用于便携式pm2.5监控装置的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于便携式PM2. 5监控装置的方法和设备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 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
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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】
[0011] 现在仅以示例的方式，参考附图来描述本公开的实施例。
[0012] 图1为用于空气质量监测设备的示意图；
[0013] 图2a为PM2. 5采样器的透视图；
[0014] 图2b是PM2. 5的采样器的侧视图，内部组件用虚线表示；
[0015] 图2c为沿图2b中线2c_2c的剖视图；
[0016] 图2d为显示气流模式的PM2. 5采样器的透视图的示意图；
[0017] 图2e为显示气流模式的PM2. 5采样器的侧视图的示意图；
[0018] 图3为PM2. 5采样器剖开的示意图；
[0019] 图4为概述了微粒物质监测方法的流程图；和
[0020] 图5为PM2. 5采样器另一实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0021] 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。
[0022] 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2.5μπι，它是世界卫生组织（WHO)规定的标准指标。小于2.5μπι(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ΡΜ2. 5采样器并且被导向粒子计数器14。在一个实施例 中，粒子计数器包括栗，其通过出口 17从ΡΜ2.5采样器中吮吸较小的微粒物质。栗也可以 提供足够的吸力以抽吸空气中浮游的微粒物质进入ΡΜ2. 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。
[0023] 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。
[0024] 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）。
[0025] 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。
[0026] 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：
[002/
[0028] 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〈1μπι，1μπι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。
[0029] 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。
[0030] 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：
[0031]
[0032] 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，叫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，其使用计 算公式为：
[0033]
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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ΡΜ2. 5采样器逸出的所有粒子的质量就可使用下式 确定：
[0037]
[0038]
[0039] 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。
[0040] 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。
[0041] 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