CN101208592B - 超微细颗粒传感器 - Google Patents

Abstract

发明涉及用于检测直径在约5-500nm范围内的空气传播的颗粒的超微细颗粒传感器(1)。所述传感器包括用于超微细颗粒流的进入的空气入口(2)和能够在至少一时间间隔中在至少第一浓度水平和第二浓度水平之间引起超微细颗粒的浓度变化的浓度变化部分(4)。提供了颗粒感测部分(5)，能够产生测量信号，所述测量信号为至少在与所述第一浓度水平对应的第一电流水平和与所述第二浓度水平对应的第二电流水平之间变化的电流。提供了评估单元(6)，其能够从所述变化的测量信号得到与所述超微细颗粒相关的数据。作为浓度水平中施加的变化的结果，能够从测量信号的导致的变化获得与每单位体积的空气传播的超微细颗粒的颗粒长度浓度和颗粒数量浓度相关的数据。

Description

超微细颗粒传感器

技术领域

本发明涉及一种超微细颗粒传感器及包括这种超微细颗粒传感器的空气处理系统。更具体地，发明涉及用于感测空气传播的颗粒的超微细颗粒传感器，所述空气传播的颗粒的直径范围为约5-500nm，优选地为5-300nm，更优选地为10至300nm或更优选地为20至300nm。 

背景技术

在过去十年中，空气传播的燃烧相关的超微细颗粒(UFP)的吸入给人类带来显著的健康危险变得日益清楚，因为这些颗粒往往沉积在肺部组织上并最终密封在肺部组织中的事实。这种UFP包括固体颗粒和类液体颗粒。燃烧相关的固体颗粒的显著部分由包括或主要包括未燃烧的碳元素的灰粒组成。燃烧相关的固体颗粒的更小部分由无机灰组成。超细燃烧相关的类液体颗粒典型地由或多或少的易挥发的碳氢化合物/H₂SO₄/H₂O材料和少量无机物质一起组成。燃烧相关的UFP测量在直径约5nm和500nm之间(大多数颗粒测量在直径小于200-300nm)，并且通常地包括或至少部分地覆盖有致癌的多环芳烃和其它易挥发有机化合物(VOC)。这些UFP从诸如汽车交通的燃烧源和其它本地燃烧源的废气发射到空气中并且作为不完全燃烧过程的结果而形成。特别是，柴油发动机因向空气中发射大量灰粒和其它UFP而臭名远扬。 

除了工业燃烧源和其它静态燃烧源的附近之外，燃烧相关的UFP的浓度(今后简单地称作UFP)在西方世界通常在或临近机动交通出现的地方最高。可以遇到非常高的局部浓度，特别是在隧道中、交通十字路口和/或有限通风和/或风速条件下的交通排队中。日益证明这些UFP对人类健康的影响比由燃烧马达发出的普通气体废弃污染物(CO，NO_x，SO₂，VOCs)对人类健康的影响要显著得多。这样， 局部空气污染与局部UFP浓度很大程度上相关。另外，局部UFP浓度与普通气体废弃污染物的局部浓度大程度地相关，因为它们都是起源于相同的污染源。 

现有技术中，空气传播的颗粒污染水平的严重性主要是基于空气传播的颗粒质量浓度建立，这些空气传播的颗粒质量浓度与特别是可呼吸的这些空气传播的颗粒，即能够到达并沉积入肺的肺泡区域的那些空气传播的颗粒相关。因为所有的d_p≤10μm的空气传播的颗粒是可呼吸的，所以所有可呼吸颗粒质量M_total被当作相关参数，M_total定义为 

$M_{\mathrm{total}}=\underset{d_p=0}{\overset{d_p=10\mathrm{\μm}}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_p\frac{{\mathrm{\πd}}_p^3}{6}\frac{\mathrm{dN}\left(d_p\right)}{{d\ln d}_p}d{\ln d}_p$

其中，ρ_p是颗粒密度，且其中dN(d_p)/dlnd_p表示颗粒大小分布，dN(d_p)表示具有直径d_p的颗粒的数量浓度。积分遍及可呼吸颗粒直径d_p的整个范围，实践中上至d_p＝10μm(可呼吸颗粒的空气动力学大小上限)。可呼吸颗粒质量浓度M_total能够例如由光散射和/或由颗粒采样/称重测得。 

