TW201520548A

TW201520548A - 具預警功能之氣體濃度檢測裝置

Info

Publication number: TW201520548A
Application number: TW102143140A
Authority: TW
Inventors: Wen-Hsi Cheng
Original assignee: Univ Fooyin
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-06-01

Abstract

一種具預警功能之氣體濃度檢測裝置，適用於一揮發性有機化合物，其包含：一本體、一套管元件、一套設於該套管元件中之萃取元件、一與該萃取管相連接且用以控制該萃取管於一萃取模式與一非萃取模式間切換之控制元件、一設置於該本體末端且其一端與該本體之末端相連接，另一端可選擇性的貼合於該本體末端之表面上之夾設元件，及一與該萃取元件相連接以偵測得到一有機氣體濃度值，並據此發出一警示訊息之偵測模組；其中，該萃取元件包括：一萃取管，及一填充於該萃取管中用以吸附空氣中的揮發性有機化合物之吸附劑，且該吸附劑是顆粒型態的二乙烯基苯，當該控制元件切換至一第一限位位置時，該萃取元件切換為一萃取模式，該萃取管凸伸出該套管元件。

Description

具預警功能之氣體濃度檢測裝置

本發明是有關於一種濃度檢測裝置，特別是指一種具預警功能之氣體濃度檢測裝置。

根據中華民國81年8月24日(81)環署檢字第26926號公告NIEA A710.10T以及中華民國100年8月11日環署檢字第1000068920號公告修正為NIEA A710.11C之「空氣中氣態有機溶劑檢驗方法-以活性碳吸附之氣相層析/火焰離子化偵測法」，明確規範了空氣中氣態有機溶劑的檢測方法，其概以定流量空氣採樣泵收集於活性碳採樣管中，再以適量有機溶劑配合超音波振盪萃取，將所得有機溶劑萃取液，注入氣相層析/火焰離子化偵測器系統，測定樣品中氣態有機溶劑之含量。

進一步的說，現今用以檢驗包括氣態的丙酮(Acetone)、甲基乙基酮(MethylEthylKetone)、正己烷(n-Hexane)、氯仿(Chloroform)、苯(Benzene)、四氯化碳(CarbonTetrachloride)、環己烷(Cyclohexane)、正丁醇(n-Butanol)等等常用有機溶劑濃度的方法，大致分為以下步驟：(1)利用活性碳對所需檢測的空間中進行空氣採樣，其中，於採樣過程中，一般會利用定流量空氣採樣泵以一預設的抽取條件(包括如：泵流速設定為100mL/min 或是200mL/min，採樣時間約為100分鐘)，將空間中的空氣抽取經由活性碳保存於採樣管中；(2)然後將採樣管前段與後段所含活性碳分別取出，倒入體積1.5mL的試藥瓶中，以吸量管分別加入1.0mL的二硫化碳，超音波震盪二分鐘後靜置半小時；(3)再將試藥瓶中的萃取液注入氣相層析儀進行分析測定；及(4)最後配置適當濃度的萃取液混合於二硫化碳溶劑中，以進行各種定性分析以及定量分析。

因此，從上述的步驟來看，目前檢驗空氣中有機溶劑濃度的方法大致有下列幾個缺點：一、其檢測方式所得到的結果，其代表的僅是某一段時間內的平均濃度(例如：100分鐘內的平均濃度)，因此，若是需檢測的空間其有機溶劑濃度的變化可能會有大幅波動的情形時，其檢測所得到的濃度結果未必具有代表性，舉例來說，對於有需要使用到有機溶劑的工廠而言，隨著產品生產進入到不同階段，使用有機溶劑的時間點不一，所以，若是以先前技術的方式所檢測出一段時間內的濃度值，作為判斷工廠員工是否暴露於高危險有機溶劑濃度的空間中，其可能會產生誤判的結果；二、其檢測方式大多是採空間中定點抽取氣體，因此，其所檢測的濃度值是代表該空間中的有機溶劑平均濃度，然而，對於每一位工廠員工而言，其於生產線上所擔任的角色不同，所面對到的區域環境亦不同，該平均濃度不見得能代表每一位工廠員工的工作區域附近的有機溶劑濃度，舉例來說，利用先前技術所檢測的濃度是代表生產線中某一區間的濃度，而該區間中負責加入有機溶劑的員工與擔任其他工作的員工，其個人面對的有機溶劑濃度仍有相當程度的差異性，而現今技術使用上，礙於相關設備裝置不具有可攜式的特性，並無法提供每位員工附近的濃度值；及三、先前技術之檢驗方式需要使用如二氧化硫等化學溶劑，才得以檢測出實際的濃度值，而且其空氣採樣時用以吸附氣體活性碳，於每次檢測完後就必須更換，因此，先前技術的檢測方式往往會造成化學溶劑以及活性碳的消耗，而且並無法回收再利用，因此，對於環保意識日漸抬頭的今天而言，這無疑是相當需要改善的嚴重議題之一。

