专利名称：浓度侦测装置及其侦测方法
技术领域：
本发明涉及一种浓度侦测装置及其侦测方法，且特别是一种用于液态燃料电池的液态燃料浓度侦测方法及其侦测装置。
背景技术：
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池的种类相当多，而且分类的方式也各有所不同，若依电解质性质不同加以区分，有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池等五种不同电解质的燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池又包含所谓直接甲醇燃料电池，直接以甲醇为燃料，而不需先改质成氢气，是目前研发能量较高的技术之一，其应用目标包含大型发电厂、汽车用发电机、携带式电源等。
然而，如直接甲醇燃料电池这类的液态燃料电池，在迈向商品化的过程中皆需克服一个问题，即液态燃料浓度的控制。理论上，液态燃料浓度若愈低，所产生的电力就愈少；液态燃料浓度若愈高，所产生的电力就愈多。因此，势必需有一种浓度侦测装置来随时监控液态燃料的浓度，以确保其浓度始终维持在一预设的标准值，如此方可维持燃料电池的供电品质，而且电子产品也不会因燃料电池的电力供应不稳定而受到损伤。
发明内容
本发明的主要目的是提供燃料电池一种浓度侦测装置及其侦测方法，用以随时监控燃料电池所需液态燃料的浓度，当其浓度发生变化时，可实时作出反应。
为了达成本发明的目的，本发明提供一种浓度侦测装置，是用以侦测一容器内的液态燃料的浓度，该浓度侦测装置包括一浮体，是载浮于该液态燃料的液面上，其中该浮体的上半部具有一第一参考圆的图形，且该浮体在该液态燃料的液面上恰形成一第一交界圆的图形；一影像撷取装置，具有一成像平面，其中该成像平面是设置于该浮体的上方；一遮光罩，其中该遮光罩是设置于该成像平面与该浮体之间，以及该遮光罩设有一孔洞，以使得该第一参考圆及该第一交界圆的图形通过该孔洞而分别投影至该成像平面上，以形成一第二参考圆及一第二交界圆；一计算装置，是可依据该第一、二参考圆及该第一、二交界圆的资料而计算出该液态燃料的浓度。再者，本发明亦进一步提供用于液态燃料电池的液态燃料浓度侦测方法。
为使熟悉该项技术人员了解本发明的目的、特征及功效，兹通过下述具体实施例，并配合附图，对本发明详加说明如后。
图1A显示本发明浓度侦测装置的一较佳实施例的侧视图。
图1B显示图1A浓度侦测装置的俯视示意图。
图2A、图2B是本发明所提供一种用于液态燃料电池的液态燃料浓度侦测方法。
图3显示图1B中成像平面(140)所撷取到的影像。
符号说明浓度侦测装置(1) 容器(10)液态燃料(11) 浮体(12)第一参考圆(120) 第二参考圆(120a)第一交界圆(122) 第二交界圆(122a)浮体的质心(124) 影像撷取装置(14)成像平面(140) 遮光罩(16)孔洞(160) 计算装置(18)发光装置(19) 浓度侦测方法(2)
步骤(200)、(202)、(204)、(206)、(208)、(210)步骤(212)、(214)、(216)具体实施方式
图1A显示本发明浓度侦测装置的一较佳实施例的侧视图。图1B显示图1A浓度侦测装置的俯视示意图。本发明浓度侦测装置(1)，是用以侦测容器(10)内的液态燃料(11)的浓度，尤其可适用于液态燃料电池的燃料浓度侦测作业，因此容器(10)所指便为一燃料供给槽，是用以供给如直接甲醇燃料电池此类液态燃料电池所需的燃料，且容器(10)内的液态燃料(11)通常是为甲醇水溶液。
参考图1A所显示，浓度侦测装置(1)是包括浮体(12)，是载浮于液态燃料(11)的液面上。如第一A、B图所示，浮体(12)是一球体，而且浮体(12)的上半部具有一第一参考圆(120)的图形，且浮体(12)在液态燃料(11)的液面上恰形成一第一交界圆(122)的图形。
影像撷取装置(14)，具有一成像平面(140)，其中成像平面(140)是设置于浮体(12)的上方。而影像撷取装置(14)通常是以一CCD或CMOS感测组件作为具体实施组件。
