TWI472728B - 模組化溫度分佈量測裝置 - Google Patents

Description

模組化溫度分佈量測裝置

本發明為一種模組化溫度分佈量測裝置，特別是一種可長期應用在惡劣的環境中監控溫度變化的模組化溫度分佈量測裝置。

溫度量測無論在工業應用或是科學研究中都是非常重要的量測項目，然而在某些應用中需要更進一步提供較大空間尺度之溫度分布資訊，例如監控不同土壤深度下的溫度或是不同水深下的溫度，諸如海水溫度、湖水溫度、河水溫度等。

一般來說，直接將數個溫度感測器同時安置在待測環境中便可得到環境的溫度分布資料。然而在某些惡劣環境下，例如水流湍急的水域或是有漂流木、石頭或泥砂混濁的河域中，若是直接將溫度感測器置入其中，溫度感測器便極容易受到外在環境的干擾，甚至遭受異物撞擊而損毀，所以欲在惡劣環境的水域長期監控其垂直溫度分布是一項極重要但卻又是充滿挑戰的任務。

舉例來說，習知溫度分佈量測裝置便是將數個溫度感測器等間距設置在一管體中或一固定板上，並將設置有複數個溫度感測 器的管體或固定板的一部份垂直插設在河床的砂土，使得習知溫度分佈量測裝置得以垂直地設置在河水中，用以測量河床土壤有無被河流淘空，其原理在於因河水與砂土間的介面以及河水與空氣間的介面會產生明顯的溫度變化，因此便能根據溫度分佈而得知砂土、河水及空氣的位置，藉此監測河床位置的變化。

如第1圖所示，其為模擬使用習知溫度分佈量測裝置所測量得到的溫度分布關係圖，其中圖中的距離指的是與最底端溫度感測裝置之間的距離，並在此量測距離內，設定三處不同的環境溫度作為被模擬的砂土、河水及空氣的位置，然而由第1圖可知，雖然習知溫度分佈量測裝置可以測得溫度之變化，但是溫度的變化卻不夠顯著，且不易辨識不同環境溫度的區域，因此無法輕易地判斷出砂土、河水及空氣的位置。為了解決此問題，勢必需要再研發出一種可以讓溫度分佈變化更加明顯的溫度分佈量測裝置。

本發明為一種模組化溫度分佈量測裝置，其係藉由結合模組化製造的第一管體及第二管體，並將溫度感測器設置在熱傳導係數較高的第二管體中，以使得溫度感測器對於溫度的變化更為敏感，進而更準確地在惡劣的環境中長期監控環境的溫度變化。

本發明提供一種模組化溫度分佈量測裝置，其包括：至少一第一管體，其係由具有一第一熱傳導係數之一第一材質所製成；至少一第二管體，其係結合於第一管體之一端，並由具有一第二熱傳導係數之一第二材質所製成，且第二熱傳導係數大於第一熱傳導係 數；以及至少一溫度感測器，其係設置於第二管體之內壁，以偵測第二管體的溫度。

本發明再提供一種模組化溫度分佈量測裝置，其包括：複數個管體，其中該些管體係連續結合，並且每一管體皆包括：一開口，其係形成於管體之一管壁上；及一異質塊材，其係結合並覆蓋開口，以由開口凸出裸露於管壁外；以及複數個溫度感測器，每一溫度感測器係設置於一管體內側並與一異質塊材貼合，以偵測被貼合的異質塊材的溫度；其中管體由具有一第一熱傳導係數之第一材質所製成，而異質塊材由具有一第二熱傳導係數之第二材質所製成，且第二熱傳導係數大於第一熱傳導係數。

本發明又提供一種模組化溫度分佈量測裝置，其包括：複數個管體，其中該些管體係連續結合，並且每一管體皆包括：一開口，其形成於管體之一管壁上；一異質塊材，其係結合並覆蓋開口，以由開口凸出管壁外，異質塊材之厚度方向上具有一鑽孔，且鑽孔中填充有一導熱介質；及一蓋板，其由管壁外側結合於異質塊材，以與鑽孔中之導熱介質導熱結合；以及複數個溫度感測器，每一溫度感測器係設置於一管體內側並透過導熱介質導熱接觸蓋板以偵測蓋板的溫度；其中每一異質塊材由具有一第一熱傳導係數之第一材質所製成，而每一管體及每一蓋板皆由具有一第二熱傳導係數之第二材質所製成，且第二熱傳導係數大於第一熱傳導係數。

藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：一、可以讓溫度分佈變化更加明顯； 二、模組化的設計可以降低製造成本；三、可以配合需求改變溫度感測器的數目及溫度量測點的間距；以及四、可以長期在惡劣環境中監控環境的溫度變化。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

100‧‧‧模組化溫度分佈量測裝置

10‧‧‧第一管體

11‧‧‧第一公螺紋

12‧‧‧第一母螺紋

20‧‧‧第二管體

21‧‧‧第二公螺紋

22‧‧‧第二母螺紋

30‧‧‧溫度感測器

40‧‧‧監控裝置

50‧‧‧凸緣

51‧‧‧穿孔

61‧‧‧螺栓

62‧‧‧螺帽

70‧‧‧O型密封環

80‧‧‧管體

81‧‧‧開口

90‧‧‧異質塊材

91‧‧‧蓋板

92‧‧‧鑽孔

93‧‧‧導熱介質

200‧‧‧橋墩

第1圖為模擬使用習知溫度分佈量測裝置所測量得到的溫度分布關係圖；第2圖為本發明實施例之一種模組化溫度分佈量測裝置之分解示意圖；第3圖為本發明實施例之一種第二管體之剖視示意圖；第4A圖為本發明實施例之一種第一管體及第二管體之形狀示意圖；第4B圖為本發明實施例之另一種第一管體及第二管體之形狀示意圖；第5圖為本發明實施例之一種第一管體及第二管體之結合方式分解示意圖；第6圖為本發明實施例之一種第一管體及第二管體之熱傳導係數比值與環境溫差之模擬關係圖；第7圖為本發明實施例之一種應用於河床位置量測之示意圖；第8圖為模擬第7圖中之模組化溫度分佈量測裝置測量到的溫度分布關 係圖；第9圖為本發明實施例之另一種模組化溫度分佈量測裝置之示意圖；第10A圖為第9圖中模組化溫度分佈量測裝置之一種結合有溫度感測器之管體之立體圖；第10B圖為第10A圖中結合有溫度感測器之管體之俯視圖；第11A圖為第9圖中模組化溫度分佈量測裝置之另一種結合有溫度感測器之管體之立體圖；第11B圖為第11A圖中結合有溫度感測器之管體之俯視圖；第11C圖為第11A圖中異質塊材和溫度感測器結合之剖視圖；第12圖為模擬由第10A圖中結合有溫度感測器之管體組成之模組化溫度分佈量測裝置測量到的溫度分布關係圖；及第13圖為模擬由第11A圖中結合有溫度感測器之管體組成之模組化溫度分佈量測裝置測量到的溫度分布關係圖。

如第2圖所示，本實施例為一種模組化溫度分佈量測裝置100，其包括：至少一第一管體10；至少一第二管體20；以及至少一溫度感測器30。

第一管體10及第二管體20可以為相同尺寸且內部中空的管體，由於第一管體10及第二管體20的尺寸大小可以皆相同並且具有相同之長度，因此可以使用相同的模具製造，進而省下另行開模的費用。

如第2圖及第3圖所示，第二管體20係結合於第一管體10之一端，而當有多個第一管體10及第二管體20時，第一管體10及第二管體20則是依序交替結合，並且在每一個第二管體20之內壁皆設置有一溫度感測器30，用以偵測對應的第二管體20的溫度。

由於每一個第二管體20內相應的位置上皆設置有一個溫度感測器30，並且第一管體10及第二管體20可以具有相同的長度，換句話說，溫度感測器30可以等距地設置在整個模組化溫度分佈量測裝置100中，因此可以準確地收集每一個溫度量測點的溫度資訊。此外，由於第一管體10及第二管體20是模組化的設計，所以可依需求任意改變溫度感測器30的數目及每一個溫度量測點之間的距離，在使用上更具彈性。

