CN114270164A - 用于颗粒浓度传感器的采样器设备 - Google Patents

Abstract

一种用于从流中为颗粒浓度传感器采样气体的采样器设备(10)，该采样器设备包括第一腔室(3，30)，该第一腔室包括：第一入口(4，40)和第一出口(6，60)并且限定了气体串流在该第一入口与该第一出口之间的主流动方向(100)，被配置为分别提供样品气体串流的汇和源的第二入口(1，31)和第二出口(2，32)。第二入口(1，31)和第二出口(2，32)分别设置在第一腔室(3，30)中的第一位置和第二位置处。该第一位置和该第二位置沿着主流动方向(100)重叠。第一腔室(3，30)被配置为提供该气体串流在该第一位置和该第二位置处的层流。

Description

用于颗粒浓度传感器的采样器设备

技术领域

本发明涉及一种用于向颗粒浓度传感器提供样品气体、特别是空气的流的采样器设备。本发明还涉及一种用于感测气体中的、特别是空气中的颗粒浓度的设备。

背景技术

比如细颗粒和超细颗粒(例如PM 10或2.5)等颗粒物构成了一种可能对人体造成不利的健康影响的空气污染的形式。颗粒传感器可以用于测量颗粒物的浓度并提供有关空气质量的信息。另外地或替代地，它们也可以用作对可以改善空气质量的控制措施的输入。例如，颗粒传感器可以用于汽车的加热、通风和空调(HVAC)系统，以测量通过这种系统的空气流中的有害颗粒的浓度。基于该信息，该系统可以被配置为例如通过控制进入空气所来自的来源或者通过从入口处提供的空气串流中去除颗粒物来使乘员减少暴露于空气质量低的空气中。

WO 2017220618 A1描述了这种可以与HVAC系统结合使用的颗粒传感器。所披露的颗粒传感器包括一组两个风扇，其被布置成调节传感器中的流量，使得测量结果在很大程度上不依赖于非平稳环境条件。因此，这种传感器系统非常适合于在采样空气并不平稳的环境中(如在移动的车辆中或在车辆的HVAC系统中)准确地感测质量浓度。

然而，这种传感器的缺点是它不可能控制绝对流动速度。因此，它不可能完全补偿比如压力差等非平稳环境条件，这样会导致测量准确性降低。此外，在HVAC系统中例如通过打开窗户、启动鼓风机风扇或以各种速度行驶而引起的快速变化的压力差很容易导致量级大约1000Pa的压力差，这给在这种传感器中使用的流动生成部件(例如风扇)的补偿能力带来了负担。为了能够进行补偿，必须测量流动或压力差，并且必须提供足够的风扇能力来补偿该压力差，例如，风扇的静压操作点比外界扰动高几个数量级。

发明内容

本发明的目标是提供一种采样器设备和一种包括这种采样器设备的颗粒传感器，该采样器设备可以用于在非平稳环境条件下、特别是对于要采样的气体的流动、特别是在要采样的气体的流量可能变化的情况下对任何气体(包括任何气体成分)、特别是空气(包括比如内燃机的废气等污染空气)进行采样。本发明的目的是提供这种在非平稳环境条件下具有改进的效率和准确性的设备。在说明书的其余部分提到的空气可以用任何气体代替，除非它具体地涉及空气(例如，空气的物理参数)。

因此，根据本发明，提供了一种如所附权利要求中阐述的采样器设备以及这种采样器设备的用途。根据另一个方面，提供了一种如所附权利要求中阐述的用于感测空气中的颗粒浓度的组件或设备。根据又一个方面，提供了一种如所附权利要求中阐述的通风系统。根据又一个方面，提供了一种如所附权利要求中阐述的车辆。

根据本发明的采样器设备包括第一腔室，使来自外部环境的空气流过该第一腔室。第二腔室可以流体连接到该第一腔室。该第二腔室可以形成采样腔室并且可以包括颗粒浓度传感器。本发明提供了一种解决方案，通过在空气流速可以在较短的长度和时间尺度上急剧变化的环境中适当地定位样品空气管道的入口和出口来提供样品空气串流，然而该入口与该出口之间的压力差保持较小和/或基本平稳，优选地接近于零。

为此，该第一腔室包括第一入口和第一出口并且限定了在该入口与该出口之间的主流动方向。该第一腔室有利地放置在空气流中，并且使空气串流通过该第一入口进入该第一腔室并且通过该第一出口离开该第一腔室。该第一腔室进一步包括第二入口和第二出口，被配置为分别为颗粒浓度传感器提供样品空气串流的汇和源。从该第一腔室、特别是从穿过该第一腔室的空气串流中对该样品空气串流进行采样，其中，该样品空气串流形成了通过该第二出口的流。该第二入口和该第二出口分别设置在该第一腔室中的第一位置和第二位置处，其(至少部分地并且优选地完全)沿着该主流动方向重叠。换言之，该第二入口和该第二出口被定位成使得垂直于该主流动方向的平面与该第二入口和该第二出口两者相交。有利地，该第二入口和该第二出口与第二腔室流体连通并且可以形成从第二出口到第二入口的闭合系统，以用于从该第一腔室中对样品空气采样。颗粒浓度传感器可以容纳在该第二腔室中。

