CN1128352C - 过敏原检测器系统和方法 - Google Patents
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Abstract
光束从光源射向空气样品，以致于如果在光束路径中存在任何颗粒，一部分光将被散射。在空气样品的相对另一侧安排一个光束阻挡装置，以阻挡除在对应于预定过敏原颗粒尺寸范围的预定角度范围内散射的光以外的所有光。由光学检测器对透过阻挡装置的光进行检测，如果检测光量超过预定水平，产生一报警输出信号。可以采用该信号启动过滤或空调装置。
Description
本申请是1996年12月20日提交的未定申请No.08/771,641的部分继续申请，该专利申请又是1996年7月11日提交的已许可申请No.08/679,706的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及监测空气传播的过敏原颗粒以及如果过敏原颗粒的检测量高于预定水平的话提供报警或操作过滤系统的系统和方法。
背景技术
许多人备受在空气中传播的诸如灰尘、花粉等颗粒的过敏原之苦，这些过敏原颗粒存在于人们所呼吸的环境空气中。许多人对其过敏的多数微粒通常在5至50微米范围。过敏性体质的人呼吸到存在于空气中的这些颗粒会引起诸如哮喘、咳嗽、打喷嚏以及皮疹和过敏性反应等症状。环境空气中存在高水平的过敏性颗粒的知识或警告对这类人是有帮助的，使他们能够采取药物治疗、离开该区域、在严重症状发作前开启过敏原去除过滤器。
在授予Hamburger的美国专利5,001,463中，描述了一种过敏原颗粒检测装置，其中将空气吹入安装过敏原颗粒传感器的通道中，捕获过敏原大小的颗粒。传感器的输出信号依赖于被捕获的颗粒量，如果信号超过预定水平，触发报警。
授予Gerber的美国专利5,315,115描述了一种对微粒进行检测和计数的方法和装置，其中将会聚的非准直光束辐照悬浮微粒。在收集被所有微粒所散射的光的透镜前放置一光束捕获器。采用该装置来测量积分体积浓度、积分表面面积浓度和气溶胶红外消光系数。测量这些特性的其它颗粒检测器在Bachalo的4,854,705、Wilcox的3,873,206和Gerber的4,597,666的美国专利中作了描述。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的和改进的过敏原检测系统和方法。
根据本发明的一个方面，提供一种过敏原颗粒检测系统，该系统包括通过环境空气样品照射光束的光源、位于光路中空气样品相对另一侧上的阻挡除在对应于0.5至500微米(0.5×10-6m至5×10-4m)预定过敏原颗粒尺寸范围的预定角度范围内散射的部分光以外的所有光透过的光束阻挡装置、位于光源前的将光束会聚在光束阻挡装置上的会聚透镜、接收透过光束阻挡装置的光的检测器、以及与检测器连接的的控制电路，如果检测器输出高于预定水平则产生报警输出信号。
可以采用报警输出信号来启动听得见或看得到的报警装置，或者打开含有HEPA或过敏原颗粒过滤器的过滤和排风系统。一旦检测到的过敏原颗粒已经返回到安全水平时可以关闭过滤系统。装置可以是比较小的，并可以方便地设计成安装在墙壁上。
光束阻挡装置最好包括中心位于光轴上的光阻挡材料圆盘，具有阻挡所有未散射光和以小于预定最小角度的角度散射的光(被大于最大过敏原颗粒尺寸的颗粒散射的光)的预定直径；以及光阻挡材料圆环，具有对应于预定最大散射角的内直径，以致于以大于最大散射角的角度散射的光被阻挡。安排会聚透镜将光束会聚在中心光束阻挡圆盘上。
在本发明的较佳实施例中，光束是发光二极管(LED)，通过把LED的输出光束会聚在光束阻挡圆盘上，可避免需要对光束进行准直。因为LED具有比其它激光器更大的漫辐射区，更难以进行准则，需要复杂的光学装置。会聚透镜和光束阻挡器安排允许采用廉价的LED作为光源，无需安排任何复杂的准直器。光束阻挡器圆盘的直径足以阻挡来自LED的所有的未散射光。换句话说，其直径略大于会聚透镜的会聚光点直径。如果未出现过敏原尺寸大小的颗粒，所有的光将被光束阻挡器所阻挡。
