CN112703385A - 可肩部安装的实时空气质量测量装置和空气质量装置校准系统 - Google Patents

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Abstract

一种空气质量测量装置，包括配置为置于使用者的肩部上的壳体。该壳体包括引导至使用者呼吸区域的进气口，和出气口。外壳内的空气质量传感器和空气泵在线连接于进气口和出气口之间。用于空气质量测量装置的校准系统包括气体传感器、颗粒物传感器和校准元件：配置为校准颗粒物传感器的颗粒物调零元件，校准(一个或多个)气体传感器的零响应的气体传感器调零元件，以及校准(一个或多个)气体传感器的浓度响应的气体传感器已知浓度元件。

Description

可肩部安装的实时空气质量测量装置和空气质量装置校准 系统
相关申请的引证
本申请要求2018年8月20日提交的美国临时专利申请号62/719,806和2018年11月6日提交的美国临时专利申请号62/756,373的优先权，其通过引证以其全部内容结合于本文中。
背景技术
已知低成本空气污染物装置在其零值、响应因子的变化以及对零值或响应因子的相对湿度和温度影响的敏感性方面存在很大问题。这导致其用于研究或监测目的的数据的可信度下降，而常见的校准解决方案是使用气罐或其他装置反复访问现场以校准监测器，或定期拆卸该装置用于实验室校准/表征。这大大降低了用于以高时空分辨率测量城市或非城市地区(其是全球范围内高度优先研究的主要领域)的污染的大型分布式监测器网络的实用性和可行性。
此外，人类暴露于空气污染是由呼吸区域中存在的空气污染物决定的，但从该区域进行的测量，尤其是在不太引人注意的情况下，是很困难的。在当前的许多应用中，人们需要穿着大型且往往很重的背包(降低顺从性)，其装有测量装置，并具有延伸到他们的呼吸区域的管道。长管线会造成问题，因为它们可以导致在将污染物向下输送到仪器所需的短时间内产生小颗粒物(自然带电)或反应性污染物损失于管壁上。
尽管低成本污染物测量装置由于其在研究区域中布置各种监测器的潜力而非常吸引人，但它们的测量通常受到对校准装置的需求的限制，该校准装置比该装置本身更昂贵而且庞大得多(例如，大型气罐，调节器，零空气生成系统，带有催化剂的污染物去除装置)。大型传感器网络中的空气污染物的高精度高时空分辨率测量非常困难，因为低成本传感器特别容易出现漂移、单元间的变化及其校准随时间的其他变化，如对相对湿度和温度变化的响应。当前的解决方法是偶尔进行实地访问，以使用气罐或参考单元现场对各单元进行校准，或将多个低成本单元聚集在一起。这些方法在人员时间或成本上均效率低下，并且在不经常进行校准的情况下仍仅导致较小的收益。
暴露于空气污染与高健康风险如心肺炎症反应和氧化应激有关。每年，室外空气污染导致全世界约330万人过早死亡。评估公共健康风险和监管标准需要准确测量空气污染水平。然而，用于空气污染物测量的传统分析技术，如光谱学、化学发光法和质谱法代价高昂，这限制了将这些仪器部署到人烟稀疏的州和地方空气质量监测点。因此，由当地交通和各个点源引起的城市暴露的时空变化就无法得到很好的表征，这就要求使用更密集的环境观测网络才能进行市内监测。
虽然低成本传感器具有以较高时空分辨率提供空气质量数据并补充现有监测点的巨大潜力，但多项研究都已报告了由于环境变量和老化所致的传感器漂移引起的测量偏差。因此，仔细的传感器表征、校准和数据处理对于确保测量精度是重要的。
在本领域中需要一种个人的便携式污染监测装置，其允许在呼吸区域中测量各种重要的空气污染物，而不引人注目和不需要使用背包。仍然存在对于可以用于校准小型低成本测量装置的改进校准系统和方法的需要。本发明满足了该需求。
发明内容
在一个实施方式中，一种空气质量测量装置包括：壳体，其配置为置于使用者的肩部，该壳体包括引导至使用者呼吸区的进气口，和出气口；处于壳体内并且在线连接于进气口和出气口之间的空气质量传感器和空气泵。在一个实施方式中，壳体包括形状配合的新月形。在一个实施方式中，该壳体包括附接机构，其配置为附接至服装或肩带的肩部区域。在一个实施方式中，该肩带是包带、背包带和背带(harness strap)中的一种。在一个实施方式中，该进气口引导至使用者面部前面的区域，且排气口引导至使用者后面的区域。在一个实施方式中，该空气质量传感器是气体传感器和颗粒物传感器中的至少一种。在一个实施方式中，该装置包括与外部电池和电池板的连接。在一个实施方式中，一种空气质量测量系统包括该装置以及配置为使用与壳体分开的附接机构附接到使用者的电池和电池板单元。
在一个实施方式中，一种用于空气质量测量装置的校准系统包括：气体传感器，颗粒物传感器，以及配置为校准颗粒物传感器的颗粒物调零元件。在一个实施方式中，该系统包括通向容纳气体传感器并连接至颗粒物调零元件的歧管的出口。在一个实施方式中，该系统包括三通阀，其配置为在颗粒物调零元件和颗粒物传感器入口之间切换来自出口的气流。在一个实施方式中，该系统还包括气相调零元件，其包括配置为滤出污染物的混合催化剂和/或吸附剂的填充床。在一个实施方式中，该填充床包含苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒中的至少一种。在一个实施方式中，该填充床包含苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒中的至少两种。在一个实施方式中，该填充床包含苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒中的至少三种。在一个实施方式中，该填充床包含苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒。在一个实施方式中，该气相调零元件包括气罐，其含纯净的空气或具有零浓度的受测污染物(和交叉响应污染物)的空气。
在一个实施方式中，气相已知浓度校准元件包括包含气体标准的气罐。在一个实施方式中，该气相校准元件包括配置为产生恒定浓度的臭氧的UV发生灯。在一个实施方式中，该系统配置为提供相对湿度和温度点的范围内的已知浓度校准测量。在一个实施方式中，该系统配置为提供相对湿度和温度点的范围内的零校准测量。在一个实施方式中，该系统还包括水蒸气渗透装置，其配置为维持该歧管内部基本恒定的相对湿度。在一个实施方式中，该系统配置为提供对于多种污染物的空气质量测量。
附图说明
参照下面的描述和附图，前述目的和特征以及其他目的和特征将变得显而易见，以下描述和附图被包括在内而提供对本发明的理解并构成本说明书的一部分，其中相同的数字表示相同的元件，其中：
图1A是根据一个实施方式的可肩部安装的实时空气质量测量装置的透视图；
图1B是根据一个实施方式的可肩部安装的实时空气质量测量装置的另一透视图。
图2A和图2B是根据另一实施方式的可肩部安装的实时空气质量测量装置的视图。
