CN110691965B - 用于测量空气中颗粒浓度的传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种包括内部通道(10)的传感器(1)，该内部通道具有：第一部分(100)；与第一部分(100)连通的第二部分(110)；与第一部分(100)连通的存储区域(120)；在第一部分(100)内部延伸的挡板(130)；调整第一部分(100)和挡板(130)的尺寸，以使得在通过第一部分(100)的第一开口端进入传感器(1)的气流中，包含直径为10μm或更小的第一颗粒，以及直径大于10μm的第二颗粒；第一颗粒到达内部通道(10)的第二部分(110)，而第二颗粒到达存储区域(120)。
Description
技术领域
本发明的技术领域是大气污染传感器的技术领域。本发明涉及一种用于测量空气中颗粒浓度的传感器，该传感器不仅用于在密闭的、内部环境中测量，而且用于在露天外部环境中测量。
背景技术
空气质量是确保良好生活质量的重要参数，尤其是在城镇和城市群中。在造成大气污染的原因中，直径几微米的颗粒对人体健康尤其有害。这些颗粒在很大程度上是由与工业和运输相关的人类活动产生的。它们对诸如肺功能的改变并可能导致预期寿命的缩短的健康风险负责。
随着严重的大气污染事件变得越来越频繁，机构必须制定解决这些现象的解决方案。这些解决方案需要实时监测大气中颗粒物的浓度。人们越来越感到需要部署密集的传感器网络。
颗粒物(PM)是空气动力学直径小于10μm的颗粒；它们没有被上呼吸道(鼻子、嘴巴)截留，因此是“可吸入的”。颗粒物PM通常根据其大小进行分类。术语PM10为空气动力学直径小于10μm的颗粒；PM2.5为空气动力学直径小于2.5μm的颗粒，PM1为空气动力学直径小于1μm的颗粒。颗粒的空气动力学直径是用于描述气流(例如空气气流)中颗粒的空气动力学行为的等效值。颗粒的空气动力学直径定义为单位密度(1g/cm3)的球体直径且具有与静止流体中的所述颗粒相同的最终下降速度。在本申请的其余部分中，术语“颗粒的空气动力学直径”和“颗粒的直径”无差别的使用。
如今，主要使用两种测量颗粒的方法：
-重量分析技术，其包括将颗粒积聚在过滤器上，然后通过直接或间接称量进行量化；
-光学技术，其基于颗粒通过光束时对光束的扰动。
最简单的重量分析装置是通过将颗粒撞击到下一个称重的过滤器上来运行的。这些装置具有良好的尺寸选择性，价格相对便宜，但无法实时监控颗粒浓度。
Beta测量系统基于电子吸收技术。这些系统具有非常可靠的优势，但除了成本高昂之外，还需要放射源，这会降低其便携性。
利用光学技术的装置是紧凑、便携式的，并且它们能够实现粒度选择。这些装置更适合向个人提供实时信息，但会遭受与堵塞相关的重大漂移：因此，它们需要定期维护和清洁，这可能会导致成本高昂和/或困难。
发明内容
本发明提供了一种解决上述问题的方法，该方法使得可以使用一种装置实时测量空气中的颗粒浓度，该装置同时紧凑、便携且对颗粒具有尺寸选择性，而无需任何维护或清洁。
本发明的一个方面涉及一种用于实时测量空气中颗粒浓度的传感器，其特征在于，该传感器包括内部通道，该内部通道具有：
-第一部分，其包括在第一开口端和第二封闭端之间延伸的侧壁，第一开口端沿入口平面延伸；
-第二部分，其经由第一部分的侧壁中的第一开口与第一部分连通，第一开口与第一开口端相邻；
-存储区域，其经由第一部分的侧壁中的第二开口与第一部分连通，第二开口与第二封闭端相邻，第一和第二开口设置在侧壁的任意一侧；
-挡板，其固定在第一部分的第一开口端和第二部分之间的接合处，该挡板在第一部分的内部延伸，并在垂直于入口平面的第一方向上形成角度α，使得：
0°<α<90°
挡板、第一部分以及第一和第二开口的尺寸设计成使得在通过第一开口端进入传感器的气流中，包括直径小于或等于10μm的第一颗粒和直径大于10μm的第二颗粒；第一颗粒被挡板偏转，穿过第一开口到达内部通道的第二部分中；而第二颗粒被挡板偏转，并受到形成冲击板的侧壁的一部分的撞击，穿过第二开口并到达存储区域。
由于本发明，传感器的内部通道确保了在入口处的过滤功能：仅第一颗粒渗透到内部通道的第二部分中以随后被检测，而第二颗粒被偏转到存储区域中。不同大小的第一和第二颗粒实际上具有不同的质量，因此具有不同的惯性，这就是为什么它们不遵循相同的流体路径的原因。因此，这避免了第二颗粒堵塞内部通道的第二部分，堵塞将导致传感器的响应的漂移和测量伪像。由于在存储区域中未进行任何测量，因此由第二颗粒导致的堵塞不会成问题。
除了在上一段中已经提到的特性之外，根据本发明的一个方面的传感器可以具有在以下各项中的一个或多个互补的特性，可以单独考虑或根据其所有技术上可能的组合考虑：
-内部通道的第二部分具有第一开口端，所述第一开口端与内部通道的第一部分和第二开口端连通，并且传感器包括用于使气流在内部通道中循环的装置，所述装置设置在内部通道的第二部分的第二端上，并且配置成使气流从内部通道的第一部分的第一端循环到内部通道的第二部分的第二端。
