IOSH98-H306

簡易紋影攝影觀測技術之研發

Development of Simplified Schlieren Photography Technique

行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

IOSH98-H306

簡易紋影攝影觀測技術之研發

Development of Simplified Schlieren Photography Technique

研究主持人：王順志 計畫主辦單位：行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所 研究期間：中華民國 98 年 06 月 01 日至 98 年 12 月 31 日

行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所 中華民國 99 年 02 月

i

摘 要 光線穿透密度不均勻之透明介質時，由於介質的折射指數隨著密度改變，穿透

其中的光束行進方向也因此折曲。紋影攝影技術利用前述原理，以光學觀測的方式呈

現空氣有害物存在範圍或空氣密度不均勻處之幾何形狀（黑白攝影）與濃度（彩色攝

影）。利用此技術可目視判讀空氣密度之微小變化，例如手掌表面與環境氣溫之間僅

有 3ºC 之溫差時，此技術亦能有效觀測手部散熱之影像。空氣密度之差異不僅表現為

氣溫差異，亦可表現為透明雜質氣體的加入，例如六氟化硫、有機溶劑蒸氣、二氧化

碳、氮氣、一氧化碳等。除此之外，由大氣總壓守恆原理，空間中局部風速的變化亦

能導致空氣密度的變化，惟此等變化須在小空間範圍內存在較高的風速分布差異。基

於以上事實，我們可發現紋影攝影技術於工業通風方面存在影響深遠的應用潛力。

本計畫可能為少數將紋影攝影術運用於工業通風領域的先驅研究，除了循序漸

進地重現前人對於紋影攝影術的研究成果之外，我們依照實驗室與勞工作業場所之技

術需求，建立了兩套造價低、使用費用低、操作簡單的觀測設備與相應的操作程序，

並針對有機溶劑蒸氣與若干高密度氣體，以紋影攝影術具體呈現其沉降特性、蒸氣運

動特性，以及外裝式氣罩對這些有害氣體的捕集特性，這些都是傳統實驗方法無法辦

到的。除了探討以上物理現象外，本計畫於執行完畢前已公開發表一篇學術論文，並

整理出可行的後續研究項目，以提高本計畫的延續效益。

關鍵詞：紋影攝影、通風、揮發性有機溶劑

ii

Abstract Refractive index of a transparent medium may alter when density in the medium is

not uniform. When a light beam passes through such a non-uniform transparent medium, direction of light may change according to the gradient of medium density. The famous Schlieren Photography Technique (SPT), which takes advantage of the above optical phenomenon, can be used to observe the gradient distribution of air density and the existence of gaseous airborne contaminants. Precedent studies and preliminary observations of this project showed that SPT identifies very small difference of air density. For example, when there is only 3 degrees Celsius difference of temperature between a bare hand and its surrounding air, heat dissipation from the palm can be clearly observed by SPT. While difference of air temperature results in difference of air density, gaseous impurities in air, such as sulfur hexafluoride, vapors of organic solvents, carbon dioxide, nitrogen, carbon monoxide, may cause spacious non-uniformity of air density. Besides, since atmospheric air follows Conservation of Total Pressure, the difference of air speed may also be identified by SPT, only if the local difference of air speed is greater than 8m/sec. According to the above-mentioned facts, we reach to an obvious conclusion that SPT is a potentially powerful tool for applications on industrial ventilation.

This project, which might have been one of the pioneer studies for SPT applied on industrial ventilation, concentrates on observation of physical phenomena on industrial ventilation. First of all, two types of basic SPT observation facilities have been provided by this project to establish standard experiment procedure. We also reached to our main goals that a series of scientific questions associated with evaporation of organic solvents were solved. As the final product, a scientific paper and some potential follow-up projects with SPT have been proposed for future research.

Key Words: Schlieren Photography, industrial ventilation, organic compounds.

iii

目錄 摘 要 ....................................................................................................................................... i

Abstract .................................................................................................................................... ii

目錄 ......................................................................................................................................... iii

圖目錄 ...................................................................................................................................... v

表目錄 .................................................................................................................................... vii

第一章 計畫概述 .................................................................................................................... 1

第一節 前言 ........................................................................................................................ 1

第二節 計畫目的 ................................................................................................................ 5

第三節 本計畫工作項目 .................................................................................................... 6

第二章 紋影攝影術原理 ........................................................................................................ 8

第一節 紋影攝影術發展史簡介 ........................................................................................ 8

第二節 光線的折射 ............................................................................................................ 8

第三節 光束的聚焦 .......................................................................................................... 10

第四節 球面鏡的反射特性 .............................................................................................. 12

第五節 雙凸透鏡紋影攝影術簡介 .................................................................................. 13

第六節 單球面鏡紋影攝影術簡介 .................................................................................. 14

第七節 雙球面鏡紋影攝影術簡介 .................................................................................. 19

第八節 球面鏡的選用 ...................................................................................................... 22

第三章 紋影攝影器材之設計與使用 .................................................................................. 25

第一節 單球面鏡紋影攝影器材 ...................................................................................... 25

第二節 雙球面鏡紋影攝影器材 ...................................................................................... 29

第三節 多用途附屬實驗器材之設計 .............................................................................. 32

第四章 以紋影攝影術觀測熱氣特性 .................................................................................. 35

第一節 熱水蒸氣捕集特性之初步觀測 .......................................................................... 35

第二節 蠟燭與爐具燃燒廢氣特性實驗 .......................................................................... 36

第五章 以紋影攝影術觀測有機溶劑揮發特性 .................................................................. 40

iv

第一節 理想氣體的特性回顧 .......................................................................................... 40

第二節 有機溶劑揮發特性概論 ...................................................................................... 41

第三節 二層膜理論簡介 .................................................................................................. 43

第四節 有機溶劑蒸氣自固體表面的近似靜止揮發 ...................................................... 44

第五節 有機溶劑蒸氣自木材表面的動態揮發 .............................................................. 47

第六節 有機溶劑蒸氣自蒸發皿的液面上揮發 .............................................................. 48

第七節 有機溶劑蒸氣的傾注實驗 .................................................................................. 50

第八節 甲醇蒸氣捕集與流線實驗 .................................................................................. 52

第九節 本章總結 .............................................................................................................. 54

第六章 以紋影攝影術觀測氣體特性 .................................................................................. 55

第一節 六氟化硫氣體的貼附效應實驗 .......................................................................... 55

第二節 氣體的傾注實驗 .................................................................................................. 57

第三節 單氣罩局部排氣裝置模型之性能試驗 .............................................................. 59

第四節 甲醇蒸氣的氣罩捕集實驗 .................................................................................. 64

第五節 六氟化硫氣體之側吸式氣罩捕集實驗 .............................................................. 65

第六節 六氟化硫氣體之上吸式氣罩捕集實驗 .............................................................. 68

第七章 結論與展望 .............................................................................................................. 71

誌謝 ........................................................................................................................................ 74

參考文獻 ................................................................................................................................ 75

v

圖目錄

圖 1 以焦硫酸發煙管驗證負壓取痰室之內部氣壓低於環境氣壓 ..................................... 3

圖 2 以超音波霧化器突顯氣膠微粒在迴流胞內的滯留情形 ............................................. 3

圖 3 以乾冰塊製造的冰水霧驗證「導煙機」控制污染的優異性能 ................................. 4

圖 4 以雷射光頁輔助超音波霧化器觀察錐形氣罩的偏心捕集能力 ................................. 4

圖 5 光折射原理說明 ............................................................................................................. 9

圖 6 光束穿透塊狀透明雜質的過程中發生了兩次折射 ..................................................... 9

圖 7 蠟燭上方的空氣受熱形成密度變化多端的熱空氣團 ................................................. 10

圖 8 三種常用的光束聚焦方式 ............................................................................................. 11

圖 9 光束的修整（類似直流電的整流）原理 ..................................................................... 11

圖 10 球面鏡的反射特性示意圖 ............................................................................................. 12

圖 11 雙凸透鏡紋影攝影術原理射特性示意圖 ..................................................................... 13

圖 12 單色單球面鏡紋影攝影術原理 ..................................................................................... 14

圖 13 單色單球面鏡紋影攝影的兩個效果案例 ..................................................................... 15

圖 14 刃狀遮蔽片與反射焦點的相對位置與拍攝效果 ......................................................... 16

圖 15 彩色濾光片應用於單色單球面鏡紋影攝影術 ............................................................. 17

圖 16 四種常用且製作容易的彩色濾光片 ............................................................................. 17

圖 17 反射焦點落在紅、黃兩個色圈的不同邊界時，造成的背景顏色對比效果 ............. 18

圖 18 雙球面鏡紋影攝影術原理 ............................................................................................. 19

圖 19 使用 LED（市售普通電子發光零件）拍攝的四種雙球面鏡紋影攝影畫面 ............ 21

圖 20 某廠牌球面鏡 2009 年出廠價（表面粗度 1/4 波長） ................................................ 23

圖 21 單球面鏡紋影攝影器材之實驗端 ................................................................................. 25

圖 22 單球面鏡紋影攝影器材之拍攝端 ................................................................................. 26

圖 23 雷射水平儀發射之紅光十字可利用螺栓快速對準球面鏡中心 ................................. 27

圖 24 以雷射水平儀尋找球面鏡光軸之調校範例 ................................................................. 27

圖 25 手動尋找球面鏡反射焦點位置之具體作法 ................................................................. 28

圖 26 本所研發之雙球面鏡紋影攝影器材工作實況 ............................................................. 30

圖 27 雷射水平儀發射的十字形紅光雷射光頁（搭配雙球面鏡紋影攝影器材） ............. 31

圖 28 雙球面鏡紋影攝影器材的 2 個畫面調整案例 ............................................................. 31

圖 29 多用途附屬實驗器材規劃示意圖 ................................................................................. 32

vi

圖 30 單氣罩局部排氣模型與氣罩捕集之紋影攝影效果 ..................................................... 33

圖 31 以富泰空調公司生產之 HEPA 過濾機改裝為均勻側風產生器................................. 34

圖 32 保溫熱水瓶 85ºC 熱水上方瓶口熱氣的捕集特性 ....................................................... 36

圖 33 多用途附屬實驗器材架設方式示意圖 ......................................................................... 36

圖 34 蠟燭在不同速度側風環境中燃燒的廢氣流動特性 ..................................................... 38

