CN107110756A - 用于同时测量细颗粒物浓度pm1、pm2.5和pm10的方法和系统 - Google Patents
用于同时测量细颗粒物浓度pm1、pm2.5和pm10的方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于在使用颗粒物测量系统、尤其是细颗粒物测量系统的情况下尤其是同时测量优选处于流动中的不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的方法，该颗粒物测量系统包括具有测量体积(16)的光度测量的散射光单元(1)，该散射光单元(1)具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号(13)的光发射器(7)和至少一个以至少一个角度(15)设置的光敏接收系统(8)，该接收系统接收构成颗粒物浓度的颗粒(12)的散射光(14)，其特征在于，将所述具有测量体积(16)的散射光单元(1)除了至少一个流体入口(1a)和/或至少一个流体出口(1b)外气密密封，所述至少一个流体入口和/或所述至少一个流体出口设有截止装置(2、3)，其中，将散射光单元(1)以测量体积(16)加载以待检测流体的样本，并且记录可预规定的第一数目的测量值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于同时测量细颗粒物浓度PM1、PM2.5和PM10的方法和系统。
本发明涉及至少一种用于在使用光度测量的散射光单元的情况下尤其是同时测量和显示优选处于流动中的不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的方法，该散射光单元包括发射优选脉冲的光信号的光发射器和以角度设置的光敏接收系统，该接收系统接收构成颗粒物浓度的颗粒的散射光，其中，待检测流体的有利穿流以大多数情况下垂直于光发射单元和光接收单元的定向进行。
本发明还涉及一种用于同时测量和显示不同颗粒物浓度的装置。
背景技术
在城市和工业区中，通过燃烧过程产生非常高的细颗粒物浓度。有时这些值如此之高(>100至200μg/m3)，以致于长久在这些区域中居住有害健康。北京和上海等城市已被世界卫生组织(WHO)列为不再适宜居住的地区。如果试图精确测量不同的细颗粒物浓度、如精确到1至2μg/m3，那么这会与非常高的耗费和成本相关联(3000至30000欧元)。光度测量和重力测量系统已证明有效。散射光光度计或重力测量系统的测量原理目前属于现有技术。许多公司、如阿波罗(Apollo)、霍尼韦尔(Honeywell)、夏普(Sharp)、Shinjei和其它公司出售成本相对低(10至20欧元)的OEM传感器。这些OEM传感器的精度约为25至100μg/m3。由此可控制室内空气净化器，其在50至100μg/m3浓度时开始净化并在约20μg/m3时再次关闭。知名品牌都已为室内空气净化器配备了这种传感器。但目前还不能更精确、长期可靠地确定细颗粒物浓度。但由于对低成本确定细颗粒物浓度存在很大的需求并且以及为了保护生命健康，已研发出一种新的、低成本的方法来检测所谓的“颗粒物”、简称PM。通常确定平均颗粒尺寸为1.0μm、2.5μm和10μm的PM1.0、PM2.5和PM10。该方法不仅可确定一个级别、如重要的PM2.5，而且也可同时确定多个级别、如PM1.0、PM2.5和PM10。颗粒的分辨极限约为0.3μm。因此甚至能够可靠且精确地确定PM0.5。因此可在直至100μg/m3的测量范围内实现少量几个μg/m3的精度。
发明内容
本发明的任务在于，提供至少一种开头所提类型的方法，借助该方法可改善不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的测量。
此外，应提供一种用于同时测量和显示不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的装置，该装置优选适合用于实施所述方法。该任务通过根据权利要求1和9所述的方法以及根据权利要求16和19所述的装置得以解决。有利的实施方式由从属权利要求给出。