-用于使气流在内部通道中的循环的装置是风扇或泵。
-已经限定了第一流动表面，所述第一流动表面是沿着第一开口端的入口平面的表面，作为第一部分的最小流动表面的第二流动表面被限定在挡板的端部和侧壁之间：第二表面与第一表面的比率S2/S1为：
-内部通道的第二部分具有第一开口端，所述第一开口端与内部通道的第一部分和第二开口端连通，并且内部通道的第二部分包括检测区域、在第一端和检测区域之间的上游区域以及在检测区域和第二端之间的下游区域，传感器优先使：
o内部通道的第二部分具有折回形状，并且
o内部通道的上游区域具有在内部通道的第一端和检测区域之间变宽的倾斜部分，
-倾斜部分相对于垂直方向形成的角度β，使得：60°≤β≤80°，并且
-倾斜部分每毫米长度从150μm2增宽至300μm2。
-存储区域的容积在0.5mL至5mL之间。
-内部通道的第一部分具有圆形截面，并且传感器包括圆形截面的中空圆柱形状的适配器件，该适配器件从传感器的第一部分的第一开口端的水平处突出。
-第二部分具有第一开口端，所述第一开口端与第一部分和第二开口端连通；检测区域；在第一端和检测区域之间的上游区域；在检测区域与第二端之间的下游区域；第二部分具有折回形状，其中第一直线分支通过实质上垂直于第一和第二直线分支的链接元件连接到第二直线分支，使得上游区域包括第一直线分支，下游区域包括第二直线分支，检测区域位于第一和第二直线分支之间的链接元件中。
-上游区域还包括至少一个具有S形的部分，S形的部分具有第一和第二弯曲部。
-内部通道在每个点处沿方向Dc延伸，“内部通道的部分的截面”表示垂直于方向Dc的截面：第二部分具有第一开口端，所述第一开口端与第一部分和第二开口端连通；检测区域；在第一端和检测区域之间的上游区域；在检测区域与第二端之间的下游区域；第二部分的上游区域包括层化元件，所述层化元件包括从第二部分的侧壁径向突出的至少一块板，所述至少一块板具有沿径向测量的高度H，并且所述高度H与在侧壁和截面中心之间沿径向测量的总高度Ht的比为：10％≤H/Ht≤100％。
-有利地，内部通道包括检测区域，并且用于实时测量空气中颗粒浓度的传感器包括：
o光源，其被配置为沿传播方向发射光辐射，该光辐射聚焦在内部通道的检测区域中；
o第一光电检测器，其被配置为捕获由沿着第一方向穿过检测区域的颗粒发射的第一散射信号，第一方向与光辐射的传播方向形成第一非零角度；
o第二光电检测器，其被配置为捕获由沿着第二方向穿过检测区域的颗粒发出的第二散射信号，第二方向与光辐射的传播方向形成第二非零角度，该第二角度与第一角度不同，并且第一角度和第二角度不互补；
o光阱，其被配置为在检测区域的出口处接收光辐射，从而防止光辐射寄生返回到检测区域。
因此，这提供了关于在第一方向上发射的第一散射信号和在第二方向上发射的第二散射信号之间的散射光强度差异的信息，根据本发明的一个方面，这使得可以提高关于穿过检测区域的颗粒的粒度的信息的精度，并因此提高了传感器的精度。实际上，不同大小的两种颗粒各自具有不同的角度散射。
-第一角度和第二角度之间的差至少为5°，优选至少为15°。
-第一方向和传播方向限定第一平面，第二方向优选地属于不同于第一平面并且优选地垂直于第一平面的第二平面。
-光阱包括黑壁和黑腔，该壁使光辐射朝着腔偏转。壁优选是光滑的，而腔是粗糙的。
-有利地，内部通道包括检测区域，并且传感器还包括用于加热在内部通道中循环的气流的装置，该加热装置包括至少一个焦耳效应加热元件，该至少一个焦耳效应加热元件设置在检测区域的内部通道上游的壁上。
从而能够控制气流的颗粒的湿度，以不受外部大气条件的影响。实际上，某些类型的颗粒在湿度的影响下会明显膨胀，很容易通过改变颗粒的大小导致测量结果失真。根据本发明一个方面，通过控制气流的湿度，从而提高了传感器的精度。
-加热装置优选地包括多个串联的焦耳效应加热元件。
-加热装置优选地包括用于根据温度的第一测量值和湿度的第二测量值来控制至少一个焦耳效应加热元件的设备。
-至少一个焦耳效应加热元件优选是电阻或线性调节器。
通过阅读以下说明并通过查看随附的附图，将更好地理解本发明及其不同的应用。
附图说明
所提供的附图仅用于说明目的，绝不限制本发明。
-图1示意性地示出了根据本发明的一个方面的用于实时测量空气中的颗粒浓度的传感器的透视图。
-图2a示意性地示出了图1的传感器的内部通道沿着轴
的截面的视图。
-图2b示意性地示出了图1的传感器的内部通道沿着轴
的截面的局部视图。
-图2c示意性地示出了根据本发明的一个方面的包括适配器件的传感器的局部视图。
-图3a示意性地示出了根据第一实施方式的图1的传感器的内部通道的沿着轴
的截面的视图。
-图3b示意性地示出了图1的传感器的内部通道沿着轴
的截面的局部视图。
-图3c示意性地示出了根据第二实施方式的传感器的内部通道沿着轴
的视图。
-图3d1示意性地示出了根据本发明的任一实施方式的传感器的内部通道内的层化元件的第一示例。