已发现M_total通常主要源自d_p＞300-500nm的颗粒，即使这些颗粒具有非常小的数量浓度，即每单位体积的颗粒数。尽管更小颗粒的数量浓度通常非常高，它们基本上不对M_total起作用。数值是表示对人类健康影响的相对严重性的人类健康影响参数H_fp，考虑d_p＞300-500nm的可呼吸细颗粒(FP)时能够表示为大约与正常环境条件下的M_total成比例。 

考虑到越来越多的证据，尤其是颗粒直径d_p小于300-500nm的UFP危害人类健康，仅仅测量可呼吸颗粒质量浓度M_total将不提供可靠的和/或充足的关于整个人类健康影响参数H_total的数据，H_total是分别对FP和UFP的单独的人类健康影响参数的和。此外，不能够用低成本的装置获得对整个UFP数量浓度和数均UFP直径。 

发明内容

本发明的目的是提供能够获取关于空气传播的UFP的可靠数据的超微细颗粒传感器。 

为达此目的，提供超微细颗粒传感器用于检测直径范围约为5-500nm的空气传播的颗粒，包括： 

空气入口，用于超微细颗粒流的进入； 

浓度变化部分，能够在至少一个时间间隔中在至少第一浓度水平和第二浓度水平之间引起超微细颗粒浓度的变化； 

颗粒感测部分，能够产生测量信号，该测量信号为在至少与所述第一浓度水平对应的第一电流水平和与所述第二浓度水平对应的第二电流水平之间变化的电流，及 

评估单元，能够通过比较比较第一电流水平和第二电流水平推得进入空气入口的颗粒数浓度，该颗粒数浓度与直径为约5nm或更大的超微细颗粒相关， 

其中，所述评估单元还能够从所述第一电流水平推得所述颗粒长度浓度，所述颗粒长度浓度与直径为约5nm或更大的超微细颗粒相关。 

已发现，作为浓度水平中所施加的变化的结果，能够从与每单位体积的超微细颗粒数(即颗粒数浓度N_ufp)相关的测量信号导致的变化获得数据。此外，能够从与对UFP的人类健康影响参数H_ufp大约成比例的此测量信号推断每单位体积颗粒的总长度，即颗粒长度浓度L_ufp。数据Nufp和Lufp的组合提供传感器所暴露的空气的质量的有价值的信息。另外，计算的比率d_p，av＝L_ufp/N_ufp提供有助于进一步描述空气传播的UFP污染的特性的所有空气传播的UFP的数均颗粒直径d_p，av。 

本发明的一个实施例提供改变浓度水平和作为UFP的电荷的结果检测UFP的有效方法的益处。 

本发明的另一实施例中，电晕放电源在如上述地使不同类型的UFP带电上是有效的。可以通过使用例如活性碳过滤器移除可能产生的危害健康的臭氧。本发明的另一实施例将电晕放电源和使得能够进一步控制UFP的带电过程的多孔网电极组合。网电极容许在很低的 电场强度下完成颗粒带电，这有助于最小化颗粒带电过程中的颗粒损耗。 

本发明的另一实施例容许特别是空气传播的灰粒的有效带电并且此外消除在超微细颗粒传感器内使用高电压的需求。 

应当理解，超微细颗粒传感器还可以包括多于一种类型的颗粒充电部分，并且可以被作为包括多于一种类型的超微细颗粒传感器的实施例的组合来实施。 

本发明的另一实施例提供到达颗粒感测部分的流中的带电颗粒浓度的简单而有效的受控变化。作为示例，使用一系列直的或圆柱地同心的平行板，也称作平行板沉降器(precipitator)，能够向所述平行板沉降器的选择的板施加一系列的电压脉冲以使得在至少一个时间间隔中部分电场感应的颗粒在板表面上的沉淀发生。平行板具有在空气入口和颗粒感测部分之间仅引起可忽略的空气压力下降的优点。优选地，与零电压周期交替地周期地施加一系列非零电压脉冲。 

本发明的另一实施例提供一种获得变化的电信号的装置，所述电信号与浓度变化部分的带电的UFP的下游的浓度成比例，所述装置适合用于确定传感器所暴露的空气中的颗粒数浓度N_ufp。 

本发明的另一实施例表明在适当的空气速度，防止拥有直径d_p的任何组空气传播的颗粒在浓度变化部分内部的完全的颗粒沉降，该任何组空气传播的颗粒对进入超微细颗粒传感器的流的整个颗粒数浓度所起的作用超过可忽略的程度。 

