CN115398201A - 用于确定气溶胶的颗粒的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
为了达到改善地确定精细粉尘颗粒，本发明在一种用于确定气溶胶的颗粒的方法中规定，在第一测量步骤中，将气溶胶在不受可控制的离心力‑分离器影响的情况下输送给光学气溶胶测量仪；在至少一个另外的测量步骤中，将气溶胶在受以至少与转速0偏离的转速旋转的离心力‑分离器影响的情况下输送给光学测量仪；并且从光学测量仪在第一和至少一个另外的测量步骤中的接收的测量信号确定气溶胶的颗粒的特性，其中，为此用于利用形成测量体积的光学传感器单元确定流动穿过测量体积的气溶胶颗粒以用于检测颗粒的设备通过如下方式构成，在传感器单元上游连接有用于尺寸敏感和/或质量敏感地将颗粒分开的分离器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定气溶胶的颗粒的方法和一种用于利用形成测量体积的光学传感器单元来确定流动穿过测量体积的气溶胶颗粒以用于检测颗粒的设备。
背景技术
首先存在用于精细粉尘测量的简单的光学测量仪，这些光学测量仪在一个通道中近似总计地检测位于空气中的精细粉尘并且在显示器上以电压值的形式显示测量值。
除此之外存在复杂地设计和操作的气溶胶光谱仪，在这些气溶胶光谱仪中，各个颗粒基于通过在这些颗粒上散射的光生成的信号而被计数并且关于在多达256个通道的大量单个通道中的散射信号的强度而被记录。在此散射光信号的强度作为颗粒尺寸的量度，从而这些颗粒基本上能够关于其尺寸被检测和分析。
不过利用这种气溶胶光谱仪基于所接收的光信号仅能够检测气溶胶的颗粒的光学尺寸或者说光学直径。但是对于具有不同折射率、形状因数(圆形的/有角的)、密度的颗粒，这可能是完全相同的，换言之：实际上不同大小的颗粒可能引起相同的散射光信号，或者根据所提到的影响因子，相同的空气动力学尺寸(直径)的颗粒可能引起不同的散射光信号。
发明内容
由此出发，本发明的任务在于，如下地进一步发展开头提到类型的方法和设备，使得其能实现在光学测量中改善地确定精细粉尘份额(Feinstaubfraktion)。
按照本发明，所提到的任务通过开头提到类型的方法来解决，所述方法的特征在于，在第一测量步骤中将气溶胶在不受可控制的分离器影响的情况下输送给光学气溶胶测量仪，在至少一个另外的测量步骤中将气溶胶受在受以与转速0偏离的转速旋转的分离器的影响的情况下输送给光学测量仪，并且从光学测量仪在第一和所述至少一个另外的测量步骤中的接收的测量信号确定气溶胶的颗粒的特性。
为了解决所提到的任务，本发明还规定一种同类型的设备，所述设备的特征在于，在传感器单元上游连接有用于尺寸敏感和/或质量敏感地将颗粒分开的分离器。
按照本发明的设备借助于按照本发明的方法能实现在分离风机静止的情况下以及与分离风机的转速有关地确定气溶胶颗粒的分离度，并且这可选地在具有多个通道的光谱仪中关于各个按照颗粒的尺寸的颗粒份额来完成。利用预定的颗粒的标准气溶胶可以事先实施校准。
结果，通过所述方法和按照本发明的设备达到改善地确定精细粉尘颗粒、特别是精细粉尘份额、亦即在也具有较大颗粒的气溶胶中确定较小的颗粒，这些较大的颗粒在风机接通的情况下根据其输送功率或多或少地、有时完全地被分离。以此克服开头提到的当前问题。以此在对光学颗粒直径进行光谱分析式测量的情况下，在分离器的不同分离力时可以通过确定各个份额的颗粒数得出各份额的颗粒的空气动力学直径的结论。
优选地，所述分离器设置在对于通向传感器单元的主入口的旁路分支中。
在按照本发明的设备的一种优选的进一步发展方案中规定，所述分离器作为离心力-分离器起作用并且通过离心力将轻的和重的颗粒分离。