-图3d2示意性地示出了根据本发明的任一实施方式的传感器的内部通道内的层化元件的第二示例。
-图3d3示意性地示出了根据本发明的任一实施方式的传感器的内部通道内的层化元件的第三示例。
-图4a示意性地示出了图1的传感器的光学检测系统沿轴
的截面的视图。
-图4b示意性地示出了图1的传感器的光学检测系统的局部透视图。
-图5示意性地示出了图1的传感器的加热装置沿轴
的截面的视图。
具体实施方式
除非另有说明，否则出现在不同附图中的相同元件具有单一标记。
这些图形在轴
的正交坐标系中定义。
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的用于实时测量空气中的颗粒浓度的传感器1的透视图。图1示出了轴
的截面A，轴
的截面B和轴
的截面C。传感器1包括内部通道10(如图2a所示)，内部通道10具有第一部分100和第二部分110(如图2b所示)，第一部分具有第一开口端101，第一开口端101形成传感器1的内部通道的气流入口，第二部分具有第二开口端112，第二开口端112形成传感器1的内部通道的气流出口。进气口101和出气口112优选地沿着两个不同的平面延伸，甚至更优选地沿着彼此不平行的两个平面延伸，以使入口处的气流不受出口处的气流的干扰。在图1所示的特定示例中，进气口101沿基本平行于截面B的平面延伸，而出气口112沿基本平行于截面C的平面延伸。
图2a示意性地示出了传感器1的内部通道10的沿着截面A的视图。图2b示意性地示出了传感器1的内部通道10的沿着截面A的局部视图。图2a和2b特别示出了传感器1的流体过滤器的功能，并一起描述。
传感器1包括内部通道10，内部通道10具有：
-第一部分100，其包括在第一开口端101和第二封闭端102之间延伸的侧壁103，第一开口端101沿入口平面Pe延伸；
-第二部分110，其经由第一部分100的侧壁103中的第一开口105与第一部分100连通，第一开口105与第一开口端101相邻；
-存储区域120，其经由第一部分100的侧壁103中的第二开口107与第一部分100连通，第二开口与第二封闭端102相邻，第一开口105和第二开口107设置在侧壁103的任意一侧；
-挡板130，其固定在第一部分100的第一开口端101和第二部分110之间的接合处，挡板130在第一部分100的内部延伸，并与垂直于入口平面Pe的第一方向D1形成角度α，使得：
0°<α<90°
挡板130、第一部分100以及第一和第二开口105、107的尺寸设计成使得在通过第一开口端101进入传感器1的气流中，包括直径小于或等于10μm的第一颗粒和直径大于10μm的第二颗粒，第一颗粒穿过第一开口105到达内部通道的第二部分110中，而第二颗粒穿过第二开口107并到达存储区域120。
设置在侧壁103的任意一侧上的第一开口105和第二开口107彼此不相对，也就是说，经过轴
并且穿过第一开口105的任何平面都没有穿过第二开口107，反之亦然。优选在第一开口105和第二开口107之间存在长度L至少等于2mm的侧壁103的部分。“第一开口105和第二开口107设置在侧壁103的任意一侧”是表示以下事实：
-第一开口105位于第一半空间中，挡板130和内部通道的第二部分110属于该第一半空间，以及
-第二开口107位于第二半空间中，存储区域120属于该第二半空间。
侧壁103的一部分是冲击板103-i：在第一半空间中，设置在第一开口105的一侧的侧壁103的一部分。冲击板103-i设置在第一开口105的一侧。
在图2a和2b所示的特定示例中，第一部分100沿第一方向D1是直线的。然而，第一部分100可以可替代地是弯曲的。
在图1、2a和2b中示出的特定示例中，第一部分100和第二部分110具有矩形截面。然而，第一部分100和/或第二部分110可以可替代地具有正方形、多边形、圆形、椭圆形截面等。第一部分100和第二部分110都可以具有相同的截面几何形状，例如可以都具有圆形截面，或者每个截面可以具有截然不同的几何形状，例如第一部分100的圆形截面和第二部分110的矩形或方形截面。一般来说，“部分的截面”是指垂直于方向Dc(例如图3a和3c中所示)的截面，内部通道的部分在每个点处沿该方向Dc延伸，并使气流沿方向Dc循环。在第一部分100沿着第一方向D1是直线的特定示例中，第一部分100的每个截面位于与轴
的平面B平行的平面中。一般而言，希望限定通过内部通道10的气流的特定速度。为此，确定参数是第一部分100和第二部分110中的每一个的截面的表面。当然，几个不同的几何形状可能与同一表面相关联。
有利地，第一部分100具有圆形截面，并且传感器1包括集成适配器件Pa，该适配器件Pa从传感器1在第一部分100的第一开口端101的高度处突出，从而提供了第一部分的延长部分。在图2c中示出了该配置。适配器件Pa具有空心圆柱形状，与第一部分100的圆形截面相比具有相同直径或不同直径的圆形截面。适配器件Pa与传感器1是单件；特别地，适配器件Pa可以与传感器1一起模制。适配器件Pa使得可以容纳管。
