CN102224406A - 用于感测气载粒子的传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种粒子传感器，其能够感测在穿过该传感器内部通道的气流中大于约10nm的气载粒子。该传感器包括高压放电电极，其用于生成气载单极离子，该气载单极离子对气流中的气载粒子进行充电。而且，所生成的离子被用于在传感器内部的放电电极与对电极之间建立离子风。该离子风是用于维持通过传感器的气流的驱动力并且允许传感器操作在无可听噪声的情况下发生。气流中的带电粒子的存在由粒子感测部分中的电流计测量，在由置于粒子感测部分的上游的单独的筛滤电极从空气中移除所有气载离子之后，该电流计测量每单位时间沉淀在沉淀电极的表面上的粒子束缚电荷。

Description

用于感测气载粒子的传感器

技术领域

本发明涉及用于感测大于10nm的气载粒子的传感器。本发明还涉及包括所述传感器的空气管理系统，以及涉及用于感测大于10nm的气载粒子的方法。

背景技术

气载超细粒子（UFP）是直径在近似10nm到500nm范围内的粒子。在技术文献中，术语UFP有时也用于指直径小于300nm的粒子。因为已知UFP的吸入对人类健康有害，所以UFP传感器可以用于监视室内和室外环境中空气的质量，特别是空气中UFP污染水平。然后，当基于UFP传感器信号而认为必要时可以采取适当措施减少暴露于气载UFP。例如，当至少已知实际的室内UFP浓度水平时，可以更经济地运行被布置为从室内环境中移除气载UFP的空气处理系统。除了小于约500nm的UFP，尺寸（size）介于约300nm与10μm之间的气载细粒子（FP）也是受到关注的。即使作为一种类别的粒子的FP被认为危害小于UFP，任何小于10μm的气载粒子也可以潜在地产生危害，因为它是可吸入的并且能够到达并沉积在肺的深肺泡区中。因此，气载FP的测量连同气载UFP的测量也仍然值得进行。

室内测量优选地在人们在其中生活或工作的或其中产生UFP（例如烹饪区）的房屋中执行。为了尽可能少地干扰正常的人类活动，UFP传感器应当是小的、不显眼的且还是无噪声的。由于UFP浓度在不同房间之间可以显著改变，所以在单个住宅内经常需要若干个测量点，并且因此期望将每个传感器的成本保持得较低。

同时待审的专利申请WO2007/000710涉及UFP传感器设备，其中电沉淀（electric precipitation）用于估计气载UFP的尺寸和浓度。高压放电电极用于生成和发射气载离子到进入所述设备的气流中。气载离子的一部分附着到气流中的UFP，由此对它们进行充电。这些带电粒子随后被置于接地的导电的法拉第笼中的机械过滤器（filter）捕获。带电粒子的浓度可以通过测量沉积在机械过滤器内部的粒子束缚的电荷的量来评估（evaluae）。在到达过滤器之前，气流穿过平行板沉淀部分，其中可以提供静电场以借助于静电沉淀从气流中移除特定尺寸范围内的一部分带电粒子，或者不提供静电场不移除所述一部分带电粒子。这使得能够生成两个不同的测量信号，一个信号与气流中所有带电粒子的测量相关联，另一个信号与在一部分带电粒子已经借助于静电沉淀而被从气流中移除之后气流中剩余的带电粒子的测量相关联。这两个信号的组合允许推断粒子数量浓度（如本文所使用，粒子数量浓度是空气单位体积中气载粒子的数量）和数量平均的（number-averaged）粒子直径。

WO2007/000710中公开的UFP传感器对于其具有鲁棒性的构造而言是有利的，其中通过传感器的气流的大小主要由吸引空气通过传感器的泵或通风机的特性或由法拉第笼内部的机械过滤器所引起的压力降确定。传感器的空气入口与空气出口之间的小环境空气压力差基本不影响通过传感器的气流。

还有这样的已知传感器：其中气流通过热导致的热烟囱效应产生，所述热在传感器内部的开口（open）空气通道的底端处连续地提供给空气，气流通过所述开口空气通道。导致这种气流所需的热能使得传感器的操作不那么经济。而且，热烟囱效应仅在传感器内部的空气通道竖直定位时有效，从而限制了热烟囱效应的普遍的适用性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在其中传感器的无噪声操作是优选的环境中使用的改进的UFP传感器。期望的是，在产生通过传感器的气流的过程中起作用的（active）部件应当实质上不消耗能量（或者至少消耗量减少的能量）、应当是耐用的、紧凑的，并且实质上不生成可听噪声（或生成至少非常低的可听噪声）。

