ES2912910T3 - Simulador de generación y de calibración de partículas para número y medición de partículas, y método - Google Patents

Simulador de generación y de calibración de partículas para número y medición de partículas, y método Download PDF

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Abstract

Un aparato (13) para simular la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas que comprende: una carcasa (21) que tiene una entrada (10) y una salida (11); un filtro (50) configurado para eliminar partículas de un diámetro específico; un tanque (46) de escape de líquido removible montado en un depósito del tanque sellado dentro de una ruta de flujo, el tanque de escape de líquido se configura para contener un fluido; un depósito (40) del tanque sellado; un elemento (45) de calentamiento montado dentro del depósito del tanque sellado, en el que el elemento de calentamiento está configurado para proporcionar una tasa de vaporización de fluido variable, y en el que el elemento de calentamiento está configurado para atomizar el fluido; y uno o más sensores (20, 47, 48) para medir al menos uno de presión, flujo, temperatura o humedad; caracterizado por que el aparato comprende adicionalmente cuatro válvulas (31) de control de flujo, donde una primera válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada (10) y la salida (11), en el que una segunda válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada y el filtro (50), en el que una tercera la válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque (40) sellado y el filtro (50), y donde una cuarta válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque (40) sellado y la salida (11).

Description

DESCRIPCIÓN
Simulador de generación y de calibración de partículas para número y medición de partículas, y método
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica prioridad sobre la solicitud de patente provisional presentada el 30 de julio de 2015 y con número de Solicitud de Estados Unidos asignado No. 62/198,944.
Campo de la divulgación
La presente divulgación se refiere a un aparato y un método para simular la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas, como motores de combustión interna y combustibles a base de carbono.
Antecedentes de la divulgación
Las emisiones de partículas pueden tener un efecto adverso sobre el medio ambiente, tienen el potencial, dependiendo del nivel de exposición, composición y distribución del tamaño, de ser profundamente dañinas para la salud humana y perjudiciales para los ecosistemas y la infraestructura creada por el hombre del mismo modo. Como resultado, muchas industrias enfrentan una presión cada vez mayor para monitorizar, reducir y/o limitar ciertas emisiones generadas por motores de combustión interna, chimeneas, otros sistemas que generan emisiones u otras fuentes.
Las emisiones relacionadas con los vehículos y el sector del transporte siguen siendo una de las principales fuentes de gases de efecto invernadero (GEI) y contaminación del aire en las zonas urbanas de todo el mundo. A modo de ejemplo, hubo más de 260 millones de vehículos en los Estados Unidos (EE. UU.) en 2012 que emitieron el 33% (1750 millones de toneladas métricas) de las emisiones de CO2 totales en EE. UU. En el mismo año, la participación del sector del transporte de EE. UU. en las emisiones totales de EE. UU. de CO, NOx, y material en partículas (PM) fueron 54%, 59% y 8%, respectivamente. Por lo tanto, se continúan enfocando recursos significativos en tácticas de reducción de emisiones que normalmente se dividen en dos categorías: actualización del inventario actual de la flota (por ejemplo, programas de inspección y mantenimiento (I/M) en carretera y/o en el compartimiento del motor, programas de combustible/vehículo/motor de posventa, etc.) o fabricación de vehículos nuevos (por ejemplo, revisiones de estándares para vehículos de nueva fabricación, etc.).
Cuando las partículas finas se identificaron por primera vez como un posible peligro para la salud, las agencias ambientales encontraron que era más conveniente y preciso medir las emisiones de partículas en términos de cuánta masa de partículas se emitía desde una fuente de contaminación determinada o cuánta masa estaba contenida en el aire ambiente que respiramos. Sin embargo, a medida que las fuentes de partículas se volvieron más limpias en respuesta a las regulaciones y la demanda de los consumidores, los investigadores descubrieron que el número de partículas ultrafinas en el aire ambiente está más estrechamente relacionado con los efectos sobre la salud que la masa total de esas partículas.
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (USEPA) define PM como una mezcla compleja de partículas extremadamente pequeñas y gotas de líquido formadas por varios componentes, que incluyen ácidos (tales como nitratos y sulfatos), productos químicos orgánicos, metales y partículas de tierra o polvo. La USEPA ha empleado el concepto de evaluación de PM de escape de vehículos desde la década de 1970, comenzando con la captura de muestras de emisión de partículas sobre papel de filtro recolectadas de muestras de escape de vehículos probadas en laboratorios. Las muestras recolectadas en masa se determinaron posteriormente utilizando un proceso gravimétrico. El PM fue entonces debidamente catalogado y documentado.
Más recientemente, el desarrollo de un sistema de medición del número de partículas (PN) por parte de la Unión Europea en 2007 permitió una medición más precisa y repetible del número de partículas emitidas. Los objetivos adicionales de la UE eran minimizar los cambios requeridos en las instalaciones de aprobación de tipo actual, emplear una métrica comprensible y que el sistema fuera sencillo de operar.
Se necesitan datos precisos de las emisiones para evaluar adecuadamente el impacto de las estrategias de reducción de emisiones. Al hacerlo, puede ser importante diferenciar entre los diferentes tamaños de PM/PN para comprender mejor tanto el proceso que los produjo como la(s) solución(es) potencial(es) para su reducción. Específicamente, el tamaño de las partículas atmosféricas normalmente varía desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros. Las partículas gruesas de más de un micrómetro están dominadas por fuentes biológicas (por ejemplo, esporas, polen, bacterias, etc.) o fuentes minerales.