如第2圖所示，第一管體10及第二管體20皆可以為一圓形管體，又如第4A圖及第4B圖所示，第一管體10及第二管體20還可以為一方形管體或一多邊形管體。

如第2圖及第3圖所示，為了便於組裝第一管體10及第二管體20，可以透過螺紋鎖固的方式結合第一管體10及第二管體20。舉例來說，在第一管體10的兩端可以分別具有一第一公螺紋11及一第一母螺紋12，並在第二管體20的兩端則可以分別具有一第二公螺紋21及一第二母螺紋22，藉由將第一管體10的第一公螺紋11與第二管體20的第二母螺紋22鎖固結合後，便能輕易組裝第一管體10及第二管體20。

在整個模組化溫度分佈量測裝置100中，第一管體10及第二管體20的數量並未有特殊的限定，可依使用需求結合適當數量的第 一管體10及第二管體20，以使整個模組化溫度分佈量測裝置100具有足夠的長度。此外當模組化溫度分佈量測裝置100包括二個第一管體10及一個第二管體20時，也就是當第一管體10的數量比第二管體20的數量多1個時，第一管體10可以結合在第二管體20的兩端，並透過第二管體20的第二母螺紋22與其中一個第一管體10的第一公螺紋11鎖固結合，而第二管體20的第二公螺紋21則與另一個第一管體10的第一母螺紋12鎖固結合。

而當模組化溫度分佈量測裝置100包括多個第一管體10及多個第二管體20時，第一管體10及第二管體20便是連續依序結合，只要將第二管體20的第二母螺紋22與相鄰的第一管體10的第一公螺紋11鎖固結合，並再將第二管體20的第二公螺紋21與另一側的第一管體10的第一母螺紋12鎖固結合，就能夠不斷延伸模組化溫度分佈量測裝置100的長度。

如第5圖所示，除了利用螺紋鎖固的方式結合第一管體10及第二管體20外，也可以透過螺栓61來結合第一管體10及第二管體20。藉由在第一管體10及第二管體20的兩端開口的管壁邊緣向外水平延伸出凸緣(flange)50，並在凸緣50上形成穿孔51，而螺栓61便可穿過穿孔51並與螺帽62相互鎖固，藉以結合第一管體10及第二管體20。

然而，前述之螺栓僅為本實施例之一種實施方式，在實施時僅需使用適合的鎖固件或固定器(fastener)使第一管體10及第二管體20可以相互結合即可。

無論是使用何種方式結合第一管體10及第二管體20，為 了提高第一管體10及第二管體20之間的密封性，於第一管體10及第二管體20之間還可以進一步設置有一O型密封環70，以使第一管體10及第二管體20密封結合。

為了提高溫度感測器30對於溫度變化的敏銳度，需要使用不同材質製造第一管體10及第二管體20。也就是說，使用具有一第一熱傳導係數的一第一材質製造第一管體10，並使用具有一第二熱傳導係數之一第二材質製造第二管體20，其中第二熱傳導係數係大於第一熱傳導係數。例如，可以使用塑膠(例如PVC)作為第一材質，並使用金屬(例如SUS-304)作為第二材質。

為了可以量測到更顯著的溫度變化，第一材質及第二材質的選用是非常重要的一環。舉例而言，可以選用第二熱傳導係數與第一熱傳導係數之比值介於10~1,000之間的兩種材質，又或是比值介於80~100之間的兩種材質，更或是比值介於30~100之間的兩種材質。

如第6圖所示，其係為一種熱傳導係數比值與環境溫差之模擬關係圖，圖中A代表的是第一材質的第一熱傳導係數，B代表的是第二材質的第二熱傳導係數，其中模擬參數是將第二材質的第二熱傳導係數設為15.1 W/m.K，並將兩個連續的第二管體20所在位置的實際環境溫差設定為1℃。由第6圖可知當第二熱傳導係數與第一熱傳導係數之比值(B/A)大於10時，其模擬的環境溫差便已趨近0.8℃，而當比值(B/A)越大時，其模擬的環境溫差便能更加趨近實際的環境溫差。由此可知，當選用第二熱傳導係數遠大於第一熱傳導係數的兩種材質時，量測到的數據便能更加貼近實際的環境溫差。

