CN104170190A - 产生已知气流的装置和过程及使用该装置在已知气流中测量颗粒浓度 - Google Patents
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Abstract
一种用于产生已知气流(Q)的装置(1)包括：第一通道(2)，其具有用作已知气流(Q)的入口和出口的端部(3、4)；放电电极(5)，其用于产生设置在所述第一通道(2)内的气载单极离子(8)；对电极(6)，其适用于吸引所述气载离子(8)，从而适用于产生气载离子(8)的净流量(7)，并且由此在气载离子(8)净流量的方向上产生气流(Q)；传感元件(12、13)，其输出是所述气载电荷(8、11)浓度的函数；用于切换或调节影响所述传感元件(12、13)输出的参数的装置；以及基于切换或调节产生的、相对于所述传感元件(12、13)输出的时间响应确定体积流量(Q)装置。如在前面的权利要求中描述的用于确定超细颗粒浓度的装置(1)的使用。用于产生已知气流的过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生已知气流的装置。本发明还涉及一种用于产生已知气流的过程。本发明进一步涉及使用用于产生已知气流的装置在所述气流中确定颗粒浓度。
背景技术
在用于测量空气质量的各种传感器中，有必要使空气以已知体积流量通过所述传感器。这样的传感器包括例如颗粒浓度传感器、湿度传感器和各种气体传感器。
在许多工业过程和燃烧过程中形成细颗粒。此外，细颗粒存在于管道和通风系统中流动的呼吸空气以及室内空间中。出于各种原因需要测量这些细颗粒。由于细颗粒潜在的健康影响也为了监测工业过程和燃烧过程的操作，可以进行细颗粒测量。为了监测空气质量也可以在通风系统中测量细颗粒。监测细颗粒的另一个原因是在工业过程中纳米颗粒的使用和生产的增加。
在文件WO2009109688A1中描述了用于测量细颗粒的一个现有技术方法和装置。在这个现有技术方法中，将清洁、基本无颗粒的气体供给到所述装置中并通过进气室作为主流被引导到设置在所述装置内的喷射器。在将清洁空气供给到所述进气室之前或在将清洁的空气供给到所述进气室时，清洁空气被进一步离子化。被离子化的清洁空气可以优选地以声速或接近声速的速度被提供到所述喷射器。例如可以使用电晕充电器进行清洁空气的离子化。进气室进一步设置有样品入口，样品入口设置为与包括具有细颗粒的气溶胶的通道或空间流体连通。清洁气流与喷射器一起引起抽吸到样品入口，使得从管道或空间到进气室形成样品气溶胶流。从而将样品气溶胶流作为侧流提供到所述喷射器。被离子化的清洁气体给颗粒充电。带电颗粒可以被进一步引导回包含有气溶胶的管道或空间。因此，通过监测由带电颗粒携带的电荷，监测气溶胶样品的细颗粒。可以进一步通过使用离子捕集器去除自由离子。
在WO2009109688A1中描述的离子传感器的操作需要洁净空气或气体源。虽然在测量间隔短的一些特殊情况下，气瓶或者等同物可以被用于提供洁净空气，但是在大多数情况下，使用能够产生所需体积流量和工作压力的一些泵是方便的。当所有的参数保持基本恒定时，在WO2009109688A1中描述的构造提供通过传感器的一个基本恒定的样品流。然而，如果可能发生改变操作参数或其他条件，例如改变在传感器中的颗粒累积时，应该确定通过传感器的体积流量。然而，WO2009109688A1没有提到这点。
细颗粒监测装置的一个重要要求是运行可靠和运行高效。此外，优选地，可以以低能耗并且连续地操作这些细颗粒监测装置用于实时进行细颗粒测量。
虽然存在用于产生传感器操作所需气流的例如风扇、泵或使用压缩气体的常规方法，但是由于例如经常需要维护的原因，这些方法有时不方便。因此，有必要对气流产生提供长期的、可靠的气流的方式。
1980年7月1日公开的、申请人为美国海军的美国专利公开4,210,847提供了一种用于产生空气射流而无需移动部件的装置。高电压被用来在管状、结构紧凑并且便携式的发电机中产生电晕放电电风，所述发电机可以被用于使用高电压的增强冷却应用。
