CN111812270A - 包括环境传感器的传感器装置中的流量测量 - Google Patents
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Abstract
提供了包括环境传感器的传感器装置中的流量测量。传感器装置包括入口(11)、出口(12)以及在入口(11)与出口(12)之间延伸的主通道(13),以使得流体能够沿着流动方向(F)流动通过主通道(13)。环境传感器(20)被布置成与主通道的测量区域(14)中的流体相互作用。主通道具有在测量区域的上游的第一压力接头(31)和在测量区域的下游的第二压力接头(32)。压差传感器(40)确定第一压力接头与第二压力接头之间的压差。
Description
技术领域
本发明涉及传感器装置,该传感器装置包括在传感器装置的入口与出口之间延伸的主通道并且包括被配置成确定主通道的测量区域中的流体的至少一个性质的环境传感器。环境传感器可以是例如用于确定空气中的一种或更多种气体分析物的浓度的颗粒物传感器或气体传感器。
背景技术
在这样的传感器装置中,环境传感器的输出信号通常不仅取决于进入主通道的流体的组成,而且还取决于通过主通道的流率。因此,期望确定通过主通道的流率。
WO 2018/100209 A2公开了一种颗粒物传感器装置,其包括界定流动通道的壳体。辐射源将辐射发射到流动通道中。辐射检测器在其与流过流动通道的流体样本中的颗粒物相互作用之后检测辐射的至少一部分。该装置可以包括用于确定流动通道中的流率的流量计。该文档未记载流量计的类型和配置。
实用新型CN 206235536 U公开了一种包括空气通道的颗粒物传感器装置。激光将光照射到空气通道中,并且光电检测器检测从悬浮在空气中的颗粒散射的光。提供了用于测量空气通道中的空气流率的热流量计。流量计设置在印刷电路板上。该实用新型未记载流量计的类型和配置。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器装置,该传感器装置具有主通道和环境传感器,该环境传感器被配置成确定主通道的测量区域中的流体的至少一个测量变量,该传感器装置被特别配置用于以简单可靠的方式来考虑通过主通道的变化的流率对测量变量的影响。
该目的通过根据权利要求1所述的环境传感器装置来实现。本发明的其他实施方式在从属权利要求中规定。
本发明提供一种被配置成确定流体的至少一个性质的传感器装置。流体可以是气体(术语“气体”包括气体的混合物)或气溶胶,即气体中的细小固体颗粒或液滴的分散体。特别地,流体可以是来自传感器装置的环境的环境空气。传感器装置包括入口、出口以及在入口与出口之间延伸的主通道,以使得流体能够沿着流动方向从入口通过主通道向出口流动。传感器装置还包括环境传感器,环境传感器被配置成确定来自主通道的测量区域中的流体的至少一个测量变量。主通道具有在测量区域的上游的第一压力接头和在测量区域的下游的第二压力接头。压差传感器,优选地是流量型压差传感器,被配置成确定第一压力接头与第二压力接头之间的压差。控制装置被配置成接收输入信号并基于输入信号来得到输出信号。输入信号包括来自环境传感器的环境传感器信号和来自压差传感器的压差信号。具体地,输出信号取决于环境传感器信号和压差信号二者。输出信号是针对流体的所述至少一个性质的测量。
由于第一压力接头与第二压力接头之间的主通道中的流阻,通过主通道的流动将引起第一压力接头与第二压力接头之间的压差,压差的大小取决于通过主通道的流率。通过确定压力接头之间的压差,获得针对主通道中的流率的测量,并可以得到适当考虑流率的输出信号。
第一压力接头和第二压力接头分别布置在测量区域的上游和下游。因此,在“旁通”配置中确定压差,压差传感器将测量区域旁通。这种配置提供了很大的灵活性,以根据具有截然不同的流率的各种场景定制主通道和压差传感器的设计,而不改变传感器装置的主要设计。
压差传感器可以是流量型压差传感器。流量型压差传感器包括第一传感器端口和第二传感器端口以及在传感器端口之间的(通常是窄的)流动通道。传感器端口之间的压差引起通过流动通道的小的流动。微热传感器确定针对该小的流动的流率的测量。从而本质上,测量通过将测量区域旁通的旁通通道中的流率。旁通通道中的流率远低于主通道中的流率。因此,与直接存在于主通道中的热流量传感器相比,旁通配置中的流式压差传感器不易受到灰尘、水、雪等的污染。
术语“上游”和“下游”应理解为关于从入口到出口的流动。换句话说,布置在测量区域的上游的第一压力接头位于入口与测量区域之间。同样,布置在测量区域的下游的第二压力接头位于测量区域与出口之间。每个压力接头都可以由界定主通道的壁中的(通常是小的)开口形成。
