TWI554752B

TWI554752B - 多維度空氣品質監測系統

Info

Publication number: TWI554752B
Application number: TW104105527A
Authority: TW
Inventors: 鄭湘原
Original assignee: 中原大學
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-10-21
Also published as: TW201631309A

Description

多維度空氣品質監測系統

本發明係關於空氣品質監測之技術領域，尤指一種多維度空氣品質監測系統。

隨著工業化與現在化之高度發展，工業區林立各種製造工廠，同時市區內充斥著大小型之交通運輸車輛，而這些工廠與車輛所排放的廢氣不僅導致空氣品質下降，也是造成地球溫室效應的元凶。

有鑑於此，業界與學者無不致力研究並推出各種有助於廢氣監測之氣體感測器，例如：半導體式氣體感測器、光學式氣體感測器、以及電化學式氣體感測器；其中，半導體式氣體感測器雖然可同時感測多種氣體，但其缺點是缺乏對氣體的專一性以及容易受到環境溫濕度之影響。另，光學式氣體感測器是根據目標氣體之光譜吸收特性以偵測判定該目標氣體之濃度與種類。光學式氣體感測器具有高感測靈敏度，且其能夠準確地感測例如一氧化碳與二氧化碳之碳氫化合物氣體；但是，由於光學式氣體感測器的結構較為複雜，因此也同時具有高製造成本之缺點。

電化學式感測器通常對其目標氣體具有較高的選擇性，並且，電化學式感測器選擇性的程度係取決於目標氣體及要檢測的氣體濃度。目前最好的電化學感測器是檢測氧氣的感測器。即便如此，電化學式氣體感測器仍舊無法有效分辨CO、CO₂、O₃、VOCs等氣體；雖然搭配光偵測元件以及表面聲波元件之使用可使得電化學式氣體感測器能夠偵測O₃，但由於空氣中的所含有的懸浮粒子會對於光偵測元件產生折射、反射等效應，導致了偵測率之下降。

經由上述，可以得知習用的各種氣體感測器雖各具優點，但也同時顯現其缺點與不足；有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，終於研發完成本發明之一種多維度空氣品質監測系統。

本發明之主要目的，在於提供一種多維度空氣品質監測系統，其係將穿透光氣體感測器、散射光氣體感測器以及電化學氣體感測器整合於一感測腔體之中；同時，更於該感測腔體之中設置多張不同規格濾紙，使得進入該感測腔體內部的一外部空氣可被多重過濾；如此，搭配穿透光氣體感測器、散射光氣體感測器、電化學氣體感測器、以及多重過濾之技術，使得本發明之多維度空氣品質監測系統不僅能夠同時感測一氧化碳、二氧化碳、臭氧、苯、與其它揮發性有機化合物氣體，亦具備低製造成本、高感測準確率與靈敏度之優點。

因此，為了達成本發明上述之目的，本案之發明人提出一種多維度空氣品質監測系統，係包括：一腔體，其內部分隔有複數個氣體感測腔，且每個氣體感測腔內係設有複數個設置槽；複數張濾紙，係分別地設置於各相鄰兩個氣體感測腔之間；複數個光學式氣體感測模組，係分別設置於該複數個氣體感測腔內，並位於對應的設置槽之中；以及一表面聲波感測器模組，係設置於該腔體之底部；其中，當一外部空氣進入該腔體後，該些濾紙係根據粒徑大小對該外部空氣中所含有之複數種氣體進行過濾，使得該些氣體依據其粒徑大小之不同而分佈於不同的氣體感測腔內；並且，設置於該氣體感測腔內的該光學式氣體感測模組係根據分佈於該氣體感測腔內的該氣體之吸收光譜特性以及散射光特性，進而測出該氣體之濃度以及該氣體中所含有之可吸入懸浮粒子之濃度。