在较佳实施例中，安排阻挡组件的直径阻挡除被5微米至50微米(5×10-6m至50×10-6m)尺寸范围内的颗粒散射的光以外的所有光，当然另一方面也可以采用0.5至500微米(0.5×10-6m至5×10-4m)的尺寸范围。
在本发明的另一个实施例中，可以提供包括第一光束阻挡装置和第二光束阻挡装置的两部分光束阻挡组件，第一光束阻挡装置为至少阻挡透过空气样品的未散射部分光的具有预定直径的光阻挡材料圆盘，第二光束阻挡装置为在预定角度范围内让光透过的至少一个针孔。较佳地，第一装置中阻挡圆盘的尺寸可阻挡未散射光和在预定范围内以小于最小角度的角度散射的光。第二装置最好有一个中心在光轴上的具有直径的孔径，以致于以所述范围内大于最大角度的角度散射的光被阻挡。
较佳地，产生报警输出信号的控制电路包括对一定时间周期内检测到的过敏原颗粒的个数进行计数的脉冲计数器。如果在所选时间周期内的计数次数高于预定触发值，安排脉冲发生器触发报警指示器。较佳地，触发电平是可以调节的，所以用户可以选择灵敏度水平。
根据本发明的另一个方面，提供一种检测空气中过敏原颗粒的方法，该方法包括步骤：通过环境空气样品对光束定向，以致于光束被空气中的任何颗粒所散射；将光束会聚在位于空气样品相对另一侧上的其尺寸大于会聚光束尺寸的阻挡构件上；在空气样品的相对另一侧上阻挡在预定角度范围之外散射的光；仅透射预定散射角度范围内的散射光；对透射光进行检测，以及以与透射光量成正比的电平产生第一输出信号，如果第一输出信号高于预定电平，产生一报警输出信号。
这一系统和方法易于区分了5至50微米(5×10-6m至50×10-6m)范围内的过敏原大小颗粒与更大的非过敏原颗粒，从而产生室内和封闭区内过敏原颗粒水平的准确指示。较佳地，产生报警信号的电平是可以调节的。装置可以与诸如HEPA过滤器的辅助空气净化装置或过滤器的开关相连接。
附图说明
从以下结合附图给出的对本发明一些较佳实施例的详细描述将能够更好地理解本发明，在附图中，相似的参考标号指相似的部分，其中：
图1是根据本发明第一实施例的过敏原颗粒检测器装置的方框图。
图2是说明改进的输出控制电路的方框图。
图3是根据本发明第二实施例的过敏原颗粒检测器的方框图。
图4是类似于图3的方框图，说明一种改进。
具体实施方式
附图中的图1示出根据本发明的第一实施例的过敏原颗粒检测器装置。装置封装在一个合适外壳中，其形状可提供一个暴露于环境空气的通道或空气间隙10，以便对过敏原大小的颗粒的气体样品进行测试，如上述的未定申请08/771,641，这里将其内容引作参考。将来自激光二极管或LED 12的激光束通过气体样品10照射到位于空气间隙的相对另一侧的光束阻挡装置14上。该装置14包括一透明的圆形平板玻璃15，在平板的中心有一个不透明的部分或圆盘16。部分16可以由黑漆产生或者将黑色塑料或金属插在平板的中心。在LED 12前安排一个会聚透镜18，将激光输出光束会聚在光束阻挡圆盘16上。不透明阻挡部分的实际尺寸将依赖于激光二极管12的会聚输出光束的截面形状和尺寸以及待由装置检测的颗粒尺寸范围。LED可以发射红外光(0.8-1.0微米，或0.8×10-6m至1×10-6m)或可见光。在本发明的一个实施例中，采用在670nm波长上发射的LED。
人们会产生敏感的多数过敏原颗粒的尺寸在5至50微米(5×10-6m至50×10-6m)的范围，当然发现有少数过敏原颗粒的尺寸在0.5至5微米(0.5×10-6m至5×10-6m)和50至500(50×10-6m至5×10-4m)微米。因此，发现所有的过敏原颗粒的尺寸基本上在0.5至500微米(0.5×10-6m至5×10-4m)的范围内，绝大多数在5至50微米(5×10-6m至50×10-6m)范围。因此，装置最好是设计成对0.5至500微米(0.5×10-6m至5×10-4m)尺寸范围内的颗粒进行检测，当然，另一方面也可以将其设计成对5至50微米(5×10-6m至50×10-6m)范围内的颗粒进行检测，因为多数的过敏原在这一尺寸范围内。
