TWI668427B - 光學式氣體微量濃度偵測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種光學式氣體微量濃度偵測裝置，其包含有一光通道，係具有一設置於光通道之一端的入口端、一設置於光通道另一端的出口端、一設置於鄰近入口端之進氣端、一設置於鄰近出口端之排氣端、複數個設置於入口端與出口端之間的彎折部與至少一設置於每一彎折部之反射鏡；一光源模組，係設置於光通道之入口端；一光檢測器，係設置於光通道之出口端，係接收光源模組所發出之光線；以及一處理模組，係電性連接光檢測器。
Description
本發明係有關於一種微量氣體偵測裝置，尤其係指一種光學式的微量氣體偵測裝置，藉由建置一光通道，使光源在光通道中照射氣體微粒，光線會被氣體微粒吸收，並由光檢測器接收未被吸收的光線，以判別出目前環境中特定氣體的濃度。
按，自從工業革命發生，世界上許多國家的經濟型態逐漸從農業社會轉變為工商社會，而工業與科技的發展確實對人類的生活有相當大的貢獻，但其中工廠大量排放的廢氣、廢水、廢料，讓環境累積了不少汙染物質，對自然環境、生態皆造成嚴重的影響，不僅影響到野外的動植物，亦逐漸影響到都市中居住的人民，大量的廢氣與煙霧讓空氣充滿對人體有害的汙染物質，當居住於該處的居民吸進大量的灰塵以及懸浮粒子時，會不斷地累積在氣管及肺部，造成了相當呼吸道的疾病，嚴重甚至可導致死亡。因此，積極追求工業及科技的發展，雖然能夠使人類的生活更加便利，但亦會對環境造成龐大的污染。
因此，對於空氣品質的要求，世界衛生組織以及各國皆有制定出一套標準，使空氣中的細懸浮微粒(PM2.5)能夠減少，以減低對人體的危害。空氣中對人體有害的物質包含有灰塵、硫酸鹽、硝酸鹽、有機碳氫化合物、氮氧化物、釩、鎳等物質，而目前氣象單位也都會監測各地區的空氣品質，以提醒民眾今天是否適合戶外活
動，其中，監測空氣品質即係偵測空氣中某種物質的濃度。中華民國專利公告號TW I588489「氣體感測裝置、系統及相關方法」提供了一種氣體感測裝置，包含有一測試氣體的內部腔室、一光子熱源，以及一壓力感測器，其功能性地耦接到內部腔室且可操作來檢測內部腔室中的壓力變化，首先，腔室經由泵而被氣體樣本填滿，且光子熱源被輸送到腔室中，加熱被選擇來測試的氣體樣本，從而增加腔室中的氣體樣本的壓力，壓力的變化會由壓力感測器所檢測，以壓力變化的大小作為氣體樣本中分析物之濃度的指標。
前案專利透過壓力變化得知空氣中特定物質的濃度，然而，其係需要先加熱氣體樣本，提升氣體樣本之壓力後，才能判斷氣體樣本中特定物質的濃度；此作法過程繁複，且加熱溫度可能會容易受到外界影響，使壓力變化不一致，而較難以準確地分析出濃度。爰此，如何提供一種能夠分析出環境中特定氣體濃度之裝置，即為本發明人所思及之方向。
今，發明人即是鑑於上述現有之氣體濃度偵測裝置於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種光學式氣體微量濃度偵測裝置，其建置有光通道，光源所發射出之光線與通入之氣體會在光通道中相會，藉由各種物質吸收波長的不同，由光檢測器判斷出目前環境中該物質的濃度。
為了達到上述實施目的，本發明一種光學式氣體微量濃度偵測裝置，其包含有：一光通道，係具有一設置於光通道之一端的入口端、一設置於光通道另一端的出口端、一設置於鄰近入口端之進
氣端、一設置於鄰近出口端之排氣端、複數個設置於入口端與出口端之間的彎折部與至少一設置於每一彎折部之反射鏡；一光源模組，係設置於光通道之入口端；一光檢測器，係設置於光通道之出口端，係接收光源模組所發出之光線；以及一處理模組，係電性連接光檢測器。
於本發明之一實施例中，光通道係為內層鍍銀(Ag)之不透明導管。
於本發明之一實施例中，處理模組係包含有一運算放大器、一電性連接運算放大器之濾波器、一電性連接濾波器之類比數位轉換器以及一電性連接類比數位轉換器之處理單元。
於本發明之一實施例中，處理單元又電性連接一壓力感測器與一溫度感測器。
於本發明之一實施例中，光源模組電性連接一電源供應器與一函數產生器。
於本發明之一實施例中，函數產生器又電性連接濾波器。
於本發明之一實施例中，光通道之內部係維持1大氣壓。
於本發明之一實施例中，光通道之入口端進一步設置有一壓力計、一流量計以及一連接該流量計之排風機。
於本發明之一實施例中，光檢測器為帶通型(Band-Pass)光檢測器。
