CN102625909B - 流监测的粒子传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了用于监测气溶胶粒子计数器中的流率的设备和方法。该粒子传感器具有：粒子计数器；流测量孔，其包括差动压力传感器，用于测量在粒子传感器运行期间该流测量孔两侧的差动压力(DP)；以及临界流孔。真空源拉动周围气体穿过该粒子计数器、该流测量孔和该临界流孔之中的每一个。大气压力传感器测量大气压力(AP)，且工作台压力传感器测量该粒子传感器中的压力(BP)。来自这些传感器的输出被用来识别流状况，诸如通过操作性地连接到该差动压力传感器、该大气压力传感器和该工作台压力传感器之中的每一个的监测器。以此方式，不需要昂贵的传感器或其他流控制部件就能容易地监测流率与目标流率的偏差。

Description

流监测的粒子传感器
相关申请的相互引用
本申请要求2009年8月24日提交的美国临时专利申请61/236,318的权益，该美国临时申请在不与本公开内容矛盾的程度上通过引用纳入本文。
背景技术
气溶胶光学粒子传感器在若干领域都是重要的。例如，微污染工业依靠依赖气溶胶光学粒子传感器的使用来提供对污染的定量评估。气溶胶光学粒子传感器被用于测量洁净室和洁净区中的浮在空中(air-born)的粒子污染。通常，这些粒子传感器是低成本的，且不依赖于内部泵来生成所要求的穿过所述传感器的空气流。取而代之，所述粒子传感器依赖于连接至房屋真空系统来生成流。该流率通常通过将所述真空系统连接到位于所述粒子传感器中的低成本的临界流孔(critical flow orifice)来控制。为了对所述粒子传感器检测的粒子的浓度进行准确的定量，被引入所述传感器的气体的流率必须是已知的。例如，未检测到的流率下降为15％将导致所确定的粒子污染浓度水平比实际小15％。据此，重要的是，被所述传感器采样的气体的流率要么被测量要么被准确地警报器，以给用户提供指示：该流率与特定的用户规定水平有了偏差。
用于控制体积流率的临界流孔是一种众所周知的帮助确保流率被维持的技术。临界流孔在本领域中是普遍采用的(见，例如，Willeke/Baron，“Aerosol Measurement”；和Hinds，“AerosolTechnology”)。尽管临界流孔是非常好的低成本体积流控制设备，但这样的孔并不提供以低成本和准确方式监测体积流率的性能。可以利用现成的流传感器，但每个粒子传感器的成本达到数百美元。可以向该粒子传感器添加内部流监测，诸如在1999年7月16日的美国专利6,167,107，“Air Pump for Particle Sensing Using RegenerativeFan，and Associated Methods”中描述的。然而，这样的内部流监测也需要总成本大于一百美元的流感测设备。这样的成本使得在低成本气溶胶光学粒子传感器中使用这样的设备不切实际。
据此，需要一种智能流监测系统，其能够准确且可靠地监测粒子传感器中的流率，而不显著增加该粒子传感器的成本或复杂度。因此，本发明的一个目的是提供以下设备和方法，其用于监测粒子传感器中的流率的，并识别何时该流率与目标流率有了偏差，从而可以采取适当的补救措施。
发明内容
本文提供了一种低成本粒子传感器，其具有能够可靠地监测样本气体流率的准确体积流监测设备。尤其，本文提供的设备和方法适用于识别该传感器内的那些原本不会被检测到的不利流事件。本文呈现的系统在粒子传感器中提供了流监测，而不需要昂贵的流或压力传感器，和/或用于生成受控流率的吹风机。取而代之，可以经由真空源可靠地生成流，且如本文所述地监测流率。
使用一个差动压力传感器和两个绝对压力传感器，连同基于这些传感器的输出的算法，促进了产生既准确又不昂贵的低成本智能流监测方案的能力。所述系统提供了如下性能：准确地评估和识别流状况错误，以及可选地评估和识别该流状况错误是与流输入阻塞(“上游压力损失”)有关还是与真空损失(“下游真空损失”)有关。相比，常规粒子传感器，甚至那些能够监测流率的常规粒子传感器，并不分辨流率状况错误的原因。
在一个实施方案中，提供了一种通过提供粒子传感器来监测粒子传感器中的气体的体积流率的方法。所述粒子传感器具有：流测量孔，其包括差动压力传感器，用于测量所述流测量孔两侧的差动压力；临界孔；以及真空系统，用于生成穿过所述流测量孔和所述临界孔的气体流。通过在所述临界孔的下游位置建立真空压力，生成了穿过所述粒子传感器的气体流。尽管所述传感器可以检测悬浮在任何气体中的粒子，但在一个实施方案中所述气体是空气，诸如生产工厂或洁净室中的空气。确定所述流测量孔两侧的压力降(DP)，诸如通过差动压力传感器。确定大气压力(AP)和所述粒子传感器中在所述临界孔的上游位置的压力(BP)。DP、AP和BP值被用来识别流状况，从而监测所述粒子计数器中的流率。
在一个方面，所述流状况选自令人满意的流率以及流率错误状况。在另一个方面，所述流状况是流率错误状况。
在一个方面，本文提供的任何方法都还涉及，将流率错误状况识别为真空所致流损失(vacuum-induced flow loss)或入口所致流损失(inlet-induced flow loss)。
在一个实施方案中，本发明提供了用于识别流率错误状况的算法。例如，对于如下状况可被识别为真空所致流损失：
DPIcorr＜(1-TOLERANCE)2＊DPItarget；或
DPIcorr＞(1+TOLERANCE)2＊DPItarget；
其中：
DPIcorr是在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力传感器当前读数；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
DPItarget是差动压力传感器目标值，计算方法为：
DPCcorr＊(BPIcorr/BPCcor)，其中：
DPCcorr是系统校准期间的差动压力传感器值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；且
BPCcorr是系统校准期间的工作台压力值；
在另一个实施方案中，该方法用于识别入口所致流损失，其中对于如下状况可识别所述错误：
APRinsitu＜(1-TOLERANCE)＊APRcalibration；或
APRinsitu＞(1+TOLERANCE)＊APRcalibration；
其中：
