颗粒物分离及测量装置的制作方法

本发明涉及环境气体监测领域，具体地涉及颗粒物分离及测量装置。

背景技术：

随着很多空气污染的进一步加剧，越来越多的城市居民开始关心与他们的健康息息相关的空气质量。室内外环境气体的质量好坏直接关系到人们的生活品质。比如，空气中的颗粒物会使得人们感觉不适并直接或间接地危害人们的健康。

对于可吸入颗粒物，粒径大小不一样，可进入人体呼吸系统的深度也不同。较大的颗粒物多数被阻留在上呼吸道，而更小的颗粒物则能够进入支气管甚至肺泡。因此，颗粒物可以按直径大小分类。粒径小于100微米的称为tsp(totalsuspendedparticle)，即总悬浮物颗粒。粒径小于10微米的称为pm10(pm为particulatematter缩写)，即可吸入颗粒物。粒径小于2.5微米的称为pm2.5，即可入肺颗粒物。

pm2.5也可称为“细颗粒物”，其化学成分主要包括有机碳(oc)、元素碳(ec)、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐(na⁺)等。虽然pm2.5只是环境大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。pm2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

可以将颗粒物测量装置用于环境大气监测领域，提供环境大气中的颗粒物的浓度信息。为了进一步获得环境大气中可吸入颗粒物的浓度信息，颗粒物测量装置包括空气采样装置和颗粒物检测装置。空气采样装置通常包括气泵、电风扇等，用于产生气流，使得足够的待测气体进入颗粒物测量装置。空气采样装置还可以从气体中将指定粒径的颗粒物分离出来单独进行检测，提供特定粒径的颗粒的浓度信息。

由于使用气泵等设备，现有的颗粒物测量装置不仅昂贵，而且体积和重量较大，因此给个人和家庭应用造成不便甚至困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以减小体积、重量且更加经济的颗粒物分离装置及测量装置。

根据本发明的一方面，提供一种颗粒物分离装置，其特征在于，包括：分流室，与外部空气连通，用于将气流分离为分别沿着不同路径流动的第一部分和第二部分；以及储存室，与所述分流室连通，用于收集所述气流的第一部分和第二部分，其中，所述储存室的容积可被压缩和/或扩充，以产生所述气流，在至少预定时间内所述气流的所述第一部分的气体流量小于所述第二部分的气体流量，所述气流的所述第一部分和所述第二部分分别包含不同平均粒径的颗粒物。

优选地，还包括第一气流通道至第四气流通道，其中，所述分流室经由所述第一气流通道与外部空气连通，经由所述第二气流通道与所述储存室连通，以及经由所述第三气流通道和所述第四气流通道与所述储存室连通，所述气流的第一部分依次流经所述第一气流通道、所述分流室、所述第二气流通道到达所述储存室，所述气流的第二部分依次流经所述第一气流通道、所述分流室、所述第三气流通道和所述第四气流通道到达所述储存室。

优选地，还包括：壳体，包括围绕内部空间的固定部分、拉伸部分和底板，所述内部空间形成所述储存室；第一部件，与所述壳体固定连接，用于形成所述分流室。

优选地，还包括第一单向阀至第三单向阀，其中，所述第一单向阀设置在所述第二气流通道上，所述第二单向阀设置在所述第四气流通道上，所述第三单向阀设置在所述底板上，所述第一单向阀和所述第二单向阀仅允许气体流入所述储存室，所述第三单向阀仅允许气体流出所述储存室。

优选地，所述第二气流通道经由所述第四气流通道与所述储存室连通，所述颗粒物分离装置还包括第一单向阀和第二单向阀，其中，所述第一单向阀设置在所述第四气流通道上，所述第二单向阀设置在所述底板上，所述第一单向阀仅允许气体流入所述储存室，所述第二单向阀仅允许气体流出所述储存室。

