CN110095390A - 测量设备、环境测量设备和测量方法 - Google Patents

测量设备、环境测量设备和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测量设备、环境测量设备和测量方法。测量设备包括：测量容器，其包括空气入口和空气出口；风扇；光源，其被配置成用光照射微颗粒物质；光检测器，其被配置成检测来自微颗粒物质的散射光；第一电路，其被配置成基于光检测器的输出检测微颗粒物质的个体颗粒；第二电路，其被配置成基于光检测器的输出检测微颗粒物质的微颗粒群；开关，其被配置成切换到第一状态和第二状态中之一，在第一状态下，光检测器的输出被输入到第一电路，在第二状态下，光检测器的输出被输入到第二电路；以及控制器，其被配置成控制风扇的驱动和停止、光源的接通和关闭以及开关的状态的切换。

Description

测量设备、环境测量设备和测量方法
技术领域
本文讨论的实施方式涉及用于测量微颗粒物质的浓度的测量设备、环境测量设备和测量方法。
背景技术
大气中包含的微颗粒物质的浓度被用作空气污染的指标之一。例如，近些年来，已经安装了很多大气测量站，以根据与对健康的影响的关系来测量微颗粒物质的浓度例如PM2.5。大气测量站使用例如贝塔(β)射线衰减型测量设备或锥形元件振荡微天平(TaperedElement Oscillating Microbalance，TEOM)型测量设备来测量微颗粒物质的浓度。然而，由于这些测量设备昂贵并且尺寸大，因此它们不适合供例如个体使用。
同时，已经提出了使用光散射方法的简单测量设备。这样的测量设备通过对通过用光照射颗粒而获得的散射光进行测量来测量微颗粒物质的浓度。由于使用光散射方法的测量设备比在大气测量站中使用的测量设备便宜、紧凑且容易使用，因此它适合供例如个体使用。因此，使用光散射方法的测量设备经常用于测量用户周围的环境例如工作环境。
在使用光散射方法的测量设备长时间段使用的情况下，由于光学***例如光源或者光检测器的表面被污染，因此测量值变得不准确。污染的原因是微颗粒物质，微颗粒物质是主要的测量目标并且附着在光学***例如光源或者光检测器的表面。然而，在出于防止由微颗粒物质造成的污染的目的而在测量设备中安装过滤器时，作为测量目标的微颗粒物质的测量值将会受到影响。因此，在测量设备中安装过滤器是不优选的。同时，在清洁光学***时，测量设备的测量精度被恢复，但是却增加了与清洁相关联的处理的数量。例如，在长时间段地连续在无人状态下进行操作的测量设备的情况下，增加与清洁相关联的处理的数量是不优选的。然而，在不增加与清洁相关联的处理的数量的情况下，难以通过抑制光学***的污染的影响来以高精度测量微颗粒物质的浓度。
另外，作为通过光散射方法测量散射光的方法，已经提出了各种方法，例如下面将要描述的计数检测方法和模拟检测方法。
计数检测方法通过检测当微颗粒物质通过光检测器的视场时产生的光脉冲来对个体微颗粒(individual micro-particles)进行计数。因此，计数检测方法对于低浓度微颗粒物质具有较高的测量精度，但是与低浓度微颗粒物质相比，对于高浓度微颗粒物质具有较低的测量精度。这是因为，在微颗粒的数量大时，在通过计数检测方法测量高浓度微颗粒物质的情况下，由于微颗粒的计数丢失而发生饱和。
同时，模拟检测方法对通过用光照射颗粒群而获得的反射光的光强度进行测量。因此，模拟检测方法对于高浓度微颗粒物质具有较高的测量精度，但是与高浓度微颗粒物质相比，对于低浓度微颗粒物质具有较低的测量精度。在通过模拟检测方法测量低浓度微颗粒物质的情况下，由于例如从光源发射的光的光强度的不稳定性，低浓度微颗粒物质的测量精度相对低于高浓度微颗粒物质的测量精度。
因此，通过使用光散射方法的简单测量设备，难以以高精度对从低浓度微颗粒物质至高浓度微颗粒物质的范围内的微颗粒物质的浓度进行连续测量。
在例如日本特开专利公报第2009-030988号和第2006-010353号中公开了相关技术。
发明内容
