檢測空氣樣本中微小顆粒物的濃度的設備和方法
【專利摘要】一種用于檢測空氣樣本中的微小顆粒物的濃度的設備，包括:容器，用于容納空氣樣本，并具有開口;密封機構，用于開啟或封閉開口;傳感器，置于容器內，用于感測容器內的空氣樣本中的顆粒物的總濃度;以及控制器，與傳感器連接，并用于控制密封機構。控制器控制密封機構開啟開口，并控制傳感器感測第一顆粒物總濃度;在控制密封機構封閉開口以使得容器密封預定時間段之后，控制傳感器感測第二顆粒物總濃度;根據微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總濃度之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比;以及根據第一顆粒物總濃度以及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比，計算空氣樣本中的微小顆粒物濃度。
【專利說明】檢測空氣樣本中微小顆粒物的濃度的設備和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及空氣質量檢測，具體地，涉及一種用于檢測空氣樣本中的空氣動力學 當量直徑等于或小于預定值的微小顆粒物的濃度的設備，方法，傳感器和空氣凈化器。
【背景技術】
[000引近年來，隨著快速工業化和機動車數量的爆發性增長，空氣污染變得日益嚴重。在 中國，尤其自2013年年初W來，空氣中的微小顆粒物作為代表性空氣污染物，尤其是細顆 粒物（空氣動力學當量直徑等于或小于2. 5微米的顆粒物，也稱為PM2. 5)的濃度保持在較 高水平，霧靈天氣顯著增加。人們的健康和日常生活正在遭受嚴重威脅。因此，需要用于檢 測微小顆粒物濃度的檢測設備。
[0003] 目前，已經存在多種方法來檢測空氣中的微小顆粒物，包括例如石英振蕩微天平 方法、目射線方法和光散射方法。該些方法中大多需要慣性沖擊器作為前端設備來將微小 顆粒物與較大顆粒物分離。例如，專利文獻CN102680349A公開了一種使用慣性沖擊器的 PM2. 5監測設備。盡管慣性沖擊器具有很好的尺寸分離能力，但是其高成本、大體積和對氣 流速率的精確控制限制了其在家庭中的應用。
[0004] 另一方面，傳統上通常使用沉降方法來檢測液相中的顆粒物大小分布。例如，專利 文獻JP2011179862公開了一種液相中的顆粒物沉降速度的計算方法。然后，盡管空氣中的 顆粒物也具有沉降過程，但是該過程與液相中的沉降過程非常不同。空氣的粘度遠小于液 體的粘度，因此空氣中的布朗擴散不能忽略不計。由于布朗擴散對許多因素敏感，例如濃度 梯度、溫度、顆粒物大小等等。因此，對于空氣中的息浮顆粒物，難W用沉降方法精確檢測大 小分布。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種用于檢測空氣樣本中的空氣動力學當量直徑等于或小 于預定值的微小顆粒物的濃度的設備，方法，傳感器和空氣凈化器，在不顯著增加成本的前 提下，較為精確地檢測微小顆粒物的濃度。
[0006] 根據本發明的第一方面，提供了一種用于檢測空氣樣本中的空氣動力學當量直徑 等于或小于預定值的微小顆粒物的濃度的設備，包括：容器，用于容納空氣樣本，并具有開 口；密封機構，用于開啟或封閉所述開口；傳感器，置于容器內，用于感測容器內的空氣樣 本中的顆粒物的總濃度；W及控制器，與所述傳感器連接，并用于控制所述密封機構。所述 控制器被配置為：控制所述密封機構開啟開口，并控制傳感器感測第一顆粒物總濃度；在 控制所述密封機構封閉開口 W使得容器密封預定時間段之后，控制傳感器感測第二顆粒物 總濃度；根據微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總 濃度之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比；W及根據第一顆粒 物總濃度W及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比，計算空氣樣本中的微小顆粒物濃度。
[0007] 在一個實施例中，所述預定關系表示為通過W下操作獲得的校正系數：將具有已 知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比的參考空氣樣本注入容器；使用傳感器感測第一 參考顆粒物總濃度；將容器密封所述預定時間段之后，使用傳感器感測第二參考顆粒物總 濃度；將已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比除W第二參考顆粒物總濃度和第一參 考顆粒物總濃度之比，W計算所述校正系數。
[0008] 優選地，所述容器還包括：止逆閥，在開口開啟時開啟，在開口封閉時關閉；所述 設備還包括：空氣粟，在開口開啟的狀態下，通過止逆閥從容器中抽吸空氣，W加速容器外 部的空氣通過開口進入容器并加速容器內顆粒物的擴散。
[0009] 優選地，所述開口位于所述傳感器的下方。
