TWM674599U - 複合式智慧水位監測設備 - Google Patents

Abstract

本創作提供了一種複合式智慧水位監測設備，其包含：設備主體、天線、保護管、壓力式水位計及充電電池組。設備主體包含：通訊單元、處理單元、雷達式水位計、電源單元及接頭。保護管為非金屬且防水的硬而短的中空管，長度1公尺，保護管的一端固定在設備主體的機械結構的側面，保護管垂直於水面，壓力式水位計固定在保護管保的另一端。在雷達式水位計的盲距之內，採用壓力式水位計的量測數據，達到提供全程由箱涵底部至人孔蓋的水位資料，且因為壓力式水位計不必固定於水體底部因而達到降低故障的目的。

Description

複合式智慧水位監測設備

本創作係關於水位監測設備，特別是一種複合式智慧水位監測設備，其能夠用於雨水下水道、汙水下水道、滯洪池與河川，進行偵測水位及水體狀態的設備，特別適用於有架設高度限制的場景，例如，汙水下水道與雨水下水道的人孔之內。

近年來氣候變遷，短時強降雨造成防洪設施(河川整建、水庫、滯洪池、堤防、下水道等)的超出負載，造成災害，時有所聞，各國對於都市防洪理念與策略的研究亦漸趨重視，其中下水道是最為重要的項目。

通常水理的分析，使用水位、流速及流量等水情資料，然而，資料的獲得以水位最為方便，因此，對應的水位計也發展最久，可分成接觸式水位計與非接觸式水位計，接觸式水位計如水尺、壓力式水位計及浮球式水位計，非接觸水位計，則有超音波水位計及雷達式水位計，被廣泛運用在水情監視的約為水尺、壓力式水位計及雷達式水位計三種。

水尺主要區分為二類，第一類為一般水尺，需藉由人員現場目視判讀後回報淹水深度及位置，其優點是材料成本低廉，缺點是需防汛人員或志 工須於災害中現勘及回報，第二類則是自動化水尺，以影像處理方式自動回傳淹水深度，缺點是受到天氣(光線、雨、霧等)的影響。

壓力式水位計是利用水的壓力來計算水位，水壓力由下方擠壓感應薄膜，感應薄膜將其所感受到的水壓力轉換為電壓數值或電流值，其對應水位的高度，通常壓力式水位計係直接投入水中進行量測，須安置於水體底部，優點是提供底部到水面全程的水位值，缺點是容易受水中淤泥的影響或阻塞，導致測精度變差或量測失效或故障。

雷達式水位計屬非接觸式，架設於水面上若干距離，量測水面與雷達式水位計的距離，優點是不受水中雜物或淤泥影響，也不受到天氣(光線、雨、霧等)的影響，其以調頻連續波(FMCW)雷達形式執行量測，其原理已見於公開文獻，此處不再贅述，然而當水面很接近雷達時，其電磁波的發射與接收的差頻很小，取樣之後作快速傅立葉轉換得到頻譜，在頻率很低的位置會產生變形，導致無法準確量測很低的頻率，亦即無法準確地量測很小的距離，此距離稱為盲距，換言之，在盲距之內，雷達無法準確偵測水位，因為盲距的存在，導致雷達式水位計架設的高度必須提高，成為實際使用時的限制，尤其，當以雷達式水位計架設於下水道的人孔蓋附近時，架設位置不能高於人孔蓋，當下水道人孔的水位在盲距(通常小於50公分)之內時，將無法準確偵測水位，然而，當下水道人孔的水位與人孔蓋距離小於盲距時，直觀上等同於溢流的機會很大，意義上等同雷達式水位計無法感測人孔即將溢流的狀態，此缺失實應積極改善，達到在下水道有全程無盲距的水位資料。

