CN104792671A - 颗粒物测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒物测量装置及测量方法。所述颗粒物测量装置包括：测量室；位于测量室上方并且与测量室连通的第一气流通道；位于测量室下方并且与测量室连通的第二气流通道；位于测量室中并且与第一气流通道、第二气流通道连通的第三气流通道；位于所述测量室的侧壁上的光源和光电探测器，所述光源和所述光电探测器彼此相对；用于测量第一气流通道、第二气流通道和第三气流通道至少之一的气体流速的气体流速测量装置，其中，所述第一气流通道的气体流速小于所述第二气流通道的气体流速。在测量装置中不需要使用风扇等移动部件，因此可以减小测量装置的体积，并且容易与手机等便携设备集成在一起。

Description

颗粒物测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及环境大气监测领域，具体地涉及颗粒物测量装置及测量方法。

背景技术

随着很多空气污染的进一步加剧，越来越多的城市居民开始关心与他们的健康息息相关的空气质量。环境大气的好坏直接关系到人们的生活质量。比如，空气中的颗粒物会使得人们感觉不适。

对于可吸入颗粒物，粒径大小不一样，可进入人体呼吸系统的深度也不同。较大的颗粒物多数被阻留在上呼吸道，而更小的颗粒物则能够进入支气管甚至肺泡。因此，颗粒物可以按直径大小分类。粒径小于100微米的称为TSP(TotalSuspendedParticle)，即总悬浮物颗粒。粒径小于10微米的称为PM10(PM为ParticulateMatter缩写)，即可吸入颗粒物。粒径小于2.5微米的称为PM2.5，即可入肺颗粒物。

PM2.5也可称为“细颗粒物”，其化学成分主要包括有机碳(OC)、元素碳(EC)、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐(Na+)等。虽然PM2.5只是环境大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

可以将颗粒物测量装置用于环境大气监测领域，提供环境大气中的颗粒物的浓度信息。为了进一步获得环境大气中可吸入颗粒物的浓度信息，颗粒物测量装置包括空气采样装置和颗粒物检测装置。空气采样装置通常包括气泵、电风扇等，使得足够的待测大气进入颗粒物测量装置。空气采样装置还可以从环境大气中将小颗粒物分离出来单独进行检测，提供特定径粒的颗粒特的浓度信息。

由于使用气泵等设备，现有的颗粒物测量装置不仅昂贵，而且体积大，因此难以在个人和家庭应用领域得到推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以减小体积并且提高测量精度的颗粒物测量装置及其测量方法。

根据本发明的一方面，提供一种颗粒物测量装置，包括：测量室；位于测量室上方并且与测量室连通的第一气流通道；位于测量室下方并且与测量室连通的第二气流通道；位于测量室中并且与第一气流通道、第二气流通道连通的第三气流通道；位于所述测量室的侧壁上的光源和光电探测器，所述光源和所述光电探测器彼此相对；用于测量第一气流通道、第二气流通道和第三气流通道至少之一的气体流速的气体流速测量装置，其中，所述第一气流通道的气体流速小于所述第二气流通道的气体流速。

优选地，所述颗粒物测量装置还包括第一部件和第二部件，其中第一部件的上表面限定第一气流通道的形状，并且，第一部件的下表面和第二部件的上表面之间的空间限定第二气流通道的形状。

优选地，在所述颗粒物测量装置中，第一部件和第二部件由选自塑料、玻璃、半导体、铝合金、不锈钢中的一种材料组成。

优选地，在所述颗粒物测量装置中，所述气体流速测量装置气体流速测量装置包括位于所述第一气流通道、所述第二气流通道和所述第三气流通道至少一个中的气体流速计。

优选地，在所述颗粒物测量装置中，所述气体流速测量装置气体流速测量装置包括位于第一部件、第二部件以及第一部件和第二部件外部的加速度传感器，通过测量颗粒物测量装置的运动速度来估算气体流速。

