TWI574019B - 時域反射導波器結構 - Google Patents

Description

時域反射導波器結構

本發明係有關一種量測水下物體深度之裝置，尤指一種利用時域反射方式量測水下物體深度之導波器結構。

時域反射(Time Domain Reflectometry,TDR)是一種利用電磁波的傳輸進行監測及探查的方法。電磁波的傳輸系統是使用導波器(Waveguide)作為訊號傳輸與感測元件。導波器之設計主要是將所需監測的環境變化參數轉換為導波器之傳輸訊號變化(反射訊號)，以藉由反射訊號得知環境變化參數。實際實施時是測量電磁波在不同環境介面時所產生的反射訊號走時，再透過計算電磁波速與反射訊號走時來定位訊號不連續位置，藉以得出環境變化參數。

然而，由於電磁波在監測傳送的過程中(如從空氣進入水中)會產生多重反射，因而造成待測環境參數的反射訊號較難以分辨。此外，電磁波傳送的過程中也經常容易受到異物干擾而造成訊號衰減。更重要的是，當電磁波從高介電係數環境(如水)到低介電係數環境(如土、汙泥等)時會產生全反射現象，導致無法偵測低介電係數的環境參數。

有鑑於此，本發明人遂針對上述現有技術，特潛心研究並配合學理的運用，盡力解決上述之問題點，即成為本發明人改良之目標。

本發明之一目的，在於提供一種時域反射導波器結構，以避免異物干擾而利於量測，並能量測不同介質的環境參數。

為了達成上述之目的，本發明係提供一種時域反射導波器結構，包括控制模組、導波感測器、保護套件及絕緣體。控制模組用於發送感測訊號及接收感測訊號所回饋的反射訊號。導波感測器電性連接控制模組，包含連接控制模組的第一探棒、彎折連接第一探棒的彎曲探棒及自彎曲探棒延伸的第二探棒。保護套件同軸套合第一探棒並外露出彎曲探棒，感測訊號透過保護套件通過第一探棒而不致受到干擾，並傳送到彎曲探棒及第二探棒而取得反射訊號，絕緣體包覆在導波感測器及保護套件外。

本發明之另一目的，在於提供一種時域反射導波器結構，其係設置有基準探棒，基準探棒裸露在絕緣體外並平行位於第一探棒的一側邊，其反射訊號的曲線可作為比較基準，以利於提供後續作相關計算。

相較於習知伺服器結構，本發明之時域反射導波器結構係將保護套件同軸套合在部份的導波感測器外，據此，當感測訊號經過保護套件時可不致受到外物干擾，以避免感測訊號衰減，使導波感測器具備有長行程的感測能力；又，當感測訊號從高介電係數環境(如水)傳送到低介電係數環境(如土、汙泥等)時不會產生全反射現象，藉此令導波感測器能夠順利傳遞感測訊號至低介電係數環境，進而順利產生反射訊號以計算料位高度；再者，本發明可另外設置裸露在絕緣體外的基準探棒，其反射訊號的曲線可作為比較基準，以利於提供後續作相關計算，藉此增加本發明之實用性。

1‧‧‧時域反射導波器結構

2‧‧‧第一介質

3‧‧‧第二介質

10‧‧‧控制模組

11‧‧‧同軸纜線

20‧‧‧導波感測器

21‧‧‧第一探棒

22‧‧‧彎曲探棒

23‧‧‧第二探棒

30‧‧‧保護套件

31‧‧‧絕緣管

32‧‧‧金屬管

320‧‧‧穿孔

40‧‧‧絕緣體

41‧‧‧近端

42‧‧‧遠端

50‧‧‧基準探棒

圖1A係本發明之時域反射導波器結構的組合剖視圖。

圖1B係本發明之時域反射導波器結構未偵測前反射訊號的曲線示意圖。

圖2A係本發明之時域反射導波器結構的第一使用示意圖。

圖2B係顯示圖2A之反射訊號的曲線示意圖。

圖3A係本發明之時域反射導波器結構的第二使用示意圖。

圖3B係顯示圖3A之反射訊號的曲線示意圖。

圖4係本發明之時域反射導波器結構的第二實施例。

有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，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。

請參閱圖1A及圖1B，係分別為本發明之時域反射導波器結構的組合剖視圖及未偵測前反射訊號的曲線示意圖。如圖1A所示，本發明提供一種時域反射導波器結構1，包括一控制模組10、一導波感測器20、一保護套件30及一絕緣體40。該控制模組10係電性連接該導波感測器20，該保護套件30係套合部分的導波感測器20，該絕緣體40則是包覆該導波感測器20及該保護套件30，據以構成該時域反射導波器結構1。

