TWI665430B

TWI665430B - 微波流速計與流速量測方法

Info

Publication number: TWI665430B
Application number: TW106140398A
Authority: TW
Inventors: 楊慶隆; 許家銘
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-07-11
Also published as: US10527473B2; US20190154478A1; TW201925733A

Abstract

本發明提出一種微波流速計與流速量測方法。微波流速計包含發射電路、檢測電路及計算單元。發射電路包含基板、複數諧振元件及傳輸線。傳輸線設置於基板之第二面，並對應諧振元件的位置設置，傳輸線的二端接受電力饋入，以使各諧振元件分別產生對應之微波，各微波具有至少一諧振頻率。檢測電路偵測流體流經諧振元件時造成對應之諧振頻率的偏移量，並記錄偏移的時點。計算單元電連接檢測電路，依據諧振頻率的偏移時點及諧振元件對應於流路的位置，計算流體的流速。

Description

微波流速計與流速量測方法

本發明係有關於一種流速計，特別是一種微波流速計與流速量測方法。

目前，流速計一般採用接觸、侵入方式來量測流體流速，如將流速計安裝在水管、渠道中的旋槳式流速計，因水流帶動旋槳轉動，透過測定旋槳轉動速率便可測量水流流速。此接觸方式的流速計安裝較為不便，且設備長時間接觸流體，容易耗損。

然而，亦有一些非接觸式流速計，如利用都卜勒原理的超音波流速計與雷達波流速計，由於是利用都卜勒原理來量測，有量測方向上的限制，無法以流體流向的垂直方向來量測。

有鑑於此，本發明一實施例提出一種微波流速計，包含發射電路、檢測電路及計算單元。發射電路包含基板、複數諧振元件及傳輸線。基板具有相對的一第一面及一第二面，第一面朝向流體之流路。諧振元件設置於基板之第一面，諧振元件之諧振電流長度不等長。傳輸線設置於基板之第二面，並對應諧振元件的位置設置，傳輸線的二端接受電力饋入，以使各諧振元件分別產生對應之微波，各微波具有至少一諧振頻率。檢測電路偵測流體流經諧振元件時造成對應之諧振頻率的偏移量，並記錄偏移的時點。計算單元電連接檢測電路，依據諧振頻率的偏移時點及諧振元件對應於流路的位置，計算流體的流速。

本發明一實施例提出一種流速量測方法，包含：於量測時間內，以發射電路對流體之流路持續發射微波，其中發射電路包含複數諧振元件，各諧振元件產生之微波具有至少一諧振頻率；偵測流體流經諧振元件時造成對應之諧振頻率的偏移；及依據諧振頻率的偏移時點及諧振元件對應於流路的位置，計算流體的流速。

根據本發明實施例所提出之微波流速計與流速量測方法，能達到非侵入式的流速量測。此外，還可根據量測到的諧振頻率推知流體的介電係數，據以分辨流體的內容物。

100‧‧‧微波流速計

200‧‧‧發射電路

210‧‧‧基板

220‧‧‧諧振元件

230‧‧‧傳輸線

211‧‧‧第一面

212‧‧‧第二面

300‧‧‧檢測電路

310‧‧‧訊號產生單元

320‧‧‧檢測單元

400‧‧‧計算單元

500‧‧‧流體

600‧‧‧流道

R1~R5‧‧‧互補式開口環形共振環

fe、fw、f1、f2‧‧‧諧振頻率

S801、S802、S803‧‧‧步驟

S901、S902、S903‧‧‧步驟

[圖1]為本發明一實施例之微波流速計之架構示意圖。

[圖2]為本發明一實施例之發射電路之俯視圖。

[圖3]為本發明一實施例之諧振頻率示意圖。

[圖4]為本發明另一實施例之諧振頻率示意圖。

[圖5]為圖3之諧振頻率變化示意圖。

[圖6]為圖4之諧振頻率變化示意圖。

[圖7]為本發明一實施例之不同流體之諧振頻率示意圖。

[圖8]為本發明一實施例之流速量測方法流程圖。

[圖9]為本發明一實施例之流體混合濃度測量流程圖。

參照圖1，係為本發明一實施例之微波流速計100之架構示意圖。微波流速計100可供偵測一流體之流速，包含發射電路200、檢測電路300及計算單元400。檢測電路300電連接發射電路200，以饋送電訊號至發射電路200，使得發射電路200產生微波，並偵測微波共振頻率之變化(即頻率偏移)。計算單元400電連接檢測電路300，以根據微波之頻率偏移與時點計算流體之流速，於後將再詳細說明。

