TWM618677U - 揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置 - Google Patents

Abstract

一種揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，包括殼體、感測器、微型控制器、震動馬達以及主電源所構成。本裝置裝設於呼吸防護具之面體與濾毒罐之間，藉由進氣閥片能有效降低二氧化碳直接影響測值；另在呼吸阻抗實驗發現本裝置對於整體阻抗影響不大（本創作的偵測警示裝置增加之平均阻抗值為2.6 mmH ₂O，測試流量為85 L/min），因此不會對使用者增加呼吸上的負擔。依據測試結果，本創作定義揮發性有機物質（以甲苯為實施例）暴露環境兩種濾毒罐破出條件，一為工作場所中八小時日時量平均容許濃度（PEL-TWA）的十分之一（以甲苯為實施例，10 ppm）作為破出警示條件；另一破出條件為計算5秒內的數值差比值（上升斜率），若比值大於1.5則視為濾毒罐破出。而本裝置選用800 mAh容量的鋰電池作為主電源，在測試條件下可達成8小時連續量測及濾毒罐破出持續告警。

Description

揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置

本創作係有關於一種揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝 置，尤指涉及一種裝設在濾毒罐與呼吸防護具之間，不僅不破壞呼吸防護具之功能，亦可達成有機溶劑之破出量測，特別係指可根據濾毒罐吸附不同量（不同時間）及在不同溫濕度環境下是否有污染物再釋出之問題，提出濾毒罐使用管理建議，藉此破除勞工呼吸防護具有戴有保護之迷思，給予管理者參考更換濾毒罐之時機者。

事業單位常因產品製造之需求進行複雜且具呼吸暴露危害可 能之製程，該製程可能產生大量粉塵、燻煙、蒸汽、酸鹼霧滴/蒸汽、有機氣體、毒性氣體、生物氣膠等以及缺氧環境，透過職業衛生的概念可優先由源頭改善與傳播途徑控制著手；然而，過去已有許多實際的案例常為突發事件或是於不了解環境問題的狀況下發生，因此比較無法透過製程改善與通風裝置有效改善或減少人員有害物之暴露時，就必須考慮採用針對作業人員的防護措施，而最主要的緊急呼吸防護措施就是配戴適當之濾毒罐防毒面具（air-purifying respirators），然而，呼吸防護具要能達到保護勞工之效果，必須選擇適當有效之呼吸防護具，進而要勞工正確使用。

有關呼吸防護具的選用，首先須考量作業環境含氧量，過低需 要使用管線供氣式或是背負鋼瓶主動進氣式呼吸防護具，若是正常的空氣含氧 量，則須考慮面對的危害物質屬於粒狀物或氣狀物及其種類與濃度，然後選擇適合防護係數之呼吸防護具。其中，氣狀物之淨氣式呼吸防護主要依靠濾毒罐吸附或吸收污染物質，達到降低吸入性暴露之危害，而過去對呼吸防護具濾材更換時機，主要探討防塵濾材，而防毒濾材雖參考文獻提出管理建議，但缺乏測試數據供參考，且過去研究經驗指出實際使用濾毒罐時，經常會長時間使用，一旦超出防毒濾材的有效使用時間，仍持續使用未經更換濾毒罐的防護具，必然會造成健康危害。

綜觀目前文獻與研究多僅能表現出呼吸防護具耐用程度或有 效容量，然而，實際應用時仍碰到使用單位詢問到底何時該更換的問題。過去曾有學者利用微型溫濕度偵測器置於呼吸器面體內部，量測溫濕度變化來評估可穿戴呼吸器的時間長短。還有研究應用紅外線熱像儀分析N95配戴密合度問題，其成果顯示使用熱像儀可以檢測呼吸防護具配戴的洩漏狀況，並且有可能作為評估穿戴密合度之工具。此外，也曾有研究以計算流體動力學模擬配合紅外線影像，評估呼吸器面部密合與洩漏狀況，通過比較來自八位受試者紅外線影像測量的面部溫度與洩漏部位驗證計算流體動力學模擬方法，其中，大多數洩漏出現在鼻子區域。然而，上述這些工具均無法即時告知使用者是否暴露於危害之中，並提醒使用者更換防護具濾材。

有鑑於呼吸防護具為進入人體前的最後一道防線，事業單位使 用上除了需選擇適合之呼吸防護具外，使用者的配戴密合度與適當之使用時間管理也很重要，然而，多數呼吸防護具並無法向使用者與管理者警示濾材已達到飽和了，促使管理者或使用者盡速更換新的呼吸防護具或更換濾材。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本創作之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並 提供揮發性有機物質（以甲苯為例）為主要研究物質，選用一半面體呼吸防護具做為測試項目，並在濾毒罐與呼吸防護具之間裝設本裝置，透過整合有控制板、感測器等元件於一體，不僅不破壞呼吸防護具之功能，亦可達成有機溶劑之破出量測，可根據濾毒罐吸附不同量（不同時間）及在不同溫濕度環境下是否有污染物再釋出之問題，提出濾毒罐使用管理建議，藉此破除勞工呼吸防護具有戴有保護之迷思，給予管理者參考更換濾毒罐之時機之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置。