[0010] 優選地，所述預定值是2. 5微米。
[0011] 優選地，所述預定時間段是3分鐘。
[0012] 根據本發明的第二方面，提供了一種傳感器，包括：感測單元，包括貫穿感測單元 的空氣通道，并被配置為感測所述空氣通道內的空氣樣本中的顆粒物的濃度；密封機構， 用于開啟或封閉空氣通道；W及控制器，與感測單元連接，并用于控制所述密封機構。所述 控制器被配置為：控制所述密封機構開啟空氣通道，并控制感測單元感測第一顆粒物總濃 度；在控制所述密封機構封閉空氣通道預定時間段之后，控制感測單元感測第二顆粒物總 濃度；根據空氣動力學當量直徑等于或小于預定值的微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之 比與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總濃度之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和 顆粒物總濃度之比；W及根據第一顆粒物總濃度W及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之 比，計算空氣樣本中的微小顆粒物濃度。
[0013] 在一個實施例中，所述預定關系表示為通過W下操作獲得的校正系數：將具有已 知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比的參考空氣樣本注入空氣通道；使用感測單元感 測第一參考顆粒物總濃度；將空氣通道密封所述預定時間段之后，使用感測單元感測第二 參考顆粒物總濃度；將已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比除W第二參考顆粒物總 濃度和第一參考顆粒物總濃度之比，W計算所述校正系數。
[0014] 優選地，所述預定值是2. 5微米。
[0015] 優選地，所述預定時間段是3分鐘。
[0016] 根據本發明的第H方面，提供了一種空氣凈化器，包括根據上述第一方面的設備 或根據上述第二方面的傳感器。
[0017] 根據本發明的第四方面，提供了一種用于檢測容器內空氣樣本中的空氣動力學當 量直徑等于或小于預定值的微小顆粒物的濃度的方法，包括：感測空氣樣本中的初始的第 一顆粒物總濃度；將容器密封預定時間段之后，感測空氣樣本中的第二顆粒物總濃度；根 據微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總濃度之比之 間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比；W及根據第一顆粒物總濃度W 及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比，計算空氣樣本中的微小顆粒物濃度。
[0018] 在一個實施例中，所述預定關系表示為通過W下操作獲得的校正系數：將具有已 知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比的參考空氣樣本注入容器；感測第一參考顆粒物 總濃度；將容器密封所述預定時間段之后，感測第二參考顆粒物總濃度；將已知微小顆粒 物濃度和顆粒物總濃度之比除W第二參考顆粒物總濃度和第一參考顆粒物總濃度之比，W 計算所述校正系數。
[0019] 優選地，所述方法還包括：在容器未密封的狀態下，使用空氣粟加速容器外部的 空氣進入容器并加速容器內顆粒物的擴散。
[0020] 優選地，所述預定值是2. 5微米。
[0021] 優選地，所述預定時間段是3分鐘。
[0022] 根據本發明的實施例，能夠在不顯著增加成本的前提下，較為精確地檢測空氣中 微小顆粒物的濃度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 通過下文結合附圖的詳細描述本發明的實施例，本發明的上述和其它特征將更為 清晰，其中：
[0024] 圖1 (a)和1化）是根據本發明實施例的用于檢測空氣樣本中的微小顆粒物的濃度 的設備的示意圖；
[0025] 圖2(a)和2(b)是根據本發明另一實施例的用于檢測空氣樣本中的微小顆粒物的 濃度的設備的示意圖；
[0026] 圖3(a)和3(b)是根據本發明實施例的傳感器的示意圖；W及
[0027] 圖4是根據本發明實施例的用于檢測空氣樣本中的微小顆粒物的濃度的方法的 流程圖。
【具體實施方式】
[0028] W下參照附圖來描述本發明的實施例。在各個附圖中，相同的參考標記用于表示 相同或相似的部分。
[0029] 本發明基于W下事實：根據氣溶膠動力學的基本原理，越大的顆粒物沉降地越 快。因此，對于密閉空間中的空氣樣本，在靜態沉降過程中，顆粒物濃度的變化和樣本中微 小顆粒物與全部顆粒物的比例之間存在預定關系。根據該種關系，可W計算出微小顆粒物 濃度的近似估計。在本發明中，"微小顆粒物"指空氣動力學當量直徑等于或小于預定值的 顆粒物。作為示例，"微小顆粒物"指空氣動力學當量直徑等于或小于10微米的顆粒物。具 體地，"微小顆粒物"包括空氣動力學當量直徑等于或小于2. 5微米的顆粒物（PM2. 5)。
