TWI414786B

TWI414786B - 氣體偵測裝置及氣體監控裝置

Info

Publication number: TWI414786B
Application number: TW98125361A
Authority: TW
Inventors: Ren C Luo; Kuo Lan Su
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2013-11-11
Also published as: TW201104247A

Description

氣體偵測裝置及氣體監控裝置

本發明是有關於一種氣體偵測裝置，特別是指一種可判別多種氣體之氣體偵測裝置。

由於近代工業迅速發展，以及環境保護遭到漠視，使得越來越多的工業污染源，例如空氣污染以及水質污染已經對人們的生活環境及健康產生前所未有的威脅。為了維護人類的生存環境，近年來人們開始認知到與自然環境共存的重要性，環保意識逐漸受到人們的重視。因此如何得知污染源並加以控制，成為環保的重要議題。

此外，除了室外污染源的監控外，室內環境中的危險氣體監測，也是人們生命及健康保全重要的一環。

以監測室外空氣污染或室內有毒氣體(或特定氣體)為例，習知的做法是使用氣體偵測設備偵測空氣中的氣體濃度並轉換成電子訊號後進行判斷，然而由於氣體種類很多，為了提供正確的監測資訊，如何對測得的氣體進行分析，以準確地判斷測得的氣體，將會是氣體監測設備最重要的技術。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以正確地判斷出所偵測的氣體種類之氣體偵測裝置及氣體監控裝置。

為了實現上述目的，本發明的氣體偵測裝置，包括一氣體偵測模組及一監控模組。

氣體偵測模組包含多個氣體偵測單元及一主控制器，該等氣體偵測單元可以偵測N(N>2)種氣體，並各別針對所測得的氣體輸出一偵測訊號給該主控制器，該主控制器根據該偵測訊號產生一偵測值。

且較佳地，該氣體偵測模組還包含一用以顯示該等偵測值的顯示器。

該監控模組與該氣體偵測模組耦接，並包含一微處理單元及一顯示單元，該微處理單元中預存有各該氣體偵測單元對所能測得之氣體的最大偵測值，且該微處理單元根據該等氣體偵測單元針對該N種氣體的最大偵測值及該等偵測值，求得該N種氣體的機率值，並根據該N個氣體機率值判斷何種氣體的機率最大，並由該顯示單元輸出判斷結果。

其中該微處理單元係根據該等氣體偵測單元針對同一種氣體的最大偵測值，求得各該偵測值的一權重值後，以1減去該等權重值相乘後的值，以求得該種氣體的機率值，且該微處理單元重覆上述計算步驟，分別根據該等氣體偵測單元所能測得之不同氣體的最大偵測值，求得該N種氣體的機率值。

該微處理單元計算各種氣體的機率值公式為：氣體機率值=1-[(1-V_S1 /V_S1max )×(1-V_S2 /V_S2max )×....(1-V_SN /V_SNmax )]，其中V_SN 是指各個氣體偵測單元偵測某一種氣體所對應產生之偵測值，V_SNmax 是指各個氣體偵測單元針對該種氣體所對應產生的最大偵測值。

較佳地，該氣體偵測裝置更包括一有線傳輸介面及兩個無線通訊單元，該有線傳輸介面包含兩個傳輸介面，其分別設於該氣體偵測模組端及該監控模組端，用以電連接該氣體偵測模組之主控制器與該監控模組之微處理單元以傳輸該等偵測值，該二無線通訊單元各別與該氣體偵測模組之主控制器及該監控模組之微處理單元耦接，用以無線傳輸該等偵測值。

