溫度控制

溫度控制以 PT1000²⁸熱敏電阻作為傳感器，以白金為主要材料，

是極為線性的溫度傳感器，其特性為 0℃時電阻值為 1000Ω，隨溫度 上升，電阻值隨之上升，應用於訊號放大器電路當中(電路圖如下)，

因應溫度變化，產生對應的電阻變化，經由恆溫環境校正溫度對應電 壓之檢量線，得出即時溫度，以 DAQ-6211 收取 AI (Analog Input)數 據即時監測，控溫條件為 300℃恆溫。

圖 2.25 溫度控制電路圖 2.5.5 流量控制

由於 Agilent GC 6890 具有自動 shutdown 設定，意指當溫度、流 速、前壓等等條件中，若出現與設定值有明顯差異時，則會立刻停止 系統運作，以保護儀器功能正常。

在前濃縮系統中，六向閥與前濃縮管的阻力所造成進樣口(Inlet) 的額外前壓，無法被系統計算，造成進樣口壓力計算系統上的 Error，

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啟動 shutdown 機制，所以必須自行設立流量系統，同時為確保烘箱、

質譜正常運作，必須同時保持進樣口正常運作，故使用空白管柱，連 接至進樣口，另一端空接，而實驗用管柱連結至六向閥，再由傳輸管 (transfer line )導入質譜，並以質量流量計(Mass Flow Controller ,MFC) 控制流量。

圖 2.26 雙管柱設計示意圖

Waste

He N

2

45

由於濃縮管自身具有高流體阻抗，所以在採樣模式和進樣模式時，

分別要使用不同的流量推動氣體又進樣模式使用流量大於採樣模式，

所以必須使用程式控制質量流量計切換流量。

質量流量計為 7 Pin 腳控制，分別為正 15 伏特、負 15 伏特、地 線之三線電源供應，控制流量的 AO(Analog Output)、AOG(Analog Output ground )和讀取流量的 AI(Analog Input)、AIG(Analog Input ground )。其中電源供應使用 PD-2515²⁹電源供應器，訊號讀取與控 制使用 DAQ-6211 連接，實際流量以層析管柱末端以流量計測量為 主。

圖 2.27 質量流量計控制圖

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2.6 前濃縮管製備

材料部分，本篇選用實驗室常用的 Carbopack B、Carbopack X、

Carboxen 1000 三種碳吸附劑，作為前濃縮管的吸附材料，用量依序 為 3mg、3mg、2mg 填入外徑 1/16 寸的不鏽鋼管中，填料選擇與適性

Carbopack B Carbopack X Carboxen 1000

鐵

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詳細製作步驟依序如下:

(一)在外徑 1/16 吋的不鏽鋼管內填入 Carbopack B 3 mg 、 Carbopack X 3 mg 、Carboxen 1000 2 mg，吸附劑之間以少量玻璃棉隔開，兩端 再以鐵絲網固定填料。

圖 2.30 前濃縮管製作示意照片(1)

(二)以耐熱膠帶包裹不鏽鋼管，防止與線路接觸造成短路，需要完整 包覆，但盡量保持單層確保熱傳導效果良好。

圖 2.31 前濃縮管製作示意照片(2)

(三)將熱敏電阻以單芯線連接，放置不鏽鋼管中央，再以耐熱膠帶包 裹，同(二)盡量保持單層。

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圖 2.32 前濃縮管製作示意照片(3)

(四)以鎳鉻絲充當加熱絲纏繞不鏽鋼管，纏繞過程盡量使線圈緊密，

但線圈間不可接觸避免造成短路，一旦短路便無加熱效果。纏繞完成 後以三用電表確認加熱絲是否與不鏽鋼管或是熱敏電阻接觸，若有接 觸兩者間則會形成短路，需重新纏繞。

圖 2.33 前濃縮管製作示意照片(4)

(五)兩端鎖上螺帽，以便與六向閥連接，並完成前濃縮管製作。

圖 2.34 前濃縮管製作示意照片(5)

