DE60005518T2 - Teilchennachweissystem und damit verbundene methoden - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf Partikelerfassungs-Systeme und -Verfahren und insbesondere auf Systeme, die ein Luftflußsystem aufweisen, das einen genauen volumetrischen Luftfluß von Partikeln zu einem Partikelsensor liefert.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Optische Aerosolpartikelzähler des Stands der Technik verwenden typischerweise entweder einen Massenflußsensor oder einen Drucksensor, der den Druckabfall über eine Restriktion überwacht, um die Flußrate innerhalb des Partikelzählers bzw. Teilchenzählers zu erstellen. Weil diese Vorrichtungen klein, kostengünstig und ohne weiteres verfügbar sind, werden sie in der Industrie weit verbreitet verwendet.
  • Beispielsweise ist der Stand der Technik vertraut mit Partikelsensoren und zugeordneten Luftflußsystemen, die einen Zentrifugallüfter verwenden, wie es in dem U.S.-Patent Nr. 5.515.164 beschrieben ist. 1 des '164-Patents stellt einen repräsentativen herkömmlichen Partikelsensor 10 und ein Luftflußsystem 12 in dieser Kategorie dar. Der Partikelsensor 10 umfaßt einen Erfassungshohlraum 10A und das Luftflußsystem 12 weist einen Lüfterhohlraum 12A auf. Das Luftflußsystem 12 zieht Luft von dem Erfassungshohlraum 10A, so daß Luft und Teilchen 14 von dem Zimmer 16 in den Erfassungshohlraum 10A gezogen werden, durch den Schlauch 18 und das Luftflußrohr 20. Das Luftflußrohr 20 verjüngt sich entlang einer einzigen Achse, so daß Luft und Teilchen 14 von dem Zimmer 16 in einen schmalen einachsigen Fluß 22 in dem Erfassungshohlraum 10A gezwungen werden.
  • Es ist in der Technik auch bekannt, die volumetrische Flußrate zu steuern, unter Verwendung des Druckabfalls über eine Restriktion in einem laminaren Fluß. Siehe beispielsweise das U.S.-Patent Nr. 5.922.976 in der Spalte 12 Zeile 19 bis 59.
  • Teilchen in dem Fluß 22 werden durch bekannte Techniken erfaßt. Insbesondere erzeugt der Laser 24 einen Laserstrahl 26, der orthogonal den Fluß 22 beleuchtet und verstreute Energie 26A erzeugt, die funktional abhängig von den Teilchen in dem Fluß 22 ist. Der Detektor 28 erfaßt verstreute Energie 26A und Detektorsignale von dem Detektor 28 werden durch Partikelzählelektronik 30 analysiert, zum quantifizieren der Anzahl von Partikeln in dem Fluß (zu Darstellungszwecken ist der Detektor 28 gezeigt, wie er gestreute Energie 26A in der gleichen Ebene sammelt wie der Strahl 26, während in Wirklichkeit der Detektor 28 typischerweise die Streuung 26A orthogonal sowohl zu dem Strahl 26 als auch dem Fluß 22 betrachtet).
  • Das Luftflußsystem 12 umfaßt einen Zentrifugallüfter 32, der durch den Motor 34 getrieben wird. Der Zentrifugallüfter 32 zieht Luft von innerhalb des Erfassungshohlraums 10A und direkt durch seine Mitte 32A, die mit dem Fluß 22 ausgerichtet ist. Der Ausstoß 14A von dem Lüfter 32 verläßt den Lüfterhohlraum 12A hauptsächlich als Russtoß 14B durch das Filter 36, außer daß ein Teil des Ausstoßes 14A, der als Ausstoß 14C bezeichnet wird, durch das Rohr 38 erfaßt wird und zu einem Flußsensor 40 geleitet wird, um die Flußrate durch den Lüfter 32 zu bewerten. Die Lüftersteuerung 42 empfängt elektrische Signale, die die Flußrate von dem Sensor 40 anzeigen, durch die Signalleitung 44, und weist den Motor 34 durch die Signalleitung 46 an, den Lüfter 32 auf eine voreingestellte Geschwindigkeit zu treiben, gemäß der Flußrate. Die Lüftersteuerung 42 arbeitet somit in einer Rückkopplungssteuerung des Lüfters 32 über den Flußratensensor 40 und den Motor 34.
  • Auf dem Gebiet der Partikelerfassung ist es wünschenswert, die Anzahl der Teilchen für eine genaue volumetrische Flußrate (d. h. ein Kubikfuß pro Minute, oder "CFM") zu bestimmen, wie sie aus der umliegenden Umgebung in dem Zimmer 16 abgetastet wird. Beispielsweise nehmen Partikelsensoren in "Reinräumen", die in der Technik bekannt sind, an, daß Verunreinigungspegel relativ zu einem Luftvolumen gemessen werden, und nicht relativ zu der Masse, da die Masse eines gegebenen Luftvolumens um über 20% variieren kann, allein aufgrund von Höhenänderungen. Wetterfronten induzieren zusätzliche Masse-pro-Volumen-Unterschiede von bis zu 3%.