<本發明>

1‧‧‧多維度空氣品質監測系統

11‧‧‧腔體

14‧‧‧表面聲波感測器模組

111a‧‧‧第一氣體感測腔

111b‧‧‧第二氣體感測腔

111c‧‧‧第三氣體感測腔

112a‧‧‧第一產生器設置槽

113a‧‧‧第一光接收器設置槽

114a‧‧‧第二光接收器設置槽

112b‧‧‧第二產生器設置槽

113b‧‧‧第三光接收器設置槽

114b‧‧‧第四光接收器設置槽

112c‧‧‧第三產生器設置槽

113c‧‧‧第五光接收器設置槽

114c‧‧‧第六光接收器設置槽

15a‧‧‧第一濾紙

15b‧‧‧第二濾紙

15c‧‧‧濾網

115a‧‧‧第一紅外光產生器

116a‧‧‧第一紅外光接收器

117a‧‧‧第二紅外光接收器

118a‧‧‧第一透鏡

12a‧‧‧第一處理單元

119a‧‧‧第一聚光透鏡

110a‧‧‧第二聚光透鏡

13a‧‧‧第二處理單元

115b‧‧‧第二紅外光產生器

116b‧‧‧第三紅外光產生器

12b‧‧‧第三處理單元

110b‧‧‧第四聚光透鏡

117b‧‧‧第四紅外光產生器

13b‧‧‧第四處理單元

118b‧‧‧第二透鏡

119b‧‧‧第三聚光透鏡

115c‧‧‧紫外光產生器

116c‧‧‧第一紫外光產生器

117c‧‧‧第二紫外光產生器

118c‧‧‧第三透鏡

12c‧‧‧第五處理單元

119c‧‧‧第五聚光透鏡

13c‧‧‧第六處理單元

110c‧‧‧第六聚光透鏡

141‧‧‧處理單元

<習知>

無

第一圖係本發明之一種多維度空氣品質監測系統的立體圖：第二圖係多維度空氣品質監測系統的側面剖視圖；第三圖係第一光學式氣體感測模組之運作示意圖；第四圖係第二光學式氣體感測模組之運作示意圖；第五圖係第三光學式氣體感測模組之運作示意圖；第六圖係表面聲波感測器模組的運作示意圖；

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種多維度空氣品質監測系統，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參閱第一圖與第二圖，係本發明之一種多維度空氣品質監測系統的立體圖與側面剖視圖。如第一圖與第二圖所示，本發明之一種多維度空氣品質監測系統1係包括：一腔體11、複數張濾紙、複數個光學式氣體感測模組、以及一表面聲波感測器模組14；其中，該腔體11之內部係分隔有複數個氣體感測腔，且每個氣體感測腔內係設有複數個設置槽。如圖所示，複數個氣體感測腔分別為第一氣體感測腔111a、第二氣體感測腔111b與第三氣體感測腔111c。

承上述，該複數個設置槽係分別為第一產生器設置槽112a、第一光接收器設置槽113a、第二光接收器設置槽114a、第二產生器設置槽112b、第三光接收器設置槽113b、第四光接收器設置槽114b、第三產生器設置槽112c、第五光接收器設置槽113c、以及第六光接收器設置槽114c。該複數張濾紙包括第一濾紙15a與第二濾紙15b，其係分別地設置於各相鄰兩個氣體感測腔之間。並且，腔體11頂部之一氣體入口係設置有一濾網15c，用以防止異物經由該氣體入口掉入腔體11內部。於此，必須特別說明的是，濾網15c會針對粒徑大於10μm的氣體與懸浮粒子進行第一次過濾，使得進入第一氣體感測腔111a內的氣體與懸浮粒子的粒徑係小於10μm。並且，第一濾紙15a會針對粒徑大於2.5μm的氣體與懸浮粒子進行第二次過濾，使得進入第二氣體感測腔111b內的氣體與懸浮粒子的粒徑係小於2.5μm。再者，第二濾紙15b會針對粒徑大於0.3μm的氣體與懸浮粒子進行第三次過濾，使得進入第三氣體感測腔111c內的氣體與懸浮粒子的粒徑係小於0.3μm。