在2011年9月8日公开的、申请人为Koninklijke Philips Electronics N.V.(荷兰皇家飞利浦电子公司)的美国专利申请公开US2011/0216317中，提供了在传感器中使用电晕放电电风(也被称为“离子风”或“电晕风”)的想法，所述美国专利申请公开描述了一种传感器，该传感器包括用于产生气载单极离子的高压放电电极，用于给气流中的气载颗粒充电。所产生的离子被进一步用于在传感器内部的放电电极和对电极之间形成离子风。离子风是用于保持气流通过传感器的驱动力并且使得无可听噪声地操作传感器。在气流中带电颗粒的存在是通过在颗粒感测部分中的电流表测量的，所述电流表测量在所有气载离子已经通过设置在颗粒感测部分上游的单独的屏蔽电极从空气中去除之后，每单位时间在沉淀电极表面沉淀的颗粒结合电荷。
虽然由电晕放电单元产生的离子风可以和洁净空气在短时间间隔内保持稳定，但是存在由于电晕几何形状或电晕尖污染的变化产生的离子风的变化趋势。
1967年6月6日公开的、申请人为Xerox Corporation(施乐公司)的美国专利公开3,324,291描述了在复印机中使用电晕风用于产生气流，其被应用于在单元内或在单元周围通过防止灰尘的累积或沉积提供一种清洁作用。为了确保进入单元的空气本身通常没有容易累积的灰尘或灰尘颗粒，在电晕风产生单元的上游设置了过滤器。这将保持空气洁净，但是当过滤器被装载了灰尘后，通过过滤器的压力降增加从而减少由于离子风所产生的气流。
即使阻塞过滤器的问题可以通过使用静电除尘器解决，仍然存在如下特征，通过电风产生的气流通常是相当低的并且由于压力差小，例如通过传感器的气流对传感器环境引起的干扰敏感。因此，需要改进使用电风产生已知的(即，确定的)气流。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置以便克服或至少减轻现有技术中的缺点。通过根据权利要求1特征部分的装置实现本发明的目的。通过根据权利要求12特征部分的过程也可以实现本发明的目的。根据权利要求11的特征部分实现使用本发明装置的目的。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
发明者意外地发现了将解决上述现有技术问题、提供低成本流量测量或监测的一种方法。在申请人的现有非公开PCT申请PCT/FI2011/050730中，详细描述了所述低成本流量测量或监测，其整个内容通过引用的方式并入本文。
用于产生已知气流的本发明过程包括：在通道中用放电电极产生气载单极离子；使用适用于吸引所述气载离子的对电极以产生气载离子的净流量，从而在气载离子净流量的方向上产生气流；确定气载电荷浓度；切换或调节影响气载电荷浓度的参数；以及基于切换或调节产生的相对于气载电荷浓度的时间响应确定体积流量。优选地，电晕针被用来产生气载单极离子。
只有有限数量的可切换参数可以基于单极离子的生成影响颗粒传感器的浓度测量结果。通常，用于切换或调节的有利参数是颗粒充电效率和颗粒捕集，并且用于调节的实际手段是电晕电压/电流和离子捕集电压。
可以在第一通道和第二通道之间分配已知气流，其中第二通道被设置在第一通道内。进入第二通道的颗粒基本被去除，去除的颗粒被带到放电电极的上游。通过这种方式，细微的、基本上没有颗粒的气流通过电晕针的旁边，因此，电晕针的尖端没有被污染。第一和第二通道被优选地构造为这种方式，即通过第二通道的气流少于总流量的10％，优选地少于总流量的5％并且更优选地少于总流量的2％，因此，即使在已知气流产生装置与颗粒测量传感器一起使用时，使用带有颗粒去除的第二通道将不会产生相当大的测量误差。当例如在文件WO2009109688A1中描述的已知气流产生装置被用在基于颗粒充电的颗粒测量传感器中时，第一和第二通道的气流被合并到第三通道中，第三通道也被用作离子和颗粒的混合通道。
在本发明的一个实施方式中，本发明过程包括：给进入已知气流产生装置的至少一部分颗粒充电；测量通过带电颗粒携带的电流；以及至少在放电电极将第一电荷量提供给至少一部分颗粒的第一充电阶段和放电电极将第二电荷量提供给至少一部分颗粒的第二充电阶段之间，切换或调节放电单元。
