[0001] 本文中描述的实施例的某个方面涉及测量装置及测量方法。

[0002] 近来，频繁进行对微粒物质如PM 2.5的浓度测量。每单位体积气体中微粒的质量被用作气体中微粒的浓度单位。微粒浓度是质量浓度。存在作为测量PM 2.5的质量浓度的标准方法(例如，参见日本专利申请公开No.11-502303)的如下方法：将气体的微粒收集到过滤器中并且测量微粒的质量。存在作为能够自动执行测量质量浓度的方法的β射线吸收方法。通过过滤方法或β射线吸收方法获得的浓度是质量浓度。目前，PM 2.5浓度一般被表达为质量浓度。此外，作为简单方法，存在使用如下光散射检测方法的方法：该光散射检测方法使用通过向气体中的微粒辐射光而获得的散射光来测量气体中的微粒的数量。

[0023] 例如，花费24小时或长于24小时的时间使用利用过滤器收集微粒的方法进行单一测量。此外，很难进行自动测量。另一方面，对于β射线吸收方法，可以进行自动测量。然而，测量时间却不够短。测量装置大且昂贵。对于光散射方法，可以进行自动测量而且测量时间短。并且，可以将测量装置小型化，而且测量装置也不贵。然而，能够通过光散射方法测量的浓度不是质量浓度而是与单位体积内微粒的数量相对应的计数浓度。因此，在将计数浓度转变成质量浓度期间可能降低精确度。

[0024] 能够通过光散射方法测量的浓度不是质量浓度而是与每单位体积微粒的数量相对应的计数浓度。气体的湿度对将气体中微粒的计数浓度转变成质量浓度有影响。例如，当气体的湿度变化时，微粒的吸湿量也发生变化。因此，微粒直径的分布和物理化学特性也发生变化。微粒是各种成分的混合物。微粒的吸湿特性因微粒的成分而异。例如，当微粒是硫酸铵时，在90％湿度下光散射的横截面面积是在干燥条件下的光散射的横截面面积的5倍。当微粒是有机物质时，湿度对光散射的横截面面积几乎没有影响。以这种方式，当微粒的成分变化时，微粒的吸湿特性也发生变化。微粒的成分随地点和时间而变化。因此，将计数浓度转变成质量浓度的精确度变得较低。在下面的实施例中，通过简单测量微粒的吸湿特性，将微粒的计数浓度转变成质量浓度的精确度变得较高。因此，可以以高精度来测量微粒的浓度。

[0025] [第一实施例]

[0026] 图1示出了根据第一实施例的测量装置的框图。图2示出了根据第一实施例的测量方法的流程图。如图1和图2中所示，测量装置100主要具有湿度改变器12、质量测量器14、计算器16、浓度测量器18和测量箱20。入口21引导气体80a如气氛气体进入测量箱20。气体80a中的微粒10a附着到平台15。湿度改变器12改变测量箱20中的微粒10a所接触的气氛的湿度(步骤S10)。质量测量器14对气体80a中附着到平台15的微粒10a的质量进行测量(步骤S12)。计算器16根据微粒10a周围的气氛气体的相对湿度和微粒10a的质量来计算吸湿性参数(步骤S14)。吸湿性参数是表示质量关于湿度的相关性的信息。

[0027] 此后，经由入口22将气体80b导入浓度测量器18。气体80b中微粒10b的成分与气体80a中微粒10a的成分大致相同。例如，收集气体80a和气体80b的地点和/或时刻大致相同。浓度测量器18对气体80b中微粒10b的计数浓度进行测量(步骤S16)。在这种情况下，在测量计数浓度的同时还对气体80b的湿度进行测量。计算器16根据由浓度测量器18所测量的计数浓度、吸湿性参数以及气体80b的湿度来计算气体80b中微粒10b的质量浓度(步骤S18)。

