DE112007000765T5

DE112007000765T5 - Aerosolpartikelsenosr mit Axiallüfter

Info

Publication number: DE112007000765T5
Application number: DE112007000765T
Authority: DE
Inventors: Thomas Westminster Bates
Original assignee: Particle Measuring Systems Inc
Current assignee: Particle Measuring Systems Inc
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: US7667839B2; GB2450038A; US20070229825A1; GB0817238D0; JP2009532670A; DE112007000765B4; CN101432615A; GB2450038B; WO2007126681A1; JP5171809B2

Abstract

Optischer Partikelsensor (106) zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem fließenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer (135) mit einem Gaseinlass (115) und einem Gasauslass (162); ein Gasflusssystem (120) für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; eine Lichtquelle (134); ein optisches System (310, 319), das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem (330), das angeordnet ist, um durch die Partikel in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem (340), das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor (142) enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist; wobei der optische Partikelsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gesamtdruckabfall durch das Gasflusssystem 3 Zoll Wasser oder weniger beträgt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme, die Lichtstreuungsprinzipien nutzen, um unerwünschte einzelne Partikel in Gasen abzufühlen, wobei die Systeme im Gebiet allgemein als optische Partikelzähler bezeichnet werden, und bezieht sich insbesondere auf Luftflusssysteme in solchen Partikelzählern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist gut bekannt, dass es in Branchen wie etwa der Hochtechnologieelektronik und pharmazeutischen Fertigung notwendig ist, eine Verunreinigung durch kleine Partikel zu verhindern. Diese Notwendigkeit hat zur Entwicklung optischer Partikelzähler Anlass gegeben, in denen ein Fluid durch einen optischen Sensor fließt, der die Anwesenheit von Verunreinigungspartikeln erfasst. Partikelzähler, die Partikel in Luft oder einem anderen Gas erfassen, werden gelegentlich als "Aerosolpartikelzähler" bezeichnet. Normen fordern allgemein, dass Aerosolpartikelzähler das gesamte durch den Sensor fließende Gasvolumen überwachen. Partikelzähler, die das gesamte durch den Sensor fließende Gasvolumen überwachen, werden in der Mikroverunreinigungsbranche als "volumetrisch" bezeichnet. Die Mikroverunreinigungsbranche hat für die ununterbrochene volumetrische Aerosolpartikelüberwachung von Umgebungen zwei verschiedene Methodiken entwickelt. Ein Verfahren umfasst die Verwendung eines Aerosoldruckverteilersystems. Die Verwendung eines Verteilersystems ermöglicht, dass ein einziger Partikelzähler nacheinander mehrere Abtaststellen in einer Umgebung überwacht. Dies ermöglicht, die Kosten des Partikelzählers, des Verteilers und der Systemvakuumpumpe auf mehrere Abtastpunkte zu verteilen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist der Transportverlust großer Partikel entlang der geforderten sehr langen Abtastrohrleitungsstrecken. Da alle Abtastpunkte zu dem einzigen Partikelzähler geleitet werden müssen, ist dieser unvermeidlich. Einige Abtastleitungen können eine Länge von mehr als einhundert Fuß erreichen. Ein anderer wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Abtastpunkte nur einer nach dem anderen bewertet werden können; somit ist eine Echtzeitüberwachung aller Abtaststellen nicht möglich.
Die zweite übliche Methodik erfordert die Verwendung dedizierter Partikelzähler an jedem der geforderten Abtastpunkte. Dieses Verfahren schafft eine ununterbrochene Echtzeitüberwachung aller Abtaststellen und beseitigt außerdem den großen Partikeltransport-Rohrleitungsverlust, da bei oder nahe jeder geforderten Abtaststelle ein Partikelsensor angeordnet werden kann, und minimiert somit die Abtastrohrleitungslänge. Allerdings erfordert dieses Verfahren eine große Anzahl von Partikelzählern und kann für große Werke recht teuer sein. Die Antwort auf dieses Problem hat zur Entwicklung von Partikelsensoren geführt. Ein Partikelsensor weist im Allgemeinen keine externe Anzeige, Tastatur, interne Luftflusspumpe oder veränderliche Durchflussregelungsvorrichtungen auf. Dies minimiert die Kosten des Sensors, erfordert aber, dass der Endnutzer ein externes Vakuumpumpensystem bereitstellt. Diese Sensoren weisen am häufigsten einen Durchfluss von 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) oder 0,1 CFM auf. Ohne interne Luftflusspumpe oder veränderliches Durchflussregelungs- und -messsystem nutzen Partikelsensoren allgemein eine kritische Flussöffnung zum Steuern des Abtastdurchflusses. Wie in Willeke/Baron, "Aerosol Measurement" und in Hinds, "Aerosol Technology" erläutert ist, ist die Verwendung einer kritischen Flussöffnung zum Steuern des volumetrischen Durchflusses eine bekannte Tatsache. Der geforderte notwendige kritische Druckabfall ist durch die folgende Gleichung gegeben: PV/Pa = [2/(k + j)]k/k-1 wobei

P_V: = Druck auf der Unterdruckseite der kritischen Flussöffnung;
P_a: = Druck auf der Einlassseite der kritischen Flussöffnung;
k: = Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases = 7/5 für zweiatomige Gase ≈ 1,4 ist.