根据实施方式的一个方面，测量设备包括：测量容器，其包括空气入口和空气出口；风扇，其被安装在空气出口处；光源，其被配置成用光照射布置在测量容器中的微颗粒物质；光检测器，其被配置成检测来自测量容器中的微颗粒物质的散射光；第一电路，其被配置成基于光检测器的输出来检测在测量容器中从空气入口流动到空气出口的微颗粒物质的个体颗粒；第二电路，其被配置成基于光检测器的输出来检测在测量容器中从空气入口流动到空气出口的微颗粒物质的微颗粒群；开关，其被配置成切换到第一状态和第二状态中之一，在第一状态下，光检测器的输出被输入到第一电路，在第二状态下，光检测器的输出被输入到第二电路；以及控制器，其被配置成控制风扇的驱动和停止、光源的接通和关闭以及开关的状态的切换，其中，控制器在风扇正被驱动的情况下接通光源，控制器控制开关，使得在根据第一电路的输出计算的微颗粒物质的浓度等于或者大于阈值时状态被切换到第二状态，并且在根据第二电路的输出计算的微颗粒物质的浓度小于阈值时切换开关以进入第一状态。
附图说明
图1是示出根据实施方式的测量设备的视图；
图2是用于说明微颗粒物质的浓度与ADC的数字输出值之间的关系的示例的视图；
图3是示意性地示出校准曲线的斜率与零点的移动量之间的关系的示例的视图；
图4是用于说明计数检测方法的视图；
图5是用于说明其中通过模拟检测方法检测到的光学***的污染程度被反映在计数检测方法中的示例的视图；
图6是用于说明微颗粒物质的浓度的测量结果的示例的视图；
图7是用于说明微颗粒物质的颗粒直径分布的测量结果的示例的视图；
图8是示出计算机的示例的框图；
图9是用于说明测量设备的操作的示例的流程图；
图10是用于说明测量设备的操作的另一示例的流程图；以及
图11是示出根据实施方式的环境测量设备的示例的框图。
具体实施方式
通过使用光散射方法的简单测量设备，难以在从低浓度到高浓度的宽浓度范围内以高精度测量微颗粒物质。
根据一方面，本公开内容提供了能够在从低浓度到高浓度的宽浓度范围内以高精度测量微颗粒物质的测量设备和测量方法。
在所公开的测量设备和测量方法中，根据微颗粒物质的浓度来切换检测从测量容器中的用光照射的微颗粒物质获得的散射光的方法，使得对于低浓度微颗粒物质采用检测微颗粒物质的个体微颗粒的方法，并且对于高浓度微颗粒物质采用检测微颗粒物质的颗粒群的方法。因此，可以在从低浓度到高浓度的宽浓度范围内测量微颗粒物质。
在下文中，将参照附图来描述根据本公开内容的测量设备和测量方法的实施方式。
实施方式
图1是示出根据实施方式的测量设备的视图。图1示出的测量设备1包括测量容器11、开关12、第一电路13、第二电路14、开关15、控制器16以及输出装置17。
虚拟冲击器(virtual impactor)21安装在测量容器11的空气入口11A处。虚拟冲击器21允许具有小于测量目标颗粒直径的直径的微颗粒物质通过。风扇22安装在测量容器11的空气出口11B处。在该示例中，光源23和光检测器24被安装在测量容器11中。在驱动风扇22旋转的情况下，微颗粒物质通过虚拟冲击器21从空气入口11A被引入到测量容器11中，来自光源23的光照射到微颗粒物质，并且光检测器24接收从微颗粒物质散射的光。光检测器24将接收的散射光转换成电信号，该电信号具有与接收的散射光的光强度对应的信号强度。
测量容器11的形状不受特别限制，但是可以优选地使得图1中所示的从空气入口11A到空气出口11B的大气的气流保持平稳。另外，测量容器11的形状可以优选地使得在测量容器11中便于促进通过光源23进行的对微颗粒物质的光照射和通过光检测器24进行的对来自微颗粒物质的散射光的检测。
光源23的位置不受特别限制，只要光源23能够将光照射到测量容器11中的微颗粒物质即可。例如，在光通过设置在测量容器11中的窗口进行照射的情况下，光源23可以布置在测量容器11的外部。此外，光检测器24的位置也不受特别限制，只要光检测器24能够检测来自测量容器11中的微颗粒物质的散射光即可。例如，在通过设置在测量容器11中的窗口接收散射光的情况下，光检测器24可以布置在测量容器11的外部。
第一电路13是用于通过计数检测方法测量来自微颗粒物质的散射光的电路的示例。基于从光检测器24输出的电信号，第一电路13对在测量容器11中从空气入口11A流动到空气出口11B的微颗粒物质的个体颗粒进行计数。第一电路13包括具有时间常数τ1的放大器131、脉冲高度鉴别器132和计数器133。脉冲高度鉴别器132从由放大器131放大的光检测器24的电信号输出中鉴别具有等于或大于脉冲高度阈值的高度(或幅度)的脉冲波形(下文中也简称为“脉冲”)。例如，在由放大器131放大的光检测器24的电信号输出的信号脉冲的高度等于或大于脉冲高度阈值的情况下，脉冲高度鉴别器132输出信号。计数器133输出通过对由脉冲高度鉴别器132鉴别的具有等于或大于脉冲高度阈值的高度的脉冲的数量进行计数而获得的计数值。