遮光罩(16)，是设置于成像平面(140)与浮体(12)之间，其中遮光罩(16)设有一孔洞(160)，以使得第一参考圆(120)及第一交界圆(122)的图形通过孔洞(160)而分别投影至成像平面(140)上，以形成第二参考圆(120a)及第二交界圆(122a)。
计算装置(18)，是可依据第一、二参考圆(120)、(120a)及第一、二交界圆(122)、(122a)的资料而计算出液态燃料(11)的浓度。其中，计算装置(18)可以是一微处理器，且与影像撷取装置(14)电性连接，以获得成像平面(140)上的第二参考圆(120a)及第二交界圆(122a)的影像资料，来进行本发明浓度侦测作业中的浓度计算步骤。此外，如图1A所显示，为了提供影像撷取装置(14)进行影像撷取时所需的光源补偿，本发明可进一步包含至少一个以上的发光装置(19)，其中发光装置(19)可以通过发光二极管来实施，而且发光装置(19)是设置于容器(10)的内壁、遮光罩的下方(16)以及液态燃料(11)的液面的上方。
图2A、图2B是本发明所提供一种用于液态燃料电池的液态燃料浓度侦测方法。然而，为具体说明本发明的液态燃料浓度侦测方法(2)，在此是配合参照第一A、B图所示的较佳实施例来加以说明。如图2A、图2B所示，本发明的液态燃料浓度侦测方法(2)，包括步骤(200)至步骤(218)，分别说明如下内文步骤(200)是提供一半径为R的浮体(12)，其中浮体(12)的上半部具有第一参考圆(120)的图形，且第一参考圆(120)的半径为r(如图1A所示)，以及第一参考圆(120)上的一点、浮体(12)的质心与第一参考圆(120)的圆心三者所形成的夹角为α1。
步骤(202)是使得浮体(12)载浮于液态燃料(11)的液面上，且使得第一参考圆(120)能够维持在液态燃料(11)的液面上方，其中浮体(12)在液态燃料(11)的液面上恰形成第一交界圆(122)的图形。
步骤(204)是提供成像平面(140)，其中成像平面(140)是设置于步骤200的浮体(12)的上方。参考图1B所示，由于影像撷取装置(14)本身结构的因素，通常成像平面(140)与液态燃料(11)的液面(以水平线110为代表)二者之间可能会有一角度差，亦即角度ψ。
步骤(206)是提供遮光罩(16)，其中遮光罩(16)是设置于成像平面(140)与浮体(12)之间。参考第一A、B图所示，遮光罩(16)设有孔洞(160)，而且孔洞(160)与成像平面(140)之间的垂直距离为f，孔洞(160)与液态燃料(11)的液面之间的垂直距离为F，如此使得第一参考圆(120)及第一交界圆(122)的图形可通过孔洞(160)而分别投影至成像平面(140)上，以形成图3中所显示的第二参考圆(120a)及第二交界圆(122a)。于图3中，第二参考圆(120a)上的点坐标(u，v)以及第二交界圆(122a)上的点坐标(x，y)的各坐标变量可透过对图1B所呈现的空间结构施予向量几何运算，而最后获得u、v、x、y等坐标变量是分别满足下列等式u＝(S·cosθ·cosψ-R·cosα1·sinθ·cosψ+R·sinα1·cos(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα1·cosθ+R·cosα1-F)；v＝(S·cosθ·sinψ-R·cosα1·sinθ·sinψ+R·sinα1·sin(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα1·cosθ+R·cosα1-F)；x＝(S·cosθ·cosψ-R·cosα·sinθ·cosψ+R·sinα·cos(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα·cosθ+R·cosα-F)；y＝(S·cosθ·sinψ-R·cosα·sinθ·sinψ+R·sinα·sin(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα·cosθ+R·cosα-F)；其中，S是浮体(12)在液态燃料(11)的液面上的移动距离，θ是该浮体(12)在液态燃料(11)的液面上的偏转角度，β是第一参考圆(120)上的一点相对于其圆心的相量角或第一交界圆(122)的一点相对于其圆心的相量角，α是第一交界圆(122)上的一点、浮体(12)的质心(124)与第一交界圆(122)的圆心三者所形成的夹角，而且α值是不小于α1。
再者，步骤(208)是提供计算装置(18)，且使得计算装置(18)依据第一参考圆(120)及第二参考圆(120a)的资料而计算出θ值、S值、F值。其中θ值，可利用传统影像处理算法由计算装置(18)依据第二参考圆(120a)在成像平面(140)的变化情形，因而计算出图3中的角度θ，亦即θ值。至于S值与F值，则可利用图1B的向量空间中第一参考圆(120)及第二参考圆(120a)二者之间的比例关系而计算得到。其中S值，由计算装置(18)是依据函式S＝r·(a/b)，而计算出得到，其中a是第二参考圆(120a)的几何中心G与成像平面(140)的原点O之间的距离，b是在直线GO方向上第二参考圆(120a)上的一点与几何中心G之间的距离。另外，F值则由计算装置(18)依据函式F＝f·(c1/c2)而计算出，其中c2是在通过原点O且垂直于直线GO的方向上该第二参考圆(120a)上的一点与几何中心G之间的距离，而c1是由函式c1＝(r2-S2)而计算得到。
因此，计算装置(18)除了可计算出液态燃料(11)的浓度外，亦可依据第一、二参考圆(120)、(120a)及第一、二交界圆(122)、(122a)的资料而计算出孔洞(160)与液态燃料(11)的液面之间的垂直距离F，因而可求得液态燃料(11)于容器(10)内的液面高度。
步骤(210)是决定一β值，且使得计算装置(18)依据该β值而计算出第二参考圆(120a)上对应该β值的一点的u坐标值与v坐标值，以及第二交界圆(122a)上对应该β值的一点的x坐标值与y坐标值。参考图3所示，假设β值决定为0，则第二参考圆(120a)与第二交界圆(122a)上分别对应β＝0的点为P及Q，而P点的u坐标值与v坐标值，以及Q点的x坐标值与y坐标值，皆可由计算装置(18)计算获得。
步骤(212)是使得计算装置(18)依据步骤(206)中的坐标变量u及/或坐标变量v的等式，以及由步骤208计算出的θ值、S值与F值，以及步骤(210)的β值(＝0)、P点的u坐标值与v坐标值，而计算出ψ值。当然，本发明中所使用的β值并非仅能够限定为0，其亦可为介于0与2π之间的任一角度值。
步骤(214)是使得计算装置(18)依据步骤(206)中的坐标变量x及/或坐标变量y的等式，以及由步骤208计算出的θ值、S值与F值，以及步骤(210)的β值(＝0)、Q点的x坐标值与y坐标值，以及步骤(212)求出的ψ值，而计算出α值。同样地，此处的β值并非仅能够限定为0，其亦可为介于0与2π之间的任一角度值。
步骤(216)是使得计算装置(18)依据步骤(214)的α值及函式h＝R-R·cosα，而计算出h值，因而求出浮体(12)浮出液态燃料(11)的液面的高度h。
最后，步骤(218)是使得计算装置(18)依据步骤(216)的h值及函式ρ＝M/(V-[π·h2(3·R-h)/3])，而计算出ρ值，其中ρ值即为液态燃料(11)的浓度，M是浮体(12)的质量，而V是浮体(12)的体积。
最后，归纳本发明的特点及功效如下1.本发明的液态燃料浓度侦测方法，主要是以影像处理及向量几何等学理为基础，然后延伸运用在液态燃料电池的液态燃料浓度侦测方面。通过数学的运算而达到浓度侦测的目的。同时由于此特点，使得本发明的液态燃料浓度侦测作业主要以软件计算来实现，因而将硬件上的成本降至最低。