APRinsitu是在粒子传感器运行期间APIcorr和BPIcorr的压力比：(BPIcorr/APIcorr)；
APIcorr是粒子传感器运行期间的大气压力值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
APRcalibration是APCcorr和BPCcorr的压力比：(BPCcorr/APCcorr)，其中：
BPCcorr是校准时的工作台压力值；且
APCcorr是校准时的大气压力。
在一个实施方案中，TOLERANCE值是从大于或等于5％且小于或等于15％的范围中选择的，诸如10％的值。TOLERANCE值的下限受到所述传感器的准确度的制约。尤其，不能可靠地检测小于10％的压力降变化的差动压力传感器实际上导致TOLERANCE值的最低限度10％。相对比，能够检测10％的压力降变化的差动压力传感器可以被可靠地用于任何大于或等于10％的TOLERANCE值。
在一个方面，BPI是在所述粒子传感器的光学块(optical block)内测量的。在一个方面，所述流测量孔位于所述临界孔的上游。在一个方面，所述真空源是房屋真空。在一个方面，所述气体是空气。
本文描述的任何方法都可以被用来识别如下流状况，其是与目标流率的偏差为10％或更大的监测流率。在一个方面，所述目标流率是气体的体积流率，诸如1CFM(立方英尺每分钟)的目标流率。
在另一个实施方案中，任何所述方法还包括，识别所述流状况偏差的源，其中所述源是真空所致损失或入口所致损失。
本文也提供了设备，诸如用于对气体中的粒子进行检测和计数的粒子传感器。在一个方面，本发明是一种粒子传感器，包括：粒子计数器；流测量孔，其包括差动压力传感器，用于在粒子传感器运行期间测量所述流测量孔两侧的差动压力(DPI)；临界流孔；真空源，用于拉动周围气体穿过所述粒子计数器、所述流测量孔和所述临界流孔之中的每一个；大气压力传感器，用于测量大气压力(API)；工作台压力传感器，用于测量所述粒子传感器中的压力(BPI)；以及监测器，其操作性地连接到所述差动压力传感器、所述大气压力传感器和所述工作台压力传感器之中的每一个，其中所述监测器根据DPI、API和BPI识别流状况。
“监测器”指的是本领域中已知的、提供识别一个或更多流状况的可检测信号的任何部件或部件组。例如，所述监测器可以是警报器，其生成信号来指示何时所述流状况是流率错误。替代地，所述监测器可以简单地提供数值读数，用户可以检查它来确定所述传感器中的流状况。
在一个方面，所述粒子传感器指示如下流率错误，其与穿过所述粒子传感器的气体的目标流率的偏差为10％或更大。
在另一个方面，所述粒子传感器针对由下列公式限定的一个或更多状况指示流率错误：
DPIcorr＜(1-TOLERANCE)2＊DPItarget；
DPIcorr＞(1+TOLERANCE)2＊DPItarget；
APRinsitu＜(1-TOLERANCE)＊APRcalibration；以及
APRinsitu＞(1+TOLERANCE)＊APRcalibration；
其中：
DPIcorr是在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力传感器当前读数；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
DPItarget是差动压力传感器目标值，计算方法为：
DPCcorr＊(BPIcorr/BPCcor)，其中：
DPCcorr是系统校准期间的差动压力传感器值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；且
BPCcorr是系统校准期间的工作台压力值；
APRinsitu是在粒子传感器运行期间APIcorr和BPIcorr的压力比：(BPIcorr/APIcorr)，其中：
APIcorr是粒子传感器运行期间的大气压力值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；
APRcalibration是APCcorr和BPCcorr的压力比：(BPCcorr/APCcorr)，其中：
APCcorr是校准时的大气压力。
在另一个方面，所述粒子传感器识别如下流状况，其是令人满意的流状况，其中所述令人满意的流状况是与目标流率的偏差小于或等于10％的流率。令人满意的状况的识别可以对应于由所述粒子传感器正在进行的采样。
在一个实施方案中，所述流测量孔位于所述粒子计数器和所述临界流孔之间。在另一个实施方案中，所述工作台压力传感器测量所述粒子计数器的光学块内的压力。
在另一个方面，本发明涉及一些都是低成本的传感器，从而确保包含这些传感器的粒子传感器保持低成本。低成本可以用若干方式来定义，包括功能性的，或基于性能的参数，或在绝对成本方面。例如，低成本的传感器可以反映该传感器检测压力变化的灵敏度、可重复性或准确性。例如，某个低成本传感器可以具有2.5％的最大准确度(全标度)，然而较高成本的传感器通常具有较高的灵敏度、可重复性和准确度。替代地，如本文提供的，低成本可以用所述粒子传感器中使用的传感器的成本来表达。
在不希望限于任何特定理论的前提下，可以在此讨论与本发明的实施方案有关的根本原理或机制的观念或理解。应认识到，不论任何解释或假设的终极正确性如何，本发明的实施方案都能实施且有用。
附图说明
图1是一个粒子传感器的示意图，其概述了相关压力传感器及其位置。
图2是一个粒子传感器的示意图，其示出了被测量或计算以监测该粒子传感器中的流状况的相关参数。
图3示出了该粒子传感器和空气流的附加细节。
图4示出了流测量孔，其中孔两侧的压力降被用来基于伯努利方程(Bernoulli equation)计算流率。
具体实施方式
下列专利提供了与粒子传感器和空气流系统有关的有用背景：专利号为5,467,189、5,515,164、5,600,438、4,571,079、4,984,889、4,594,715、5,825,487的美国专利；以及专利号为6,167,107的美国专利。前述每个专利都在不与本公开内容矛盾的程度上通过引用纳入本文。
