TWI651517B - 串接式超音波水位偵測模組及水位計 - Google Patents

Abstract

一種水位計，適用於量測一液體的一水位高度，並包含一個超音波水位偵測模組及一個控制模組。該超音波水位偵測模組包括N個串接式的超音波傳感器，其中M個超音波傳感器分別朝該液體的液面發射超音波，以產生M個量測信號。該等超音波傳感器分別設置在離該液體的液面之距離不相同的位置，且高度相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離為該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離。該控制模組電連接該超音波水位偵測模組，以接收該M個量測信號，且根據該M個量測信號之其中一者，決定該液體的該水位高度。

Description

串接式超音波水位偵測模組及水位計

本發明是有關於一種偵測模組及水位計，特別是指一種串接式的超音波水位偵測模組及整合該超音波水位偵測模組的水位計。

習知的非接觸式水位計有超音波水位計和雷達波水位計二種技術。其中，雷達波水位計相較於超音波水位計具有儀器價格較昂貴且構造更精密的特性，不但使得採用的成本較高，且其後續維修也較為困難。而習知的超音波水位計隨著要量測的液體的水位高度的不同，當該液體的水位高度的變化幅度越大時，習知的超音波水位計的超音波傳感器 (Ultrasonic Transducer)所需要的規格也就隨之更嚴苛，例如需求的功率更大以能量測更遠的距離，如此一來，導致超音波水位計的成本也隨之變高，因此常用於河川或是水庫水位變動的量測。因此，是否具有其他成本更低且能廣為布設用於量測市區淹水之水位計便成為一個待解決的問題。

因此，本發明的目的，即在提供一種成本低廉的串接式超音波水位偵測模組及水位計。

於是，根據本發明之一觀點，提供一種水位計，適用於量測一液體的一水面高程，並包含一個超音波水位偵測模組及一個控制模組。

該個超音波水位偵測模組包括N個超音波傳感器，並接收一個控制信號，以控制該M個超音波傳感器朝該液體的液面發射超音波，進而產生M個相關於該水位高度的量測信號，N是大於1的正整數，M是正整數且小於等於N。該N個超音波傳感器分別設置在不同的感測高程，且上下相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離相關於該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離。

該控制模組電連接該超音波水位偵測模組，以產生該控制信號，並接收該M個量測信號，且根據該M個量測信號之其中一者，決定該液體的該水面高程。

在一些實施態樣中，其中，該控制模組包括一個儲存單元、一個通訊單元、及一個處理單元。該儲存單元儲存一個程式碼。該通訊單元適用於與一電腦主機建立連線。該處理單元電連接該儲存單元，以執行該程式碼，進而依照該程式碼設定的時間產生該控制信號，並將對應的該液體的該水面高程儲存至該儲存單元，且同時經由該通訊單元傳送至該電腦主機。

在一些實施態樣中，其中，該控制模組的該通訊單元以無線網路(Wi-Fi)或行動通訊的技術與該電腦主機建立連線。

在另一些實施態樣中，其中，該處理單元可以經由該通訊單元接收來自該電腦主機的資料，以更新該儲存單元所儲存的該程式碼。

在一些實施態樣中，其中，定義該N個超音波傳感器由水平高度最高至最低分別是第1超音波傳感器、第2超音波傳感器…第N超音波傳感器。該第i超音波傳感器與該第i+1超音波傳感器的距離小於等於該第i超音波傳感器所能偵測的最大有效量測距離，i=1、2…N-1。

在一些實施態樣中，其中，該控制模組根據該N個量測信號之其中該者，獲得該液體的液面與產生其中該量測信號的該超音波傳感器之間的一液面距離，再計算該超音波傳感器所設置的該感測高程減去該液面距離，而獲得該水面高程。