第一、第二和第三流动表面S1、S2、S3如图2b所示：
-第一表面S1是内部通道10的入口表面，即沿着内部通道10的第一部分100的第一开口端101的入口平面Pe的流动表面；
-第二表面S2是第一部分100的最小流动表面，其限定在挡板130的端部与侧壁103之间；
-第三表面S3是限定在挡板130的端部与冲击板103-i的端部之间的最小流动表面，冲击板103-i界定第一开口105。
第二表面S2与第一表面S1的比S2/S1，有利地使得：
优先地使得：
甚至更优先地使得：
因此，在传感器1的内部通道10的入口处的过滤功能被优化。
根据特定示例，第一表面S1具有50mm2的表面积，第二表面S2具有30mm2的表面积，即，比S2/S1为60％。
截止直径d，即空气动力学直径，使该直径的50％的颗粒到达内部通道的第二部分110，而使该直径的50％的颗粒不能到达那里，通过以下公式估算：
其中d以μm表示；k是一个以μm.s.rad为单位的常数；u是通过第三表面S3的气流速度；l是挡板130的长度，以m为单位；α是挡板130与第一方向D1形成的以rad为单位的角度；ρ是所考虑的颗粒的密度：
ρ＝所考虑颗粒的密度/参考密度
参考密度为1g/cm3。
角度α，尤其在图2b中示出，优选使得：
角度α更优选地使得：
角度α甚至更优选地使得：
对于30°的角度α，长度为l＝4mm的挡板130和通过第三表面S3的气流速度u为5m/s：
-对于密度为p＝1的颗粒，其截止直径d大于10μm；
-对于密度为p＝3的颗粒，获得的截止直径d大于3μm。
截止直径d越小，实际到达第二部分110的颗粒的直径越小。观察到颗粒的密度对结果有重要影响。
存储区域120有利地具有介于0.5mL和5mL之间的容积。这使得有可能保证传感器1的足够的免维护寿命，也就是说，在被颗粒物高度污染的环境中免维护寿命大于10000小时。当环境平均包含至少250μg/m3的颗粒物时，认为该环境被颗粒物高度污染。同时，内部通道的第一部分100和存储区域120的累积容积有利地小于10mL。这使得可以限制传感器1的尺寸，从而限制其体积和质量。
图3a示意性地示出了根据第一实施方式的沿着传感器1的截面B的视图。图3a示出了轴
的截面D。图3b示意性地示出了沿着传感器1的截面D的局部视图。图3b示意性地示出了根据第二实施方式的沿着传感器1的截面B的视图。一起描述图3a、3b和3c。
内部通道的第二部分110具有第一开口端111，第一开口端111与内部通道的第一部分100和第二开口端112连通。内部通道的第二部分110包括检测区域115，在第一端111和检测区域115之间的上游区域114，在检测区域115和第二端112之间的下游区域116。
为了提高传感器1的紧凑性，内部通道的第二部分110有利地具有折回形状，其中第一直线分支Br1通过基本上垂直于第一和第二直线分支Br1、Br2的链接元件(link)连接到第二直线分支Br2。第一和第二直线分支Br1、Br2可以彼此平行，也可不必彼此平行。上游区域114包括第一直线分支Br1，下游区域116包括第二直线分支Br2，并且检测区域115在第一和第二直线分支Br1、Br2之间的链接元件中。折回形状的另一个优点是使检测区域115远离内部通道的入口101和出口112移动，以便限制检测区域115中外部寄生光的风险。图3a中示出的折回形状也可以描述为包括第一直线分支Br1、第二直线分支Br2和基本垂直于第一和第二直线分支Br1、Br2的第三直线分支Br3，第三直线分支Br3通过第一弯曲部分Pc1被连接到第一直线分支Br1，通过第二弯曲部分Pc2被连接到第二直线分支Br2。先前在第一和第二直线分支Br1、Br2之间限定的链接元件包括第三直线分支Br3以及第一和第二弯曲部分Pc1、Pc2。上游区域114包括第一直线分支Br1和第一弯曲部分Pcl，下游区域116包括第二弯曲部分Pc2和第二直线分支Br2，并且检测区域115位于第三直线部分Br3中。
上游区域114还可以包括至少一个具有S形的部分，S形的部分具有第一弯曲部C1和第二弯曲部C2，如图3c所示。在这种情况下，第一直线分支Br1在第一和第二弯曲部C1、C2的上游或下游。
同时，有利地选择上游区域114的几何形状和尺寸，使得被内部通道的第一部分100扰动并进入内部通道的第二部分110的气流是层流的，并且当气流到达检测区域115的高度时具有均匀的速度。当在检测区域的一个截面的每个点处，沿垂直于所述截面的轴y的速度v为：
其中
为所述截面的平均速度，认为气流在检测区域115中具有均匀的速度。
为此，内部通道的上游区域114具有变宽的倾斜部分，同时将第一水平面H1连接至第二水平面H2，内部通道的第一端111沿第一水平面H1大致延伸，内部通道基本上在其检测区域115和第二端112之间沿第二水平面H2大致延伸。该部分相对于竖直方向的倾斜度β，使得：
