本發(fā)明涉及一種用于同時(shí)測(cè)量細(xì)顆粒物濃度pm1、pm2.5和pm10的方法和系統(tǒng)。

本發(fā)明涉及至少一種用于在使用光度測(cè)量的散射光單元的情況下尤其是同時(shí)測(cè)量和顯示優(yōu)選處于流動(dòng)中的不同顆粒物濃度、尤其是細(xì)顆粒物濃度的方法，該散射光單元包括發(fā)射優(yōu)選脈沖的光信號(hào)的光發(fā)射器和以角度設(shè)置的光敏接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)接收構(gòu)成顆粒物濃度的顆粒的散射光，其中，待檢測(cè)流體的有利穿流以大多數(shù)情況下垂直于光發(fā)射單元和光接收單元的定向進(jìn)行。

本發(fā)明還涉及一種用于同時(shí)測(cè)量和顯示不同顆粒物濃度的裝置。

背景技術(shù)：

在城市和工業(yè)區(qū)中，通過(guò)燃燒過(guò)程產(chǎn)生非常高的細(xì)顆粒物濃度。有時(shí)這些值如此之高(>100至200μg/m³)，以致于長(zhǎng)久在這些區(qū)域中居住有害健康。北京和上海等城市已被世界衛(wèi)生組織(who)列為不再適宜居住的地區(qū)。如果試圖精確測(cè)量不同的細(xì)顆粒物濃度、如精確到1至2μg/m³，那么這會(huì)與非常高的耗費(fèi)和成本相關(guān)聯(lián)(3000至30000歐元)。光度測(cè)量和重力測(cè)量系統(tǒng)已證明有效。散射光光度計(jì)或重力測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理目前屬于現(xiàn)有技術(shù)。許多公司、如阿波羅(apollo)、霍尼韋爾(honeywell)、夏普(sharp)、shinjei和其它公司出售成本相對(duì)低(10至20歐元)的oem傳感器。這些oem傳感器的精度約為25至100μg/m³。由此可控制室內(nèi)空氣凈化器，其在50至100μg/m³濃度時(shí)開(kāi)始凈化并在約20μg/m³時(shí)再次關(guān)閉。知名品牌都已為室內(nèi)空氣凈化器配備了這種傳感器。但目前還不能更精確、長(zhǎng)期可靠地確定細(xì)顆粒物濃度。但由于對(duì)低成本確定細(xì)顆粒物濃度存在很大的需求并且以及為了保護(hù)生命健康，已研發(fā)出一種新的、低成本的方法來(lái)檢測(cè)所謂的“顆粒物”、簡(jiǎn)稱pm。通常確定平均顆粒尺寸為1.0μm、2.5μm和10μm的pm1.0、pm2.5和pm10。該方法不僅可確定一個(gè)級(jí)別、如重要的pm2.5，而且也可同時(shí)確定多個(gè)級(jí)別、如pm1.0、pm2.5和pm10。顆粒的分辨極限約為0.3μm。因此甚至能夠可靠且精確地確定pm0.5。因此可在直至100μg/m³的測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)少量幾個(gè)μg/m³的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)在于，提供至少一種開(kāi)頭所提類型的方法，借助該方法可改善不同顆粒物濃度、尤其是細(xì)顆粒物濃度的測(cè)量。

此外，應(yīng)提供一種用于同時(shí)測(cè)量和顯示不同顆粒物濃度、尤其是細(xì)顆粒物濃度的裝置，該裝置優(yōu)選適合用于實(shí)施所述方法。該任務(wù)通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1和9所述的方法以及根據(jù)權(quán)利要求16和19所述的裝置得以解決。有利的實(shí)施方式由從屬權(quán)利要求給出。

在方法方面，根據(jù)本發(fā)明，所述任務(wù)以下述方式解決：將具有測(cè)量體積的散射光單元?dú)饷苊芊?。在第一方法步驟中，至少一個(gè)流體入口和/或至少一個(gè)流體出口不在此列并且被打開(kāi)，所述至少一個(gè)流體入口和/或所述至少一個(gè)流體出口設(shè)有截止裝置，所述散射光單元以其測(cè)量體積受控地被加載待檢測(cè)流體的樣本，并且記錄可預(yù)規(guī)定的第一數(shù)目的測(cè)量值。第一數(shù)目的測(cè)量值的記錄重復(fù)進(jìn)行，尤其是只要進(jìn)行測(cè)量就持續(xù)進(jìn)行。