圖 35 直管附凸緣氣罩對小瓦斯爐明火燃燒廢氣的捕集特性 ............................................. 39

圖 36 二層膜理論示意圖 ......................................................................................................... 44

圖 37 浸泡藥用酒精的木塊表面近似靜止揮發現象：左為全景，右為局部放大 ............. 45

圖 38 支持二層膜理論的紋影攝影現象 ................................................................................. 46

圖 39 乙醇蒸氣在瞬間最高風速僅 0.08M./SEC 的微弱側風中無序地隨機飄動 ............... 47

圖 40 盛放乙醇的蒸發皿在側風中像河水溢堤般流出乙醇蒸氣 ......................................... 49

圖 41 乙醇蒸氣的雙層階梯沉降實驗 ..................................................................................... 50

圖 42 市售去漬油蒸氣的傾注實驗（由桶子倒出的是去漬油的蒸氣） ............................. 51

圖 43 甲醇蒸氣的捕集實驗 ..................................................................................................... 52

圖 44 以沾濕甲醇的棉球作為氣罩開口空氣流線指示工具 ................................................. 53

圖 45 六氟化硫氣體溢出窄口瓶的貼附效應 ......................................................................... 56

圖 46 鏡面貼附實驗：平行噴流貼近鏡面後，氣束有明顯展開的趨勢 ............................. 57

圖 47 鏡面貼附實驗：六氟化硫斜向噴流貼近鏡面後，氣束有明顯展開的趨勢 ............. 57

圖 48 六氟化硫氣體傾注實驗：先從窄口瓶倒入燒杯，再由燒杯倒到環境裏 ................. 58

圖 49 丁烷氣體傾注實驗：燒杯內的丁烷來自市售的打火機瓦斯罐 ................................. 59

圖 50 二氧化碳氣體傾注實驗：窄口瓶內的常溫二氧化碳氣體由鋼瓶提供 ..................... 59

圖 51 氣罩中軸風速測試結果 ................................................................................................. 61

圖 52 氣罩開口中心風速與電源頻率之關係 ......................................................................... 62

圖 53 氣罩導管風量、平均風速與電源頻率之關係 ............................................................. 63

圖 55 六氟化硫氣體之側吸式氣罩捕集實驗：實驗端器材示意圖 ..................................... 65

圖 56 六氟化硫氣體之側吸式氣罩捕集實驗：拍攝端器材示意圖 ..................................... 65

圖 57 六氟化硫氣體之側吸式氣罩捕集實驗：噴嘴位置示意圖 ......................................... 66

圖 58 六氟化硫氣體之側吸式氣罩捕集結果：噴嘴於「高位、近距」位置 ..................... 67

圖 59 六氟化硫氣體之側吸式氣罩捕集結果：噴嘴於「高位、遠距」位置 ..................... 67

圖 60 六氟化硫氣體由上吸式氣罩捕集之實驗器材架設 ..................................................... 68

圖 61 以 X/D=1.0 為例，說明六氟化硫氣體由上吸式氣罩捕集之結果 ............................. 69

vii

表目錄

表 1 工業通風設備性能量測與驗證技術舉例 ..................................................................... 2

表 2 某廠牌球面鏡 2009 年出廠價（表面粗度 1/4 波長） ................................................ 23

表 3 法定第一、二種有機溶劑之物理特性(1/2) ................................................................. 42

表 4 法定第一、二種有機溶劑之物理特性(2/2) ................................................................. 43

表 5 氣罩中軸風速測試結果 ................................................................................................. 61

表 6 氣罩開口中心風速與電源頻率之關係 ......................................................................... 62

表 7 氣罩導管風量、平均風速與電源頻率之關係 ............................................................. 63

表 8 六氟化硫氣體由上吸式氣罩捕集之實驗結果 ............................................................. 70

1

第一章 計畫概述

第一節 前言

工業通風設備的安裝使用目的，是移除或稀釋存在於勞工作業場所空氣中的有

害物質，使勞工不至於吸入過量的有害物而罹患職業病，其性能優劣對勞工的健康福

祉有重要意義。為了因應擴建工廠、修改生產線等需求而增刪、修改現有工業通風設

備後，就必須再次評估工業通風設備現況，驗證其效能足以保護勞工的呼吸健康。

當前用於評估工業通風設備效能的主要技術方法比較如表 1，但細部執行時各有

不同特色與適用範圍。有的方法適用於長時間評估整套工業通風設備移除有害物的總

效能，有的方法則適用於短時間評估某固定位置空氣中有害物濃度的時變特性，但對

勞工安全衛生管理人員而言，「效果清晰可見、評估速度最快、最能說服勞工」的性

能驗證方法，莫過於氣流可視化（airflow visualization）技術。

表 1所列的三種常用氣流可視化技術，主要是將能夠懸浮（或暫時懸浮）於空氣

中的微粒散佈到欲觀察的空間裏，然後以觀察微粒運動軌跡的方式，間接判斷這個空

間內氣流的流向與速度，進而評估工業通風設備的效能。勞工安全衛生研究所的通風

實驗室使用了多種氣流可視化技術，舉例來說，圖 1、 圖 2、圖 3分別為使用焦硫酸

發煙管、超音波霧化器、乾冰塊的工業通風設備效能驗證案例，圖 4則為使用雷射光

頁突顯水霧微粒運動軌跡的氣罩捕集效能驗證案例。

在很多應用場合裏，從圖 1到圖 4的多種氣流可視化觀測方法都不太適用。舉例

來說，在無風的室內牆壁油漆工作場所，若有個正在緩緩揮發有機溶劑蒸氣的油漆液

面，則無論以何種方式在液面上方空間植入煙霧微粒，都會擾亂原有的極低速揮發氣

流運動趨勢；再舉個相對的例子，若有某個正在高速抽吸空氣的氣罩開口，則因為抽

吸風速快，須植入高濃度的大量微粒，才能觀察得到氣罩開口的氣流運動軌跡，此時

不僅煙霧製造成本偏高，且過多的煙霧微粒容易造成通風設備濾網阻塞，以及環境污

染問題。由前述實務案例分析，非接觸式且非破壞式之氣流可視化方法的研發，有其

實務需求上的必要性。

2

表1 工業通風設備性能量測與驗證技術舉例

技術名稱 使用工具 具體功能與性能驗證項目

風速量測 風速計 量測勞工身體表面風速、氣罩與排氣櫃開口吸入風速、導

管風速、風機排氣風速等。為間接評估方式之一。

風量量測 風量計 量測通風開口（進氣口或排氣口）風量、導管風量、風機

輸送風量、洩漏風量等。為間接評估方式之一。

壓差量測 壓差計 量測導管元件之靜壓損失、導管內部與環境之氣壓差異、

皮托管傳遞之導管動壓等。為間接評估方式之一。

濃度量測 直讀式有害物

濃度量測儀器 以直讀式儀器量測特定位置空氣中有害物濃度。能即時回

饋量測結果，成本低，但精確度不如採樣分析方法。

採樣分析 空氣採樣容器

與分析儀器

以採樣容器或採樣袋蒐集空氣樣本，攜回實驗室分析特定

位置空氣中有害物濃度。所需的分析時間較長、成本較

高，但精確度比直讀式儀器要好得多。

焦硫酸發煙管 以送風工具將焦硫酸(H2S2O7)等氣態化合物吹入空氣，使其瞬間奪取空氣中的濕氣而凝結為白色煙霧。此白色煙霧

可維持約 20-80 秒鐘的存在時間，但有刺鼻的異味。

超音波霧化器

利用固定安裝於水箱底部的沉水式超音波產生器，垂直向

上發射超音波；超音波穿出水面、進入空氣時，由於傳遞

音波的介質密度突然變小，依動量不滅定律，水面會被超

音波擊碎為無數微粒拋入空氣中，因而形成白色水霧。瀰

漫於水面的白色水霧可由低速風扇送入指定的空間。此白

色水霧的微粒尺寸較大，容易沉降並重新溶解於空氣中，

故在空氣中只能維持約 5-15 秒鐘的存在時間。

氣 流 可 視 化

乾冰塊

乾冰塊於熱水中受熱昇華，釋放大量低溫二氧化碳氣泡；

氣泡冒出水面瞬間對空氣吸熱，使空氣中的濕氣急速冷凝

為水霧或冰霧，並由昇華的二氧化碳氣體推離水面，其視

覺效果有如高山雲海，白霧源源不絕地自水面湧出。此白

霧溫度低且夾雜著冰霧顆粒，不容易重新溶解於空氣中，

故在空氣中能維持約 10-30 秒鐘的存在時間。

3

圖1 以焦硫酸發煙管驗證負壓取痰室之內部氣壓低於環境氣壓

圖2 以超音波霧化器突顯氣膠微粒在迴流胞內的滯留情形

超音波霧化器

臺灣地區勞工人體模型

環境側風

朝左流動

側風造成的迴流胞

有害生物氣膠可

能長期滯留於此

焦硫酸發煙管

煙霧受氣壓差異影響，自門縫

流入負壓空間，由此證明門內

的空間是相對負壓空間。

4

圖3 以乾冰塊製造的冰水霧驗證「導煙機」控制污染的優異性能

圖4 以雷射光頁輔助超音波霧化器觀察錐形氣罩的偏心捕集能力

乾冰造成的低溫冰

霧與水霧之混合物

5

第二節 計畫目的

從前一節的介紹，我們瞭解那些利用「在空間中植入微粒」為主要手段的氣流

可視化技術都有一個共同的缺點，就是無法有效觀察極低速與極高速的氣流。為了克

服這樣的問題，本計畫引進一種非接觸式、非破壞式的光學方法，稱為紋影攝影術[1]