光线被颗粒散射的角度将取决于光的波长和颗粒的尺寸。不同尺寸的空气传播颗粒具有很大差异的光散射特性。较大的颗粒将以较小的角度使光散射。对于在0.6至1.0微米(0.6×10-6m至1×10-6m)波长范围内的红光至红外光，对0.5至50微米(0.5×10-6m至50×10-6m)的颗粒尺寸范围的最小散射角约为4°至5°(参见电磁散射，R.L.Rowell和R.S.Stein，p.140，Gordon和Breach1965).如果阻挡装置位于离气体样品的距离为L的地方，中心阻挡部分的半径应当为L*tan(5°)，以便阻挡在小于5°的角度下散射的光，即被大于50微米(50×10-6m)的颗粒散射的光。因此，可以安排阻挡装置阻挡被大于50微米(50×10-6m)的颗粒所散射的所有光。
透镜20位于阻挡装置14之后，以便将透过装置14的光会聚到检测器22上。检测器22的输出经放大器24连接到阈值和定时器电路26。如果检测器22的输出高于预定阈值，那么中继开关28闭合，电源30与空气过滤器32相连接，空气过滤器可以任何合适的HEPA过滤器。电源经适配器34也与激光二极管相连接。
光束阻挡装置14还包括置于圆盘15前的光阻材料圆环42。另一方面，可以绕相应的环形区将圆盘本身涂成黑色。透射光的圆环被限定在光束阻挡圆盘16与圆环42之间。透光的圆环具有对应于中心圆盘16直径的预定内直径d1和对应于圆环42内直径的预定外直径d2。直径d1和d2将基于待检测颗粒尺寸而确定。多数过敏原颗粒在0.5至50微米(0.5×10-6m至50×10-6m)的尺寸范围。这些颗粒将在约5°至27°的范围内使光产生散射，正如以上结合第一实施例所描述的。因此，直径d1是由关系式L*tan(5°)确定的，而d2是由L*tan(27°)确定的，这里L是从敏感区或气体样品到阻挡装置14的距离。采用这些尺寸，装置14将仅透射在5°至27°范围内被0.5至50微米(0.5×10-6m至50×10-6m)范围内颗粒散射的光。这些尺寸可以根据待检测的所需颗粒尺寸范围而改变，如果需要的话，待检测的颗粒尺寸范围在0.5至500微米(0.5×10-6m至5×10-4m)之间，当然，发现多数过敏原颗粒在0.5至50微米(0.5×10-6m至50×10-6m)的范围内。
采用会聚透镜18与阻挡圆盘16相结合允许采用既简单又廉价的激光发光二极管或LED 12作为光源，替代其它的价格更昂贵的激光发射器。会聚透镜避免了需要采用复杂的对LED 12弥散输出光束进行准直的准直装置。
图2示出过敏原检测器系统的改进的输出电路，该电路在空气中存在的过敏原实际数目低的情况下可提供更高的灵敏度。除了改进的输出电路外，检测器装置其余与图1相同，采用相似参考标号代表相似部分。
样品区或空气间隙10具有相对较小的体积，在几个立方厘米的量级上。当空气中过敏原密度低时，过敏原颗粒仅仅间歇地通过过敏原检测器装置的敏感区。因此，检测器仅仅以离散方法寄存计数。在如图2所示的电路中，来自检测器22的信号脉冲被接至放大器24。经过放大的脉冲输出被接至比较器50，产生规则化的脉冲。比较器50的脉冲输出由脉冲计数器52进行计数。定时电路54以预定间隔，例如每30秒使脉冲计数器复位。只要空气间隙10中存在过敏原颗粒时，被散射的光将触发光电检测器，接着放大器和比较器将产生一输出脉冲。这一脉冲代表检测到的单个过敏原颗粒。
脉冲计数器52在由定时电路54确定的一定时间周期内寄存所有的脉冲。寄存的脉冲总数显示在发光二极管显示单元56上。在每个测量周期，例如30秒后，计数器复位到零并开始再一次累加计数。计数器触发电平最好可以由用户来调节，从而能够按照用户的需要检测不同灵敏度电平。
这一安排允许测量低范围内的过敏原密度，采用单独过敏原检测器单元特别有用，这里未采用附加空气流动装置。采用这样的安排，过敏原颗粒将随机地漂移到空气间隙中，当空气中过敏原密度低时可能在有些周期中未检测到过敏原颗粒。通过累加扩展时间周期内的颗粒计数，可以对较低的过敏原颗粒密度水平进行检测。可以采用任何标准的现有脉冲计数器，如7492型计数器。
图3示出根据本发明第二实施例的改进过敏原检测器装置。如上所述，装置将被封装在一个合适的外壳(未示出)中，其形状适合于提供暴露于环境空气中的空气间隙60的通道，以便对空气间隙60内的空气样品进行测试，以检测存在过敏原大小的颗粒62，正如以上参考的申请No.08/771,641中所描述的。