60°≤β≤80°
内部通道的上游区域114的倾斜部分的变宽部分包括沿轴
每mm长度变宽150μm2至300μm2之间。已经相对于图3a的第一实施方式特别示出了已经描述的倾斜部分，但是它也与图3c的第二实施方式兼容。
内部通道的上游区域114还可以具有层化元件，该层化元件从第二部分110的至少一个侧壁突出，并且沿着内部通道10在每个点处延伸的方向延伸，并且沿着该方向形成气流循环。因此，如果在第二部分110的直线部分中发现层化元件，则该层化元件是直线的；如果在第二部分的弯曲部分中发现层化元件，则该层化元件是弯曲的。层化元件可以是单件或包括几个不同的部分，因此在图3c的示例中，层化元件包括在第一直线分支Br1中的第一直线子元件EL1和在第一弯曲部分Pc1中的第二弯曲子元件EL2。沿方向Dc测量的层化元件的长度或层化元件的子元件的累积长度可以在上游区域114沿方向Dc测量的长度的0.1％至100％之间变化，优选地在10％至60％之间变化。在图3c中，第一子元件EL1的长度被标记为“Lo1”，第二子元件EL2的长度被标记为“Lo2”。在下文中，“层化元件”将被认为是指层化元件或其每个子元件。层化元件特别是关于图3c的第二实施方式示出的，但是它也与图3a的第一实施方式兼容。
图3d1、3d2和3d3分别显示了用阴影线表示的层化元件的第一、第二和第三示例。图3d1、3d2和3d3中的每一个是沿垂直于方向Dc的平面的上游区域114的截面图。第二部分110的截面的不同可能的几何形状以虚线表示。
一般而言，层化元件包括至少一块板，该板从以虚线表示的侧壁突出并且相对于方向Dc(其对应于垂直于片材平面的方向并且穿过每个截面的几何形状的中心)径向地定向，所述至少一块板具有相对于方向Dc径向测量的高度H(如图3d2所示)，并且该高度H和侧壁与截面中心之间的“总”高度Ht(如图3d2所示)的比为：10％≤H/Ht≤100％。层化元件的每个板的厚度Ep(在垂直于方向Dc和垂直于径向的每个点处测量)(如图3d1所示)，使得：0.1mm≤Ep≤2mm，并且更优选地使得：0.5mm≤Ep≤1mm。
根据图3d1的示例，层化元件包括根据上述定义的第一、第二、第三和第四板el01、el02、el03、el04，更具体地，所有板都具有相同的高度H，使得H＝Ht，使得它们在该截面的中心连接。根据第一示例，层化元件因此具有十字形轮廓。
根据图3d2的示例，第一、第二、第三和第四板el01、el02、el03、el04都具有相同的高度H，使得H＜Ht，以使得它们不在截面的中心接合。替代地，并且根据最先给出的定义，根据所有可能的组合层化元件可以包括四块板中的一块板、两块板或三块板：第一块板；第一和第二块板；第一和第三块板：第一和第四块板；第一、第二和第三板块；等。此外：
-当层化元件包括几块板时，它们可以具有相同的高度或不同的高度。所有的板可以被接合(如图3d1的示例)，或者仅部分接合，或者不接合(如图3d2的示例)。
-当层化元件包括几个子元件时，它们可以具有不同的几何形状和/或尺寸。因此，在图3c的示例中，第一子元件EL1包括从侧壁沿方向z突出并且高度H为使得H/Ht＝20％的单块板；而第二子元件EL2还包括从侧壁沿
方向突出但其高度H为使得H/Ht＝35％的单块板。
根据图3d3的示例，层化元件包括高度H＝Ht的第四板el04，其从侧壁突出并到达截面的中心；以及高度H＜Ht的第一和第三板el01、el03，第一和第三板el01、e03不是从侧壁突出，而是从在该截面的中心处的第四板el04的端部突出，使得层化元件具有“T”形轮廓。
传感器1优选地包括用于使气流在内部通道10中循环的装置20，如图2a所示，该装置20设置在内部通道的第二部分110的第二端112处，并且其被配置成气流从内部通道的第一部分100的第一端101循环到内部通道的第二部分110的第二端112。装置20可以有利地被控制以确保在检测区域115的水平处的气流的恒定平均速度。在本发明的示例性实施方式中，通过传感器1的内部通道10的气流具有流速为0.0032m3/min，由内部通道10产生的压头损失计算为9.6Pa：在此示例性实施方式中，装置20有利地被控制以确保在检测区域115的水平处的平均速度为1m/s。装置20尤其可以是风扇、泵或微型泵。
图4a示意性地示出了传感器1的光学检测系统沿轴
的截面B的视图。图4b示意性地示出了传感器1的光学检测系统的局部透视图。图4a和4b具体地示出了传感器1的光学检测器功能，并且被一起描述。光学检测器功能与先前关于流体循环描述的所有实施方式和特性兼容，并且特别地与关于图3a、3b、3c、3d1、3d2、3d3描述的实施方式兼容。
传感器1的光学检测系统包括：
-光源30，其被配置为沿传播方向Dp发射光辐射，该光辐射聚焦在内部通道10的检测区域115中；