[0028] 在第一实施例中，如在步骤S14的情况下，计算器16计算具有与经历测量计数浓度的气体80b中的微粒10b的成分类似的成分的微粒10a的吸湿性参数。如在步骤S18的情况下，根据微粒10a的吸湿性参数、气体80b中的微粒10b的计数浓度以及气体80b的湿度来计算气体80b中的微粒10b的质量浓度。以这种方式，测量装置100可以通过鉴于微粒10b的吸湿度计算微粒10b的质量浓度，以高精度且在短时间内测量微粒10b的浓度。

[0029] [第二实施例]

[0030] 第二实施例是第一实施例的具体示例。图3示出了根据第二实施例的测量装置的框图。测量装置102主要具有湿度调节器38、质量测量器14、测量箱20、处理器36、冲击器44、抽吸泵50和光散射类型的浓度测量器68。湿度调节器38与第一实施例的湿度改变器
12对应。要在测量箱20中测量温度和湿度的温湿传感器40被设置在测量箱20中。质量测量器14是微天平并且具有石英晶体振荡器30、振荡器电路32和频率测量电路34。光散射类型的浓度测量器68与第一实施例的浓度测量器18对应。

[0031] 入口21吸入气氛气体作为气体80a。冲击器44将气体80a中具有期望范围内的大小的微粒10a分离开。例如，当冲击器44测量PM 2.5的浓度时，冲击器44将大小(微粒是球形的情况下的直径)接近2.5μm或小于2.5μm的微粒分离开。可以任意确定通过冲击器44分离的微粒10a的大小。例如，大小可以为10μm或小于10μm。隔离阀46在冲击器44与测量箱20之间打开和闭合。微粒10a被收集至石英晶体振荡器30的表面。石英晶体振荡器30和石英晶体振荡器30下面的振荡器电路32一起工作并且发送信号。振荡信号的频率与包括微粒10a的石英晶体振荡器30的质量对应。频率测量电路34测量振荡频率。湿度调节器38使空气潮湿或使空气干燥，从而将经湿度调节的气体吸入(52)测量箱20中。抽吸泵50排出(54)测量箱20中的气体。排出阀48在测量箱20与气氛气体之间打开和闭合。

[0032] 处理器36与第一实施例的计算器16对应并且是计算机、处理器等。处理器36输出用于调节湿度的信号，该信号向湿度调节器38命令湿度。处理器36输出命令抽吸泵50打开或闭合的打开/闭合信号。处理器36输出用于打开或闭合的信号，该信号命令阀46和阀48打开或闭合。处理器36从频率测量电路34获取表示所测量的频率的频率信息。处理器36从温湿传感器40获取表示测量箱20中的温度和湿度的温湿信息。温湿传感器可以是湿度传感器。温湿信息可以是表示湿度的湿度信息。处理器36根据频率信息计算微粒10a的质量。处理器36根据湿度信息和所计算的质量来计算微粒10a的吸湿性参数。

[0033] 入口22吸入气氛气体作为气体80b。光散射类型的浓度测量器68使用光散射方法来测量气体80b中微粒的计数浓度。在由光散射类型的浓度测量器68测量计数浓度的同时，湿度传感器69(湿度测量器)测量气体80b(经历了计数浓度测量的微粒10b所接触的气氛)的相对湿度。处理器36输出命令光散射类型的浓度测量器68进行测量的信号。并且，处理器36从光散射类型的浓度测量器68获取气体80b中的微粒的计数浓度。处理器36从湿度传感器69获取气体80b的相对湿度。处理器36基于从光散射类型的浓度测量器68获取的计数浓度、从湿度传感器69获取的相对湿度以及微粒10b的吸湿性参数，来计算气体80b中的微粒10b的质量浓度。

[0034] 入口21和入口22可以是共同的。然而，优选地，分别设置入口21和入口22以抑制微粒10a和微粒10b在管子的分支部分的损失。处理器36计算吸湿性参数和质量浓度。然而，可以由不同的处理器分开执行吸湿性参数的计算和质量浓度的计算。