為達以上之目的，本創作係一種揮發性有機物質濾毒罐破出偵 測警示裝置，係裝設於一防護具之面體與濾毒罐之間，其包括：一殼體，具有一容置空間及一氣道，該氣道係連接於該防護具之進氣口，於該殼體側面設有一開關及一指示燈，該開關提供開啟或關閉該裝置電源，該指示燈提醒使用者目前該裝置是否開機、目前該裝置是否處於量測狀態、及目前使用中的該濾毒罐是否已破出；一感測器，其一部分設於該殼體之該容置空間，另一部分經由該殼體之該氣道而裸露並面對該防護具之該進氣口，用於量測二氧化碳及總揮發性有機物質（total volatile organic substance, TVOC）濃度，供即時自動偵測目前使用中的該濾毒罐是否破出；一微型控制器，設於該殼體之該容置空間，該微型控制器包含一控制板及一電路板，該控制板具有一內部記憶體，該電路板連結該控制板以提供該控制板上之相關介面轉接至該電路板上，該電路板可供該開關、該指示燈與該感測器電性連接，該控制板透過通訊介面與該感測器進行控制以讀取該感測器量測之該二氧化碳及該TVOC數值，並以該內部記憶體進行數據儲存，該控制板經由該內部記憶體進行存取該TVOC數值，計算該TVOC數值是否超出預設的濾毒罐破出條件，並根據計算結果，使該電路板透過該控制板分別進行控制該指示燈發光，以告知使用者目前的量測狀態，以及控制該開關，以開啟或關閉電源；一震動馬達，設於該殼體之該容置空間，並電性連接於該微型控制器之該電路板，用於根據判斷結果，使該電路板透過該控制板進行控制該震動馬達震動，以告知使用者目前的量測狀態；以及一主電源，設於該殼體之該容置空間，並電性連接於該感測器、該微型控制器、該指示燈與該震動馬達，用於對該感測器、該微型控制器、該指示燈與該震動馬達進行供電。

於本創作上述實施例中，該殼體之材質為丙烯腈-丁二烯-苯乙 烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）樹脂、或具有抗酸、抗鹼、抗鹽的腐蝕並能忍受有機溶劑溶解之材質者。

於本創作上述實施例中，該感測器為配備積體電路匯流排 （inter-integrated circuit, I ²C）通訊介面之空氣品質感測器。

於本創作上述實施例中，該指示燈為LED燈，係提醒使用者目 前該裝置是否處於正常狀態、目前該裝置是否處於異常狀態、或目前使用中濾毒罐是否處於濾毒罐破出警示狀態。

於本創作上述實施例中，該指示燈一秒閃爍一次表示目前該裝 置為該正常狀態；該指示燈恆亮表示目前該裝置為有狀況待處置之該異常狀 態；該指示燈快速閃爍並同時存在震動表示目前使用中的該濾毒罐已處於破出之該濾毒罐破出警示狀態。

於本創作上述實施例中，該微型控制器係透過通用輸入/輸出 埠（General Purpose I/O Port, GPIO）之電訊號處理控制該指示燈及該震動馬達，並透過I ²C通訊介面與該感測器進行溝通，再將相關資訊讀回並透過一通用非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART）告知使用者目前讀值狀況。

於本創作上述實施例中，該主電源為700～900 mAh容量的鋰電 池。

於本創作上述實施例中，該開關與該指示燈係以可拆卸式電性 連接該電路板。

於本創作上述實施例中，該預設的濾毒罐破出條件為一閥值及 一單位時間內濃度差的動態變化值，該閥值為使用在工作場所中八小時日時量平均容許濃度（permissible exposure limit-time weighted average, PEL-TWA）100 ppm的十分之一；而該動態變化值為計算5秒內的該TVOC數值差比值是否超過一預設值。

於本創作上述實施例中，該預設值為1.5，該動態變化值為計算 連續偵測之該TVOC數值在5秒內的濃度差比值大於該1.5時視為目前使用中的濾毒罐已破出。

於本創作上述實施例中，該動態變化值的計算公式如下：

； 於其中，該

為當下所偵測到的濃度；該

；及該

為該

與該

的差值除以5後所得到的上升斜率。

於本創作上述實施例中，該裝置剛開機時該震動馬達會產生一 震動提示。

於本創作上述實施例中，該裝置更包括一蜂鳴器，設於該殼體 之該容置空間，並電性連接於該電路板，用於根據判斷結果，使該電路板透過該控制板進行控制該蜂鳴器發聲，以告知使用者目前的量測狀態。

請參閱『第１圖～第２３圖』所示，係分別為本創作揮發性有 機物質濾毒罐破出偵測警示裝置與呼吸防護具之安裝示意圖、本創作所提裝置之系統架構示意圖、本創作所提裝置之操作流程示意圖、本創作所提裝置之殼體外觀示意圖、本創作之電路板各排針及連接座示意圖、本創作之感測器裸露於氣道中示意圖、本創作之實驗環境示意圖、本創作之FID五點濃度量測結果示意圖、本創作之濾毒罐破出示意圖、本創作主電源之電量監測架構示意圖、本創作感測器於環境甲苯濃度2.2 ppm之量測結果示意圖、本創作感測器於環境甲苯濃度5.14 ppm之量測結果示意圖、本創作感測器於環境甲苯濃度11.75 ppm之量測結果示意圖、本創作感測器於環境甲苯濃度22.02 ppm之量測結果示意圖、本創作感測器於環境甲苯濃度51.39 ppm之量測結果示意圖、本創作感測器之五點濃度相關性量測結果示意圖、本創作感測器之長時間穩定測試結果示意圖、本創作之呼吸節率實驗結果示意圖、本創作之濾毒罐破出條件關係圖、本創作以800 mAh之系統運作測試（電壓值變化）示意圖、本創作以800 mAh之系統運作測試（電流值變化）示意圖、本創作以800 mAh之濾毒罐持續破出告警測試（電壓值變化）示意圖、以及本創作以800 mAh之濾毒罐持續破出告警測試（電流值變化）示意圖。如圖所示：本創作以噴漆場域為實驗情境（主要可能使用物質為甲苯），選用一半面體呼吸防護具１做為測試項目，並在濾毒罐２與呼吸防護具１中設計一種揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置３，將該裝置３裝設於該呼吸防護具１之面體１０與濾毒罐２之間，該裝置３包括一殼體３０、一感測器３１、一微型控制器３２、一震動馬達３３、以及一主電源３４所構成。

