专利名称：穿透式流体浓度侦测器的制作方法
技术领域：
本发明是一种关于穿透式流体浓度侦测器，其特别是提供一透过光学性 质的改变而获得流体浓度的机制及其装置。
背景技术：
公知流体量测装置是使用于流体的物理特征计量，诸如流体的浓度、密 度或是流体量， 一般的流体量测装置通常是体积大且组件复杂，同时也因为 这样的结果而导致其成本比较高。然而，体积小且成本低的产品，也在市场 需求下日益重要。以燃料电池系统为例，将燃料电池系统使用于可携式电子 装置的趋势逐渐显著，而是具有利用富氢燃料流体(如甲醇)与氧燃料流体进 行电化学反应而输出电力的燃料电池系统中，需要让使用者知道，何时燃料 流体浓度不足或是存量不足而必须补充燃料流体，所以必须侦测燃料流体容 器内的燃料流体液位及燃料流体容量。而一般燃料流体容器中提供侦测燃料 流体浓度以及燃料流体存量是透过昂贵的计量传感器，对于目前需要大量使 用在可携式电器产品中，是相当不经济的。另外，公知燃料电池是具有利用富氢流体(如甲醇)与氧流体进行电化学 反应而输出电力的电池核心。在这类燃料电池的应用领域中，需要让使用者 知道，何时流体浓度不足或是存量不足而必须补充流体，所以必须侦测流体 容器内的流体浓度。而一般流体容器中提供侦测流体浓度是透过昂贵的计量 传感器，对于目前需要大量使用在可携式电器产品中，是相当不经济的。因 为在燃料电池系统的电化学反应中，随着电化学反应的进行而改变的燃料流
体温度，也会导致量测的结果发生误差。因此，本发明的发明人有鉴于公知流体量测装置的缺失，乃亟思发明一 种穿透式流体浓度侦测器。发明内容本发明主要是提供一穿透式流体浓度侦测器，其是利用侦测流体循环装 置的流体因不同的浓度所造成光学性质的改变，而进一步获得流体的浓度。本发明另一目是提供一穿透式流体浓度侦测器，其是透过设置在流体循 环装置局部空间处的温度感测单元，回馈流体的温度，进而达到流体浓度侦 测的校正。本发明再一目的提供一穿透式流体浓度侦测器，其是透过增设一标准流 体槽用以容置一标准流体，进而达到流体浓度侦测的校正。为达到上述目的，本发明提供一种穿透式流体浓度侦测器，其主要是使 用于流体循环装置的流体浓度侦测，且该穿透式流体浓度侦测器包括 一光 感应装置，其是至少包括一光传感器，该光传感器是用以将光信号转换为电 气信息，且该电气信息是该光传感器在受到光源照射的状态下，对应该光信 号强度所输出的电气信息； 一光源装置；以及一运算装置，其是包括一逻辑 运算手段，该逻辑运算手段是用以处理该浓度侦测器所输出的电气信息，并 进行演算该电气信息所对应的流体浓度；其中该光感应装置的光传感器与该 光源装置是对应设置于该流体循环装置的局部空间的两侧，使得该光源装置 所射出的光束可经由该流体循环装置中的流体而投射至该光感应装置的光传 感器，该光感应装置的光传感器输出一对应该流体浓度的电气信息至该运算 装置，且该运算装置是判断该电气信息所对应的流体浓度。再者，可进一步透过一温度感测单元设置于该光感应装置与该光源装置
所对应的流体循环装置局部空间处，而量测该流体循环装置局部空间的流体 温度并将该温度信息回馈至该运算装置，以校正因温度变化而造成的光学性 质偏差的电气信息。另外，可利用一标准流体槽取代该温度感测单元，且该标准流体槽容置 有标准流体也可达到校正回馈的温度电气信息的偏差值。其中，该标准流体 是一具有已知特定浓度的流体，且该标准流体槽是对应设置于该流体循环装 置的局部空间，使得该标准流体槽中的标准流体温度是对应该流体连通空间 的流体温度。
