CN101375149A - 颗粒物质实时测量系统 - Google Patents

Abstract

颗粒物质实时测量系统包括用于接收和稀释气溶胶的热稀释器。蒸发单元接收稀释后的气溶胶。冷稀释器从蒸发单元接收和稀释输出流。冷凝微粒计数器接收稀释的输出流并测量微粒数量浓度。集成装置也接收稀释的输出流。集成装置测量粒径浓度和微粒表面积中的至少一个。集成装置也测量质量浓度。

Description

颗粒物质实时测量系统

技术领域

本发明涉及颗粒物质实时测量系统。

背景技术

由内燃机排放的颗粒物质(particulate matter，PM)引起对公众健康和环境的关注。严格的排放标准已经立法以减少来自内燃机的污染物排放。近来，研究已经发现，利用现代的技术，基于来自引擎的PM排放的质量已经显著地降低。然而，来自引擎的PM排放的数量浓度(number concentrations)已经显著地增加。结果，排放的微粒(particles)具有较小尺寸和较大的表面面积。在研究引擎排放的微粒时，重要的是正确地测量微粒。

测量从轻型的柴油机车辆排放的固体微粒数的现有手段在图1中以10说明。系统10包括预分类器12，热稀释器(PND1)14，蒸发管16，冷稀释器(PND2)18，和冷凝微粒计数器(CPC)20。预分类器12用来将气溶胶的截止(cutoff)尺寸保持在2.5至10μm范围内。通过在高稀释空气温度运行热稀释器14，并在蒸发管16中在300至400℃范围内加热样品，由挥发性的材料形成的微粒和硫酸盐微粒被汽化为气态。在用冷稀释器18冷稀释期间，由挥发性材料形成的所有的微粒和硫酸盐被除去。结果，仅固体微粒移入冷凝微粒计数器(CPC)20。在CPC20测量固体微粒浓度。

尽管用于测量颗粒物质的现有的系统在许多应用中使用，但是这些系统具有有限的功能性。这是对具有扩展的功能的颗粒实时测量系统的需要。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于测量引擎排气微粒特性的强大的工具，该特性能被用于引擎燃烧和排气后处理的研究。

根据本发明，颗粒物质实时测量系统具有超出测量固体微粒数排放的现有手段以外的扩展功能性。本发明包括将扩散充电器或粒径浓度测量仪器集成入固体微粒计数系统(SPCS)。对于固体微粒或全部微粒，预期的系统可以产生高达七个实时微粒特性而不是仅一个特性。

按照本发明作出的颗粒物质实时测量系统包括预分类器，热稀释器，蒸发管或单元，冷稀释器，和冷凝微粒计数器。本系统进一步地包含用于测量质量浓度，以及粒径浓度或颗粒表面积的集成装置。

在一个方法中，扩散充电器(DC)结合到固体微粒计数系统中。在另一个方法中，粒径浓度测量仪器结合到固体微粒计数系统中。在任意一个方法中，对于引擎放出的固体微粒或全部的微粒，颗粒物质实时测量系统能提供高达至少七个特性而不是一个特性。这些特性包括实时固体微粒或全部微粒数量浓度，表面面积，直径浓度，质量浓度，体积浓度，平均直径，以及平均有效密度。

扩散充电器(DC)是一种用于实时测量微粒表面积的传感器。通过用传统的PM质量测量校准扩散充电器，扩散充电器可以同时测量实时质量浓度。

直径浓度仪器在与扩散充电器类似的原理之下运行。直径浓度仪器测量粒径浓度(例如，mm/cm³)并且被校准以测量粒径浓度而不是表面积。以和扩散充电器一样的方法，直径浓度仪器可以被校准以同时测量实时质量浓度。

在具有扩散充电器的测量系统中，系统中的冷凝微粒计数器提供固体微粒或全部微粒数量浓度。扩散充电器测量用于固体微粒或全部微粒的实时表面积和质量浓度。用于固体微粒或全部微粒的平均直径、直径浓度、体积浓度和平均有效密度可以根据从冷凝微粒计数器和扩散充电器获得的信息被计算。

在具有直径浓度仪器的系统中，冷凝微粒计数器测量固体或全部微粒数浓度。直径浓度仪器测量固体或全部微粒的粒径浓度和质量浓度。固体或全部微粒的平均直径、表面积、体积浓度和平均有效密度可以根据从冷凝微粒计数器和直径浓度仪器获得的信息被计算。

与本发明的实施例相联系的优点是很多的。例如，扩散充电器或直径浓度仪器可以在与冷凝微粒计数器相同的位置取样。以这种方法，不要求对固体微粒计数系统过度的修饰以按照本发明实施颗粒物质实时测量系统。改进的系统提供用于具有大大增加的功能性的测量微粒特性的强大的工具。

