JP2020187115A - 環境センサを備えるセンサデバイス内の流量測定 - Google Patents
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Abstract
【課題】メインチャネルと、メインチャネルの測定領域内の流体の少なくとも1つの被測定変数を特定するように構成される環境センサデバイスを提供する。【解決手段】センサデバイスが、入口11と、出口12と、入口と出口との間に延在するメインチャネル13を備え、メインチャネルは、流体が流れ方向Fに沿ってメインチャネルを通って流動できるようにする。環境センサ20が、メインチャネルの測定領域14内の流体と相互作用するように配置される。メインチャネルは、測定領域から上流にある第1の圧力タップ31と、測定領域から下流にある第2の圧力タップ32とを有する。差圧センサ40が、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間の圧力差を特定する。【選択図】図1
Description
本発明は、センサデバイスの入口と出口との間に延在するメインチャネルを備え、メインチャネルの測定領域内の流体の少なくとも1つの特性を特定するように構成される環境センサを備えるセンサデバイスに関する。環境センサは、例えば、空気中の1以上の気体被分析物の濃度を特定するための粒子状物質センサ又は気体センサとすることができる。
そのようなセンサデバイスにおいて、環境センサの出力信号は、多くの場合に、メインチャネルに入る流体の組成だけでなく、メインチャネルを通る流量にも依存する。それゆえ、メインチャネルを通る流量を特定することが望ましい。
特許文献1は、フローチャネルを画定するエンクロージャを備える粒子状物質センサデバイスを開示する。放射線源が、フローチャネルの中に放射線を放出する。放射線検出器が、フローチャネルを通って流れる流体サンプル内の粒子状物質と放射線が相互作用した後に、放射線の少なくとも一部を検出する。そのデバイスは、フローチャネル内の流量を特定するための流量計を備えることができる。この文献は、流量計のタイプ及び構成について言及していない。
特許文献2は、空気通路を備える粒子状物質センサデバイスを開示する。レーザが空気通路の中に光を照射し、光検出器が、空気中に浮遊する粒子から散乱する光を検出する。空気通路内の空気流量を測定するために熱流量計が設けられる。流量計は、プリント回路基板上に配置される。特許文献2は、流量計のタイプ及び構成について言及していない。
本発明の目的は、メインチャネルと、メインチャネルの測定領域内の流体の少なくとも1つの被測定変数を特定するように構成される環境センサとを有するセンサデバイスを提供することであり、センサデバイスは具体的には、被測定変数に及ぼすメインチャネルを通る様々な流量の影響を簡単かつ確実な方法で考慮に入れるように構成される。
この目的は、請求項1に記載の環境センサデバイスによって達成される。本発明の更なる実施形態が、従属請求項において規定される。
本発明は、流体の少なくとも1つの特性を特定するように構成されるセンサデバイスを提供する。流体は、気体(「気体」という用語は、気体の混合物を含む)か、又はエアロゾル、すなわち、気体内の細かい固体粒子若しくは液滴の分散系とすることができる。特に、流体は、センサデバイスの環境からの周囲空気とすることができる。センサデバイスは、入口と、出口と、入口と出口との間に延在するメインチャネルであって、流体が流れ方向に沿ってメインチャネルを通って入口から出口まで流動できるようにする、メインチャネルとを備える。センサデバイスは、メインチャネルの測定領域内の流体から少なくとも1つの被測定変数を特定するように構成される環境センサを更に備える。メインチャネルは、測定領域から上流にある第1の圧力タップと、測定領域から下流にある第2の圧力タップとを有する。差圧センサ、好ましくは、フロータイプ(flow−type)差圧センサが、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間の差圧を特定するように構成される。制御デバイスが、入力信号を受信し、入力信号に基づいて、出力信号を導出するように構成される。入力信号は、環境センサからの環境センサ信号と、差圧センサからの差圧信号とを含む。具体的には、出力信号は、環境センサ信号及び差圧信号の両方に依存する。出力信号は、流体の前記少なくとも1つの特性に関する指標である。
メインチャネルを通る流れが、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間のメインチャネル内の流れ抵抗に起因して、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間に差圧を引き起こすことになり、差圧の大きさは、メインチャネルを通る流量によって決まる。圧力タップ間の圧力差を特定するために、メインチャネル内の流量の指標が取得され、流量を適切に考慮に入れる出力信号を導出することができる。
