CN102564949A - 气体检测系统及气体检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种气体检测系统及气体检测方法，该气体检测系统包括气体测量装置与计算机装置。其中，气体测量装置包括腔体、至少一光源、至少一诱导器、处理器与连结端口，计算机装置包括接合端口与运算器，连结端口电性连接接合端口。腔体包括气室与至少一开口，开口使气室与外在环境连通。运算器经控制程序后输出至少一控制信号，处理器依据控制信号控制光源发出光线而使诱导器输出感测信号至处理器，处理器根据感测信号输出特性值至计算机装置。因此，计算机装置可借由控制信号的输出控制并启动气体测量装置，以进行气体检测。
Description
技术领域
本发明是关于一种气体检测系统与气体检测方法，特别关于一种可用多种方式控制并启动气体检测的气体检测系统与气体检测方法。
背景技术
近年来，随着经济快速的发展，使得人类的生活环境逐渐受到污染。但随着环保意识的抬头与人类对于生活品质要求的提升，如何有效控制人类生存环境中的有害物质成为重要的议题。
一般而言，气体检测的方法主要为分成四种方式，第一种为半导体诱导器，半导体诱导器因其耗电量高的缺点，使得半导体诱导器发展不易。第二种为生物诱导器，主要以氨气及环境臭味的检测为主，但其成本较高，使得生物诱导器很少应用于气体检测的领域。第三种为电化学诱导器，主要应用在50百万分之一(Parts Per Million，PPM)以下低浓度气体检测及特殊气体如氢氰酸(HCN)、锗烷(GeH4)、硅烷(SiH4)、硫化氢(H2S)的检测上。第四种为光学诱导器，由于不必与气体接触，可应用于远距监测。而上述所有的诱导器是将检测到的气体浓度转换成电子信号的装置。
已知检测气体的检测装置，例如：气相色谱仪(Gas Chromatography)。虽然具有高灵敏度、高准确性与低浓度检测的优点，但其价格昂贵且为体积庞大，与电子科技朝向轻薄短小的发展背道而驰。为了解决上述问题，业者提出了一种可携式气体检测装置，以提高气体检测的机动性。但上述可携式气体检测装置仍需具备有控制与运算功能的接口控制单元才可进行气体的检测，且可携式气体检测装置具有电源控制单元，使得可携式气体检测装置于制作上存在有无法降低成本与无法进一步缩小体积的问题。此外，一般的可携式气体装置是利用手动方式进行气体检测，若需增加其他不同的控制启动方式会造成可携式气体装置于制作成本上的增加，而不符合市场需求。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提供一种气体检测系统与气体检测方法，用以解决先前技术存在有无法降低成本与无法进一步缩小体积的问题。
依据本发明所提出的气体检测系统，可用以检测外在环境中的气体特性。在本实施例中，气体检测系统包括气体测量装置与计算机装置，气体测量装置包括一腔体、至少一光源、至少一诱导器、一处理器与一连结端口，计算机装置包括一接合端口与一运算器。腔体包括一气室与至少一开口，开口使气室与外在环境连通。光源与诱导器设置于腔体内，连结端口电性连接接合端口。运算器经控制程序后输出至少一控制信号，处理器根据控制信号控制光源发出光线，使诱导器产生感测信号，处理器接收并处理感测信号而输出一特性值至计算机装置。
在一实施例中，其中运算器包括一校正模块与一比较模块，校正模块接收特性值并产生一浓度值，比较模块将浓度值与一预设值进行比较而产生一结果信号。
在一实施例中，计算机装置更包括一报警器，报警器与运算器电性连接。当结果信号为危险状态时，报警器产生一声音信号。
依据本发明所提出的气体检测方法的一实施例，气体检测方法可包括：产生至少一控制信号至处理器，借由处理器控制光源发出光线，光源设置于腔体内；借由诱导器接收光线而产生感测信号，诱导器设置于腔体内且对应接收光源所发出的光线；借由处理器接收感测信号并进行处理程序而输出特性值；以及透过接合端口接收特性值并经过运算程序而产生结果信号。
在另一实施例中，当结果信号为危险状态时，借由报警器产生声音信号。
