TW201348698A - 可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置，尤指一種低價格、可攜帶式並且實用性高之兩種二氧化碳及二氧化硫有害氣體偵測系統之創新設計；主要係藉由包括一硬體電路偵測裝置、一可程式系統單晶片(Programmable system on chip,PSoC)及一輸出系統相對構成；藉此創新獨特設計，使本發明可發展一套低價格、可攜帶式並且實用性高之兩種二氧化碳及二氧化硫有害氣體偵測系統，並可建構對環境安全有影響之二氧化硫及二氧化碳有害氣體資料庫，及能建立一套環境安全偵測系統之平台，俾加以輔助環境安全之品質者。

Description

可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置

本發明係有關一種可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置，尤其是一種低價格、可攜帶式並且實用性高之兩種二氧化碳及二氧化硫有害氣體偵測系統之創新設計者。

泡湯在台灣已經成為一種人們都喜歡的舒緩身心的活動之一，而溫泉的形成與火山有密不可分的關係，全世界溫泉最多的地方都集中在火山及地震帶上。日本、台灣和南非，溫泉的標準溫度是攝氏25度以上；美國較低，只要泉溫達到21.1度便可稱為溫泉；歐洲各國標準則更低，只要20度以上就可以算是溫泉了。在溫泉中含有特殊礦物質成分，能促進人體免疫功能。舉例而言，溫泉中的碘和鎂具有降壓功效、鈉則對肌肉收縮有幫助效果、氫離子具有消毒作用、硫可以強化關節，加強肌肉的力量和血管彈性，減少動脈硬化、鉀和鈣能增強心臟血管功能、調節神經細胞及荷爾蒙活動等。

雖然溫泉中的硫有強化關節的功能，但是伴隨著溫度升高會產生二氧化硫氣體。由於二氧化硫是無色並且容易產生作用的氣體，在低濃度時是無臭，但是在極高濃度時卻有刺激性酸味。近年來，溫泉意外事故頻傳，多為二氧化硫中毒。主要原因都是因為人們的不注意或是警示設備的不夠而發生意外。

二氧化碳是無色的，在低濃度時為無味的，但是在較高濃度時會有酸性氣味，會造成窒息和刺激。當吸入濃度 比大氣層平常濃度高很多時，會產生酸的味道導致鼻子和喉嚨產生刺痛感。二氧化碳氣體溶解在黏膜和唾液中，產生了碳酸，這種感覺如同喝下碳酸飲料一般。當二氧化碳濃度高於5,000 ppm時，則會影響健康，如果高於50,000 ppm的濃度(相當於空氣中5%的體積)，則被認為是具有危險性的。目前在台灣，將近有四十幾座隧道，其中在北部的「雪山隧道」長度有十二點九公里長，「彭山隧道」則有三點八公里。以最鄰近彰化的的「八卦山隧道」也有四點九公里的長度，使得隧道逐漸邁入了長隧道的型態，而隧道裡的安全則是我們需要重視的問題。在隧道裡常因為視線不良，或者來車跟得太近，導致隧道裡事故頻傳。當車禍來臨時，隧道裡呈現塞車狀態，大部分車主因車輛並未熄火而導致隧道裡溫度升高，排氣管的廢氣持續排放，使得隧道裡的空氣中產生了許多種的氣體，因此使人不知不覺中吸入有害的氣體，雖然所排放之廢氣有一氧化氮、甲醇、乙苯及二氧化碳等多種。因此，對溫泉中的二氧化硫及密閉空間中的二氧化碳即時監測就顯得尤為重要。