图3是根据一个实施方式的具有包括的校准系统的固定实时空气质量测量装置的视图。
图4是根据一个实施方式的校准系统的图。
图5是根据一个实施方式的固定空气质量测量装置的两张照片。
图6是根据一个实施方式的空气质量测量装置的简化电气和流程图。
图7是根据一个实施方式的原型固定式空气质量测量装置的照片。
图8是根据一个实施方式的原型固定式空气质量测量装置的照片。
图9是根据一个实施方式的原型固定式空气质量测量装置的两张照片。
图10是根据一个实施方式的实时数据跟踪界面。
图11是一组显示与空气质量测量装置有关的室外数据与通过政府仪器收集的参考数据的对比的图表。
图12是根据一个实施方式的用于多污染物监测装置的歧管。
图13是使用PM调零通道的PM传感器的零校准数据的图表。
图14是来自多污染物监测装置的实验测量数据的图表。
图15是来自多污染物监测装置的实验测量数据的图表。
图16是来自多污染物监测装置的实验测量数据的图表。
图17是来自便携式多污染物监测装置的实验测量数据的图表。
图18是来自便携式多污染物监测装置的实验测量数据的图表和指示在何处进行测量的地图。
图19A和图19B是来自多个并置空气质量监测装置的相关数据的图表。
图20是来自空气质量传感器的空气浓度数据响应时间的图表。
图21是来自用于空气质量测量装置的校准系统运行的示例数据的两个图表；和
图22A和图22B是空气质量测量装置的室外数据以及与参考测量值的比较的图表。
具体实施方式
应该理解的是，本发明的附图和描述已经进行简化，以示出与更清楚地理解本发明有关的元件，而同时为了清楚起见省略了在空气质量测量装置和校准系统中找到的许多其他元件。本领域普通技术人员可以认识到在实施本发明时是合乎需要的和/所需的其他要素和/或步骤。然而，由于这样的元件和步骤在本领域中是众所周知的，并且因为它们不非有助于对本发明的更好理解，因此本文不提供对这样的元件和步骤的讨论。本文的公开内容涉及本领域技术人员已知的对这种元件和方法的所有这种变型和修改。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管与本文描述的那些方法或材料相似或等同的任何方法和材料都可以用于本发明的实践或测试中，但描述了优选的方法和材料。
如本文所用，每一个以下术语具有在本节中与其相关联的含义。
在本发明的一些方面中，可以将执行本文提供的指令的软件存储于非暂时性计算机可读介质上，其中当在处理器上执行时，该软件会执行本发明的一些或全部步骤。
本发明的各方面涉及在计算机软件中执行的算法。尽管某些实施方式可以描述为以特定的编程语言编写，或者在特定的操作系统或计算平台上执行，但应当理解的是，本发明的系统和方法不限于任何特定的计算语言、平台或其组合。执行本文描述的算法的软件可以用本领域已知的任何编程语言编写，编译或解释，包括但不限于，C，C++，C#，Objective-C，Java，JavaScript，Python，PHP，Perl，Ruby或Visual Basic。应该进一步理解的是，本发明的元件可以在任何可接受的计算平台上执行，包括但不限于，服务器，云实例，工作站，瘦客户端，移动装置，嵌入式微控制器，电视，或本领域已知的任何其他合适的计算装置。
本发明的部分描述为在计算装置上运行的软件。尽管本文描述的软件可以公开为在一个特定的计算装置(例如，专用服务器或工作站)上运行，但在本领域中应该理解的是，该软件本质上是便携式的，并且在专用服务器上运行的大多数软件也可以出于本发明的目的运行于任何各种装置，包括台式机或移动装置，膝上型计算机，平板电脑，智能电话，手表，可穿戴电子装置或其他无线数字/蜂窝电话，电视，云实例，嵌入式微控制器，瘦客户端装置，或本领域已知的任何其他合适计算装置。
类似的是，本发明的各部分描述为通过各种无线或有线计算机网络进行通信。为了本发明的目的，词语“网络”、“联网的”和“连网”应该理解为包括有线以太网，光纤连接，包括各种802.11标准中的任何一种的无线连接，蜂窝WAN基础设施如3G或4G/LTE网络、
Figure BDA0002977582390000061
Low Energy(BLE)或
Figure BDA0002977582390000062
通信链路，或一个电子装置可以与另一电子装置通信的任何其他方法。在一些实施方式中，本发明的网联部分的元件可以在虚拟专用网(VPN)上实现。
本发明的某些方面可以使用增材制造(AM)方法进行制造。增材制造的最常见形式是属于“3D打印”范畴的各种技术，包括但不限于，立体光刻(SLA)，数字光处理(DLP)，熔融沉积建模(FDM)，选择性激光烧结(SLS)，选择性激光熔蚀(SLM)，电子束熔蚀(EBM)和叠层物体制造(LOM)。这些方法以不同的方式一次一层地“构建”部件的三维物理模型，从而在快速原型设计和小批量生产中提供了显著的效率。AM还使具有传统减法制造技术(例如，CNC铣削)无法创建的特征的部件制造成为可能。
冠词“一个”和“一种”在本文中用于指代该冠词的语法对象中的一个或多个(即，至少一个)。举例来说，“一个元件”是指一个元件或一个以上的元件。
当涉及如量、时间段等的可测量值时，本文所使用的“约”旨在涵盖与规定值相差±20％，±10％，±5％，±1％和±0.1％的值，因为这样的变化是合适的。
范围：在整个本公开中，可以以范围格式陈述本发明的各个方面。应当理解的是，范围格式的描述仅是为了方便和简洁，而不应该解释为对本发明范围的呆板限制。在适当的情况下，应该将该范围的描述视为已明确公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对范围1-6的描述应该视为已明确公开了1-3，1-4，1-5，2-4，2-6，3-6等的子范围，以及该范围内的各个数，例如，1、2、2.7、3、4、5、5.3和6。这与范围的广度无关。
现在详细参考附图，其中在各个视图中，相同附图标记表示相同部件或元件，在各个实施方式中，本文呈现的是空气质量测量装置和校准系统。
本文描述的可肩部安装的实时空气质量测量装置的实施方式是自动化的，小型的，低成本的，并且通过直接从呼吸区域测量以获得人暴露的更好测量结果，从而改善了对一种或多种污染物的测量的真实性。校准系统的实施方式提高了测量的精度，并且该装置可以用于纠正低成本测量装置中的几个主要问题，包括但不限于：零浓度仪器响应(即“零值”)，校准响应因子，和它们对相对湿度和温度的敏感性。该装置的实施方式还使用其他检测器上的化学交叉响应(即，交叉灵敏度)来校准小气罐中包括的更多的污染物。由于校准元件和装置温度所产生的相对湿度会随环境条件而变化，其提供了在相对湿度和温度点的范围内的零测量，使得使用者可以确定零值和相对湿度和压力的响应因子并校正其测量值。因此，本文描述的实施方式使得可以更好地测量引起与空气污染相关的健康影响的各种污染物。
