TWM558351U - 氣體檢測裝置 - Google Patents

Abstract

一種氣體檢測裝置，用以檢測空氣中所含有的懸浮微粒濃度，其外殼中設置一光機構，光機構中成型有相互連通之一氣體流道與一光束通道，光束通道中設置一雷射模組以投射一光束照射氣體流道，氣體流道內位於光束通道橫跨處下方設有一光感測器，光感測器可偵測該光束照射氣體流道中氣體的懸浮微粒所產生之折射光點，供以計算該氣體中懸浮微粒之大小及濃度。氣體流道對應進氣口處更設置一氣體傳輸致動器，可驅動氣體在氣體流道中朝光感測器高速噴出，以對光感測器表面所沾附懸浮微粒進行清潔，藉此維持光感測器每次監測之精準度。

Description

氣體檢測裝置

本案關於一種氣體檢測裝置，尤指一種具有氣體傳輸致動器以導入氣流之氣體檢測裝置。

近年來，我國與鄰近區域的空氣汙染問題漸趨嚴重，尤其是細懸浮微粒(PM 2.5)之濃度數據常常過高，空氣懸浮微粒濃度之監測漸受重視，各種偵測裝置也相應新型見世。目前，市面上用於偵測懸浮微粒濃度之氣體檢測裝置，其工作原理為利用可為紅外光或雷射光之光束照射空氣通道中氣體之懸浮微粒發生散射，透過偵測、蒐集該散射光線，可依據米式散射理論 (Mie scattering theory)演算出懸浮微粒之粒徑與單位空間中不同粒徑的懸浮微粒數量。

然而，氣體檢測裝置由於具有連通外界空氣之空氣通道，且偵測散射光線之光感測器亦設置於空氣通道中，來自外界之汙染物易附著於光感測器上而影響其對散射光線之偵測，造成演算結果之誤差。針對此問題，目前的解決方式為透過軟體演算方式進行補償計算，但因實際應用上外界空氣中的懸浮微粒往往會隨時間變動而非維持固定值，故補償計算修正後的偵測值仍常與實際結果具有一定偏差。因此，針對用以偵測懸浮微粒濃度之氣體檢測裝置，其光感測器易受外界進入之懸浮微粒汙染遮蔽之缺失，實為產業界迫切需解決之問題。

本案係提供一種氣體檢測裝置，用以檢測空氣中所含有懸浮微粒之大小及濃度，並且能夠利用一氣體傳輸致動器導入氣體，藉此對光感測器進行噴氣清潔，以防止外界空氣中的汙染物附著於光感測器上而導致偵測結果產生偏差。

於本案之一廣義實施態樣中，氣體檢測裝置具有一外殼，外殼之腔室中設置一光機構，光機構中成型有相互連通之一氣體流道與一光束通道，其中氣體流道同時接通外殼之進氣口與出氣口。光機構中架構一雷射模組，以對該光束通道發射一光束。氣體流道中光束通道橫跨處下方設有一光感測器。該雷射模組所發射之光束照射氣體流道中氣體所含有的懸浮微粒，其所產生之折射光點受該光感測器偵測，供以計算氣體流道中氣體所含有的懸浮微粒的大小及濃度。本案之特徵在於氣體流道對應外殼之進氣口處，更設置一氣體傳輸致動器，在檢測過程或一預設時間點，氣體傳輸致動器受控制啟動，驅動外界氣體進入氣體流道中朝光感測器高速噴出。如此，除了可加速導入外界氣體以使檢測結果更能即時反應外界空氣狀態，更可對光感測器表面所沾附之懸浮微粒進行噴氣清潔，藉此維持光感測器每次監測之精準度，解決習知技術中光感測器易受汙染物影響偵測效能之問題。

