CN111587370A - 便携式空气采样器 - Google Patents

Abstract

一种对空气进行采样的空气采样装置及空气采样方法。该装置具有壳体本体和用于取样装置的保持组件。集气室具有围绕开口联接至壳体本体的顶端，使得集气室与开口流动连通，并且大致沿着纵向长度接收大致从顶端到底端的空气流。流动连接部联接至集气室的底端。质量流量计具有联接至流动连接部的输入部，并且经由流动连接部与集气室流动连通。鼓风机配置成抽吸空气通过采样装置、开口和集气室，使得空气的测量部分流过流动连接部和质量流量计，质量流量计测量测量部分的流速。

Description

便携式空气采样器

相关的申请

这是提交于2016年8月22日的第15/243,403号美国申请的部分延续案，第15/243,403号美国申请是提交于2016年8月15日的第29/574,405号美国外观设计申请的部分延续案，并要求提交于2016年8月15日的第62/375,274号临时申请的优先权。本申请还要求提交于2018年02月07日的第62/627,502号临时申请的优先权。这些申请的整体内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于收集和分析受控的室内环境中的空气样本的装置和方法。具体地，本发明涉及用于收集、处理和分析洁净室中的空气样本以及远程监测、记录和控制采样装置的装置和方法。

背景技术

在制造设施、研究设施和其它设施中建立的诸如带罩盖的区域和洁净室的受控环境(统称为“洁净室”)通常基于相对于大气压力的室内静态空气压力和/或基于邻近洁净室的空间中的空气压力分成两大类。正空气压力室保持在绝对空气压力处，该绝对空气压力大于大气压力、大于邻近洁净室的空间中的空气压力或大于大气压力和邻近洁净室的空间中的空气压力两者。这种室中的正空气压力通过将经过滤和/或调节的空气泵送至室内并且控制空气流出该室来提供。可为制造设施或办公室的邻近空间通常通过加热、通风和空调(heating,ventilation,and air conditioning，HVAC)系统或者通过向环境提供允许邻近空间与大气压力平衡的开口来保持在大气压力处或接近于大气压力。因而，从正压洁净室流出的空气会朝向邻近室或大气中的较低压力流动。

当正空气压力洁净室被破坏时，只要存在于洁净室中的空气污染物不对邻近空间中的人造成潜在的不利健康影响，流向邻近空间或大气的空气通常不是问题。通常，在其中制造或进行电子、航空航天硬件、光学系统、军事装备和国防相关研究的洁净室内的空气可能不包括浓度对人类健康或环境存在安全或健康影响的空气传播的气体、蒸气和颗粒物质。然而，并不总是这样，由于那些工业中的其它操作可产生高于可接受水平的污染物，并且因此，必须防止其在没有处理的情况下逸出洁净室。

负空气压力室保持在绝对空气压力处，该绝对空气压力小于大气压力、小于邻近洁净室的空间中的空气压力或小于大气压力和邻近洁净室的空间中的空气压力两者。通过以比经过滤和/或经调节的空气被泵送到室中更快的速率将空气泵送出该室来保持负压。当担心室内空气中的污染物可能对邻近空间或环境中的人类健康造成潜在的健康威胁时，经常使用负压室。

尽管对人类健康和环境有影响，某些类型的制造和研究操作必须在正空气压力洁净室内进行，以满足法规要求和工业采用的良好制造和实验室质量控制标准。例如，州和联邦法规，包括由国家职业安全与健康研究所(National Institute for OccupationalSafety and Health，NIOSH)颁布的法规，可能必须使用正压洁净室或负压洁净室。

具体地，美国食品和药物管理局(the U.S.Food&Drug Administration，FDA)要求在洁净室的范围内进行药物生产，洁净室为在卫生环境中生产所制造批次的药品提供验证和认证。

各种FDA规章(Regulation)和标准还规定了在洁净室内使用的空气采样和/或空气监测设备的要求，以在某些药物生产活动期间证明或验证设施的清洁度。规章还规定了与监测洁净室内空气质量有关的电子数据记录、准确性、精度和记录保存。对其它行业，诸如生物技术行业，也有类似的要求。

许多专利和公开的申请教导了用于在洁净室中进行空气采样和监测以及用于从中央位置监测和控制一个或多个空气采样装置的系统，例如第9285,792号、第9063040号、第9046453号美国专利和第2016/0061796号美国专利公开。

另外，受让人Veltek Associates公司提供了图8中所示的便携式采样装置。如图所示，空气通过气门室50吸入，穿过琼脂培养基板52，并通过气门室支架底部的开口54。在穿过孔54之后，空气抽吸通过大风扇56并通过穿过电子器件的单元本体排出并从底部58排出。该装置配置成以与期望的流动速率成比例的恒定的风扇速度运行。

发明内容

空气采样装置对受控环境中的空气采样。该装置包括具有顶部和侧部的壳体本体。开口定位在壳体本体的顶部。保持组件保持采样装置和气门室(atrium)。保持组件围绕开口定位在壳体本体的顶部。集气室具有顶端和底端，其中，顶端围绕开口联接至壳体本体的顶部，使得集气室与开口流动连通。质量流量计具有输入部和输出部，其中，输入部联接至集气室的底端并且与集气室的底端流动连通。鼓风机定位在集气室内部，并配置成抽吸空气经过采样装置、通过开口、通过集气室并通过质量流量计。质量流量计检测通过质量流量计的空气的流动速率。并且，控制器从质量流量计接收检测到的流动速率，并响应于检测到的流动速率控制鼓风机的速度。如果检测到的流动速率低于期望的流动速率，则控制器增大鼓风机的速度，以及如果检测到的流动速率高于期望的流动速率，则控制器减小鼓风机的速度。