參照圖2，係為本發明一實施例之發射電路200之俯視圖。發射電路200可產生微波，係包含基板210、複數諧振元件220及傳輸線230。基板210係為介電材質構成之板材，例如：層壓板、玻璃等。基板210具有相對的一第一面211及一第二面212。在量測時，第一面211朝向流體500之一流路。在本實施例中，如圖1所示，基板210之第一面211上設置有一流道600，係可讓流體500流過，即為流體500的流路。所述流體500係指液體。為使圖2清楚呈現諧振元件220與傳輸線230的樣貌，圖2未繪出流道600。

在一實施例中，流道600是以介電材質構成，例如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃等。然而，在一些實施例中，微波流速計100不具有流道600，而於量測時將微波流速計100貼附、接觸或接近欲量測的流體500的流路(如流體的管路)。流道600可為待測管道本身，或另以微流道施行之，以檢測微量檢體之流度。

如圖2所示，諧振元件220設置於第一面211，傳輸線230設置於基板210之第二面212，並對應於諧振元件220的位置設置。於此，諧振元件220為互補式開口環形共振環(Complementary Split Ring Resonator,CSRR)，以下簡稱「環」，各諧振元件220之諧振電流長度不等長。於此，諧振元件220為半波長結構，透過諧振電流長度的設計可調整諧振頻率。在本實施例中，環的數量為五個，由外而內分別予以編號R1~R5稱之。傳輸線230於第一面211的投影係通過各個環R1~R5的開口。在此，環R1~R5是由金屬平面開槽形成，開槽方式可例如為透過蝕刻或雕刻等，環R1之外圍為接地面。由於環與環之間相鄰配置，因而形成等效諧振電路(LC tank)，當流體500通過時，引起等效電容變化，因而使得諧振頻率偏移。於是，根據圖8所示之本發明一實施例之流速量測方法流程圖，可透過偵測諧振頻率的偏移，來判定流體500流經的位置，再配合時間便可判斷流速。

合併參照圖2與圖8，傳輸線230可為微帶線(microstrip line)，二端的寬度較寬而漸縮至較小寬度，以於橫跨於諧振元件220的涵蓋範圍內保持此較小寬度。在步驟S801中，傳輸線230的二端於量測時間內持續接收檢測電路300的電力饋入，以使各諧振元件220產生微波，亦即發射電路200對流體500之流路持續發射微波，產生之微波具有至少一諧振頻率(resonant frequency)。在一些實施例中，傳輸線230可為波導管或其他饋線(如帶線、共面波導(CPW)、具接地面共面波導(CPWG)、槽線)。也就是說，傳輸線230可以是導線或非導線(如金屬面上經過蝕刻的部位)。

檢測電路300包含訊號產生單元310及檢測單元320。訊號產生單元310電連接傳輸線230的二端，用以產生高頻訊號，以提供給發射電路200，使得發射電路200能產生微波。在步驟S802中，檢測單元320偵測微波訊號，而能偵測到諧振頻率的變化(偏移量)，同時記錄偏移的時點。檢測單元320可例如為向量網路分析儀(vector network analyzer，VNA)、頻譜分析儀(spectrum analyzer)或其他偵測電路，例如：包絡偵測電路(envelope detector circuit)。

參照圖3，係為本發明一實施例之諧振頻率示意圖，縱座標為頻率，橫座標為流道600位置，並對應標示環R2~R5的開口對向位置。實線為量測結果，虛線為模擬結果。在此，基板210採用層壓板，流體500為水。如圖3所示，由上至下分別有三個諧振頻段(resonance band)，分別為環R2、R4、R3的共振模態。在此，由於環R2與R5的諧振電流長度具有倍數關係，於此為三倍。也就是說，環R2的第三諧振模態與環R5的第一諧振模態具有相同波長。因此，環R2與環R5之諧振頻率均位於5.4GHz至5.58GHz的諧振頻段中。且當流體500流經環R2時，不但環R2的諧振頻率發生偏移，環R5的諧振頻率同樣也會發生偏移。反之，當流體500流經環R5時，不但環R5的諧振頻率發生偏移，環R2的諧振頻率同樣也會發生偏移。

除此之外，因為耦合效應，在同一諧振頻段也會看到相鄰的環的諧振頻率。例如：在3.42GHz至3.54GHz的諧振頻段中，雖然流體500是流經環R4，除了環R4的諧振頻率發生偏移之外，仍然可以看到其相鄰的環R3、R5的諧振頻率發生偏移。在2.38GHz至2.45GHz的諧振頻段中，雖然流體500是流經環R3，除了環R3的諧振頻率發生偏移之外，仍然可以看到，因為環的耦合設計，使得環R3所相鄰的環R2、R4的諧振頻率偏移。也就是說，同一諧振頻段中的諧振頻率對應之該些諧振元件220為彼此相鄰。