优选地，所述拉伸部分形成所述储存室的一部分侧壁，且为折叠形状。

优选地，所述拉伸部分自身具有弹性。

优选地，还包括固定连接在所述壳体的固定部分上的固定板，以及连接在所述固定板和所述壳体的底板之间的至少一根弹簧。

优选地，所述固定板和所述至少一根弹簧位于所述储存室内部，并且所述至少一根弹簧沿着所述壳体的周边均匀分布。

优选地，所述固定板和所述至少一根弹簧位于所述储存室外部，并且所述至少一根弹簧沿着所述壳体的周边均匀分布。

优选地，所述固定板和所述弹簧位于所述储存室内部，并且所述至少一根弹簧的数量为单根，套设于所述壳体的周边。

优选地，所述第一气流通道具有第一等效直径，所述第二气流通道具有第二等效直径，第一气流通道的出口端和第二气流通道的入口端之间为预定距离，其中，所述第一等效直径和所述预定距离小时于所述第二等效直径。

优选地，所述第一等效直径大致等于所述预定距离。

根据本发明的另一方面，提供一种颗粒物测量装置，其特征在于，包括：上述的颗粒物分离装置；以及测量室，与所述分流室连通，所述气流的所述第二部分流经所述测量室，用于测量气流的第二部分中待测颗粒物的浓度。

优选地，所述颗粒物分离装置包括第一气流通道至第四气流通道，其中，所述气流的第一部分依次流经所述第一气流通道、所述分流室、所述第二气流通道到达所述储存室，所述气流的第二部分依次流经所述第一气流通道、所述分流室、所述第三气流通道、所述测量室和所述第四气流通道到达所述储存室。

优选地，第二部件，用于形成所述分流室。

优选地，所测量室内设置有光源和光电探测器，所述光源和所述光电探测器彼此成夹角以检测分别由第一颗粒物和/或第二颗粒物产生的散射光。

优选地，还包括与所述光源相对设置的吸收光腔，用于吸收所述光源的直射光。

本发明的有益效果为：

根据本发明的颗粒物分离装置，通过压缩和/或扩充单个储存室的容积代替风扇产生气流，通过气流通道的设计至少利用部分气流可以分离不同粒径的颗粒物。该颗粒物分离装置只需要使用单个储存室就可以实现细颗粒物的分离和收集，并且可以改进气流控制方式。由于在分离装置中不需要使用风扇和电机等气流驱动装置，因此可以减小分离装置的体积和重量，降低成本，节省能耗，减少噪声，便于携带，并且容易与手机等便携设备集成在一起。

根据本发明的颗粒物测量装置，通过压缩和/或扩充单个储存室的容积代替风扇产生气流。由于在测量装置中不需要使用风扇等气流驱动装置，因此可以减小测量装置的体积，降低成本，节省能耗，减少噪声，便于携带，并且容易与手机等便携设备集成在一起。通过气流通道的设计可以分离不同粒径的颗粒物，使得测量室主要收集待测尺寸的细颗粒物，因此可以提高颗粒物测量装置的分辨率和测量精度。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的颗粒物测量装置的整体结构的示意性透视图。

图2示出图1中的颗粒物测量装置的内部结构的示意性透视图。

图3示出图1中的颗粒物测量装置的示意性截面图。

图4a和4b分别示出图1中的颗粒物测量装置在吸气状态和排气状态的示意性截面图。

附图标记：

101：壳体；101a：壳体的固定部分；101b：壳体的拉伸部分；101c：底板；102：第一部件；103：第二部件；201：分流室；202：测量室；203：储存室；204：第一气流通道；205：第二气流通道；206：第三气流通道；207：第四气流通道；208：开口；401：光源；402：光电探测器；403：吸收光腔；601：第一单向阀；602：第二单向阀；603：第三单向阀；701：弹簧；702：固定板。

具体实施方式

以下公开为实施本申请的不同特征提供了许多不同的实施方式或实例。下面描述了部件或者布置的具体实施例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例并不旨在限制本发明。

此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而未必描述时间顺序、空间顺序、等级顺序或者任何其他方式的顺序、应当理解，如果使用的这些术语在适当的环境下可互换，并且此处描述的本发明的实施例能够以本文描述或示出以外的其他顺序来操作。