（Schlieren Photography），用以觀測各種工業通風物理現象。以下先簡單介紹紋影攝

影術的原理。

光線通過某連續介質時，若介質的組成有局部不均勻的問題，則光線通過這塊

不均勻的位置時，因為介質折射率（index of refraction）的改變而發生折射。同樣的

道理，令一束正在聚焦的光束通過空氣中密度不均勻的位置時，原本能正確收縮聚焦

於一個點的光束，將因局部空氣密度不均而有些微的折射，使光束的聚焦過程出現瑕

疵。紋影攝影術利用此原理，於前述的焦點進行局部遮蔽，刻意阻擋那些已發生折

射、未能正確通過焦點的光線，並於焦點後方安裝攝影機，拍攝「已經正確通過焦

點、正在重新展開」的光束，則攝影機便能拍攝到「有局部暗影瑕疵」的畫面。前述

的這個暗影瑕疵，正是我們需要的紋影訊號，因為它能突顯空氣中密度不均勻區域的

形狀與大小。以上原理在下一章有詳細的介紹。

有了紋影攝影術，某些原本不能由肉眼觀測的空氣不均勻現象，例如人體皮膚

的散熱（空氣局部受熱並吸濕）、天然瓦斯自高壓管路外洩（雜質氣體混入空氣）、

有機溶劑蒸氣污染室內空氣等通風物理現象，都能在鏡頭中呈現為特殊的紋影畫面，

使勞工安全衛生專業人員一眼看出問題出在哪裏。具體的紋影攝影工具、攝影方法、

工業通風紋影畫面，以及量化實驗的結果，都會在本文件中作詳細展示。

在過去，以 Settles 氏[1]為首的科學家們，已將紋影攝影術應用於超音速航具

的開發、火焰特性研究[2][3]等用途，但將此技術應用於工業通風領域的案例不多。本

計畫針對兩類極端場合，分別建立兩套大小不同的紋影攝影設備，並利用建立設備的

過程中拍攝各種過去無法清楚描述的通風物理現象，除了用以解釋通風物理現象的成

因與特徵，同時也藉此展示紋影攝影術在工業通風領域之具體用途。為集中人力物力

突顯研究成果，本計畫特別針對氣態有害物進入空氣的現象進行研究，以下說明本計

畫的研究目的。

6

1. 自行設計並組裝兩套紋影攝影術研究器材。

2. 自行設計定性與定量觀測用途之濾光片。

3. 觀察有機溶劑在近似無風的環境中對空氣揮發的物理特性。

4. 觀察有機溶劑蒸氣、氣態有害物於空氣中擴散混合的特性。

5. 嘗試以氣罩動力模型捕集氣態有害物與有機溶劑蒸氣，並觀察其捕集特性。

第三節 本計畫工作項目

本計畫利用紋影攝影術，將以往不可見的部份通風物理現象轉為可見影像，並

結合學術文獻、理論公式與其他等輔助資訊，作為綜合判斷有害物通風特性的基礎；

最後再將研究成果與有機溶劑危害預防規則等法規相互印證，設法持續降低勞工的暴

露風險。以下詳細說明本計畫的工作項目，以及澄清解決問題的先後順序。

1. 建立基本設備並試拍紋影影像：採購部分市售零組件後，本計畫自行設計了若干關

鍵零件並發包製作，最後組裝成兩套基礎紋影攝影器材。這兩套器材具有「造價不

高，操作簡單，只需兩位受過訓練的人員，即可執行紋影攝影工作」的特色。各項

設計細節在本文件中有詳細說明。

(1) 大尺寸紋影攝影器材：使用一面直徑 12.5 吋、焦距 125 吋的內凹球面鏡為主要

零件，為精密且可塑性高的研究設備，用以拍攝直徑 30cm 的高品質紋影畫

面。全部器材的總重量較大，造價較高，但可搭配實施多種通風紋影實驗。

(2) 小尺寸紋影攝影器材：使用兩面直徑 6 吋、焦距 60 吋的內凹球面鏡為主要零

件，為研究成果推廣用、教學用、現場通風問題拍攝用簡易器材，能拍攝直徑

15cm 的圓形紋影畫面。全部器材的組成零件數量不多，個別零件重量不大，可

由兩位人員分解攜帶到現場，於 20 分鐘內搭建使用。

(3) 實驗用局部排氣裝置：由氣罩、層流風量計、離心式排氣機、變頻器、可變風

速之側風產生器，以及相關管件構成局部排氣裝置模型，設計目的是搭配大尺

寸紋影攝影器材，可執行氣罩捕集實驗，拍攝氣罩捕集透明氣態物質的特性。

2. 蒐集職業衛生案例：於計畫執行過程中持續嘗試拍攝新的紋影畫面，從錯誤中累積

7

了足夠的經驗，作為第三階段主要研究之參考。本計畫成功拍攝了以下案例。

(1) 熱水蒸氣捕集：利用簡陋的初步模型，拍攝外裝式氣罩捕集熱水蒸氣的特性照

片。此項攝影的目的在測試紋影攝影術的敏感度，並確認本計畫使用之單氣罩

局部排氣裝置動力模型的設計細節。

(2) 燃燒廢氣特性：以市售普通蠟燭與野炊用卡式瓦斯爐為觀察目標，搭配自行設

計的濾光片，拍攝高溫廢氣的流動趨勢與氣罩捕集特性。此項攝影的目的在測

試本計畫使用之彩色濾光片的具體功能。

(3) 有機溶劑揮發特性：以不同的方式讓有機溶劑揮發，觀察有機溶劑的揮發特

性。此項工作之成果提供行政院勞工委員會作為法規修訂的參考依據。

(4) 側吸式氣罩對六氟化硫的捕集特性：建造單氣罩局部排氣裝置動力模型，將圓

管附凸緣氣罩以水平姿態安裝，觀察六氟化硫氣束受重力影響時，如何流入側

吸式氣罩開口。實驗結果已整理為論文發表於 2009 年第 16 屆全國計算流體力

學學術研討會[4]，具體成果詳述於本文件後續章節。

(5) 上吸式氣罩對甲醇蒸氣的捕集特性：利用單氣罩局部排氣裝置動力模型，將圓

管附凸緣氣罩以垂直上吸的姿態安裝，觀察甲醇蒸氣的捕集特性，並嘗試測定

捕集風速。由於甲醇蒸氣密度僅為空氣的 1.1 倍，這項實驗的重要功能是提供

氣態有害物捕集風速下限的參考數據。

(6) 上吸式氣罩對六氟化硫的捕集特性：同上，觀察六氟化硫之捕集特性，並嘗試

測定捕集風速。由於六氟化硫氣體密度為空氣的 5 倍，為罕見的高密度氣體，

這項實驗的重要功能是提供氣態有害物捕集風速上限的參考數據。

3. 確定主要研究設備：此階段之工作與挑戰是總結先期研究工作經驗，修改大尺寸紋

影攝影器材，使大型精密實驗所需之標準器材得以定案，投入往後本所相關研究作

為固定設備。

4. 整理相關研究成果：本計畫已投稿 1 篇國內研討會論文[4]。除了撰寫本文件與技

術手冊，預計自 99 年起仍可繼續發表若干技術文獻。具體的後續應用工作預計至

100 年 5 月始能全部完成。

8

第二章 紋影攝影術原理

第一節 紋影攝影術發展史簡介

紋影攝影術（Schlieren Photography）的物理特徵是「局部空間的氣體密度發生

改變時，通過此空間的光會發生折射，使拍攝畫面中原應明亮之處轉暗，形成肉眼可

辨識的陰影。」紋影攝影術最早可追溯到 17 世紀的歐洲，在若干非屬科學領域的個

人出版品中描述了紋影現象，然而這些出版品係將紋影現象視為不可解釋的奇觀，甚

至以迷信解釋之，並未以科學的方式研究紋影技術的原理。

近代紋影攝影術由普魯士科學家 August Toepler 於 1864 年提出，使用了較現代

的儀器設備，但直到第一次世界大戰結束為止，紋影攝影術的研究範圍仍十分有限，

只用以解釋若干簡單的物理現象，且參與研究的科學家人數不多。第二次世界大戰結

束後，各國均投入噴射引擎飛機的研發，航天載具的飛行速度首次有機會突破音速。

此時紋影攝影術因為在飛機模型風洞實驗的特殊用途（音壁顯像）而開始受到重視。

在 1950-1980 年間，紋影攝影術廣用於超音速航天載具的風洞實驗，其中尤以飛彈

[5]、火箭及戰鬥機[6]的應用最常見。1980 年後，由於計算流體力學（Computational

Fluid Dynamics，簡稱 CFD）技術的發展日益蓬勃，原本必須於風洞中執行精密紋影

攝影才能獲得的關鍵設計參數，如今可由 CFD 軟體的模擬結果輕易決定，紋影攝影

之重要性因而逐漸降低。無論如何，遍查古今相關文獻，發現除了極少數案例[7]之

外，紋影攝影術鮮少應用於工業通風領域。

第二節 光線的折射

光線於非均質透明介質中行進時會發生連續的折射（refraction），例如海市蜃樓

就是光線於大氣中長距離行進時發生的折射現象。如圖 5所示，有兩種折射率（index

of refraction）分別為 1n 與 2n 的透明介質緊密貼合在一起，當光線自介質 1 穿越界面進

入介質 2 時，若令 1θ 為光線進入界面的入射角，而 2θ 為光線離開界面的岀射角，則光

線於界面上的折射現象可由 Snell’s Law 描述如下。

9

2211 sinsin θθ nn = (1)