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在前濃縮管完成後，需要進行首次吹拂清掃(purge)，脫去製作過 程與原始吸附劑中，可能含有的雜質吸附，首次脫附需要較長且多組 的吹拂清掃過程，以程式控制，由於脫附過程耗時較長，為防止吸附 劑過度加熱造成受損，使用 250℃作為脫附溫度，保持 300 秒，再進 行 60 秒冷卻時間，其中一次加熱程序和一次冷卻程序為一組吹拂清 掃過程，進行 20 至 30 組，並以 GC/MS 進行一次背景測量，數據呈 現無明顯雜訊之背景基線(baseline)則認定為完全脫附，立即封口前濃 縮管，則完成首次吹拂清掃程序，可保存至下次實驗使用。

圖 2.35 purge 程式人機介面

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圖 2.36 purge 程式圖

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第三章 結果與討論

3.1

數據處理

原型機設計當中，使用 SD 卡存取類比數據，再經數據處理得到 最終圖譜，改良機將傳感器電源供應改為脈衝電源可以達到提高使用 壽命的效益，但在訊號上增加了近 3 倍的取點量，由於電路系統效能 問題，訊號的浮動會大於原始直流電供應的訊號，因此使用其他較為 合適的數據處理方法，改善雜訊問題，計算方式直接使用 Excel 表格 計算。

原始數據時間單位為毫秒，配合脈衝頻寬與 Arduino 系統效能造 成的無形延遲，一秒內會有 1 至 3 個訊號點。先將毫秒取以整數，且 依序編列同一秒內所有的電壓訊號。

圖 3.1 數據處理(1)

重新建立時間軸以秒為單位，搜尋出單位秒內所有對應的電壓訊

原始數據 取至整數秒

=ROUNDDOWN(A1,0)

排序一秒內所有訊號

=D2&COUNTIF($D$2:D2,D2)

52

53

54

3.2 供電方式對訊號的影響

當不同濃度氨氣與傳感器接觸，發生還原反應，降低半導體傳感 器的電子遷移率，造成電流下降，再透過電路轉換成電壓訊號，以 Arduino 整合板收取類比電壓，並計算電壓變化百分比(Response)公式 如下:

Response = 𝑉(𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙) − 𝑉(𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙)

𝑉(𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙) × 100%

V(initial):氨氣通入瞬間電壓值 V(final):氨氣停止通入瞬間電壓值 本篇氨氣通入時間為 30 秒

原型機的設計當中，使用 5V 直流電源當作傳感器的工作電壓，

在持續供電之下，傳感器與氣體過度反應，且受電流熱效應影響，一 定量的提升了工作溫度，造成背景電壓訊號持續大幅度的下降，Ardu- ino 整合版收取電壓的範圍再 0 至 5V，為了讓電壓保持在類比訊號的 讀取範圍內，勢必持續調整訊號放大器的電阻值以改變放大倍率，對 於連續偵測增加了一定的困擾，且在背景訊號持續下降的情況下，無 形中提供了電壓的下降變化率，造成假性的較高 Response，整體而言 也大幅度的降低的傳感器的壽命與始用性。

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Response 從原本的 30％下降到了數 10％，雖然有巨大的落差，但這 並不影響對於氣體的的偵測感度、與偵測下限，反而因為相對平穩的

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圖 3.8 脈衝電源 1000ppb 氨氣測量

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0 200 400 600 800

電壓(伏特)

時間(秒) 1000ppb

9.86％ 12.40％

57

3.3 改良機檢量線

過去原型機使用時，每一片傳感器都需要重新進行多點多次的校 正區線測量，不僅操作麻煩，往往也有製作檢量線途中已耗盡壽命的 情況，增加了原型機使的用難度。依照吸附理論 ³⁰，傳感器因該偏向 langmuir type，代表孔洞微小，故每個孔隙容納的分子數目相當有限，

所以進行吸附反應時，雖然為多層吸附，但層數不多，偏向對數曲線，

但因測量目標為低濃度範圍，以不超過飽和吸附的測量條件下，300 ppb 至 1500 ppb 範圍前後，更接近於線性曲線。

在使用多片相異的傳感器進行多點(300 ppb、500 ppb、750 ppb、

1000 ppb、1500 ppb)的多次測量後，發現傳感器之間雖有反應性的差 異，但是檢量線的斜率有相似的趨勢(圖 3.9)，於是整合數據繪製出 統一的校正區線(圖 3.10)，日後使用以固定斜率單點校正方式得到新 的校正曲線，在使用上更加快速且較不消耗傳感器的壽命，且 R²達 到 0.9938。

58

0 500 1000 1500 2000

R es po ns e( ％ )