第1の圧力タップ及び第2の圧力タップはそれぞれ、測定領域の上流及び下流に配置される。したがって、圧力差は、「バイパス」構成において特定され、差圧センサは、測定領域を迂回する。この構成は、センサデバイスの主な設計を変更することなく、メインチャネル及び差圧センサの設計を、流量が大きく異なる種々のシナリオに合わせるだけの大きい自由度を与える。
差圧センサは、フロータイプ差圧センサとすることができる。フロータイプ差圧センサは、第1及び第2のセンサポートと、センサポート間の(通常は細い)フローチャネルとを備える。センサポート間の圧力差が、フローチャネルを通る小流を引き起こす。マイクロ熱センサが、この小流の流量に関する指標を特定する。それにより、本質的には、測定領域を迂回するバイパスチャネルを通る流量が測定される。バイパスチャネル内の流量は、メインチャネル内よりはるかに少ない。バイパス構成のフロータイプ差圧センサは、それゆえ、メインチャネル内に直接存在する熱流量センサより、埃、水、雪などによる汚染を受けにくい。
「上流」及び「下流」という用語は、入口から出口までの流れとの関連において理解されるべきである。言い換えると、第1の圧力タップは、測定領域から上流に配置され、入口と測定領域との間に位置する。同様に、第2の圧力タップは、測定領域から下流に配置され、測定領域と出口の間に位置する。各圧力タップは、メインチャネルを画定する壁内の(通常、小さい)開口部によって形成することができる。
本開示において、「環境センサ」という用語は、環境からセンサデバイスのメインチャネルに入った流体から1以上の被測定変数を特定するように構成される1以上の構成要素の任意の構成に関連すると理解されるべきである。特に、流体は周囲空気とすることができ、センサデバイスは、空気品質、例えば、道路付近の屋外の空気若しくは閉じた部屋内の空気、HVACシステムに入る空気、車内の空気若しく車の内部に入る空気、船内の空気、航空機内の空気などを監視するように設計することができる。いくつかの実施形態において、環境センサは、エアロゾル内の粒子状物質(PM)の1以上の特性を特定するように構成される粒子状物質センサを含むことができる。他の実施形態では、環境センサは、揮発性有機化合物(VOC)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)又は二酸化炭素(CO2)などの空気中の1以上の気体被分析物の濃度を特定するように構成される気体センサを含むことができる。他の実施形態では、環境センサは、空気の湿度を特定するための湿度センサ、又は空気品質を特徴付ける任意の他の量を特定するための他のタイプのセンサを含むことができる。
一般的に言うと、環境センサが利用されるとき、多くの場合に、流体の何らかの成分の濃度に関心があり、したがって、センサデバイスによって特定される流体の少なくとも1つの特性は、単位体積あたりの流体のある成分の濃度を含むことができる。
特に、環境センサは、エアロゾル内の粒子状物質に関連する少なくとも1つの被測定変数を特定するための粒子状物質センサを備えることができる。具体的には、粒子状物質センサは、メインチャネル内に放射線を生成するように構成される放射線源と、測定領域内の流体内の粒子状物質から散乱する放射線を検出するように構成される放射線検出器とを備えることができる。放射線源は、可視光、IR光又はUV光を生成するための光源とすることができる。特に、光源は、レーザ又はLEDと、任意選択で、レーザ/LEDからの光をメインチャネルの測定領域の中に合焦させるための1以上のレンズとを備えることができる。放射線検出器は、散乱光を記録するように構成される光検出器とすることができる。そのような粒子状物質センサは通常、粒子カウンタとして機能し、すなわち、個々の散乱事象と、任意選択で、各散乱事象の大きさとを記録する。それにより、単位時間あたりに検出される粒子の数をカウントすることができ、すなわち、少なくとも1つの被測定変数は、単位時間あたりの粒子の数を含み、任意選択で、その粒径分布を特定することができるか、又は粒径カットオフを規定することができる。単位時間あたりの数は、メインチャネルを通る流量に大きく依存する。しかしながら、多くの場合に、主に、単位時間あたりの数に関心があるのではなく、流体の単位体積あたりの数又は質量濃度に関心があり、すなわち、センサデバイスによって特定されるべきである流体の少なくとも1つの特性は、単位体積あたりの粒子状物質の濃度を含む。単位時間あたりの数から単位体積あたりの濃度を特定できるようにするために、流体の体積流量に関する指標が必要とされる。本発明によれば、測定領域にわたる圧力差を特定することによって、体積流量に関する指標を独立して特定できるようになる。特に、制御デバイスは、較正データを用いて、差圧信号に基づいて体積流量信号を導出し、例えば、単純な除算によって、環境センサ信号及び体積流量信号から出力信号を計算するように、構成することができる。