  • Daher ist es ein Problem bei dem Partikelsensor und Luftflußsystem 10, 12 von 1, daß die tatsächliche volumetrische Flußrate für einen gegebenen Druck kalibriert wird, typischerweise auf "Meereshöhe", so daß Partikelzählen an anderen Orten keine korrekte volumetrische Flußrate wiederspiegelt. Manuelle Einstellungen können durchgeführt werden, um diese Fehler zu kompensieren, außer daß eine fortlaufende manuelle Einstellung benötigt wird, um eine Genauigkeit über sich verändernde Umgebungsbedingungen (z. B. Höhendruck und barometrischer Druck) sicherzustellen. Das U.S.-Patent Nr. 5.922.976 offenbart ein Aerosolpartikelerfassungssystem, das Druckschwankungen berücksichtigt, um einen konstanten volumetrischen Fluß unter Verwendung von Rückkopplungskompensation zu liefern. Dasselbe kann jedoch nicht die Anzahl von Teilchen für eine exakte volumetrische Flußrate liefern, wie aus der umliegenden Umgebung abgetastet wird, weil es einen Druckabfall verwendet, um eine relative volumetrische Flußrate zu bestimmen. Darüber hinaus funktioniert dieses System nur für laminaren Fluß, was es daran hindert, in einem kompakten Partikelsensor verwendet zu werden.
  • Ein weiteres Problem in dem Luftflußsystem 12, 1, ist, daß der Zentrifugallüfter 32 koaxial um den Fluß 22 ange ordnet ist, aufgrund des physikalischen Betriebs des Lüfters 32: Laut Definition ziehen Zentrifugallüfter Luft durch die Mitte des Lüfters. Folglich hat das Luftflußsystem 12 eine längliche Form entlang der Achse des Flusses, wodurch die Kompaktheit des Luftflußsystems 12 reduziert wird, wie es beispielsweise bei tragbaren Partikelerfassungsanwendungen gewünscht ist. Folglich, um die Kompaktheit zu verbessern, wird das Luftflußrohr 20 typischerweise kürzer als gewünscht gemacht, für eine optimale Leistungsfähigkeit. Das U.S.-Patent Nr. 5.534.706 zeigt eine Turbopumpe, die im Zusammenhang mit einem Partikelzähler verwendet wird, obwohl nicht auf eine integrierte Weise.
  • Ein weiteres Problem mit dem Luftflußsystem 12 in 1 ist, daß der Zentrifugallüfter 32 in der Menge der Druckdifferenz, die er handhaben kann, zwischen dem Erfassungshohlraum 10A und dem Lüfterhohlraum 12A begrenzt ist, wodurch die Fähigkeit des Partikelerfassens auf bestimmte Umgebungen beschränkt ist. Diese Beschränkung beim Betreiben innerhalb bestimmter Druckdifferenzen begrenzt auch die Filtermenge, die nach dem Lüfter 32 existieren kann, um die Verunreinigung zu reduzieren. Genauer gesagt, das Filter 36 kann im allgemeinen kein Hochleistungsverunreinigungsfilter sein, weil solche Filter eine zusätzliche Druckdifferenz bewirken. Herkömmliche Luftflußsysteme 12 verwenden daher typischerweise ein Rohfilter 36, was die Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung in dem Erfassungshohlraum 10A oder dem Raum 14 erhöht.
  • Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, einen Partikelsensor und ein Luftflußsystem zu schaffen, die die oben beschriebenen Probleme des Stands der Technik beseitigen oder reduzieren. Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, Verfahren zum Partikelerfassen bezüglich absoluter volumetrischer Flußraten zu schaffen, unabhängig von dem Ort des Partikelsensors. Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein kompaktes Partikelerfassungssystem mit reduzierter innerer Verunreinigung und mit reduzierter äußerer Verunreinigung der zu messenden Umgebung zu schaffen. Diese und andere Ziele werden in der folgenden Beschreibung offensichtlich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die folgenden Patente liefern nützliche Hintergrundinformationen für die Erfindung und beziehen sich auf Partikelsensoren und Luftflußsysteme: U.S.-Patent Nr. 5.467.189 ; U.S.-Patent Nr. 5.515.164 ; U.S.-Patent Nr. 5.600.438 ; U.S.-Patent Nr. 4.571.079 ; U.S.-Patent Nr. 4.984.889 ; U.S.-Patent Nr. 4.594.715 und U.S.-Patent Nr. 5.825.487 .
  • Bei einem Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer volumetrischen Flußrate für einen Partikelzähler in der Umgebungsatmosphäre, das die folgenden Schritte umfaßt: Ziehen von Umgebungsluft in den Partikelzähler; Bestimmen einer Luftflußrate durch den Partikelzähler; Bestimmen des atmosphärischen Drucks; und Bestimmen der volumetrischen Flußrate als eine Funktion der Luftflußrate und des atmosphärischen Drucks.
