CN115427781A - 用于确定气溶胶的微粒速度的方法和气溶胶测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助于气溶胶测量仪确定气溶胶的微粒速度的方法。气溶胶‑微粒流动通过测量室并且利用电磁射束照射。由传感器接收并检测散射光。确定散射光信号的在时间上的信号持续时间并且根据所述信号持续时间确定气溶胶的微粒速度。此外，本发明规定一种用于确定气溶胶的微粒速度的气溶胶测量仪，所述气溶胶测量仪构造为用于实施按照本发明的方法的步骤。此外，规定一种具有程序代码段的计算机程序，所述计算机程序设计为用于实施按照本发明的方法的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定气溶胶的微粒速度的方法和气溶胶测量仪。
背景技术
由现有技术已知如下方法，在所述方法中，流动通过测量室的气溶胶的气溶胶-微粒在测量室中利用电磁射束照亮，由传感器接收散射光并且检测气溶胶-微粒的散射光信号。微粒速度是用于表征气溶胶的主要参数。然而，气溶胶的微粒速度的确定需要附加的、确定性的测量仪。由此，该用于确定微粒速度的已知方法是在结构上耗费的并且昂贵的。相应的情况适用于已知的气溶胶测量仪。
发明内容
因此，本发明的任务在于，消除现有技术中的缺点并且改进方法，借助于所述方法能简单地确定气溶胶的微粒速度。相应的情况在设备方面适用于已知的气溶胶测量仪。
所述任务通过具有权利要求1的特征的方法解决。所述权利要求的特征在于，确定气溶胶-微粒的散射光信号的在时间上的信号持续时间并且根据所述信号持续时间确定气溶胶的微粒速度。在设备方面，所述任务通过按照权利要求13所述的气溶胶测量仪。所述权利要求的特征在于，这样构造处理单元，使得能确定气溶胶-微粒的散射光信号的在时间上的信号持续时间并且能根据所述信号持续时间确定气溶胶的微粒速度。按照本发明规定一种具有程序代码段的计算机程序，所述计算机程序设计为用于当在计算机或相应的计算单元上执行所述计算机程序时，执行按照本发明的方法的步骤。
本发明基于如下基本思想，即，所测量的散射信号的信号持续时间相当于气溶胶-微粒在测量室中的停留时间。由该构思能够通过确定信号持续时间来确定气溶胶的微粒速度。在此，取消如下必要性，即，为了确定气溶胶的微粒速度设置附加的测量仪、例如流量测量仪。由此，能更简单地、特别是也在结构上更简单地确定微粒速度。
优选地规定，校正所述散射光信号的所确定的信号持续时间，以便能实现对气溶胶的微粒速度的更精确的确定。
为了校正信号持续时间可以进行对散射光信号的至少10次、优选至少100次、特别优选至少500次测量。优选地，对各一个单个的气溶胶-微粒进行所述测量中的至少一次测量，特别是分别对单个的气溶胶-微粒进行全部测量，其中，所述气溶胶-微粒能够单独地流动通过测量室。这提高对信号持续时间的确定的准确性。例如，校正可以通过对各测量的统计分析进行。这特别是相当于对气溶胶-微粒的飞行时间分析。
所述信号持续时间的校正例如借助于信号持续时间的频率分布进行。在此，给每个信号持续时间配置其相应的频率。信号持续时间的区间可以组合成组，其中，给每组优选配置一个信号持续时间。所述组可以配置给信号技术上的测量通道。在图形上，所述频率分布例如相当于直方图，在所述直方图中信号持续时间关于其相应的频率绘出。
为了改善信号持续时间的校正的准确性，可以对所述信号持续时间的频率分布内插、优选借助于特别是分段的多项式内插。例如使用样条内插、特别是立方样条内插，这能实现信号持续时间的改善的校正。
在本发明的另一种有利的实施方案，为了校正信号持续时间确定频率分布的至少一种特别是局部的极大值。信号持续时间的频率分布的极大值相当于如下的气溶胶-微粒，所述气溶胶-微粒在直接的路径上穿流测量室。基于在横穿测量室或倾斜的路径时的碰撞过程产生信号持续时间的测量值的分散。通过确定频率分布的极大值，能够得出关于气溶胶的实际微粒速度的更可靠的结论。根据测量室的几何结构，可以构成频率分布的多个局部的极大值。优选地，确定频率分布的所有的局部的极大值。按本发明的意义，所述局部的极大值相当于频率分布在特别是用户定义的区间之内的最大值。