“流状况”指的是正在被抽吸穿过所述粒子传感器的气体的流状态。在一个方面，流状况基于监测流率和目标流率的比较。目标流率指的是所述粒子传感器被校准来使用的流率，且通常依赖于所述临界流孔(flow orifice)的特性。在一个方面，所述临界流孔被设置尺寸，以提供固定在期望值的目标流率。尽管本文提供的设备和方法与任何期望的目标流率兼容，但在一个实施方案中，所述目标流率是1CFM。容差水平(相对于所述目标流率)被选择，使得只要所述监测流率处于所选择的容差水平内，所述粒子传感器就继续正常运行。这被称为“令人满意的流状况”。然而，如果流监测揭示出所述流率处于所述容差水平之外，则所述粒子传感器能够指示“流率错误状况”。另外，“流率错误状况”可以对应于：监测流率正接近所述容差水平，但尚未超过所述容差水平。
本文提供的设备和方法也能够分辨所述流率错误状况的源。“真空所致流损失”指的是：位于所述粒子传感器的下游端的一事件，且涉及真空源，诸如所述真空源的故障，或所述粒子传感器和/或真空源连接的泄漏，从而导致真空损失。相对比，“入口所致流损失”指的是：位于所述粒子传感器的上游端的一阻塞或其他事件，诸如朝向或位于入口孔或入口管处，这导致在所述临界流孔的上游位置压力降增大。
“TOLERANCE”(容差)是用户选择的或制造者选择的值，且可以用相对于所述目标流率的百分数的方式来表达。例如，如果TOLERANCE被选择为10％，那么，若所述监测流率与所述目标流率的偏差为10％或更大(例如，大于目标流率的110％，或小于或等于目标流率的90％)，所述设备及相关方法就将识别流状况错误。TOLERANCE可以被表达为百分数或对应的数值。
在一个方面，用于这一系统的传感器的总成本(在当前水平)，当以低至1000件的量购买时，小于$25。这确保了所形成的具有智能流监测的粒子传感器也是低成本的。差动压力传感器是任何具有足够准确度来检测期望压力差的压力传感器。例如，在期望可靠地且准确地检测10％的变化(例如，TOLERANCE＝10％)的场合，合适的差动压力传感器是Semiconductor MPXV5004DP差动压力传感器，且合适的绝对压力传感器包括SemiconductorMP3H6115A。
“操作性地连接”指的是诸如监测器和传感器的元件的配置，其中一个元件对另一个元件发生作用或反作用，但是以保留每个元件的功能性的方式。例如，一个传感器的作用(对应于，例如，来自压力换能器的电压输出)可以被用来确定被处理以识别流状况——尤其是流率错误——的一个或更多变量，从而导致所述监测器生成信号来警告用户该流状况错误。在这一实施例中，所述监测器被称为操作性地连接到所述传感器。
可以通过下列非限制性实施例来进一步理解本发明。本文引证的所有参考文献都在不与本公开内容矛盾的程度上通过引用纳入本文。尽管本文的描述包含许多特异性，但它们不应被解释为限制了本发明的范围，而应被解释为仅提供本发明的一些当前优选实施方案的示例。例如，本发明的范围应由所附权利要求及其等价物来确定，而不是由所给出的实施例来确定。
实施例1：用于控制流率的临界流孔
所需要的所要求的临界压力降由下列方程给出。
Pv/Pa＝[2/(k+1)]k/(k-1)        (1)
Pv＝临界流孔的真空侧的压力
Pa＝临界流孔的上游侧的压力
k＝气体比热比＝对于双原子气体为7/5＝1.4
对k代入1.4得到简化的方程：
Pv/Pa＝0.53                    (2)
在标准条件下，Pa＝14.7psi。因此，所要求的临界压力降在标准条件下是7.791 psi(15.9”Hg)。
在标准条件下，当下游真空水平大于15.9”Hg时，临界流孔将维持恒定体积流。在这些条件下，在所述孔的喉中的速率是音速，且下游真空水平的进一步增加并不会增加穿过所述喉的速率。大多数现有技术粒子传感器利用刀刃(knife-edge)临界流孔。这要求用户提供能够在所述粒子传感器的指定流率下维持最小15.9”Hg真空水平的真空泵送系统。
使用临界孔粒子传感器，存在两种具体状况可以导致流率错误。一种故障状况是，所述真空水平降到维持临界流所要求的真空水平之下。这可以在，例如，所述房屋真空系统失去性能的情况下，或所述房屋系统和到所述粒子传感器的真空连接之间存在干扰的情况下出现。第二种故障状况是，到所述粒子传感器的入口压力降存在变化。这可以，例如，由所述粒子传感器入口的阻塞导致。
实施例2：低成本流监测
图1详示了一个可以被用来智能地监测流率的粒子传感器的流体设计特征。该粒子传感器包括入口喷嘴，周围空气从入口喷嘴被从周围环境抽入该粒子传感器的光学块200。该光学块是该系统的一部分，该部分随着悬浮在运动空气中的粒子被抽吸穿过激光束并且在离开该光学块之前散射光能而执行粒子检测。
空气被抽吸穿过流测量孔400。该孔两侧的差动压力120被用来测量穿过该粒子传感器的流率。这一差动压力被最小化，因为它的压力降被直接添加到临界流孔的所要求的压力降。然后，空气被抽吸穿过文丘里临界流孔410，之后被外部真空系统300抽出该传感器。该临界流孔被用来控制该粒子传感器的目标流率。外部真空源300提供了所要求的力来将空气抽入该粒子传感器。
图1中也详示了几个重要的空气压力点。AP1 124是周围环境的绝对空气压力。AP2 122是该粒子传感器中的——且在这一实施例中是光学块200的——绝对空气压力(在此被称为“工作台压力”，BP)。传感器122可以位于沿着该粒子传感器系统的任何位置，只要该系统中的压力被可靠地测量。在一个方面，BP是在临界孔410的上游位置测量的。在另一个方面，BP是在流测量孔400的上游位置测量的。DP2120是流测量孔400两侧的差动压力，并且被用作穿过该传感器的流率的指示。AP3 310是该临界流孔入口的绝对空气压力。AP4 320是所施加的真空系统的绝对空气压力。DP1 330是该临界流孔两侧的差动压力。
依赖于真空源300供应并维持所要求的最小水平的真空的能力，该系统将保持由该临界流孔的横截面积确定的恒定体积流率。这一孔可以在校准时被设置尺寸，以实现从周围环境抽吸的空气(AP1)的所期望的目标体积流率。据此，监测AP1的能力，以及监测AP2的其他压力点，确保了AP1的改变(诸如由于海拔或天气的变化)被纳入考量，以确保维持目标体积流率。进入该系统的体积流率将保持恒定，只要由外部真空源300生成的真空水平AP4 320保持足够强以产生所要求的临界流孔410两侧的差动压力(330)用以产生临界流，并且上游压力降没有变化(例如，124和122：AP1-AP2；或124和310：AP1-AP3)。
流测量孔400两侧的差动压力120(例如DP2)也将保持恒定，只要该流率保持恒定。这使得DP2成为监测该系统的流状态的上佳选择，因为DP2的任何变化都指示流率的相应变化的潜在可能性。