  • Vorzugsweise umfaßt der Schritt des Bestimmens des atmosphärischen Drucks die Schritte von (a) Bestimmen des absoluten Drucks in dem Partikelzähler und (b) Bestimmen des Drucks der Umgebungsatmosphäre.
  • Bei einem weiteren Aspekt kann der Schritt des Bestimmens der Luftflußrate das Bestimmen des Differenzdrucks innerhalb des Partikelzählers über eine Restriktion umfassen.
  • Die Erfindung eines weiteren Aspekts umfaßt einen Partikelsensor. Der Sensor umfaßt einen Erfassungshohlraum und einen regenerativen Lüfter, der Umgebungsluft in einen Fluß in dem Erfassungshohlraum zieht. Ein Laser beleuchtet den Fluß zum Erzeugen einer Laserstrahlung, die Partikel in dem Fluß anzeigt; und ein Detektor erfaßt die Laserstrahlung.
  • Eine Partikelerfassungselektronik bewertet und bestimmt Teilchen innerhalb des Flusses.
  • Bei einem anderen Aspekt umfaßt der Partikelsensor eine Mehrzahl von Drucksensoren und eine Lüftergeschwindigkeitsspannungssteuerung. Die Steuerung stellt die Geschwindigkeit des Lüfters gemäß Signalen von den Drucksensoren ein, so daß der Fluß eine vorausgewählte volumetrische Flußrate aufweist. Bei einem bevorzugten Aspekt ist die vorausgewählte volumetrische Flußrate 1CFM.
  • Bei anderen Aspekten umfassen die drei Drucksensoren einen ersten Drucksensor zum Bestimmen einer Flußrate durch den Partikelsensor; einen zweiten Drucksensor zum Bestimmen des absoluten Drucks in dem Partikelsensor; und einen dritten Drucksensor zum Bestimmen des Drucks der Umgebungsatmosphäre, die den Sensor umgibt.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt umfaßt der Sensor ein Hochleistungsausstoßfilter, zum Filtern von Luft, die von dem Lüfter ausgestoßen wird.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt umfaßt der Sensor einen Luftflußweg zwischen dem Erfassungshohlraum und dem regenerativen Lüfter. Bei diesem Aspekt hat der Luftflußweg zumindest eine Kurve zwischen dem Erfassungshohlraum und dem Lüfter.
  • Bei einem Aspekt umfaßt der Sensor einen Aerosolverteiler, der für eine Fluidkommunikation mit einem Einlaß des Partikelsensors verbunden ist. Der regenerative Lüfter zieht Luft von dem Verteiler mit der vorausgewählten volumetrischen Flußrate, und der Aerosolverteiler tastet die Umgebungsatmosphärenluft mit einer zweiten CFM-Rate ab, die höher ist als die vorausgewählte volumetrische Flußrate. Bei einem Beispiel ist die vorausgewählte volumetrische Flußrate 1CFM, und die zweite CFM-Rate ist 3CFM.
  • Bei einem weiteren Aspekt umfaßt der Sensor eine Hochflußraten-Verteilerpumpe. Die Pumpe zieht Luft in den Aerosolverteiler mit der zweiten CFM-Rate, und nimmt einen Ausstoß von dem Partikelzähler bei der vorausgewählten volumetrischen Flußrate auf.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Partikelerfassungssystem. Das System umfaßt einen Partikelzähler, einen regenerativen Lüfter, der Umgebungsluft durch ein Luftflußrohr in einen Fluß in dem System zieht, und eine Mehrzahl von Drucksensoren. Das System umfaßt auch eine Lüftergeschwindigkeitsspannungssteuerung, die die Geschwindigkeit des Lüfters gemäß Signalen von den Drucksensoren einstellt, um eine erste volumetrische Flußrate in dem Erfassungshohlraum zu erreichen. Ein Aerosolverteiler ist in Fluidkommunikation mit dem Partikelzähler zum Liefern von Umgebungsluft zu dem Erfassungshohlraum bei der ersten volumetrischen Flussrate verbunden, und eine Hochflußraten-Verteilerpumpe erfaßt den Ausstoß aus dem regenerativen Lüfter und dem Verteiler, so daß der Verteiler Umgebungsatmosphärenluft in den Verteiler zieht, bei einer zweiten volumetrischen Flußrate, die größer ist als die erste volumetrische Flußrate. Der Verteiler erlaubt das Abtasten mehrerer Positionen, die den mehreren Einlässen zu dem Verteiler entsprechen.