依据本发明所揭露的气体检测系统，可用以检测外在环境的气体。借由接合端口与连结端口的电性连接设计，一方面可有效利用计算机装置进行管理与控制气体检测系统的运作与气体检测的流程，另一方面可有效降低气体测量装置的制作成本。借由光源与诱导器的选择，可使气体检测系统同时检测多种气体。再者，借由报警器的设置，可提醒使用者检测的气体浓度过高，外在环境可能具有危险性。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1为依据本发明所描述的气体检测系统的一实施例电路方块示意图。
图2A为依据本发明所描述的腔体的第一实施例剖面结构示意图。
图2B为依据本发明所描述的腔体的第二实施例剖面结构示意图。
图2C为依据本发明所描述的腔体的第三实施例剖面结构示意图。
图2D为依据本发明所描述的腔体的第四实施例剖面结构示意图。
图2E为依据本发明所描述的腔体的第五实施例剖面结构示意图。
图3为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第一实施例流程示意图。
图4为依据图3的步骤606的一实施例流程示意图。
图5为依据图3的步骤608的一实施例流程示意图。
图6为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第二实施例流程示意图。
图7为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第三实施例流程示意图。
图8为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第四实施例流程示意图。
主要元件符号说明：
38按键
40容气盒
100 气体检测系统
200 气体测量装置
202、402、502 腔体
204 光源
206 诱导器
208 处理器
210 连结端口
212、404、504 气室
214、216、406、506、508 开口
218 光线
220 内表面
222 反射层
224 滤波单元
226 放大单元
228 模数转换器
300 计算机装置
302 接合端口
304 运算器
306 报警器
310 校正模块
312 比较模块
316 预设值
318 结果信号
408、510通风扇
具体实施方式
请参照图1，其为依据本发明所描述的气体检测系统的一实施例电路方块示意图。在本实施例中，气体检测系统100可用以检测外在环境中的气体特性。气体检测系统100包括气体测量装置200与计算机装置300，其中，气体测量装置200包括腔体202、光源204、诱导器206、处理器208与连结端口210。计算机装置300包括接合端口302与运算器304。计算机装置300可为但不限于笔记本电脑，也就是说，计算机装置300亦可为桌上型电脑或手持式电脑等。光源204与诱导器206设置于腔体202内，处理器208电性连接于光源204及诱导器206，连结端口210电性连接于处理器208。接合端口302与连结端口210电性连接，运算器304电性连接于接合端口302。其中，连结端口210与接合端口302皆可为但不限于通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口，但本实施例并非用以限定本发明。也就是说，连结端口210与接合端口302亦可皆为RS-232接口。
在本实施例中，光源204可为但不限于光线波长为3微米(Micrometer，μm)至5微米的红外线光源，诱导器206可为但不限于非色散红外线诱导器(NonDispersive Infrared Sensor，NDIR)，光源204的数量可为但不限于一个，诱导器206的数量可为但不限于一个，也就是说，光源204亦可为紫外线光源，诱导器206亦可为紫外线诱导器，光源204的数量可为两个，诱导器206的数量可为一个，可依据实际的需求进行调整。需注意的是，光源204所发出的光线波长需能被诱导器206所感测，且光源204的选择与外在环境中的气体有关，例如但不限于：气体检测系统100欲进行检测二氧化碳(Carbon Dioxide，CO2)时，光源204可选择为光线波长为4微米至5微米的红外线光源；气体检测系统100欲进行检测臭氧(Ozone，O3)时，光源204可选择为光线波长为30纳米(nanometer，nm)至40纳米的紫外线光源。