通過(guò)氣密密封散射光單元來(lái)防止不希望的顆粒通過(guò)散射光單元?dú)んw中的間隙或裂縫侵入測(cè)量體積中并在那里污染待檢測(cè)流體，待檢測(cè)流體僅能并且能受控地通過(guò)流體入口或出口進(jìn)入散射光單元或離開(kāi)散射光單元。即使是僅具有10μm開(kāi)口寬度的極小間隙已經(jīng)對(duì)于1μm大的顆粒構(gòu)成大開(kāi)口。這種細(xì)顆粒在空氣中濃度很高、通常是每立方厘米1000至10000個(gè)納米顆粒。在街道交通中該濃度可增加至107每立方厘米。因此很容易想到，當(dāng)散射光單元沒(méi)有氣密密封時(shí)，細(xì)顆粒會(huì)不受控地進(jìn)入散射光單元中，它們會(huì)在內(nèi)部污染散射光單元并且污染待檢測(cè)樣本。該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，散射光單元可隨時(shí)重新校準(zhǔn)。為此，在該方法的一種進(jìn)一步改進(jìn)中，在可截止的流體入口或在可截止的流體出口處，將優(yōu)選通過(guò)泵單元輸送的、借助穿流過(guò)的零過(guò)濾器過(guò)濾的、幾乎無(wú)顆粒的流體引入測(cè)量體積中，并且記錄可預(yù)規(guī)定的第一數(shù)目的測(cè)量值，將這些測(cè)量值作為零水平存儲(chǔ)。零過(guò)濾器在理想情況下從空氣中過(guò)濾掉所有大于氣體分子的顆粒，實(shí)際的零過(guò)濾器至少?gòu)目諝庵羞^(guò)濾掉所有大于0.2μm的顆粒。因此過(guò)濾后的流體、如空氣因而可被視為無(wú)顆粒的。泵單元優(yōu)選構(gòu)造為膜片式泵，當(dāng)該泵未處于泵運(yùn)行中時(shí)，將該泵如同截止閥進(jìn)行那樣密封。作為替代方案，也可使用其它的設(shè)有附加截止閥的泵。

有利的是，在記錄可預(yù)規(guī)定的第一數(shù)目的測(cè)量值并將其存儲(chǔ)為零水平之前，手動(dòng)或自動(dòng)截止流體入口和流體出口。但特別有利的是，為了記錄第一數(shù)目的測(cè)量值而在散射光單元中產(chǎn)生流動(dòng)。這可借助第一旁路、泵單元和附加截止閥或借助第二旁路和附加泵單元實(shí)現(xiàn)。旁路可通過(guò)單獨(dú)的閥接入并且實(shí)現(xiàn)流體循環(huán)。

在本方法的一種進(jìn)一步改進(jìn)中，打開(kāi)第一和/或第二截止裝置，為測(cè)量體積加載待檢測(cè)流體，并且關(guān)閉第一和/或第二截止裝置。有利的是，在現(xiàn)在再次被完全氣密密封的散射光單元中產(chǎn)生流動(dòng)，由此，待檢測(cè)流體可循環(huán)。在此對(duì)于記錄可預(yù)規(guī)定的第一數(shù)目的測(cè)量值而言有利的是，這在所述流動(dòng)期間進(jìn)行。與在流體入口和出口被打開(kāi)時(shí)記錄測(cè)量值相比，本方法的該改進(jìn)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)，即，可在較長(zhǎng)時(shí)間上檢測(cè)待檢測(cè)流體樣本。

本發(fā)明方法可通過(guò)下述方式進(jìn)一步改進(jìn)，即，優(yōu)選在使用抽吸單元或泵單元的情況下尤其是在記錄測(cè)量值期間能使待檢測(cè)流體以盡可能恒定的流速穿流散射光單元。在本方法中適宜的是，借助微處理器控制所述散射光單元和一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，分析和再處理光接收單元的和其它傳感器的相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，并且借助顯示單元顯示所述分析和/或再處理的結(jié)果。這樣的子系統(tǒng)可包括其它傳感器，如濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和氣體傳感器。通過(guò)將這些附加傳感器的測(cè)量值納入分析中可進(jìn)一步改進(jìn)散射光單元的測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果。此外，可獨(dú)立處理和顯示這些子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

通過(guò)借助微處理器來(lái)控制所述光發(fā)射單元，可根據(jù)脈沖寬度、脈沖高度和脈沖頻率自由選擇和調(diào)節(jié)地產(chǎn)生光脈沖，所述光脈沖由散射光單元發(fā)出。由此例如可抵抗散射光單元的劣化。

本發(fā)明的另一方面(其一方面有利于改進(jìn)之前所描述的方法，但另一方面也單獨(dú)具有改進(jìn)顆粒物濃度測(cè)量的潛力)在于，在第一數(shù)目的測(cè)量值中將測(cè)量值根據(jù)它們的大小分類、尤其是按升序從最小測(cè)量值到最大測(cè)量值分類。該分類能夠?qū)崿F(xiàn)充分利用在積分測(cè)量顆粒物濃度時(shí)得出的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，其中在該測(cè)量期間多種顆粒位于測(cè)量體積中。

