CN105408734A - 颗粒物检测器以及用于检测颗粒物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种颗粒物检测器以及用于检测颗粒物的方法。用于检测气体中颗粒物的颗粒物检测器，包含具有进气口和进气喷嘴的检测腔，气体通过所述进气喷嘴沿流动方向流入检测腔。此外，颗粒物检测器还包含用于沿光的辐射方向发射光的光源以及至少一个光传感器。最后，颗粒物检测器还包含具有电调节式焦点的透镜。

Description

颗粒物检测器以及用于检测颗粒物的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测气体中颗粒物的颗粒物检测器，其具有检测腔，所述检测腔包含进气喷嘴、光源以及光传感器。此外，本发明还涉及用于检测气体中颗粒物的方法。

背景技术

按照现有技术，主要采用光学测量法检测气体中的颗粒物，其中将来自光源的可见光或者红外光入射到气流中，并且随后相对于光原来的辐射方向成某个角度地测定在颗粒物上被散射的光。为此，借助于进气喷嘴将含有颗粒物的气体引入检测腔，在所述检测腔中，所产生的气流通常穿过激光束。气流中颗粒物的光散射，取决于颗粒物粒径、颗粒物的折射率以及光的波长。对于粒径比波长小的颗粒物，光散射与其角度和粒径的关系，通过瑞利散射(Rayleigh-Streuung)理论加以说明。对于粒径大致处于波长范围的颗粒物，米散射(Mie-Streuung)理论提供了光学效应说明。在两种情况下得出一种公知的散射角的分布与颗粒物粒径的关系，从而可以从在多个角度处对散射光的测定中，确定出粒子粒径。如果事先对检测装置进行适当的标定，那么在检测散射光时，还可以只在预先规定的角度上，从各散射信号的振幅中确定出粒子粒径。这样，借助于被布设成与辐射方向成某个角度的散射光传感器，可以为气流中的每个颗粒物检测出一个信号脉冲，所述信号脉冲的振幅反映了颗粒物粒径的特征。随后从这些脉冲的数量中得出，在所观察的时间间隔中气流输送的颗粒物数的值。此外，例如通过与域值比较，还可以从振幅的统计分析中得出这些颗粒物数的粒径分布。

但是，用于室内外空气的通用标准和极限值，不涉及粒径，而涉及质量。而基于激光的检测系统，迄今为止不能直接获得这些。公知的解决方案例如是，在本来的测量系统前接上过滤器或者筛选系统，例如“差分移动分析仪”，其中按照一种标准的电荷分布通过放射性源对颗粒物进行充电，然后按照输出窗中电荷与颗粒物质量的比率，通过静电学方式筛选颗粒物。作为替代方式，可以估算环境中颗粒物质量的平均值，且将所获得的颗粒物粒径与所采用的密度相乘。为了获得详细的质量分布，通常另选完全不同的测定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种简化了的用于检测颗粒物、同时检测质量的装置以及一种附属的方法。

该技术问题通过在权利要求1中所述的颗粒物检测器以及在权利要求4中所述的方法加以解决。

按照本发明的用于检测气体中颗粒物的颗粒物检测器，包含具有进气口和进气喷嘴的检测腔，气体通过进气喷嘴沿流动方向流入检测腔。此外它还包含用于沿光的辐射方向发射光的光源以及至少一个用于识别在颗粒物上被散射的光的份额的光传感器。最后，颗粒物检测器还包含具有电调节式焦点的第一透镜。

在可连续电调谐的透镜上，借助于所施加的电压可以改变焦点。因此，可以沿激光束的传输方向扫描空间中的点。由此可以实现用于检测气体中颗粒物的有利的方法，在所述方法中，实施下列步骤：

–使含有颗粒物的气体通过进气喷嘴流入检测腔，

–借助于第一透镜按序将光束缩腰部的位置调节到检测腔内至少两个不同的位置上，

–借助于光源将光发射到气流中且借助于光传感器测定每个位置上在颗粒物上被散射的光的份额。

颗粒物检测器相宜地包含一种非球面的第二透镜，所述第二透镜沿光的辐射方向位于光源和第一透镜之后。此时，如果将光源、第一和第二透镜布设成，使得光源的光能够发散地，尤其略微发散地投影(abbilden)到第二透镜上，是尤其相宜的。