-第一光电检测器40，其被配置为捕获由穿过检测区域的颗粒沿第一方向D1发射的第一散射信号，第一方向D1与光辐射的传播方向Dp形成第一非零角度θ1；
-第二光电检测器50，其被配置为捕获由穿过检测区域的颗粒沿第二方向D2发射的第二散射信号，第二方向D2与光辐射的传播方向Dp形成第二非零角度θ2，第二角度θ2与第一角度θ1不同，并且第一角度θ1和第二角度θ2不互补；
-光阱60，其被配置为在检测区域115的出口处接收光辐射，从而防止光辐射寄生返回到检测区域115。
因此，这提供了关于在第一方向上发射的第一散射信号和在第二方向上发射的第二散射信号之间的散射光强度差异的信息，这使得可以提高关于穿过检测区域的颗粒的粒度的信息的精度，从而提高了传感器1的精度。实际上，两个尺寸不同的颗粒每个都有不同的角度散射。
光源30优选是激光源，特别是激光二极管类型的激光源。替代地，光源30可以是发光二极管或LED。通过聚焦光学器件将光辐射聚焦在检测区域中。由光源30发射的光辐射优选地具有在1mW与20mW之间的功率，更优选地在1mW与10mW之间的功率，甚至更优选地在1mW与5mW之间的功率。光源30发出的光辐射具有例如2mW的光辐射。光源30可以发出可见光辐射，即波长范围为[400nm；700nm]或近红外辐射，即波长范围为[700nm；900nm]。根据米氏(Mie)散射理论，为了提高传感器的计量性能，低波长的可见光辐射，即波长范围为[400nm；500nm]是最有效的。然而，特别是在波长范围为[600nm；700nm]，更具体地波长范围为[630nm；670nm]的可见光辐射下，可以获得良好的性能-成本折衷。
第一和第二光电检测器40、50优选是光电二极管。或者，第一和第二光电检测器40、50可以是光电倍增管。与光电倍增管相比，光电二极管的优势是在微型系统中更便宜、更容易实现。第一和第二光电检测器40、50中的每一个具有有效表面和垂直于其有效表面的轴的检测锥。
光阱60包括壁61和腔62，壁61相对于传播方向Dp定向，以使光辐射朝向腔62偏转。壁61和腔62有利地是黑色的，因此以最大程度地吸收入射光辐射。有利地，壁61是光滑的，而腔62是粗糙的。“光滑表面”是指算术平均粗糙度Ra满足以下条件的表面，即：
Ra<0.1μm
“粗糙表面”是指算术平均粗糙度Ra满足以下条件的表面，即：
Ra>10μm
算术平均粗糙度Ra是所考虑的表面的表面粗糙度的标准偏差，例如在ISO 4287标准中定义的。
第一角度θ1和第二角度θ2之间的差Δθ优选使得：
其中：
-k是以rad/W/m-4为单位的常数；
-d是第一和第二光电检测器40、50中的任何一个与检测区域115之间的距离，以m为单位；如果第一和第二光电检测器40、50与检测区域115不等距，则d是第一和第二光电检测器40、50中的任何一个与检测区域115之间的最小距离。
-λ是光辐射的波长，以m为单位；
-S是第一和第二光电检测器的有效表面积，以m2为单位；如果第一和第二光电检测器不具有相同的有效表面积，则S为第一和第二光电检测器的最大有效表面积；
-P是光源的功率，以W为单位。
对于相对于检测区域的第一和第二光电检测器的给定配置以及对于给定的光辐射的波长，光源的功率越大，第一和第二角度θ1、θ2之间的差Δθ越小。一般而言，在第一角度θ1和第二角度θ2之间选择至少5°并且优选地至少15°的差Δθ。
在图4c的特定示例中，传播方向Dp和第一方向D1之间的第一角度θ1使得：
θ1＝45°
并且传播方向Dp和第二方向D2之间的第二角度θ2为：
θ2＝90°
因此，第一角度θ1和第二角度θ2之间的差Δθ为45°。
此外，优先选择第一方向D1和第二方向D2，以便：
-第一方向D1和传播方向Dp限定第一平面P1，并且
-第二方向D2属于不同于第一平面P1的第二平面P2。
在图4c的特定示例中，第二平面P2垂直于第一平面P1。
仍在图4c的特定示例中，第一光电检测器40的检测锥的轴线与第一方向D1重合，并且第二光电检测器50的检测锥的轴线与第二方向D2重合。然而，第一光电检测器40可以可替代地设置为使得其检测锥的轴线不与第一方向D1重合，例如通过使用镜子使第一散射信号沿方向D1'偏转，并且通过设置第一光电检测器40以便其检测锥与偏转方向D1'重合。类似地，第二光电检测器50可以替代地设置成使得其检测锥的轴线不与第一方向D2重合，例如使用镜子使第二散射信号沿方向D2'偏转并通过设置第二光电检测器50以便其检测锥与偏转方向D2'重合。
图5示意性地示出了用于加热在传感器1的内部通道10中循环的气流的装置沿轴
的平面B的截面图，该加热装置包括至少一个焦耳效应加热元件，该至少一个焦耳效应加热元件设置在检测区域115上游114的内部通道10的壁上。图5特别示出了对在传感器1的内部通道10中循环的气流的湿度进行热控制的功能。热控制的功能与先前关于光学检测和流体循环描述的所有实施方式和特性兼容，并且特别是与关于图3a、3b、3c、3d1、3d2、3d3描述的实施方式兼容。