优选地，在所述颗粒物测量装置中，所述测量室的侧壁设置有光吸收层。

优选地，所述颗粒物测量装置中还包括：位于所述光源和所述光电探测器之间的光学透镜；以及用于遮挡光学透镜的中间部分的遮光片，其中所述遮光片阻止从光源直接发出的光穿过光学透镜，并且允许由于颗粒物散射而形成的散射光经由光学透镜的边缘部分会聚到光电探测器上。

优选地，在所述颗粒物测量装置中，所述光电探测器为光电二极管。

根据本发明的第二方面，提供一种颗粒物测量方法，其中，所述方法包括：将颗粒物测量装置置于大气中，使得所述颗粒物测量装置运动或振动，使得大气进入第一气流通道和第二气流通道中，并且大气小颗粒物进入测量室；采用气体流速测量装置测量第一气流通道、第二气流通道和第三气流通道至少之一的气体流速；采用光电探测器检测测量室中小颗粒物的浓度；以及根据所述气体流速和测量室中小颗粒物的浓度，计算环境大气中小颗粒物的浓度。

根据本发明的颗粒物测量装置及测量方法，使用颗粒物测量装置的运动或振动代替风扇产生气流，并且使用气体流速计测量气体流速，或者使用加速度传感器测量颗粒物测量装置的运动速度。

由于在测量装置中同时测量颗粒物的透光率和气体流速或颗粒物测量装置的运动速度，用于校正测量值，因此可以提高颗粒物测量装置的测量精度。由于在测量装置中不需要使用风扇等移动部件，因此可以减小测量装置的体积，减少噪声，提高可靠性，并且容易与手机等便携设备集成在一起。

附图说明

图1示出根据本发明的实施例的颗粒物测量装置的立体示意图。

图2a-2c示出根据本发明的第一实施例的颗粒物测量装置的示意性俯视图以及示意性截面图；

图3示出根据本发明的第二实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图；

图4示出根据本发明的第三实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图；

图5示出根据本发明的第四实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图；

图6示出根据本发明的第五实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图；

图7示出根据本发明的第六实施例的颗粒物测量装置的示意性俯视图；

图8示出根据本发明的颗粒物测量装置方法的流程图。

具体实施方式

以下公开为实施本申请的不同特征提供了许多不同的实施方式或实例。下面描述了部件或者布置的具体实施例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例并不旨在限制本发明。

此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而未必描述时间顺序、空间顺序、等级顺序或者任何其他方式的顺序、应当理解，如果使用的这些术语在适当的环境下可互换，并且此处描述的本发明的实施例能够以本文描述或示出以外的其他顺序来操作。

应当注意，在权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于下文所列出的手段，它并不排除其他元件或步骤。由此，它应当被解释为指定如涉及的所述特征、数字、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、数字、步骤或部件、或者其组合的存在或添加。因此，措词“包括装置A和B的设备”的范围不应当仅限于仅由组件A和B构成的装置。这意味着相对于本发明而言，设备的相关组件是A和B。

在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。由此，在说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都指同一实施例，但是可能如此。此外，根据本发明公开对本领域技术人员而言显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，处于使本发明公开流畅且有助于理解各发明性方面的一个或多个方面的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图、或者对实施例和附图的描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求反映的，发明性方面在于，比单个以上公开的实施例的所有特征少。由此，具体实施方式之后的权利要求被明确地结合到该具体实施方式中，其中每项权利要求独立地代表本发明的一个单独的实施例。

此外，尽管此次描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成将按本领域技术人员理解的不同实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求的实施例中的任何一个可以任何组合使用。

应当注意的是，在描述本发明的特定特征或方面时所使用的特定术语不应该被认为是暗示了该术语是此次被重新定义来限制为包括与本术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。

在此次提供的描述中，阐述了多个具体细节。然而应当理解，本发明的实施例没有这些具体细节的情况下实践。在其他实施例中，为了不妨碍对本说明书的理解，未详细地示出公知方法、结构和技术。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

参照图1和图2a-2c，描述了根据本发明的第一实施例的颗粒物测量装置100。图1示出了颗粒物测量装置100的立体示意图，图2a-2c分别示出了图1所示的颗粒物测量装置的示意性俯视图以及示意性截面图(沿A-A’横截面和B-B’横截面)。