在本公开内容中,术语“环境传感器”应理解为与一个或更多个部件的任何布置有关,所述一个或更多个部件被配置成确定来自已经从环境进入传感器装置的主通道的流体的一个或更多个测量变量。特别地,流体可以是环境空气,并且传感器装置可以被设计成监测空气质量,例如,在道路附近的室外空气或封闭室内的室内空气、进入HVAC(暖通空调)系统的空气、汽车内或进入汽车内部的空气、船内的空气、飞机内的空气等。在一些实施方式中,环境传感器可以包括颗粒物传感器,该颗粒物传感器被配置成确定气溶胶中的颗粒物(PM)的一个或更多个性质。在其它实施方式中,环境传感器可包括气体传感器,该气体传感器被配置成确定空气中的一种或更多种气体分析物,诸如挥发性有机化合物(VOCs)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)的浓度。在其它实施方式中,环境传感器可以包括用于确定空气湿度的湿度传感器或用于确定表征空气质量的任何其它量的其它类型的传感器。
通常来说,当采用环境传感器时,通常关注流体的某些组分的浓度,因此,由传感器装置确定的流体的至少一个性质可以包括每单位体积的流体组分的浓度。
特别地,环境传感器可以包括颗粒物传感器,该颗粒物传感器用于确定与气溶胶中的颗粒物有关的至少一个测量变量。具体地,颗粒物传感器可以包括被配置成在主通道中产生辐射的辐射源以及被配置成检测从测量区域中的流体中的颗粒物散射的辐射的辐射检测器。辐射源可以是用于产生可见光、IR光或UV光的光源。特别地,光源可以包括激光器或LED以及可选地用于将来自激光器/LED的光聚焦到主通道的测量区域中的一个或更多个透镜。辐射检测器可以是布置成记录散射光的光电检测器。这样的颗粒物传感器通常用作颗粒计数器,即,它记录各个散射事件以及可选地记录每个散射事件的幅度。从而可以对每单位时间检测到的颗粒的数量进行计数,即,至少一个测量变量包括每单位时间的颗粒的数量,并且可选地,可以确定它们的大小分布或可以限定大小临界值。每单位时间的数量在很大程度上取决于通过主通道的流率。然而,通常,并不主要关注每单位时间的数量,而是关注流体的每单位体积的数量或质量浓度,即,要由传感器装置确定的流体的至少一个性质包括每单位体积的颗粒物的浓度。为了能够根据每单位时间的数量确定每单位体积的浓度,需要针对流体的体积流率的测量。通过确定测量区域之间的压差,本发明能够独立地确定针对体积流率的测量。特别地,控制装置可以被配置成基于使用校准数据的压差信号来得到体积流率信号,并且例如通过简单的除法来根据环境传感器信号和体积流率信号来计算输出信号。
在其他应用中,测量变量可能已经是浓度的直接测量。例如,在许多用于检测空气中的一种或更多种气体分析物的气体传感器中,或者在许多湿度传感器中,就是这种情况。然而,即使在这种情况下,测量变量通常在某种程度上不仅取决于进入主通道的流体的组成,而且还取决于通过主通道的流率。这例如可以归因于空气流的冷却或脱水效应,其可能影响传感器信号。因此,即使对于直接确定浓度测量的传感器,为了能够针对气流效应来校正传感器信号,也期望具有针对通过主通道的流率的测量。本发明使得能够进行这样的校正,因此要由气体传感器确定的流体的至少一个性质可以包括经流量校正的浓度值和/或经流量校正的湿度值。
在一些现有技术的实现方式中,根据一些其他已知参数估计流率。例如,可以由风扇产生通过主通道的强制流动,并且可以将提供给风扇的功率用作针对所产生的流率的测量。然而,实际流率可能会受到除了提供给风扇的功率水平以外的多个其他参数如环境压力和温度的影响,并且可能会受到如风扇老化和流动通道中的污染的影响。如果通过风扇以外的其他手段产生通过主通道的流动,则甚至可能根本不知道流率。例如,可以通过HVAC系统中的鼓风机或通过车辆中的逆风的影响而产生可变的流率,并且可能不能获得对流率的估计。本发明通过使得能够独立确定针对通过主通道的流率的测量来对这样的实现方式进行改进。
本发明还能够检测主通道的拥塞。这可以通过将在不同流率下的测量压差与其他的与主通道中的流率相关联的量相关联来实现。例如,如果传感器装置包括风扇,则压差可以与风扇速度或风扇功率相关联。在主通道出现拥塞时,压差与风扇速度或风扇功率的相关性将发生变化。这样的变化可以容易地被检测到。
通常,压力端口之间的压差不仅取决于通过主通道的体积流率,而且还取决于进入流动通道的流体的温度和绝对压力。在流体是气体或气溶胶诸如空气时尤其如此,因为流体密度然后将取决于通过一般气体方程式的温度和压力。在简单的实施方式中,为了根据压差获得体积流率,可以例如使用传感器装置的已知平均操作温度以及使用海平面的平均空气压力来简单地假设某个固定的温度和压力。在更复杂的实施方式中,传感器装置还包括温度传感器,并且控制装置被配置成从温度传感器接收温度信号。因此,到控制装置的输入信号包括温度信号,并且控制装置可以被配置成在得到输出信号时考虑温度信号。从而与仅考虑压差信号相比,可以获得对流体性质的更佳的估计。特别地,控制装置可以被配置成基于压差信号和温度信号来确定经温度校正的体积流率信号,并且基于测量的量和经温度校正的体积流率信号来确定输出信号。如果要由传感器装置确定的性质是浓度,则温度校正可替选地可以如下来执行:控制装置可以被配置成在假设某个固定温度的情况下根据环境传感器信号和压差信号来确定未经校正的浓度信号。控制装置可以被配置成随后使用温度信号来校正这些未经校正的浓度信号。输出信号可以包括未经校正的和/或经校正的浓度信号。
