TWI771806B - 微粒感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種微粒感測裝置，其用以偵測一流體中的微粒濃度。微粒感測裝置包含一偵測流道、一感測空間、一感測光源以及一感測元件。偵測流道可供流體通過。感測空間位於偵測流道的一側且連通偵測流道，並且感測空間由一圍壁圈圍而成。感測光源與感測空間分別位於偵測流道的相對兩側，且感測光源用以朝向偵測流道發出一光束，並且光束可與流體中的至少一微粒碰撞。感測元件設置於圍壁之內壁面，且感測元件用以感測光束碰撞到微粒後的一散射光能量。其中，感測元件與偵測流道之間具有一間隔距離。

Description

微粒感測裝置
本發明係關於一種微粒感測裝置，特別是一種適用於偵測流體中微粒濃度的微粒感測裝置。
因近年來我國長時間受到高濃度懸浮微粒的侵害，國人對懸浮微粒身體健康危害的認知提高，促使政府越來越重視懸浮微粒問題。
目前市面上常見的懸浮微粒感測器大都是利用光散色原理偵測懸浮微粒濃度，在光源感測部分結合光路、流場與感測元件形成偵測微粒之目的。這類產品由於光路、流場、感測元件三者形成正交型態，感測元件是放置於流場通過的位置，故在長時間使用下，大粒徑微粒或粉塵容易累積在感測器內部與感測元件上，就會容易影響懸浮微粒的濃度計算，使得感測誤差變大，亦會降低使用壽命。因此，如何改良習知的懸浮微粒感測器以避免懸浮微粒累積於感測元件上，為本領域技術人員所欲研究的課題。
本發明在於提供一微粒感測裝置，藉以解決先前技術中懸浮微粒感測器在長時間使用下大粒徑微粒或粉塵容易累積在感測器內部與感測元件上，影響懸浮微粒的濃度計算，使得感測誤差變大，並會降低懸浮微粒感測器使用壽命的問題。
本發明之一實施例所揭露之微粒感測裝置，其用以偵測一流體中的微粒濃度。微粒感測裝置包含一偵測流道、一感測空間、一感測光源以及一感測元件。偵測流道可供流體通過。感測空間位於偵測流道的一側且連通偵測流道，並且感測空間由一圍壁圈圍而成。感測光源與感測空間分別位於偵測流道的相對兩側，且感測光源用以朝向偵測流道發出一光束，並且光束可與流體中的至少一微粒碰撞。感測元件設置於圍壁的內壁面，且感測元件用以感測光束碰撞到微粒後的一散射光能量。其中，感測元件與偵測流道之間具有一間隔距離。
根據上述實施例所揭露的微粒感測裝置，透過將感測元件設置於偵測流道外，如此可避免待偵測的流體流經感測元件，進而避免流體中微粒沉澱累積在感測元件上，藉以能維持感測元件的感測準確度，減小感測誤差，以達到延長微粒感測裝置使用壽命的目的。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之實施例之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何本領域中具通常知識者了解本發明之實施例之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何本領域中具通常知識者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
於本說明書之所謂的示意圖中，由於用以說明而可有其尺寸、比例及角度等較為誇張的情形，但並非用以限定本發明。於未違背本發明要旨的情況下能夠有各種變更。說明中之描述之「上」可表示「懸置於上方」或「接觸於上表面」。此外，說明書中所描述之「上側」、「下側」、「上方」、「下方」等用語，為便於說明，而非用以限制本發明。說明書中所描述之「實質上」可表示容許製造時之公差所造成的偏離。
