TWI388807B - Measurement System and Method of Unit - type Sand Concentration and Flow Rate Ultrasonic Measurement - Google Patents

Description

單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統及方法

本發明是有關於一種單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統及方法，特別是指一種自動化即時採集流體資料的單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統及方法。

在山坡地開發、水土保持不良的情況下，河川在遭逢颱洪暴雨時，往往流量及泥砂濃度會瞬時遽增，造成攔砂壩、水庫快速淤積，且下游河道淤積、堤防損毀或水源短缺，嚴重者導致潰壩崩堤，不僅該等工程設施失效、形同虛設，甚至帶來更大災難。

欲真正作到防災，除了必須從根本的水土保持做起之外，並需針對水利建設計劃作全面檢討-例如檢討是否仍以傳統工法抵擋土石、設施效益、環境評估等；然而要做出正確的計劃方案，必須透過長期的環境觀察、水文監測，在充分了解整體區域水文特性之後才能作到。水文資料監測的項目中，洪峰期間以及一般流量時的水道泥砂濃度變化，顯示水道泥砂運移特性，且直接關係到設施的泥砂淤積量、淤積速度，是十分必要且重要的資訊。

目前在現地量測水道泥砂濃度的方式，是由工程人員親至水道現場垂降一採集容器，將取得的水道水樣帶回研究室或觀測站分析。此一方式不但無法即時得知河川水道泥砂濃度，且基於安全考量，在颱洪暴雨的洪峰期間，工程人員並不能前往現場採集，無法掌握完整的泥砂濃度歷 程，因此有必要建立一套可自動化即時採集並測得泥砂濃度的泥砂濃度量測系統。

因此，本發明之目的，即在提供一種自動化即時採集流體資料的單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統及方法。

於是，本發明單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統包含一主機、一連結部件及至少一流體偵測器；該連結部件具有一傳輸線及一纜線；該流體偵測器置於該流體中，並繫掛於該纜線以量測一流體資料；該主機與該流體偵測器之間以該傳輸線彼此連接，該主機藉該傳輸線接收該流體偵測器測得之流體資料並加以記錄。

本發明單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法配合前述單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統執行，該方法包括下述步驟：(a)將該主機與該流體偵測器之間以該傳輸線彼此連接，且該流體偵測器繫掛於該纜線；(b)將各該流體偵測器隨該纜線置於該流體中以量測流體資料；及(c)該主機藉該傳輸線接收該流體偵測器測得之流體資料並加以記錄。

若採用多組流體偵測器，則本發明單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法包括下述步驟：(a)將該主機連接於該傳輸線之一端，且各該流體偵測器以該連結部件之傳輸線彼此串接，並繫掛於該纜線之不同位置；(b)將各該流體偵測器置於該流體中以分別量測一流體資料；及(c)該主機藉 該傳輸線接收各該流體偵測器測得之流體資料並加以記錄。

本發明單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統及方法藉由主機配合傳輸線連接一或多數個流體偵測器，因此主機能進行長時間的自動化即時採集記錄監測如泥砂濃度、水流速度等流體資料。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之數個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，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，本發明之第一較佳實施例是設置於一鄰近岸邊之水域，如：海洋、河川或水庫之流體5，單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統100包含複數流體偵測器1、一連結部件2及一主機3。

前述單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統100是配合本發明單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法，該方法包括下述步驟：將主機3連接於連結部件2之傳輸線22之一端，且連結部件2之纜線21一端固定於岸邊，例如：河岸邊，且各流體偵測器1以傳輸線22彼此串接，並繫掛於連結部件2之纜線21不同位置；然後，將各流體偵測器1置於流體5中以分別量測一流體資料；接著，由主機3藉傳輸線22接收各流體偵測器1測得之流體資料並加以記錄。

其中，主機3設置在岸邊附近的一基台上，而由於岸邊的土石結構不容易定著，因此纜線21之一端固定於基台，且連結部件2還具有二個浮板23、一鉛錘裝置24及一錨定裝置25；浮板23是供纜線21向上浮力，以拉直該纜線21，並有在水面觀測以得知目前所在位置之功能，鉛錘裝置24及錨定裝置25之作用是使各流體偵測器1沉放於流體5中，且水流速度較快或水流不穩定時，各流體偵測器1之位置不至偏離原沉放位置太遠，使該等流體偵測器1隨著纜線21概呈縱向排列地懸置於流體5中。浮板23亦可供人員站立，以將纜線21及鉛錘裝置24拉離流體5，進行維修或保養各流體偵測器1之作業。