較佳地，該有線傳輸介面更包含一設在該二串列傳輸介面之間介面轉換單元，用以將該主控制器之串列傳輸介面輸出的偵測值轉換成該微處理單元之傳輸介面可以接受的型態。

再者，本發明實現上述目的之另一種氣體偵測裝置，包括多個氣體偵測單元、一主控制器及一顯示器。該等氣體偵測單元可以偵測N(N>2)種氣體，並各別針對所測得的氣體輸出一偵測訊號。該主控制器中預存有各該氣體偵測單元對應所能測得之氣體的最大偵測值，該主控制器根據該偵測訊號產生一偵測值，並根據該等氣體偵測單元針對該N種氣體的最大偵測值及該等偵測值，求得該N種氣體的機率值，以根據該N個氣體機率值判斷何種氣體的機率最大後，輸出上述判斷結果至該顯示器。

其中該主控制器根據該等氣體偵測器針對某一種氣體的最大偵測值，求得各該偵測值的一權重值後，以1減去該等權重值相乘後的值，以求得該種氣體的機率值，且該主控制器重覆上述計算步驟，分別代入該等氣體偵測單元所能測得之不同氣體的最大偵測值，以求得該N種氣體的機率值。

且該主控制器計算各種氣體的機率值公式為：氣體機率值=1-[(1-V_S1 /V_S1max )×(1-V_S2 /V_S2max )×....(1-V_SN /V_SNmax )]，其中V_SN 是指各個氣體偵測單元偵測某一種氣體所對應產生之偵測值，V_SNmax 是指各個氣體偵測單元針對該種氣體的最大偵測值。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之兩個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，是本發明氣體偵測裝置的第一較佳實施例之電路方塊示意圖，其主要包括相互耦接的一氣體偵測模組100及一監控模組200。

參閱圖2所示，是氣體偵測模組100的外觀架構側視示意圖。氣體偵測模組100具有一概呈矩形之殼體101，殼體101的相反兩端開口分別設有一空氣過濾片102及一固定板103，固定板103的相反兩端設有固定孔104用以將殼體101固定在一壁面30上，且固定板104上設有出風口105，固定板104朝向殼體101的內側面上設有一抽風裝置106，用以將風從殼體101外吸入經過空氣過濾片102進到殼體100中再由固定板103的出風口105送出。

氣體偵測模組100還包括設在殼體101內，位於空氣過濾片102與固定板104之間依序設置一偵測電路板110、一第一驅動電路板120、一第二驅動電路板130、一主機及通訊板140及一電源及輸出板150。

偵測電路板110上設有多個氣體感測器(本實施例以7個氣體感測器為例)，這些感測器包括半導體式、光電式、電化學式、紅外線或其他量測方式之氣體偵測元件，且每一種氣體感測器可以是單一氣體偵測或可同時偵測多種不同之氣體，如圖3所示範例，但並不以此為限。

第一驅動電路板120與偵測電路板110電連接，並設有4個不同氣體感測器的驅動電路、校正電路和取樣電路。

第二驅動電路板130與偵測電路板110電連接，並設有另外3個不同氣體感測器的驅動電路、校正電路和取樣電路。且配合圖4氣體感測模組之電路方塊圖所示，上述每一氣體偵測器和所對應的驅動電路、校正電路及取樣電路構成如圖4的七個氣體偵測單元111~117。

主機及通訊板140與第一及第二驅動電路板120、130電連接，如圖1所示，其中並設有一主控制器141、一有線傳輸單元142及一無線通訊單元143。主控制器141中包含一類比/數位轉換器，其用以從各個氣體偵測單元111~117之取樣電路分別取得一偵測訊號，並將其轉換成數位化的偵測值。有線傳輸單元142包含設於該主控制器141之訊號輸出端的一傳輸介面144及一介面轉換單元145。主控制器141經由該傳輸介面144輸出該等偵測值，介面轉換單元145電連接該傳輸介面144及該監測模組200，用以將該等偵測值轉成該監測模組200可以接受的訊號格式後輸出給監控模組200。在本實施例中，傳輸介面144是以I2C介面為例，且介面轉換單元145是以一I2C轉RS232橋接器為例，但並不以此為限。