备选地或附加地可以规定，通过有环形通道，在所述环形通道的下端存在至风机的入口，并且在所述环形通道的上端存在通向传感器单元的输送管的入口，其中，特别是所述环形通道在其入口上具有螺旋形放置的导流板，所述导流板是最多一圈的螺旋形。
按照本发明的方法的一种优选的实施方案的特征在于，所述颗粒输送给优选具有多达256个通道数的气溶胶光谱仪。
气溶胶的颗粒的空气动力学的直径特别是可以作为离心力-分离器的转速的函数并且因此作为施加到该离心力-分离器的电压的函数来确定
d＝f(do,D)或者d＝f(do,U)，
其中，d是空气动力学的颗粒直径，do是所测量的光学颗粒直径，D是离心力-分离器的转速，并且U是施加到该离心力-分离器的电压。
所述方法的优选的实施方案规定，所述气溶胶的颗粒通过风机的离心力按照尺寸被分选和/或所述气溶胶的颗粒通过风机的离心力在气溶胶的上升环流中按照尺寸被分选。
除此之外，按照本发明的方法的进一步发展方案规定，确定气溶胶的颗粒的各个尺寸份额的份额分离度
FAGi＝cn(dp),Li/cn(dp),L0，
其中，cn(dp),Li是在测量步骤i中在分离器接通预定的转速时的份额n＝1...N,N＝1...256的浓度，并且cn(dp),L0是在第一步骤0中在分离器关断并且因此静止时份额n的浓度。
附图说明
本发明的其他优点和特征从权利要求书和以下的说明中得出，其中参照附图详细阐述本发明的各实施例。图中：
图1示出按照本发明的设备的第一实施形式的示意性剖视图；
图2示出图1的测量单元的细节示图；
图3示出按照本发明的设备的另一个实施形式；
图4示出在分离器静止时在按照本发明的设备的颗粒计数器中测量的微粒关于其直径的尺寸分布的示图；
图5示出按照本发明的设备根据转速的份额分离度的示图；以及
图6示出在分离器接通和关断时颗粒计数器对于小微粒或者大微粒的信号曲线关于时间的示图。
具体实施方式
图1的按照本发明的设备1具有带有颗粒测量仪的传感器单元2和在该颗粒测量仪上游设置的分离器3。
分离器3具有入口帽3.1形式的入口，所述入口帽在一个封闭的罩3.11下方具有环形的双层壁3.1.2，(未知的)气溶胶可以穿过所述双层壁从环境U流入到设备中，其包围引导至流动管2.1的输送管的入口3.2.1。双层壁3.1.2的内环和外环分别具有沿周向方向位错的缺口3.1.3，由此使流入的颗粒流均匀。
在入口帽3.1之下设置有外部的管3.1.4，在所述外部的管中设置有通向传感器单元2的流动管2.1的输送管3.2。在管3.1.4与流动管2.1之间构成有环形通道3.4。
在管3.1.4的侧面设置有输送腔3.3，所述输送腔同样具有入口帽3.1的入口，在其下面的区域中存在风机3.3.1，在此所述风机具有水平的转动轴线。环形通道3.4形成从风机3.3.1至输送管3.2的入口的返回通道和分离通道。在环形通道3.4从风机3.3.1的入口正下方设置有环形通道螺旋形放置的导流板，输送管3.2被所述导流板包围(sicherstrecken)最多一圈。
传感器单元2可以以常见的方式构成、例如按照DE 3641716 A1(图3)亦或EP 2717 035 B1。
传感器单元2基本上具有流动管2.1连同颗粒测量仪2.2，在所述颗粒测量仪下游设置有气体输送器2.3，以用于使包含颗粒的气溶胶抽吸穿过流动管2.1和颗粒测量仪2.2。气体输送器是用于输送介质的输送装置，所述介质的载体流是气体。这种介质也包括气溶胶。具体地，气体输送器可以构成为风机或泵。