本发明的另一实施例具有在对颗粒数浓度N_ufp几乎不起作用的粗糙颗粒进入并因此污染超微细颗粒传感器之前将其除去的优点。 

本发明的另一实施例提供使得包含UFP的规则的(优选为可控制的)空气流通过超微细颗粒传感器的优点。 

本发明的另一实施例具有以方便的方法显示关于环境空气的特性(例如质量/污染)的数据的优点。这些数据可以包括一或多个如下数据：颗粒数浓度N_ufp、颗粒长度浓度L_ufp、人类健康影响参数H_ufp或诸如按数量平均的(number-averaged)颗粒直径d_p，av的源自这些参 数的数据。 

本发明的另一实施例具有能够获取与UFP和FP相关的数据的传感器的优点。 

本发明的另一实施例具有优点，使得重新确立放大的传感器电流的正确的零水平(表明不存在颗粒)以校正零水平中的漂移，例如由于温度的变化。 

应当承认以上实施例或其方面可以被组合。 

本发明还涉及空气处理系统，所述空气处理系统包括上述超微细颗粒传感器，其中所述超微细颗粒传感器具有设置为提供能够基于所述变化的测量信号控制所述空气处理系统的空气清洁单元和/或空气通风单元的控制信号的反馈输出。 

这种空气处理系统可以设置为主动地对根据本发明的超微细颗粒传感器的测量起反应，以便如果传感器指示差的空气质量，例如表示为颗粒数浓度N_ufp和/或颗粒长度浓度L_ufp的阈值，则能够改善所述空气处理系统下游的空气条件。 

将参照示意性地示出根据发明的优选实施例的附图进一步阐述本发明。应当理解，本发明不应在任何方面受限于这些特定的和优选的实施例。 

附图说明

图中： 

图1示出根据发明的实施例的超微细颗粒传感器的示意图； 

图2示出图1的超微细颗粒传感器的更详细的示意图； 

图3-5示出使用电晕放电源的超微细颗粒传感器的示意图； 

图6示出使用紫外光源的超微细颗粒传感器的示意图； 

图7示出适于根据本发明的实施例检测超微细颗粒和细颗粒的传感器的框图；以及 

图8A-8C示出使用根据发明的超微细颗粒传感器的空气处理系统。 

具体实施方式

图1是具有用于包含超微细颗粒(UFP)的流F进入的空气入口2的超微细颗粒传感器1的示意图。传感器1具有能够引起UFP的浓度变化的浓度变化部分3。流变化部分3具有可控制的装置4，用于在至少一时间间隔中在至少第一非零浓度水平和第二非零浓度水平之间改变UFP的浓度。第一非零浓度水平可以例如涉及进入浓度变化部分的UFP的约100％的UFP的通过百分比，而UFP的第二非零浓度具有70-90％的通过百分比。装置4可以包括静电UFP俘获装置或能够(暂时地)减小UFP的通过量的任何其它装置。 

提供颗粒感测部分5，其能够产生取决于UFP的浓度的所述变化而改变的测量信号I。最终，评估单元6设置为从所述变化的测量信号I推断与所述超微细颗粒相关的数据。 

图2示出图1的超微细颗粒传感器的更详细的示意图。 

颗粒充电部分(particle charging section)7位于空气入口2和浓度变化部分3之间。颗粒充电部分7能够使进入空气入口2的UFP的至少一部分充电。将参照图3-6进一步讨论颗粒充电部分7的多个实施例。 

图3-5示出使用空气传播的离子电晕放电源的超微细颗粒传感器的示意图。针11或细丝12连接到DC电压V_cor，V_cor足够高以电离针尖11或细丝12附近的空气。 

多孔网电极(porous screen electrode)13位于针11或细丝12离子源附近并设置为电压V_scr，V_scr基本小于使得从针11或金属丝12将一种极性的离子引向网电极的V_cor。对电极(counter electrode)14位于多孔网电极13附近并设置为小于V_scr的对电极电位，对电极电位优选地设置为地电位并由传感器1的外壳的内壁形成。这使得从针11或金属丝12引向多孔网电极13的单极离子(unipolar ions)的部分横过网电极13的孔并在存在于多孔网电极13和对电极14之间的电场的驱动力作用下引向对电极14，所述电场具有优选地低于500V/cm的强度。被引向对电极14的部分单极离子将它们自己附着于所接收的流入空气流中的UFP上，由此引起这些UFP的扩散充电 (diffusion charging)。 

