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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林信宏
研究生(外文):Hsin-Hong Lin
論文名稱:多功能可攜式遠端水質監測系統
論文名稱(外文):Portable and Remote Multifunctional Monitoring System for Water
指導教授:吳志偉吳志偉引用關係
指導教授(外文):Chih-Wei Wu
口試委員:邱繼舜冉繁華
口試委員(外文):CIOU,JI-SHUNFan-Hua Nan, Ph.D.
口試日期:2016-01-26
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:機械與機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:自動化可攜式濁度亞硝酸鹽餘氯微控制器遠端監控3D列印技術
外文關鍵詞:AutomaticallyPortableTurbidityNitriteChlorineArduinoRemote monitoring3D Printing
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目前常見的各項水質檢測儀器主要可區分為實驗室分析法與現場即時分析法,前者因檢測儀器體積龐大且昂貴而無法搬運,而損失靈敏度與便利性。需透過人員收集樣品水回實驗室分析。雖因檢測設備性能高而可獲得較佳的靈敏度與偵測極限,卻無法進行現場即時性檢測。後者市面上雖已有各種檢測儀器,但都只針對單一項目檢測,無法自動化檢測多種項目,且為了提高檢測靈活度,卻犧牲了量測的精準度與偵測極限。
本研究以壓克力材料製作水質檢測晶片具有耐熱性、抗化學性、絕緣性與易加工處理等優點,並使用3D Printing製作水質檢測模組,將水質檢測晶片、發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)、光電二極體(Photo Diode, PD)與微壓電幫浦整合為一體,並運用Arduino微控制器進一步整合光學偵測、化學反應、電路分析、微流體操控等技術,成功製作出可自動化檢測多種項目且離子檢測濃度達ppb(μg/L)等級之多功能可攜式遠端水質監測系統,擁有自動即時快速分析、高精確度、可攜式、試劑用量少等優點。且本系統有別於市面上多項目自動分析儀近數十萬至數百萬之價格,只需約一萬多元即可達成,進而提高其商品化的競爭力。本系統以透射比濁法與分光比色法成功量測出濁度、亞硝酸鹽與餘氯,亦皆高於一般檢測規範之0.995,濁度、亞硝酸鹽、餘氯、溫度,分別為0.998、0.9962、0.9983、0.9993,並針對系統長時間監測與戶外量測能力進行驗證,長時間監測針對養殖環境進行實驗,分別對淡水與海水養殖水域進行長時間檢測。戶外監測水域包含住宅自來水、山泉水、基隆河、七堵湧泉、碧砂漁港與金山溫泉,證實本檢測系統的確具有長時間於戶外精準量測亞硝酸鹽、濁度、餘氯與溫度之能力。相信在持續努力之下,定可對環境監控(如飲用水、養殖池、湖水、河水及海水)有極高之助益,更可開創全新的水質檢測產業。
關鍵字:自動化、可攜式、濁度、亞硝酸鹽、餘氯、微控制器、遠端監控、3D列印技術

Lab analysis and in-situ real-time analysis are the two methods commonly used in instruments of water quality testing. The former usually results in expensive instruments that are too bulky to move, and therefore sensitivity and convenience are compromised, as samples have to be taken back to lab for analysis. The upside is that the high performance test instruments provides greater sensitivity and detection limits, but the downside is that on-site real-time analysis is impossible. For the latter, there are a number of test instruments available in the market, but most of them are designed specifically for a certain test. Automatic testing on several categories is still being developed. In addition, the flexibility of testing is established at the cost of measurement accuracy and detection limits.
A water quality testing chip mounted on acrylic material was proposed in this study that features thermal resistance, chemical resistance, good insulation and ease to work on. 3D Printing was introduced for the production of water quality testing module. The water quality testing chip, light-emitting diodes (LEDs), photo diodes (PDs) and piezoelectric micropump were integrated into a single package. The microcontroller, Arduino, was used to incorporate photo-detecting, chemical reaction, circuitry analysis and microfluidic manipulation. As a result, a multi-functional, portable remote water quality monitoring system was successfully developed to be capable of automatically testing multiple categories up to ppb (μg/L) level. The system features automatic real-time and fast analysis, high precision, portability and minimal use of test agents. Unlike multi-item automatic analyzers available in the market that sometimes cost hundreds of thousands or millions of dollars, this system only has a price tag around NT$10,000, which makes it highly competitive after commercialization. This system is capable of detecting turbidity, nitrites and chlorine successfully using the turbidimetry and spectrophotometry. The accuracy is higher than the typical level of 0.995. The detection level is 0.998, 0.9962, 0.9983 and 0.9993 for turbidity, nitrites, chlorine and temperature, respectively. The system was verified for long-hour monitoring and outdoor measurement capability. An experiment was conducted at freshwater and seawater fish farming areas for long-hour testing. The outdoor monitoring waters included tap water from residential areas, mountain spring water, and water from Keelung River, a spring at Qidu, Bisha Fishing Port and a hot spring at Jinshan. The experiment proved that the system developed is capable of accurately measuring the levels of nitrites, turbidity, chlorine and temperature for an extended period of time. With constant efforts, it is believe that this system will contribute very highly to environmental monitoring (on, for example, drinking water, fishing ponds and water bodies such as lakes, rivers and oceans) and a water quality testing industry of promising future.