他の適用例では、被測定変数は既に、濃度に関する直接の指標である場合がある。これは、例えば、空気中の1以上の気体被分析物を検出するための数多くの気体センサがある場合、又は数多くの湿度センサがある場合に当てはまる。しかしながら、そのような場合であっても、被測定変数は多くの場合に、ある程度、メインチャネルに入る流体の組成に依存するだけでなく、メインチャネルを通る流量にも依存することになる。これは、例えば、空気流の冷却又は脱水効果に起因する場合があり、それがセンサ信号に影響を及ぼす場合がある。それゆえ、濃度指標を直接特定するセンサの場合でも、流動効果に関してセンサ信号を補正できるようにするために、それゆえ、メインチャネルを通る流量に関する指標を有することが望ましい。本発明はそのような補正を可能にし、したがって、気体センサによって特定されるべき流体の少なくとも1つの特性は、流動補正済み濃度値及び/又は流動補正済み湿度値を含むことができる。
いくつかの従来技術の実施態様では、流量はいくつかの他の既知のパラメータから推定される。例えば、メインチャネルを通る強制流をファンによって生成することができ、ファンに供給される電力を、結果として生じる流量に関する指標として使用することができる。しかしながら、実際の流量は、ファンに供給される電力レベルより、周囲圧力及び温度などの様々な他のパラメータによって影響を及ぼされる可能性が高く、ファンの経年変化及びフローチャネル内の汚染などの影響を受ける可能性がある。メインチャネルを通る流れが、ファン以外の他の手段によって生成される場合には、流量は全くわからない場合もある。例えば、HVACシステム内の送風機によって、又は車両における向かい風の影響によって可変の流量が生成される場合があり、流量の推定値が入手できない場合がある。本発明は、メインチャネルを通る流量に関する指標を独立して特定できるようにすることによって、そのような実施態様より優れた改善を行う。
また、本発明は、メインチャネルの過密を検出できるようにする。これは、種々の流量における被測定圧力差を、メインチャネル内の流量と相関がある他の量と相関させることによって達成することができる。例えば、センサデバイスがファンを備える場合には、圧力差をファン速度又はファン電力と相関させることができる。ファン速度又はファン電力への圧力差の依存性は、メインチャネル内が過密になると変化することになる。そのような変化は容易に検出することができる。
一般に、圧力ポート間の圧力差は、メインチャネルを通る体積流量だけでなく、フローチャネルに入る流体の温度及び絶対圧にも依存する。これは、流体が、空気などの気体又はエアロゾルである場合に特に当てはまる。なぜなら、その場合、流体密度が、一般的な気体方程式を介して、温度及び圧力に依存することになるためである。簡単な実施形態では、圧力差から体積流量を取得するために、例えば、センサデバイスの既知の平均動作温度を使用したり、海水面における平均空気圧を使用して、何らかの固定温度及び圧力を単に仮定することができる。より高度な実施形態では、センサデバイスは温度センサを更に備え、制御デバイスは、温度センサから温度信号を受信するように構成される。それゆえ、制御デバイスへの入力信号は温度信号を含み、制御デバイスは、出力信号を導出するときに、温度信号を考慮に入れるように構成することができる。それにより、差圧信号だけを考慮に入れる場合より、流体の特性に関して、より良好な推定値を取得することができる。特に、制御デバイスは、差圧信号及び温度信号に基づいて、温度補正済み体積流量信号を特定し、被測定量及び温度補正済み体積流量信号に基づいて、出力信号を特定するように構成することができる。センサデバイスによって特定されるべき特性が濃度である場合には、温度補正を代替的に以下のように実行することができる:制御デバイスは、何らかの固定温度を仮定して、環境センサ信号及び差圧信号から未補正の濃度信号を特定するように構成することができる。制御デバイスは、温度信号を用いて、その後、これらの未補正の濃度信号を補正するように構成することができる。出力信号は、未補正の濃度信号及び/又は補正済みの濃度信号を含むことができる。
温度センサは、差圧センサと共通の回路基板上に実装することができる個別のユニットとすることができるか、差圧センサと共通のハウジング内に組み込むことができるか、又は差圧センサと同じ半導体ダイ上に集積することもできる。
環境センサデバイスが放射線源を備える場合には、制御デバイスは、入力信号、特に差圧信号、そして任意選択で、温度センサからの温度信号、を考慮に入れて、放射線源が動作する放射線電力レベルを制御するように構成することができる。このようにして、放射線電力を、メインチャネルを通る異なる流量に適応させることができる。
センサデバイスは更にファンを備えることができる。ファンは有利には、第2の圧力タップから下流に配置することができる。制御デバイスは、入力信号、特に差圧信号、そして任意選択で、温度センサからの温度信号、を考慮に入れて、ファンが動作するファン電力レベルを制御するように構成することができる。このようにして、メインチャネル内の流量を調整することができる。