上述所提之殼體３０具有一容置空間３０１及一氣道 ３０２，該氣道３０２係連接於該呼吸防護具１之進氣口。於該殼體３０側面設有一開關３５及一指示燈３６，該開關３５提供開啟或關閉該裝置３電源，該指示燈３６為LED燈，係提醒使用者目前該裝置３的量測狀態，若一秒閃爍一次表示目前該裝置３為正常狀態；若恆亮表示目前該裝置３為有狀況待處置之異常狀態；若為快速閃爍並同時存在震動則表示目前使用中的該濾毒罐２已處於破出，請使用者儘速更換濾毒罐並離開目前場域以策安全。

該感測器３１一部分設於該殼體３０之該容置空間３０１，另 一部分經由該殼體３０之該氣道３０２而裸露並面對該呼吸防護具１之進氣口，如此能上夠及時偵測使用的該濾毒罐２是否破出。該感測器３１為配備積體電路匯流排（inter-integrated circuit, I2C）通訊介面之空氣品質感測器，用於量測二氧化碳及總揮發性有機物質（total volatile organic substance, TVOC）濃度，供即時自動偵測目前使用中的該濾毒罐２是否破出。

該微型控制器３２設於該殼體３０之該容置空間３０１。該微 型控制器３２包含一控制板３２１及一電路板３２２，該控制板３２１具有一內部記憶體３２１１，該電路板３２２連結該控制板３２１以提供該控制板３２１上之相關介面轉接至該電路板３２２上。該電路板３２２可供該開關３５、該指示燈３６與該感測器３１電性連接。該控制板３２１透過I2C通訊介面與該感測器３１進行控制以讀取該感測器３１量測之該二氧化碳及該TVOC等相關量測數值，並以該內部記憶體３２１１進行數據儲存，該控制板３２１經由該內部記憶體３２１１進行存取該TVOC數值，計算該TVOC數值是否超出預設的濾毒罐破出條件，並根據計算結果，使該電路板３２２透過該控制板３２１分別進行控制該指示燈３６發光，以告知使用者目前的量測狀態，以及控制該開關３５，以開啟或關閉電源。

該震動馬達３３設於該殼體３０之該容置空間３０１，並電性 連接於該微型控制器３２之該電路板３２２，用於根據判斷結果，使該電路板３２２透過該控制板３２１進行控制該震動馬達３３震動，以告知使用者目前的量測狀態。

該主電源３４為700～900 mAh容量的鋰電池，本實施例以800 mAh作為該裝置３之續航來源。該主電源３４係設於該殼體３０之該容置空間３０１，並電性連接於該感測器３１、該微型控制器３２、該指示燈３６與該震動馬達３３，用於對該感測器３１、該微型控制器３２、該指示燈３６與該 震動馬達３３進行供電。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之揮發性有機 物質濾毒罐破出偵測警示裝置３。

於一實施例中，上述裝置３更進一步包括一蜂鳴器（圖中未 示），設於該殼體之該容置空間，並電性連接於該電路板，用於根據判斷結果，使該電路板透過該控制板進行控制該蜂鳴器發聲，以告知使用者目前的量測狀態。

如第２圖所示，為本裝置３所設計之系統架構圖，由右方的800 mAh主電源３４對所有構件供電，中間方塊為本創作之核心處理單元的微型控制器３２，透過通用輸入/輸出埠（General Purpose I/O Port, GPIO）之電訊號處理控制周邊元件如指示燈３６及震動馬達３３，並透過I2C通訊介面與該感測器３１進行溝通，再將相關資訊讀回並透過一通用非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART）告知使用者目前讀值狀況。

如第３圖所示，為本裝置３之操作流程，首先步驟s11為系統 初始化，由上而下包含計時功能、數據顯示功能、控制介面等功能初始化，接著進入步驟s12，感測器初始化，待初始化完畢後將進入開機程序，此時震動馬達將會產生一震動提示，震動持續1.5秒鐘以示開機，再來將進入量測模式，如步驟s13，以每一秒鐘讀一次TVOC數值的頻率進行量測，量測同時亦如步驟s14，會判斷目前TVOC數值是否超過本創作經過實驗所得知的濾毒罐破出條件，只要一超過破出條件則如步驟s15，即刻以震動及LED快速閃爍提醒使用 者儘速更換濾毒罐並立即離開目前場域以策安全。

本裝置３大小約為9 x 4.8 x 2.8（單位：公分），第４圖顯示本 裝置３之外觀，使用3D列印技術打造殼體３０，材質為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 （Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）樹脂、或其它具有抗酸、鹼、鹽的腐蝕並能在一定程度上忍受有機溶劑溶解之材質者。

承上述，本裝置３在該殼體３０側面設有該開關３５及該指示 燈３６，當按下該開關３５即啟動裝置；反之則關閉裝置，該指示燈３６之目的為提醒使用者目前該裝置３是否開機、目前該裝置３是否處於量測狀態、及目前使用中的該濾毒罐２是否已破出。