同时，第二电路14是用于通过模拟检测方法测量来自微颗粒物质的散射光的电路的示例。基于从光检测器24输出的电信号，第二电路14检测在测量容器11中从空气入口11A流动到空气出口11B的微颗粒物质的微颗粒群。第二电路14包括具有时间常数τ2的放大器141和模拟到数字转换器(ADC)142。在该示例中，第一电路13的放大器131的时间常数τ1小于第二电路14的放大器141的时间常数τ2。ADC 142将由放大器141放大的光检测器24的电信号输出转换成数字值。例如，ADC 142将由放大器141放大的光检测器24的电信号输出转换成数字输出值，例如数字电压值。
开关12在第一状态下耦接至端子“a”侧，以将光检测器24的电信号输出输入到第一电路13；并且在第二状态下耦接至端子“b”侧，以将光检测器24的电信号输出输入到第二电路14。开关15在第一状态下耦接至端子“a”侧，以将由第一电路输出的计数值输入到控制器16，并且在第二状态下耦接至端子“b”侧，以将由第二电路输出的数字输出值输入到控制器16。
控制器16控制风扇22的驱动(即旋转)和停止、光源23的接通/关闭以及开关12和开关15的状态的切换。控制器16与开关12的状态同步地将开关15的状态控制为第一状态或第二状态。此外，在从第二电路14输入数字输出值的情况下，控制器16基于数字输出值计算微颗粒物质的浓度。在从第一电路13输入计数值的情况下，控制器16基于计数值计算微颗粒物质的浓度。
控制器16在风扇22正被驱动(旋转)的情况下接通光源23，并且当基于从第一电路13输入的计数值计算的浓度等于或大于阈值时，控制器16将开关12和开关15切换到第二状态。当基于从第二电路14输入的数字输出值计算的浓度小于阈值时，控制器16将开关12和开关15切换到第一状态。控制器16为第一电路13的脉冲高度鉴别器132设置脉冲高度阈值，以从由放大器131放大的光检测器24的电信号输出中去除噪声。如稍后描述的，例如，控制器16可以由包括处理器例如CPU和存储装置例如存储器的计算机形成。
输出装置17输出例如由控制器16计算的微颗粒物质的浓度。输出装置17可以由例如用于显示例如微颗粒物质的浓度的显示装置或者用于输出声音的扬声器形成。
在该示例中，第一电路13和第二电路14是物理上分离的电路，但是第一电路13和第二电路14可以合并在单个电路装置(或模块)中。单个电路装置(或模块)可以包括开关12和开关15、第一电路13、第二电路14和控制器16。第一电路13的脉冲高度鉴别器132和计数器133可以由例如数字信号处理器(DSP)等形成。形成脉冲高度鉴别器132和计数器133的单个DSP也可以形成控制器16。
接下来，将描述在第二状态下测量设备1的操作。在第二状态下，开关12和开关15耦接至端子“b”侧。在第二状态下，在控制器16驱动风扇22并使风扇22旋转的情况下，微颗粒物质经由虚拟冲击器21从空气入口11A被引入到测量容器11中。来自光源23的光由微颗粒物质散射并由光检测器24接收。因为测量容器11中的微颗粒物质的浓度与散射光的光强度成比例，所以光检测器24的电信号输出的信号强度反映了微颗粒物质的浓度。因此，可以基于ADC 142的输出来测量微颗粒物质的浓度。
图2是用于说明微颗粒物质的浓度与ADC 142的数字输出值之间的关系的示例的视图。在图2中，竖直轴表示任意单位的ADC 142的数字输出值，并且水平轴表示任意单位的微颗粒物质的浓度。如图2中的细实线Ⅰ所示，ADC 142的数字输出值与微颗粒物质的浓度成比例，但是，由于光学***例如光源23和光检测器24中的杂散光，数字输出值包含偏移值，如图2中的细虚线Ⅱ所示。该偏移值不依赖于微颗粒物质的浓度。因此，可以通过控制器16执行以下步骤ST1至ST4来基于ADC 142的数字输出值计算微颗粒物质的浓度。
在步骤ST1中，控制器16驱动风扇22以将微颗粒物质经由虚拟冲击器21从空气入口11A引入到测量容器11中，并且在该状态下，读取ADC142的数字输出值。在这种情况下，测量到与由微颗粒物质引起的散射光和杂散光的总和对应的光强度。
在步骤ST2中，控制器16使风扇22停止并且直到测量容器11中的微颗粒物质沉降或吸附在内壁上一定时间段之后读取ADC 142的数字输出值。由此测量到杂散光的光强度。直到测量容器11中的微颗粒物质沉降或吸附在内壁上一定时间段可以根据例如测量容器11的大小或形状来设置，并且可以利用实验值来设置。
在步骤ST3中，控制器16将通过从步骤ST1中读取的数字输出值减去步骤ST2中读取的数字输出值而得到的差值除以线Ⅰ的斜率。由此计算出微颗粒物质的浓度。