習知的水位監測設備，如果是河川、滯洪池，已有使用雷達式水位計，至於下水道P則多使用壓力式水位計，如參考文件一，李光敦，「都市 防洪-從流域總合治水到街道溢淹預警」，發表於2023年中日工程技術研討會，水位監測(水位站)使用壓力式水位計，水位資料經無線網路傳送至管理中心，管理中心以降雨資料、集水區逕流模式、下水道與街道逕流模式、河道演算模式等，透過已檢核的街道/下水道SWMM(Storm Water Management Model)模式產生數據，而後藉由類神經網，以各地區雨水下水道設計標準為基礎，設定該下水道系統的雨量警戒值，當超過雨量警戒值W時，系統以手機簡訊S或電子郵件M方式直接通知權責人員，以達到即時示警的目的，示意如第1圖。

故，有必要提供一種複合式智慧水位監測設備，以解决習用技術所存在的問題。

本創作的目的在於提供一種複合式智慧水位監測設備，其整合壓力式水位計與雷達式水位計，保有該兩種水位計各別的優點，消除其各別的缺點。

為了達成上述目的，本創作提供了一種複合式智慧水位監測設備，用以監測一水體的一水位，該複合式智慧水位監測設備包含：一設備主體，其包含：一通訊單元、一處理單元、一雷達式水位計及一電源單元，其中該處理單元電性連結該通訊單元及該雷達式水位計，該電源單元提供該通訊單元、該處理單元及該雷達式水位計運作時所需的電力；一天線，電性連結該通訊單元；一保護管，該保護管的一第一端固定在該設備主體上，該保護管由非金屬硬質防水材料所製成且該保護管的一長度為1公尺；以及一壓力式水位計，固定在該保護管的一第二端，該壓力式水位計電性連結該處理單元。

在本創作的一實施例中，該本地控制單元電性以無線方式(藍牙)連結該處理單元。

在本創作的一實施例中，該些接頭包含：一第一接頭，用以連結該天線與該通訊單元。

在本創作的一實施例中，該些接頭包含：一第二接頭，用以連結該本地控制單元與該處理單元。

在本創作的一實施例中，該些接頭包含：一第三接頭，用以連結該充電電池組與該電源單元。

在本創作的一實施例中，該些接頭包含：一第四接頭，用以連結該壓力式水位計與該處理單元。

在本創作的一實施例中，該些接頭包含：一第五接頭，用以連結一氣體感測器與該處理單元。在本創作的一實施例中，該第五接頭用以連結一氣體感測器與該處理單元。該第五接頭係備用接頭，可以連結該處理單元與外加的一水質感測器，該水質感測器用以測量水體的導電率、鹽度或溫度；該第五接頭也可以連結該處理單元與外加的一氣體感測器，用於測量水道空氣中的甲烷(沼氣)濃度，屬於環境與安全考量。

在本創作的一實施例中，該複合式智慧水位監測設備還包含：一本地控制單元，該本地控制單元電性連結該處理單元，使位於架設地點的維護人員者可以通過該本地控制單元，控制及維護該複合式智慧水位監測設備。

在本創作的一實施例中，該處理單元對該壓力式水位計的量測數據進行校準。

在本創作的一實施例中，該雷達式水位計具有一盲距，當水位在該盲距內，採用該壓力式水位計測量該水位。

在本創作的一實施例中，該處理單元判斷，假如該雷達式水位計的量測值，小於一切換距離，則選擇輸出該壓力式水位計的量測值，否則選擇輸出該雷達式水位計的量測值。

在本創作的一實施例中，該設備主體容置在一第一防塵防水外殼中，以一第一支架安裝架設；且該充電電池組容置在一第二防塵防水外殼中，以一第二支架安裝架設。

如上所述，本創作的複合式智慧水位監測設備的一功效在於修正習知壓力式水位計的缺點，壓力式水位計不必固定於水體的底部，因此減少壓力式水位計的故障機會。本創作的複合式智慧水位監測設備的另一功效在於修正習知雷達式水位計的缺點，消除其量測的盲距，提供全程的水位資料。本創作的複合式智慧水位監測設備的再一功效在於免除習知雷達式水位計的架設位置高度須提高的缺點，以提升架設的方便性。