本裝置３使用小型控制板３２１進行開發，透過I2C介面與感 測器３１進行控制以獲取感測器３１之量測值（二氧化碳及TVOC數值）。打開裝置３殼體３０的上蓋３０３可發現一電路板３２２，目的是為了要讓控制板３２１上之相關介面轉接至電路板３２２上以方便測試及安裝，如第５圖所示，電路板３２２的左側中間處連接感測器３１，而感測器３１將裸露在殼體３０的氣道３０２中，如第６圖所示，相較於將感測器置於氣道邊緣，實施本安裝方式當有毒氣體經過該氣道３０２時，裸露在該氣道３０２中的該感測器３１更能有效偵測到有毒氣體，可避免置於氣道邊緣的感測器無法偵測是否有有毒氣體之缺點。

如上述第５圖所示，此電路板３２２上預留兩組排針，左上角 排針區Ａ由左而右的功能為：正電、燒錄腳SWCLK、燒錄腳SWDIO及地線，一般會使用紅色作為正電，黑色作為地線，而兩隻燒錄腳則無指定排線顏色；左下角排針區Ｂ是為了要顯示感測器目前讀取的數值，在控制板３２１上的硬體介面為UART，排針由左而右為傳輸、接收及地線，通常傳輸以及地線也沒有指定排線顏色，只要方便使用者辨識即可。

在電路板３２２上設有兩組連接處Ｃ、Ｄ，該連接處Ｃ連接指 示燈，其透過控制板進行控制，以告知使用者目前的量測狀態；該連接處Ｄ連接開關，開啟或關閉主電源，這兩組連接處Ｃ、Ｄ作為可拆卸式，原因是若電路板３２２或控制板故障時方便拆卸以降低維修時間。

以下實施例僅舉例以供了解本創作之細節與內涵，但不用於限 制本創作之申請專利範圍。

第７圖為本創作針對採用SGP30的感測器３１之實驗環境，圖 中的氣流流向為由右至左，最右側的甲苯曝氣瓶４１會經過一個流量閥４ａ與高壓空氣４２混合，以降低甲苯的濃度值，其中高壓空氣已事先經過活性碳進行除臭除水除油，相對濕度接近15%而溫度約20°C，每個流量閥４ａ、４ｂ、４ｃ的流量為每分鐘流過2.5公升的氣流，氣體混合後將分支成兩路，其一分支會由空氣幫補４３帶動氣流使得感測器３１上會流經甲苯氣體，此時就可以量測當下的感測器３１對於此實驗環境中的甲苯濃度；另一分支路接至火焰離子檢驗器（flame ionization detector, FID）４４，目的為維持及監測目前實驗環境中的甲苯濃度，多餘的氣體即排出此環境，在排出廢氣之前也會進行過濾。

待實驗環境架設完成後，首先將感測器以相對濕度為15%、溫 度為20°C之高壓空氣進行約45分鐘的0點校正，目的是先除去感測器上既有的汙染物，待0點校正後，再利用火焰離子檢驗器配置指定的甲苯量測濃度，分 別為2.2 ppm、5.14 ppm、11.75 ppm、22.02 ppm及51.39 ppm，配置完成後即可進 行感測器的實驗數據量測。

[實施例一]感測器實驗 除測試感測器量測上限，另配置五個待測藥品之濃度，利用火焰離子檢驗器確立待測物是否接近目標濃度，如第８圖所示。而五點校正之濃度設定如表一所 示。 表一

採氣袋容量	試藥級甲苯	甲苯濃度	以FID分析讀值
L	99.99%，ml	ppm	ppm
100	0.3	2.20	3.2
100	0.7	5.14	6.1
25	0.4	11.75	12.8
10	0.3	22.02	25.2
10	0.7	51.39	59.8

[實施例二]長時間穩定度測試 對感測器進行長時間穩定度測試實驗，目的為測試感測器處於有汙染物情況下的量測穩定性，意即在讀值時是否會有飄移不定之狀況。本實驗時間約為17小時並通有固定濃度之甲苯（20～45 ppm），另使用火焰離子檢驗器作為此實驗之基準儀器，作為本實驗的數據依據來源。

[實施例三]感測器呼吸節律實驗 本實驗模擬人體呼吸頻率對感測器進行實驗，實驗的目的在模擬真人配戴呼吸 防護具並裝上濾毒罐及本創作的偵測警示裝置之情形，實驗的外在環境設定為1000 ppm，而呼吸模擬器的活塞管直徑為10 cm，活塞行程為20.5 cm，呼吸頻率設定為每分鐘14次，單次呼吸量約1.6 L，每分鐘呼吸量約為22.5 L，單一濾毒罐通量約11.3 L/min。

[實施例四]呼吸阻抗實驗 為探討額外加裝本創作的偵測警示裝置後，是否會對於使用者造成額外的呼吸負擔，本實驗量測外在環境與本創作的偵測警示裝置呼吸通道內之壓力差，而 量測的高壓空氣流量為每分鐘85升（Liter Per Minute, LPM），量測儀器為TSI 8130A（濾材效率測試系統）。

[實施例五]濕度對於感測器量測之影響 有些化學物質的水溶性佳，因此外在環境會將物質吸附而導致氣態的量測物減少，導致環境氣體濃度下降，本實驗針對不同的相對濕度對於感測器之量測影響進行評估，使用呼吸模擬器配合進行量測，額定呼吸容量為13.5 L，呼吸頻率為每分鐘14.6次。

