‧‧上游區段

12‧‧‧下游區段

20‧‧‧渦流鈍形體

30‧‧‧感測桿

31‧‧‧保護件

40‧‧‧磁場

41‧‧‧第一磁性件

42‧‧‧第二磁性件

50‧‧‧線圈

Claims (6)

1. 一種渦流感測器，包含一流體通道、一渦流鈍形體、一感測桿、一磁場及一線圈，其中，該流體通道具有一流體入端及一流體出端；該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，採與流體流動方向垂直狀態設置於該流體通道內部，以將該流體通道內部空間區分為一上游區段及一下游區段；該感測桿自上方通過該流體通道之壁體，再向內插設於該下游區段內，該感測桿與該渦流鈍形體相距一小段距離，該感測桿外部圍覆一以絕緣材質成型之保護件，內部設置用以輔助穩定該感測桿及供該感測桿通過之物件；該磁場設置於該流體通道之外壁上，其磁力線圍覆住該感測桿頂端頭；該線圈裝設於該感測桿外圍；使用時，流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段內後，先有平順之流動現象，然後沖擊到該渦流鈍形體，隨即在該下游區段內產生渦街現象，並即推動該感測桿產生往復位移運動，因此切割該磁場產生變化，同時該線圈內即感應產生電動勢。
2. 如申請專利範圍第1項所述之渦流感測器，其中，該線圈與一電力收集器連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之渦流感測器，其中，該磁場由分位於該感測桿二側之第一磁性件及第二磁性件所組成，產生之磁力線係為橫向通過模式。
4. 如申請專利範圍第1項所述之渦流感測器，其中，該磁場由成型為圓環狀之磁性件構成，產生之磁力線係為上下環繞之模式。
5. 一種渦流感測器之應用方法，渦流感測器包含一流體通道、一渦流鈍形體、一感測桿、一磁場及一線圈，其中，該流體通道具有一流體入端及一流體出端；該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，採與流體流動方向垂直狀態設置於該流體通道內部，以將該流體通道內部空間區分為一上游區段及一下游區段；該感測桿自上方通過該流體通道之壁體，再向內插設於該下游區段內，該感測桿與該渦流鈍形體相距一小段距離，該感測桿外部圍覆一以絕緣材質成型之保護件，內部設置用以輔助穩定該感測桿及供該感測桿通過之物件；該磁場設置於該流體通道之外壁上，其磁力線圍覆住該感測桿頂端頭；該線圈裝設於該感測桿外圍；流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段內後，先有平順之流動現象，然後沖擊到該渦流鈍形體，隨即在該下游區段內產生渦街現象，並即推動該感測桿伴隨產生往復位移運動，因此切割該磁場產生變化，同時該線圈內即感應產生電動勢，然後擷取其電壓變化之信號，經過放大、濾波、轉換諸項整理過程後，應用為流量量測之基準值，藉以計算出流體流量。
6. 一種渦流感測器之應用方法，渦流感測器包含一流體通道、一渦流鈍形體、一感測桿、一磁場及一線圈，其中，該流體通道具有一流體入端及一流體出端；該渦流鈍形體為一塊體狀之物件，採與流體流動方向垂直狀態設置於該流體通道內部，以將該流體通道內部空間區分為一上游區段及一下游區段；該感測桿自上方通過該流體通道之壁體，再向內插設於該下游區段內，該感測桿與該渦流鈍形體相距一小段距離，該感測桿外部圍覆一以絕緣材質成型之保護件，內部設置用以輔助穩定該感測桿及供該感測桿通過之物件；該磁場設置於該流體通道之外壁上，其磁力線圍覆住 該感測桿頂端頭；該線圈裝設於該感測桿外圍，該線圈與一電力收集器連接；流體經由該流體通道之流體入端進入上游區段內後，先有平順之流動現象，然後沖擊到該渦流鈍形體，隨即在該下游區段內產生渦街現象，並即推動該感測桿伴隨產生往復位移運動，因此切割該磁場產生變化，同時該線圈內即感應產生電動勢，並由該電力收集器接收收集，經過穩壓、整流、變壓諸項整理過程後，儲存為電源應用。