应当注意，在权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于下文所列出的手段，它并不排除其他元件或步骤。由此，它应当被解释为指定如涉及的所述特征、数字、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、数字、步骤或部件、或者其组合的存在或添加。因此，措词“包括装置a和b的设备”的范围不应当仅限于仅由组件a和b构成的装置。这意味着相对于本发明而言，设备的相关组件是a和b。

在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。由此，在说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都指同一实施例，但是可能如此。此外，根据本发明公开对本领域技术人员而言显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，处于使本发明公开流畅且有助于理解各发明性方面的一个或多个方面的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图、或者对实施例和附图的描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求反映的，发明性方面在于，比单个以上公开的实施例的所有特征少。由此，具体实施方式之后的权利要求被明确地结合到该具体实施方式中，其中每项权利要求独立地代表本发明的一个单独的实施例。

此外，尽管此次描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成将按本领域技术人员理解的不同实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求的实施例中的任何一个可以任何组合使用。

应当注意的是，在描述本发明的特定特征或方面时所使用的特定术语不应该被认为是暗示了该术语是此次被重新定义来限制为包括与本术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。在本申请中，术语“流量”是指在单位时间内流过的气体体积或气体分子数。

在此次提供的描述中，阐述了多个具体细节。然而应当理解，本发明的实施例没有这些具体细节的情况下实践。在其他实施例中，为了不妨碍对本说明书的理解，未详细地示出公知方法、结构和技术。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1和2分别示出根据本发明实施例的颗粒物测量装置的整体结构和内部结构的示意性透视图。为了清楚起见，在图2中已经去除颗粒物测量装置的壳体。

该颗粒物测量装置100包括壳体101、第一部件102和第二部件103。壳体101包括彼此连接的固定部分101a、伸缩部分101b和底板101c，用于提供可伸缩的储存室。壳体101的固定部分101a上安装有第一部件102和第二部件103，分别用于提供分流室和测量室。

壳体101的固定部分101a和底板101c、第一部件102和第二部件103分别由可以限定空间形状的任何材料组成，例如塑料、橡胶、玻璃钢、玻璃纤维板、碳纤维板、玻璃、半导体、铝合金、不锈钢等。壳体101的伸缩部分101b由可以伸缩变形的任何材料组成，例如布、塑料、橡胶等。在该实施例中，颗粒物测量装置100的不同部件和/或部分可以采用脱水粘接在一起，或者一部分部件可以成形为一体。

壳体101呈中空结构，例如圆筒状。壳体101围绕的空间形成储存室。壳体101的固定部分101a围绕储存室的上部和顶部，伸缩部分101b围绕储存室的下部，底板101c位于储存室的底部。壳体101的伸缩部分101b可以伸缩变形，在外力的作用下，例如手的动作或者振动马达的动作，壳体101的伸缩部分101b相应地变形，从而实现储存室容积的压缩和/或扩充。即，将壳体101的伸缩部分101b受到拉伸，则储存室容积被扩充，将壳体101的伸缩部分101b受到压缩，则储存室容积被压缩，通过储存室容积的压缩和/或扩充产生气流。

由于壳体101的变形导致储存室的容积变化，从而可以用于产生气流，因此，颗粒物测量装置100不需要使用气泵或风扇之类的气流驱动装置。

壳体101的伸缩部分101b形成储存室的至少一部分侧壁。该伸缩部分101b例如是折叠状。在拉伸状态下，伸缩部分101b形成的侧壁展开，在压缩状态下，伸缩部分101b形成的侧壁折叠。因而，利用折叠状的伸缩部分101b可以增大储存室容积的变化量，从而提高气流速度，有利于提高测量精度。

第一部件102和第二部件103固定连接在壳体101的固定部101a上，分别用于提供分流室和测量室。在工作过程中，分流室和测量室与储存室彼此连通。由于壳体101的变形，储存室容积也会发生变化，使得在分流室和测量室中产生气流，分流室用于分离气体中的颗粒物，使得待测尺寸的细颗粒物随着气流进入测量室中。