此外，現今已有相關固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)技術用以評估空氣中有機溶劑的濃度，其利用塗覆高分子吸附物質的熔融矽纖維(fused silica fiber)，吸附液體或氣體樣品中的揮發性有機溶劑，再以氣相層析儀語氣相層析質譜儀分析樣品中的化學物質之濃度，其中，塗覆在熔融矽纖維上的高分子吸附物質必須依檢測不同的化學溶劑而加以替換之。

舉例來說，如SUPELCO公司所生產的產品，能在不需化學溶劑的情況下，對固相的微量物質進行採樣、萃取、濃縮等動作，可應用於對空氣中化學溶劑濃度的檢測或分析，然而，其固相微萃取裝置的產品結構相當複雜、組裝不易，且無法隨檢測不同的化學溶劑而填充不同的檢試劑，所以其成本相當高，也無法有效擴大其應用範圍。

另一方面，現今氣體濃度感測技術大多是採用一半導體氣體感測材料以感測一特定氣體濃度，相關技術說明如下：利用一半導體氣體感測材料在偵測氣體時，電阻會產生變化。此情況主要導因於偵測可燃性氣體(例如：氫氣(H₂)及一氧化碳(CO)與吸附在半導體氧化物且帶負電荷的氧離子產生反應。吸附在感測器表面的氧離子因溫度而存在有不同的形式，一般半導體氣體感測器的操作溫度大約在300~500℃範圍。在n型半導體金屬氧化物中，這些被吸附的氧在金屬氧化物晶粒表面形成一空間電荷區域，導致電子的轉移使表面形成一電子空乏層。其反應如方程式(F.1)所示：

電子空乏層的厚度為覆蓋在晶粒表面的氧及電子濃度的函數。電子從一晶粒至另一晶粒必需穿過空乏層方可導電。在晶界由於能障的關係，n型半導體氧化物的電阻在空氣中會較高。而當n型半導體氧化物於高溫時暴露在含有還原性氣體氣體的氣氛中，被吸附的氧會隨著與還原性氣體反應逐漸被消耗。半導體氧化物表面氧離子的減少使被氧捕獲的電子重回到晶粒，此一過程導致能障高度的降低，亦即導致電阻的降低，此現象可作為半導體氣體感測器的量測參數，因此，n型半導體氣體感測器之靈敏度S可定義為：

其中R_air為感測器在空氣中的電阻；R_gas為在可燃性氣體中的電阻。前述n型半導體感測器當置於含氧化性氣體的氣氛中，如O₃及NO₂，此類氣體以化學吸附在晶粒表面，使移動電子的數目減少，感測器的電阻增加。此時，我們定義靈敏度S為：

反之，在氧化性氣體氣氛中，半導體氧化物之電阻下降則稱為p型半導體金屬氧化物。因此，決定半導體金屬氧化物為n型或p型行為完全決定於其所偵測氣體之性質而定。

自從1962年金屬半導體氧化物陶瓷氣體感測器問世以來，金屬半導體氣體感測器已經成為當今最普遍使用的氣體感測器。其工作原理是利用在高溫下，以金屬氧化物與氣體接觸所產生的電阻變化來偵測氣體濃度。此類型感測器具有成本低廉、製造簡單、高靈敏度、回應速度快、壽命長、對溼度敏感低和電路簡單等優點。缺點是必須在高溫下工作、對於氣體或氣味的選擇性差、穩定性不理想及高功率等。