請參照圖1至圖3，其中圖1為根據本發明第一實施例所述之微粒感測裝置的立體剖面示意圖，圖2為圖1之微粒感測裝置的上視示意圖，且圖3為圖2之微粒感測裝置的局部區域AA的放大示意圖。
本實施例提供一種微粒感測裝置1，用以偵測一流體中的微粒濃度。微粒感測裝置1包含一偵測流道11、一入流道12、一出流道13、一感測空間14、一感測光源15、一感測元件16、兩個凸塊17以及一風扇18。
偵測流道11可供待偵測的流體通過，且偵測流道11具有位於其上游處的一進流口111以及位於其下游處的一出流口112。
入流道12連接於偵測流道11的進流口111，且出流道13連接於偵測流道11的出流口112，以共同形成供待偵測的流體通過的流路。具體來說，待偵測的流體在進入微粒感測裝置1後是沿流體流動方向Df依序流經入流道12、偵測流道11和出流道13。
感測空間14位於偵測流道11的一側，且感測空間14具有連通偵測流道11的一空間開口141，從而感測空間14係從偵測流道11的一側朝遠離偵測流道11之方向延伸的一空間。並且，感測空間14係由一圍壁SW圈圍而成。在本實施例中，空間開口141的中心軸線CL1實質上垂直於偵測流道11的流道方向D11，但本發明不以此為限。在其他實施例中，空間開口的中心軸線可以實際設計需求而與偵測流道的流道方向夾一銳角。所述實質上垂直可指兩元件(例如線和線、面和面或線和面)間之夾角為90度或趨近於90度。另外，在本文中所述之實質上平行可指兩元件(例如線和線、面和面或線和面)間之夾角為180度或趨近於180度。
感測光源15可例如為雷射光源，其與感測空間14分別位於偵測流道11的相對兩側，且感測光源15用以朝向偵測流道11發出一光束，並且光束可與流體中的微粒碰撞。
感測元件16可例如為光電二極體(Photodiode，PD)，其設置於圍壁SW的內壁面IWS，且感測元件16用以感測光束碰撞到微粒後的一散射光能量，並例如透過感測電路轉換成電壓信號，經類比數位轉換器取樣後由微控制器內部演算法計算出通過的微粒數目與微粒產生散射的能量，從而可測得流體中的微粒濃度。其中，感測元件16與偵測流道11之間具有一間隔距離DG，亦即感測元件16是設置於偵測流道11外，如此可避免待偵測的流體流經感測元件16，進而避免流體中微粒沉澱累積在感測元件16上，藉以能維持感測元件16的感測準確度，減小感測誤差，以達到延長微粒感測裝置1使用壽命的目的。在本實施例中，感測元件16具有一感測表面161，光束自感測光源15射出的方向DR1與感測表面161的法線方向N1之間的一夾角為90度，並且光束自感測光源15射出的方向DR1與感測表面161不相交。
在本實施例中，感測表面161的法線方向N1係和光束自感測光源15射出的方向DR1垂直(即夾角為90度)，但本發明不以此為限。在其他實施例中，光束自感測光源射出的方向與感測表面的法線方向之間的一夾角可為60度至120度。此外，本實施例中感測元件16係設置於圍壁SW的內壁面IWS的其中一區域做為示例，但此設置位置並非用以限定本發明。應可理解的是，只要在滿足上述「感測元件16與偵測流道11之間具有一間隔距離DG」、「光束自感測光源15射出的方向DR1與感測表面161不相交」和「光束自感測光源15射出的方向DR1與感測表面161的法線方向N1之間的一夾角為60度至120度」的條件下，感測元件16係可依實際設計需求而設置於圈圍感測空間14之圍壁SW的內壁面IWS之任意區域上。