  • Das System umfaßt außerdem vorzugsweise einen hochwirksamen Ausstoßfilter zum Filtern von Luft, die aus dem Lüfter ausgestoßen wird.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Partikelsensor, der einen Erfassungshohlraum umfaßt. Eine Turbomolekularpumpe zieht Umgebungsluft in einen Fluß in dem Erfassungshohlraum. Ein Laser beleuchtet den Fluß zum Erzeugen einer Laserstrahlung, die Partikel in dem Fluß anzeigt. Ein Detektor erfaßt die Laserstrahlung und eine Partikelerfassungselektronik bestimmt Teilchen in dem Fluß.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, und es wird offensichtlich, daß verschiedene Hinzufügungen, Abzüge und Modifikationen durch einen Fachmann auf diesem Gebiet durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die Zeichnungen erhalten werden.
  • 1 stellt ein herkömmliches Partikelsensorsystem dar, das ein Luftflußsystem umfaßt;
  • 2 zeigt ein Partikelerfassungssystem, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, einschließlich einem Partikelsensor, einer Luftflußmechanik und einem entfernten externen Abtastverteiler;
  • 2A zeigt eine Schnittdraufsicht eines Teils des Verteilers von 2;
  • 3 stellt zusätzliche Einzelheiten des Partikelsensors und der Luftflußmechanik von 1 dar;
  • 4 stellt Druckerfassungstechniken dar, die in dem System von 1 verwendet werden;
  • 5 und 6 stellen perspektivische Ansichten eines Partikelsensors dar, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist; und
  • 7 stellt schematisch ein alternatives Partikelerfassungssystem der Erfindung dar und verwendet eine Turbomolekularpumpe in der Luftflußmechanik.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 2 stellt ein Partikelerfassungssystem 100 dar, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Umgebungsluft 101 wird erfaßt (d. h. "abgetastet") durch das System 100, durch einen von mehreren Einlässen 102, die Teil des Aerosolverteilers 104 sind. Wie es in 2A gezeigt ist, weist der Verteiler 104 einen hohlen Schwenkarm 104A auf, der sich in dem Verteiler 104 dreht 105, um mit einem Einlaß 102 eine Verbindung herzustellen, der wiederum durch das Rohr 108 eine Verbindung mit dem Partikelsensor 106 herstellt. Der Einlaß 102, der Schwenkarm 104A und das Rohr 108 erzeugen somit einen Fluidkommunikationsweg zwischen der Umgebungsluft 101 und dem Partikelsensor 106. Der Partikelsensor 106 mißt Teilchen in der Luft 101 relativ zu einer absoluten volumetrischen Flußrate.
  • Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dringt Luft 101 in den Abtasteinlaß 102 des Systems 100 während des Betriebs bei einer Rate von 3CFM ein. Durch die volumetrischen Flußverhältnisse in dem Schwenkarm 104A und dem Rohr 108 dringt Luft 101A in den Partikelsensor 106 mit einer volumetrischen Flußrate von 1CFM absolut ein. Eine solche Steuerung wird durch die folgende Beschreibung erhalten.
  • Luft, die in den Verteiler 104 gezogen wird, die nicht durch den Schwenkarm 104A und das Rohr 108 gesammelt wird, wird in den Hochgeschwindigkeitsverteilerausstoß 114 ausgestoßen, wie es durch die Ausstoßluft 107 angezeigt ist. Gleichartig dazu verläuft die Ausstoßluft 101B von dem Partikelsensor 106 durch den Verteilerverbinder 110 und die Röhrenverbindung 112 in den Hochflußraten-Verteilerausstoß 114. Eine Hochflußraten-Verteilerpumpe 116 zieht Ausstoßluft 101B, 107 aus dem System 100 durch den Verteilerausstoß 114. Das 3 : 1 Verhältnis von Luft 101, die in jeden Einlaß 102 relativ zu der Luft 101A eintritt, die in den Sensor 106 eintritt, durch den Schwenkarm 104A, erhält einen fortlaufenden Fluß innerhalb des Sensors 106 und beschränkt Nebensprechen zwischen benachbarten Einlässen 102. Genauer gesagt, die Verteilerpumpe 116 zieht die 1CFM-Ausstoßluft 101B von dem regenerativen Lüfter 128, 3, und auch die Ausstoßluft 107, die von den Verteilerabtasteinlässen 102 stammt, jeweils bei 3CFM. Falls beispielsweise der Verteiler 104 12 Einlässe 102 aufweist, ist der gesamte gezogene Luftfluß 12× 3CFM + 1CFM oder 37CFM insgesamt. Folglich wird die Verteilerpumpe 116 manchmal als "Hochgeschwindigkeits"-Verteilerpumpe bezeichnet.