不論是經由設計諧振電流長度，或是因為相鄰的訊號耦合效應，諧振元件220之該些諧振頻率不但分布在複數諧振頻段中，且各諧振頻段中具有至少二個諧振元件220之諧振頻率。如此，可多重確認量測結果，以避免誤判且可提高量測到位置的精準度。

在步驟S803中，計算單元400接收檢測單元320之前述偵測結果，而依據該些諧振頻率的偏移時點及該些諧振元件220對應於流路的位置，以計算得流體500的流速。也就是說，計算單元400可根據諧振頻率偏移前的值判斷為哪一個諧振元件220的諧振頻率發生偏移，以取得對應在流路的位置，同時記錄當下時間點。透過偵測到流體500流經不同位置的時間點，便可將位置差除以時間差，以獲得流體500的流速。於此，計算單元400可以是微處理器、微控制器、嵌入式處理器等運算單元。

在一些實施例中，微波流速計100具有儲存單元，以儲存偵測到的流速。在一些實施例中，微波流速計100具有輸出單元，如顯示器，以顯示偵測到的流速；或如資料傳輸介面，以傳送偵測到的流速到其他裝置(如手機、伺服器等)。

圖4為本發明另一實施例之諧振頻率示意圖，縱座標為頻率，橫座標為流道600位置，並對應標示環R2~R5的開口對向位置。實線為量測結果，虛線為模擬結果。在此，基板210採用玻璃，流體500為水。可以看到，如同圖3，由上至下分別有三個諧振頻段，分別為環R2、R4、R3的共振模態，圖4與圖3之差異僅在於諧振頻率的值有所不同，此諧振頻率之差異可用以檢測出待測流體500之介電常數，而測知待測流體500相關性質。

圖5與圖6分別為圖3與圖4之諧振頻率變化示意圖，係將圖3與圖4之諧振頻率予以微分以呈現其頻率變化。配合由上至下的諧振頻段的次序，點鏈線呈現的是環R2之諧振模態的頻率變化。虛線呈現的是環R4之諧振模態的頻率變化。實線呈現的是環R3之諧振模態的頻率變化。可以清楚看到在各個諧振頻率與模態下，均可精準判斷流體500流經位置。在一實施例中，計算單元400可將諧振頻率微分後的極值判斷為哪一個諧振元件220的諧振頻率發生偏移，以取得對應在流路的位置，同時記錄當下時間點。

在流體500為均質的情形下，前述偵測到的流體500流經位置為流體500前端所經過的位置。在流體500為非均質的情形下，即流體500摻雜雜質，例如於水中摻雜油滴、或一般流體500中含有氣泡。在此，雜質可作為標記物，因此偵測到的頻率變化除了可偵測流體500的前端所經過的位置之外，也能反映出雜質的位置，以持續判定流體500之流速。

在一實施例中，參照表一，係以四個互補式開口環形共振環來說明。由外而內，第一個環的諧振頻率稱之為「第一模態」，第二個環的諧振頻率稱之為「第二模態」，第三個環的諧振頻率稱之為「第三模態」，第四個環的諧振頻率稱之為「第四模態」。若將各個環分開獨立量測其諧振頻率，即獲得「耦合前」的量測數值。若將各個環排列在一起量測其諧振頻率，即獲得「耦合後」的量測數值。可以看到，中間的兩個環有較少的頻率偏移。因此，承前述五個環之實施例，外層的互補式開口環形共振環R1為一冗餘環，其作用不作為頻率偏移之偵測，而是利用其與相鄰的環R2之間的電容效應，減少此些環R2~R5相鄰排列造成諧振頻率偏移，而能提高偵測靈敏度。