(1)‧‧‧光通道
(11)‧‧‧入口端
(12)‧‧‧出口端
(13)‧‧‧進氣端
(14)‧‧‧排氣端
(15)‧‧‧彎折部
(16)‧‧‧反射鏡
(17)‧‧‧壓力計
(18)‧‧‧流量計
(19)‧‧‧排風機
(2)‧‧‧光源模組
(21)‧‧‧電源供應器
(22)‧‧‧函數產生器
(3)‧‧‧光檢測器
(4)‧‧‧處理模組
(41)‧‧‧運算放大器
(42)‧‧‧濾波器
(43)‧‧‧類比數位轉換器
(44)‧‧‧處理單元
(441)‧‧‧壓力感測器
(442)‧‧‧溫度感測器
第一圖：本發明其較佳實施例之裝置架構示意圖。
第二圖：本發明其較佳實施例之NO2濃度偵測曲線圖。
本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更
深入且具體之瞭解。
請參閱第一圖，本發明一種光學式氣體微量濃度偵測裝置，其包含有：一光通道(1)，係為內層鍍銀(Ag)之不透明導管，其內部維持1大氣壓，並具有一設置於光通道(1)之一端的入口端(11)、一設置於光通道(1)另一端的出口端(12)、一設置於鄰近入口端(11)之進氣端(13)、一設置於鄰近出口端(12)之排氣端(14)、複數個設置於入口端(11)與出口端(12)之間的彎折部(15)與至少一設置於每一彎折部(15)之反射鏡(16)，進一步地，光通道(1)之入口端(11)又設置有一壓力計(17)、一流量計(18)以及一連接該流量計(18)之排風機(19)；一光源模組(2)，係設置於光通道(1)之入口端(11)，並電性連接一電源供應器(21)與一函數產生器(22)；一帶通型(Band-Pass)之光檢測器(3)，係設置於光通道(1)之出口端(12)，係接收光源模組(2)所發出之光線；以及一處理模組(4)，係電性連接光檢測器(3)，包含有一運算放大器(41)、一電性連接運算放大器(41)之濾波器(42)、一電性連接濾波器(42)之類比數位轉換器(43)以及一電性連接類比數位轉換器(43)之處理單元(44)，其中處理單元(44)又電性連接一壓力感測器(441)與一溫度感測器(442)，而濾波器(42)亦與函數產生器(22)電性連接。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
請繼續參閱第一圖，本發明光學式氣體微量濃度偵測裝置係具有一光通道(1)，其一端設置有入口端(11)，另一端則設置有出口端(12)、入口端(11)與出口端(12)之間的光通道(1)亦形成複數個彎折部(15)，將光源模組(2)設置在入口端(11)，係可例如使用LED，而光源模組(2)由電源供應器(21)與函數產生器(22)驅動，係發射出波長380nm~460nm的光線，再將光檢測器(3)設置於出口端(12)，
每個彎折部(15)皆會設置有至少一個反射鏡(16)以形成總長約150~250cm的光路設計，使出口端(12)的光檢測器(3)可接收到位於入口端(11)之光源模組(2)所發射的光線；再者，鄰近入口端(11)的位置有設置進氣端(13)，鄰近出口端(12)的位置則設置排氣端(14)，進氣端(13)可抽取外界的空氣或特定氣體，使氣體進入光通道(1)中，並沿著光通道(1)向出口端(12)的方向流動，並從排氣端(14)排出，途中，光源模組(2)所發出之光線，係打在光通道(1)中的氣體微粒上，氣體微粒會吸收光線，不同的氣體微粒，吸收的光波長也有所不同，係可參考下表一，藉由感測待測氣體的物質，即可由不同的穿透率得知氣體濃度的高低；而光通道(1)內層會鍍上一層銀層，其目的是為了要反射輸入的光源，來產生曲折的光路，以增加路徑，使光線能被氣體吸收。
本發明實施時，以偵測二氧化氮(NO2)作為實施例，其係使