上述的颗粒物检测器有利地使得下列光束的产生成为可能，所述光束位于检测腔中的缩腰部位置，可以借助于透镜上附带的电压加以改变。在此将光束缩腰部理解为一种光束区域，在该光束区域里光束具有最高程度的聚焦，即最小的横截面。

在测量时光束缩腰部的位置将来回移动。在至少两个位置上测定颗粒物粒径的分布。在此所选择的位置，可以通过所调节的透镜电压公知或者可以从透镜电压中确定。在设计测定方法时，应用两个以上的位置，例如5个或者10个位置。

颗粒物检测器相宜地包含一种对光检测器的信号进行求值的分析装置，设计所述分析装置，是为了从信号中推断出至少一部分颗粒物的质量。

如此构建的颗粒物检测器具有下列优点：

在所有位置上，也就是即使在远离光的辐射方向与从进气喷嘴中产生的气流方向之间的理想的交会点位置处的灵敏度也是最大的，因为在调节这些位置时，光束刚好被非常紧密地聚焦在此处。

可以将光传感器布设成，使得在颗粒物上被散射的光以介于1°与45°之间的散射角入射到光传感器上。介于1°与30°之间的角度范围是尤其有利的。

可以将光的辐射方向布设得基本上与气体的流动方向垂直。这样的布局使得可以以简单的方式让气流与光源的光束在预先规定的空间相交。但是，垂直的布局并不是颗粒物检测器运行的前提条件。只是，气流和光束在一个位置相交，是十分重要的。

附图说明

接下来根据参照附图的实施例，对本发明加以说明。附图中：

图1表示具有液体透镜的颗粒物检测器的侧向剖视示意图，

图2示意地表示借助于对液体透镜的连续调谐，在气流中不同的位置进行测定时的第一光束的轮廓，

图3示意地表示借助于对液体透镜的连续调谐，在气流中不同的位置进行测定时的第二光束的轮廓。

具体实施方式

图1表示一种按照实施例的颗粒物检测器1的剖视示意图。所述颗粒物检测器1包含检测腔2，所述检测腔2在其顶部具有进气口9和进气喷嘴6。气体通过进气喷嘴6流入检测腔2中，此时产生沿流动方向4定向且穿过检测腔2的气流5。在该实例中，将排气口7布设在检测腔2的下端，可以使所述排气口7相宜地与此处未示出的真空泵连接。气流5中含有的颗粒物3，在该实例中被表示成不同粒径的圆形颗粒物3的混合物。但是也可以是其它的颗粒物3的分布，尤其是粒径和形状极其不同的颗粒物3的分布。颗粒物3的粒径相较于检测腔2来说，在附图1中表示得过于夸张。

颗粒物检测器1包含激光二极管10，所述激光二极管10位于与检测腔2相连的小室中。所述激光二极管10沿辐射方向11发射激光束，所述辐射方向11基本上与气流5的流动方向4保持垂直。在激光束的光路上先布设液体透镜12，所述液体透镜12的折射率是电调节式的。在液体透镜之后，将非球面的第二透镜13布设在激光束中。

在位于检测腔2壁板上的激光束的入射区域，设有光束收集器14，所述光束收集器14使得激光束能够被最大程度地无反射地吸收。在光束收集器14的四周设有环形的第一和第二菲涅耳透镜15、16，它们负责将某些散射角范围的散射光聚焦到第一和第二光电二极管17、18上。电控式元件激光二极管10、液体透镜12以及光电二极管17、18，与在图1中未示出的相应的控制电子元件或者分析电子元件连接。

如在图1中所表示的那样，检测腔2内的气流5是发散的，也就是说，它在从进气喷嘴6向排气口7移动时，扩展了其横截面。此时，气流5中大的，也就是重的颗粒物3主要在气流5的中央移动，因为它不那么容易向外围扩散。而小的颗粒物3在气流5中移动时，还容易向气流5的外围扩散。因此，在离中央稍远处，也就是靠近激光二极管10和靠近光束收集器14区域的气流区域中的激光束高度上，可找到多于平均水平的轻颗粒物3，而在靠近流动方向4与光的辐射方向11的交会点区域，则聚集了多于平均水平的重颗粒物3。

图2表示一种例如借助于液体透镜通过相应的电控制可以产生的激光束形状。所述激光束在此略微发散地到达光束收集器14。光束缩腰部，也就是激光束被最高程度地聚焦的区域21，此时在光的辐射方向上位于流动方向4和光的辐射方向11的交会点19之前1毫米处。当这样调节激光束时，在主轴上测定颗粒物3中的较轻颗粒。