在本实施例中，由于光源204可为光线波长为3微米(Micrometer，μm)至5微米的红外线光源，诱导器206可为具有三滤波片(未标示)的非色散红外线诱导器(即可同时感测三种不同波长的红外线)，因此气体检测系统100可同时检测二氧化碳、一氧化碳(Carbon Monoxide，CO)与甲烷(Methane，CH4)。其中，二氧化碳的主要吸收的光线波段约为4.2微米至4.5微米，一氧化碳的主要吸收的光线波段约为4.5微米至4.8微米，甲烷的主要吸收的光线波段约为3.2微米至3.5微米。也就是说，可利用各种气体间不同的主要吸收光线波段的物理特性，使气体检测系统100可同时检测多种气体。此外，当气体检测系统100需同时检测多种气体时，光源204所发出光线218的波长范围较大，可借由光源204为可调式的光源或增加光源204数量的方式扩大光线218的波长范围。在本实施例中，诱导器206具有三感测单元(未标示)，每一感测单元包括滤光片(未标示)，光线218中可通过每一滤光片的波长与气体检测系统100所欲进行检测的气体有关。此外，为了减少气体流动的干扰，可于腔体202中设置参考气室(未标示)，诱导器206更改为具有四感测单元(未标示)的非色散红外线诱导器。更详细地说，当气体量测装置200进行气体量测时，光源204所发出的光线218可同时经过气室212与参考气室而分别入射至诱导器206所具有的四感测单元，其中，光线218经过参考气室而被四感测单元之一所感测出来的信号可用以修正其他三感测单元所感测出来的信号(即光线218经过气室212而被三感测单元所感测出来的信号)，以减少因气体流动的干扰所产生的误差。
请参照图2A，其为依据本发明所描述的腔体的第一实施例剖面结构示意图。腔体202包括气室212与开口214、216，开口214、216使气室212与外在环境连通，且开口214、216分别配置于腔体202的相对二侧边。光源204与诱导器206分别配置于腔体202两末端，使得诱导器206可对应接收光源204所发出的光线218。此外，为了增加诱导器206的灵敏度，可于腔体202的内表面220涂布反射层222，反射层222可将入射于反射层222的光线218反射并引导光线218入射诱导器206，以增加诱导器206所接收的光强度。在本实施例中，开口的数量可为但不限于两个，也就是说，开口的数量亦可为一个，实际开口的数量可依据实际需求进行调整。举例而言，请参照图2B，其为依据本发明所描述的腔体的第二实施例剖面结构示意图。腔体402包括气室404、开口406与通风扇408，开口406使气室404与外在环境连通，通风扇408设置于开口406，通风扇408可用以将外在环境的气体抽进与排出气室404。
除此之外，请参照图2C，其为依据本发明所描述的腔体的第三实施例剖面结构示意图。腔体502包括气室504、开口506、开口508与通风扇510，开口506、508使气室504与外在环境连通。在本实施例中，开口506、508可分别配置于腔体502的同一侧边，通风扇510可设置于开口506以将外在环境的气体抽进气室504，但本实施例并非用以限定本发明。也就是说，开口506、508可分别配置于腔体502的相对二侧边，通风扇510可设置于开口506以将外在环境的气体排出气室504(请参照图2D，其为依据本发明所描述的腔体的第四实施例剖面结构示意图)。
上述实施例中的气体检测系统100用以检测可流进气室内部与流出气室外部的外在环境的气体，但上述实施例并非用以限定本发明。也就是说，气体检测系统100亦可用以检测容气盒40内的气体。请参照图2E，其为依据本发明所描述的腔体的第五实施例剖面结构示意图。在本实施例中，可先容气盒40装入欲检测的气体，且气体不会自容气盒40流出。接着，将容气盒40借由开口214置入腔体202中，需注意的是，容气盒40可为但不限于透光材料，且容气盒40置入腔体202后外在环境的气体不能进入气室212内，以避免外在环境的气体影响容气盒40内气体的检测结果。
接着，请参照图1，处理器208更可包括滤波单元224、放大单元226与模数转换器228，滤波单元224可与诱导器206电性连接，放大单元226可电性连接滤波单元224与模数转换器228，模数转换器228可电性连接连结端口210，但本实施例并非用以限定本发明，实际的电性连接关系可依据需求进行调整。计算机装置300更可包括报警器306，报警器306电性连接运算器304。运算器304包括校正模块310与比较模块312，校正模块310电性连接比较模块312与接合端口302，比较模块312与报警器306电性连接。关于滤波单元224、放大单元226、模数转换器228、报警器306、校正模块310与比较模块312的作动关系与功能请容后详述。