[0035] 图4示出了第二实施例中由处理器执行的处理的流程图。如图4中所示，在将微粒10a提供至测量箱20中之前，处理器36命令湿度调节器38改变测量箱20中的湿度并且命令质量测量器14测量石英晶体振荡器30的质量(步骤S20)。处理器36命令阀46和阀48以及抽吸泵50将微粒10a收集至石英晶体振荡器30的表面(步骤S22)。处理器36命令湿度调节器38改变测量箱20中的湿度并且命令质量测量器14测量包括微粒10a的石英晶体振荡器30的质量(步骤S24)。处理器36基于步骤S20和步骤S24的测量结果计算微粒10a的吸湿性参数(步骤S26)。

[0036] 图5示出了处理器在图4的步骤S20和步骤S24中进行处理的流程图。如图5中所示，处理器36开始获取频率信息和湿度信息。处理器36开始记录频率信息和湿度信息(步骤S30)。在相同时间的频率信息和湿度信息是彼此相关联的，并且记录该频率信息和湿度信息。处理器36操纵湿度调节器38(步骤S32)。处理器36使湿度调节器38对被提供至测量箱20的气体的湿度进行扫描(步骤S34)。处理器36使湿度调节器38停止(步骤S36)。处理器36停止获取和记录频率信息和湿度信息(步骤S38)。

[0037] 图6示出了处理器在图4的步骤S22中进行处理的流程图。如图6中所示，处理器36打开隔离阀46(步骤S40)。处理器36闭合排气阀48(步骤S42)。处理器36操纵抽吸泵50(步骤S44)。对于该处理，将由冲击器44进行分离并且具有预定大小的微粒10a提供至测量箱20中。处理器36等待预定时间(步骤S46)。因此，具有预定体积的气体80a通过测量箱20，并且微粒10a被收集至石英晶体振荡器30的表面。之后，处理器36使抽吸泵50停止(步骤S50)。处理器36打开排气阀48(步骤S52)。对于该处理，终止收集微粒10a。

[0038] 图7A和图7B分别示出了测量箱中的相对湿度与经过的时间的关系以及石英晶体振荡器的质量与经过的时间的关系。如图7A和图7B中所示，直到时间t1才对测量箱20中的湿度进行调节，并且测量箱20中的湿度是不恒定的。石英晶体振荡器30的质量是给定值。从时间t1到时间t2，执行步骤S20的测量。在时间t1，湿度调节器38开始改变测量箱20中的湿度。时间t1时测量箱20中的湿度是h1。从时间t1到时间t2，湿度逐渐变化。时间t2时的湿度是h2。随着湿度的变化，石英晶体振荡器30的湿度发生变化。这是因为：石英晶体振荡器30的表面和/或被吸附至该表面的灰尘吸收湿气。

[0039] 如在步骤S22的情况下，从时间t2到时间t3，微粒10a被收集到石英晶体振荡器30上。仅在时间t3之前，湿度是不恒定的。将微粒10a的吸附量的质量添加至质量。从时间t3到时间t4，执行步骤S24的测量。从时间t3到时间t4，测量箱20中的相对湿度从h1连续变化至h2。石英晶体振荡器30的质量随着湿度的变化而变化。

[0040] 湿度h1和湿度h2例如分别为0％和100％。相对湿度h1可以是湿度(例如，10％)，使得可以忽略所吸附的水。相对湿度h2可以是在用于测量微粒的浓度的条件下出现的最大湿度。以这种方式，可以任意设置相对湿度h1与相对湿度h2。

[0041] 图8A至图8C示出了质量与相对湿度的关系。如图8A中所示，处理器36基于图7A和图7B计算从时间t1到时间t2的时间段中质量关于相对湿度的相关性曲线90。处理器36计算从时间t3到时间t4的时间段中质量关于相对湿度的相关性曲线92。如图8B中所示，处理器36通过从曲线92减去曲线90来生成曲线94。曲线94表示如下质量：被吸附至石英晶体振荡器30的微粒10a的质量被添加到该质量中。在微粒10a几乎没有吸附水的湿度h1下的质量p与未吸水的微粒10a的质量对应。如图8C中所示，处理器36通过从曲线94减去质量p来计算曲线96。曲线96与由微粒10a吸收湿气引起的增加的质量对应。通过将曲线96除以质量p所获得的值是每单位质量的吸湿性参数a(h)。吸湿性参数a(h)是在湿度h下由每单位质量的干燥微粒所吸收的水的质量。