温度传感器可以是独立的单元,其可以安装在与压差传感器的公共的电路板上,温度传感器也可以与压差传感器一起集成在公共壳体中,甚至温度传感器可以集成在与压差传感器相同的半导体芯片上。
如果环境传感器装置包括辐射源,则控制装置可以被配置成考虑输入信号,特别是压差信号以及可选地来自温度传感器的温度信号,来控制辐射源被操作的辐射功率水平。以这种方式,辐射功率可以适应于通过主通道的不同流率。
传感器装置还可以包括风扇。风扇可以有利地布置在第二压力接头的下游。控制装置可以被配置成在考虑输入信号,特别是压差信号以及可选地来自温度传感器的温度信号,来控制风扇被操作的风扇功率水平。以这种方式,可以调节主通道中的流率。
为了增加由通过主通道的流动引起的第一压力接头与第二压力接头之间的压差,传感器装置可以包括在主通道中的在第一压力接头与第二压力接头之间的限流器或收缩器。如果使用限流器,则可以通过选择相应的限流器容易地使传感器装置适应于各种流率范围,而不必改变传感器装置的整体配置。如果存在收缩器,则该收缩器可以存在于测量区域中或该区域附近,特别地存在于靠近该区域的上游。特别地,如WO 2018/100209 A2中所提出的,收缩器可以被配置成修改(特别是,加速)测量区域中的流动以最小化颗粒物在环境传感器布置的部件上的沉积。
流动通道可以在第一传感器接头与第二传感器接头之间弯曲。弯曲还将导致第一压力接头与第二压力接头之间的压差增大,因为流的偏转将产生相应的背压。特别地,主通道可以为大致U形或L形。
在大致U形的流动通道的情况下,流动通道可以具有沿U的第一分支的入口部分、连接U的两个分支的中间部分以及沿第二个分支的出口部分。因此,出口部分中的流动方向将基本上反向平行于入口部分中的流动方向,并且中间部分将入口部分的下游端与出口部分的上游端连接。然后,测量区域有利地位于中间部分(即,在连接U的两个分支的部分),第一压力接头位于入口部分(即,U的第一分支中),并且第二压力接头位于出口部分(即,U的第二分支中)。压差传感器优选地布置在入口部分与出口部分之间(即,在U的两个分支之间的U的内部)。如果环境传感器实现了颗粒物传感器,则它可以包括如上已经讨论的辐射源。一些辐射源需要相当大的空间。为了容易地将辐射源和压差传感器二者都容纳在传感器装置中,优选地相对于测量区域将辐射源布置成与压差传感器相对。换句话说,辐射源优选地布置在与中间部分相邻的U的外部。
如已经讨论的,压差传感器本身可以具有第一传感器端口和第二传感器端口,该压差传感器被配置成确定第一传感器端口与第二传感器端口之间的压差。然后,第一传感器端口与第一压力接头流体连通,第二传感器端口与第二压力接头流体连通。为此,传感器装置可以包括传感器入口通道,该传感器入口通道在第一压力接头处从主通道分支出去,该传感器入口通道从第一压力接头延伸至压差传感器的第一传感器端口。同样地,传感器装置可以包括传感器出口通道,该传感器出口通道在第二压力接头处连通到主通道中,传感器出口通道从压差传感器的第二传感器端口延伸至第二压力接头。传感器入口通道和传感器出口通道可以具有相同或不同的长度。例如,传感器入口通道可以比传感器出口通道长,或者传感器出口通道可以比传感器入口通道长。
为了最小化流过主通道的流体可能携带的颗粒物对压差传感器的污染,有利地以这样的方式配置传感器入口通道:使得颗粒物如果要进入传感器入口通道,则必须改变其主运动方向(即,其动量方向)。为此,传感器入口通道在与第一压力接头相邻的区域中有利地相对于在第一压力接头处的主通道中的流动方向以至少120°,优选地以至少135°的角度延伸。
在使得能够简单地组装和拆卸传感器装置的有利实施方式中,压差传感器和环境传感器的至少一个部件(特别地,在颗粒物传感器的情况下,辐射探测器和/或辐射源)安装在公共电路板上。该控制装置可以被实现为微控制器。可选地,控制装置也安装在公共电路板上。
为了能够快速地组装以及容易地维修包括颗粒物传感器的传感器装置,该传感器装置可以如下来构造:传感器装置包括上壳体元件和布置在上壳体元件下方并以流体密封的方式连接至上壳体元件的下壳体元件。上壳体元件和下壳体元件被配置成一起界定(“封闭”)主通道。电路板布置在下壳体元件的底侧,该底侧背离上壳体元件。压差传感器和辐射检测器安装在电路板上。下壳体元件具有第一压力传感器开口和第二压力传感器开口,压差传感器的第一传感器端口和第二传感器端口被插入第一压力传感器开口和第二压力传感器开口中,以分别与第一压力接头和第二压力接头流体连通。为此,第一传感器端口和第二传感器端口优选为奶嘴形状,并且指向上方,即指向下壳体元件。下壳体元件还具有辐射检测器开口,该辐射检测器被容纳在辐射检测器开口内或辐射检测器开口下方。辐射源优选地被保持在上壳体元件与下壳体元件之间,下壳体元件优选地具有用于优选地经由插入式连接将辐射源电连接至电路板的辐射源开口。以这种方式,可以非常容易地组装和拆卸传感器装置。