在步骤ST4中，控制器16重复上述步骤ST1至ST3以使得连续测量成为可能。然而，在步骤ST1至ST3的循环操作期间，控制器16不需要每次都执行步骤ST2，并且可以适当地省略步骤ST2，直到对光学***例如光源23和光检测器24的污染被实验性地预测到时。
在由测量装置1进行的测量持续了长时间段的情况下，由于光学***例如光源23和光检测器24被污染，所以杂散光增加，如图2中的粗虚线Ⅳ所示。相反，由于由微颗粒物质散射的光被光学***例如光源23和光检测器24的污染物遮蔽，所以散射光到达光检测器24的量减少，如图2中的粗实线Ⅲ所示。如可以从图2中看出，在造成光学***的污染时的粗实线Ⅲ的斜率小于在光学***清洁时的细实线Ⅰ的斜率。
例如，杂散光的光强度是指示光学***例如光源23和光检测器24的污染程度的指标，并且指示微颗粒物质的浓度与ADC 142的数字输出值之间的关系的校准曲线的斜率可以被认为是杂散光的光强度的函数。图3是示意性地示出校准曲线的斜率与对应于污染量的零点的移动量之间的关系的示例的视图。在图3中，竖直轴表示任意单位的校准曲线的斜率，并且水平轴表示任意单位的与污染量对应的零点的移动量。如图3所示，由于光学***例如光源23和光检测器24的污染物随着测量设备1的使用时间而逐渐累积，因此污染量不断地变化。
杂散光的光强度与校准曲线的斜率之间的关系依赖于实际光学***的设计和附着物的成分。因此，在由实施方式中的测量设备1进行的实际测量之前，微颗粒物质浓度测量设备和实施方式中的测量设备1同时并行地测量浓度。可以根据由微颗粒物质浓度测量设备和实施方式中的测量设备1中的每一个测量的微颗粒物质浓度来实验性地获得指示杂散光的光强度与校准曲线的斜率之间的关系的表达式。
在第二状态下，为了检测微颗粒物质的微颗粒群，控制器16可以控制光源23，使得光源23以脉冲方式接通。在这种情况下，将用于检测来自光源23的光脉冲的光检测器24的电信号输出经由第二电路14的放大器141输入到ADC 142。因此，通过与脉冲接通同步地执行检测，与光源23始终接通的情况相比，ADC 142能够以更高的功耗来测量微颗粒物质的浓度。
接下来，将描述在第一状态下测量设备1的操作。在基于从第二电路14输入的数字输出值计算的微颗粒物质的浓度小于阈值的情况下，控制器16将开关12和开关15切换到端子“a”侧以进入第一状态。在第一状态下，当控制器16驱动风扇22并使风扇22旋转时，微颗粒物质经由虚拟冲击器21从空气入口11A被引入到测量容器11中。来自光源23的光由微颗粒物质散射并由光检测器24接收。由于测量容器11中的微颗粒物质的浓度与散射光的光强度成比例，因此光检测器24的电信号输出的信号强度反映微颗粒物质的浓度。因此，可以基于通过对由放大器131放大的光检测器24的电信号输出中的由脉冲高度鉴别器132鉴别的具有等于或大于脉冲高度阈值的高度的脉冲的数量进行计数而获得的计数值来测量微颗粒物质的浓度。
图4是用于说明由第一电路13使用的计数检测方法的视图。图5是用于说明其中通过由第二电路14使用的模拟检测方法检测到的光学***的污染程度被反映在由第一电路13使用的计数检测方法中的示例的视图。在图4和图5中，竖直轴表示任意单位的光检测器24的电信号输出的信号强度，并且水平轴表示任意单位的时间。光检测器24的电信号输出的信号强度与检测到的光强度对应。
如图4所示，当微颗粒物质穿过光检测器24的视场时，与散射光对应的脉冲波形出现在光检测器24的电信号输出中。与散射光对应的脉冲高度值例如脉冲波形的高度(或幅度)依赖于例如微颗粒物质的颗粒直径、颗粒的形状和颗粒的反射率而变化。因此，区别于噪声，在脉冲高度鉴别器132中设置脉冲高度阈值T1，以从测量目标中排除具有小于测量目标的颗粒直径的直径的微颗粒物质。通过对由放大器131放大的光检测器24的电信号输出中的由脉冲高度鉴别器132鉴别的具有等于或大于脉冲高度阈值T1的高度的脉冲的数量进行计数，可以测量等于或是小于测量目标颗粒直径的微颗粒物质的浓度。
图6是用于说明微颗粒物质的浓度的测量结果的示例的视图。在图6中，竖直轴表示任意单位的微颗粒物质的浓度，并且水平轴表示任意单位的微颗粒物质的颗粒直径。在图6中，交叉阴影线表示测量目标颗粒直径在r1至rn的范围内的微颗粒物质的浓度。