图1是显示本发明穿透式流体浓度侦测器的主要组件关联图； 图2是显示本发明穿透式流体浓度侦测器及其应用的一具体实施例的局 部组件侧视图；图3是显示本发明穿透式流体浓度侦测器及其应用的第二具体实施例的 局部组件侧视图；图4是显示本发明图3实施例的具体实施方法流程图；图5是显示本发明的浓度-光穿透性-温度的关是可以数据对应表的方式 或是以函数关是式-，图6是显示本发明穿透式流体浓度侦测器及其应用的第三具体实施例的 局部组件侧视图。主要组件符号说明燃料电池系统(l)燃料电池电力产生部(l::-)流体循环装置(12)流体连通空间(12a)流体(12b)浓度侦测器(2)光感应装置(21)光传感器(21a)光源装置(22)光束(22a)运算装置(3)温度感测单元(4)浓度侦测器(5)光感应装置(51)第一光传感器(51a)第二光传感器(51b)光源装置(52)第一光束(52a)第二光束(52b)标准流体槽(6)标准流体(61)具体实施方式
参考图l所显示，其是本发明穿透式流体浓度侦测器的主要组件关联图。
本发明主要是使用于一燃料电池系统(1)之一浓度侦测器(2)，该浓度侦测器(2)是对应设置于该燃料电池系统(1)中储存或输送流体的局部，并透过该浓度侦测器(2)侦测该燃料电池系统(1)中的流体，而输出一对应该流体浓度的电气信息至-一运算装置(3)，再由该运算装置(3)判断该电气信息所对应的流 体浓度。在前述该燃料电池系统a)中，包括有一燃料电池电力产生部ai)以及一 流体循环装置(12)。其中该燃料电池电力产生部ai)是具有触媒物质并可藉 由和富氢流体与氧流体进行电化学反应，并进而将化学能转换为电能输出之一种能量转换器；以及该流体循环装置(12)是用以储存并传输该燃料电池系 统(l)电化学反应所需的流体与反应后的残余溶液。在前述该浓度侦测器(2)中，包括一光感应装置(21)以及一光源装置 (22)，其中该光感应装置(2L)是可用以将光信号转换为电气信息，使得该光 传感器是在受到光源照射的状态下，会依据所接受的光剂量而分别输出一对 应的电流值或其它电气信息；以及该光源装置(22)是用以提供光源，且该光 源可以是红外线、可见光或单频光。前述该运算装置(3)是具有逻辑运算手段，用以处理该浓度侦测器(2)所 输出的电气信息，并进行演算该电气信息所对应的流体浓度。其中该运算装 置(3)是可由电路手段所达成，且可用于撷取各个光传感器对应光照状态而分 别输出的电流值，并输出承载该电流值信息的电气信息。参考图2所显示，其是本发明穿透式流体浓度侦测器及其应用的第一具 体实施例的局部组件侧视图c在前述该燃料电池系统(l)中，该流体循环装置 (12)是包括一流体连通空间(12a)，使得该流体循环装置(12)中的流体(12b) 可藉由该流体连通空间(12a)进行传输或储存。该流体循环装置(12)所储存的 流体(12b)是纯水与其它混合物所混合而成，因而该流体(12b)的浓度是该流
体(12b)中纯水所占的成分比例所决定。再者，前述该光感应装置(21)是至少具有一光传感器(21a)，该光传感器(21a)可以是一光敏组件，而可用以将光 信号转换为电气信息，使得该光传感器是在受到光源照射的状态下，会依据 所接受的光剂量而分别输出 -对应的电流值或其它电气信息；以及该光感应 装置(21)与该光源装置(22)是对应设置于该流体循环装置(12)的流体连通空 间(12a)局部的两侧，使得该光源装置(22)所射出的光束(22a)可经由该流体 循环装置(12)，而抵达该光感应装置(21)的光传感器(21a)。基于前述本发明穿透式流体浓度侦测器，当该浓度侦测器(2)中的光源装 置(22)产生一光束(22a)并入射至该流体循环装置(12)的流体连通空间(12a) 而穿透该流体(12b)，该光束(22a)的部分能量会被该流体连通空间(12a)中的 流体(12b)所吸收。接着，剩下的光束(22a)能量会入射至该光感应装置(21) 的光传感器(21a)，使得该光感应装置(21)的光传感器(21a)对应所接受的光 信号强度转换为一对应的电气信息。最后该运算装置(3)依据该电气信息进行 演算，因而获得该流体连通空间(12a)的流体(12b)的浓度。