  • Wie nachfolgend näher beschrieben wird, zeigt 2 darstellend, daß der Partikelsensor 106 einen Luftflußsensor 120 umfaßt, um einen Differenzdruck über eine Restriktion zu messen, einen absoluten internen Sensor 122 zum Messen des atmosphärischen Drucks in dem Partikelzähler 106, einen Absolutdrucksensor 124 zum Messen des Absolutdrucks der Umgebungsluft 101, und eine Lüftergeschwindigkeitsspannungssteuerung 126 zum Variieren der Drehgeschwindigkeit des regenerativen Lüfters 128, 3. Die Sensoren 120, 122, 124 werden kollektiv durch die Steuerung 126 verwendet, um die Geschwindigkeit des regenerativen Lüfters 128 in dem Partikelsensor 106 zu regeln, um einen genauen volumetrischen Luftfluß sicherzustellen.
  • 3 stellt weitere Einzelheiten des Partikelsensors 106 und der zugeordneten Luftflußmechanik dar, einschließlich des regenerativen Lüfters 128, die Luft in den Partikelsensor 106 und Luft aus demselben ziehen. 3 stellt ferner das Positionieren der Sensoren 120, 122, 124 dar, die durch den Sensor 106 verwendet werden, um einen korrekten volumetrischen Fluß sicherzustellen. Der regenerative Lüfter 128 zieht Luft 101A in den Partikelsensor 106 durch die Einlaßöffnung 130, die für eine Fluidkommunikation mit dem Rohr 108, 2, verbunden ist, und dann in den Erfassungshohlraum 132 zum Bewerten von Teilchen in einem Fluß 138 aus Luft 101A. Der Partikelsensor 106 umfaßt vorzugsweise ein Luftflußrohr 20', wie z. B. das Luftflußrohr 20, 1, um den Fluß 138 zu erzeugen. Wie es in der Technik bekannt ist, erzeugt ein Laser 134 einen Laserstrahl 136, der den Fluß 138 beleuchtet, so daß gestreute Energie 140, die Teilchen in dem Fluß 138 anzeigt, durch den Detektor 142 erfaßt wird. Eine Partikelerfassungselektronik 144 bewertet Signale von dem Detektor 142 durch die Signalleitung 145, um diese Teilchen für die ausgewählte volumetrische Flußrate, z. B. 1CFM, zu quantifizieren.
  • Der regenerative Lüfter 128 zieht ferner Luft 101A' aus dem Erfassungshohlraum 132 durch das Verbindungsrohr 146 und durch den Luftfluß- und inneren atmosphärischen Sensor 120, 122. Der Luftflußsensor 120 mißt den Luftfluß der Luft 101A' über eine Restriktion, was in Verbindung mit 4 beschrieben ist, und der Innenatmosphärensensor 122 mißt den Druck in dem Sensor 106. Der Lüfter 128 zieht Luft 101A' durch das Verbindungsrohr 148 und stößt Luft 101B durch das Verbindungsrohr 150, das hochwirksame Ausstoßfilter 152, die Röhrenverbindung 112 und den Verteilerverbinder 110 aus. Der einzige Ausgang von Ausstoß aus dem Partikelsensor 106 ist durch das Filter 152, das ausgestoßene Luft 101B reinigt, um die Verunreinigung in dem System 100, 2, zu reduzieren.
  • Der Externer-Umgebungsluftdruck-Sensor 124 liefert einen absoluten Druck der Umgebungsluft 101, die in das System 100 eindringt. Die Lüftergeschwindigkeitsspannungssteuerung 126 empfängt Signale von den Sensoren 120, 122, 124 über Signalleitungen 154 und regelt die Gleichsignalspannung und somit die Geschwindigkeit des regenerativen Lüfters 128 durch die Signalleitung 131, um die volumetrische Flußrate der Luft 101A zu steuern, die in den Partikelsensor 106 eintritt.
  • 4 stellt die Prinzipien der Druckerfassung in dem Sensor 106 dar, um eine genaue volumetrische Flußrate in dem Sensor 106 zu erhalten. Die Flußrate (Moleküle/Sekunde) von Luft 101A' in dem Abtastrohr 146 wird durch den Luft flußsensor 120 über die beschränkende Öffnung 160 gemessen. Der Drucksensor 122 mißt die Dichte von Luft in dem Abtastrohr 146. Um die Anzahl von Teilchen bei einem gewünschten volumetrischen Fluß zu erhalten, wird der volumetrische Fluß bestimmt durch die Flußrate und den atmosphärischen Druck, wie sie durch den Luftflußsensor 120 bzw. den Drucksensor 122 geliefert werden. Der Drucksensor 122 kann anderswo in dem System 100 positioniert sein, außer daß eine genauere volumetrische Flußrate bestimmt werden kann, wenn der Drucksensor 122 räumlich in dem Sensor 106 vorliegt.