在本實施例中，偵測流道11具有一上游段113，且上游段113位於感測空間14的空間開口141和偵測流道11的進流口111之間，其中上游段113的內徑從靠近空間開口141處往進流口111的方向漸增，亦即上游段113的內徑係從其上游往下游的方向漸減，藉以使流體在進入偵測流道11後可穩定加速，並讓流體中微粒穩定快速流經感測空間14的空間開口141。舉例來說，偵測流道11的上游段113的橫斷面可為矩形，且橫斷面為從上游往下游漸縮的形式，面積變化可為14 mm 2~7 mm 2。更具體地，偵測流道11的上游段113的內徑寬度從上游往下游的變化可為3.5 mm~1.75 mm，而偵測流道11的上游段113的高度可為4 mm。此外，感測空間14的空間開口141長度(平行偵測流道11流道方向)可為2.8 mm，高度可為4 mm，其面積為11.2 mm 2。
凸塊17設置於偵測流道11中，且凸塊17位於空間開口141和偵測流道11的進流口111之間，其中兩個凸塊17彼此相對設置且其中一者鄰近空間開口141。藉此，可進一步縮減凸塊17所在處偵測流道11的內徑，使流體中微粒可更快速的經過空間開口141，減少微粒在空間開口141上方彼此碰撞，以避免微粒穿過空間開口141進入感測空間14內甚或落於感測元件16上。
在本實施例中，凸塊17係具有圓滑表面而為球形凸起，但本發明的凸塊並不以此形狀為限。在其他實施例中，凸塊可具有一尖銳頂端或可具有大曲率半徑的一平緩頂部，其中所述大曲率半徑例如為0.25 mm~0.75 mm之間，其所對應之曲率為1.33~4。另外，在其他實施例中，鄰近空間開口的凸塊可具有一側平面，且所述側平面與圍壁的內壁面連接並切齊。進一步地，所述凸塊的側平面可與偵測流道之流道方向互相垂直。
風扇18設置於出流道13的下游處，以驅動流體的流動並可將流體排出微粒感測裝置1。
下表一為本實施例之微粒感測裝置1與用於比較測試之對照懸浮微粒感測器在高濃度粉塵測試後之器差變化比較表。其中本實施例之微粒感測裝置1的感測元件16係設置於偵測流道11外，而對照懸浮微粒感測器的感測元件則係設置於偵測流道內；具體來說，本實施例之微粒感測裝置1的感測元件16係設置於從偵測流道11旁延伸出的感測空間14的圍壁SW上，而對照懸浮微粒感測器的感測元件則係直接設置而暴露於偵測流道中。本實施例之偵測流道11的橫斷面和對照懸浮微粒感測器的偵測流道的橫斷面同樣皆為矩形，且微粒感測裝置1和對照懸浮微粒感測器二者具有類似的偵測流道尺寸。高濃度粉塵測試中分成三個階段，其中第一階段為腔室中點菸校正，第二階段為高濃度粉塵腔室環境測試，且第三階段為戶外測試。在第一階段中分別對本實施例之微粒感測裝置1與對照懸浮微粒感測器進行三次點菸測試，紀錄器差中位數，並與經認證之參照感測器(MSTC GS)進行比較，而得到表一中落塵前的器差中位數變化量。在第二階段中分別對本實施例之微粒感測裝置1與對照懸浮微粒感測器取測試組進行高濃度測試，其中高粉塵測試取濃度PM2.5 = 27.8 ug/m 3當參考值，年平均濃度為27.8 ug/m 3，總測試時間為120小時。在第三階段中分別對本實施例之微粒感測裝置1與對照懸浮微粒感測器取測試組與MSTC GS之參照組進行戶外測試，紀錄器差中位數，並與MSTC GS之參照組進行比較，而得到表一中落塵後的器差中位數變化量。
表一
  器差中位數 差異
落塵前(點菸) 落塵後(戶外)
微粒感測裝置1 (第1測試組) 19.80% 15.15% -4.64%
微粒感測裝置1 (第2測試組) 20.92% 27.80% 6.88%
微粒感測裝置1 (第3測試組) 21.91% 31.01% 9.10%