所述气溶胶的微粒尺寸例如可以通过气溶胶测量仪确定，并且所述信号持续时间的校正可以根据气溶胶的微粒尺寸进行。通过信号持续时间的与微粒尺寸相关的校正，能够更准确地确定气溶胶的微粒速度。为此，例如可以给每个微粒尺寸配置一个校正值，其中，所述校正值相当于对所确定的信号持续时间的与微粒尺寸相关的影响。根据微粒尺寸，为此确定的信号持续时间可以通过利用校正值的计算而与微粒尺寸相关地校正。特别是，信号持续时间的频率分布能与微粒尺寸相关地校正。在另一种实施方案中，所确定的信号持续时间的校正根据气溶胶-微粒的材料进行，这进一步改善所述方法的精确性。在此，可以给气溶胶-微粒的每一种材料配置一个校正值。
优选地，借助于频率分布确定统计学上的方差参数，以便例如表征频率分布的偏差。所述方差参数例如配置给频率分布的一个局部的极大值。为此例如可以确定所述至少一个局部的极大值的半值宽度(FWHM)，所述半值宽度相当于频率分布关于局部的极大值的偏差。
在按照本发明的方法的另一种实施方案，所述信号持续时间的校正根据测量室的几何结构进行。如果所述气溶胶例如在第一位置处进入到测量室中、横穿所述测量室并且在第二位置处离开所述测量室，在知晓在测量室之内经过的路径的情况下，可以由所确定的在时间上的信号持续时间确定气溶胶的微粒速度。在另一种实施方案中，所述气溶胶在至少两个不同的路径上横穿测量室。在这种情况下，所述频率分布具有至少两个局部的极大值。所确定的信号持续时间的数量相当于可能的路径的数量，气溶胶可以在这些可能的路径上穿流测量室。因为气溶胶的微粒速度必须与通过测量室的经过的路径无关地为相同的，所以对穿过测量室的路程的知晓而允许对所确定的信号持续时间进行校正，以用于计算气溶胶的微粒速度。
优选地，所述信号持续时间的校正包括常量，所述常量特别是与气溶胶的微粒尺寸无关。所述常量例如相当于偏移值，所述偏移值配置给气溶胶测量仪并且特别是也与气溶胶的微粒速度和/或测量室的几何结构无关。所述常量是在时间上的值并且例如处于2μs与10μs之间、优选在4μs至6μs之间的区间之内。
在本发明的一种有利的实施方案中，为了确定常量使用至少两个信号持续时间，所述至少两个信号持续时间分别配置频率分布的一个局部的极大值。在此特别是使用两个优选经校正的信号持续时间的商。特别优选地，为了确定所述常量，确定在所确定的信号持续时间与微粒速度之间的相关性，特别是借助于利用流量测量仪的测量。
为了校正信号持续时间，可以实施多个步骤，例如使用信号技术上的滤波、如高通滤波和/或低通滤波亦或用于抑制噪音的滤波。
由所确定的微粒速度优选地确定气溶胶的体积流量速度，例如根据其在测量室之内的流动行为。在本发明的另一种有利的实施方案中，所述气溶胶作为层流流动通过测量室。优选地，所述气溶胶作为均匀的流而流过测量室，其中，按本发明的意义，未进行气溶胶的值得注意的加速。在这种情况下，气溶胶的体积流量速度相当于其微粒速度。
在设备方面，所述气溶胶测量仪特别是具有显示装置，借助于所述显示装置能输出气溶胶的微粒速度和/或配置给气溶胶的微粒速度的参数。
所述处理单元优选这样构造，使得实施前面提到的方法中的至少一个方法的步骤。电磁射束可以构成为优选多色的光束和/或构成为激光束。
所述气溶胶测量仪的处理单元可以与流动装置连接，其中，所述流动装置特别是构造为用于将气溶胶的流动速度和/或微粒速度调节到用户定义的值。为此优选地将气溶胶的所确定的微粒速度的值传输给流动装置。例如，所述流动装置具有至少一个泵和/或至少一个通风器。所述流动装置构成为用于产生特别是可变的气流。
本发明可以规定，所述测量室的截面具有多边形的、特别是四边形的基本形状。所述测量室可以具有至少一个、优选至少两个用于使气溶胶运动通过测量室的所定义的路径，以便简化信号持续时间的确定和/或校正。在本发明的一种有利的实施方案中，所述测量室构成为方形的。优选地，所述测量室的截面可以具有T形的基本形状。由此例如产生用于气溶胶的三个路径，其中，第一路径长于其余两个路径，并且所述其余两个路径是相同长的。
按照本发明的计算机程序优选在气溶胶测量仪的控制单元上执行。
附图说明
本发明的其他优点和特征由各权利要求并且由以下说明产生，其中参照附图详细阐述本发明的各实施例。图中：
图1示出按照本发明的气溶胶测量仪的示意图，
图2示出气溶胶测量仪的示意性构造，
图3示出具有矩形的基本形状的测量室的示意性截面，
图4示出按照本发明的方法的流程图，