根據本發明之另一觀點，提供一種超音波水位偵測模組，適用於量測一液體的一水面高程，並包含N個超音波傳感器，且接收一個控制信號，以控制該N個超音波傳感器朝該液體的液面發射超音波，進而產生N個相關於該水面高程的量測信號，N是大於1的正整數。該N個超音波傳感器分別設置在不同的感測高程，且上下相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離相關於該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離。

在一些實施態樣中，其中，定義該N個超音波傳感器由水平高度最高至最低分別是第1超音波傳感器、第2超音波傳感器…第N超音波傳感器，該第i超音波傳感器與該第i+1超音波傳感器的距離小於等於該第i超音波傳感器所能偵測的最大有效量測距離，i=1、2…N-1。

本發明的功效在於：藉由該N個超音波傳感器以串接式地分別設置在離該液體的表面(液面)之高度距離不相同的位置，且上下相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離相關於該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離，使得該液體的該水位高度不論如何變化，該N個超音波傳感器之其中一者都能正確量測該液體的表面(液面)與其中該者之間的距離，進而獲得該液體的該水位高度。如此一來，只要採用多個規格與成本較低的超音波傳感器就能取代原本採用單一個規格與成本較高的超音波傳感器，即能達到成本低廉且準確度相同的水位計。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明水位計1的一個實施例，適用於量測一液體9的一水面高程L0，並包含一組超音波水位偵測模組2及一個控制模組3。該水面高程L0即是該液體的液面91相對於海平面93的高度。

該超音波水位偵測模組2包括N個超音波傳感器(Ultrasonic Transducer)，並接收來自該控制模組3的一個控制信號，以控制該N個超音波傳感器朝該液體9的液面91發射超音波，例如同時或逐一發射超音波，並接收其反射波，進而產生N個相關於該水面高程L0的量測信號，N是大於1的正整數。要特別強調的是：該N個超音波傳感器可以採用相同的規格，也可以部分或全部採用不同的規格，都不會限制本發明的技術手段。

該N個超音波傳感器分別設置在不同的感測高程，即離該液體9的液面91之距離不相同的高度位置，且上下相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離相關於該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離。

定義該N個超音波傳感器由水平高度最高至最低分別是第1超音波傳感器、第2超音波傳感器…第N超音波傳感器，在本實施例中，該第i超音波傳感器與該第i+1超音波傳感器的距離等於該第i超音波傳感器所能偵測的最大有效量測距離，i=1、2…N-1。而在其他實施例中，該第i超音波傳感器與該第i+1超音波傳感器的距離也可以小於該第i超音波傳感器所能偵測的最大 有效量測距離，但這樣的設計會使得該N個超音波傳感器所能偵測的該液體9的該水面高程L0的變化範圍較小。

為方便說明起見，在本實施例中是以N=3為例作說明，該3個超音波傳感器由水平高度最高至最低分別是第1超音波傳感器21、第2超音波傳感器22、及第3超音波傳感器23，且其設置的位置分別是感測高程L1~L3，其中，感測高程L1~L3即是該第1超音波傳感器21、第2超音波傳感器22、及第3超音波傳感器23分別相對於海平面93的高度。該第1超音波傳感器21與該第2超音波傳感器22的距離等於該第1超音波傳感器21所能偵測的最大有效量測距離ha1。該第2超音波傳感器22與該第3超音波傳感器23的距離等於該第2超音波傳感器22所能偵測的最大有效量測距離ha2。

該第3超音波傳感器23與地面92(即該液體9的底面)的距離d大於等於該第3超音波傳感器23所能偵測的最大有效量測距離ha3。舉例來說，當該液體9的最低水位高度可能低到零時，則該第3超音波傳感器23與地面92的距離d應小於等於該第3超音波傳感器23所能偵測的最大有效量測距離ha3，就能量測到水位高度等於零時的水面高程L0。而當該液體9的最低水位高度大於零時，例如50公分，則該第3超音波傳感器23與地面92的距離d可以大於該第3超音波傳感器23所能偵測的最大有效量測距離ha3，就能量測到最低水位高度大於零時的水面高程，例如該距離d小於等於該最大量測距離ha3加上最低水位高度(50公分)。