加热装置有利地使得能够控制气流的颗粒的湿度，从而不受外部大气条件的影响。实际上，某些类型的颗粒在湿度的影响下会显著膨胀，通过改变颗粒的大小，很容易导致测量结果的失真。通过控制气流的湿度，从而提高了传感器1的精度。
焦耳效应加热元件优选是电阻或线性调节器。
加热装置优选地包括多个串联的焦耳效应加热元件，所述多个焦耳效应加热元件设置在检测区域上游的内部通道的壁上。这具有以下优点：使用多个较小尺寸的加热元件，而不是单个较大尺寸的加热元件，从而使内部通道10中的气流的机械扰动最小化。在图5的特定示例中，加热装置包括第一、第二和第三焦耳效应加热元件R1、R2、R3。
由于至少一个焦耳效应加热元件，到达检测区域的气流的温度优选比进入传感器1的气流的温度高3℃至10℃。该温度差异足以保证不存在气流中的颗粒的增长因子。
传感器1优选地包括温度传感器和湿度传感器，至少一个焦耳效应加热元件优选地根据传感器1中的气流的第一温度测量和第二湿度测量而被控制。气流的第一温度测量和第二湿度测量可以例如在传感器1的内部通道10的入口或出口处进行，或在内部通道10的任何中间点处进行。从而适应外部大气条件，以提高传感器的精度，同时优化其能耗。
根据本发明一方面的传感器1有利地同时确保了前述的流体过滤器、光学检测器和热控制功能，但是根据本发明一方面的传感器1可以可替代地仅确保这三个功能的一项或两项，根据所有可能的组合如下：
-仅流体过滤器功能，
-流体过滤器和光学检测器功能，
-流体过滤器和热控制功能，
-仅光学检测器功能，
-光学检测器和热控制功能，
-仅热控制功能。
传感器1优选地包括计算器和存储器，以便执行以下所有或部分功能：
-通过循环装置20控制传感器1中的气流的循环，即控制传感器1的内部通道10中的气流的速度和流量；
-处理来自第一和第二光电检测器40、50的第一和第二散射信号，以便实时计算在传感器1的内部通道10中循环的气流的颗粒物的浓度；
-根据由温度和湿度传感器执行的温度和湿度测量来控制加热装置的至少一个电阻。
计算器例如是微控制器或微处理器。该存储器优选是EPROM(可擦可编程只读存储器)，但也可以是RAM(随机存取存储器)、PROM(可编程只读存储器)、FLASH-EPROM或任何其他存储芯片或盒式磁带。
Claims (12)
1.用于实时测量空气中颗粒浓度的传感器（1），其特征在于，它包括内部通道（10），该内部通道具有：
- 第一部分（100），其包括在第一开口端（101）和第二封闭端（102）之间延伸的侧壁（103），侧壁(103)具有两个相对的侧壁第一部分和侧壁第二部分，第一开口端（101）沿入口平面（Pe）延伸；
- 第二部分（110），其经由第一部分（100）的侧壁（103）第一部分中的第一开口（105）与第一部分连通，第一开口与第一开口端相邻；
- 存储区域（120），其经由第一部分（100）的侧壁（103）第二部分中的第二开口（107）与第一部分连通，第二开口与第二封闭端相邻，第一和第二开口（105、107）彼此不相对；
- 挡板（130），其固定在第一部分（100）的第一开口端（101）和第二部分（110）之间的接合处，挡板（130）在第一部分（100）的内部延伸，并在垂直于入口平面（Pe）的第一方向（D1）上形成角度α，使得：
0°<α<90°
挡板（130）、第一部分（100）以及第一和第二开口（105、107）的尺寸设计成使得在通过第一开口端（101）进入传感器（1）的气流中，包括直径小于或等于10µm的第一颗粒和直径大于10µm的第二颗粒；第一颗粒被挡板（130）偏转，穿过第一开口（105）到达内部通道（10）的第二部分（110）中；而第二颗粒被挡板（130）偏转，并受到形成冲击板（103-i）的侧壁（103）第一部分的部分冲击，穿过第二开口（107）并到达存储区域（120）。
2.根据权利要求1所述的传感器（1），其中，内部通道（10）的第二部分（110）具有第一开口端（111）和第二开口端（112），所述第二部分的第一开口端（111）与内部通道的第一部分连通，其特征在于，传感器包括用于使气流在内部通道中循环的装置（20），所述装置（20）设置在内部通道的第二部分（110）的第二开口端（112）上，并且配置成使气流从内部通道的第一部分（100）的第一开口端（101）循环到内部通道的第二部分（110）的第二开口端（112）。
3.根据权利要求2所述的传感器（1），其特征在于，用于使气流在内部通道中循环的装置（20）是风扇或泵。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其中，限定第一流动表面（S1），其为沿着第一开口端（101）的入口平面（Pe）的表面，作为第一部分（100）的最小流动表面的第二流动表面（S2）被限定在挡板（130）的端部和侧壁（103）之间，传感器（1）的特征在于，第二流动表面（S2）与第一流动表面（S1）的表面积比S2/S1为：