如果该粒子传感器在一个观测位置(sight location)被校准，然后移动到另一个观测位置，则它会经受周围空气压力(124)的显著变化。绝对空气压力因海拔而改变，诸如从海平面(407英寸的水柱)到5000英尺高度处的低得多的水平(338英寸的水柱)。周围空气压力(AP)的这一17％的变化不会导致抽入该粒子传感器的体积流率的显著变化。该临界流孔压力降受到空气中声速(sonic air velocity)的限制，而空气中声速随高度——例如从海平面变化到5000英尺——的变化非常小。
高度的变化将导致该流测量孔两侧的差动压力(DP2)的显著变化。在正常粒子传感器运行期间经受的流状况下，差动压力变化和体积流率之间的关系可以使用伯努利方程来表达：
Q＝K·[(2·ΔP)/ρ]1/2        (3)
Q＝体积流率
K＝经验性地得出的常数
ρ＝密度
在这种情况下，ΔP的变化缘于绝对空气压力的变化(以及空气密度ρ的相应变化，如下面在方程(4)中示出的理想气体定律中反映的)。周围空气压力降低17％将导致该流测量孔两侧的差动压力(DP2)降低17％。如果(DP2)被用来生成用于该粒子传感器的流状态指示，则它必须能够补偿周围空气压力的变化。这可以使用低成本(例如，在8美元左右)的绝对空气压力传感器来实现。这一类型的传感器具有1.5％的可重复率，且可以被用来可靠地检测比目标流率大10％或更多的体积流率的变化。
使用临界流孔粒子传感器，存在两种可能的状况可以导致流错误。第一种状况是，真空水平320(AP4)降到维持临界流所要求的真空水平之下。这可以在，例如，真空源300出现故障的情况下，或该真空源和该粒子传感器之间出现泄漏的情况下出现。当这一状况发生时候，临界流孔410开始将较少的周围空气流抽入该粒子传感器。对流测量孔120(DP1)的影响是用伯努利方程来确定的，其中从方程(3)可知，流测量孔400两侧的压力降120的变化将以该流率的平方下降。换言之，体积流率下降10％将导致测得的差动压力(120)下降19％。
压力降变化和流率之间的这一关系是有利的，因为教导了对该差动压力传感器检测流率变化的准确度要求。例如，一个要求检测10％流损失的粒子传感器，要求一个必须可靠地检测19％压力变化的差动压力传感器120。这样的要求可以用低成本的(例如，当前成本低至10美元的)差动压力传感器来满足，而不要求更昂贵的压力传感器或其他昂贵的调整流率的设备，诸如再生吹风机(regenerativeblower)。据此，在一个方面，所描述的任何粒子传感器不具有任何流调整设备，诸如吹风机或其他调整流率的部件。
可以导致临界流孔粒子传感器中的流错误的另一种状况是，入口压力降的变化，诸如由该粒子传感器入口的阻塞导致的。参看图3，例如，这可以缘于空气流入口管20的阻塞或入口孔130的阻塞。由这一情形导致的流率损失也可以用伯努利方程(3)和理想气体定律(4)来预测。
理想气体定律：ρ＝PM/RT    (4)
ρ＝密度(kg/m3)
P＝压力(kPa)
M＝空气的摩尔质量(28.97kg/kmol)
R＝普适气体常数(8.314kJ/kmol·K
T＝温度(°K)
该入口喷嘴的阻塞将导致该入口喷嘴两侧的差动压力降的增加，从而导致在如图1所示的光学块200中测得的AP2122(BP)的减小。据此，临界孔入口压力310(AP3)相对于周围环境124(AP1)变得更负。
该临界流孔将继续维持它的入口压力310(AP3)的体积流率。然而，这不再是从周围环境抽吸的相同的体积流率。被抽入该系统的流的损失是线性关系。入口流的10％的下降与AP1或AP2和AP3之间的10％的差动压力差关联。
对流测量孔的影响也是可预测的。与流测量孔400关联的传感器120(DP)面临10％的绝对空气压力下降，而参考该孔所处的该绝对空气压力的体积流没有下降。这与高度变化引起的测量错误并无不同。在绝对空气压力AP2(BP)122和孔400两侧的差动压力(DP1)120之间存在线性关系。如果该入口流减小10％，则AP2(BP)122处的绝对压力减小10％，并且该流测量孔两侧的差动压力120(DP2)减小10％。
这样的检测比由系统真空损失导致的流损失的检测(其中大小为19％的压力变化可以被用来检测10％的流损失)困难得多。被用来检测10％的流损失的差动压力传感器120必须能够可靠地检测10％的压力损失。这迫使使用高度可重复的、准确的且灵敏的传感器，其成本通常高于低成本差动压力传感器的十倍。
参看图2，通过使用两个低成本绝对压力传感器(124和122)来测量围绕该粒子传感器的周围空气压力(AP)和工作台压力122(BP)以及使用一个低成本差动压力传感器120来监测流测量孔400两侧的压力降(从而监测流率)，避免了对高成本传感器或其他流控制设备的需要。每个传感器120、122和124被监测器500和关联电子器件(其如本文描述的那样处理这些传感器的输出)使用，以识别被引入该粒子传感器的气体的流状况(例如，令人满意、警告、错误)。
由入口限制导致的10％的周围空气流损失仅可能由周围环境(124)和该临界孔入口压力(310)之间的10％的压力差值(delta)造成。在海平面空气压力(407英寸的水柱，绝对空气压力)，这10％的差将是40.7英寸的水柱。这很好地落入了可获得的低成本绝对压力传感器的准确度规格，所述低成本绝对压力传感器通常具有1.5％的最大灵敏度或准确度(6.9英寸的水柱)。
实施例3：用于识别流状况的算法
提供了用于通过使用一个低成本差动压力传感器和两个低成本绝对压力传感器来监测粒子传感器中的体积流率的设备和方法。这一方法的焦点是，产生既具有好于10％的准确度(例如，能够可靠地检测与目标流率有10％或更大的偏差)又不昂贵的低成本智能流监测解决方案。
合适的差动压力传感器120的一个实例是Semiconductor MPXV5004DP。这一传感器在与校准温度相距+/-5℃的温度范围上具有+/-2.5％全标度(full scale)的准确度规格。该粒子传感器中的流测量孔可以被设置尺寸，从而以接近全标度处操作该差动压力传感器。
由于该准确度不是在超过+/-5℃的温度范围之外指定的，所以附加的误差将需要经验性地得出。用于粒子传感器的一个合理的温度范围是+/-15℃。初始测试已经指示，将该温度范围延展到与校准点相距+/-15℃可以使误差增大到+/-7.5％全标度。
合适的绝对压力传感器122和/或124的一个实例是Semiconductor MP3H6115A。这一传感器在0至85℃的温度范围上具有+/-1.5％全标度(115kPa)的准确度规格。在海平面空气压力(101.325kPa)，这相关于测得的空气压力的1.7％。
