TWI707132B - 隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，在搭配包含氣體收集單元、檢測分析單元及定位指示單元的氣體量測系統下依序進行包括設置氣體量測系統、啟動定位指示單元、利用氣體收集單元採樣、利用檢測分析單元分析氣體、產生分析結果、判斷是否完成所有量測區域的步驟，用以針對隧道的隧道空間進行氣體量測。本發明主要是利用全新設計的氣體收集單元，並搭配檢測分析單元以及定位指示單元，不僅可快速組立進行檢測，還能即時了解空間之有害氣體種類及濃度，更可快速地檢測區域空間中未知氣體種類及濃度概況，以便即時處理應對。

Description

隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法
本發明係有關於一種隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，尤其是利用全新設計的氣體收集單元，並在搭配檢測分析單元以及定位指示單元下協同運作，不僅可快速組立進行檢測，還能即時了解空間之有害氣體種類及濃度，尤其可快速地檢測區域空間中未知氣體種類及濃度概況，以便即時處理應對。
在開挖隧道的過程中，如果施工時會通過蘊藏含煤或油氣地盤，則可燃性的有害氣體極易滲入隧道中，尤其是在隧道侷限空間內，若未能及時採取適當的預防措施及處理對策，即使是在很低的濃度下，仍存在隨時發生爆炸的潛在風險。
目前習用技術的作法，是於隧道的已開挖段，每隔固定里程上裝設固定式氣體偵測器，而隨著隧道開挖工作的進行，可即時監測施工隧道內偵測器所在位置有害氣體種類及濃度，監控施工隧道環境氣體品質，藉以遏止有害氣體濃度突然於隧道中突出，瞬間危害施工人員。
然而，習用技術的缺點在於，一般固定式氣體偵測器是採電化學或催化原理設計，對於具可燃性有害氣體的甲烷，其偵測靈敏度不夠高，比如可偵測的最低極限一般約在500ppm，也就是LEL1%以下的濃度便無法被偵測到。這對早期隧道內微量可燃性有害氣體逸出的追蹤及檢測氣體團塊濃度及分布情形是一個檢測盲點所在。
因此，非常需要一種創新的隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，可以快速檢測隧道空間中未知有害氣體濃度及大略分布情形的設備及技術，進而推估每個施工階段隧道內未知有害氣體濃度分布於隧道各區段的情形，可以在隧道各階段開挖期間確實掌握隧道內有害氣體濃度和可能出氣位置，或在隧道施工期間時預期可能氣體大量滲出區段採取各項警戒措施，避免應變不及或致災等風險，藉以解決上述習用技術的所有問題。
本發明之主要目的在於提供一種隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，包括依序進行的步驟S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，且本發明方法是搭配包含氣體收集單元、檢測分析單元以及定位指示單元的氣體量測系統，用以針對隧道的隧道空間進行氣體量測。
具體而言，本發明方法是從步驟S10開始，設置氣體量測系統於隧道中，並將氣體收集單元連接至檢測分析單元；接著，在步驟S20中啟動定位指示單元以發射多個雷射光而投射至隧道的隧道空間的壁面，進而在壁面上形成多個雷射光點，並由該等雷射光及該等雷射光點將隧道空間分割成具扇形狀的多個量測區域；執行步驟S30，選定該等量測區域的其中一量測區域以當作目標量測區域，且由氣體收集單元採樣並收集目標量測區域的氣體而傳送至檢測分析單元；進入步驟S40，利用檢測分析單元以分析來自氣體收集單元的氣體，檢測分析單元包含光譜儀及分析電腦裝置，光譜儀為移動式氣體傅立葉轉換紅外線(FTIR)光譜儀，是電氣連接至具有影像顯示功能的分析電腦裝置，並在分析電腦裝置的控制下而運作，且光譜儀具有連接口，用以連接至氣體收集單元以接收、感測目標量測區域的氣體而產生並傳送光譜分析資料至分析電腦裝置；在步驟S50中，利用分析電腦裝置依據光譜分析資料以分析目標量測區域的氣體而產生並顯示分析結果；然後執行步驟S60，判斷是否完成所有的該等量測區域的氣體量測，如果未完成所有的該等量測區域的氣體量測，則回到步驟S30，並選定該等量測區域的另一量測區域以當作目標量測區域，重複後續操作，直到完成所有的該等量測區域的氣體量測；以及步驟S70，結束隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法的操作。
整體而言，本發明利用全新設計的氣體收集單元，並在搭配檢測分析單元以及定位指示單元下協同運作，可快速組立進行檢測，進而即時了解空間之有害氣體種類及濃度，尤其，可快速地檢測區域空間中未知氣體種類及濃度概況，以便即時處理應對。