根据本发明的采样器设备提供了一种解决方案，通过在空气流速可以在较短的长度和时间尺度上急剧变化的环境中适当地定位该第二腔室的第二入口和第二出口来提供稳定的样品空气串流。因此，第二入口和第二出口布置在沿着正在从第一腔室采样的空气的主流动方向重叠的位置处。结果是第二入口和第二出口经受基本相同的环境条件。优选地，第一腔室内的第一位置和第二位置被选择为使得第一腔室中的第一位置和第二位置处的压力基本相等，从而使跨越入口和出口的压力差最小化并减少对样品空气串流的流动的影响，这可以是通过比如空气置换装置等对流装置引起的。例如，该第一腔室被配置为包括平行于该主流动方向的对称平面，并且其中，该第二入口和该第二出口布置在该对称平面的相反两侧。这种第二入口和第二出口可以进一步包括分别与第一腔室相邻并与第一腔室处于流体连通的入口管道和出口管道。入口管道和出口管道可以被配置为关于对称平面镜像对称。另外地或替代地，入口和出口管道可以各自限定基本上垂直于主流动方向的纵向轴线。

该采样器设备可以包括与该第二入口和该第二出口流体联接的第二腔室、以及比如空气置换装置等对流装置，该对流装置被配置为产生从该第二出口通过该第二腔室到该第二入口的空气串流。根据本发明的采样器设备的一个令人惊喜的好处是，它能够使用低功率流动生成部件作为对流装置(比如风扇、加热装置或甚至离子马达)，以维持从第二出口到第二入口的样品空气串流。此外，它不依赖于对流动生成部件进行控制的主动系统，并且因此是稳健的且不需要像压力传感器和控制器等附加部件来对流动进行补偿或调节以例如保持其稳定。优选地，该采样器设备包括与该第二入口和该第二出口流体联接的第二腔室、以及空气置换装置，该空气置换装置被配置为产生从该第二出口通过该第二腔室到该第二入口的空气串流。

优选地，该采样器设备的第一腔室被配置为提供该空气串流在该第一位置和该第二位置处的层流。提供这种层流的好处是能够在该第二入口与该第二出口之间产生更稳定的空气压力差，优选地基本上为零。

层流空气流动是由针对给定通道尺寸和几何形状的流速来决定的，并且借助于气体粘度而仅在很小程度上取决于v空气压力/温度。针对车辆的HVAC系统中的某些应用，可以预期与该气体粘度相关的压力和温度范围分别在0.8与1.2巴之间和在-40与70摄氏度之间。为了设计采样器设备，可以选择通过使用在标准压力和温度条件(101.325kPa；0℃)下的气体粘度来评估流态。在以下情况下，“完全展开”流过管道的层流态的出现通常由雷诺数指示：

在以上等式中，使用了以下变量：流速v₁(m/s)、流量Q(m³/s)、特征长度L(m)、管道面积A(m²)以及运动粘度v(m²/s)。通过第一腔室的空气的(平均)流速是由通过该腔室的流量和该腔室的(横截面)面积(v₁＝Q/A)共同制约的。针对在第二入口和第二出口的位置处垂直于主流动方向的截面，有利地评估第一腔室的横截面面积。特征长度L表示流体流动中的典型尺寸。在圆形管的情况下，该管的直径被定义为特征长度。在第一腔室具有非圆形横截面形状的情况下，水力直径D_H有利地用作直径，即

其中横截面面积(如上定义的管道面积)为A，并且湿周为P。

优选地，该第一腔室的几何形状被配置为提供该空气串流在该第一位置和该第二位置处的层流。例如，第一腔室的特征长度和管道面积被配置为提供空气串流的以预定流量或预定流量范围(例如在约0.3与10lpm之间，例如在约0.5与8lpm之间，例如约3lpm)通过第一腔室的层流。优选地，第一腔室的特征长度和管道面积被配置为提供以平均流速(例如范围在约0.02与20m/s之间，例如在1与10m/s之间)通过第一腔室的层流。优选地，在该第一位置和该第二位置处，该空气串流的雷诺数为1500或更小，优选地其中，该雷诺数为1000或更小，优选地为750或更小。优选地，该第一区域的管道面积基本上在7与315mm²之间，例如在10与50mm²之间。