为了获得微颗粒物质的颗粒直径分布，例如，可以准备多对脉冲高度鉴别器132和计数器133，并且可以针对多个阈值T2、……、Tn(其中n是3或更大的自然数)中的每一个来对由脉冲高度鉴别器132鉴别的脉冲的数量进行计数。在这种情况下，控制器16将开关12和开关15切换到第一状态，并且确定第一电路13的多个脉冲高度鉴别器132的多个阈值T2、……、Tn，并且多个计数器133针对每个阈值T2、……、Tn对由多个脉冲高度鉴别器132鉴别的脉冲的数量进行计数。在多对脉冲高度鉴别器132和计数器133由单个DSP形成的情况下，控制器16可以确定多个阈值T2、……、Tn，并且可以控制DSP以使计数器133针对每个阈值T2、……、Tn对由多个脉冲高度鉴别器132鉴别的脉冲的数量进行计数。以这种方式，控制器16自身控制脉冲高度鉴别器132和计数器133的处理可以由DSP执行。控制器16基于针对每个阈值T2、……、Tn的计数值来计算微颗粒物质的颗粒直径分布。
图7是用于说明微颗粒物质的颗粒直径分布的测量结果的示例的视图。在图7中，竖直轴表示任意单位的微颗粒物质的浓度，并且水平轴表示任意单位的微颗粒物质的颗粒直径。在图7中，阴影线表示具有测量目标颗粒直径的微颗粒物质的颗粒直径分布r1至r2、……、rn-1至rn。
同时，即使在第一状态下的测量设备1的操作期间，光学***例如光源23和光检测器24的污染也会进行。因此，如图5所示，由于至光检测器24的入射光中包括的杂散光而引起的偏移增加，并且脉冲高度值(例如，脉冲波形的高度)减小。因此，期望根据光学***的污染程度将设置在脉冲高度鉴别器132中的阈值T1、T2、……、Tn校正为阈值T'1、T'2、……、T'n。例如，可以通过执行以下步骤ST11至ST15来校正设置在脉冲高度鉴别器132中的阈值。
在步骤ST11中，在通过控制器16驱动风扇22而获得的其中微颗粒物质经由虚拟冲击器21从空气入口11A被引入到测量容器11中的状态下，将开关12和开关15切换到端子“a”侧以进入到第一状态，并确定阈值T1、T2、……、Tn，以正确地检测具有小于测量目标颗粒直径的颗粒直径的微颗粒物质。
在步骤ST12中，控制器16将开关12和开关15切换到端子“b”侧以进入第二状态，并且使风扇22停止。控制器16在直到测量容器11中的微颗粒物质沉降或吸附在内壁上一定时间段之后读取ADC 142的数字输出值，并且测量杂散光的强度。
在步骤ST13中，基于在实际测量之前已经使用第二电路14测量的如图3所示的杂散光的强度与校准曲线的斜率之间的关系，控制器16计算阈值T'1、T'2、……、T'n，并在第一电路13的脉冲高度鉴别器132中设置所述阈值。
在步骤ST14中，控制器16驱动风扇22，以将微颗粒物质经由虚拟冲击器21从空气入口11A引入到测量容器11中，将开关12和开关15切换到端子“a”侧以进入第一状态，并读取第一电路13的计数器133的计数值。
在步骤ST15中，控制器16重复步骤ST12至ST14。
然而，在步骤ST12至ST14的循环操作期间，控制器16不需要每次都执行步骤ST12，并且可以适当地省略步骤ST12，直到实验性地预测到光学***的污染进展时。
因此，可以根据在第二状态下光检测器24的电信号输出的漂移量来估计光学***的污染程度，并且可以通过使用与污染量对应的校准曲线来保持第二状态下的浓度测量的精度。此外，通过在第一状态时的脉冲高度阈值的设置中反映污染量，可以执行浓度测量，其中即使在第一状态下，污染的影响也受到抑制。
图8是示出计算机的示例的框图。图8中示出的计算机50包括：作为处理器的示例的CPU(中央处理单元)51；作为存储装置的示例的存储器52；以及作为输出装置的示例的显示器53。存储器52可以形成存储由CPU 51执行的程序的计算机可读存储介质的示例。计算机可读存储介质或存储装置可以是例如：便携式记录介质例如CD-ROM(致密盘只读存储器)、DVD(数字通用光盘)或USB(通用串行总线)存储器；半导体存储器例如闪存；或者使用例如磁盘、光盘或磁光盘的盘驱动器。存储器52能够存储各种数据，例如在由CPU 51执行的计算中使用的参数以及计算的中间结果和最终结果。CPU 51能够执行存储在存储器52中的程序并且可以执行控制器16的处理。显示器53能够显示例如由CPU 51计算的微颗粒物质的浓度、微颗粒物质的颗粒直径分布以及包括对用户的维护警告的消息。
接下来，将参照图9和图10描述测量设备1的操作的示例。图9和图10是用于说明测量设备的操作的示例的流程图。图9和图10中示出的处理可以由例如测量设备1的控制器16或图8中示出的CPU 51执行。为了便于描述，下面将描述CPU 51执行图9和图10的处理的示例。
