107 專技高考高等考試 工礦衛生技師 作業環境測定 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗工業衛生專業人員對於「空氣中粒狀有害物（微粒）採樣技術」的系統性整合能力，涵蓋採樣硬體架構、氣膠力學捕集原理，以及樣品後續化學／物理分析相容性。

相關法規與學理基礎包含：

1. 法規基準：以命題當年（民國 107 年）之《勞工作業環境測定實施辦法》及《勞工作業場所容許暴露標準》為準（現行法規名稱已修正為《勞工作業環境監測實施辦法》，微粒分徑定義與採樣規範實質架構相同）。
2. 粒徑選擇性採樣準則（Size-Selective Sampling Criteria）：

• 可吸入性微粒（Inhalable Particulate Mass, IPM）：$d_{50} = 100\,\mu\text{m}$。
• 胸腔性微粒（Thoracic Particulate Mass, TPM）：$d_{50} = 10\,\mu\text{m}$。
• 呼吸性微粒（Respirable Particulate Mass, RPM）：$d_{50} = 4\,\mu\text{m}$。

3. 氣膠力學機制：單一纖維過濾理論（Single Fiber Filtration Theory）中的截留、慣性撞擊、擴散、重力沉降、靜電吸引，以及利用流場急折產生之慣性分離機制。

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解題方法

本題為標準的「三段式申論題」，解答架構應層次分明、邏輯遞進：

1. 分類清楚：微粒採樣設備型式不可雜亂堆砌，應依照「分徑機制與流體結構功能」區分（總微粒採樣器、粒徑選擇分徑採樣器、多階粒徑分離採樣器、濕式捕集器、電氣／熱泳沉降器）。
2. 機轉精準：針對每種型式，精確闡釋顆粒在流場中的受力運動行為（如慣性離心力、Stokes 數、布朗運動、庫侖力等），切忌僅寫出名稱而無物理作用過程。
3. 介質考量完整：選用濾材（介質）絕非僅看「孔徑」，必須從「物理特性（壓阻、強度）」、「化學相容性與純度（背景值）」、「分析方法限制（重量法吸濕性、光譜法消解性）」等維度全面切入。

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選項分析

本題為專技高考之申論題，非選擇題，無選項可供直接比對。以下針對閱卷委員評分標準所對應的「三大爭點維度」進行評析：

1. 子題一（採樣設備型式類別）爭點：

• 若僅列出「濾紙匣」與「旋風器」，得分僅能達到及格邊緣。必須涵蓋傳統開放／密閉式採樣匣、分徑旋風器、多階慣性撞擊器（Cascade Impactor）、衝擊瓶（Impinger）、靜電沉降器等全方位設備型式。

2. 子題二（採樣作用機轉）爭點：

• 旋風器之作用機轉核心為「離心力與慣性分離」；撞擊器核心為「流線轉折時之顆粒慣性撞擊（Inertial Impaction）」；濾紙過濾核心必須精確寫出「直接阻截、慣性撞擊、布朗擴散、重力沉降、靜電吸引」五大機轉。

3. 子題三（介質選用考量）爭點：

• 必須明確扣合「指定分析方法」。例如：重量分析法最忌諱濾紙吸濕（宜用 PVC），微量金屬分析最忌介質背景雜質干擾（宜用 MCE 或石英），強酸鹼有害物需耐腐蝕（宜用 PTFE）。未結合後續分析需求者，無法取得高分。

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解題技巧

1. 記憶口訣化：

• 過濾捕集五大作用機轉口訣：「阻、撞、散、沉、電」（直接阻截、慣性撞擊、布朗擴散、重力沉降、靜電吸引）。
• 介質選用評估要點口訣：「分、阻、純、濕、強」（分析方法相容性、壓降阻力、背景純度、吸濕率、機械強度）。

