CN105339775A - 用于便携式pm2.5监控装置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于PM2.5监测的设备，包括PM2.5采样装置，其包括用于接收和分离空气中浮游的微粒物质的外壳部，用于接收空气中浮游的微粒物质的连接到所述外壳部的入口，位于所述外壳部内部的入口的芯部，所述芯部协助生成气旋气流模式以产生用于在空气中浮游的微粒物质内把高于预定尺寸的微粒物质和低于预定尺寸的微粒物质分开的单向流动的系统，以及用于接收低于预定尺寸的微粒物质的出口；连接到出口的粒子计数器，用于接收小于预定尺寸的微粒物质以及用于确定低于预定尺寸的微粒物质的质量；以及用于基于低于预定尺寸的微粒物质的质量确定PM2.5级别的处理器。

Description

用于便携式PM2.5监控装置的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求了2013年7月5日提交的美国临时专利申请的优先权，其申请号为61/956,284，通过引用合并于此。

技术领域

本公开一般涉及监控装置，更具体地说涉及用于便携式PM2.5的监控装置的方法和设备。

背景技术

在过去的几年，人们日益关注监测空气质量以改善社会大众的健康。通过监测空气质量，能够测定关于微粒物质的量，这些微粒物质或大或小，漂浮在空气中并能被个体吸入。在一些国家，已经逐步形成了关于环境空气质量的政府法规，对于被称为PM2.5的较小颗粒进行监测和调节。

因此，为了监测空气质量，人们已经发明了空气监测设备并且不断地做出改进。这些设备可用于研究目的以研究微粒空气污染的特性，看这些特性就人体健康或政府规定而言是否满足微粒空气污染的可接受程度。

虽然有多种设备是已知的，但这些设备往往是永久安装在不同位置的大规模的监测装置。

因此，本发明提供一种用于便携式PM2.5监控装置的新颖的方法和设备。

发明内容

在本公开的一个方面，提供一种用于PM2.5采样的设备，包括用于接收空气中浮游的微粒物质的入口；用于在系统内生成气旋气流模式的装置，以产生单流系统用来将较大块的微粒物质与较小块的微粒物质分离；用于接收较小块的微粒物质的出口；其中所接收的较小块的微粒物质被传送用于进一步计数。

在本公开的另一个方面，提供了一种用于PM2.5的采样设备，包括用于收集并分离空气中浮游的微粒物质的外壳部；至少一个与外壳部相连的入口，用于接收空气中浮游的微粒物质；芯部，位于外壳部的内部，芯部协助生成气旋气流模式以产生单流系统，用于将空气中浮游的微粒物质中小于预定尺寸的微粒物质与大于预定尺寸的微粒物质分离；以及用于接收小于预定尺寸的微粒物质的出口。

在本公开的又一方面，提供了一种用于便携式PM2.5监测的设备，包括PM2.5采样装置，其包括用于收集并分离空气中浮游的微粒物质的外壳部，用于接收空气中浮游的微粒物质的与外壳部相连的入口，位于外壳部内部的芯部，其协助生成气旋气流模式以产生单流系统，用于将空气中浮游的微粒物质中将小于预定尺寸的微粒物质与大于预定尺寸的微粒物质分离，以及用于接收小于预定尺寸的微粒物质的出口；连接到出口的粒子计数器，用于接收小于预定尺寸的微粒物质以及用于确定小于预定尺寸的微粒物质的质量；以及基于小于预定尺寸的微粒物质的质量确定PM2.5级别的处理器。

附图说明

现在仅以示例的方式，参考附图来描述本公开的实施例。

图1为用于空气质量监测设备的示意图；

图2a为PM2.5采样器的透视图；

图2b是PM2.5的采样器的侧视图，内部组件用虚线表示；

图2c为沿图2b中线2c-2c的剖视图；

图2d为显示气流模式的PM2.5采样器的透视图的示意图；

图2e为显示气流模式的PM2.5采样器的侧视图的示意图；

图3为PM2.5采样器剖开的示意图；

图4为概述了微粒物质监测方法的流程图；和

图5为PM2.5采样器另一实施例的示意图。

具体实施方式

本公开涉及一种用于监测空气质量的方法和设备。所述便携设备包括PM2.5采样器，在优选的实施例中，其是单向流动的设备。这意味着被测试的空气以及被监测的微粒物质在同一方向进入和退出PM2.5采样器。