图3表示另一种例如同样借助于液体透镜通过相应的电控制可以产生的变化了的激光束形状。激光束被最高程度地聚焦的区域21，直接位于流动方向4和光的辐射方向11的交会点19处，即基本上位于气流5的中央。当这样调节激光束时，优选测定颗粒物3中的较重颗粒。

在所有的位置上，对于激光束缩腰部都适用的是，借助于高度聚焦以及因此而致的区域21中激光束的亮度，使来自该区域21的颗粒物3的散射信号，每次都明显地在所测信号中占优势。这种在辐射方向上在光束缩腰部之前或者之后穿过激光束的颗粒物3，则反射明显更少的光。

那些从侧向，即既垂直于辐射方向又垂直于流动方向4地在气流5的中央之外穿过激光束的颗粒物3，优选在分析时不予以考虑。这种颗粒物3具有被延长了的穿过激光束的穿越时间，与此同时，那些居中地穿过激光束的颗粒物3，具有较短的(最少的)穿越时间。

通过对激光束21被最高程度地聚焦的区域21的至少两个，理想地为3个，5个或者7个位置的控制以及在相应位置上对激光束的散射进行例如1分钟时间、2分钟时间或者其它测量时间的测定，可以以此制成一种描述被测颗粒物3的数量与其粒径和位置的关系的概要图(Profil)。从位置或者所测得的概要图中，推断出各颗粒物3的质量，因此除了纯粹的粒径分布外，还可以确定出质量分布。为了从位置推断到质量，必须应用标定数据或者通过计算获得的关系。

如果所述位置位于交会点19和光束收集器14之间，是有利的。在这种位置上，高度聚焦的区域21，即激光束缩腰部，进一步远离液体透镜12。由此减小了激光束的发散度，而且相较于从液体透镜12的角度看位于交会点19之前的位置来说，光束收集器14将收集到更多份额的激光束。从而再次减少了到达光电二极管17、18的背景光(Hintergrundlicht)，因此改善了信噪比。这是尤其有利的，因为在交会点19旁更容易出现较轻的颗粒物3，所述较轻的颗粒物3通常较小，因此，要成功地进行测定，则需要尽可能高的信噪比。

Claims (8)

1.一种用于检测气体中颗粒物(3)的颗粒物检测器(1)，包含

–具有进气口(9)的检测腔(2)，所述进气口(9)带有进气喷嘴(6)，气体通过所述进气喷嘴(6)沿流动方向(4)流入检测腔(2)，

–用于沿光的辐射方向(11)发射光的光源(8)以及

–至少一个光传感器(17，18)，

其特征在于，颗粒物检测器(1)包含具有电调节式焦点的第一透镜(12)。

2.按照权利要求1所述的颗粒物检测器(1)，具有非球面的第二透镜(13)。

3.按照权利要求2所述的颗粒物检测器(1)，其中将光源(8)、第一和第二透镜(12，13)布设成，使得光源(8)的光能够发散地投影到第二透镜(13)上。

4.按照上述权利要求中任一项所述的颗粒物检测器(1)，具有分析装置，分析装置为了气体中颗粒物质量与颗粒物(17，18)横向移动之间的关系而考虑存储的值。

5.按照上述权利要求中任一项所述的颗粒物检测器(1)，具有分析装置，将所述分析装置设计为，通过计算推断出气体中颗粒物质量与颗粒物(17，18)横向移动之间的关系。

6.按照上述权利要求中任一项所述的颗粒物检测器(1)具有光束收集器(14)，将所述光束收集器(14)沿光的辐射方向(11)布设在检测腔(2)上与光源(8)相对置的那一侧。

7.借助于按照上述权利要求中任一项所述的颗粒物检测器(1)来检测气体中颗粒物(3)的方法，具有下列步骤：

–使含有颗粒物(3)的气体通过进气喷嘴(6)流入检测腔(2)中，

–借助于第一透镜(12)按序将光束缩腰部的位置(21)调节到检测腔(2)内至少两个不同的位置(21)上，

–借助于光源(8)将光发射到气流(5)中且借助于光传感器(13)测定在每个位置(21)上在颗粒物(3)上被散射的光的份额。

8.按照权利要求6所述的方法，其中将沿光的辐射方向(11)位于气流(5)和所发射光的交会点(19)上的或者与光源(8)相距更远的这些位置(21)当作所述位置(21)使用。