一种用于采样空气的空气采样装置，包括：具有顶部、侧部和顶部处的开口的壳体本体；保持组件，配置成保持采样装置，其中，保持组件可围绕开口定位在壳体本体的顶部；集气室，具有顶端、底端和限定在顶端与底端之间的纵向长度，其中顶端可围绕开口联接至壳体主体，使得集气室与开口流体连通，以及集气室可配置成大致沿着纵向长度接收大致从顶端到底端的空气流；流动连接部，可联接至集气室的底端；质量流量计，其具有输入部和输出部，其中输入部可联接至流动连接部，以及质量流量计可经由流动连接部与集气室流动连通；以及与集气室相关联的鼓风机。鼓风机可配置成抽吸空气经过采样装置、通过开口、通过集气室，使得集气室中的空气的测量部分流过流动连接部并流过质量流量计，其中质量流量计配置成测量通过流动连接部抽吸的空气的测量部分的流速。

一种用于采样空气的方法，包括以下步骤：将空气抽吸穿过位于壳体本体外部的介质板并通过壳体本体内部的集气室；将集气室中的空气的测量部分转移至质量流量计，其中空气的测量部分与集气室中的空气成比例；以及在质量流量计处测量空气的测量部分的检测流速。该方法还可包括以下步骤：将检测到的空气的测量部分的流速与期望的流速进行比较；基于检测到的流速和期望的流速之间的比较来控制通过集气室的空气流的速度；如果低于期望的流速，则增大检测到的流速的空气流的速度，或者，如果高于期望的流速，则减小检测到的流速的空气流的速度。在某些实施方式中，流动连接部可联接至集气室，该集气室将空气的测量部分转向质量流量计；和/或该方法还可包括通过壳体主体中远离流动连接部的排气部来排出空气的步骤。

当参考结合附图的以下的描述时，本发明的这些和其它目的，以及其许多预期有益效果将变得更加容易地显而易见。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，因为本发明及其许多附带优点变得更好理解，因此将更容易获得对它们更全面的理解，在附图中：

图1是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的底部立体外视图；

图2是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的内部剖视图；

图3A是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的上腔室的内部剖视图，示出了空气进入该装置；

图3B是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的上腔室的内部剖视图，示出了空气撞击介质板；

图3C是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的上腔室的内部剖视图，示出了空气移动经过风扇、质量流量计以及通过通风槽退出该装置；

图3D是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的上腔室的内部剖视图，示出了空气移动经过风扇、质量流量计以及通过排气口退出该装置；

图4A是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的顶部的外部立体图；

图4B是本发明的示例性实施方式，示出了空气采样装置的分解的顶部外部立体图；

图5是保持组件的分解图；

图6A是该装置的顶视图，示出了处于内部位置的气门室和介质板保持组件；

图6B是该装置的顶视图，示出了处于外部位置的气门室和介质板保持组件；

图7A示出处于竖直位置并安装在三脚架上的装置；

图7B示出处于水平位置并安装在三脚架上的装置；

图8是传统采样装置；

图9是本发明的另一示例性实施方式，示出了空气采样装置的内部剖视图；以及

图10是图9所示的空气采样装置的上腔室的内部剖视图，示出了空气进入该装置，撞击在介质板上，移动通过集气室并通过风扇经由流动连接部到达质量流量计，并通过排气部离开该装置。

具体实施方式

在描述附图中所示的本发明的优选实施方式时，为了清楚起见，将采用特定术语。然而，本发明并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应理解，每个特定术语均包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。出于说明性目的描述了本发明的若干优选实施方式，应理解，本发明可以以未在附图中具体示出的其它形式实施。

图1至图2示出本发明的空气采样装置100的示例性实施方式。装置100是便携式的，因此其可携带并放置在受控环境内的各个位置。如本文中所使用的，“空气”一般是指任何和所有气体、蒸气和颗粒，并不旨在将本发明限制于特定类型。空气采样装置100特别适用于测试洁净室中的微观颗粒。装置100通常包括采样器壳体单元和主体或壳体102。采样器壳体单元110可以是任何合适的装置，诸如盖子。在所示实施方式中是可灭菌微生物气门室(Sterilizable Microbial Atrium,SMA)110，该可灭菌微生物气门室(SMA)110覆盖介质板114，该介质板114对空气流中的颗粒进行采样并且可高压灭菌或以其它方式灭菌。气门室110保护介质板114，但允许空气流过气门室110以接触介质板114。气门室110可通过热量或蒸气灭菌，并且可高压灭菌。采样装置100配置成用于清洁诸如洁净室的环境。

壳体102通常为圆柱形，并且具有上本体120和下本体130。如图2中最佳所示，上本体120限定容纳鼓风机组件500的上内部空间210或上腔室210，以及下本体130限定容纳某些电子部件300的下内部空间或下腔室250。壁125或隔板125将上腔室210与下腔室250分离开。整个主壳体102是单个集成构件。可提供把手80(图2)以便携带便携式装置100。如图所示，把手80可从上壳体本体120的底部连接至下壳体本体130的底部。