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

R es po ns e( ％ )

conc(ppb)

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3.4 改良機性能測試 3.4.1 機台間差異

建立低成本的微型化偵測器，其中一項優勢便是可以使用多台機 台，同時進行多點即時測量，建立時間、空間、濃度的三點相關分析，

因此在建立多台儀器是，減少彼此間的差異性，便是重要的一環，越 小的差異性，資料的可信度才會越高。

本次研究製造了五台改良機，所用的零件、電路、軟體皆為相同，

電路皆是以相同設計進行手動焊接，但也因為是手動組裝，必然有一 致性上的疑慮，為了驗證，因此以同一片傳感器依序安裝至五台不同 的改良機當中，以 1000 ppb 氨氣進行反應性的測量，每台測量兩次 共 10 組數據，從結果看到(表 3-1)，即使是同一台機台，都存在的組 內差距，最大的組內差異是機台 2 的 4.37％，比起最大的組間差異 2.61％還要更高，可以得出兩項結論，其一是傳感器即使在相同濃度 下，反應性也會有些許差異，另外證明，經由實驗認定機台間的差異 可以忽略。

60 組內差異: Response 1－Response 2

組間差異:最大 Response average －最小 Response average 3.4.2 機台壽命測量

61

圖 3.11 1000ppb 氨氣壽命測試

圖 3.12 1000ppb 氨氣每小時平均 Response

以 1000 ppb 進行以 5 分 30 秒為一次的連續進樣，在首次測試便

62

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

濕度(％)

時間(秒)

63

3.5 前濃縮倍率測試

使用吸附劑的目的為增加單位體積內的目標樣品濃度，可以在低 濃度的環境中提升濃度達到分析儀器的偵測下限(LOD)。但儀器的偵 測下限還是決定於儀器的游離源與偵測器，本篇使用的是 Agilent 6890 GC/Hewlett-Packard5973 MSD，游離源為電子電離法（Electron Ionization，EI），本實驗室中儀器偵測極限受限於背景基線干擾，約 略為 10-100 picograms ，並不算太高，因此希望藉由前濃縮輔助偵測，

為測量前濃縮效果，以 3 升採樣袋配置不同濃度的 toluene 作為樣品，

64

推測藉由前濃縮管的幫助，環境中在數百 ppt 等級的有機揮發性氣體 皆有被偵測到的可能且仍能增加採樣體積上限，已經達到大多數環境 汙染所需的偵測範圍。

圖 3.14 100ppb 前濃縮管測試

圖 3.15 10ppb 前濃縮管測試

Peak High : 488384 Peak Area : 3328344

Peak High : 24849 Peak Area : 132870

Toluene

Toluene

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圖 3.16 1ppb 前濃縮管測試

圖 3.17 100ppt 前濃縮管測試

Peak High : 6224 Peak Area : 16342

Peak High : 4425 Peak Area : 10557

Toluene

Toluene

66

3.6 實地測量

按照過去的實地採樣結果，採樣地點為師大分部理學院 4 樓男廁，

按照過去認為，在晚間 6 點過後，男廁使用率會開始降低，推估濃度 平均在 300 ppb，不時會有能高於 1000 ppb 的高峰值，於是想進行再 一次的驗證，且重複多點的實驗量測。

此外加入市場的實地採集，同時進行單點採集、單點移動採集、

和前濃縮採樣比對，並對其中探討關聯性。

3.6.1 廁所採樣

針對廁所採樣，時間選擇下午 5 點至 6 點的範圍，在這範圍推估 學生會有較多顯著的活動，如吃飯、回家等等，因此可能較可看出濃 度差異。

於是於 5/9 日星期四與 5/13 星期一分別都進行一次採樣實驗，從 結果判斷濃度普遍落在 400 ppb 至 800 ppb 之間，相較過去的測量經 驗來說高上許多，於是在於其他時段再進行一次採樣，時間選擇為 5/11 星期六的中午時段，相對於上一個時段，假日相對學生數較少，

且中午外出用餐也較少人使用，可觀察到濃度明顯偏低落在 400 ppb

且中午外出用餐也較少人使用，可觀察到濃度明顯偏低落在 400 ppb

在文檔中 多點同步低濃度室內氨氣偵測系統與非冷凝式氣體濃縮進樣系統開發 (頁 55-0)