请参照图2A与图3，图3为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第一实施例流程示意图。在本实施例中，气体检测方法包括：
步骤602：产生至少一控制信号至处理器，借由处理器控制光源发出光线，光源设置于腔体内；
步骤604：借由诱导器接收光线而产生感测信号，诱导器设置于腔体内且对应接收光源所发出的光线；
步骤606：借由处理器接收感测信号并进行处理程序而输出特性值；以及
步骤608：透过接合端口接收特性值并经过运算程序而产生结果信号。
在执行步骤602前，由于开口214、216可使气室212与外在环境连通，进而使气室212具有外在环境的气体，也就是说，在执行步骤602前需确定气室212是否具有外在环境的气体，以进行气体检测。接着，在步骤602中，处理器208可借由接收运算器304经控制程序所产生的至少一控制信号(未标示)控制光源204发出光线218，其中，控制信号可为脉冲信号，光线218可为脉冲光，但本实施例并非用以限定本发明。控制程序可为但不限于使用者借由人机接口操作气体测装置200的驱动程序或应用软件。也就是说，控制程序亦可为借由计算机装置300所具有的时间模块产生控制信号，以预设每隔一特定时间进行气体检测(即定时监控与检测外在环境的气体)。换句话说，控制程序亦可借由计算机装置300所包括的按键38被致动而产生控制信号(即使用者需要进行监控与检测外在环境的气体时才进行气体检测)，可依据实际需求进行调整。此外，当光源204为可调式光源或光源204的数量不只一个时，亦可借由控制程序相对应输出的所需的控制信号，以控制不同波长光线的射出。
在步骤604中，计算机装置300可借由诱导器206相对应接收光线218而产生感测信号(未标示)。在本实施例中，气体检测系统100可同时检测二氧化碳、一氧化碳与甲烷，使得感测信号的数量有三个，分别为外在环境的气体中二氧化碳、一氧化碳与甲烷吸收光线218中特定波长的能量所产生的三种不同信号。其中，感测信号的强弱与外在环境的气体中二氧化碳、一氧化碳与甲烷所存在的浓度有关，当外在环境的气体中二氧化碳、一氧化碳与甲烷所存在的浓度越高时，二氧化碳、一氧化碳与甲烷吸收光线218中特定波长的能量越多，进而使感测信号的强度越小。
请参照图4，其为依据图3的步骤606的一实施例流程示意图。其中处理程序包括：
步骤702：接收并滤除感测信号中的噪声；
步骤704：放大滤除噪声的感测信号；以及
步骤706：转换被放大且滤除噪声的感测信号为特性值。
也就是说，处理程序是借由处理器208中的滤波单元224滤除感测信号中的噪声(即步骤702)。接着，借由放大单元226放大经过滤波单元224的感测信号(即步骤704)。最后，借由模数转换器228将经过滤波单元224与放大单元226的感测信号转换成特性值(未标示)(即步骤706)，需注意的是，在本实施例中，特性值的数量有三个(因为感测信号的数量有三个)。
请参照图5，其为依据图3的步骤608的一实施例流程示意图。其中运算程序包括：
步骤802：校正特性值并产生浓度值；以及
步骤804：比较浓度值与预设值而产生结果信号。
也就是说，运算程序是借由校正模块310将特性值进行校正误差而产生浓度值314(即步骤802)，在本实施例中，浓度值314的数量为三个。接着，借由比较模块312将浓度值314与预设值316进行比较而获得结果信号318(即步骤804)，预设值316可为但不限于人体可接受的相关气体浓度，例如但不限于：二氧化碳的浓度范围可为1000百万分之一(Parts Per Million，PPM)，一氧化碳的浓度范围可为80百万分之一以下，甲烷的浓度范围可为2500百万分之一以下。
其中，当浓度值314小于或等于预设值316时，结果信号318为安全状态；当浓度值314大于预设值316时，结果信号318为危险状态。在本实施例中，当结果信号318为危险状态时，与运算器304电性连接的报警器306会产生声音信号(未标示)，以提醒使用者外在环境的气体某一种成份的气体的浓度太高。此外，报警器306所产生声音信号亦可设计成不同种类的气体超过其预设值所发出的声音频率不同，以便使用者利用听觉即可知道是哪一种气体的浓度值太高，但本实施例并非用以限定本发明。
