TWI770575B - 多功能水質感測裝置 - Google Patents

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TWI770575B
TWI770575B TW109126368A TW109126368A TWI770575B TW I770575 B TWI770575 B TW I770575B TW 109126368 A TW109126368 A TW 109126368A TW 109126368 A TW109126368 A TW 109126368A TW I770575 B TWI770575 B TW I770575B
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李思儒
蔡麗端
王榮豪
黃至聖
鄭椿霖
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種多功能水質感測裝置，其包含多功能水質感測探頭及控制模組。多功能水質感測探頭包含第一訊號電極、第一感測電極、第二訊號電極及第二感測電極。控制模組與多功能水質感測探頭連接，當控制模組輸出第一時變訊號至第一訊號電極以驅動第一訊號電極時，第一感測電極輸出第一水質訊號；當控制模組輸出第二時變訊號至第二訊號電極以驅動第二訊號電極時，第一感測電極及第二感測電極分別輸出第一水質訊號及第二水質訊號；當控制模組輸出第一時變訊號及第二時變訊號至第一訊號電極及第二訊號電極以同時驅動第一訊號電極及第二訊號電極時，第一感測電極輸出第一水質訊號。

Description

多功能水質感測裝置
本發明係有關於一種水質感測裝置，特別是一種多功能水質感測裝置。
工業區內的工廠通常會產生大量的廢水；然而，少數的不肖業者並未妥善處理這些廢水，而是將這些廢水排放到河川或其它重要的天然水體，進而污染民生用水。因此，有必要經常對民生用水進行監測。
可攜式水質感測器的原理是透過探頭內的電極進行水質量測，但由於受限於體積，可攜式水質感測器通常只能提供1-2種的水質參數量測功能，無法透過一次量測獲得多種水質參數，故應用上也受到很大的限制。
為了能夠量測多種水質參數，使用者需經常替換可攜式水質感測器的探頭，故會耗費許多時間，使用上極為不便。
根據本發明之一實施例，提出一種多功能水質感測裝置，其包含多功能水質感測探頭及控制模組。多功能水質感測探頭包含第一訊號電極、第一感測電極、第二訊號電極及第二感測電極。控制模組與多功能水質感測探頭連接，當控制模組輸出第一時變訊號至第一訊號電極以驅動第一訊號電極時， 第一感測電極輸出第一水質訊號；當控制模組輸出第二時變訊號至第二訊號電極以驅動第二訊號電極時，第一感測電極及第二感測電極分別輸出第一水質訊號及第二水質訊號；當控制模組輸出第一時變訊號及第二時變訊號至第一訊號電極及第二訊號電極以同時驅動第一訊號電極及第二訊號電極時，第一感測電極輸出第一水質訊號。
1,2:多功能水質感測裝置
11,21:多功能水質感測探頭
111A,211A:第一訊號電極
111B,211B:第二訊號電極
112A,212A:第一感測電極
112B,212B:第二感測電極
12,22:控制模組
221:訊號擷取電路
222:訊號處理電路
VA:第一時變訊號
VB:第二時變訊號
V1:第一水質訊號
V2:第二水質訊號
C:容器
L:液體樣本
T1:第一時間區間
T2:第二時間區間
T3:第三時間區間
t1:第一時間點
t2:第二時間點
t3:第三時間點
t4:第四時間點
Ca,Cb:電導值
Cc:氧化還原電位值
Cd:酸醶值
Ce:銅離子濃度值
第1圖 係為本發明之第一實施例之多功能水質感測裝置之系統架構圖。
第2圖 係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之系統架構圖。
第3圖 係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之排程機制之示意圖。
第4圖 係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之運作過程之第一示意圖。
第5圖 係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之運作過程之第二示意圖。
第6圖 係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之運作過程之第三示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之多功能水質感測裝置之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會 被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第1圖，其係為本發明之第一實施例之多功能水質感測裝置之系統架構圖。如圖所示，多功能水質感測裝置1包含多功能水質感測探頭11及控制模組12。