本發(fā)明的該方面也單獨(dú)具有改進(jìn)顆粒物濃度測(cè)量的潛力并且相應(yīng)表現(xiàn)為一種用于在使用光學(xué)散射光顆粒物測(cè)量系統(tǒng)的情況下測(cè)量顆粒物濃度、尤其是細(xì)顆粒物濃度的方法，該散射光顆粒物測(cè)量系統(tǒng)包括具有測(cè)量體積的光度測(cè)量的散射光單元，所述散射光單元具有至少一個(gè)發(fā)射尤其是脈沖的光信號(hào)的光發(fā)射器和以至少一個(gè)角度設(shè)置的光敏接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)接收構(gòu)成顆粒物濃度的顆粒的散射光，其中，檢測(cè)光接收單元的信號(hào)并且在第一數(shù)目的檢測(cè)到的信號(hào)中將相配的測(cè)量值根據(jù)它們的大小分類、尤其是按升序從最小測(cè)量值到最大測(cè)量值分類。

優(yōu)選為了形成第一數(shù)目的測(cè)量值，在上述方法中首先記錄可預(yù)規(guī)定的第二數(shù)目的測(cè)量值。由該可預(yù)規(guī)定的第二數(shù)目的信號(hào)測(cè)量值獲得一個(gè)特征值，其優(yōu)選可以是最大值或平均值。第二數(shù)目的測(cè)量值的該特征值隨后用作第一數(shù)目的測(cè)量值之中的測(cè)量值之一。

有利的是，在本發(fā)明方法中，組合在至少一個(gè)可自由選擇的、尤其是可通過(guò)軟件調(diào)節(jié)的測(cè)量窗內(nèi)的第一數(shù)目的測(cè)量值的分類的測(cè)量值中的至少一部分并且將該至少一部分分配給相應(yīng)的顆粒物濃度。例如當(dāng)分類為第51的值的振幅值為650單位時(shí)為該值分配濃度109μg/m³，而例如當(dāng)?shù)?0－93個(gè)值的振幅值約為700單位時(shí)為這些值分配濃度109μg/m³。

為了校準(zhǔn)用于實(shí)施本發(fā)明方法的測(cè)量系統(tǒng)，在顆粒物濃度接近0μg/m³、優(yōu)選小于1μg/m³時(shí)檢測(cè)第一數(shù)目的測(cè)量值。在將第一數(shù)目的測(cè)量值分類后，將其中的至少一部分存儲(chǔ)為用于一個(gè)pm值的零水平。此外，還可將分類的第一數(shù)目的測(cè)量值的第二部分存儲(chǔ)為用于同一個(gè)pm值的零水平。但也可想到，將分類的第一數(shù)目的測(cè)量值的多個(gè)部分的測(cè)量值存儲(chǔ)為用于多個(gè)不同pm值的零水平并且由此實(shí)現(xiàn)顆粒物測(cè)量系統(tǒng)、尤其是細(xì)顆粒物測(cè)量系統(tǒng)的校零。例如可在濃度為0μg/m³時(shí)將分類的第一數(shù)目的測(cè)量值的第50和51個(gè)(序號(hào))測(cè)量值600存儲(chǔ)為用于pm2.5的零水平。也可將分類的值的第67個(gè)測(cè)量值610存儲(chǔ)為用于pm2.5的零水平。作為替代方案，也可將分類的第50和51個(gè)測(cè)量值600存儲(chǔ)為用于pm1的零水平，將分類的值的第67個(gè)測(cè)量值610存儲(chǔ)為用于pm2.5的零水平并且將分類的值的第95個(gè)測(cè)量值633存儲(chǔ)為用于pm10的零水平。

在此，pm值或者說(shuō)顆粒物值相應(yīng)于顆粒物濃度中的顆粒的平均尺寸。因此，pm0.1表示平均尺寸僅為100nm的超細(xì)顆粒(ufp)。相應(yīng)地，pm1.0、pm2.5和pm10表示具有1、2.5和10μm平均顆粒尺寸的濃度。在此情況下也可這樣定義pm值，使得具有較低值的顆粒級(jí)別(即pm1)包含在具有較高值的級(jí)別(如pm2.5)中，從而pm1包含小于1μm的顆粒，而pm2.5包含小于2.5μm的顆粒。

