CN107328822A - 土壤酸碱度的监测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明有关土壤酸碱度的监测方法及其装置,主要将插置于所植栽的土壤中的侦测装置与土壤水溶液经电解处理并产生氢气,氢气与侦测装置的反应层结合,藉氢气浓度的变化获致反应层导电度的变更,并由侦测装置上的电极探得导电度值,经无线传输协议和设备,与云端数据库中适合植栽土壤的导电度数据比对,可知土壤的酸碱度是否业经变更,以确保所植栽物在预定pH的土壤环境中生长,并采取充补措施;侦测装置,包含侦测体和收纳侦测体的护套,侦测体具有与氢气结合的反应层、可配合护套产生电解反应的电极以及导电度探测电极,土壤水溶液经电解所产生的氢气与侦测体的反应层结合后,因氢气浓度的变化所导致反应层导电度变更,可自探测电极测得导电度值。
Description
技术领域
本发明有关一种土壤酸碱度的监测方法及其装置,尤指藉氢气浓度的变化推得导电度的变更,经无线传输协议和设备,与相配合的云端数据库中适合植栽土壤的导电度数据相比对,随时确保所植栽物能在预定酸碱度的土壤环境中生长,并可随即采取充补措施。
背景技术
土壤酸碱度,通称土壤pH值,pH数学上的定义乃为氢离子浓度(Hydrogen IonConcentration,H+)的负对数值,即如式:pH=-log[H+]所示。土壤太酸或太碱都是影响作物生长,导致植栽物元素失衡,及部分病害发生的重要原因,然而不同作物间对土壤pH所需的条件也不同,因此了解作物所需的土壤pH值并调整土壤至作物所适合的状况,可使栽培植栽作物事半功倍,并节省肥料使用量。
习知的pH侦测器,不外乎玻璃、不锈钢或陶瓷等材质制成,其中又以具备良好感测特性的玻璃电极,被广泛应用于不同的pH值量测,而量测方法需涂上一层可以与氢离子化学反应的物质,利用电位分析法,建立离子活度与电动势之间的关系,通过测量原电池的电压进行pH值的量测。再者,一般pH值量测都必须有具有单独选择性的薄膜,此薄膜单独只和氢离子做氧化还原反应,藉由量测薄膜两侧的电位差,再代入能斯特方程式(NernstEquation):E=E0+R*T/n*F*2.303PH,求出溶液的pH值,惟此种量测方法是属不可逆反应法,一般的探头(不论是玻璃或金属质者)皆会因为酸或碱强度的不同,而对探头有不同程度的耗损,事实证明,在最严重的情形下,探头在量测大约一个小时后,便已失效而需报废换新。此外,中国CN104713996A曾提出另种测定土壤pH值的方法。
前述凭借电化学平衡反应式的习知pH侦测器,市售大约台币二千元以上,涂层镀膜会因为化学反应而消耗殆尽,更不能被长时间地插置在土壤中,实际使用后,每隔两周便需浸泡于标定液中,重新进行仪器校准,即便是在未加连续使用的情形下,接触土壤的测定部位灵敏度大约一年便不再值得信任,而需添购新品,以量测土壤PH值;复鉴于目前如台湾前案公开第201314636号、第201424576号、第201513785号、新型M473043、M506452以及M507039等诸多利用远程监测及控制系统来辅助绿能相关产业的日益盛行;目前已知的各类pH值的量/监测方法,实无法迅速且有效地予以运用至目前因地球暖化而蓬勃发展中的绿能相关产业。
发明内容
本发明的一种土壤酸碱度的监测方法,将侦测装置插置于所植栽的土壤中,以与土壤水溶液经电解处理而产生氢气;氢气与侦测装置的反应层相结合;藉氢气浓度的变化获致反应层导电度的变更,并由设置于侦测装置上的多个电极探得导电度值;再经由无线传输协议和设备,与相配合的云端数据库中适合植栽土壤的导电度数据相比对;可得知土壤的酸碱度是否业经变更,以随时确保所植栽物能在预定pH的土壤环境中生长,并可随即采取充补措施。
本发明的一种土壤酸碱度的监测方法,其中侦测装置与土壤水溶液经电解处理所产生的氢气越多时,土壤的酸碱度越小。
本发明的一种土壤酸碱度的监测方法,其中侦测装置包含金属氧化物或金属氢气,以与氢气结合。
本发明的一种土壤酸碱度的监测方法,其中侦测装置上的金属氧化物较佳为氧化钨、氧化锌、二氧化钛、三氧化钼或五氧化二铌,以与氢气结合。
本发明的一种土壤酸碱度的监测方法,其中侦测装置上的金属较佳为钡,以与氢气结合。
本发明的一种土壤酸碱度的监测方法,其中与土壤水溶液经电解处理而产生反应的侦测装置上设置至少四个电极,以探得导电度值。