1:複合式智慧水位監測設備

11:設備主體

111:通訊單元

112:處理單元

113:雷達式水位計

114:電源單元

12:天線

13:保護管

13a:第一端

13b:第二端

14:壓力式水位計

15:充電電池組

16:本地控制單元

2:人孔蓋

A:第一接頭

B:第二接頭

C:第三接頭

D:第四接頭

E:第五接頭

P:下水道

W:警戒值

M:電子郵件

S:手機簡訊

H_R:雷達式水位計的量測值

H_RB:雷達式水位計的盲距

H_M:全程量測距離

H_P:壓力式水位計的量測值

H_o:輸出量測值

H₁:切換距離

H₂:斜率距離

H₃:同步距離

L:保護管長度

第1圖是習知技術示意圖。

第2圖是本創作複合式智慧水位監測設備的第一實施例的架構示意圖。

第3圖是本創作複合式智慧水位監測設備的處理單元校準壓力式水位計的示意圖。

第4圖是本創作複合式智慧水位監測設備的處理單元校準壓力式水位計的流程 圖。

第5圖是本創作複合式智慧水位監測設備的第二實施例的架構示意圖。

第6圖是本創作複合式智慧水位監測設備的第二實施例的圖形使用者介面。

以下參照附圖詳細說明的實施例將會使得本創作的優點和特徵以及實現這些優點和特徵的方法更加明確。但是，本創作不局限於以下所公開的實施例，本創作能夠以互不相同的各種方式實施，以下所公開的實施例僅用於使本創作的公開內容更加完整，有助於本創作所屬技術領域的普通技術人員能夠完整地理解本創作，本創作之範疇是根據申請專利範圍而定義。在說明書全文中，相同的附圖標記表示相同的裝置元件。

請參考第2圖，第2圖是本創作複合式智慧水位監測設備的第一實施例的架構示意圖。第2圖中的第一實施例為基本構型，其提供了一種複合式智慧水位監測設備1，其包含一設備主體11，一天線12、一保護管13、一壓力式水位計14以及一充電電池組15。該設備主體11包含一通訊單元111、一處理單元112、一雷達式水位計113、一電源單元114以及五個接頭，該五個接頭包含一第一接頭A、一第二接頭B、一第三接頭C、一第四接頭D及一第五接頭E。該設備主體11包含一通訊單元111、一處理單元112、一雷達式水位計113及一電源單元114。該處理單元112電性連結該通訊單元111及該雷達式水位計113，該電源單元114提供該通訊單元111、該處理單元112及該雷達式水位計113運作時所需的電力。具體來說，該第一接頭A連接至該通訊單元111並以纜線連接至該天線12。該第二接頭B連接至處理單元112。該第三接頭C連接該電源單元114 及該充電電池組15。該第四接頭D用以連結該壓力式水位計14與該處理單元112。具體來說，該第四接頭D連接至該處理單元112，並經該保護管13以纜線連接至該壓力式水位計14。該第五接頭E連接至該處理單元112。

需要說明的是，該設備主體11可以容置在一第一防塵防水外殼(未繪示)中，以避免該設備主體11中的該通訊單元111、該處理單元112、該雷達式水位計113及該電源單元114受到粉塵及水分的干擾。在一些示例中，該設備主體11可以組裝安置於一機械結構之內，再將該機械結構放置於該第一防塵防水外殼之內(圖中未示)。該第一防塵防水外殼可以符合國際防護等級認證，例如該第一防塵防水外殼符合國際防護等級認證IP68的規範。需要說明的是，該第一防塵防水外殼也可以符合其它機構的防護認證。