Einsetzen von 1,4 für k liefert die vereinfachte Gleichung: PV/Pa = 0,53.
Bei Standardbedingungen ist P_a = 14,7 psi. Somit ist der geforderte kritische Druckabfall bei Standardbedingungen 7,791 psi (15,9'' Hg). Gemessen in Zoll Wasser ist dieser 215,6 Zoll.
Bei Standardbedingungen hält eine kritische Flussöffnung einen konstanten volumetrischen Fluss aufrecht, wenn der Unterdruckpegel auf der Auslassseite höher als 15,9 Zoll Hg ist. Unter diesen Bedingungen ist die Geschwindigkeit in der Verengung der Öffnung die Schallgeschwindigkeit, wobei eine weitere Erhöhung des Unterdruckpegels auf der Auslassseite die Geschwindigkeit durch den Durchlass nicht erhöht. Dies erfordert, dass der Nutzer ein Vakuumpumpensystem bereitstellt, das bei dem spezifizierten Durchfluss des Partikelsensors wenigstens einen Unterdruckpegel von 15 Zoll bis 17 Zoll Hg aufrechterhalten kann.
Die Anforderung an eine Vakuumpumpe, die selbst für einen einzelnen 1,0-CFM-Partikelsensor > 15 Zoll Hg aufrechterhalten kann, beschränkt die verfügbaren Optionen der Pumpenwahl auf eine Verdrängerpumpe wie etwa eine Kohlenstoff-Drehkolbenkonstruktion. Diese Pumpen sind recht groß und verbrauchen mehr als 100 Watt Leistung. Da der Nutzer üblicherweise mehrere Partikelsensoren einbaut, erhöht die Anzahl der verwendeten Partikelsensoren die Pumpsystemanforderungen. Es ist recht üblich, dass das Pumpsystem mehrere einhundert Pfund wiegt und einen Leistungsverbrauch aufweist, der in Tausenden Watt gemessen wird. Außerdem müssen Vakuumleitungen eingebaut werden, die von der zentralen Vakuumpumpe zu jedem einzelnen in das System eingebauten Sensor laufen. Die endgültigen Flusssystem-Einbaukosten sind üblicherweise 500 $ bis 700 $ pro Instrument.
In den vergangenen Jahren haben Partikelzählerhersteller begonnen Partikelsensoren anzubieten, die interne Pumpen oder Gebläse enthalten, die durch eine Flussmess- und -regelvorrichtung mit geschlossenem Kreislauf geregelt werden. Bei der Hinzufügung eines intelligenten Durchflussregelungssystems kann die kritische Flussöffnung entfernt werden. Dies beseitigt den vorherrschenden Druckabfall in dem System und belässt außer irgendeiner gewünschten Einlassrohrleitung den Druckabfall des Partikelsensors selbst. Gegenwärtige Partikelsensor-Druckabfälle liegen im Bereich von näherungsweise 3 Zoll bis 50 Zoll Wasser. Der typische Einlassrohrleitungs-Druckabfall für Einlassrohrleitungslängen mit einer Länge im Bereich von bis zu 5 Fuß ist 2 Zoll bis 10 Zoll Wasser. Der Gesamtsystem-Druckabfall ist dann üblicherweise 5 Zoll bis 60 Zoll Wasser, was den Sensordruckabfall plus den Einlassrohrleitungs-Druckabfall enthält.
Mit dem maximalen Druckabfall, der nun von den 215,6 Zoll Wasser der Konstruktionen mit kritischer Flussöffnung wesentlich gesunken ist, ist es möglich, andere Luftbewegungsvorrichtungen als Verdrängerpumpen zu nutzen. In den Druckbereichen, die bis 25 Zoll Wasser reichen, können Radialgebläse und selbstansaugende Gebläse Luft bewegen. Diese Gebläse können mit einer Gleichspannung gesteuert werden, was sie leicht in ein Durchflussregelungssystem mit geschlossenem Kreislauf integrierbar macht. Üblicherweise arbeiten sie im Leistungsbereich von 25 W bis 75 W, was sie zu einer Option niedrigerer Leistung als Verdrängerpumpen macht. Siehe US-Patent Nr. 6.167.107 , erteilt am 26. Dezember 2000. Ein wesentlicher Nachteil von Radialgebläsen und selbstansaugenden Gebläsen sind ihre Kosten. Wie bei Partikelsensoren, die kritische Flussöffnungen nutzen, bleiben die Endsystem-Einbaukosten bei 500 $ bis 700 $ pro Sensor. Obgleich diese Systeme eine ununterbrochene Überwachung sicherstellen und kein massives Luftflusssystem erfordern, gibt es somit dennoch keinen Kostenvorteil der Nutzung dieser Gebläsetypen in einem Mehr-Partikelsensorsystem.
Somit bleibt eine Notwendigkeit eines Systems und eines Verfahrens zum Steuern des volumetrischen Durchflusses in einem Aerosolpartikelsensor, die die Endeinbaukosten eines Mehrsensorsystems wesentlich verringern und dennoch eine ununterbrochene Überwachung an allen kritischen Stellen in einer Umgebung sicherstellen würden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Fortschritt im Gebiet dar und hilft, die oben erwähnten Probleme zu überwinden, indem sie einen optischen Partikelsensor schafft, in dem der Gesamtdruckabfall über das System 3 Zoll Wasser oder weniger beträgt. In einem anderen Aspekt schafft die Erfindung einen Fortschritt im Gebiet und hilft, die oben erwähnten Probleme zu überwinden, indem sie einen optischen Partikelzähler schafft, der einen Axiallüfter enthält. Vorzugsweise umfasst der Axiallüfter einen Lüfter mit hohem statischem Druck oder einen gegenläufigen Lüfter. Vorzugsweise wird der niedrige Druckabfall durch Nutzung einer Einlassstrahldüse erreicht, die in einem 0,1-CFM-System 4 mm² oder mehr und alternativ in einem 1,0-CFM-System 25 mm² oder mehr beträgt.
Die Erfindung schafft einen optischen Partikelsensor zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem strömenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass; ein Gasflusssystem für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; eine Lichtquelle; ein optisches System, das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem, das angeordnet ist, um in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas durch die Partikel gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem, das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist; wobei der Gesamtdruckabfall durch das Gasflusssystem 3 Zoll Wasser oder weniger beträgt. Vorzugsweise beträgt der Gesamtdruckabfall 2 Zoll Wasser oder weniger. Bevorzugter beträgt der Gesamtdruckabfall 1 Zoll Wasser oder weniger. Vorzugsweise umfasst das Gasflusssystem einen Axiallüfter. Vorzugsweise umfasst der Axiallüfter einen Lüfter mit hohem statischem Druck oder einen gegenläufigen Lüfter. Vorzugsweise weist das Gasflusssystem einen Gasfluss von im Wesentlichen 0,1 CFM (Kubikfuß pro Minute) auf und enthält eine Einlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 4 mm² (Quadratmillimeter) oder größer. Vorzugsweise umfasst das 0,1-CFM-Gasflusssystem eine Einlassrohrleitung mit einem Innendurchmesser von 6,4 mm oder größer. Alternativ weist das Gasflusssystem einen Gasfluss von im Wesentlichen 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) auf und enthält eine Einlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 25 mm² (Quadratmillimeter) oder größer. Vorzugsweise umfasst das 1,0-CFM-System eine Einlassrohrleitung mit einem Innendurchmesser von 9,5 mm oder größer. Vorzugsweise umfasst das 1,0-CFM-System eine Einlassrohrleitung mit einem Innendurchmesser von 12 mm oder größer. Bevorzugter weist das 1,0-CFM-Gasflusssystem einen Gasfluss von im Wesentlichen 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) auf und enthält eine Einlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 30 mm² (Quadratmillimeter) oder größer. Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle einen Laser mit einer Leistung von 50 Milliwatt oder höher. Bevorzugter umfasst die Lichtquelle einen Laser mit einer Leistung von 100 Milliwatt oder höher. Außerdem schafft die Erfindung ein optisches Partikelzählersystem, das mehrere wie oben beschriebene Partikelsensoren enthält.