参考图1，示出了用于PM2.5测量的便携设备示意图。监测可以实时执行。系统10包括连接到粒子计数器14上的PM2.5采样器12。PM2.5采样器通过入口16从大气中接收微粒物质或空气中浮游的微粒物质，然后将大于预定尺寸的微粒物质块或较大的微粒物质与小于预定尺寸的微粒物质块或较小的微粒物质分离。例如，当采样器12是PM2.5采样器时，预定尺寸是2.5μm，它是世界卫生组织(WHO)规定的标准指标。小于2.5μm(直径)的微粒物质也可描述成细微粒。微粒物质的分离将会参照图2更详细的描述。分离之后，较小的微粒物质经由出口17逸出PM2.5采样器并且被导向粒子计数器14。在一个实施例中，粒子计数器包括泵，其通过出口17从PM2.5采样器中吮吸较小的微粒物质。泵也可以提供足够的吸力以抽吸空气中浮游的微粒物质进入PM2.5采样器中以及协助产生用于分离微粒物质的气流模式。粒子计数器14接收所收集的较小的微粒物质以及对较小微粒物质的粒子数量计数。在另一实施例中，粒子计数器测量较小微粒物质的质量，然后将测量的质量转化成代表性的数字信号。粒子计数器14也能够确定或计算所收集的较小微粒物质的其它特性。

粒子计数器是一个仪器，其能够对进入粒子计数器中的单粒子计数。对于计数过程，粒子计数器使用光散射，光遮蔽或直接成像技术。总之，目前可得到的粒子计数器不是为测量微粒物质的质量(或者更具体地说，较小微粒物质的质量)而特别设计的，并且仅计通过计数器的粒子的数量。然而，这些粒子计数器仍然能够用来协助确定较小微粒物质的质量。

如图所示，粒子计数器14连接到中央处理器(CPU)18上并且与之通信，以发送计数或代表性的数字信号(该计数或数字信号可能与较小微粒物质的其他数据表示特征一起发送)，以使得这些数据或信息可以由CPU18处理。系统10还可包括数据库20，用于存储计数或代表性的数字信号、其他数据或来自粒子计数器14的数据的处理产生的任何测量值或计算值。数据处理后，CPU18可以在监视器或显示器22上显示结果以便使用。此信息可以是(但不限于)系统周围空气中PM2.5的级别(优选的以μg/m³为单位)。

用高分辨率的粒子计数器，根据微粒物质的数量和其计算出的体积之间的关系能够计算出质量浓度。在优选的实施例中，数据通过粒子计数器CPU(或通过CPU18)处理，以便确定质量浓度以及粒子直径。

或者，用户可以计算较小微粒物质的质量，假设微粒物质的所有个体都是球形的，假设密度基于预先计算或预先存储的值。在一个实施例中，可以使用下面的等式：

$\begin{array}{c}M=\mathrm{\ρ}\[n_1\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}_{m1}^3+n_2\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}_{m2}^3+\mathrm{...}+n_n\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}_{mn}^3\]\\ =\frac{1}{6}\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}\[n_1{d}_{m1}^3+n_2{d}_{m2}^3+\mathrm{...}+n_n{d}_{mn}^3\]=\frac{1}{6}\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}\Σn_1{d}_{m\left(i\right)}^3\end{array}$

在另一实施例中，如果使用低分辨率的粒子计数器14，较小微粒物质的总量被计数并被分离成不同粒度范围，或通道。例如，粒度范围或通道可被定义为<1μm,1μm和2μm之间，2μm和2.5μm之间以及大于2.5μm。粒子计数器然后确定每个范围或通道的粒子的数量。也可以使用其他的通道分配。通过在此类型的便携式粒子计数器14的前面连接PM2.5采样计数器12,可使用数据处理算法对不同的通道进行补偿。这将在下面更详细讨论。