在图9所示的步骤S1中，CPU 51使风扇22停止。在步骤S2中，CPU 51切换开关12和开关15以进入第二状态。在步骤S3中，CPU 51以脉冲方式接通光源23。在步骤S4中，CPU 51从第二电路14读取数字输出值并测量光强度。在步骤S5中，CPU 51确定测量的光强度是否等于或小于设定值。在确定结果为否的情况下，处理进行到步骤S6。在确定结果为是的情况下，处理进行到步骤S7。在步骤S6中，CPU 51输出维护警告以通知用户测量设备1需要维护，例如清洁光学***。输出维护警告的方法不受特别限制，并且可以显示在例如图8示出的包括在测量设备1中的计算机50的显示器53上。
同时，在步骤S7中，CPU 51计算用于第二电路14的校准曲线、用于第一电路13的校准曲线以及用于第一状态与第二状态之间的状态切换的阈值。在步骤S8中，CPU 51驱动风扇22并使风扇22旋转。在步骤S9中，CPU 51从第二电路14读取数字输出值并测量光强度。在步骤S10中，CPU 51使用用于第二电路14的校准曲线以将数字输出值转换成微颗粒物质的浓度。在步骤S11中，CPU 51确定微颗粒物质的浓度是否等于或大于阈值。在确定结果为是的情况下，处理进行到步骤S12。同时，在步骤S11中的确定结果为否的情况下，处理进行到稍后将描述的图10中所示的步骤S16。
在步骤S12中，CPU 51将微颗粒物质的浓度输出到输出装置17。在步骤S13中，CPU51对由CPU 51输出的微颗粒物质的浓度值进行时间积分。在步骤S14中，CPU 51确定来自先前浓度测量的积分值是否超过预定值。在确定结果为否的情况下，处理进行到步骤S15。在确定结果为是的情况下，处理返回到步骤S1。在步骤S15中，CPU 51确定在先前浓度测量之后是否已经经过了特定时间段。在确定结果为否的情况下，处理返回到步骤S9。在确定结果为是的情况下，处理返回到步骤S1。
在图10中示出的步骤S16中，CPU 51切换开关12和开关15以进入第一状态。在步骤S17中，CPU 51设置在第一电路13的脉冲高度鉴别器132中的脉冲高度阈值。在步骤S18中，CPU 51总是接通光源23。在步骤S19中，CPU 51读取由第一电路13的脉冲高度鉴别器132鉴别的脉冲的数量的计数值，所述脉冲的数量由第一电路13的计数器133进行计数。在步骤S20，CPU 51将使用用于第一电路13的校准曲线读取的计数值转换成微颗粒物质的浓度。在步骤S21中，CPU 51确定微颗粒物质的浓度是否等于或大于阈值。在确定结果为是的情况下，处理进行到步骤S22。同时，在步骤S21中的确定结果为否的情况下，处理进行到稍后要描述的步骤S23。在步骤S22中，CPU 51切换开关12和开关15以进入第二状态，并且处理返回到图9示出的步骤S9。
在步骤S23中，CPU 51将微颗粒物质的浓度输出到输出装置17。在步骤S24中，CPU51对由CPU 51输出的微颗粒物质的浓度值进行时间积分。在步骤S25中，CPU 51确定来自先前浓度测量的积分值是否超过预定值。在确定结果为否的情况下，处理进行到步骤S26。在确定结果为是的情况下，处理返回到图9中所示的步骤S1。在步骤S26中，CPU 51确定在先前浓度测量之后是否已经经过了特定时间段。在确定结果为否的情况下，处理返回到步骤S19。在确定结果为是的情况下，处理返回到图9中示出的步骤S1。
然而，光学***的污染不限于例如光源23和光检测器24的直接污染。例如，在光源23布置在测量容器11的外部并且光通过设置在测量容器11中的窗口进行照射的情况下，设置在窗口中的透明构件被污染。类似地，在光学检测器24布置在测量容器11的外部并且通过设置在测量容器11中的窗口接收散射光的情况下，设置在窗口中的透明构件被污染。
根据上述实施方式，可以在从低浓度到高浓度的宽浓度范围内以高精度测量微颗粒物质。另外，由于使用光散射方法，与在大气测量站中使用的β射线吸收型或TEOM型测量设备相比，可以提供便宜且紧凑的测量设备。此外，通过校正通过长时间段地使用测量设备而产生的测量值的偏差，可以以高精度测量微颗粒物质。因此，通过抑制光学***的污染的影响而不增加与清洁相关联的步骤数，可以以高精度测量微颗粒物质的浓度。