2. 避免混淆陷阱：

• 切勿將「前端分徑器（如旋風器）」與「終端捕集介質（如濾紙）」混為一談；分徑器負責依空氣動力學徑將大顆粒分離剔除，最終收集稱重仍在濾紙介質上完成。
• 呼吸性粉塵的分徑點（Cut-point, $d_{50}$）在台灣法規標準為 $4\,\mu\text{m}$，切勿寫成舊制之 $5\,\mu\text{m}$ 或 $3.5\,\mu\text{m}$。

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【答案】

一、採樣設備型式之類別

作業環境空氣中微粒採樣設備，依其分徑能力、流場設計及物理構造，主要可歸納為以下五大類別：

1. 常規濾紙匣採樣器（Filter Cassette Samplers）：

• 開放式濾紙匣（Open-face cassette）：採樣時移去前蓋，使氣流直接均勻進入濾紙表面，常用於石綿纖維或要求表面分佈均勻之粉塵採樣。
• 密閉式濾紙匣（Closed-face cassette, CFC）：保留前端進氣孔小孔，常用於一般總粉塵（Total Dust）測定。
• 可吸入性粉塵採樣器（Inhalable Samplers）：如 IOM 採樣頭、Button 採樣器，進氣口經特殊幾何設計，符合 ACGIH/ISO 可吸入性微粒捕集效率曲線（$d_{50} = 100\,\mu\text{m}$）。

2. 旋風分徑採樣器（Cyclone Pre-selectors）：

• 利用離心旋風原理將非呼吸性微粒分離，常用型式包括 10 mm 尼龍旋風分徑器（Nylon cyclone，操作流率約 $1.7\,\text{L/min}$）、HIGGINS-DEWELL（HD）型旋風器（如 BGI 鋁製旋風器，操作流率約 $2.2\,\text{L/min}$）等，後端串聯濾紙匣以收集呼吸性粉塵（Respirable Dust, $d_{50} = 4\,\mu\text{m}$）。

3. 多階慣性撞擊器（Cascade Impactors）：

• 如安德森採樣器（Andersen Cascade Impactor）或微孔均勻沉積撞擊器（MOUDI）。由多層噴嘴孔板與收集收集板串聯而成，逐階孔徑遞減、流速遞增，用以測定氣膠之質量中位空氣動力學粒徑（MMAD）及幾何標準差（GSD）。

4. 液體衝擊捕集器（Impingers）：

• 如標準衝擊瓶（Greenburg-Smith Impinger）或微量衝擊瓶（Midget Impinger）。氣流經微細噴管以高速噴入液體吸收液底部，適用於易潮解微粒或需直接於液相進行化學衍生反應之粒狀物採樣。

5. 電氣與熱泳沉降採樣器（Electrostatic and Thermal Precipitators）：

核心觀念

本題為工礦衛生技師《作業環境測定》極具代表性的基礎計算與觀念題，涵蓋三大核心領域：

1. 氣體濃度單位換算：體積濃度比（$\mathrm{ppm}$）與質量體積濃度（$\mathrm{mg/m^3}$）在非標準狀態下（現場溫壓）之換算關係與理想氣體狀態方程式之應用。
2. 溫壓對濃度單位之影響：體積百萬分率（$\mathrm{ppm}$，即 $\mu\mathrm{L/L}$ 或 $\mathrm{mol/10^6\ mol}$）為無因次之莫耳分率／體積比，與質量體積濃度（$\mathrm{mg/m^3}$）受溫壓膨脹壓縮之本質差異。
3. 作業環境監測數據之統計分佈：環境暴露濃度普遍呈「對數常態分佈」（Log-normal distribution），幾何平均值（$\mathrm{GM}$）與幾何標準差（$\mathrm{GSD}$）在乘法尺度下的統計區間計算。

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解題方法與詳細計算

(一) 計算 $30^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$ 下之質量濃度（$\mathrm{mg/m^3}$）

