TWI385381B

TWI385381B - 溶液之特性值的檢測方法

Info

Publication number: TWI385381B
Application number: TW97145817A
Authority: TW
Inventors: Ming Yi Yang; Chao Jen Ho; Pin Chou Li; Jiun Yi Tseng; Hsin Horng Pan
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2013-02-11
Also published as: TW201020543A

Description

溶液之特性值的檢測方法

本發明係關於一種溶液之特性值的檢測方法，特別是一種利用聲板波進行檢測溶液特性值的檢測方法。

隨著石油在工業革命之後被大量的開採，石油在全世界的蘊藏量正在急劇的減少中。隨著石油蘊藏量的減少，人類開始思考其它替代性能源的可能性。因此在未來幾年內，替代性能源的商機將出現爆發性成長。在為數眾多的替代性能源中，又以燃料電池最受矚目。燃料電池是以氫氣、甲醇或乙醇等物質做為燃料，並且藉觸媒作用使燃料與氧氣產生氧化還原反應，以將化學能轉變為電能。在這個產生電能的過程中，只會產生水及少量的二氧化碳，不會產生其它有毒物質。是以燃料電池被視為新一代的綠色能源。此外，燃料電池的另一個特徵是，只要持續供應燃料，燃料電池所產生的電力就不會中斷，是以無需充電或更換電池。因此，燃料電池比一般電池更適合長時間使用。

在甲醇燃料電池方面，依照應用系統的不同，甲醇燃料電池係在特定濃度的甲醇水溶液下才有最佳的能源轉換效率。因此，甲醇燃料電池必須具有一甲醇濃度感測器，並且依靠甲醇濃度感測器所測得的甲醇水溶液的濃度來進行甲醇的比例調控。

因此如何有效並且快速地量測甲醇水溶液濃度變成一個急需解決的問題。

鑒於以上的問題，本發明在於提供一種溶液之特性值的檢測方法，藉以解決習知技術所存在之如何快速地檢測溶液濃度的問題。

本發明所揭露的溶液之特性值的檢測方法包括以下的步驟。搜尋一樣本溶液的一特徵板波模態，其包括以下的步驟。提供一壓電板。計算該壓電板在多種板波模態下，(h/λ)所對應的多個(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{n’th mode} 值，其中V_{p(open circuit)} 為電性開路邊界條件下之相速度、V_t 為橫向波速且等於(C₄₄ /ρ)^1/2 其中C₄₄ 為壓電板橫向之彈性常數、ρ為密度、h為壓電板的厚度、λ為指叉換能器的週期、n’th mode為第n階板波模態。再者，計算該壓電板在多種板波模態下，(h/λ)所對應的多個(V_{p(short circuit)} /V_t )_{n’th mode} 值，其中V_{p(short circuit)} 為電性短路邊界條件下之相速度。計算每一板波模態之(V_{p(open circuit)} /V_t )_{n’th mode} 與(V_{p(short circuit)} /V_t )_{n’th mode} 之間的一差異值(D_{n’th mode)} 。在這些D_{n’th mode} 中挑選一差異值(D_{m’th mode} )，其中D_{m’th mode} >0，並且設定D_{m’th mode} 所對應的第m階板波模態為特徵板波模態，其中m，th mode為第m階板波模態。在確定特徵板波模態後，量測樣本溶液於特徵板波模態下，樣本溶液的特性值相對於頻率偏移量的一特性值與頻率偏移量對應關係。提供一待測溶液。將待測溶液配置於壓電板上。經由這對指叉換能器量測待測溶液的頻率偏移量，並依據所測得的待測溶液的頻率偏移量以及上述之特性值與頻率偏移量對應關係，獲得該待測溶液的特性值。

依照本發明之較佳實施例，上述特性值可以是溶液的濃度或是溫度。

依照本發明之較佳實施例，上述的D_{m’th mode} 為這些D_{n’th mode} 中的最大值。

依照本發明之較佳實施例，上述的(h/λ)＝1.67，並且壓電板的材質為切面為128°YX＋90°的鈮酸鋰(LiNbO₃ )。此外，上述的樣本溶液以及待測溶液可以為甲醇水溶液。另外，找尋D_{m’th mode} 的步驟更可以在1.5<(V_{p(open circuit)} /V_t )_{n’th mode} <2.5的區間中尋找D_{m’th mode} 。

