CN102792142A - 用于监控颗粒的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于监控通道或空间中的颗粒的设备，所述设备包括用于在设定温度接通设备气流的装置。本发明还公开一种借助于通道或空间中的颗粒的至少一部分所流入的设备来监控颗粒的方法，其中，在设定温度接通进入设备的气流。

Description

用于监控颗粒的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控颗粒的设备，具体而言涉及一种如独立权利要求1的前序部分所限定的设备。本发明还涉及一种用于监控颗粒的方法，更具体而言涉及一种如独立权利要求6的前序部分所限定的方法。
背景技术
在很多工业过程和燃烧过程中会形成直径在1nm到10μm之间的细小颗粒。出于各种原因对这些细小颗粒进行测量。由于其潜在的健康影响，以及为了监控工业过程和燃烧过程的操作，例如内燃机尤其是柴油机的运行，而会对这些细小颗粒进行测量。监控这些细小颗粒的另一个原因是在工业过程中纳米颗粒的使用和产出不断增加。基于以上原因，需要可靠的细小颗粒测量设备和方法。
在文献W02009109688A1中描述了一种用于测量细小颗粒的现有方法和设备。在这个现有方法中，将基本无颗粒的干净气体供应到设备中，并经由进气室到设置在设备内部的喷射器而引导为主气流。干净气体还在被供应到进气室中之前以及期间被电离。电离的干净气体可以优选地以声速或接近声速的速度馈送入喷射器。可以使用例如电晕充电器来执行对干净气体的电离。进气室还设置有进样口，进样口被布置成与包括气溶胶的通道或空间流通，气溶胶具有细小颗粒。干净气流和喷射器共同引起对进样口的抽吸，使得从管道或空间到进气室形成样本气溶胶气流。因此样本气溶胶流被设置作为对喷射器的侧气流。电离的干净气体使颗粒带电。带电的颗粒还可以被引导回包含气溶胶的管道或空间。由此通过监控由带电颗粒携带的电荷来监控气溶胶样本的细小颗粒。还可以使用离子陷阱来去除自由离子。除了以上提到的细小颗粒，工业过程和燃烧过程一般还会形成颗粒直径大于1μm、或大于2μm、3μm、5μm或更大的颗粒。这些颗粒直径大于1μm的粗大颗粒在正常运行中会少量形成，但特别地在诸如起动、关闭、故障条件的特殊操作条件下会形成粗大颗粒。柴油机排出颗粒的尺寸分布一般示出三种不同的态：包括直径小于约50nm的颗粒的核态、包括直径在50nm到1μm之间的颗粒的聚集态以及包括直径大于1μm的颗粒的粗态。大部分柴油机排出颗粒是在从排气管排出废气之后产生的，这些颗粒通常属于聚集态和核态。
对于细小颗粒监控设备的一个重要要求是运行可靠。此外，还优选的是，这些细小颗粒监控设备可以长时间段地运行，而不需要维护。在一些应用、诸如监控内燃机的细小颗粒的应用中，还优选的是，监控设备可以连续地运行用以实时进行细小颗粒测量。已经出人意料地发现：现有的细小颗粒测量方法（即利用电离的气流和喷射器从包括气溶胶的管道或空间抽吸样本气溶胶）的一个问题在于，在高温管道的测量启动期间、例如在柴油机排放测量的启动期间具有如下风险，即存在于所要测量的气溶胶中的蒸气可能在细小颗粒测量设备的内表面上凝结或者在细小颗粒测量设备进口附近凝结。凝结将导致细小颗粒测量不可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备和方法以克服现有技术的缺点。本发明的目的借助于根据权利要求1的特征部分的设备来实现，所述设备包括用于在设定温度接通设备气流的装置。
本发明的目的进一步借助于根据权利要求6的特征部分的方法来实现，所述方法包括在设定温度接通进入设备的气流。
从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明基于的思想是提供一种测量通道或空间中的细小颗粒的方法。借助于通道或空间中的颗粒的至少一部分所流入的设备来测量颗粒。为了避免由凝结引起的问题，仅在特定的设定温度之上允许气流进入测量设备。为了完全地避免水凝结，设定温度应该为至少100℃，并且为了完全地避免可能存在于内燃机的排出气体中的易挥发物凝结，设定温度应为至少200℃。
优选地，颗粒测量是基于使进入测量设备的颗粒的至少一部分带电、并测量由颗粒携带的电流的至少一部分。可以在颗粒进入测量设备时使颗粒带电，但是在大部分情况下，优选地在设备中使颗粒带电。可以用各种方式使颗粒带电，例如通过介电阻挡放电或通过电晕放电。如在W02009109688A1中描述的利用电离的、基本干净的空气使颗粒带电是用于使颗粒带电的优选实施例，因为其消除了放电单元沾污的问题。
为了本发明方法和设备的容易运行，一个优选实施例是，对温度设定点作出反应的开关是无源开关，即不需要外部电源的开关。使用双金属开关将温度变化转换成机械位移。板条包括为不同金属的两个板条，它们在其被加热时以不同速率膨胀，这些金属一般为钢和铜，或在一些情况下用黄铜代替铜。板条通过铆接、钎焊或焊接而在其整个长度上接合在一起。如果加热，则不同的膨胀迫使平板条单向地弯曲，而如果冷却到其初始温度以下，则不同的膨胀迫使平条板沿相反的方向弯曲。具有更高热膨胀系数的金属在板条被加热时位于弯曲物的外侧，而在条板被冷却时位于弯曲物的内侧。对于本领域的技术人员明显的是，尽管描述的是双金属开关，但实际上可以通过具有合适弹性和/或合适热膨胀差的任何两种材料来构造这种开关。
在本发明的另一个实施例中，可以利用包括热电器件、即借助直接热电转换的器件的设备来实施进入所述设备的测量气流的接通/关断。这样的器件包括但是不限于例如热电偶、珀尔帖元件及类似物。这样的器件例如可以控制将流动通道打开和关闭的阀。
可以在设备进口中或在设备出口处实施接通/关断功能。在包括基本干净的气流的实施例中，诸如在与W02009109688A1所描述的设备相似的设备中，也可以通过切换干净的气流来实施接通/关断功能。当接通和关断设备出口时此实施例具有进一步的优点，因为在关断阶段，基本干净的气体流经设备进口并因此有效地防止进口进入冷的气体。
附图说明
以下将参照所附原理图更详细地描述本发明，其中：
图1示出本发明设备的一个实施例的原理。
为了清晰起见，附图仅示出对于理解本发明必要的细节。为了强调本发明的特性，附图中省略了对于理解本发明而言不必要的以及对于本领域的技术人员明显的结构和细节。
具体实施方式
图1示出用于监控通道或空间中的颗粒的设备1的原理图。设备1包括用于在设定温度接通设备气流的装置10。设备1还可以包括用于使设备1中的颗粒带点的装置7，以及用于检测颗粒中的至少一些所携带的电流的装置8。在本发明的优选实施例中，设备1包括用于基本干净的气流进入设备1的装置5，以及用于将基本干净的气体电离的装置6。
在本发明的一个实施例中，用于在设定温度接通设备气流的装置10是双金属开关。在本发明的另一实施例中，用于在设定温度接通设备气流的装置10包括热电器件。
图1的实施例适合用作测量内燃机的排气管2内部或出口处的颗粒浓度的颗粒传感器1。设备1借助于联接器3与排气管2耦接。基本干净的、电离的气流产生设备1的进口12与排气管2之间的压力差，进口12处的压力比排气管2中的压力低。负压引起气体从排气管2流入设备1中。通过将基本干净的气体经由气体导管5馈送到电晕放电单元6而产生电离的干净气流，电晕放电单元6将基本干净的气体电离。电离的气体使在充电室7中的颗粒带电，需要理解的是充电室7是虚拟的室而不是设备1的明确定义的部分。设备1还包括用于测量由带电的颗粒携带的电流的装置8。对本发明而言必要的是，设备1包括装置10，所述装置10用于在设备1的温度使得含有颗粒的气流中的易挥发性化合物可能在设备1中凝结时关闭含有颗粒的气流进入设备1中。优选地选择用于测量温度的测量点9，使得测量的温度对于检测潜在凝结风险而言是典型的。可以将测量点9选择在设备1内部或外部、或排气管2内部或外部。
用于关闭含有颗粒的气流进入设备1的装置10优选地包括对温度变化作出反应的器件。这种器件优选地可以是双材料开关，例如双金属开关，其中至少两种不同材料的不同热膨胀系数使双金属开关随着双金属开关的温度增加而弯曲，使得在设定温度处双金属开关允许含有颗粒的气体进入设备1。
用于关闭含有颗粒的气流进入设备1的装置10可以位于设备1的上游侧或下游侧。当装置10位于设备1的上游侧并且装置10关闭气流时，基本干净的气体将经由进口12从设备1流出，因此有效地防止含有颗粒的气流进入设备1，由此在测量之前保持设备1干净，甚至对进口12进行清洁。
用于关闭含有颗粒的气流进入设备1中的装置10也可以包括热电器件，其中在测量点9处的热产生用于控制用于关闭含有颗粒的气流进入设备1的装置10的接通/关断功能的电信号。在本发明的一个实施例中，热电器件控制阀11，阀11接通或关断基本干净的气流5。当基本干净的气体到设备1的流动停止时，含有颗粒的气体吸入设备1也停止。
可以加热设备1以增加设备1或测量点9的温度。可以通过外部装置来实施加热，但是在使用了测量内燃机排出颗粒的设备1的优选实施例中，通过从排出气体到设备1的热传递来实施加热。
根据本发明的主旨可以产生本发明的不同实施例。因此，上述实例不应解释为是对本发明的限制，而是可以在所附权利要求所述的创造性特征的范围内进行自由地变化。