可以通过将采样器配置为使通过第一腔室的流量比通过第二入口或第二出口的流量更大来减少第一腔室中的流动畸变对第二入口与第二出口之间的压力差的影响。优选地，该空气串流的预定流量是该样品空气串流的流量的至少2倍，优选地至少5倍，优选地至少10倍。

该第二入口和/或该第二出口可以设置在该第一腔室的壁中。这可以具有如下优点：第二入口和/或第二出口不会干扰第一腔室中的空气串流，特别是分别在第一位置和第二位置处的空气串流。有利地，第二入口和/或第二出口设置在第一腔室的壁中并且被配置为维持层流。

有利地，采样器设备的第二入口和第二出口的尺寸和位置被布置成使得不会对从第一腔室抽出的载有颗粒的空气进行重新采样和/或使得大的异物不能进入第二出口和/或第二入口。

在有利的实施例中，第一腔室被配置为防止从第二入口流出到第一腔室的样品空气串流或其一部分进入第二出口，例如基本上防止从第二入口流出到第一腔室的样品空气串流中所包含的颗粒(例如，PM 2.5或PM 10)进入第二出口。例如，第二入口和第二出口被配置为其在第一腔室中的几何形状、尺寸和位置防止在预定流量或流速下进行这种重新采样。可以使用比如颗粒和流动有限元方法模拟等本领域技术人员已知的技术来确定合适的几何形状、尺寸和位置。另外地或替代地，可以在该第二入口与第二出口之间布置(物理)屏障(例如，挡板)。虽然如上定义的第二入口和出口的放置通常将会避免重新采样，但是将第二入口和第二出口彼此靠近地放置在一些设计中可能引入重新采样的可能性，其中从第二入口排出的(部分)载有颗粒的空气流可以通过第二出口重新进入。通过在第一腔室中设置(物理)屏障、比如在第二入口与第二出口之间设置挡板，可以有利地防止这种重新采样，在此外部空气流确保在远离第二出口的方向上去除离开第二入口的携带灰尘的空气流。优选地，这种挡板平行于第一腔室的对称平面延伸，甚至更优选地，这种挡板限定了与第一腔室的对称平面重合的对称平面。另外地或替代地，这种挡板可以在第一腔室的相对的壁之间延伸，从而在第一腔室中沿着主流动方向产生单独的导管，其中一个导管包括第二出口，而另一个导管包括第二入口。

有利地，例如当关闭采样器设备时，防止大的异物(例如，碎叶、虫子、大花粉)进入第二出口和/或第二入口。因此，优选地是，第二入口和/或第二出口分别限定了通过第二入口的入口流动方向和/或通过第二出口的出口流动方向，其中，入口流动方向具有对应于重力(G)的方向分量和/或出口流动方向具有与重力(G)相反的方向分量。这可以通过将该第二入口和/或第二出口布置在第一腔室的顶壁中来实现，顶壁被定义为重力在从顶壁朝向第一腔室的内部的方向上起作用的壁。这些大的异物可能潜在地阻止或限制空气在颗粒浓度传感器的某些部分中流动，从而限制传感器的可靠性和寿命。其中第二出口设置在第一腔室的顶壁中的实施例的附加优点是减少污染或损坏传感器的风险。

有利地，方便注意的是，所提出的发明允许样品空气的级联腔室。举例来说，一个或多个附加腔室可以呈级联布置被设置在第一腔室的上游。有利地，级联中的每个下游腔室可以连接到上游腔室，其方式与第二腔室连接到第一腔室的方式相同，例如，相应的第二入口和第二出口沿着上游腔室的主流动方向布置在重叠位置处等。颗粒浓度传感器设置在第二腔室中、有利地在级联的最后一个腔室中，或设置在任何随后的级联腔室中、有利地在级联的最下游腔室中。这种级联布置增强了流动稳定性的总体效果，例如通过减少外部压力波动对第一腔室与第二腔室之间的流量的影响。这甚至允许使用离子马达(仅具有几Pa的压头)来应对通常仅由泵处理的外部压力变化。

这种采样器设备可以包括在第一腔室上游的喷嘴，该喷嘴例如被配置作为用于HVAC系统的流动的导管的一部分。喷嘴包括第三腔室，该第三腔室包括第三入口和第三出口，并且限定了第一腔室中的串流上游的气体串流的第三入口与第三出口之间的第二主流动方向。喷嘴进一步包括例如通过将第四出口与第一入口连接的第一管道而与第一入口处于流体连通的第四出口、以及例如通过将第四入口与第一出口连接的第二管道而与第一入口处于流体连通的第四入口。该第四入口和该第四出口分别设置在该第三腔室中的第三位置和第四位置处，其中，该第三位置和该第四位置沿着该第二主流动方向重叠。这种喷嘴被配置为其流量比通过第一腔室的流量更大，例如，在约10与100lpm之间的流量。