上腔室210和下腔室250

上腔室210具有顶部212(图4A、图4B)、前部(图4A、图4B)、后部(图1)以及连接前部和后部的相对侧部。如图4A、图4B中最佳所示，上腔室210的顶部212可拆卸地联接至气门室110。返回图1、图2，长型通风槽121和支架122位于上腔室210的后部。支架122是接收螺钉以将支架122紧固至上腔室210的长型构件。支架122可以是长型的并且配置成允许装置100在处于基本水平位置时保持水平，以及防止装置100无意地滚动或倾斜到一侧。另外，可在装置100的后部设置诸如开口的紧固机构，该紧固机构配置成与三脚架(图7B)配合以允许空气采样装置100以水平配置站立。紧固机构可以是与三脚架的螺钉螺纹配合的螺纹开口。

下腔室250具有控制器访问面板131、多个竖直支承件132和竖直三脚架接收器133(图7A)。访问面板131提供对控制器的访问，并且还可提供用于USB槽和/或电池的访问点。多个竖直支承件132沿着空气采样装置100的底部设置，使得其在独立站立时是稳定的。竖直支承件132可涂覆有如橡胶或类似合成聚合物的高摩擦材料，以呈现空气采样装置100沿着表面滑动。竖直三脚架接收器133配置成与三脚架(未示出)配合以允许空气采样装置100以竖直配置站立。在某些实施方式中，竖直三脚架接收器133具有螺纹，使得其将拧入三脚架中。因此，装置100可竖直地位于支承件132上或者通过接收器133拧到三脚架上。装置100还可水平地位于支架122上或者通过螺纹接收器拧到三脚架上。

保持组件400

转到图4B，接收组件400或保持组件400设置在上腔室的顶部212处(其也是采样装置100的顶部)。保持组件400安装至顶部212的凹陷部分，该凹陷部分具有侧壁218和底部。侧壁218中形成有一个或多个突出部113。如图5中最佳所示，保持组件400示出为具有中心固定构件430、顶板或盘状件420和底部或底板402以及一个或多个夹具410。

底板402具有一个或多个弯曲的长型凹槽或底部通道406，该长型凹槽或底部通道406形成为底板402中的狭槽。底板402固定在壳体102的顶部212处。顶板420具有一个或多个弯曲的长型凹槽或顶部通道422，该长型凹槽或顶部通道422形成为顶板420中的狭槽。顶板420可相对于底板402旋转，其中，底板402保持固定至壳体102。可在顶板420的顶表面上设置一个或多个把手426。把手426从顶板420的顶表面向上延伸，使得用户可抓握或推动把手426中的一个或多个(在图5的实施方式中为两个)以旋转顶板420。顶部通道422中的每个均与底部通道406中的相应一个对准和重叠；然而，如图6A中最佳所示，顶部通道422相对于底部通道406在定向上翻转，以形成Longworth卡盘配置。通道406、通道422各自是弯曲的弧，它们一起形成螺旋状形状。可选地，可在夹具410上设置小的塑料缓冲器或硅缓冲器，这些缓冲器夹持琼脂板114，使得板114被压缩在夹具410之间。即使当装置100水平或倒置时，压缩也将琼脂板114保持在适当的位置。

夹具410位于相应的顶部通道422和底部通道406中的每个中。夹具410具有底部和垂直于底部形成的侧部，以大致形成L形。栓钉或支承构件412从夹具410的底部向外延伸。支承件412具有颈部和形成倒T形的头部，其中，颈部基本上垂直于夹具410的底部延伸，以及头部基本上垂直于颈部并平行于夹具410的底部。支承件412的颈部延伸通过顶部通道422并通过底部通道406。支承件412的头部较宽并且位于底部通道406的底侧。这将顶板420锁定至底板402，并且还将每个夹具410锁定至壳体102和相应的一对底部通道406和顶部通道422。然而，应注意，支承构件412的头部不必位于底板402的相对侧部且不必锁定板402、板420。替代地，支承构件412的头部可刚好接收在底部通道406中而不延伸通过底部通道406，使得头部可在底部通道406内滑动。

如图所示，底部通道406和顶部通道422从中心稍微向外延伸，使得当夹具410在通道406、通道422内向左/向右滑动时，夹具410朝向和远离中心移动。每个通道406、通道402均具有最内位置(最靠近中心开口119)和最外位置(离中心开口119最远)。随着夹具410在通道406、通道422中移动，夹具410继续面向相同的方向。即，夹具410的侧部面向中心并且与中心开口119基本上同心(或平行)。当顶板420旋转时，所有夹具410在它们各自的通道内一起同时移动且与中心开口119等距离。这为夹具410提供了期望的最小直径和最大直径。参照图6A，示出了内部位置处的夹具410，其中，夹具410位于相应通道406、通道422的最内位置。在图6B中，示出了外部位置处的夹具410，其中，夹具410位于相应通道406、通道422的最外位置。通过使顶板420相对于底板402旋转，夹具410在内部位置与外部位置之间移动。在一个实施方式中，内部位置可提供85mm的直径，以及外部位置可提供约100mm的直径，这是介质板的常见尺寸。

固定构件430具有颈部432、宽头部434，并且是环形的以形成中心开口436。底板402和顶板420各自具有相应的中心开口404、中心开口424。板402、板420是圆形的，并与中心开口404、中心开口424形成圆环形状。底部中心开口404可具有内螺纹。固定构件430的颈部432可具有外螺纹，以与螺纹中心底部开口404配合。