如第一圖與第二圖之該多維度空氣品質監測系統1 的架構設計，其中，當一外部空氣進入該腔體11後，該些濾紙係根據粒徑大小對該外部空氣中所含有之複數種氣體進行過濾，使得該些氣體依據其粒徑大小之不同而分佈於不同的氣體感測腔內。接著，設置於氣體感測腔內的該光學式氣體感測模組係根據分佈於該氣體感測腔內的該氣體之吸收光譜特性以及散射光特性，進而測出該氣體之濃度以及該氣體中所含有之可吸入懸浮粒子之濃度。

請繼續參閱第一圖與第二圖，並請同時參閱第三圖至第五圖，係分別為第一光學式氣體感測模組、第二光學式氣體感測模組與第三光學式氣體感測模組之運作示意圖。如第二圖與第三圖所示，第一光學式氣體感測模組係具有：設置於第一產生器設置槽112a內的第一紅外光產生器115a、設置於第一光接收器設置槽113a內的第一紅外光接收器116a、以及設置於第二光接收器設置槽114a內的第二紅外光接收器117a。其中，第一紅外光產生器115a用以發出波長4.7μm之一窄頻寬紅外光，且該窄頻寬紅外光經由設置於第一紅外光產生器115a前方之一第一透鏡118a轉換成平行光之後，即射向與第一紅外光產生器115a彼此相對的第一紅外光接收器116a。於平行窄頻寬紅外光射向第一紅外光接收器116a的過程中，部分的紅外光會遭到一氧化碳的吸收，因此，電性連接於第一紅外光接收器116a的第一處理單元12a便可根據所接收的一氧化碳氣體之吸收光譜而計算出一氧化碳氣體之濃度。此外，為了提升窄頻寬紅外光對於第一紅外光接收器116a之光入射率，係於第一紅外光接收器116a之前方增設一第一聚光透鏡119a。

基於廷德爾效應(Tyndall Effect)原理，當射向第一紅外光接收器116a之的紅外光照射粒徑小於4.7μm之第一懸浮粒子時，則該紅外光會產生散射光。如第二圖與第三圖所示，所產生的散射光會經由第二聚光透鏡110a而匯聚至第二紅外光接收器117a；如此，電性連接於第二紅外光接收器117a之第二處理單元13a便可根據所接收的第一懸浮粒子之散射光光譜而計算出該第一懸浮粒子之濃度；於此，第一懸浮粒子指的是PM₁₀之可吸入懸浮粒子。

如第二圖與第四圖所示，第二光學式氣體感測模組係具有：設置於第二產生器設置槽112b內的第二紅外光產生器115b、設置於第三光接收器設置槽113b內的第三紅外光接收器116b、以及設置於第四光接收器設置槽114b內的第第四紅外光接收器117b。其中，第二紅外光產生器115b用以發出波長4.3μm之一窄頻寬紅外光，且該窄頻寬紅外光經由設置於第二紅外光產生器115b前方之一第二透鏡118b轉換成平行光之後，即射向與第二紅外光產生器115b彼此相對的第三紅外光接收器116b。於平行窄頻寬紅外光射向第三紅外光接收器116b的過程中，部分的紅外光會遭到二氧化碳的吸收，因此，電性連接於第三紅外光接收器116b的第三處理單元12b便可根據所接收的二氧化碳氣體之吸收光譜而計算出二氧化碳氣體之濃度。另，為了提升窄頻寬紅外光對於第三紅外光接收器116b之光入射率，係於第三紅外光接收器116b之前方增設一第三聚光透鏡119b。

同樣地，基於廷德爾效應(Tyndall Effect)原理，當射向第三紅外光接收器116b之的紅外光照射粒徑小於4.3μm之第二懸浮粒子時，則該紅外光會產生散射光。如第二圖與第四圖所示，所產生的散射光會經由第四聚光透鏡110b而匯聚至第四紅外光接收器117b；如此，電性連接於第四紅外光接收器117b之第四處理單元13b便可根據所接收的第二懸浮粒子之散射光光譜而計算出該第二懸浮粒子之濃度；於此，第二懸浮粒子指的是PM_2.5之可吸入懸浮粒子。