在方法方面，根据本发明，所述任务以下述方式解决：将具有测量体积的散射光单元气密密封。在第一方法步骤中，至少一个流体入口和/或至少一个流体出口不在此列并且被打开，所述至少一个流体入口和/或所述至少一个流体出口设有截止装置，所述散射光单元以其测量体积受控地被加载待检测流体的样本，并且记录可预规定的第一数目的测量值。第一数目的测量值的记录重复进行，尤其是只要进行测量就持续进行。
通过气密密封散射光单元来防止不希望的颗粒通过散射光单元壳体中的间隙或裂缝侵入测量体积中并在那里污染待检测流体，待检测流体仅能并且能受控地通过流体入口或出口进入散射光单元或离开散射光单元。即使是仅具有10μm开口宽度的极小间隙已经对于1μm大的颗粒构成大开口。这种细颗粒在空气中浓度很高、通常是每立方厘米1000至10000个纳米颗粒。在街道交通中该浓度可增加至107每立方厘米。因此很容易想到，当散射光单元没有气密密封时，细颗粒会不受控地进入散射光单元中，它们会在内部污染散射光单元并且污染待检测样本。该方法的一个优点在于，散射光单元可随时重新校准。为此，在该方法的一种进一步改进中，在可截止的流体入口或在可截止的流体出口处，将优选通过泵单元输送的、借助穿流过的零过滤器过滤的、几乎无颗粒的流体引入测量体积中，并且记录可预规定的第一数目的测量值，将这些测量值作为零水平存储。零过滤器在理想情况下从空气中过滤掉所有大于气体分子的颗粒，实际的零过滤器至少从空气中过滤掉所有大于0.2μm的颗粒。因此过滤后的流体、如空气因而可被视为无颗粒的。泵单元优选构造为膜片式泵，当该泵未处于泵运行中时，将该泵如同截止阀进行那样密封。作为替代方案，也可使用其它的设有附加截止阀的泵。
有利的是，在记录可预规定的第一数目的测量值并将其存储为零水平之前，手动或自动截止流体入口和流体出口。但特别有利的是，为了记录第一数目的测量值而在散射光单元中产生流动。这可借助第一旁路、泵单元和附加截止阀或借助第二旁路和附加泵单元实现。旁路可通过单独的阀接入并且实现流体循环。
在本方法的一种进一步改进中，打开第一和/或第二截止装置，为测量体积加载待检测流体，并且关闭第一和/或第二截止装置。有利的是，在现在再次被完全气密密封的散射光单元中产生流动，由此，待检测流体可循环。在此对于记录可预规定的第一数目的测量值而言有利的是，这在所述流动期间进行。与在流体入口和出口被打开时记录测量值相比，本方法的该改进方案具有以下优点，即，可在较长时间上检测待检测流体样本。
本发明方法可通过下述方式进一步改进，即，优选在使用抽吸单元或泵单元的情况下尤其是在记录测量值期间能使待检测流体以尽可能恒定的流速穿流散射光单元。在本方法中适宜的是，借助微处理器控制所述散射光单元和一个或多个子系统，分析和再处理光接收单元的和其它传感器的相应测量数据，并且借助显示单元显示所述分析和/或再处理的结果。这样的子系统可包括其它传感器，如湿度传感器、压力传感器、流量传感器和气体传感器。通过将这些附加传感器的测量值纳入分析中可进一步改进散射光单元的测量数据的测量结果。此外，可独立处理和显示这些子系统的数据。
通过借助微处理器来控制所述光发射单元，可根据脉冲宽度、脉冲高度和脉冲频率自由选择和调节地产生光脉冲，所述光脉冲由散射光单元发出。由此例如可抵抗散射光单元的劣化。
本发明的另一方面(其一方面有利于改进之前所描述的方法，但另一方面也单独具有改进颗粒物浓度测量的潜力)在于，在第一数目的测量值中将测量值根据它们的大小分类、尤其是按升序从最小测量值到最大测量值分类。该分类能够实现充分利用在积分测量颗粒物浓度时得出的统计效应，其中在该测量期间多种颗粒位于测量体积中。
本发明的该方面也单独具有改进颗粒物浓度测量的潜力并且相应表现为一种用于在使用光学散射光颗粒物测量系统的情况下测量颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的方法，该散射光颗粒物测量系统包括具有测量体积的光度测量的散射光单元，所述散射光单元具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号的光发射器和以至少一个角度设置的光敏接收系统，该接收系统接收构成颗粒物浓度的颗粒的散射光，其中，检测光接收单元的信号并且在第一数目的检测到的信号中将相配的测量值根据它们的大小分类、尤其是按升序从最小测量值到最大测量值分类。