各流體偵測器1分別繫掛於纜線21不同位置以量測流體5之不同深度的流體資料，且以傳輸線22彼此串接，傳輸線22之一端連接於主機3，主機3即藉由傳輸線22接收各流體偵測器1測得之流體資料且加以記錄，如此即可針對距離岸邊較遠的流體5進行長時間的即時自動化監測。

需說明的是，如圖1顯示本發明具有多組流體偵測器1的情況，然而，如圖2採用單組流體偵測器1亦可；或以圖1之方式，於流體5中懸置複數條纜線21，可形成平面或立體量測點。只要將流體偵測器1置於流體5中，並繫掛於纜線21以量測流體資料，且主機3與流體偵測器1之間以傳輸線22彼此連接，主機3藉傳輸線22接收流體偵測器1測得之流體資料並加以記錄，亦可達成即時自動化監測的功效。

參閱圖2，流體偵測器1具有一筒身16、二組分設於筒身16外側之支架161、162、二組設於支架161、162上之探頭組123、124，及一設置於筒身16底部的一壓力感測單元131及一溫度感測單元132；探頭組123具有一傳送端1231及一接收端1232，用於流體中發射/接收超音波訊號以供量測水流速度；探頭組124具有一傳送端1241及一接收端1242，用於流體中發射/接收超音波訊號以供量測泥砂濃度；壓力感測單元131用於量測壓力以換算為深度資料；溫度感測單元132用於量測流體5之溫度。

亦即，各探頭組123、124係供偵測不同之流體資料，因此，可依據不同需求設置一組或擴充至更多組，不以前述的二組為限，且各探頭組123、124之傳送/接收距離依據實際量測需求也可調整為不同距離，如：泥砂濃度較高時，探頭組123、124之傳送/接收距離需調整為較短距離以確保能接收到訊號進行量測。

參閱圖3，流體偵測器1具有的電子元件除了前述的探頭組123、124、壓力感測單元131及溫度感測單元132，還包括一處理模組10、一電源供應模組11、一傳送/接收驅動模組12、一選擇電路125、一記憶模組14及一傳輸介面15。

其中，電源供應模組11用於供應流體偵測器1的元件所需電力，傳送/接收驅動模組12包括兩通道的發射/接收及前級放大器，各通道之驅動分別為第一驅動電路121、第二驅動電路122；處理模組10控制電子元件協調運作，具 有類比數位轉換器、時序控制器等元件，處理模組10時序控制第一驅動電路121、第二驅動電路122以正弦脈衝(sine burst)驅動探頭組123、124發射超音波訊號，其驅動電壓大小由處理模組10根據自選擇電路125取得探頭組123、124之接收信號大小進行設定，處理模組10是以時序控制選擇電路125以取得接收信號，選擇電路125並包括後級自動增益回授電路以放大接收信號。

處理模組10利用探頭組123接收超音波訊號數位化後，依據超音波訊號傳遞時間的改變量來推算水流速度；另外，處理模組10利用探頭組124接收超音波訊號信號數位化後將其振幅積分，並依據其超音波訊號訊號相對衰減量與泥砂濃度的對應關係，代入事先率定求出的超音波能量衰減-濃度關係的公式，藉此計算出泥砂濃度。

此外，處理模組10並接收壓力感測單元131測得之壓力及溫度感測單元132測得之溫度，利用壓力值可換算水深，藉此了解流體偵測器1於量測流體資料時的實際深度。然後，處理模組10將前述水流速度、泥砂濃度、溫度、壓力值及深度資料儲存於記憶模組14，且能即時透過傳輸介面15輸出予主機3。

電源供應模組11包括電源轉換器及電池等組件，為防止電力不足，電源供應模組11並透過傳輸介面15連接的傳輸線22接收主機3供應電力。

本實施例之傳輸介面15採用的是一RS485介面，其控制架構採分散式控制，具有傳輸距離遠、降低雜訊、可多 對多連線及分散式控制之優點；此外，分散式控制是主機3僅負責各單元之協調，讓各流體偵測器1之處理模組10獨立處理事件，因此使本發明具有成本較低、擴充容易及執行效率高等功效，避免如集中式管理使主機之處理器負擔過重之缺點。