依照本發明之較佳實施例，上述的壓電材的材質可以為鈮酸鋰(LNO)、鉭酸鋰(LiTaO₃ )、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、石英(Quatz)或是鋯鈦酸鉛(PZT)。

依照本發明之較佳實施例，上述的這對指叉換能器是配置於壓電板的一表面。

根據本發明之溶液濃度的檢測方法，本發明可以經由特徵板波模態來快速地並且準確地檢測出待測溶液的濃度。另外，當D_{m’th mode} 為這些D_{n’th mode} 中的最大值時，本發明的特徵板波模態對溶液濃度具有高靈敏度，是以本發明可以經由低精確度的儀器精確地測量出該待測溶液的濃度值。

有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。

第1圖是依據本發明一實施例之溶液特性值之感測器的剖面示意圖。第2圖是第1圖之溶液特性值之感測器的上視示意圖。請共同參照第1圖以及第2圖。溶液特性值感測器100 包括一壓電板110以及一對指叉換能器120，這對指叉換能器120位於壓電板110的一表面上。壓電板110厚度為h，並且這對指叉換能器120的週期為λ，其中壓電板110的材質可以是鈮酸鋰(LiNbO₃ )、鉭酸鋰(LiTaO₃ )、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、石英(Quatz)或是鋯鈦酸鉛(PZT)。

經由這對指叉換能器120的其中之一並且施予交流掃描頻率電訊號刺激壓電板110後，壓電板110產生一對應於輸入訊號的聲板波(acoustic plate wave)。此聲板波在壓電板110上傳送並且被另一指叉換能器120所接收並且被轉換為一輸出電訊號。

本實施例便是要在聲板波所包含的多種板波模態(acoustic plate wave mode)中找出一特徵板波模態，其中此一特徵板波模態係對配置於其上的溶液的特性值具有高靈敏度，其中此特性值可以是溶液的濃度或是溶液的溫度。如此一來，經由將一待測溶液配置於壓電板110上，並且經由量測輸出訊號中對應於特徵板波模態在負載該溶液後的輸出頻率變化，本實施例便可以經由成本低廉的設備而精準地測得此待測溶液的特性值。以下將以甲醇水溶液的濃度值作為檢測的對象，並且對檢測的方法進行舉例說明。

第3圖是依據本發明一實施例的溶液濃度的檢測方法的流程示意圖。第4圖是對應於第1圖之(壓電板的厚度/指叉換能器的週期)對(V_p /V_t )的曲線圖。第5圖是第4圖的局部放大示意圖。請共同參照第3－5圖，為了要獲得特徵板波模態，首先如步驟S10所示，提供如第1圖所示的溶液特性質感測器 100，在本實施例中其為一液體濃度感測器。之後如步驟S15所示，在壓電板110未承載任何溶液時，即壓電板110處於電性開路邊界時，計算壓電板110在多種板波模態下，(h/λ)所對應的多個(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{n’th mode} 值，其中V_{p(open circuit)} 為電性開路邊界條件下之相速度、V_t 為橫向波速且等於(C₄₄ /ρ)^1/2 其中C₄₄ 為壓電板橫向之彈性常數、ρ為密度、h為壓電板的厚度、λ為指叉換能器的週期、n’th mode為第n階板波模態。以下將以第5板波模態、第6板波模態以及第7板波模態為例，對本實施例進行說明。由第4圖可知，當壓電板110處於電性開路時並且當(h/λ)＝1時，(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{5th mode} ＝1.62、(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{6th mode} ＝1.85以及(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{7th mode} ＝2.07。

接著，如步驟S20所示，在壓電板110未承載樣本溶液，且壓電板110處於電性短路邊界時，計算壓電板110在多種板波模態下，(h/λ)所對應的多個(V_{p(short circuit)} /V_t )_{n’th mode} 值，其中V_{p(short circuit)} 的定義為電性短路邊界條件下之相速度。以下將以第5板波模態、第6板波模態以及第7板波模態為例，對本實施例進行說明。由第1圖可知，當(h/λ)＝1時，(V_{p(short circuit)} /V_t )_{5th mode} ＝1.6、(V_{p(short circuit)} /V_t )_{6th mode} ＝1.81以及(V_{p(short circuit)} /V_t )_{7th mode} ＝2。