為了在晚些時(shí)候能夠從測(cè)量值推導(dǎo)出顆粒物濃度，為每個(gè)pm值確定一個(gè)自身的校準(zhǔn)函數(shù)、如[測(cè)量值x常數(shù)x((2.5μg/m³)/測(cè)量單位)－零水平]。該校準(zhǔn)函數(shù)例如可通過(guò)與參考設(shè)備、如顆粒計(jì)數(shù)器的測(cè)量值進(jìn)行比較來(lái)確定。因此，例如在分配pm值、如將第65個(gè)值分配給pm2.5時(shí)，則將當(dāng)前測(cè)量的第65個(gè)值代入校準(zhǔn)函數(shù)中，由此可通過(guò)計(jì)算用于pm2.5的校準(zhǔn)函數(shù)來(lái)獲得pm2.5的當(dāng)前顆粒物濃度。

pm值這樣定位于當(dāng)前測(cè)量值的分類數(shù)組中，使得相應(yīng)平均顆粒尺寸與測(cè)量值序號(hào)相關(guān)聯(lián)。在圖7中例如可看出，測(cè)量值序號(hào)(x軸)從左向右增加并且平均顆粒尺寸1.0、2.5和10與此相關(guān)地也從左向右增加。

特別精確的校準(zhǔn)可如下實(shí)現(xiàn)，即，在不同的顆粒物濃度、尤其是細(xì)顆粒物濃度中可以借助單分散顆粒分布和/或真實(shí)顆粒分布校準(zhǔn)顆粒物測(cè)量系統(tǒng)并且尤其是為每個(gè)pm值單獨(dú)存儲(chǔ)新的校準(zhǔn)值，如零水平、校準(zhǔn)曲線參數(shù)和重力測(cè)量因數(shù)。

在本發(fā)明方法的一種進(jìn)一步改進(jìn)中，不時(shí)地、優(yōu)選定期重復(fù)零水平測(cè)量。通過(guò)比較當(dāng)前零水平與之前的零水平來(lái)確定散射光單元的劣化并且相應(yīng)校正細(xì)顆粒物測(cè)量值。本發(fā)明也示出一種用于測(cè)量和顯示不同顆粒物濃度、如細(xì)顆粒物濃度的裝置，這優(yōu)選為不同pm值同時(shí)進(jìn)行。在此，顆粒物濃度可處于包括至少兩個(gè)相的流動(dòng)中。所述裝置包括優(yōu)選脈沖運(yùn)行的光度測(cè)量的散射光單元。所述散射光單元具有至少一個(gè)發(fā)射優(yōu)選脈沖的光信號(hào)的光發(fā)射單元和至少一個(gè)以一個(gè)或多個(gè)角度設(shè)置的光敏接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)接收顆粒的散射光。根據(jù)本發(fā)明，所述具有測(cè)量體積的散射光單元首先除了流體入口和流體出口之外被氣密密封，并且具有測(cè)量體積的散射光單元在流體入口和流體出口上設(shè)有截止單元，借助所述截止單元可手動(dòng)或自動(dòng)截止流體入口和流體出口。氣密密封十分重要，因?yàn)榉駝t顆粒會(huì)通過(guò)現(xiàn)有間隙不受控地侵入散射光單元中并且會(huì)污染散射光單元或待檢驗(yàn)流體。

有利的是，在散射光單元中在光發(fā)射單元之后和/或光接收單元之前設(shè)有光學(xué)聚焦系統(tǒng)，借助所述聚焦系統(tǒng)可擴(kuò)展和/或準(zhǔn)直或聚焦光束。同樣有利的是，在散射光單元中與光發(fā)射單元相對(duì)置地設(shè)置光學(xué)貯槽，其吸收未散射的光。

此外適宜的是，為了發(fā)射光信號(hào)而使用激光、半導(dǎo)體二極管、白光和/或閃爍光，或者為了接收散射光而使用光電二極管、光電晶體管、光電倍增管和/或光敏cmos芯片。

本發(fā)明也涉及一種用于尤其是同時(shí)測(cè)量和顯示優(yōu)選處于包括至少兩個(gè)相的流動(dòng)中的不同顆粒物濃度、尤其是細(xì)顆粒物濃度的裝置，其包括尤其是脈沖的光度測(cè)量的散射光單元，所述散射光單元具有至少一個(gè)發(fā)射尤其是脈沖的光信號(hào)的光發(fā)射單元和至少一個(gè)以一個(gè)或多個(gè)角度設(shè)置的光敏接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)接收顆粒的散射光。所述裝置包括控制和分析單元，其構(gòu)造用于重復(fù)記錄可預(yù)規(guī)定的第一數(shù)目的測(cè)量值并且將記錄的第一數(shù)目的測(cè)量值根據(jù)它們的大小分類、尤其是按升序從最小測(cè)量值到最大測(cè)量值分類。

附圖說(shuō)明

附圖詳細(xì)地如下示出：

圖1示出散射光單元的示意性一覽圖；

圖2示出包括發(fā)射器、接收器、光擋和聚焦裝置的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)；