在一些实施方式中，本发明的便携式装置可以包括与其他移动装置例如智能手机或平板电脑的数据共享(tethering)功能。通往智能手机或其他便携式电子装置的无线通信链路可以提供数据记录和传输的方法，以及将收集的数据与便携式电子装置中存在的其他传感器，例如GPS、加速度计、陀螺仪等进行校勘的方法。
有利的是，该装置的实施方式能够利用位于肩上的污染物测量传感器准确测量使用者实际暴露于污染物(而不是身体上的其他地方或在最近的固定采样位置处)的污染物浓度。该装置的实施方式不需要背包，并且体积小而容易安装于肩上。有利的是，该装置的实施方式配置为使得所有空气测量和监测元件都布置于单个壳体内，该壳体完全可安装于使用者的肩部。而且，该装置的实施方式可以单独或组合测量各种污染物，包括但不限于颗粒物(尺寸包括但不限于PM10，PM2.5和PM1)，臭氧，一氧化碳，二氧化碳，二氧化氮，二氧化硫和一氧化氮。根据本文描述的实施方式的低成本污染物测量装置提供了优于常规装置的显著优点，并且可以以较低的成本提供，从而产生了增加精确测量污染的装置的可及性的潜力。它们还更小巧，更轻便，更舒适，为包括市民、研究机构、监控OSHA暴露的公司以及政府机构在内的各种实体提供了一种改进的成本有效性工具。
本发明的一些实施方式涉及污染监测装置的网络，其可以包括便携式多污染物监测器，固定式多污染物监测器或其组合。此类装置的网络增加了对可以被工业、学术以及地区、国家和国际机构的研究人员和决策者采用的研究质量数据的访问，所有都利用空前时空和化学分辨率的数据，这些数据对破译化学、空间和时间尺度内的空气污染问题的内在复杂性极为有效。
本文描述的污染测量装置校准系统和架构的实施方式允许对小型的低成本测量装置进行校准。这些装置的实施方式使使用者可以频繁地(例如，一天或一周多次)远程而自动地校准其传感器。各实施方式相对简单，并且可以与现有的微控制器系统(例如，Arduino)集成。
现在参考图1A和1B，在一个实施方式中，一种可肩部安装的实时空气质量测量系统包括在空气质量测量装置中存在的部件，如电池、处理板和一个或多个传感器或微传感器。传感器和泵安装于使用者呼吸区域(即，鼻子/嘴)附近的肩部装置10上。装置10包括壳体20，其可以成形或调节为直接安装于肩部或其他物体上，如服装或肩带。壳体10包括开口30，以允许空气流过用于检测空气质量的系统。进气口12、14可以定位于使用者的吸入呼吸区域附近，而排气口16配置为远离该区域，例如对准使用者的头部后方。
在一个实施方式中，肩部装置10是现有肩部装置的夹子，其包括肩带(即，钱包，背包，皮套或其他肩带)，或可以安装于肩部背带式的带上，类似于“GoPro”便携式录像机所使用的那些。在一个实施方式中，监测器附接到使用者在他们的衣服下穿着的背带上。如对本领域普通技术人员显而易见的，肩部装置外壳的物理形状可以采取多种形式。在一个实施方式中，形状适合的新月形置于肩部，并且较不显眼。在其他实施方式中，外壳采用更突出的上凸豆荚的形状。在一些实施方式中，代替位于使用者的一个肩膀上的单个小外壳，该装置的组件可以分布于位于使用者的任一肩膀上的两个较小外壳上。在一些这样的实施方式中，该两个壳体可以彼此连接，而在其他实施方式中它们没有连接。
现在参考图2A和图2B，显示了另一示例性的可肩部安装的多污染物监测装置201。所示的肩部装置包括由惰性材料(例如，PTFE)制成并包含过滤器的气相样品入口202，该过滤器也可以由PTFE制成，用于防止PM进入气相通道并最小化反应性气相污染物(例如，臭氧)的损失。过滤器还配置为收集PM样品，用于更详细的离线化学分析。装置201还包括电路板203，以及用于排气管和任何必要线路的出口204。空气入口202将空气引导到惰性歧管207中，该惰性歧管207流体连接到一个或多个污染物传感器205、206、211和212。在一些实施方式中，惰性歧管207具有非常小的内部体积，用于从外部空气向传感器205、206、211和212快速输送污染物。在一些实施方式中，外壳209可以包括例如易于附接到肩带的连接点。肩部监视装置的实施方式可以安装于使用者的背包、钱包、包、背带或肩上。在一些实施方式中，可肩部安装的监测装置的一些或所有部件可以通过增材制造生产。在一个实施方式中，该外壳通过3D打印制成。
该装置可以还包括小型泵210，其流体连接至歧管207并配置为通过歧管207抽吸空气。在一些实施方式中，歧管207包括用于一个或多个环境传感器，例如相对湿度和/或温度传感器的插入点213，其可以用于校正由于环境条件引起的任何传感器变化。
在一些实施方式中，该装置包括用于PM传感器208的专用入口214。专用入口214可以包括遮光罩，以保护PM传感器的光学组件不受干扰，同时还减少由于入口处撞击引起的PM的任何损失。在一些实施方式中，传感器208放置于入口214的正后方以减少仪器内部的损失。PM传感器可以包括内部泵和/或排气通道，其将排气引导至该装置的背后。在一些实施方式中，该专用排气结合到歧管207中。
在一个实施方式中，可充电和/或一次性电池和电池板附接到下部带中的一个(或放置于使用者的现有袋中)，并且所有电源和通信线可以捆扎于电缆中并向上通至外壳固定该装置其余部分(包括但不限于传感器、小板和泵)的肩部，例如在定制的可打印外壳中。在一些实施方式中，电池和电池板并入可肩部安装的装置中，从而减轻了对辅助壳体的需求。在一个实施方式中，壳体适形于肩部，或可替代地包括可调节的附接件(例如，360度球形接头)。为了收集更多数据，摄像头可以安装于使用者的胸部以获取可以与他们的空气质量数据关联的实时镜头。收集单元可以连接到使用者的智能手机以记录数据。
在一个实施方式中，本发明的装置的一些或全部部件通过增材制造生产。可以使用本领域中已知的任何增材制造方法，并且在一些实施方式中，本发明的装置的部件可以采增材制造方法以使得它们不能使用常规减材制造合理地制造的方式生产。在一个实施方式中，本发明的装置的所有元件可以组装成进一步最小化的可肩部安装的装置。在一个实施方式中，本发明的装置的所有元件可以组装成不同适形的或在结构上有利的壳体。进一步的小型化考虑到可穿戴的吊坠或项链的尺寸。
现在参考图3，显示了固定式多污染物监测器301。描绘的固定式监测器组装于防风雨外壳302中，例如聚碳酸酯外壳。该监测器包括小体积气罐303和阀304，以及用于PM测量(305)和气相(306)的入口。PM入口305可以电接地以防止带电粒子的损失并筛除灰尘，并允许PM自由流入传感器中。气相入口306可以包括位于歧管307上游的低外形的PTFE过滤器支架和PTFE过滤器。歧管307是密封的并且流体连接至一个或多个传感器308。传感器308电连接至子板，其依次电连接到包括蜂窝模块或其他通信电路的主控制板309。如本文中所述，在一些实施方式中，歧管307由惰性材料制成。固定式监测器可以单独使用，也可以在网络内与其他固定式监测器和/或便携式监测器一起使用。在一些实施方式中，固定式监测器配置为测量和收集关于各种污染物的数据，包括但不限于尺寸分辨的颗粒物，臭氧，NO2，NO，SO2，CO，CO2，CH4。如同图3中所示的监测器的固定式监测器可以设计为长期固定使用，而使用者的维护程度低，并且频次少。