颈部432延伸通过顶板中心开口424并且与底板中心开口404螺纹接合，从而将顶板420锁定至底板402，但是允许顶板420相对于底板402旋转。然而，固定构件430充分压缩顶板420与底板402之间的支承构件412的头部，以提供足够的摩擦力，使得夹具410保持在由用户设定的位置，并夹持琼脂板114而不会在通道406、通道422中无意滑动，从而锁定在适当位置。固定构件430可弯曲成符合人体工程学并且向内逐渐变细，以促进空气流入中心开口119中，其中，该中心开口119延伸穿过固定构件中心开口436、顶板中心开口424和底板中心开口404。

如图4B中进一步所示，提供诸如陪替氏培养皿或琼脂介质板114的测试或采样装置，其中，该测试或采样装置具有包含在其中的测试介质。介质板114放置在夹具410的底部。夹具410将介质板114保持在适当的位置。夹具410在凹槽406、凹槽422中滑入/滑出，使得盘状件114贴合地配合在夹具410之间，并且不会无意地从夹具410中脱离，例如当装置100水平转动时。介质板114可例如包括琼脂介质，该琼脂介质设计成捕捉进入装置100的空气中的颗粒。然后可对捕获的颗粒进行分析。

因而，可调节的夹具410配置成沿气门室110的基部的直径向内和向外滑动，以容纳不同直径的琼脂介质板114。一旦直径调节成与琼脂介质板114的直径相匹配，则可调节的夹具410的栓钉414可从解锁位置移动至锁定位置，从而固定琼脂介质板114。栓钉414定位成使得它们抓住琼脂介质板114的外边缘。栓钉414各自具有小角度，当栓钉414位于板的大致直径处时，该角度产生抵靠琼脂介质板114的壁的向内的力，从而固定琼脂介质板114。因而，介质板114压配合至夹具中并由栓钉414保持。

气门室110

参见图2、图4A、图4B，气门室110可拆卸地联接至采样装置100的顶部212，并且与上腔室210直接空气连通。气门室110具有盖板111，该盖板111具有平坦的顶部和比夹具410宽的、向下延伸的侧部。盖板111的顶部中形成有多个开口112。参照图4B，盖板111的侧部中形成有一个或多个锁定槽或锁定通道112。锁定通道112中的每个均与接收部分216的侧壁218上的相应突出部113对准。锁定通道112具有竖直部分和水平部分。

为了将气门室110附接至壳体102，用户将气门室110放置在介质板114的顶部上，使得突出部113进入锁定通道112的竖直部分。一旦突出部完全地接收在锁定通道112的竖直部分中，则用户可旋转气门室110，使得突出部113进入锁定通道112的水平部分，从而将气门室110可拆卸地锁定至主壳体102(图4A)。整个装置100可水平放置，以及气门室110将继续固定至主壳体102的顶部212。用户可通过扭转气门室110并向外拉动来移除气门室110，使得突出部沿着水平部分滑出，然后从锁定通道112的竖直部分拉出。

鼓风机组件500

参照图2，鼓风机组件500设置在空气采样装置100的上腔室210中。鼓风机组件500具有鼓风机壳体502和风扇504。鼓风机壳体502是输送空气的集气室。集气室502具有至少一个壁，并且在图2的实施方式中集气室502是具有两个开口端的管形式的圆柱形。鼓风机壳体502可以是单个集成装置，或者是通过凸缘503、凸缘505联接在一起的多个分离的分立壳体，其中，凸缘503、凸缘505在每个相应壳体的端部处向外延伸。因而，如图所示，第一壳体的顶部凸缘503可联接至壳体102的顶部112，以及第一壳体的底部凸缘503可联接至第二壳体的顶部凸缘505。第二壳体的底部凸缘505可联接至质量流量检测器或检测器适配器。可选地，可在凸缘503、凸缘505与相应的连接件之间设置垫片，以在它们之间提供气密密封，使得空气不会从集气室502泄漏出来。因而，集气室502具有顶端和与顶端相对的底端。集气室502的顶端围绕中心开口119联接至壳体102的顶部，使得集气室502与保持组件400和气门室110空气连通。集气室502的尺寸与中心开口119的尺寸基本相同，并且可能略大。因而，风扇504经由中心开口119吸引空气直接通过气门室110和保持组件400。

风扇504定位在集气室502内。风扇504具有中心支承杆和风扇叶片506。中心杆具有纵向轴线，该纵向轴线基本上平行于采样装置100的纵向轴线延伸。风扇叶片506从中心杆向外延伸，并配置成通过集气室502向下抽吸空气(在图2的实施方式中，当采样装置100竖直站立或竖立时)。上腔室210的尺寸和形状设计为容纳和匹配标准尺寸和形状的琼脂介质板114，以及底部腔室250中的电子部件。

因而，鼓风机组件500是长型的，并且具有与采样装置100的纵向轴线平行的纵向轴线。因此，当采样装置100是竖直的时(图7A)，鼓风机组件500(包括风扇504和集气室502)的纵向轴线是竖直的，而当采样装置100是水平的时(图7B)，鼓风机组件500的纵向轴线是水平的。集气室502和风扇504可小于介质板114，以产生通过气门室111的空气流，这为介质板114提供可靠的测试结果。如图所示，集气室502和风扇504可以是介质板114尺寸的大约一半，并且相对于介质板114居中定位。