前述该流体循环装置(12)的流体连通空间(12a)对应该光源装置(22)发 射该光束(22a)的局部以及该光传感器(21a)接收该光束(22a)的另一局部是 可透光，而其它部分是不可透光，应此可避免外界光线对该光传感器(21a)所 接收的光信号的干扰。另外，该流体循环装置(12)的流体连通空间(12a)局部 是指该流体循环装置(12)中传输或储存流体(12b)的空间，实际上，该流体连 通空间(12a)是可包括传输流体(12b)的流道或是储存流体(12b)的流体槽。在本发明的第一具体实施例中，其较佳实施方式是使用于温度稳定的操 作系统中，且该浓度侦测器(2)所侦测的流体连通空间(12a)的特定局部的温度是已知者。参考图3以及图4所显示，图3是本发明穿透式流体浓度侦测器及其应
用的第二具体实施例的局部组件侧视图，且图4是关于本发明图3实施例的具体实施方法流程图。如图3所示，前述的燃料电池系统(l)进一步包括一温 度感测单元(4)，该温度感测单元(4)是对应设置于该流体循环装置(12)的流 体连通空间(12a)局部，使得该温度感测单元(4)可量测该流体连通空间(12a) 的流体(12b)温度。如图4所示，关于本发明图3实施例的具体实施方法流程 图是包括步骤(101)是该光感应装置(21)的光源装置(22)发射出一光束(22a) 穿透该流体循环装置(12)流体连通空间(12a)局部的流体(12b);步骤(102)是 该光传感器(21a)接收该光源装置(22)所发射出的光束(22a)，并输出对应该 光束(22a)强度的电气信息；步骤(103)是该温度感测单元(4)感测该流体循环 装置(12)流体连通空间(12a:)局部的流体(12b)的温度，并输出对应该温度的 电气信息；以及步骤(104)是该运算装置(3)依据前述该光传感器(21a)输出的 电气信息以及该温度感测单元(4)输出的电气信息，计算出该流体循环装置 (12)流体连通空间(12a)局部的流体(12b)的浓度。前述实施例的较佳实施方式是该浓度侦测器(2)中的光源装置(22)所产 生的光束(22a)为窄频或单频的稳定光源，使得影响该流体(12b)吸收该光束 (22a)部分能量的因素能够单纯化，而可藉以提升该光感应装置(21)的分辨率 以及可靠度。再者，该运算装置(3)是利用一事先建立的浓度-光穿透性-温度 的关是，再依据前述该光传感器(21a)输出的电气信息以及该温度感测单元(4) 输出的电气信息，计算出该流体循环装置(12)流体连通空间(12a)局部的流体 (12b)的浓度。其中，该浓度-光穿透性-温度关是中，浓度是指待测流体的浓 度，光穿透性是指该光源装置(22)的相同光源穿透该待测流体而被该光感应 装置(21)接收的光强度，温度是指该待测流体的温度，该浓度-光穿透性-温 度关是则是可透过实验纪录该浓度、光穿透性与温度的对应关是，亦可透过 此对应关是建立一浓度-光穿透性-温度的函数关是而推及实验所未达成部 分。参考图5所显示，其是本发明穿透式流体浓度侦测器所使用的浓度-光穿透性-温度关是图。其中该浓度侦测器(2)中的光源装置(22)所产生的光束 (22a)为窄频的红外线，该光束(22a)射入该流体连通空间(12a)局部的流体 (12b)时，该光束(22a)的部分能量会被所经过的流体(12b)所吸收，而被吸收 的量主要是受到该流体(12b)的温度以及浓度所影响。再者，该光束(22a)穿 透该流体(12b)而照射至该光感应装置(21)的光传感器(21a)的光强度是可视 为该光束(22a)的光穿透性，该光传感器(21a)接受该光束(22a)所穿透的部份 而输出一对应的电流値，因此可透过此电流値表现该光束(22a)的光穿透性。 进一步参考图5所显示的浓度-光穿透性-温度的关是图，其是该浓度侦测器 (2)在特定温度下并对应特定的流体浓度所获得的浓度-光穿透性-温度的关 是曲线。前述的流体的浓度-光穿透性-温度关是可以透过数据对应表的方式 或是以函数关是式，建立在该运算装置(3)中，用以作为该运算装置(3)透过 该浓度侦测器(2)以及该温度感测单元(4)回馈该流体(12b)的光穿透性与温 度，并判断该流体(12b)的浓度。