該控制模組10用於發送一感測訊號及接收該感測訊號所回饋的一反射訊號；於本實施例中，該感測訊號為一電磁波，該反射訊號係為該感測 訊號經過傳輸介面時反射回來的訊號值。較佳地，該控制模組10更包括一同軸纜線11，該導波感測器20係透過該同軸纜線11而電性連接該控制模組10。

該導波感測器20電性連接該控制模組10。又，該導波感測器20包含連接該控制模組10的一第一探棒21、彎折連接該第一探棒21的一彎曲探棒22及自該彎曲探棒22延伸的一第二探棒23。實際實施時，該導波感測器20可由一體成型的一導體鋼棒所構成。本實施例中，該第二探棒23係自該彎曲探棒22的端部直線延伸，且該第二探棒23係平行該第一探棒21。

該保護套件30同軸套合該第一探棒21並外露出該彎曲探棒22。於本發明的一實施例中，該保護套件30係包含一絕緣管31及一金屬管32；又，該絕緣管31係套固該第一探棒21，該金屬管32係套設在該絕緣管31外。較佳地，該第二探棒23與該保護套件30之間的距離大於50mm。

較佳地，該絕緣管31與該金屬管32係具有相同的長度；此外，該金屬管32具有一穿孔320，該穿孔320的直徑小於該絕緣管31的直徑並大於該第一探棒21的直徑，且該第一探棒21係穿出該穿孔320而連接該彎曲探棒22。據此，該第一探棒21係穿接在該絕緣管31中，該絕緣管31則是塞設在該金屬管32中。更詳細說明該保護套件30的功能於後。

由於該保護套件30包含可隔絕訊號干擾的金屬管32，因此可讓感測訊號經過保護套件30時可不致受到外物干擾，以避免感測訊號衰減，使該導波感測器20具備有長行程的感測能力。例如，將該導波感測器20從高介電係數環境(如水)傳送到低介電係數環境(如土、汙泥等)時，由於該第一探棒21同軸套合有該保護套件30，故能使感測訊號在二介面之間不致發生全反射現象或其它 干擾，藉此令導波感測器20能夠順利傳遞感測訊號至低介電係數環境，進而順利產生反射訊號以計算料位高度。

再者，該絕緣體40係包覆在該導波感測器20及該保護套件30外。本實施例中，該絕緣體40的二端係分別為一近端41及一遠端42，該近端41及該遠端42分別為一封閉端，以避免外部水氣或雨水滲入；又，該遠端42係與該保護套件30的端面保持有一段距離，該彎曲探棒22係位在該保護套件30的端面及該遠端42之間。實際實施時，該絕緣體40可由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene,PTFE)、聚醚醚酮(Polyether ether ketone,PEEK)或聚氟化二乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)等工程塑膠所構成，但不以此為限制。

較佳地，該絕緣體40為一圓柱；此外，該絕緣體40的直徑會隨著該導波感測器20的直徑增加而變大。另外，亦即，該絕緣體40的直徑係與該第一探棒21、該彎曲探棒22及該第二探棒23的直徑成正比，當該第一探棒21、該彎曲探棒22及該第二探棒23的直徑越大時，該絕緣體40的直徑也越大，藉以使該導波感測器20具有適當的阻抗值。值得注意的是，當該絕緣體40的選用材質不同時，該絕緣體40的直徑大小亦不同。於本發明的一實施例中，該導波感測器20及該絕緣體40的阻抗值約為50歐姆，實際實施時不以此為限制。

請參照圖1B，其係顯示該時域反射導波器結構1未量測時反射訊號所顯示的曲線示意圖。圖1B所示是該時域反射導波器結構1的感測訊號經過空氣中時反射訊號的曲線，其中，a點即是感測訊號傳送至圖1A中A點的反射訊號值。

請續參照圖2A及圖2B，係分別為本發明之時域反射導波器結構的第一使用示意圖及其反射訊號的曲線示意圖。如圖2A所示，該時域反射導波器 結構1係安置在一第一介質2(如水等液體)及一第二介質3(如汙泥等物體)中，用以偵測第一介質2及第二介質3的料位高度；較佳地，該第一介質2的介電係數係大於該第二介質3。