該控制模組3包括一個儲存單元32、一個通訊單元33、及一個處理單元31。該儲存單元32儲存一個程式碼。該通訊單元33適用於與一個另一電腦主機(或雲端伺服器) (圖未示)建立連線。該處理單元31電連接該儲存單元32，以讀取並執行該程式碼，進而依照該程式碼設定的時間產生該控制信號，並將對應的該液體9的該水面高程L0儲存至該儲存單元32，或同時經由該通訊單元33傳送至該另一電腦主機(或雲端伺服器)。

該控制模組3的該通訊單元33以無線網路(Wi-Fi)或行動通訊(如4G)的技術與該另一電腦主機(或雲端伺服器)建立連線，但不在此限。該處理單元31可以經由該通訊單元33接收來自該另一電腦主機(或雲端伺服器)的資料，以更新該儲存單元32所儲存的該程式碼，例如作韌體更新或監控水位的量測時間的改變等等。舉例來說，該控制模組3及該另一電腦主機(或雲端伺服器)可以是一種Webduino的整合平台，該整合平台包含一個可以連網的Arduino電路板，及一個利用網頁(Web)開發程式的平台。其中，該Arduino電路板相當於該水位計1的該控制模組3，而執行該網頁開發程式的平台相當於前述的該另一電腦主機(或雲端伺服器)。如此一來，該水位計1的體積可以整合地相當小，且耗電與成本都低，相當適合可攜且能夠方便地設置與拆卸。舉例來說，該控制模組3可用電池、家用電源、電腦USB孔等方式連接供電(如1.5V-5V)。

該處理單元31電連接該超音波水位偵測模組2的該等超音波傳感器，以產生該控制信號，並接收該N個量測信號，且根據該N個量測信號之其中一者，決定該液體9的該水面高程L0。

舉例來說，圖1的該液體9的液面91與該第1超音波傳感器21之間的距離[ha1+ha2+L]大於該第1超音波傳感器21所能偵測的最大有效量測距離ha1，因此，該第1超音波傳感器21所產生的該量測信號會是一個沒有意義或者預先設定的數值。同樣地，該液體9的液面91與該第2超音波傳感器22之間的距離[ha2+L]大於該第2超音波傳感器22所能偵測的最大有效量測距離ha2，因此，該第2超音波傳感器22所產生的該量測信號也會是該沒有意義或者預先設定的數值。只有該第3超音波傳感器23所產生的該量測信號才會表示一個有意義的數值，例如介於零與該最大有效量測距離ha3之間。當該控制模組3接收該3個量測信號，且判斷該第1超音波傳感器21與該第2超音波傳感器22的該二個量測信號是該沒有意義或者預先設定的數值，且判斷該第3超音波傳感器23的該量測信號是有意義的數值時，該處理單元31根據該第3超音波傳感器23的該量測信號，獲得該液體9的液面91與產生其中該量測信號的該超音波傳感器23之間的一液面距離L，再計算該超音波傳感器所設置的該感測高程L3減去該液面距離L，而獲得該水面高程L0。

要特別補充說明的是：該量測信號可以是包含該超音波傳感器所發射的超音波與所接收的反射波之間的時間差，也可以是包含該超音波傳感器所偵測到的物體距離。該控制模組3的該處理單元31都能根據該量測信號而正確地獲得該液面距離L，例如將時間差乘以超音波的傳播速度而得到對應的距離。

此外，在本實施例中，舉例來說，該N個超音波傳感器接收該控制信號以產生該N個量測信號，例如N=3。而在其他實施例中，該控制模組3的該處理單元31也可以藉由該控制信號輪流控制該N個超音波傳感器逐一發射超音波，以產生M個量測信號，M是正整數且小於等於N。舉例來說，該三個超音波傳感器可以依照其在空間中的位置由高至低或由低至高或任意順序，逐一接收該控制信號而發射超音波，以對應產生該量測信號，當該處理單元31在接收到該M個量測信號之其中一者，而決定出該水面高程時，即不再產生該控制信號，使得其餘未發射超音波的超音波傳感器保持不發射超音波，而能達到省電的功效。