在過去對二氧化硫濃度檢測的研究中，已經發展了許多定性定量的分析方法，有(1)電導法；(2)電量法；(3)離子色譜法；(4)分光光度法；(5)光譜吸收法；(6)紫外螢光法及(7)電化學感測器法。相關的文章也有很多，例如：“3SF CiTiceL在二氧化硫濃度檢測中的應用”，選用3SF CiTiceL傳感器做為檢測器件，檢測SO2的濃度，3SF CiTiceL感測器是一種新型的定電位電解化學氣體感測器。電化學氣體感測器是利用電解池原理．將空氣中某種化學氣體通過氧化或還原反應將濃度轉化為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應氣體的濃度；“SO2濃度檢測儀的設計”，設計了一 種利用紫外螢光檢測原理的二氧化硫濃度檢測儀。具體設計分為硬體和軟體兩部份，設計模擬程式流程圖和部分具體程式，並實現系統初始化、中斷採樣、數據顯示、歷史數據儲存、聲光通報和數據通訊工作。為了加強穩定性，還設計除去極值均值濾波的軟體，並增加設計干擾程式和看門狗程式，一起構成完整的軟體系統；“二氧化硫光譜檢測技術”，綜合紫外螢光分析檢測技術、長程吸收光譜檢測技術、雷射紅外吸收技術和搖感傅立葉變換紅外光普檢測技術的原理及在二氧化硫檢測中的應用。“多波長紫外螢光二氧化硫檢測實驗研究”在單波長二氧化硫紫外螢光檢測理論上，研究了多波長二氧化硫紫外螢光檢測理論。在理論上證明了一定濃度範圍內，多波長紫外激發有利於提高檢測靈敏度，且多波長激發的二氧化硫螢光強度與樣品濃度也成線性關係。“二氧化硫濃度檢測儀的設計”介紹了一種基於LPC2138微處理器的二氧化硫濃度檢測儀的設計與實現，分析了硬體系統組成並詳細闡述了部分具體電路，移植了嵌入式作業系統uC/OS-II，並在該系統下進行軟體設計。“高靈敏度二氧化硫光纖傳感器的研究”以奎寧為螢光試劑，通過改變傳感液膜的組成及採用非穩態測量法，研製成功高靈敏度的二氧化硫光纖傳感器，用該感測器測定葡萄酒中游離二氧化硫的含量。但是其中的環境參數無法改變及價格相當的高，例如由聯宙科技公司的100E二氧化硫分析儀，售價就高達數萬元。

而在二氧化碳濃度檢測的研究中，有幾篇討論到測量儀器的實作，2005年的“高濃度二氧化碳氣體成分檢測系統研究”，以新型奈米電子陶瓷電容型二氧化碳氣敏元件和單片機技術為核心的氣體成分在線檢測系統，單片機以 MSP430F499為核心，系統具有數據的採集、運算、儲存、顯示及發送等功能。2007年的“一種二氧化碳氣體檢測方法”，利用紅外吸收二氧化碳氣體感測器，設計二氧化碳的檢測方法，測量誤差值為3%，具有測量範圍寬、靈敏度高、響應時間快、選擇性好及抗干擾能力強。2007年的“便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器”，利用單片機AT89C52設計的紅外二氧化碳濃度檢測，兼具有警報功能的掌上型可攜式感測器，具有高精度、高穩定、可攜式與全程監控的功能。

而在實際的產品中，目前市面上的自動感測器分為好幾種，有雙光束紅外二氧化碳感測器、管道式紅外線感應器、非分散型紅外線吸收二氧化碳感測器等，但是價格偏高，尤其以廣華電子商城的TES-1370二氧化碳分析器RS232一台，要價高達新台幣12,400元(含稅)，但是在必要時無法改變其中的參數，以符合環境之需求。

是以，針對上述習知二氧化硫及二氧化碳自動感測器所存在之問題點，如何開發一套低價格、可攜帶式並且實用性高之二氧化碳及二氧化硫有害氣體偵測系統創新技術，實使用消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向；有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

即，本發明之主要目的，係在提供一種可攜帶式之偵 測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置；其所欲解決之問題點，係針對習知二氧化硫及二氧化碳自動感測器所存在之高價位及不易攜帶問題點加以改良突破；而其解決問題之技術特點，主要係藉由包括：一硬體電路偵測裝置，包含有一感測器，該感測器係用以偵測該二氧化硫及該二氧化碳兩種氣體濃度，並進一步將二氧化硫及該二氧化碳濃度轉換成二氧化硫及該二氧化碳之電壓數值；一可程式系統單晶片(Programmable system on chip,PSoC)，係電性耦接於該硬體電路偵測裝置，令該硬體電路偵測裝置之該感測器所轉換的該二氧化硫及該二氧化碳電壓數值輸入至該可程式系統單晶片中，並進一步將該二氧化硫及該二氧化碳電壓數值資料轉換處理成數據；一輸出系統，係電性耦接於該可程式系統單晶片，該輸出系統係包含一顯示器及一警示裝置；藉此創新獨特設計，使本發明可發展一套低價格、可攜帶式並且實用性高之兩種二氧化碳及二氧化硫有害氣體偵測系統，並可建構對環境安全有影響之二氧化硫及二氧化碳有害氣體資料庫，及能建立一套環境安全偵測系統之平台，俾加以輔助環境安全之品質者。

