臺灣博碩士論文加值系統

摘要

為了確保水產養殖生物的順利收成，養殖過程中建立持續的水質監測系統是必要的；由於水體內溶氧有分佈不均現象，在一水體內需要多點同步監測，因此需要大量的感測器。然而國內使用之溶氧感測器均仰賴國外進口產品，僅感測頭部份的單價即約需0.5~2萬元間，故建立一個養殖空間之監測系統，單在溶氧感測器購入即為一龐大費用；因此本研究探討溶氧感測器的設計與製作原理，研發出低造價溶氧感測器。
本研究以伽瓦尼電池（Galvanic cell）原理之電氣化學反應作為實驗的設計基礎，並根據氧化還原反應所產生之電壓大小與水中氧氣量成正比，以推測水中的溶氧量。本研究探討五個模組，分別改變電極材料、透氣膜、感測面積、電流導線長度及材質等五個變因，共製作約100個感測器，分別求得增氧與耗氧過程檢量線的斜率、相關係數、靈敏度、材料單價等，比較其優缺點，以判斷設計模組的特徵及適用性。且與三種市售產品比較上述特徵差異及材料經濟等條件後，可決定出適用的自製溶氧感測器使用材料是以Ag＋Zn電極組合，透氣膜採用PE保鮮膜，電解液使用1M KCl(aq)，感測器外殼為委外精緻加工之耐撞硬管材質，以一般電線5m長度作為電流導線等組合而成，製作一個感測器的材料成本約為300元。日後，可提供養殖業者不同的產品選擇，且擴大應用至不同水域監測目的。

ABSTRACT

In order to ensure the successful cultivation of aquaculture, it is necessary to establish the water quality monitoring system. Because it isn’t a uniform distribution of dissolved oxygen in water quality, we need many sensors to detect the distribution. Since the dissolved oxygen sensor is very expensive, it would cost abundant expenditure to establish a monitoring system for cultivation. Therefore, the study focuses on developing the low-cost dissolved oxygen sensor by the principle of fabrication and design.
The basic principle of a dissolved oxygen sensor is Galvanic cell. The voltages magnitude and the dissolved oxygen is direct ratio according to oxidation-reduction react ion. The study has five factors, which are difference of metal electrode, material of membrane, measured membrane area, wire length and material. Trend line slope, related coefficient, sensitivity, according to increasing oxygen and reducing oxygen process device from experiment obtained, that determined the suitability and characteristic for each factors. Finally, the artificial dissolved oxygen sensor''s materials include Ag + Zn electrode, P.E. membrane, KCl solution, manufactured acrylic tube and general wire 5 meter. It cost about NT 300 dollars totally. It will provide the aquaculture industry economic products in future and application to different type of water.