[實施例六]濾毒罐破出測試 在訂立濾毒罐的破出條件（以甲苯為實施例），包含一閥值及一單位時間內濃度差的動態變化值，該閥值為預計使用在工作場所中八小時日時量平均容許濃度（permissible exposure limit-time weighted average, PEL-TWA）100 ppm的十分之一，以10 ppm作為破出警示條件之一的閥值，而另外設計透過單位時間內的濃度差作為評斷標準，本創作定義的破出條件為連續偵測之TVOC數值在5秒內的濃度差比值是否超過一預設值，計算公式如式1表示。

(式1) 其中，

為當下所偵測到的濃度（ppm），

（ppm），

為時間（s），

為該

與該

的差值除以5後所得到的上升斜率（ppm/s），若

超過預設值則視為濾毒罐已破出。表二及第９圖圓圈處說明濾毒罐破出條件。 表二

濾毒罐破出條件	訂立依據	實際應用
閥值	在工作場所中八小時日時量平均容許濃度(PEL-TWA) 100 ppm之十分之一。	濃度變化不大時，經長時間量測若超過10 ppm則發出告警。
動態變化	單位時間內濃度變化比值超過一預設值。	預防環境突來高濃度而濾毒罐無法即時吸附。

[實施例七]電池（主電源）續航力實驗 為實驗電池續航力，本實驗利用SEN0291電量量測模組５１對本創作所提揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置３的主電源３４（800mAh之鋰電池）進行電壓及電流監測，該顆電量量測模組５１之通訊介面為I ²C，透過控制板 ５２對其進行控制再透過UART獲取主電源３４的電壓值及附載電流值，而整體量測架構如第１０圖所示。 實驗對800mAh之鋰電池進行以每秒量測一次TVOC數值作為基準並記錄此主電源３４之電量變化程度，評估達成8小時之連續量測目標可行性；另進行濾毒罐持續破出告警測試，實驗對800 mAh的鋰電池進行以震動馬達每兩秒震動一次為基準並記錄此主電源３４之電量變化程度，評估模擬當濾毒罐破出時，在不同的電量下大約還有多久的主電源３４續航力能告警使用者目前濾毒罐已破出。

[實施結果一]感測器實驗結果 實驗針對感測器進行五點濃度測試實驗，檢視感測器對於指定藥品的量測線性程度，實驗所配置的甲苯濃度分別為2.2 ppm、5.14 ppm、11.75 ppm、22.02 ppm及51.39 ppm，使用感測器進行量測，所得五點濃度如表三所示，而各點（即感測器於環境甲苯濃度為2.2 ppm、5.14 ppm、11.75 ppm、22.02 ppm及51.39 ppm）量測結果曲線圖如第１１圖至第１５圖所示，同時針對感測器的數據與甲苯環境濃度進行相關性分析，結果如第１６圖所示，分析結果發現兩者的R ²相關性達到0.9868，顯示本創作採用的感測器（SGP30）對於此五點的濃度有良好的線性關係。 表三

甲苯濃度	感測器(SGP30)量測結果 平均值 ± 標準差
2.20	0.556 ± 0.005
5.14	0.793 ± 0.01
11.75	1.081 ± 0.048
22.02	1.759 ± 0.022
51.39	2.886 ± 0.035

感測器（SGP30）之讀值再透過回歸方程式進行火焰離子檢驗器讀值回推，回推之數值如表四所示，雖然數值有些許差異，但主要目標為保護勞工在使用呼吸防護具時能夠提醒使用情形，而檢測濾毒罐破出是最重要的目的，採用SGP30的感測器相對於火焰離子檢驗器之讀值可透過轉換得到數值，只要感測器的量測線性狀況良好，即可當作濾毒罐破出感測元件。 表四

環境甲苯濃度ppm	SGP30量測結果 平均值±標準差 ppm	經回歸公式之SGP30讀值ppm	差值（環境甲苯濃度 - 經回歸公式之SGP30讀值，ppm）
2.2	0.556 ± 0.005	0.396	1.804
5.14	0.793 ± 0.01	5.391	-0.251
11.75	1.081 ± 0.048	11.461	0.289
22.02	1.759 ± 0.022	25.751	-3.701
51.39	2.886 ± 0.035	49.505	1.885

[實施結果二]長時間穩定測試結果 此實驗的目的在於透過固定的甲苯濃度，監測感測器（SGP30）的感測數值是否有明顯變化，實驗時間為17小時且連續通有20～45 ppm的甲苯。第１７圖為感測器（SGP30）在長時間穩定測試的結果，X軸為量測時間點，每秒量測一次數值；Y軸為感測器（SGP30）量測的甲苯濃度值，單位為ppb，量測曲線呈現緩步上升的情形，火焰離子檢驗器的量測數值亦為緩步上升，量測曲線會緩步上升的原因是每天的高低溫溫差會使得高壓空氣的壓縮比不同，同時空氣流速不同也對感測器的量測濃度造成影響。

[實施結果三]感測器呼吸節律實驗結果 本創作針對偵測警示裝置進行呼吸節律實驗，搭配3M6001濾毒罐進行實驗，目的在於模擬人體呼吸時的狀況以設計濾毒罐破出之條件，實驗使用的呼吸防護面具為3M 7500系列之半面體防護面具，其中一側的本裝置接觸環境空氣；另一側的本裝置裝入一個氣體腔內，同時將1000 ppm的甲苯通入氣體腔，再以呼吸模擬器實施實驗，而實驗結果如第１８圖所示。