图5示出具有T形的基本形状的测量室的示意性截面，
图6以流程图示出按照本发明的方法的另一种实施方案，
图7示出信号持续时间的频率分布，
图8示出信号持续时间的与微粒尺寸相关的分布，
图9示出图8的经内插的分布，
图10以直方图示出信号持续时间的另一种频率分布，以及
图11示出图10在与微粒尺寸相关的校正之后的直方图。
具体实施方式
图1以示意图示出气溶胶10，所述气溶胶在气体12、例如空气中含有固态和液态的气溶胶-微粒11。气溶胶-微粒11例如是水微滴、碳黑颗粒、材料碎末、花粉和/或其他有机的和化学的物质。
在气溶胶10的区域中，气溶胶测量仪13以气溶胶光谱仪的形式设置，所述气溶胶光谱仪与气溶胶的微粒直径dp相关地测量气溶胶10的气溶胶-微粒11的微粒尺寸分布cn。气溶胶-微粒11为此借助于在下游设置的(以泵装置32形式的)流动装置经由气溶胶测量仪13的进入开口14并且经由通流管15抽吸穿过，其中，所述泵装置32在图1中粗略示出。通流管15在按照图2的气溶胶测量仪13的粗略构造中垂直于附图平面地设置。
气溶胶-微粒11逐个地在通流管15中垂直于其飞行方向被经准直的光束18照射，所述准直的光束来自光源16和透镜17的多色光。基于由此发生的发散过程，气溶胶-微粒11发出散射光19，所述散射光垂直于气溶胶-微粒11的飞行方向并且垂直于来自光源16的光的照射方向击中到会聚透镜20上。会聚透镜20将散射光19聚集到光电传感器21上，所述光电传感器检测散射光19的信号并且转化成电信号。电子的处理单元22从电信号与气溶胶-微粒11的微粒直径dp相关地确定微粒尺寸分布cn。所述光束18、所测量的散射光19和气溶胶-微粒11在通流管15中的所检测的部分的在空间上的重叠定义出一个虚拟的空间上的测量室23，在所述测量室中确定微粒尺寸分布cn。气溶胶10和因此也气溶胶-微粒11在测量室23的区域中的流动是层状的并且均匀的。
在测量中，散射光19的光强度和因此也由此决定的电信号强度是对于气溶胶-微粒11的微粒尺寸的量度，给所述气溶胶-微粒与此相应地配置微粒直径dp。由此确定气溶胶-微粒11的微粒尺寸。
图3以具有矩形基本形状的截面示出在方形的实施方案中的测量室23。气溶胶-微粒11逐个在上面的区域24上入射到测量室23中并且在下面的区域25上从所述测量室出射。气溶胶-微粒11的运动如所述那样符合层状的、均匀的流动，从而气溶胶-微粒11在测量室23之内基本上不进行加速和减速。因此，气溶胶-微粒11的速度vp对于通过测量室23的运动的持续时间来说是恒定的。
图4以流程图示出按照本发明的方法：为了确定气溶胶11的微粒速度vp进行气溶胶-微粒11的散射光信号19的与时间相关的检测A。散射光信号19的持续时间按本发明的意义称为信号持续时间ts。在所述方法的下一个步骤中进行微粒速度vp从气溶胶-微粒13的信号持续时间ts的如下计算B：
vp＝sm/ts，
其中，sm是穿过测量室23所经过的、在上面的区域24与下面的区域25之间的路程并且通过测量室23的几何设计已知。sm值存储在处理单元22中。用于确定信号持续时间ts的每次测量分别对单个气溶胶-微粒11进行。
微粒速度vp的值通过气溶胶测量仪12的未示出的显示装置输出C。微粒速度vp由于气溶胶10在测量室23中的层状的、均匀的流动近似地相当于其流动速度va，所述流动速度通过显示装置输出。
图5示出测量室23的另一种实施方案，所述测量室的截面具有T形的底面。测量室23具有居中的并且沿竖直方向较长的第一区域25，其中，在第一区域25的左边设置有竖直方向上较短的第二区域26，而在第一区域25的右边设置有竖直方向上较短的第三区域27。路程s1相当于气溶胶-微粒11穿过第一区域25的运动，路程s2相当于气溶胶-微粒11穿过第二区域26或穿过第三区域27的流动运动。
图6示出按照本发明的用于确定微粒速度vp的方法的另一个实施方案，所述方法以前面描述的步骤A、即检测信号持续时间ts开始。为了更精确地确定微粒速度vp，现在接着校正信号持续时间ts：为此在确定信号持续时间ts之后在下一个方法步骤C以测量继续并且实施总共500次测量，存储其信号持续时间ts。每次测量这里也对各一个单个的气溶胶-微粒11进行。