於本案之較佳實施例中，氣體流道中對應進氣口位置設有一容置槽及複數個固定槽；氣體傳輸致動器由一噴氣孔片、一腔體框架、一致動器、一絕緣框架以及一導電框架依序堆疊設置構成，其中噴氣孔片包含複數個支架、一懸浮片以及一中空孔洞，支架具有一固定部成型為對應該固定槽之形狀，使該複數個支架可套置於氣體流道之該複數個固定槽，以定位該噴氣孔片容設於容置槽內。支架之連接部彈性支撐懸浮片，供使該懸浮片可進行往復式彎曲振動。

於本案之較佳實施例中，氣體檢測裝置更具有一驅動電路模組，包含一傳輸模組及一處理器，處理器控制該氣體傳輸致動器、該雷射模組及該光感測器之啟動，並將光感測器之偵測結果進行分析轉換成一監測數值。該監測數值由傳輸模組發送至外部連結裝置，以顯示該監測數值及通報警示。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。

本案提供一種氣體檢測裝置，用以檢測空氣中所含有之懸浮微粒濃度，舉例而言，該懸浮微粒可為PM2.5懸浮微粒或PM10懸浮微粒。請參閱第1圖，其為本案之一較佳實施例之氣體檢測裝置之結構示意圖。於本案實施例中，氣體檢測裝置100包含氣體傳輸致動器1、雷射模組2、光感測器3、光機構4、驅動電路模組8以及外殼10。其中，外殼10具有進氣口10a及出氣口10b，且兩者連通外殼10內部之一腔室10c，供以外部氣體由進氣口10a進入，通過腔室10c後由出氣口10b排出。光機構4設置於外殼10之腔室10c內，為一實體構件，其內部成型有一光束通道41及一氣體流道42。其中，氣體流道42同時連通外殼10之進氣口10a與出氣口10b，較佳者但不限為直線構造之通道。光束通道41為直線通道，且橫跨連通於氣體流道42。於本實施例中，氣體流道42與光束通道41相互垂直設置。於本實施例中，光機構4更包含一光源設置槽43與一容置槽44，光源設置槽43設置於光束通道41之一端；容置槽44設置於氣體流道42連接進氣口10a之一端，可為方形、圓形、橢圓形、三角形及多角形之其中之一。

上述之氣體傳輸致動器1位置為對應於進氣口10a，而架構於光機構4之氣體流道42上方，供以致動導引氣體氣流由進氣口10a導入。於本實施例中，氣體傳輸致動器1係固設於光機構4之容置槽44中，但不以此為限。於本案之另一些實施例中，容置槽44亦可開設於外殼10之進氣口10a中，以供固設氣體傳輸致動器1。

上述之雷射模組2為架構於光機構4之光源設置槽43中，用以發射一雷射光束，以照射於光束通道41中，並能照射通過氣體流道42。光感測器3設置於氣體流道42內，且位於光束通道41之下方位置。雷射模組2所發射之雷射光束通過氣體流道42時，得以照射到氣體傳輸致動器1與光感測器3之間在氣體流道42中所流通之氣體。

上述之光感測器3，係用以偵測雷射模組2所發射之雷射光束照射到氣體流道42中氣體之懸浮微粒所投射而折射之光點，藉此監測到空氣中所含有之懸浮微粒之大小及計算出懸浮微粒濃度。

請繼續參閱第1圖，驅動電路模組8包含一傳輸模組81及一處理器(未圖示)，處理器為控制氣體傳輸致動器1、雷射模組2及光感測器3之啟動，並對光感測器3所監測結果作分析運算及儲存。當處理器控制啟動氣體傳輸致動器1、雷射模組2及光感測器3時，氣體傳輸致動器1導引氣體氣流由進氣口10a導入，以進入氣體流道42中，氣體流道42中的氣體會受雷射模組2所投射通過光束通道41之光束照射，如此光感測器3偵測氣體流道42中氣體之懸浮微粒被照射而折射之光點，並將偵測監測結果傳送至處理器，處理器依據該偵測結果分析氣體中懸浮微粒大小，並計算出所含有懸浮微粒的濃度，據以分析產生一監測數值作儲存。處理器所儲存監測數值得由傳輸模組81發送至一外部連結裝置(未圖示)，外部連結裝置可以為雲端系統、可攜式裝置、電腦系統、顯示裝置等其中之一，以顯示監測數值及通報警示。

