CN104422638A - 检测空气样本中微小颗粒物的浓度的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测空气样本中的微小颗粒物的浓度的设备，包括:容器，用于容纳空气样本，并具有开口;密封机构，用于开启或封闭开口;传感器，置于容器内，用于感测容器内的空气样本中的颗粒物的总浓度;以及控制器，与传感器连接，并用于控制密封机构。控制器控制密封机构开启开口，并控制传感器感测第一颗粒物总浓度;在控制密封机构封闭开口以使得容器密封预定时间段之后，控制传感器感测第二颗粒物总浓度;根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。

Description

检测空气样本中微小颗粒物的浓度的设备和方法
技术领域
本发明涉及空气质量检测，具体地，涉及一种用于检测空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的设备，方法，传感器和空气净化器。
背景技术
近年来，随着快速工业化和机动车数量的爆发性增长，空气污染变得日益严重。在中国，尤其自2013年年初以来，空气中的微小颗粒物作为代表性空气污染物，尤其是细颗粒物(空气动力学当量直径等于或小于2.5微米的颗粒物，也称为PM2.5)的浓度保持在较高水平，雾霾天气显著增加。人们的健康和日常生活正在遭受严重威胁。因此，需要用于检测微小颗粒物浓度的检测设备。
目前，已经存在多种方法来检测空气中的微小颗粒物，包括例如石英振荡微天平方法、β射线方法和光散射方法。这些方法中大多需要惯性冲击器作为前端设备来将微小颗粒物与较大颗粒物分离。例如，专利文献CN102680349A公开了一种使用惯性冲击器的PM2.5监测设备。尽管惯性冲击器具有很好的尺寸分离能力，但是其高成本、大体积和对气流速率的精确控制限制了其在家庭中的应用。
另一方面，传统上通常使用沉降方法来检测液相中的颗粒物大小分布。例如，专利文献JP2011179862公开了一种液相中的颗粒物沉降速度的计算方法。然后，尽管空气中的颗粒物也具有沉降过程，但是该过程与液相中的沉降过程非常不同。空气的粘度远小于液体的粘度，因此空气中的布朗扩散不能忽略不计。由于布朗扩散对许多因素敏感，例如浓度梯度、温度、颗粒物大小等等。因此，对于空气中的悬浮颗粒物，难以用沉降方法精确检测大小分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的设备，方法，传感器和空气净化器，在不显著增加成本的前提下，较为精确地检测微小颗粒物的浓度。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的设备，包括:容器，用于容纳空气样本，并具有开口;密封机构，用于开启或封闭所述开口;传感器，置于容器内，用于感测容器内的空气样本中的颗粒物的总浓度;以及控制器，与所述传感器连接，并用于控制所述密封机构。所述控制器被配置为:控制所述密封机构开启开口，并控制传感器感测第一颗粒物总浓度;在控制所述密封机构封闭开口以使得容器密封预定时间段之后，控制传感器感测第二颗粒物总浓度;根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
在一个实施例中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入容器;使用传感器感测第一参考颗粒物总浓度;将容器密封所述预定时间段之后，使用传感器感测第二参考颗粒物总浓度;将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
优选地，所述容器还包括:止逆阀，在开口开启时开启，在开口封闭时关闭;所述设备还包括:空气泵，在开口开启的状态下，通过止逆阀从容器中抽吸空气，以加速容器外部的空气通过开口进入容器并加速容器内颗粒物的扩散。
优选地，所述开口位于所述传感器的下方。
优选地，所述预定值是2.5微米。
优选地，所述预定时间段是3分钟。
根据本发明的第二方面，提供了一种传感器，包括:感测单元，包括贯穿感测单元的空气通道，并被配置为感测所述空气通道内的空气样本中的颗粒物的浓度;密封机构，用于开启或封闭空气通道;以及控制器，与感测单元连接，并用于控制所述密封机构。所述控制器被配置为:控制所述密封机构开启空气通道，并控制感测单元感测第一颗粒物总浓度;在控制所述密封机构封闭空气通道预定时间段之后，控制感测单元感测第二颗粒物总浓度;根据空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
在一个实施例中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入空气通道;使用感测单元感测第一参考颗粒物总浓度;将空气通道密封所述预定时间段之后，使用感测单元感测第二参考颗粒物总浓度;将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
优选地，所述预定值是2.5微米。
优选地，所述预定时间段是3分钟。
根据本发明的第三方面，提供了一种空气净化器，包括根据上述第一方面的设备或根据上述第二方面的传感器。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于检测容器内空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的方法，包括:感测空气样本中的初始的第一颗粒物总浓度;将容器密封预定时间段之后，感测空气样本中的第二颗粒物总浓度;根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