另外，在使用数据对应表的实施方式中，该 运算装置(3)可依据现有的浓度-光穿透性-温度的关是，透过外插法或内插法 而获得其它的浓度-光穿透性-温度的关是数据。因此当该温度感测单元(4)输出对应温度的电气信息，且该光传感器(21a) 输出对应浓度的光穿透性的电气信息时，该运算装置(3)会选择对应该温度以 及该光穿透性下所对应的流体浓度，而获得该流体循环装置(12)流体连通空 间(12a)局部的流体(12b)的浓度。参考图6所显示，其是本发明穿透式流体浓度侦测器及其应用的第三具 体实施例的局部组件侧视图(前述的燃料电池系统(l)进一步包括一浓度侦测 器(5)以及一标准流体槽(6)。该浓度侦测器(5)具有一光感应装置(51)以及--光源装置(52)，该光感应装置(51)具有一第一光传感器(51a)以及一第二光传
感器(51b)，该光源装置(52)是可产生一第一光束(52a)以及一第二光束 (52b);以及该标准流体槽(6)是容置一标准流体(61)，该标准流体(61)是具 有己知的特定流体浓度，且该标准流体槽(6)是对应设置于该流体循环装置 (12)的流体连通空间(12a)局部，使得该标准流体槽(6)中的标准流体(61)温 度是对应该流体连通空间(12a)的流体(12b)温度。其中该光源装置(52)所产 生的第一光束(52a)与第二光束(52b)是分别对应该流体循环装置(12)流体连 通空间(12a)局部以及该标准流体槽(6)，且该第一光束(52a)与该第二光束 (52b)是分别穿透该流体连通空间(12a)局部的流体(12b)以及该标准流体槽 (6)的标准流体(61)，该光感应装置(51)的第一光传感器(51a)与第二光传感 器(51b)的设置是配合穿透后的第一光束(52a)与第二光束(52b)，使得穿透后 的该第一光束(52a)与第二光束(52b)分别入射至该第一光传感器(51a)与第 二光传感器(51b)。在本发明穿透式流体浓度侦测器及其应用的第三具体实施例中，该标准 流体(61)可以是纯水、高纯度流体、或是已知的特定浓度的流体，以直接甲 醇燃料电池为例，此高纯度流体是指纯甲醇。前述该标准流体槽(6)的设置是对应该流体循环装置(12)的流体连通空 间(12a)局部，以一更具体的较佳实施方式来说，该流体循环装置(12)的流体 连通空间(12a)可以是一储存流体的流体槽，且该标准流体槽(6)的设置是尽 量接触该流体连通空间(12a)，使得该流体连通空间(12a)中的流体(12b)与该 标准流体槽(6)中的标准流体(61)的温度可以平衡。再者，前述图l实施例中 的该运算装置(3)是利用一事先建立的浓度-光穿透性-温度的关是，再依据前 述该第一光传感器(51a)以及该第二光传感器(51b)所分别输出的电气信息， 计算出该流体循环装置(12)流体连通空间(12a)局部的流体(12b)的浓度。其 中，由于该标准流体槽(6)中的标准流体(61)浓度是己知的，且该第二光传感 器(51b)可回馈穿透该标准流体(61)的第二光束(52b)的光穿透性，因此可以 依据该浓度-光穿透性-温度关是，而透过该运算装置(3)演算该标准流体槽(6) 中的标准流体(61)温度，而该标准流体(61)温度又是对应该流体连通空间 (12a)中的流体(12b)温度，因此再经由该第一光传感器(51a)回馈穿透该流体 (12b)的第一光束(52a)的光穿透性，即可进一步透过该运算装置(3)演算获得 该流体循环装置(12)的流体连通空间(12a)中的流体(12b)浓度。前述本发明穿透式流体浓度侦测器的第三具体实施例中，透过该光感应 装置(51)的第二光传感器(5 Lb)侦测该标准流体槽(6)中的标准流体(61)光穿 透性，即可得知该流体连通空间(12a)中的流体(12b)所对应的温度，因而可 以不需要另外透过其它的温度感测去获得该流体连通空间(12a)中的流体 (12b)温度，即可校正该第一光传感器(51a)所输出的电气信息，而获得该流 体连通空间(12a)中的流体(].2b)所对应的浓度。