上述之氣體檢測裝置之檢測過程中或者在一預設時間點，處理器控制啟動氣體傳輸致動器1驅動，外部氣體由進氣口10a導入，並透過氣體傳輸致動器1得以高速導引噴出氣體於氣體流道42中流動，藉此對光感測器3表面所沾附之懸浮微粒進行噴出清潔，得以常態維持光感測器3之精準度。上述之預設時間點可為每次進行空氣檢測作業之前，或為具有固定時間間隔的複數個預設時間點 (例如：每三分鐘自動進行一次清潔)，亦可受使用者手動操作控制，或為利用軟體根據即時監測數值計算而動態決定，不以此處舉例為限。

此外，上述之傳輸模組81可透過有線傳輸或無線傳輸至外部裝置，有線傳輸方式如下，例如：USB、mini-USB、micro-USB等其中之一的有線傳輸模組，或是無線傳輸方式如下，例如：Wi-Fi模組、藍芽模組、無線射頻辨識模組、一近場通訊模組等其中之一的無線傳輸模組。

請同時參閱第2圖、第3A圖及第3B圖，第2圖為本案之氣體傳輸致動器固設於容置槽之外觀結構示意圖；第3A圖及第3B圖分別為第2圖所示之氣體傳輸致動器之相關構件分解正面結構示意圖與背面結構示意圖。本實施例之氣體傳輸致動器1為一微型化的氣體傳輸結構，可使氣體高速且大量地傳輸。本實施例之氣體輸送致動器1由噴氣孔片11、腔體框架12、致動器13、絕緣框架14及導電框架15等元件依序對應堆疊設置。

請參閱第4圖，第4圖為第2圖所示之容置槽之外觀結構示意圖。容置槽44更具有複數個固定槽441，以供噴氣孔片11卡扣固定於上。本實施例之固定槽441數量為四個，分別對應設置於容置槽44之四個邊角，且為L形凹槽，但不以此為限，其數量、凹槽態樣可依據實際需求任施變化。容置槽44之側邊更開設一第一凹槽442與一第二凹槽443。

請參閱第5圖，並同時參閱第3A圖及第3B圖。第5圖為第3A圖所示之噴氣孔片之俯視結構示意圖。噴氣孔片11為具有可撓性之材料製作，包含懸浮片110、中空孔洞111以及複數個支架112。懸浮片110為可彎曲振動之片狀結構，其形狀與尺寸大致對應容置槽44內緣，但不以此為限，懸浮片110之形狀亦可為方形、圓形、橢圓形、三角形及多角形其中之一。中空孔洞111係貫穿設置於懸浮片110之中心處，以供氣體流通。本實施例之支架112之數量係為四個，但不以此為限，其數量及型態主要與固定槽441相對設置，各支架112與所對應之固定槽441會形成一卡扣結構以相互卡合固定，惟實施態樣可依據實際情形任施變化。

舉例來說，如第4圖與第5圖所示，本實施例之每一支架112包含固定部1121及連接部1122，固定部1121與固定槽441 (如第4圖所示)的形狀相對應，皆為L形以相互匹配；亦即，固定部1121為L形之實體結構，而固定槽441為L形之凹槽，當固定部1121套置於固定槽441內，兩者可相互卡扣結合，藉此將噴氣孔片11容設於容置槽44之中。此卡扣結構設計可在水平方向產生定位效果，並增強噴氣孔片11與容置槽44之連接強度。更甚者，在組裝過程中，此卡扣結構設計可使噴氣孔片11快速且精準的定位在容置槽44中，具有輕薄簡單、便於組裝，與易於精準定位組裝之優點。同時，支架112之連接部1122連接於懸浮片110及固定部1121之間，為具有彈性之條狀結構，可使懸浮片110進行往復式地彎曲振動。複數個支架112在懸浮片110及容置槽44內緣之間定義出複數個空隙113(如第6A圖所示)，以供氣體流通。