图2中提供了这一智能流监测系统的一个图示。AP 124代表正在监测周围空气环境的大气压力的绝对压力传感器。BP 122代表正在监测该粒子传感器的内部光学工作台压力的绝对压力传感器。DP 120代表正在监测该流测量孔两侧的差动压力的差动压力传感器。APR 123代表该内部光学工作台压力与该周围环境压力的比率。监测器500向用户提供了流状况的指示。参看图2，该监测器操作性地连接到差动压力传感器120(DP)、大气压力传感器124(AP)和工作台压力传感器122(BP)。根据从传感器120、122和124获得的各个参数之间的关系(见，例如，方程(5)-(12))，该监测器向用户识别流状况，诸如令人满意的流状况(流处于容差范围之内)或流错误(流处于容差范围之外)。该监测器可以简单地警报器(视觉和/或听觉)以通知流状况错误。可选地，该监测器可以自动地关闭粒子传感器106，诸如通过给该系统断电或停止气流。
表1中提供了变量命名及其描述的概要。表1也提供了与该变量何时被测量——诸如在校准期间或传感器运行期间——有关的细节。校准可以出现在没有流状况的情况下，或者出现在已校准的(例如，已知的)流期间。原位(in-situ)指的是在粒子传感器运转期间的测量。“原始(raw)”指的是来自该传感器的基础输出值，并且与偏置读数(offset reading)一起使用以计算针对该参数的“已修正的”值，如表1中概述的。
该系统能够在下列条件下识别与真空损失关联的流状况错误：
DPIcorr＜(1-TOLERANCE)2＊DPItarget    (5)或
DPIcorr＞(1+TOLERANCE)2＊DPItarget    (6)
在TOLERANCE＝10％＝0.1(例如，识别如下的流状况错误，即，与目标流率有+/-10％偏差，且由真空所致流损失或真空损失导致)的一个系统中，方程(5)和(6)分别成为：
DPIcorrected＜0.81＊DPItarget         (7)或
DPIcorrected＞1.21＊DPItarget         (8)
如所讨论的，由真空损失引起的流错误或故障实际上在要检测的这两个潜在流故障中是更容易的。由真空损失导致的流损失将产生差动压力损失，所述差动压力损失是关于流率的平方的函数。也就是，10％的流变化将产生近似20％的差动压力变化。MPXV5004DP压力传感器具有+/-7.5％的准确率，并且必须可靠地检测仅20％的压力变化才能可靠地识别10％的流率变化。该压力传感器准确度的误差带(error band)是所要求的系统准确度的近似37.5％。这一低成本差动压力传感器可以被可靠地用来检测由真空系统变化导致的10％的流变化。
由到该粒子传感器的入口限制导致的流损失的情况更难以检测。具有连接到大房屋真空系统的临界流孔的粒子传感器大大不同于具有小内部吹风机或泵的便携式粒子计数器。
1999年7月16日的专利号为6,167,107的美国专利“Air Pump forParticle Sensing Using Regenerative Fan，And AssociatedMethods”描述了一种便携式粒子计数器。这些系统中的再生吹风机通常仅能够产生近似20英寸水柱的最大真空水平。另外，随着入口被限制并且真空水平上升到它能够产生的最大水平，吹风机流率将下降。该吹风机在该系统流率坍缩(collapse)到零的同一点达到最大真空水平。
这些便携式粒子计数器，如果经受产生了大于20英寸水柱的差动压力降的入口限制，将具有完全的流率坍缩。在407.8英寸水柱(一个大气压)的海平面空气压力时，20英寸水柱的差动压力降对应于周围空气压力4.9％的下降。因此，在该流因吹风机不能产生足够的真空而开始坍缩之前，20英寸水柱的入口限制仅会导致4.9％的流率下降。一旦该流因这一问题而坍缩，该差动压力传感器两侧的差动压力的变化将以类似于由真空损失导致的流损失的情况来响应于该系统。
在粒子传感器连接到房屋真空系统的情况下，该房屋真空系统可以产生非常大的真空水平。典型的房屋真空系统产生大于或等于244.7英寸水柱(18英寸汞柱)的真空水平。在海平面空气压力时，用该示例性系统的临界流孔达到临界流所要求的最小量的真空水平是216.2英寸水柱(15.9英寸汞柱)。因此，该房屋系统必须产生至少216.2英寸水柱的最小真空水平。
在系统流率因真空水平坍缩而下降之前，运行于房屋真空系统的粒子传感器可经受显著的入口限制。在407.8英寸水柱的海平面空气压力时，40.7英寸水柱的差动压力入口限制将产生10％的流损失。只要房屋真空水平是比临界流孔的最小真空要求(216.2英寸水柱)大至少40.7英寸水柱，则由真空损失引起的流损失就不会发生。
在这一情形下，流测量孔两侧的差动压力不像在由真空损失引起的流损失的情况下那样与流损失具有平方关系。更确切地，该差动压力与流损失具有线性关系。这与当流测量孔经受高度变化时存在的关系相同。
临界流孔将继续抽吸适当的体积流率，但它现在参考的是光学工作台空气压力122(BP)，而不是该光学工作台之外的周围空气压力124(AP)。从周围环境抽吸的体积流率将以光学工作台压力与周围压力的比率123(APR)下降。流测量孔400将产生更低的差动压力120，它也以光学工作台压力122与周围压力124的比率123下降。周围环境的10％的流损失将产生差动压力120的10％的下降。
由入口限制导致的10％的流变化将产生差动压力的10％的变化。MPXV5004DP压力传感器具有+/-7.5％的准确度，且现在必须可靠地检测仅10％的压力变化。现在该压力传感器准确度的误差带是所要求的系统准确度的近似75％。这一低成本差动压力传感器不能可靠地用来检测由入口限制导致的10％的流变化。
由于流率变化是由光学工作台空气压力与周围空气压力的比率的变化导致的，这一比率可以被替代地用来预测由入口限制引起的流损失。
在这一实施例中，我们使用绝对压力传感器，其是Semiconductor MP3H6115A。这一传感器在0至85℃的温度范围上具有+/-1.5％全标度(115kPa)的准确度规格。在海平面空气压力(101.325kPa)时，这将与所测得的空气压力的1.7％相关。在这一应用中，要求两个压力传感器测量。行业标准会将这1.7％的准确度规格添加到如下求积(quadrature)：(1.72+1.72)1/2＝2.4＝2.4％。