Außerdem schafft die Erfindung einen optischen Partikelsensor zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem strömenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass; ein Gasflusssystem für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass, wobei das Gasflusssystem einen Axiallüfter enthält; eine Lichtquelle; ein optisches System, das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem, das angeordnet ist, um in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas durch die Partikel gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem, das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist. Vorzugsweise umfasst der Axiallüfter einen gegenläufigen Lüfter. Alternativ umfasst der Axiallüfter einen Lüfter mit hohem statischem Druck.
In einem anderen Aspekt schafft die Erfindung einen optischen Partikelsensor zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem strömenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass; ein Gasflusssystem für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; wobei das Gasflusssystem einen Durchfluss von im Wesentlichen 0,1 CFM (Kubikfuß pro Minute) und eine Gaseinlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 4 mm² (Quadratmillimeter) oder größer aufweist; eine Lichtquelle; ein optisches System, das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem, das angeordnet ist, um in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas durch die Partikel gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem, das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen optischen Partikelsensor zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem strömenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass; ein Gasflusssystem für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; wobei das Gasflusssystem einen Durchfluss von im Wesentlichen 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) und eine Gaseinlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 25 mm² (Quadratmillimeter) oder größer aufweist; eine Lichtquelle; ein optisches System, das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem, das angeordnet ist, um in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas durch die Partikel gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem, das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist.
Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen unbeschränkter Partikel in einem strömenden Gas, wobei das Verfahren umfasst: Fließenlassen des Gases, das die unbeschränkten Partikel enthält, unter Verwendung eines Axiallüfters; Lenken eines Laserstrahls durch den Gasfluss; Sammeln von durch die Partikel in dem Gas gestreutem Licht; und Erfassen des gesammelten Lichts und Ausgeben eines Signals, das charakteristisch für einen Parameter der Partikel ist. Vorzugsweise umfasst das Fließenlassen das Verwenden eines gegenläufigen Lüfters oder eines Lüfters mit hohem statischem Druck.
In einem abermals anderen Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen unbeschränkter Partikel in einem fließenden Gas, wobei das Verfahren umfasst: Fließenlassen des Gases, das die unbeschränkten Partikel enthält, von einem Gaseinlass durch eine Abtastkammer zu einem Gasauslass mit einem Gesamtdruckabfall von 3 Zoll Wasser oder weniger; Lenken eines Laserstrahls durch den Gasfluss; Sammeln von durch die Partikel in dem Gas gestreutem Licht; und Erfassen des gesammelten Lichts und Ausgeben eines Signals, das charakteristisch für einen Parameter der Partikel ist. Vorzugsweise umfasst das Fließenlassen das Fließenlassen des Gases durch einen Gesamtdruckabfall von 2 Zoll Wasser oder weniger. Bevorzugter umfasst das Fließenlassen das Fließenlassen des Gases durch einen Gesamtdruckabfall von 1 Zoll Wasser oder weniger. Vorzugsweise umfasst das Lenken das Bilden eines Laserstrahls mit einer effektiven Strahlhöhe von 2,5 mm (Millimeter) oder höher. Vorzugsweise umfasst das Lenken das Bilden eines Laserstrahls mit einer Leistung von 50 Milliwatt oder höher.
Die Erfindung senkt drastisch die Kosten, die Größe und den Leistungsverbrauch optischer Partikelsensoren. Außerdem werden Partikelzählersysteme für gesamte Werke stark vereinfacht. Die obigen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser verstanden werden vom Lesen der folgenden Beschreibung und der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen:
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 einen Blockschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Partikelsensors gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine bevorzugte Ausführungsform der in dem System aus 1 verwendeten Druckabfühltechniken veranschaulicht;
3 die Flusszelle und die Erfassungsoptik des optischen Partikelsensors aus 1 veranschaulicht, wobei sie die Anordnung des Einlassstrahls und des Laserstrahls zeigt; und
4 ein Blockschaltplan der bevorzugten Ausführungsform eines optischen Partikelsensorsystems ist, das mehrere optische Partikelsensoren aus 1 nutzt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Begriff "Licht" ist in dieser Offenbarung nicht auf sichtbare Strahlung beschränkt, sondern ist in einem umfassenden Sinn verwendet, der irgendwelche elektromagnetische Strahlung einschließlich Infrarot-, Ultraviolett-, extremer Ultraviolett- und Röntgenstrahlung bedeutet. Es wird angemerkt, dass die wie hier offenbarten Partikelsensoren und Partikelzähler im Unterschied zu anderen Systemen, die die Partikel des Gases selbst, in einem Gas schwebende Partikelwolken oder Partikel, die in dem Gas beschränkt sind und etwa beschränkt sind, in einer einzelnen Linie an einem Lichtstrahl vorbeizufließen, erfassen und analysieren, so konstruiert sind, dass sie einzelne Partikel erfassen können, die in einem fließenden Gas unbeschränkt sind. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass es eine viel schwierigere Aufgabe ist, einzelne Partikel, die unbeschränkt in einem Gas fließen, insbesondere Partikel mit einer Größe von weniger als einem Mikrometer, zu erfassen und zu vermessen; somit umfasst das Gebiet der Partikelzählung eine andere Technologie als diese anderen Partikelerfassungs- und -analysesysteme.
Ein Aerosolpartikelzähler- oder -sensorinstrument nutzt ein Lüftermodul mit hohem statischem Druck oder ein gegenläufiges Lüftermodul. Das Instrument ist so konstruiert, dass es den Druckabfall hauptsächlich unter Nutzung eines Einlassstrahls, der eine große Querschnittsfläche aufweist, minimiert. Der Druckabfall des Einlassstrahls ist so konstruiert, dass er bei dem gewünschten Durchfluss weniger als 1 Zoll Wasser ist. Der Gesamtsystem-Druckabfall ist so konstruiert, dass er so klein wie möglich ist.
Die Lüftermodule können zusammen mit einem intelligenten Durchflussregelungssystem verwendet werden. Diese Lüftermodule mit einem erweiterten Betriebsspannungsbereich sind zur Verwendung in einem Durchflussregelungssystem mit geschlossenem Kreislauf ideal geeignet. Zum Steuern des Durchflusses kann die Gleichspannung geändert werden. Da das Lüftermodul für jeden seiner Lüfter eine getrennte Gleichspannungsleistung aufweisen kann, können die Lüfter unabhängig gesteuert werden, um den dynamischen Steuerbereich des Instruments zu erweitern. Um den Dynamikbereich oder die maximale Kapazität des Instruments zu erweitern, können mehrere Lüftermodule enthalten sein.