虽然本发明己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，任何熟悉此技术者，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 保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种穿透式浓度侦测器，其主要是使用于一流体循环装置，其特征在于包括一光源装置；一光感应装置，其特征在于至少包括一光传感器，该光传感器是用以将光信号转换为电气信息，且该电气信息是该光传感器在受到光源照射的状态下，对应该光信号强度所输出的电气信息；一温度感测单元，其特征在于设置对应该流体循环装置，用以感测该流体循环装置的温度；以及一运算装置，其特征在于包括一逻辑运算手段，该逻辑运算手段是用以处理该光感应装置所输出的电气信息，并进行演算该电气信息所对应的流体循环装置中的流体浓度；其中该光感应装置的光传感器与该光源装置是对应设置于该流体循环装置的局部空间的两侧，使得该光源装置所射出的光束可经由该流体循环装置中的流体而投射至该光感应装置的光传感器，该光感应装置的光传感器输出一对应该流体浓度的电气信息至该运算装置；以及该运算单元是包括一浓度-光穿透性-温度的关是判别手段，用以依据该光感应装置的光传感器所输出的电气信息以及该温度感测单元所输出的电气信息，演算出该流体循环装置流体连通空间局部的流体浓度。
2. 如权利要求l所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该光传感器输出一 电流値，该电流値是对应该光源装置的光束经过该流体循环装置局部空间 的流体的光穿透性。
3. 如权利要求2所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该流体的浓度-光 穿透性-温度关是选择以数据对应表的方式以及函数关是式中的任一型态 建立在该运算单元中，用以作为该运算单元透过该浓度侦测器以及该温度感测单元回馈该流体的光穿透性与温度，并判断该流体的浓度。
4. 如权利要求1所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该流体循环装置中， 对应该光源装置发射光束的局部以及该光传感器接收光束的另一局部是 透光，且该流体循环装置其它部分是不可透光。
5. 如权利要求1所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该光源装置输出的 光源是选择自红外线、可见光以及单频光中的任一光源。
6. 如权利要求1所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该光传感器是一光 敏组件。
7. —种穿透式浓度侦测器，其特征在于主要是使用于一流体循环装置，并包 括一光源装置，其特征在于至少产生一第一光束以及一第二光束； 一光感应装置，其特征在于至少包括一第一光传感器以及一第二光传 感器，该些光传感器是用以将光信号转换为电气信息，且该电气信息是该 光传感器受到光源照射的状态下，对应该光信号强度所输出的电气信息-，一标准流体槽，其特征在于容置一标准流体，该标准流体是一具有已 知特定浓度的流体，且该标准流体槽是对应设置于该流体循环装置的局部 空间，使得该标准流体槽中的标准流体温度是对应该流体循环装置的流体 温度；以及一运算装置，其特征在于包括一逻辑运算手段，该逻辑运算手段是用 以处理该光感应装置所输出的电气信息，并进行演算该电气信息所对应的 流体循环装置中的流体浓度；其中该光感应装置的第一光传感器与该光源装置是对应设置于该流体 