地下流体汲取量测系统的制作方法

本实用新型涉及一种地下流体汲取量测系统，尤其涉及无须安装流量计的一种地下流体汲取量测系统；本实用新型可应用于智能城市下的水资源广域布建。

背景技术：

地表之下，蕴藏着丰富的地下资源，其中又以地下流体为重要的民生资源。地下流体的汲取方式，通常是以凿井的方式，向地下开挖至汲取区。然后，再以电动泵将流体汲取出来利用。

现有的地下流体汲取量的获取方式的其中之一，是在汲取区安装电动泵，且在电动泵的管路后端安装流量计，以通过流量计获取地下流体的汲取量。而现有通过流量计量测地下流体汲取量的测量方法有下述缺点：(a)由于电动泵在工作状态时会震动，使得流量计的汲取量会受到电动泵的震动，而造成汲取量的获取不稳定与不精确。(b)由于流量计价格昂贵，因此不适合地区性的大量布建。(c)由于汲取区的地下流体会受到流体丰枯期的液位变化，使得流量计的上游压力与下游压力差变化，造成流量计所获取的汲取量偏差。

另一种的地下流体汲取量的获取方式是安装震动感测器来量测电动泵的震动与否，作为电动泵处于工作状态的起/停时间约略估算，以利用物理换算的获取方式，相对等效地获取地下流体的汲取量。然而，此估算方法有下述缺点：(a)在安装震动感测器之后会因为电动泵耗损，而使得震动感测器所量测到的震动信号有多频率噪声，造成电动泵处于工作状态的时间估算有误差。(b)由于震动感测器若安装在汲取区时，所量测的信号会受到液体的波动而造成震动频率的偏移，因此若震动感测器应用在沉水式电动泵时，会无法估算电动泵处于工作状态的时间。(c)利用电动泵震动来估算汲取量的方法因为量测偏差大，因此需要一个比对汲取区来作快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform；FFT)，而无法单独一个汲取区即做到汲取量的测量。(d)每一个汲取流体的测量点，当地的震动噪声背景不同，与电动泵的距离远近、扬程能力，都会影响结果正确性的判读。

因此，本实用新型设计出一种地下流体汲取量测系统及获取地下流体汲取量的方法，利用电动泵的耗用电能，精确的电能起停阶段分析，换算出精确的地下流体汲取量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种地下流体汲取量测系统，以克服现有技术的问题。

为达上述目的，本实用新型提供一种地下流体汲取量测系统，其包括：

一汲取装置，于一工作状态时，在一汲取区汲取地下流体，其中该工作状态包括一启动时段、一运转时段及一停转时段；

一电表单元，耦接该汲取装置，且该电表单元量测该汲取装置于该启动时段的一启动耗电量、于该运转时段的一运转耗电量及于该停转时段的一停转耗电量；及

一控制单元，耦接该电表单元，且该控制单元转换该启动耗电量为一启动汲取量、该运转耗电量为一运转汲取量及该停转耗电量为一停转汲取量；

其中，该控制单元加总该启动汲取量、该运转汲取量及该停转汲取量为一总汲取量，该总汲取量对应该汲取装置于该工作状态时，地下流体的汲取量。

于一实施例中，其中控制单元包括：电量-流量转换单元，耦接电表单元。其中，电量-流量转换单元将启动耗电量转换为启动汲取量，将运转耗电量转换为运转汲取量，以及将停转耗电量转换为停转汲取量。

于一实施例中，其中控制单元更包括：启动校正单元，耦接电量-流量转换单元。其中，启动校正单元校正电量-流量转换单元，使电量-流量转换单元通过启动校正单元校正启动汲取量。

于一实施例中，其中控制单元更包括：磨耗校正单元，耦接电量-流量转换单元。其中，磨耗校正单元校正电量-流量转换单元，使电量-流量转换单元校正总汲取量。

于一实施例中，更包括：液位检测单元，耦接控制单元，且检测汲取区的液位。其中，控制单元根据液位，经由液位校正单元校正电量-流量转换单元，使电量-流量转换单元校正加总单元，以补偿总汲取量。

于一实施例中，其中液位检测单元可为机械式液位计或电子式液位计。

于一实施例中，其中电表单元，可通过无线传输提供启动耗电量、运转耗电量及停转耗电量至控制单元。

于一实施例中，其中无线传输可为ZigBee传输、SIGFOX传输、LORA传输、4G传输、4G NB-IOT传输或5G传输。

于一实施例中，其中汲取装置为沉水式电动泵或地面式电动泵。

于一实施例中，其中电表单元为单相式电力瓦时表或三相式电力瓦时表。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为本实用新型地下流体汲取量测系统的方框示意图；