1 zeigt einen Partikelzähler 100, der einen Partikelsensor 106 und eine Partikelzählerelektronik 108 enthält. Die Partikelzählerelektronik 108 enthält allgemein eine Anzeige 110, eine Eingabevorrichtung 112 wie etwa eine Tastatur und zugeordnete Elektronik zum Erzeugen einer Ausgabe, die einen Parameter der erfassten Partikel angibt, wie etwa die Anzahl der Partikel in verschiedenen Kanälen, die einen Bereich von Partikelgrößen enthalten. Diese Elektronik ist im Gebiet bekannt und wird hier nicht ausführlich diskutiert.
Der Partikelsensor 106 enthält eine Flusszelle 132, ein Luftflusssystem 120 und eine Partikelabfühlelektronik 144. Das Luftflusssystem 120 enthält eine Einlassrohrleitung 115, ein Partikelsensor-Luftflusseinlassrohr 118, eine Einlassstrahldüse 130 (3), eine Abtastkammer 135, einen Luftflusssensor 121, einen Innenatmosphärensensor 122, einen Lüfter 128, eine Lüfterdrehzahl-Steuereinheit 126, einen Absolutdrucksensor 124, einen Abluftfilter 160, ein Luftflussrohr 150, das die Abtastkammer 135 und die Luftflusssensoren 121 und 122 verbindet, ein Luftflussrohr 152, das das Luftfluss-Sensormodul 123 und den Lüfter 128 verbindet, ein Luftflussrohr 156, das den Lüfter 128 und den Filter 160 verbindet, und ein Auslassluftflussrohr 162. Der Luftfluss ist wie folgt. Durch den Lüfter 128 wird über die Rohrleitung 115 Einlassluft 117 in den Partikelsensor 106 angesaugt und geht durch die Einlassdüse 130 (3), um in der Abtastkammer 135 einen Luftfluss 138 zu erzeugen. Daraufhin geht Luft 151 aus der Kammer 135 durch das Rohr 152 zum Lüfter 128 in das Luftfluss-Sensormodul 123. Daraufhin entleert der Lüfter 128 Abluft 154 durch das Rohr 156 zum Abluftfilter 160, woraufhin die Abluft 164 den Partikelsensor 106 über das Auslassrohr 162 verlässt. Optional kann mit dem Auslassrohr 162 ein Abluftverteiler 170 verbunden sein, um zusätzliche Richtung und Bewegungsleistung zu liefern, um die Abluft aus der Einrichtung zu bewegen. Wie im Stand der Technik bekannt ist, sind Drucksensoren 121 und 122 und ein Absolutdrucksensor 124 elektrisch mit einer Spannungssteuereinheit 126 verbunden, wobei die Spannungssteuereinheit 126 mit dem Lüfter 128 elektrisch verbunden ist, um die Drehzahl des Lüfters 128, wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, so zu steuern, dass der richtige volumetrische Fluss durch das System sichergestellt wird. Wie im Stand der Technik bekannt ist, erzeugt ein Laser 134 einen Laserstrahl 136, der den Fluss 138 so beleuchtet, dass gestreute Energie 140, die Partikel im Fluss 138 angibt, durch den Detektor 142 erfasst wird. Die Partikelabfühlelektronik 144 verstärkt das Signal vom Detektor 142 und liefert auf der Leitung 147 eine Ausgabe, die charakteristisch für einen Parameter der erfassten Partikel wie etwa die Anzahl der Partikel ist. Das Signal 147 wird durch eine Partikelzählerelektronik 108 analysiert, um die Ausgangsdaten wie etwa den Partikelzählwert in irgendeiner von dem Nutzer geforderten herkömmlichen Form zu liefern. Die Konstruktion der Flusszelle 132 wird unten in Verbindung mit 3 ausführlicher beschrieben.
Nunmehr übergehend zu 2 misst ein Luftflusssensor 121 den Luftfluss der Luft 151 durch eine Einengung 160 und misst der Innenatmosphärensensor 122 den Druck innerhalb des Sensors 106. Der Lüfter 128 saugt durch das Verbindungsrohr 152 Luft 151 an und entleert Luft 154 durch das Verbindungsrohr 156, den hocheffizienten Abluftfilter 160 und das Auslassrohr 162. Der einzige Auslass von Abluft aus dem Partikelsensor 106 ist durch den Filter 160, der die Abluft 164 reinigt und die Verunreinigung innerhalb des Systems 100 verringert. Der Atmosphärendrucksensor 124 liefert den absoluten Druck der in das System 100 eintretenden Umgebungsluft 117. Die Lüfterdrehzahl-Spannungssteuereinheit 126 empfängt über die Signalleitungen 184 Signale von den Sensoren 121, 122, 124 und reguliert über die Signalleitung 131 die Gleichspannung und somit die Drehzahl des Lüfters 128, um den volumetrischen Durchfluss der in den Partikelsensor 106 eintretenden Luft 117 zu steuern.
2 veranschaulicht die Prinzipien der Druckabfühlung innerhalb des Sensors 106, um einen genauen volumetrischen Durchfluss innerhalb des Sensors 106 zu erreichen. Der Durchfluss (Moleküle/Sekunde) der Luft in dem Abtastrohr 150 wird durch den Luftflusssensor 121 über die Einengungsöffnung 260 gemessen. Der Drucksensor 122 misst die Dichte der Luft innerhalb des Probenrohrs 150. Um die Anzahl der Partikel mit einem gewünschten volumetrischen Fluss zu erhalten, wird der volumetrische Fluss durch den Durchfluss und durch den atmosphärischen Druck bestimmt, wie sie durch den Luftflusssensor 121 bzw. durch den Drucksensor 122 geliefert werden. Der Drucksensor 122 kann sich an anderer Stelle innerhalb des Systems 100 befinden; allerdings kann mit dem Drucksensor 122 lokal im Sensor 106 ein genauerer volumetrischer Durchfluss bestimmt werden. Insbesondere wird wie in 1 als die Luftbewegungsvorrichtung innerhalb des Sensors 106 ein Lüfter 128 mit veränderlicher Drehzahl verwendet. Der Differenzluftfluss-Drucksensor 121 misst zusammen mit der Einengungsöffnung 260 den durch den Luftfluss durch die Öffnung 260 verursachten Druckdifferenzabfall über die Öffnung 260. Der Drucksensor 122 misst den absoluten Luftdruck direkt auf der Einlassseite der Einengungsöffnung 260. Der Absolutdrucksensor 124 misst den absoluten Luftdruck der Umgebungsluft 117. Die Lüftersteuereinheit 126 interpretiert die von den Drucksensoren 121, 122, 124 gelieferten Informationen und leitet auf der Signalleitung 131 ein Ausgangssignal ab, das die Drehzahl des Lüfters 128 steuert. Somit stellt das System 100 eine Rückkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis für den Lüfter 128 bereit.
Vorzugsweise liefert das Luftflusssystem 120 einen genauen volumetrischen Durchfluss von 0,1 oder 1,0 CFM, wie er von der Umwelt (d. h. von der Luftquelle 117) abgetastet wird. Das System 120 ist für die Verwendung bei Höhen im Bereich von näherungsweise Meeresspiegel bis 10.000 Fuß bestimmt. Das durch den Sensor 120 erzeugte Druckdifferenzsignal ΔP ist proportional zu dem Durchfluss durch den Partikelsensor 106; allerdings erfordert die Bernoulli-Gleichung, dass die Luftdichte beim Sensor 120 bekannt ist, um den tatsächlichen volumetrischen Durchfluss abzuleiten. Der Drucksensor 122 wird verwendet, um diese Luftdichte zu messen.
Die Druckabfälle in dem Fluss auf der Einlassseite des Drucksensors 122 veranlassen, dass die Luftdichte an dessen Ort etwas verschieden von der in der Umwelt der Luft 117 ist. Somit wird das Druckverhältnis (der Druck vom Drucksensor 122, dividiert durch den Druck vom Drucksensor 124) so interpretiert, dass der geforderte volumetrische Durchfluss beim Luftflusssensor 120, der einem von der Umwelt angesaugten volumetrischen Durchfluss von 1,0 CFM oder 0,1 CFM entspricht, aufrechterhalten wird. Somit erzeugt das Luftflusssystem 120 bei den gegenwärtigen Umweltbedingungen, wie sie für veränderliche Luftdichte wegen der Standorthöhe und örtlichen Luftdruckänderungen wegen Umweltbedingungen kompensiert sind, einen genauen volumetrischen Durchfluss von 0,1 bis 1,0 CFM.
Die folgenden Gleichungen sind in der obigen Diskussion nützlich bei der Bestimmung des volumetrischen Durchflusses:
Ideales Gasgesetz:

ρ = PM/RTwobei:

ρ

= Dichte (kg/m³)

P

= Druck (kPa)

M

= Molare Masse der Luft (28,97 kg/kmol)

R

= Universelle Gaskonstante (8,314 kJ/kmol·K)

T

= Temperatur (°K) ist.

Bernoulli-Gleichung:

Q = k·[(2·ΔP)/ρ]1/2 wobei

Q

= Volumetrischer Fluss

k

= empirisch bestimmte Konstante

ΔP

= Druckdifferenz

ρ

= Dichte ist.

Vereinfachte Gleichung für den volumetrischen Fluss Q innerhalb des Sensors 106:

Q = k·[(PAPSO·PDPS)1/2 + PAPSE] wobei:

Q

= Volumetrischer Umgebungsfluss

k

= empirisch bestimmte Konstante

P_APSO

= Druck des Drucksensors 124

P_DPS

= Druckdifferenz des Luftflusssensors 120

P_APSE

= Druck des Drucksensors 122 ist.

Vorzugsweise ist der Drucksensor 121 ein Druckdifferenzsensor Honeywell, Modell DCXL01DV, oder ein verstärkter Allsensor-Miniatur-Niederdrucksensor, Modell I, inch-G-P4V-Mini. Wegen weiterer Diskussion der Durchflussregelung siehe z. B. US-Patent Nr. 6.167.107 , erteilt am 26. Dezember 2000 an Thomas Bates u. a.
Übergehend zu 3 ist eine Flusszelle 132 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Flusszelle 132 enthält ein Flusszellengehäuse 308, ein Flusszellenfenster 319, eine Laserstrahl-Eintrittsblende 310, eine Laserstrahl-Austrittsblende 312 und einen Spiegel 326. Der Strahl 136 wird von dem Laser 134 erzeugt, geht durch das Fenster 319 und die Eintrittsblende 310 in die Abtastkammer 135 und verlässt die Flusszelle 132 durch die Austrittsblende 312. Wie in Verbindung mit 1 angegeben ist, geht der Laserstrahl 136 in der Kammer 135 durch einen aus der Einlassstrahldüse 130 austretenden Gasfluss 138, wobei Partikel innerhalb des Flusses 138 das Laserlicht streuen. Die Lichtstreuung in Richtung nach unten in 3 wird durch den Spiegel 326 in Richtung des Detektors 142 reflektiert. Der Spiegel 326 und irgendeine zugeordnete Sammeloptik umfassen ein Streulicht-Sammelsystem 330. Das im Laserstrahl 136 verbleibende Licht wird im Beam Dump 122 absorbiert. Das Streulicht-Sammelsystem wird vom Detektor 142 detektiert, ein Detektorsignal wird durch die Elektronik 144 verarbeitet und eine Signalcharakteristik eines Parameters der Partikel im Fluss 138 wird bei 147 ausgegeben. Der Detektor 142 und die Elektronik 144 umfassen ein Streulichterfassungssystem 340. Wie im Folgenden diskutiert wird, sind die Düse 130 und der Laserstrahl 136 gemäß der Erfindung wesentlich größer als die Düsen und Laserstrahlen, die in Partikelzählern und Partikelsensoren im Stand der Technik verwendet werden, was somit einen viel niedrigeren Druckabfall und einen anderen Typ des Lüfters 128 zulässt, als er in Partikelsensoren und Partikelzählern des Standes der Technik verwendet wird.
4 zeigt ein Partikelzählersystem 400 gemäß der Erfindung, wie es in einer Umgebung wie etwa in einer Fabrik genutzt werden kann. Das System 400 enthält mehrere Partikelsensoren 106A, 106B und 106C bis 106N, wobei N eine ganze Zahl gleich 2 oder größer ist, und einen Computer 410. In einigen Ausführungsformen können die Partikelsensoren 106A, 106B und 106C bis 106N durch Partikelzähler wie etwa 100 ersetzt sein. Die Partikelsensoren 106A, 106B und 106C bis 106N sind über Elektronikverbinder 404A, 404B und 404C bis 404N, von denen jeder ein entweder paralleles oder serielles Kabel oder eine drahtlose Verbindung, das Internet oder irgendein anderes Verfahren zum elektronischen Verbinden mit einem Computer sein kann, mit dem Computer 410 verbunden. Vorzugsweise ist jeder der Partikelsensoren 106A, 106B und 106C bis 106N ein Partikelsensor 106, wie er in 1 gezeigt ist. Der Computer 410 kann ein wie im Stand der Technik bekannter Personal Computer, eine Workstation oder ein anderer Computer mit installierter Partikelzählsoftware sein.
Ein Merkmal der Erfindung ist, dass der Partikelsensor 106 gemäß der Erfindung einen äußerst kleinen Druckabfall, vorzugsweise von weniger als 5 Zoll Wasser, bevorzugter von weniger als 3 Zoll Wasser und am meisten bevorzugt von weniger als 2 Zoll Wasser, aufweist. Dies lässt die Verwendung eines Axiallüfters als Luftbewegungsvorrichtung zu. Wie im Stand der Technik bekannt ist, bewegen Axiallüfter Luft in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Lüfter ist. Beispiele der bevorzugten Axiallüfter sind Lüfter mit hohem statischem Druck und gegenläufige Lüfter. Diese Vorrichtungen sind sehr wirksam beim Bewegen von Luft in dem Bereich niedrigen Druckabfalls. Wie im Stand der Technik bekannt ist, sind Lüfter mit hohem statischem Druck Axiallüfter, die Führungsrippen nutzen, um wenigstens einen Teil der Rotationsenergie der Luft in Energie entlang der Axialrichtung umzuwandeln. Ein Beispiel eines Lüfters mit hohem statischem Druck ist das Sunon-Modell PMD1204PQB1-A. Dieser Lüfter kann eine Druckdifferenz von näherungsweise 0 bis 1,25 Zoll Wasser erzeugen. Zwei Beispiele kommerziell verfügbarer gegenläufiger Lüftermodule sind das Sanyo-Denki-Modell Sun Ace 9CR0412S501 und das Sunon-Modell PMD1204PPB1-A. Gegenläufige Lüfter nutzen ein Paar rotierende Lüfterflügel, wobei sich ein Lüfterflügel in Uhrzeigerrichtung dreht und der andere Lüfterflügel entgegen der Uhrzeigerrichtung dreht. Vorzugsweise dreht sich außerdem jeder Lüfterflügel mit einer anderen Drehzahl. Zum Beispiel weist das Sunon-Modell PMD1204PPB1-A Flügel mit Drehzahlen von 14.500 min^–1 bzw. 9.500 min^–1 auf. Dies ermöglicht, dass das gegenläufige Lüftermodul eine Druckdifferenz erzeugt, die in Lüfterkonstruktionen üblicherweise nicht zu sehen ist. Das bevorzugte gegenläufige Lüftermodul kann eine maximale Druckdifferenz von fast 2 Zoll Wasser erzeugen. Das Anordnen zweier gegenläufiger Lüftermodule in Reihe setzt den Fortschritt von Drehung in Uhrzeigerrichtung zu Drehung entgegen der Uhrzeigerrichtung sowie die veränderlichen Drehzahlen fort und kann durchaus eine Druckdifferenz erzeugen, die sich 4 Zoll Wasser annähert.