如圖1所示，無線通訊單元143與主控制器141電連接，用以將主控制器141輸出之偵測值透過無線方式傳送給監控模組200，並接收由監控模組200傳來的其它訊號。在本實施例中，無線通訊單元143是一雙工通訊介面，其可以應用例如紅外線、無線電(射頻)、電磁感應(線圈)等習知無線通訊電路其中之一來達成。

配合圖1所示，電源及輸出板150包括一電源供應器151及一顯示器152，電源供應器151用以將由外部輸入之交流電AC110V轉換成氣體偵測模組100所需之電源，以供應上述各種電路使用。顯示器152是一液晶顯示器，其與主控制器141電連接，用以顯示該等氣體感測單元111~117之感測值。

再參見圖1所示，監控模組200包括一無線通訊單元210、一微處理單元220及一顯示單元230。無線通訊單元210與氣體偵測模組100之無線通訊單元143採用相同的無線通訊協定，用以與氣體偵測模組100之無線通訊單元143進行無線通訊，以接收該等氣體感測單元之感測值。

微處理單元220藉由一RS232介面221與氣體偵測模組100之I2C轉RS232橋接器145電連接，以透過有線方式從主控制器141接收該等氣體感測單元111~117之感測值。

由上述說明可知，監控模組200可以透過有線或無線方式與氣體偵測模組100通訊，當監控模組200是靠近氣體偵測模組100設置時，監控模組200與氣體偵測模組100可以透過I2C轉RS232橋接器145之有線連接來進行通訊；而當監控模組200是設在一遠端時，監控模組200與氣體偵測模組100則可透過無線通訊單元143、210來進行通訊。因此監控模組200的設置位置將不會因為與氣體偵測模組100之間的距離而受限，可達到與氣體偵測模組100彈性且機動通訊的功能。

此外，為了判斷氣體偵測單元111~117所測得的氣體為何，微處理單元220中還預存有一如圖3所示的各種氣體感測單元111~117所能感測的氣體種類，以及每一種氣體偵測單元111~117針對感測不同氣體所能輸出的最大感測值(這裡的感測值是指主控制器141針對不同氣體偵測單元111~117輸出之感測訊號所能轉換輸出的最大偵測值)，例如HS130A酒精感測器可以感測氫(最大偵測值5)、丁烷(最大偵測值3)及酒精(最大偵測值4)三種氣體，HS135空氣污染感測器可以感測丁烷(最大偵測值5)、煙霧(最大偵測值4)、二氧化碳(最大偵測值3)及酒精(最大偵測值4)四種氣體。圖3中舉例之數值只為說明之用，並非實際應用之數值。

再者，微處理單元220是根據該等氣體偵測單元111~117針對同一種氣體的最大偵測值及該等偵測值，求得各種氣體的機率值，再根據該等氣體的機率值判斷何種氣體的機率最大，為了達到上述目的，微處理單元220執行一求得各種氣體機率值的公式如下：

氣體機率值=1-[(1-V_S1 /V_S1max )×(1-V_S2 /V_S2max )×....(1-V_SN /V_SNmax )]...........................................(1)

其中，V_SN 是指各個氣體偵測單元111~117偵測氣體所對應產生之偵測值，V_SNmax 是指各個氣體偵測單元111~117針對同一種氣體的最大偵測值。且微處理單元220會重覆上述公式(1)，並分別代入該等氣體偵測單元111~117所能測得之不同氣體的最大偵測值，以求得各種氣體的機率值。以下將舉例說明之。

再參見圖2及圖3所示，當一種待測氣體經由抽風裝置106的吸入而進入氣體偵測模組100之殼體101內時，有些氣體偵測單元會對該待測氣體有反應，但有些則沒有反應。而對該待測氣體有反應的某個或某些氣體偵測單元會感測到該待測氣體並輸出一感測訊號，在本實施例中，假設有反應的氣體偵測單元為圖3中的酒精偵測器111、氨氣偵測器112、空氣污染偵測器113和液化石油氣偵測器115，且其輸出的感測訊號經過主控制器141數位化後的偵測值分別為2.5、1.8、1.6及0.9，這些偵測值被輸出至顯示器152顯示並同時透過無線通訊單元143、210或I2C轉RS232橋接器145傳送給監控模組200的微處理單元220。