此外，本發明方法能在隧道工程施工過程中能掌握可燃性氣體滲出的高風險區段研擬因應對策，預防在施工時遭遇預期外的氣體大量滲出，導致應變不及或致災等風險。
以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
請同時參考第一圖及第二圖，分別為本發明實施例隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法的操作流程圖及系統示意圖。如第一圖所示，本發明實施例的隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法包括依序進行的步驟S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70，且本發明方法是搭配如第二圖所示包含氣體收集單元10、檢測分析單元20以及定位指示單元30的氣體量測系統，用以針對隧道的隧道空間S進行氣體量測。
進一步，氣體收集單元10、檢測分析單元20以及定位指示單元30的示意圖是分別如第三圖、第四圖及第五圖所示，其中氣體收集單元10包含氣體採集吸頭11、空氣過濾器13、多個採集支撐管15以及集氣管路17，而圖中是只顯示具有三採集支撐管15的示範性實例，不過並非以此為限，且檢測分析單元20包含光譜儀21及分析電腦裝置22，此外，定位指示單元30包含光標定位發射器31及支撐腳架33。
具體而言，上述的氣體採集吸頭11連接空氣過濾器13，而該等採集支撐管15是逐一連成一體後在連接至空氣過濾器13以及集氣管路17之間。較佳的，採集支撐管15可由高強度的黑色碳纖維構成，並具有輕量化的特性及可續接的功能，而採集支撐管15可由白色的聚四氟乙烯(鐵氟龍，PTFE)構成。因此，外部的氣體可由氣體採集吸頭11進入空氣過濾器13過濾去除粉塵、微粒固體雜質，再流入採集支撐管15以及集氣管路17。
再者，檢測分析單元20的光譜儀21是電氣連接至分析電腦裝置22，並且是在分析電腦裝置22的控制下而運作。此外，光譜儀21具有連接口21A，用以連接至集氣管路17，且較佳的，光譜儀21可為移動式氣體傅立葉轉換紅外線(FTIR)光譜儀。
此外，定位指示單元30的光標定位發射器31是連接在支撐腳架33上而固定，而支撐腳架33可為三腳架，比如由不銹鋼管製成，做為光標定位發射器31的支撐架，不過並非以此為限。光標定位發射器31包含圓形的支撐盤31A、多個卡套31B、多個雷射光發射器31C，其中該等卡套31B是安置在支撐盤31A上，並靠近支撐盤31A的邊緣，尤其是以徑向方式相互間隔開而排列，用以供該等雷射光發射器31C插設而固定，並由每個雷射光發射器31C發射出個別的雷射光L，因此，雷射光L是朝支撐盤31A的邊緣並以徑向方式向外投射至壁面W。
較佳的，雷射光源發射器31C是利用可充電式鋰電池(圖中未顯示)以提供電力而發射雷射光L，且雷射光L可為綠色光的雷射光。另外，光標定位發射器30可進一步包含卡栓(圖中未顯示)，是位於支撐盤31A的中間區域，用以旋轉支撐盤31A而改變該等雷射光L的投射方向。再者，光標定位發射器30可配置前刻度盤及後刻度盤(圖中未顯示)，是分別貼附而固定在支撐盤31A的正面及背面，尤其，前刻度盤及後刻度盤具有多個刻度，而該等卡套31B是安置在前刻度盤或後刻度盤的該等刻度上，因此，當卡栓轉動時，可同時轉動前刻度盤及後刻度盤上的該等雷射光源發射器31C，而改變該等雷射光L的投射方向。
首先，本發明實施例的隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法是從步驟S10開始，在隧道中設置上述的整個氣體量測系統，主要包含將氣體收集單元10連接至檢測分析單元20，亦即連接氣體收集單元10的集氣管路17至檢測分析單元20的連接口21A，並將定位指示單元30設置在隧道的地面特定位置。
之後，在步驟S20中啟動定位指示單元30，由該等雷射光發射器31C發射出個別的雷射光L而投射到隧道的隧道空間S的壁面W，並在壁面W上形成多個雷射光點P，此時，該等雷射光L及雷射光點P可將隧道空間S分割成扇形狀的多個量測區域，亦即該等雷射光L等同實體的分割線，方便現場人員清楚辨識每個量測區域。
接著執行步驟S30，利用氣體收集單元10進行氣體的採樣以及收集，主要是先選定隧道空間S中的某一量測區域，當作目標量測區域，再將氣體採集吸頭11放到目標量測區域中，比如使用者可站在地面上握住採集支撐管15而移動氣體採集吸頭11到目標量測區域。此時，檢測分析單元20的光譜儀21是經由連接口21A抽入氣體，因而將目標量測區域的氣體，經由氣體採集吸頭11、空氣過濾器13、採集支撐管15以及集氣管路17而吸入以完成氣體採樣、收集。