  • Genauer gesagt wird der regenerative Lüfter 128 mit variabler Geschwindigkeit, 3, als die Luftbewegungsvorrichtung in dem Sensor 106 verwendet. Der Differenzluftflußdrucksensor 120 wird gemeinsam mit der beschränkenden Öffnung 160 verwendet, um den Differenzdruckabfall über die Öffnung 160 zu messen, der durch den Luftfluß durch die Öffnung 160 bewirkt wird. Der Drucksensor 122 wird verwendet, um den absoluten Luftdruck direkt in Verarbeitungsrichtung aufwärts von der beschränkenden Öffnung 160 zu messen. Der Absolutdrucksensor 124 wird verwendet, um den absoluten Luftdruck der Umgebungsluft 101 zu messen. Die Lüftersteuerung 126 interpretiert die Informationen, die durch die Drucksensoren 120, 122, 124 geliefert werden, und leitet ein Ausgangssignal auf der Signalleitung 131 ab, das die Geschwindigkeit des regenerativen Lüfters 128 steuert. Das System 100 liefert somit eine Geschlossene-Schleife-Rückkopplungssteuerung des Lüfters 128.
  • Das System 100, 2, liefert vorzugsweise eine genaue 1CFM volumetrische Flußrate, wie sie aus der Umgebung abgetastet wird (d. h. der Luftquelle 101). Das System 100 soll bei Höhen verwendet werden, die etwa von Meeresspiegel bis 10.000 Fuß reichen. Das System 100 ist auch vorzugsweise entworfen, um in Verbindung mit einem Aerosolverteiler 104 verwendet zu werden, der alle Komponenten des System 100 freilegt, mit der Ausnahme des Drucksensors 124, bis zu ungefähr 60 Zoll Wasservakuum im Hinblick auf die umliegende Umgebung. Das Differenzdrucksignal ΔP, das durch den Sensor 120 erzeugt wird, ist proportional zu der Flußrate durch den Partikelsensor 106, die Bernoulligleichung erfordert jedoch, daß die Luftdichte einem Sensor 120 bekannt ist, um die tatsächliche volumetrische Flußrate abzuleiten. Der Drucksensor 122 wird verwendet, um diese Luftdichte zu messen.
  • Druckabfälle in dem Stromaufwärtsfluß des Drucksensors 122 bewirken, daß die Luftdichte an der Position desselben etwas anders ist als in der umliegenden Umgebung der Luft 101. Wenn dieselbe mit dem Aerosolverteiler 104 verbunden ist, ist diese Luftdichte wesentlich anders als in der Umgebung. Daher wird das Druckverhältnis (Druck von dem Drucksensor 122 geteilt durch Druck von dem Drucksensor 124) interpretiert, um die erforderliche volumetrische Flußrate bei dem Luftflußsensor 120 beizubehalten, was einer 1CFM volumetrischen Flußrate entspricht, die aus der umliegenden Umgebung gezogen wird.
  • Das System 100 erzeugt somit eine genaue 1CFM volumetrische Flußrate bei den aktuellen Umgebungsbedingungen, wie sie für schwankende Luftdichte aufgrund von Ortshöhenunterschieden ausgeglichen wird, und lokalen Luftdruckänderungen, aufgrund von Umgebungsbedingungen.
  • Die folgenden Gleichungen sind beim Bestimmen der volumetrischen Flußrate nützlich:
  • Ideales Gasgesetz: p = PM/RTwobei
    • p = Dichte (kg/m3)
    • P = Druck (kPa)
    • M = Molarmasse von Luft (28,97 kg/kmol)
    • R = universelle Gaskonstante (8,314 kJ/kmol·K)
    • T = Temperatur (°K)
  • Bernoulligleichung: Q = k·[(2·ΔP)/ρ]½wobei
    • Q = volumetrischer Flußdiagramm
    • k = empirisch bestimmte Konstante
    • ΔP = Differenzdruck
    • p = Dichte
  • Eine vereinfachte Gleichung für volumetrischen Fluß Q in dem Sensor 106: Q = k·[(PAPSO·PDPS)½ ÷ PAPSE wobei
    • Q = volumetrischer Umgebungsfluß
    • k = empirisch bestimmte Konstante
    • PAPSO = Druck des Drucksensors 124
    • PDPS = Differenzdruck des Luftflußsensors 120
    • PAPSE = Druck des Drucksensors 122
  • Im Hinblick auf 2 sollte angemerkt werden, daß der Partikelsensor 106 ohne Verwendung von oder Verbindung zu dem Verteiler 104, der Röhrenverbindung 108, 112, der Hochflußraten-Verteilerpumpe 116 und dem Verteilerausstoß 114 arbeiten kann. Sobald derselbe mit den vorhergehenden verbunden ist, ist der Druck in dem Verteiler 104 jedoch vorzugsweise geringer als in der Umgebung, bei etwa 60 Zoll Wasser; daher der Zweck für den Drucksensor 124. Der Stand der Technik liefert nicht die Vorteile im Zusammenhang mit dem Betrieb in einer geschlossenen Schleife mit einem Verteiler 104 bei 60" von H2O. Ohne Verteiler 104 sind der Druck, der durch den Sensor 122 definiert wird, und der Druck, der durch den Sensor 124 definiert wird, gleich.