[0042] 在第二实施例中，如在图3中所示，质量测量器14包括吸附微粒10a的石英晶体振荡器30。因此，可以以高精度来测量微粒10a的质量和质量变化。如图7A中所示，湿度调节器38逐渐改变湿度。因此，可以连续测量质量关于湿度的变化。

[0043] 接下来，将给出对由测量装置102的处理器36所执行的计算质量浓度的方法的描述。图9示出了第二实施例的处理器的操作的流程图。如图2中所示，处理器36如图4中所示计算气体80a中微粒10a的吸湿性参数(步骤S70)。处理器36获取由光散射类型的浓度测量器68测量的气体80b中的微粒10b的计数浓度(步骤S72)。光散射类型的浓度测量器68测量气体80b中具有期望大小的微粒10b的计数浓度。优选地，微粒10b的大小与由冲击器44所分离的微粒10a的大小大致相同。处理器36获取由湿度传感器69测量的气体80b的湿度(步骤S74)。处理器36基于计数浓度、湿度和吸湿性参数来计算气体80b中的微粒10b的质量浓度(步骤S76)。

[0044] 将给出对由处理器36所执行的计算质量浓度的方法的描述。当由光散射类型的浓度测量器68测量的计数浓度为Cn并且要被计算的质量浓度为Cm时，质量浓度Cm由下面使用计数浓度Cn、湿度h和吸湿性参数a(h)的公式来表达。

[0045] Cm＝k·Cn·a(h)

[0046] “k”是相关性常量并且通过以下操作来获得“k”：研究通过使用过滤器或β射线吸收方法收集微粒的方法获得的Cm、通过光散射检测方法获得的Cn以及湿度之间的相关性。当获得“k”时，可以根据Cn和a(h)来计算Cm。

[0047] 处理器36等待预定时间(步骤S78)。处理器36确定是否测量吸湿性参数(步骤S80)。当距先前测量吸湿性参数已经过去预定时间时，处理器36确定为“是”。当确定为“是”时，再次执行步骤S70。当确定为“否”时，处理器36确定是否终止流程图(步骤S82)。当确定为“是”时，终止流程图。当确定为“否”时，再次执行步骤S72。

[0048] 光散射类型的浓度测量器68可以以高频率来测量浓度。例如，可以每分钟测量计数浓度。测量吸湿性参数至少花费10分钟。因此，对于当微粒10a的成分不发生变化时的时间段，光散射类型的浓度测量器68以1小时或1天等的时间间隔来测量吸湿性参数。即，由光散射类型的浓度测量器68执行的测量计数浓度的频率高于由湿度调节器38执行的改变湿度的频率。因此，可以以高频率来测量质量浓度。

[0049] [第三实施例]

[0050] 第三实施例是通过改变气体的温度来改变湿度的示例。图10示出了根据第三实施例的测量装置的框图。在第三实施例中，在测量装置104中，湿度调节器60具有温度调节器容器62和温度调节器64。温度调节器容器62将冲击器44和测量箱20包围，并且调节测量箱20中的气氛的温度。温度调节器64使用温度调节器容器62来调节温度。在测量箱20与抽吸泵50之间设置有隔离阀66。其他结构与第二实施例的图3相同。因此，省略对结构的说明。