现在参考图4，显示了根据一个实施方式的校准系统。该系统显示了用于校准(零和已知浓度检查)“歧管”中的各种气体传感器的系统400的实施方式。除了在410中将气体传感器“调零”的潜力外，颗粒物传感器436还具有“调零”功能。歧管中的进气已预先过滤掉颗粒，并且可以通过阀门420的切换提供颗粒传感器436的零流量，这会由于需要防止颗粒污染气体传感器410而彼此分开。系统400可以包括1-2个非常小的轻量气罐422，其填充有浓度精确的校准气体混合物(该装置测量的)。另一个具有纯“零”空气的气罐可以用于校准，或可以具有可以过滤出所测污染物的混合催化剂和吸附剂(例如，苏打石灰，烧碱石棉，活性碳，分子筛，钢丝绒或其他氧化性物质或还原性材料)的填充床(在管中)430。在一些实施方式中，小的UV发生灯(例如容纳于密封的聚四氟乙烯管道三通中)用于为流入气体传感器壳体的气体产生恒定浓度的臭氧。在一些实施方式中，释放或产生校准气体的固体材料可以用于校准传感器。
系统400可以使用这些工具而每天、隔天或每几天自动校准多次。其可以应用于各种各样的污染物测量装置，适用于可以稳定地存储于钢瓶或类似容器中的任何东西，或也适用于由于交叉干扰而对另一种化学化合物产生响应的装置(即其中第一化合物的检测器将对标准混合物中所含的高浓度第二化合物产生响应)。在图5的照片501中显示了示例性的零校准系统，显示了阀和零陷阱(zero trap)。在图5的照片502中显示了示例性的微型校准气罐和调节器。
在一个实施方式中，本发明的调零元件可以与一个或多个湿度和温度传感器一起使用，以更精确地计算各种传感器的温度和湿度的响应因子的变化(常见问题)。在一个实施方式中，本发明的测量装置可以在一天的过程中获得多个零测量，记录每次测量时的温度和湿度，以便更精确地表征本发明的一个或多个传感器。在一些实施方式中，本发明的测量装置可以使用主动冷却、加热、加湿或除湿装置，以便引起温度和/或湿度的变化并在不同条件下从传感器获得测量结果。在一些实施方式中，主动加湿用于某些需要空气中一定量的水分才能起作用的传感器，其中将包含这种传感器的测量装置放置于有时达到零或接近零的相对湿度的位置。
在一些实施方式中，本发明的测量装置包括水渗透装置，例如渗透性材料薄膜，其配置为允许水以缓慢的速率穿过界面迁移而提高校准气体的相对湿度。在一些实施方式中，本发明的测量装置可以包括流过可渗透膜的气流，或一个或多个扩散或渗出装置，包括但不限于收缩或针孔，其配置为提供一小段距离内的受控的气体传输速率。
本发明的测量装置的某些实施方式包括颗粒物监测通道和流体连接到气溶胶通道但包括去除颗粒物的过滤器的单独气相通道。例如，一定量的进气可以首先通过颗粒物通道，然后通过去除颗粒物的过滤器，仅在气相通道中留下用于检测的气体。在一些实施方式中，来自气相通道的过滤后的空气可以被泵送回颗粒物通道中，以用作调零基准。这种闭环构造设置有利地是有效的，并最小化流量。
在一些实施方式中，本发明的多污染物监测装置包括支撑传感器并将传感器暴露于空气真空流的用于歧管的非常小的内部容积。某些实施方式包括可以暂时关闭的泵，具有专门设置的在完全冲洗腔室(例如4e折(4e-folding)寿命或交换体积)所需的短时间内反冲洗标准物的端口。在一些实施方式中，校准系统包括用于产生零浓度的受测污染物的多床填充管，该多床填充管设计为过滤出正针对其校准装置的污染物的混合物。在一些实施方式中，校准系统包括连接到具有临界孔口(狭窄直径的管道)的调节器的小气罐，以用阀精确计量流量，其中该系统精确地对打开阀的持续时间进行计时。
参考图4，在一个实施方式中，系统400包括具有最小化的内部容积410的容纳传感器的歧管，其通过颗粒物过滤器404连接到样品空气402。容纳传感器410的歧管可以具有第一端口406和第二端口408。第二端口408在线连接到流量限制装置414、二通阀416、压力调节器418、手动阀420和包含气体标准422的气罐。第一端口406在线连接到产生零空气的多床捕集器430和第一三通阀426。在一个方向上，第一三通阀426通过泵412连接到歧管支撑传感器410。在另一个方向上，第一三通阀426连接到第二三通阀428。第二三通阀428在一个方向上连接到排气端口442，而在另一个方向上连接颗粒物质传感器入口434。本发明的装置中使用的阀可以是本领域中已知的任何合适的阀，并可以是电动的或使用一些其他的致动装置。颗粒物传感器入口434通向颗粒物传感器436，然后通向排气端口440。仪器外壳444中的开口提供了与样品空气通过系统入口和出口的连通。
有利的是，系统400组合了独特的功能以提供精确而成本有效性的效果。容纳传感器并使其暴露于强制空气流的歧管410以较小的内部体积实现。使用在短时间内反冲标准物的专门设置的端口可以暂时关闭泵412。这对于完全冲洗腔室是必要的(即4e折寿命)。多床填充管430产生零浓度的受测污染物，其设计为滤出正对其校准的污染物混合物。本发明的多床捕集器有利地包括多个床，每个由不同的材料制成，每个配置为去除、吸收或吸附不同化合物或化合物组。例如，多床捕集器中的第一床可以配置为去除NO，而第二床可以配置为去除CO。第三床可以配置为去除CO2。不同床可以由各种还原或氧化性材料制成。在一些实施方式中，可以使用各自配置为依次进行化学反应的多个床。例如，第一床可以配置为与第一化合物进行化学反应，从而产生第二化合物，而第二床可以配置为分离、过滤或以其他方式去除第二化合物。其他床层可以添加到该链路中，以更完全地吸收所需化合物。尽管本文包括了床的所列构造设置，但应该理解的是，也设想了床和材料的进一步组合。
小气罐422连接到带有临界孔口(狭窄直径的管道)的压力调节器418，以精确计量阀流量，并精确计算打开阀的持续时间。有利的是，该系统包括用于气相传感器410和颗粒物传感器436两者的校准方法。校准可以包括传感器输入馈送到读取测量值用于分析系统校准的移动或基于云的系统，并向该系统提供反馈以进行调整。利用策略猜测或机器学习的软件可以被执行以确定系统的状态和性能，并作出或建议任何调整。
数据可以使用任何合适的数据类型或记录频率从本文公开的监测器进行记录。在一些实施方式中，可以以1Hz、2Hz、5Hz或更高的频率记录来自一些或所有传感器的数据。在其他实施方式中，可以以较低的速率，例如，每分钟一次，每五分钟一次，每十分钟一次或每十五分钟一次，记录来自一些或所有传感器的数据。