Las partículas finas (menos de un micrómetro) normalmente son carbono elemental o construcciones sobrantes de gases tales como sulfatos, nitratos o carbono orgánico. Son los PM/PN que se originan en los procesos de combustión los que tienden a ser de gran interés. El rango de tamaño del carbono elemental (por ejemplo, “ultrafinos”), o partículas de menos de 0,1 micrómetros, está dominado por dichas partículas debido al proceso de combustión asociado con las actividades de transporte en carretera, fuera de carretera y sin carretera. Dichas partículas se han citado como peligrosas debido a los compuestos traza tóxicos (por ejemplo, metales pesados, hidrocarburos aromáticos policíclicos, etc.). La USEPA y el Centro Común de Investigación (JRC) de la Unión Europea han declarado que la concentración de dichas partículas es muy variable y parece demostrar un patrón significativo de variación, especialmente cerca de las áreas urbanas y la congestión del tráfico.
Además, el enfoque inicial de la regulación y, por lo tanto, de los sectores de fabricación fue sobre el PM, lo que condujo a un cambio en las distribuciones de tamaño de partículas producidas por muchas fuentes de partículas reguladas. Por ejemplo, los vehículos de generaciones anteriores tendían a emitir masas más grandes de partículas dominadas por materia muy gruesa (y a menudo visible), mientras que los vehículos más nuevos tienden a emitir menos partículas en masa pero mucho más pequeñas (y posiblemente, en base a los conocimientos científicos actuales, más dañinas). A medida que estos estándares globales continúan volviéndose más estrictos y la naturaleza de las partículas que se introdujeron para gestionar evoluciona, es imperativo que se desarrollen tecnologías de medición y sistemas de evaluación asociados que maximicen nuestro potencial para implementar estrategias efectivas de reducción de emisiones.
Un desafío al que se enfrenta actualmente es la calibración de rutina y la evaluación comparativa de los métodos de medición que cuantifican las emisiones de partículas más finas y/o las distribuciones de tamaño de grueso a fino. Como ejemplo, las tecnologías de monitorización basadas en la opacidad se han utilizado ampliamente en los programas de prueba de vehículos, tales como en el Programa de Inspección de Vehículos Pesados de California (HDVIP). Los instrumentos utilizados en estos programas también se pueden calibrar de forma fiable utilizando la “reducción de transferencia óptica”, que implica, por ejemplo, el uso de una lente de vidrio con un grado de grabado superficial medido con precisión colocado en la ruta del haz de luz de los analizadores ópticos. Esto significa que tanto el método de prueba como el procedimiento de validación se pueden realizar en ubicaciones al borde de la carretera, lo que permite la gestión “por vehículo” de las emisiones de partículas del vehículo. Sin embargo, este sistema solo es compatible con la regulación de partículas más grandes/más gruesas y no es sensible al PM más finas emitidas por camiones más modernos.
Existe una variedad de tecnologías de monitorización que permiten tanto la caracterización de la distribución del tamaño de las partículas como la medición de las emisiones de partículas más finas que ahora constituyen un componente de las emisiones de partículas. También existen múltiples métodos para la calibración y prueba de dichos sistemas, pero estos normalmente se basan en el uso de equipos diseñados y especificados en el laboratorio. Esta confianza se debe, en parte, a que los estándares tienen que ser extremadamente exigentes para replicar fielmente los “eventos de emisión” reales y, en parte, a que aún no se han identificado opciones comerciales escalables alternativas. Como un ejemplo, los sistemas de calibración de PM/PN recientes y los generadores de partículas utilizados en la industria automotriz han intentado recrear fielmente el hollín, las nanopartículas y los contaminantes de carbono. Este enfoque no solo es extremadamente costoso, sino que también requiere una cantidad significativa de energía, calor y una carcasa reforzada para contener el proceso requerido para la generación de dichas partículas, lo que restringe su aplicación en cualquier lugar excepto en entornos de laboratorio altamente controlados.
Lo que se necesita son enfoques de generación/calibración de partículas que se puedan aplicar de manera más rutinaria, tal como para la evaluación comparativa de rutina y la garantía de calidad de los estudios de PM, PN o datos de distribución de tamaño de partículas recolectados en un sistema de medición de emisiones portátil del mundo real (PEMS), procedimientos de prueba de dinamómetro a gran escala y enfoques de prueba “por vehículo” futuros similares al esquema HDVIP existente.
El documento US 2007/028662 divulga un sistema de generación de partículas configurado para proporcionar concentraciones variables de aerosoles monodispersos o polidispersos para la calibración de instrumentos. El sistema puede proporcionar concentraciones constantes en el rango de 0% a 100% de la concentración bruta. En particular, divulga un método para controlar la vaporización de un fluido que comprende: proporcionar un aparato que incluye: una carcasa que tiene una entrada y una salida; un filtro configurado para eliminar partículas de un diámetro específico; un tanque de escape de líquido removible montado en un depósito del tanque sellado dentro de una ruta de flujo, el tanque de escape de líquido se configura para contener el fluido; un depósito del tanque sellado; un elemento de calentamiento montado dentro del depósito del tanque sellado, en el que el elemento de calentamiento está configurado para proporcionar una tasa de vaporización de fluido variable, y en el que el elemento de calentamiento está configurado para atomizar el fluido; y generar partículas de referencia para la simulación de la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas.