本发明还涉及一种用于感测气体中的、优选地空气中的颗粒浓度的设备。这种用于感测颗粒浓度的设备包括根据本发明的采样器设备以及颗粒浓度传感器，该颗粒浓度传感器与第一入口和第一出口处于流体连通、特别是经由第二入口和第二出口而与第一入口和第一出口处于流体连通，使得颗粒浓度传感器感测样品气体串流中的颗粒浓度，优选地其中，感测的颗粒浓度表示第一入口与第一出口之间的气体串流中的颗粒浓度。

本发明进一步涉及一种用于感测气体中的颗粒浓度的组件。这种组件可以包括两个用于感测气体中的、优选地空气中的颗粒浓度的设备，其中，该两个设备中的每一个被配置为从不同环境中对气体进行采样，优选地，该两个设备中的一个用于对内部空气进行采样，而该两个设备中的另一个用于对外部空气进行采样。好处是这种组件可以同时提供关于两个环境中的每一个环境中的颗粒浓度的信息，该信息可以用于选择使房间或舱室或客舱(例如，容纳人员或驾驶员或乘客)通风的源。举例来说，可以选择包括最少量的可能对健康有害的颗粒的源来作为通风源。

本发明进一步涉及一种用于空气(例如，车辆的空气)的通风系统，该通风系统包括根据本发明的采样器设备、用于感测颗粒浓度的设备或组件。

本发明进一步涉及一种车辆，该车辆包括根据本发明的采样器设备、用于感测颗粒浓度的设备、组件或通风系统。

本文描述了根据本发明的采样器设备、用于感测颗粒浓度的设备或组件用于对气体(空气)进行采样的用途。采样器设备是在第一腔室中提供层流的条件下使用，例如通过第一腔室的气体的流量在约0.3与10lpm之间，例如在约0.5与8lpm之间，例如约为3lpm。优选地，采样器设备是在提供层流的条件下使用，例如通过第一腔室的平均流速的范围在约0.02至20m/s或在1与10m/s之间。优选地，采样器设备在如下条件下使用：其中，在第一位置和第二位置处，空气串流的雷诺数为1500或更小，优选地其中，雷诺数为1000或更小，优选地为750或更小。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：

图1表示被组装在颗粒浓度传感器中的根据本发明的空气采样器设备的示意图；

图2表示根据本发明的空气采样器设备的第一腔室的立体图；

图3A表示倒置的图2的上半部分；图3B表示图3A的放大部分；

图4表示形成为样品喷嘴的本发明的另一空气采样器设备的立体图；

图5表示图4的样品喷嘴的剖切俯视图，指示了在x-y平面中的在入口/出口与主流之间的可能角度；

图6表示前视图，其中指示了图4的样品喷嘴的在y-z平面中的在入口/出口与主流之间的可能角度；

图7表示包括根据本发明的用于感测颗粒浓度的设备的车辆。

具体实施方式

参考图1，用于感测空气中的颗粒浓度的设备10包括传感器腔室13、均与传感器腔室13流体连通的入口11和出口12。颗粒浓度传感器14容纳在传感器壳体13中，以便对在入口11与出口12之间经过的流中的颗粒浓度进行测量。包括颗粒的空气流9通过入口11进入设备10，穿过空气采样器20，并且通过出口12排出。可以使空气流以任何合适的方式生成或维持，比如通过鼓风机或风扇15，其可以布置在或可以不布置在入口11与出口12之间。空气流可以从外部引起，例如通过将空气采样器20放置在流中，例如通过HVAC系统的风扇引起。替代地，该设备可以放置在环境和自然力中，比如利用风来产生通过空气采样器20的空气流，或者可以使该设备移动穿过环境。

任何合适种类的传感器都可以用作本发明设备中的颗粒浓度传感器14。有利地，使用光学传感器，能够测量颗粒浓度，例如，通过瞄准空气流的光束(比如激光束)的衍射。替代地，可以使用静电颗粒传感器。

根据本发明的空气采样器20包括在入口11与出口12之间流体联接的第一腔室3。第一腔室通过入口1和出口2而与传感器腔室13流体连通。出口管道22将出口2与传感器腔室13连接起来，并且向传感器腔室提供样品空气。入口管道21将入口1与传感器腔室连接起来，并且被配置为去除已经通过传感器腔室13的样品空气。

参考图1和图2，第一腔室3的一端包括入口管道4，该入口管道可以流体联接到设备10的入口11。第一腔室3还包括出口管道6，该出口管道有利地布置在第一腔室的相反端。出口管道6可以流体联接到出口12。入口1和出口2被配置为提供从第一腔室3到传感器腔室13进行采样的样品空气流，其可以在传感器腔室被颗粒传感器14感测，并且返回到第一腔室3。