多功能水質感測探頭11與控制模組12連接，並包含第一訊號電極111A、第一感測電極112A、第二訊號電極111B及第二感測電極112B。其中，控制模組12輸出第一時變訊號VA至第一訊號電極111A，例如方波訊號、弦波訊號、週期性訊號及其它各種時變訊號。控制模組12輸出第二時變訊號VB至第二訊號電極111B；例如，控制模組12在一時間區間內輸出定電壓至第二訊號電極111B，在另一時間區間輸出另一定電壓至第二訊號電極111B；另外，第二訊號電極111B也可接地。另外，第一感測電極112A及第二感測電極112B可在接觸液體樣本時產生電壓訊號或電流訊號。在本實施例中，第一訊號電極111A可為金屬電極，如鉑、金；第二訊號電極111B可為含電解質之玻璃電極，如銀/氯化銀參考電極或甘汞電極或具導電材料的電極，如鉑、金；第一感測電極112A可為惰性金屬電極，如鉑、金；第二感測電極112B則可以是含離子選擇薄膜及電解質之金屬電極，如銀/氯化銀量測電極；第二感測電極112B也可以是對酸鹼值有高感度的材料製成的電極，如氧化銦錫電極。
當多功能水質感測探頭11浸入容器C中之液體樣本L時，控制模組12可分別或同時輸出第一時變訊號VA及第二時變訊號VB至第一訊號電極111A及第二訊號電極111B，並接收第一感測電極112A及第二感測電極112B的訊號。控制模組12可根據第一訊號電極111A、第二訊號電極111B、第一感測電極112A及第二感測電極112B之間電位差或電流量來計算多個水質參數。
當控制模組12輸出第一時變訊號VA至第一訊號電極111A以驅動第一訊號電極111A時，第一感測電極112A輸出第一水質訊號V1至控制模組12。然後，控制模組12則可根據第一時變訊號VA與第一水質訊號V1計算第一水質參數。在本實施例中，第一水質參數可為電導值(Electrical Conductivity，EC)。
當控制模組12輸出第二時變訊號VB至第二訊號電極111B以驅動第二訊號電極111B時，第一感測電極112A及第二感測電極112B分別輸出第一水質訊號V1及第二水質訊號V2至控制模組12。然後，控制模組12則可根據第二時變訊號VB、第一水質訊號V1及第二水質訊號V2計算第二水質參數及第三水質參數。在本實施例中，第二水質參數可為氧化還原電位值(Oxidation-Reduction Potential，ORP)，而第三水質參數可為酸醶值(pH)。
當控制模組12同時輸出第一時變訊號VA及第二時變訊號VB至第一訊號電極111A及第二訊號電極111B以同時驅動第一訊號電極111A及第二訊號電極111B時，第一感測電極112A輸出第一水質訊號V1至控制模組12。然後，控制模組12則可根據第一時變訊號VA、第二時變訊號VB及第一水質訊號V1計算第四水質參數。在本實施例中，第四水質參數可為重金屬濃度值(如汞離子、鎘離子、鉻離子、銅離子、鉛離子或鋅離子等)。
多功能水質感測裝置1還可包含顯示模組；在一實施例中，顯示模組可為液晶螢幕或其它螢幕。顯示模組可顯示電導值、氧化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值。另外，多功能水質感測裝置1還可包含無線傳輸模組，其可為藍芽模組、Wi-Fi模組或其它無線通訊模組。因此，控制模組12可透過無線傳輸模組將前述之電導值、氧化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值傳送至一電子裝置。
透過上述特殊的切換機制及電極配置，多功能水質感測裝置1可在不增加電極數量的前提下同時提供至少4種水質參數量測功能，且多功能水質感測裝置1的體積不會增加，同時使多功能水質感測裝置1的效能能夠大幅提升。
當然，上述僅為舉例，本實施例之多功能水質感測裝置1之各元件及其協同關係均可依實際需求變化，本發明並不以此為限。
值得一提的是，由於受限於體積，現有的可攜式水質感測器通常只能提供1-2種的水質感測功能，無法透過一次量測獲得多種水質參數，故應用上也受到很大的限制。相反的，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置具有多功能水質感測探頭，並可以透過特殊的切換機制使多功能水質感測探頭能提供3種以上的水質參數量測功能，使多功能水質感測裝置的效能大幅提升。
另外，為了能夠量測多種水質參數，使用者需經常替換可攜式水質感測器的探頭，故會耗費許多時間，使用上極為不便。相反的，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置能提供3種以上的水質參數量測功能，故使用者不需替換多功能水質感測裝置的探頭即可量測多種水質參數，故使用上更具效率。