在下一个方法步骤中，创建信号持续时间频率分布E：信号持续时间ts关于其相应的频率在直方图29中绘出，所述直方图示例性地在图7中示出。由于信号技术上的事实，在所示的实施例中信号持续时间ts总结为区间分别为0.54μs的测量通道。由此得出按柱状图意义的直方图29，其具有两个局部的极大值30、31。右边的极大值30在此相当于气溶胶-微粒11穿过测量室23的第一区域26的运动，左边的极大值31相当于气溶胶-微粒11穿过其第二区域27或其第三区域28的运动。
在另一个方法步骤，进行所确定的信号持续时间ts的与微粒尺寸相关的校正F。在试验中已证明，对于不同的微粒直径dp测量不同的信号持续时间ts，这与如下事实相矛盾，即，在气溶胶10的层状的且均匀的流动中，全部的气溶胶-微粒11以相同的微粒速度vp运动。通过接着的校正F考虑微粒尺寸对所确定的信号持续时间ts的影响。
为了补偿该影响，在上面阐述的方法之后首先对于气溶胶-微粒11的不同的微粒尺寸确定所配置的信号持续时间ts，其中，基于信号技术上的条件，微粒尺寸的区间总结为通道，类似于在按照图7创建直方图29那样。每个通道配置所确定的信号持续时间ts的平均值。图8示出信号持续时间根据室内空气(黑线)、水泥(虚线)、标准灰尘(灰线)和二氧化钛(TiO2、点线)的微粒尺寸的特性，其中，以下观察标准灰尘的曲线，参见图9。
一个通道的信号持续时间ts确定为参考值；在图9的所示的实施例中，通道110被选择为参考通道，信号持续时间ts的相应的参考值约为19.65μs并且在图9作为水平线示出。对于其余通道，确定在信号持续时间ts与参考值之间的差值Δt。所述差值Δt在图9中表示并且配置给微粒尺寸的相应的通道。配置给微粒尺寸的差值Δt因此相当于用于与微粒相关地校正信号持续时间ts的校正值的意义。通过内插可以更准确地确定差值Δt。为了与微粒尺寸相关地校正所确定的信号持续时间ts，所述信号持续时间利用配置给微粒尺寸的校正值Δt来结算。
图10以直方图29示出所确定的信号持续时间ts的另一种频率分布，其中，还未进行与微粒尺寸相关的校正。图11示出图10的在进行校正之后的直方图29。示出在图9的未经校正的直方图与图11的经校正的直方图之间的比较，极大值30、31在图11的经校正的直方图中比在图9中构成得更大并且更窄。所确定的信号持续时间ts的与微粒尺寸相关的校正因此允许更准确地确定极大值30、31并且因此允许更准确地确定微粒速度vp。
为了确定测量的品质和与微粒尺寸相关的校正，计算配置给右边的极大值30的半值全宽(FWHM)，其相当于统计学上的方差参数。在与图9的未经校正的直方图的比较中，图10的经校正的直方图特别是对于右边的极大值30具有较低的半值全宽。
在按照图6的方法的另一种步骤中，进行信号持续时间ts通过常量t0的校正G，所述常量特别是与微粒尺寸和微粒速度vp无关并且就此而言特别是相当于零阶影响。对于所确定的信号持续时间ts适用：
ts＝tw+t0，
其中，tw相当于实际的信号持续时间。通过利用未示出的流量测量仪确定气溶胶10的微粒速度vp，常量t0可以如下确定：
t0＝s/vp–tw
常量t0的值存储在气溶胶测量仪12中，并且对于接着测量不再需要流量测量仪。
在实施前面提到的校正之后，微粒速度vp在最后的步骤C中如已经描述过的那样通过显示装置输出。基于气溶胶10的流动特性，所述气溶胶的流动速度va相当于微粒速度vp。
气溶胶10的所确定的微粒速度vp传递给气溶胶测量仪12的泵装置32，所述泵装置将气溶胶的微粒速度vp调整到用户定义的值。
实施按照本发明的方法，其方式为，在气溶胶测量仪12的处理单元22上执行相应的计算机程序。
Claims (18)
1.用于借助于气溶胶测量仪(12)确定气溶胶(10)的微粒速度(vp)的方法，其中，在测量室(23)中利用电磁射束(18)照射流动通过测量室(23)的气溶胶(10)的气溶胶-微粒(11)，由传感器(21)接收散射光(19)并且检测气溶胶-微粒(11)的散射光信号(19)，其特征在于，确定气溶胶-微粒(11)的散射光信号(19)的在时间上的信号持续时间(ts)并且根据所述信号持续时间(ts)确定气溶胶(10)的微粒速度(vp)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，校正散射光信号(19)的信号持续时间(ts)。