在操作中，CPU18可使用不同的方法处理从粒子计数器14接收的数据。在一个方法中，所有通过出口从采样器逸出的粒子的质量被视为较小微粒物质的质量，或者小于2.5微米，即PM2.5的微粒物质的质量。为了获得要显示的信息，使用数据处理算法以便推断出从PM2.5采样器逸出的粒子的数量。至少存在两种方式计算从PM2.5采样器逸出的粒子的质量：1)合计收集的较小微粒物质的质量，或者2)从计数器分配得来的基于对数正态分布的质量。

在质量收集实施例的合计中，进入粒子计数器不同分布范围或通道的粒子数目连同粒子的总数(计数)一起被确定，从而可以使用下面的公式计算它们的总质量：

$M=\frac{1}{6}\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&rho;}\&lsqb;n_1{d}_{m1}^3+n_2{d}_{m2}^3+...+n_n{d}_{mn}^3\&rsqb;=\frac{1}{6}\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&rho;}\&Sigma;n_i{d}_{m\left(i\right)}^3$

通过使用质量计算结果以及空气体积测量获得粒子质量浓度，其中空气体积测量从(优选地位于粒子计数器内部)的流量计获得。在该计算中，n_i是不考虑在通道中选择的范围的正规化的结果。从粒子计数参数设置可知通道范围的平均直径id_m(i)n_i，其使用计算公式为：

$d_{m\left(i\right)}=\frac{1}{2}\&lsqb;d_{p\left(i\right)}+d_{p(i+1)}\&rsqb;$

现在能够确定穿透大量的空气中PM2.5采样器的所有粒子的质量。

在基于对数正态分布的计算实施例中，可以理解，微粒物质的总数符合对数正态分布，使得在对数-概率图中表示粒子计数器，表面以及体积的直线能够平行。然而，从PM2.5采样器逸出的粒子是否仍然具有对数正态分布是不清楚的，因而要通过实验来确认，然而，这可以通过由发明人执行的实验来确认。

如果粒子分布仍然是对数正态分布，那么其就能够被应用到粒子数量或计数，表面以及质量。理解对数-概率图以及相关的计算过程，基于粒子直径服从对数正态分布的事实，在对数-概率图中就能够产生一条直线。计数平均直径(CMD)以及标准偏差(σ)就能够通过对数-概率图确定。因此，从PM2.5采样器逸出的所有粒子的质量就可使用下式确定：

${\mathrm{PM}}_{2.5}=\frac{1}{6}N\mathrm{\&pi;}{\left(d_{\stackrel{\&OverBar;}{m}}\right)}^3$ 其中

$d_{\stackrel{\&OverBar;}{m}}={\mathrm{CMDe}}^{\&lsqb;1.5{\left(ln\mathrm{\&sigma;}\right)}^2\&rsqb;}$

质量确定之后，随后此信息被传递到CPU进行处理和显示或者此确定也可由CPU执行。

参考图2a,其为用于在图1所示的设备中使用的PM2.5采样器的透视图。图2b是具有透明外壳的PM2.5的侧视图以及用虚线表示的内部组件，图2c是图2b的沿线2c-2c的剖视图。

虽然气旋类型的大型采样设备是已知的，但本文公开的便捷式或者微型气旋设备提供了优于这些大型设备的优势。首先，微型气旋设备使得PM2.5采样器或传感器是便捷的而不是永久固定的或只能监测指定位置的空气质量。其他优点包括，但不限于此，能够在粒子计数器14的上游安装或集成采样器，采样器12可包括多个入口(如图5所示)，入口可被制成包括小于大约15度的角度以使采样过程中粒子的损失以及采样空气的总流量最小化，其中采样空气应允许2.5μm的界限粒径，以改进较小微粒物质的收集或分离。同时应该理解，入口也可以使用其他的角度例如小于30度。