本发明还提供一种操作本公开内容的传感器装置的方法。该方法包括:
从环境传感器布置接收环境传感器信号;
从压差传感器接收压差信号;
可选地从传感器装置的温度传感器接收温度信号;以及
基于环境传感器信号、压差信号以及可选地温度信号来得到针对流体的至少一个性质的测量的输出信号。
输出信号可以包括以下中至少之一:
作为针对流体中的颗粒物的浓度的测量的输出信号;
作为针对流体中的颗粒物的大小分布的经流量校正的测量的输出信号;
作为针对空气中的一种或更多种气体分析物的浓度,特别是挥发性有机化合物(VOCs)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)的浓度的经流量校正的测量的输出信号;以及
作为针对流体的湿度的经流量校正的测量的输出信号。
输出信号可以使用校准数据来得到,其可以以一个或更多个查找表的形式存储在控制装置的存储器中。
该方法可以还包括使用压差信号和可选地温度信号来确定控制信号,所述控制信号包括:
辐射功率控制信号,其用于控制操作传感器装置中的辐射源的辐射功率水平;以及/或者
风扇功率控制信号,其用于控制操作风扇的风扇功率水平。
该方法可以还包括得到并且输出指示主通道中的体积流率的体积流率信号。
本发明还提供了一种包括计算机程序指令的计算机程序产品,所述计算机程序指令在控制装置的处理器中被执行时,使该控制装置执行上述方法。该计算机程序可以被存储在存储介质中,特别地存储在非易失性数据载体上,或者其可以被提供用于经由网络下载。
附图说明
下面参照附图描述本发明的优选实施方式,这些附图是出于说明本发明的当前优选实施方式的目的,而不是出于限制本发明的目的。在附图中,
图1示出了根据第一实施方式的传感器装置的高度示意图;
图2示出了图1中的传感器装置的一部分的放大细节图,以说明在第一压力接头处的配置;
图3示出了说明图1中的传感器装置的各种部件的布置和相互作用的功能图;
图4示出了根据第二实施方式的传感器装置的高度示意图;
图5示出了根据第三实施方式的传感器装置的高度示意图;
图6示出了说明图5中的传感器装置的各种部件的布置和相互作用的功能图;
图7示出了根据第四实施方式的传感器装置的分解图;
图8示出了图7中的传感器装置的下壳体元件的俯视图;
图9示出了示例性控制装置的高度示意框图;以及
图10示出了说明操作传感器装置的可能方法的流程图。
具体实施方式
图1以高度示意性的方式示出了根据本发明的实施方式的传感器装置。传感器装置限定用于流体流动的入口11和出口12。大致U形的主通道13从入口11延伸至出口12。气溶胶样本沿流动方向F穿过流动通道。
大致U形的主通道13具有三个部分:入口部分13a、中间部分13b和出口部分13c。入口部分13a沿着U的第一分支延伸,从入口11通向中间部分13b。出口部分13c沿着U的第二分支延伸,从中间部分13b通向出口12。出口部分13c中的流动方向与入口部分13a中的流动方向相反。中间部分13b在其相应的端部处连接入口部分13a和出口部分13b。中间部分13b中的流动方向分别大致横向于入口部分13a和出口部分13c中的流动方向。
用于确定气溶胶样本的颗粒物(PM)浓度的环境传感器布置20被布置成与主通道13的中间部分13b相邻。环境传感器布置20包括以激光器21形式的辐射源和以光电检测器22形式的辐射检测器。激光器21产生激光束,该激光束进入主通道13的中间部分13b中的测量区域14。激光器21被布置成与中间部分13b相邻,远离入口部分13a和出口部分13c,即在U的外部。光电检测器22被布置成测量区域14相邻,其敏感区域具有相对于激光束以90°的角度延伸的表面法线,使得激光束不会直接入射到光电检测器22上。光电检测器22记录从测量区域中的气溶胶样本中存在的颗粒物散射的光。从每个颗粒散射的光的强度与颗粒的大小相关联。通过对单个颗粒的散射事件进行计数,可以确定每单位时间由光电检测器记录的气溶胶中的颗粒数量。通过分析来自光电检测器的信号的强度分布,可以估算出颗粒的大小分布。
图1中的传感器装置还包括压差传感器40,其测量测量区域14的上游的第一压力接头31与测量区域14的下游的第二压力接头32之间的压差。每个压力接头(压力端口)由界定了主通道13的壁上的小开口形成。第一压力接头31位于主通道的入口部分13a中,而第二压力接头32位于出口部分13c中。压差传感器40设置在入口部分和出口部分13a、13c之间,即U的两个分支之间,相对于中间部分13b与激光器21相对。压差传感器40具有两个传感器端口,这两个传感器端口分别经由传感器入口通道33和传感器出口通道34连接至压力接头。