該天線12電性連結該通訊單元111。具體來說，該天線12經該第一接頭A與該通訊單元111連結。該天線12可以執行與一遠端管理中心(未繪示)間的無線通訊，例如：網際網路(Internet)、物聯網(Internet of Things，IoT)、窄頻物聯網(Narrowband Internet of Things，NB-IoT)、低功耗廣域網路(Long Range Wide-Area Network，LoRaWAN)、無線區域網路(WiFi)等，由遠端管理中心經無線通訊對該處理單元112下達該裝備軟體更新與參數修改的指令。

該保護管13的一第一端13a固定在該設備主體11上，且該保護管13由非金屬硬質材料製成。例如，該保護管13可以為非金屬且防水的硬而短的中空管，且長度等於1公尺。在一些示例中，該保護管13的該第一端13a固定在該設備主體11的機械結構的側面。在實際應用中，該保護管13垂直於水面。

該壓力式水位計14固定在該保護管13的一第二端13b，該壓力式水位計14電性連結該處理單元112。具體來說，可以通過纜線連接該壓力式水 位計14並穿過該保護管13與該第四接頭D連結。在實際應用中，該壓力式水位計14不接觸水體的底部。應當說明的是，該壓力式水位計14係利用水的壓力來計算水位，該壓力式水位計14中的感應薄膜將其所感受到的水壓力轉換為電壓數值或電流值來對應於水位的高度。此外，該壓力式水位計14可以固定在該保護管13靠水面的一端(即，該第二端13b)。

該充電電池組15容置在一第二防塵防水外殼(未繪示)中，以避免該充電電池組15受到粉塵及水分的干擾。在一些示例中，該充電電池組15可以安置於第二機械結構(圖中未式)之內，再將第二機械結構(放置於第二防塵防水外殼內。該第二防塵防水外殼可以符合國際防護等級認證，例如該第二防塵防水外殼符合國際防護等級認證IP68的規範。需要說明的是，該第二防塵防水外殼也可以符合其它機構的防護認證。該充電電池組15與該第三接頭C可以快速拆裝，且該充電電池組15的電力使用時間約8個月。此外，該充電電池組15還可外加太陽能板進行充電。

在一些示例中，第一防塵防水外殼(用於該設備主體11)以第一支架(未繪示)固定於第一架設位置，及第二防塵防水外殼(用於該充電電池組15)以第二支架(未繪示)固定於第二架設位置，兩者分別安裝固定，藉以提升架設與拆裝的方便性與快速性。

進一步說明如下：在實際應用中，該處理單元112經由該天線12與該通訊單元111接收遠端管理中心的指令與參數數據，並送至該雷達式水位計113進行水位量測。該處理單元112亦接收該雷達式水位計113與該壓力式水位計14的量測數據，並進行數據處理與轉換，將量測數據與裝備狀態數據(例如，該雷達式水位計113與該壓力式水位計14是否正常運作等數據)經該通訊單 元111與該天線12，傳送至遠端管理中心。此外，當水位接近該雷達式水位計113測量的盲距時，該處理單元112決定切換而採用該壓力式水位計14的數據，因此，本實施例中的該複合式智慧水位監測設備1可提供全程無盲距的水位資料，水位資料由該通訊單元111經該天線12傳送至遠端管理中心。

進一步說明，該雷達式水位計113所需的參數可以例如：儲存週期、上傳週期、警戒水位、量程、探測下限、探測上限、變化量、平整度、探測頻率等。上述該雷達式水位計113的參數可以由遠端管理中心(或一本地控制單元16)設定，經該處理單元112接收，送到該雷達式水位計113的各次單元執行調頻連續波形式的水位量測，並將量測數據傳到該處理單元112。

進一步說明，該電源單元114經過該第三接頭C與外部的該充電電池組15連接。該電源單元114提供該裝備各單元所需電力。

進一步說明，本實施例中的該複合式智慧水位監測設備1可以即時將水位量測值及定義的警戒值(例如，一級警戒、二級警戒、三級警戒或無警戒)經該通訊單元111無線通訊至遠端管理中心。