主機3具有一控制模組31、一記錄模組32、一通訊模組33、一電源轉換模組34及一控制介面35；其中，控制模組31透過控制介面35管控各流體偵測器1之運作，且自控制介面35接收各流體偵測器1之流體資料；記錄模組32是一資料記錄儀(Data Logger)，可自動將各流體偵測器1測得之流體資料自動加以記錄：通訊模組33可以是無線通訊，如一行動通訊模組，採用如GPRS或3G等通訊模式；亦可以是有線通訊，如ADSL、光纖或區域網路等通訊模式，用以將記錄模組32之記錄結果以無線或有線通訊發送至遠端；電源轉換模組34是轉換太陽能之光能為可用電力，然後透過傳輸線22供應該等流體偵測器1所需之電力；然而，除了太陽能以外，電源轉換模組34還可採用其他再生能源之電能，如風能、水力發電皆可或直接接用市電。

參閱圖4，本發明之第二較佳實施例適用於水位變動較大的情況，可量測距底床為固定距離之流體資料，單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統100’也包含前述流體偵測器1’、連結部件2’及主機3’，連結部件2’也包括一纜線21’及一包復於纜線21’內的傳輸線22’及一鉛錘裝置24’。

不同的是，本實施例的連結部件2’還包括一浮球裝置 26，且纜線21’區分為使各流體偵測器1’彼此連結的連結段211及一拉繩段212，拉繩段212固定於浮板23’並延伸固定於主機3’。

第二較佳實施例之量測方法是將主機3’連接於傳輸線22’之一端，且各流體偵測器1以傳輸線22’、連結段211彼此串接；將各流體偵測器1’置於流體5中並配合鉛錘裝置24’沉放以分別量測不同深度之流體資料；然後，由主機3’藉傳輸線22’接收各流體偵測器1’測得之流體資料並加以記錄，如此即可針對水位變動較大且可量測距底床為固定距離的流體5進行長時間的即時自動化監測；至於其回收方式是將拉繩段212取回即可自流體5取出各流體偵測器1’。

參閱圖5，本發明之第三較佳實施例適用於定著於一結構體4(如：橋墩)的情況，單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統100”也包含流體偵測器1”、連結部件2”及主機3”，各元件的作用如前述實施例的描述，在此不重複介紹。

不同的是，本實施例的連結部件2”的纜線21”是採用以數個固定部41分別固定於結構體4位於流體5內的不同深度位置，如此即可針對結構體4附近的流體5進行長時間的即時自動化監測。

綜上所述，本發明單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統及方法藉由前述不同實施例的主機配合傳輸線連接多數個流體偵測器，因此主機能進行長時間的自動化即時採集記錄監測如泥砂濃度及水流速度等流體資料，故確實能 達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100、100’、100”‧‧‧單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統

1、1’、1”‧‧‧流體偵測器

10‧‧‧處理模組

11‧‧‧電源供應模組

12‧‧‧傳送/接收驅動模組

121‧‧‧第一驅動電路

122‧‧‧第二驅動電路

123、124‧‧‧探頭組

1231、1241‧‧‧傳送端

1232、1242‧‧‧接收端

125‧‧‧選擇電路

131‧‧‧壓力感測單元

132‧‧‧溫度感測單元

14‧‧‧記憶模組

15‧‧‧傳輸介面

16‧‧‧筒身

161、162‧‧‧支架

2、2’、2”‧‧‧連結部件

21、21’、21”‧‧‧纜線

211‧‧‧連結段

212‧‧‧拉繩段

22、22’‧‧‧傳輸線

23、23’‧‧‧浮板

24‧‧‧鉛錘裝置

25‧‧‧錨定裝置

26‧‧‧浮球裝置

3、3’、3”‧‧‧主機

31‧‧‧控制模組

32‧‧‧記錄模組

33‧‧‧通訊模組

34‧‧‧電源轉換模組

35‧‧‧控制介面

4‧‧‧結構體

41‧‧‧固定部

5‧‧‧流體

圖1是一示意圖，說明本發明之第一較佳實施例是以浮板裝置連結並設置於鄰近岸邊的地方；圖2是一立體圖，說明本發明採用的流體偵測器；圖3是一系統方塊圖，說明本發明的主機及流體偵測器的內部元件及運作方式；圖4是一示意圖，說明本發明之第二較佳實施例是以浮球及浮板裝置連結並設置於水位變動較大的地方；及圖5是一示意圖，說明本發明之第三較佳實施例是設置於如橋墩的結構體上。