由于主通道13中的流阻,通过主通道13的流动引起第一压力接头31与第二压力接头32之间的压差。为了增加针对给定流率的压差,在测量区域14下游的主通道13中放置限流器15。通过使用压差传感器40测量压差,可以确定通过主通道13的流率。可以以使得通过主通道的流率的预期动态范围与压差传感器的动态范围匹配的方式来选择限流器15的流阻。
如图2所示,传感器入口通道33以特定的方式被配置成使到达压差传感器40的颗粒物的量最小化。特别地,传感器入口通道33以如下方式配置:使得如果流体流中的颗粒进入传感器入口通道33,则它们必须改变其运动方向(或等效地,其动量方向)。为此,传感器入口通道33相对于在第一压力接头31处的流动方向F以大于90°的角度从主通道13分支出去。在图2中,传感器入口通道33分支出去的角度为180°-γ,其中,接头角度γ小于90°,优选地不大于60°并且特别地不大于45°。与主通道31的横截面相比,压力接头31相对较小:传感器入口通道33的横截面面积优选地比主通道的横截面面积小至少五倍。从而避免过量的流体进入传感器入口通道。在压力接头31紧下游的内通道壁表面可以相对于在压力接头31紧上游的壁表面横向稍微向外偏移,以减少第一压力接头31周围和内部的颗粒污染。然而,横向偏移“a”不应当太大,优选小于压力接头31的大小“b”以限制伯努利效应对第一压力接头31处的压力的影响。
图3示出了说明图1中的传感器装置的各种部件的布置和相互作用的高度示意性功能图。主流动通道13从入口11延伸至出口12。环境传感器布置20被布置成与限流器15上游的流动通道13相邻。第一压力接头31布置在环境传感器布置20的上游,而第二压力接头32布置在限流器15的下游。传感器入口通道33从第一压力接头31延伸至压差传感器40的第一传感器端口41,而传感器出口通道34从压差传感器40的第二传感器端口42延伸至第二压力接头32。
如图4所示,代替设置限流器15,主通道13可以设置有收缩器16。收缩器16可以布置在主通道13的测量区域14中,以加速在测量区域14中的流体流动以最小化由气溶胶样本中的颗粒物对激光器21和光电检测器22的污染。
如图5所示,传感器装置还可以包括风扇50。风扇50有利地布置在第二压力接头32的下游(或第一压力接头31的上游)。以这种方式,通常不仅取决于流率,还取决于其他参数诸如风扇速度的风扇两端的压差不反映在压差传感器40的读数中。
图6示出了图5中的传感器装置的各种部件的布置和相互作用的相应功能图。从图6明显看出,风扇被布置在第二压力接头32与出口12之间。
图7和图8示出了根据本发明的传感器装置的可能的具体设计。U形主通道13形成在上壳体元件60与下壳体元件70之间,上壳体元件60与下壳体元件70一起封闭主通道13。每个壳体元件由模制塑料制成。入口11和出口12由保持在壳体元件60、70之间的两个短管状结构形成。在主通道13的入口部分13a(见图8)中的沿U的第一分支的长度的大约一半处形成第一压力接头31。在主通道13的出口部分13c中的在U的第二分支的出口12的靠近上游处形成第二压力接头32。每个压力接头采用在限定主通道13的周壁上的小开口的形式。每个压力接头部分地由上壳体元件60界定并且部分地由下壳体元件70界定。
传感器入口通道33从第一压力接头31延伸至下壳体元件70中的第一压力传感器开口71。传感器出口通道34从在下壳体元件70中的第二压力传感器开口72延伸至第二压力接头32。压力传感器开口71、72布置在U的两个分支之间的U的中心。它们的大小被确定成容纳压差传感器40的第一传感器端口41和第二传感器端口42。每个传感器端口41、42具有从压差传感器40的主体向上延伸的奶嘴形状。
压差传感器40优选地是基于流量的压差传感器。这种类型的压差传感器在两个传感器端口41、42之间限定了狭窄的流动通道。热流量传感器被布置成与流动通道相邻。热流量传感器包括加热器和沿着流动通道在加热器两侧的两个温度传感器。传感器端口41、42之间的压差引起通过流动通道的小的流动,流速取决于压差。当加热器操作时,该流动将导致温度传感器测量的温度不同。根据温度差,可以确定流速并因此确定压差。特别地,压差传感器40可以以与US 10,151,612中公开的流量传感器相同的方式配置。传感器入口通道33和传感器出口通道34的大小被确定成使得对于通过压差传感器40的流动存在可忽略不计的流阻,即,传感器入口通道33和传感器出口通道34的横截面面积明显大于压差传感器40内的流动通道的横截面面积。
印刷电路板(PCB)80布置在下壳体元件70的底部。PCB的大小被确定成使得PCB被容纳在下壳体元件70底部的向下开口的腔中,该腔由下壳体元件70的向下延伸的侧壁来界定。压差传感器80安装在PCB 80上。光电检测器22、微控制器100形式的控制装置以及各种其他电子部件例如用于稳定电压以及用于与外界通信的电子部件也安装在PCB 80上。光电检测器22具有向上指向的敏感表面。该敏感表面布置在下壳体元件70中的辐射检测器开口73的下方。