图6中显示了本发明的多污染物监测器的示例性简化流程图和电子图。系统600包括两个进气路径，第一通PM过滤器601和具有用于大(直径>10μm)尘土的粗筛网的第二通接地进气口608。第一进气路径穿过包含气体传感器602的小容积歧管，由泵604驱动并通过排气口609排出。第二进气路径通过PM传感器+泵606驱动通过排气口606。主电路板605电连接至歧管602中的气体传感器和传感器泵606。主电路板605另外连接到蜂窝通信模块607，蜂窝通信模块607至少用于将所记录的数据传回中央服务器。固定式多污染物监测器可以另外包括校准系统603，校准系统603具有连接到该歧管气体传感器和第二进气路径608的输入。
图7中显示了示例性的固定式多污染物监测器原型。描述的固定式监测器具有气体的专用通道和用于颗粒测量的专用通道。PM入口专门设计有定制入口和外壳，以减少由于带电入口(入口接地)或颗粒撞击而导致的颗粒损失。气体传感器置于单独外壳内，其之后为定制的低外形PTFE过滤器支架、PTFE管和定制3D打印惰性传感器歧管，其中传感器布置为在歧管前部附近测量大多数的反应性气体。该系统还包含本公开其他地方描述的零校准系统。描绘的示例性监测器包括用于尺寸分辨颗粒物(质量和数量浓度测量)以及各种污染物气体的传感器。外壳可以由任何合适的材料制成，并且在一些实施方式中可以包括聚碳酸酯或其他耐候性或抗候性材料。在一些实施方式中，该外壳是完全或基本上气密性的。
图8显示了另一种固定式多污染物监测器。图8的监测仪的主要独特特性在于增加了气罐及其输送系统，用于检查该监测器的传感器的已知浓度响应，或用于检查传感器对标准气罐中的任何化学组分均无响应时的零响应。图7的监测器未使用校准用气罐。
在图9中显示了又一个示例性的原型多污染物监测器，该图包括照片901和902。图9的监测器具有小的形状系数，并且被成形为正方形，每边测量尺寸七英寸，且高度5英寸。在一些实施方式中，通过移除校准系统，可以实现更小的形状系数。
在一些实施方式中，本发明的多污染物监测器可以包括实时监测接口，例如图10所示的接口。图10所示的接口，或类似的接口，可以经由网络连接，例如经由HTTP或HTTPS连接从有线或无线网络连接到显监测器中的控制器而进行访问。数据可以表示为每种污染物的图表，也可以将多种污染物合并于一个图表上。在一些实施方式中，该接口可以实时更新，而在其他实施方式中，例如为了节省功率，该接口可以以较低频率更新，或仅按需进行更新。在一些实施方式中，连接网络的实时监测接口还可以包括一个或多个远程控制功能，包括但不限于，运行校准例程，启用或禁用特定传感器，或打开或关闭监测。
在一个实施方式中，本发明的校准方法或系统可以计算关于一种或多种被测污染物的响应因子。例如，传感器信号可以响应于不同污染物而以不同速率变化，或具有不同的曲线形状。在一个实施方式中，在各种不同的温度和湿度条件下使用各种传感器进行校准测量，以便为污染测量装置的传感器产生更精确的校准模型。校准的和RH/T校正的数据的实例如图11所示。本发明的某些实施方式可以使用来自第二传感器的次级响应进一步完善传感器校准。例如，在一个实施方式中，用于监测第一化合物的第一传感器流体连接到歧管中用于监测第二化合物的第二传感器。第二传感器除了对第二化合物的主要响应外，还对第一化合物具有已知的次级响应。在一些实施方式中，第二传感器对第一化合物的计算的次级响应可以用于完善或校准由第一传感器进行的测量。在一个实例中，第二传感器是CO传感器，并且第一传感器是NO2传感器，并且第二传感器已知也对NO2响应。
在一些实施方式中，PM传感器包括单独调零系统，该调零系统包括泵或阀，该泵或阀配置为对PM传感器入口通道加压，冲洗掉可能影响该结果的任何碎屑。
实验实施例
通过参考以下实验实施例进一步详细描述本发明。这些实施例仅出于举例说明的目的提供，除非另有说明，否则它们并非旨在构成限制。因此，本发明决不应该解释为限于以下实施例，而应该解释为涵盖由于本文提供的教导而变得显而易见的任何和所有变型。
无需进一步描述，据信本领域普通技术人员可以使用前面的描述和下面的举例说明性实施例制造和利用本发明的系统和方法。因此，以下工作实施例特意指出了本发明的示例性实施方式，并且不应该解释为以任何方式限制本公开的其余部分。
一套传感器内置于多污染物监测器中，以测量一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)、二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)和颗粒物(PM)的浓度以及温度和相对湿度，以校正它们在野外部署期间对传感器响应的影响。对可用的商用传感器技术进行调查，选择了性能最佳的传感器以集成到完全定制的电气和物理系统中。监测器的一个示例性实施方式包含NO传感器和其余七个传感器，而监测器的另一示例性实施方式包含SO2传感器和其余七个传感器。包含SO2传感器的监测器可以用于，例如与燃煤排放有关的应用中。包含NO传感器的监测器，连同CO、CO2、NO2、O3和PM传感器的测量一起，将提供有关交通排放和相关光化学过程的更多观察。CH4传感器加入甲烷排放和合规性的未来研究，并可以与CO2传感器一起用于评价温室气体排放。
选择Alphasense(http://www.alphasense.com)的4电极电化学CO、NO2、NO和SO2传感器用于多污染物监测器。Alphasense制造的电化学传感器的不同模型已经进行测试，并表现出在城市环境中进行测量的巨大希望。选择4电极构造而不是3电极传感器是因为额外的辅助电极(AE)与工作电极(WE)具有相同的构造，却并没有暴露于分析物，会提供背景电极响应并降低温度、相对湿度(RH)和压力对传感器信号的影响。4电极电化学传感器具有A4和B4两种形式，均设计用于十亿分之一(PPB)级别的环境监测。根据Alphasense产品规格，B4系列中的CO、NO2和NO传感器具有分别比其A4对应物高80％、35％和50％的灵敏度，而与SO2传感器相当。然而，B4传感器的尺寸为约A4传感器的四倍。尽管紧凑型A4系列电化学传感器灵敏度较低，但还是选择其用于多污染物监测器，以最小化装置的总体尺寸。
用Alphasense NDIR传感器进行CO2测量，其估计检测极限为1ppm。NDIR传感器具有宽带光源，以及两个以4.26μm和3.95μm为中心的带通过滤器。该4.26μm过滤器与以4.2μm为中心的CO2吸收带重合。3.95μm光不会被CO2吸收，并且可以用作参比，以解决由于灯泡老化和电源变化所致的光强潜在漂移。CO2传感器具有与A4电化学传感器相似的尺寸。
Figaro TGS2600气体传感器选择用于测量甲烷浓度。制造商的说明书推荐，该传感器还对分析物如CO、氢气(H2)和挥发性有机化合物(VOC)，包括乙醇和异丁烷具有敏感性。来自CO的交叉灵敏度可以通过车载CO传感器的CO测量进行校正。该VOC影响可以通过在传感器顶部添加一层或多层木炭布去除VOC而解析。通过在传感器顶部添加一层烃布(hydrocarbon cloth)而吸收和阻断VOC，可以消除VOC影响。连续暴露于实验室空气中VOC一个月后，当将敞开的乙醇瓶放于传感器前面时，烃布仍可以有效去除乙醇蒸气，而未观察到信号变化。