从激光二极管66将激光束64射向间隙60中的空气样品。将具有预定尺寸的中心开口70的反射凹面反射镜68置于空气间隙60的相对另一侧上。透镜18(图中未示出)可以位于二极管66与空气间隙60之间，与在前一实施例中情况一样，以便将激光输出光束会聚在凹面反射镜的中心开口70上，它以与前一实施例中光束阻挡圆盘相同的方式产生作用。中心开口70的实际尺寸将取决于会聚激光束的截面形状和尺寸和待由装置检测的颗粒尺寸范围，与在前一实施例中情况一样。
图4示出一个改进例，它与图3所示的实施例相似，不同之处在于凹面反射镜68的中心开口70被黑色光束阻挡器72所替代，黑色光束阻挡器可以由黑漆或黑色圆盘施加到反射镜上而提供。图4所示实施例的其它所有部件与图3所示的相同，为了一致起见，已经采用相似的参考标号表示相似部件。
在图3和图4中，未散射的光束74或是通过透过图3中反射镜中心开口70到光束清除器71或是通过用如图4所示的位于反射镜中心的光束阻挡器72阻挡它而消除。在两种情况下，空气间隙60中的过敏原颗粒将使光束散射，散射光束75将从反射镜68反射到置于激光二极管同一侧的光电检测器76上。中心开口或光束阻挡器的尺寸最好足以阻挡或接收未散射的光束部分和以小于预定最小角度的角度散射的部分，正如以上结合前一实施例所描述的，而反射镜的外径可以这样选择，使得大于预定最大角度散射的光通过反射镜，无反射。因此，只有在对应于过敏原尺寸颗粒的所需角度范围内散射的光将被沿光路重新射向检测器76。
图3和4所示的装置的操作于以上结合图1和2所描述的第一实施例的相同，提供一个类似的输出电路，对检测器76的输出进行检测。然而，本实施例的优点在于，装置结构更加紧凑，因为光路被反向折回，缩短了装置的总长度。
本发明的过敏原颗粒检测器仅对过敏原尺寸大小的颗粒进行检测，消除了被0.5至50微米(0.5×10-6m至50×10-6m)的过敏原尺寸范围以外的颗粒所散射的光。光源为既简单又廉价的激光发光二极管，可与将未散射光束会聚在光束阻挡圆盘上的会聚透镜一起使用。过敏原检测水平可以由用户调节。装置易于制造、廉价、且易于操作。它可提供空气中过敏原颗粒过高水平的实时、准确检测结果，给过敏体质的人提供告警，他们可能需要药物治疗，在这种条件下也允许启动过敏原过滤设备对空气进行净化。
虽然以上仅通过举例的方式描述了本发明的较佳实施例，但是本领域的专业人员应当明白，可以对于所揭示的实施例作各种改进，而不会偏离本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求书限定。
Claims (14)
1.一种检测环境空气中存在的颗粒的装置，所述装置包括：
在光路中把光束射向环境气体样品的光源，由此部分光束将被存在于空气中的任何颗粒所散射；
光路中至少阻挡未散射的光束部分的光束阻挡装置；
位于所述光源与气体样品之间的用于将光束会聚在光束阻挡装置上的会聚透镜；以及
位于对被所述光束阻挡装置透射的光进行检测位置上并产生与检测器所接收光的强度成正比的输出的检测器，
其特征在于：光束阻挡装置(14)具有一透射部分和一阻挡部分，前者用于透射在预定角度范围内散射的光，后者用于阻挡在预定角度范围以外散射的所有光，预定角度范围对应于5至50微米的预定过敏原颗粒尺寸范围，检测器(22)产生与空气样品中过敏原颗粒数目成正比的输出，
所述光源(12)具有一个中心光轴，所述光束阻挡装置包括一个中心位于所述光轴上的具有预定直径的圆形光束阻挡构件(16)，所述光束阻挡构件对所述光源所辐射的波长的光是不透明的，所述预定直径大于由所述透镜(18)会聚在所述光束阻挡构件上的光束的直径，所述直径足以让所述光束阻挡装置阻挡被大于预定最大过敏原颗粒尺寸50μm的颗粒所散射的光，所述透射部分包括一环绕所述圆形光束阻挡构件并具有预定外径的圆环，用于透射被最小为5μm预定过敏原颗粒尺寸的颗粒所散射的光，所述阻挡部分进一步包括一环绕所述透射圆环的光阻材料圆环(42)，用于阻挡以大于预定最大散射角的角度所散射的光，该预定最大散射角对应于尺寸小于预定最小过敏原颗粒尺寸5μm的颗粒。