如第二圖與第五圖所示，第三光學式氣體感測模組係具有：設置於第三產生器設置槽112c內的紫外光產生器115c、設置於第五光接收器設置槽113c內的第一紫外光接收器116c、以及設置於第六光接收器設置槽114c內的第二紫外光接收器117c。其中，紫外光產生器115c用以發出波長253.7nm之一紫外光，且該紫外光經由設置於紫外光產生器115c前方之一第三透鏡118c轉換成平行光之後，即射向與紫外光產生器115c彼此相對的第一紫外光接收器116c。於紫外光射向第一紫外光接收器116c的過程中，部分的紫外光會遭到臭氧的吸收，因此，電性連接於第一紫外光接收器116c的第五處理單元12c便可根據所接收的臭氧氣體之吸收光譜而計算出臭氧氣體之濃度。另，為了提升紫外光對於第一紫外光接收器116c之光入射率，係於第一紫外光接收器116c之前方增設一第五聚光透鏡119c。

同樣地，基於廷德爾效應(Tyndall Effect)原理，當射向第一紫外光接收器116c之的紅外光照射粒徑小於253.7nm之第三懸浮粒子時，則該紫外光會產生散射光。如第二圖與第五圖所示，所產生的散射光會經由第六聚光透鏡110c而匯聚至第二紫外光接收器117c；如此，電性連接於第二紫外光接收器117c之第六處理單元13c便可根據所接收的第三懸浮粒子之散射光光譜而計算出該第三懸浮粒子之濃度；於此，第三懸浮粒子指的是PM_0.3之可吸入懸浮粒子。

請再繼續參閱第一圖與第二圖，並請同時參閱第六圖，係表面聲波感測器模組的運作示意圖。如第二圖與第六圖所示，表面聲波感測器模組14係包括一第一表面聲波感測器陣列、一第二表面聲波感測器陣列與一處理單元141；其中，第一表面聲波感測器陣列之表面聲波感測器係具有苯(C₆H₆)氣體之感測薄膜，且第二表面聲波感測器陣列之表面聲波感測器係具有揮發性有機化合物氣體(Volatile Organic Compounds,VOCs)之感測薄膜。由於透過腔體11頂部進入腔體11內部的外部空氣係經過濾網15c、第一濾紙15a與第二濾紙15b進行三重，因此最後僅剩粒徑小於0.3μm之氣體與懸浮粒子會緩緩沉澱至腔體11底部。是以，表面聲波感測器模組14便藉由其第一表面聲波感測器陣列與第二表面聲波感測器陣列分別感測苯氣體與揮發性有機化合物氣體；接著，電性連接於第一表面聲波感測器陣列與第二表面聲波感測器陣列之處理單元141便能夠根據該第一表面聲波感測器陣列與/或該第二表面聲波感測器陣列所產生的一頻率漂移量而計算出該外部空氣中所含有之苯氣體與/或該外部空氣中所含有之揮發性有機化合物氣體(Volatile Organic Compounds,VOCs)之濃度。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之多維度空氣品質監測系統之架構與技術特徵，並且，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列之優點：

(1)本發明係將穿透光氣體感測器、散射光氣體感測器以及電化學氣體感測器整合於一感測腔體之中；同時，更於該感測腔體之中設置多張不同規格濾紙，使得進入該感測腔體內部的一外部空氣可被多重過濾；如此，搭配穿透光氣體感測器、散射光氣體感測器、電化學氣體感測器、以及多重過濾之技術，使得本發明之多維度空氣品質監測系統不僅能夠同時感測一氧化碳、二氧化碳、臭氧、苯、與其它揮發性有機化合物氣體，亦具備低製造成本、高感測準確率與靈敏度之優點。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。