1. 基本原理與公式： 根據理想氣體方程式 $P V = n R T = \left(\frac{m}{M}\right) R T$，氣體之質量體積濃度與體積比濃度（$\mathrm{ppm}$）在任意現場溫度 $T$（絕對溫度 $\mathrm{K}$）及壓力 $P$（$\mathrm{atm}$）下之換算關係式為： $\text{濃度 }(\mathrm{mg/m^3}) = \text{濃度 }(\mathrm{ppm}) \times \frac{M}{V_m}$ 其中 $M$ 為分子量（$\mathrm{g/mol}$），$V_m$ 為該現場溫壓下之氣體莫耳體積（$\mathrm{L/mol}$）。

在常溫常壓（$25^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$）下，理想氣體莫耳體積為 $24.45\ \mathrm{L/mol}$。經絕對溫度與壓力校正後，換算通式為： $\text{濃度 }(\mathrm{mg/m^3}) = \text{濃度 }(\mathrm{ppm}) \times \frac{M}{24.45} \times \left(\frac{273.15 + 25}{273.15 + T}\right) \times \left(\frac{P}{1}\right)$

2. 數值代入：

• 苯之化學式為 $\mathrm{C_6H_6}$，分子量 $M = 12.011 \times 6 + 1.008 \times 6 \approx 78.11\ \mathrm{g/mol}$（取整數計算為 $78\ \mathrm{g/mol}$）。
• 現場溫度 $T = 30^\circ\mathrm{C}$（絕對溫度 $T_K = 273.15 + 30 = 303.15\ \mathrm{K}$）。
• 現場壓力 $P = 1\ \mathrm{atm}$。
• 苯濃度 $= 40\ \mathrm{ppm}$。

3. 計算過程： $\text{濃度 } (\mathrm{mg/m^3}) = 40 \times \frac{78.11}{24.45} \times \left(\frac{298.15}{303.15}\right) \times 1$ $\text{濃度 } (\mathrm{mg/m^3}) = 40 \times 3.1947 \times 0.9835 \approx 125.68\ \mathrm{mg/m^3}$ （若分子量以 $78\ \mathrm{g/mol}$ 計算：$40 \times \frac{78}{24.45} \times \frac{298.15}{303.15} \approx 125.50\ \mathrm{mg/m^3}$）

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(二) 標準化為常溫常壓（$25^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$）下之濃度（$\mathrm{ppm}$）與理由

1. 數值： 此環境苯濃度在 $25^\circ\mathrm{C}$、$1\ \mathrm{atm}$ 下之值仍為 $40\ \mathrm{ppm}$。

2. 理由說明：

• 定義層面：氣體之 $\mathrm{ppm}$（parts per million）為「體積比」或「莫耳分率」之無因次單位，意即每 $10^6$ 體積的空氣中所含污染物質之氣體體積（$\mathrm{v/v}$，即 $\mu\mathrm{L}/\mathrm{L}$）。
• 物理定律層面：根據亞佛加厥定律（Avogadro's law）與理想氣體定律，在相同的溫度與壓力條件下，同體積之任何氣體皆具有相同之莫耳數。當環境狀態由 $30^\circ\mathrm{C}$ 變更為 $25^\circ\mathrm{C}$ 時，苯蒸氣本身的體積隨溫度下降而收縮，而周圍空氣之整體體積亦以完全相同的比例收縮。
• 結論：兩者之體積比（莫耳分率）維持不變，因此 $\mathrm{ppm}$ 值不隨溫度與壓力改變而改變，依然維持 $40\ \mathrm{ppm}$。

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核心觀念

本題旨在測驗手—手臂振動（Hand-Arm Vibration, HAV，亦稱局部振動）​之暴露評估與全日 8 小時日時量平均等效加速度（$a_{\mathrm{eq}(8)}$ 或 $A(8)$）​的計算能力。