在一个实施例中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入容器;感测第一参考颗粒物总浓度;将容器密封所述预定时间段之后，感测第二参考颗粒物总浓度;将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
优选地，所述方法还包括:在容器未密封的状态下，使用空气泵加速容器外部的空气进入容器并加速容器内颗粒物的扩散。
优选地，所述预定值是2.5微米。
优选地，所述预定时间段是3分钟。
根据本发明的实施例，能够在不显著增加成本的前提下，较为精确地检测空气中微小颗粒物的浓度。
附图说明
通过下文结合附图的详细描述本发明的实施例，本发明的上述和其它特征将更为清晰，其中:
图1(a)和1(b)是根据本发明实施例的用于检测空气样本中的微小颗粒物的浓度的设备的示意图;
图2(a)和2(b)是根据本发明另一实施例的用于检测空气样本中的微小颗粒物的浓度的设备的示意图;
图3(a)和3(b)是根据本发明实施例的传感器的示意图;以及
图4是根据本发明实施例的用于检测空气样本中的微小颗粒物的浓度的方法的流程图。
具体实施方式
以下参照附图来描述本发明的实施例。在各个附图中，相同的参考标记用于表示相同或相似的部分。
本发明基于以下事实:根据气溶胶动力学的基本原理，越大的颗粒物沉降地越快。因此，对于密闭空间中的空气样本，在静态沉降过程中，颗粒物浓度的变化和样本中微小颗粒物与全部颗粒物的比例之间存在预定关系。根据这种关系，可以计算出微小颗粒物浓度的近似估计。在本发明中，“微小颗粒物”指空气动力学当量直径等于或小于预定值的颗粒物。作为示例，“微小颗粒物”指空气动力学当量直径等于或小于10微米的颗粒物。具体地，“微小颗粒物”包括空气动力学当量直径等于或小于2.5微米的颗粒物(PM2.5)。
图1(a)和1(b)是根据本发明实施例的用于检测空气样本中的微小颗粒物的浓度的设备100的示意图。图1(a)和1(b)分别示出了设备100的两个操作状态。如图所示，设备100包括:容器110，用于容纳空气样本，并具有开口;密封机构120，用于开启或封闭所述开口;传感器130，置于容器110内，用于感测容器110内的空气样本中的颗粒物的总浓度。在一个优选实施例中，开口位于传感器130的下方，以便防止容器110外的空气中尺寸过大的颗粒物进入到容器110内从而对检测结果造成干扰。
设备100还包括:控制器140，与传感器130连接，并用于控制密封机构120。
首先，如图1(a)所示，控制器140控制密封机构120开启开口。此时，容器内的空气样本与容器外的空气基本相同，即具有相同的颗粒物浓度。控制器140控制传感器130感测颗粒物总浓度C1(即在容器110的开口开启的状态下，容器110内的空气样本中的颗粒物总浓度)。
然后，如图1(b)所示，控制器140控制密封机构120封闭开口以使得容器110密封预定时间段之后，控制传感器130感测颗粒物总浓度C2(即在容器110密封预定时间段之后，容器110内的空气样本中的颗粒物总浓度)。在一个示例实施例中，上述预定时间段是3分钟。
控制器140根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R与颗粒物总浓度C2和颗粒物总浓度C1之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R。
然后，控制器140根据颗粒物总浓度C1以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R，计算空气样本中的微小颗粒物浓度C。
换言之:
C＝C1×R    (1)
根据实施例，上述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数n:将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比r的参考空气样本注入容器110;使用传感器130感测初始参考颗粒物总浓度c1;将容器110密封上述预定时间段之后，使用传感器130感测参考颗粒物总浓度c2;将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比r除以参考颗粒物总浓度c2和初始参考颗粒物总浓度c1之比，以计算校正系数n。
换言之:
n＝r/(c2/c1)    (2)
应注意，校正系数n可能取决于多种因素，如容器110的形状和大小、传感器130在容器110中的位置等等。因此，难以使用固定的数学公式来计算校正系数n。然而，通过上述实验过程，可以根据等式(2)来得到n。
在一个实施例中，可以使用查找表的形式来表示n。下表1列出了不同c2/c1与n之间的示例关系:
表1-校正系数n的查找表
c2/c1 0-0.1 0-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8
n 0.8 0.82 0.85 0.9 1 1.1 1.15 1.18
具体地，在获得校正系数n之后，微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R可以计算如下:
R＝n×(C2/C1)    (3)
现在参照图2(a)和2(b)，示出了根据本发明另一实施例的用于检测空气样本中的微小颗粒物的浓度的设备200的示意图。与图1所示的设备100类似地，设备200包括容器210;密封机构220;传感器230;以及控制器240。容器210、密封机构220、传感器230以及控制器240的配置和操作与图1所示的容器110、密封机构120、传感器130以及控制器140的配置和操作基本上相同，在此不再赘述。
如图2所示，容器210还包括:止逆阀212，在开口开启时开启(如图2(a)所示)，在开口封闭时关闭(如图2(b)所示)。设备200还包括:空气泵250，在开口开启的状态下，通过止逆阀212从容器210中抽吸空气，以加速容器210外部的空气通过开口进入容器210，并加速容器210内颗粒物的扩散。
图3(a)和3(b)是根据本发明实施例的传感器300的示意图。如图所示，传感器300包括:感测单元310，包括贯穿感测单元310的空气通道312，并被配置为感测空气通道312内的空气样本中的颗粒物的浓度。传感器300还包括:密封机构320，用于开启或封闭空气通道312。在图3所示的实施例中，空气通道312的一端是封闭的，另一端与用于容纳空气样本的玻璃管314的一端连接。密封机构320能够开启或封闭玻璃管314的另一端，从而开启或封闭空气通道312。例如，密封机构320可以由电磁装置来实现。
应注意，图3所示的结构仅是示例。空气通道312的两端均可以由密封机构320来开启或封闭(例如通过在空气通道的两端均设置密封机构320)。玻璃管314是可选的。在不使用玻璃管314的情况下，密封机构320可以直接封闭空气通道312。
传感器300还包括:控制器330，与感测单元310连接，并用于控制密封机构320。
首先，如图3(a)所示，控制器330控制密封机构320开启空气通道312，并控制感测单元310感测颗粒物总浓度C1(即在空气通道312开启的状态下，空气通道312内的空气样本中的颗粒物总浓度)。
然后，如图3(b)所示，控制器330控制密封机构320封闭空气通道312预定时间段之后，控制感测单元310感测颗粒物总浓度C2(即在空气通道312密封预定时间段之后，空气通道312内的空气样本中的颗粒物总浓度)。在一个示例实施例中，上述预定时间段是3分钟。
控制器330根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R与颗粒物总浓度C2和颗粒物总浓度C1之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R。
然后，控制器330根据颗粒物总浓度C1以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R，计算空气样本中的微小颗粒物浓度C。
根据实施例，上述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数n:将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比r的参考空气样本注入空气通道312;使用感测单元310感测初始参考颗粒物总浓度c1;将空气通道312密封所述预定时间段之后，使用感测单元310感测参考颗粒物总浓度c2;将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比r除以参考颗粒物总浓度c2和初始参考颗粒物总浓度c1之比，以计算校正系数n。
具体地，校正系数n可以参照上述等式(2)或表1来获得。然后，可以参照上述等式(3)来计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比R。最后，可以参照上述等式(1)来计算微小颗粒物浓度C。
本发明的实施例还提供了一种空气净化器，包括根据上述设备100、200或上述传感器300。
本发明的实施例还提供了一种用于检测容器内空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的方法400。如图4所示，方法400包括以下步骤:
在步骤S410，感测空气样本中的初始的第一颗粒物总浓度。
在步骤S420，将容器密封预定时间段之后，感测空气样本中的第二颗粒物总浓度。
在步骤S430，根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比。
在步骤S440，根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
在实施例中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入容器;感测第一参考颗粒物总浓度;将容器密封所述预定时间段之后，感测第二参考颗粒物总浓度;将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
优选地，方法400还包括:在容器未密封的状态下，使用空气泵加速容器外部的空气进入容器并加速容器内颗粒物的扩散。
在实施例中，所述预定值是2.5微米。
在实施例中，所述预定时间段是3分钟。
本发明提供了一种用于检测空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的设备，方法，传感器和空气净化器，在不显著增加成本的前提下，较为精确地检测微小颗粒物的浓度。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (16)