此外，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置具有特殊的切換機制及電極配置，故可在不增加體積的前提下透過特殊的切換機制提供3種以上的水質參數量測功能，故能應用於可攜式水質感測裝置，應用上更為廣泛。
再者，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置的結構簡單，故可以在不大幅增加成本的前提下達到所欲達到的功效，極具有商業價值。由上述可知，本發明之實施例之多功能水質感測裝置確實可以達到無法預期之功效。
請參閱第2圖，其係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之系統架構圖。如圖所示，多功能水質感測裝置2包含多功能水質感測探頭21及控制模組22。
多功能水質感測探頭21與控制模組22連接，並包含第一訊號電極211A、第一感測電極212A、第二訊號電極211B及第二感測電極212B。其中，控制模組22輸出可分別或同時輸出第一時變訊號VA及第二時變訊號VB至第一訊號電極211A及第二訊號電極211B。同樣的，第一感測電極212A及第二感測電極212B可以在接觸液體樣本時產生電壓訊號或電流訊號。在本實施例中，第一訊號電極211A可以為金屬電極；第二訊號電極211B則可以為含電解質之玻璃電極或具導電材料的電極；第一感測電極212A可為惰性金屬電極；第二感測電極212B則可以是含離子選擇薄膜及電解質之金屬電極。
控制模組22包含訊號擷取電路221及訊號處理電路222；訊號擷取電路221與訊號處理電路222連接。
當多功能水質感測探頭21浸入容器C中之液體樣本L時，訊號擷取電路221可分別或同時輸出第一時變訊號VA及第二時變訊號VB至第一訊號電極211A及第二訊號電極211B，並接收第一感測電極212A及第二感測電極212B的訊號，且將上述訊號傳送至訊號處理電路222。訊號處理電路222可根據第一訊號電極211A、第二訊號電極211B、第一感測電極212A及第二感測電極212B之間電位差或電流量來計算多個水質參數。
當訊號擷取電路221輸出第一時變訊號VA至第一訊號電極211A以驅動第一訊號電極211A時，第一感測電極212A輸出第一水質訊號V1至訊號擷取電路221。然後，訊號擷取電路221放大第一時變訊號VA與第一水質訊號V1，間的電位差並傳送至訊號處理電路222。接下來，訊號處理電路222則可根據第一時變訊號VA與第一水質訊號V1間的電位差計算電導值Ca(第一水質參數)。然而，若液體樣本L為高濃度溶液，訊號處理電路222則可根據第一時變訊號VA與第二水質訊號V2計算電導值Cb。
當訊號擷取電路221輸出第二時變訊號VB至第二訊號電極211B以驅動第二訊號電極211B時，第一感測電極212A及第二感測電極212B分別輸出第一水質訊號V1及第二水質訊號V2至訊號擷取電路221。然後，訊號擷取電路221放大第二時變訊號VB、第一水質訊號V1及第二水質訊號V2間的電位差，並傳送至訊號處理電路222。接下來，訊號處理電路222則可根據第二時變訊號VB、第一水質訊號V1及第二水質訊號V2間的電位差計算氧化還原電位值Cc(第二水質參數)及酸醶值Cd(第三水質參數)。
當訊號擷取電路221輸出第一時變訊號VA及第二時變訊號VB至第一訊號電極211A及第二訊號電極211B以同時驅動第一訊號電極211A及第二訊號電極211B時，第一感測電極212A輸出第一水質訊號V1至訊號擷取電路221。然後，訊號擷取電路221放大第一時變訊號VA、第二時變訊號VB及第一水質訊號V1間的電位差，並傳送至訊號處理電路222。接下來，訊號處理電路222則可根據第一時變訊號VA、第二時變訊號VB及第一水質訊號V1間的電位差計算銅離子(Cu-ion)濃度值Ce(第四水質參數)。
同樣的，多功能水質感測裝置2還可包含顯示模組及無線傳輸模組。顯示模組可顯示電導值、氧化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值。控制模組22可透過無線傳輸模組將前述之電導值、氧化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值傳送至一電子裝置。
透過上述特殊的切換機制及電極配置，多功能水質感測裝置1可在不增加電極數量的前提下同時提供4種不同的量測功能，包含電導值、氧化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值。上述的設計使多功能水質感測裝置2的體積不會增加，但可使多功能水質感測裝置2的效能能夠大幅提升。
當然，上述僅為舉例，本實施例之多功能水質感測裝置2之各元件及其協同關係均可依實際需求變化，本發明並不以此為限。