圖5 光折射原理說明

同樣的道理，在透明的基質（matrix）中若緊密嵌入一個透明的塊狀雜質，則光

束自基質穿過雜質再回到基質的過程如圖 6所示，會發生兩次折射。由 Snell’s Law 我

們知道光束進入、離開雜質的方向是平行的，但入射光軸與出射光軸之間存在一個偏

移量。這個光束偏移現象是促成紋影攝影術發展的最重要物理現象。

圖6 光束穿透塊狀透明雜質的過程中發生了兩次折射

假設環境空氣原本是均勻的透明介質，現在將一支蠟燭點燃如圖 7的左小圖所

示，則蠟燭上方的空氣密度將發生變化，首先我們可以依熱氣上升的原理作如下的推

1θ

2θ

塊狀透明雜質 透明基質

1θ2θ

偏移量

1θ

2θ

透明介質 1 透明介質 2

10

論：蠟燭正上方空氣直接被蠟燭加熱，且含有蠟燭燃燒後產生的氣態產物，故其溫度

最高且密度最低；稍微偏離蠟燭正上方位置的空氣未被蠟燭直接加熱，故其溫度較低

且密度較高；至於環境空氣，相較於前兩者為溫度最低且密度最高者。

對於前述的推論，過去我們只能利用具溫度測定功能的紅外線攝影機，或使用

溫度計矩陣來驗證，沒辦法用肉眼觀察的方式快速獲悉全域溫度分布，這是因為無論

空氣熱或冷，對眼睛而言都是看不見、摸不著的透明介質。然而利用圖 6的紋影攝影

原理，勞工安全衛生研究所通風實驗室以牛眼濾光片拍出如圖 7右小圖的結果：火焰

上方高溫處呈現預設的綠色（光線偏移量最大），紫色與淺藍色區域溫度較低，最低

溫的則是黃色與紅色（光線偏移量最小）。在稍後的章節中我們會詳細討論牛眼濾光

片的設計原理。

圖7 蠟燭上方的空氣受熱形成密度變化多端的熱空氣團

第三節 光束的聚焦

如圖 8所示，把一個平行光束聚焦於 1 點的方法，通常有三種：第一種方法是讓

光束穿透一個凸透鏡（此鏡面的曲線形狀為球面），第二種方法是讓光束穿透一個變

密度透鏡（鏡子中央的密度最大，邊緣最小），第三種方法是使用凹面鏡（球面鏡或

拋物面鏡）。光束聚焦於 1點的地方稱為焦點（focal point），自鏡面對稱中心到焦點

的距離稱為焦距。光束在焦點處的直徑，理論上是一個無限小的點，但由於各種透鏡

與反射鏡的製作精度畢竟有其極限，而入射的光束品質也未必是完美的平行光束，故

正在燃燒

的蠟燭

偏移量

牛眼濾光片

紅色溫度最低

黃色溫度次之

綠色溫度最高

推論所得的概略溫度分佈

11

通常在焦點處觀察到的是一個直徑極小的圓形光點。

將光束聚焦於一點有什麼用處呢？如圖 9所示的光束修整器，其原理是利用兩個

焦點重合的凸透鏡，以及一個位於焦點的不透明遮蔽板：強度高但均勻度差的入射光

源位於畫面左邊，此入射光源產生的光束品質不均勻，但光束穿透左凸透鏡後，只有

平行於左凸透鏡光軸的光線才能通過焦點；安裝於焦點軸距的不透明遮蔽板上，於焦

點位置鑽了一個小圓孔，這個小圓孔的直徑大小決定最後的光束品質；來自左凸透鏡

的光線，除了恰好能向右穿過小圓孔的部分之外，其餘品質不良的光線都被擋住；能

穿透小圓孔（焦點）的光線繼續向右擴散前進，穿透右凸透鏡後，就成了一束平行度

良好的高品質光束。利用這種光束修整器，可將一般光源產生的光線修成平行光束。

圖8 三種常用的光束聚焦方式

圖9 光束的修整（類似直流電的整流）原理

存在一個小孔的

不透明濾光板 強度高但均勻

度差的入射光 強度低但品質

良好的出射光

左凸透鏡 右凸透鏡

焦距 焦距 焦距

凸透鏡 變密度透 凹面反射

12

第四節 球面鏡的反射特性

圖10 球面鏡的反射特性示意圖

球面鏡的光束反射特性示意如圖 10上方的兩個小圖：若以一束斷面為圓形的光

束照射球面鏡，只要入射光束的光軸與球面鏡的對稱中軸平行，則無論入射光束的光

軸是否與球面鏡的對稱中軸準確重合，由鏡面反射的光束都會聚焦於球面鏡的焦點。

球面鏡的點光源反射特性示意如圖 10下方的三個小圖：由於球面鏡的焦距已知

是球面鏡曲率半徑的 0.5 倍，故若於稍微向上偏離球面鏡中軸、與鏡面水平距離相當

於 2 倍焦距的位置安裝一個點光源，則由鏡面反射回來的光點將出現於稍微向下偏離

球面鏡中軸、與鏡面水平距離相當於 2 倍焦距的位置；此時若將點光源向右移動，則

反射光點會朝左移動，反之亦然。前述的特性有助於快速安裝紋影攝影器材。

相對地，若利用圖 10左下角小圖，以及圖 9的原理，只要在球面鏡的 2 倍焦距

處安裝一個偏心光源與光束修整器，並於光軸另一側的對稱偏心位置安裝攝影機，則

入射光軸與鏡面中軸重合 入射光束偏離鏡面中軸

兩倍焦距成像 光源（上方箭頭）太近 光源太遠

13

可由改變光束修整器濾光板圓孔直徑的方式產生紋影攝影效果：圓孔直徑大，則有足

夠的光訊號強度，容易攝得畫面，但不能拍出紋影效果；圓孔直徑小，則光訊號強度

偏低，不容易攝得畫面，但可拍出詳細的紋影效果。關於以上拍攝效果，後續章節會

有更詳細的說明。

第五節 雙凸透鏡紋影攝影術簡介

圖11 雙凸透鏡紋影攝影術原理射特性示意圖

圖 11所示為使用兩個凸透鏡製作的單色紋影攝影器材，其原理說明如下：品質

均勻的圓斷面雷射光束由凹透鏡展開為圓錐形光束，此光束通過左凸透鏡後轉為大直

徑的平行光束；平行光束穿越中央測試區（即圖中蠟燭燃燒產生的熱氣團），由右凸

透鏡聚焦；焦點位置設有刃狀（knife-edge）遮蔽片，並使擋板的刃邊恰好切在焦點

上；凡是能正常聚合通過焦點的正常光線，都被右方攝影機接收並呈現為正常畫面；

由於蠟燭上方熱空氣之密度低於環境空氣，導致通過此局部空間的光發生折射而無法

正常通過右凸透鏡的焦點，此時有 50%的機會遭刃狀遮蔽片反射，因而無法進入攝影

鏡頭。最後的結果是使蠟燭燃燒產生的熱氣團在畫面中形成陰影而遭觀察人員辨識。

雙凸透鏡紋影攝影器材有其獨特的優缺點。由於目前半導體雷射光束產生器的

刃狀擋板

攝影機

兩凸透鏡之間的

大直徑平行光束

蠟燭燃燒後產生之

低密度熱氣團

用以將入射光束

展開為圓錐的凹

透鏡

可見光雷射光

束發生源

因空氣密度改變而

轉向的光線

14

市價已經非常便宜，凸透鏡則是最容易買得到的光學透鏡（放大鏡），因此這種攝影

器材的最大優點就是容易建造且單價低廉。然而凸透鏡雖然容易購得，但鏡面曲廓精

確度優良（表面粗糙度達 1/2 個可見光波長）的凸透鏡價格不斐，且市面上凸透鏡商

品的常用直徑不大於 10cm（4 吋），因此這種攝影器材的最大缺點就是：在單價低廉

的前提下，無法製成精密度高且可拍攝畫面夠大的紋影攝影器材。除此之外，由於光

源必須為圓斷面的平行光束，因此只能使用單一波長的雷射光產生器，故拍攝所得的

影像是單色的黑白畫面。

第六節 單球面鏡紋影攝影術簡介

圖12 單色單球面鏡紋影攝影術原理

關於球面鏡的反射成像原理，已於第四節中詳細討論，以下依圖 12說明單色單

球面鏡紋影攝影器材的工作原理：將普通照明用投射燈安裝於盡可能接近攝影機、只

偏離球面鏡光軸數公分的位置，投射燈的發光面距離球面鏡的直線距離為 2 倍球面鏡

焦距；投射燈的發光面以不透明的遮罩完全遮蔽，只留下一個直徑約 1mm 的小孔用

以透光；由於我們不使用雷射光源，因此直徑 1mm 的微小光束向右離開投射燈後，

就自動展開成圓錐狀，直達球面鏡的鏡面；自球面鏡反射回來的光為圓錐狀光束，聚

焦於攝影機鏡頭前的反射焦點，且反射焦點與球面鏡的距離也是 2 倍焦距；刃狀遮蔽

片的邊緣恰好切在反射焦點上，以遮蔽 50%的雜訊；實驗區就位於球面鏡前，其大小

實驗區

攝影機

刃狀遮蔽片的邊緣剛好切在反射焦點上

長焦距球面鏡

球面鏡光軸

兩倍焦距

單色光投射燈

反射焦點

15

約合一個內接四邊形。

圖 12為本所通風實驗室以單色（綠色）單球面鏡紋影攝影器材拍攝的案例：圖

左為六氟化硫（Sulfur Hexafluoride，化學式為 SF6）氣體自鋼瓶中低速釋放到無風環

境的情形，由於該氣體之密度約合空氣密度的 6 倍，因此自噴嘴流出後，有明顯向下

沉降的趨勢；圖右為盛放於淺碟中的有機溶劑異丙醇（Isopropyl alcohol，分子式為

C3H8O）緩緩揮發於 0.15m/sec 側風環境的景象，異丙醇飽和蒸氣的密度約為空氣的

2.07 倍，已十分接近空氣密度，故在微風中有部分沉降（淺碟右邊緣）、部分向上擴

散（淺碟上方）的趨勢。

圖13 單色單球面鏡紋影攝影的兩個效果案例

為了力求強化紋影拍攝效果，理論上圖 12的刃狀遮蔽片應該盡量遮蔽反射焦

點，但實際上為了兼顧背景與紋影訊號，刃狀遮蔽片仍以約 50%遮蔽反射焦點為宜。

圖 14展示不同反射焦點遮蔽率對紋影攝影結果的影響：若遮蔽片的邊緣恰好未

切於反射焦點（0%遮蔽），則僅有少量強度特別高的紋影訊號能為攝影機捕捉；若遮

蔽片的邊緣切在反射焦點的中心（50%遮蔽），則背景與紋影訊號之間呈現明顯的明

暗對比，拍攝者得以具體呈現有機溶劑蒸氣揮發特性；若遮蔽片的邊緣恰好完全遮蔽

反射焦點（100%遮蔽），則雖可拍到大量的紋影訊號（陰影），但幾乎拍不到背景

