1. 氣體濃度感測概述

    隨著人們對於環境保護越來越重視，帶動氣體濃度感測市場蓬勃發展，所謂氣體濃度感測是將氣體中含有的特定氣體以適當的元件轉換成可監測或計量的訊號。氣體濃度感測器在環境與工業之用途甚廣，對於災害防治、工作人員安全與健康維護、污染防治等方面皆具有相當之重要性。日常生活中，大部分氣體無色無味，與人體息息相關的二氧化碳（CO2）、氧氣（O2），乃至有害氣體，如一氧化碳（CO），可以藉由氣體濃度感測器偵知，以確保健康與人身安全；而工業領域中工廠製程或某些場域中則經常會使用、產生或排放氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx） 及氨氣（NH3） 等污染性與危險性之氣體，需使用氣體濃度偵測以對工作安全及作業精確穩定等提供關鍵輔助。

    一般氣體感測器主要基於半導體或電化學技術，依氣體種類與偵測精度需求而適用不同種類的氣體濃度感測器。半導體式氣體感測器具有可偵測氣體種類多、壽命長、成本低之特點，但氣體種類的選擇性(分辨性)不佳，多用於可燃氣體洩漏、空氣品質偵測等領域。電化學技術之氣體感測器及檢測儀器，則是較適用在精度要求較高的低濃度毒性氣體、氧氣監測等領域。另外近年發展比重逐漸增加的紅外線氣體感測器，具選擇性好、壽命長且不需實施定期校正之優勢，適用於監測各種易燃易爆、二氧化碳氣體，在廣泛領域的高端市場占有一席之地，然而其無法偵測氫氣且易受水氣之干擾，價位也相對其它型式氣體感測器來的高，規劃使用仍有其考量及侷限。

    超音波氣體濃度感測器相較其它類氣體濃度感測器具有靈敏度高、反應速度快、穩定性好、可在線即時檢測、低功耗、壽命長、不易受污染及磨損等優點，並且不須像電化學或半導體氣體濃度感測器那樣每1-3年更換或重新校準，且可運用於不同種類氣體，如氮氣(N2)、氧氣(O2)、氫氣(H2)、一氧化氮(NO)、二氧化碳(CO2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)。超音波氣體濃度感測器可根據超音波在管道內傳播的速度變化來測量氣體的濃度且不需要在管道上鑽孔抽取氣體，常見於通風機、壓縮機和燃料監測器中；另外還可以同步精準測量氣體濃度與氣體流量，這是使用超音波氣體濃度感測器的獨特優勢。故超音波氣體濃度感測器已廣泛應用於醫療、工業、化工、採礦和食品等領域的各種需要檢測氧氣、二氧化碳等氣體濃度和流量的設備中。其特別適用於偵測特定目標氣體之情境，例如：醫用製氧機、工業製氧設備、採礦環境使用的氧氣濃度檢測設備、食品儲存和製作設備的氧氣濃度檢測等。總的來說，未來隨著工業自動化時代之來臨，氣體濃度感測器之運用將會更加普遍，感測技術也愈趨進步，而超音波氣體濃度感測所具備之優勢，必然在市場中有其獨特地位。

  1. 超音波氣體濃度感測工作原理與特性

工作原理：

超音波氣體濃度偵測是測量由超音波發射器（TX）發出超音波並在氣體環境中到達超音波接收器（RX）的飛行時間（ToF；Time of Flight）就可以算出混合氣體的聲速，並藉此計算出混合氣體的濃度，基本架構如下圖示意。

由於不同的氣體成分具有不同的聲速，我們可以通過測量超音波在氣體中的聲速或飛行時間（ToF）的差異來偵測二元混合氣體的濃度。進一步說，超音波氣體濃度感測是利用氣體介質的聲速c與其氣體方程式之間的關係(參考方程式1)，可測量二元混合氣體的聲速來計算此二種氣體的體積濃度。

以氫氣(H2)濃度為例，由於氣體中添加了H2 會導致聲速增加（更短的ToF），可以通過ΔToF獲得H2氣體濃度。其原理如下圖所示。

由於二元混合氣體處於相同的壓力環境下，可根據方程式1推導方程式2，

如果目標氣體(Object gas) 濃度 比值 為 𝓧 則參考 氣體 (r eference gas) 濃度為 (1-𝓧 表示為方程式 3

在超音波傳感器發射接收距離L固定下，測量飛行時間tR及tM以取得參考氣體及再混合氣體之聲速(方程式4)，

帶入方程式4至飛行時間差異Δt計算公式 (tM-tR)，得方程式5，

帶入方程式2、方程式3至方程式5，再經泰勒展開(Taylor expansion)簡化得方程式6，

其中

C: speed of sound

𝛾: ratio of specific heat at constant pressure Cp and specific heat at constant volume Cv