图5中，电位V_scr由连接到网电极的接地电阻R建立。 

应当理解，在传感器1中可以省去多孔网电极13。在颗粒充电的这些条件下，颗粒充电部分7包括离子源11、12和对电极14，在所述离子源和对电极之间从空气入口2收到流入空气流。离子源11、12产生空气传播的离子(airborne ions)并且优选地作为支撑在两个绝缘体之间的位置中的针尖电极或细丝电极来实施。足够高的电晕电压V_cor加于针尖电极11或细丝电极12上以分别电离与针尖11或细丝12直接相邻区域中的空气。V_cor和加于对电极上的电压(优选为地电位)之间的差异引起跨越空气流导管(airflow conduit)的电场，该电场将单极离子直接从离子源11、12引向对电极14，由此容许部分单极离子将它们自己附着于移动穿过空气流导管的流入空气流中的UFP，这样使得在存在跨越流导管的电场的情况下完成颗粒充电，所述电场可以或可以不具有超过500V/cm的局部强度。朝向离子源的UFP传感器的外壳的内壁可以被用作对电极14。 

通过由一或多个光源照射空气传播的UFP颗粒可以获得让至少部分这些颗粒带电的可选方法。图6对此进行了示意性的说明。该方法尤其适合于使灰粒带电及随后对灰粒的检测，这样将超微细颗粒传感器改造成更具体的烟灰传感器(soot sensor)。 

图6中的颗粒充电部分包括UV灯20，例如发射包括低于260nm波长的辐射的管状低压UV灯。诸如这些通常用于消毒目的的普通低压UV灯，通常被提供以包括汞蒸气的气体填充。这些UV灯发射的峰值波长为253.7nm并且，在UV灯以(合成)石英灯实施的情况下，额外的峰值波长184.9nm。可选地，UV灯可以是UV受激准分子灯，其辐射波长在170nm和260nm之间能够被调谐，取决于受激准分子灯内的填充气体的性质和组分。朝向UV灯的传感器外壳的内壁可以是反射的，以提高灯和传感器外壳之间流导管中的光强。至少部分地覆盖有多环芳烃(PAH)材料涂层的燃烧相关的UFP(对于所有灰粒而言通常是这样的)，当它们被以处理波长峰值低于260nm的UV灯辐照时，将发生一个或多个电子的光电子发射，这使得这些颗粒带正 电。通过在UV灯20周围设置高孔隙率的保护传导丝网(conductinggauze)21，将灯屏蔽以免直接暴露于通过灰粒传感器的空气流，由此避免了沉积来自空气的UFP对灯表面的逐渐污染，否则最终会减小来自灯的光输出。 

另外，有益的是在此丝网21上施加U₀＝约5-10V的小的DC或AC电压并将传感器1的内壁接地以便穿过丝网21和内壁之间的流导管存在小的静电场。此电场促进来自空气的光发射的电子和负离子的迅速移除而几乎不影响带正电灰粒向浓度变化部分3的通行(因为电子和离子的高得多的电泳迁移率)。带电的(和保持未带电的)灰粒随后进入传感器1的浓度变化部分3。更有益的是给丝网21的表面和朝向丝网的传感器的内壁的表面提供薄的非金属涂层，当所述表面被以UV光辐照时，这些涂层防止来自这些表面的电子的光电子发射。 

应当承认，可以组合图3-5的电晕放电实施例和图6的照射实施例。 

返回参照图2，因为至少部分UFP在颗粒充电部分7中带电，所以能够以静电方式完成浓度变化部分3中的UFP的浓度变化。尤其是，浓度变化部分3的装置4可以构造为一系列的直的或圆柱同心的平行板，它们中的至少一个能够接收周期性的电压脉冲V_plate系列。板4交替地连接到地电位和电压V_plate，平行板相互并行安置且每个在基本上平行于空气流方向的平面内延伸。电压脉冲优选地在与第一浓度水平相关的电压V＝0伏和与第二浓度水平相关的V＝V_plate之间交替。因为当施加电压V_plate时，在存在于相邻板之间的静电场的影响下许多带电UFP沉积到板4中的至少之一的表面上，所以第二浓度水平低于第一浓度水平。选择V_plate，使得在穿过此部分3的固有空气速度下，对于低于d_p＝500nm，优选300nm的任何大小的所有级别的相等大小地带电的颗粒，仅发生受控制的部分颗粒沉积，这些相等大小的带电颗粒对整个颗粒数浓度起到不可忽视的作用。这通常意味着当施加电压V_plate时，大小在直径约10到20nm之间的所有带电超微细颗粒的至多95％应当通过浓度变化部分3内部的静电沉积被从 空气流移除。因为浓度变化部分内部的颗粒沉积程度随增大的颗粒大小变小，所以至少当这些颗粒通过扩散充电而被充电时，相对较小程度地移走更大的颗粒。一旦颗粒沉积到板表面上，它们就成为固定的且当电压V_plate随后减小到零时不能从板表面移开它们自己。 