由于MiCS-2614成本低而尺寸(5mm×7mm×1.55mm)小而选择用于O3测量。先前的研究发现，MiCS传感器与2B Technologies臭氧监测器是一致的，其臭氧浓度范围为20ppb至100ppb，其中MiCS传感器的过量测量低于20ppb，而不足测量高于100ppb。本文也可以使用Alphasense Ox传感器。
颗粒物质采用由Plantower(http://www.plantower.com)制造的微型PM传感器PMS A003(35mm×38mm×11.8mm)进行测量。该传感器具有内部激光器，并使用散射光区分尺寸和计数颗粒。该装置报告PM1、PM2.5、PM10的质量密度，精度为1μg/m3，以及粒径大于0.3μm、0.5μm、1μm、2.5μm、5μm和10μm的颗粒数密度。先前的研究表明，该传感器的早期版本PMS1003和PMS 3003在实验室和周围环境中进行了测试，在PMS传感器和参考仪器之间的测量相关系数处于0.7-0.93范围内。
用于多污染物监测器的一个实施方式的电气系统设计为在各个电路板上具有模块化功能。每个传感器具有指定的模拟电路，用于供电，放大信号和过滤电子噪声。模拟信号馈送到板载模数转换器(ADC)，而只有数字数据从传感器面板传输到微控制器，以避免导线拾取噪声。
Alphasense电化学传感器由恒电位电路供电，其中CO、NO2和SO2传感器的偏压为零，而NO传感器的偏压为200mV。应该特别小心匹配NO稳压电路的输入阻抗以最小化噪声。电路放大被设计为对100ppb NO、SO2、NO2和10ppm CO输出约1伏的模拟信号，但可以针对其他环境/条件进行调整。每块板上具有一个模数转换器(ADC)，并且仅数字数据从传感器面板传输出。板载ADC依序转换由辅助电极(AE)和工作电极(WE)生成的放大和滤波信号。AE电压记录为背景信号，而WE和AE电压之间的差分信号则用作传感器信号以进行校准和测量。在一个实施方式中，该电化学传感器电路板的最终尺寸为24mm×36mm。
CO2传感器以由MEMS(微机电系统)振荡器计时的2Hz 5V 50％工作周期波形进行驱动。CO2传感器的输出是来自参考通道和有源通道的两个DC偏置正弦波，且随后的电路执行消除DC偏置并放大正弦信号。两个峰值检测电路用于采样并支撑两个放大正弦波的峰值高度，以便由ADC依次读取。与通过软件进行连续采样和峰值检测相比，该设计使用的处理资源显著减少。
CH4和O3传感器以及支持电路放置于单个电路板上，以节省空间并适应机械要求。CH4和O3传感器在暴露于相应分析物时会通过改变其电阻而进行工作。因此，应用具有低温度系数负载电阻的分压器，并通过ADC对负载电阻两端的电压进行采样，从而得出传感器电阻。CH4-O3板的最终尺寸为15mm×15mm。
湿度/温度(RH/T)传感器放置于单独的小型电路板(8mm×9mm)上，因此该传感器的温度测量在其他组件存在之下不受电路板上导线上的电压降所产生的热量的影响。该RH/T传感器和PM传感器都输出数字信号，并且这些信号直接由微控制器获取。
中央控制面板配置为升高或降低输入电压，打开或关闭组件电源，并读取、处理、存储和传输传感器数据。采用Cypress 68引脚PSoC 5lp微控制器实现了该控制过程，该微控制器通过数字通信外设(I2C和UART)与传感器接口。数据采集频率设置如下：每160ms对NO2、NO、SO2、CO传感器进行采样，其中AE和WE信号各自按序占用80ms。该CH4和O3传感器也每160ms进行采样，并且它们都只有一个信号通道。RH/T传感器每160ms按序对RH数据或温度数据进行采样，使其实际采样周期为320ms。根据输入驱动频率，针对有源通道和参考通道，都以2Hz的频率对CO2传感器进行采样。每640ms对PM传感器进行采样，以适应其低的数据输出速率。
将所有获取的传感器数据写入SD卡，并通过板载4G蜂窝模块将过去10.24s内平均的每10.24s数据传输到驻留于云服务器上的数据库。ADC转换和蜂窝通信都需要几毫秒到一秒范围内的大量等待时间。为了在维持同步蜂窝数据传输的同时实现快速连续的传感器数据收集，在微控制器软件中设计了一个任务调度器，以跟踪传感器和蜂窝模块的状态，并以预设的时间间隔为组件提供如读、写、发送和接收等处理的服务。存储于SD卡和云服务器上的数据流包括：用于电化学传感器和CO2传感器的参比信号和差分信号，CH4和O3传感器的电阻，相对湿度，温度，PM1，PM2.5，PM10，颗粒直径大于0.3μm、0.5μm、1μm、2.5μm、5μm和10μm的颗粒数密度，以及输入电源电压和微控制器芯片温度。最后两项是用于检查正常运行条件的系统参数。除了维护传感器外，控制面板还定期激活电磁阀以执行校准和背景测量，并为压电鼓风机供电，以为气体传感器循环环境空气。
仪器设计与测试
用于多污染物监测器的电气系统设计为在单个电路板上具有模块化功能。每个传感器都有其指定的电路，为传感器供电并生成模拟传感器信号，这些信号被馈送到板载模数转换器，而数字信号由微控制器获取并处理。传输数字信号而不是模拟传感器信号可以更好地保护信号完整性，防止数据线上的噪声干扰。微控制器接收到的传感器数据将中继到蜂窝模块，并随后传输到驻留于云服务器上的数据库中，以进行在线数据可视化。
用于实验目的的整个系统设计遵循图6的简化电子电路和流程图。设计并测试了CO和SO2和NO2传感器的电子电路，以测量其0-100pppp、0-100ppb、0-10ppm动态范围的相应分析物。设计的电路板具有与传感器节点(直径20毫米)相当的尺寸(24mm×36mm)，因此该电路板在最终装置的组装中不会占用大量额外空间。甲烷、臭氧和湿度/温度传感器都具有紧凑的尺寸。它们被放置于两个单独的电路板上，湿度/温度传感器独立放置，因为实验室和现场测试表明与其他传感器和电路的接近会导致温度测量结果偏高。颗粒物(PM)传感器输出数字信号，而电线直接焊接到与传感器插座匹配的微型连接器上。没有为PM传感器应用外部电路，以节省空间。
对气体传感器进行校准和测试以确定线性、动态范围和检测极限。灵敏度和零浓度偏移在传感器之间可能会有所不同，为确保精确的定量结果，必须对各个传感器进行校准。对于甲烷传感器，其电阻随甲烷浓度呈非线性变化，并且随着其当前噪声水平，其可以区分周围环境甲烷浓度0.1ppm的变化。已知甲烷传感器会对乙醇和异丁烷有响应。因此，将烃布添加到该传感器中，以过滤掉大气中的这些有机成分。在甲烷传感器放置于填充2％乙醇的室内时，直到移除烃布为止，其信号并未改变。