[實施結果四]呼吸阻抗實驗結果 本實驗針對配戴本創作的偵測警示裝置後呼吸阻抗之變化，利用TSI 8130A量測，首先使用一塊空板進行量測作為呼吸阻抗之基準點，再來利用本創作的偵測警示裝置進行量測，之後再對3M6001濾毒罐進行阻抗量測，最後則是量測加裝兩者後的呼吸阻抗，量測之流量為85 LPM。 實際呼吸阻抗數據如表五及表六所示：在空板的基準點實驗，平均阻抗值為4.3 mmH ₂O；於空板之後套上量測模組，影響到阻抗的是安裝在氣道之中的空板與感測器，平均阻抗值為6.9 mmH ₂O；本創作的偵測警示裝置實際增加之平均阻抗值為2.6 mmH ₂O；換上3M6001濾毒罐時可以發現整體的阻抗提升不少，與本創作的偵測警示裝置相距甚遠，平均阻抗值為33.4 mmH ₂O；最後一項實驗是套上本創作的偵測警示裝置以及3M6001濾毒罐，平均阻抗值為35.9 mmH ₂O，可以發現大部分的阻抗集中在濾毒罐上，而本裝置對於整體阻抗值平均僅增加2.5 mmH ₂O，影響不大，因此對使用者來說尚不會增加呼吸上的負擔。 表五

空板	本裝置+空板
1	2	3	平均	1	2	3	平均
4.4	4.2	4.3	4.3	7.1	6.7	6.9	6.9

表六

3M6001濾毒罐+空板	本裝置+3M6001濾毒罐+空板
1	2	3	平均	1	2	3	平均
33.3	33.5	33.5	33.4	36.2	35.6	35.9	35.9

[實施結果五]濕度對於感測器量測之影響結果 使用呼吸模擬器進行量測，額定呼吸容量為13.5 L，呼吸頻率為每分鐘14.6次，不同的相對濕度對於感測器之量測影響，測試結果如表七所示，不論氣體的濃度高低，當相對濕度超過90%時，在火焰離子檢驗器還是SGP30的感測器都會有數值量測低估現象，濕度較高的空氣挾帶的水分子比較多，氣體與空氣中的水分子結合，使得火焰離子檢驗器無法全面燃燒造成低估，SGP30的感測器亦有同樣的情況發生。 表七

	相對濕度(%)	FID (ppm)	SGP30 (ppm)
高濃度	54%	54	45.6
75%	55	49.3
92%	32	35.6
低濃度	55%	5	2.1
93%	4	1.1

[實施結果六]濾毒罐破出測試 噴漆情境甲苯為主要物質，因此定義了兩種濾毒罐破出，一個是在工作場所中八小時日時量平均容許濃度100 ppm之十分之一，以10 ppm作為破出警示條件之一；另一個破出條件為計算5秒內的數值差比值，若比值大於1.5則視為濾毒罐破出，需告知使用者現況以應變處置。本創作透過三次破出試驗，當環境背景甲苯濃度約為1000 ppm，測試當濾毒罐破出濃度達10 ppm（1/10甲苯TWA值）時，破出偵測警示裝置前後五秒濃度值，並計算平均斜率約為1.5，依此設定為警示標準之斜率。 第１９圖曲線意義，感測器（SGP30）量測曲線（藍色實線）表示SGP30原始量測數值經回歸公式轉換後的數據曲線，數值對照圖表左側Y軸；5秒內的濃度變化比值曲線（橘色實線），曲線計算如上述式1所示；數值對照圖表右側Y軸；濾毒罐濃度變化破出條件（紅色虛線），以10 ppm作為閥值，數值對照圖表的左側Y軸；濾毒罐量測破出條件（綠色虛線），依據式1計算，數值對照圖表右側的Y軸。 根據破出條件定義，當「藍色曲線高於紅色虛線」或「橘色曲線高於綠色虛線」則告知使用者目前濾毒罐已破出，因此在第１９圖中，首先，1號黑色虛線以左雖然斜率尚未超過1.5，但SGP30量測曲線已逐步上升超過紅色虛線，代表目前濾毒罐已破出。其次，1號黑色虛線與2號黑色虛線之間，表示目前5秒內濃度變化曲線與SGP30量測曲線處於震盪狀態，其中SGP30量測曲線亦維持上升狀態，若濃度上升斜率（a）達1.5以上則表示濾毒罐破出。並且，當SGP30量測曲線與5秒內濃度變化曲線同時低於紅色與綠色虛線時，告警解除。