之後，如步驟S25所示，計算每一板波模態之(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} 與(V_{p(short circuit)} /V_t )_{nth mode} 之間的一差異值(D_{nth mode} )。以下將以第5板波模態、第6板波模態以及第7板波模態為例，對本實施例進行說明。(D_{5th mode} )＝(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{5th mode} －(V_{p(short circuit)} /V_t )_{5th mode} ＝1.62－1.6＝0.02、(D_{6th mode} )＝(V_p,(open _circuit) /V_t )_{6th mode} －(V_p (_{short circuit)} /V_t )_{6th mode} ＝1.85－1.81＝0.04以及(D_{7th mode} )＝(V_{p,(open circuit)} /V_t )_{7th mode} －(V_{p(short circuit)} /V_t )_{7th mode} ＝2.07－2＝0.07。

接著如步驟S30所示，在D_{n’th mode} 中挑選一差異值(D_{m’th mode} )，並且設定D_{m’th mode} 所對應的第m階板波模態為特徵板波模態，其中D_{m’th mode} >0、D_{m’th mode} 為D_{n’th mode} 中的最大值並且m’th mode為第m階板波模態。以下將以第5板波模態、第6板波模態以及第7板波模態為例，對本實施例進行說明。在(D_{5th mode} )、(D_{6th mode} )以及(D_{7th mode} )中，最大值為(D_{7th mode} )＝0.07。是以，本實施例係以第7板波模態(即m＝7)作為特徵板波模態。基於上述，由於D_{m’th mode} 的數值越大代表著其對應的板摸模態對於濃度的變化越為敏感，是以在本實施例中，當樣本溶液是甲醇時，溶液濃度感測器的(h/λ)更可以是1.67，並且壓電板110的材質可以是切面為128°YX＋90°的鈮酸鋰(LiNbO3)，如此一來本實施例可以獲得較大的D_{mth mode} 。

再者，當樣本溶液是甲醇時，經過發明人研究後發現D_{nth mode} 的最大值通常發生在1.5<(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} <2.5的區間內。是以為了避免過多的實驗，本實施例更可以在取得(V_{p(open circuit} /V_t )_{nth mode} 值時，限制在1.5<(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} <2.5的板波模態。如此一來，本實施例可以快速的從眾多的板波模態中挑選出特徵板波模態。

然後如步驟S35所示，量測樣本溶液於特徵板波模態下，樣本溶液的濃度相對於頻率偏移量的一濃度對應關係。

之後如步驟S40所示，提供一待測溶液，其中待測溶液例如是甲醇。之後如步驟S45所示將待測溶液配置於壓電板110上。接著如步驟S50所示，經由這對指叉換能器120測得待測溶液的頻率偏移量，並依據所測得的待測溶液的頻率偏移量以及濃度對應關係，獲得待測溶液的濃度值。

上述對於甲醇水溶液濃度的檢測方法並非用以限定本發明所檢測之待測溶液之特性的種類。在本發明的其它實施例中，更可以利用類似於上述實施例所述的方法，找出對應於樣本溶液之溫度值的特徵板波模態，並且量測樣本溶液於此特徵板波模態下，樣本溶液的溫度相對於頻率偏移量的一溫度對應關係。之後，將待測溶液配置於壓電板110上。接著如步驟S50所示，經由這對指叉換能器120測得待測溶液的頻率偏移量，並依據所測得的待測溶液的頻率偏移量以及溫度對應關係，獲得待測溶液的溫度值。

上述的實施例係經由指叉換能器120並且施予交流掃描頻率電訊號刺激壓電板110，以測得待測溶液的濃度值或是溫度值。在本發明的再一實施例中，其更可以找出兩個彼此相異的一第一特徵板波模態以及一第二特徵板波模態，其中第一特徵板波模態係對溶液的濃度值敏感但是對溶液的溫度值不敏感，第二特徵板波模態係對溶液的溫度值敏感但是對溶液的濃度值不敏感。如此一來，本發明在利用交流掃描頻率電訊號刺激壓電板110時，可以經由量測待測溶液於第一特徵板波模態下的頻率偏移量以及待測溶液於第二特徵板波模態下的頻率偏移量，來同時量測出待測溶液的濃度值以及溫度值。

另外，上述的溶液的特性值的量測方法係利用溶液特性值感測器100來進行量測，換句話說，上述的實施例係利用單一對指叉換能器來進行溶液的特性值的量測。然而，上述的實施例並非用以限定本發明僅能利用單一對的指叉換能器來進行待測溶液的特性值的量測。在本發明的其它實施例中，其更可以利用兩對指叉換能器來進行溶液的特性值的量測，其中一對指叉換能器係用以發出對應於第一特徵板波模態的交流掃描頻率電訊號，而另一係發出對應於第二特徵板波模態的交流掃描頻率電訊號。由於經由兩對指叉換能器來進行溶液的特性值的量測方法類似於上述之利用單一對指叉換能器來進行溶液的特徵值的量測方法，在此便不再贅述。