图2A为本实用新型汲取装置于启动时段、运转时段及停转时段的耗电量示意图；

图2B为本实用新型汲取装置于工作状态时的瓦时曲线图；

图2C为本实用新型汲取装置于工作状态时的地下流体汲取量曲线图；

图3为本实用新型控制单元的方框示意图；及

图4为本实用新型获取地下流体汲取量的方法的流程图。

其中，附图标记

100…地下流体汲取量测系统

10…汲取装置

20…电表单元

30…控制单元

32…电量-流量转换单元

34…加总单元

36…启动校正单元

38…磨耗校正单元

40…液位检测单元

42…液位校正单元

200…井口

300…汲取区

Cp…耗电量

Sp…耗电信号

Sl…液位信号

Sc…补偿信号

A…启动时段

B…运转时段

C…停转时段

A-1…启动耗电量

B-1…运转耗电量

C-1…停转耗电量

A-2…启动汲取量

B-2…运转汲取量

C-2…停转汲取量

(S100)～(S160)…步骤

具体实施方式

兹有关本实用新型的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参阅图1为本实用新型地下流体汲取量测系统的方框示意图。地下流体汲取量测系统100包括汲取装置10、电表单元20、控制单元30及液位检测单元40，汲取装置10耦接电表单元20，且在井口200的汲取区300汲取地下流体。电表单元20耦接控制单元30，且量测汲取装置10的耗电量Cp，以提供相对应耗电量Cp信息(例如耗电量Cp的大小)的耗电信号Sp至控制单元30。控制单元30接收耗电信号Sp，且将耗电信号Sp转换为地下流体汲取量，以通过汲取装置10电量的消耗等效地得知地下流体的汲取量。液位检测单元40耦接控制单元30，且检测汲取区300的液位，以提供一液位信号Sl至控制单元30。有关液位检测单元40的动作方式，于后文将有进一步的描述。

地下流体汲取量测系统100可应用在单相电力领域，或三相电力领域。当地下流体汲取量测系统100应用在单相电力领域时，电表单元20为单相式电力瓦时表。当地下流体汲取量测系统100应用在三相电力领域时，电表单元20为三相式电力瓦时表。电表单元20可通过有线或无线传输的方式，将耗电信号Sp传输至控制单元30。无线传输的方式例如，但不限于为ZigBee传输、SIGFOX传输、LORA传输、4G传输、4G NB-IOT传输或5G传输。

汲取装置10为沉水式电动泵或为地面式电动泵，且可为单相或三相的电动泵(Pump)。电动泵由转动产生动力，且以动力汲取地下流体。由电动泵的效率计算方式：η＝Pw/Pg(公式1)可得知，电动泵于工作状态时，扣除摩擦损失、热损失，即可得到电动泵的输出能力(即为电动泵的效率)。其中，Pw为水动力、Pg为轴动力(轴动力＝水动力+摩擦损耗+热损耗)。当电动泵于工作状态时，电动泵汲取地下流体，使电动泵管内液体与叶轮间产生摩擦损失。摩擦损失随着电动泵的使用时间，以及机械结构所产生的间隙而有所不同。而电动泵所作之功(即为水动力)的计算方式为(以千瓦表示)：Pw＝γQh/6120(公式2)。其中，Q(l/min)为电动泵的扬程比、γ(g/cm3)为液体的比重、h(m)为液体升高的高度。因此，根据上述公式1～2可得知，监视电动泵的输出能力(Pw/Pg)，且将电动泵所消耗的电量转换成为电动泵的汲取量的评估，会是对应的线性曲线。

进一步而言，由于汲取装置10在工作状态时，会分成启动时段、运转时段及停转时段，且每个工作时段所消耗的电量不尽相同，意即若将上述三个阶段的时间-耗电视为相同，则会高估了单位时间实际的汲取地下流体的总量。以不同的工作时段来评估电动泵的汲取量时，可以发现其并非单纯为单一斜率的线性曲线，而是近似为多段不同斜率的线性函数。因此，本实用新型目的在于，通过量测不同的工作时段所消耗的电量来评估电动泵的汲取量，以建立精确的电量与流量的转换关系，及获取精确的地下流体汲取量的方法。

值得一提，于本实用新型的一实施例中，地下流体所指的是地下水资源，但不以此为限。例如但不限于地下流体可为石油、油页岩。此外，于本实用新型的一实施例中，地下流体汲取量测系统100虽主要应用于获取地下流体汲取量的汲取量测系统，但并不限于仅能应用在获取地下流体领域。换言之，本实用新型的地下流体汲取量测系统100也可应用在利用汲取装置10汲取汲取区300的流体的系统。例如但不限于，大楼的屋顶抽水系统。