Breve resumen de la divulgación
En una primera realización, se proporciona un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 para simular la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas. El aparato comprende una carcasa que tiene una entrada y una salida; un filtro configurado para eliminar partículas de un diámetro específico; un tanque de escape de líquido removible montado en un depósito del tanque sellado dentro de una ruta de flujo, el tanque de escape de líquido configurado para contener un fluido; un depósito del tanque sellado; un elemento de calentamiento montado dentro del depósito del tanque sellado; y uno o más sensores para medir al menos uno de presión, flujo, temperatura o humedad. El elemento de calentamiento está configurado para proporcionar una tasa de vaporización de fluido variable. El elemento de calentamiento está configurado para atomizar el fluido.
El fluido puede incluir un combustible de vaporizador de escape líquido que comprende al menos uno de glicerina vegetal, propilenglicol o solución salina; y, opcionalmente, un fluido depurador que comprende una mezcla de al menos un alcohol soluble en agua y al menos un solvente.
El aparato incluye adicionalmente cuatro válvulas de control de flujo. Una primera válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada y la salida. Una segunda válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada y el filtro. Una tercera válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque sellado y el filtro. Una cuarta válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque sellado y la salida.
El aparato puede incluir un controlador. El controlador puede configurarse para: abrir la primera válvula de control de flujo y cerrar la segunda, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire ambiente fluya a través del aparato; abrir la segunda válvula de control de flujo y cerrar la primera, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire filtrado fluya a través del aparato; abrir la tercera válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y cuarta válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN inalterada fluya a través del aparato; y abrir la cuarta válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y tercera válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN filtrada fluya a través del aparato.
El filtro se puede configurar para proporcionar funciones de tamaño y distribución de partículas tanto en el muestreo de aire ambiente como en un proceso de vaporización de escape de líquido. La ruta de flujo del filtro está diseñada para ser utilizada tanto por la muestra de aire ambiente como por la muestra de vapor.
El aparato puede incluir adicionalmente una bomba.
El aparato puede incluir adicionalmente una fuente de energía recargable dentro de la carcasa y acoplada electrónicamente al elemento de calentamiento; válvulas de control de flujo acopladas electrónicamente a la fuente de energía recargable; y un subsistema electrónico acoplado electrónicamente a la fuente de energía recargable. El subsistema electrónico está configurado para controlar el elemento de calentamiento y las válvulas de control de flujo. El subsistema electrónico está configurado para controlar de forma remota un proceso de vaporización y atomización utilizando un período de tiempo y una fuerza de carga que hacen que el elemento de calentamiento vaporice una porción variable del fluido.
El subsistema electrónico puede incluir un procesador lógico, un tablero de energía, un componente de comunicaciones inalámbricas o por cable y un convertidor de voltaje a digital.
La salida se puede configurar para acoplarse a un dispositivo de medición de PM/PN independiente y externo o a un mecanismo de bomba independiente y externo.
En una segunda realización, se proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 9 para controlar la vaporización de un fluido. El método comprende atomizar un fluido utilizando un elemento de calentamiento; y generar partículas de referencia para la simulación de la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas.
La partícula de referencia puede incluir un PM o un PN.
El método puede comprender adicionalmente la creación de condiciones para una simulación de PM o PN.
El fluido puede comprender un combustible de vaporizador de escape líquido que comprende al menos uno de glicerina vegetal, propilenglicol o solución salina; y, opcionalmente, un fluido depurador que comprende una mezcla de al menos un alcohol soluble en agua y al menos un solvente.
El método comprende adicionalmente proporcionar un aparato que incluye: una carcasa que tiene una entrada y una salida; un filtro configurado para eliminar partículas de un diámetro específico; un tanque de escape de líquido removible montado en un depósito del tanque sellado dentro de una ruta de flujo, el tanque de escape de líquido se configura para contener el fluido; un depósito del tanque sellado; un elemento de calentamiento montado dentro del depósito del tanque sellado; y cuatro válvulas de control de flujo. Una primera válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada y la salida. Una segunda válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada y el filtro. Una tercera válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque sellado y el filtro. Una cuarta válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque sellado y la salida. El elemento de calentamiento está configurado para proporcionar una tasa de vaporización de fluido variable. El elemento de calentamiento está configurado para atomizar el fluido.
El método puede comprender adicionalmente abrir la primera válvula de control de flujo y cerrar la segunda, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire ambiente fluya a través del aparato; abrir la segunda válvula de control de flujo y cerrar la primera, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire filtrado fluya a través del aparato; abrir la tercera válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y cuarta válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN inalterada fluya a través del aparato; y abrir la cuarta válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y tercera válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN filtrada fluya a través del aparato.