优选为了形成第一数目的测量值，在上述方法中首先记录可预规定的第二数目的测量值。由该可预规定的第二数目的信号测量值获得一个特征值，其优选可以是最大值或平均值。第二数目的测量值的该特征值随后用作第一数目的测量值之中的测量值之一。
有利的是，在本发明方法中，组合在至少一个可自由选择的、尤其是可通过软件调节的测量窗内的第一数目的测量值的分类的测量值中的至少一部分并且将该至少一部分分配给相应的颗粒物浓度。例如当分类为第51的值的振幅值为650单位时为该值分配浓度109μg/m3，而例如当第90－93个值的振幅值约为700单位时为这些值分配浓度109μg/m3。
为了校准用于实施本发明方法的测量系统，在颗粒物浓度接近0μg/m3、优选小于1μg/m3时检测第一数目的测量值。在将第一数目的测量值分类后，将其中的至少一部分存储为用于一个PM值的零水平。此外，还可将分类的第一数目的测量值的第二部分存储为用于同一个PM值的零水平。但也可想到，将分类的第一数目的测量值的多个部分的测量值存储为用于多个不同PM值的零水平并且由此实现颗粒物测量系统、尤其是细颗粒物测量系统的校零。例如可在浓度为0μg/m3时将分类的第一数目的测量值的第50和51个(序号)测量值600存储为用于PM2.5的零水平。也可将分类的值的第67个测量值610存储为用于PM2.5的零水平。作为替代方案，也可将分类的第50和51个测量值600存储为用于PM1的零水平，将分类的值的第67个测量值610存储为用于PM2.5的零水平并且将分类的值的第95个测量值633存储为用于PM10的零水平。
在此，PM值或者说颗粒物值相应于颗粒物浓度中的颗粒的平均尺寸。因此，PM0.1表示平均尺寸仅为100nm的超细颗粒(UFP)。相应地，PM1.0、PM2.5和PM10表示具有1、2.5和10μm平均颗粒尺寸的浓度。在此情况下也可这样定义PM值，使得具有较低值的颗粒级别(即PM1)包含在具有较高值的级别(如PM2.5)中，从而PM1包含小于1μm的颗粒，而PM2.5包含小于2.5μm的颗粒。
为了在晚些时候能够从测量值推导出颗粒物浓度，为每个PM值确定一个自身的校准函数、如[测量值x常数x((2.5μg/m3)/测量单位)－零水平]。该校准函数例如可通过与参考设备、如颗粒计数器的测量值进行比较来确定。因此，例如在分配PM值、如将第65个值分配给PM2.5时，则将当前测量的第65个值代入校准函数中，由此可通过计算用于PM2.5的校准函数来获得PM2.5的当前颗粒物浓度。
PM值这样定位于当前测量值的分类数组中，使得相应平均颗粒尺寸与测量值序号相关联。在图7中例如可看出，测量值序号(X轴)从左向右增加并且平均颗粒尺寸1.0、2.5和10与此相关地也从左向右增加。
特别精确的校准可如下实现，即，在不同的颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度中可以借助单分散颗粒分布和/或真实颗粒分布校准颗粒物测量系统并且尤其是为每个PM值单独存储新的校准值，如零水平、校准曲线参数和重力测量因数。
在本发明方法的一种进一步改进中，不时地、优选定期重复零水平测量。通过比较当前零水平与之前的零水平来确定散射光单元的劣化并且相应校正细颗粒物测量值。本发明也示出一种用于测量和显示不同颗粒物浓度、如细颗粒物浓度的装置，这优选为不同PM值同时进行。在此，颗粒物浓度可处于包括至少两个相的流动中。所述装置包括优选脉冲运行的光度测量的散射光单元。所述散射光单元具有至少一个发射优选脉冲的光信号的光发射单元和至少一个以一个或多个角度设置的光敏接收系统，该接收系统接收颗粒的散射光。根据本发明，所述具有测量体积的散射光单元首先除了流体入口和流体出口之外被气密密封，并且具有测量体积的散射光单元在流体入口和流体出口上设有截止单元，借助所述截止单元可手动或自动截止流体入口和流体出口。气密密封十分重要，因为否则颗粒会通过现有间隙不受控地侵入散射光单元中并且会污染散射光单元或待检验流体。
有利的是，在散射光单元中在光发射单元之后和/或光接收单元之前设有光学聚焦系统，借助所述聚焦系统可扩展和/或准直或聚焦光束。同样有利的是，在散射光单元中与光发射单元相对置地设置光学贮槽，其吸收未散射的光。