举例而言，气体检测系统100亦可包括信息发送模块(未标示)，当结果信号318为危险状态时，信息发送模块可将浓度值314与相关信息(例如但不限于避难通知)以简讯或电子邮件的型态发送给需要知道的人。换句话说，气体检测系统100亦可包括强制模块(未标示)，当结果信号318为危险状态时，强制关闭计算机装置300或使计算机装置300进入休眠状态，以强制使用者离开气体检测系统100所配置的位置。
在本实施例中，计算机装置300亦可包括显示单元(未标示)，显示单元可用以显示校正模块310所输出的浓度值314，让使用者可掌握与管理浓度值314。此外，计算机装置300更可包括存储单元(未标示)，存储单元可用以储存校正模块310所输出的浓度值314，让使用者可计算每一段时间的平均浓度值或累计浓度值。
请参照图2B与图6，图6为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第二实施例流程示意图。在本实施例中，气体检测方法除了上述的第一实施例外，在执行完步骤602之前，需产生第一驱动信号至处理器，借由处理器驱动通风扇并控制通风扇的转速与转动时间(即步骤902)；以及执行完步骤604之后，需产生第二驱动信号至处理器，借由处理器驱动通风扇并控制通风扇的转速与转动时间(即步骤904)。
在步骤902中，第一驱动信号229是由运算器304经控制程序所产生，可使得处理器208接收第一驱动信号229后驱动并控制通风扇408进行抽气(将外在环境的气体抽进气室404)，且第一驱动信号229可用以控制通风扇408的转速与转动时间。需注意的是，通风扇408的转速与转动时间与外在环境的气体的物理特性有关，例如但不限于分子量或扩散速度。
在步骤904中，第二驱动信号231是由运算器304经控制程序所产生，可使得处理器208接收第二驱动信号231后驱动并控制通风扇408进行排气(将气室404内的气体抽出气室404外)，且第二驱动信号231可用以控制通风扇的转速与转动时间。需注意的是，通风扇408的转速与转动时间与外在环境的气体的物理特性有关，例如但不限于分子量或扩散速度。
请参照图2C与图7，图7为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第三实施例流程示意图。在本实施例中，由于腔体502所包括的通风扇510仅用以抽气(将外在环境的气体抽进气室504)，所以本实施例的气体检测方法与上述第二实施例的差异在于不包括步骤904。气室504内的气体可借由开口508流出气室504外。
请参照图2D与图8，图8为依据本发明所描述的气体检测方法应用于气体检测系统的第四实施例流程示意图。在本实施例中，由于腔体502所包括的通风扇510仅用以排气(将气室504内的气体抽出气室504外)，所以本实施例的气体检测方法与上述第二实施例的差异在于不包括步骤902。外在环境的气体可借由开口508流进气室504。
依据本发明所描述的气体检测系统，可用以检测外在环境的气体或容气盒内的气体。借由通风扇的设计，可加速外在环境气体流进或流出气室，进而缩短检测时间。借由反射层的设计，可增加诱导器所接收的光强度，进而提高诱导器的灵敏度。借由运算器经控制程序所产生的控制信号、第一驱动信调二驱动信号，有效的控制气体检测的流程与气体检测的时间。借由光源所发出的光线为脉冲光，一方面可使光源的使用寿命延长且省电，另一方面可让光线于非检测的时间被完全吸收。借由计算机装置所具有的时间模块，使气体检测系统可定时检测气体。借由计算机装置所具有的按键，使气体检测系统可随时进行检测气体。借由光源与诱导器的选择，可使气体检测系统同时检测多种气体。借由报警器的设置，可提醒使用者检测的气体浓度过高，外在环境可能具有危险性。再者，气体检测系统可借由运算器与存储单元让使用者管理外在环境于一段时间内各种检测气体的平均浓度与累计浓度。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (15)