该颗粒物测量装置100包括：第一气流通道10、第二气流通道20以及与第一气流通道10、第二气流通道20连通的测量室30。

在第一实施例中，利用第一部件15和第二部件16形成第一气流通道10、第二气流通道20和测量室30。第一部件15和第二部件16可以由可以限定空间形状的任何材料组成，例如塑料、玻璃、半导体、铝合金、不锈钢等。测量室30是在第一部件15的中间形成的开口，该开口贯穿第一部件15的上表面和下表面，使得第一气流通道10和第二气流通道30连通。

第一气流通道10形成在第一部件15的上方。然而，第一气流通道10的上方未受限制，例如为自由空间。第二气流通道20形成在第一部件15和第二部件16之间。第二气流通道20的空间形状由第一部件15和第二部件16之间的空间限定。第一部件15和第二部件16可以是彼此独立的部件，也可以是形成为一体(例如，至少一个侧面连接在一起)的部件。第一部件15的至少两个侧面相对并且倾斜，而第二部件16为平板状，使得第二气流通道20的至少一部分越接近测量室30其截面积越小。

在工作中，该颗粒物测量装置100在环境大气中运动或振动，由于颗粒物测量装置100和环境大气的相对运动而产生气流，该气流的至少一部分沿着图1中的箭头方向进入第一气流通道10和第二气流通道20中。进一步地，由于第一气流通道10和第二气流通道20的截面形状不同，第一气流通道10的气体流速小于第二气流通道20的气体流速，产生虹吸现象。图1主要用于说明该颗粒物测量装置100的空气采样装置。

由于虹吸现象，在测量室30中产生从第一气流通道10流向第二气流通道20的第三气流通道。并且，环境大气中的小颗粒物比大颗粒更容易吸入测量室中，从而可以将大气中的小颗粒物与大颗粒分离。结果，在测量室30中主要俘获小颗粒物。

参照图2a-2c，进一步描述根据本发明的第一实施例的颗粒物测量装置100中的颗粒物检测装置的细节。所述测量室30的侧壁设置有相对的光源11和光电探测器12。光源为LED阵列光源，能量分布均匀，可包括不同颜色的光源。针对小颗粒物，红外光源是优选的，可以获得较高的灵敏度。从光源11发出的光经过测量室30中的颗粒物散射后，到达光电探测器12。

可选地，光电探测器12周围设置有遮光板14。仍然可选地，在所述测量室30的侧壁设置有光吸收层17。例如，光吸收层17具有粗糙的表面。遮光板14和光吸收层17可以遮挡或吸收测量室30的侧壁的反射光。

在测量室中，颗粒的密度越高，从光源11发出的光到达光电探测器12的强度越低。结果，光电探测器12的测量值表示测量室中的浓度。由于在测量室30中主要俘获小颗粒物，因此，测量值主要表示小颗粒物的浓度。

该颗粒物测量装置100还包括气体流速计13。气体流速计13设置在第二部件16上，用于测量第二气流通道20中的气体流速。第二气流通道20的气体流速可以用于校正测量值，使得测量室30中的测量值进一步表示环境大气中的小颗粒物的浓度。

图3示出根据本发明的第二实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图。与第一实施例的颗粒物测量装置不同，气体流速计13设置在第一部件15上。具体地，气体流速计13位于测量室30的侧壁上，用于测量第三气流通道中的气体流速。

应当注意，气体流速计13可以设置在第一部件15、第二部件16中的任一个的合适位置上，只要用于测量第一气流通道10、第二气流通道20和测量室30中的第三气流通道的任一个中的气体流速即可。此外，气体流速计13可以由加速度传感器替代，通过测量该颗粒物测量装置100的运动速度来估算气体流速。如上所述，利用气体流速可以校正测量值，使得测量室30中的测量值进一步表示环境大气中的小颗粒物的浓度。

根据第二实施例的颗粒物测量装置的其他方面与根据第一实施例的颗粒物测量装置相同。

图4示出根据本发明的第三实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图。与第一实施例的颗粒物测量装置不同，本实施例的颗粒物测量装置还包括第三部件18。