根据本发明的第一方面，提供一种用于感测大于约10nm（比如（优选地）大于约20nm）的气载粒子的传感器。该传感器包括具有开口端的通道，下列元件置于该通道中：

- 放电电极，其用于生成气载单极离子；

- 透气对电极（counter electrode），其适于吸引气载离子；

- 透气筛滤电极（screening electrode），其定位在对电极的下游；以及

- 粒子感测部分，其用于感测带电的气载粒子。该粒子感测部分定位在筛滤电极的下游。

对电极定位在放电电极的下游，从而它基本朝着下游的方向在气载离子上施加引力。由放电电极排出（expel）的且朝向对电极被吸引的离子将通过它们在移动通过空气时经历的粘性阻力在对电极的方向上完成净空气移动。该净空气移动导致通道中的气流，其通常被称为离子风。气载单极离子的一部分吸收到气流中的气载粒子上，从而对粒子充电。许多气载离子随后通过对电极上的吸收而从空气中被移除。

通过布置在对电极下游的筛滤电极从气流中移除任何剩余的气载离子，从而使得没有气载离子或至少有限数量的气载离子可以进入粒子感测部分。借助于筛滤电极，产生电场，从而使得气载离子受到静电力的作用，静电力将这些气载离子移出气流。因此，由筛滤电极施加在气载离子上的静电力在不同于气流移动的下游方向的第二方向上。因此，进入粒子感测部分的空气将仅包含带电的气载粒子而不包含气载离子，或包含至少有限数量的气载离子。

本领域技术人员将理解，放电电极以及对电极在该实施例中服务于至少两个目的。在传感器的操作期间，放电电极产生气载离子，该气载离子一方面将为气载粒子提供检测它们所必需的电荷，且另一方面通过将动量传递给空气分子产生离子风。对电极适于实现双重任务：使气载离子受到下游方向上的静电力的作用以及从其附近的空气中移除至少一部分气载离子，从而使得气载离子将不会通过将不由粒子携带的气载电荷引入到粒子感测部分中而扰乱粒子检测过程。

在有利实施例中，筛滤电极使气载离子受到静电力的作用，该静电力的方向与下游方向成至少90度角。优选地，静电力指向基本上与气流方向相对。特别地，所述第二方向可以是上游方向。

在本发明的一个实施例中，粒子感测部分包括用于使气流受电场的作用从而导致至少一部分带电气载粒子静电沉淀在至少一个沉淀表面上的装置。电力沉淀表现出与使用用于捕获粒子的机械过滤器（比如纤维过滤器）相比的优势在于：它可以以低得多的气流阻力实现。这是重要的，因为由离子风导致的气流可以仅在所遇到的气流阻力非常小且小于离子风产生的压力差（其典型地为5-10Pa）时被建立。适当地，可以使所施加的电场可随着时间的推移变化，从而使得部分或全部沉淀的粒子的粒子尺寸范围可被改变。这可以用于获得气载粒子的尺寸分布的相对宽度方面的见识。在本实施例中，粒子感测部分进一步包括至少一个电流计。所述至少一个电流计电连接到所述至少一个沉淀表面中的一个或多个，从而生成指示沉淀在一个或多个沉淀表面上的任何带电气载粒子的电荷的测量信号。所测量的电流表示每单位时间沉积在沉淀表面上的粒子束缚电荷。改变电场可以导致沉淀的带电粒子量的变化并且因此导致所测量的电流的变化。

在另一个实施例中，用于使气流受到电场作用的装置包括至少两个导电电极元件，它们彼此平行。至少一个导电元件包括沉淀表面。电场可以跨越可以以直线或圆柱形配置被配置的至少两个平行的导电板之间的气流管道（conduit）而产生。这意味着所述电场基本上垂直于管道并且因此垂直于通道的方向。平行的导电板的间隔应当足够大以免显著地阻碍气流。

取代在粒子感测部分内部使用平行板电极组件（assembly）以用于实现带电粒子沉淀，可以可替代地应用至少两个平行的粗筛孔金属丝网电极的堆叠，相邻丝网相对于彼此被设置在不同的电位处。丝网电极的平面可被给予不同于通过粒子感测部分的气流方向的取向，因为丝网自身是透气的。

在本发明的另一个实施例中，筛滤电极包括至少两个筛滤电极元件，它们彼此平行。筛滤电极元件之间的电场随着时间的推移在第一筛滤场强E_scr，1和第二筛滤场强E_scr，2之间变化。第一筛滤场强被确定为使得基本上所有气载离子在离开筛滤电极之前沉淀（即场强足够高）并且使得气流中的至多20%的带电气载粒子在离开筛滤电极之前沉淀（即场强足够低）。第二筛滤场强高于第一筛滤场强并且被选择（即，足够低）以使得所有带电气载粒子中具有大于预定粒子尺寸的部分穿过筛滤电极。优选地，第一筛滤场强被调谐为使得带电粒子的尽可能小的一部分沉淀。该策略阻止了任何气载离子或气载离子的至少大多数进入粒子感测部分。优选地，第二筛滤场强被调谐为使得具有大约10-20nm尺寸的单带电粒子（即，仅携带一个基本电荷的粒子）在离开筛滤电极之前仅仅部分地，优选地少于90%被沉淀。响应于变化的筛滤场强，附着到沉淀电极的电流计所测量的电流I_s（由此带电粒子沉淀发生在粒子感测部分内部）也随着时间的推移在第一电流值I₁与第二电流值I₂之间变化。相应的电流值可以用于在气载带电粒子的数量浓度和它们的数量平均的粒子尺寸方面表征气载带电粒子。