Descripción de los dibujos
Para una comprensión más completa de la naturaleza y objetos de la divulgación, se debe hacer referencia a la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos acompañantes, en los cuales:
La FIG. 1 es una representación esquemática de la placa superior de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La FIG. 2 es una representación esquemática de la placa inferior de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La FIG. 3 es una representación del depósito del tanque de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
La FIG. 4 es una representación de un filtro de acuerdo con una realización de la presente divulgación;
Las FIG. 5-10 son diagramas que muestran las etapas #1-6 de un ejemplo de calibración preoptimizada controlada por ordenador;
La FIG. 11 muestra los resultados de calibración de ejemplo para una secuencia de calibración completa (Ambiente, Filtrado, Vapor, Vapor/Filtrado, Filtrado y Ambiente); y
La FIG. 12 muestra los resultados de calibración de ejemplo para una serie de “ráfagas” de vapor y un gráfico que demuestra la previsibilidad.
Descripción detallada de la divulgación
Aunque el objeto reivindicado se describirá en términos de ciertas realizaciones, otras realizaciones, que incluyen las realizaciones que no proporcionan todos los beneficios y características establecidos en el presente documento, también están dentro del alcance de esta divulgación. Se pueden realizar varios cambios estructurales, lógicos, de etapas de proceso y electrónicos sin apartarse del alcance de la divulgación.
En el presente documento se divulga un aparato y un método para generar partículas de referencia (materia en partículas (PM)/número de partículas (PN)) y crear condiciones para una simulación de PM/PN y/o evento de copia. Las realizaciones de aparatos y métodos divulgadas en el presente documento reducen los desafíos de energía, calor, contención, así como peso y movilidad mediante el empleo de un método de vaporización y condensación que simula las variaciones de partículas pequeñas, medianas y grandes observadas en “eventos de emisión” de PM/PN tales como motores de vehículos, chimeneas de escape estacionarias, etc. El medio de vaporización/condensación se suministra en un depósito de líquido que se calienta electrónicamente para inducir la vaporización del líquido en un medio gaseoso. Luego, el líquido vaporizado se enfría a medida que se dispersa y se transporta dentro de un medio gaseoso, donde se condensa en gotitas de diferentes tamaños y, por lo tanto, genera una muestra de partículas de referencia. La composición y la distribución del tamaño de las partículas se modifican utilizando la formulación del combustible líquido, el diseño de vaporización/condensación y el posterior acondicionamiento de la muestra, tal como la filtración. El control fino del proceso se logra mediante el control fino de la tasa y duración del calentamiento. Los sensores en línea proporcionan retroalimentación adicional sobre las condiciones durante la etapa de generación de la muestra de referencia.
La vaporización y condensación producen gotitas a escala de nanopartículas en el medio gaseoso que se condensan espontáneamente debido a la sobresaturación del vapor o sobre sitios de nucleación en el medio gaseoso, tales como partículas ambientales o partículas metálicas que se desprenden de las partes internas del aparato.
Un evento de copia de PM/PN se describe como un evento que no incluye la combustión de un combustible a base de carbono, pero crea una dispersión de partículas/tamaño(s) de partículas y número similar a aquellos producidos por la combustión interna de un combustible a base de carbono.
El dispositivo comprende una carcasa, un tanque de líquido dispuesto dentro de la carcasa y adaptado para contener un fluido, un elemento de calentamiento dispuesto dentro de la carcasa y que se puede operar para vaporizar al menos una porción del fluido, un filtro, una fuente de energía dispuesta dentro de la carcasa y acoplado electrónicamente a la fuente de energía y al elemento de calentamiento, una porción electrónica adaptada para controlar el elemento de calentamiento y la fuente de energía, una salida que se extiende desde el tanque de líquido hasta una abertura en la carcasa y varios sensores (por ejemplo, presión, flujo, temperatura, humedad) para proporcionar información para la calibración de uno o más sistemas de medición de PM/PN y/o atmósfera(s).
En las FIG. 1 -4, el dispositivo 13 incluye una carcasa 21. Las FIG. 1 y 2 representan una placa superior y una placa inferior dentro del dispositivo 13. Por ejemplo, el depósito 40 del tanque sellado se extiende entre las placas superior e inferior. La placa superior y la placa inferior pueden ser del mismo tamaño o de diferentes tamaños. El dispositivo incluye una entrada 10 de muestra y una salida 11 de muestra en la carcasa 21. La salida 11 de muestra se puede conectar con un conducto para transportar la muestra generada a la atmósfera que se transporta a través de la ruta de flujo al emplear presión negativa, creada por un mecanismo de bomba interno o externo (no ilustrado), lo que hace que el aire de muestra generado fluya desde el aire a través del recipiente y el conducto a la atmósfera. Un medio gaseoso puede ser aire u otras mezclas de gases atmosféricos.
El dispositivo 13 incluye un sensor 20 de presión, un sensor 47 de temperatura y un sensor 48 de humedad. También se pueden incluir sensores adicionales. Estos sensores se utilizan para monitorizar las partículas/tamaños de partículas y las condiciones de generación. Por ejemplo, sensores adicionales pueden medir condiciones atmosféricas localizadas y/o uno o más de flujo o presión. El sensor 47 de temperatura y el sensor 48 de humedad pueden estar dispuestos o conectados a un depósito 40 del tanque sellado.