进一步地，为提高操作的便捷性和测量精度，还设置有多根弹簧701。壳体101受拉力作用时，其伸缩部分101b和弹簧701一起拉伸，拉力减小后，拉伸的伸缩部分101b在弹簧701作用下收缩。或者，壳体101受压力作用时，其伸缩部分101b和弹簧701一起收缩，压力减小后，收缩的伸缩部分101b在弹簧701的作用下伸长。在本实施例中，在壳体101的固定部分101a的内壁上固定连接固定板702。弹簧701的一端连接固定板702，另一端连接壳体101的底板101c。弹簧701的数量不限，可以是一个或多个，设置方式也不限于此。在一个替代的实施例中，弹簧701可以是套设在壳体101的外壁周边上的单根弹簧。在另一个替代的实施例中，多根弹簧701可以直接设置在壳体701的外部。在另一个替代的实施例中，可以壳体101的伸缩部分101b自身具有弹性，从而可以利用自身的弹性进行复位，从而可以省去弹簧701。

图3示出图1中的颗粒物测量装置的示意性截面图，其中示出沿着图1中的线aa截取的截面图。以下结合截面图进一步说明颗粒物测量装置的内部结构的细节。

第一部件102的顶部与壳体101固定连接，在第一部件102中形成分流室201。第二部件103与第一部件102连接，在第二部件103中形成测量室202。在该实施例中，壳体101用于连接和支撑第一部件102和第二部件103，并且内部形成储存室203。

壳体101、第一部件102和第二部件103一起限定第一气流通道204、第二气流通道205、第三气流通道206和第四气流通道207。其中，第一气流通道204将外部空间与分流室201连通，第二气流通道205将分流室201与储存室203连通，第三气流通道206将分流室201与测量室202连通，第四气流通道207将测量室202与储存室203连通。

第二气流通道205的出口端设置有第一单向阀601。第四气流通道207的出口端设置有第二单向阀602。壳体101的底板101c上形成有开口208，用于设置第三单向阀603。在该实施例中，第二气流通道205的出口端与第四气流通道207连通，第四气流通道207的出口端位于储存室203中，因而，第二气流通道205经由第四气流通道207与连接至储存室。在一个替代的实施例中，第一气流通道204和第四气流通道207可以共用第二单向阀602，从而省去第一单向阀601。在另一个替代的实施例中，第二气流通道205的出口端和第四气流通道207的出口端均位于储存室203中，因而，第二气流通道205直接连通储存室。进一步地，在该实施例中，上述的第一单向阀601和第二单向阀602设置在相应的气流通道的出口端。在替代的实施例中，上述的各个单向阀也可以设置在相应的气流通道的入口端。无论各个单向阀的安装位置如何，第一单向阀601和第二单向阀602仅允许气流流入储存室203，第三单向阀603仅允许气流流出储存室203。

进一步地，如图3所示，第一气流通道204和第二气流通道205的数量可以为多个，截面形状可以为圆形、方形、椭圆形的任一个。在截面形状为方形或椭圆形时，可以将其等效为相同截面积的圆形。第一气流通道204的等效直径表示为w1，第二气流通道205的等效直径表示为w2。第一气流通道204的出口端和第二气流通道205的入口端位于分流室201中，彼此之间的距离表示为d。通过设置第一气流通道204的等效直径w1、第二气流通道205的等效直径w2、以及二者的距离d之间的比例，可以进行气流的分流，使得待测尺寸的细颗粒物经由分流室201进入测量室202，其他尺寸的颗粒物则经由分流室201进入储存室203。优选地，第一气流通道204的等效直径w1小于第二气流通道205的等效直径w2，二者之间的距离大致等于第二气流通道205的等效直径w2。例如，第一气流通道204的等效直径w1为0.2毫米至5毫米，第二气流通道205的等效直径w2为5毫米至20毫米，二者之间的距离d为0.2毫米至5毫米。