在本发明的有利实施例中，所述传感器进一步包括光学粒子检测单元，其能够光学地检测气流中的气载粒子。气载粒子仅在它们大于约300nm时可被容易地检测。利用适当配置的光学粒子检测单元，甚至有可能区分300nm-10μm粒子尺寸区间中的粒子的若干个尺寸类别。光学粒子检测单元添加到传感器使得不仅能够感测10nm-300nm尺寸范围中的超细粒子而且能够感测大于300nm的细粒子。这是有益的，因为小于10μm的气载粒子的任何存在由于它们能被吸入和沉积在呼吸道深处而可能是有害的。大于300nm的气载粒子不能容易地经由对它们的电荷的测量而被检测，因为当与与小于300nm的气载粒子相关联的粒子电荷相比时，与大于300nm的粒子相关联的粒子电荷对由粒子感测部分感测的总粒子电荷的贡献通常是可忽略的。同时，与小于300nm的粒子相比，大于300nm的气载粒子更容易被光学装置检测。因此，利用光学粒子检测单元获得的信息（其可作为测量信号被提供给评估单元）补充了利用带电粒子感测部分获得的信息。光学粒子检测单元优选地被布置在放电电极的上游以避免任何带电粒子沉淀在光学粒子检测单元内部。

在本发明的一个实施例中，由放电电极产生的对健康有潜在危害的臭氧在它离开传感器之前从气流中被移除。这可以通过使气流沿着表面通过和/或穿过能够吸收或分解臭氧的多孔介质来实现。为此目的，所述表面和/或多孔介质可以配备有活性炭。

在本发明的另一个实施例中，提供一种评估单元，其能够从连接到沉淀表面的电流计接收测量信号（一个或多个），并且如果传感器包括光学粒子检测单元，则所述评估单元能够从光学粒子检测单元接收测量信号。如果粒子感测部分被划分为具有单独的电流计的子部分的序列，则优选地所有所测量的电流被作为输入信号提供给评估单元。评估单元适于输出指示下列至少一个的信号：

- 气流中大于10nm，例如大于20nm的气载粒子的长度浓度；

- 气流中具有大于10nm，例如大于20nm的直径的气载粒子的数量浓度；

- 气流中大于10nm，例如大于20nm的气载粒子的数量平均的粒子尺寸；

- 气流中光学检测的气载粒子的浓度。

而且，评估单元可以使其输出数据与传感器内部的一个或多个电压设定（settings）有关或与传感器内部所产生的过程条件、特别是通过通道的气流的大小有关。

在本发明的又一个实施例中，传感器可在校准模式中操作，该校准模式优选地对应于操作如上所述的除不起作用（deactivated）的放电电极之外的所有部件。在该模式中，一般地，放电电极不生成气载离子。如果不生成气载离子，则不产生通过传感器内部通道的离子风导致的气流并且也不能发生粒子充电或带电粒子沉淀。测量由使带电粒子沉淀在粒子感测部分内部导致的电流的电流计的所得的测量信号可以被用作定义其零读数的偏置信号。优选地，传感器在校准模式中被周期性地操作以周期性地检查电流计的零读数是否正确，并且如果需要，在观察到偏置信号随着时间的推移漂移（drift）时对电流计读数做出调整。

在本发明的另一个有利实施例中，评估单元能够随着时间的推移根据其输出数据生成累计数（cumulative number）。优选地，数量累计在已经维修传感器之后从零开始，该传感器维修至少涉及根据沉积的粒子清洁传感器内的气流通道。累计数可以与自从最后一次传感器维修已经沉淀在粒子感测部分内部的UFP的近似总量成比例或与自从最后一次传感器维修已经穿过光学检测单元的光学检测到的粒子的近似总量成比例。它也可以是这些数的线性组合。同样，累计数近似地反映传感器内部沉积的物质的总量的至少一部分的大小。当累计数超过设置的最大值时，评估单元被布置为生成建议传感器维修的报警消息。及时的传感器维修有益于保证可靠的且可预测的传感器操作和功能。在传感器维修之后，累计数被重置为零。