（因為此時背景也是黑的），這樣一來就不能清楚呈現紋影訊號的特徵。

16

圖14 刃狀遮蔽片與反射焦點的相對位置與拍攝效果

單球面鏡紋影攝影器材只要稍加修改，就能使「單色」的紋影攝影術轉為「彩

色」的紋影攝影術[8]，並因此得到近似量化的紋影攝影結果。詳細說明如下。

比較圖 15與圖 12，若將圖 12的刃狀遮蔽片改為圖 16展示的各種彩色濾光片

[9]，並使從球面鏡反射回來的反射焦點恰好落在彩色濾光片的中央，再將單色光投射

燈改為太陽光投射燈（其發光頻譜近似陽光），就可將紋影拍攝結果轉為彩色畫面。

使用彩色濾光片的主要目的是以不同顏色突顯空氣密度改變量，及空間中空氣密度變

化的梯度（gradient）方向。除此之外，也可利用視覺上不同顏色互補、對比的效果在

濾光片上進行配色，將枯燥的單色紋影攝影畫面轉為對比鮮明、容易研判的彩色紋影

刃狀遮蔽片

反射焦點

遮蔽片未切於

反射焦點上

遮蔽片 50%遮蔽反射焦點

遮蔽片 100%遮蔽反射焦點

17

畫面。以下依圖 16說明各種濾光片的設計目的。

圖15 彩色濾光片應用於單色單球面鏡紋影攝影術

圖16 四種常用且製作容易的彩色濾光片

1. 彩色純量濾光片：又稱為牛眼（bull’s eye）濾光片。本計畫使用的彩色純量濾光片

如圖 16左上角所示，透明內圈的直徑為 1mm，其餘依序為紅、黃、藍、黃綠、

紫、深綠等色，直徑依序為 2、3、4、5、8mm。濾光片厚度約 0.5mm。彩色純量

濾光片的特色是「光線通過空氣密度不均的區域後，無論折射方向為何，在畫面上

呈現的色彩均依光線折射造成的偏移量大小而定。」在過去，此種彩色濾光片的主

實驗區

太陽光投射燈

攝影機

長焦距球面鏡

球面鏡光軸

以彩色濾光片替代遮蔽片，由畫面的

顏色區分雜質氣體的濃度或溫度。

彩色純量濾光片

三色向量濾光片 象限濾光片

彩虹純量濾光片

18

要缺點是製作不易，但如今已有數位化的彩色幻燈片製作技術，故可依使用目的製

作各種彩色濾光片。圖 7的蠟燭燃燒熱氣團觀察結果就是使用此種彩色濾光片拍

攝，從畫面中鮮明的顏色層次對比，我們可輕易辨識熱氣團在空間中的溫度高低分

布情形為何。如圖 17所示，若刻意偏移此濾光片的安裝位置，使反射焦點落在

紅、黃兩個色圈的邊界上，則又可將彩色的紋影攝影術退化為單色的紋影攝影術，

此時由於紅色與黃色對比鮮明，可獲得極佳的拍攝效果。

圖17 反射焦點落在紅、黃兩個色圈的不同邊界時，造成的背景顏色對比效果

2. 彩虹濾光片：如圖 16右上角所示為彩虹濾光片，最初發明此濾光片的學者動用了

三菱鏡、彩色底片、高速轉盤，以長期累積的技術經驗製作彩虹濾光片，使濾光片

中心到濾光片外圍呈現漸層色彩變化，但製作成本高昂，使彩虹濾光片的推廣運用

19

一度受阻。如今只須利用電腦將需要的顏色漸層效果印製於幻燈片上，即可製作彩

虹濾光片，成本明顯降低。本計畫將於 99 年的研究工作中深入應用彩虹濾光片。

3. 象限濾光片：說明了前兩種濾光片的設計原理後，我們可輕易了解如圖 16左下角

所示的象限濾光片設計目的，那就是利用畫面上的不同色彩來突顯光線折射偏移的

方向。象限濾光片的發明年代早於前兩種濾光片，除了突顯光線折射象限之外，於

工業通風的應用範圍不大，故不作過多的探討。

4. 三色向量濾光片：三色向量濾光片的發明年代更早，其形狀與顏色分配如如圖 16

右下角所示，安裝時可依照向量辨識的目的，採用「直立」或「橫向」兩種安裝姿

態。當三色濾光片直立安裝時，觀察者的用意是要了解畫面中光線在上下方向折射

偏移的情形；當三色濾光片橫向安裝時，觀察者的用意是要了解畫面中光線在左右

方向折射偏移的情形。當然我們也可以將三色改為多色，或類似彩虹濾光片那樣的

顏色漸層。本計畫將於後續的研究工作中深入探討各種濾光片的應用效果。

單球面鏡紋影攝影術的好處是只需要使用一面球面鏡，安裝使用過程十分快

速，其缺點是實驗區與球面鏡之間的距離有限，故若將此技術應用於工業通風實驗

時，須注意避免因污染或腐蝕等因素損傷球面鏡。

第七節 雙球面鏡紋影攝影術簡介

圖18 雙球面鏡紋影攝影術原理

燈泡柱(內藏燈泡)

入射端

球面鏡

聚焦端

球面鏡

刃狀遮蔽片 攝影機

實驗區 反射焦點

20

對照圖 12與圖 18，可發現單球面鏡紋影攝影器材、雙球面鏡紋影攝影器材很類

似，主要差異在於球面鏡的數量，以及實驗區的大小：單球面鏡紋影攝影器材只需一

個球面鏡即可展開實驗，費用較省且搭建較快速，但可用的實驗區大小只限於球面鏡

前的一小塊空間；雙球面鏡紋影攝影器材需要兩個球面鏡，費用較高且搭建速度較

慢，但由圖 18可看出其可用的實驗區尺寸較大，且能遠離鏡面，避免通風現象受鏡面

的干擾。由於零組件數量較多，以下依圖 18與安裝使用順序說明雙球面鏡紋影攝影器

材的工作原理。

1. 將普通居家裝飾用的白色鎢絲燈泡（或其他種類光源）藏在金屬製的燈泡柱內，並

於燈泡柱上對應於燈泡安裝位置的高度鑽一個小孔。小孔的具體直徑可由光束的幾

何關係推算，也可沿著燈泡柱多鑽幾個直徑不同的孔，然後於實際使用時選用最適

當的直徑。

2. 於距離燈泡柱 1 倍球面鏡焦距的位置放置入射端球面鏡，先調整燈泡柱的安裝高

度，使燈泡柱的發光小孔對正入射端球面鏡的對稱中心與光軸，然後刻意偏轉入射

端球面鏡的角度（偏轉量視實驗區大小的需求而定，約 5-20º）。

3. 在燈泡柱旁安裝聚焦端球面鏡，依照入射端球面鏡的偏轉角度大小，同樣地使聚焦

端的球面鏡偏轉。調整聚焦端球面鏡的安裝高度，使聚焦端球面鏡、入射端球面

鏡、燈泡柱發光小孔位於同樣的高度。

4. 在入射端球面鏡旁安裝攝影機。調整攝影機的安裝高度，使攝影鏡頭中心、聚焦端

球面鏡、入射端球面鏡、燈泡柱發光小孔位於同樣的高度。

5. 使用市售的雷射筆（laser pointer）檢驗光軸是否完全對正，微調兩個球面鏡的安裝

姿態與位置，並以攝影機驗證調整結果：在攝影機畫面中，兩面球面鏡的鏡面必須

重合，同時燈泡柱的發光小孔必須位於鏡面正中央。

6. 點亮燈泡柱，使小孔發光，於攝影機前的反射焦點安裝並微調刃狀遮蔽片，使遮蔽

片的邊緣恰好切在反射焦點上。

圖 19為本所自行架設的雙球面鏡紋影攝影器材拍攝所得的四種蠟燭燃燒畫面，

21

器材架設方式完全依照圖 18，但採用不同顏色的 LED（發光二極體，為市售普通電

子零件）取代燈泡柱，作為便宜、耐用、輕巧的光源。由於光源是單色的，故反射焦

點的遮蔽方式只採用刃狀遮蔽片，而非彩色濾光片。比較圖 19的四張小圖，可發現黃

色與橘色 LED（右下角）最合適，因為黃、橘色背景與黑色紋影形成強烈的對比。

圖19 使用 LED（市售普通電子發光零件）拍攝的四種雙球面鏡紋影攝影畫面

圖 19 的四張小圖中，右上角的橘色 LED 與左上角的紅色 LED 其實是同一個發

光源，這是因為 LED 的發光顏色並非固定，會在不同的電壓下發出不同顏色的光。

除了第五節到第七節介紹的三種紋影攝影術之外，在 1960-2002 年間，物理學家

還發明出許多運用類似原理的紋影攝影術與陰影攝影術（Shadowgraph），但在這些

新方法之中，有的方法須使用價格高昂且精密笨重的器材，有的方法必須佔用很大的

22

空間才能運作，有的方法則根本不適用於工業通風研究領域。

由於本計畫的主旨不是為了鑽研紋影攝影術，而是探討如何將紋影攝影術應用

於工業通風領域，因此必須尋求「器材簡單且建造費用低廉、用途廣泛且能實際架設

於勞工作業場所」的簡易紋影攝影技術，故未將前述的新方法納入本計畫範圍。

第八節 球面鏡的選用

由日常生活經驗，我們知道在同一時間照射於地面的每一束陽光都是平行的，

那是因為太陽距離地球很遠，目力所及範圍內任意兩束陽光之間的幾何關係幾乎都是

理想的平行關係。同樣的道理，如果想得到畫面幾乎無任何扭曲的理想紋影攝影畫

面，則鏡面與攝影機之間的距離愈遠愈好，詳情請參考圖 15所示的實驗區範圍與光束

之間的幾何關係。球面鏡的物理特性之一是「曲率半徑為焦距的兩倍」，因此將球面

鏡應用於紋影攝影術時，理想的球面鏡「焦距／直徑」之比愈大愈好。

為了拍攝大尺寸通風模型的紋影影像，球面鏡的直徑愈大愈好。然而球面鏡的

直徑愈大，售價愈高，體型也愈笨重。圖 20與表 2為 2009 年美國某知名光學儀器公

司公佈的球面鏡出廠價（售價與鏡面面積概略成正比），由曲線斜率可發現購買 6 吋

球面鏡是最划算的（直徑／出廠價之比最低），而該廠家出售的最大球面鏡直徑則為

12.5 吋，這同時也是當前各國光學元件供應商庫存規格產品中的最大尺寸。大於 12.5

吋的球面鏡須使用特殊大型研磨機製造，訂製費用極高且交貨期程較難預期。

23

-

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

0 2 4 6 8 10 12 14

鏡面直徑(吋)

出廠價

(新台幣元)