El depósito 40 del tanque sellado está equipado con una zapata 42 caliente electrónica y tiene un tanque 46 unido temporalmente o rellenable de otro modo lleno con un líquido de simulación de escape. La zapata 42 electrónica se puede unir a una base del depósito 40 del tanque sellado. Se incluye un filamento 45 del atomizador/vaporizador unido (u otro elemento de calentamiento) en el depósito 40 del tanque sellado. La vaporización se produce cuando el líquido de simulación de escape pasa por el filamento 45 del atomizador/vaporizador. Por lo tanto, el líquido de simulación de escape se atomiza utilizando calor.
El elemento de calentamiento también puede ser una bobina de calentamiento, un calentador cerámico u otro dispositivo de calentamiento además del filamento 45 del atomizador/vaporizador.
En el dispositivo 13 se puede utilizar un filtro 50, tal como un filtro de Detención de Partículas de Alta Eficiencia (HEPA). El filtro 50 está conectado al depósito 40 del tanque sellado, la entrada 10 de muestra u otros componentes del dispositivo 13.
Un mecanismo 30 de carcasa de control de flujo compuesto por válvulas 31 de control de flujo individuales se puede utilizar en el dispositivo 13. Parte del mecanismo 30 de carcasa de control de flujo y las válvulas 31 de control de flujo pueden estar debajo de la batería 66 y se muestran con líneas de puntos. Las válvulas 31 de control de flujo pueden estar dispuestas en una matriz de controladores de flujo y pueden incluir un solenoide u otros mecanismos. Las válvulas 31 de control de flujo pueden cambiar electrónicamente el flujo de muestra. Por lo tanto, las válvulas 31 de control de flujo se pueden conectar en varios puntos a lo largo de la tubería 12 del canal de muestra. El elemento de calentamiento, tal como el filamento 45 de atomizador/vaporizador, puede afectar la distribución del tamaño de las partículas. La tasa de flujo, el líquido de simulación de escape, la filtración, la presión u otras variables pueden afectar la distribución del tamaño de las partículas independientemente o en conjunto con el elemento de calentamiento.
En un ejemplo, se proporcionan cuatro válvulas 31 de control de flujo, aunque son posibles otros números o configuraciones. Una primera válvula 31 de control de flujo está dispuesta entre la entrada 10 y la salida 11, una segunda válvula 31 de control de flujo está dispuesta entre la entrada 10 y el filtro 50, una tercera válvula 31 de control de flujo está dispuesta entre el depósito 40 del tanque sellado y el filtro 50, y una cuarta válvula 31 de control de flujo está dispuesta entre el depósito 40 del tanque sellado y la salida 11.
En un ejemplo, un controlador está configurado para abrir la primera válvula de control de flujo y cerrar la segunda, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire ambiente fluya a través del aparato. El controlador está configurado para abrir la segunda válvula de control de flujo y cerrar la primera, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire del filtro fluya a través del aparato. El controlador está configurado para abrir la tercera válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y cuarta válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN inalterada fluya a través del aparato. El controlador está configurado para abrir la cuarta válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y tercera válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN filtrada fluya a través del aparato. La secuencia de estas etapas puede variar y se pueden producir etapas adicionales o etapas repetidas.
Un tablero 60 de energía controla parte o todo el procesamiento a bordo del dispositivo. El dispositivo 13 incluye una batería 66 y un convertidor 65 de voltaje para energizar la zapata 42 electrónica, un convertidor 61 de voltaje a digital y una unidad 62 de comunicaciones inalámbricas, que incluye una capacidad de entrada 63 y salida 64. Se pueden incluir otros componentes electrónicos de energía en el dispositivo 13. La tubería 12 de canal de muestra puede transportar cualquier escape, otro gas u otro vapor. El dispositivo 13 también puede incluir una o más baterías recargables integradas además de la batería 66. El dispositivo se controla a través de un controlador con cable o inalámbrico, tal como un ordenador 70. El dispositivo 13 puede ser comandado por comunicaciones de comando local o remoto utilizando el ordenador 70. El dispositivo 13 puede incluir un componente de comunicaciones inalámbricas o por cable para que el ordenador 70 envíe o reciba instrucciones o información del dispositivo 13.
La batería 66 puede ser una batería de iones de litio recargable en un ejemplo, aunque se pueden utilizar otros tipos de batería. Si bien se divulga una batería 66, también se puede utilizar una fuente de alimentación externa (por ejemplo, un paquete de baterías o una fuente de alimentación fija). Se pueden incluir baterías adicionales, tales como una batería adicional para energizar la zapata 42 electrónica u otro elemento de calentamiento.
El filtro 50 puede configurarse para ser reemplazable. El filtro 50 también puede tener un medio de filtración de una capacidad de eliminación y/o reducción del tamaño de partícula constante y conocida. Por ejemplo, el filtro 50 puede ser un filtro HEPA a 0,3 micrómetros/300 nm o un aire de partículas ultrabajas (ULPA) a 0,12 micrómetros/120 nm de filtración.
En un caso, el fluido líquido en el depósito 40 del tanque sellado incluye, consiste en, o consiste esencialmente en un combustible de vaporizador de escape líquido y, opcionalmente, un fluido depurador. El combustible líquido del vaporizador de escape puede ser uno o más de glicerina vegetal, propilenglicol, solución salina y otros ingredientes seguros y no tóxicos. El fluido depurador puede ser una mezcla de alcohol(es) soluble(s) en agua y disolventes. Son posibles otras mezclas para simulaciones particulares. Estos materiales solo se enumeran como ejemplos.