在本发明的另一个有利实施例中，通道的一端或两端通过面向孔的遮蔽板而被遮蔽以免直接暴露于环境中。该措施防止了离子风导致的通过传感器内部通道的气流变得容易受到由其中存在传感器的环境中的空间气压梯度导致的空气运动的影响。这增强了传感器测量的可靠性并且防止了由环境条件带来的干扰。

根据本发明的第二方面，提供一种空气管理系统，基于由形成本系统的一部分的根据本发明的用于感测气载粒子的至少一个传感器提供的输出信号，该系统的设置是可控的。所述一个或多个传感器可以定位在空气管理系统所服务的（serviced）空间中或之外，例如室外，从中可以取得新鲜空气。除了粒子传感器之外，空气管理系统可包括用于在需要时空气净化和/或用于在需要时空气调节和/或用于在需要时空气通风的装置，由此降低气载粒子的室内浓度（如果该浓度超过由空气管理系统服务的房屋中的预定的值）。在空气管理系统用于车厢的特定情况下，该系统可以比较气载粒子的室内与室外浓度，以便确定内部空气再循环的合适速率和与外部环境空气交换的合适速率。

根据本发明的第三方面，提供一种感测大于10nm，例如（优选地）大于20nm的气载粒子的方法。出于解释该方法的目的，考虑具有第一和第二开口端的通道中包含的空气样本（或控制体积，即空气分子以及其中悬浮的气载粒子的特定集合）。该方法包括下列连续的步骤：

- 生成气载单极离子；

- 应用第一电场，其适于使所生成的气载离子受到沿着通道进入第一方向的静电力的作用，从而造成空气样本在第一方向上移动并且对空气样本中的气载粒子充电；

- 使空气样本穿过透气的对电极，对电极适于从空气样本中移除部分气载离子；

- 应用第二电场，其适于使剩余气载离子受到在不同于第一方向的第二方向上的静电力的作用，以用于从空气样本中分离气载离子；

- 应用第三电场，以用于使气载带电粒子沉淀到通道中的沉淀表面上；以及

- 测量沉淀表面上所沉淀的带电粒子的电荷。

因为一些气载离子将附着到气载粒子，所以单极气载离子的存在导致气载粒子变得带电。借助于所应用的第一电场，所生成的气载离子被移动到沿着通道朝向通道的第二端的第一方向。通过将离子移动通过空气而经历的粘性阻力导致进入第一方向的净气流。第一电场在气流穿过的透气对电极处结束。许多气载离子被对电极从气流中移除。气流中剩余的气载离子的存在可以干扰对带电气载粒子的后续电测量，并且为此施加电筛滤场以从采样的气流中移除所有剩余的气载离子。该筛滤场强优选地被选择为使得不会导致来自气流的带电粒子的大量沉淀（即该场强保持足够低）。随后，气流中的电荷主要由气载粒子携带。然后在第二电场的影响下至少部分地使带电气载粒子沉淀到通道中的沉淀电极的表面上，并且测量指示沉淀的带电粒子的浓度的沉淀的电荷量。

在本发明的一个实施例中，通过使采样的气流受到垂直于通过通道的气流的方向指向的静电场的作用引起带电粒子沉淀。在给定的场强下，小带电粒子比较大的带电粒子沉淀得相对更快速。因此，静电场强度的变化（无论在时间还是空间方面）对于提取关于采样的气流中气载粒子的尺寸分布的信息是有用的。

在本发明方法的另一个有利实施例中，采样的气流中的气载粒子还借助于附加的光学粒子检测单元而被光学检测。这对于大于约300nm的气载粒子而言是很有可能的，这是有利的，因为大于约300nm的粒子一般不容易用电气装置检测。

所述方法的附加的有利实施例包含这样的实施例：其中包括在通道中在生成气载离子的位置的下游从采样的气流中移除臭氧的步骤。

本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例而清楚并且参照这些实施例而被阐明。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的当前优选的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的包括一个电流计的UFP传感器的示意性横截面视图；

图2是根据本发明的不同实施例的UFP传感器的示意性横截面视图，其中离子感测部分包括两个电流计；

图3是根据本发明的不同实施例的UFP传感器的示意性横截面视图，其中光学粒子检测单元被布置在放电电极的上游并且其中传感器的入口和出口部分面对屏蔽板；

图4是根据本发明的第二方面的空气管理系统的示意图；以及

图5是说明根据本发明的第三方面的感测空气样本中的UFP的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的特定实施例的UFP传感器100。传感器100包括空气填充的中心通道，中心通道包括三个相连接的部分110、112、114，其中用于对粒子充电的第一部分110在通道的方向上从入口部分116延伸到对电极124；第二部分112从对电极124延伸到筛滤电极128；以及第三部分114（意在用于感测带电粒子）从筛滤电极128延伸到出口部分118。入口部分116和出口部分118以传感器100的外壳150中的孔的形式被提供，外壳150连接到地或某参考（零）电位。