請參閱第1~7圖所示，係本發明可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置之較佳實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制，主 要係用以偵測二氧化碳(50)及二氧化硫(40)後並以顯示其濃度值之裝置，其係包括：一硬體電路偵測裝置(10)，包含有一感測器(11)，該感測器(11)係用以偵測該二氧化硫(40)及該二氧化碳(50)兩種氣體濃度，並進一步將二氧化硫(40)及該二氧化碳(50)濃度轉換成二氧化硫(40)及該二氧化碳(50)之電壓數值，如第1圖所示，其係顯示二氧化硫(40)濃度轉換成二氧化硫(40)氣體電壓數值之波形圖，而第2圖其係顯示二氧化碳(50)濃度轉換成二氧化碳(50)氣體電壓數值之波形圖；感測器(11)的電路設計如第4圖所示，分成以下幾個部份：1.電源部份：使用7805穩壓IC提供DC 5V之電源；2.感測器(11)：經由HS-135感測器(11)感應二氧化硫及二氧化碳濃度，並且轉換成電壓之數值，傳至可程式系統單晶片(20)(Programmable system on chip,PSoC)內。

一可程式系統單晶片(20)(Programmable system on chip,PSoC)，係電性耦接於該硬體電路偵測裝置(10)，令該硬體電路偵測裝置(10)之該感測器(11)所轉換的該二氧化硫(40)及該二氧化碳(50)電壓數值輸入至該可程式系統單晶片(20)中，並進一步將該二氧化硫(40)及該二氧化碳(50)電壓數值資料轉換處理成數據，其中該可程式系統單晶片(20)係植入一套灰色理論GM(1,1)數學模型，以計算及轉換該二氧化硫(40 )及該二氧化碳(50)電壓數值；承上述，灰色預測是以GM(1,1)基本模型為基礎對現有數據所進行的預測方法，實際上則是找出某一數列中間各個元素之未來動態狀況，主要的優點為所需的數據不用太多及數學基礎相當簡單。由灰色系統理論的定義，GM(1,1)模型的灰微分方程式為：

其中：i. a及b為係數。

根據GM模型的推導

(1)可以轉化成前後項的差，→x ⁽¹⁾(k+1)-x ⁽¹⁾(k)

(2)而經由逆累加運算(IAGO)，得知x ⁽¹⁾(k+1)-x ⁽¹⁾(k)=x ⁽⁰⁾(k+1)。

(3)再由背景值(t)的定義，x ⁽¹⁾(k)→0.5x ⁽¹⁾(k)+0.5x ⁽¹⁾(k-1)=z ⁽¹⁾(k)

綜合上述，可以得到GM(1,1)模型的灰差分方程式為x ⁽⁰⁾(k)+az ⁽¹⁾(k)=b (2)

亦即具有一個變數及一階變量的灰色模型即稱為GM(1,1)模型。而(2)式稱為源模型，從數學觀點而言是利用序列建立近似的微分方程式。

由前述得知GM(1,1)源模型為：x ⁽⁰⁾(k)+az ⁽¹⁾(k)=b (3)

(3)式雖然近似滿足微分方程構成條件，但畢竟不是真 正的微分方程，不能對一個時間歷程作連續的分析與預測。換言之，不能將它當作真正的微分方程式使用。因此在灰色預測中我們經常以一般微分方程取代了預測的GM(1,1)源模型x ⁽⁰⁾(k)+az ⁽¹⁾(k)=b。由於這種取代不是用數學手段溝通的並沒有數學的推導過程，而是一種白化的手段，所以我們稱為GM(1,1)源模型的白化方程模型或者影子(shadow)方程式。在G(1,1)方程式中，x ⁽¹⁾的初始值x ⁽⁰⁾(1)=x ⁽¹⁾(1)，由一般常微分方程求解方法，可以得到離散化的x ⁽¹⁾響應式為：

其中：i. x ⁽⁰⁾=(x ⁽⁰⁾(1),x ⁽⁰⁾(2),x ⁽⁰⁾(3),...,x ⁽⁰⁾(k))

ii. x ⁽¹⁾=(x ⁽¹⁾(1),x ⁽¹⁾(2),x ⁽¹⁾(3),...,x ⁽¹⁾(k))

將(4)式化簡成(5)式及(6)式，對於當k+1時，則稱為預測值。

對於GM(1,1)模型而言，首先計算GM(1,1)參數a,b的大小。對於參數a,b的計算，使用最小平方法(least square)，由x ⁽⁰⁾(k)+az ⁽¹⁾(k)=b之中，代入各個數值 x ⁽⁰⁾(2)=-az ⁽¹⁾(2)+b x ⁽⁰⁾(3)=-az ⁽¹⁾(3)+b x ⁽⁰⁾(4)=-az ⁽¹⁾(4)+b.................................x ⁽⁰⁾(n)=-az ⁽¹⁾(n)+b (7)