對照懸浮微粒感測器(第1測試組) 26.47% -36.67% -63.14%
對照懸浮微粒感測器(第2測試組) 31.62% -31.21% -62.83%
對照懸浮微粒感測器(第3測試組) 27.25% -41.82% -68.97%
從表一可知，在高濃度粉塵測試後，本實施例之微粒感測裝置1的器差變化(差異)小於30%，仍符合環保署需求，然對照懸浮微粒感測器的器差變化(差異)則是大於30%，已經不符環保署的使用需求。因此，由測試結果可知，本實施例之微粒感測裝置1相較於對照懸浮微粒感測器可具有更長的使用壽命。
請參照圖4，係為根據本發明第二實施例所述之微粒感測裝置的剖面上視示意圖。
本實施例提供一種微粒感測裝置1b，其與第一實施例的微粒感測裝置1類似，其間主要的差異在於本實施例的微粒感測裝置1b相較於第一實施例的微粒感測裝置1更包含一副流道19b以及一凸出結構20b。
具體來說，副流道19b包含彼此連通的一下游段191b以及一上游段192b，副流道19b的下游段191b遠離上游段192b的一端連接出流道13b，且副流道19b的上游段192b遠離下游段191b的一端連接於入流道12b和偵測流道11b的連接處。此外，在本實施例中，入流道12b的流道方向D12b不平行於偵測流道11b的流道方向D11b，且副流道19b的上游段192b的流道方向D192b實質上平行於入流道12b的流道方向D12b。本實施例的入流道12b的流道方向D12b及副流道19b的上游段192b的流道方向D192b皆實質上垂直於偵測流道11b的流道方向D11b。如此，利用慣性的原理，使流體中相對大粒徑的顆粒直接流入副流道19b中，而相對小粒徑的顆粒進入偵測流道11b，達到分篩的目的，以減少大粒徑顆粒的干擾而影響感測結果，從而可提升偵測的準確性和高濃度範圍。其中，所述高濃度範圍為100~500 ug/m 3。另，若大粒徑顆粒進入偵測流道時，會使偵測濃度異常變大，使欲所測得的小粒徑濃度偏離實際的濃度值。
副流道19b的上游段192b具有一第一內徑WD1，且入流道12b具有一第二內徑WD2，其中第一內徑WD1大於第二內徑WD2，且在本實施例中第一內徑WD1和第二內徑WD2的比值為1.5，但本發明不以此為限，在其他實施例中，第一內徑和第二內徑的比值可為1.2至2之間的數值。此外，副流道19b的上游段192b具有平行其流道方向D192b的一第一中心軸AL1，且入流道12b具有平行其流道方向D12b的一第二中心軸AL2，其中第一中心軸AL1與第二中心軸AL2不共軸，且第一中心軸AL1較第二中心軸AL2靠近光束自感測光源15b射出的方向DR1與偵測流道11b的交匯處ITA。藉此，使偵測流道11b之進流口111b處延伸出流道空間FS，而且偵測流道11b之進流口111b之寬度增加，因此小粒徑顆粒在入流道12b和偵測流道11b連接處轉向時，能不受阻擋而更順利進入偵測流道11b。並且，透過上述第一內徑WD1和第二內徑WD2的比例設計，配合大粒徑顆粒因慣性原理而具有較大的轉彎半徑，可確保大粒徑顆粒在轉向時即被上游段192b靠近交匯處ITA的內壁1921b止擋，而直接流入副流道19b中。
凸出結構20b位於入流道12b和偵測流道11b連接處且位於入流道12b靠近所述交匯處ITA的側壁121b上，其中凸出結構20b與入流道12b遠離所述交匯處ITA的側壁122b之間的距離WD3小於所述入流道12b的第二內徑WD2。藉此，可進一步加大入流道12b內徑和副流道19b內徑的比例差異，有助於大、小粒徑顆粒在入流道12b之分流處的分篩。