圖3示出包括擴(kuò)展了附加子系統(tǒng)的圖1的視圖；

圖4示出一些光發(fā)射脈沖并且圖5示出相配的接收脈沖；

圖6示出測(cè)量值分類以及相配的pm值；

圖7示出測(cè)量值分類以及相配的pm值；

圖8示出不同顆粒物濃度時(shí)的分類測(cè)量順序；

圖9以三維圖示與圖8相同的測(cè)量順序；

圖10示出一個(gè)測(cè)量順序，其借助不同測(cè)量設(shè)備、更確切地說(shuō)借助多個(gè)本發(fā)明測(cè)量設(shè)備和一個(gè)高精度顆粒計(jì)數(shù)器作為參考設(shè)備在廚房?jī)?nèi)被記錄；

圖11示出用于比較本發(fā)明設(shè)備與參考設(shè)備的相關(guān)度；

圖12示出用于相互比較本發(fā)明設(shè)備的相關(guān)度；

圖13示出三個(gè)pm級(jí)別、pm1、pm2.5和pm10的同時(shí)測(cè)量；

圖14以百分比示出在直至10000小時(shí)的時(shí)間段中測(cè)得的發(fā)射二極管的劣化；

圖15示出一種本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)，在該測(cè)量系統(tǒng)中附加地在系統(tǒng)內(nèi)生成的無(wú)顆粒流體、尤其是干燥空氣被導(dǎo)向光學(xué)元件。

具體實(shí)施方式

在圖1中示意性示出“顆粒物”測(cè)量系統(tǒng)、簡(jiǎn)稱pm測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括光度測(cè)量的散射光單元1，其具有優(yōu)選圓形的入口1a和優(yōu)選圓形的出口1b。首先將光度測(cè)量的散射光單元除了入口1a和出口1b之外完全氣密密封，這例如可通過(guò)用氣密膜覆蓋間隙和接縫來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，在該測(cè)量系統(tǒng)中不僅入口可借助入口閥2并且大多數(shù)情況下180度相對(duì)置的出口可借助出口閥3氣密封閉。優(yōu)選電磁閥適合于此，其可簡(jiǎn)單地通過(guò)微處理器來(lái)控制。但其它閥結(jié)構(gòu)類型或截止系統(tǒng)也適合于此。在出口閥3和散射光單元的出口之間借助t形件接入所謂的零過(guò)濾器5。零過(guò)濾器在理想情況下從流體中過(guò)濾掉所有大于氣體分子的顆粒，實(shí)際的零過(guò)濾器至少?gòu)牧黧w中過(guò)濾掉所有大于0.2μm的顆粒。該零過(guò)濾器可通過(guò)電動(dòng)泵單元6被加載以環(huán)境流體、尤其是環(huán)境空氣。該子系統(tǒng)對(duì)于在測(cè)量1－2μg/m³的pm值時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度是十分重要的。在閥打開(kāi)時(shí)，吸氣單元4、優(yōu)選小型靜音的軸流式風(fēng)扇確保優(yōu)選約1l/min的體積流量穿流散射光單元1。

本文所描述的、極精確的測(cè)量方法優(yōu)選開(kāi)始于自身測(cè)試，即，在實(shí)際測(cè)量之前檢測(cè)環(huán)境溫度、環(huán)境空氣濕度、環(huán)境壓力、測(cè)量元件溫度和所謂的零校準(zhǔn)。該系統(tǒng)測(cè)試需要大約30到60秒。在此借助高性能微型計(jì)算機(jī)詢問(wèn)優(yōu)選四個(gè)測(cè)量傳感器，所述傳感器作為子系統(tǒng)連接在總系統(tǒng)中。此外，控制出口閥3來(lái)關(guān)閉抽氣機(jī)4、優(yōu)選靜音軸流式風(fēng)扇的入口。但也可使用小型真空泵。通過(guò)空氣管路中的過(guò)壓，以不含顆粒、優(yōu)選不含大于0.2μm的顆粒的空氣沖洗散射光單元。在此情況下，入口1a用作出口。在短暫的時(shí)間、優(yōu)選20秒后，入口閥2也關(guān)閉?，F(xiàn)在在散射光單元中沒(méi)有大于0.2μm的顆粒。這種小于1μg/m³的低細(xì)顆粒物濃度現(xiàn)在用作零水平。在進(jìn)一步說(shuō)明測(cè)量方法和具體的信號(hào)處理之前，現(xiàn)在在下面說(shuō)明光度測(cè)量系統(tǒng)。