1.一种用于检测空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的设备，包括:
容器，用于容纳空气样本，并具有开口;
密封机构，用于开启或封闭所述开口;
传感器，置于容器内，用于感测容器内的空气样本中的颗粒物的总浓度;以及
控制器，与所述传感器连接，并用于控制所述密封机构，
其中，所述控制器被配置为:
控制所述密封机构开启开口，并控制传感器感测第一颗粒物总浓度;
在控制所述密封机构封闭开口以使得容器密封预定时间段之后，控制传感器感测第二颗粒物总浓度;
根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及
根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:
将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入容器;
使用传感器感测第一参考颗粒物总浓度;
将容器密封所述预定时间段之后，使用传感器感测第二参考颗粒物总浓度;
将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
3.根据权利要求1所述的设备，其中
所述容器还包括:止逆阀，在开口开启时开启，在开口封闭时关闭，以及
所述设备还包括:空气泵，在开口开启的状态下，通过止逆阀从容器中抽吸空气，以加速容器外部的空气通过开口进入容器并加速容器内颗粒物的扩散。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开口位于所述传感器的下方。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述预定值是2.5微米。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述预定时间段是3分钟。
7.一种传感器，包括:
感测单元，包括贯穿感测单元的空气通道，并被配置为感测所述空气通道内的空气样本中的颗粒物的浓度;
密封机构，用于开启或封闭空气通道;以及
控制器，与感测单元连接，并用于控制所述密封机构，
其中，所述控制器被配置为:
控制所述密封机构开启空气通道，并控制感测单元感测第一颗粒物总浓度;
在控制所述密封机构封闭空气通道预定时间段之后，控制感测单元感测第二颗粒物总浓度;
根据空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及
根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:
将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入空气通道;
使用感测单元感测第一参考颗粒物总浓度;
将空气通道密封所述预定时间段之后，使用感测单元感测第二参考颗粒物总浓度;
将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的传感器，其中，所述预定值是2.5微米。
10.根据权利要求7至8中任一项所述的传感器，其中，所述预定时间段是3分钟。
11.一种空气净化器，包括根据权利要求1-6中任一项所述的设备或根据权利要求7-10中任一项所述的传感器。
12.一种用于检测容器内空气样本中的空气动力学当量直径等于或小于预定值的微小颗粒物的浓度的方法，包括:
感测空气样本中的初始的第一颗粒物总浓度;
将容器密封预定时间段之后，感测空气样本中的第二颗粒物总浓度;
根据微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比与第二颗粒物总浓度和第一颗粒物总浓度之比之间的预定关系，计算微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比;以及
根据第一颗粒物总浓度以及微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比，计算空气样本中的微小颗粒物浓度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预定关系表示为通过以下操作获得的校正系数:
将具有已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比的参考空气样本注入容器;
感测第一参考颗粒物总浓度;
将容器密封所述预定时间段之后，感测第二参考颗粒物总浓度;
将已知微小颗粒物浓度和颗粒物总浓度之比除以第二参考颗粒物总浓度和第一参考颗粒物总浓度之比，以计算所述校正系数。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括:
在容器未密封的状态下，使用空气泵加速容器外部的空气进入容器并加速容器内颗粒物的扩散。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，所述预定值是2.5微米。
16.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述预定时间段是3分钟。
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