10%≤
≤90%。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其中，内部通道的第二部分（110）具有第一开口端（111）和第二开口端（112），所述第二部分的第一开口端（111）与内部通道的第一部分连通，内部通道的第二部分（110）包括检测区域（115）、在第一开口端和检测区域之间的上游区域（114）以及在检测区域和第二开口端之间的下游区域（116），传感器（1）的特征在于：
- 内部通道的第二部分（110）具有折回形状，并且
- 内部通道的上游区域（114）具有在内部通道的第二部分的第一开口端（111）和检测区域（115）之间变宽的倾斜部分，
- 倾斜部分相对于竖直方向形成角度β，使得：60°≤β≤80°，并且
- 倾斜部分每毫米长度从150µm2增宽至300µm2。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其特征在于，存储区域（120）的容积在0.5mL至5mL之间。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其特征在于，内部通道（10）的第一部分（100）具有圆形截面，并且其中传感器（1）包括圆形截面的空心圆柱形状的适配器件（Pa），适配器件（Pa）从传感器（1）的第一部分（100）的第一开口端（101）处突出。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其特征在于：
- 第二部分（110）具有第一开口端（111）和第二开口端（112），所述第二部分的第一开口端（111）与第一部分（100）连通；检测区域（115）；在第一开口端（111）和检测区域（115）之间的上游区域（114）；在检测区域（115）与第二开口端（112）之间的下游区域（116）；
- 第二部分（110）具有折回形状，其中第一直线分支通过实质上垂直于第一和第二直线分支的链接元件连接到第二直线分支，使得上游区域（114）包括第一直线分支，下游区域（116）包括第二直线分支，检测区域（115）位于第一和第二直线分支之间的链接元件中。
9.根据权利要求8所述的传感器（1），其特征在于，上游区域（114）还包括至少一个具有S形的部分，所述S形的部分具有第一弯曲部和第二弯曲部（C1、C2）。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其中，内部通道在每个点处沿着方向Dc延伸，方向Dc为气流在内部通道中循环的方向，并且“内部通道部分的截面”表示垂直于方向Dc的截面，其特征在于：
- 第二部分（110）具有第一开口端（111）和第二开口端（112），所述第二部分的第一开口端（111）与第一部分（100）连通；检测区域（115）；在第一开口端（111）和检测区域（115）之间的上游区域（114）；在检测区域（115）与第二开口端（112）之间的下游区域（116）；和
- 第二部分（110）的上游区域（114）包括层化元件（EL1、EL2），所述层化元件（EL1、EL2）包括从第二部分的侧壁径向突出的至少一块板，所述至少一块板具有沿径向测量的高度H，并且所述高度H与在侧壁和截面中心之间沿径向测量的总高度Ht的比为：10%≤H/Ht≤100%。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其特征在于，内部通道（10）的第二部分包括检测区域（115），并且其中传感器（1）还包括：
- 光源（30），其被配置为沿传播方向（Dp）发射光辐射，该光辐射聚焦在内部通道的检测区域（115）中；
- 第一光电检测器（40），其被配置为捕获由沿着第一方向（D1）穿过检测区域（115）的颗粒发射的第一散射信号，第一方向（D1）与光辐射的传播方向（Dp）形成第一非零角度（θ1）；
- 第二光电检测器（50），其被配置为捕获由沿着第二方向（D2）穿过检测区域（115）的颗粒发射的第二散射信号，第二方向（D2）与光辐射的传播方向（Dp）形成第二非零角度（θ2），第二角度（θ2）与第一角度（θ1）不同，并且第一角度和第二角度（θ1、θ2）不互补；
- 光阱（60），其被配置为在检测区域（115）的出口处接收光辐射，从而防止不合需要的光辐射返回到检测区域（115）。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器（1），其特征在于，内部通道（10）的第二部分包括检测区域（115），并且其中传感器（1）还包括用于加热在内部通道（10）中循环的气流的装置，加热装置包括至少一个焦耳效应加热元件（R1、R2、R3），其设置在检测区域（115）的内部通道上游的壁上。
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