下壳体元件70具有用于将激光器和一个或更多个透镜保持在上壳体元件与下壳体元件之间的保持结构76。辐射源开口74提供了从下方接入激光器的途径,使得能够在激光器与PCB 80之间进行插入式电连接。下壳体元件70还具有用于容纳用于吸收激光束以阻止杂散光的光束阻止器结构的光束阻止器开口75。
通过将激光器定位在下壳体元件70的保持结构76中可以容易地组装传感器装置。然后,通过将上壳体元件60安装在下壳体元件70上来封闭壳体。随后,将PCB 80推入下壳体元件70底部的腔中。从而,压差传感器40的传感器端口41、42被压入压力传感器开口71、72,光电检测器被放置在下壳体元件70的光电检测器开口73的下方,并且激光器通过插入式连接而电连接至PCB。组件现在准备好以被放置在保护壳体中。
图9以高度示意性的方式示出微控制器100的示例性功能图。微控制器100包括微处理器(μP)101,其经由总线102与各种其它部件通信。连接至总线102的还有只读存储器(ROM)装置103和随机存取存储器(RAM)装置108。输入/输出(I/O)接口109将微控制器100连接至各种输入装置和输出装置,特别地连接至光电检测器22、连接至压差传感器40、连接至集成到压差传感器40中的可选温度传感器43、连接至激光器21以及连接至风扇50。通信接口110向控制装置提供有线或无线通信能力以例如经由I2C或UART接口与其他装置通信。
经由I/O接口109,微控制器100从光电检测器22获得光信号,从压差传感器40获得压差信号dP,并且可选地从温度传感器43获得温度信号T。它基于这些信号来得到输出信号。输出信号包括作为针对流量中的颗粒物的数量浓度的测量的信号。为此,微控制器100对每单位时间的光信号进行计数。ROM装置103尤其存储第一查找表(LUT1)104,其包含在假设固定的流体密度(即固定的流体压力和温度)的情况下将流过主通道的流体的体积流率值与相应压差值dP相关联的校准数据。通过将每单位时间的光信号计数(即,每单位时间的颗粒数量)除以体积流率,获得达到恒定校准因子(其可能已包括在LUT1中的校准数据中)的颗粒数量浓度。可选的第二查找表(LUT2)105包含将借助LUT1确定的针对体积流率(或等效地,针对数量浓度)的校正因子与温度信号T相关联的校准数据,以针对实际温度与曾用于LUT1的固定温度之间的偏差来校正体积流率和/或数量浓度。然后输出经校正的数量浓度以及可选地输出体积流率。可选的其他查找表(LUT3)106可以包含用于其他目的的校准数据,例如,将颗粒质量或大小与光信号的信号幅度相关联以用于将数量浓度转换为质量浓度或用于根据光信号幅度的分布来确定大小分布的校准数据等。ROM装置103还存储具有用于微处理器101的指令的程序数据(Prog)107。
微控制器100还基于光信号、压差信号dP和/或温度信号T来确定激光器21的激光功率水平和风扇50的风扇功率水平。例如,如果光信号指示每单位时间的过多数量的散射事件,或者如果流率信号指示过多的流量,则微控制器可能使风扇在降低的功率下操作。作为另一示例,如果光信号指示具有过大强度的散射事件,则微控制器可以使激光器以降低的功率操作。作为又一示例,如果温度信号指示传感器装置内的过高温度,则微控制器可以使风扇在较高的功率下操作以提供额外的冷却,并且它可以使激光器在降低的功率下操作。控制方案的许多变型是可以想到的。
示例性的操作方法在图10中示出。在步骤201中,微控制器201操作激光器21。在步骤202中,它检测并计数来自光电检测器22的所产生的光信号。在步骤203中,它确定压差信号dP。在步骤204中,微控制器如上所描述在假设固定温度的情况下使用查找表LUT1、基于来自辐射检测器22的光信号和压差信号dP来确定体积流率和颗粒物浓度,例如PM10、PM2.5和/或PM1值。在此,表述“PMxx”指示低于xx微米的一定大小,例如低于10μm、2.5μm或1.0μm的颗粒的浓度。可以通过仅考虑幅度低于特定阈值的光信号来产生大小临界值。在步骤205中,微控制器可选地确定实际温度信号T。在步骤206中,微控制器可选地如上所描述使用查找表LUT2针对实际温度信号T来校正PMxx值。在步骤207中,微控制器经由通信接口110输出经校正的PMxx值,可选地连同(可能是经温度校正的)体积流率一起输出。可选地,在步骤208中,微控制器确定适当的激光器功率水平,并使用该功率水平以进行激光器21的下一次操作。可选地,微控制器还确定适当的风扇功率水平,并在该功率水平下驱动风扇50以进行下一次测量。