在第一部分110中，提供高压电晕放电电极120，其连接到电位V_cor并且借助于绝缘体122与传感器100的其他部分电绝缘。电位V_cor可以是可变的并且被调整（regulate）为使得从放电电极120发射单极离子的恒定电流。已经发现1-2μA范围内的电流适用于许多应用。放电电极的几何形状优选地适于促进气载离子的高效生成，同时限制放电电极上的粒子沉积和臭氧生成。优选地，使用由化学惰性材料（例如钼或钨）构成的锋利的针尖电极。已经发现，特别是对于限制臭氧产生而言，产生带正电的气载离子是有利的。

放电电极120排斥（repel）气载离子云，并且该云由于离子自身之间的排斥而立即膨胀。电位V_ctr施加到的对电极124在第一部分110的下游端处提供以用于朝向对电极124吸引来自放电电极120的离子。对电极124的几何形状优选地由至少三个要求确定：

（i）对电极124应当基本上在通道的下游方向上吸引（draw）离子；

（ii）从放电电极120到对电极124的吸引气载离子的路径应当使得气流的所有部分的路径与离子的路径相交，从而使得没有气载粒子或至少有限部分的气载粒子可以逃避暴露（exposure）于气载离子；以及

（iii）对电极124应当造成很少的流阻或不造成流阻。

事实上，本领域技术人员将认识到，对电极124可以适当地被实现为具有面向放电电极120的圆形或椭圆形开口的管。然后，大多数气载离子将被吸引朝向面向放电电极120的所述管的开口面的圆形边缘，从而将这些气载离子从气流中移除。带电粒子的比较而言小得多的电移动性（electric mobility）使得大多数带电粒子能够逃避沉淀到对电极124上，从而允许它们与通过对电极124的气流一起继续它们的行程。气载离子从放电电极120朝向对电极124的运动生成离子风，该离子风可以产生并维持通过通道的气流，而不必依靠用于生成气流的其他装置，只要气流经历不大于仅保持低于5Pa-10Pa的最小阻力。气载粒子和气载离子之间在第一部分110中的接触导致根据通常被称为扩散充电或自由粒子充电的物理过程的粒子充电。

在第二部分112的下游端处，提供设置在相对于对电极124上的电位V_ctr的电位处的导电筛滤电极128，其将气载离子从筛滤电极128向后朝向对电极124排斥。在图1中，筛滤电极被配置为短开口管，其中心轴在与对电极124的中心轴相同的方向上取向。如果施加到筛滤电极的电位为零（通过短路到接地的传感器外壳），则V_ctr需要为负电压，以便将正离子从筛滤电极128向后朝向对电极124排斥。通过向彼此面对的对电极124的管开口端和筛滤电极128的管开口端提供平行放置的多孔丝网（如图1所示），甚至可以在各平行丝网之间以低的筛滤场强产生局部非常有效的离子筛滤。由于气载离子的高移动性的原因，第二部分112中电筛滤场的强度可以保持相对较低，从而使得实质上没有带电粒子的沉淀或者至少非常有限量的带电粒子的沉淀伴随从气流中进行的离子筛滤。

在第三部分114中，筛滤电极128的下游，气载带电粒子基本上是气流中仅剩的带电体。该气流被引导穿过两个平行导电板130、132之间的管道，其中一个平行导电板130接地（在电位V_earth处）并且另一个132维持在恒定电位V_plate以在垂直于气流的方向上产生近似均匀的电场。板130、132通过绝缘体134与传感器100的其他部分电绝缘。通过关于预期的粒子电荷和粒子尺寸以及板130、132的大小选择V_plate的足够大的值，可以确保基本所有的气载带电粒子从气流沉淀。在粒子带正电和V_plate-V_earth>0的情况下，沉淀发生在接地的板132上的沉淀表面上。由板132上的沉淀粒子携带的电荷经由电流计136而被排到大地。

因为在扩散充电的条件下每个粒子的电荷近似与该粒子的直径成比例，所以依据下式用电流计136测量的电流I_s与气载粒子的长度浓度L（即，每单位空气体积所有排成行的粒子的总长度）成比例：

      （1）

如果数量平均的直径d_p,av是已知的或可以估计，则粒子数量浓度N被获得为：

                  （2）

等式1中的I_s与L之间的比例因子（其尤其依赖于粒子充电的有效程度）可以用实验的方法或经由校准来确定。尽管等式1中的积分区域延伸到无穷，但是当关注来自室内或室外环境的普通环境空气时大于300-500nm的气载粒子一般不充分地贡献于L。原因是，在空气中它们的数量浓度一般比小于300-500nm的粒子的数量浓度小得多。因此，L以及从而还有N特别地是指气载超细粒子。