图11是示出根据实施方式的环境测量设备的示例的框图。图11中示出的环境测量设备200包括上述实施方式的测量设备1和传感器单元101。传感器单元101包括用于测量温度、湿度、气压、气体和辐射中的至少之一的公知传感器。根据这样的环境测量设备200，可以以高精度测量在从低浓度到高浓度的宽浓度范围内的测量环境中的微颗粒物质，可以对测量环境中的温度、湿度、气压、气体和辐射中的至少之一进行测量，并且可以并行地测量多种类型的环境信息。此外，由于测量设备1能够在抑制光学***的污染的影响而不增加与清洁相关联的处理的数量的情况下，以高精度测量微颗粒物质的浓度，因此通过使用适当的传感器单元101，可以在长时间段内以高精度测量多种类型的环境信息。

Claims (17)

1.一种测量设备，包括：
测量容器，其包括空气入口和空气出口；
风扇，其被安装在所述空气出口处；
光源，其被配置成用光照射布置在所述测量容器中的微颗粒物质；
光检测器，其被配置成检测来自所述测量容器中的微颗粒物质的散射光；
第一电路，其被配置成基于所述光检测器的输出来检测在所述测量容器中从所述空气入口流动到所述空气出口的微颗粒物质的个体颗粒；
第二电路，其被配置成基于所述光检测器的输出来检测在所述测量容器中从所述空气入口流动到所述空气出口的微颗粒物质的微颗粒群；
开关，其被配置成切换到第一状态和第二状态中之一，在所述第一状态下，所述光检测器的输出被输入到所述第一电路，在所述第二状态下，所述光检测器的输出被输入到所述第二电路；以及
控制器，其被配置成控制所述风扇的驱动和停止、所述光源的接通和关闭以及所述开关的状态的切换；
其中，所述控制器在所述风扇正被驱动的情况下接通所述光源，所述控制器控制所述开关，使得在根据所述第一电路的输出计算的微颗粒物质的浓度等于或者大于阈值时状态被切换到所述第二状态，并且在根据所述第二电路的输出计算的微颗粒物质的浓度小于所述阈值时切换所述开关以进入所述第一状态。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述第一电路包括：脉冲高度鉴别器，所述光检测器的输出经由所述开关被输入到所述脉冲高度鉴别器；以及计数器，所述脉冲高度鉴别器的输出被输入到所述计数器；
所述第二电路包括模拟到数字转换器，所述光检测器的输出经由所述开关被输入到所述模拟到数字转换器；
所述控制器设置脉冲高度阈值；并且
所述计数器对由所述脉冲高度鉴别器鉴别的等于或大于所述脉冲高度阈值的脉冲的数量进行计数。
3.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述控制器切换所述开关以进入所述第二状态，基于在所述光源接通的情况下所述风扇停止后已经经过一定时间段之后所述模拟到数字转换器的输出来确定将所述模拟到数字转换器的输出转换成所述微颗粒物质的浓度的转换函数，在所述光源接通的情况下驱动所述风扇，并且基于所述模拟到数字转换器的输出和所述转换函数来计算所述微颗粒物质的浓度。
4.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述控制器控制所述开关使得状态被切换到所述第二状态，并且基于在所述光源接通的情况下所述风扇停止后已经经过一定时间段之后所述模拟到数字转换器的输出来确定所述脉冲高度鉴别器的所述脉冲高度阈值；并且
所述控制器切换所述开关以进入所述第一状态，在所述光源接通的情况下驱动所述风扇，在所述脉冲高度鉴别器中设置所述脉冲高度阈值，并且基于所述计数器的计数值计算所述微颗粒物质的浓度。
5.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述控制器切换所述开关以进入所述第二状态，并且基于在所述光源接通的情况下所述风扇停止后已经经过一定时间段之后所述模拟到数字转换器的输出来校正所述脉冲高度阈值。
6.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述控制器切换所述开关以进入所述第一状态，并确定所述脉冲高度鉴别器的多个脉冲高度阈值；
所述计数器针对每个脉冲高度阈值对由所述脉冲高度鉴别器鉴别的脉冲的数量进行计数；并且
所述控制器基于针对每个脉冲高度阈值的计数值计算所述微颗粒物质的颗粒直径分布。
7.根据权利要求1所述的测量设备，其中，在所述第二状态下，所述控制器以脉冲方式接通所述光源。
8.根据权利要求1所述的测量设备，还包括：第二开关，所述第二开关被配置成在所述第一状态下将所述第一电路的输出输入到所述控制器，并且在所述第二状态下将所述第二电路的输出输入到所述控制器，