本发明的一种土壤酸碱度的监测装置,具有侦测装置,侦测装置包含侦测体和收纳侦测体的护套,其中侦测体具有与氢气相结合的反应层、可配合护套产生电解反应的电极以及多个导电度探测电极。
本发明的一种土壤酸碱度的监测装置,具有以护套包覆侦测体的侦测装置,护套的表面周围具有多个孔洞,使土壤中的水溶液通过,且土壤水溶液经电解处理产生氢气,会与侦测体的反应层相结合,导电度值因氢气浓度变化所导致的反应层导电度变更可由侦测体上设置的多个探测电极测得。
本发明的一种土壤酸碱度的监测装置,其中侦测装置的反应层包含金属氧化物或金属,以与氢气结合。
本发明的一种土壤酸碱度的监测装置,其中侦测装置的侦测体上的金属氧化物较佳为氧化钨、氧化锌、二氧化钛、三氧化钼或五氧化二铌,以与氢气结合。
本发明的一种土壤酸碱度的监测装置,其中侦测装置的侦测体上的金属较佳为钡,以与氢气结合。
本发明的一种土壤酸碱度的监测装置,其中侦测装置的侦测体上的设置至少四个电极,以探得导电度值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明的一种土壤酸碱度的监测方法的流程图。
图2为本发明的一种侦测装置的立体分解图。
图3为应用本发明图2侦测装置的一种电路示意图。
图4为根据本发明的一种侦测装置在不同时间(T)所量测得不同酸碱度土壤水溶液的电阻值(R)。
图5为根据本发明的一种侦测装置所量测得酸碱度(pH)与电阻相关的侦测度(Sensitivity)的对应关系图。
具体实施方式
请参阅图1,本发明的一种土壤酸碱度的监测方法的流程图,主要包含下列步骤:(S1)先将侦测装置插置于所植栽的土壤中,(S2)使侦测装置与土壤水溶液经电解处理而产生氢气,(S3)氢气会与侦测装置1的反应层相结合,(S4)反应层导电度会随氢气浓度的变化而变更,(S5)由设置于侦测装置上的多个电极探得导电度值,(S6)经过任何可资应用的无线传输协议和设备,传送探测得的导电值至云端数据库,(S7)数据库中已备存有适合植栽土壤的导电度数据可资比对,(S8)进而得知土壤的酸碱度是否业经变更,以随时确保所植栽物能在预定pH的土壤环境中生长(S9)倘有需要调整土壤酸碱度时,再配合如电磁阀的控制装置进行如液肥的调整,可随即采取充补措施。
请参阅图2,本发明的一种土壤酸碱度的侦测装置的立体分解图,侦测装置1包含侦测体11和收纳侦测体11的护套12,侦测体11为耐热、耐冷且抗冲击性强的材质所制成者,本发明实施例用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile–butadiene–styrene(ABS)copolymer)制作基板111,基板111的厚度约为1mm,以布设反应层112。兹鉴于钯可以吸收自身体积900倍的氢气,氢气会进入钯的面心立方晶体结构(face-centered cubi;FCC)并占据八面体插入型位置(octahedral interstitial sites),产生Pd+H2→PdHx反应形成PdHx,本发明实施例用钯制作反应层112。同时,发明人测得使用如氧化钨、氧化锌、二氧化钛、三氧化钼或五氧化二铌等金属氧化物,亦可用于制作反应层112。
根据本发明的实施,为进行电解处理以及量测得导电度值,于基板111的主要表面上分设有电极113、114、115、116及117,其中电极113可相对应于护套12设置,以施加电压,进行电解,而电极114、115、116及117则成对设置于相邻电极113所设置的相对应侧,以施加另电压,进行导电度值的探测。
请参阅图3,其应用图2侦测装置的一种电路示意图。本发明实施例用2V施加的电场,使所植栽的土壤中水溶液,进行2H++2e-→H2反应,形成氢气,配合电极113进行电解反应的护套12,以如不锈钢的金属材质制作,护套12的表面周围具有直径约3mm的多个孔洞121,使土壤中的水溶液通过进而与反应层112接触,且反应层112不至于在侦测体11插入土壤时遭磨损。此外,本发明实施例持续供应1000μA电流,以电极114、115、116及117量测反应层112的电阻值,因PdHx为瞬时,故在上述电解停止后的几分钟内,钯反应层112内的氢分子会自然溢出,使得钯反应层112可以被重复使用用于量测土壤酸碱度。