此外适宜的是，为了发射光信号而使用激光、半导体二极管、白光和/或闪烁光，或者为了接收散射光而使用光电二极管、光电晶体管、光电倍增管和/或光敏CMOS芯片。
本发明也涉及一种用于尤其是同时测量和显示优选处于包括至少两个相的流动中的不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的装置，其包括尤其是脉冲的光度测量的散射光单元，所述散射光单元具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号的光发射单元和至少一个以一个或多个角度设置的光敏接收系统，该接收系统接收颗粒的散射光。所述装置包括控制和分析单元，其构造用于重复记录可预规定的第一数目的测量值并且将记录的第一数目的测量值根据它们的大小分类、尤其是按升序从最小测量值到最大测量值分类。
附图说明
附图详细地如下示出：
图1示出散射光单元的示意性一览图；
图2示出包括发射器、接收器、光挡和聚焦装置的光学测量系统；
图3示出包括扩展了附加子系统的图1的视图；
图4示出一些光发射脉冲并且图5示出相配的接收脉冲；
图6示出测量值分类以及相配的PM值；
图7示出测量值分类以及相配的PM值；
图8示出不同颗粒物浓度时的分类测量顺序；
图9以三维图示与图8相同的测量顺序；
图10示出一个测量顺序，其借助不同测量设备、更确切地说借助多个本发明测量设备和一个高精度颗粒计数器作为参考设备在厨房内被记录；
图11示出用于比较本发明设备与参考设备的相关度；
图12示出用于相互比较本发明设备的相关度；
图13示出三个PM级别、PM1、PM2.5和PM10的同时测量；
图14以百分比示出在直至10000小时的时间段中测得的发射二极管的劣化；
图15示出一种本发明测量系统，在该测量系统中附加地在系统内生成的无颗粒流体、尤其是干燥空气被导向光学元件。
具体实施方式
在图1中示意性示出“颗粒物”测量系统、简称PM测量系统。该系统主要包括光度测量的散射光单元1，其具有优选圆形的入口1a和优选圆形的出口1b。首先将光度测量的散射光单元除了入口1a和出口1b之外完全气密密封，这例如可通过用气密膜覆盖间隙和接缝来实现。此外，在该测量系统中不仅入口可借助入口阀2并且大多数情况下180度相对置的出口可借助出口阀3气密封闭。优选电磁阀适合于此，其可简单地通过微处理器来控制。但其它阀结构类型或截止系统也适合于此。在出口阀3和散射光单元的出口之间借助T形件接入所谓的零过滤器5。零过滤器在理想情况下从流体中过滤掉所有大于气体分子的颗粒，实际的零过滤器至少从流体中过滤掉所有大于0.2μm的颗粒。该零过滤器可通过电动泵单元6被加载以环境流体、尤其是环境空气。该子系统对于在测量1－2μg/m3的PM值时实现高精度是十分重要的。在阀打开时，吸气单元4、优选小型静音的轴流式风扇确保优选约1L/min的体积流量穿流散射光单元1。
本文所描述的、极精确的测量方法优选开始于自身测试，即，在实际测量之前检测环境温度、环境空气湿度、环境压力、测量元件温度和所谓的零校准。该系统测试需要大约30到60秒。在此借助高性能微型计算机询问优选四个测量传感器，所述传感器作为子系统连接在总系统中。此外，控制出口阀3来关闭抽气机4、优选静音轴流式风扇的入口。但也可使用小型真空泵。通过空气管路中的过压，以不含颗粒、优选不含大于0.2μm的颗粒的空气冲洗散射光单元。在此情况下，入口1a用作出口。在短暂的时间、优选20秒后，入口阀2也关闭。现在在散射光单元中没有大于0.2μm的颗粒。这种小于1μg/m3的低细颗粒物浓度现在用作零水平。在进一步说明测量方法和具体的信号处理之前，现在在下面说明光度测量系统。
光发射单元7用作散射光光度计1的基础，该光发射单元发出特定波长的光，如波长范围为250至900nm的激光或半导体二极管，但白光或闪烁光也适合于此。该光以如90°至135°之间的一定角度(参见图2、15)相对于光接收单元照射到含有颗粒的空气上。现在当如作为光束13射出的光碰撞到颗粒12表面上时，根据颗粒的表面、尺寸及其粗糙度、反射率、形状、直径等散射该光的一部分。借助光接收单元8现在可检测该散射光并将其转换成电信号并放大用于进一步处理。在光发射单元7之后并且在光接收单元8之前设有光学聚焦系统9和10。优选也可使用简单的透镜。作为光敏接收器8而大多使用光电二极管、光电晶体管或光电倍增管。在许多数字相机中使用的光敏CMOS芯片也适合于此。这一改进方法适用于所有方案，并且在该改进中优选使用廉价的光电二极管和光电晶体管。