PM2.5采样器12包括具有入口16的外壳部24。在本实施例中，入口16具有方形横截面的开口，但也可考虑其他类型的横截面。入口16包括有角度的壁26(也如图5所示)。入口16可以直接从大气接收微粒物质，或可将软管(未示出)与入口16直接相连的以用微粒物质填充采样器12。在一个实施例中，微粒物质由或者从采样器内部或者从粒子计数器(被连接到采样器后)内部提供吸力的泵吸进采样器中。

在外壳部24的底部是出口26，通过出口收集的较小微粒物质被传送到粒子计数器(如图1的设备所示)。入口16和出口17位于外壳部24的相对端使得气流是单向的，由此空气和微粒物质在同一方向流动。外壳部24还可包括盖子部分28，其或者被扣紧或者螺纹连接到外壳部24上。

每个PM2.5的采样器的内表面都用导电材料制成，以避免由于静电作用引起的在采样器内部表面上沉积的粒子损失。换句话说，外壳部24的内表面，入口16的内表面以及出口17的内表面都由导电材料例如金属或导塑料制造。

图2b显示了采样器12的外壳部24内部的一些部件，例如芯部30，其优选地由导电材料制造。如图2c所示，盖子部分28与芯部30集成在一起，然而，芯部30也可通过其他方式，例如将芯部30安装到外壳部的内部，悬在外壳部24内部。图2d是带有透明外壳24的采样器12的透视图。可以理解的是，外壳部24通常不是透明的，以使采样器12的部件以及操作对用户隐蔽。图2e示出了采样器的前视图。能够看出，在芯部28的底部到入口16的底部之间存在距离31。基于采样器的大小，在芯部28的底部以及出口17的顶部之间还存在特定的缺口32。出口26的顶部优选地以一个大约30度左右或更小的入口锐角(asharpinletangle)加工，更优选地小于15度，以改善图2c示意性示出的微粒物质的分离。换句话说，入口或出口或者两者可以是等动力(iso-kinetic)口。

在操作时，空气(更具体地说包括不同大小的微粒物质的脏空气)经由入口16被迫进入或被吸进采样器12中。由于芯部30的存在，空气被迫进入旋涡(或气旋)的运动或气流模式，其产生切向力，分离大于以及小于预定尺寸约为2.5μm的微粒物质块之间的微粒物质。在本公开中，空气以及微粒物质在同一方向行进和退出，较小微粒物质通过出口退出，较大微粒物质在出口和外壳口之间通过并且保留在外壳部24的内部，例如沙坑区33。要理解的是，虽然可能有较大的微粒物质从出口17逸出，以及较小的微粒物质保留在沙坑区33中，但这是在PM2.5采样或监测中可接受的因素。

参考图3，提供了PM2.5采样器另一实施例的部件的更详细示意图。如图所示，PM2.5采样器14包括外壳部300，其包括使得空气以及微粒物质进入外壳部300的入口302。在外壳部内部一端是实心的芯部304，以及出口306，其位于外壳部300的另一端。考虑到易于拆除，出口306可与外壳部螺纹连接以便打扫采样器。

当微粒物质经由入口302进入采样器14时，当空气围绕实心芯部旋转时，较大的微粒物质与较小的微粒物质分离。如上所述，较大的微粒物质指的是大于预定尺寸的微粒物质，而较小微粒物质指的是小于预定尺寸的微粒物质。

在目前的实施例中，较大的微粒物质然后沉淀在出口和外部部分之间的外壳部内部，而较小微粒物质经由出口顺流而下游出外壳部。

在优选的实施例中，便携式PM2.5采样器被设计成使得其是便携的并且能够与便携式粒子计数器紧密配合而不妨碍粒微粒的回收和分离。此外，尽管图示的出口被置于外壳部的中央，其也可以沿着外壳部内部移动以允许用户更容易地校正采样器的性能。此外，在优选的实施例中，外壳部内部的部件(例如芯部以及出口)是可拆除的，以便容易的装配和/或拆卸采样器。这也有利于外壳部的内部或组件的打扫。