使载有颗粒的空气沿着主流动方向100从入口管道4通过第一腔室3流到出口管道6。入口1和出口2布置在第一腔室3中，在入口管道4与出口管道6之间的流动路径中。流过第一腔室3的空气的代表性部分进入出口2，该代表性部分在离开传感器腔室13之后重新连接到入口1。

根据本发明，入口1和出口2沿着主流动方向100布置在重叠位置，如图1示意性描绘的。

参考图3A，当在垂直于主流动方向100的平面中观察时，入口1和出口2的重叠位置有利地彼此紧邻地布置。在这些位置，有利地，静态和/或动态压力几乎相等，并且有利地在入口1与出口2之间不存在压力差。因此，通过传感器腔室13的流以及因此由颗粒浓度传感器14观察到的流不受入口11或出口12处的或第一腔室3中的压力变化的影响。有利地，样品空气从出口2通过传感器腔室13流到入口1是通过第二风扇16(见图1)维持的，该风扇可以沿着样品空气流动路径容纳在出口2与入口1之间的、特别是传感器腔室13中的任何地方。因此风扇16可以独立于风扇15操作。

有利地选择第一腔室3的几何形状，使得空气流动是平流/层流、和/或入口1和出口2处的空气流速是相等的。这样减小了入口1与出口2之间的压力差。此外，层流可以减少从入口1流出到第一腔室3的空气与从第一腔室3流入出口2的空气的混合。

在图3B中，指示了入口1和出口2处的可能的设计参数。入口1和出口2的孔口分别具有长度L₁和宽度W₁，并且被间隔开距离D₁。入口1和出口2布置在第一腔室3的壁301中，并且置于相对的壁302与302'之间。入口1和出口2中的每一个与对应的壁302、302'之间的距离由W₂表示。H表示腔室高度(在布置有入口1和出口2的壁301与相对的壁之间)。

第一腔室3有利地是对称的，如对称轴线s所示，但是这不是必需的。对称轴线s平行于主流动方向100，并且有利地在入口1与出口2之间的中间延伸。对称轴线s有利地限定了包括对称轴线s的对称平面S。第一腔室3有利地关于对称平面S对称，并且入口1和出口2有利地位于对称平面S的相反两侧并且关于S对称。有利地，入口1和出口2是共面的，并且对称平面S垂直于由入口1和出口2定义的平面，即垂直于入口1和出口2的孔口平面。方便注意的是，入口1和出口2的尺寸有利地是相等的，例如，出口2和入口1具有相等的L₁和/或相等的W₁。

空气流有利地在入口1与出口2处是层流，并且有利地在整个第一腔室3中是层流。

有利地，通过第一腔室3的流的特征在于Re≤1500，有利地Re≤1000，有利地Re≤750，有利地Re≤500，并且可以对腔室几何形状和通过第一腔室的流量进行选择以实现所指示的雷诺数。在确定雷诺数时，第一腔室3在入口1和出口2的位置处垂直于主流动方向100的宽度W可以被认为是特征流尺寸。运动粘度可以在标准压力和温度条件(101.325kPa；0℃)下进行评估。

有利地，考虑到W≈30(mm)、H≈10(mm)和Q≈3(lpm，即升/每分钟)，通过第一腔室3的平均流速为0.2(m/s)或更小。这意味着针对标准温度和压力(在STP条件下)的最坏情况的雷诺数(当考虑矩形横截面并且L＝D_H时)等于Re＝187，这完全在层流态的范围内。流量或流速可以通过鼓风机或风扇15的适当尺寸来选择。

方便注意的是，通过出口几何形状的适当设计和流动速度的选择，出口2可以被设计成用作虚拟冲击器。这可以减少颗粒传感器的污染，因为它可以防止不想要的颗粒进入测量腔室。

尽管有利地使空气层流进入第一腔室3，但侧壁302和302'分别放置在距出口2和入口1距离W2处，使得壁摩擦对层流的影响在入口与出口处是可忽略不计的。这是因为比如壁摩擦等端部效应可能由于材料粗糙度/缺陷而引起小规模湍流行为，即使是在空气流可以被分类为严格层流的情况下。

在一些情况下，可能存在各种类型的流动畸变，从而导致在入口1与出口2之间的压力不相等。当距离D₁保持得足够小而使得D₁<W2/2时，这种流动畸变对在入口1和出口2的位置中的压力的影响可能显著地减小。此外或替代地，当通过入口1和出口2的流量(Q₂)远小于通过第一腔室的流量(Q₁)时，例如Q₁≥5Q₂，有利地Q₁≥10Q₂，上述影响可以减少。