  • 5 stellt eine perspektivische Ansicht eines tragbaren Partikelsensors 200 dar, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Wie in 2 liefert ein regenerativer Lüfter 202 das Drucken und Ziehen von Luftfluß in dem Sensor 200. Eine interne Elektronik (z. B. ähnlich zu der Elektronik 144, 3) und ein Partikelzähler 208 (ähnlich zu dem Zähler 106, 2) bestimmen Teilchen in einem Umgebungsluftfluß, der in eine Einlaßöffnung 204 eindringt; und eine Farb-LCD-Anzeige 206 zeigt die Ergebnisse den Benutzern des Sensors 200 an. Der interne Betrieb, die Druckerfassung und der Luftfluß in dem Sensor 200 funktionieren wie es oben mit Bezugnahme auf 2–4 beschrieben ist.
  • 6 zeigt eine alternative perspektivische Ansicht des Sensors 200; und stellt zusätzlich einen entfernbaren Batteriestapel 209 dar, der zum Betreiben des Lüfters 202, der Motorsteuerung (z. B. ähnlich zu der Motorsteuerung 126, 3) und anderer Teile verwendet wird, die in dem Sensor 202 Leistung erfordern. Der Batteriestapel 209 gleitet selektiv in und aus dem Batteriefach 210.
  • 2–3, 5–6 stellten die Kompaktheit eines Partikelsensors dar, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der regenerative Lüfter liefert eine praktische Positionierung in dem Sensor, und die nichtlineare Anordnung von Einlaßrohren und Röhrenverbindungen zu dem Lüfter liefern zusätzliche Kompaktheit. Der Stand der Technik von 1 erfordert dagegen eine gemeinsame Ausrichtung zwischen dem Luftflußrohr und dem Zentrifugallüfter entlang einer gemeinsamen Luftflußachse, was die Kompaktheit des resultierenden Partikelsensors beschränkt, ohne eine optimales Luftflußrohr zu verkürzen. Das System der Erfindung ermöglicht dagegen wünschenswerterweise die Ausdehnung des Einlaßrohrs in den Erfassungshohlraum. Regenerative Gebläse erfordern im Vergleich zu Zentrifugalgebläsen auch weniger RPMs zum Ziehen der gleichen Menge an Luftvolumen durch solche Gebläse, und sind somit bei der Verwendung leiser.
  • 7 stellt einen alternativen Partikelsensor 106' ähnlich zu dem Sensor 106, 3, dar, außer der Verwendung einer Turbomolekularpumpe 300 und einer Turbopumpensteuerung 302 anstelle des regenerativen Lüfters 128 bzw. der Steuerung 126; gleiche Zahlen haben die gleiche Funktion bezüglich früheren Beschreibungen. Turbopumpen haben im Vergleich zu anderen Pumpen Vorteile, insbesondere im Bereich der Vakuumverschiebung: Turbopumpen können ein viel größeres Vakuum ziehen und erzeugen einen viel größeren Luftfluß als andere herkömmliche Pumpen. Die folgenden Patente liefern nützliche Hintergrundinformationen für den Turbopumpenbetrieb:
    U.S.-Patent Nr. 3.832.084 ; U.S.-Patent Nr. 3.969.042 ; U.S.-Patent Nr. 4.929.151 ; U.S.-Patent Nr. 4.893.985 ; U.S.-Patent Nr. 4.764.034 ; U.S.-Patent Nr. 4.734.018 ; U.S.-Patent Nr. 3.753.623 ; U.S.-Patent Nr. 3.947.193 ; U.S.-Patent Nr. 5.451.147 und U.S.-Patent Nr. 4.180.370 .
  • Die Erfindung erzielt somit die oben aufgeführten Aufgaben, neben denjenigen, die aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich sind. Es ist klar, daß ein Fachmann auf diesem Gebiet Änderungen und Hinzufügungen zu den beschriebenen Partikelzählern machen kann, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist. Beispielsweise sollte ein Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, daß mehrere regenerative Lüfter mit der Erfindung verwendet werden können, wie z. B. der regenerative Lüfter MINISPIRALTM (z. B. MDC Teilenummer SE12V21-037433) von der Rotron Technical Motor Division von AMETEK®.

Claims (18)

  1. Ein Verfahren zum Steuern einer volumetrischen Flußrate für einen Teilchensensor (106) in der Umgebungsatmosphäre, das folgende Schritte umfaßt: Ziehen von Umgebungsluft in den Teilchensensor; Bestimmen des atmosphärischen Drucks; und Bestimmen einer Luftflußrate durch den Teilchensensor, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt des Bestimmens der volumetrischen Flußrate als eine Funktion der Luftflußrate und des atmosphärischen Drucks.
  2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schritt des Bestimmens des atmosphärischen Drucks die Schritte des Bestimmens des absoluten Drucks in dem Teilchensensor und des Bestimmens des Drucks der Umgebungsatmosphäre umfaßt.