根據本發明之溶液特性值的檢測方法，由於本發明所設定的特徵板波模態對於溶液的特性值具有高靈敏度，是以本發明可以經由特徵板波模態來快速地並且準確地檢測出待測溶液的特性值。另外，當本發明在取得(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} 值時，係挑選在1.5<(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} <2.5的板波模態。是以，本發明可以快速的從眾多的板波模態中挑選出特徵板波模態，並且以之作為溶液濃度檢測的依據。

另外，根據本發明之溶液特性值的檢測方法，由於本發明可以經由兩個彼此相異的特徵板波模態來同時對待測溶液的濃度值以及溫度值進行檢測，因此本發明可以有效地縮短檢測溶液特性的時間。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧溶液特性質感測器

110‧‧‧壓電板

120‧‧‧指叉換能器

第1圖是依據本發明一實施例之溶液特性值感測器的剖面示意圖；第2圖是第1圖之溶液特性值感測器的上視示意圖；第3圖是依據本發明一實施例的溶液濃度的檢測方法的流程示意圖；第4圖是對應於第1圖之(壓電板的厚度/指叉換能器的週期)對(V_p /V_t )的曲線圖；以及第5圖是第4圖的局部放大示意圖。

Claims

一種溶液之特性值的檢測方法，其步驟包括：搜尋一樣本溶液的一特徵板波模態，其步驟包括：提供一壓電板；計算該壓電板在多種板波模態下，(h/λ)所對應的多個(V_{p,(open circuit} )/V_t )_{nth mode} 值，其中V_{p(open circuit)} 的定義為電性開路邊界條件下之相速度、V_t 的定義為橫向波速且等於(C₄₄ /ρ)^1/2 其中C₄₄ 為壓電板橫向之彈性常數、ρ為密度、h為該壓電板的厚度、λ為該指叉換能器的週期、nth mode為第n階板波模態；計算該壓電板在多種板波模態下，(h/λ)所對應的多個(V_{p(short circuit)} /V_t )_{nth mode} 值，其中V_{p(short circuit)} 的定義為電性短路邊界條件下之相速度；計算每一該些板波模態之(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} 與(V_{p(short circuit)} /V_t )_{nth mode} 之間的一差異值(D_{nth mode} )；在該些D_{nth mode} 中挑選一差異值(D_{mth mode} )並且設定該D_{mth mode} 所對應的第m階板波模態為該特徵板波模態，其中該D_{mth mode} >0，並且mth mode為第m階板波模態；量測該樣本溶液於該特徵板波模態下，該樣本溶液的特性值相對於頻率偏移量的一特性值對應關係；提供一待測溶液；將該待測溶液配置於該壓電板上；以及經由該對指叉換能器測得該待測溶液的頻率偏移量，並依據所測得的該待測溶液的頻率偏移量以及該特性值對應關係，獲得該待測溶液的特性值。
如請求項1所述之溶液之特性值的檢測方法，其中該特性值為溶液之濃度。
如請求項1所述之溶液之特性值的檢測方法，其中該特性值為溶液之溫度。
如請求項1所述之溶液之特性值的檢測方法，其中D_{mth mode} 為該些D_{nth mode} 中的最大值。
如請求項1所述之溶液之特性值的檢測方法，其中(h/λ)＝1.67，並且該壓電板的材質為切面為128°YX＋90°的鈮酸鋰(LiNbO3)。
如請求項5所述之溶液之特性值的檢測方法，其中該樣本溶液以及該待測溶液為甲醇水溶液。
如請求項5所述之溶液之特性值的檢測方法，其中找尋D_{mth mode} 的步驟更包括在1.5<(V_{p(open circuit)} /V_t )_{nth mode} <2.5的區間中尋找D_{mth mode} 。
如請求項1所述之溶液之特性值的檢測方法，其中該壓電材的材質為鈮酸鋰(LNO)、鉭酸鋰(LiTaO₃ )、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、石英(Quatz)或是鋯鈦酸鉛(PZT)。
如請求項1所述之溶液之特性值的檢測方法，其中該對指叉換能器係配置於該壓電板的一表面。