通常，为了准确地测量颗粒浓度，第一腔室被配置为防止从第二出口流出到第一腔室中的样品空气串流或其一部分进入第二入口是有利的。因此，一方面，距离D₁有利地尽可能小以使第二腔室的入口与出口之间的压力差最小化，而另一方面，距离D₁有利地足够大以防止空气从入口重新循环进入第一腔室并通过出口重新离开，这可能导致错误的测量。优选地，D₁≥W₁因为这为流出的颗粒提供了足够的时间以在有可能重新进入之前移开。

替代地或附加地，为了防止在距离D₁很小的情况下的重新循环，比如挡板等物理屏障放置在入口1与出口2之间(未示出)。挡板从布置有入口1和出口2的壁301突出到第一腔室3中。这种屏障不必延伸到第一腔室的与壁301相对的壁。挡板可以沿着对称平面S放置，并且关于S镜像对称。当通过第一腔室的空气流是层流时，在屏障两侧的空气流速将是相同的。因此，不会由于空气流速的不同而出现压力差。

有利地，出口2有利地被放置成使得通过出口2的流动方向竖直向上，即壁301有利地形成第一腔室3的顶壁，即重力在从顶壁301朝向第一腔室3的内部的方向上作用。因此，图3A和图3B的视图可以被认为是颠倒的。这确保了如碎叶、昆虫等异物由于其惯性而不太可能进入传感器腔室13，与第一腔室的(主)流量(典型地，主流量为1/10或更少)相比，相对较小的通过出口2的流量可以进一步增强该效果。

可以平行布置多个空气采样器20，每个空气采样器与对应的传感器腔室13连通。通过这种布置，可以同时测量多个空气串流中的颗粒浓度。

参考图4-6，根据本发明的样品喷嘴30用作空气采样器。样品喷嘴30放置在空气串流9中，比如车辆通风系统的入口管道。样品喷嘴30可以是圆柱形的，尽管其他形状也是可能的。样品喷嘴30包括布置在样品喷嘴30上游端部处的入口侧40以及布置在样品喷嘴下游端部处的出口侧60，该出口侧有利地与入口侧40相反。通过样品喷嘴30的流沿着从入口侧40到出口侧60的主流动方向100行进，有利地沿着或平行于空气串流9的方向200对齐。主流动方向100有利地平行于样品喷嘴30的轴线，例如圆柱轴线。

两个样品管道21、22的第一端在入口侧40与出口侧60之间连接到样品喷嘴30。样品管道21和22的第二端与流体连接到传感器腔室(例如，图1中的传感器腔室13)的第一端相反。样品管道21、22的第一端布置在样品喷嘴30的壁中并且分别形成入口31与出口32。入口31和出口32有利地布置在样品喷嘴的相反的壁部处，在沿着通过样品喷嘴30的主流动方向100的同一或重叠位置处。

挡板35布置在样品喷嘴30中，将其分成第一半部33和第二半部34。入口31布置在样品喷嘴30的第一半部33的壁部中，而出口32布置在样品喷嘴30的第二半部34的壁部中。因此，挡板35形成将入口31与出口32分开的物理屏障。当沿着主流动方向100考虑时，挡板35有利地从在入口31和出口32的位置上游的位置(例如，从入口侧40)延伸到在入口31和出口32的位置下游的位置(例如，到出口侧60)。挡板35有利地具有中间平面，该中间平面有利地平行于挡板的主面或壁延伸，其形成挡板35的对称平面S。此对称平面S有利地是整个样品喷嘴30的对称平面，并且入口31和出口32有利地关于对称平面S对称布置。

由于挡板35，进入样品喷嘴30的流被分成两部分，例如在入口侧40处。第一部分流过其中布置有入口31的第一半部33。第二部分流过其中布置有出口32的第二半部34。该流的第二部分的一部分进入出口32，通过样品管道22流到传感器腔室。第一部分接收通过样品管道21离开传感器腔室的流。有利地，该流动路径形成了从出口32通过传感器腔室到入口31的闭合回路。通过这种配置，确保了入口31与出口32之间几乎没有压力差(特别是当传感器腔室13中的风扇16不运行时)。

从样品喷嘴30流过第一出口32的样品空气限定了出口方向102，并且流过入口31返回到样品喷嘴30的样品空气限定了入口方向101。有利地，入口31和出口32关于样品喷嘴30的对称平面S对称地布置。另外，方向101和102可以有利地关于对称平面S对称地布置。

类似的考虑适用于样品喷嘴30中的空气流，如以上关于图2至图3B所描述的。举例来说，样品喷嘴中的流态有利地是层流。

参考图4和图5，样品空气流过出口32的出口方向102和样品空气流过入口31返回到样品喷嘴的入口方向101有利地横向于并且有利地基本上垂直于通过样品喷嘴30的主流动方向100。关于主流动方向100的入口方向101的角度A1和出口方向102的角度A2有利地是在60°与120°之间，有利地在75°与105°之间，并且有利地基本上为90°。优选地，角度A1和A2基本相同。与其的显著偏差可能导致在入口31与出口32之间的压力差。以上使用了惯例，其中从流动方向100的上游侧开始确定角度。