El dispositivo 13 se puede configurar para que sea portátil. La persona promedio puede llevar el dispositivo 13 utilizando una mano.
El dispositivo 13 se puede configurar para realizar la generación de partículas de tamaño variable y/o la calibración de PM/PN utilizando mediciones de flujo, humedad y temperatura ambiente. Estas pueden ser capacidades separadas y distintas o pueden combinarse. Cuando se combinan, estas tareas realizan una función unificada para generar una muestra de referencia de PM/PN controlada y asignar una corrección local basada en condiciones ambientales y/o condiciones atmosféricas situacionales, a fin de proporcionar una medida precisa y estandarizada de suministro de PM/PN.
El dispositivo 13 puede realizar una serie de condiciones o comandos seleccionados por el usuario o puede realizar una serie predeterminada de condiciones e instrucciones optimizadas a través de una interfaz informática. Por ejemplo, el aire ambiente ingresa al dispositivo 13 a través de la entrada de aire a través de la presión de aire negativa, creada, por ejemplo, por una microbomba interna opcional, otro tipo de bomba o por un sistema de detección de PM/PN externo con su propio mecanismo de bomba. El aire ambiente pasa a través de un dispositivo sensor de presión y luego se desvía a través de una de las cuatro rutas de flujo según una secuencia controlada por ordenador predeterminada y optimizada para un proceso de acondicionamiento. La temperatura y la humedad se pueden medir continuamente mientras el aire ambiente pasa a través del dispositivo sensor de presión. Como ejemplo: 1) el canal de aire ambiente proporciona una referencia in situ de PM/PN de fondo; 2) el canal de aire filtrado proporciona una referencia de “aire cero” ; 3) La muestra de vapor de PM/PN a través del canal de aire ambiente crea una muestra de variación del tamaño de partícula; y 4) la muestra de vapor de PM/PN a través del canal filtrado crea una muestra de subconjunto de nanopartículas.
El dispositivo 13 puede configurarse para generar PM, vapor y/o nanopartículas en un formato controlado con precisión. Por ejemplo, se puede usar un líquido de simulación de escape consistente, medible y predecible, con una salida de voltaje constante y una duración de la carga controlada digitalmente a través del software para proporcionar una salida precisa para una aplicación particular. La salida exacta puede variar dependiendo de la aplicación deseada.
Un ejemplo de calibración preoptimizada controlada por ordenador que se muestra como las etapas #1-6 en las FIG.
5-10. El sistema puede incluir una unidad de control electrónico (ECU), tal como un controlador. Por ejemplo, el ordenador 70 u otro controlador pueden configurarse para controlar las etapas #1-6. En las FIG. 5-10, las válvulas 31 de control de flujo cerradas tienen sombreado y las válvulas de control de flujo abiertas 31 no tienen sombreado. La ruta de flujo seguida por el fluido o el vapor se muestra con una línea continua, mientras que las rutas de flujo bloqueadas se muestran con líneas de puntos. Se ilustra un sensor 22 de flujo en la ruta del fluido.
La etapa #1 (FIG. 5) es un ejemplo de “Calibración Ambiental”. Tres de las cuatro válvulas de control de flujo están en la posición cerrada, forzando el aire ambiente a través de la única ruta restante, o ambiental, sin pasar por los canales de vaporización y filtro, proporcionando así una referencia in situ inalterada de PM/PN de fondo existente. La etapa #1 puede ejecutarse durante un período, tal como 20 segundos.
La etapa #2 (FIG. 6) es un ejemplo de “Calibración de Filtro”. Tres de las cuatro válvulas de control de flujo están en la posición cerrada, forzando el aire ambiente a través de la única ruta de filtro restante, sin pasar por los canales de vaporización y ambientales, proporcionando así una referencia filtrada o de “aire cero”. La etapa #2 puede ejecutarse durante un período, tal como 10 segundos.
La etapa #3 (FIG. 7) es un ejemplo de “Calibración Ambiental de Escape” (introducción de vapor). Tres de las cuatro válvulas de control de flujo están en la posición cerrada, forzando el aire ambiente a través de la única ruta de vapor restante, sin pasar por el filtro y los canales ambientales, proporcionando así una muestra de vapor de PM/PN inalterada que introduce una variación en el tamaño de partículas. La etapa # 3 puede ejecutarse durante un período, tal como 25 segundos, e incluir ráfagas, tales como cinco muestras o ráfagas de escape.
La etapa #4 (FIG. 8) es un ejemplo de “Calibración del Filtro de Escape” (vapor a través de filtro). Tres de las cuatro válvulas de control de flujo están en la posición cerrada, forzando el aire ambiente a través de la única ruta de vapor/filtro restante, sin pasar por el canal ambiental, fluyendo primero a través del mecanismo de vapor y luego por el medio filtrante, proporcionando así una muestra de vapor de PM/PN filtrada que restringe el tamaño de las partículas y crea un subconjunto de nanopartículas. La etapa #4 puede ejecutarse durante un período, tal como 25 segundos, e incluir ráfagas, tales como cinco muestras o ráfagas de escape.