1. 等能量假說（Equal Energy Hypothesis）： 人體暴露於機械振動之生理危害與其吸收之總能量成正比。振動能量與振動加速度之平方（$a^2$）及暴露時間（$T$）乘積成正比。
2. 8 小時日時量平均等效加速度公式： 依據國際標準 ISO 5349-1 以及我國作業環境監測技術規範，勞工暴露於多種不同作業型態（各具不同之振動加速度與暴露時間）時，全日 8 小時等效振動加速度計算公式如下： $a_{\mathrm{eq}(8)} = \sqrt{\frac{1}{T_0} \sum_{i=1}^n a_i^2 \cdot T_i}$

• $T_0$：基準時間，固定為 $8\ \mathrm{hr}$。
• $a_i$：第 $i$ 種工作型態之頻率加權加速度均方根值（$\mathrm{m/s^2}$）。
• $T_i$：第 $i$ 種工作型態之實際暴露時間（$\mathrm{hr}$）。

3. 相關法規與標準（以命題當年民國 107 年法規為準）：

• 依據《職業安全衛生設施規則》第 302 條（以民國 107 年為準），雇主使勞工從事局部振動作業，應對暴露時間予以管制；現行法規與技術指引亦全面接軌 ISO 5349，以日暴露動作值（$2.5\ \mathrm{m/s^2}$）及日暴露限值（$5.0\ \mathrm{m/s^2}$）作為危害分級管理基準。

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解題方法

本題為非連續、多階段暴露的綜合暴露計算題，解題分為三個關鍵步驟：

步驟一：計算各工作型態的「能量加權值」（$a_i^2 \cdot T_i$）

• 工作型態 A： $a_A^2 \cdot T_A = 10^2 \times 1 = 100\ (\mathrm{m/s^2})^2 \cdot \mathrm{hr}$
• 工作型態 B： $a_B^2 \cdot T_B = 5^2 \times 1 = 25\ (\mathrm{m/s^2})^2 \cdot \mathrm{hr}$
• 工作型態 C： $a_C^2 \cdot T_C = 4^2 \times 2 = 16 \times 2 = 32\ (\mathrm{m/s^2})^2 \cdot \mathrm{hr}$

步驟二：累加全日總振動能量

將各階段之能量加權值予以加總： $\sum_{i=A,B,C} a_i^2 \cdot T_i = 100 + 25 + 32 = 157\ (\mathrm{m/s^2})^2 \cdot \mathrm{hr}$

註：當日實際暴露時間合計為 $T_A + T_B + T_C = 1 + 1 + 2 = 4\ \mathrm{hr}$，其餘 4 小時未受振動暴露（加速度視為 $0\ \mathrm{m/s^2}$）。

步驟三：代入 8 小時基準正規化公式求解

基準時間 $T_0 = 8\ \mathrm{hr}$，計算 8 小時等效值： $a_{\mathrm{eq}(8)} = \sqrt{\frac{157}{8}} = \sqrt{19.625} \approx 4.43\ \mathrm{m/s^2}$

核心觀念

1. 自由音場與非同調音源疊加：在無反射之自由音場（Free Field）中，不同獨立機械所產生之噪音屬於非同調（Incoherent）聲波，其總音壓並非線性算術疊加，而是各音源「均方根音壓平方比（即聲能量）」的代數和相加。
2. 音壓級（Sound Pressure Level, SPL）定義： $L_p = 10 \log_{10} \left( \frac{p^2}{p_0^2} \right)\ \mathrm{dB}$ 式中 $p$ 為實測音壓有效值，$p_0$ 為基準音壓（在空氣中為 $20\ \mu\mathrm{Pa}$）。
3. 兩音源能量相加公式： $L_{\text{total}} = 10 \log_{10} \left( 10^{\frac{L_1}{10}} + 10^{\frac{L_2}{10}} \right)$

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解題方法

題目已知兩音源共同量測值 $L_{\text{total}} = 80\ \mathrm{dB}$，其中一音源獨立音量 $L_1 = 70\ \mathrm{dB}$，求另一音源 $L_2$。

1. 建立音能反推方程式： 根據能量疊加關係，兩側同除以 10 並取反對數： $10^{\frac{L_{\text{total}}}{10}} = 10^{\frac{L_1}{10}} + 10^{\frac{L_2}{10}}$

