Design and Fabrication of Low-Cost Sensor of Dissolved Oxygen

在水產養殖的過程中，常因多種因素影響，造成池水發生缺氧現象，導致魚類死亡。有鑑於國內使用之溶氧感測器均仰賴國外進口，僅感測頭部份的單價約需0.5~2萬元間，因此建立一個養殖空間之監測系統，單在購買溶氧感測器的費用即為一龐大支出。本研究利用溶氧感測器的低造價設計與組裝，發展簡易自製溶氧感測器系統。 本研究以伽瓦尼電池（Galvanic cell）原理之電氣化學反應作為感測器設計的基礎，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，以計量水中的溶氧量。本研究自製溶氧感測器使用的金屬材料以銀、鋅電極組合，透氣膜採用PE保鮮膜，電解液使用KCl(aq)，感測器外殼為市售塑膠殼，以一般電線作為電流導線等組合而成。探討溶氧感測器之電流導線長度、電解液濃度、電解液容量等設計變因，對感測器的靈敏度與老化速度等影響。得知電流導線長度在15m內不影響反應結果；感測器之電解液填充17cc的1M KCl(aq)，電壓訊號至少在四個月內可呈穩定反應。製作一個感測系統的材料成本約為350元。The process of aquaculture is frequently affected by many factors, that cause oxygen deficit phenomena in the water and lead to death of fish . Since the dissolved oxygen sensor remain high in price, it would cost substantial expenditure to establish a monitoring system for cultivation .Therefore, this research utilizes low cost sensor design and assembly to develop simple and self-operated oxygen dissolving detecting system. The foundation of developing the economical sensor is adoping Galvanic cell. The voltage magnitude and the dissolved oxygen is correlated according to oxidation-reduction reaction. The dissolved oxygen sensor is composed of Ag + Zn electrode, P.E. membrane, KCl solution, plastic shell, and wires. The sensitivity and aging speed of the detecting device may be influenced by several factors, including wire length, electrolyte concentration, the capacity of electrolyte, and so on. It is concluded that the wire length below 15 meters has no influence reaction results ; the electrolyte of 1M KCL (aq) in the sensor with the volume of 17c.c. reached its full efficiency, and the voltage signal would provide stable response over four months. The total cost to fabricate a dissolved oxygen sensor is kept under NT$ 350.誌謝…………………………………………………………………… i 中文摘要……………………………………………………………… ii Abstract………………………………………………………………iii 目錄…………………………………………………………………… iv 表目錄……………………………………………………………… viii 圖目錄…………………………………………………………………ix 第一章、 緒論………………………………………………………… 1 1.1、前言……………………………………………………………… 1 1.2、研究目的………………………………………………………… 2 1.3、研究架構………………………………………………………… 3 第二章、文獻回顧…………………………………………………… 5 2.1、溶氧的重要性…………………………………………………… 5 2.1.1溶氧……………………………………………………………… 5 2.1.2溶氧對養殖生物的重要性……………………………………… 6 2.2、水中溶氧的測定方法…………………………………………… 7 2.2.1化學方法………………………………………………………… 7 2.2.2電化學方法……………………………………………………… 9 2.2.3光學式溶氧感測器…………………………………………… 10 2.3、感測器簡介…………………………………………………… 11 2.3.1感測器的定義與特性………………………………………… 11 2.3.2感測器的選擇………………………………………………… 12 2.4、溶氧感測器設計……………………………………………… 13 2.4.1感測原理…………………………………………………………13 2.4.2自製溶氧感測器設計考量因素……………………………… 16 2.4.3自製溶氧感測器相關材料…………………………………… 18 2.4.3.1電極材料………………………………………………… 