La etapa #5 (FIG. 9) es una repetición de “Calibración HEPA”. Tres de las cuatro válvulas de control de flujo están en la posición cerrada, forzando el aire ambiente a través de la única ruta de filtro restante, sin pasar por los canales de vaporización y ambientales, proporcionando así una referencia filtrada o de “aire cero”. La etapa #5 puede ejecutarse durante un período, tal como 10 segundos.
La etapa #6 (FIG. 10) es una repetición de “Calibración Ambiental”. Tres de las cuatro válvulas de control de flujo están en la posición cerrada, forzando el aire ambiente a través de la única ruta restante, o ambiental, sin pasar por los canales de vaporización y filtro, proporcionando así una referencia in situ inalterada de PM/PN de fondo existente. La etapa #6 puede ejecutarse durante un período, tal como 20 segundos.
El tiempo y la secuencia de estas seis etapas pueden variar. En una realización, no se realizan todas las seis etapas. Se pueden repetir parte o toda la secuencia.
Los datos de cada etapa se pueden compartimentar y archivar para hacer referencia a casos de ejecución anteriores. Una base de datos relacional se puede utilizar para almacenar registros. Los datos de cada etapa se pueden registrar a un mínimo de 1 Hz de base. La etapa #1 y etapa #6 son etapas preparatorias que configuran las rutas de flujo de gas y los sensores para las condiciones de referencia. Los datos de estas etapas se pueden analizar para verificar la linealidad y el ruido del sensor. La etapa #2 y etapa #5 configuran la línea de base del dispositivo y generan “aire limpio”. Los datos del sensor de estas etapas pueden analizarse en busca de ruido sobre una base de promedio de ventana móvil. Los datos de la etapa # 3 se pueden utilizar para estimar la respuesta de PM gruesa y fina del dispositivo que se va a calibrar (por ejemplo, parSYNC fabricado por 3DATX Corporation de Buffalo, NY). Los datos de la etapa # 4 se pueden utilizar para estimar la respuesta de PM ultrafina del dispositivo que se va a calibrar. Dependiendo de la aplicación, la generación de PM puede ser funciones de impulso, de diente de sierra o de respuesta escalonada.
Las salidas pueden ser el tiempo de encendido/apagado de la válvula, el tiempo de encendido/apagado del elemento de calentamiento, el control de nivel del elemento de calentamiento, la métrica del flujo de gas y/o la humedad y/o la temperatura para el tren de muestra. Cuando se acopla con un dispositivo de medición de PM, las salidas pueden ser todas las anteriores, con límite de detección del sensor, linealidad y/o métricas de amplitud. En el ejemplo en el que se está calibrando un dispositivo independiente externo, la respuesta de los sensores puede ajustarse en base a una combinación de estados de PM, fino y/o PM ultrafino limpio del dispositivo. Como un ejemplo, la calibración de un sensor de partículas ultrafinas se ponderará más por su respuesta a la etapa # 4, mientras que la respuesta de un sensor de partículas finas o gruesas se ponderará más por su respuesta a la etapa # 3.
La FIG. 11 muestra resultados de calibración de ejemplo para una secuencia de calibración completa (Ambiente, Filtrado, Vapor, Vapor/Filtrado, Filtrado y ejecución de Ambiente). La FIG. 12 muestra los resultados de calibración de ejemplo para una serie de “ráfagas” de vapor y un gráfico que demuestra la previsibilidad. Las FIG. 11 y 12 se proporcionan para la calibración del modo de impulso. En un ejemplo, hay cinco (5) pulsos de tiempo y fuerza estrictamente controlados de generación de PM. El primer pulso se trata como una transición de modo y se omite de la calibración posterior. El ancho y la altura de la respuesta del sensor para cada pulso se refieren a la velocidad de respuesta del sensor y la capacidad de respuesta, respectivamente. En otro ejemplo, una ejecución de prueba conocida (por ejemplo, “Procedimiento de Prueba Federal” (FTP) de EE. UU.) con una salida y/o firma deseados (por ejemplo, Manhattan Cycle, IM240 Cycle, Orange County Cycle, UDDS Cycle o WVU Cycle) normalmente realizada en un dinamómetro de chasis o motor se puede convertir de salidas de velocidad y/o contaminantes en una salida de voltaje/amperaje correspondiente y/o PM/PN como una simulación de dispositivo. Son posibles otras salidas o resultados y estos son solo ejemplos.
Aunque la presente divulgación se ha descrito con respecto a una o más realizaciones particulares, se entenderá que se pueden realizar otras realizaciones de la presente divulgación sin apartarse del alcance de la presente divulgación. Por lo tanto, la presente divulgación se considera limitada únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato (13) para simular la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas que comprende:
una carcasa (21) que tiene una entrada (10) y una salida (11);
un filtro (50) configurado para eliminar partículas de un diámetro específico;
un tanque (46) de escape de líquido removible montado en un depósito del tanque sellado dentro de una ruta de flujo, el tanque de escape de líquido se configura para contener un fluido;
un depósito (40) del tanque sellado;
un elemento (45) de calentamiento montado dentro del depósito del tanque sellado, en el que el elemento de calentamiento está configurado para proporcionar una tasa de vaporización de fluido variable, y en el que el elemento de calentamiento está configurado para atomizar el fluido; y
uno o más sensores (20, 47, 48) para medir al menos uno de presión, flujo, temperatura o humedad; caracterizado por que el aparato comprende adicionalmente
cuatro válvulas (31) de control de flujo, donde una primera válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada (10) y la salida (11), en el que una segunda válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada y el filtro (50), en el que una tercera la válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque (40) sellado y el filtro (50), y donde una cuarta válvula de control de flujo está dispuesta entre el depósito del tanque (40) sellado y la salida (11) .
