水質鹽度影響

為評估頻率域相位速度分析法對於感測器形式不同的影響，本研 究提出幾種不同型態的感測器如圖

4. 1進行

0 ppm鹽度試驗，其中同 軸感測器如圖

4.2，其外觀與其他形式感測器較不相同，使得電磁波

在內外導體之間進行傳遞，而設計此一感測器的好處為外導體可直接 形成保護罩，使得感測器在現場較不易受到雜物干擾。

圖 4.3以

70 cm-3rods感測器為例，利用頻率域相位速度分析法計 算 0 ppm純水之不同鹽度下的相位速度。由圖

4.3可發現在頻率大於

0.5GHz時，高頻有明顯雜訊。因此相位速度選取的依據是依照不同頻 率下選擇變化幅度最小的範圍，並以多次量測結果進行鹽度實驗結果 分析。假設水與泥砂之介電度以及泥砂之比重均已知狀況下，針對感 測器長度，推估 70 cm開放式感測器其走時對應之泥砂濃度變化，如

圖 4.4所示。Error bar表示單一鹽度下之量測誤差變化，而 0～600

us/cm範圍內的量測跳動範圍，即為鹽度影響之誤差範圍。

表 4. 1為各感測器進行鹽度試驗得到的誤差範圍，選定的頻率範圍即

是利用上述得到的相位速度圖，選取變化幅度較小的頻率，而儀器解 析度則是定義為儀器時間擷取解析度dt所對應之泥砂濃度，其式子如 下：

(

ss w

)

resolution dt SSC 70cm 3-rod感測器效能，當感測器長度縮短至 25cm，雖然透過擷取參 數維持約略相同之泥砂濃度感應解析度，但量測誤差有較 45cm及

在0.1~0.3GHz之間。

根據實驗結果顯示，同軸感測器的結果與 three-rods 差異不大，

而同軸感測器的外導體又可發揮保護內導體在現地不受雜物的干 擾，因此本研究將針對同軸式感測器的適用性進行進一步的探討。

依據上述鹽度試驗方法，在0 ppm純水環境下，評估不同長度同軸感 測器對於鹽度影響。本研究共製作 40cm、35cm、30cm以及 25cm的 同軸感測器進行實驗，由於含砂濃度理論解析度為取樣時距與感測器 長度之函數，若感測器長度縮短至小於 25 cm，在現有TDR儀器之取 樣時距範圍內將無法維持較佳的含砂濃度解析度，因此目前最短感測 器長度僅維持在25 cm。鹽度試驗結果顯示，不同長度的感測器雜訊 比高的頻率範圍約有不同，以 25cm為例 雜訊比高之範圍約在 1GHz 左右，如

，

圖 4.5。四種不同長度的感測器都選擇

0.2~0.3GHz的範圍進 行鹽度實驗分析，25cm為例的鹽度實驗結果如圖

4.6所示，顯示在導

電度0～600μs/cm下的實驗誤差範圍約在 2000 ppm。而根據表

4.2

顯 示不同長度的同軸感測器，鹽度實驗誤差範圍結果大約一致，可瞭解 配合同軸感測器，其長度非主要影響因子。基於上述成果，本研究選 用最短的 25cm同軸感測器，可增加空間解析度及減少現場量測受外 物干擾之影響，短的感測器亦較為堅固。而後續將選擇一組鹽度試驗 結果良好的開放式感測器及 25cm同軸式感測器進行纜線電阻影響及

不同種類的泥砂率定試驗討論頻率域相位速度分析法的影響性及感 測器的適用性。

表4. 1 各式感測器受鹽度影響誤差範圍 Error range

(ppm) 25cm open

3-rods 45cm open

2-rods 45cm open

3-rods 70cm open 3-rods

40cm Coaxial

probe 選定頻率範圍

Frequency range 0.2~0.3GHz 0.5~0.6MHz 0.1~0.2GHz 0.2~0.3GHz 0.2~0.3GHz 儀器解析度

Resolution 2806 2303 2303 2423 2728

量測誤差範圍

Deviation range 4030 27530 1648 1597 1863

誤差範圍/儀器解析 Mean Standard

Deviation

960 1176 419 543 340

表4. 2 不同長度同軸感測器受鹽度影響誤差範圍 Error range

(ppm)

40cm coaxial

probe

35cm coaxial

probe

30cm coaxial

probe

25cm coaxial

probe 選定頻率範圍

Frequency range 0.2~0.3GHz 0.2~0.3GHz 0.2~0.3GHz 0.2~0.3GHz 儀器解析度

Resolution 2468 2765 2576 3016

量測誤差範圍

Deviation range 1863 2006 2414 2087

誤差範圍/儀器解析度

Deviation/Resolution 0.75 0.72 0.93 0.69

平均量測標準偏差 Mean Standard

Deviation

340 251 464 1066

Front view Side view

45cm (5)

70cm(4)

Three rods Coaxial probe (5)

Open -end (3)

45cm Three rods

-end Open 45cm(2)

Two rods Open 25cm(1)

Three rods

Open -end - end

圖4. 1 不同形式感測器

圖 4.2 25cm 同軸感測器照片

10⁸ 10⁹ 3

3.2 3.4 3.6 3.8

4x 10⁷

Freq., Hz V

ph

, m/ s

圖4.3 70 公分感測器在不同鹽度下之相位速度

-200 0 200 400 600 800

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

EC,us/cm

ppm,error

圖4.4 70 公分感測器之鹽度實驗結果

10⁸ 10⁹

3 3.2 3.4 3.6 3.8

4x 10⁷

Freq,Hz

Vph,m/s

圖4.5 25 公分同軸感測器在不同鹽度下之相位速度

-200 0 200 400 600 800 -2000

-1000 0 1000 2000 3000

4000 Coaxial probe 25cm

EC,us/cm

ppm ,e rr or

圖 4.6 25 公分同軸感測器之鹽度實驗結果

在文檔中 時域反射頻率域相位速度分析法應用於TDR含砂濃度量測技術之改良 (頁 83-90)