图2中示出根据本发明的粒子传感器的有利实施例。在传感器200中，在第三部分114中经由绝缘体246提供至少一个附加的导电板242、244对。板244经由第二电流计248接地。电位V_plate，1施加到第一板242，同时另一对板130、132中的第一板130保持设置在电位V_plate。通过选择V_plate，1和V_plate的合适的值，在这两对平行板之间产生的电场可以具有不同的强度。优选地，V_plate，1被选择为使得在非可忽略程度上贡献于总粒子数量浓度的任何尺寸的气载带电粒子的仅一部分沉淀在所述附加的板对中的板244上，从而产生由相连接的电流计248测量的第一电流I₁。优选地，大于10nm的所有带电粒子，更优选地大于20nm的所有带电粒子被允许仅部分地从气流沉淀到板244上。剩余的气载带电粒子在板元件130、132之间的足够强的电场的作用下沉淀在板132上，从而产生由连接的电流计136测量的电流I₂。在实验中发现，粒子数量浓度N和平均粒子直径d_p，av根据下式遵循（follow from）I₁和I₂：

                       （3）

                 （4）

其中比例因子可以用实验的方法或经由校准来确定。根据图2中所示的设置（set-up）同时测量的电流I₁和I₂允许在相对于气流中的气载粒子的特性和浓度的固定条件和瞬变条件二者下确定N和d_p，av。

当气流至多遭受仅横跨通道的非常低的压力降（优选地小于5-10Pa）时，通过传感器200的通道的气流可以由放电电极120与对电极124之间的离子风维持。

为了进一步提高电流测量结果I₁和I₂的可靠性，UFP传感器优选地通过在一状态下读取电流计136和248而被周期性校准，在所述状态中放电电极120是不起作用的并且不能够生成离子，同时在正常操作期间应用所有其他电位。这种配置中断了离子风的生成，从而停止了通过通道的气流和气载粒子的充电，使得电流计136和248的读数应当对应于在没有带电粒子沉淀时它们的零（基本电平）读数。这些零读数可以从利用激活的放电电极120的后续测量的读数中被减去，使得净电流读数与每单位时间沉淀在用于沉淀的电极元件132和244上的粒子束缚电荷对应。

在特定实施例中，根据本发明的传感器可以包括表面或多孔介质，其配备有能够从气流中移除臭氧的材料。该材料可以是活性炭或某些其他催化材料并且应当存在于空气出口部分118的上游以防止臭氧从根据本发明的传感器逃出。例如，活性炭可以应用到分别附着到图1和图2所示的传感器中的对电极124和筛滤电极128的丝网上。

同样，有利的是，在空气入口部分116附近提供非常粗的粒子过滤器138以用于将具有比典型的UFP直径的大得多的直径的粒子在它们到达放电电极120之前从气流中移除。该措施防止了大粒子材料沉积在传感器的通道内，从而降低了其对周期性的传感器维修（包含通道的清洁）的依赖并且促进了不受干扰的传感器操作。

在本发明的另一个有利实施例中，一般地参照图3中的示意图，粒子传感器300包括透气的管状对电极324，其两个管端均保持开口，一个管端面对放电电极120。对电极324优选地电短路到传感器300的外壳150。对电极的第二开口端面对筛滤电极372、374。筛滤电极现在体现为包括两个筛滤电极元件372、374的平行板电极。第一筛滤电极元件374连接到筛滤供电电压，并且第二筛滤电极元件372连接到地电位。筛滤供电电压在筛滤电极元件372、374之间施加随着时间的推移在第一筛滤场强E_scr，1=V₁/d_pl与第二筛滤场强E_{scr， 2}=V₂/d_pl之间变化的电筛滤场E_scr，其中d_pl表示平行筛滤电极元件372、374之间的间距。第一筛滤场强E_scr，1被选择为（足够高）使得从气流中移除剩余的气载离子，但是不会造成来自气流的带电气载粒子的大量静电沉淀（即，它保持足够低）。第二筛滤场强E_scr，2高于E_scr，1并且能够从气流沉淀在非可忽略程度上贡献于总粒子数量浓度的任何粒子尺寸的带电气载粒子的仅仅一部分。优选地，直径为约10-20nm的具有单个基本电荷的带电粒子在所施加的E_scr，2的影响下仅仅部分地（优选地少于90%）从气流中被移除。剩余的气载粒子到达粒子感测部分。所述电场强度的选择也防止了气载离子进入粒子感测部分。响应于变化的筛滤场强，由附着到沉淀表面（在粒子感测部分内部，带电粒子沉淀发生在沉淀表面上）的电流计测量的电流I_s也随着时间的推移在第一筛滤场强E_scr，1处测量的第一电流值I₁与在第二筛滤场强E_scr，2处测量的第二电流I₂值之间变化。在实验中发现，依据下式，相应的电流值I₁和I₂可以用于在气载带电粒子的数量浓度N和它们的数量平均的粒子尺寸d_p，av方面表征气载带电粒子：