第一气流通道10形成在第一部件15和第三部件18之间。第一气流通道10的空间形状由第一部件15和第三部件18之间的空间限定。第一部件15和第三部件18可以是彼此独立的部件，也可以是形成为一体(例如，至少一个侧面连接在一起)的部件。第三部件18例如为平板状，使得第一气流通道10的截面积基本不变。

第三部件18可以防止外部的风扰动影响测量室30中的检测结果。可选地，第三部件18与测量室30相对的部分设置有光吸收层17。例如，光吸收层17具有粗糙的表面。光吸收层17可以或第三部件18的表面的反射光。

根据第三实施例的颗粒物测量装置的其他方面与根据第一实施例的颗粒物测量装置相同。

图5示出根据本发明的第四实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图。与第一实施例的颗粒物测量装置不同，本实施例的颗粒物测量装置还包括第三部件18，并且第二部件16的上表面凹陷。

第一气流通道10形成在第一部件15和第三部件18之间。第一气流通道10的空间形状由第一部件15和第三部件18之间的空间限定。第一部件15和第三部件18可以是彼此独立的部件，也可以是形成为一体(例如，至少一个侧面连接在一起)的部件。第三部件18例如为平板状。

第三部件18可以防止外部的风扰动影响测量室30中的检测结果。可选地，第三部件18与测量室30相对的部分设置有光吸收层17。例如，光吸收层17具有粗糙的表面。光吸收层17可以或第三部件18的表面的反射光。

第一部件15的上表面凹陷，而第三部件18为平板状，使得第一气流通道10的至少一部分越接近测量室30其截面积越大。第一部件15的至少两个侧面相对并且倾斜，而第二部件16为平板状，使得第二气流通道20的至少一部分越接近测量室30其截面积越小。

在工作中，该颗粒物测量装置100在环境大气中运动或振动，由于颗粒物测量装置100和环境大气的相对运动而产生气流，该气流的至少一部分进入第一气流通道10和第二气流通道20中。进一步地，由于第一气流通道10和第二气流通道20的截面形状不同，第一气流通道10的气体流速小于第二气流通道20的气体流速，产生虹吸现象。

与第一实施例相比，根据第四实施例的颗粒物测量装置的第一气流通道10和第二气流通道20中的气体流速差更大，从而虹吸现象更强烈。在测量室30中产生从第一气流通道10流向第二气流通道20的第三气流通道。环境大气中的小颗粒物比大颗粒更容易吸入测量室中，从而可以将大气中的小颗粒物与大颗粒分离。结果，在测量室30中可以更好地俘获小颗粒物。

根据第四实施例的颗粒物测量装置的其他方面与根据第一实施例的颗粒物测量装置相同。

图6示出根据本发明的第五实施例的颗粒物测量装置的示意性截面图。与第一实施例的颗粒物测量装置不同，本实施例的颗粒物测量装置包括智能手机之类的智能便携设备40，采用智能便携设备40的加速度传感器41替代第一实施例中的气体流速计13。

本实施例的颗粒物测量装置使用智能便携设备40的加速度传感器41。通过测量该颗粒物测量装置100的运动速度来估算气体流速。如上所述，利用气体流速可以校正测量值，使得测量室30中的测量值进一步表示环境大气中的小颗粒物的浓度。

根据第五实施例的颗粒物测量装置的其他方面与根据第一实施例的颗粒物测量装置相同。

图7示出根据本发明的第六实施例的颗粒物测量装置的示意性俯视图。与第一实施例的颗粒物测量装置不同，本实施例的颗粒物测量装置还包括位于测量室30中的光学透镜19。该光学透镜19位于所述光源11和所述光电探测器12之间。光学透镜19的中间部分由遮光片21遮挡。

从光源11发出的光经过测量室30中的颗粒物散射。在到达光电探测器12之前，到达光学透镜19。由于光学透镜19的中间部分受到遮挡，因此可以阻止从光源11直接发出的光穿过光学透镜19。另一方面，由于颗粒物散射而形成的散射光可以经由光学透镜的边缘部分会聚到光电探测器12上。