2. El aparato de la reivindicación 1, en el que el fluido comprende un combustible de vaporizador de escape líquido que comprende al menos uno de glicerina vegetal, propilenglicol o solución salina; y, opcionalmente, un fluido depurador que comprende una mezcla de al menos un alcohol soluble en agua y al menos un solvente.
3. El aparato de la reivindicación 1, comprende adicionalmente un controlador (70), en el que el controlador (70) está configurado para:
abrir la primera válvula de control de flujo y cerrar la segunda, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire ambiente fluya a través del aparato;
abrir la segunda válvula de control de flujo y cerrar la primera, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire filtrado fluya a través del aparato;
abrir la tercera válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y cuarta válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN inalterada fluya a través del aparato; y
abrir la cuarta válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y tercera válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN filtrada fluya a través del aparato.
4. El aparato de la reivindicación 3, en el que el filtro (50) está configurado para proporcionar funciones de tamaño de partículas y distribución de partículas en el que una ruta de flujo de filtro está diseñada para utilizarse tanto en el flujo de aire ambiente como en el flujo de muestra de vapor de PM/PN inalterado.
5. El aparato de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una bomba.
6. El aparato de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
una fuente (66) de energía recargable dentro de la carcasa y acoplada electrónicamente al elemento (45) de calentamiento y los valores (31) de control de flujo; y
un subsistema electrónico acoplado electrónicamente a la fuente (66) de energía recargable, en el que el subsistema electrónico está configurado para controlar el elemento (45) de calentamiento y las válvulas (31) de control de flujo, en el que el subsistema electrónico está configurado para controlar de forma remota un proceso de vaporización y atomización utilizando un período de tiempo y una fuerza de carga que hacen que el elemento de calentamiento vaporice una porción variable del fluido.
7. El aparato de la reivindicación 6, en el que el subsistema electrónico comprende un procesador lógico, un tablero (60) de energía, un componente (62) de comunicaciones inalámbricas o por cable y un convertidor (61) de voltaje a digital.
8. El aparato de la reivindicación 1, en el que la salida (11) está configurada para acoplarse a un dispositivo de medición de PM/PN separado y externo o a un mecanismo de bomba separado y externo.
9. Un método para controlar la vaporización de un fluido que comprende:
proporcionar un aparato que incluye:
una carcasa (21) que tiene una entrada (10) y una salida (11);
un filtro (50) configurado para eliminar partículas de un diámetro específico;
un tanque (46) de escape de líquido removible montado en un depósito (40) del tanque sellado dentro de una ruta de flujo, el tanque (46) de escape de líquido se configura para contener el fluido;
un depósito (40) del tanque sellado;
un elemento (45) de calentamiento montado dentro del depósito (40) del tanque sellado, en el que el elemento (45) de calentamiento está configurado para proporcionar una tasa de vaporización de fluido variable, y en el que el elemento (45) de calentamiento está configurado para atomizar el fluido; y
cuatro válvulas (31) de control de flujo, donde una primera válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada (10) y la salida (11), en el que una segunda válvula de control de flujo está dispuesta entre la entrada (10) y el filtro (51), en el que se dispone una tercera válvula de control de flujo entre el depósito (40) del tanque sellado y el filtro (50), y en el que se dispone una cuarta válvula de control de flujo entre el depósito (40) del tanque sellado y la salida (11) ; atomizar un fluido utilizando el elemento (45) de calentamiento; y
generar partículas de referencia para la simulación de la distribución de variable-tamaño de la materia en partículas y el número o números típicos de los sistemas de generación de partículas y nanopartículas.
10. El método de la reivindicación 9, en el que las partículas de referencia incluyen un PM o un PN.
11. El método de la reivindicación 9, que comprende adicionalmente la creación de condiciones para una simulación de PM o PN.
12. El método de la reivindicación 9, en el que el fluido comprende un combustible de vaporizador de escape líquido que comprende al menos uno de glicerina vegetal, propilenglicol o solución salina; y, opcionalmente, un fluido depurador que comprende una mezcla de al menos un alcohol soluble en agua y al menos un solvente.
13. El método de la reivindicación 9, comprende adicionalmente:
abrir la primera válvula de control de flujo y cerrar la segunda, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire ambiente fluya a través del aparato;
abrir la segunda válvula de control de flujo y cerrar la primera, tercera y cuarta válvulas de control de manera que el aire filtrado fluya a través del aparato;
abrir la tercera válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y cuarta válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN inalterada fluya a través del aparato; y
abrir la cuarta válvula de control de flujo y cerrar la primera, segunda y tercera válvulas de control de manera que una muestra de vapor de PM/PN filtrada fluya a través del aparato.
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