圖7為本發明一實施例之不同流體500之諧振頻率示意圖。在此，僅呈現一個互補式開口環形共振環的量測結果。並請配合圖9所示之本發明一實施例之流體500混合濃度測量流程圖。首先，測量該二物質中的一第一物質流經該些諧振元件220時造成對應之諧振頻率的第一偏移(步驟S901)。例如，當流體500為水的時候，諧振頻率fw由3.51GHz降至約3.39GHz。接著，測量該二物質中的一第二物質流經該些諧振元件220時造成對應之諧振頻率的第二偏移(步驟S902)。例如，當流體500為乙醇的時候，諧振頻率fe由3.51GHz降至約3.48GHz。當流體500為水與乙醇的混合物時，諧振頻率f1、f2位於諧振頻率fw與諧振頻率fw之間。由於流體500的介電係數係與偵測到的諧振頻率的平方的倒數近似正比。計算單元400可根據諧振頻率偏移幅度判斷流體500的介電係數。因此當流體500為二種物質構成之混合物時，計算單元400可根據諧振頻率偏移幅度(或偏移後的諧振頻率)判斷流體500的混合濃度，亦即根據流體500流經該些諧振元件220時造成對應之該些諧振頻率的偏移在第一偏移與第二偏移之間的比例關係來判斷(步驟S903)。當流體500中所占的某一物質的比例愈高，則偏移後的諧振頻率將愈靠近該物質的偏移後諧振頻率。例如，當乙醇所占的比例愈高，則流體500偏移後的諧振頻率將愈靠近乙醇之諧振頻率fe(如諧振頻率f1)。反之，當水所占的比例愈高，則流體500偏移後的諧振頻率將愈靠近水之諧振頻率fw(如諧振頻率f2)，如此可用以檢測流體500之濃度。

綜上所述，根據本發明實施例所提出之微波流速計100與流速量測方法，能達到非侵入式的流速量測。此外，還可根據量測到的諧振頻率推知流體500的介電係數，據以分辨流體500的內容物。

Claims

一種微波流速計，供偵測一流體之流速，該微波流速計包含：一發射電路，包含：一基板，具有相對的一第一面及一第二面，該第一面朝向該流體之一流路；複數諧振元件，設置於該基板之該第一面，該些諧振元件之諧振電流長度不等長；及一傳輸線，設置於該基板之該第二面，並對應該些諧振元件的位置設置，該傳輸線的二端接受電力饋入，以使各該諧振元件分別產生對應之一微波，各該微波具有至少一諧振頻率；一檢測電路，偵測該流體流經該些諧振元件時造成對應之該些諧振頻率的偏移量，並記錄偏移的時點；及一計算單元，電連接該檢測電路，依據該些諧振頻率的偏移時點及該些諧振元件對應於該流路的位置，計算該流體的流速，並根據該諧振頻率偏移前的值判斷為哪一個該諧振元件的該諧振頻率發生偏移，以取得對應之該流路的位置。
如請求項1所述之微波流速計，其中該計算單元根據該諧振頻率偏移幅度判斷該流體的介電係數。
如請求項1所述之微波流速計，其中該流體為二種物質構成之混合物時，該計算單元根據該諧振頻率偏移幅度判斷該流體的混合濃度。
如請求項1所述之微波流速計，該些諧振元件之該些諧振頻率分布在複數諧振頻段中，各該諧振頻段中具有至少二個該諧振元件之該諧振頻率。
如請求項4所述之微波流速計，其中同一该諧振頻段中的該些諧振頻率對應之該些諧振元件為彼此相鄰。
如請求項1所述之微波流速計，其中各該諧振元件為一互補式開口環形共振環，外層的該互補式開口環形共振環為一冗餘環。
一種流速量測方法，包含：於量測時間內，以一發射電路對一流體之一流路持續發射微波，其中該發射電路包含複數諧振元件，各該諧振元件分別產生對應之一微波，各該微波具有至少一諧振頻率；偵測該流體流經該些諧振元件時造成對應之該些諧振頻率的偏移量，並記錄偏移的時點；根據該諧振頻率偏移前的值判斷為哪一個該諧振元件的該諧振頻率發生偏移，以取得對應在該流路的位置；及依據該些諧振頻率的偏移時點及該些諧振元件對應於該流路的位置，計算該流體的流速。
如請求項7所述之流速量測方法，更包含：根據該諧振頻率偏移幅度判斷該流體的介電係數。
如請求項7所述之流速量測方法，更包含：根據該諧振頻率偏移幅度判斷該流體的混合濃度，其中該流體為二種物質構成之混合物。
如請求項9所述之流速量測方法，更包含：測量該二物質中的一第一物質流經該些諧振元件時造成對應之該些諧振頻率的一第一偏移；及測量該二物質中的一第二物質流經該些諧振元件時造成對應之該些諧振頻率的一第二偏移；其中，根據該諧振頻率偏移幅度判斷該流體的混合濃度，係根據該流體流經該些諧振元件時造成對應之該些諧振頻率的偏移在該第一偏移與該第二偏移之間的比例關係來判斷。