無鍍層

鍍鋁

強化鍍鋁

鍍金

圖20 某廠牌球面鏡 2009 年出廠價（表面粗度 1/4 波長）

表2 某廠牌球面鏡 2009 年出廠價（表面粗度 1/4 波長）

鏡面表面鍍層與出廠價（單位為新台幣元） 直徑

(吋) 無鍍層 鍍鋁 強化鍍鋁 鍍金

1 2,635 2,818 3,574 3,941

2 3,230 3,437 4,170 4,926

3 5,155 5,521 6,094 6,827

5 11,088 12,394 14,617 16,656

6 11,088 12,394 14,617 16,656

8 20,367 22,612 25,934 28,729

10 44,491 49,142 55,625 60,276

12.5 63,048 68,615 76,978 83,461

24

球面鏡的反射面大多是電鍍的銀面，但在銀反射面上通常還會再加鍍一個或多

個透明的鍍層，其用途是提高鏡面耐磨性、調整鏡面對特定波長範圍的反射品質（例

如加強對紫外線的反射能力），以及利用多個鍍層改變反射角度等。消費產品的鏡面

通常不加特殊鍍層，其使用壽命最短；鍍金鏡面的品質最佳且使用壽命長，但價格較

高，常用於精密的光學研究用途；鍍鋁與強化鍍鋁的鏡面通常為工業製程或一般科研

教學用途，是目前最廣用的鍍層。

本計畫依預期目的必須建造大、小兩套紋影攝影器材。依照本章前面幾節的討

論結果，說明選用的球面鏡規格與理由如下。

1. 大型紋影攝影設備：預期為架設於實驗室內的半固定式設備。依研究人員的使用目

的製作通風實驗模型後，再將實驗模型搬到實驗室內，搭配此設備進行紋影觀測。

(1) 鏡面直徑：12.5 吋（317.5mm），這個尺寸是市售規格品的最大尺寸，售價約

新台幣 10 萬元左右，如有損壞可快速自廠商的庫存品獲得補充。

(2) 鏡面焦距：3175mm，為球面鏡直徑的 10 倍。

(3) 拍攝距離：應用單球面鏡紋影攝影術，拍攝距離為 2 倍焦距，即 6350mm。由

於此球面鏡的售價較高，故本計畫的大型紋影攝影設備只用一個球面鏡。

(4) 其他規格：鏡面粗糙度 1/4 可見光波長（約 0.2µm），直徑允差+1.5mm/-0，鏡

片邊緣厚度 54.1mm，鏡面鍍層為鍍鋁。

2. 小型紋影攝影設備：預期為可拆解成數個零件的可攜式設備。依勞工作業場所的現

場空間條件限制，由研究人員攜帶此設備至現場快速搭建，進行現場紋影觀測。

(1) 鏡面直徑：6 吋（152.4mm），這個尺寸是市售規格品中價值最划算的尺寸，

同時也是各光學廠商的暢銷規格品，可輕易獲得補充。

(2) 鏡面焦距：60 吋（1524mm），為球面鏡直徑的 10 倍。

(5) 拍攝距離：應用單球面鏡紋影攝影術，拍攝距離為 2 倍焦距。

(3) 其他規格：鏡面粗糙度 1/8 可見光波長（約 0.1µm），直徑允差+1.5mm/-0，鏡

片邊緣厚度 25.4mm，鏡面鍍層為一氧化矽。

25

第三章 紋影攝影器材之設計與使用

第一節 單球面鏡紋影攝影器材

本計畫使用的單球面鏡紋影攝影器材之原理如圖 15所示，具體的器材如圖 21、

圖 22，以下說明設計原理與操作使用方法。

1. 設計概念：單球面鏡紋影攝影器材為半固定式大型、重型實驗設備，使用時先自行

設計通風模型，然後將通風模型放置在球面鏡前的實驗區內進行紋影觀測。

圖21 單球面鏡紋影攝影器材之實驗端

2. 實驗端器材：實驗端各項器材組成舉例如圖 21，包括一個可微調桌面水平的不銹

鋼製工作桌，12.5 吋球面鏡由塑膠支撐架固定於工作桌面，鏡面與工作桌面垂直。

球面鏡前的實驗區內，於工作桌面放置實驗皿升降機構，用以調整實驗皿於鏡頭中

實驗用氣罩

球面鏡

球面鏡支撐架

實驗皿升降機構

可微調水平工作桌

氣罩支撐器

26

的拍攝高度；實驗區邊緣安裝氣罩支撐器，用以調整實驗用氣罩的安裝姿態（高度

與角度）。基本上實驗端器材一旦完成架設完成，就不再移動，所有調校工作都在

拍攝端進行。

圖22 單球面鏡紋影攝影器材之拍攝端

3. 拍攝端器材：拍攝端各項器材組成舉例如圖 22，包括一個可升降桌面的木質工作

桌，可微調水平且可前後滑動的光學平板底座，可微調水平、前後、高低的濾光片

支撐機構，可微調前後與轉向的燈泡柱，以及攝影機。

4. 使用方式

(1) 首先微調實驗端器材，使球面鏡之鏡面與地面垂直。

(2) 回到拍攝端，以紅外線測距儀確認拍攝端的攝影鏡頭與球面鏡之間的水平距離

大約為兩倍焦距（6350mm）。

(3) 調整拍攝端工作桌的水平度，然後以雷射水平儀（圖 27）發射的紅光十字線條

攝影機

燈泡柱

濾光片

前後滑動底座

可升降工作桌

位移微調機構

27

為基準，概略對正系統高程。具體的作法是使球面鏡的鏡面圓心、攝影機攝影

鏡頭的中心、燈泡柱發光圓孔位於同一個平面。

(4) 將雷射水平儀放置於攝影機鏡頭正前方，利用球面鏡支撐架上、下、左、右四

個固定螺栓為參考點，將雷射水平儀發射的紅光十字光頁（外形如圖 27）快速

對準球面鏡中心。對準結果如圖 23所示。

圖23 雷射水平儀發射之紅光十字可利用螺栓快速對準球面鏡中心

(5) 手持一張 A4 大小的白紙，用以攔截自球面鏡反射回來的紅光反射十字，觀察

反射十字的位置，以確認光軸在何處。具體的調整情形請參考圖 24。調整結果

需使雷射水平儀發射的紅光十字與自球面鏡反射回來的反射十字完全重合。

圖24 以雷射水平儀尋找球面鏡光軸之調校範例

雷射水平儀

發射的紅光

十字光頁 球面鏡固定螺栓

球面鏡支撐架

球面鏡

雷射水平儀

雷射水平儀發射的

紅光十字光頁

反射十字偏高且偏右：拍

攝端桌面歪斜，雷射水平

儀的水平位置偏左。

反射十字偏右：拍攝端桌

面水平度良好，雷射水平

儀的水平位置偏右。

反射十字與雷射水平儀發射的紅光

十字重合：完全對準！此時紅光十

字的交叉點與球面鏡中心之連線，

即是球面鏡的光軸。

28

(6) 移除雷射水平儀，先將攝影機鏡頭中心對正光軸，然後刻意向水平方向偏右移

動一段距離（約 5cm），並使燈泡柱的發光圓孔自光軸向水平方向偏左移動同

樣的距離。偏移的目的是為了使燈泡柱發光圓孔與攝影機鏡頭前的反射焦點形

成於光軸兩側左右對稱的關係（請參考圖 15與圖 10左下角小圖）。

(7) 點亮燈泡柱，手持一張 A4 大小的白紙，在攝影機鏡頭前隨意移動，設法攔截

自球面鏡反射回來的光點，以便概略尋找反射焦點所在位置。具體作法如圖

25，反射焦點的位置就是濾光片中心或刃狀遮蔽片邊緣的位置。找到反射焦點

位置後，將攝影機鏡頭向後退縮，留出空間以便安裝濾光片或刃狀遮蔽片。

圖25 手動尋找球面鏡反射焦點位置之具體作法

(8) 在拍攝端的濾光片支撐架上安裝濾光片或刃狀遮蔽片，利用微調機構調整濾光

片或刃片的位置，使濾光片或刃片邊緣恰好位於反射焦點上。具體的調整方式

請參考圖 12、圖 14、圖 15、圖 16、圖 17。

(9) 由攝影機的畫面確認調整結果正確，或由畫面效果再作些微調整。

攝影機

手持白紙前後移動，觀察自鏡面反射的光點。當白

紙恰好位於反射焦點時，光點最小且最亮；若白紙

偏離焦點，則光點擴大為模糊的光斑。

反射焦點

29

第二節 雙球面鏡紋影攝影器材

雙球面鏡紋影攝影器材的工作原理如圖 18，具體的架設情況如圖 26，由 4 具三

腳架、2 面 6 吋球面鏡、2 個球面鏡支撐架、1 個燈泡柱、1 部攝影機構成。刃狀遮蔽

片以任何可以墊高的物品放置於攝影機的鏡頭前方。使用方式說明如下。

1. 在勞工作業場所找到欲觀測的標的物，圍繞該標的物選擇器材架設方位。

2. 測試確認燈泡柱能正常點亮，將 2 面球面鏡安裝固定於球面鏡支撐架上。

3. 展開所有的三腳架，將 2 個球面鏡支撐架連同球面鏡安裝於三腳架上；將燈泡柱安

裝於第 3 具三腳架上，將攝影機安裝於第 4 具三腳架上。

4. 將 2 面球面鏡相對放置，使標的物落在 2 面球面鏡之間的實驗區內；利用紅外線測

距儀確認 2 面球面鏡的距離約為 1.45-1.6m 左右；最後利用附貼於球面鏡支撐架上

的水平氣泡規，調整兩面球面鏡之安裝姿態，使鏡面與地面垂直。

5. 於聚焦端球面鏡旁放置燈泡柱三腳架，於入射端球面鏡旁放置攝影機三腳架。例用

現場任何可以墊高的物品擺放雷射水平儀，以雷射水平儀發射的紅光十字線條為基

準，確認標的物、2 面球面鏡中心、燈泡柱發光圓孔中心、攝影機鏡頭中心位於同

一個水平面上。

6. 由兩位工作人員合作，以 A4 大小的白紙找到燈泡柱與攝影機的正確安裝位置：將

燈泡柱移動到入射端球面鏡前的焦點位置（距離球面鏡 1524mm），請另一位工作

人員於聚焦端球面鏡前的焦點位置附近以白紙尋找反射焦點（參考上一節）。微調

兩面球面鏡的安裝角度及燈泡柱的位置，使反射焦點落在攝影鏡頭前。

7. 由攝影機的畫面確認兩面球面鏡的圓形鏡片完全重合，且畫面中的燈泡柱發光圓孔

恰好落在圓形鏡片的正中央。調整時常見的錯誤如圖 28所示。