由於第二管體20使用熱傳導係數較高的材質，並且使用熱傳導係數較低的材質製作第一管體10，因此可以讓整個模組化溫度分佈量測裝置100對於溫度的變化更為敏銳，進而讓溫度分佈變化更加明顯。

請參考第2圖及第7圖，模組化溫度分佈量測裝置100可以垂直地固定在待測環境中，並且為了收集每一個溫度量測點的溫度資訊，每一個第二管體20內的溫度感測器30都進一步與一監控裝置40電訊連接，因此監控裝置40可以收集與其對應之第二管體20的溫度資訊，進而進行分析以得到待測環境的整體溫度分佈。其中，模組化溫度分佈量測裝置100也可以水平地固定在待測環境中，其設置的方向可視量測的需求而定。

如第2圖、第7圖及第8圖所示，其便是模擬將本實施例之模組化溫度分佈量測裝置100固定在橋墩200上，並分析每一個溫度感測器30監測到的溫度資訊，而得到垂直於河床的溫度分佈，並由第8圖可知，藉由本實施例之模組化溫度分佈量測裝置100可以得到具顯著辨識度的溫度分布關係圖，其中圖中的距離指的是和最底端的溫度感測器相距的距離，因此可判別出在約20~30公分處是河水與砂土的交界處，在約40~50公分處是河水與空氣的交界處。

藉此，在累積多次量測結果後，不但可以明確判別出河床位置的變化，也可以量測到水位高低的變化。由此可知，利用本實施例之模組化溫度分佈量測裝置100確實可以得到溫度分佈變化更加明顯的溫度資訊。

模組化溫度分佈量測裝置100除了可以由上述的第一管體10及第二管體20製成以外，也可以使用由第一材質或第二材質所製成的管體作為模組化溫度分佈量測裝置100的主要結構，再使溫度感測器30與具有較大熱傳導係數之結構接觸，以使得溫度感測器30可以快速地感測到環境溫度。另外，因為僅藉由一種材質製作管體，而且每一個組成單元的結構都相同，因此製作的程序及過程可以更加的簡單。

由於只是在管體及溫度感測器30的結合方式上變化，其餘諸如管體之間的結合方式、第一材質及第二材質的性質等特徵皆已詳述如上，故不再多加敘述，在此僅針對管體及溫度感測器30的結合方式的差異進行描述。

如第9圖至第11C圖所示，模組化溫度分佈量測裝置100包括複數個管體80及複數個溫度感測器30，該些管體80彼此連續結合，而溫度感測器30則是設置於管體80內側用以偵測溫度。

如第10A圖及第10B圖所示，每一管體80皆包括：一開口81及一異質塊材90，其中開口81形成於管體80的管壁上，異質塊材90則結合於開口81中，並且異質塊材90的大小需足以覆蓋開口81，並由開口81凸出裸露於管體80的管壁外側，也可以朝管壁的內外兩側凸出。此外，較佳的是，異質塊材90與開口81之間的結合可以是密接結合(例如水密結合或氣密結合)，藉此保護設置在管體80內的溫度感測器30。

在第10A圖及第10B圖的結構中，由於管體80是由具有第一熱傳導係數之第一材質所製成，而異質塊材90則是由具有第二熱傳 導係數之第二材質所製成，且第二熱傳導係數大於第一熱傳導係數，所以由第二材質製成的異質塊材90可以更快速的依環境的溫度改變而在溫度上有所變化，而因為溫度感測器30又貼合於異質塊材90，因此設置在管體80內側的溫度感測器30在與異質塊材90貼合後，便可以偵測被貼合的異質塊材90的溫度，進而快速地偵測環境溫度。

如第11A圖及第11B圖所示，每一管體80皆包括：一開口81、一異質塊材90及一蓋板91。同樣的，開口81形成於管體80的管壁上，異質塊材90則結合於開口81中，並且異質塊材90的大小需足以覆蓋開口81，並由開口81凸出裸露於管體80的管壁外側，也可以朝管壁的內外兩側凸出。較佳的是，異質塊材90與開口81之間的結合可以是密接結合(例如水密結合或氣密結合)，藉此保護設置在管體80內的溫度感測器30。