2. 移項求解未知音源之聲能比： $10^{\frac{L_2}{10}} = 10^{\frac{L_{\text{total}}}{10}} - 10^{\frac{L_1}{10}}$

3. 代入題目數值： $10^{\frac{L_2}{10}} = 10^{\frac{80}{10}} - 10^{\frac{70}{10}} = 10^8 - 10^7$ 提出公因式 $10^7$： $10^{\frac{L_2}{10}} = 10^7 \times (10 - 1) = 9 \times 10^7$

4. 取常用對數計算 $L_2$： $L_2 = 10 \log_{10} \left( 9 \times 10^7 \right) = 10 \times \left( \log_{10} 9 + \log_{10} 10^7 \right)$ $L_2 = 10 \times \left( 2 \log_{10} 3 + 7 \right)$ 代入 $\log_{10} 3 \approx 0.4771$： $L_2 = 10 \times \left( 2 \times 0.4771 + 7 \right) = 10 \times \left( 0.9542 + 7 \right) = 79.54\ \mathrm{dB}$

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解題技巧

• 分貝差值法快速驗算： 若兩音源相差 $\Delta L \ge 10\ \mathrm{dB}$，較低音源對總音壓的貢獻量極小。當總音量與較低音源相差 $80 - 70 = 10\ \mathrm{dB}$ 時，根據分貝相加減修正值對照： $\Delta L_{\text{add}} = 10 \log_{10} \left( \frac{1}{1 - 10^{-\frac{10}{10}}} \right) = 10 \log_{10} \left( \frac{1}{0.9} \right) \approx 0.46\ \mathrm{dB}$ 因此，$L_2 = 80 - 0.46 = 79.54\ \mathrm{dB}$。
• 合理性檢查：計算出的音值必須小於合成總值（$79.54 < 80$），且由於 $70\ \mathrm{dB}$ 能量僅佔總能量的 $10\%$，主要音源能量佔 $90\%$，因此數值必然極度貼近 $80\ \mathrm{dB}$。

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【答案】

另一音源的獨立噪音量測值為 $79.54\ \mathrm{dB}$（或約 $79.5\ \mathrm{dB}$）。

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第 (二) 小題

法規基準說明：本題量測與管制規定以命題當年（民國 107 年）之法規為準。現行法規已於民國 108 年於《職業安全衛生設施規則》增訂第 300 條之 1，明定噪音超過 $85\ \mathrm{dBA}$ 時需推動完整「聽力保護計畫」，解題依 107 年法規標準作答。

核心觀念

1. 沖床噪音特性：沖床衝剪、鍛壓作動瞬間撞擊金屬，釋放巨大瞬時能量，屬於典型之衝擊性噪音（Impact Noise）。
2. 法源依據：

• 《職業安全衛生設施規則》第 300 條（噪音容許暴露標準、衝擊性噪音限制）。

核心觀念

本題考查作業環境測定中「物理性因子——振動」之物理量度量衡定義、訊號特性分析與勞工暴露劑量之統計評估方法。

1. 振動物理量及其單位：振動為質點或物體相對於平衡位置所作之往復週期性運動。描述振動大小之運動學物理量包含位移（Displacement）、速度（Velocity）、加速度（Acceleration），以及比照聲學以對數標度呈現之振動位準（Vibration Level, $L_v$）。
2. 穩定與不規則型式振動之評估機制：依據國際標準（ISO 5349 手傳振動、ISO 2631 全身振動）、我國《勞工作業環境監測實施辦法》及《職業安全衛生設施規則》（以命題當年民國 107 年法規為準），人體對振動的危害評估以「頻率加權之均方根加速度（Frequency-weighted Root-Mean-Square Acceleration, $a_w$）」為基礎。針對時間歷程中強度恆定（穩定型）與強度波動起伏（不規則型或不等強度）之振動，必須分別採用代表性均值或能量累積等價積分指標（如等價加速度 $a_{\text{eq}}$、8 小時日時量平均暴露量 $A(8)$、振動劑量值 VDV）進行記錄與呈現。