颗粒测量仪2.2(图2)以已知的方式具有照明单元2.2.1，利用所述照明单元在通过照明单元的光束在流动管2.1中形成的(虚拟的)测量室2.2.2中照亮流动通过流动管2.1的颗粒。除此之外，颗粒测量仪2.2具有传感器或探测器2.2.3，借助于所述传感器或探测器检测被气溶胶的流动通过流动管2.1的颗粒散射的散射光，并且特别是在测量仪构造为颗粒计数器或光谱仪的情况下对所检测的微粒的光信号计数或者光谱分析地按照通道详细地检测各微粒尺寸。在光源下游可以设置有会聚透镜，以便产生平行射束，在所述探测器2.2.3上游设置有会聚透镜，以便将所散射的光会聚在探测器2.2.3上。给探测器配设计数或分析单元2.2.4，借助于所述计数或分析单元由探测器探测的微粒在尺寸上分选地在例如多达256个通道中按照其(光学)尺寸被计数，所述尺寸通过被所述微粒散射的光的强度给出，并且因此可以测量和输出微粒的尺寸分布(图3)。
在测量中，散射光的光强度和因此也由此决定的电信号强度是用于气溶胶颗粒的颗粒尺寸的量度，给所述颗粒尺寸与此相应地配设颗粒直径。所测量的颗粒尺寸分布是颗粒直径的函数。
如果构造有风机3.3.1并且所述风机静止，则仅借助于传感器单元2的抽吸泵的形式的气体输送器2.3将具有其所有颗粒尺寸份额的全部气溶胶经由入口3.2.1通过输送管3.2、流动管2.1、测量单元2.2、气体输送器2.3抽吸至传感器单元2的出口2.6并且因此抽吸通过在测量单元2.2中的(虚拟的)测量室。这样，气溶胶的所有的分散的颗粒份额流动穿过测量室并且被分析单元检测。
如果分离器3通过使风机3.3.1开通而接通，气溶胶被所述风机抽吸穿过输送腔3.3并且通过返回通道加压。颗粒通过风机3.3.1首先承受离心力或径向力并且因此承受径向加速度，它们对于较大的颗粒而言大于对于较小的颗粒。由此引起，分离较大的颗粒并且仅较小的颗粒进入到环形通道3.4的下面的部分中并且被气体输送器2.3抽吸穿过输送管3.2的(上面的)入口、流动管2.1和因此测量单元2.2并且因此有助于在测量室中的信号形成。
所抽吸的气溶胶流这样通过风机3.3.1借助于导流板3.3.3在形成分离通道的、在输送管3.2与围绕该输送管的壁之间的环形间隙3.4中沿切线引导并且产生旋流。在上端部进行至颗粒计数器/气溶胶光谱仪的抽吸。这样，由环形通道3.2输送至风机3.3.1的气溶胶和被气体输送器2.3抽吸的(剩余)气溶胶被置于螺旋形的上升流动中，该上升流动通过所提到的导流板来支持。由此，其他的粗的颗粒份额可以沉降并且仅最小的颗粒上升，通过输送管3.2的上面的入口进入到所述输送管中并且最终引导通过传感器单元2，并且仅这样的小的颗粒被分析单元检测和分析。
在风机3.3.1接通的情况下从上方直接进入到输送管中的气溶胶通过在输送管3.2的下面的区域中的导流板3.3.3被风机3.3.1经由环形通道3.4抽吸而又进入到输送腔3.3中。由此实现，在风机接通的情况下全部气溶胶通过该风机引导并且经历所述风机的分离作用，从而在气溶胶中的大的且粗的颗粒沉降并且小的颗粒份额被继续引导。因此，所述分离不仅直接通过风机而且在环形通道中发生。相应的份额与相应的气溶胶和转速有关。然而，主分离直接在风机中进行。分离通道形成一个附加的元件，所述附加的元件进一步改善分离效率。因此，环形通道作为重力分离器起作用。
从分离器3通过流动管2.1排出的气溶胶流被泵2.3抽吸通过测量单元2.2的测量室2.2.2并且在那里被照明单元2.2.1照亮。被气溶胶的相应各个颗粒散射的光(经由会聚透镜)击中传感器或探测器2.2.3。相应的经光电转化的探测的信号于是在分析单元2.2.4中被分析，特别是被光谱仪光谱分析地分析，更具体而言关于颗粒尺寸进行分析，为此可以提供例如256个(尺寸)通道。
图3示出按照本发明的设备的另一种实施形式，其中传感器单元2的结构基本上与图1的实施方案中相同。