Die Einlassstrahl-Querschnittsfläche von 0,1-CFM-Partikelsensoren des Standes der Technik variiert von näherungsweise 0,5 mm² bis 3 mm². Da dies die kleinste physikalische Einengung in dem Partikelsensorsystem ist, erzeugt sie den höchsten Druckabfall, wenn der Luftfluss durch sie gesaugt wird. Ein Merkmal der Erfindung ist, dass die Querschnittsfläche der Einlassstrahldüse 13 z. B. auf 4 mm² oder höher vergrößert ist. Tests haben gezeigt, dass eine Einlassstrahlfläche von 4 mm² einen Druckabfall von weniger als 0,5 Zoll Wasser erzeugt.
Die Einlassrohrleitungsgrößen für Partikelsensoren mit einem Durchfluss von 0,1 CFM des Standes der Technik haben einen Innendurchmesser (ID) von 1/8 Zoll (3,2 mm) und 1/4 Zoll (6,4 mm). Die Einlassrohrleitungs-Querschnittsfläche von Partikelsensoren des Standes der Technik liegt im Bereich von üblicherweise 7,92 mm² für eine Rohrleitung mit 1/8 Zoll ID bis 31,67 mm² für eine Rohrleitung mit 1/4 Zoll ID. Es ist üblich, Partikelsensoren irgendwo zwischen 0 und 5 Fuß Einlassrohrleitung zu betreiben. Der Druckabfall, der durch Abtastluft erzeugt wird, die entlang dieser Einlassrohrleitung fließt, ist der zweitgrößte Druckabfall in dem Partikelsensorsystem. Ein Merkmal der Erfindung ist, dass der Einlassrohrleitungs-Druckabfall so gesteuert wird, dass er an einen Axiallüfter angepasst ist. Die Nutzung eines Einlassrohrleitungsdurchmessers mit einem Innendurchmesser von 1/4 Zoll erzeugt für eine typische Länge von 5 Fuß einen Druckabfall bei einem Durchfluss von 0,1 CFM von wesentlich weniger als 0,2 Zoll Wasser. Es gibt weitere, kleinere Druckabfälle in dem Luftflusssystem; allerdings schafft die Erfindung unter Verwendung herkömmlicher Rohrleitungslängen einen Partikelsensor mit einem Durchfluss von 0,1 CFM, der einen Gesamtsystem-Druckabfall von weniger als 1,25 Zoll Wasser aufweist.
Die Einlassstrahl-Querschnittsfläche von 1,0-CFM-Partikelsensoren des Standes der Technik variiert von näherungsweise 5 mm² bis 20 mm². Da dies die kleinste physikalische Einengung in dem Partikelsensorsystem ist, erzeugt sie den größten Druckabfall, wenn der Luftfluss durch sie gesaugt wird. Gemäß der Erfindung ist die Einlassstrahl-Querschnittsfläche für einen 1,0-CFM-Partikelsensor 25 mm² oder höher. Tests haben gezeigt, dass eine Einlassstrahlfläche von 25 mm² einen Druckabfall von weniger als 1 Zoll Wasser erzeugt. Tests haben gezeigt, dass eine Einlassstrahlfläche von 30 mm² sich einem Druckabfall von 0,5 Zoll Wasser annähert. Somit weist ein Partikelsensor gemäß der Erfindung für die durch ein gegenläufiges Lüftermodul erzeugten verfügbaren 2 Zoll Druckabfall einen unbedeutenden Einlassstrahl-Druckabfall auf.
Die üblichsten Einlassrohrleitungsgrößen für Partikelsensoren mit einem Durchfluss von 1,0 CFM des Standes der Technik sind 1/4 Zoll (6,4 mm) und 3/8 Zoll (9,5 mm) Innendurchmesser (ID). Die Einlassrohrleitungs-Querschnittsfläche dieser Partikelsensoren des Standes der Technik liegt üblicherweise im Bereich von 31,67 mm² für eine Rohrleitung mit 1/4 Zoll ID bis zu 71,26 mm² für eine Rohrleitung mit 3/8 Zoll ID. Es ist üblich, Partikelsensoren mit einer Einlassrohrleitung irgendwo zwischen 0 und 5 Fuß zu betreiben. Der Druckabfall, der durch Abtastluft erzeugt wird, die entlang dieses Einlassrohrs fließt, ist der zweitgrößte Druckabfall in dem Partikelsensorsystem. Gemäß der Erfindung wird der Einlassrohrleitungs-Druckabfall ebenfalls höher gemacht, um an ein gegenläufiges Lüftermodul anzupassen. Wie dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird zum Minimieren des Transportverlusts großer Partikel empfohlen, dass die Einlassrohrleitung einen turbulenten Luftfluss mit einer Reynolds-Zahl größer als 3000 erzeugt. Dies kann als eine Richtlinie verwendet werden, um für irgendeinen gegebenen Durchfluss einen maximalen Einlassrohrleitungsdurchmesser festzusetzen. Bei einem Durchfluss von 1,0 CFM kann die Einlassrohrleitung einen Innendurchmesser von 12 mm aufweisen, während weiter eine Reynolds-Zahl höher als 3000 aufrechterhalten wird. Dieser Rohrleitungsdurchmesser herkömmlicher Länge erzeugt einen Druckabfall bei einem Durchfluss von 1,0 CFM von wesentlich weniger als 1 Zoll Wasser. Es gibt weitere, kleinere Druckabfälle; allerdings weist ein Partikelsensor mit einem Durchfluss von 1,0 CFM gemäß der Erfindung einen Gesamtsystem-Druckabfall von 2 Zoll Wasser oder weniger auf.