1.一种气体检测系统，用以检测一外在环境中的一气体特性，该气体检测系统包括一计算机装置和一气体测量装置，其中：
该计算机装置，包括：
一接合端口；以及
一运算器，电性连接于该接合端口，该运算器经一控制程序后输出至少一控制信号；
该气体测量装置，包括：
一腔体，包括一气室与至少一开口，该开口使该气室与该外在环境连通；
至少一光源，设置于该腔体内；
至少一诱导器，设置于该腔体内且对应接收该光源所发出的一光线；
一连结端口，与该接合端口电性连接；以及
一处理器，电性连接于该光源、该诱导器与该连结端口，并根据该控制信号控制该光源发出该光线，使该诱导器产生一感测信号，该处理器接收并处理该感测信号而输出一特性值至该计算机装置。
2.如权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，该腔体的一内表面涂布一反射层。
3.如权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，该气体测量装置更包括一通风扇，该通风扇设置于该开口。
4.如权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，该处理器利用一第一驱动信号与一第二驱动信号控制该通风扇的一转速与一转动时间，该转速及该转动时间与该气体特性有关。
5.如权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，该处理器更包括一滤波单元、一放大单元与一模数转换器，该诱导器接收该光线后产生一感测信号，该滤波单元用以过滤该感测信号的一噪声，该放大单元用以放大滤除该噪声的该感测信号，该模数转换器将被放大且滤除该噪声的该感测信号转换成该特性值。
6.如权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，该运算器包括一校正模块与一比较模块，该校正模块接收该特性值并产生一浓度值，该比较模块将该浓度值与一预设值进行比较而产生一结果信号。
7.如权利要求6所述的气体检测系统，其特征在于，当该浓度值小于或等于该预设值时，该结果信号为一安全状态；当该浓度值大于该预设值时，该结果信号为一危险状态。
8.如权利要求7所述的气体检测系统，其特征在于，该计算机装置更包括一报警器，该报警器与该运算器电性连接，当该结果信号为该危险状态时，该报警器产生一声音信号。
9.一种气体检测方法，包括：
产生至少一控制信号至一处理器，借由该处理器控制一光源发出一光线，该光源设置于一腔体内；
借由一诱导器接收该光线而产生一感测信号，该诱导器设置于该腔体内且对应接收该光源所发出的该光线；
借由该处理器接收该感测信号并进行一处理程序而输出一特性值；以及
透过一接合端口接收该特性值并经过一运算程序而产生一结果信号。
10.如权利要求9所述的气体检测方法，其特征在于，在产生该控制信号至该处理器的步骤前，产生一第一驱动信号至该处理器，借由该处理器驱动一通风扇并控制该通风扇的一转速与一转动时间，该转速及该转动时间与一气体特性有关。
11.如权利要求10所述的气体检测方法，其特征在于，在借由该诱导器接收该光线而产生该感测信号的步骤后，产生一第二驱动信号至该处理器，借由该处理器驱动该通风扇并控制该通风扇的该转速与该转动时间，该转速及该转动时间与该气体特性有关。
12.如权利要求9所述的气体检测方法，其特征在于，在借由该诱导器接收该光线而产生该感测信号的步骤后，产生一第二驱动信号至该处理器，借由该处理器驱动一通风扇并控制该通风扇的一转速与一转动时间，该转速及该转动时间与一气体特性有关。
13.如权利要求9所述的气体检测方法，其特征在于，该处理程序包括：
接收并滤除该感测信号中的一噪声；
放大滤除该噪声的该感测信号；以及
转换被放大且滤除该噪声的该感测信号为该特性值。
14.如权利要求9所述的气体检测方法，其特征在于，该运算程序包括：
校正该特性值并产生一浓度值；以及
比较该浓度值与一预设值而产生该结果信号。
15.如权利要求9所述的气体检测方法，其特征在于，在透过该接合端口接收该特性值并产生该结果信号的步骤后包括：当该结果信号为一危险状态时，借由一报警器产生一声音信号。
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