根據上述實施例之微粒感測裝置，透過將感測元件設置於偵測流道外，如此可避免待偵測的流體流經感測元件，進而避免流體中微粒沉澱累積在感測元件上，藉以能維持感測元件的感測準確度，減小感測誤差，以達到延長微粒感測裝置使用壽命的目的。
此外，在一實施態樣中，偵測流道的上游段的內徑係從其上游往下游的方向漸減，藉以使流體在進入偵測流道後可穩定加速，並讓流體中微粒穩定快速流經感測空間的空間開口。
另外，在一實施態樣中，進一步在感測空間的空間開口和偵測流道的進流口之間設置凸塊，可進一步縮減凸塊所在處偵測流道的內徑，使流體中微粒可更快速的經過空間開口，減少微粒在空間開口上方彼此碰撞，以避免微粒穿過空間開口進入感測空間內甚或落於感測元件上。
並且，在一實施態樣中，微粒感測裝置更包含連接於入流道和偵測流道連接處的一副流道，可利用慣性的原理，使流體中相對大粒徑的顆粒直接流入副流道中，而相對小粒徑的顆粒進入偵測流道，達到分篩的目的，以減少大粒徑顆粒的干擾而影響感測結果，從而可提升偵測的準確性和高濃度範圍。
再者，在一實施態樣中，副流道的內徑大於入流道的內徑，且副流道的中心軸較入流道的中心軸靠近光束自感測光源射出的方向與偵測流道的交匯處，使偵測流道之進流口處延伸出流道空間且進流口之寬度增加，以讓更多的小粒徑顆粒在入流道和偵測流道連接處轉向時，能不受阻擋而更順利進入偵測流道。
更進一步地，在一實施態樣中，於入流道靠近光束自感測光源射出的方向與偵測流道交匯處的側壁上設有凸出結構，可進一步加大入流道內徑和副流道內徑的比例差異，有助於大、小粒徑顆粒在偵測流道和副流道分流處的分篩。
雖然本發明以前述之諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1、1b…微粒感測裝置 11、11b…偵測流道 111、111b…進流口 112…出流口 113…上游段 12、12b…入流道 121b…入流道靠近交匯處的側壁 122b…入流道遠離交匯處的側壁 13、13b…出流道 14…感測空間 141…空間開口 15、15b…感測光源 16…感測元件 161...感測表面 17…凸塊 18…風扇 19b…副流道 191b…下游段 192b…上游段 1921b…上游段靠近交匯處的內壁 20b…凸出結構 CL1…空間開口的中心軸線 Df…流體流動方向 DG…間隔距離 D11、D11b…偵測流道的流道方向 DR1…光束自感測光源射出的方向 N1…感測表面的法線方向 D12b…入流道的流道方向 D192b…上游段的流道方向 WD1…第一內徑 WD2…第二內徑 WD3…凸出結構與入流道遠離交匯處的側壁之間的距離 AL1…第一中心軸 AL2…第二中心軸 ITA…光束自感測光源射出的方向與偵測流道的交匯處 FS…流道空間 SW…圍壁 IWS…內壁面
圖1為根據本發明第一實施例所述之微粒感測裝置的立體剖面示意圖。 圖2為圖1之微粒感測裝置的上視示意圖。 圖3為圖2之微粒感測裝置的局部區域AA的放大示意圖。 圖4為根據本發明第二實施例所述之微粒感測裝置的剖面上視示意圖。
1…微粒感測裝置 11…偵測流道 12…入流道 13…出流道 14…感測空間 15…感測光源 16…感測元件 18…風扇 SW…圍壁

Claims (19)

  1. 一種微粒感測裝置，用以偵測一流體中的微粒濃度，該微粒感測裝置包含：一偵測流道，可供該流體通過；一感測空間，位於該偵測流道的一側且連通該偵測流道，並且該感測空間由一圍壁圈圍而成；一感測光源，與該感測空間分別位於該偵測流道的相對兩側，且該感測光源用以朝向該偵測流道發出一光束，並且該光束可與該流體中的至少一微粒碰撞；以及一感測元件，設置於該圍壁之內壁面，且該感測元件用以感測該光束碰撞到該至少一微粒後的一散射光能量；其中，該感測元件與該偵測流道之間具有一間隔距離。