参照图9和图10，图中示出了根据本发明的另一示例性实施方式的可替代鼓风机组件500’。该实施方式的鼓风机组件500’类似于上述实施方式的鼓风机组件500，不同之处在于增加了流动连接部900以将鼓风机组件500’连接至质量流量计600’，使得质量流量计600’经由流动连接部900与鼓风机组件500’流动连通。鼓风机组件500’具有集气室502’和与集气室502’相关联的鼓风机或风扇504’。与上述实施方式的集气室502类似，该实施方式的集气室502’可以是一个单独的整体装置或联接在一起的多个分开的分离的壳体。集气室502’可具有顶端503’、底端505’和限定在它们之间的纵向侧或长度507’。纵向长度507’优选地大致平行于采样装置100的纵向轴线。这样，当采样装置100是竖直的时候，集气室502’的纵向长度507’可以是竖直的，或当采样装置100是水平的时，集气室502’的纵向长度507’可以是水平的。可以具有凸缘的顶端503’可联接至壳体102的顶部112，以及可具有凸缘的底端505’可经由流动连接部900联接至质量流量计。集气室502’配置成通过其顶端503’并大致沿其纵向长度507’从保持组件400和气门室110接收空气。风扇504’可以在集气室502’的内部操作，以经由中心开口119将空气直接抽吸通过气门室110和保持组件400。

流动连接部900优选地是布置在集气室502’和质量流量计600’之间的导管。流动连接部900具有中心开口并且是气密的，并且例如可以是柔性塑料管或压力通风系统。流动连接部900可具有任何形状，例如圆形或正方形，尽管优选地具有圆形横截面和圆形中心开口。流动连接部900配置成使流经鼓风机组件500’的空气的一部分或百分比，即空气的测量部分转向，以由质量流量计600’测量。空气的测量部分与流过鼓风机组件500’的空气成比例。通过集气室的总流量与流动连接部900的横截面积与集气室端部505的横截面积之间的横截面积之比成比例，在集气室端部505的横截面积即为在流动连接部900端部处或在流动连接部900与集气室502连接或相对于集气室502定位的任何位置处的集气室502的横截面积。来自质量流量计的输出是与通过流量计的流量成比例的电压，该电压电子地转换为数字值，并缩放为用于显示的期望单元。

流动连接部900通常具有适于与集气室502’的底端505’联接的接收端902、适于与质量流量计600’联接的相对的出口端904、以及位于其间的导管体906。接收端902可安装在集气室的底端505’中的孔周围或延伸穿过该孔，例如，以将流动连接部900连接至其上，使得集气室502’与导管体906流体(即，流动)连通。导管体906可成形为例如大致U形，使得接收端902和出口端904在壳体本体中大致处于相同高度，也就是说，这些端大致相对于横向于集气室502’的纵向长度507’的轴线对齐。出口端904也可安装到集气室502’的底端505’，使得出口端904与集气室502’相邻并且远离通气口，即不靠近或邻近壳体中的通气口121。在优选实施方式中，导管体906的至少一部分908在集气室的底端505’下方沿大致平行于集气室502’的纵向长度507’的方向延伸。可替代地，出口端904可位于通气口121附近。

流动连接部900是长型的，并具有纵轴线。在本发明的一个非限制性实施方式中，在接收端902处的纵向轴线可基本上平行于集气室502’的纵向轴线。以这种方式，并且如图10最佳所示，在底端505’处离开集气室502’的空气流的至少部分在没有任何阻碍的情况下继续直接进入流动连接部900的中心开口，以及离开集气室502’的剩余空气流通过通气口121或端口继续排出，和以前一样。这使得流动连接部900能够获得通过集气室502’的流速的真实可靠的读数。如果需要将质量流量计600’装配在上腔室210的内部空间中，流动连接部900可具有弯曲部。尽管所示的流动连接部900具有U形，但是可设置任何合适的形状，包括主体906是直的而没有任何弯曲部。另外，在一个实施方式中，流动连接部900可定位在正好在集气室502’的底端505’的下边缘处的集气室502’的外周边处(即，正好在集气室502’的侧壁内)。然而，流动连接部900可位于集气室502’的开口处的任何合适的位置，包括例如在集气室502’的内部或更靠近集气室502’的中心插入。另外，尽管仅示出了单个流动连接部900和质量流量计600’，但是可设置多于一个的流动连接部900和/或质量流量计600’。

质量流量计600

质量流量计600也定位在上腔室210中，并且直接位于鼓风机组件500的正下方。质量流量计在顶端具有输入部602，在底端具有输出部604。输入部602联接至集气室502的底部开口端并且与集气室502无阻碍地空气连通。因而，质量流量计600直接接收穿行通过集气室502的空气流。如果集气室502的底端大于质量流量计600的输入部602，则可选地，如图所示，可提供适配器603以保持集气室502的底部与质量流的输入部602之间的气密密封。

质量流量计600测量通过气门室110进入采样装置100、撞击介质板114、通过集气室502并进入输入部602的空气流的速率。一旦空气离开质量流量计600的输出部604，其就进入上腔室210并经由壳体102中的通气口121离开。

如图所示，上腔室210包括操作员显示器和/或控制面板302、鼓风机组件500和质量流量计600。控制面板302是电子触摸显示器，其使用户能够控制采样装置100的操作。控制面板302附接至壳体102，并且可选地例如延伸至上腔室210中。然而，控制面板302与壳体102形成气密密封和/或液密密封，使得空气不会从上腔室210泄漏出来。

参照图9和图10，图中示出了根据本发明另一示例性实施方式的替代质量流量计600’。质量流量计600’联接至流动连接部900的出口端904，并且可位于上腔室210中的任何位置。在一个优选实施方式中，质量流量计600’靠近或邻近集气室502’设置，并且远离该装置的通气口121，即不靠近或邻近该装置的通气口121。可替代地，质量流量计600’可以位于通气口121附近。质量流量计600’具有输入部602’和输出部604’。输入部602’配置为联接至流动连接部900的出口端904，从而提供与集气室502’的流动连通。因而，空气流过集气室502’，然后流过流动连接部900，并流入质量流量计600’的输入部602’。