附图说明

图1说明现有的固体微粒计数系统；

图2说明按照本发明的第一实施例作出的颗粒物质实时测量系统；以及

图3说明按照本发明的第二实施例作出的颗粒物质实时测量系统。

具体实施方式

参考图2，颗粒物质实时测量系统包括固体微粒计数系统(SPCS)30，SPCS计算机32，以及扩散充电器(DC)34。SPCS30包括预分类器40、热稀释器(PND1)42以及关联的温度控制器44、蒸发单元46以及关联的温度控制器48、冷稀释器(PND2)50、以及冷凝微粒计数器(CPC)52。预分类器40用来将气溶胶的切断尺寸保持在2.5至10μm范围内。通过利用温度控制器44在高稀释空气温度下运行热稀释器42，并且在蒸发单元46中在300至400℃范围内加热样品，由挥发性材料形成的微粒和硫酸盐微粒被汽化为气态。在冷稀释器50冷稀释之后，由挥发性材料形成的所有的微粒和硫酸盐被除去。固体微粒移入CPC 52，并且固体微粒的浓度在CPC 52被测量。在热稀释器42和蒸发单元46在较低的温度被运行以避免挥发性材料和硫酸盐微粒汽化为气态的情况下，所有的微粒随流移入CPC 52，并且全部微粒浓度在CPC 52被测量。

通过将扩散充电器34的入口连接至SPCS 30中的CPC 52的上游侧，扩散充电器34在与CPC 52相同的位置取样。用于SPCS 30的计算机控制和数据获取系统32用来从扩散充电器34获得信号，扩散充电器34被校准以实时测量表面积和质量浓度。对于固体和全部微粒的利用扩散充电器34的质量浓度的不同校准曲线可以被存储在SPCS计算机32中。例如，固体微粒质量浓度的校准曲线在SPCS中的热稀释器和蒸发单元在高温下运行的时候被选择。否则，全部微粒质量浓度的校准曲线被选择。

如上所述，CPC 52测量数量浓度，并且DC 34实时测量表面积和质量浓度。被测量的微粒、固体或全部微粒的平均直径、直径浓度、体积浓度、以及平均有效密度可以被计算如：

$D_{p(t-\mathrm{td})}=\sqrt{\frac{S_{t-\mathrm{td}}}{\mathrm{\π}{N}_t}}$

L_t-td＝D_p(t-td)N_t

$V_{t-\mathrm{td}}=\frac{1}{6}\mathrm{\π}{D}_{p(t-\mathrm{td})}^3{N}_t$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{eff}(t-\mathrm{td})}=\frac{m_{t-\mathrm{td}}}{V_{t-\mathrm{td}}}$

这里td是CPC相对于DC的延迟时间；D_p(t-td)是在时间t-td的表面积平均直径；S_t-td是在时间t-td用DC测量的表面积；N_t是在时间t由CPC测量的数量浓度；L_t-td是在时间t-td的粒径浓度；V_t-td是在时间t-td的体积浓度；ρ_eff(t-td)是在时间t-td的平均有效密度；m_t-td是在时间t-td由DC测量的质量浓度。

利用当前的技术，DC的响应时间比CPC的响应时间快很多。所以，在以上等式中包含有延迟时间修正。延迟时间td可以通过在瞬时条件下运行颗粒物质实时测量系统被测量。其在固定的系统配置是常数。

总之，有七个从颗粒物质实时测量系统的该实施例获得的函数：

1.数量浓度

2.粒径浓度

3.表面积

4.质量浓度

5.平均直径

6.体积浓度

7.平均有效密度

参考图3，颗粒物质实时测量系统包括SPCS 60、SPCS计算机62、以及直径浓度仪器64。SPCS 60包括预分类器70、热稀释器(PND1)72和关联的温度控制器74、蒸发单元76和关联的温度控制器78、冷稀释器(PND2)80、以及冷凝微粒计数器(CPC)82。

直径浓度仪器64的入口连接至SPCS 60中的CPC 82的上游侧。直径浓度仪器64在与CPC 82相同的位置取样。用于SPCS 60的计算机控制和数据获取系统62用来从直径浓度仪器64获得信号，直径浓度仪器64被校准以实时测量粒径浓度和质量浓度。对于具有直径浓度仪器64的固体和全部微粒上的质量浓度的不同校准曲线可以被存储在SPCS计算机62中。例如，固体微粒质量浓度的校准曲线在SPCS中的热稀释器和蒸发单元在高温下运行的时候被选择。否则，全部微粒质量浓度的校准曲线被选择。