請參閱第3圖、第4圖、第5圖及第6圖。第3圖係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之排程機制之示意圖；第4圖、第5圖及第6圖係為本發明之第二實施例之多功能水質感測裝置之運作過程之第一示意圖至第三示意圖。本實施例之多功能水質感測裝置2可執行排程機制以分別量測電導值、氧 化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值，並透過顯示模組顯示電導值、氧化還原電位值、酸醶值以及重金屬濃度值。
如第3圖及第4圖所示，訊號擷取電路221可在第一時間點t1及第二時間點t2之間(即第一時間區間T1)輸出第一時變訊號VA至第一訊號電極211A以驅動第一訊號電極211A，並接收第一感測電極212A的第一水質訊號V1。同時，訊號擷取電路221放大第一時變訊號VA及第一水質訊號V1間的電位差，並傳送至訊號處理電路222。接下來，訊號處理電路222則可根據第一時變訊號VA與第一水質訊號V1間的電位差計算電導值Ca，並在第一時間區間T1內透過顯示模組顯示電導值Ca。當溶液為高濃度時，訊號擷取電路221放大第一時變訊號VA及第二水質訊號V2間的電位差，並傳送至訊號處理電路222，而訊號處理電路222則可根據第一時變訊號VA與第二水質訊號V2間的電位差計算電導值Cb，並在第一時間區間T1內透過顯示模組顯示電導值Cb。
如第3圖及第5圖所示，訊號擷取電路221可以在第二時間點t2及第三時間點t3之間(即第二時間區間T2)由第一訊號電極211A切換至第二訊號電極211B，並輸出第二時變訊號VB至第二訊號電極211B以驅動第二訊號電極211B，並接收第一感測電極212A的第一水質訊號V1及第二感測電極212B的第二水質訊號V2。同時，訊號擷取電路221放大第二時變訊號VB、第一水質訊號V1及第二水質訊號V2的電位差，並傳送至訊號處理電路222。接下來，訊號處理電路222則可根據第二時變訊號VB、第一水質訊號V1及第二水質訊號V2間的電位差計算酸鹼值與氧化還原電位值Cc，並在第二時間區間T2內透過顯示模組顯示酸鹼值Cd與氧化還原電位值Cc。
最後，訊號擷取電路221可以在第三時間點t3及第四時間點t4之間(即第三時間區間T3)輸出第一時變訊號VA及第二時變訊號VB至第一訊號電極211A及第二訊號電極211B以同時驅動第一訊號電極211A及第二訊號電極211B第一感測電極212A的第一水質訊號V1。同時，訊號擷取電路221放大第一時變訊號VA、第二時變訊號VB及第一水質訊號V1間的電位差，並傳送至訊號處理電路222。接下來，訊號處理電路222則可根據第一時變訊號VA、第二時變訊號VB及第一水質訊號V1間的電位差計算銅離子濃度值Ce，並在第三時間區間T3內透過顯示模組顯示銅離子濃度值Ce。
由上述可知，本實施例之多功能水質感測裝置2還可提供特殊的排程機制，以自動切換功能水質感測探頭21的電極，並透過顯示模組依序顯示多種水質參數，故使用上更為方便。
當然，上述僅為舉例，本實施例之多功能水質感測裝置2之排程機制之運作方式均可依實際需求變化，本發明並不以此為限。
綜上所述，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置具有多功能水質感測探頭，並可透過特殊的切換機制使多功能水質感測探頭能提供3種以上的水質參數量測功能，使多功能水質感測裝置的效能大幅提升。
又，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置能提供3種以上的水質參數量測功能，故使用者不需替換多功能水質感測裝置的探頭即可量測多種水質參數，故使用上更具效率。
另外，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置具有特殊的排程機制，以自動切換功能水質感測探頭的電極，並透過顯示模組依序顯示多種水質參數，故使用上更為方便。
此外，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置具有特殊的切換機制及電極配置，故可在不增加體積的前提下透過特殊的切換機制提供3種以上的水質參數量測功能，故能應用於可攜式水質感測裝置，應用上更為廣泛。
再者，根據本發明之實施例，多功能水質感測裝置的結構簡單，故可以在不大幅增加成本的前提下達到所欲達到的功效，極具有商業價值。
可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。
1:多功能水質感測裝置
11:多功能水質感測探頭
111A:第一訊號電極
111B:第二訊號電極
112A:第一感測電極
112B:第二感測電極
12:控制模組
VA :第一時變訊號
VB :第二時變訊號
V1 :第一水質訊號
V2 :第二水質訊號
C:容器
L:液體樣本

Claims (14)