18 2.4.3.2電解液…………………………………………………… 20 2.4.3.3電流導線………………………………………………… 21 2.4.4電氣化學反應………………………………………………… 22 2.5、溶氧顯示系統………………………………………………… 24 2.5.1工業儀表的功能…………………………………………… 24 2.5.2七段數字顯示器…………………………………………… 25 第三章、實驗設備及方法…………………………………………… 26 3.1、實驗設備及材料製作………………………………………… 26 3.1.1感測器製作材料……………………………………………… 26 3.1.2感測器製作步驟……………………………………………… 27 3.1.3儀器設備及材料…………………………………………… 30 3.2、實驗方法……………………………………………………… 33 3.2.1增氧與耗氧檢量線之差異………………………………………33 3.2.2感測器設計因子改變試驗………………………………………35 3.2.3更換透氣膜與補充電解液對感測器的影響試驗………………37 3.2.4感測器老化試驗…………………………………………………38 3.3、溶氧感測及顯示系統設計…………………………………… 39 第四章、結果與討論………………………………………………… 41 4.1、增氧與耗氧檢量線之差異………………………………………41 4.2、電流導線長度改變…………………………………………… 44 4.3、電解液濃度的影響…………………………………………… 47 4.4、電解液容量的影響…………………………………………… 49 4.5、更換透氣膜與補充電解液對感測器的影響………………… 51 4.6、感測器老化反應……………………………………………… 54 4.6.1感測器量测飽和水與空氣的訊號差異…………………………54 4.6.2感測器保存環境的影響…………………………………………58 4.6.3感測器電解液濃度變化與老化速度的關係……………………60 4.6.4感測器電解液容量多寡與老化速度的關係……………………61 4.7、自製溶氧感測系統最佳設計與經濟性……………………… 62 第五章、 結論與建議……………………………………………… 65 5.1、結論…………………………………………………………… 65 5.2、建議…………………………………………………………… 67 參考文獻……………………………………………………………… 68 附錄一：不同水溫、鹽度下之飽和溶氧量之關係表……………… 71 附錄二：增氧、降氧與合併增氧降氧後之mv-ppm檢量線………… 72 附錄三：不同電流導線長度感測器之mv-ppm檢量線……………… 74 附錄四：不同電解液濃度之mv-ppm檢量線………………………… 75 附錄五：不同電解液容量之mv-ppm檢量線………………………… 76 附錄六：更換透氣膜後感測器之mv-ppm檢量線…………………… 77 附錄七：老化試驗結果……………………………………………… 78 附錄八：各試驗mv-ppm檢量線圖…………………………………… 82 表目錄 表2.1 市售廠牌之電流導線標準長………………………………… 22 表3.1溶氧感測器材料與規格……………………………………… 26 表3.2儀器設備表…………………………………………………… 30 表3.3 感測器試驗模組與試驗數量表……………………………… 35 表4.1 增氧、降氧與合併後的方程式在溶氧濃度100％、80％、 20％下的電壓訊號與飽和溶氧值…………………………… 42 表4.2 增氧、降氧與合併後的方程式在飽和溶氧值與溶氧濃度 100％、80％、20％環境下的偏差狀況…………………… 43 表4.3 不同電流導線長度對mv-ppm關係之相關係數與靈敏度…… 45 表4.4 不同電解液濃度對mv-ppm關係之相關係數與靈敏度……… 48 表4.5 不同電解液容量對mv-ppm關係之相關係數與靈敏度……… 50 表4.6 感測器在更換透氣膜後靈敏度的變化……………………… 52 表4.7更換透氣膜後感測器檢量線偏差百分比………………………53 表4.8自製溶氧感測器在飽和水與空氣中量测結果與比值…………57 表4.9 自製溶氧感測系統的材料成本……………………………… 63 表4.10自製溶氧感測系統的材料成本與市售產品比較…………… 64 圖目錄 圖1.1研究架構圖 …………………………………………………… 4 圖2.1感測器之感測原理…………………………………………… 11 圖2.2電解分析用白金電極的市售品……………………………… 19 圖2.3 LED七段顯示器……………………………………………… 25 圖3.1 自製溶氧感測器示意圖………………………………………28 圖3.2 自製溶氧感測頭完成圖………………………………………29 圖3.3 溶氧感測器反應電壓與反應時間關係圖……………………29 圖3.4 智慧型感測器基本構成單元…………………………………39 圖3.5 市售LCD溫度計……………………………………………… 40 圖4.1 增氧、降氧與合併增氧降氧後之檢量線關係圖……………42 圖4.2不同電流導線長度感測器之感應電壓訊號與溶氧量關係圖…46 圖4.3不同電解液濃度之感測器感應電壓強度與溶氧量關係圖… 48 圖4.4不同電解液容量之感測器感應電壓強度與溶氧量關係圖… 50 圖4.5感測器訊號在飽和水與空氣中之比值變化………………… 55 圖4.6感測器在飽和水與空氣中訊號衰退的情形………………… 56 圖4.7電流導線腐蝕狀況…………………………………………… 56 圖4.8感測器保存在密封袋與水中訊號衰退的情況……………… 59 圖4.9自製溶氧感測器每日訊號老化速度關係圖………………… 59 圖4.10 感測器的電解液濃度對老化的影響……………………… 60 圖4.11 感測器的電解液容量對老化的影響……………………… 61 圖4.12 自製溶氧感測系統設計之示意圖………………………… 6