在图3中示意性示出PM测量系统。该系统的核心是具有许多电输入端和输出端的高性能微处理器17。通过脉冲宽度调制、即PWM法生成用于光发射单元的、具有长度29和频率31的相应脉冲28并将其供应至散射光光度计1。借助快速A/D转换器、优选以1MHz采样率对最大振幅进行采样并且确定局部最大值并借助快速分类程序存储于缓存装置中。
为了提高在确定细颗粒物浓度时的精度，需要短的发送信号28(图4)或光脉冲(约10至300μs长、位置29)，其以高频率31(约0.1KHz至0.1MHz范围)被发出。作为替代方案，也能以高采样率对接收信号进行采样。此外，具有恒定体积流量的均匀流体流动是有利的。测量元件内常见的流体流量约为1L/min。测量单元中的流速被精确确定为1cm/s并且抽吸单元4的转速借助电位计被微调到目标值上。光敏接收单元8、在此情况下为廉价的光电晶体管现在根据颗粒12在发射时刻和在测量体积16中停留期间的散射14接收许多具有不同振幅的光脉冲。图5中的接收脉冲32、33、34、35不是矩形的，而是在不可精确预知的位置上具有局部最大值。但精确检测最大振幅对于精确测量细颗粒物质浓度是有利的。为此，在优选10μs至300μs长的发射时间内对接收到的散射光振幅进行多次、优选3－5次采样并且确定最大值、暂存该最大值并且根据大小分类。每单位时间的每一个脉冲给出关于包含在测量体积16内的所有颗粒(0.3μm至>10μm)的整体信息。基于自然的、不均匀的细颗粒物浓度，这些值显著变化。很容易理解，大颗粒、如10μm大的颗粒具有100倍于1μm小的颗粒的散射。但由于通常的细颗粒物质浓度与大颗粒成反比地包含大量小颗粒，因此在一定测量窗内总是检测到少量的大颗粒和通常大量的小颗粒的组合物。当例如选择1s的测量窗时，可在100Hz或300-500Hz的发射频率或采样频率下获得100个振幅值，这些振幅值在本方法中现在根据大小分类。图6示出常见的分类分布。在图6中可以看到平台、如36a和36b，其可用于确定分辨极限、零水平，例如在本示例中在第48个分类值处选择零水平，这大致相应于600mV的传感器偏移电压。这(即偏移电压和分类位置)被分配给一种细颗粒物浓度、如PM2.5-a作为零水平。与此同时可为第二平台、例如第二PM2.5-b分布的第67个分类值处分配零水平36b。例如每秒检测100个振幅值。通过对多个测量值求平均值可进一步提高PM2.5测量的精度。由于空间中自然的细颗粒分布是不均匀的并且在大多数情况下变化明显、即+/-1-5μg/m3，借助优选10个测量值的移动平均值计算PM2.5值是有利的。微处理器17控制优选具有3－4个数字的字母数字LED显示单元18，借助其显示当前测量值。此外，所述微处理器还控制发光二极管单元19，该发光二极管单元在临界细颗粒水平时控制不同的发光二极管并使它们发光。有利的是，具有绿、黄、红颜色的交通信号灯功能适合于此。在PM2.5值最高为24μg/m3时相应的LED发绿光，从25至49μg/m3相应的LED发黄光并且从50μg/m3起相应的LED发红光。
除了细颗粒物浓度外，微处理器也借助相应的传感器20、21、22确定重要的环境数据，如环境温度、环境压力和环境空气湿度。为了补偿温度波动、通常每摄氏度温差为2至4μg/m3，光度计单元1也借助温度传感器23精确检测温度。精度优选为0.1℃。通过对测量电子装置的温度变化过程的提前校准并确定温度系数，即使在很大的温度范围、如10-40℃内也可显著改善细颗粒物测量值的精度。由此可实现每摄氏度仅0.1μg/m3的小温度波动。这同样适用于压力对流体体积的影响以及湿度对颗粒物浓度测量的影响。借助特殊的程序和校准可补偿或至少大大减小压力波动或高空气湿度的不利影响。