随后，在颗粒感测部分5中接收通过浓度变化部分3的带电UFP，颗粒感测部分5基本上俘获所有接收的UFP。在图3-6中所示的实施例中，使用法拉第笼30，其使得所有带电UFP沉积在法拉第笼30内部的滤尘器31的纤维上。该法拉第笼30保持在恒定电位，例如，通过将其经由灵敏电流计连接到公共电位，优选为评估单元6端的地电位。法拉第笼30的恒定电位引起流向法拉第笼的电流I，当带电的UFP在滤尘器31内部被俘获时，电流I补偿置于法拉第笼30中的滤尘器31内部积累的电荷。该电流I构成传感器信号并且等于法拉第笼30内部每单位时间积累的电荷。获得测量电流I并将其输入评估单元6，由于通过浓度变化部分3的带电UFP的浓度变化，测量电流I在I_v＝0和I_v＝vplate之间变化。 

在电晕充电的情况下，示于图3-5中，由颗粒直径d_p、网电极13和传感器1的外壳的接地内壁之间的流导管空间中的平均颗粒浓度N_ion和带电区中UFP的滞留的平均时间t确定UFP的电荷。已发现颗粒电荷取决于直径d_p和乘积N_iont。 

进一步发现对于电晕充电，在浓度变化部分3中V＝0的情况下，能够通过连接到具有颗粒过滤器31的法拉第笼30的评估单元6记录电流I_v＝0，其与所有UFP的总长浓度L_ufp成比例。这样， 

$I_{V=0}\∝L_{\mathrm{ufp}}=\underset{d_p=0}{\overset{d_p=500\mathrm{nm}}{\∫}}{d}_p\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{ufp}}}{d\ln d_p}d\ln d_p$

事实上，大于500nm的空气传播的颗粒也对I_v＝0有贡献，从而对L_ufp有贡献，然而它们对L_ufp的贡献通常比小于500nm的颗粒的贡献小得多。因为L_ufp与关于UFP的人类健康影响参数H_ufp近似地成比例，表示为 

$H_{\mathrm{ufp}}\≈{\mathrm{Const}}_1\underset{d_p=10\mathrm{nm}}{\overset{d_p=500\mathrm{nm}}{\∫}}{d}_p^{1.5}\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{ufp}}}{d\ln \left(d_p\right)}d\ln \left(d_p\right)$

其中Const₁为取决于颗粒物理组分的常数参数，其以好的近似遵循该关系， 

H_ufp∝I_V＝0

从沉积的颗粒对健康的相对影响(与它们的表面积(～d_p ²)成比例)和肺内这些颗粒的沉积效率(近似地与d_p ^-0.5成比例)的乘积获得了表达式中H_ufp对d_p ^1.5的依赖关系。优选地，应当知道空气传播的UFP的源(例如汽车交通)以确定I_v＝0和H_ufp之间的可靠的比例因子。因此，获得了关于UFP污染的空气的相对健康影响H_ufp的数据。 

在V＝V_plate≠0的情况下，部分带电的UFP将沉积在浓度变化部分6内部，这样产生电流I_v＝vplate＜I_v＝0。已发现 

$N_{\mathrm{ufp}}\∝(I_{V=0}-I_{V=V_{\mathrm{plate}}})$

这样从记录的评估单元6的两电流水平之间的差异和取决于UFP充电程度和通过超微细颗粒传感器的空气流的比例因子获得了总UFP颗粒数浓度N_ufp。因为N_ufp通常地是时间相关的，给沉积部分3以低于1Hz的频率提供方块形V_plate是合适的。然后也能够作为时间的函数记录浓度N_ufp。 