P: gas pressure

𝜌: gas density

R: molar gas constant

T: temperature

𝑀𝑅: molecular weight of reference gas

MM: molecular weight of gas mixtures

𝑀𝑂: molecular weight of objective gas

𝓧: objective gas concentration

由結果可知，目標氣體濃度 𝓧 與飛行時間差 Δt 之間存在近似正比關係。理論上可以測量所有二元混合氣體，然而在測量距離有限的條件下，為了具有一定的時間差的辨別能力，兩種氣體之間的摩爾質量差異應相差較大為佳。

超音波氣體偵測傳感器的特性：

  • 耐用、可靠性高
  • 抗干擾能力强
  • 可在線即時檢測
  • 無須定期校准
  • 壽命長
  • 檢測範圍寬（0%~100%）
  • 可同時檢測濃度與流量
  1. 超音波氣體濃度偵測應用情境

    超音波氣體傳感器作為精準測量氣體濃度與流量的傳感器，可廣泛應用於醫療、工業、化工、採礦和食品等領域的各種需要檢測氧氣、二氧化碳等氣體濃度和流量的設備中。例如：醫用製氧機、工業製氧設備、採礦環境使用的氧氣濃度檢測設備、食品儲存和製作設備的氧氣濃度檢測等。

    另外，人們對尋找替代能源的議題日益關注，在現有的替代能源中，氫氣(H2)被譽為最永續的能源之一，以氫燃料為動力的燃料電池，由全球知名大廠正在設計和實施中，並且在日本預估至2050年，理想的H2經濟計畫將全面實施；因此，氫氣將被用作運輸燃料、工業、住宅發電和供熱之用。氣態氫氣作為能源的廣泛使用意味著氫氣的儲存和處理將變得越來越重要，氫氣是透過管道運輸，由於氫氣是一種無色、無臭、無味的爆炸性氣體，因此在管道表面不打孔的情況下測量氫氣氣體濃度是非常重要的。超音波氣體濃度傳感器即可根據超音波在管道內傳播的變化速度實現測量氣體的濃度且不需要在管道上鑽孔抽取氣體，在此潛在市場中已是具備一定優勢。

  1. 超音波氣體流量與濃度偵測系統開發

超音波氣體流量與濃度量測需要一套高精密的信號量測系統量測信號及演算流量，一般可選擇適用於偵測超音波氣體流量的公版測試電路，例如 TI EVM430-FR6043，如下圖所示：

電路板EVM430-FR6043的量測精度可達到±250 皮秒(pico second, 10-12秒)，可幫助我們精確的量測氣體流量計中重要的性能參數，如掃頻重合度，ADC 峰值，及靜態零點飄移(ZFD)等，下圖是詠業科技開發的高性能及高可靠度的超音波傳感器A200M3，其工作頻率約為200 kHz，使用EVM430-FR6043測試的結果：

掃頻重合度 (A200M3)
ADC峰值 (A200M3)

(ΔToF = 0.73 ns)

靜態零點飄移ZFD (A200M3)

以連續性偵測氧氣濃度為例，當管道内靜止時，氣體只有空氣，大約含21%的氧氣，可將其作為系統的基準點，以此狀態下之絕對ToF數值取得tR及cR；當氧氣開始在流道內通過時，絕對ToF亦跟著變化，此時之絕對ToF數值為tM，如此即可建立連續性氧濃度偵測。

連續性氧濃度監控圖
  1. 超 音 波 氣體濃度偵 測 傳感 器 問題與診斷

  • 從方程式1可看出溫度亦為影響濃度計算之要素之一，承上述案例，系統中每1°C的測量誤差，氧濃度數值就會產生約2.75%的誤差，因此必須把溫度參數考慮於系統設計內，使用較精準的溫度傳感器。
  • 基於二元混合氣體設計的超音波氣體濃度偵測傳感器，理想狀態下待測氣體只能是兩種氣體的混合介質，一旦混入其它氣體後，超音波氣體濃度量測會產生極大誤差。
  1. 參考資料
    Reference
  • Shan Minglei, Li Xiang, Zhu Changping, Zhang Jiahua, “Gas Concentration Detection Using Ultrasonic Based on Wireless Sensor Networks”
  • TEXAS INSTRUMENTS, “Application Note 氧濃度感應”
  • TEXAS INSTRUMENTS, “Design Guide: TIDM