微处理器17也控制重要的接口24、25、26、27。为了通信并且借助终端程序和各种软件命令来控制微处理器，优选使用USB接口24。借助附加的RS232接口25和相应的市售适配器也可实现LAN接口、WiFi接口或蓝牙用于其它通信。使用DAC数字/模拟转换器的另一输出端26用来控制设备、如风扇或室内空气净化器。借助特殊软件程序可对偏移值和DAC输出的斜率进行编程。这是有利的，因为可在相应临界值处例如自动激活室内空气净化器并在达到较低细颗粒物浓度时再次关闭室内空气净化器(省电模式)。此外，该系统还包括多通道模拟输入端27用于确定空气质量的其它参数。通过这些附加传感器，例如可同时测量和显示空气中的CO2浓度以及VOC(挥发性有机化合物)成分。
微处理器优选还包括RTC实时时钟用于在每次测量时、优选每秒存储一个时间标记。借助容量为数GB的微SD卡可在一个测量文件中存储该时间信号和所有测量值。这种存储容量足够用于进行数年的所有数据记录。
对于较大的细颗粒物浓度、如PM2.5优选选择例如约在第65个分类值处的平台并且对于高的PM10选择约第95个值处的值。该方法现在不仅可确定单个细颗粒物浓度、如仅PM2.5 37b，也可同时确定其它细颗粒物浓度或者说颗粒级别、如PM1.0 37a和PM10 37c并且这甚至在相同的测量窗中进行，如图7所示。现在围绕所选择的零偏移值、如第48个、第67个和第95个值通过加/减n个值、优选其左右1-5个值来计算振幅值的平均值，通过该措施可进一步提高精度。由于在PM10浓度中10μm颗粒的概率与1μm大的颗粒相比很小，因此对于该应用而言更好的是将待分类振幅的数量从优选100个提高一个数量级至约1000个。
在本方法中不仅可借助软件自由选择待确定PM级别的个数(1-3个)，而且也可借助软件命令来自由选择偏移值的位置。也可自由选择待分类测量值的数量。优选选择100、300、600、900和6000个值，这相应于1、3、6、9和60秒的测量窗。借助特殊软件命令可以在一个矩阵中输出每个测量窗的分类振幅分布。借助该矩阵可检验为零水平选择的参考值是否正确。必要时还可精调。
现在如果细颗粒物浓度升高，则该分类分布也相应向更高的振幅值移动(650mV至2500mV)，参见图8中的分布38a至38g。这些示例性列出的7个分布相应于0、20、44、70、109和158μg/m3水平的PM2.5。在借助不同密度、尺寸和形状的单分散校准颗粒的大量校准测试中记录、检测和分析大量分布。作为参考设备使用多个并行运行的高精度绝对气溶胶光谱仪、如Grimm公司的设备1.107、1.108和1.109。已表明，借助本创新方法可精确到1μg/m3以及在例如确定小于+/-5μg/m3(通常仅+/-2μg/m3)的PM2.5时的精度在6至60秒长的测量窗并且在小于100μg/m3的浓度下(参见图10，曲线40a至40d)相应于在厨房中的真实测量。对于更高的、大于100至10000μg/m3的浓度实现显著低于10％读数值的精度。在这些参考设备和第一样机之间的相关性测量显示相关因数R2 10>0.95，通常值是0.98或更多以上，参见图11。在非常精确的协调时在室内真实条件下甚至达到0.996(图11)。在多个设备之间的同时运行也在远高于R2>0.95(参见图12，其中R2>0.99)值时相关联。因此首次可表明，在真实条件下也可借助新型测量方法和成本低得多的测量技术来确定细颗粒物浓度。
如图13所示，在借助白云石颗粒的进一步校准测量中验证三个PM级别、PM1(43a)、PM2.5(43b)和PM10(43c)的同时测量。
实验室结果和真实条件下的测量非常有前景。为了使该测量方式保持长期稳定和稳健，应考虑光发射单元的劣化。在例如每秒100个光脉冲的情况下在每天运行8小时时产生至少2880000个脉冲。在图14中以百分比绘出发射二极管(45)在高达10000小时的时间段中测得的劣化。在10000小时后、即在1250天且每天8小时或在10800000000个脉冲后该劣化约为6％。该曲线可借助四阶多项式(46)很好地逼近。如果借助RTC实时时钟检测运行时间，则可在较长时间、约3.5年中很好地补偿该效果。但通常在此期间进行校准、最迟在一年(2500－3000小时且每天8小时)后。
光学元件(9)和(10)的污染构成对测量系统精度的另一影响。为了避免这点，在所述系统中光学元件由优选隙缝式喷嘴(48和49)加载以无颗粒的剪切流，图15。无颗粒流部分地由泵单元(6)连同下游的所谓零过滤器产生。该方法可靠地防止光学元件或透镜的污染，这是因为细颗粒不能逆着该流而移动。因此使光学元件可靠地保持为无颗粒。此外，光学元件(9)和(10)可设有由纳米颗粒制成的特殊防尘涂层。