然後在步驟S40中，利用檢測分析單元20分析來自目標量測區域的氣體，主要是利用光譜儀21進行傅立葉轉換紅外線光譜分析以產生光譜分析資料，並傳送至分析電腦裝置22。接著在步驟S50中，由分析電腦裝置22依據光譜分析資料料以分析目標量測區域的氣體，進而產生並顯示分析結果。舉例而言，分析結果可包含數據及圖表，用以表示目標量測區域的氣體的種類以及濃度。
之後進入步驟S60，判斷是否完成所有的量測區域。如果未完成所有的量測區域，則回到步驟S30，選定另一量測區域以當作目標量測區域，再將氣體採集吸頭11放到所選定的目標量測區域中，重覆上述的操作。如果已完成所有的量測區域，則進入步驟S70，結束隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法的操作。
另外，氣體採集吸頭11的前端可具有倒鉤的設計，用以防止灰塵或水份於採氣的第一時間吸入集氣管路17中。空氣過濾器13的外殼可為聚四氟乙烯(PTFE)材質，而空氣過濾器13的濾膜材質可為聚丙烯(PP)，並可在採氣檢測時過濾10μm以上的微粒灰塵，藉以防止一些較粗顆粒灰塵於氣體收集單元10的前端就吸入管路內而造成管路阻塞。採集支撐管15具有快速連接組立中空的特點，可使鐵弗龍的集氣管路17在中空的採集支撐管15中獲得支撐。集氣管路17是特別設計成具有抗酸抗鹼不易腐蝕的特性。
進一步，上述的光譜儀21包含氣體管線迴路及干涉儀，且氣體管線迴路係整合一顆採用無刷馬達的真空幫浦，以使得最大吸氣流量可高達10LPM以上，其中真空幫浦可達約580mmHg的真空度，亦即，單位體積下壓力僅剩下約0.3atm左右。此外，光譜儀21內是採用自體發射紅外線光源，再經由干涉儀對採氣管路17所抽取而進入光徑測試腔內的氣體進行檢測，藉以得知未知氣體的特性。再者，分析電腦裝置22是配置包含分析及控制用的電腦主機以及顯示用的螢幕，用來控制整套設備的採氣、啟動及檢測分析等動作，並搭配光譜儀21，接收由光譜儀21傳過來經傅立葉轉換後的電子訊號，亦即上述的光譜分析資料，藉以比對內建的標準氣體資料庫而進一步得知檢測氣體的種類及濃度。
更加具體而言，由光標定位發射器31所發射的該等雷射光L具有區分隧道內整個量測空間的功能，比如是透過發射功率5mV且波長為532nm的綠光雷射，進而將隧道頂拱至水平方向的某斷面空間依照某一雷射光L的指示而每隔一定角度，比如30度，分割出一個空間以當作量測區域。
整體而言，本發明方法是在氣體收集單元及檢測分析單元完成連結組合後，啟動組立後的隧道光標定位指示單元，以進行隧道頂拱斷面空間的區隔定位。接著，光譜儀21在分析電腦裝置22的控制下啟動真空幫浦抽氣以進行採樣氣體及氣體分析作業，而約莫16秒後，即可針對採氣吸頭所在位置附近的氣體進行該空間的定性及半定量氣體分析，最後經過隧道全線多個隧道全斷面空間完整檢測，可將所有檢測數據彙整後繪製成氣體濃度(ppm)等值線平展投影圖，可以清楚了解隧道內有害氣體濃度分布的情形。如第六圖所示，本發明方法中分析結果的示範性實例示意圖，包含隧道中甲烷氣體濃度等值線的投影圖，其中左側同時還顯示量測區域的分佈，方便了解實際的量測操作。
因此，在隧道施工的各階段中，可利用本發明方法而隨時進行隧道全線氣體濃度檢測工作，藉以適時掌握有害氣體出漏段的分布及濃度變化情形，可確保隧道施工安全並能夠及早發現有害氣體大量突出的情形，提供一個強有力的防範預估與保障人員生命安全的能力。此外，本發明可提高對有害氣體濃度的偵測靈敏度，比如最低可以解析到1ppm的變化量，同時利用移動式氣體傅立葉轉換紅外線光譜儀，可有效率的進行檢測多種未知氣體，比如可高達380種以上，很適合應付廊道或隧道狹小空間操作。
綜上所述，本發明的特點在於利用全新設計的氣體收集單元，並在搭配檢測分析單元以及定位指示單元下協同運作，可快速組立進行檢測，進而即時了解空間之有害氣體種類及濃度，尤其，可快速地檢測區域空間中未知氣體種類及濃度概況，以便即時處理應對。此外，本發明方法能在隧道工程施工過程中能掌握可燃性氣體滲出的高風險區段研擬因應對策，預防在施工時遭遇預期外的氣體大量滲出，導致應變不及或致災等風險。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
10:氣體收集單元 11:氣體採集吸頭 13:空氣過濾器 15:採集支撐管 17:集氣管路 20:檢測分析單元 21:光譜儀 21A:連接口 22:分析電腦裝置 30:定位指示單元 31:光標定位發射器 31A:支撐盤 31B:卡套 31C:雷射光發射器 31D:卡栓 33:支撐腳架 L:雷射光 P:雷射光點 S:隧道空間 W:壁面 S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70:步驟