在第11A圖及第11B圖的結構中，異質塊材90是由具有第一熱傳導係數的第一材質所製成，管體80及蓋板91則是由具有第二熱傳導係數的第二材質所製成，並且第二熱傳導係數大於第一熱傳導係數，因此當溫度感測器30需要和具有較大熱傳導係數之結構接觸時，溫度感測器30需要和蓋板91相接觸。

如第11C圖所示，為了使溫度感測器30可以和蓋板91相接觸，異質塊材90在其厚度方向上具有一鑽孔92，並且在鑽孔92中填充有一導熱介質93，導熱介質93例如是導熱膏或導熱膠等常用之導熱材料。蓋板91則由管體80的管壁外側結合於異質塊材90，以與鑽孔92中之導熱介質93導熱結合。當蓋板91受到環境之影響而發生溫度的改變 時，導熱介質93便能將熱傳導出來。

為了使溫度感測器30可順利地與蓋板91導熱接觸，溫度感測器30係設置於管體80內側並透過導熱介質93導熱接觸蓋板91以偵測蓋板91的溫度。溫度感測器30可以設置在管體80的管體80內側表面並與導熱介質93接觸，又或是可以插入鑽孔92中，以與導熱介質93接觸，進而偵測蓋板91的溫度。

如第12圖及第13圖所示，由圖中可知，分別使用第10A圖及第11A圖中的結構製造模組化溫度分佈量測裝置100時，確實可以量測出溫度的變化，其中圖中的距離指的是與最底端模組化溫度分佈量測裝置100相距的距離，且每個相鄰管體80的週遭環境溫度差都設定為1℃。

藉由本實施例之實施，可以透過第二管體20及管體80保護溫度感測器30，以避免溫度感測器30在惡劣的環境下受到外在環境的干擾或是受到異物撞擊而損毀。再者，因為可以利用模具大量製造管體10、20及80，因此可以降低製造成本，又透過模組化的設計，可以大量佈置溫度感測器30，故可以在惡劣的環境中長期使用及監控溫度分佈的變化或是外在環境物質的差異。本實施例之模組化溫度分佈量測裝置100可應用於防災產業、農業或漁業中的水位監控器、橋墩、河堤河床高低監控器、河水溫度監控器或是土壤溫度監控器。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修 改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

100‧‧‧模組化溫度分佈量測裝置

10‧‧‧第一管體

11‧‧‧第一公螺紋

12‧‧‧第一母螺紋

20‧‧‧第二管體

21‧‧‧第二公螺紋

22‧‧‧第二母螺紋

30‧‧‧溫度感測器

Claims (8)

1. 一種模組化溫度分佈量測裝置，其包括：至少一第一管體，其係由具有一第一熱傳導係數之一第一材質所製成；至少一第二管體，其係結合於該第一管體之一端，並由具有一第二熱傳導係數之一第二材質所製成，且該第二熱傳導係數大於該第一熱傳導係數；以及至少一溫度感測器，其係設置於該第二管體之內壁，以偵測該第二管體的溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其中該第二熱傳導係數與該第一熱傳導係數之比值介於30~100之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其中該第一材質為塑膠，且該第二材質為金屬。
4. 如申請專利範圍第1項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其中該第一管體及該第二管體係為一圓形管體、一方形管體或一多邊形管體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其中該第一管體之兩端分別具有一第一公螺紋及一第一母螺紋，且該第二管體之兩端分別具有一第二公螺紋及一第二母螺紋，其中該第一公螺紋係與該第二母螺紋鎖固結合。
6. 如申請專利範圍第5項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其包括複數個該第一管體及複數個該第二管體，且該些第一管體及該些第二管體係連續依序結合，又每一該第二管體內之該溫度 感測器分別進一步與一監控裝置電訊連接，以收集對應之該第二管體之溫度資訊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其中該第一管體及該第二管體之間進一步設置有一O型密封環，以使該第一管體及該第二管體密封結合。
8. 如申請專利範圍第1項或第7項所述之模組化溫度分佈量測裝置，其中該溫度感測器進一步與一監控裝置電訊連接，以收集該第二管體之溫度資訊。