如圖2B所示，為該時域反射導波器結構1的感測訊號經過該第一介質2及該第二介質3時的反射訊號曲線，其中，b點即是感測訊號傳送至圖2B中B點的反射訊號值。亦即，本發明可透過圖2B中B點的走時計算，據以得知該第二介質3的料位高度。要說明的是，透過反射訊號的走時計算料位高度的方法並非本發明的申請重點，故不再此詳述。

請參另照圖3A及圖3B，係分別為本發明之時域反射導波器結構的第二使用示意圖及其量測到的波形示意圖。如圖3A所示，同樣地，該時域反射導波器結構1係安置第一介質2(如水等液體)及第二介質3(如汙泥等物體)中，用以偵測第一介質2及第二介質3的料位高度，且該第一介質2的介電係數係大於該第二介質3。

如圖3B所示，為該時域反射導波器結構1的感測訊號經過該第一介質2及該第二介質3時回饋回來的反射訊號的曲線，其中，c點即是感測訊號傳送至圖3B中C點的反射訊號值。亦即，本發明可透過圖3B中C點的走時計算，據以得知該第二介質3的料位高度。

請參照圖4，係分別為本發明之時域反射導波器結構的第二實施例。本實施例與前一實施例大致相同，時域反射導波器結構1包括控制模組10、導波感測器20、保護套件30及絕緣體40。本實施例不同的地方在於該時域反射導波器結構1更包括一基準探棒50。該基準探棒50係電性連接該控制模組10，且 該基準探棒50係裸露在該絕緣體40外並平行位於該第一探棒21的一側邊，該感測訊號可選擇地傳送至該導波感測器20或該基準探棒50。

如圖4所示，當該感測訊號傳送至該基準探棒50時，其所測得的反射訊號可用於監測該第一介質2的料位高度。據此，感測訊號經過該基準探棒50後，其反射訊號的曲線可作為比較基準，以利於提供後續作相關計算。

1‧‧‧時域反射導波器結構

10‧‧‧控制模組

11‧‧‧同軸纜線

20‧‧‧導波感測器

21‧‧‧第一探棒

22‧‧‧彎曲探棒

23‧‧‧第二探棒

30‧‧‧保護套件

31‧‧‧絕緣管

32‧‧‧金屬管

320‧‧‧穿孔

40‧‧‧絕緣體

41‧‧‧近端

42‧‧‧遠端

Claims (10)

1. 一種時域反射導波器結構，包括：一控制模組，用於發送一感測訊號及接收該感測訊號所回饋的一反射訊號；一導波感測器，電性連接該控制模組，該導波感測器包含連接該控制模組的一第一探棒、彎折連接該第一探棒的一彎曲探棒及自該彎曲探棒延伸的一第二探棒；一保護套件，同軸套合該第一探棒並外露出該彎曲探棒，該感測訊號係透過該保護套件通過該第一探棒而不致受到干擾，並傳送到該彎曲探棒及該第二探棒而取得該反射訊號；以及一絕緣體，完全包覆該導波感測器及該保護套件。
2. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其中該控制模組更包括一同軸纜線，該導波感測器係透過該同軸纜線而電性連接該控制模組。
3. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其中該第二探棒係自該彎曲探棒的端部直線延伸，該第二探棒係平行該第一探棒。
4. 如請求項3所述之時域反射導波器結構，其中該第二探棒與該保護套件之間的距離大於50mm。
5. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其中該導波感測器係由一體成型的一導體鋼棒所構成。
6. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其中該保護套件係包含一絕緣管及一金屬管，該絕緣管係套固該第一探棒，該金屬管係套設在該絕緣管外。
7. 如請求項6所述之時域反射導波器結構，其中該絕緣管與該金屬管係具有相同的長度，該金屬管具有一底面及開設於該底面的一穿孔，該穿孔的直徑小於該絕緣管的直徑但大於該第一探棒的直徑，該第一探棒係穿出該穿孔。
8. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其中該絕緣體的二端係分別為一近端及一遠端，該遠端係與該保護套件的端面保持有一段距離，該彎曲探棒係位在該保護套件的端面及該遠端之間。
9. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其中該絕緣體為一圓柱，該絕緣體的直徑隨著該第一探棒、該彎曲探棒及該第二探棒的直徑增加而變大。
10. 如請求項1所述之時域反射導波器結構，其更包括一基準探棒，該基準探棒係電性連接該控制模組，該基準探棒係裸露在該絕緣體外並平行位於該第一探棒的一側邊，該感測訊號可選擇地傳送至該導波感測器或該基準探棒。