  3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schritt des Bestimmens der volumetrischen Flußrate das Bestimmen der volumetrischen Flußrate als Q in der folgenden Beziehung umfaßt: Q = k·[(PAPSO·PDPS)½ ÷ PAPSE wobei k eine empirisch bestimmte Konstante ist, PAPSO der absolute Druck in dem Teilchensensor ist, PDPS der Differenzdruck proportional zu der Flußrate ist, und PAPSE der umgebende atmosphärische Druck ist.
  4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, das ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schritt des Bestimmens der volumetrischen Flußrate das Verwenden der folgenden Beziehung bei der Auswertung von Q umfaßt: Q = k·[(2·ΔP)/ρ]½wobei ΔP der Differenzdruck in dem Teilchensensor über eine Restriktion ist, ρ PM/RT (kg/m3) ist, P der Druck ist (kPa), M die Molarmasse von Luft ist (28,97 kg/kmol), R die universelle Gaskonstante ist (8,314 kJ/kmol K) und T die Temperatur ist (°K).
  5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bestimmens der Luftflußrate das Bestimmen des Differenzdrucks in dem Teilchensensor über eine Restriktion umfaßt.
  6. Ein Teilchensensor, der folgende Merkmale umfaßt: einen Lüfter (128, 300) zum Ziehen von Umgebungsluft in einen Fluß (138) in dem Teilchensensor; einen Luft flußratendetektor; einen Laser (134) zum Beleuchten des Flusses zum Erzeugen einer Strahlung (140), die einzelne Teilchen in dem Fluß anzeigt; einen Detektor (142) zum Erfassen der Strahlung und eine Teilchenerfassungselektronik (144) zum Bestimmen von Teilchen in dem Fluß; wobei der Teilchensensor durch einen Atmosphärendrucksensor und durch eine Steuerelektronik gekennzeichnet ist, die auf den Luftflußratendetektor und den Atmosphärendrucksensor anspricht, um die volumetrische Flußrate in dem Fluß zu steuern.
  7. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 6, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der volumetrische Fluß eine vorausgewählte volumetrische Flußrate ist.
  8. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 7, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die vorausgewählte volumetrische Flußrate 1CFM beträgt.
  9. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 7, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Drucksensor einen ersten Drucksensor (122) zum Bestimmen des Drucks in dem Teilchensensor und einen zweiten Drucksensor (124) zum Bestimmen des Drucks der Umgebungsatmosphäre (101), die den Sensor umgibt, umfaßt.
  10. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 6, der ferner durch einen Hochleistungsausstoßfilter (152) zum Filtern von Luft, die von dem Lüfter ausgestoßen wird, gekennzeichnet ist.
  11. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 6, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lüfter einen regenerativen Lüfter umfaßt.
  12. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 11, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sensor einen Luftflußweg (146, 148) zwischen der Region, in der der La ser den Fluß schneidet, und dem regenerativen Lüfter umfaßt, und wobei der Luftflußweg zumindest eine Biegung zwischen der Region und dem Lüfter aufweist.
  13. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 11, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Aerosolverteiler (104) für eine Fluidkommunikation mit einem Einlaß (102) des Teilchensensors verbunden ist, wobei der regenerative Lüfter mit einer vorausgewählten volumetrischen Flußrate Luft von dem Verteiler zieht, und wobei der Aerosolverteiler Umgebungsatmosphärenluft (101) mit einer zweiten CFM-Rate abtastet, die größer ist als die vorausgewählte volumetrische Flußrate.
  14. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 13, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die vorausgewählte volumetrische Flußrate 1CFM beträgt und die zweite CFM-Rate 3CFM beträgt.
  15. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 13, der ferner durch eine Hochflußraten-Verteilerpumpe (116) gekennzeichnet ist, die verbunden ist, um Luft mit der zweiten CFM-Rate in den Aerosolverteiler zu ziehen, und um einen Ausstoß (101B) von dem Teilchensensor bei der vorausgewählten volumetrischen Flußrate aufzunehmen.
  16. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 6, der ferner durch einen Aerosolverteiler (104) gekennzeichnet ist, der verbunden ist, um Umgebungsluft zu dem Fluß zu liefern, und eine Hochflußraten-Verteilerpumpe (116), die mit dem Verteiler verbunden ist, und verbunden ist, um einen Ausstoß (101B) von dem Lüfter aufzunehmen, um die Luft von dem Luftfluß zu der Verteilerpumpe zurückzuleiten.
  17. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 16, der ferner durch einen Hochleistungsausstoßfilter (152) zum Filtern von Luft, die von dem Lüfter ausgestoßen wird, gekenn zeichnet ist, wobei das Ausstoßfilter in einer Geschlossene-Schleife-Fluidkommunikation mit dem Ausstoß von dem Verteiler ist.
  18. Ein Teilchensensor gemäß Anspruch 6, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lüfter eine Turbomolekularpumpe (300) umfaßt.
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