現在請參考第3圖及第4圖，第3圖是本創作複合式智慧水位監測設備的處理單元校準壓力式水位計的示意圖，第4圖是本創作複合式智慧水位監測設備的處理單元校準壓力式水位計的流程圖。第3圖及第4圖說明了該處理單元112如何以該雷達式水位計113的量測數據對該壓力式水位計14進行校正並選擇輸出的量測數據。

以第3圖及第4圖為例來說明，該複合式智慧水位監測設備1設置在箱涵的一人孔蓋2下方，其中該保護管13的長度為L，該雷達式水位計113的量測值(雷達至水面)為H_R，該雷達式水位計113的盲距為H_RB，全程量測距離(人 孔蓋2至箱涵底部)為H_M，該壓力式水位計14的量測值為H_P，該複合式智慧水位監測設備1的輸出量測值為H_o。配合該雷達式水位計113對該壓力式水位計14的校對，須設定三個參數：同步距離H₃、斜率距離H₂與切換距離H₁，其中切換距離H₁對應於該雷達式水位計113的盲距H_RB。該壓力式水位計14的數據校正與該複合式智慧水位監測設備1的數據輸出具有以下階段：(1)當該雷達式水位計113的量測值H_R達到同步距離H₃時(也就是，量測值H_R小於或等於同步距離H₃)，以該雷達式水位計113的量測值H_R對該壓力式水位計14的量測值H_p進行第一次水位校準。在這個階段，該複合式智慧水位監測設備1的水位數值以該雷達式水位計113的量測值H_R為準並對外輸出。(2)當該雷達式水位計113的量測值H_R達到斜率距離H₂時(也就是，量測值H_R小於或等於同步距離H₃)，以該雷達式水位計113的量測值H_R對該壓力式水位計14的量測值H_p進行第二次水位校準，並以二次校準計算出該壓力式水位計14的補償斜率。在這個階段，該複合式智慧水位監測設備1的水位數值仍以該雷達式水位計113的量測距離H_R為準並對外輸出。(3)當該雷達式水位計113的量測值H_R達到切換距離H₁時(也就是，量測值H_R小於或等於同步距離H₃)，複合式智慧水位監測設備1的水位數值將會切換該壓力式水位計14的量測值H_p為準並對外輸出。

需要說明的是，該雷達式水位計113架設於水面以上，該壓力式水位計14架設於水面以下。該雷達式水位計113的量測值H_R為雷達至水面的距離，該壓力式水位計14的量測值H_p為水面至水下架設點的距離，該雷達式水位計113的量測值H_R與該壓力式水位計14的量測值H_p之間的轉換關係為習知技術，在此不再贅述。在一實務示例中，切換距離H₁等於該雷達式水位計113的盲距H_RB，其中切換距離H₁為50公分。需要說明的是，該雷達式水位計113可能 因為不同的波長或頻率而有不同的盲距H_RB，使用者可以依照需求調整切換距離H₁。

現在請參考第5圖及第6圖，第5圖是本創作複合式智慧水位監測設備的第二實施例的架構示意圖，第6圖是本創作複合式智慧水位監測設備的第二實施例的本地控制單元的圖形使用者介面。第二實施例中的複合式智慧水位監測設備1，其包含一設備主體11，一天線12、一保護管13、一壓力式水位計14、一充電電池組15以及一本地控制單元16。第二實施例中的該複合式智慧水位監測設備1是第一實施例附加了該本地控制單元16，使得位在架設地點的維護人員可以通過該本地控制單元16控制及維護該複合式智慧水位監測設備1。在一應用示例中，該本地控制單元16為筆記型電腦，以有線(RS232)方式或無線(藍牙)方式連接該處理單元112，提供指令與參數給該處理單元112，而第6圖示出了該本地控制單元16的圖形使用者介面(GUI)的一種示例。使用者可以通過圖形使用者介面發出指令與參數給該處理單元112，並且從對圖形使用者介面得到該複合式智慧水位監測設備1的測量數據及狀態。需要說明的是，本實施例中的該複合式智慧水位監測設備1中的各部件之間的關係與運作可以參照與第2圖至第4圖相關的記載，在此不再贅述。