  2. 如請求項1所述之微粒感測裝置，其中該感測元件具有一感測表面，且該光束自該感測光源射出的方向與該感測表面不相交。
  3. 如請求項2所述之微粒感測裝置，其中該光束自該感測光源射出的方向與該感測表面的法線方向之間的一夾角為60度至120度。
  4. 如請求項1所述之微粒感測裝置，更包含一凸塊，其中該凸塊設置於該偵測流道中，該偵測流道具有位於其上游處的一進流口，該感測空間具有一空間開口，該空間開口連接該偵測流道，該凸塊位於該空間開口和該進流口之間，且該凸塊鄰近該空間開口。
  5. 如請求項4所述之微粒感測裝置，其中該空間開口的中心軸線實質上垂直於該偵測流道的流道方向。
  6. 如請求項4所述之微粒感測裝置，其中該凸塊具有圓滑表面。
  7. 如請求項4所述之微粒感測裝置，其中該凸塊具有一尖銳頂端或具有大曲率半徑的一平緩頂部。
  8. 如請求項4所述之微粒感測裝置，其中該凸塊具有一側平面，且該側平面與該圍壁之內壁面連接並切齊。
  9. 如請求項8所述之微粒感測裝置，其中該凸塊之該側平面與該偵測流道之一流道方向垂直。
  10. 如請求項1所述之微粒感測裝置，其中該偵測流道具有一上游段以及一進流口，該上游段位於該感測空間和該進流口之間，且該偵測流道之該上游段的內徑從靠近該感測空間處往該進流口的方向漸增。
  11. 如請求項1所述之微粒感測裝置，更包含一入流道以及一副流道，其中該偵測流道具有位於其上游處的一進流口，該入流道連接該偵測流道的該進流口，該入流道的流道方向不平行於該偵測流道的流道方向，且該副流道連接於該入流道和該偵測流道的連接處。
  12. 如請求項11所述之微粒感測裝置，其中該副流道包含一上游段及連通該上游段的一下游段，該副流道的該上游段連接於該入流道和該偵測流道的連接處，且該副流道的該上游段的流道方向實質上平行於該入流道的流道方向。
  13. 如請求項12所述之微粒感測裝置，其中該副流道的該上游段具有平行其流道方向的一第一中心軸，該入流道具有平行其流道方向的一第二中心軸，該第一中心軸與該第二中心軸不共軸，且該第一中心軸較該第二中心軸靠近該光束自該感測光源射出的方向與該偵測流道的一交匯處。
  14. 如請求項11所述之微粒感測裝置，其中該副流道具有一第一內徑，該入流道具有一第二內徑，且該第一內徑大於該第二內徑。
  15. 如請求項14所述之微粒感測裝置，其中該第一內徑和該第二內徑的比值為1.2至2。
  16. 如請求項11所述之微粒感測裝置，其中該入流道的流道方向實質上垂直於該偵測流道的流道方向。
  17. 如請求項11所述之微粒感測裝置，更包含一凸出結構，其中該凸出結構位於該入流道和該偵測流道連接處且位於該入流道靠近該光束自該感測光源射出的方向與該偵測流道的一交匯處的側壁上，該凸出結構與該入流道遠離該交匯處的側壁之間的距離小於該入流道的內徑。
  18. 如請求項12所述之微粒感測裝置，更包含一出流道，其中該偵測流道更具有位於其下游處的一出流口，該出流道連接該出流口，該副流道的該下游段遠離該副流道的該上游段的一端連接於該出流道，該副流道的該上游段遠離該副流道的該下游段的一端連接於該入流道和該偵測流道的連接處。
  19. 如請求項1所述之微粒感測裝置，更包含一風扇，其中該風扇設置於該偵測流道的下游處。
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