2.本发明浓度侦测装置的制造成本低廉，且容易大量制造，能够带给燃料液态燃料的浓度感测作业极大的便利性，此项即为本发明的优点所在。
虽然本发明已以具体实施例揭露如上，然其所揭露的具体实施例并非用以限定本发明，任何熟悉此技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，其所作的更动与润饰皆属于本发明的范畴，本发明的保护范围当根据权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种用于液态燃料电池的液态燃料浓度侦测方法，包括下列步骤(a)提供一半径为R的浮体，其中该浮体的上半部具有一第一参考圆的图形，且该第一参考圆的半径为r，以及该第一参考圆上的一点、该浮体的质心与该第一参考圆的圆心三者所形成的夹角为α1；(b)使得该浮体载浮于该液态燃料的液面上，且使得该第一参考圆能够维持在该液态燃料的液面上方，其中该浮体在该液态燃料的液面上恰形成一第一交界圆的图形；(c)提供一成像平面，其中该成像平面是设置于该步骤(a)的该浮体的上方；(d)提供一遮光罩，其中该遮光罩是设置于该成像平面与该浮体的间，以及该遮光罩设有一孔洞且该孔洞与该成像平面之间的垂直距离为f，以使得该第一参考圆及该第一交界圆的图形通过该孔洞而分别投影至该成像平面上，以形成一第二参考圆及一第二交界圆，其中该第二参考圆上的点坐标(u，v)以及该第二交界圆上的点坐标(x，y)的各坐标变量是分别满足下列等式u＝(S·cosθ·cosψ-R·cosα1·sinθ·cosψ+R·sinα1·cos(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα1·cosθ+R·cosα1-F)，v＝(S·cosθ·sinψ-R·cosα1·sinθ·sinψ+R·sinα1·sin(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα1·cosθ+R·cosα1-F)，x＝(S·cosθ·cosψ-R·cosα·sinθ·cosψ+R·sinα·cos(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα·cosθ+R·cosα-F)，y＝(S·cosθ·sinψ-R·cosα·sinθ·sinψ+R·sinα·sin(β+ψ))·(-f)/(-S·sinθ-R·cosα·cosθ+R·cosα-F)，其中，S是该浮体在该液态燃料的液面上的移动距离，θ是该浮体在该液态燃料的液面上的偏转角度，ψ是该成像平面与该液态燃料的液面二者之间的夹角，β是该第一参考圆上的一点相对于其圆心的相量角或该第一交界圆的一点相对于其圆心的相量角，F是该孔洞与该液态燃料的液面之间的垂直距离，α是该第一交界圆上的一点、该浮体的质心与该第一交界圆的圆心三者所形成的夹角；(e)提供一计算装置，且使得该计算装置依据该第一参考圆及该第二参考圆的资料而计算出θ值、S值、F值；(f)决定一β值，且使得该计算装置依据该β值而计算出该第二参考圆上对应该β值的一点的u坐标值与v坐标值，以及该第二交界圆上对应该β值的一点的x坐标值与y坐标值；(g)使得该计算装置依据该步骤(d)中的坐标变量u及/或坐标变量v的等式，以及该步骤(e)的θ值、S值与F值，以及该步骤(f)的β值、u坐标值与v坐标值，而计算出ψ值；(h)使得该计算装置依据该步骤(d)中的坐标变量x及/或坐标变量y的等式，以及该步骤(e)的θ值、S值与F值，以及该步骤(f)的β值、x坐标值与y坐标值，以及该步骤(g)的ψ值，而计算出α值；(i)使得该计算装置依据该步骤(h)的α值及一函式h＝R-R·cosα，而计算出h值，其中h值是该浮体浮出该液态燃料的液面的高度；(j)使得该计算装置依据该步骤(i)的h值及一函式ρ＝M/(V-[π·h2(3·R-h)/3])，而计算出ρ值，其中ρ值是该液态燃料的浓度，M是该浮体的质量，V是该浮体的体积。