在本文中设想的多污染物监测器系统的一个实施方式中，采样歧管被设计成支持气体传感器并将它们的感测区域与该装置的其余部分分隔开。歧管用WaterShed XC进行3D打印，其具有气密性加工。使用O形圈将传感器密封并固定于歧管上。为了最小化潜在的臭氧损失，臭氧传感器应该靠近歧管入口放置。歧管的出口连接到压电鼓风机。歧管的内部容积为约9mL。
进入歧管的环境空气穿过2μm 47mm特氟龙膜以除去颗粒并保持歧管内部清洁。过滤器支架由两个机械加工的特氟龙部件组成，其设计成具有适合进行压缩的商用KF 40夹具的几何形状。离开过滤器支架的环境空气流过聚四氟乙烯衬里进入歧管，从而最小化臭氧对所打印的材料的潜在损失。
歧管内部的CH4传感器覆盖有一层木炭布，其由3D打印的ABS圆筒壳固定。此木炭布层配置为滤除传感器的VOC干扰。例如，当被木炭覆盖时，CH4传感器对高达2％的乙醇浓度没有响应。即使连续暴露于室外VOC长达3个月，乙醇的抗性仍然存在。当将用过的木炭布覆盖的CH4传感器直接放置于开放的乙醇小瓶上方时，传感器电阻下降约5kΩ，相当于0.3ppm的甲烷。然而，在周围环境中，不太可能遇到这种高度浓缩的VOC蒸气。尽管木炭布具有弹性和有效性，但良好的维护习惯仍要求每季度更换一次。
入口和出口外壳为PM传感器设计用于引导气流。具体而言，入口外壳包含3D打印的塑料支架以支撑传感器和铝制导管，空气将通过铝导管流入传感器入口。选择铝而不是3D打印塑料材料作为入口管道，以避免塑料表面积聚可能会使颗粒偏转的静电。铝制导管的前部覆盖有铝盘，该铝盘位于其上方1/8英寸处，其间安装32×32目不锈钢丝布，以阻挡昆虫和大尘粒。当PM传感器通电时，环境空气将在该盘周围流动，穿过金属丝布，并进入铝管和传感器入口。铝盘放置于入口上方，以阻挡日光和其他直接光线，这些已证实会干扰正常操作并导致传感器输出超过3000μg/m3的PM质量浓度。
在本文设想的多污染物监测器的另一个实施方式中，气体传感器如图12所示安装于歧管中。1201是示例性歧管的3D模型，且根据3D模型1201，1202是其中安装传感器的示例性歧管的照片。在图12的歧管中，空气通过安装于其末端的微型压电鼓风机主动泵送通过。歧管的内部容积为约10mL，在入口流量为0.3SLPM的情况下，其将空气停留时间减少到2s。这种快速的交换速率将确保最小的样品损失和对环境变化的快速传感器响应。过滤器支架安装于歧管前面，以去除PM，并保持歧管清洁。PM传感器沿气体采样歧管具有单独的入口。传感器和电子组件显示于图6的系统图中。在市中心区进行的多污染物监测器的简短路边测试，捕获了交通中升高的CO和PM浓度。该系统以0.2s的频率收集NO2、SO2、CO、甲烷、臭氧、湿度、温度的数据，以及以1s的频率收集的PM数据。微控制器收集10s的传感器数据，并将10s的平均值发送到云服务器。同时，所有原始传感器数据的副本保存于SD卡上。设计在线平台以通过PC和智能手机网络浏览器可视化这些数据，并且已开发出脚本以从服务器下载数据而进行进一步分析。
校准和调零系统
为了在现场部署期间提高数据质量并更好地表征传感器性能，设计并测试了校准和调零系统。
来自压电鼓风机的(其中颗粒已被特氟龙膜滤出)的排气引导至PM传感器的铝质入口，以检查其基线零信号。图13显示了PM传感器调零过程的效果的图表。如所示，响应于鼓风机清理入口并向传感器提供无颗粒气流，PM2.5和PM10含量均降至零。在一个实施方式中，可以用来自气体测量系统的滤过排气对入口进行冲洗。
为了获得各种气体传感器的零浓度信号，测试了一系列清除材料以去除气相分析物。在一个示例性实施方式中，选择苏打石灰、钢丝绒和活性碳，因为它们具有去除CO2、O3和NO2的功效。为了获得NO2、CO2和O3传感器的零浓度信号，压电鼓风机的排气穿过填充的苏打石灰、并通过靠近入口的歧管上的侧端口导向气体传感器。通过填充管的流量为50-400sccm。以9mL的内部容积，歧管内的空气再循环并穿过填充管以实现有效的分析物去除。
气体输送系统设计为用已知浓度的气体标准物填充歧管以评价传感器灵敏度随时间的漂移。使用微型气罐(2″OD×5.5″)。主阀和压力调节器调节为在关闭鼓风机的情况下通过压电鼓风机的排气口将30sccm标准气体流入歧管中。相关的传感器信号稳定需要花费约1min或更短的时间。
将水渗透装置添加到标准气体输送管线中，以支撑歧管内部的湿度并防止传感器变干。通过在装有水的特氟龙管的末端和Swagelok管连接器之间安装特氟龙薄膜来构建水渗透装置。特氟龙材料的薄膜有助于盛装水并防止泄漏。水蒸气可以透过特氟龙薄膜渗透，以增加标准气体的RH。
三个3通电磁阀放置于该系统中，以在正常环境采样、PM调零、气体调零和气体校准之间切换采样方案。
结果
在马里兰州巴尔的摩的户外现场试验中，数据由固定式多污染物监测器收集。这些测量是在旧城区参考测量站点进行，至少每10秒钟从监测器收集一次数据。所得数据的图形如图14所示，包括图表1401-1404。图表1401显示了在同一时间段内随时间测得的CO浓度(红色实线)以及区域EPA参考测量值(虚线)。图表1402显示了同一时间段内测得的臭氧浓度(红色实线)以及区域EPA参考测量值(虚线)。图表1403显示了同一时间段内测得的NO2浓度(红色实线)以及EPA参考测量值(虚线)。最后的图表1404显示了在与图表1401-1403相同的时间段内的摄氏度温度(红色)和相对湿度(蓝色)。图11还包含该试验的数据。
图15中的图表1501-1506中显示了康涅狄格州纽黑文的户外现场试验中收集的其他数据。数据以10s或更短的间隔收集。图表1501显示了随时间的PM10浓度，图表1502显示了随时间的PM2.5浓度，图表1503显示了随时间的PM1浓度。图表1504显示了随时间的一氧化碳浓度(红色)和参考测量值(黑色)。图表1505显示了随时间的NO浓度，而图表1506显示了随时间测量的臭氧浓度(红色)和参考测量值(黑色)。
现在参考图16，显示了从位于道路旁边的固定式多污染物监测器收集的数据的图表。数据显示了高时间分辨率(约10s)烟流(plume)，其中多污染物监测器在高排放车辆通过时捕获了升高的CO(红色)和PM1(黑色)浓度。
从个人便携式多污染物监测器收集的示例性数据如图17所示。该数据显示为随着时间的图表，随着使用者在曼哈顿(纽约市)周围旅行，沿顶部标注了收集数据的位置。该图表以红色显示所测得的PM1浓度，而以黑色显示所测得的PM2.5浓度。
来自另一个人便携式多污染物监测器试验的示例性数据如图18所示，该图表包括指示便携式监测器使用者在马里兰州巴尔的摩所采用的路径连同在该路径期间随时间的所测得的PM2.5质量浓度的映射图。
现在参考图19A和图19B，显示了多台多污染物监测器之间的比较数据，表明监测器在其测量中是一致的。五台监测器彼此靠近放置，并在18天的时间内以十分钟的间隔进行测量。测量了PM1、PM2.5和PM10的水平，并比较了这些结果。所得的相关系数如图19B中所示。在这五个监测器之内，相关系数在0.94和0.98之间变化。
