Ultrasonic Techniques for Methanol Concentration Sensor

近來燃料電池技術的快速成長，在新興能源中佔一重要地位，其中又以直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell, DMFC)較被看好，應用上由於具有高能量密度的優點，所以也被期待成為下一世代可攜式能源。而DMFC發電效率直接與甲醇燃料濃度有關係，為了即時監控燃料濃度的變化，並進一步控制燃料濃度，使DMFC整體之發電效率達到最佳，有需要去監控燃料的變化情形。本研究欲以超音波感測來做為甲醇濃度監測之機制，希望能針對DMFC的工作濃度，也就是在低濃度下0∼10Wt%的範圍內，達到0.5Wt%的解析濃度需求。 在歷史上雖有人提出一些理論聲速預估模型，但是對於水這樣的極性液體，使得各分子間的力量有很大的差距，也導致這些聲速預估模型與實際聲速的偏差很大，所以並無法拿來做為聲速-濃度之間的轉換公式。 研究上欲透過實際量測不同濃度下的甲醇溶液聲速值，並由這些實驗值資料點建立聲速-濃度的經驗轉換公式。此外經由不準確度分析，可以來推估傳遞距離、取樣時間對聲速量測上的影響。最後並且在研究後發現，由於靈敏度的降低，利用超聲波感測會有所謂的濃度盲區， 所以也在盲區範圍裡測試了新參數，欲做為濃度的感測，如頻譜峰值的偏移還有能量衰減。Recently, fuel cell technology which has owned an important position in the emerging energy grows rapidly, especially the Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Due to the advantage of high energy density, DMFC is expected to be the major portable energy for the next generation. Since the performance of the DMFC is directly relevant to the density of methanol solution, in order to optimize the efficiency of DMFC, concentration changes must be monitored and controlled. This thesis uses ultrasound sensing to monitor methanol concentration. At the operating concentration range of 0 to 10wt% for DMFC, the resolution of 0.5wt% was expected for the ultrasound sensing module. Although the theoretical sound speed prediction model had been proposed by other researchers, it can’t be used as a sound speed-concentration conversion formula. Because the forces between the molecules vary a lot for polar liquid such as water which results in a large deviation between these prediction models and actual sound speed. In this research we intended to measure the actual sound speed of methanol solution under various concentrations, and establish the empirical conversion model through these experiment data. Besides, we estimate how propagation distance and sampling time affect on sound speed measuring by uncertainty analysis. Finally, we investigate the blind spot on ultrasound sensing because of the decreasing sensitivity. New parameters such as peak frequency shift and attenuation will be employed for the concentration sensing in the blind temperature range.口試委員審定書 i 誌謝 ii 中文摘要 iii 英文摘要 iv 目錄 vi 圖目錄 viii 表目錄 xi 第一章 緒論 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 3 第二章 研究方法與理論 2.1 理論 - 預測混合液聲速 5 2.2 理論 - 靈敏度與不確定度分析 8 2.3 實驗設備 13 2.4 實驗前置工作 17 2.4.1 控制環境變因 17 2.4.2 評估系統需求解析度 18 2.4.3 探頭調校 18 第三章 實驗結果 3.1 甲醇聲速量測 26 3.1.1 第一代探頭量測結果 26 3.1.2 第二代探頭量測結果 30 3.1.3 muRata探頭量測結果 39 3.1.4 第三代探頭量測結果 43 3.2 其他參數量測 45 3.2.1 頻率偏移 45 3.2.2 能量衰減 46 3.3 綜合比較分析 50 第四章 資料分析與討論 4.1 線性模型分析 52 4.2 統計軟體輔助分析 57 4.3 聲速解析度需求 61 第五章 結論與建議 64 參考文獻 6