导致10％的流变化的入口限制将产生10％的差动压力(DP)变化。这两个MP3H6115A压力传感器具有2.4％的组合准确度，且必须可靠地检测10％的压力变化。现在该压力传感器准确度的误差带是所要求的系统准确度的24％。这些低成本绝对压力传感器可以可靠地用来检测由入口限制导致的10％的流变化。
针对由入口限制导致的用户限定容差水平的合格/不合格(pass/fail)准则是，如果与目标流率的偏差比TOLERANCE水平更大，则流状况是流率不合格：
APRinsitu＜APRcalibration×(1-TOLERANCE)        (9)或
APRinsitu＞APRcalibration×(1+TOLERANCE)        (10)
针对由入口限制导致的10％流变化的TOLERANCE被识别为流状况错误(例如，大于10％流率偏差)的合格/不合格准则是：
APRinsitu＜APRcalibration×0.9        (11)或
APRinsitu＞APRcalibration×1.1        (12)
因为该系统补偿该流测量孔的绝对空气压力(在这一实施例中，与光学工作台相同)，该系统在各个高度维持了准确度。以此方式，该系统可以在一个海拔被校准(例如，被制造商校准)，并将当运送到处于不同海拔的另一地点(例如，运送给顾客)时保持校准。该系统也补偿由天气引起的局域空气压力变化。对绝对空气压力的补偿是由该流监测算法的下列部分解决的：
DPItarget＝DPCcorrected＊(BPIcorrected/BPCcorrected)    (13)
该系统将补偿局域空气压力变化和高度变化。该系统将通过监测差动压力(DP)的19％的下降来检测由真空损失引起的10％的流损失。该系统将通过监测(AP)与(BP)之间的差动压力的10％的下降来检测由入口限制引起的10％的流损失。以此方式，低成本DP(120)、AP(124)和BP(122)传感器可以被用来可靠地检测低至10％的流损失。这些压力传感器中的每一个都可以以足够低的成本被购买，使得所得到的粒子传感器保持低成本，但提供了智能流监测，而不显著增加该粒子传感器的成本。
图3示出了粒子传感器106的进一步细节和关联的空气流机制，包括真空源300，其将空气抽入粒子传感器106。图3也示出了被粒子传感器106用来监测体积流率的传感器120、122、124的放置。尤其，来自传感器120、122和124的输出(诸如本文提供的输出和后续算法处理)被引导至监测器500，在此，流状况被提供给用户。真空源300通过入口孔130以及评估空气101A的流138内的微粒粒子的计数器132(例如，光学块200)将空气101A抽入粒子传感器106，入口孔130被连接用于与下游管146流体连通。粒子传感器106优选地包括一个空气流管20，以产生流138。如在本领域已知的，激光器134生成激光束136，激光束136照亮流138，使得散射的能量140(其指示流138中的粒子)被检测器142检测到。粒子感测电子器件144评估通过信号线145来自检测器142的信号，以针对选定的目标体积流率(例如1 CFM)来确定这些微粒的数量。
真空源300进一步从计数器132抽吸空气101A’穿过连接管146以及穿过空气流传感器120和内部气氛传感器122。空气流传感器120测量节流孔(例如，流测量孔400)两侧的空气101A’，参照图4描述，并且内部气氛传感器(例如，工作台压力传感器)122测量传感器106内的压力。在一个方面，传感器122测量光学块200(对应于计数器132)中的压力。真空源300抽吸空气101A’穿过连接管148以排放。
大气压力传感器124提供了进入传感器106的周围空气101的绝对压力。来自传感器120、122、124的输出被用来计算参数，如表1中概述的，从而监测流率。
图4示出了为监测传感器106内体积流率的传感器106内压力感测的原理。限制孔400两侧的差动压力传感器120计算样本管146中的空气101A’的流率(分子/秒)或体积流率(空气体积/秒)。压力传感器122测量传感器106内部的空气的密度(例如压力)。为了获得在期望的体积流率的微粒数量，通过分别由差动压力传感器120和压力传感器122提供的流率和大气压力确定体积流。压力传感器122可以位于传感器106内的其他位置(诸如光学块200处)。该系统的进一步细节在第6,167,107号美国专利中提供。
本申请中的所有参考文献(例如：专利文件，包括公告的或授权的专利或等效物；专利申请出版物；以及非专利文献或其他材料源)在每个参考文献都至少局部地不与本申请的公开内容矛盾(例如，一个局部地矛盾的参考文献，除了该参考文献的局部地矛盾的部分，通过引用被纳入)的程度上通过引用被整体纳入本文，就像被单独地通过参引纳入一样。
本文采用的术语和表达被用于描述而非用于限制，并且不旨在使用这样的术语和表达来排除所示出和描述的特征或其一部分的任何等效物，而是应认识到，在本发明要求保护的范围内，各种修改是可能的。因此应理解，尽管已经通过优选实施方案、示例性实施方案和可选特征具体描述了本发明，但本领域技术人员可以采用本文公开的概念的改型和变体，并且这样的改型和变体被认为落入本发明的由所附权利要求限定的范围。本文提供的具体实施方案是本发明的有用实施方案的实施例，并且本领域技术人员应明了，本发明可以使用本说明书阐述的设备、设备部件、方法步骤的许多变体。本领域技术人员应明了，对于本方法有用的方法和设备可以包括许多可选组分以及处理元件和步骤。
当本文中公开了一组替代品时，应理解，也分别公开了该组的所有单独成员和所有子组。当本文中使用了马库什组或其他分组时，本公开内容也旨在单独地包括该组的所有单独成员以及该组可行的所有组合和子组合。
本文描述或例示的每个配置或成分组合都可以被用来实践本发明，除非另有声明。
每当本说明书中给出一个范围(例如，一个温度范围、一个尺寸或距离范围、一个时间范围、一个速度、一个电压、一个压力或其比率、一个组合物或一个浓度范围)时，本公开内容旨在包括所有中间范围和子范围以及给定范围中包括的所有单独值。应理解，可以从本文的权利要求中排除本文描述中包括的范围或子范围中的任何子范围或单独值。
本说明书中提及的所有专利和出版物都表示了本发明所属领域技术人员的技术水平。本文引证的参考文献通过引用被整体纳入本文，以表示在它们公开日或申请日时本领域状态，并且这一信息旨在如果需要即可在本文中采用，以排除现有技术中的具体实施方案。例如，当要求保护物质组分时，应理解，在申请人的发明之前的技术中已知和可获得的化合物(包括在本文引证的参考文献中为其提供了实施方案的化合物)不旨在被包括本文的权利要求的物质组分中。