[實施結果七]電池續航力實驗結果 系統運作測試 系統運作測試目的在量測感測器正常量測下的主電源（800 mAh鋰電池）續航力，第２０圖表示所量測之電池電壓變化，可以觀察到主電源（800 mAh鋰電池）的初始電壓值約在4.1 V，表示目前主電源（800 mAh鋰電池）是滿電狀態，而經過一段時間量測後發現主電源（800 mAh鋰電池）電壓約在3.1 V時續航力快速下降，最後主電源（800 mAh鋰電池）電壓降至2.4 V後無法再持續為負載供電，表示目前主電源（800 mAh鋰電池）電量已全數消耗完畢，需充電或更換電池。 另一個探討的是負載的電流變化，本裝置在剛開機時會有一個震動提示，因此電流將會升高至125 mA，震動大約持續1秒後結束，而在第２１圖中可以發現曲線處於平穩狀態，也就是說此時負載正處於TVOC量測狀態，LED指示燈為每秒閃爍一次，平均消耗電流約為49.6 mA。由上述實驗可以發現，總共量測到42,631個數據點，每秒記錄一個數據點，因此可以推算此主電源（800 mAh鋰電池）之續航力時間約為11.8小時。 濾毒罐持續破出告警測試 濾毒罐持續破出告警測試，本實驗的目的在於當經過一段時間的TVOC量測後，若外在環境突變劇烈，此時本裝置發出警報告知使用者濾毒罐目前已破 出，探討這個告警機制能持續多久的時間。 第２２圖為模擬在濾毒罐破出時的告警測試之電壓變化，震動馬達以每秒100轉的轉速轉動，震動一秒鐘，停機兩秒鐘進行實測，經實測當馬達振動時有明顯震動感告知使用者，由第２２圖可以得知在啟動震動馬達時，電壓值會下降；反之則變化不明顯，而兩者間的電壓差為0.05至0.08 V之間，當主電源（800 mAh鋰電池）電壓越低，啟動及非啟動的電壓差越接近。 另一個需要探討的是震動馬達的消耗電流情況，經實測後的結果如第２３圖所示，電流監測為每秒記錄一筆數據，當震動馬達啟動時，瞬間電流將會往上突破至140 mA左右，在震動結束後的兩秒會回正常的電流值（約49mA），因此透過該第２３圖可推算以800 mAh之鋰電池可以持續告警約9小時，也就是說假設已持續量測一段時間後突然告警，可以將第２２圖及第２３圖進行對照而得出目前大約還能持續告警多少時間。

由上述各項實驗得到以下結論： 1.本創作所選用的金屬氧化半導體感測器的數據與甲苯環境濃度，兩者的R ²相關性達到0.9868，顯示感測器對於此五點的濃度有良好的線性關係，可應用作為濾毒罐破出偵測。 2.在呼吸阻抗實驗發現大部分的阻抗集中在濾毒罐上，而本創作的偵測警示裝置對於整體阻抗來說影響不大，因此對使用者來說尚不會增加呼吸上的負擔。 3.本創作以甲苯為主要暴露物質，定義兩種濾毒罐破出條件，一個是工作場所中八小時日時量平均容許濃度（PEL-TWA）的十分之一；另一破出條件為計算5秒內的數值差比值。 4.本裝置選用800 mAh容量的鋰電池作為主電源，在測試條件下可達成8小時連 續量測及濾毒罐破出持續告警。 5.本裝置設計裝設於濾毒罐與面體之間，藉由進氣閥片能有效降低二氧化碳對測值的影響。 6.為落實呼吸防護具更換之管理，提供事業單位有利之即時管理工具，以提供勞工更完整的保護，本創作以甲苯為主要評估物質（噴漆作業情境），製作並應用整合微型化氣體感測元件與警示元件，建構揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，包含可偵測TVOC的感測器以及能發出告警效果的警報設備，自動偵測使用者端的呼吸防護具內氣體洩漏濃度，提供震動、警示閃光或警告聲響的警報功能，並能達到8小時以上的即時管理裝置，藉此做為管理濾材更換之重要工具，供事業單位管理之參考。

綜上所述，本創作係一種揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示 裝置，可有效改善習用之種種缺點，以揮發性有機物質-甲苯為主要研究物質，選用一半面體呼吸防護具做為測試項目，並在濾毒罐與呼吸防護具之間裝設本裝置，透過整合有控制板、感測器等元件於一體，不僅不破壞呼吸防護具之功能，亦可達成有機溶劑之破出量測，可根據濾毒罐吸附不同量（不同時間）及在不同溫濕度環境下是否有污染物再釋出之問題，提出濾毒罐使用管理建議，藉此破除勞工呼吸防護具有戴有保護之迷思，給予管理者參考更換濾毒罐之時機，進而使本創作之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，當不能以此限 定本創作實施之範圍；故，凡依本創作申請專利範圍及新型說明書內容所作 之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。

１:呼吸防護具 １０:面體 ２:濾毒罐 ３:揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置 ３０:殼體 ３０１:容置空間 ３０２:氣道 ３０３:上蓋 ３１:感測器 ３２:微型控制器 ３２１:控制板 ３２１１:內部記憶體 ３２２:電路板 ３３:震動馬達 ３４:主電源 ３５:開關 ３６:指示燈 ４ａ、４ｂ、４ｃ:流量閥 ４１:甲苯曝氣瓶 ４２:高壓空氣 ４３:空氣幫補 ４４:火焰離子檢驗器 ５１:電量量測模組 ５２:控制板 Ａ、Ｂ:排針區 Ｃ、Ｄ:連接處 s11～s15:步驟