而還有一種電化學式感測器可分為電流式與電位式兩種，一般常見之電化學感測器的主流技術會是以電流式為主。電化學式電流感測器的工作原理是施加一定電壓於感測電極上，當待測物移動至電極表面，會在電極表面之上經由電催化效應而發生氧化或還原反應，生成電流，通過測量電流的變化來決定待測物的濃度大小。電化學式電流感測器主要優點是具有高靈敏度、良好的選擇性、應答時間快及無須在高溫下工作。

另外一種半導體式感測器方面，主要是針對酒精及氧氣進行感測，其結合奈米薄膜比表面積大以及異質結合薄膜使電子流動的特性，提升表面電子濃度，並利用光觸媒效應，配合365nm的紫外光照射，可激發電子由價帶至導帶，再加上異質接合薄膜所產生之順向電流，促使更多電子流動，藉此提升對氣體的靈敏度。

然而，綜觀上述三種目前常見的氣體濃度感測器，其主要應用於包括二氧化碳(CO₂)、氫氣(H₂)、可燃氣體(CH₄或液化天然氣)、液化石油氣等氣體進行濃度感測，但對於包括氣態的丙酮(Acetone)、正己烷(n-Hexane)、甲基乙基酮(MethylEthylKetone)、氯仿(Chloroform)、四氯化碳(CarbonTetrachloride)、環己烷(Cyclohexane)、正丁醇(n-Butanol)、苯(Benzene)等等常用有機溶劑的濃度，目前卻無適用的氣體濃度感測技術可以應用之，所以對於大多數的工廠而言，特別是化學相關工廠，現今的氣體濃度感測技術往往無法有效避免有機溶劑氣體外洩等意外發生。

所以，對於相關人士而言，如何找到一個既環保又具有可移動性以精確檢測每一個人附近環境中的氣體有機溶劑濃度值，進而有效預防工安意外事件發生，是相當值得深思研究的議題。

因此，本發明之目的，即在提供一種具預警功能之氣體濃度檢測裝置，適用於一揮發性有機化合物，其包含：一本體；一套管元件，與該本體之一端相連接；一萃取元件，套設於該套管元件中且包括：一萃取管，套設於該套管中；及一吸附劑，以一組填充參數填充於該萃取管中用以吸附空氣中的揮發性有機化合物，而該組填充參數包括一顆粒大小參數、一顆粒標準差參數、一擴散距離參數、一填充長度參數及一粒子目參數；一控制元件，與該萃取管相連接且用以控制該萃取管於一萃取模式與一非萃取模式間切換；一夾設元件，設置於該本體末端且其一端與該本體之末端相連接，另一端可選擇性的貼合於該本體末端之表面上；及一偵測模組，與該萃取元件相連接，以偵測得到一有機氣體濃度值，並據此發出一警示訊息；其中，該吸附劑是顆粒型態的二乙烯基苯，且當該控制元件切換至一第一限位位置時，該萃取元件切換為一萃取模式，該萃取管凸伸出該套管元件。

〔本創作〕

51‧‧‧本體

510‧‧‧限位縫隙

52‧‧‧套管元件

53‧‧‧萃取元件

531‧‧‧萃取管

532‧‧‧吸附劑

54‧‧‧偵測模組

55‧‧‧控制元件

56‧‧‧偵測模組

561‧‧‧氣體感測元件

562‧‧‧處理元件

563‧‧‧警示元件

564‧‧‧電源元件

圖1是本發明之一較佳實施例之萃取模式示意圖；圖2是該較佳實施例之偵測模組之方塊圖；圖3是該較佳實施例之非萃取模式示意圖；及圖4是該較佳實施例之萃取元件示意圖。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

聯合參閱圖1、2，本發明之具預警功能之氣體濃度檢測裝置之一較佳實施例，適用於一揮發性有機化合物，其包含：一本體51、一套管元件52、一萃取元件53、一夾設元件54、一控制元件55，及一偵測模組56。