本公开的一个优点在于采样器是便携的，其允许PM2.5在不同位置采样。用户希望了解不同位置而不是永久固定在一个指定位置的空气中微粒物质的级别。

在操作时，如图4示意性所示，包含微粒物质的空气进入(100)采样器。该空气然后通过采样器并且被迫进入气旋流或气流模式，使得较小微粒物质与较大微粒物质分离(102)。较小的微粒物质然后被收集(104),并通过出口传递到粒子计数器(106)。该计数器对逸出采样器14并进入粒子计数器的收集到的较小微粒物质的粒子数量进行计数(108)。然后对所收集的较小微粒物质(优选地小于2.5μm的微粒物质)的质量进行测量(109)。然而，可以理解(并且也是充分预计到的情况)，由于存在小微粒物质与较大微粒物质一起被收集的事实，一些收集的较小微粒物质可能测量大于2.5微米，因而可以假设只包含有较小的微粒物质的方式来对所收集的微粒物质的质量进行测量。较小微粒物质的测得质量随后被转化成所测得质量的数字信号表示(110)。质量的确定或者通过中央处理单元的粒子计数器或者通过二者的组合来执行。所收集的较小微粒物质的其他特性或计算也可以确定并转换成数字信号以被CPU传送和处理。

在接收或确定数字信号之后(更具体地说是测量质量的数字信号表示)，处理器对该数据进行处理(114)，至少计算出PM2.5的量度或级别(116)。该信息然后可被存储在数据库中或在监视器上显示，或两种处理皆有。

上述的实施例仅被确定为例子。在不偏离本发明的范围的前提下，本领域技术人员作出的改变、修改或变化由所附的权利要求唯一限定。

Claims (14)

1.一种用于PM2.5采样的系统，包括：

用于接收空气中浮游的微粒物质的入口；

用于在所述系统内部产生气旋气流模式的设备，以产生单向流动的系统以将较大的微粒物质块与较小的微粒物质块分离；

用于接收较小微粒物质块的出口；

其中所述接收的较小微粒物质块被传送以便进一步计数。

2.一种PM2.5采样设备，包括：

用于收集和分离空气中浮游的微粒物质的外壳部；

连接到所述外壳部的至少一个入口，用于接收空气中浮游的微粒物质；

位于所述外壳部内部的芯部，所述芯部协助生成气旋气流模式以产生用于将空气中浮游的微粒物质内的高于预定尺寸的微粒物质与低于预定尺寸的微粒物质分离的单向流动的系统；和

用于接收所述低于预定尺寸的微粒物质的出口。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述预定尺寸是直径2.5微米。

4.如权利要求2所述的设备，还包括用于封闭所述外壳部的盖部。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述盖部与所述外壳部螺纹连接。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述盖部与所述芯部集成。

7.如权利要求2所述的设备，其中所述入口包括锐角壁。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述锐角壁的角度小于大约15度。

9.如权利要求2所述的设备，其中所述入口位于所述外壳部的一端，以及所述出口位于与所述入口相对的所述外壳部的另一端。

10.如权利要求2所述的设备，其中所述外壳部，所述入口和所述出口的内表面由导电材料制成。

11.如权利要求2所述的设备，其中所述芯部由导电材料制成。

12.如权利要求2所述的设备，其中所述出口包括锐角壁。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述锐角壁的角度小于大约15度。

14.用于便携式PM2.5监测的设备，包括：

PM2.5采样装置，包括：

用于收集和分离空气中浮游的微粒物质的外壳部；

连接到所述外壳部的入口，用于接收空气中浮游的微粒物质；

位于所述外壳部内部的芯部，所述芯部协助生成气旋气流模式以产生单向流动的系统，用于将空气中浮游的微粒物质内的大于预定尺寸的微粒物质与小于预定尺寸的微粒物质分离；和

用于接收所述小于预定尺寸的微粒物质的出口。

连接到所述出口的粒子计数器，用于接收所述小于预定尺寸的微粒物质以及用于确定所述小于预定尺寸的微粒物质的质量；和

处理器，用于基于所述小于预定尺寸的微粒物质的质量确定PM2.5级别。