光發(fā)射單元7用作散射光光度計(jì)1的基礎(chǔ)，該光發(fā)射單元發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，如波長(zhǎng)范圍為250至900nm的激光或半導(dǎo)體二極管，但白光或閃爍光也適合于此。該光以如90°至135°之間的一定角度(參見(jiàn)圖2、15)相對(duì)于光接收單元照射到含有顆粒的空氣上?，F(xiàn)在當(dāng)如作為光束13射出的光碰撞到顆粒12表面上時(shí)，根據(jù)顆粒的表面、尺寸及其粗糙度、反射率、形狀、直徑等散射該光的一部分。借助光接收單元8現(xiàn)在可檢測(cè)該散射光并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大用于進(jìn)一步處理。在光發(fā)射單元7之后并且在光接收單元8之前設(shè)有光學(xué)聚焦系統(tǒng)9和10。優(yōu)選也可使用簡(jiǎn)單的透鏡。作為光敏接收器8而大多使用光電二極管、光電晶體管或光電倍增管。在許多數(shù)字相機(jī)中使用的光敏cmos芯片也適合于此。這一改進(jìn)方法適用于所有方案，并且在該改進(jìn)中優(yōu)選使用廉價(jià)的光電二極管和光電晶體管。

在圖3中示意性示出pm測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是具有許多電輸入端和輸出端的高性能微處理器17。通過(guò)脈沖寬度調(diào)制、即pwm法生成用于光發(fā)射單元的、具有長(zhǎng)度29和頻率31的相應(yīng)脈沖28并將其供應(yīng)至散射光光度計(jì)1。借助快速a/d轉(zhuǎn)換器、優(yōu)選以1mhz采樣率對(duì)最大振幅進(jìn)行采樣并且確定局部最大值并借助快速分類程序存儲(chǔ)于緩存裝置中。

為了提高在確定細(xì)顆粒物濃度時(shí)的精度，需要短的發(fā)送信號(hào)28(圖4)或光脈沖(約10至300μs長(zhǎng)、位置29)，其以高頻率31(約0.1khz至0.1mhz范圍)被發(fā)出。作為替代方案，也能以高采樣率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣。此外，具有恒定體積流量的均勻流體流動(dòng)是有利的。測(cè)量元件內(nèi)常見(jiàn)的流體流量約為1l/min。測(cè)量單元中的流速被精確確定為1cm/s并且抽吸單元4的轉(zhuǎn)速借助電位計(jì)被微調(diào)到目標(biāo)值上。光敏接收單元8、在此情況下為廉價(jià)的光電晶體管現(xiàn)在根據(jù)顆粒12在發(fā)射時(shí)刻和在測(cè)量體積16中停留期間的散射14接收許多具有不同振幅的光脈沖。圖5中的接收脈沖32、33、34、35不是矩形的，而是在不可精確預(yù)知的位置上具有局部最大值。但精確檢測(cè)最大振幅對(duì)于精確測(cè)量細(xì)顆粒物質(zhì)濃度是有利的。為此，在優(yōu)選10μs至300μs長(zhǎng)的發(fā)射時(shí)間內(nèi)對(duì)接收到的散射光振幅進(jìn)行多次、優(yōu)選3－5次采樣并且確定最大值、暫存該最大值并且根據(jù)大小分類。每單位時(shí)間的每一個(gè)脈沖給出關(guān)于包含在測(cè)量體積16內(nèi)的所有顆粒(0.3μm至>10μm)的整體信息?；谧匀坏?、不均勻的細(xì)顆粒物濃度，這些值顯著變化。很容易理解，大顆粒、如10μm大的顆粒具有100倍于1μm小的顆粒的散射。但由于通常的細(xì)顆粒物質(zhì)濃度與大顆粒成反比地包含大量小顆粒，因此在一定測(cè)量窗內(nèi)總是檢測(cè)到少量的大顆粒和通常大量的小顆粒的組合物。當(dāng)例如選擇1s的測(cè)量窗時(shí)，可在100hz或300-500hz的發(fā)射頻率或采樣頻率下獲得100個(gè)振幅值，這些振幅值在本方法中現(xiàn)在根據(jù)大小分類。圖6示出常見(jiàn)的分類分布。在圖6中可以看到平臺(tái)、如36a和36b，其可用于確定分辨極限、零水平，例如在本示例中在第48個(gè)分類值處選擇零水平，這大致相應(yīng)于600mv的傳感器偏移電壓。這(即偏移電壓和分類位置)被分配給一種細(xì)顆粒物濃度、如pm2.5-a作為零水平。與此同時(shí)可為第二平臺(tái)、例如第二pm2.5-b分布的第67個(gè)分類值處分配零水平36b。例如每秒檢測(cè)100個(gè)振幅值。通過(guò)對(duì)多個(gè)測(cè)量值求平均值可進(jìn)一步提高pm2.5測(cè)量的精度。由于空間中自然的細(xì)顆粒分布是不均勻的并且在大多數(shù)情況下變化明顯、即+/-1-5μg/m³，借助優(yōu)選10個(gè)測(cè)量值的移動(dòng)平均值計(jì)算pm2.5值是有利的。微處理器17控制優(yōu)選具有3－4個(gè)數(shù)字的字母數(shù)字led顯示單元18，借助其顯示當(dāng)前測(cè)量值。此外，所述微處理器還控制發(fā)光二極管單元19，該發(fā)光二極管單元在臨界細(xì)顆粒水平時(shí)控制不同的發(fā)光二極管并使它們發(fā)光。有利的是，具有綠、黃、紅顏色的交通信號(hào)燈功能適合于此。在pm2.5值最高為24μg/m³時(shí)相應(yīng)的led發(fā)綠光，從25至49μg/m³相應(yīng)的led發(fā)黃光并且從50μg/m³起相應(yīng)的led發(fā)紅光。