Keywords: Automatically, Portable, Turbidity, Nitrite, Chlorine, Arduino, Remote monitoring, 3D Printing


摘要 I
ABSTRACT II
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 文獻回顧 2
1.3.1 手持式現場即時分析法 2
1.3.2 實驗室分析法 5
1.3.3 移動式水質檢測系統 6
1.4 論文架構簡介 10
第二章 多目標即時遠端水質檢測系統 11
2.1 比爾定律(BEER-LAMBERT LAW) 11
2.2 多目標水質檢測晶片 12
2.3 微壓電幫浦(PIZEOELECTRIC MICROPUMP) 14
2.4 ARDUINO微控制器簡介與系統架構 16
2.5 無線傳輸與即時網頁監測介紹 18
2.6 樣本水入水口、廢液出水口、溫度IC整合模具設計 20
2.7 穩壓驅動電路架構 21
2.8 水質檢測項目模組化之建構 23
2.8.1 3D印表機簡介 23
2.8.2 水質項目個別模組化 24
2.9 攜帶式水質檢測系統外殼設計 27
第三章 實驗架設與樣品準備 30
3.1 系統檢測方法 30
3.2 亞硝酸鹽標準溶液及試劑調配 31
3.2.1 分析原理簡介 31
3.2.2 標準儲備溶液 31
3.2.3 各濃度標準溶液配製 32
3.3 餘氯標準溶液及試劑之調配 33
3.3.1 分析原理簡介 33
3.3.2 標準儲備溶液 33
3.3.3 各濃度標準溶液配製 34
3.4 濁度標準溶液及試劑之調配 35
3.4.1 分析原理簡介 35
3.4.2 各濃度標準溶液配製 35
第四章 結果與討論 36
4.1 LED、PD、微壓電幫浦流率穩定性探討 36
4.2 各項水質檢測項目檢量線探討 37
4.2.1 濁度檢量線量測數據探討 37
4.2.2 亞硝酸鹽檢量線量測數據探討 40
4.2.3 餘氯檢量線量測數據探討 43
4.2.4 溫度檢量線量測數據探討 46
4.3 系統長時間量測能力之驗證 47
4.3.1 淡水養殖水槽長時間監測 47
4.3.2 海水養殖水槽長時間監測 51
4.4 戶外即時檢測實驗 56
4.4.1 住宅自來水水質檢測 56
4.4.2 山泉水水質檢測 58
4.4.3 基隆河水質檢測數據分析 59
4.4.4 七堵湧泉水質檢測 60
4.4.5 碧砂漁港海水水質檢測實驗 61
4.4.6 金山溫泉水質檢測實驗 62
第五章 結論與未來展望 66
5.1 結論 66
5.2 未來展望 67
參考文獻 68
附錄一 70

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10. Agilent Technologies,http://www.home.agilent.com。
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30. A. H. Barnard, B. Rhoades, C. Wetzel, A. Derr, J. R. V. Zaneveld, C. Moore, C. Koch, and I. Walsh,"Real-time and long-term monitoring of phosphate using the in-situ CYCLE sensor," IEEE Oceans MTS Conference, pp. 1-6, October 2009。

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