针对12-8mm的通道直径，通过入口1和/或出口2的流速典型地为0.5-1m/s。通过入口31和/或出口32的流速典型地远小于通过第一腔室(样品喷嘴30)的流速。

角度A1和A2有利地是相等的(绝对值)以避免在如下情况下出现入口31与出口32之间的显著压力差：例如，通过第二腔室(例如，进入到入口31中和离开出口32的流速)远小于通过第一腔室(例如，样品喷嘴30的第一喷嘴半部和第二喷嘴半部33、34)的流速。典型地，通过样品喷嘴的流速可能显示出较大的变化，例如，当被放置成与HVAC系统连通时，这可能导致通过第一腔室的流速为11m/s并且可能高达20m/s。

然而，角度A1和A2可以是不同的，例如，以补偿由通过样品管道的流动引起的压力差。另外地或替代地，角度A1可以不同于90°，以影响在入口31处的颗粒采样行为。对于这种实施例，具有通过样品喷嘴的相对稳定的流量可能是有利的。

参考图6，入口方向101与出口方向102之间分别关于对称平面S的角度A3和A4有利地是相等的(绝对值)，并且可以在20°与160°之间，有利地在40°与140°之间，有利地在60°与120°之间，有利地在75°与105°之间，有利地为90°。角度A3和A4可以是90°或更小，例如在20°与90°之间，有利地在45°与90°之间。方便注意的是，入口31和出口32有利地分别布置在第一半部33和第二半部34的上半部，以避免空气串流9夹带的碎屑会通过在图6中用箭头G指示的重力而落到入口31或出口32中。

对于与图4-6的样品喷嘴30相关的上述实施例的有利特征和考虑因素(例如，挡板35、入口31的位置、出口32的位置、入口方向101、出口方向102、角度A1-A4)同样适用于图1至图3B所示的空气采样器20。

采样器设备有利地被设计成使得进入到入口1或31中并离开出口2或32的(平均)流速显著小于通过第一腔室(或样品喷嘴)的(平均)流速。有利地，通过入口31或出口32的平均流速与通过第一腔室3或样品喷嘴30的平均流速之比为1/2或更小，有利地在1/3与1/50之间，有利地在1/4与1/20之间，有利地约为1/10。

在根据本发明的采样器设备的有利实施例中，图1-2的第一腔室3和图4的样品喷嘴30是级联的。特别地，样品喷嘴30放置在第一腔室3的上游，例如在空气串流9中，例如车辆或建筑物的通风管道，并且样品喷嘴30的入口31和出口32分别流体连接到第一腔室3的出口12和入口11。传感器腔室13可以连接到如图1所示的第一腔室3的入口1和出口2。通过这样做，获得了具有三个级联腔室的布置，即，样品喷嘴30、第一腔室3和传感器腔室13。这种布置有利地允许进一步使通过传感器腔室的样品空气流稳定，而与空气串流9的动态压力变化无关。这种布置还允许逐步降低流量。例如，通过样品喷嘴30的流量可以是约100lpm，而通过第一腔室3的流量是约3lpm，并且通过传感器腔室的流量是约0.3lpm。

根据本发明的采样器设备和用于感测颗粒浓度的设备有利地用于车辆的通风系统。参考图7，车辆70可以包括用于感测颗粒浓度的设备10。设备10可以布置在管道中，例如，为驾驶员和/或乘客舱室提供空气的车辆通风系统71的入口管道中。通风系统可以包括电动操作阀72，该阀例如经由控制器73可操作地联接到设备10。当设备10感测到颗粒浓度过高时，控制器73可以被配置为关闭阀72，从而减少或阻止空气从外部环境流到驾驶员或乘客舱室。

Claims (23)

1.一种用于从流中为颗粒浓度传感器采样气体的采样器设备(10)，包括：

第一腔室(3，30)，该第一腔室包括第一入口(4，40)和第一出口(6，60)并且限定了气体串流在该第一入口与该第一出口之间的主流动方向(100)，

第二入口(1，31)和第二出口(2，32)，分别被配置为提供样品气体串流的汇和源，

其中，该第二入口(1，31)和该第二出口(2，32)分别设置在该第一腔室(3，30)中的第一位置和第二位置处，并且

其中，该第一位置和该第二位置沿着该主流动方向(100)重叠，并且

其中，该第一腔室(3，30)被配置为提供该气体串流在该第一位置和该第二位置处的层流，优选地该第一腔室的几何形状被配置为提供该层流。

2.如权利要求1所述的采样器设备，其中，该第一腔室的特征长度和管道面积被配置为提供该气体串流的以预定流量通过该第一腔室的层流。

3.如权利要求1或2所述的采样器设备，其中，在该第一位置和该第二位置处，该气体串流的雷诺数为1500或更小，优选地其中，该雷诺数为1000或更小，优选地为750或更小。