其中，所述控制器与所述开关的状态同步地将所述第二开关的状态切换到所述第一状态或者所述第二状态。
9.根据权利要求1所述的测量设备，还包括：虚拟冲击器，所述虚拟冲击器被安装在所述空气入口处，并且被配置成经由所述空气入口将具有小于测量目标的颗粒直径的颗粒直径的微颗粒物质引入到所述测量容器中。
10.一种环境测量设备，包括：
测量设备；以及
传感器单元，其被配置成测量温度、湿度、气压、气体和辐射中的至少之一，
其中，所述测量设备包括：
测量容器，其包括空气入口和空气出口；
风扇，其被安装在所述空气出口处；
光源，其被配置成用光照射布置在所述测量容器中的微颗粒物质；
光检测器，其被配置成检测来自所述测量容器中的微颗粒物质的散射光；
第一电路，其被配置成基于所述光检测器的输出来检测在所述测量容器中从所述空气入口流动到所述空气出口的微颗粒物质的个体颗粒；
第二电路，其被配置成基于所述光检测器的输出来检测在所述测量容器中从所述空气入口流动到所述空气出口的微颗粒物质的微颗粒群；
开关，其被配置成切换到第一状态和第二状态中之一，在所述第一状态下，所述光检测器的输出被输入到所述第一电路，在第二状态下，所述光检测器的输出被输入到所述第二电路；以及
控制器，其被配置成控制所述风扇的驱动和停止、所述光源的接通和关闭以及所述开关的状态的切换，
其中，所述控制器在所述风扇正被驱动的情况下接通所述光源，所述控制器控制所述开关，使得在根据所述第一电路的输出计算的微颗粒物质的浓度等于或者大于阈值时状态被切换到所述第二状态，并且控制所述开关使得在根据所述第二电路的输出计算的微颗粒物质的浓度小于所述阈值时状态被切换到所述第一状态，
其中，所述测量设备和所述传感器单元并行操作。
11.一种测量方法，包括：
通过在测量容器中用来自光源的光照射微颗粒物质，来由光检测器检测来自从空气入口流动到空气出口的微颗粒物质的散射光，在所述空气出口处安装有风扇；
在第一状态下通过第一电路基于所述光检测器的输出来检测所述微颗粒物质的个体颗粒；
在第二状态下通过第二电路基于所述光检测器的输出来检测所述微颗粒物质的微颗粒群；以及
通过控制器控制所述光源以在所述风扇正被驱动的情况下接通，控制开关以在根据所述第一电路的输出计算的微颗粒物质的浓度等于或大于阈值时进入所述第二状态，并且控制所述开关以在根据所述第二电路的输出计算的微颗粒物质的浓度小于所述阈值时进入所述第一状态。
12.根据权利要求11所述的测量方法，其中，所述第一电路包括：脉冲高度鉴别器，所述光检测器的输出经由所述开关被输入到所述脉冲高度鉴别器；以及计数器，所述脉冲高度鉴别器的输出被输入到所述计数器，
所述控制器设置脉冲高度阈值，并且
所述计数器对由所述脉冲高度鉴别器鉴别的等于或大于所述脉冲高度阈值的脉冲的数量进行计数。
13.根据权利要求12所述的测量方法，其中，所述控制器切换所述开关以进入所述第二状态，并且基于在所述光源接通的情况下所述风扇停止后已经经过一定时间段之后所述第二电路的模拟到数字转换器的输出来确定将所述模拟到数字转换器的输出转换成所述微颗粒物质的浓度的转换函数，并且
在所述第二状态下，所述控制器在所述光源接通的情况下驱动所述风扇，并且基于所述模拟到数字转换器的输出和所述转换函数来计算所述微颗粒物质的浓度。
14.根据权利要求12所述的测量方法，其中，在所述第二状态下，所述控制器基于在所述光源接通的情况下所述风扇停止后已经经过一定时间段之后所述第二电路的所述模拟到数字转换器的输出来确定所述脉冲高度鉴别器的所述脉冲高度阈值，并且
在所述第一状态下，所述控制器在所述光源接通的情况下驱动所述风扇，在所述脉冲高度鉴别器中设置所述脉冲高度阈值，并且基于所述计数器的计数值计算所述微颗粒物质的浓度。
15.根据权利要求12所述的测量方法，其中，在所述第二状态下，所述控制器基于在所述光源接通的情况下所述风扇停止后已经经过一定时间段之后所述第二电路的所述模拟到数字转换器的输出来校正所述脉冲高度阈值。
16.根据权利要求12所述的测量方法，其中，所述控制器确定在所述第一状态下所述脉冲高度鉴别器的多个脉冲高度阈值，
所述计数器针对每个脉冲高度阈值对由所述脉冲高度鉴别器鉴别的脉冲的数量进行计数；以及
所述控制器基于针对每个脉冲高度阈值的计数值计算所述微颗粒物质的颗粒直径分布。
17.根据权利要求11所述的测量方法，其中，在所述第二状态下，所述控制器以脉冲方式接通所述光源。
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