2.如权利要求1所述的液态燃料浓度侦测方法，其特征在于，该步骤(e)中该计算装置是依据一函式S＝r·(a/b)，而计算出S值，其中a是该第二参考圆的几何中心G与该成像平面的原点O之间的距离，b是在直线GO方向上该第二参考圆上的一点与几何中心G之间的距离。
3.如权利要求2所述的液态燃料浓度侦测方法，其特征在于，该步骤(e)中该计算装置是依据一函式F＝f·(c1/c2)，而计算出F值，其中c2是在通过原点O且垂直于直线GO的方向上该第二参考圆上的一点与几何中心G之间的距离，以及c1是由一函式c1＝√(r2-S2)而计算得到。
4.如权利要求1所述的液态燃料浓度侦测方法，其特征在于，该步骤(f)的β值是介于0与2π之间。
5.如权利要求1所述的液态燃料浓度侦测方法，其特征在于，该步骤(h)的α值是不小于α1。
6.一种浓度侦测装置，是用以侦测一容器内的液态燃料的浓度，其特征在于，该浓度侦测装置包括一浮体，是载浮于该液态燃料的液面上，其中该浮体的上半部具有一第一参考圆的图形，且该浮体在该液态燃料的液面上恰形成一第一交界圆的图形；一影像撷取装置，具有一成像平面，其中该成像平面是设置于该浮体的上方；一遮光罩，是设置于该成像平面与该浮体之间，其中该遮光罩设有一孔洞，以使得该第一参考圆及该第一交界圆的图形通过该孔洞而分别投影至该成像平面上，以形成一第二参考圆及一第二交界圆；一计算装置，是可依据该第一、二参考圆及该第一、二交界圆的资料而计算出该液态燃料的浓度。
7.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，该浮体是一球体。
8.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，该影像撷取装置是一CCD感测组件。
9.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，该影像撷取装置是一CMOS感测组件。
10.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，进一步包含至少一个以上的发光装置，是设置于该容器的内壁、该遮光罩的下方以及该液态燃料的液面的上方。
11.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，该容器，是一燃料供给槽，用以供给一液态燃料电池所需的燃料。
12.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，该液态燃料，是一甲醇水溶液。
13.如权利要求10所述的浓度侦测装置，其特征在于，该发光装置，是一发光二极管。
14.如权利要求11所述的浓度侦测装置，其特征在于，该液态燃料电池，是一直接甲醇燃料电池。
15.如权利要求6所述的浓度侦测装置，其特征在于，该计算装置，是可依据该第一、二参考圆及该第一、二交界圆的资料而计算出该孔洞与该液态燃料的液面之间的垂直距离，因而求得该液态燃料于该容器内的液面高度。
全文摘要
本发明是一种浓度侦测装置，是用以侦测一容器内的液态燃料的浓度，该浓度侦测装置包括一浮体，是载浮于该液态燃料的液面上，其中该浮体的上半部具有一第一参考圆的图形，且该浮体在该液态燃料的液面上恰形成一第一交界圆的图形；一影像撷取装置，具有一成像平面，其中该成像平面是设置于该浮体的上方；一遮光罩，其中该遮光罩是设置于该成像平面与该浮体之间，以及该遮光罩设有一孔洞，以使得该第一参考圆及该第一交界圆的图形藉由该孔洞而分别投影至该成像平面上，以形成一第二参考圆及一第二交界圆；一计算装置，是可依据该第一、二参考圆及该第一、二交界圆的资料而计算出该液态燃料的浓度。
文档编号G06F19/00GK101055239SQ20061007209
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者钟雅健, 陈逸先, 邓丰毅, 汤毓麟 申请人:胜光科技股份有限公司