[0051] 在第三实施例中，在图5的步骤S34中，处理器36通过对温度调节器容器62中的温度进行扫描来扫描测量箱20中的湿度。如下执行图4的步骤S22。

[0052] 图11示出了根据第三实施例的图4的步骤S22的流程图。如图11中所示，处理器36打开隔离阀46和隔离阀66(步骤S60)。处理器36操纵抽吸泵50(步骤S62)。因此，具有期望大小的微粒10a被提供至测量箱20中。处理器36等待预定时间(步骤S64)。处理器36闭合隔离阀46和隔离阀66(步骤S66)。处理器36使抽吸泵50停止(步骤S68)。对于该处理，终止收集微粒10a。

[0053] 图12A至图12C分别示出了温度与经过的时间的关系、相对湿度与经过的时间的关系以及质量与经过的时间的关系。如图12A至图12C中所示，直到时间t1才对测量箱20中的温度进行调节，并且测量箱20中的温度和湿度不恒定。从时间t1到时间t2，执行步骤S20的测量。在时间t1，温度调节器64开始改变测量箱20中的温度。测量箱20中的温度为T1并且在时间t1的相对湿度为h1。从时间t1到时间t2温度逐渐变化。在时间t2，温度为T2并且相对湿度为h2。

[0054] 从时间t2到时间t3，如在步骤S22的情况下，微粒10a被收集到石英晶体振荡器30上。从时间t3到时间t4，执行步骤S24的测量。从时间t3到时间t4，测量箱20中的温度从T1变到T2，并且湿度从h1连续变到h2。石英晶体振荡器30的质量随着湿度的变化而发生变化。

[0055] 如图11中所示，当测量箱20的温度变化时，闭合隔离阀46和隔离阀66，并且不存在空气进出测量箱20的运动。因此，测量箱20中的流量恒定。因此，当温度变化时，湿度也发生变化。石英晶体振荡器的振荡频率随着温度的变化而发生变化。因此，当计算图12C的质量时，预先测量温度与振荡频率之间的相关性，并且使用该相关性来校正振荡频率。

[0056] 类似于第二实施例的图8A至图8C，处理器36计算微粒10a的吸湿性参数。

[0057] 在第二实施例中，湿度调节器38执行除湿与增湿。因此，湿度调节器38的大小较大。必需提供用于增湿的水。这可能导致对无人看管的操作的妨碍。在第三实施例中，湿度改变器通过改变测量箱20中的气氛的温度来改变气氛的湿度。因此，无需提供第二实施例的湿度调节器38。因此，可以将装置小型化。并且，自动操作变得较容易。

[0058] 图13A至图13C分别示出了另一温度与经过的时间的关系、另一湿度与经过的时间的关系以及另一质量与经过的时间的关系。如图13A至图13C中所示，从时间t1到时间t2，以及从时间t3到时间t4，当增加温度以及降低温度时，获取湿度与质量之间的相关性。类似于图8A至图8C，计算湿度增加期间的吸湿性参数以及湿度减小期间的吸湿性参数。

[0059] 根据微粒的成分的类型，可能在吸湿量与湿度之间的曲线中出现滞后现象(hysteresis)。在这种情况下，湿度增加期间的吸湿度不同于湿度减小期间的吸湿度。在图13A至图13C的示例中，在湿度增加以及湿度减小期间可以使用不同的吸湿性参数。因此，可以以高精度来进行测量。在第二实施例中，可以计算湿度增加期间的吸湿性参数以及湿度减小期间的另一吸湿性参数。

[0060] 在第一实施例至第三实施例中，可以将用于测量吸湿性参数的测量装置与用于测量质量浓度的测量装置分开。即，无需用于测量吸湿性参数的测量装置来测量微粒的计数浓度。用于测量质量浓度的测量装置可以使用由另一测量装置所测量的吸湿性参数来测量质量浓度，而不必测量吸湿性参数。本说明书中的湿度是相对湿度。

[0061] 本文中陈述的所有示例和条件性的语言意在出于教示目的，以帮助读者理解本发明以及由发明者所贡献的概念，从而推动本领域，并且要被理解为并不受这样特别陈述的示例和条件的限制，本说明书中的示例的组织也不涉及示出本发明的优势与劣势。虽然详细描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、代替和变更。