在测量室中，颗粒的密度越高，从光源11发出并且经颗粒物散射的光到达光电探测器12的强度越低。结果，光电探测器12的测量值表示测量室中的浓度。由于在测量室30中主要俘获小颗粒物，因此，测量值主要表示小颗粒物的浓度。

该颗粒物测量装置100还包括气体流速计13。气体流速计13设置在第二部件16上，用于测量第二气流通道20中的气体流速。第二气流通道20的气体流速可以用于校正测量值，使得测量室30中的测量值进一步表示环境大气中的小颗粒物的浓度。

该实施例的颗粒物测量装置利用光学透镜19和遮光片21，可以避免光源11发出的直射光对检测结果的影响，从而可以更准确地获得小颗粒物的检测结果。

根据第六实施例的颗粒物测量装置的其他方面与根据第一实施例的颗粒物测量装置相同。

图8示出根据本发明的颗粒物测量装置方法的流程图，该方法由上述实施例的颗粒物测量装置执行，该方法详述如下：

步骤S801：将所述颗粒物测量装置置于大气中，使得所述颗粒物测量装置运动或振动，大气进入第一气流通道10和第二气流通道20中，并且大气小颗粒物进入测量室。

步骤S802：采用气体流速测量装置测量第一气流通道、第二气流通道和第三气流通道至少之一的气体流速。

步骤S803：采用光电探测器检测测量室中小颗粒物的浓度。

步骤S804：根据所述气体流速和测量室中小颗粒物的浓度，计算环境大气中小颗粒物的浓度。

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种颗粒物测量装置，包括：

测量室；

位于测量室上方并且与测量室连通的第一气流通道；

位于测量室下方并且与测量室连通的第二气流通道；

位于测量室中并且与第一气流通道、第二气流通道连通的第三气流通道；

位于所述测量室的侧壁上的光源和光电探测器，所述光源和所述光电探测器彼此相对；

用于测量第一气流通道、第二气流通道和第三气流通道至少之一的气体流速的气体流速测量装置，

其中，所述第一气流通道的气体流速小于所述第二气流通道的气体流速。

2.根据权利要求1所述的颗粒物测量装置，还包括第一部件和第二部件，其中第一部件的上表面限定第一气流通道的形状，并且，第一部件的下表面和第二部件的上表面之间的空间限定第二气流通道的形状。

3.根据权利要求2所述的颗粒物测量装置，其中所述测量室由第一部件的中间的开口形成，该开口贯穿第一部件的上表面和下表面。

4.根据权利要求2所述的颗粒物测量装置，其中第一部件和第二部件由选自塑料、玻璃、半导体、铝合金、不锈钢中的一种材料组成。

5.根据权利要求2所述的颗粒物测量装置，其中所述气体流速测量装置气体流速测量装置包括位于所述第一气流通道、所述第二气流通道和所述第三气流通道至少一个中的气体流速计。

6.根据权利要求2所述的颗粒物测量装置，其中所述气体流速测量装置气体流速测量装置包括位于第一部件、第二部件以及第一部件和第二部件外部的加速度传感器，通过测量颗粒物测量装置的运动速度来估算气体流速。

7.根据权利要求1所述的颗粒物测量装置，其中所述测量室的侧壁设置有光吸收层。

8.根据权利要求1所述的颗粒物测量装置，还包括：

位于所述光源和所述光电探测器之间的光学透镜；以及

用于遮挡光学透镜的中间部分的遮光片，

其中所述遮光片阻止从光源直接发出的光穿过光学透镜，并且允许由于颗粒物散射而形成的散射光经由光学透镜的边缘部分会聚到光电探测器上。

9.根据权利要求1所述的颗粒物测量装置，其中所述光电探测器为光电二极管。

10.一种颗粒物测量方法，其中，所述方法包括：

将颗粒物测量装置置于大气中，使得所述颗粒物测量装置运动或振动，使得大气进入第一气流通道和第二气流通道中，并且大气小颗粒物进入测量室；

采用气体流速测量装置测量第一气流通道、第二气流通道和第三气流通道至少之一的气体流速；

采用光电探测器检测测量室中小颗粒物的浓度；以及

根据所述气体流速和测量室中小颗粒物的浓度，计算环境大气中小颗粒物的浓度。