而在图1的实施方案中，风机以竖直轴线定向，风机3.3.1在图3和5的实施方案中具有水平轴线。
传感器单元2在图3的实施方案中可以与在图1和2中相同并且对应于这些附图来描述。
在其他方面，按照图2的设备1的实施方案基本上与图1中相同，因此相同的部件配设有相同的附图标记并且存在的相同的特征参照图1的示图。
在入口帽3.1至输送管3.2之间中间连接有喷嘴管3.1.4，以便尽可能层流地形成气溶胶流。输送腔3.3连同风机3.3.1这里平行于输送管设置，其中，在该输送管中设有在风机3.3.1运行中起作用的导流板3.3.3。
工作原理又基本上是相同的：如果关断风机3.3.1并且所述风机静止，则气溶胶仅通过气体输送器2.3经由入口帽3.1抽吸进入并且通过输送管3.2、通过流动管2.1和测量单元2.2抽吸并且经由气体输送器2.3放出。全部气溶胶连同全部包含在其中的颗粒、特别是颗粒份额穿过测量室，从而位于环境中的并且进入到流动管2.1中的气溶胶的所有颗粒散射光源并且因此可以被探测器检测。
而如果风机接通并且以高的速度转动，则流动通过旁路分支进行。通过风机3.3.1使气溶胶旋流，较大的颗粒获得较大的径向速度并且被分离，在图2的实施方案中在中间处于风机之下，而仅较小的颗粒由气体输送器2.3吸入到入口帽3.1中并且通过测量室。
上述内容由图3至5可看出：
图3示出在按照图1或图2的设备1所测量的颗粒分布cn、亦即关于颗粒尺寸d的颗粒浓度，更准确地说其中以上面的曲线示出在分离风机关断或静止的情况。这里证明，在较大的颗粒中仍出现显著的信号。
与此相对地，如果风机接通，则在风机的转动速度为1000rpm时按照中间的曲线具有较大的颗粒直径的颗粒尺寸分布较多地下降，这点表示较大颗粒的浓度明显减少。在风机的转动速度提高到4000rpm时在所示的下面的曲线中较大颗粒的浓度进一步减少。
在图5中表示关于上面的颗粒尺寸的分离效率或者份额分离度FAGi＝cn(dp),Li。
图6又示出被颗粒散射的散射光关于时间的传感器光-信号，曲线A用于小的颗粒而曲线B用于大的颗粒。在此，风机关断到直至T1，在T1时接通并且在T2时又关断。
这证明，在风机接通的情况下在大的颗粒中测量信号B明确减少。
在风机关断和接通或者说风机静止(速度为0)和以不同速度旋转的情况下的测量结果，与在对气溶胶或者对于不同尺寸的颗粒的分离特性没有影响的情况下的颗粒计数器的纯光学测量相比，即，与当前的纯光学测量相比，由于气溶胶的颗粒的空气动力学分离特性，特别是由于颗粒的尺寸、质量和/或形状因数，而需要附加信息。尽管上述关系被定性地示出，但是颗粒关于风机速度的特性通过使用具有指定的尺寸和其他特性的校准精细粉尘来经验地确定，从而基于这样校准风机速度的影响而给出气溶胶的精细粉尘份额的改善的计算。
Claims (19)
1.用于确定气溶胶的颗粒的方法，其特征在于，
在第一测量步骤中，将气溶胶在不受可控制的分离器影响的情况下输送给光学气溶胶测量仪；
在至少一个另外的测量步骤中，将气溶胶在受以与转速0偏离的转速旋转的分离器影响的情况下输送给光学测量仪；并且
从光学测量仪在第一和所述至少一个另外的测量步骤中接收的测量信号确定气溶胶的颗粒的特性。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒输送给作为优选具有多达256个通道数的光学测量仪的气溶胶光谱仪。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，气溶胶的颗粒的空气动力学的直径作为离心力-分离器的转速的函数以及因此作为施加到该离心力-分离器的电压的函数来确定