微處理單元220將收到的這些偵測值暫存，然後由圖3中查到酒精偵測器111、氨氣偵測器112、空氣污染偵測器113和液化石油氣偵測器115分別對氫、液化石油氣、天然氣、丁烷、煙霧、二氧化碳、氨氣和酒精有反應，因此接著根據氣體偵測單元111、112、113及115對這些氣體的最大偵測值及實際偵測值，套用上述公式(1)分別計算得到這些氣體(即氫、液化石油氣、天然氣、丁烷、煙霧、二氧化碳、氨氣和酒精)的機率值如下：

機率(氫)=1-[(1-2.5/5)×(1-1.8/4)]=0.725

機率(液化石油氣)=1-[(1-0.9/5)]=0.18

機率(天然氣)=1-[(1-0.9/4)]=0.225

機率(丁烷)=1-[(1-2.5/3)×(1-1.8/3)×(1-1.6/5)]=0.9548

機率(煙霧)=1-[(1-1.6/4)×(1-0.9/3)]=0.58

機率(二氧化碳)=1-[(1-1.6/3)]=0.53

機率(氨氣)=1-[(1-1.6/3)]=0.53

機率(酒精)=1-[(1-2.5/5)×(1-1.8/4)×(1-1.6/5)×(1-0.9/5)]=0.846

且由於氣體偵測單元111、112、113及115對甲烷及一氧化碳沒有反應，所以甲烷及一氧化碳的機率為零。

因此，根據上述計算結果，微處理單元220可以判斷待測氣體為丁烷的機率最大，並將上述各氣體的機率值及判斷結果輸出至顯示單元230(液晶顯示器)顯示出來。或者，監控模組200更可以設置一警報單元240，當微處理單元220判斷出待測氣體為有毒或危險氣體時，可控制警報單元240即時發出一警報聲響或警報訊息。

再參見圖4所示，是本發明的第二較佳實施例，本實施例之氣體偵測裝置300主要包括複數氣體偵測單元111~117，一主控制器310及一顯示器152。與第一實施例不同的是，氣體偵測裝置300不需要另外設置一監控模組，且主控制器310除了將氣體偵測單元111~117偵測氣體所產生之偵測訊號轉換成數位偵測值外，其更兼具第一實施例中之監控模組200的功能，亦即主控制器310中預存有一如圖3所示的各種氣體感測單元111~117所能感測的氣體種類，以及每一種氣體偵測單元111~117針對感測不同氣體所能輸出的最大感測值，並根據該等氣體偵測單元111~117針對同一種氣體的最大偵測值及該等偵測值，藉由如上述之公式(1)求得各種氣體的機率值，再根據該等氣體的機率值判斷何種氣體的機率最大，並將判斷結果輸出至顯示器152顯示。

綜上所述，上述實施例根據多個氣體偵測單元偵測一待測氣體所得到的多個偵測值，以及各個氣體偵測單元對於不同氣體所能對應產生的最大偵測值，以多重融合理論來估算各種氣體的機率值，以由各種氣體的機率值來判斷待測氣體的方式，可以更準確地判斷出待測氣體，並適時地發出警告訊息，使氣體偵測裝置能夠真正地發揮其功效。

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。

100‧‧‧氣體偵測模組

101‧‧‧殼體

102‧‧‧空氣過濾片

103‧‧‧固定板

104‧‧‧固定孔

105‧‧‧出風口

106‧‧‧抽風裝置

110‧‧‧偵測電路板

120‧‧‧第一驅動電路板

130‧‧‧第二驅動電路板

140‧‧‧主機及通訊板

150‧‧‧電源及輸出板

30‧‧‧壁面

111~117‧‧‧氣體偵測單元

141‧‧‧主控制器

142‧‧‧有線傳輸介面

143‧‧‧無線通訊單元

144‧‧‧I2C介面(傳輸介面)