8. 利用現場任何可以墊高的物品固定刃狀遮蔽片，且遮蔽片的邊緣恰好切在反射焦點

上。最後再次以雷射水平儀確認球面鏡的鏡面中心、攝影鏡頭中心、燈泡柱發光圓

孔均位於同一個平面，且標的物落在實驗區內。如此即可開始進行紋影觀測。

30

圖26 本所研發之雙球面鏡紋影攝影器材工作實況

攝 影 機

燈 泡 柱

聚 焦 端 球 面 鏡

入 射 端 球 面 鏡

球 面 鏡 支 撐 平 台

31

圖27 雷射水平儀發射的十字形紅光雷射光頁（搭配雙球面鏡紋影攝影器材）

圖28 雙球面鏡紋影攝影器材的 2 個畫面調整案例

反射十字

雷射水平儀

入射端球面鏡

聚焦端球面鏡

聚焦端球面鏡

入射端球面

鏡的影像

錯誤 1：由於兩面球面鏡的距

離太遠，從聚焦端球面鏡的鏡

面上可以看到整個入射端球面

鏡的影像。

入射端球面鏡的

鏡面影像

聚焦端球面鏡的鏡面

錯誤 2：比較入射端球面鏡的鏡面

影像與聚焦端球面鏡的鏡面，可發

現其中一個看起來像橢圓，這表示

其中必有一方未以水平姿態安裝。

聚焦端球面鏡的鏡面

32

第三節 多用途附屬實驗器材之設計

圖29 多用途附屬實驗器材規劃示意圖

離心式排氣機

整流段

風量量測段

蜂巢整流段

軟管

蜂巢整流段

氣罩直管段

氣罩

實驗位置

氣罩支撐器

可調整高度之

實驗桌

均勻側風產生器

註：本圖僅為附屬實驗器材之規劃示意

圖，圖中各零組件未依正確比例與安裝位

置繪製。

變頻器

33

圖30 單氣罩局部排氣模型與氣罩捕集之紋影攝影效果

風量量測段

蜂巢整流段蜂巢整流段

離心式排氣機

實驗用氣罩 氣

罩支撐器

34

圖31 以富泰空調公司生產之 HEPA 過濾機改裝為均勻側風產生器

本計畫使用之多用途附屬實驗器材如圖 29所示，由一套單氣罩局部排氣裝置模

型（圖 30）與一部均勻側風產生器（圖 31）組成。詳細說明如下。

單氣罩局部排氣裝置模型使用之風量量測元件為 MERIAM LFE 50MC2-4 層流風

量計，於出入口壓損達 200mmAq 時可量測到最高 12199lpm 的風量，使用時必須針對

濕空氣密度與黏度作修正；兩個蜂巢整流段之長度均為 10 倍管徑，於空氣入口設有

六角形邊長 3mm、軸向長度 30mm 的蜂巢整流結構；離心式排氣機選用國產 Chuan-

Fan CX-35 Turbo Blower，其轉數由國產 DELTA VFD007S11A 變頻器調整。

均勻側風產生器係由富泰空調公司生產之三段式 HEPA 過濾機改裝（更換阻力

濾網），能於 70×70cm 的送風面上輸出 0.1-0.3m/sec 的均勻側風。

35

第四章 以紋影攝影術觀測熱氣特性

第一節 熱水蒸氣捕集特性之初步觀測

為了概略了解紋影攝影術對熱氣捕集特性的觀察效果，研究人員以隨手可得的

簡單工具執行初步觀測實驗。實驗內容簡介如下。

1. 使用單色單球面鏡紋影攝影術：請參考第二章第六節，器材架設方式如圖 12，使

用 12.5 吋球面鏡，使用市售美工刀片為刃狀遮蔽片，以蒙上黃色透明塑膠紙的小

型手電筒充當單色光投射燈。

2. 以小型工業用吸塵器模擬無凸緣直管氣罩：抽氣直管內徑 35mm，實測吸入風速大

約 12m/sec 左右。實驗時環境近似無風。

3. 以不銹鋼真空熱水瓶模擬污染源：瓶口直徑 65mm，實驗前已裝滿沸騰飲用水，但

實驗時溫度已降到 85°C 左右。

4. 實驗步驟：將熱水瓶放入實驗區，並將直管氣罩以水平姿態貼近瓶口，然後啟動排

氣機（吸塵器）。改變直管氣罩的位置，觀察抽吸熱水蒸氣的效果。

實驗結果如圖 32：排氣機啟動前，熱水蒸氣往上竄升（左上小圖）；排氣機啟

動後，氣罩風速逐漸增加，熱水蒸氣運動方向逐漸偏左，最後遭氣罩捕集（中上小圖

與右上小圖）；排氣機啟動五秒後進入穩定運轉狀態，氣罩抽氣風速不再增加，此時

即使將直管氣罩向左拉遠，也不會影響捕集效果（左下小圖與中下小圖）；改變直管

氣罩的抽氣方向，也不影響捕集效果（右下小圖）。

在前述實驗過程中，由於接受觀測實驗的熱水溫度不高於 85°C，若不從攝影機

的畫面了解紋影攝影效果，而是直接目視熱水瓶口，則由肉眼完全看不到任何熱氣，

更無從得知直管氣罩是否已正確發揮捕集熱水蒸氣的功能。由於一大氣壓下 85°C 的

飽和濕空氣與背景環境空氣之間只存在 0.4%左右的密度差異，但本次實驗的結果卻

能清晰呈現熱水蒸氣的存在範圍與運動趨勢，這樣的事實暗示紋影攝影術能有效觀察

製程設備開口面熱溶液揮發產物的氣罩捕集效果。

36

圖32 保溫熱水瓶 85ºC 熱水上方瓶口熱氣的捕集特性

第二節 蠟燭與爐具燃燒廢氣特性實驗

圖33 多用途附屬實驗器材架設方式示意圖

氣罩直管段

直管附凸緣氣罩

燃燒熱氣

小瓦斯爐或蠟燭

工作桌

側風產生器

37

基於從上一節熱水蒸氣之紋影觀測實驗學得的經驗，本計畫研究人員規劃了如

圖 33的多用途附屬實驗器材，用以觀察蠟燭燃燒與小型瓦斯爐燃燒廢氣的通風特性。

首先說明蠟燭燃燒廢氣之紋影觀測實驗。

1. 使用單色單球面鏡紋影攝影術：請參考第二章第六節，器材架設方式如圖 12，使

用 12.5 吋球面鏡，使用牛眼濾光片為遮蔽片，反射焦點位於濾光片對稱圓心。

2. 以飛利浦 27W 白光省電燈泡為燈泡柱的光源，發光圓孔直徑 2mm。

3. 實驗步驟：使用本計畫改裝的側風產生器產生 0.1m/sec、0.2m/sec、0.3m/sec 的側

風，觀察蠟燭燃燒廢氣在側風中的流動特徵。

實驗結果如圖 34，蠟燭燃燒產生的高溫廢氣造成光線嚴重扭曲折射，在攝影機

的畫面中依溫度高低依序呈現綠、藍、黃、紅等不同的顏色，凸顯了牛眼濾光片的優

點。就本案例而言，顏色的差異有效突顯廢氣溫度高低的分佈狀況，詳細討論如下。

1. 環境近似無風時，燃燒廢氣上升，部分熱氣自動上升進入無動力的氣罩開口（排氣

機未啟動，此時的氣罩功能等同於煙囪），多餘的燃燒廢氣溢出氣罩。注意照片中

的顏色，靠近火燄之處的廢氣顏色是綠、藍兩色，廢氣上升到達無動力氣罩開口之

處的顏色則是較低溫的黃、紅色。

2. 環境側風 0.1m/sec 時，燃燒廢氣的自動上升趨勢只受些微影響，但若注意觀察上

升廢氣（虛線方框）的顏色，可發現廢氣左邊是藍綠色，右邊則是黃色，這是因為

側風的冷卻作用影響的緣故：廢氣左邊位於上風側，唯有較高溫的藍綠色廢氣才能

存在，至於較低溫廢氣，則被吹散到廢氣右邊的下風側。

3. 環境側風達 0.2m/sec、0.3m/sec 時，前述的廢氣溫度分佈特徵與廢氣被側風吹散的

情形更為明顯，廢氣流動方向也受到更嚴重的影響，但由於廢氣的溫度夠高，因此

在被側風吹散的過程中仍保持上升的趨勢。

38

圖34 蠟燭在不同速度側風環境中燃燒的廢氣流動特性

關於小型瓦斯爐燃燒廢氣通風特性的紋影觀測實驗，除了沿用如圖 33的多用途

附屬實驗器材，本計畫使用的是市售的露營野炊用小型家用瓦斯爐（燃料為罐裝丁

烷），用以觀察在明火燃燒的情形下，燃燒廢氣遭氣罩捕集的情形。實驗結果如圖 35

所示，為了以黃色背景形成鮮明銳利的顏色對比，研究人員將反射焦點設定在如圖 35

環境近似無風 側風 0.1m/sec

側風 0.2m/sec 側風 0.3m/sec

反射焦點設定

於濾光片圓心

牛眼濾光片

39

上方小圖白點所在的位置。詳細說明實驗結果代表的意義如下。

1. 請注意畫面中瓦斯爐口的位置，在這裏可以看到小得幾乎完全看不見的爐火。本次

實驗時，瓦斯爐的火力刻意控制在能維持燃燒的最小火力，以避免銜接於氣罩下游

的軟管意外熔毀。換言之，我們從畫面中看到的都是燃燒廢氣，而不是火焰。

2. 畫面中觀察到的廢氣是明火燃燒產生的高溫一次廢氣，目的是為了觀測方便，不同

於勞工作業場所經常產生的中低溫二次廢氣（已將部分熱釋放給鍋爐或容器）。

3. 反射焦點的設定方式，使所有通過熱氣區域因而扭曲折射的光線，無論偏左或偏

右，都進入藍色環帶，因此畫面中看到的燃燒廢氣顏色是藍色的。

4. 由圖 35實驗結果可發現無風時（左小圖）氣罩對高溫廢氣的捕集十分順利，雖然

氣罩抽氣風量僅稍大於廢氣產量，且瓦斯爐面的燃燒面積大於氣罩開口面積，但仍

能順利捕集廢氣，由畫面中可清晰看到廢氣與背景之間存在清晰的邊界；在

0.3m/sec 的環境側風影響下（右小圖），熱氣有被側風吹散的趨勢。

圖35 直管附凸緣氣罩對小瓦斯爐明火燃燒廢氣的捕集特性

反射焦點設

定位置

40

第五章 以紋影攝影術觀測有機溶劑揮發特性

有機溶劑於空氣中蒸發、流動、擴散混合等物理現象，平時是無法以肉眼直接

觀察的。在過去，職業衛生專家為預防有機溶劑蒸氣危害勞工健康而提出的各種技術

文獻，其內容大多是根據物質安全基本資料，配合濃度儀器的長期監測數據，最後再

加上一點「想當然耳」的有機溶劑蒸氣運動趨勢推理。

本章利用紋影攝影術，將這種平時看不到的物理現象表現為肉眼可見的影像，

呈現有機溶劑蒸氣揮發進入空氣的完整過程，接著結合相關學術文獻與觀察結果，討

論有機溶劑的通風特性，最後彙整提出安全衛生建議，以降低勞工的暴露風險。