当通过照射执行颗粒带电时，示于图6中，基本上只有空气传播的灰粒通过用具有足够低波长的UV光辐照被充电。在引起的光电颗粒电荷饱和的情况下(通过使用足够高的辐照强度和/或在UV光中足够长的颗粒滞留时间)，已通过实验发现，在V＝0时，记录的法拉第笼电流I_{saturation，v＝0}变得与灰粒的总长浓度L_soot成比例。这样 

$I_{\mathrm{saturation},V=0}\∝L_{\mathrm{soot}}=\underset{d_p=0}{\overset{d_p=500\mathrm{nm}}{\∫}}{d}_p\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{soot}}}{d\ln d_p}d\ln d_p$

对于超微细灰粒，灰粒相关的健康影响参数H_soot服从 

$H_{\mathrm{soot}}\≈{\mathrm{Const}}_2\underset{d_p=10\mathrm{nm}}{\overset{d_p=500\mathrm{nm}}{\∫}}{d}_p^{1.5}\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{soot}}}{d\ln d_p}d\ln d_p$

其中Const₂为常数参数，导致比例关系中的合理近似 

H_sool∝I_{saturation，V＝0}

现在能够从 

$N_{\mathrm{soot}}\∝(I_{\mathrm{saturation},V=0}-I_{\mathrm{saturation},V=V_{\mathrm{plate}}})$

在评估单元6近似地确定灰粒数浓度N_soot。 

这样从记录的评估单元6的两电流水平之间的差异和能够被实验地确定或理论地推出的比例因子获得了总UFP颗粒数浓度N_ufp。 

通过确保灰粒的光致带电保持稍低于光电饱和，能够作出H_soot的更精确的评估。这样，光电颗粒电荷变得与d_p ^f成比例，其中指数f在范围1.0-2.0之间(对全饱和的光充电f＝1，对全非饱和光充电f＝2)。通过仔细控制空气传播的灰粒对UV光的暴露，于是根据 

$I_{V=0}\≈{\mathrm{Const}}_3\underset{d_p=0\mathrm{nm}}{\overset{d_p=500\mathrm{nm}}{\∫}}{d}_p^{1.5}\frac{{\mathrm{dN}}_{\mathrm{soot}}}{d\ln d_p}d\ln d_p$

就能够记录电流I_v＝0，其包含也出现在如上所示的H_soot的表达式中的d_p ^1.5依赖关系。在这种情况下，能够确定更精确的健康影响因子 

H_soot∝I_V＝0

能够在显示屏8上方便地显示评估结果。优选地，提供装置(未示出)以容许(手动地)调整使记录电流I_v＝0与健康影响因子H_ufp和/或H_soot相关的比例因子，以解释具有不同的化学组分和/或起源(从而不同地影响人类健康)的不同的空气传播的超微细颗粒。 

提供泵或通风机9以保持通过空气入口2向颗粒感测部分5的空气流。还向空气入口提供颗粒预过滤器10以避免粗糙颗粒对传感器1的污染。 

可选地，通过确立传感器空气入口和传感器空气出口之间压力的差异可以产生通过传感器的空气流。压力的这种差异跨越空气导管的壁而存在。然后通过在空气导管中定位入口2和在空气导管外定位空气出口可以确定通过传感器的空气流。流过传感器的空气量取决于存在于从其采样空气的空气导管内的平均速度(因为这至少部分地设定传感器的空气入口和空气出口之间的压力差)。可以从在空气导管中建立空气流的通风机的设置确定平均空气速度。该确定的空气速度然后能够用于解释测量的传感器信号。此过程可能需要校正，以使通过传感器的空气流与建立通过空气导管的空气流的通风机的设置精确 地相关。 

放大的传感器电流(表示没有出现颗粒)的零水平可能会由于例如温度的变化而漂移。通过中断感测过程可以重新建立正确的零水平。这可以，例如，通过停止空气吸入或禁止传感器内部的颗粒带电来完成。 

可以给示于上述图1-6中的超微细颗粒传感器在其入口部分或靠近其入口部分提供诸如电阻加热单元的加热装置，以减小进入传感器的空气的相对湿度，从而减小了湿气凝结或者因必须在潮湿饱和空气中建立电场引起的电短路和/或漏电问题发生的风险。 

图7示出适于根据本发明的实施例感测超微细颗粒和微细颗粒(FP)的传感器40的框图。传感器40包括参照图1-6讨论的任一实施例中的传感器1和微细颗粒传感器41。在显示屏8上可以显示UFP传感器1和FP传感器4 1的输出或其派生物。微细颗粒传感器41可以例如包括单元，该单元用于用本领域技术人员所熟知的光散射方法和/或颗粒采样/称重过程(例如使用PM₁₀采样系统)测量在近似的颗粒大小范围300nm≤d_p≤10μm或500nm≤d_p≤10μm内的可呼吸的(respirable)空气传播的细颗粒的质量浓度。 