除了細(xì)顆粒物濃度外，微處理器也借助相應(yīng)的傳感器20、21、22確定重要的環(huán)境數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和環(huán)境空氣濕度。為了補(bǔ)償溫度波動(dòng)、通常每攝氏度溫差為2至4μg/m³，光度計(jì)單元1也借助溫度傳感器23精確檢測(cè)溫度。精度優(yōu)選為0.1℃。通過(guò)對(duì)測(cè)量電子裝置的溫度變化過(guò)程的提前校準(zhǔn)并確定溫度系數(shù)，即使在很大的溫度范圍、如10-40℃內(nèi)也可顯著改善細(xì)顆粒物測(cè)量值的精度。由此可實(shí)現(xiàn)每攝氏度僅0.1μg/m³的小溫度波動(dòng)。這同樣適用于壓力對(duì)流體體積的影響以及濕度對(duì)顆粒物濃度測(cè)量的影響。借助特殊的程序和校準(zhǔn)可補(bǔ)償或至少大大減小壓力波動(dòng)或高空氣濕度的不利影響。

微處理器17也控制重要的接口24、25、26、27。為了通信并且借助終端程序和各種軟件命令來(lái)控制微處理器，優(yōu)選使用usb接口24。借助附加的rs232接口25和相應(yīng)的市售適配器也可實(shí)現(xiàn)lan接口、wifi接口或藍(lán)牙用于其它通信。使用dac數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的另一輸出端26用來(lái)控制設(shè)備、如風(fēng)扇或室內(nèi)空氣凈化器。借助特殊軟件程序可對(duì)偏移值和dac輸出的斜率進(jìn)行編程。這是有利的，因?yàn)榭稍谙鄳?yīng)臨界值處例如自動(dòng)激活室內(nèi)空氣凈化器并在達(dá)到較低細(xì)顆粒物濃度時(shí)再次關(guān)閉室內(nèi)空氣凈化器(省電模式)。此外，該系統(tǒng)還包括多通道模擬輸入端27用于確定空氣質(zhì)量的其它參數(shù)。通過(guò)這些附加傳感器，例如可同時(shí)測(cè)量和顯示空氣中的co2濃度以及voc(揮發(fā)性有機(jī)化合物)成分。

微處理器優(yōu)選還包括rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于在每次測(cè)量時(shí)、優(yōu)選每秒存儲(chǔ)一個(gè)時(shí)間標(biāo)記。借助容量為數(shù)gb的微sd卡可在一個(gè)測(cè)量文件中存儲(chǔ)該時(shí)間信號(hào)和所有測(cè)量值。這種存儲(chǔ)容量足夠用于進(jìn)行數(shù)年的所有數(shù)據(jù)記錄。

對(duì)于較大的細(xì)顆粒物濃度、如pm2.5優(yōu)選選擇例如約在第65個(gè)分類值處的平臺(tái)并且對(duì)于高的pm10選擇約第95個(gè)值處的值。該方法現(xiàn)在不僅可確定單個(gè)細(xì)顆粒物濃度、如僅pm2.537b，也可同時(shí)確定其它細(xì)顆粒物濃度或者說(shuō)顆粒級(jí)別、如pm1.037a和pm1037c并且這甚至在相同的測(cè)量窗中進(jìn)行，如圖7所示?，F(xiàn)在圍繞所選擇的零偏移值、如第48個(gè)、第67個(gè)和第95個(gè)值通過(guò)加/減n個(gè)值、優(yōu)選其左右1-5個(gè)值來(lái)計(jì)算振幅值的平均值，通過(guò)該措施可進(jìn)一步提高精度。由于在pm10濃度中10μm顆粒的概率與1μm大的顆粒相比很小，因此對(duì)于該應(yīng)用而言更好的是將待分類振幅的數(shù)量從優(yōu)選100個(gè)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)至約1000個(gè)。