d＝f(do,D)或者d＝f(do,U)，
其中，d是空气动力学的颗粒直径，do是所测量的光学颗粒直径，D是分离器的风机的转速，并且U是施加到该分离器的电压。
4.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定气溶胶的颗粒的各个尺寸份额的份额分离度
FAGi＝cn(dp),Li/cn(dp),L0，
其中，cn(dp),Li是在测量步骤i中在分离器接通预定的转速时的份额n＝1...N,N＝1...256的浓度，并且cn(dp),L0是在第一步骤0中在分离器关断并且因此静止时份额n的浓度。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述气溶胶的颗粒通过风机的离心力按照尺寸被分选。
6.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述气溶胶的颗粒通过风机的离心力在气溶胶的上升环流中按照尺寸被分选。
7.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在通过风机引起的气流中特别是大的颗粒沉降。
8.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，小的颗粒，即精细粉尘份额，特别是精细粉尘份额PM2.5，被输送给传感器单元。
9.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从环境中抽吸未知的气溶胶。
10.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，光电地确定颗粒尺寸分布。
11.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，用光照亮所述气溶胶，探测并且处理、优选光谱分析地处理被气溶胶颗粒散射的散射光信号，并且特别是创建颗粒的尺寸分布，即颗粒尺寸分布。
12.用于利用形成测量体积的光学传感器单元(2)确定流动穿过测量体积的气溶胶的颗粒以用于检测各颗粒的设备，其特征在于，在所述传感器单元(2)上游连接有用于尺寸敏感和/或质量敏感地将颗粒分开的分离器(3)。
13.按照权利要求12所述的设备，其特征在于，所述分离器(3)设置在对于通向所述传感器单元(2)的输送管(3.2)的旁路分支中。
14.按照权利要求12或13所述的设备，其特征在于，所述分离器(3)作为离心力-分离器起作用并且通过离心力将轻的和重的颗粒分离。
15.按照权利要求12至14之一所述的设备，其特征在于，设置有环形通道(3.4)，在所述环形通道的下端存在风机(3.3.1)的入口，并且在所述环形通道的上端存在通向所述传感器单元(2)的输送管(3.2)的入口。
16.按照权利要求15所述的设备，其特征在于，所述环形通道在其入口上具有螺旋形放置的导流板，所述导流板是最多一圈的螺旋形。
17.按照权利要求12至16之一所述的设备，其特征在于，在所述分离器(3)上游设置有至环境的入口(3.1)。
18.按照权利要求12至17之一所述的设备，其特征在于，所述传感器单元(2)具有照射所述传感器单元(2)的测量室(2.2.2)的光源(2.2.1)、散射光探测器(2.2.3)以及电子的分析单元(2.2.4)。
19.按照权利要求18所述的设备，其特征在于，所述分析单元(2.2.4)具有光谱仪、特别是用于颗粒尺寸确定的光谱仪。
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