在由传感器40检测的空气中同时出现可呼吸的FP和UFP的情况下，根据 

$H_{\mathrm{total}}=H_{\mathrm{ufp}}+H_{\mathrm{fp}}\≈{\mathrm{Const}}_3\underset{d_p=10\mathrm{nm}}{\overset{d_p=500\mathrm{nm}}{\∫}}{d}_p^{1.5}\frac{\mathrm{dN}\left(\mathrm{dp}\right)}{d\ln d_p}d\ln d_p+{\mathrm{Const}}_4\underset{d_p=500\mathrm{nm}}{\overset{d_p=10\mathrm{\μm}}{\∫}}{d}_p^3\frac{\mathrm{dN}\left(\mathrm{dp}\right)}{d\ln d_p}d\ln d_p$

获得总的健康影响H_total＝H_fp+H_ufp，其中Const₃和Const₄为比例因子。 

能够用例如由装置41使用的光散射评估H_fp的相对大小。这对H_ufp 是不可能的，已经发明了对H_ufp的可选的测量方法并在本申请中进行了讨论。如前述，特别是在交通污染的空气中，H_ufp可能比H_fp更重要。 

最后，在图8A和8B中，显示了连接到根据本发明的超微细颗粒传感器1、40的空气处理系统50。空气处理系统可以例如包括通风机51和/或空气调节/清洁系统52以处理经由导管53引入的空气。传 感器1、40可以设置在导管53内部，在空气处理系统50的上游和/或下游，和/或在外壳54内，空气导管53向外壳54内输入空气或者从外壳54引出空气。外壳例如可以与车辆或建筑中的房屋相关。可以使用多于一个传感器1、40。基于变化的测量信号，或更具体地基于关于从一个或多个传感器1、40获得的超微细颗粒和/或灰粒和/或可呼吸颗粒的数据，传感器可以控制空气处理系统50的单元的设置和操作。 

应当理解，传感器1、40不必与空气处理系统组合，而是可以也为独立的传感器，例如手持传感器。 

如图8C中所示，根据本发明的超微细颗粒传感器1、40也可以被耦合到(便携式)空气清洁装置55。便携式空气清洁装置经常用于清洁诸如起居室和卧室的居民区内的室内空气，并典型地包括通风机和一个或多个空气清洁过滤器。传感器1、40可以设置在便携式空气清洁器内，连接到空气清洁器，或设置为远离外壳54内部的便携式空气清洁器，外壳54中的空气由便携式空气清洁器55清洁。可以使用多于一个传感器1、40。基于变化的测量信号，或更具体地基于关于从一个或多个传感器1、40获得的超微细颗粒和/或灰粒和/或可呼吸颗粒的数据，传感器可以控制便携式空气清洁器的操作设置(空气流、开/关切换)。传感器1、40可以与空气清洁装置无线通信。 

在包括UFP或烟灰传感器和空气清洁单元的空气污染传感器系统中，可以给空气清洁单元安装旁路以旁路(bypassing)空气清洁单元，导向旁路的空气量由传感器控制。在引入系统的空气被超微细颗粒严重污染的情况下，传感器可以导引至少基本部分的空气到空气清洁单元，而具有低水平污染的空气被至少基本上导引到旁路，从而通过避免发生在清洁单元中的压力下降而节省能量。 

提出的传感器1、40简单且成本低，并能够被单独使用或相互结合使用。它们仅需要基本的清洁维护并能够用于评估(普通的)环境空气和(严重地)污染的空气中的颗粒污染水平。传感器1、40可能不能测量诸如超净室环境中的非常低的颗粒数浓度。 

应当注意，上述实施例是示例而不是限定本发明，并且本领域技 术人员不脱离所附权利要求的范围能够设计许多可选实施例。权利要求中，置于括号间的任何参考符号不应构成对权利要求的限制。词语“包括”不排除除在权利要求中所列的那些元件或步骤之外的元件或步骤的出现。元件之前的词语“一”不排除出现多个这种元件。某种测量被在相互不同的从属权利要求中引用的纯粹的事实不表明这些测量的组合不能被有益地使用。 

Claims (21)