在本方法中不僅可借助軟件自由選擇待確定pm級(jí)別的個(gè)數(shù)(1-3個(gè))，而且也可借助軟件命令來(lái)自由選擇偏移值的位置。也可自由選擇待分類測(cè)量值的數(shù)量。優(yōu)選選擇100、300、600、900和6000個(gè)值，這相應(yīng)于1、3、6、9和60秒的測(cè)量窗。借助特殊軟件命令可以在一個(gè)矩陣中輸出每個(gè)測(cè)量窗的分類振幅分布。借助該矩陣可檢驗(yàn)為零水平選擇的參考值是否正確。必要時(shí)還可精調(diào)。

現(xiàn)在如果細(xì)顆粒物濃度升高，則該分類分布也相應(yīng)向更高的振幅值移動(dòng)(650mv至2500mv)，參見(jiàn)圖8中的分布38a至38g。這些示例性列出的7個(gè)分布相應(yīng)于0、20、44、70、109和158μg/m³水平的pm2.5。在借助不同密度、尺寸和形狀的單分散校準(zhǔn)顆粒的大量校準(zhǔn)測(cè)試中記錄、檢測(cè)和分析大量分布。作為參考設(shè)備使用多個(gè)并行運(yùn)行的高精度絕對(duì)氣溶膠光譜儀、如grimm公司的設(shè)備1.107、1.108和1.109。已表明，借助本創(chuàng)新方法可精確到1μg/m³以及在例如確定小于+/-5μg/m³(通常僅+/-2μg/m³)的pm2.5時(shí)的精度在6至60秒長(zhǎng)的測(cè)量窗并且在小于100μg/m³的濃度下(參見(jiàn)圖10，曲線40a至40d)相應(yīng)于在廚房中的真實(shí)測(cè)量。對(duì)于更高的、大于100至10000μg/m³的濃度實(shí)現(xiàn)顯著低于10％讀數(shù)值的精度。在這些參考設(shè)備和第一樣機(jī)之間的相關(guān)性測(cè)量顯示相關(guān)因數(shù)r²10>0.95，通常值是0.98或更多以上，參見(jiàn)圖11。在非常精確的協(xié)調(diào)時(shí)在室內(nèi)真實(shí)條件下甚至達(dá)到0.996(圖11)。在多個(gè)設(shè)備之間的同時(shí)運(yùn)行也在遠(yuǎn)高于r²>0.95(參見(jiàn)圖12，其中r²>0.99)值時(shí)相關(guān)聯(lián)。因此首次可表明，在真實(shí)條件下也可借助新型測(cè)量方法和成本低得多的測(cè)量技術(shù)來(lái)確定細(xì)顆粒物濃度。

如圖13所示，在借助白云石顆粒的進(jìn)一步校準(zhǔn)測(cè)量中驗(yàn)證三個(gè)pm級(jí)別、pm1(43a)、pm2.5(43b)和pm10(43c)的同時(shí)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和真實(shí)條件下的測(cè)量非常有前景。為了使該測(cè)量方式保持長(zhǎng)期穩(wěn)定和穩(wěn)健，應(yīng)考慮光發(fā)射單元的劣化。在例如每秒100個(gè)光脈沖的情況下在每天運(yùn)行8小時(shí)時(shí)產(chǎn)生至少2880000個(gè)脈沖。在圖14中以百分比繪出發(fā)射二極管(45)在高達(dá)10000小時(shí)的時(shí)間段中測(cè)得的劣化。在10000小時(shí)后、即在1250天且每天8小時(shí)或在10800000000個(gè)脈沖后該劣化約為6％。該曲線可借助四階多項(xiàng)式(46)很好地逼近。如果借助rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘檢測(cè)運(yùn)行時(shí)間，則可在較長(zhǎng)時(shí)間、約3.5年中很好地補(bǔ)償該效果。但通常在此期間進(jìn)行校準(zhǔn)、最遲在一年(2500－3000小時(shí)且每天8小時(shí))后。

光學(xué)元件(9)和(10)的污染構(gòu)成對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的另一影響。為了避免這點(diǎn)，在所述系統(tǒng)中光學(xué)元件由優(yōu)選隙縫式噴嘴(48和49)加載以無(wú)顆粒的剪切流，圖15。無(wú)顆粒流部分地由泵單元(6)連同下游的所謂零過(guò)濾器產(chǎn)生。該方法可靠地防止光學(xué)元件或透鏡的污染，這是因?yàn)榧?xì)顆粒不能逆著該流而移動(dòng)。因此使光學(xué)元件可靠地保持為無(wú)顆粒。此外，光學(xué)元件(9)和(10)可設(shè)有由納米顆粒制成的特殊防塵涂層。