請同時參閱第3A圖、第3B圖及第6A圖，第6A圖為第2圖所示之氣體傳輸致動器之A-A剖面結構示意圖。腔體框架12可為方形，承載疊置於噴氣孔片11之懸浮片110上。致動器13承載疊置於腔體框架12上，封蓋其中空結構，而在噴氣孔片11、腔體框架12及致動器13之間共同形成一共振腔室16。致動器13可由一壓電載板131、一調整共振板132及一壓電片133所構成，其中壓電載板131可為金屬板，其周緣可延伸形成一第一導電接腳1311以接收電流。調整共振板132同樣可為金屬板並貼附於壓電載板131上方。壓電片133為以壓電材料製成的板狀物，承載疊置於調整共振板132上。壓電片133通電後，會因壓電效應產生形變，並且在一特定的振動頻率之範圍內，帶動壓電載板131進行往復式振動。調整共振板132位於壓電片133與壓電載板131之間，作為兩者之間的緩衝物，可調整壓電載板131的振動頻率。基本上，調整共振板132的厚度大於壓電載板131的厚度，且調整共振板132的厚度可加以設計選擇，藉此調整致動器13的振動頻率。

請同時參閱第2圖、第3A圖及第3B圖，絕緣框架14與導電框架15依序承載疊置於致動器13上，導電框架15之外緣凸伸一第二導電接腳151，以及從內緣凸伸一彎曲狀電極152，電極152電性連接致動器13的壓電片133。如第2圖所示，導電框架15的第二導電接腳151以及壓電載板131的第一導電接腳1311，分別突出設置於容置槽44的第二凹槽443及第一凹槽442，藉此向外接通電流，並使壓電載板131、調整共振板132、壓電片133及導電框架15形成一共同迴路。此外，透過將絕緣框架14設置於導電框架15及壓電載板131之間，可避免導電框架15直接電性連接壓電載板131，造成短路。

請參閱第6A圖，其為第2圖所示之氣體傳輸致動器之A-A剖面結構示意圖，係表示氣體傳輸致動器1組裝於容置槽44上而對應於氣體流道42之初始狀態。噴氣孔片11、腔體框架12、致動器13、絕緣框架14及導電框架15依序對應堆疊設置於容置槽44上，以構成本實施例之氣體傳輸致動器1。在本案之較佳實施例中，噴氣孔片11與容置槽44之底面之間形成一氣流腔室17。氣流腔室17透過噴氣孔片11之中空孔洞111，連通致動器13、腔體框架12及懸浮片12之間的共振腔室16。透過控制共振腔室16中氣體之振動頻率，使其與懸浮片110之壓電振動頻率趨近於相同，可使共振腔室16與懸浮片110產生亥姆霍茲共振效應（Helmholtz resonance），俾使氣體傳輸效率提高。

請同時參閱第6A圖、第6B圖及第6C圖，第6B圖及第6C圖為第6A圖所示之氣體傳輸致動器之作動示意圖。如第6B圖所示，當壓電片133向上振動時，帶動噴氣孔片11之懸浮片110向上振動，使氣流腔室17之體積急遽擴張，導致氣流腔室17中壓力下降。氣流腔室17之負壓吸引外界大氣氣體由複數個空隙113流入，並經由中空孔洞111進入共振腔室16，使共振腔室16內氣壓增加而產生一壓力梯度。接著，如第6C圖所示，當壓電片133帶動噴氣孔片11之懸浮片110向下振動時，共振腔室16中的氣體經中空孔洞111快速流出，擠壓氣流腔室17內的空氣，並使匯聚後之氣體以接近白努利定律之理想氣體狀態快速且大量地噴出，且在流經光感測器3之後由外殼10之出氣口10b排出(見第1圖)。依據慣性原理，排氣後的共振腔室16內部氣壓低於平衡氣壓，會導引氣體再次進入共振腔室16中。是以，透過壓電片133往復式地上下振動，以及控制共振腔室16中之氣體與壓電片133之振動頻率趨近於相同，以產生亥姆霍茲共振效應，俾實現氣體高速且大量的傳輸。