1.一种超微细颗粒传感器（1；40），用于感测直径在5-500nm范围的空气传播的颗粒，包括：

-空气入口（2），用于超微细颗粒流的进入；

-浓度变化部分（3），能够在至少一个时间间隔中使超微细颗粒的浓度在至少第一浓度水平和第二浓度水平之间变化；

-颗粒感测部分（5），能够产生测量信号，所述测量信号为至少在与所述第一浓度水平对应的第一电流水平和与所述第二浓度水平对应的第二电流水平之间变化的电流，及

-评估单元（6），能够通过比较所述第一电流水平和所述第二电流水平推出进入所述空气入口（2）的颗粒数浓度（N_ufp），所述颗粒数浓度与直径为5nm或更大的超微细颗粒相关，

其中，所述评估单元（6）还能够从所述第一电流水平推出颗粒长度浓度（L_ufp），所述颗粒长度浓度与直径为5nm或更大的超微细颗粒相关。

2.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），包括所述浓度变化部分（3）上游的颗粒充电部分（7），所述颗粒充电部分能够使至少部分所述超微细颗粒充电，并且其中所述浓度变化部分设置为产生能够引起带电超微细颗粒的所述浓度的所述变化的可变电场。

3.如权利要求2所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述颗粒充电部分（7）包括至少一个电晕放电源（11；12）以及对电极（14）及向所述电晕放电源施加第一电压和向所述对电极施加第二电压的装置，并且其中所述电晕放电源和对电极相对于所述空气入口设置以使得至少部分所述超微细颗粒能够被充电。

4.如权利要求3所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述至少一个电晕放电源（11；12）为针或金属丝。

5.如权利要求3所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述颗粒充电部分（7）还包括至少部分地环绕所述电晕放电源（11；12）的多孔网电极（13）和用于向所述多孔网电极施加第三电压的装置（R）。

6.如权利要求2所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述颗粒充电部分（7）包括至少一个光源（20），其能够发射光以使至少部分所述超微细颗粒充电。

7.如权利要求6所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述至少一个光源（20）为紫外光发射源。

8.如权利要求2所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述浓度变化部分（3）包括至少一组基本上平行的板（4）和用于向所述板中至少之一施加可变电压以在至少一个时间间隔中改变所述电场的装置。

9.如权利要求2所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述颗粒感测部分（5）包括颗粒过滤器（31），其能够俘获至少部分所述带电超微细颗粒并产生至少在与所述第一浓度水平对应的第一电流水平和与所述第二浓度水平对应的第二电流水平之间变化的电流。

10.如权利要求9所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述颗粒感测部分（5）包括置于法拉第笼（30）内的多孔颗粒过滤器（31），并且其中所述法拉第笼连接到所述评估单元（6）用于处理所述电流。

11.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述浓度变化部分（3）能够实现所述第一浓度水平和所述第二浓度水平以使得对大小大于5nm的所有超微细颗粒，两个所述浓度水平保持非零。

12.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述浓度变化部分（3）能够实现所述第一浓度水平和所述第二浓度水平以使得对大小大于10nm的所有超微细颗粒，两个所述浓度水平保持非零。

13.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述空气入口（2）包括预过滤部分（10），其能够过滤直径大于2-5μm的颗粒。

14.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），还包括泵或通风机（9），其能够且设置为保持通过所述空气入口（2）流向所述颗粒感测部分（5）的空气流。

15.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），还包括显示屏（8），其能够接收和显示与来自所述评估单元的所述超微细颗粒相关的数据。

16.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），还包括颗粒质量感测部分（41），其能够获取与直径在500nm-10μm范围内的颗粒相关的数据。

17.如权利要求16所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述颗粒质量感测部分（41）能够获取与直径在300nm-10μm范围内的颗粒相关的数据。

18.如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，通过中断所述超微细颗粒流来重新建立放大的传感器电流的零水平。

19.如权利要求18所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，通过关断所述颗粒充电部分（7）来重新建立放大的传感器电流的零水平。

20.一种空气处理系统（50），包括如权利要求1所述的超微细颗粒传感器（1；40），其中，所述超微细颗粒传感器具有设置为提供控制信号的反馈输出，所述控制信号能够基于所述变化的测量信号控制与所述空气处理系统相关的空气调节/清洁单元（52；55）和/或空气通风单元（51）。

21.如权利要求20所述的空气处理系统（50），其中，所述空气调节/清洁单元（55）是便携式单元。

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