145‧‧‧介面轉換單元(I2C轉RS232橋接器)

151‧‧‧電源供應器

152‧‧‧顯示器

200‧‧‧監控模組

210‧‧‧無線通訊單元

220‧‧‧微處理單元

221‧‧‧RS232介面(傳輸介面)

230‧‧‧顯示單元

240‧‧‧警報單元

300‧‧‧氣體偵測裝置

310‧‧‧主控制器

圖1是本發明氣體偵測裝置的第一較佳實施例的電路方塊圖；

圖2是第一實施例之氣體偵測模組的外觀架構側面剖視示意圖；

圖3是第一實施例所使用的各種氣體偵測單元及其所能偵測的氣體及針對不同氣體的最大偵測值對照表；及

圖4是本發明氣體偵測裝置的第二較佳實施例的電路方塊圖。

100．．．氣體偵測模組

111~117．．．氣體偵測單元

141．．．主控制器

142．．．有線傳輸介面

143．．．無線通訊單元

144．．．I2C介面(傳輸介面)

145．．．介面轉換單元(I2C轉RS232橋接器)

151．．．電源供應器

152．．．顯示器

200．．．監控模組

210．．．無線通訊單元

220．．．微處理單元

221．．．RS232介面(傳輸介面)

230．．．顯示單元

240．．．警報單元

Claims

一種氣體偵測裝置，包括：一氣體偵測模組，包含多個氣體偵測單元及一主控制器，該等氣體偵測單元可以偵測N(N>2)種氣體，並各別針對所測得的氣體輸出一偵測訊號給該主控制器，該主控制器根據該偵測訊號產生一偵測值；及一監控模組，與該氣體偵測模組耦接，並包含一微處理單元及一顯示單元，該微處理單元中預存有各該氣體偵測單元對所能測得之氣體的最大偵測值，且該微處理單元根據該等氣體偵測單元針對該N種氣體的最大偵測值及該等偵測值，求得該N種氣體的機率值，並根據該N個氣體機率值判斷何種氣體的機率最大，並由該顯示單元輸出判斷結果；其中該微處理單元根據該等氣體偵測單元針對同一種氣體的最大偵測值，求得各該偵測值的一權重值後，以1減去該等權重值相乘後的值，以求得該種氣體的機率值，且該微處理單元重覆上述計算步驟，分別根據該等氣體偵測單元所能測得之不同氣體的最大偵測值，求得該N種氣體的機率值。
依據申請專利範圍第1項所述之氣體偵測裝置，其中該微處理單元計算各種氣體的機率值公式為：氣體機率值=1-[(1-V_S1 /V_S1max )×(1-V_S2 /V_S2max )×....(1-V_SN /V_SNmax )]，其中V_SN 是指各個氣體偵測單元偵測某一種氣體所對應產生之偵測值，V_SNmax 是指各個氣體偵測單元針對該種氣體所對應產生的最大偵測值。
依據申請專利範圍第1項所述之氣體偵測裝置，更包括一有線傳輸介面及兩個無線通訊單元，該有線傳輸介面包含兩個傳輸介面，其分別設於該氣體偵測模組端及該監控模組端，用以電性連接該氣體偵測模組之主控制器與該監控模組之微處理單元以傳輸該等偵測值，該二無線通訊單元各別與該氣體偵測模組之主控制器及該監控模組之微處理單元電連接，用以無線傳輸該等偵測值。
依據申請專利範圍第3項所述之氣體偵測裝置，其中該有線傳輸介面更包含一設在該二傳輸介面之間的介面轉換單元，用以將與該主控制器電性連接之傳輸介面輸出的偵測值轉換成與該微處理單元電性連接之傳輸介面可以接受的型態。
依據申請專利範圍第4項所述之氣體偵測裝置，其中與該主控制器電性連接之傳輸介面是一I2C介面，與該微處理單元電性連接之傳輸介面是一RS232介面，且該介面轉換單元是一I2C轉RS232橋接器。