再參閱圖2，圖2的該液體9的液面91與該第1超音波傳感器21之間的距離ha1+L大於該第1超音波傳感器21所能偵測的最大有效量測距離ha1，同樣地，該第1超音波傳感器21所產生的該量測信號會是一個沒有意義或者預先設定的數值。由於該液體9已將該第3超音波傳感器23淹沒，因此，該第3超音波傳感器23與地面92的距離d已大於該第3超音波傳感器23所能偵測的最大有效量測距離ha3，同樣地，該第3超音波傳感器23所產生的該量測信號也會是該沒有意義或者預先設定的數值。只有該第2超音波傳感器22所產生的該量測信號才會表示一個有意義的數值，例如介於零與該最大有效量測距離ha2之間。

在圖2的例子中，該控制模組3的該處理單元31同樣地會以判斷該第2超音波傳感器22的該量測信號是有意義的數值，來據以計算該水面高程L0。但若圖2中的該第3超音波傳感器23與地面92之間的距離小於該第3超音波傳感器23所能偵測的該最大有效量測距離，即d＜ha3，使得該第3超音波傳感器23的該量測信號也會是一個有意義的數值，即介於零與該最大有效量測距離ha3之間。此時，因為該第2超音波傳感器22及該第3超音波傳感器23的該量測信號都是有意義的數值，該控制模組3的該處理單元31會以根據設置的位置較高的超音波傳感器(即第2超音波傳感器22)的量測信號，計算該水面高程L0。或者，因為該水面高程L0(或水位高度)的變化需要時間才會發生，該處理單元31可以以短時間內沒有發生變化的該量測信號排除的方式，判斷要以根據該第2超音波傳感器22的該量測信號，計算該水面高程L0。

另外要特別補充說明的是：該處理單元31或是該另一電腦主機在獲得該水面高程L0之後，可以藉由該水位計1所設置的地面高程LG，計算該水面高程L0減去該地面高程LG，即能獲得該液體的水位高度h1或h2。也就是說，該水位計1及該超音波水位偵測模組2能夠偵測該液體的該水面高程L0，同樣地，也能偵測該水位高度h1或h2。

再者，該N個超音波傳感器有可能會被該液體淹沒，因此要採用防水的機構設計，才能在該液體的水面高程L0 (或水位高度)變化時，例如被該液體淹沒又再露出液體表面之後，還能持續正常地運作。再者，該超音波水位偵測模組2的該等超音波傳感器並不一定要朝該液體作垂直方向地發射超音波，也可以保持相對垂直方向有些許的角度(如15度)，此角度是由該等超音波傳感器的設計規格而定，並不會影響該超音波水位偵測模組2的量測結果。同樣地，每一超音波傳感器所能偵測的最大有效量測距離，也會因為其功率的不同，而有其對應的數值，這同樣可以參考其設計規格而知。

此外，本發明所述的串接式超音波水位偵測模組2是指該超音波水位偵測模組2所包含的該N個超音波傳感器，利用在空間位置上的不同，以串接的方式量測不同範圍的水位高度，使得整體能夠量測的水面高程L0 (或水位高度)的範圍變大。雖然圖1與圖2的該等超音波傳感器是以串接的方式表示電連接，但該等超音波傳感器也可以將其量測信號直接傳送至該控制模組3，也不會影響該水位計1的運作。

綜上所述，藉由該超音波水位偵測模組以串接式地設置該等超音波傳感器及該控制模組可以藉由另一電腦主機(或雲端伺服器)修改其程式或韌體，該水位計可以具備體積小且成本低廉的特性，不但可以方便地設置，更可以方便地拆卸移置他處，使得該水位計可以廣泛地應用於企業防災或住家監測淹水等的課題上，故確實能達成本發明的目的。