Claims (19)
1.用于在使用颗粒物测量系统、尤其是细颗粒物测量系统的情况下尤其是同时地测量优选处于流动中的不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的方法，该颗粒物测量系统包括具有测量体积(16)的光度测量的散射光单元(1)，该散射光单元(1)具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号(13)的光发射器(7)和至少一个以至少一个角度(15)设置的光敏的接收系统(8)，该接收系统接收构成颗粒物浓度的颗粒(12)的散射光(14)，其特征在于，将所述具有测量体积(16)的散射光单元(1)除了至少一个流体入口(1a)和/或至少一个流体出口(1b)之外气密密封，所述至少一个流体入口和/或所述至少一个流体出口设有截止装置(2、3)，其中，将散射光单元(1)以测量体积(16)加载以待检测流体的样本，并且记录可预规定的第一数目的测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了校准散射光单元，在可截止的流体入口(1a、2)或在可截止的流体出口(1b、3)处，将通过泵单元(6)输送的、借助穿流过的零过滤器(5)过滤的、几乎无颗粒的流体引入测量体积(16)中，并且记录可预规定的第一数目的测量值，将这些测量值作为零水平存储。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，手动或自动地借助第一截止装置(2)截止流体入口(1a)并且借助第二截止装置(3)截止流体出口(1b)，并且在完全气密密封的散射光单元(1)中产生几乎无颗粒的流体流动和/或记录可预规定的第一数目的测量值，将这些测量值作为零水平存储。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，打开第一和/或第二截止装置，为测量体积(16)加载待检测流体，关闭第一和/或第二截止装置并且在完全气密密封的散射光单元(1)中产生待检测流体的流动和/或记录可预规定的第一数目的测量值。
5.根据权利要求1至4之中的一个或多个所述的方法，其特征在于，在使用抽吸单元(4)或泵单元(6)的情况下，使待检测流体以尽可能恒定的流速穿流散射光单元(1)。
6.根据权利要求1至5之中的一个或多个所述的方法，其特征在于，借助微处理器(17)控制所述散射光单元(1)和一个或多个子系统(2、3、4、6、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27)，分析和再处理光接收单元(8)的相应测量数据和构成部分子系统的其它传感器(20、21、22、23)的相应测量数据，并且借助显示单元(18、19)显示所述分析和/或所述再处理的结果。
7.根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，尤其是借助微处理器(17)控制所述光发射单元(7)，并且可根据脉冲宽度(29)、脉冲高度(30)和脉冲频率(31)自由选择和调节地产生光脉冲(28)。
8.根据上述权利要求至少之一所述的方法，其特征在于，在第一数目的测量值中，将测量值根据它们的大小分类、尤其是按升序从最小测量值到最大测量值分类。
9.用于在使用光学的散射光颗粒物测量系统的情况下测量颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的方法，该散射光颗粒物测量系统包括具有测量体积(16)的光度测量的散射光单元(1)，所述散射光单元(1)具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号(13)的光发射单元(7)和以至少一个角度(15)设置的光敏的接收系统(8)，该接收系统接收在测量体积(16)中构成颗粒物浓度的颗粒(12)的散射光(14)，其中，检测光接收单元(8)的信号(32、33、34、35)，其特征在于，在第一数目的检测到的信号中将相配的测量值根据它们的大小分类、尤其是按升序从最小测量值到最大测量值分类。