传感器响应时间
图20中显示了通过使用高采样流量和传感器歧管的最小化内部体积缩短了响应时间的传感器响应时间的图表。图表2001的x轴显示了以秒计的时间，而y轴显示了各种颗粒和气态污染物的测量浓度。该图显示了在室外观察到的污染物烟流结束后的浓度变化。插图2002显示了一个实例烟流，即通过各种传感器测量释放到环境中的气体的浓度。如所示的，对气体浓度下降的响应时间处于约几秒到几十秒的量级，具体取决于传感器。
校准结果
图21显示了在线校准系统的性能和气罐单元内的特征的图表。
图表2101显示了通过五次运行对2000ppm二氧化碳和5ppm一氧化碳进行气体标准校准的可重复性。x轴显示了以秒计的时间，而y轴以不同方式显示了相对湿度(黄色)和电化学传感器电压。采用气罐的这些校准充当NO和NO2的调零。图表2102显示了零陷阱系统分别使用活性碳、苏打石灰和不锈钢丝绒清除NO2和CO2的能力。如预期的，CO对零陷阱的当前配方没有响应，并且此处显示了其在整个实验内浓度的一致性。注意在图表2101和2012中，CO2电压响应与采样浓度成反比，并且在每个校准期间以及其间的NO和NO2信号变化都是由于RH的变化所致。x轴显示时间，而y轴以各种方式显示相对湿度(黄色)和电化学传感器电压。
图22A显示了在康涅狄格州纽黑文市进行的为期两周的臭氧校准实验的结果。图表2201显示了测量的臭氧浓度(红色)和参考传感器(黑色)。图表2202显示了原始传感器信号相对于2-B Tech参考监测器的比较。图表2203和2204显示了在相对湿度和温度范围内观察到的浓度大于和小于10ppb时公开的多污染物监测器的校准传感器相对于参考测量值之比，与湿度和轻微温度依赖性无关。在浓度大于10ppb的情况下，多污染物监测器的测量更加精确，其中1min平均数据的70％落入参考值的±10％之内。图表2205显示了大于10ppb的测量数据与参考数据之间的差异的概率密度图。
如图22B所示，来自康涅狄格州纽黑文的路边NO和O3数据显示出大的NO烟流(图表2211)。NO的存在通过O3滴定(即NO+O3反应)至零(参见图表2212)和大幅提高的CO(共污染物燃烧)证实。值得注意的是，使用的NO传感器对O3或CO没有明显的交叉响应。
本文引述的每个专利、专利申请和出版物的公开内容均通过引用以其全部内容结合于本文中。尽管已经参考具体实施方式公开了本发明，但显而易见的是，本领域的其他技术人员可以设计出本发明的其他实施方式和变型而不脱离本发明的真实精神和范围。

Claims (24)

1.一种空气质量测量装置，包括：
壳体，配置为置于使用者的肩部上，包括引导至所述使用者的呼吸区域的进气口，和出气口；
在所述壳体内并且在线连接于所述进气口和所述出气口之间的空气质量传感器和空气泵。
2.根据权利要求1所述的空气质量测量装置，其中，所述壳体包括形状配合的新月形。
3.根据权利要求1所述的空气质量测量装置，其中，所述壳体包括附接机构，所述附接机构配置为附接至服饰的肩部区域或肩带。
4.根据权利要求3所述的空气质量测量装置，其中，所述肩带是包带、背包带和背带中的一种。
5.根据权利要求1所述的空气质量测量装置，其中，所述进气口引导朝向使用者的面部前方的区域，并且所述出气口引导至所述使用者后方的区域。
6.根据权利要求1所述的空气质量测量装置，其中，所述空气质量传感器是气体传感器和颗粒物传感器中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的空气质量测量装置，还包括与外部电池和外部电池板的连接。
8.根据权利要求1所述的空气质量测量装置，还包括内部容纳的电池和内部容纳的电池板。
9.一种空气质量测量系统，包括：
权利要求8所述的装置；和
电池和电池板单元，配置为使用与所述壳体分开的附接机构附接至使用者。
10.一种用于空气质量测量装置的校准系统，包括：
气体传感器、颗粒物传感器和配置为校准所述颗粒物传感器的颗粒物调零元件。
11.根据权利要求10所述的校准系统，其中，通向容纳所述气体传感器的歧管和在主入口处过滤的颗粒的出口连接至所述颗粒物调零元件。
12.根据权利要求11所述的校准系统，还包括：
三通阀，配置为在所述颗粒物调零元件与颗粒物传感器入口之间切换来自所述出口的气流。
13.根据权利要求10所述的校准系统，还包括气相调零元件，所述气相调零元件包括配置为滤出污染物的混合催化剂和吸附剂的填充床。
14.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述填充床包括苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述填充床包括苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒中的至少两种。
16.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述填充床包括苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒中的至少三种。
17.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述填充床包括苏打石灰、烧碱石棉、活性碳、分子筛和钢丝绒。
18.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述气相调零元件包括包含纯空气的罐。
19.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述气相调零元件包括罐，所述罐包括不含所述气体传感器响应的任何气体的气体标准物。
20.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述气相调零元件包括配置为产生恒定浓度的臭氧的UV发生灯。
21.根据权利要求11所述的校准系统，其中，所述系统配置为提供湿度和温度点的范围内的零校准测量。
22.根据权利要求21所述的校准系统，还包括水蒸气渗透装置，配置为在气体传感器校准期间至少维持所述歧管内部的最小相对湿度。
23.根据权利要求10所述的校准系统，其中，所述系统配置为提供对于多种污染物的空气质量测量。
24.根据权利要求10所述的校准系统，还包括气相校准系统，所述气相校准系统包括：
气罐，所述气罐包含已知气体混合物；和
受控分散系统，配置为将所述气体传感器暴露于固定量的所述已知气体混合物；
其中所述气体传感器响应于直接作为所关注的受测分析物或间接作为交叉响应气体的所述已知气体混合物。
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