依據申請專利範圍第1項所述之氣體偵測裝置，其中該氣體偵測模組更包括一與該主控制器電連接的顯示器，用以顯示該等偵測值。
依據申請專利範圍第1項所述之氣體偵測裝置，其中該監控模組更包括一受該微處理單元控制的警報單元，該微處理單元可根據氣體判斷結果控制該警報單元發出一警報訊息。
一種氣體偵測裝置，包括：多個氣體偵測單元，該等氣體偵測單元可以偵測N(N>2) 種氣體，並各別針對所測得的氣體輸出一偵測訊號；一主控制器，其中預存有各該氣體偵測單元對應所能測得之氣體的最大偵測值，該主控制器根據該偵測訊號產生一偵測值，並根據該等氣體偵測單元針對該N種氣體的最大偵測值及該等偵測值，求得該N種氣體的機率值，以根據該N個氣體機率值判斷何種氣體的機率最大；其中該主控制器根據該等氣體偵測器針對某一種氣體的最大偵測值，求得各該偵測值的一權重值後，以1減去該等權重值相乘後的值，以求得該種氣體的機率值，且該主控制器重覆上述計算步驟，分別代入該等氣體偵測單元所能測得之不同氣體的最大偵測值，以求得該N種氣體的機率值；及一顯示單元，輸出上述判斷結果。
依據申請專利範圍第8項所述之氣體偵測裝置，其中該主控制器計算各種氣體的機率值公式為：氣體機率值=1-[(1-V_S1 /V_S1max )×(1-V_S2 /V_S2max )×....(1-V_SN /V_SNmax )]，其中V_SN 是指各個氣體偵測單元偵測某一種氣體所對應產生之偵測值，V_SNmax 是指各個氣體偵測單元針對該種氣體的最大偵測值。
依據申請專利範圍第8項所述之氣體偵測裝置，更包括一受該主控制器控制的警報單元，該主控制器可根據氣體判斷結果控制該警報單元發出一警報訊息。
一種氣體監控裝置，用以接收來自一氣體偵測裝置的複數個偵測值，該等偵測值代表該氣體偵測裝置中的不同氣體偵測單元所測得之氣體濃度，該氣體監控裝置包括：一傳輸單元，用以接收該等偵測值；一微處理單元，其中預存有各該氣體偵測單元對所能測得之氣體的最大偵測值，並根據該等氣體偵測單元針對同一種氣體的最大偵測值及該等偵測值，求得該N種氣體的機率值，以根據該N個氣體機率值判斷何種氣體的機率最大；其中該微處理單元根據該等氣體偵測單元針對某一種氣體的最大偵測值，求得各該偵測值的一權重值後，以1減去該等權重值相乘後的值，以求得該種氣體的機率值，且該主控制器重覆上述計算步驟，分別代入該等氣體偵測單元所能測得之不同氣體的最大偵測值，以求得該N種氣體的機率值；及一顯示單元，輸出上述判斷結果。
依據申請專利範圍第11項所述之氣體監控裝置，其中該微處理單元計算各種氣體的機率值公式為：氣體機率值=1-[(1-V_S1 /V_S1max )×(1-V_S2 /V_S2max )×....(1-V_SN /V_SNmax )]，其中V_SN 是指各個氣體偵測器偵測氣體所對應產生之偵測值，V_SNmax 是指各個氣體偵測器針對同一種氣體的最大偵測值。
依據申請專利範圍第11項所述之氣體監控裝置，其中該傳輸單元包括一有線傳輸介面及一無線通訊單元，該有線傳輸介面用以電性連接該氣體偵測裝置及該微處理單元以傳輸該等偵測值，該無線通訊單元用以透過無線傳輸方式接收該氣體偵測裝置輸出之該等偵測值。
依據申請專利範圍第13項所述之氣體監控裝置，其中該有線傳輸介面是一RS232介面，該無線通訊單元可以由紅外線、射頻或電磁感應電路其中之一實現。