在本发明的优选实施方式中，通过同步检测确定放电单元的切换或调节模式的响应。通过使用模拟电子或数字方式实现同步检测。明显地，所述数字实现可以在一个单独的计算单元中进行或者其可以被集成到一个共同的控制器或计算单元，在所述控制器或计算单元中也进行电冲击器(electrical impactor)的其他控制功能。
在本发明的另一个实施方式中，本发明过程包括：给进入已知气流产生装置的至少一部分颗粒充电；测量通过带电颗粒携带的电流；从通过装置的气溶胶中去除离子、带电超细颗粒或带电细颗粒；以及至少在离子/颗粒捕集器基本去除自由离子的OFF模式和离子/颗粒捕集器基本去除具有小于dp的直径的颗粒的ON模式之间，切换或调节离子/颗粒捕集器。自由离子或颗粒的去除取决于穿过颗粒捕集器的电场强度。
本发明过程包括确定已知气流产生装置的传递函数的基本参数，并且使用这些基本参数来计算通过所述装置的体积流量。在本发明的一个实施方式中，本发明过程包括：提供计算的参考信号；比较传感元件的输出和参考信号；调节传感元件的输出和参考信号之间的最大相关性的参考信号；根据具有最大相关性的参考信号计算装置的传递函数；以及使用计算出的传递函数的至少一些参数确定通过装置的体积流量。所述计算的参考信号可以跟随至少一个一阶低通滤波器，在此情况下，确定一阶低通滤波器的延迟时间td和时间常数τ允许使用td、τ或其总和td+τ的倒数确定通过装置的体积流量。
在本发明过程中，影响传感元件输出的参数的切换/调节频率可以在0.01Hz和10Hz之间，从而快速确定已知气流，并且由此为需要气流通过的传感器提供准确的基础。
在例如由于快速改变气溶胶组成的情况下，基本参数甚至可以在需要时被连续地确定。如果在短时间间隔内测量环境的变化不明显，并且当需要测量最大时间响应时，可以用较长的时间间隔进行基本参数的确定。
附图说明
下面将结合优选实施方式和附图更详细地描述本发明，其中
图1是根据本发明的装置的一个实施方式的示意图；
图2是根据本发明的装置的另一个实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于产生已知气流Q的本发明装置1。装置1包括具有用作已知气流Q的入口和出口的端部3、4的第一通道2。第一通道优选地被设计为利用被记录的气流Q产生少于20Pa的压力差，更优选地少于10Pa，并且最优选地少于5Pa，因为通常可以通过使用电风来产生气流以实现这样的压力水平。在大多数情况下，第一通道2的端部3、4基本上是畅通的。在通道2内有由高压电源14供电的放电电极5，高压电源14通过隔离变压器15与电网隔离。放电电极5适用于产生气载单极离子8并且对电极6适用于吸引所述气载离子8，从而适用于产生气载离子8的净流量7，并且由此在气载离子8净流量的方向上产生气流Q。装置1还包括传感元件12、13，其输出是气载电荷8、11浓度的函数。传感元件可以被构造为测量进入或通过传感元件12的电荷，或者被构造为一个静电计，其测量从装置1中逸出的电流作为气载电荷。WO2009109688A1中详细描述了这个所谓的用于测量颗粒浓度的“逸出电流技术”，其整个内容通过引用的方式并入本文。装置1还包括用于切换或调节影响传感元件12、13输出的参数的装置，以及基于切换或调节产生的相对于传感元件12、13输出的时间响应确定体积流量(Q)的装置(图1中未示出)。优选地，通过提供计算的参考信号、比较传感元件12、13输出和参考信号、调节传感元件12、13输出和参考信号之间的最大相关性的参考信号、根据具有最大相关性的参考信号计算装置1的传递函数以及通过装置1使用所计算的传递函数的至少一些参数确定体积流量(Q)。在本发明的一个实施方式中，计算的参考信号可以跟随至少一个一阶低通滤波器，在此情况下，确定所述一阶低通滤波器的延迟时间td和时间常数τ允许使用td、τ或其总和td+τ的倒数确定通过装置1的体积流量Q。