轉換成矩陣的方式Y=B ，而a,b的數值可以由=(B ^T B)^-1 B ^T Y求出。

其中：以上為GM(1,1)參數的求法；請參閱第3圖所示，其係本發明之系統架構圖，系統是由可程式系統單晶片(20)(Programmable system on chip,PSoC)建構出一套偵測的硬體設備，電路是由9V供應電源經由7805穩壓IC轉換成5V供應。先由感應器偵測到二氧化硫(40)及二氧化碳(50)兩種氣濃度，將濃度轉換成電壓波形後，輸入至可程式系統單晶片(20)(Programmable system on chip,PSoC)中。接著於可程式系統單晶片(20)(Programmable system on chip,PSoC)中植入GM(1,1)預測方法，計算出預測值和安全閾值，最後顯示在顯示器(31)的螢幕上及警示裝置(32)；一輸出系統(30)，係電性耦接於該可程式系統單晶片(20)，該輸出系統(30)係包含一顯示器(31)及一警示裝置(32)，而該顯示器(31)係為1 6×4的LCD，如第6圖所示，其中左邊顯示所偵測到的氣體濃度數值，右邊則顯示第一筆預測值、第二筆預測值、誤差值及安全值；另該警示裝置(32)如第7圖所示，其係為電路架構設計，該警示裝置(32)係為一套驅動保護裝置，將損害做一管控，亦能發出聲音、燈光警示該二氧化碳(50)及該二氧化硫(40)之濃度超標者；據此，俾可發展一套低價格、可攜帶式並且實用性高之兩種二氧化碳(50)及二氧化硫(40)有害氣體偵測系統，並可建構對環境安全有影響之二氧化硫(40)及二氧化碳(50)有害氣體資料庫，及能建立一套環境安全偵測系統之平台，俾加以輔助環境安全之品質者。

歸納上述的說明，藉由本發明上述結構的設計，可有效克服習式發明所面臨的缺失，進一步具有上述眾多的優點及實用價值，因此本發明為一創意極佳之發明創作，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，故本發明已符合發明專利有關『新穎性』與『進步性』的要件，乃依法提出申請。

(10)‧‧‧硬體電路偵測裝置

(11)‧‧‧感測器

(20)‧‧‧可程式系統單晶片

(30)‧‧‧輸出系統

(31)‧‧‧顯示器

(32)‧‧‧警示裝置

(40)‧‧‧二氧化硫

(50)‧‧‧二氧化碳

第1圖：係本發明感測器轉換二氧化硫氣體之電壓圖。

第2圖：係本發明感測器轉換二氧化碳氣體之電壓圖。

第3圖：係本發明之系統整體架構圖。

第4圖：係本發明之系統電路架構圖。

第5圖：係本發明可程式系統單晶片之內部結構及系統連結圖。

第6圖：係本發明顯示器之內容顯示圖。

第7圖：係本發明警示裝置之電路圖。

(10)‧‧‧硬體電路偵測裝置

(20)‧‧‧可程式系統單晶片

(30)‧‧‧輸出系統

(31)‧‧‧顯示器

(32)‧‧‧警示裝置

(40)‧‧‧二氧化硫

(50)‧‧‧二氧化碳

Claims (4)

1. 一種可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置，主要係用以偵測二氧化碳及二氧化硫後並以顯示其濃度值之裝置，其係包括：一硬體電路偵測裝置，包含有一感測器，該感測器係用以偵測該二氧化硫及該二氧化碳氣體濃度，並進一步將該二氧化硫及該二氧化碳濃度轉換成該二氧化硫及該二氧化碳之電壓數值；及一可程式系統單晶片(Programmable system on chip,PSoC)，係電性耦接於該硬體電路偵測裝置，令該硬體電路偵測裝置之該感測器所轉換的該二氧化硫及該二氧化碳電壓數值輸入至該可程式系統單晶片中，並進一步將該二氧化硫及該二氧化碳電壓數值資料轉換處理成數據；一輸出系統，係電性耦接於該可程式系統單晶片，該輸出系統係包含一顯示器及一警示裝置；據此，俾可發展一套低價格、可攜帶式並且實用性高之該二氧化碳及該二氧化硫有害氣體偵測系統者。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置，其中該可程式系統單晶片係植入一套灰色理論GM(1,1)數學模型，以計算及轉換該二氧化硫及該二氧化碳電壓數值者。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置，其中該輸出系統之該顯示器係為16×4的LCD者。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之可攜帶式之偵測二氧化碳及二氧化硫有毒氣體裝置，其中該輸出系統之該警示裝置係為一套驅動保護裝置，將損害做一管控，亦能發出聲音、燈光警示該二氧化碳及該二氧化硫之濃度超標者。