第１圖，係本創作揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置與呼吸防護具之 安裝示意圖。 第２圖，係本創作所提裝置之系統架構示意圖。 第３圖，係本創作所提裝置之操作流程示意圖。 第４圖，係本創作所提裝置之殼體外觀示意圖。 第５圖，係本創作之電路板各排針及連接座示意圖。 第６圖，係本創作之感測器裸露於氣道中示意圖。 第７圖，係本創作之實驗環境示意圖。 第８圖，係本創作之FID五點濃度量測結果示意圖。 第９圖，係本創作之濾毒罐破出示意圖。 第１０圖，係本創作主電源之電量監測架構示意圖。 第１１圖，係本創作感測器於環境甲苯濃度2.2 ppm之量測結果示意圖。 第１２圖，係本創作感測器於環境甲苯濃度5.14 ppm之量測結果示意圖。 第１３圖，係本創作感測器於環境甲苯濃度11.75 ppm之量測結果示意圖。 第１４圖，係本創作感測器於環境甲苯濃度22.02 ppm之量測結果示意圖。 第１５圖，係本創作感測器於環境甲苯濃度51.39 ppm之量測結果示意圖。 第１６圖，係本創作感測器之五點濃度相關性量測結果示意圖。 第１７圖，係本創作感測器之長時間穩定測試結果示意圖。 第１８圖，係本創作之呼吸節率實驗結果示意圖。 第１９圖，係本創作之濾毒罐破出條件關係圖。 第２０圖，係本創作以800 mAh之系統運作測試（電壓值變化）示意圖。 第２１圖，係本創作以800 mAh之系統運作測試（電流值變化）示意圖。 第２２圖，係本創作以800 mAh之濾毒罐持續破出告警測試（電壓值變化）示意圖。 第２３圖，係本創作以800 mAh之濾毒罐持續破出告警測試（電流值變化）示意圖。

31:感測器

32:微型控制器

321:控制板

3211:內部記憶體

322:電路板

33:震動馬達

34:主電源

36:指示燈

Claims (13)

1. 一種揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，係裝設於一防護具之面體與濾毒罐之間，其包括： 一殼體，具有一容置空間及一氣道，該氣道係連接於該防護具之進氣口，於該殼體側面設有一開關及一指示燈，該開關提供開啟或關閉該裝置電源，該指示燈提醒使用者目前該裝置是否開機、目前該裝置是否處於量測狀態、及目前使用中的該濾毒罐是否已破出； 一感測器，其一部分設於該殼體之該容置空間，另一部分經由該殼體之該氣道而裸露並面對該防護具之該進氣口，用於量測二氧化碳及總揮發性有機物質（total volatile organic substance, TVOC）濃度，供即時自動偵測目前使用中的該濾毒罐是否破出； 一微型控制器，設於該殼體之該容置空間，該微型控制器包含一控制板及一電路板，該控制板具有一內部記憶體，該電路板連結該控制板以提供該控制板上之相關介面轉接至該電路板上，該電路板可供該開關、該指示燈與該感測器電性連接，該控制板透過通訊介面與該感測器進行控制以讀取該感測器量測之該二氧化碳及該TVOC數值，並以該內部記憶體進行數據儲存，該控制板經由該內部記憶體進行存取該TVOC數值，計算該TVOC數值是否超出預設的濾毒罐破出條件，並根據計算結果，使該電路板透過該控制板分別進行控制該指示燈發光，以告知使用者目前的量測狀態，以及控制該開關，以開啟或關閉電源； 一震動馬達，設於該殼體之該容置空間，並電性連接於該微型控制器之該電路板，用於根據判斷結果，使該電路板透過該控制板進行控制該震動馬達震動，以告知使用者目前的量測狀態；以及 一主電源，設於該殼體之該容置空間，並電性連接於該感測器、該微型控 制器、該指示燈與該震動馬達，用於對該感測器、該微型控制器、該指示燈與該震動馬達進行供電。
2. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該殼體之材質為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）樹脂、或具有抗酸、抗鹼、抗鹽的腐蝕並能忍受有機溶劑溶解之材質者。
3. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該感測器為配備積體電路匯流排（inter-integrated circuit, I2C）通訊介面之空氣品質感測器。
4. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該指示燈為LED燈，係提醒使用者目前該裝置是否處於正常狀態、目前該裝置是否處於異常狀態、或目前使用中濾毒罐是否處於濾毒罐破出警示狀態。
5. 依申請專利範圍第４項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該指示燈一秒閃爍一次表示目前該裝置為該正常狀態；該指示燈恆亮表示目前該裝置為有狀況待處置之該異常狀態；該指示燈快速閃爍並同時存在震動表示目前使用中的該濾毒罐已處於破出之該濾毒罐破出警示狀態。
6. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該微型控制器係透過通用輸入/輸出埠（General Purpose I/O Port, GPIO）之電訊號處理控制該指示燈及該震動馬達，並透過I2C通訊介面與該感測器進行溝通，再將相關資訊讀回並透過一通用非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART）告知使用者目前讀值狀況。
7. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該主電源為700～900 mAh容量的鋰電池。
8. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該開關與該指示燈係以可拆卸式電性連接該電路板。
9. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該預設的濾毒罐破出條件為一閥值及一單位時間內濃度差的動態變化值，該閥值為使用在工作場所中八小時日時量平均容許濃度（permissible exposure limit-time weighted average, PEL-TWA）100 ppm的十分之一；而該動態變化值為計算5秒內的該TVOC數值差比值是否超過一預設值。
10. 依申請專利範圍第９項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該預設值為1.5，該動態變化值為計算連續偵測之該TVOC數值在5秒內的濃度差比值大於該1.5時視為目前使用中的濾毒罐已破出。
11. 依申請專利範圍第１０項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該動態變化值的計算公式如下：

    

    ； 於其中，該

    

    為當下所偵測到的濃度；該

    

    ；及該

    

    為該

    

    與該

    

    的差值除以5後所得到的上升斜率dd。
12. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，其中，該裝置剛開機時該震動馬達會產生一震動提示。
13. 依申請專利範圍第１項所述之揮發性有機物質濾毒罐破出偵測警示裝置，更包括一蜂鳴器，設於該殼體之該容置空間，並電性連接於該電路板，用於根據判斷結果，使該電路板透過該控制板進行控制該蜂鳴器發聲，以告知使用者目前的量測狀態。

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