与上述实施方式的质量流量计600类似，质量流量计600’测量空气流速。在该实施方式中，质量流量计600’测量通过流动连接部900的空气的被测量部分的流速。因为所测量的空气部分与通过该装置的空气成比例，即与进入气门室110、撞击介质板114、通过集气室502’的空气成比例，因而由质量流量计600’所检测的空气测量部分的流速表示通过采样装置100的空气流速。在本发明的一个非限制性实施方式中，质量流量计的输出是与通过流量计的流量成比例的电压。该电压电子地转换为数字值，并缩放为用于显示的期望单元。一旦空气的测量部分离开质量流量计600’的输出部604’，该空气的测量部分就进入上腔室210，并通过壳体102中的通气口121离开。

电子部件组件300

所有其它电子部件300(除了控制面板302、鼓风机组件500和质量流量计600之外)均包括在下腔室250中。这为采样装置100提供了稳定性并且减小了采样装置100的宽度/直径。电子部件组件300可包括例如控制器304、电源(电池)和电机306。在某些实施方式中，控制器可以是计算机或诸如处理器或ASIC的处理装置。控制器304操作风扇504、质量流量计600和控制面板302。控制器304从控制面板302接收操作员控制信号，诸如开始和停止测试、设置测试参数(时间，流动速率等)。控制器304还在控制面板302上显示关于采样装置100的操作的信息，诸如流动速率、测试时间和剩余测试时间。控制器304还可通过硬线或无线方式与远程装置(诸如其它采样装置100中的控制器304或个人计算机、网络或智能电话)通信。

因而，控制器304运行空气采样装置100的风扇504和质量流量计600。当采样过程开始时，系统尝试产生期望的流动速率。质量流量计600将通过系统的瞬时流动速率不断地报告给控制器304。控制器304评估测量到的流动速率是否等于所期望的流动速率(通常为1cfm)。所期望的流动速率与测量到的流动速率之间的差异称为误差。如果所期望的流动速率大于测量到的流动速率，则控制器304将增大风扇504旋转的频率以产生更高的流动速率。如果所期望的流动速率小于测量到的流动速率，则控制器304将减小风扇504旋转的频率以产生较小的流动速率。该过程可连续地重复(每秒多次或不间断地)或以规定间隔重复。评估系统输出和修改系统输入的过程提供了闭环控制。控制器304使用比例-积分-微分(“PID”)控制算法来最小化和保持低系统误差。空气采样装置100优选地使用该控制方法，从而基于瞬时流动速率来调节风扇速度。因此，控制器304基于由质量流量计600提供的实时反馈，实时控制风扇504的速度而没有延迟或人工交互。

在一个示例性实施方式中，控制器304可使用IEEE 802.3(有线)、IEEE 802.11(无线)和IEEE 802.15.4(用于蓝牙的无线)物理和数据链路标准经由TCP/IP网络网络化并连接至因特网。在替代实施方式，控制器304可通过网络远程地接收和发送命令。通过网络，可使用诸如处理装置(智能电话、计算机等)的网络化装置和应用来远程地监视和控制空气采样装置100。空气采样装置100还可将事件历史导出至可移动USB闪存驱动器。闪存驱动器和USB连接端子可通过控制器访问面板131(图1)进行访问，该控制器访问面板131是平坦的并将装置100支承在水平位置。事件历史包括采样事件、校准事件和管理事件。在一个实施方式中，装置100可与网络和中央处理装置集成，以便于从中央位置进行监视和控制，诸如第9285,792号、第9063040号、第9046453号美国专利和第2016/0061796号美国专利公开中所示的那样。由此这些专利和申请的内容通过引用并入本文。

通风槽121和端口适配器650

参照图1，长型通风槽121定位在上壳体本体120的底部后部。通风槽121可具有竖直构件，该竖直构件与壳体102一体形成，以形成多个槽并提供安全性。可选地，可提供与通风槽121配合的排气端口适配器650。适配器650具有基部652和喷嘴654。基部652具有与通风槽121相同的形状。基部652以气密方式覆盖槽121并与槽121联接，以防止空气除通过喷嘴654之外从壳体102泄漏出来。喷嘴654从基部652向外突出，并具有延伸通过喷嘴654和基部652的中心开口。

可将管附接至喷嘴654以将排出的空气输送至洁净环境外部的远程位置。因此，来自上腔室210的空气通过喷嘴654排出并进入管中。

排气端口适配器650通过排气配合机构656与通风槽121可拆卸地配合。排气配合机构656可以是凸状构件(诸如弹簧偏置臂等)，该凸状构件滑入凹状通风槽121中并与凹状通风槽121联接且夹持竖直支承件。排气喷嘴654示例性地示出为大致圆柱形的输出喷嘴，但是可以是允许管状附接的任何形状。在某些实施方式中，排气喷嘴654可允许使用夹具来固定管并形成气密密封。在其它实施方式中，排气喷嘴654的外部可以是肋状件并且是锥形的，以允许管通过推靠而形成气密密封。

在本发明的又一替代实施方式中，通风槽121可以是壳体102中的开口，并且可提供单独的格栅，该格栅紧固至槽121中(诸如通过紧固机构或摩擦配合)，并且可移除以及用排气适配器650进行替换。