綜上所述，本案所提供之具有氣體傳輸功能的氣體檢測裝置，其氣體傳輸致動器受壓電片驅動而上下振動，帶動共振腔室產生壓力變化，達到氣體傳輸之功效，且藉由設置於外殼腔室內之光機構提供一光束通道，可使光束更為集中。再者，本案更透過共振腔室中之氣體與壓電片共振頻率趨近於相同，以產生亥姆霍茲共振效應，俾進一步提升氣體之傳輸速率及傳輸量，使氣體以接近白努利定律之理想氣體狀態朝光感測器快速噴出，藉此清除附著在光感測器表面上之懸浮微粒，達到清潔光感測器之目的。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

100‧‧‧氣體檢測裝置
1‧‧‧氣體傳輸致動器
11‧‧‧噴氣孔片
110‧‧‧懸浮片
111‧‧‧中空孔洞
112‧‧‧支架
1121‧‧‧固定部
1122‧‧‧連接部
113‧‧‧空隙
12‧‧‧腔體框架
13‧‧‧致動器
131‧‧‧壓電載板
1311‧‧‧第一導電接腳
132‧‧‧調整共振板
133‧‧‧壓電片
14‧‧‧絕緣框架
15‧‧‧導電框架
151‧‧‧第二導電接腳
152‧‧‧電極
16‧‧‧共振腔室
17‧‧‧氣流腔室
2‧‧‧雷射模組
3‧‧‧光感測器
4‧‧‧光機構
41‧‧‧光束通道
42‧‧‧氣體流道
43‧‧‧ 光源設置槽
44‧‧‧容置槽
441‧‧‧固定槽
442‧‧‧第一凹槽
443‧‧‧第二凹槽
8‧‧‧驅動電路模組
81‧‧‧傳輸模組
10‧‧‧外殼
10a‧‧‧進氣口
10b‧‧‧出氣口
10c‧‧‧腔室

第1圖為本案之一較佳實施例之氣體檢測裝置之結構示意圖。 第2圖為本案之氣體傳輸致動器固設於容置槽之外觀結構示意圖。 第3A圖為第2圖所示之氣體傳輸致動器之相關構件分解正面結構示意圖。 第3B圖為第2圖所示之氣體傳輸致動器之相關構件分解背面結構示意圖。 第4圖為本案之容置槽之外觀結構示意圖。 第5圖為第3A圖所示之噴氣孔片之俯視結構示意圖。 第6A圖為第2圖所示之氣體傳輸致動器之A-A剖面結構示意圖。 第6B圖及第6C圖為第6A圖所示之氣體傳輸致動器之作動示意圖。

Claims (14)