Claims (16)

1.一种用于监控通道或空间中的颗粒的设备（1），包括：用于在设定温度接通设备气流的装置（10）。
2.根据权利要求1所述的设备，包括用于使所述设备（1）中的颗粒带电的装置（7），以及用于检测颗粒中的至少一些所携带的电流的装置（8）。
3.根据权利要求2所述的设备，包括用于基本干净的气流进入设备（1）的装置（5），以及用于将所述基本干净的气体电离的装置（6）。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其中，所述用于在设定温度接通设备气流的装置（10）是双金属开关。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其中，所述用于在设定温度接通设备气流的装置（10）包括热电器件。
6.一种用于测量通道或空间中的细小颗粒的方法，其中借助于所述通道或空间中的颗粒的至少一部分所流入的设备来测量颗粒，其中，在设定温度接通进入所述设备的气流。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，颗粒测量基于测量由带电的颗粒携带的电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使进入所述设备的颗粒带电。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过将基本干净的气体电离来实施带电。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基本干净的气体是空气。
11.根据权利要求6至10中任何一项所述的方法，其中，所述设定温度在100°C以上。
12.根据权利要求6至11中任何一项所述的方法，其中，通过无源器件来实施气流接通/关断。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述无源器件是双金属开关。
14.根据权利要求6至13中任何一项所述的方法，其中，在设定温度将流到传感器的进口气流设定为接通。
15.根据权利要求6至14中任何一项所述的方法，其中，在设定温度将从传感器流出的出口气流设定为接通。
16.根据权利要求9至15中任何一项所述的方法，其中，在设定温度将所述基本干净的气流设定为接通。
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