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，为了校正所述信号持续时间(ts)进行对散射光信号(19)的至少10次、特别是至少500次测量，和/或对一个单个的气溶胶-微粒(11)进行所述测量中的至少一次测量。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述信号持续时间(ts)的校正借助于信号持续时间(ts)的频率分布进行，和/或所述信号持续时间(ts)的校正借助于内插、特别是借助于频率分布的内插进行。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，为了校正所述信号持续时间(ts)确定频率分布的至少一个特别是局部的极大值(30、31)。
6.按照权利要求2至5之一所述的方法，其特征在于，所述气溶胶(10)的微粒尺寸通过气溶胶测量仪(12)确定，并且所述信号持续时间(ts)的校正根据气溶胶(10)的微粒尺寸进行，其中，特别是为了与微粒尺寸相关地校正信号持续时间(ts)，给气溶胶(10)的每个微粒尺寸配置校正值(Δt)。
7.按照权利要求4至6之一所述的方法，其特征在于，借助于所述频率分布确定方差参数，所述方差参数特别是配置给频率分布的所述至少一个局部的极大值(30、31)。
8.按照权利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，所述信号持续时间(ts)的校正根据测量室(23)的几何结构进行。
9.按照权利要求2至8之一所述的方法，其特征在于，所述信号持续时间(ts)的校正包括常量(t0)，所述常量特别是与气溶胶(10)的微粒尺寸无关，其中，特别是为了确定所述常量(t0)使用至少两个确定的信号持续时间(ts)，这两个信号持续时间分别配置给频率分布的一个局部的极大值(30、31)。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，为了确定所述常量(t0)，特别是借助于利用流量测量仪的测量来确定在信号持续时间(ts)与微粒速度(vp)之间的相关性。
11.按照权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，从所确定的微粒速度(vp)确定气溶胶(10)的流动速度(va)。
12.按照权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，所述气溶胶(10)作为层流流动和/或均匀地流动通过所述测量室(23)。
13.用于确定气溶胶(10)的微粒速度(vp)的气溶胶测量仪(12)，其中，气溶胶-微粒(11)设置在测量室(23)中，使得所述气溶胶-微粒(11)能被电磁射束(18)照射，其中，气溶胶-微粒(11)的散射光(19)能被传感器(21)接收并且气溶胶-微粒(11)的散射光信号(19)能被检测，其特征在于，处理单元(22)构造为使得能确定气溶胶-微粒(11)的散射光信号(19)的在时间上的信号持续时间(ts)并且根据所述信号持续时间(ts)能确定气溶胶(10)的微粒速度(vp)。
14.按照权利要求13所述的气溶胶测量仪，其特征在于，所述处理单元(22)构造为使得实施按照权利要求1至12之一所述的方法的步骤。
15.按照权利要求13或14所述的气溶胶测量仪，其特征在于，所述电磁射束(18)构成为优选多色的光束。
16.按照权利要求13至15之一所述的气溶胶测量仪，其特征在于，所述处理单元(22)与流动装置(32)连接，所述流动装置(32)特别是构造为用于将气溶胶(10)的微粒速度(vp)调节到用户定义的值。
17.按照权利要求13至16之一所述的气溶胶测量仪，其特征在于，所述测量室(23)的截面具有多边形的、特别是四边形的或T形的基本形状。
18.具有程序代码段的计算机程序，所述计算机程序设计为用于当在计算机或相应的计算单元上、特别是在按照权利要求13至17之一所述的气溶胶测量仪(12)的处理单元(22)上执行所述计算机程序时执行按照权利要求1至12之一所述的方法的步骤。
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