[0030] 圖1 (a)和1化）是根據本發明實施例的用于檢測空氣樣本中的微小顆粒物的濃度 的設備100的示意圖。圖1(a)和1(b)分別示出了設備100的兩個操作狀態。如圖所示， 設備100包括：容器110,用于容納空氣樣本，并具有開口；密封機構120,用于開啟或封閉 所述開口；傳感器130,置于容器110內，用于感測容器110內的空氣樣本中的顆粒物的總 濃度。在一個優選實施例中，開口位于傳感器130的下方，W便防止容器110外的空氣中尺 寸過大的顆粒物進入到容器110內從而對檢測結果造成干擾。
[003。 設備100還包括：控制器140,與傳感器130連接，并用于控制密封機構120。
[0032] 首先，如圖1(a)所示，控制器140控制密封機構120開啟開口。此時，容器內的空 氣樣本與容器外的空氣基本相同，即具有相同的顆粒物濃度。控制器140控制傳感器130 感測顆粒物總濃度C1 (即在容器110的開口開啟的狀態下，容器110內的空氣樣本中的顆 粒物總濃度）。
[0033] 然后，如圖1(b)所示，控制器140控制密封機構120封閉開口 W使得容器110密 封預定時間段之后，控制傳感器130感測顆粒物總濃度C2(即在容器110密封預定時間段 之后，容器110內的空氣樣本中的顆粒物總濃度）。在一個示例實施例中，上述預定時間段 是3分鐘。
[0034] 控制器140根據微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比R與顆粒物總濃度C2和顆 粒物總濃度C1之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比R。
[0035] 然后，控制器140根據顆粒物總濃度C1 W及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比 R，計算空氣樣本中的微小顆粒物濃度C。
[003引換言之：
[0037] C = C1XR (1)
[0038] 根據實施例，上述預定關系表示為通過W下操作獲得的校正系數n:將具有已知 微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比r的參考空氣樣本注入容器110;使用傳感器130感 測初始參考顆粒物總濃度cl;將容器110密封上述預定時間段之后，使用傳感器130感測 參考顆粒物總濃度c2;將已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比r除W參考顆粒物總濃 度c2和初始參考顆粒物總濃度cl之比，W計算校正系數n。
[00測換言之：
[0040] n = r/(c2/cl) 似
[00川應注意，校正系數n可能取決于多種因素，如容器110的形狀和大小、傳感器130 在容器110中的位置等等。因此，難W使用固定的數學公式來計算校正系數n。然而，通過 上述實驗過程，可W根據等式（2)來得到n。
[0042] 在一個實施例中，可W使用查找表的形式來表示n。下表1列出了不同c2/cl與n 之間的示例關系：
[0043] 表1-校正系數n的查找表
[0044]
【權利要求】
1. 一種用于檢測空氣樣本中的空氣動力學當量直徑等于或小于預定值的微小顆粒物 的濃度的設備，包括： 容器，用于容納空氣樣本，并具有開口； 密封機構，用于開啟或封閉所述開口； 傳感器，置于容器內，用于感測容器內的空氣樣本中的顆粒物的總濃度；以及 控制器，與所述傳感器連接，并用于控制所述密封機構， 其中，所述控制器被配置為： 控制所述密封機構開啟開口，并控制傳感器感測第一顆粒物總濃度； 在控制所述密封機構封閉開口以使得容器密封預定時間段之后，控制傳感器感測第二 顆粒物總濃度； 根據微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總濃度 之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比；以及 根據第一顆粒物總濃度以及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比，計算空氣樣本中的 微小顆粒物濃度。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中，所述預定關系表示為通過以下操作獲得的校正 系數： 將具有已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比的參考空氣樣本注入容器； 使用傳感器感測第一參考顆粒物總濃度； 將容器密封所述預定時間段之后，使用傳感器感測第二參考顆粒物總濃度； 將已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比除以第二參考顆粒物總濃度和第一參考 顆粒物總濃度之比，以計算所述校正系數。