在本发明的一个实施方式中，装置1包括适用于作为放电电极5工作的电晕针。为了避免污染电晕针，如图2所示，在本发明的一个实施方式中的装置1包括设置在第一通道2内的第二通道21。第二通道21包括设置在放电电极5上游的颗粒去除单元22。当离子风将空气吸入装置1中时，一部分气流Q通过过滤器22并且颗粒从这个气流部分中被基本上去除。然后，清洁空气通过第二通道21并且从电晕针5的附近通过，从而防止污染电晕针。由于与通过通道2的气流相比，通过通道21的气流部分较小，即使当装置1被用于产生用于颗粒测量传感器的已知气流时，使用这种设置也不会导致有害的错误结果。一个令人吃惊的发现是，离子风的流动不会跟随从第二通道21进来的清洁空气。在这种情况下，气流进给力将主要是所述清洁空气流并且不会是来自第一通道2的气流，从而主要通过通道21的提供洁净空气流。在这种设置中的流速太低而不能产生湍流混合。但是，根据研究结果，由于静电对连接通道2和通道21的气流的流动通道的整个横截面的吸引，来自通道21的离子云有效地发散。为此，由静电场引起的作用在离子上力分别地被指向流动通道的整个横截面。这个特征还使从通道2通过的颗粒能够通过来自第二通道21的离子带电。为了增强从通道2中撤出空气，以这样的方式设计对电极6：从电晕针5向对电极6引导气载离子8的净流量7，该净流量基本上没有覆盖从通道21向装置1的端部4的直流方向。
在本发明的一个实施方式中，装置1包括：充电室16，其设置在放电电极5的下游，用于给随已知气流Q进入装置1的至少一部分颗粒10充电；离子/颗粒捕集器9，其用于去除没有附着在颗粒10上的离子8；用于测量通过带电颗粒11携带的电流的装置12、13；以及至少在放电电极5将第一电荷量提供给至少一部分颗粒10的第一充电阶段和放电电极5将第二电荷量提供给至少一部分颗粒10的第二充电阶段之间，用于切换或调节放电单元5的装置。本实施方式提供的优点是，当带电颗粒比离子(自由电荷)8更难从气流Q中去除时，对放电单元5的调节的响应更精确。只可以在ON和OFF模式之间切换放电单元，在此情况下，通过得知电晕放电单元5和传感单元12之间的体积，或者当使用带有传感元件13的逸出电流技术时，通过得知电晕放电单元5和装置1的输出端4之间的距离，从只切换到ON模式的响应中容易确定体积流量。在另一个实施方式中，在至少两个电压之间(和/或在两个放电电流之间)调节放电单元5，其中每个电压提供通过装置1的一个气流。
在本发明的另一个实施方式中，装置1包括：充电室16，其设置在所述放电电极5下游，用于给进入装置1的至少一部分颗粒10充电；用于测量通过带电颗粒11携带的电流的装置12、13；用于去除离子8和/或具有小于dp的直径的带电颗粒11的离子/颗粒捕集器9；以及至少在离子/颗粒捕集器9基本去除自由离子8的OFF模式和离子/颗粒捕集器9基本去除具有小于dp的直径的带电颗粒11的ON模式之间，用于切换或调节离子/颗粒捕集器9电源18输出的装置17。这种实施方式的优点是，在整个流量确定过程中可以保持基本恒定的气流Q。
在本发明的一个实施方式中，装置1包括用于确定装置1的传递函数的基本参数的装置。对本领域技术人员来讲，显而易见地，可以通过模拟或数字装置构造所述装置并且可以在一个或几个功能模块中实现所述装置。
在本发明的一个实施方式中，装置1包括用于提供计算的参考信号的装置，并且所述信号被传送到用于切换或调节基本上影响传感元件输出的参数的装置。装置1还包括用于比较传感单元输出和参考信号的装置、用于调节传感单元输出和参考信号之间的最大相关性的参考信号的装置、用于根据具有最大相关性的参考信号计算装置1的传递函数的装置以及使用所计算的传递函数的至少一些参数确定通过装置1的体积流量Q的装置。在所述优选实施方式中，装置1包括用于提供跟随至少一个一阶低通滤波器的参考信号的装置、用于确定所述一阶低通滤波器的延迟时间td和时间常数τ的装置以及使用td、τ或其总和td+τ的倒数确定通过装置1的体积流量Q的装置。对本领域技术人员来讲，明显地，根据装置内的流动特性，除了延迟和混合反应器的总和之外，还可以使用其他动态模型。
在本发明的一个实施方式中，装置1包括用于在0.01Hz和10Hz之间调节用于切换或调节影响传感元件12、13输出的参数的装置17的切换/调节频率的装置。这样的实施方式提供了气流的快速确定。