请参阅图2A为本实用新型汲取装置于启动时段、运转时段及停转时段的耗电量示意图、图2B为本实用新型汲取装置于工作状态时的瓦时曲线图、图2C为本实用新型汲取装置于工作状态时的地下流体汲取量曲线图，复配合参阅图1。汲取装置10在工作状态时，会分成启动时段A、运转时段B及停转时段C。汲取装置10于启动时段A、运转时段B及停转时段C的工作状态时，在汲取区300汲取地下流体，且电表单元20通过量测汲取装置10，来分别得知个别时段的耗电量Cp(如图2B所示，包括启动时段A的启动耗电量A-1、运转时段B的运转耗电量B-1、以及停转时段C的停转耗电量C-1。

电表单元20根据量测个别时段的耗电量Cp提供耗电信号Sp至控制单元30，使控制单元30将耗电信号Sp转换为个别时段的汲取量(如图2C所示，包括对应启动耗电量A-1的启动汲取量A-2、对应运转耗电量B-1的运转汲取量B-2、以及对应停转耗电量C-1的停转汲取量C-2。然后，控制单元30将启动汲取量A-2、运转汲取量B-2及停转汲取量C-2加总之后，即为汲取装置10于工作状态时的总汲取量(意即为地下流体的汲取量)。

进一步而言，由图2B～2C可得知，耗电量的曲线与汲取量的曲线恰好相反。其原因在于，汲取装置10在启动时段A时，负载较大，汲取装置10内部的管路通常也夹杂着空气，因而造成运转阻力。所以，汲取装置10实际的汲取量会低于理想值。因此，若是应用现有的估算电动泵处于工作状态的时间的方式，所获得的汲取量必定会高于理想值。由启动时段A、启动耗电量A-1以及所对应的启动汲取量A-2可得知，汲取装置10启动时，由于汲取装置10管路内部夹杂杂物、空气，因此启动时段A时，汲取装置10需要消耗较大的电量，但流体阻力相对大，所以真正启动汲取量A-2反而不高，必须等到流动阻力稳定以后(意即进入运转时段B)，汲取装置10所消耗的运转耗电量B-1才会和运转汲取量B-2成为线性的比例。

请参阅图3为本实用新型控制单元的方框示意图，复配合参阅图1～2B。控制单元30包括电量-流量转换单元32、加总单元34、启动校正单元36、磨耗校正单元38及液位校正单元42。电量-流量转换单元32耦接电表单元20(配合参见图1)，且加总单元34耦接电量-流量转换单元32。电量-流量转换单元32接收电表单元20所提供的耗电信号Sp，且将耗电信号Sp中所记录的启动耗电量A-1转换为启动汲取量A-2、将运转耗电量B-1转换为运转汲取量B-2、以及将停转耗电量C-1转换为停转汲取量C-2(意即图2B转换为图2C)。加总单元34将启动汲取量A-2、运转汲取量B-2及停转汲取量C-2加总之后，即可得到总汲取量。其中，控制单元30可将所获取的总汲取量提供至后端的装置(图未式)或以显示单元(图未式)显示，以供使用者得知目前所获取的总汲取量。

启动校正单元36耦接电量-流量转换单元32，且做为补偿汲取装置10于启动时段A中，因流体阻抗、空气或异物的存在，而使得由启动耗电量A-1转换的启动汲取量A-2与实际的启动汲取量产生落差。因此，通过启动校正单元36补偿汲取装置10于启动时段A中的启动汲取量A-2，以达到使启动汲取量A-2的理想值更趋近实际值的功效。

磨耗校正单元38耦接电量-流量转换单元32，且做为补偿总汲取量。具体而言，由于汲取装置10运转经过一段时间后，汲取装置10的内部机械结构会因持续运作而产生磨耗。因此，将会造成汲取装置10初始运转所消耗的总耗电量与经过一段时间后所消耗的总耗电量虽然相同，但是所能汲取的总汲取量却有落差的现象。因此，通过利用磨耗校正单元38补偿总汲取量的方式，可达到使汲取装置10在运转经过一段时间后，理想的总汲取量仍趋近实际的总汲取量的功效。

值得一提，于本实用新型的一实施例中，控制单元30可包括学习单元(图未示)。学习单元耦接电量-流量转换单元32、启动校正单元36、磨耗校正单元38及液位校正单元42，且提供电量-流量转换单元32、启动校正单元36、磨耗校正单元38及液位校正单元42学习的功能，使电量-流量转换单元32、启动校正单元36及磨耗校正单元38的补偿，能够更为精准。学习单元例如，但不限于为模糊控制系统、基因演算法等具有学习功能的控制单元。此外，于本实用新型的一实施例中，控制单元内部的各个单元可以为硬件架构兜成的实体控制电路、以程序驱动的控制软件或介于软件与硬件之间的固件控制架构。