第一節 理想氣體的特性回顧

在基礎熱力學的討論中，環境空氣為十分接近理想氣體的氣態混合物質。除非

是為了高精密度的研究需求，否則即使將空氣直接視為理想氣體，也不會在計算密度

時出現太大的誤差。同樣地，若僅僅只是要分析概略的相對氣體密度差異，則在常溫

T 與常壓 P 等條件下，凡是擁有極低臨界溫度、極低臨界壓力的氣態純物質或混合

物，都可概略視同理想氣體。由理想氣體狀態方程式，在氣體分子量 M 已知的前提

下，氣體密度 ρ之比可推導如下。

2

1

1

2

1

2

2

1

2

1

//

)/()/(

MM

MRMR

RR

TRPTRP

u

u ===≅ρρ (2)

上式的 uR 為通用氣體常數。由上式我們發現兩種近似理想氣體的密度之比，大

體上就是這兩種氣體的分子量之比。已知空氣的分子量是 28.97，分子量接近空氣的

氣態純物質包括氮（28.01）、一氧化碳（28.01）、乙烷（30.07），分子量與空氣

差異較大的包括丁烷（分子量 58.12，密度為空氣的 2.0 倍）、六氟化硫（分子量

146.06，密度為空氣的 5.1 倍）等。由於紋影攝影術依賴被觀測氣體與環境空氣之間

存在的密度差異，因此我們預期氣體的紋影觀察效果好壞與氣體本身在常溫常壓下的

密度有極重要的關係，稍後的實驗也部份驗證了這個結果。

41

第二節 有機溶劑揮發特性概論

有機溶劑的蒸氣壓愈高，揮發性（volatility）愈強。表 3、表 4係依 GHS 物質安

全資料表，針對我國「有機溶劑中毒預防規則」所稱的第一種、第二種有機溶劑，將

它們的物理特性部分列出以作比較。這兩個表的資料排列順序，是依照有機溶劑的蒸

氣壓由大到小逐一排列，其中歸類為第一種有機溶劑的部分，已在表中加底色以資區

別。以這兩個表搭配其他資料，可看出許多對本計畫而言有意義的特性，說明如下。

1. 除了「1,1,2,2-四氯乙烷」之外，凡屬第一種有機溶劑（毒性較高）的物質，其蒸氣

壓都偏高，這意味著它們能快速揮發於環境空氣中。

2. 蒸氣密度最低的有機溶劑是甲醇（約為空氣的 1.1 倍），其次為丙酮（約為空氣的

2.0 倍）、異丙醇（約為空氣的 2.07 倍）。查閱其他非屬「有機溶劑中毒預防規

則」列管範圍的有機溶劑數據，也可發現甲醇是蒸氣密度最低者。由於甲醇的蒸氣

密度與空氣最接近，我們推測甲醇可能是最容易被局部排氣系統捕集的有機溶劑。

除了仍然不為人知的特殊有機溶劑之外，目前已知的所有有機溶劑，其蒸氣密

度都大於空氣。以常見常用的有機溶劑為例，由物質安全資料表查得的蒸氣密度（以

空氣為比較基準）分別為甲醇 1.1，乙醇 1.59，異丙醇 2.07，甲苯 3.14，二甲苯 3.7。

蒸氣密度愈高，其潛在問題愈大。有些化學活性特別高的有機物質，例如過氧

化二苯甲醯（BENZOYL PEROXIDE，C14H10O4，為有機過氧化物），雖然在常溫常

壓下為固態而非液態，但因摩擦、撞擊等因素局部受熱達 75ºC 時，就會分解為易爆

炸的蒸氣，且其蒸氣密度為空氣的 8 倍，易受重力影響向地面沉積。想像一個在近地

面處設有插座的工廠，電氣插頭插入、拔出插座的瞬間易引發放電火花，此時若於近

地面處沉積了足夠的過氧化二苯甲醯，就可能引起嚴重的爆炸。

42

表3 法定第一、二種有機溶劑之物理特性(1/2)

物質名稱 分子量

(g/mole)

蒸氣密度

(空氣=1)

蒸氣壓

(mmHg)

沸點

(ºC) 密度

(水=1)

1,2-二氯乙烯 96.94 3.25 500 319 1.218

乙醚 74 2.55 422 35 0.7135

二氯甲烷 85 2.93 400 37.8 1.3266

二硫化碳 76.1 2.63 360 46 1.26

丙酮 58.08 2 180 56.2 0.791

乙酸甲酯 74 2.8 173 56.9 0.933

甲醇 32 1.1 160 64.7 0.79

三氯甲烷 119.39 4.12 159.6 61.2 1.484

四氫呋喃 28 2.49 131.5 66 0.8892

正己烷 86 2.97 124 68.7 0.66

1,1,1-三氯乙烷 133.5 4.6 100 74 1.32

四氯化碳 154 5.32 91.3 76.5 1.594

丁酮 72 2.41 77.5 79.6 0.805

乙酸乙酯 88 3.04 73 77 0.902

1,2-二氯乙烷 98.96 3.4 61 83.5 1.25

三氯乙烯 131.4 4.53 60 87 1.464

乙酸異丙酯 102.13 3.52 47.5 90 0.87

異丙醇 61 2.07 33 82.3 0.785

1,4-二氧陸圜 28 3.03 30 101 1.033

乙酸丙酯 102.15 3.52 25 101.6 0.887

甲苯 92 3.1 22 110.6 0.86

1,1,2-三氯乙烷 113.5 4.63 19 113.8 1.44

四氯乙烯 166 5.2 15.8 121 1.623

乙酸丁酯 116.2 4 15 126.3 0.882

乙酸異丁酯 116 4 13 117.2 0.871

甲丁酮 100 3.5 11 127 0.81

2-丁醇 74 2.6 8.8 108 0.8

異丁醇 74.14 2.6 8.8 108 0.8

氯苯 112.56 3.88 8.8 132 1.106

註：黃色底色者為第一種有機溶劑，其餘為第二種有機溶劑；紅色字的部

分已由本計畫拍攝其揮發過程紋影攝影特性。

43

表4 法定第一、二種有機溶劑之物理特性(2/2)

物質名稱 分子量

(g/mole)

蒸氣密度

(空氣=1)

蒸氣壓

(mmHg)

沸點

(ºC) 密度

(水=1)

1-丁醇 74 2.6 6.5 117 0.81

乙二醇甲醚 76.09 2.62 6.2 124 0.95

甲基異丁酮 100 3.45 6 116.2 0.8017

二甲苯(含鄰、間、對

異構物) 106 3.7 6 137 0.86

乙酸戊酯 130.18 4.5 5 179.25 0.876

1,1,2,2-四氯乙烷 167.8493 5.79 5 146.3 1.595

苯乙烯 104 3.6 4.5 145.2 0.906

環己酮 98 3.38 4 157 0.95

乙酸異戊酯 130.19 4.49 4 142 0.876

乙二醇乙醚 90.12 3.1 3.8 135 0.931

二甲基甲醯胺 73 2.51 2.7 153 0.95

乙二醇乙醚醋酸酯 132.16 4.72 2.25 156 0.975

異戊醇 88.15 3 1.5 130.5 0.812

甲基環己醇 114 3.9 1.5 155 0.913

環己醇 100 3.46 1.125 161 0.9493

甲基環己酮 112 3.86 1 162 0.925

鄰-二氯苯 147 5.07 1 180 1.305

乙二醇丁醚 118.2 4.1 0.76 170.8 0.9

甲酚 108.1 3.72 0.357 191 1.03

註：黃色底色者為第一種有機溶劑，其餘為第二種有機溶劑。

第三節 二層膜理論簡介

二層膜理論（Two-Layer Film Theory）由 Liss 等人[12]提出，原理如圖 36所示，

是一種傳統的質量傳遞理論，用來描述氣態物質自溶解此物質的液面向上揮發到週遭

空氣中的過程。此理論稍後也應用於有機溶劑揮發的理論模型。

此理論首先假設在液面與週遭環境空氣的界面上，分別存在一層薄薄的液膜與

氣膜，同時也假設雜質氣體在空氣中與液體中的質傳方式都是紊流傳輸。當液體中所

含的雜質氣體通過液面進入空氣中時，首先雜質氣體以分子傳輸的方式自濃度 liquidC

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的液體中進入液膜，並於上升通過液膜的過程中持續提高濃度，直到液面下緣的 slC

濃度為止；由於空氣與液體對雜質氣體的溶解能力不同，因此雜質氣體上升穿越液面

而發生「液→氣」的相變化時，質量濃度會自 slC 陡降到 sgC ；隨著雜質氣體繼續上

升，氣膜中的雜質氣體濃度繼續升高，直到氣膜上緣的 gasC 濃度為止。此理論以液面

的濃度差作為物質由水體進入大氣的驅動力，在交界面的液相與氣相中分別具有質傳

係數 Lk 與 Gk 。基於質量不滅定律，存在 )()( sgCgasGliquidslL CCkCCk −=− 的關係。

不過話說回來，本計畫的目的畢竟不是探討二層膜理論，因此二層膜理論就簡

介到此，不再作過多的理論研討，自下節起直接說明紋影觀測工作。

圖36 二層膜理論示意圖

第四節 有機溶劑蒸氣自固體表面的近似靜止揮發

圖 37的長條形木塊為常見的裝潢用支撐材料（俗稱角材），其斷面為邊長 3cm

的正方形，材料表面粗糙，存在許多能吸附液體的細孔與縫隙。將這樣的材料鋸下一

段