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。

1‧‧‧水位計

2‧‧‧超音波水位偵測模組

21‧‧‧第1超音波傳感器

22‧‧‧第2超音波傳感器

23‧‧‧第3超音波傳感器

3‧‧‧控制模組

31‧‧‧處理單元

32‧‧‧儲存單元

33‧‧‧通訊單元

9‧‧‧液體

91‧‧‧液面

92‧‧‧地面

93‧‧‧海平面

ha1‧‧‧最大有效量測距離

ha2‧‧‧最大有效量測距離

ha3‧‧‧最大有效量測距離

d‧‧‧距離

h1‧‧‧水位高度

h2‧‧‧水位高度

L0‧‧‧水面高程

L1‧‧‧感測高程

L2‧‧‧感測高程

L3‧‧‧感測高程

LG‧‧‧地面高程

L‧‧‧液面距離

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是一個示意圖，說明本發明水位計的一個實施例；及 圖2是一個示意圖，說明該實施例的液體的水位在另一個高度的態樣。

Claims (8)

1. 一種水位計，適用於量測一液體的一水面高程，並包含：一個超音波水位偵測模組，包括N個超音波傳感器，並接收一個控制信號，以控制該N個超音波傳感器之其中M個超音波傳感器朝該液體的液面發射超音波，進而產生M個相關於該水位高度的量測信號，N是大於1的正整數，M是正整數且小於等於N，該N個超音波傳感器分別設置在不同的感測高程，且上下相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離相關於該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離；及一個控制模組，電連接該超音波水位偵測模組，以產生該控制信號，並接收該M個量測信號，且根據該M個量測信號之其中一者，決定該液體的該水面高程。
2. 如請求項1所述的水位計，其中，該控制模組包括：一個儲存單元，儲存一個程式碼；一個通訊單元，適用於與一電腦主機建立連線；及一個處理單元，電連接該儲存單元，以執行該程式碼，進而依照該程式碼設定的時間產生該控制信號，並將對應的該液體的該水面高程儲存至該儲存單元，且經由該通訊單元傳送至該電腦主機。
3. 如請求項2所述的水位計，其中，該控制模組的該通訊單元以無線網路(Wi-Fi)或行動通訊的技術與該電腦主機建立連線。
4. 如請求項2所述的水位計，其中，該處理單元可以經由該 通訊單元接收來自該電腦主機的資料，以更新該儲存單元所儲存的該程式碼。
5. 如請求項1所述的水位計，其中，定義該N個超音波傳感器由水平高度最高至最低分別是第1超音波傳感器、第2超音波傳感器...第N超音波傳感器，該第i超音波傳感器與該第i+1超音波傳感器的距離小於等於該第i超音波傳感器所能偵測的最大有效量測距離，i=1、2...N-1。
6. 如請求項5所述的水位計，其中，該控制模組根據該M個量測信號之其中該者，獲得該液體的液面與產生其中該量測信號的該超音波傳感器之間的一液面距離，再計算該超音波傳感器所設置的該感測高程減去該液面距離，而獲得該水面高程。
7. 一種超音波水位偵測模組，適用於量測一液體的一水面高程，並包含N個超音波傳感器，且接收一個控制信號，以控制該N個超音波傳感器朝該液體的液面發射超音波，進而產生N個相關於該水面高程的量測信號，N是大於1的正整數，該N個超音波傳感器分別設置在不同的感測高程，且上下相鄰的兩個超音波傳感器之間的距離相關於該兩個超音波傳感器之其中位置較高者的最大有效量測距離。
8. 如請求項7所述的超音波水位偵測模組，其中，定義該N個超音波傳感器由水平高度最高至最低分別是第1超音波傳感器、第2超音波傳感器…第N超音波傳感器，該第i超音波傳感器與該第i+1超音波傳感器的距離小於等於該第i超音波傳感器所能偵測的最大有效量測距離，i=1、2… N-1。