1. 一種氣體檢測裝置，用以檢測空氣中所含有之懸浮微粒濃度，包含: 一外殼，具有一進氣口，一出氣口，以及內部具有一腔室，連通該進氣口及該出氣口； 一光機構，設於該腔室內，具有一氣體流道，連通該進氣口及該出氣口，以及具有一光束通道，連通該氣體流道； 一氣體傳輸致動器，架構於該光機構之該氣體流道上，並對應於該進氣口，供以受致動而導引氣體氣流由該進氣口導入； 一雷射模組，架構於該光機構上，可對該光束通道發射一光束； 一光感測器，設於該氣體流道內，並位於該光束通道下方位置，以偵測該雷射模組所發射光束照射該氣體流道中氣體之懸浮微粒所產生之折射光點，藉此監測計算該氣體氣流中所包含之懸浮微粒大小與懸浮微粒濃度； 藉此，啟動該氣體傳輸致動器、該雷射模組及光感測器，使氣體由該進氣口導入，再由該氣體傳輸致動器高速噴出於該氣體流道中，並由該出氣口導出於外殼之外，該氣體流道中氣體會受由通過該光束通道的之該光束照射，而由該光感測器監測分析該氣體氣流中懸浮微粒大小，並計算出該氣體氣流含有懸浮微粒的濃度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體檢測裝置，其中該光感測器監測出懸浮微粒可為PM2.5懸浮微粒。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體檢測裝置，其中該光感測器監測出懸浮微粒可為PM10懸浮微粒。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體檢測裝置，其中該氣體傳輸致動器高速噴出於該氣體流道中流動氣體，以對該光感測器表面沾附懸浮微粒進行噴出清潔，以維持該光感測器每次監測之精準度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體檢測裝置，更包含一驅動電路模組，該驅動電路模組包含一處理器及一傳輸模組，其中該處理器控制該氣體傳輸致動器、該雷射模組及該光感測器之啟動，並將該光感測器之偵測結果進行分析轉換成一監測數值，該監測數值由該傳輸模組發送給外部連結裝置，以顯示該監測數值及通報警示。
6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體檢測裝置，其中該傳輸模組係為一有線傳輸傳輸模組及一無線傳輸傳輸模組之至少其中之一。
7. 如申請專利範圍第6項所述之氣體檢測裝置，其中該有線傳輸傳輸模組係為一USB、一mini-USB、一micro-USB之至少其中之一。
8. 如申請專利範圍第6項所述之氣體檢測裝置，其中該無線傳輸傳輸模組係為一Wi-Fi模組、一藍芽模組、一無線射頻辨識模組及一近場通訊模組之至少其中之一。
9. 如申請專利範圍第5項所述之氣體檢測裝置，其中該外部連結裝置係為一雲端系統、一可攜式裝置、一電腦系統等至少其中之一。
10. 如申請專利範圍第1項所述之氣體檢測裝置，其中該光機構在該氣體流道中對應於該進氣口位置設置有一容置槽，該容置槽具有複數個固定槽。
11. 如申請專利範圍第10項所述之氣體檢測裝置，其中該氣體傳輸致動器包括： 一噴氣孔片，包含複數個支架、一懸浮片及一中空孔洞，該懸浮片可彎曲振動，該複數個支架套置於該複數個固定槽中，以定位該噴氣孔片容設於該容置槽內，並與該容置槽之底面之間形成一氣流腔室，且該複數個支架及該懸浮片與該容置槽之間形成至少一空隙； 一腔體框架，承載疊置於該懸浮片上； 一致動器，承載疊置於該腔體框架上，施加電壓而產生往復式地彎曲振動； 一絕緣框架，承載疊置於該致動器上；以及 一導電框架，承載疊設置於該絕緣框架上；其中，該致動器、該腔體框架及該懸浮片之間形成一共振腔室，透過該致動器驅動帶動該噴氣孔片產生共振，使該噴氣孔片之該懸浮片產生往復式地振動位移，以造成該氣體通過該至少一空隙進入該氣流腔室，再排出至該氣體流道中。
12. 如申請專利範圍第11項所述之氣體檢測裝置，其中該複數個支架包含一固定部及一連接部，其中該固定部之形狀與該複數個固定槽之形狀相對應，該連接部連接於該懸浮片及該固定部之間，該連接部彈性支撐該懸浮片，供該懸浮片進行往復式地彎曲振動。
13. 如申請專利範圍第11項所述之氣體檢測裝置，其中該致動器包含: 一壓電載板，承載疊置於該腔體框架上； 一調整共振板，承載疊置於該壓電載板上；以及 一壓電片，承載疊置於該調整共振板，施加電壓而驅動該壓電載板及調整共振板產生往復式地彎曲振動。
14. 如申請專利範圍第13項所述之氣體檢測裝置，其中該調整共振板之厚度大於該壓電載板之厚度。