                 （5）

                （6）

比例因子可以经由校准确定。由于大于300-500nm的气载带电粒子一般不会显著地贡献于I₁或I₂，所以数据N和d_p，av通常指气载超细粒子。这可以随后从推断的d_p，av的值来检查。

图3中的传感器进一步包括置于放电电极上游的光学粒子检测单元。该光学粒子检测单元能够通过利用入射光束照射光学粒子检测单元内的气流来检测大于300-500nm的粒子。被照射的大于300-500nm的粒子能够散射光，并且所测量的被散射到远离入射光束的方向的某些方向的光的特性可以用于推断大于约300-500nm的气载粒子的近似量。能够电测量小于约300-500nm的气载粒子的超细粒子传感器与能够光学检测大于约300-500nm的气载粒子的光学粒子检测单元的组合对于估计并表征小于约10μm的可吸入粒子的潜在有害的空气污染物的总量而言是有用的。

在图1、2和3中公开的本发明的实施例中，用于返回传感器的输出值-比如长度浓度、数量浓度、平均粒子尺寸和光学可检测粒子的浓度-的数值运算在相应的评估单元（未示出）中执行。评估单元可以包括计算装置，还可以包括针对比如等式1-6中隐含（tacitly）出现的比例系数的常数的存储装置。它可以接收输入量（测量信号）并且输出作为数字或模拟信号的结果。

图3中的传感器进一步包括一对面向传感器的入口部分和出口部分的屏蔽板。在屏蔽板与传感器外壳150中的相应孔之间保持有限间距。优选地，该间距的大小与通道110、112、114的最窄部分的大小具有相同的量级。这允许气流进入和离开传感器的入口和出口不受阻碍，其中气流的大小由放电电极与对电极之间存在的离子风确定。同时，屏蔽板保护通过传感器的气流免受传感器周围环境中气压梯度的干扰。这是重要的，因为由离子风导致的传感器内部的压力梯度仅仅相对较小并且容易地被外部影响压倒（overwhelm）。屏蔽板的存在增强了所测量的传感器信号的可靠性。

图4示出服务于人们居住或工作的空间420的空气管理系统。空气从空间420经由空气出口412排出到空气处理单元410，并且空气经由空气入口414进入空间420。根据本发明的实施例的粒子传感器418生成指示空间420中气载粒子的浓度的输出信号。该输出信号被提供给控制器416，其基于来自粒子传感器418的输出信号生成用于空气处理单元410的输出信号。因此，空气处理单元410的操作是根据空间420中所包含的空气的当前特性控制的。

图5是根据本发明的用于感测气载粒子的方法500的流程图。该方法适于感测用于传导气流的开口通道中的空气样本（控制体积）中所包含的大于10nm、优选地大于20nm 的粒子。作为第一步骤510，光学检测空气样本中的较粗的粒子。由于光学检测器的可靠性通常对于粒子的沉积非常敏感，所以该步骤优选地在任何气载离子被引入空气样本之前执行。在第二步骤512中，生成气载离子，其被电场吸引，在步骤514中进入平行于通道的第一方向。由于粘性阻力的原因，空气样本和其中所包含的气载粒子在所述第一方向上移动。接下来，在步骤516中，使空气样本穿过透气的电极，其适于从空气样本中移除部分气载离子。剩余的气载离子（如果不移除，它们会干扰后续测量）在步骤518中被移除，该步骤中空气样本受到第二电场的作用，该第二电场使离子受到静电力的作用，该静电力在不同于第一方向的方向上移动离子，从而使得气载离子从空气样本中分离。第二电场的强度应当如此低以至于气载带电粒子的运动由于它们较低的移动性和较大的惯性（inertia）的原因而仅仅在较小的或优选地可忽略的程度上受到影响。在步骤518之后，带电粒子基本上是空气样本中的仅有的带电体，其具有在第一方向上的向前的净动量。在步骤520中，空气样本受到第三电场的作用，这导致带电气载粒子沉淀到通道中的沉淀表面上。在步骤522中，测量沉淀表面上沉淀的带电粒子的电荷，从而可以表征空气样本中最初所包含的气载粒子的浓度。作为步骤520和522的变形，空气样本可以受到另一个电场的作用。如果例如这些电场的强度是不同的（适当地顺序地增加），则粒子的尺寸分布可以被导出。在最终步骤524中，将潜在的危害健康的臭氧在其被释放到其粒子浓度正被估计的环境中之前从样本中移除。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这些图示和描述被认为是说明性的或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。例如，有可能在其中由一对或多对同心圆柱板生成的用于引起沉淀的电场的实施例中执行本发明。而且，根据本发明的传感器可以用于感测处于不同于上文所述的尺寸范围的粒子。