Da die Düse 130 des Partikelsensors gemäß der Erfindung größer ist, ist die Höhe des fokussierten Gasflusses 138 über die Abtastkammer 135 ebenfalls größer. Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass die Höhe des Gasflussstrahls in der vertikalen Richtung in 3 2,5 mm oder größer ist. Ein verwandtes Merkmal der Erfindung ist, dass die effektive Höhe des Laserstrahls 136 in der vertikalen Richtung in 3 ebenfalls im Wesentlichen 2,5 mm oder größer ist. Der Begriff "effektive Höhe" wird hier wie im Stand der Technik verwendet. Wie im Stand der Technik bekannt ist, verläuft eine Laserstrahlhöhe im Prinzip bis Unendlich, wobei aber die effektive Höhe die Höhe ist, über die der Strahl genug Energie aufweist, um beim Erfassen von Partikeln wirksam zu sein. Diese Energie wird allgemein als die Halbwertsbreite des Laserstrahls bezeichnet, d. h. als die Breite, bei der die Energie des Strahls von der Mitte des Strahls um die Hälfte abnimmt. Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, dass der Laser 134 des Partikelzählers gemäß der Erfindung vorzugsweise ein 50 mW-(50-Milliwatt-) bis 100 mW-Laser ist. Bevorzugter erzeugt der Laser 134 50 mW (Milliwatt) bis 100 mW Leistung in dem sichtbaren Strahl und am meisten bevorzugt bei einer Wellenlänge von im Wesentlichen 660 Nanometer. Ein solcher Laser liefert für einen Laserstrahl mit einer Höhe von 2,5 Millimetern und mehr über die gesamte effektive Strahlhöhe reichlich Leistung.
Ein Merkmal der Partikelsensor- und Partikelzählerkonstruktionen gemäß der Erfindung sind verringerte Kosten. Die früheren Kosten pro Probe von 500 $ bis 700 $ werden durch die Erfindung vorzugsweise auf weniger als 100 $ verringert. Ein anderes Merkmal der Erfindung ist die verringerte Größe. Das zuvor erwähnte Sunon-Lüftermodul mit hohem statischem Druck misst nur 40 mm mal 40 mm mal 28 mm. Dies ist viel kleiner, als die in Instrumenten des Standes der Technik verwendeten Luftbewegungsvorrichtungen. Das zuvor erwähnte gegenläufige Sunon-Lüftermodul misst nur 40 mm mal 40 mm mal 56 mm. Dies ist weniger als 1/4 der Größe der in Instrumenten des Standes der Technik verwendeten Luftbewegungsvorrichtungen. Ein abermals anderes Merkmal der Erfindung ist das verringerte Gewicht. Die Sunon-Lüftermodule wiegen weniger als 88,5 Gramm. Dies ist weniger als 1/4 des Gewichts der in Partikelsensoren des Standes der Technik verwendeten Luftbewegungsvorrichtungen. Ein abermals anderes Merkmal der Erfindung ist der verringerte Leistungsverbrauch. Die bei einer Maximalleistung von 16,8 W arbeitende Technologie gemäß der Erfindung verbraucht weit weniger Leistung als frühere Luftbewegungsvorrichtungen. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die lange Lebensdauer der Lüftermodule. Die Lüftermodule gemäß der Erfindung mit einer MTTF-Zeit (mittlere Zeit der ausfallfreien Arbeit) von üblicherweise 30.000 Stunden sind zur Verwendung in einem Partikelzählinstrument ideal geeignet.
Es ist ein neues Partikelsensor- und Partikelzählersystem beschrieben worden, das einen viel niedrigeren Gesamtsystem-Druckabfall über das Luftflusssystem aufweist. Selbstverständlich sind die besonderen in den Zeichnungen gezeigten und in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft und sollen nicht als Beschränkung der Erfindung verstanden werden, die in den folgenden Ansprüchen beschrieben wird. Obgleich die Erfindung hinsichtlich Partikelsensoren und Partikelzählern beschrieben wurde, kann sie z. B. mit irgendeinem Gas genutzt werden. Das heißt, an irgendeiner Stelle in dieser Offenbarung, an der das Wort "Luft" erscheint, kann das Wort "Gas" ersetzt werden. Ähnlich soll der Begriff "Gas", wenn er auf das Fluid angewendet wird, in dem die Partikel schweben, wie er hier verwendet wird, ebenfalls Partikelsensoren oder Partikelzähler enthalten, die im Gebiet als "Aerosolpartikelzähler" bezeichnet werden. Ferner kann der Fachmann auf dem Gebiet daran nun offensichtlich zahlreiche Verwendungen und Änderungen der spezifischen beschriebenen Ausführungsformen vornehmen, ohne von den erfinderischen Konzepten abzuweichen. Obgleich die Erfindung hinsichtlich 0,1-CFM- und 1,0-CFM-Partikelsensoren und -Partikelzählern beschrieben wurde, kann sie z. B. auf Partikelsensoren und Partikelzähler mit irgendeinem Durchfluss angewendet werden. Außerdem können die dargestellten Verfahren offensichtlich in vielen Fällen in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden; oder können für die verschiedenen beschriebenen Strukturen und Prozesse äquivalente Strukturen und Prozesse ersetzt werden.
Zusammenfassung
Ein Partikelsensor (106) zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem fließenden Gas schweben, umfasst eine Abgaskammer (135) mit einem Gaseinlass (115) und einem Gasauslass (162); ein Gasflussystem (120) für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass, eine Lichtquelle (134); ein optisches System (310, 319), welches das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem (330) das angeordnet ist, um durch die Partikel in dem Gas gestreutes Licht zu sammeln, und ein Erfassungssystem (340), das angeordnet ist, um das gesammelte Licht zu erfassen. Der Gesamtdruckabfall durch das Gasflussystem beträgt 3 Zoll Wasser oder weniger. Das Gasflussystem umfasst einen Axiallüfter (128), der ein Lüfter mit hohem statischen Druck oder ein gegenläufiger Lüfter sein kann. In einem 1,0 CFM-System weist die Einlassstrahldüse (130) eine Querschnittsfläche von 25 Quadratmilimeter oder mehr auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6167107 [0009, 0033]