  1. 一種多功能水質感測裝置，其包含： 一多功能水質感測探頭，係包含一第一訊號電極、一第一感測電極、一第二訊號電極及一第二感測電極；以及 一控制模組，係與該多功能水質感測探頭連接； 其中，當該控制模組輸出一第一時變訊號至該第一訊號電極以驅動該第一訊號電極時，該第一感測電極輸出一第一水質訊號；當該控制模組輸出一第二時變訊號至該第二訊號電極以驅動該第二訊號電極時，該第一感測電極及該第二感測電極分別輸出該第一水質訊號及一第二水質訊號；當該控制模組輸出該第一時變訊號及該第二時變訊號至該第一訊號電極及該第二訊號電極以同時驅動該第一訊號電極及該第二訊號電極時，該第一感測電極輸出該第一水質訊號。
  2. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該控制模組根據該第一時變訊號及該第一水質訊號計算一第一水質參數，並根據該第二時變訊號、該第一水質訊號及該第二水質訊號計算一第二水質參數及一第三水質參數，再根據該第一時變訊號、該第二時變訊號及該第一水質訊號計算一第四水質參數。
  3. 如請求項2所述之多功能水質感測裝置，其中該第一水質參數為一電導值，該第二水質參數為一氧化還原電位值，該第三水質參數為一酸醶值，而該第四水質參數為一重金屬濃度值。
  4. 如請求項3所述之多功能水質感測裝置，更包含一顯示模組，該顯示模組顯示該電導值、該氧化還原電位值、該酸醶值以及該重金屬濃度值。
  5. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該控制模組包含一訊號擷取電路，該訊號擷取電路放大該第一時變訊號、該第二時變訊號、該第一水質訊號及該第二水質訊號之間的電位差。
  6. 如請求項5所述之多功能水質感測裝置，其中該訊號擷取電路切換該第一訊號電極及該第二訊號電極。
  7. 如請求項5所述之多功能水質感測裝置，其中該控制模組更包含一訊號處理電路，該訊號處理電路根據該第一時變訊號及該第一水質訊號計算一第一水質參數，並根據該第二時變訊號、該第一水質訊號及該第二水質訊號計算一第二水質參數及一第三水質參數，再根據該第一時變訊號、該第二時變訊號及該第一水質訊號計算一第四水質參數。
  8. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該第一時變訊號為一方波訊號、一弦波訊號或一週期性訊號。
  9. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該第二訊號電極接地。
  10. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該第一訊號電極為一金屬電極。
  11. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該第二訊號電極為含電解質之一玻璃電極或一具導電材料電極。
  12. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該第一感測電極為一惰性金屬電極。
  13. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該第二感測電極為含離子選擇薄膜及電解質之一金屬電極。
  14. 如請求項1所述之多功能水質感測裝置，其中該控制模組執行一排程機制，以在一第一時間區間內驅動該第一訊號電極，並於一第二時間區間內驅動該第二訊號電極，再於一第三時間區間內同時驅動該第一訊號電極及該第二訊號電極。
TW109126368A 2019-12-20 2020-08-04 多功能水質感測裝置 TWI770575B (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20020012821A1 (en) * 1994-08-25 2002-01-31 University Of Iowa Research Foundation Gradient interface magnetic composites and methods therefor
TWM565302U (zh) * 2017-11-03 2018-08-11 國立臺灣大學 一種多離子感測電極陣列試片及其感測裝置
WO2019023764A1 (pt) * 2016-08-04 2019-02-07 Fundação Universidade Federal De São Carlos Dispositivo para detecção do biomarcador adami 0 para o diagnostico da doença de alzheimer, método de aplicação do referido dispositivo, uso do dito dispositivo para diagnóstico da doemça de alzheimer, método de aplicação de elisa para diagnóstico da doença de alzheimer

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