該套管元件52與該本體51之一端相連接，且該萃取元件53套設於該套管元件52中，該夾設元件54設置於該本體51之末端，而該控制元件55與該萃取元件53相連接且用以控制該萃取元件53於一萃取模式與一非萃取模式間切換。

其中，值得說明的是，該本體51之橫截面面積大於該套管元件52之橫截面面積，且該套管元件52之橫截面面積大於該萃取元件53之橫截面面積，也就是說，若該本體51、該套管元件52與該萃取元件53皆為圓柱狀時，該本體51之橫截面半徑大於該套管元件52之橫截面半徑，且該套管元件52之橫截面半徑亦大於該萃取元件53之橫截面半徑，因此本較佳實施例概略呈一筆型。

而該夾設元件54之一端與該本體51之末端相連接，另一端可選擇性的貼合於該本體51末端之表面上，也就是說，當一使用者欲配掛本較佳實施例時，可以該夾設元件54配夾於其衣領或是口袋上。

該本體51包括一穿設於該本體51表面之限位縫隙510，且該控制元件55穿設過該限位縫隙510，並且可於該限位縫隙510間滑動，以連動帶動該萃取元件53於該萃取模式與該非萃取模式間切換。聯合參閱圖1、2、3，當該控制元件55滑動至一第一限位位置時，可連動該萃取元件53凸伸出該套管元件52，以切換於該萃取模式，反之，當該控制元件55滑動至一第二限位位置時，可連動該萃取元件53內縮於該套管元件52之中，以切換於該非萃取模式。

較佳地，該控制元件55是一圓形滑動鈕，且其大小略大於該限位縫隙510之寬度，以使其可切換地於該限位縫隙510之間滑動之。

該偵測模組56與該萃取元件53連接，其包括：一氣體感測元件561、一處理元件562、一警示元件563，及一電源元件564。

該氣體感測元件561主要是由SnO₂的n-型半導體和加熱器所組成，其上裝有細孔不銹鋼網，具快速傳熱與防止氣爆之功效。感測器內部加熱器一般在200~300℃溫度，在清淨空氣時它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當吸附有機溶劑氣體時，原來吸附的氧脫離，而由有機溶劑氣體以正離子狀態吸附在金屬氧化物半導體表面；氧脫離後放出電子，有機溶劑氣體以正離子狀態吸附也要放出電子，氧化物半導體帶電子密度增加，電阻值下降使導電率上升。當恢復到清潔空氣中時，金屬氧化物半導體又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態，導電率恢復，從而檢測出氣體濃度。

該處理元件562與該氣體感測元件561耦接，以根據所檢測出有機溶劑氣體濃度值與一門檻值相比對，當該有機溶劑氣體濃度值大於該門檻值時，該處理元件562啟動該警示元件563以有效示警之，該電源元件564分別與該氣體感測元件561、該處理元件562及該警示元件563耦接，以分別供應電能。

較佳地，該偵測模組56係以一積體電路製程製作之，並以一系統單晶片(System-on-a-chip,SOC)型態呈現，以有效降低生產成本。

參閱圖4，該萃取元件53包括一萃取管531，及一吸附劑532。其中，該萃取管531與該套管元件52之一端連接，且該吸附劑532以一組填充參數填充於該萃取管531中，值得說明的是，該吸附劑532是顆粒型態的二乙烯基苯(divinylbenzene)。

該組填充參數包括一顆粒大小參數C1、一顆粒標準差參數C2、一擴散距離參數C3、一填充長度參數C4及一粒子目(partical mesh)參數C5，其中，該顆粒大小參數C1代表該吸附劑532之每一顆粒的大小，該顆粒標準差參數C2是該吸附劑532之所有顆粒大小的標準差，該擴散距離參數C3是該吸附劑532填充於該萃取管531時，與該萃取管531末端之距離長度d，該填充長度參數C4是該吸附劑532填充於該萃取管531後，於該萃取管內所顯示之長度L，最後，粒子目參數C5是指填充於該萃取管中的粒子數量。