循环装置的局部空间的两侧，该光感应装置的第二光传感器与该光源装置 是对应设置于该标准流体槽的两侧，使得该光源装置所射出的第一光束与 第二光束分别经由该流体循环装置中的流体与该标准流体槽的标准流体并 对应投射至该第一光传感器与第二光传感器，该光感应装置的第一光传感 器与第二光传感器分别输出一对应该流体浓度与该标准流体的电气信息至该运算装置，且该运算装置是藉此判断该电气信息所对应的流体浓度；以 及该运算单元是包括一浓度-光穿透性-温度的关是判别手段，用以依据该光感应装置的光传感器所输出的电气信息以及该温度感测单元所输出的电 气信息，演算出该流体循环装置流体循环装置局部的流体浓度。
8. 如权利要求7所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该第一光传感器与第二光传感器是分别输出一电流値，该些电流値是对应该光源装置的光束 经过该流体循环装置局部空间的流体以及该标准流体的光穿透性。
9. 如权利要求7所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该标准流体是选择纯水、高纯度流体以及已知的特定浓度的流体中的任一流体。
10. 如权利要求9所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该高纯度流体是高纯度甲醇。
11. 如权利要求7所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该光传感器输出一 电流値，该电流値是对应该光源装置的光束经过该流体循环装置局部空间 的流体的光穿透性。
12. 如权利要求11所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该流体的浓度-光 穿透性-温度关是选择以数据对应表的方式以及函数关是式中的任一型态 建立在该运算单元中，用以作为该运算单元透过该浓度侦测器以及该温度 感测单元回馈该流体的光穿透性与温度，并判断该流体的浓度。
13. 如权利要求7所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该流体循环装置中， 对应该光源装置发射光束的局部以及该光传感器接收光束的另一局部是 透光，且该流体循环装置其它部分是不可透光。
14. 如权利要求7所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该光源装置输出的 光源是选择自红外线、可见光以及单频光中的任一光源。
15. 如权利要求7所述的穿透式浓度侦测器，其特征在于该些光传感器分别是一光敏组件。
全文摘要
本发明主要提供一种穿透式流体浓度侦测器，其主要是使用于流体循环装置的流体浓度侦测，且该穿透式流体浓度侦测器包括一光感应装置，其至少包括一光传感器，该光传感器是用以将光信号转换为电气信息，且该电气信息是该光传感器在受到光源照射的状态下，对应该光信号强度所输出的电气信息；一光源装置；一温度侦测器；以及一运算装置，其包括一逻辑运算手段，该逻辑运算手段是用以处理该浓度侦测器所输出的电气信息，并进行演算该电气信息所对应的流体浓度；其中该光感应装置的光传感器与该光源装置对应设置于该流体循环装置的局部空间的两侧，使得该光源装置所射出的光束可经由该流体循环装置中的流体而投射至该光感应装置的光传感器，该光感应装置的光传感器输出一对应该流体浓度的电气信息至该运算装置，且该运算装置是根据该光感应装置以及该温度侦测器所输出的电气信息判断所对应的流体浓度。
文档编号G01N21/17GK101162196SQ20061014110
公开日2008年4月16日 申请日期2006年10月9日 优先权日2006年10月9日
发明者童俊卿, 简永烈 申请人:思柏科技股份有限公司;英属盖曼群岛商胜光科技股份有限公司