用在本文中，“包括”与“包含”、“含有”或“其特征在于”近义，并且是涵盖的或开放的，且不排除额外的未记载的元素或方法步骤。用在本文中，“由......组成”排除了任何在该权利要求元素中未指出的元素、步骤或因素。用在本文中，“基本由......组成”不排除对该权利要求的基础和新特征无实质性影响的材料或步骤。在本文的每一情况下，术语“包括”、“基本由......组成”和“由......组成”中的任何一个都可以与其他二者中的任何一个互换。本文示例性地描述的发明可以在没有任何本文未具体公开的元素、限制的情况下合适地实践。
本发明旨在包括任何这样的材料和方法的所有本领域已知的功能等效物。本文采用的术语和表达被用于描述而非用于限制，并且不旨在使用这样的术语和表达来排除所示出和描述的特征或其一部分的任何等效物，而是应认识到，在本发明要求保护的范围内，各种修改是可能的。因此应理解，尽管已经通过优选实施方案和可选特征具体描述了本发明，但本领域技术人员可以采用本文公开的概念的改型和变体，并且这样的改型和变体被认为落入本发明的由所附权利要求限定的范围。

Claims (23)

1.一种用于监测粒子传感器中气体的流率的方法，所述方法包括下列步骤：
提供粒子传感器，所述粒子传感器包括：
流测量孔，其包括差动压力传感器，用于测量所述流测量孔两侧的差动压力；
临界孔；
真空系统，用于生成穿过所述流测量孔和所述临界孔的气体流；
通过在所述临界孔的下游位置建立真空压力，来生成穿过所述粒子传感器的气体流；
确定所述流测量孔两侧的压力降（DPI）；
确定大气压力（API）；
确定所述粒子传感器中在所述临界孔的上游位置的压力（BPI）；以及
根据所述DPI、API和BPI的值识别流状况，其中所述流状况是流率错误状况；
将所述流率错误状况识别为真空所致流损失或入口所致流损失；
由此监测所述粒子计数器中的所述流率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对于如下状况被识别为所述真空所致流损失：
DPIcorr<(1–TOLERANCE)2*DPItarget；或
DPIcorr>(1+TOLERANCE)2*DPItarget；其中：
DPIcorr是在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力传感器当前读数；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
DPItarget是差动压力传感器目标值，计算方法为：
DPCcorr*(BPIcorr/BPCcor)，其中：
DPCcorr是系统校准期间的差动压力传感器值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；且
BPCcorr是系统校准期间的工作台压力值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中TOLERANCE值是从大于或等于5%且小于或等于15%的范围中选择的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述TOLERANCE值是10%。
5.根据权利要求1所述的方法，其中如下状况被识别为所述入口所致流损失：
APRinsitu<(1-TOLERANCE)*APRcalibration；或
APRinsitu>(1+TOLERANCE)*APRcalibration；其中：
APRinsitu是在粒子传感器运行期间APIcorr和BPIcorr的压力比：
(BPIcorr/APIcorr)，其中：
APIcorr是粒子传感器运行期间的大气压力值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
APRcalibration是APCcorr和BPCcorr的压力比：(BPCcorr/APCcorr)，其中：
BPCcorr是校准时的工作台压力值；且
APCcorr是校准时的大气压力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中TOLERANCE值是从大于或等于5%且小于或等于15%的范围中选择的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述TOLERANCE值是10%。
8.根据权利要求1所述的方法，其中BPI是在所述粒子传感器的光学块内测量的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述流测量孔位于所述临界孔的上游。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述真空源是房屋真空。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体是空气。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括识别与目标流率偏差了10%或更多的流状况。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述目标流率是1CFM。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括识别所述流率错误是与流输入阻塞有关还是与真空损失有关。
15.一种用于监测粒子传感器中气体的体积流率的方法，所述方法包括下列步骤：
提供粒子传感器，所述粒子传感器包括：
流测量孔，其包括差动压力传感器，用于测量所述流测量孔两侧的差动压力；
临界孔；
真空系统，用于生成穿过所述流测量孔和所述临界孔的气体流；
通过在所述临界孔的下游位置建立真空压力，来生成穿过所述粒子传感器的气体流；
确定所述流测量孔两侧的压力降（DPI）；
确定大气压力（API）；以及
确定所述粒子传感器中在所述临界孔的上游位置的压力（BPI）；以及
根据所述DP、AP和BP的值识别流状况，其中所述流状况按如下方式被识别：
对于如下状况识别为真空所致流损失：
DPIcorr<(1–TOLERANCE)2*DPItarget；或
DPIcorr>(1+TOLERANCE)2*DPItarget；其中：