因此，通风口或通风槽121和/或排气端口适配器650允许空气穿过空气采样装置100以退出到外部环境中。空气通过上本体120顶部的气门室110中的开口进入，并通过上本体120后部的通风槽121离开。通风槽121可位于上本体120后部的底部，以提供通过采样装置100的直接且连续的空气流。

操作-空气流

现在将参照图2、图3A至图3D和图10讨论空气采样装置100的操作。当操作员设置采样测试参数并按下启动时，或当先前设置的测试被编程为开始时(例如每4小时)，操作开始。在此时，控制器304启动风扇504或504’进行操作。如示出空气流10(图3A和图10)的箭头所示，风扇504或504’经由气门室开口112将空气吸入采样装置100中，并且如空气流箭头12(图3B和图10)所示，抽吸空气穿过琼脂介质板114。如空气流箭头14(图3C和图10)所示，空气撞击介质板114并经过板114周围，到板114下面(如图2中所示，介质板114的底部与底部402之间以及介质板114的底部与固定构件430的顶部之间存在空间)，并通过保持组件400中的中心开口119离开。

应注意，通过每个开口112进入系统的空气的速度是风扇504或504’的速度以及气门室110中的开口112的直径和数量的函数。当空气进入开口112下方的区域时(空气流12，图3B和图10)，空气朝向最近的真空源中心开口119重定向。空气流10(图3A和图10)的初始方向和空气流12(图3B和图10)的新方向几乎垂直。当空气被重定向时，空气中的许多快速移动的颗粒由于其惯性而不能如此突然地重定向。这些颗粒大致继续其初始方向并撞击琼脂介质板114，在琼脂介质板114处保持各个颗粒。该过程的重点是将这些颗粒积聚在琼脂中，稍后可对它们进行分析。重定向的空气被抽吸横向向外穿过琼脂介质板114的琼脂侧，越过其边缘，沿其外壁的外侧向下，并横向向内穿过板114的底侧，直到其通过中心开口119被吸出。

如用于空气流16(图3C和图10)的箭头所示，一旦空气流通过中心开口119穿行通过气门室110(空气流10)和保持组件400(空气流14)时，其进入位于空气采样装置100的上腔室210内部的集气室502或502’中。空气直接从中心开口119进入集气室502或502’的开口顶端(空气流14)。风扇504或504’推动空气通过集气室502或502’(空气流16)，直到其离开集气室502或502’的开口底端(空气流18)。空气继续通过适配器603(如果使用的话)到质量流量计600的输入部602。可替代地，空气的测量部分通过流动连接部900转移至质量流量计600’的输入部602’。质量流量计600或600’不断地测量空气流18的速率，并将具有所测空气流动速率的所检测到的空气流动速率信号提供给控制器304。控制器304将连续地读取测量信号并调节风扇504或504’的速度，以考虑测量的空气流动速率和期望的空气流动速率之间的任何差异。

如用于空气流20的箭头所示，空气流继续通过质量流量计600或600’并通过输出部604离开。如图3C和图10中所示，空气流20离开质量流量计600或600’进入上腔室210中。随着上腔室210变成加压的(相对于环境压力)，空气通过例如通风槽121的通气口排出至装置100的外部。可选的分隔壁125防止空气进入下腔室250，使得下腔室250和电子设备300不与空气流发生干涉。由于电机306是风扇组件504的一部分，因此不需要冷却。排出的空气基本上平行于空气进入的定向离开空气采样装置100，以保持环境内的层流。其通过上腔室210后部的通风槽121排出到采样装置100和壳体102的外部。在替代实施方式中，集气室或管可将质量流量计600或600’的输出部604或604’连接至通风槽121。

如图3D的替代示例性实施方式中所示，排气塞可替换或附接至通风槽121，使得空气流20通过端口适配器650排出。可将管连接至端口适配器650的喷嘴654，以将空气输送至洁净环境外部的远程位置，在该远程位置处其最终被处理或排出。因而，空气穿行通过通风槽121和/或端口适配器650并重定向至所附接的管中。

应注意，采样装置100及其各种部件示出为具有大致圆柱形的形状。例如，气门室110、保持组件400、顶板420、底板402、介质板114、固定构件430和鼓风机组件212都是圆柱形的。应理解，本发明不是必须配置成圆柱形或圆形的，而是在本发明的精神和范围内可提供其它形状。

本说明书中使用若干几何或关系术语，诸如圆形、圆形的、锥形的、平行、垂直、同心、弧形和平坦的。另外，本说明书中使用若干方向或位置术语等，诸如顶部、底部、左、右、上、下、内部和外部。这些术语仅仅是为了方便起见，从而便于基于附图中所示的实施方式进行描述。这些术语不旨在限制本发明。因而，应认识到，可在没有这些几何、关系、方向或位置术语的情况下以其它方式描述本发明。另外，几何或关系术语未必精确。例如，壁未必彼此精确地垂直或平行，但是仍然认为是基本上垂直或平行的，这是因为例如表面的粗糙度、制造中允许的公差等。并且，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下，提供其它合适的几何形状和关系。

另外，采样装置100包括一个或多个处理装置(诸如控制器304)的操作。应注意，处理装置可以是任何合适的装置，诸如处理器、微处理器、PC、平板电脑、智能电话等。处理装置可与其它合适的部件结合使用，诸如显示装置(监视器、LED屏幕、数字屏幕等)、存储器或存储装置、输入装置(触摸屏、键盘、诸如鼠标的定点装置)、无线模块(用于RF、蓝牙、红外、WiFi、Zigbee等)。在处理装置上操作或由处理装置输出的信息可存储在硬盘驱动器、闪存驱动器、CD ROM盘或任何其它适当的数据存储装置上，这些装置可定位在处理装置处或与处理装置通信。整个过程由处理装置自动地进行，而没有任何的人工交互。因此，除非另有说明，否则该过程可基本上实时发生而没有任何延迟或人工动作。