在另一應用示例中，該本地控制單元16為手機(未繪示)，以無線方式(藍芽)連接該處理單元112。

在另一應用示例中，該本地控制單元16為平板電腦(iPad)(未繪示)，以無線方式(藍牙)連接處理單元112。

進一步說明，該第五接頭E，係備用接頭，可以連結該處理單元與外加的水質感測器(未繪示)，該水質感測器用以測量水體的導電率、鹽度或 溫度；該接頭也可以連結該處理單元與外加的氣體感測器，用於測量水道上面空氣中的甲烷(沼氣)濃度，屬於環境與安全考量。

如上所述，本創作的複合式智慧水位監測設備的一功效在於修正習知壓力式水位計的缺點，壓力式水位計不必固定於水體的底部，因此減少壓力式水位計的故障機會。本創作的複合式智慧水位監測設備的另一功效在於修正習知雷達式水位計的缺點，消除其量測的盲距，提供全程的水位資料。本創作的複合式智慧水位監測設備的再一功效在於免除習知雷達式水位計的架設位置高度必須提高的缺點，因此，提升架設的方便性。

雖然本創作已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本創作，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。

1:複合式智慧水位監測設備

11:設備主體

111:通訊單元

112:處理單元

113:雷達式水位計

114:電源單元

12:天線

13:保護管

13a:第一端

13b:第二端

14:壓力式水位計

15:充電電池組

A:第一接頭

B:第二接頭

C:第三接頭

D:第四接頭

E:第五接頭

Claims (10)

1. 一種複合式智慧水位監測設備，用以監測一水體的一水位，該複合式智慧水位監測設備包含：一設備主體，其包含：一通訊單元、一處理單元、一雷達式水位計、一電源單元及複數個接頭，其中該處理單元電性連結該通訊單元及該雷達式水位計，該電源單元提供該通訊單元、該處理單元及該雷達式水位計運作時所需的電力；一天線，電性連結該通訊單元；一保護管，該保護管的一第一端固定在該設備主體上，該保護管由非金屬硬質防水材料所製成且該保護管的一長度為1公尺；以及一壓力式水位計，固定在該保護管的一第二端，該壓力式水位計電性連結該處理單元；以及一充電電池組，電性連結該電源單元；其中該些接頭用以連結該天線、該壓力式水位計及該充電電池組。
2. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，還包含：一本地控制單元，其中該本地控制單元電性連結該處理單元。
3. 如請求項2所述之複合式智慧水位監測設備，其中該本地控制單元電性以無線方式(藍牙)連結該處理單元。
4. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，其中該些接頭包含：一第一接頭，用以連結該天線與該通訊單元；一第三接頭，用以連結該充電電池組與該電源單元；及一第四接頭，用以連結該壓力式水位計與該處理單元。
5. 如請求項2所述之複合式智慧水位監測設備，其中該些接頭包含：一第二接頭，用以連結該本地控制單元與該處理單元。
6. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，其中該些接頭包含：一第五接頭，用以連結一水質感測器與該處理單元。
7. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，其中該些接頭包含：一第五接頭，用以連結一氣體感測器與該處理單元。
8. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，其中該處理單元對壓力式水位計的量測數據進行校準。
9. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，其中該處理單元判斷，假如該雷達式水位計的量測值，小於一切換距離，則選擇輸出該壓力式水位計的量測值，否則選擇輸出該雷達式水位計的量測值。
10. 如請求項1所述之複合式智慧水位監測設備，其中該設備主體容置在一第一防塵防水外殼中，以一第一支架安裝架設；且該充電電池組容置在一第二防塵防水外殼中，以一第二支架安裝架設。