在测量室202中可以设置光源401、与光源401相对的吸收光腔403、以及与光源401的照射方向成夹角的光电探测器402。光源401为led阵列光源，能量分布均匀，可包括不同颜色的光源401。针对细颗粒物，红外光源是优选地，可以获得较高的灵敏度。从光源401发出的光经过测量室202中的颗粒物散射后，到达光电探测器402。吸收光腔403吸收光源401的直射光，以减少直射光对测量结果的不利影响。

在测量室202中，颗粒物的密度越高，从光源401发出的光经颗粒物散射后到达光电探测器402的光强度也越强。结果，光电探测器402的测量值表示测量室202中的浓度。由于在测量室202中主要俘获细颗粒物，因此，测量值主要表示细颗粒物的浓度。

图4a和4b分别示出图1中的颗粒物测量装置在吸气状态和排气状态的示意性截面图。以下结合图4a和4b进一步说明该颗粒物测量装置的工作方式。

如图4a所示，在吸气状态，颗粒物测量装置100在外力作用下拉伸，使得储存室203的容积增大，如箭头m所示。在储存室203中形成低于大气压的负压。在负压作用下，第一单向阀601和第二单向阀602打开，第三单向阀603关闭。颗粒物测量装置100的第一气流通道204从外部吸入空气，形成气流。该气流的第一部分沿路径aa流动，从第一气流通道204进入分流室201，然后经由第二气流通道205和第四气流通道207进入储存室203。该气流的第二部分沿路径bb流动，从第一气流通道204进入分流室201，然后经由第三气流通道206进入测量室202，然后经由第四气流通道207进入储存室203。

在颗粒物测量装置100从外部吸入空气时，空气中包含多种不同尺寸的颗粒物。在空气进入颗粒物测量装置100之后，形成高速气流。然而，由于分流室201中的第一气流通道204和第二气流通道205的等效直径及彼此距离的差异，因此，气流的第一部分和第二部分的流速并不相同。颗粒物与气体的相对运动加剧，进而颗粒可以因粒径的不同被分离开来，从而实现空气中大颗粒物与细颗粒物的分离。气流的第一部分和第二部分分别携带不同平均粒径的颗粒物。气流的第二部分流经测量室202时，测量室202测量流经其的气流中待测尺寸颗粒物的浓度。

如图4b所示，在排气状态，颗粒物测量装置100在外力作用下压缩，使得储存室203的容积减小，如箭头m所示。在储存室203中形成高于大气压的正压。在正压作用下，第一单向阀601和第二单向阀602关闭，第三单向阀603打开。颗粒物测量装置100的第一气流通道204停止从外部吸入空气，储存室203则向外排出至少一部分空气。

在颗粒物测量装置100的排气状态，测量室202中的气体基本为静止状态。在该实施例中，在排气状态，测量室202测量其中静止的空气中待测尺寸颗粒物的浓度。如此，测量室202在吸气过程和排气过程均对气流进行了颗粒物浓度测量，提高了测量精度。在替代的实施例中，测量室202在排气状态不进行测量。在颗粒物测量装置100的储存室203排出一部分空气之后，即完成一个测量周期的吸气和排气动作，并且开始下一个测量周期。

由于在本发明的颗粒物测量装置中不需要使用风扇和电机等气流驱动装置，因此可以减小测量装置的体积，减轻重量，降低成本，减少噪声，节省能耗，便携性好，提高可靠性，并且容易与手机等便携设备集成在一起。通过气流通道的设计可以分离不同粒径的颗粒物，使得测量室主要收集待测尺寸的细颗粒物，因此可以提高颗粒物测量装置的分辨率和测量精度。

可以理解的是，本发明不局限于上述的颗粒物测量装置，在可选的实施例中，将上述颗粒物测量装置的测量室去除，用作颗粒物分离装置使用，并结合其他测量手段实现颗粒物浓度的测量。

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例和附图所公开的内容。