本发明还包括使用在上述实施方式中描述的装置1来确定超细颗粒浓度。这种装置1的使用包括：基于切换或调节产生的、相对于传感元件输出的时间响应确定一段时间t的累积流量Qt；在一段时间t内确定累积颗粒质量Mt或累积颗粒数量Nt；以及通过累积颗粒质量Mt或累积颗粒数量Nt除以累积流量Qt，即M＝Mt/Qt和N＝Nt/Qt，确定颗粒质量或数量浓度M或N。上述设置的显著优点是，最昂贵的元件、传感元件和放电单元都具有控制气流产生和颗粒物浓度检测两种功能。
对本领域技术人员来讲，很明显，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明的基本思想。本发明及其实施方式因此不局限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (22)
1.一种用于产生已知气流(Q)的装置(1)，其特征在于包括：
a.第一通道(2)，其具有用作已知气流(Q)入口和出口的端部(3、4)；
b.放电电极(5)，其设置在所述第一通道(2)中用于产生气载单极离子(8)；
c.对电极(6)，其适用于吸引所述气载离子(8)，从而适用于产生气载离子(8)的净流量(7)，并且由此在气载离子(8)净流量的方向上产生气流(Q)；
d.传感元件(12、13)，其输出是所述气载电荷(8、11)浓度的函数；
e.用于切换或调节影响所述传感元件(12、13)输出的参数的装置(17)；以及
f.基于切换或调节产生的、相对于所述传感元件(12、13)输出的时间响应确定体积流量(Q)的装置。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于包括适用于作为所述放电电极(5)工作的电晕针。
3.如权利要求2所述的装置(1)，其特征在于包括设置在所述第一通道(2)中的第二通道(21)。
4.如上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于包括在所述第二通道(21)中设置在所述放电电极(5)上游的颗粒去除单元(22)。
5.如上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于包括：
a.充电室(16)，其设置在所述放电电极(5)下游，用于给随所述已知气流(Q)进入装置(1)的至少一部分颗粒(10)充电；
b.离子/颗粒捕集器(9)，其用于去除没有附着在颗粒(10)上的离子(8)；
c.用于测量通过带电颗粒(11)携带的电流的装置(12、13)；以及
d.至少在所述放电电极将第一电荷量提供给至少一部分颗粒(10)的第一充电阶段和所述放电电极将第二电荷量提供给至少一部分颗粒(10)的第二充电阶段之间，用于切换或调节所述放电单元(5)的装置。
6.如上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于包括：
a.充电室(16)，其设置在所述放电电极(5)下游，用于给进入装置(1)的至少一部分颗粒(10)充电；
b.用于测量通过所述带电颗粒(11)携带的电流的装置(12、13)；
c.离子/颗粒捕集器(9)，其用于去除离子(8)和/或具有小于dp的直径的带电颗粒(11)；以及
d.至少在所述离子/颗粒捕集器(4)基本去除自由离子(8)的OFF模式和离子/颗粒捕集器(4)基本去除具有小于dp的直径的带电颗粒(11)的ON模式之间，用于切换或调节所述离子/颗粒捕集器(9)电源(18)输出的装置(17)。
7.如上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于包括用于确定装置(1)的传递函数的基本参数的装置。
8.如权利要求7所述的装置(1)，其特征在于包括：
a.用于提供计算的参考信号的装置，其被连接到所述用于切换或调节基本上影响所述传感元件输出的参数的装置；
b.用于比较所述传感元件输出和所述参考信号的装置；