4.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该气体串流的预定流量是该样品气体串流的流量的至少2倍，优选地至少5倍，优选地至少10倍。

5.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该第二入口(1)和该第二出口(2)设置在该第一腔室的壁(301)中。

6.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该第二出口(2)限定了通过该第二出口的出口流动方向(102)，该出口流动方向具有与重力(G)相反的方向分量，优选地其中，该第二入口(1)限定了通过该第二入口的入口流动方向(101)，该入口流动方向具有对应于重力(G)的方向分量。

7.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该第一腔室(3，30)内的该第一位置和该第二位置被选择为使得该第一腔室中的该第一位置和该第二位置处的压力基本相等。

8.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，包括与该第二入口(1)和该第二出口(2)流体联接的第二腔室(5)、以及气体置换装置，该气体置换装置被配置为产生从该第二出口通过该第二腔室到该第二入口的样品气体串流，优选地其中，该气体置换装置被配置为在单一功率水平或多个离散的功率水平下操作，优选地进一步包括控制单元，该控制单元被配置为在单一功率水平或多个离散的功率水平下操作该气体置换装置。

9.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该第一腔室(3，30)包括平行于该主流动方向的对称平面(S)，并且其中，该第二入口(1)和该第二出口(2)布置在该对称平面的相反两侧。

10.如权利要求9所述的采样器设备，其中，该第二入口(1)包括与该第一腔室(3，30)相邻并与该第一腔室(3，30)处于流体连通的入口管道(21)，并且该第二出口(2)包括与该第一腔室(3，30)相邻并与该第一腔室(3，30)处于流体连通的出口管道(22)，并且其中，该入口管道(21)与该出口管道(22)关于该对称平面(S)镜像对称。

11.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该第二入口(1)包括与该第一腔室(3，30)相邻并与该第一腔室(3，30)处于流体连通的入口管道(21)，并且该第二出口(2)包括与该第一腔室(3，30)相邻并与该第一腔室(3，30)处于流体连通的出口管道(22)，其中，该入口管道(21)的纵向轴线(101)和该出口管道的纵向轴线(102)基本上垂直于该主流动方向(100)。

12.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该第一腔室被配置为防止从该第二入口流出到该第一腔室中的样品气体串流或其一部分进入该第二出口，优选地其中，该第二入口和该第二出口的各自的尺寸和几何形状被配置为防止从该第二入口流出到该第一腔室中的样品气体串流或其一部分进入该第二出口。

13.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，包括该第二入口(31)与该第二出口(32)之间的挡板(35)，其中，该挡板(35)布置在该第一腔室(30)中。

14.如权利要求13结合权利要求5所述的采样器设备，其中，该挡板(35)从该壁(301)突出到该第一腔室(3，30)中。

15.如权利要求13或14结合权利要求8或9所述的采样器设备，其中，该挡板(35)平行于该对称平面(S)延伸，其中，该对称平面(S)是该挡板的对称平面。

16.如权利要求13至15中任一项所述的采样器设备，其中，该挡板(35)在该第一腔室(3，30)的相对的壁之间延伸。

17.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，进一步包括喷嘴(30)，该喷嘴具有第三入口(40)和第三出口(60)，从而限定了在该第三入口与该第三出口之间的第二主流动方向，该喷嘴限定了该第三入口与该第三出口之间的第三腔室(33，34)，其中，该喷嘴包括与该第一入口(11)处于流体连通的第四出口(32)以及与该第一出口(12)处于流体连通的第四入口(31)，其中，该第四入口和该第四出口分别设置在该第三腔室中的第三位置和第四位置处，其中，该第三位置和该第四位置沿着该第二主流动方向(100)重叠。

18.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备，其中，该气体是空气。

19.如前述权利要求中任一项所述的采样器设备用于感测气体中的、优选空气中的颗粒浓度的用途。

20.一种用于感测气体中的颗粒浓度的设备，该设备包括如权利要求1至18中任一项所述的采样器设备以及与该第一入口和该第一出口处于流体连通的颗粒浓度传感器。

21.一种用于感测空气中的颗粒浓度的组件，该组件包括两个如权利要求20结合权利要求18所述的设备(10)，其中，该两个设备中的每一个被配置为从不同环境中对空气进行采样，优选地，该两个设备中的一个用于对内部空气进行采样，而该两个设备中的另一个用于对外部空气进行采样。

22.一种通风系统，包括如权利要求18所述的采样器设备或如权利要求20结合权利要求18所述的设备或如权利要求21所述的组件。

23.一种车辆，包括如权利要求22所述的通风系统。

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