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光束阻挡构件具有足以阻挡在小于4°的角度下所散射的光的直径。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光源为发光二极管。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：放大器(24)和阈值和定时器电路(26)与检测器的输出相连接，如果检测器的输出高于预定电平则产生一个报警输出信号。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述控制电路包括脉冲计数器(52)，用于对在预定时间间隔内的检测器输出脉冲的个数进行计数，如果脉冲个数超过预定水平则产生所述报警输出信号。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述预定水平是可以调节的。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于显示/控制单元(56)与所述脉冲计数器相连接，对所述报警输出信号作用响应，并有一个由所述报警输出信号启动的报警条件指示器。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述预定水平是可调节的。
9.一种检测环境空气中存在的颗粒的装置，所述装置包括：
在光路中把光束射向环境气体样品的光源，由此部分光束将被存在于空气中的任何颗粒所散射；
光路中用于分离对应于至少部分未散射光束的第一部分光束和已被气体样品颗粒散射的第二部分光束的光束分离装置；
位于所述光源与气体样品之间的用于将光束会聚在光束分离装置上的会聚透镜；以及
位于对从所述光束分离装置接收的所述第二部分光束进行检测位置上并产生与检测器所接收光的强度成正比的输出的检测器，
其特征在于：光束分离装置包括一凹面反射镜(68)和一中心非反射部分(70，72)，前者具有用于将预定角度范围内散射的光反射到所述检测器上的第一环形反射部分，该预定角度范围对应于5至50微米(5×10-6m至50×10-6m)的预定过敏原颗粒尺寸范围，后者用于阻止未散射的光和被大于50微米(50×10-6m)颗粒散射的光到达检测器，检测器(76)产生与空气样品中过敏原颗粒数目成正比的输出。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述中心非反射部分包括所述反射镜上的中心开口(70)。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述中心非反射部分包括用于吸收光的光束阻挡器(72)。
12.一种检测空气中颗粒的方法，所述方法包括下列步骤：
将光束射向环境空气样品，由此一部分光束将被存在于空气样品中的任何颗粒所散射以及至少一部分光束未被散射；
至少将未散射的这部分光束会聚在位于空气样品相对另一侧上的阻挡构件上；
对透过阻挡构件的光进行检测；以及
产生与在所述预定角度范围内所散射的光成正比的输出信号；
其特征在于：阻挡部分(16)的预定直径大于已会聚光束的直径，在对应于5至50微米预定过敏原颗粒尺寸范围的预定角度范围内所散射的光透过光束阻挡构件的透射部分并被检测器检测，检测器(22)产生与空气样品中过敏原颗粒量成正比的输出信号。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：检测散射光的步骤包括产生检测到的每个过敏原颗粒的输出脉冲，产生输出报警信号的步骤包括对预定时间周期内的输出脉冲个数进行计数以及如果所述个数超过所述预定水平则产生所述输出报警信号。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于包括如果所述过敏原颗粒的所述计数超过所述预定水平启动空气过滤单元的步骤。
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