在本说明书内，术语“基本上”和“约”意指加或减20％，更优选加或减10％，甚至更优选加或减5％，最优选地加或减2％。

在本说明书内，已经以能够写出清楚和简明的说明书的方式描述了实施方式，但是其意图是并且将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，实施方式可进行不同的组合或分离。例如，应理解，本文中描述的所有优选特征适用于本文中描述的本发明的所有方面。

空气采样装置100特别适用于受控环境。其可由适合在受控环境中使用的材料制成。然而，采样装置100可用在其它环境中。

上述描述和附图应认为仅是本发明的原理的说明。本发明可以以各种形状和尺寸配置，并且不旨在受优选实施方式的限制。本领域技术人员将容易地想到本发明的许多应用。因而，不期望将本发明局限于所公开的具体示例或示出和描述的确切结构和操作。相反地，所有合适的修改和等同物都可认为落入本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种用于对空气进行采样的空气采样装置，包括：

壳体本体，具有顶部、侧部和在所述顶部处的开口；

保持组件，配置成保持采样装置，所述保持组件围绕所述开口位于所述壳体本体的顶部；

集气室，具有顶端、底端和在所述顶端与所述底端之间限定的纵向长度，所述顶端围绕所述开口联接至所述壳体本体，使得所述集气室与所述开口流动连通，以及所述集气室配置成用于大致沿着所述纵向长度接收大致从所述顶端到所述底端的空气流；

流动连接部，联接至所述集气室的底端；

质量流量计，具有输入部和输出部，所述输入部联接至所述流动连接部，所述质量流量计经由所述流动连接部与所述集气室流动连通；以及

鼓风机，与所述集气室相关联，并配置成将空气抽吸经过所述采样装置、所述开口和所述集气室，使得所述集气室中的空气的测量部分流过所述流动连接部和所述质量流量计，其中，所述质量流量计配置成测量通过所述流动连接部抽吸的所述空气的测量部分的流速。

2.根据权利要求1所述的空气采样装置，其中，所述空气的测量部分与流过所述集气室的空气成比例。

3.根据权利要求2所述的空气采样装置，其中，基于所述流动连接部与所述集气室的端部的横截面积的比率，通过所述集气室的总流量与通过所述测量部分的流量成比例地相关。

4.根据权利要求1所述的空气采样装置，其中，所述流动连接部具有接收端和出口端，所述接收端联接至所述集气室的底端，以及所述出口端联接至所述质量流量计的输入部。

5.根据权利要求4所述的空气采样装置，其中，所述壳体本体包括用于所述空气的通气口；以及所述流动连接部的所述接收端和所述出口端均远离所述通气口。

6.根据权利要求4所述的空气采样装置，其中，所述接收端和所述出口端相对于横向于所述集气室的纵向长度的轴线大致与所述集气室的底端对齐。

7.根据权利要求4所述的空气采样装置，其中，所述出口端安装到所述集气室的底端。

8.根据权利要求4所述的空气采样装置，其中，所述流动连接部的部分在所述集气室的所述底端下方沿大致平行于所述集气室的所述纵向长度的方向延伸。

9.根据权利要求1所述的空气采样装置，其中，所述质量流量计靠近或邻近所述集气室。

10.根据权利要求1所述的空气采样装置，其中，所述流动连接部大致为U形。

11.根据权利要求1所述的空气采样装置，其中，所述集气室的纵向长度大致平行于所述空气采样装置的纵向轴线。

12.根据权利要求1所述的空气采样装置，其中，所述鼓风机位于所述集气室的内部。

13.根据权利要求1所述的空气采样装置，还包括处理装置，所述处理装置连接至所述质量流量计和所述鼓风机，所述处理装置适于从所述质量流量计接收检测到的流速，并响应于所述检测到的流速控制所述鼓风机的速度。

14.根据权利要求13所述的空气采样装置，其中，如果所述检测到的流速低于期望的流速，则所述处理装置增大所述鼓风机的速度，或如果所述检测到的流速高于所述期望的流速，则所述处理装置降低所述鼓风机的速度。

15.根据权利要求14所述的空气采样装置，其中所述处理装置与远程网络通信。

16.一种用于采样空气的方法，包括以下步骤：

将空气抽吸通过位于壳体本体外部的介质板并通过所述壳体本体内部的集气室；

将所述集气室中的空气的测量部分转移至质量流量计，其中，所述空气的测量部分与所述集气室中的空气成比例；以及

在所述质量流量计处测量所述空气的测量部分的检测流速。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：将所述空气的测量部分的检测流速与期望的流速进行比较。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：基于所述检测流速与所述期望的流速之间的比较来控制通过所述集气室的空气流的速度。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：如果低于所述期望的流速，则增大所述检测流速的空气流的速度，或如果高于所述期望的流速，则减小所述检测流速的空气流的速度。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，联接至所述集气室的流动连接部将所述空气的测量部分转移至所述质量流量计。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：通过所述壳体本体中远离所述流动连接部的通气口排出所述空气。

22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述转移经由流动连接部，以及所述测量基于所述集气室的开口与所述流动连接部之间的横截面面积的比率。

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