用鋁箔不透光的氣袋作為待測氣體，分別以濃度1200ppm、500ppm、50ppm作為三次測試之目標值，且每次待測氣體皆會灌滿至飽和值5000ppm，首先，讓待測氣體持續地從進氣端(13)進入光通道(1)內，光源模組(2)由電源供應器(21)與函數產生器(22)啟動後，所發射的光線會照射在待測氣體的氣體微粒上，待測氣體沿著光通道(1)向出口端(12)流動，而光線則藉由彎折部(15)的反射鏡(16)與光通道(1)內層的銀層，亦沿著光通道(1)不斷向出口端(12)前進，途中，二氧化氮之氣體微粒會開始吸收光線，直到鄰近出口端(12)時，待測氣體從排氣端(14)被排出，而光線則傳遞至出口端(12)的光檢測器(3)；光檢測器(3)感測到光線後，即將接收到的光線轉換為訊號，傳送給處理模組(4)進行分析，處理模組(4)將訊號透過運算放大器(41)、濾波器(42)與類比數位轉換器(43)進行放大、濾波、轉換等程序，再傳輸數位訊號給處理單元(44)，其中函數產生器(22)係控制濾波器(42)小訊號之輸出，處理單元(44)會將接收到的數位訊號處理計算，即可獲得待測氣體之二氧化氮的濃度，其訊號係以電壓作為參數，並偵測其衰退率(decay)，沒有待測氣體時，電壓為9V，有待測氣體時，電壓會隨氣體微粒濃度上升而下降，代表光線在通過的過程中被待測氣體吸收的數量，當濃度越高，衰退的幅度越大，也就是被氣體吸收的更多，因此二氧化氮濃度高低係直接影響衰退率，即如第二圖所示，其一次的偵測時間，僅要約5秒鐘，而處理單元(44)可根據壓力感測器(441)與溫度感測器(442)所感測到光通道(1)內的壓力與溫度變化，進行計算上的補償，以提升本發明的精確度。
此外，若本發明係於半空中進行偵測時，由於高空中的大氣壓力與平地不同，因此，光通道(1)之入口端(11)則需要再設置壓力
計(17)、流量計(18)以及排風機(19)，利用壓力計(17)來補償外界壓力的誤差，使偵測到的氣體濃度數值更為準確。
由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明光學式氣體微量濃度偵測裝置利用光學的方式對氣體進行偵測，係使光線與氣體同時存在於光通道內，光線照射到氣體之微粒，氣體微粒會吸收光線，光線由光檢測器接收，光檢測器接收之訊號傳輸給處理模組，計算後即可獲得氣體之濃度。
2.本發明光學式氣體微量濃度偵測裝置之光通道設計有複數個彎折部，且其彎折部具有反射鏡，係形成一個曲折的光路設計，讓光線與氣體能沿著光通道由入口端移動至出口端，且光通道提供足夠的距離，讓氣體微粒能夠吸收光線，以提升本發明偵測的靈敏度。
綜上所述，本發明之光學式氣體微量濃度偵測裝置，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
Claims (8)
- 一種光學式氣體微量濃度偵測裝置，其包含有：一光通道，係為內層鍍銀(Ag)之不透明導管，其具有一設置於該光通道之一端的入口端、一設置於該光通道另一端的出口端、一設置於鄰近該入口端之進氣端、一設置於鄰近該出口端之排氣端、複數個設置於該入口端與出口端之間的彎折部與至少一設置於每一該彎折部之反射鏡；一光源模組，係設置於該光通道之入口端；一光檢測器，係設置於該光通道之出口端，係接收該光源模組所發出之光線；以及一處理模組，係電性連接該光檢測器。
- 如申請專利範圍第1項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該處理模組係包含有一運算放大器、一電性連接該運算放大器之濾波器、一電性連接該濾波器之類比數位轉換器以及一電性連接該類比數位轉換器之處理單元。
- 如申請專利範圍第2項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該處理單元又電性連接一壓力感測器與一溫度感測器。
- 如申請專利範圍第2項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該光源模組電性連接一電源供應器與一函數產生器。
- 如申請專利範圍第4項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該函數產生器又電性連接該濾波器。
- 如申請專利範圍第1項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該光通道之內部係維持1大氣壓。
- 如申請專利範圍第1項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該光通道之入口端進一步設置有一壓力計、一流量計以及一連接該流量計之排風機。
- 如申請專利範圍第1項所述光學式氣體微量濃度偵測裝置，其中該光檢測器為帶通型(Band-Pass)光檢測器。
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