CPC 82测量微粒数量浓度。直径浓度仪器64实时测量直径浓度和质量浓度。被测量的微粒固体或全部微粒的平均直径、表面积、体积浓度、以及平均有效密度可以被计算如：

$D_{p(t-\mathrm{td})}=\frac{L_{t-\mathrm{td}}}{N_t}$

$S_{t-\mathrm{td}}=\mathrm{\π}{D}_{p(t-\mathrm{td})}^2{N}_t$

$V_{t-\mathrm{td}}=\frac{1}{6}\mathrm{\π}{D}_{p(t-\mathrm{td})}^3{N}_t$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{eff}(t-\mathrm{td})}=\frac{m_{t-\mathrm{td}}}{V_{t-\mathrm{td}}}$

这里td是CPC相对于直径浓度仪器的延迟时间；D_p(t-td)是在时间t-td的粒径浓度的平均直径；L_t-td是在时间t-td用直径浓度仪器测量的粒径浓度；S_t-td是在时间t-td的表面积；N_t是在时间t由CPC测量的数量浓度；V_t-td是在时间t-td的体积浓度；ρ_eff(t-td)是在时间t-td的平均有效密度；m_t-td是在时间t-td由直径浓度仪器测量的质量浓度。

CPC相对于直径浓度仪器的延迟时间td，可以通过在瞬时条件下运行颗粒物质实时测量系统被测量。如果在CPC和直径浓度仪器之间没有延迟时间，则td等于零。td的符号(负的和正的)反映出直径浓度仪器比CPC快或慢。

总之，有七个从颗粒物质实时测量系统的该实施例中获得的函数：

1.数量浓度

2.粒径浓度

3.表面积

4.质量浓度

5.平均直径

6.体积浓度

7.平均有效密度

以下过程可以用来测量在说明的实施例中的固体或全部微粒：

a.固体微粒测量：用于热稀释器和蒸发单元的温度控制器被设置为高温。例如，用于热稀释器的温度控制器被设置为高于150℃的温度，并且用于蒸发单元的温度控制器被设置为300至400℃。这样，由挥发性材料形成的微粒和硫化物被除去。CPC和扩散充电器(DC)或直径浓度仪器仅测量固体微粒。为避免CPC和DC或直径浓度仪器的饱和，用于热稀释器和冷稀释器的稀释比率可以被调整至更高的值。

b.全部微粒的测量：用于热稀释器和蒸发单元的温度控制器被设置为室温或关闭。结果，包括固体、挥发性的和硫化物微粒的全部微粒流入CPC和扩散充电器(DC)或直径浓度仪器。为避免CPC和DC或直径浓度仪器的饱和，用于热稀释器和冷稀释器的稀释比率可以被调整至更高的值。

虽然本发明的实施例已经被图解并说明，这些实施例不意味图解并说明本发明所有的可能形式。更确切些，说明书中使用的言词是描述而不是限制的言词，并且很清楚，在没有背离本发明精神和范围的情况下，可以作出各种改变。

Claims (14)

1.一种颗粒物质实时测量系统，其特征在于，所述系统包含：

热稀释器，用于接收和稀释气溶胶；

蒸发单元，用于接收所稀释的气溶胶，所述蒸发单元能够蒸发挥发性材料微粒和硫酸盐微粒，所述蒸发单元提供输出流；

冷稀释器，用于接收和稀释来自所述蒸发单元的所述输出流；

冷凝微粒计数器，用于接收来自所述冷稀释器的稀释后的输出流并测量所述微粒数量浓度；以及

集成装置，用于测量质量浓度，并用于测量粒径浓度和微粒表面积中的至少一个，所述集成装置接收来自所述冷稀释器的稀释的输出流。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包含：

预分类器，用于接收所述气溶胶，并向所述热稀释器提供预分类的气溶胶。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成装置是用于测量稀释的输出流的微粒表面积的扩散充电器。

4.一种操作如权利要求3所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的粒径浓度。

5.一种操作如权利要求3所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的微粒平均直径。

6.一种操作如权利要求3所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的微粒体积浓度。

7.一种操作如权利要求3所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的平均有效密度。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成装置是用于测量所述稀释的输出流的粒径浓度的粒径浓度仪器。

9.一种操作如权利要求8所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的微粒表面积。

10.一种操作如权利要求8所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的微粒平均直径。

11.一种操作如权利要求8所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的微粒体积浓度。

12.一种操作如权利要求8所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

确定所述稀释的输出流的平均有效密度。

13.一种操作如权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

在足够高的温度下操作所述热稀释器和所述蒸发单元，以使挥发性材料微粒和硫酸盐微粒蒸发。

14.一种操作如权利要求1所述的系统的方法，其特征在于，所述方法包含：

在足够低的温度下操作所述热稀释器和所述蒸发器单元，以避免挥发性材料微粒和硫酸盐微粒蒸发。

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