10.根据上述权利要求1至9之中的一个或多个所述的用于测量颗粒物浓度的方法，其特征在于，由可预规定的第二数目的信号测量值获得一个特征值、尤其是最大值或平均值(32、33、34、35)，并且将该特征值用作第一数目的测量值之中的测量值之一。
11.根据上述权利要求1至10至少之一所述的方法，其特征在于，组合在至少一个可自由选择的、尤其是可通过软件调节的测量窗内的第一数目的测量值的分类的测量值中的至少一部分和/或将该至少一部分分配给相应的颗粒物浓度(38a至38g，图8)。
12.根据上述权利要求1至11至少之一所述的方法，其特征在于，在颗粒物浓度接近0μg/m3、优选小于1μg/m3时检测第一数目的测量值，并且为一个PM值(36a、36b)、两个相同的PM值(图6中的36a、36b)和/或多个不同的PM值(图7中的37a、37b、37c)如PM1、PM2.5、PM10存储分类的第一数目的测量值的至少一部分(36a、36b)作为零水平并且由此执行对颗粒物测量系统、尤其是细颗粒物测量系统的零校准。
13.根据上述权利要求1至12至少之一所述的方法，其特征在于，在不同的颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度中，可借助单分散颗粒分布和/或真实颗粒分布来校准颗粒物测量系统，并且尤其是为每个PM值单独存储新的校准值，如零水平、校准曲线参数和重力测量因数。
14.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助零水平测量来确定散射光单元的劣化并且相应校正细颗粒物测量值(图14)。
15.根据权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，为了保护光学系统(9、10)、尤其是聚焦系统，由喷嘴(48、49)向光学元件(47)吹出无颗粒的流体。
16.用于尤其是同时测量和显示优选处于包括至少两个相的流动中的不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的装置，该装置包括尤其是脉冲的光度测量的散射光单元(1)，该散射光单元具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号(13)的光发射单元(7)和至少一个以一个或多个角度(15)设置的光敏的接收系统(8)，该接收系统接收颗粒(12)的散射光(14)，其特征在于，具有测量体积(16)的散射光单元(1)除了流体入口(1a)和流体出口(1b)之外被气密密封，并且具有测量体积(16)的散射光单元(1)借助流体入口(1a)和流体出口(1b)可手动或自动地借助截止单元(2、3)截止。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，在光发射单元(7)之后和光接收单元(8)之前设有光学聚焦系统(9、10)，借助所述光学聚焦系统可扩展和/或准直或聚焦光束，并且与光发射单元(7)相对置地设置光学贮槽(11)，该光学贮槽吸收未散射的光。
18.根据权利要求16和17至少之一所述的装置，其特征在于，为了发射(7)光信号而使用激光、半导体二极管、白光和/或闪烁光，和/或为了接收(8)散射光(14、10)而使用光电二极管、光电晶体管、光电倍增管和/或光敏CMOS芯片。
19.用于尤其是同时地测量和显示优选处于包括至少两个相的流动中的不同颗粒物浓度、尤其是细颗粒物浓度的装置，该装置包括尤其是脉冲的光度测量的散射光单元(1)，该散射光单元具有至少一个发射尤其是脉冲的光信号(13)的光发射单元(7)和至少一个以一个或多个角度(15)设置的光敏的接收系统(8)，该接收系统接收颗粒(12)的散射光(14)，其特征在于，所述装置包括控制和分析单元，所述控制和分析单元构造用于重复记录可预规定的第一数目的测量值并且将第一数目的测量值之中的记录的测量值根据它们的大小分类、尤其是按升序从最小测量值到最大测量值分类。
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