请参阅图4,一种侦测装置在不同时间(T)所量测得不同酸碱度土壤水溶液的电阻值(R)。根据本发明的实验,钯反应层112在空气中和未通电(2V,100mA)的水中,其电阻皆为0.9Ω。当钯反应层112浸泡于pH10.3的土壤水溶液中,并经电解处理后,钯反应层112的电阻迅速上升至0.93Ω达到饱和态,停止电解处理后,钯反应层112的电阻又回复至约前述0.9Ω初态;钯反应层112处于pH10.3的土壤水溶液的状态,其分别的电阻量测值,可由图中邻近pH10.3标示下方的向下箭头(↓)及其右侧的向下箭头(↓)明显判断。同样地,可将钯反应层112分别浸泡于各种不同酸碱度的土壤水溶液中(例如图4中所示的pH7和pH3.8者),再依前揭本发明所教示的电解处理后,便可分别获致相对应各种酸碱度的电阻变化。就此,发明人实验证明,本发明土壤酸碱度的监测方法及其装置应用于酸碱度在3至11间的土壤极为真确,而酸碱度范围亦为绝大部分植栽物可能适合生长环境的pH值。
基上,本发明以电解前钯反应层112电阻Ri和电解后反应层112电阻Rf作为的侦测度参考值:Sensitivity(%)=(Rf-Ri)/Ri*100%,换言之,本发明藉由电阻的变化量(即图5纵轴所示侦测度)来量测待测液的pH值,可获致如图5所示的酸碱度与电阻绝对相关的侦测度的对应关系图。缘此,图5可以作为一种不同pH值(3~11)土壤的回归曲线参照图,存备于数据库中,用户得利用各种无线传输协议之一和设备(例如手持式行动装置者),将电极114、115、116及117一起所量测得的电阻值予以传送,俾与参照图(可储存于云端数据库中)数据相比对,即可迅速对照得知土壤的酸碱度是否业经变更,以随时确保所植栽物能在预定pH的土壤环境中生长,并可配合如电磁阀的控制装置(图中未示)进行如液肥的调整,随即采取充补措施。
以上所述仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种土壤酸碱度的监测方法,其特征在于,将侦测装置插置于所植栽的土壤中,以与土壤水溶液经电解处理而产生氢气;所述氢气与所述侦测装置的反应层相结合;藉所述氢气浓度的变化获致所述反应层导电度的变更,并由设置于所述侦测装置上的多个电极探得导电度值;再经由无线传输协议和设备,与相配合的云端数据库中适合植栽土壤的导电度数据相比对;可得知所述土壤的酸碱度是否业经变更,以随时确保所植栽物能在预定酸碱度的土壤环境中生长,并可随即采取充补措施。
2.根据权利要求1所述的土壤酸碱度的监测方法,其特征在于,所述侦测装置与土壤水溶液经电解处理所产生的氢气越多时,所述土壤的酸碱度越小。
3.根据权利要求1所述的土壤酸碱度的监测方法,其特征在于,所述设备为手持式行动装置。
4.一种土壤酸碱度的监测装置,其特征在于,具有侦测装置,所述侦测装置包含侦测体和收纳所述侦测体的护套,其中所述侦测体具有与氢气相结合的反应层、可配合所述护套产生电解反应的电极以及多个导电度探测电极。
5.一种土壤酸碱度的监测装置,其特征在于,具有以护套包覆侦测体的侦测装置,所述护套的表面周围具有多个孔洞,使土壤中的水溶液通过,且所述土壤水溶液经电解处理产生氢气,会与所述侦测体的反应层相结合,导电度值因所述氢气浓度变化所导致的所述反应层导电度变更可由所述侦测体上设置的多个个探测电极测得。
6.根据权利要求4或5所述的土壤酸碱度的监测装置,其特征在于,所述侦测装置的反应层包含金属氧化物或金属,以与氢气结合。
7.根据权利要求6所述的土壤酸碱度的监测装置,其特征在于,所述侦测装置的金属氧化物为氧化钨、氧化锌、二氧化钛、三氧化钼或五氧化二铌。
8.根据权利要求6所述的土壤酸碱度的监测装置,其特征在于,所述侦测装置的金属为钡。
9.根据权利要求4或5所述的土壤酸碱度的监测装置,其特征在于,所述侦测装置的多个电极至少为四,以探得导电度值。
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- 2017-07-04 CN CN201710538115.XA patent/CN107328822B/zh not_active Expired - Fee Related
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