3. 根據權利要求1所述的設備，其中 所述容器還包括：止逆閥，在開口開啟時開啟，在開口封閉時關閉，以及 所述設備還包括：空氣泵，在開口開啟的狀態下，通過止逆閥從容器中抽吸空氣，以加 速容器外部的空氣通過開口進入容器并加速容器內顆粒物的擴散。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中，所述開口位于所述傳感器的下方。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的設備，其中，所述預定值是2. 5微米。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的設備，其中，所述預定時間段是3分鐘。
7. -種傳感器，包括： 感測單元，包括貫穿感測單元的空氣通道，并被配置為感測所述空氣通道內的空氣樣 本中的顆粒物的濃度； 密封機構，用于開啟或封閉空氣通道；以及 控制器，與感測單元連接，并用于控制所述密封機構， 其中，所述控制器被配置為： 控制所述密封機構開啟空氣通道，并控制感測單元感測第一顆粒物總濃度； 在控制所述密封機構封閉空氣通道預定時間段之后，控制感測單元感測第二顆粒物總 濃度； 根據空氣動力學當量直徑等于或小于預定值的微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比 與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總濃度之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆 粒物總濃度之比；以及 根據第一顆粒物總濃度以及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比，計算空氣樣本中的 微小顆粒物濃度。
8. 根據權利要求7所述的傳感器，其中，所述預定關系表示為通過以下操作獲得的校 正系數： 將具有已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比的參考空氣樣本注入空氣通道； 使用感測單元感測第一參考顆粒物總濃度； 將空氣通道密封所述預定時間段之后，使用感測單元感測第二參考顆粒物總濃度； 將已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比除以第二參考顆粒物總濃度和第一參考 顆粒物總濃度之比，以計算所述校正系數。
9. 根據權利要求7至8中任一項所述的傳感器，其中，所述預定值是2. 5微米。
10. 根據權利要求7至8中任一項所述的傳感器，其中，所述預定時間段是3分鐘。
11. 一種空氣凈化器，包括根據權利要求1-6中任一項所述的設備或根據權利要求 7-10中任一項所述的傳感器。
12. -種用于檢測容器內空氣樣本中的空氣動力學當量直徑等于或小于預定值的微小 顆粒物的濃度的方法，包括： 感測空氣樣本中的初始的第一顆粒物總濃度； 將容器密封預定時間段之后，感測空氣樣本中的第二顆粒物總濃度； 根據微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比與第二顆粒物總濃度和第一顆粒物總濃度 之比之間的預定關系，計算微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比；以及 根據第一顆粒物總濃度以及微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比，計算空氣樣本中的 微小顆粒物濃度。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述預定關系表示為通過以下操作獲得的校 正系數： 將具有已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比的參考空氣樣本注入容器； 感測第一參考顆粒物總濃度； 將容器密封所述預定時間段之后，感測第二參考顆粒物總濃度； 將已知微小顆粒物濃度和顆粒物總濃度之比除以第二參考顆粒物總濃度和第一參考 顆粒物總濃度之比，以計算所述校正系數。
14. 根據權利要求12所述的方法，還包括： 在容器未密封的狀態下，使用空氣泵加速容器外部的空氣進入容器并加速容器內顆粒 物的擴散。
15. 根據權利要求12至14中任一項所述的方法，所述預定值是2. 5微米。
16. 根據權利要求12至14中任一項所述的方法，其中，所述預定時間段是3分鐘。
【文檔編號】G01N15/06GK104422638SQ201310363270
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】張彤, 劉宇, 李浩鵬 申請人:夏普株式會社
專業數控銑床產品供應商
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