第一圖顯示依據本發明實施例隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法的操作流程圖。 第二圖顯示依據本發明實施例隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法的系統示意圖。 第三圖顯示依據本發明實施例隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法中氣體收集單元的示意圖。 第四圖顯示依據本發明實施例隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法中檢測分析單元的示意圖。 第五圖顯示依據本發明實施例隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法中定位指示單元的示意圖。 第六圖顯示依據本發明方法中分析結果的示範性實例示意圖。
S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70:步驟

Claims (7)

  1. 一種隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，包括： 一步驟S10，設置包含一氣體收集單元、一檢測分析單元以及一定位指示單元的一氣體量測系統於一隧道中，並將該氣體收集單元連接至該檢測分析單元； 一步驟S20，啟動該定位指示單元以發射多個雷射光而投射至該隧道的一隧道空間的一壁面而在該壁面上形成多個雷射光點，並由該等雷射光及該等雷射光點將該隧道空間分割成具扇形狀的多個量測區域； 一步驟S30，選定該等量測區域的其中一量測區域以當作一目標量測區域，且由該氣體收集單元採樣並收集該目標量測區域的氣體而傳送至該檢測分析單元； 一步驟S40，利用該檢測分析單元以分析來自該氣體收集單元的氣體，該檢測分析單元包含一光譜儀及一分析電腦裝置，該光譜儀為一移動式氣體傅立葉轉換紅外線(FTIR)光譜儀，是電氣連接至具有一影像顯示功能的該分析電腦裝置，並在該分析電腦裝置的控制下而運作，且該光譜儀具有一連接口，用以連接至該氣體收集單元以接收、感測該目標量測區域的氣體而產生並傳送一光譜分析資料至該分析電腦裝置； 一步驟S50，利用該分析電腦裝置依據該光譜分析資料以分析該目標量測區域的氣體而產生並顯示一分析結果； 一步驟S60，判斷是否完成所有的該等量測區域的氣體量測，如果未完成所有的該等量測區域的氣體量測，則回到該步驟S30，並選定該等量測區域的一另一量測區域以當作該目標量測區域，並重複後續操作，直到完成所有的該等量測區域的氣體量測；以及 一步驟S70，結束該隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法的操作， 其中該分析結果包含一數據及一圖表，用以表示該目標量測區域的氣體的一種類以及一濃度。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，其中該雷射光源發射器是利用一可充電式鋰電池以提供電力而發射該雷射光，且該雷射光為一綠色光的雷射光。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，其中該氣體收集單元包含一氣體採集吸頭、一空氣過濾器、多個採集支撐管以及一集氣管路，該氣體採集吸頭的一前端具有一倒鉤，該氣體採集吸頭是連接該空氣過濾器，該等採集支撐管是逐一連成一體後而連接至該空氣過濾器以及該集氣管路之間，該目標量測區域的氣體是由該氣體採集吸頭進入該空氣過濾器以過濾去除粉塵及微粒固體雜質而進一步流入該等採集支撐管而到達該集氣管路，該集氣管路係用以連接至該光譜儀的連接口。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，其中該等採集支撐管是由高強度的黑色碳纖維構成，並具有輕量化的特性及可續接的功能。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，其中該定位指示單元包含一光標定位發射器及一支撐腳架，該光標定位發射器是連接在該支撐腳架上而固定，該光標定位發射器包含圓形的一支撐盤、多個卡套以及多個雷射光發射器，該等卡套是安置在該支撐盤上，並靠近該支撐盤的一邊緣，而且是以一徑向方式相互間隔開而排列，用以供該等雷射光發射器插設而固定，由每個該等雷射光發射器所發射出的雷射光是朝該支撐盤的邊緣而以該徑向方式向外投射至該壁面。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，其中該支撐腳架為一三腳架。
  7. 依據申請專利範圍第5項所述之隧道空間紅外線光譜儀氣體量測方法，其中該光標定位發射器進一步包含一卡栓，是位於該支撐盤的一中間區域，用以旋轉該支撐盤而改變該等雷射光的投射方向。
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