DPIcorr是在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力传感器当前读数；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
DPItarget是差动压力传感器目标值，计算方法为：
DPCcorr*(BPIcorr/BPCcor)，其中：
DPCcorr是系统校准期间的差动压力传感器值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；且
BPCcorr是系统校准期间的工作台压力值；
或：
对于如下状况识别为入口所致流损失：
APRinsitu<(1-TOLERANCE)*APRcalibration；或
APRinsitu>(1+TOLERANCE)*APRcalibration；其中：
APRinsitu是在粒子传感器运行期间APIcorr和BPIcorr的压力比：(BPIcorr/APIcorr)；
APIcorr是粒子传感器运行期间的大气压力值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
APRcalibration是APCcorr和BPCcorr的压力比：
(BPCcorr/APCcorr)，其中：
BPCcorr是校准时的工作台压力值；且
APCcorr是校准时的大气压力；
由此监测所述粒子计数器中的所述体积流率。
16.一种粒子传感器，包括：
粒子计数器；
流测量孔，其包括差动压力传感器，用于测量在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力（DPI）；
临界流孔；
真空源，用于拉动周围气体穿过所述粒子计数器、所述流测量孔和所述临界流孔之中的每一个；
大气压力传感器，用于测量大气压力（API）；
工作台压力传感器，用于测量所述粒子传感器中的压力（BPI）；
监测器，其操作性地连接至所述差动压力传感器、所述大气压力传感器和所述工作台压力传感器之中的每一个，其中所述监测器根据所述DPI、API和BPI识别流率错误；其中所述流率错误识别为真空所致流损失或入口所致流损失。
17.根据权利要求16所述的粒子传感器，其中所述监测器是指示所述流率错误的警报器。
18.根据权利要求16所述的粒子传感器，其中所述流率错误是与穿过所述粒子传感器的气体的目标流率的偏差为10%或更大。
19.根据权利要求16所述的粒子传感器，其中所述流率错误是由下列公式限定的一个或更多状况：
DPIcorr<(1–TOLERANCE)2*DPItarget；
DPIcorr>(1+TOLERANCE)2*DPItarget；
APRinsitu<(1-TOLERANCE)*APRcalibration；以及
APRinsitu>(1+TOLERANCE)*APRcalibration；其中：
DPIcorr是在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力传感器当前读数；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
DPItarget是差动压力传感器目标值，计算方法为：
DPCcorr*(BPIcorr/BPCcor)，其中：
DPCcorr是系统校准期间的差动压力传感器值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；且
BPCcorr是系统校准期间的工作台压力值；
APRinsitu是在粒子传感器运行期间APIcorr和BPIcorr的压力比：(BPIcorr/APIcorr)，其中：
APIcorr是粒子传感器运行期间的大气压力值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；
APRcalibration是APCcorr和BPCcorr的压力比：(BPCcorr/APCcorr)，其中：
APCcorr是校准时的大气压力。
20.根据权利要求16所述的粒子传感器，其中所述流率错误是与目标流率的偏差大于10%的流率。
21.根据权利要求16所述的粒子传感器，其中所述流测量孔位于所述粒子计数器和所述临界流孔之间。
22.根据权利要求16所述的粒子传感器，其中所述工作台压力传感器测量所述粒子计数器的光学块内的压力。
23.一种粒子传感器，包括：
粒子计数器；
流测量孔，其包括差动压力传感器，用于测量在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力（DPI）；
临界流孔；
真空源，用于拉动周围气体穿过所述粒子计数器、所述流测量孔和所述临界流孔之中的每一个；
大气压力传感器，用于测量大气压力（API）；
工作台压力传感器，用于测量所述粒子传感器中的压力（BPI）；
监测器，其操作性地连接至所述差动压力传感器、所述大气压力传感器和所述工作台压力传感器之中的每一个，其中所述监测器根据所述DPI、API和BPI识别流状况，并且所述流状况是针对下列公式之一或更多的流率错误：
DPIcorr<(1–TOLERANCE)2*DPItarget；
DPIcorr>(1+TOLERANCE)2*DPItarget；
APRinsitu<(1-TOLERANCE)*APRcalibration；以及
APRinsitu>(1+TOLERANCE)*APRcalibration；其中：
DPIcorr是在粒子传感器运行期间所述流测量孔两侧的差动压力传感器当前读数；
TOLERANCE是用户选择的流率容差水平；
DPItarget是差动压力传感器目标值，计算方法为：
DPCcorr*(BPIcorr/BPCcor)，其中：
DPCcorr是系统校准期间的差动压力传感器值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；且
BPCcorr是系统校准期间的工作台压力值；
APRinsitu是在粒子传感器运行期间APIcorr和BPIcorr的压力比：(BPIcorr/APIcorr)，其中：
APIcorr是粒子传感器运行期间的大气压力值；
BPIcorr是粒子传感器运行期间的工作台压力值；
APRcalibration是APCcorr和BPCcorr的压力比：(BPCcorr/
APCcorr)，其中：
APCcorr是校准时的大气压力。
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