本领域技术人员在实践要求保护的本发明时通过研究附图、公开内容和所附权利要求能够理解并实现对所公开的实施例的其他变形。在权利要求中词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这一起码事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于感测大于10nm的气载粒子的传感器（100），包括具有开口端的通道（110,112,114），下列元件置于该通道中：

- 放电电极（120），其用于在该通道中生成气载单极离子；

- 透气对电极（124,324），其适于吸引所述气载离子；

- 透气筛滤电极（128;372,374），其定位在放电电极的下游；以及

- 粒子感测部分（114），其用于感测通道中的带电气载粒子，该粒子感测部分定位在筛滤电极的下游，

其中：

- 对电极定位在通道中放电电极的下游和筛滤电极的上游，从而适于引起气载离子的下游净流动，由此生成下游气流；并且

- 筛滤电极适于使气载离子受到不同于下游方向的第二方向上的静电力的作用以便从气流中分离气载离子。

2.根据权利要求1的传感器，其中第二方向与下游方向成至少90度角。

3.根据权利要求1的传感器，其中粒子感测部分包括：

- 用于使气流受电场的作用以导致带电气载粒子静电沉淀在沉淀表面（132;244）上的装置（130,132;242,244）；以及

- 电连接到沉淀表面的电流计（136），其用于生成指示沉淀在沉淀表面上的任何带电气载粒子的电荷的测量信号。

4.根据权利要求3的传感器，其中用于使气流受到电场作用的装置包括至少两个平行的导电电极元件（130,132），其中至少一个包括沉淀表面。

5.根据权利要求3或4的传感器，其中用于使气流受到电场作用的装置适于产生垂直于下游方向的电场。

6.根据权利要求1、3、4和5中任一项的传感器，其中筛滤电极包括至少两个平行的导电电极元件（372,374），筛滤电极元件之间的电场随着时间的推移在第一筛滤场强和第二筛滤场强之间交替，其中第一筛滤场强被选择以使得基本上所有气载离子在离开筛滤电极之前沉淀并且气流中的至多20%的带电气载粒子在离开筛滤电极之前沉淀；第二筛滤场强高于第一筛滤场强并且被选择以使得所有带电气载粒子中具有大于预定粒子尺寸的尺寸的那部分穿过筛滤电极。

7.根据前述权利要求中任一项的传感器，进一步包括光学粒子检测单元（380），其被布置为光学地检测气流中的气载粒子并且释放指示光学检测的粒子的浓度的测量信号。

8.根据前述权利要求中任一项的传感器，进一步包括用于从通过所述通道的气流中移除臭氧的装置，该装置定位在通道中放电电极的下游。

9.根据前述权利要求中任一项的传感器，进一步包括评估单元，其能够接收一个或多个测量信号，该评估单元适于输出指示包括以下的组中的至少一个的信号：

- 气流中气载粒子的长度浓度；

- 气流中具有大于10nm的直径的气载粒子的数量浓度；

- 气流中大于10nm的气载粒子的数量平均的粒子尺寸；以及

- 气流中光学检测的气载粒子的浓度。

10.根据权利要求9的传感器，其中评估单元能够随着时间的推移从其输出信号计算累计数，该累计数与以下任一成比例

- 自从预定的时间点已经沉淀在粒子感测部分内部的大于10nm的气载粒子的近似总量；或

- 自从预定的时间点已经被光学粒子检测单元检测到的气载粒子的近似总量。

11.根据前述权利要求中任一项的传感器，其在校准模式中可操作，其中放电电极（120）不起作用时的电流计（136,248）的所测量的信号被用作放电电极被激活时的后续测量的零电平。

12.根据前述权利要求中任一项的传感器，其中通道的至少一端配备有屏蔽板。

13.一种空气管理系统，包括：

- 根据前述权利要求中任一项的传感器（418），其用于提供指示气载粒子浓度的输出信号，

- 空气处理单元（410）；以及

- 控制器（416），其被布置为基于传感器的输出信号控制空气处理单元。

14.一种用于感测在具有开口端的通道中的空气样本中大于10nm的气载粒子的方法（500），该方法包括步骤：

- 生成（512）气载单极离子；

- 施加（514）第一电场，其适于使所生成的气载离子受到沿着通道进入第一方向的静电力的作用，从而导致空气样本在第一方向上移动并且对空气样本中的气载粒子充电；

- 使空气样本穿过（516）透气的对电极，该对电极适于从空气样本中移除部分气载离子；

- 施加（518）第二电场，其适于使剩余气载离子受到在不同于第一方向的第二方向上的静电力的作用，以便从空气样本中分离气载离子；

- 施加（520）第三电场，以用于使气载带电粒子沉淀到通道中的沉淀表面上；以及

- 测量（522）沉淀表面上所沉淀的带电粒子的电荷。

15.根据权利要求15的方法，进一步包括步骤：光学地检测（510）空气样本中的气载粒子。

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