較佳地，該顆粒參數C1是0.347毫克(mg)、該顆粒標準差參數C2是0.038mg、該擴散距離參數C3是3毫米(mm)及該填充長度參數C4是7mm，該粒子目參數C5是60~80。

值得說明的是，相較於先前技術中如SUPELCO公司所生產的SPME(solid-phase microextraction)產品，其萃取纖維容易發生斷裂的情形，在本較佳實施例中，是將吸附劑532以顆粒的型態填充於該萃取管531內，因此，該萃取管531之材質可以採用如玻璃、壓克力等剛性較佳的材質，可以使得吸附劑532不易受損而需要更換，此外，根據實驗結果指出，相較於先前技術是採用聚二甲基矽氧烷/Carboxen作為揮發性有機化合物之吸附劑，本較佳實施例採用顆粒狀的二乙烯基苯，在4小時至8小時的萃取取樣週期內，本較佳實施例對於o-二甲苯(TEX)之萃取率為28~36%，而採用聚二甲基矽氧烷/Carboxen作為吸附劑的萃取率約為24~34%，所以吸附效果相對較佳，此外，每毫克(mg)的二乙烯基苯，分別對於氣態甲苯、乙苯和o-二甲苯的最大萃取量約為5.692μg、7.669μg及5.199μg，針對氣態苯系物(BTEX)的取樣，聚二甲基矽氧烷固相微萃取(PDMS-SPME)纖維均大大低於本較佳實施例之取樣效率。

此外，根據一般剛進行裝潢粉刷後的空屋，分使用四組活性碳為吸附劑的木炭管，以及四組本較佳實施例分別進行取樣(其中，每一組取樣時間為8小時，取樣量為8公升)，以監測屋內苯系物濃度之實驗，其結果分別為0.21、0.13、0.07和0.02ng/mL，以及為0.22、0.14、0.08和0.02ng/mL，由實驗結果可知，本較佳實施例與傳統活性碳吸附管相比，吸附效果相去不遠，然而，本較佳實施例相對具有免化學溶劑萃取、重量輕、可以重複使用等功能，故可以取代傳統活性碳吸附管。

而本較佳實施例另一最大的特色在於，可以將其外觀設計成筆型，同時可以讓使用者以該夾設元件54佩掛於身上，因此，當應用於工廠安全時，得以讓勞工非常方便攜帶配掛，同時可以於工作期間長時間的檢測勞工所處工作環境中的揮發性有機化合物的濃度，所以可以得到較為平均的檢測值，此外，由於其可配掛於身上，例如可配掛於勞工上衣胸前的口袋處，因此，其所檢測到的濃度值與勞工口鼻附近因為呼吸而攜入的揮發性有機化合物的濃度相當，所以，其所量測之數據相較於先前技術之方式，將更為精準。另外在使用方式上，利用該控制元件55可以讓使用者以使用原子筆的習慣，進行該萃取模式與該非萃取模式間的切換，使得大多數的使用者都可以輕易學會使用。

而利用偵測模組可以即時判斷所偵測到的有機溶劑氣體濃度是否已超過一門檻值，換句話說，一旦可能發生有機溶劑濃度過高的警戒狀況時，本發明可以有效且主動地發出警示訊息，以提醒使用者及早做好迴避及防護措施，所以，相較於傳統固相微萃取(SPME)技術進能被動感測濃度而無法主動提供警示訊息而言，本發明確實是具有較佳的預警能力，而且，與先前技術之氣體濃度感測技術相比較，本發明可以感測出該等先前技術無法感測出之有機溶劑氣體濃度，因此，更適合應用於工廠環境，以確保工廠勞工之安全。

此外，本填充式採樣器採樣完成後，後續利用層析儀分析設備之入口端高溫脫附被吸附之有機成份，可定性定量分析該有機物。實驗證實在無微粒成份阻塞擴散徑d情況下，該採樣器可重覆使用，而且每次熱脫附均藉由250℃層析設備入口端高溫即可完成，不需額外使用二硫化碳等毒性有機溶劑萃取，相較於傳統活性碳萃取器產生大量有機性廢液之情形，顯然更符合環保概念。

綜合上述，故可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。