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解題方法

1. 第 (一) 子題切入點：從質點運動之微分階數切入，系統化列出微積分三大階層（零階位移、一階速度、二階加速度），並補充工程與環境衛生常用的對數位準（分貝），寫出對應之國際標準制（SI）單位及工程符號，展現完整性與專業度。
2. 第 (二) 子題切入點：拆解為「量測期間之記錄方式（Data Sampling/Recording）」與「數據處理後之呈現值（Data Representation/Metric）」兩個構面，並分項對比「穩定型振動」與「不規則／不等強度型振動」：

• 穩定型振動：訊號幅度變動極小（一般指讀值波動在 $5\text{ dB}$ 以內），可採定時巡檢或短時間取樣，直接以均方根值（RMS）或儀表指示之中央值呈現。
• 不規則／不等強度型振動：訊號幅度隨作業狀態大幅起伏（變動幅度超過 $5\text{ dB}$ 或具週期／非週期性間歇），記錄時需採連續時間歷程積分或分段（Task-based）抽樣；呈現時必須運用能量等價原理，整合為等價均方根加速度（$a_{\text{eq}}$）、8 小時日時量平均暴露量 $A(8)$，或針對含衝擊性成分之振動呈現振動劑量值（VDV）或統計百分位值（如 $L_{10}, L_{50}$）。

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選項分析

本題為技術類科之申論題，非選擇題，故無個別選項分析。

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解題技巧

1. 單位題必殺結構：寫單位切忌只寫一個符號（如只寫 $\text{m/s}^2$）。務必同時列出「物理量名稱、代表符號、SI 單位中文名稱、SI 單位符號、工程常見單位」，以取得滿分。
2. 第二小題得分關鍵：切勿僅用白話描述「穩定就記平均、不穩定就記最大值」，這在技師考試中無法拿高分。必須寫出國際標準規範的專業指標——均方根值（RMS）、等價連續加速度（$a_{\text{eq}}$）、8 小時日暴露量 $A(8)$，並輔以計算公式，能向閱卷委員展現扎實的數理與法規背景。

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【答案】

(一) 表示振動量測大小之單位

振動量測依其所觀測之物理特性，常用以下四種物理量與單位來表示其大小：

1. 振動位移（Vibration Displacement, $x$ 或 $d$）

• SI 單位：公尺（$\text{m}$）。
• 工程常用單位：毫米（$\text{mm}$）、微米（$\mu\text{m}$）。
• 說明：表示質點偏離平衡位置之距離，多用於低頻振動或設備結構變形量測。

2. 振動速度（Vibration Velocity, $v$）

• SI 單位：公尺／秒（$\text{m/s}$）。
• 工程常用單位：毫米／秒（$\text{mm/s}$）。
• 說明：表示質點位移之時變率（$v = \frac{dx}{dt}$），常用於旋轉機械之運轉健康診斷與破壞破壞閾值評估。

3. 振動加速度（Vibration Acceleration, $a$）

• SI 單位：公尺／平方秒（$\text{m/s}^2$）。
• 工程常用單位：重力加速度（$\text{g}$，其中 $1\text{ g} \approx 9.8\text{ m/s}^2$）。
• 說明：表示振動速度之時變率（$a = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}$）。人體組織承受之慣性外力與加速度成正比，為作業環境測定及人體振動危害（手傳振動、全身振動）評估中最核心的物理量。

4. 振動位準／振動級（Vibration Level, $L_v$ 或 $VAL$）

• 單位：分貝（$\text{dB}$）。
• 說明：採用對數刻度表示之加速度或速度有效值。以加速度為例，其定義式為： $L_v = 20 \log_{10} \left( \frac{a}{a_0} \right) \quad (\text{dB})$ 式中 $a$ 為振動加速度之均方根值；