请参阅图1，复配合参阅图2～3。液位校正单元42耦接液位检测单元40与电量-流量转换单元32，液位检测单元40检测汲取区300的液位，且提供液位信号Sl至液位校正单元42。液位校正单元42提供补偿信号Sc至电量-流量转换单元32，使电量-流量转换单元32根据补偿信号Sc补偿总汲取量。具体而言，由于地下流体可能会因丰枯水期或其他因素，而造成液位差异过大，而导致上下游压力差异造成获取地下流体的汲取量的不准确。因此，通过辅助加装液位检测单元40，来确认液位的变化，并利用液位校正单元42补偿液位的差异，以达到使总汲取量的理想值更趋近实际值的功效。值得一提，于本实用新型的一实施例中，液位检测单元40可为机械式液位计或电子式液位计，但不以此为限。换言之，举凡各种可检测液位差异的液位检测单元40，皆应包含在本实用新型之中。

请参阅图4为本实用新型获取地下流体汲取量的方法的流程图，复配合参阅图1～3。地下流体汲取量测系统100包括汲取装置10、电表单元20、控制单元30及液位检测单元40，且获取地下流体汲取量的方法首先包括：汲取装置于工作状态时，在汲取区汲取地下流体(S100)。汲取装置10在工作状态时，会分成启动时段A、运转时段B及停转时段C。汲取装置10于启动时段A、运转时段B及停转时段C的工作状态时，在汲取区300汲取地下流体。

然后，电表单元量测汲取装置于启动时段的启动耗电量、于运转时段的运转耗电量及于停转时段的停转耗电量(S120)。电表单元20通过量测汲取装置10，来分别得知个别时段的耗电量Cp(包括启动时段A的启动耗电量A-1、运转时段B的运转耗电量B-1、以及停转时段C的停转耗电量C-1)。

然后，控制单元转换启动耗电量为启动汲取量、运转耗电量为运转汲取量及停转耗电量为停转汲取量(S140)。电表单元20根据量测个别时段的耗电量Cp提供耗电信号Sp至控制单元30，控制单元30将耗电信号Sp转换为个别时段的汲取量(如图2C所示，包括对应启动耗电量A-1的启动汲取量A-2、对应运转耗电量B-1的运转汲取量B-2、以及对应停转耗电量C-1的停转汲取量C-2)。其中，控制单元30的电量-流量转换单元32接收耗电信号Sp，且将耗电信号Sp中所记录的启动耗电量A-1转换为启动汲取量A-2、将运转耗电量B-1转换为运转汲取量B-2、以及将停转耗电量C-1转换为停转汲取量C-2。

而且，控制单元30的启动校正单元36做为补偿汲取装置10于启动时段A中，因流体阻抗、空气或异物的存在，而使得由启动耗电量A-1转换的启动汲取量A-2与实际的启动汲取量产生落差。控制单元30的磨耗校正单元38做为补偿汲取装置10运转经过一段时间后，汲取装置10的内部机械结构会因持续运作而产生磨耗的总汲取量。液位检测单元40检测汲取区300的液位，使控制单元30做为补偿地下流体可能会因丰枯水期或其他因素，而造成液位差异过大的总汲取量。

最后，控制单元加总启动汲取量、运转汲取量及停转汲取量为总汲取量(S160)。控制单元30的加总单元34将启动汲取量A-2、运转汲取量B-2及停转汲取量C-2加总之后，即为汲取装置10于工作状态时的总汲取量(意即为地下流体的汲取量)。

综上所述，本实用新型的实施例具有以下的优点与功效：

1、本实用新型的主要目的在于，通过量测不同的工作时段所消耗的电量来评估电动泵的汲取量，以建立精确的电量与流量的转换关系，因此可达成取代传统的电流计，以达到节省装置成本及利于大量布建的功效；

2、由于本实用新型控制单元通过分别得知个别时段的耗电量，且将耗电量转换为个别时段的汲取量，因此可到精确地得知汲取装置于工作状态时的总汲取量的功效；

3、由于控制单元包括启动校正单元做为补偿汲取装置于启动时段中，因流体阻抗、空气或异物的存在，而使得由启动耗电量转换的启动汲取量与实际的启动汲取量产生落差，因此可达到使启动汲取量的理想值更趋近实际值的功效；

4、由于控制单元包括磨耗校正单元做为补偿汲取装置运转经过一段时间后，汲取装置的内部机械结构会因持续运作而产生磨耗，造成汲取的总汲取量产生落差的现象，因此可达到使汲取装置在运转经过一段时间后，理想的总汲取量仍趋近实际的总汲取量的功效；及

5、由于控制单元可包括提供电量-流量转换单元、启动校正单元、磨耗校正单元及液位校正单元学习功能的学习单元，因此可达到电量-流量转换单元、启动校正单元及磨耗校正单元的补偿，能够更为精准的功效。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。