Claims

Optischer Partikelsensor (106) zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem fließenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer (135) mit einem Gaseinlass (115) und einem Gasauslass (162); ein Gasflusssystem (120) für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; eine Lichtquelle (134); ein optisches System (310, 319), das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem (330), das angeordnet ist, um durch die Partikel in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem (340), das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor (142) enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist; wobei der optische Partikelsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gesamtdruckabfall durch das Gasflusssystem 3 Zoll Wasser oder weniger beträgt.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem der Gesamtdruckabfall 2 Zoll Wasser oder weniger beträgt.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem der Gesamtdruckabfall 1 Zoll Wasser oder weniger beträgt.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasflusssystem einen Axiallüfter (128) umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 4, bei dem der Axiallüfter einen Lüfter mit hohem statischem Druck umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 4, bei dem der Axiallüfter einen gegenläufigen Lüfter umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 4, bei dem das Gasflusssystem mehrere der Axiallüfter umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem das Gasflusssystem einen Gasfluss von im Wesentlichen 0,1 CFM (Kubikfuß pro Minute) aufweist und eine Einlassstrahldüse (130) mit einer Querschnittsfläche von 4 mm² (Quadratmillimeter) oder größer enthält.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 8, bei dem das Gasflusssystem eine Einlassrohrleitung (118) mit einem Innendurchmesser von 6,4 mm oder größer umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem das Gasflusssystem einen Gasfluss von im Wesentlichen 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) aufweist und eine Einlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 25 mm² (Quadratmillimeter) oder größer enthält.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 10, bei dem das Gasflusssystem eine Einlassrohrleitung (118) mit einem Innendurchmesser von 9,5 mm oder größer umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 10, bei dem das Gasflusssystem eine Einlassrohrleitung mit einem Innendurchmesser von 12 mm oder größer umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem das Gasflusssystem einen Gasfluss von im Wesentlichen 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) aufweist und eine Einlassstrahldüse (130) mit einer Querschnittsfläche von 30 mm² (Quadratmillimeter) oder größer enthält.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle einen Laser (134) mit einer Leistung von 50 Milliwatt oder höher umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle einen Laser mit einer Leistung von 100 Milliwatt oder höher umfasst.
Optisches Partikelzählersystem, das mehrere Partikelsensoren nach Anspruch 1 enthält.
Optischer Partikelsensor (106) zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem fließenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer (135) mit einem Gaseinlass (115) und einem Gasauslass (162); ein Gasflusssystem (120) für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; eine Lichtquelle (134); ein optisches System (310, 319), das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem (330), das angeordnet ist, um durch die Partikel in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem (340), das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor (142) enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist; wobei der optische Partikelsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gasflusssystem einen Axiallüfter (128) enthält.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 17, bei dem der Axiallüfter einen gegenläufigen Lüfter umfasst.
Optischer Partikelsensor nach Anspruch 17, bei dem der Axiallüfter einen Lüfter mit hohem statischem Druck umfasst.
Optischer Partikelsensor (106) zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem fließenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer (135) mit einem Gaseinlass (115) und einem Gasauslass (162); ein Gasflusssystem für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; eine Lichtquelle (134); ein optisches System (310, 319), das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem (330), das angeordnet ist, um durch die Partikel in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem (340), das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor (142) enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist; wobei der optische Partikelsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gasflusssystem einen Axiallüfter enthält, einen Durchfluss von im Wesentlichen 0,1 CFM (Kubikfuß pro Minute) und eine Gaseinlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 4 mm² (Quadratmillimeter) oder größer aufweist.
Optischer Partikelsensor (106) zum optischen Erfassen unbeschränkter Partikel, die in einem fließenden Gas schweben, wobei der optische Partikelsensor umfasst: eine Abtastkammer (135) mit einem Gaseinlass (115) und einem Gasauslass (162); ein Gasflusssystem (120) für das Fließenlassen des Gases von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass; eine Lichtquelle (134); ein optisches System (310, 319), das das Licht durch die Abtastkammer lenkt; ein optisches Sammelsystem (330), das angeordnet ist, um durch die Partikel in dem durch die Abtastkammer fließenden Gas gestreutes Licht zu sammeln; und ein Erfassungssystem (340), das angeordnet ist, um durch das optische Sammelsystem gesammeltes Licht zu erfassen, wobei das Erfassungssystem einen optischen Detektor (142) enthält, der ein elektrisches Signal erzeugt, das charakteristisch für die Partikel ist; wobei der optische Partikelsensor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gasflusssystem einen Durchfluss von im Wesentlichen 1,0 CFM (Kubikfuß pro Minute) und eine Gaseinlassstrahldüse mit einer Querschnittsfläche von 25 mm² (Quadratmillimeter) oder größer aufweist.
Verfahren zum Erfassen unbeschränkter Partikel in einem fließenden Gas, wobei das Verfahren umfasst: Fließenlassen des Gases, das die unbeschränkten Partikel enthält; Lenken eines Laserstrahls durch den Gasfluss; Sammeln von durch die Partikel in dem Gas gestreutem Licht; und Erfassen des gesammelten Lichts und Ausgeben eines Signals, das charakteristisch für einen Parameter der Partikel ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Fließenlassen das Fließenlassen des Gases, das die unbeschränkten Partikel enthält, unter Verwendung eines Axiallüfters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Fließenlassen das Verwenden eines gegenläufigen Lüfters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Fließenlassen das Verwenden eines Lüfters mit hohem statischem Druck umfasst.
Verfahren zum Erfassen unbeschränkter Partikel in einem fließenden Gas, wobei das Verfahren umfasst: Fließenlassen des Gases, das die unbeschränkten Partikel enthält, von einem Gaseinlass durch eine Abtastkammer zu einem Gasauslass; Lenken eines Laserstrahls durch den Gasfluss; Sammeln von durch die Partikel in dem Gas gestreutem Licht; und Erfassen des gesammelten Lichts und Ausgeben eines Signals, das charakteristisch für einen Parameter der Partikel ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Fließenlassen das Fließenlassen des Gases, das die unbeschränkten Partikel enthält, von dem Gaseinlass durch die Abtastkammer zu dem Gasauslass mit einem Gesamtdruckabfall von 3 Zoll Wasser oder weniger umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Fließenlassen das Fließenlassen des Gases mit einem Gesamtdruckabfall von 2 Zoll Wasser oder weniger umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Fließenlassen das Fließenlassen des Gases mit einem Gesamtdruckabfall von 1 Zoll Wasser oder weniger umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Lenken das Bilden eines Laserstrahls mit einer effektiven Strahlhöhe von 2,5 mm (Millimeter) oder höher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Lenken das Bilden eines Laserstrahls mit einer Leistung von 50 Milliwatt oder höher umfasst.