100‧‧‧單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統

1‧‧‧流體偵測器

2‧‧‧連結部件

21‧‧‧纜線

22‧‧‧傳輸線

23‧‧‧浮板

24‧‧‧鉛錘裝置

25‧‧‧錨定裝置

3‧‧‧主機

5‧‧‧流體

Claims (14)

1. 一種單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，包含：一連結部件，具有一傳輸線及一纜線；多數個流體偵測器，置於該流體中，各該流體偵測器間隔的固定於該纜線的不同位置以量測不同位置的流體資料，且該纜線是採用以數個固定部固定於結構體位於流體內的不同深度位置，各該流體偵測器具有：多數個探頭組，於該流體發射/接收超音波訊號，一處理模組，依據該等探頭組接收之超音波訊號計算該流體的不同位置之泥砂濃度及水流速度，及一傳輸介面，連接該傳輸線，並輸出該流體的不同位置之泥砂濃度及水流速度；及一主機，與該流體偵測器之傳輸介面以該傳輸線彼此連接，藉該傳輸線接收各該流體偵測器測得之流體的不同位置之泥砂濃度及水流速度並加以記錄。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，各該流體偵測器以複數條纜線布置成平面或立體之量測點。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，該主機具有：一控制模組，管控各該流體偵測器之運作；一記錄模組，將各該流體偵測器測得之流體資料加 以記錄：及一通訊模組，將該記錄模組之記錄結果以無線或有線通訊發送至遠端。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，該主機包括一電力轉換模組，該電力轉換模組藉該傳輸線供應該等流體偵測器所需之電力。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，該電力供應模組是轉換再生能源之電能為可用電力或接用市電。
6. 依據申請專利範圍第2至5任一項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，各該流體偵測器具有一壓力感測單元，且該壓力感測單元測得之流體壓力資料由該處理模組換算為一深度資料經由該傳輸介面輸出予該主機。
7. 依據申請專利範圍第2至5任一項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，各該流體偵測器具有一溫度感測單元，且該溫度感測單元測得之流體溫度資料經由該傳輸介面輸出予該主機。
8. 依據申請專利範圍第2至5任一項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，各該流體偵測器還具有一儲存該流體資料之記憶模組。
9. 依據申請專利範圍第2至5任一項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，該傳輸介面是一 RS485介面。
10. 依據申請專利範圍第2至5任一項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測系統，其中，該連結部件還包括使該等流體偵測器隨該纜線呈縱向排列並懸置該流體中的一浮板裝置、一浮球裝置、一鉛錘裝置或一錨定裝置。
11. 一種單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法，配合一包括一主機、一連結部件及多數個流體偵測器執行，該連結部件具有一傳輸線及一纜線，各該流體偵測器具有多數個探頭組於該流體發射/接收超音波訊號，該方法包括下述步驟：(a)將該主機與各該流體偵測器之間以該傳輸線彼此連接，且各該流體偵測器間隔的固定於該纜線的不同位置，該纜線是採用以數個固定部固定於結構體位於流體內的不同深度位置；(b)將各該流體偵測器隨該纜線置於該流體中以依據該等探頭組之超音波訊號計算該流體的不同位置之泥砂濃度及水流速度；及(c)該主機藉該傳輸線接收各該流體偵測器測得之流體的不同位置之泥砂濃度及水流速度並加以記錄。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法，其中，步驟(b)之各該流體偵測器還執行下述子步驟：(b21)量測一流體壓力資料；及(b22)依據該流體壓力資料換算為一深度資料；及 (b23)輸出該深度資料予該主機。
13. 依據申請專利範圍第11項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法，其中，步驟(c)之主機還執行下述子步驟：(c1)將記錄結果以無線或有線通訊發送至遠端。
14. 依據申請專利範圍第11項所述之單元式泥砂濃度及流速超音波量測方法，其中，步驟(c)之主機還執行下述子步驟：(c2)藉該傳輸線供應該等流體偵測器所需之電力。