在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改。例如,辐射源可以是LED而不是激光器。代替颗粒物传感器或除了颗粒物传感器之外,可以存在不同类型的环境传感器布置,例如用于确定空气中的气体分析物,特别是VOCs、Nox、CO或CO2的浓度的气体传感器。尽管基于流量的压差传感器由于其高的精度和大的动态范围而是优选的,但也可以使用其他类型的压差传感器。代替将温度传感器与压差传感器集成或除了将温度传感器与压差传感器集成之外,可以使用单独的温度传感器,并且温度传感器可以设置在传感器装置的不同区域,特别是与主通道相邻。主通道的配置可以不同于所示的U配置。许多其他修改是可能的。
附图标记列表
11 入口 76 保持结构
12 出口 80 电路板
13 主通道 100 微控制器
13a 入口部分 101 微处理器(μP)
13b 中间部分 102 总线
13c 出口部分 103 ROM
14 测量区域 104 查找表(LUT1)
15 限流器 105 查找表(LUT2)
16 收缩器 106 查找表(LUT3)
20 传感器布置 107 程序存储器(Prog)
21 辐射源 108 RAM
22 辐射检测器 109 I/O接口
31 压力接头 110 通信接口
32 压力接头 201 dP的测量
33 传感器入口通道 202 激光器的操作
34 传感器出口通道 203 光信号的检测
40 压差传感器 204 T的测量
41 第一传感器端口 205 T的补偿
42 第二传感器端口 206 流率的确定
43 温度传感器 207 PMxx的确定
50 风扇 208 PMxx的输出
60 上壳体元件 dP 压差
70 下壳体元件 T 温度
71 压力传感器开口 a 横向偏移
72 压力传感器开口 b 接头大小
73 辐射检测器开口 γ 接头角度
74 辐射源开口 F 流动方向
75 光束阻止器开口
Claims (15)
1.一种传感器装置,用于确定流体,优选地是气体或气溶胶,特别是环境空气的至少一个性质,所述传感器装置包括:
入口(11)、出口(12)以及在所述入口(11)与所述出口(12)之间延伸的主通道(13),以使得所述流体能够沿着流动方向(F)从所述入口(11)通过所述主通道(13)向所述出口(12)流动;以及
环境传感器(20),其被配置成确定来自所述主通道(13)的测量区域(14)中的流体的至少一个测量变量,
其特征在于,
所述主通道(13)具有在所述测量区域(14)的上游的第一压力接头(31)和在所述测量区域(14)的下游的第二压力接头(32),
所述传感器装置包括压差传感器(40),优选地是流量型压差传感器,所述压差传感器(40)被配置成确定所述第一压力接头(31)与所述第二压力接头(32)之间的压差,以及
所述传感器装置包括控制装置(100),所述控制装置(100)被配置成接收输入信号并且基于所述输入信号得到输出信号,所述输入信号包括来自所述环境传感器(20)的环境传感器信号和来自所述压差传感器(40)的压差信号(dP),并且所述输出信号是针对所述流体的所述至少一个性质的测量。
2.根据权利要求1所述的传感器装置,其中,所述流体的所述至少一个性质包括每单位体积的所述流体的组分的浓度。
3.根据权利要求2所述的传感器装置,
其中,所述环境传感器包括颗粒物传感器,特别地,颗粒物传感器包括被配置成在所述主通道中产生辐射的辐射源(21)以及被配置成检测从所述流体中的颗粒物散射的辐射的辐射检测器(22),以及
其中,所述流体的所述至少一个性质包括每单位体积的所述颗粒物的浓度。
4.根据权利要求2或3所述的传感器装置,其中,所述环境传感器(20)包括:
气体传感器,其用于确定空气中的一种或更多种气体分析物的浓度,特别是挥发性有机化合物(VOCs)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)的浓度;以及/或者
湿度传感器,其用于确定所述流体的湿度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,其中,所述传感器装置还包括温度传感器(43),其中,所述控制装置(100)被配置成从所述温度传感器(43)接收温度信号(T),并且其中,所述输入信号包括所述温度信号(T)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,包括辐射源(21),所述辐射源(21)被配置成在所述主通道中产生辐射,其中,所述控制装置(100)被配置成基于所述输入信号来控制所述辐射源(21)被操作的辐射功率水平。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,包括风扇(50),
其中,所述风扇布置在所述第二压力接头(32)的下游,以及/或者