目錄
摘要……………………………………………….……….…..……… Ⅰ
Abstract………………………………………..………………...…… Ⅱ
目錄…………………………………………..………………...…… Ⅲ
表目錄……………………………..…….………...……………………Ⅵ
圖目錄……………………………..……..…..…………………………Ⅶ
第一章、 緒論……………………..………………………………….… 1
1.1、前言……………………………...……………………………… 1
1.2、研究目的…………………...…………………………………… 1
第二章、文獻探討…………….……………………………………….. 3
2.1、溶氧、環境與生物關係………..……………………………… 3
2.1.1溶氧……………………………………………...…………… 3
2.1.2溶氧與環境……………………………………...…………… 3
2.1.3溶氧與養殖生物………………………………...…………… 5
2.2、溶氧感測器設計………….……..……………………………… 6
2.2.1感測原理……………….…….…….…….…………………... 6
2.2.2電器化學反應…………………………………...…………… 7
2.3、溶氧感測器簡介………….……..……………………………… 8
2.3.1感測器概述……………………………………...…………… 8
2.3.2市售溶氧感測器之比較………………………...…………… 8
2.4、自製感測器相關材料…………..………………………...…… 12
2.4.1電極材料………………………………………...………...…12
2.4.2透氣膜…………………………………………...………….. 12
2.4.3電解液…………………………………………...………….. 15
2.4.4感測面積之影響………………………………...………….. 16
2.4.5電流導線標準長度……………………………...………….. 16
2.4.6電流導線材質…………………………………...………….. 17
2.5、感測器之適用性………………..………………………...…… 18
第三章、試驗設備及方法………………………………..….……..… 20
3.1、感測器製作……………….………………………….....……… 20
3.1.1感測器製作材料………………………………...…..……… 20
3.1.2製作步驟……………………………………...………..…… 21
3.2、mv-ppm檢量線試驗……..………………………….....……… 22
3.2.1試驗設備………………………………...……...……………22
3.2.2檢量線試驗……………………………...……...……………23
3.3、感測器材料改變設計試驗.………………………….....……… 24
3.3.1各材料改變之影響……………………...……...……………24
3.3.2試驗流程………..………..……………...……...……………27
3.4、資料整理與分析.…………………………………….....……… 27
3.4.1增氧、耗氧檢量線比較………………...……...……………27
3.4.2數據整理………..………..……………...……...……………29
3.4.3經濟分析………..………..……………...……...……………29
第四章、 結果與討論…….………………………………….……...… 30
4.1、電流導線長度改變…………..…………………………………30
4.1.1導線長度改變之影響…………………...……...……………30
4.1.2增氧與降氧檢量線之差異……………...……...……………32
4.2、不同電流導線材質之影響………….……………….………… 32
4.3、不同的金屬電極組合之影響…….…………………………… 35
4.4、與電解液之接觸面積的影響……………….………………… 37
4.5、不同透氣膜選擇之影響…………………….………………… 39
4.6、感測器最佳模組…………………………….………………… 41
4.6.1應答時間………………………………….…………………41
4.6.2經濟分析………………………………….…………………42
第五章、 結論與建議……………..……………………………...…… 44
5.1、結論……………….............……………….…………………… 44
5.2、建議……………………………….……………………………. 45
參考文獻………………………………………………………………. 46
附錄一：不同電流導線長度之mv-ppm檢量線…………….…….….48
附錄二：不同電流導線材質之mv-ppm檢量線…………………….50
附錄三：不同金屬電極反應之mv-ppm檢量線…………………….51
附錄四：不同感測面積之mv-ppm檢量線………………………….52
附錄五：不同透氣膜之mv-ppm檢量線…………………………….53
附錄六：各試驗mv-ppm檢量線圖………………………………….54

表目錄
表2.1不同水溫、鹽度下之飽和溶氧量之關係表……...………….… 4
表2.2市售溶氧感測器之比較…………………………..……...….… 10
表2.3市面上各金屬之規格與單價表………….……..………...….… 12
表2.4 透氣膜材質比較表……………………...…..…………………. 14
表2.5不同管徑尺寸下各種透氣膜每日透水量之誤差表….….....… 15
表2.6 市售廠牌之電流導線標準長度………….……….…………… 17
表3.1感測器試驗材料及製作個數表……………………......……… 25
表4.1不同電流導線長度對mv-ppm關係之相關係數與靈敏度…. 31
表4.2增氧與降氧檢量線斜率之平均與標準差………..…………… 32
表4.3不同電流導線材質對mv-ppm之相關係數與靈敏度….……. 34
表4.4不同金屬電極反應對mv-ppm之相關係數與靈敏度…...…… 36
表4.5不同感測面積對mv-ppm之相關係數與靈敏度……….……. 38
表4.6不同透氣膜對mv-ppm之相關係數與靈敏度……..…………. 40
表4.7自製感測器的材料成本與市售產品比較...……..……………. 43


圖目錄
圖3.1自製溶氧感測器構造示意圖…………………………………. 22
圖3.2試驗流程圖………………………………………………...…... 28
圖4.1不同導線長度之感應電壓強度與溶氧量關係圖…………...…31
圖4.2不同導線材質之感應電壓強度與溶氧量關係圖…………..…34
圖4.3不同電極之感應電壓強度與溶氧量關係圖…………...………36
圖4.4不同感測面積之感應電壓強度與溶氧量關係圖…………...…38
圖4.5不同透氣膜之感應電壓強度與溶氧量關係圖………….......…41
圖4.6 自製溶氧感測器完成圖……………………………...............…41
圖4.7自製溶氧感測器反應電壓與反應時間關係圖………….......…42

參考文獻
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