c.用于调节所述传感元件输出和所述参考信号之间的最大相关性的参考信号的装置；
d.用于根据具有最大相关性的参考信号计算装置(1)的传递函数的装置；以及
e.用于使用计算出的传递函数的至少一些参数确定通过装置(1)的体积流量(Q)的装置。
9.如权利要求8所述的装置(1)，其特征在于包括：
a.用于提供跟随至少一个一阶低通滤波器的计算的参考信号的装置；
b.用于确定所述一阶低通滤波器的延迟时间td和时间常数τ的装置；以及
c.用于使用td、τ或其总和td+τ的倒数确定通过装置(1)的体积流量(Q)的装置。
10.如上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于包括：用于在0.01Hz和10Hz之间调节用于切换或调节影响所述传感元件(12、13)输出的参数的装置(17)的切换/调节频率的装置。
11.使用如上述权利权利要求所述的装置(1)以确定超细颗粒浓度，其特征在于：
a.基于切换或调节产生的、相对于所述传感元件输出的时间响应确定一段时间t的累积流量Qt；
b.确定一段时间t的累积颗粒质量Mt或累积颗粒数量Nt；以及
c.通过累积颗粒质量Mt或累积颗粒数量Nt除以累积流量Qt，即M＝Mt/Qt和N＝Nt/Qt，确定颗粒质量或数量浓度M或N。
12.一种用于产生已知气流的过程，其特征在于：
a.在通道中用放电电极产生气载单极离子；
b.使用适用于吸引所述气载离子的对电极以产生气载离子的净流量，并且由此在气载离子净流量的方向上产生气流；
c.确定气载电荷的浓度；
d.切换或调节影响气载电荷浓度的参数；以及
e.基于切换或调节产生的、相对于气载电荷浓度的时间响应确定所述体积流量。
13.如权利要求12所述的过程，其特征在于使用电晕针以产生气载单极离子。
14.如权利要求13所述的过程，其特征在于在第一通道和第二通道之间分配所述已知气流。
15.如权利要求12至14中任一项所述的过程，其特征在于基本去除进入所述第二通道的颗粒，其中在所述放电电极的上游进行颗粒去除。
16.如权利要求12至15中任一项所述的过程，其特征在于在第三通道中合并所述第一通道和第二通道的气流。
17.如权利要求12至16中任一项所述的过程，其特征在于：
a.给进入装置(1)的至少一部分颗粒充电；
b.测量通过带电颗粒携带的电流；以及
c.至少在所述放电电极将第一电荷量提供给至少一部分颗粒的第一充电阶段和所述放电电极将第二电荷量提供给至少一部分颗粒的第二充电阶段之间，切换或调节所述放电单元。
18.如权利要求12至17中任一项所述的过程，其特征在于：
a.给进入装置(1)的至少一部分颗粒充电；
b.测量通过所述带电颗粒携带的电流；
c.从通过所述装置(1)的气溶胶中，去除离子、带电超细颗粒或带电细颗粒；以及
d.至少在所述离子/颗粒捕集器(4)基本去除自由离子的OFF模式和离子/颗粒捕集器(4)基本去除具有小于dp的直径的颗粒的ON模式之间，切换或调节所述离子/颗粒捕集器。
19.如权利要求12至18中任一项所述的过程，其特征在于包括用于确定装置(1)的传递函数的基本参数的装置。
20.如权利要求19所述的过程，其特征在于包括：
a.提供计算的参考信号；
b.比较所述传感元件的输出和所述参考信号；
c.调节所述传感元件的输出和所述参考信号之间的最大相关性的参考信号；
d.根据具有最大相关性的参考信号计算装置(1)的传递函数；以及
e.使用计算出的传递函数的至少一些参数确定通过装置(1)的体积流量。
21.如权利要求20所述的过程，其特征在于包括：
a.提供跟随至少一个一阶低通滤波器的计算的参考信号；
b.确定所述一阶低通滤波器的延迟时间td和时间常数τ；以及
c.使用td、τ或其总和td+τ的倒数确定通过装置(1)的体积流量。
22.如权利要求12至21中任一项所述的过程，其特征在于包括在0.01Hz和10Hz之间调节影响所述传感元件输出的参数的切换/调节频率。
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