其中,所述控制装置(100)被配置成基于所述输入信号来控制所述风扇(50)被操作的风扇功率水平。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,包括在所述主通道(13)中的在所述第一压力接头(31)与所述第二压力接头(32)之间的限流器(15)和/或收缩器(16),所述收缩器(16)可选地形成在所述测量区域(14)中或形成在靠近所述测量区域(14)的上游。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,其中,所述主通道(13)在所述第一传感器接头与所述第二传感器接头之间弯曲,特别地,其中,所述主通道(13)为大致U形或L形。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,包括传感器入口通道(33),所述传感器入口通道(33)在所述第一压力接头(31)处从所述主通道(13)分支出去,所述传感器入口通道(33)从所述第一压力接头(31)延伸至所述压差传感器(40)的第一传感器端口(41),其中,所述传感器入口通道(33)在与所述第一压力接头(31)相邻的区域中相对于在所述第一压力接头(31)处的所述主通道(13)中的所述流动方向(F)以至少120°,优选地以至少135°的角度延伸。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,其中,所述压差传感器(40)、所述环境传感器(20)的至少一个部件以及可选地所述控制装置(100)被布置在公共电路板(80)上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置,其中,所述环境传感器(20)包括被配置成在所述主通道中产生辐射的辐射源(21)和被配置成检测从所述流体中的颗粒物散射的辐射的辐射检测器(22),并且其中,所述传感器装置包括:
上壳体元件(60);
下壳体元件(70),其以流体密封的方式连接至所述上壳体元件(60);以及
电路板(80),其连接至所述下壳体元件(70)的背离所述上壳体元件的一侧,
其中,所述上壳体元件(60)和所述下壳体元件(70)被成形为一起界定所述主通道(13),
其中,所述压差传感器(40)和所述辐射检测器(22)被安装在所述电路板(80)上,
其中,所述下壳体元件(70)具有第一压力传感器开口(71)和第二压力传感器开口(72),所述压差传感器(40)的第一传感器端口(41)和第二传感器端口(42)被插入所述第一压力传感器开口(71)和所述第二压力传感器开口(72)中,以分别与所述第一压力接头(31)和所述第二压力接头(32)流体连通,所述第一传感器端口(41)和所述第二传感器端口(42)指向所述下壳体元件(70),
其中,所述下壳体元件(70)具有辐射检测器开口(73),所述辐射检测器(22)布置在所述辐射检测器开口(73)中或所述辐射检测器开口(73)下方,以及
其中,优选地所述辐射源(21)被保持在所述上壳体元件(60)与所述下壳体元件(70)之间,所述下壳体元件(70)优选地具有用于将所述辐射源(21)电连接至所述电路板(80)的辐射源开口(74)。
13.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置的方法,所述方法包括:
从所述环境传感器(20)接收环境传感器信号;
从所述压差传感器(40)接收压差信号(dP);
可选地从所述传感器装置的温度传感器(43)接收温度信号(T);以及
基于所述环境传感器信号、所述压差信号(dP)和可选地所述温度信号(T)来得到作为针对所述流体的所述至少一个性质的测量的输出信号,
其中,优选地,所述输出信号包括以下中至少之一:
作为针对所述流体中的颗粒物的浓度的测量的输出信号;
作为针对所述流体中的颗粒物的大小分布的经流量校正的测量的输出信号;
作为针对空气中的一种或更多种气体分析物的浓度,特别是挥发性有机化合物(VOCs)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和/或二氧化碳(CO2)的浓度的经流量校正的测量的输出信号;以及
作为针对所述流体的湿度的经流量校正的测量的输出信号。
14.根据权利要求13所述的方法,还包括使用所述压差信号(dP)和可选地所述温度信号(T)来确定控制信号,所述控制信号包括:
辐射功率控制信号,其用于控制所述传感器装置中的辐射源(21)被操作的辐射功率水平;以及/或者
风扇功率控制信号,其用于控制风扇(50)被操作的风扇功率水平。
15.一种包括计算机程序指令的计算机程序产品,所述计算机程序指令在根据权利要求1至12中任一项所述的传感器装置的控制装置(100)的处理器中被执行时,使所述控制装置(100)执行根据权利要求13或14所述的方法。
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