メインチャネルを通る流れによって引き起こされる、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間の圧力差を高めるために、センサデバイスは、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間のメインチャネル内に流量制限器又は狭窄部を備えることができる。流量制限器が使用される場合には、センサデバイスの全体構成の変更を必要とすることなく、対応する流量制限器を選択することによって、センサデバイスを種々の範囲の流量に容易に適応させることができる。狭窄部が存在する場合には、狭窄部は測定領域内に、又はこの領域付近に、特にこの領域の上流に近接して存在することができる。特に、狭窄部は、特許文献1において提案されるように、環境センサ装置の構成要素上に粒子状物質が堆積するのを最小限に抑えるために、測定領域内の流れを変更する(特に、加速させる)ように構成することができる。
フローチャネルは、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間で湾曲させることができる。流れの偏りは対応する背圧を引き起こすことになるので、湾曲は、第1の圧力タップと第2の圧力タップとの間の圧力差の上昇も引き起こすことになる。特に、メインチャネルは概ねU字形又はL字形とすることができる。
概ねU字形のフローチャネルの場合、フローチャネルは、Uの第1の脚部に沿った入口セクションと、Uの2つの脚部を接続する中間セクションと、Uの第2の脚部に沿った出口セクションとを有することができる。その結果、出口セクション内の流れ方向は入口セクション内の流れ方向に対して本質的に逆平行になり、中間セクションは、入口セクションの下流端部を出口セクションの上流端部に接続する。その際、測定領域は、有利には、中間セクション内に(すなわち、Uの2つの脚部を接続するセクション内に)位置し、第1の圧力タップは入口セクション内に(すなわち、Uの第1の脚部内に)位置し、第2の圧力タップは、出口セクション内に(すなわち、Uの第2の脚部内に)位置する。差圧センサは、入口セクションと出口セクションとの間に(すなわち、U字形の2つの脚部間のUの内側に)配置されることが好ましい。環境センサが粒子状物質センサを実現する場合には、それは、上記で既に論じられたように、放射線源を備えることができる。いくつかの放射線源は、著しい量の空間を必要とする。センサデバイス内に放射線源及び差圧センサの両方を容易に収容するために、放射線源は、測定領域から見て、差圧センサの反対側に配置されることが好ましい。言い換えると、放射線源は、中間セクションに隣接する、Uの外部に配置されることが好ましい。
既に論じられたように、差圧センサ自体は第1及び第2のセンサポートを有することができ、差圧センサは、第1のセンサポートと第2のセンサポートとの間の圧力差を特定するように構成される。その際、第1のセンサポートは、第1の圧力タップと流体連通し、第2のセンサポートは、第2の圧力タップと流体連通する。このため、センサデバイスは、第1の圧力タップにおいてメインチャネルから分岐するセンサ入口チャネルを備えることができ、センサ入口チャネルは、第1の圧力タップから差圧センサの第1のセンサポートまで延在する。同様に、センサデバイスは、第2の圧力タップにおいてメインチャネルの中に通じるセンサ出口チャネルを備えることができ、センサ出口チャネルは、差圧センサの第2のセンサポートから第2の圧力タップまで延在する。センサ入口チャネル及びセンサ出口チャネルは同じ、又は異なる長さを有することができる。例えば、センサ入口チャネルは、センサ出口チャネルより長くすることができ、その逆もあり得る。
メインチャネルを通る流体の流れによって搬送される場合がある粒子状物質による差圧センサの汚染を最小限に抑えるために、粒子状物質がセンサ入口チャネルに入ることになったなら、粒子状物質がその主な運動方向(すなわち、その運動量の方向)を変更せざるを得ないように、センサ入口チャネルを構成することが有利である。このため、第1の圧力タップに隣接する領域において、センサ入口チャネルは、有利には、第1の圧力タップにおけるメインチャネル内の流れ方向に対して、少なくとも120度、好ましくは、少なくとも135度の角度において延在する。
センサデバイスの簡単な組立及び分解を可能にする有利な実施形態では、差圧センサと、環境センサの少なくとも1つの構成要素(特に、粒子状物質センサの場合に、放射線検出器及び/又は放射線源)とが、共通の回路基板上に実装される。制御デバイスはマイクロコントローラとして実現することができる。任意選択で、制御デバイスも共通の回路基板上に実装される。
粒子状物質センサを備えるセンサデバイスの迅速な組立及び容易な点検修理を可能にするために、センサデバイスは以下のように構成することができる:センサデバイスは、上側エンクロージャ要素と、上側エンクロージャ要素の下方に配置され、上側エンクロージャ要素に流体密に接続される下側エンクロージャ要素とを備える。上側エンクロージャ要素及び下側エンクロージャ要素は、合わせてメインチャネルを画定する(「包囲する」)ように構成される。下側エンクロージャ要素の底部側に回路基板が配置され、その底部側は上側エンクロージャ要素の反対に面している。差圧センサ及び放射線検出器は、回路基板上に実装される。下側エンクロージャ要素は、差圧センサの第1のセンサポート及び第2のセンサポートがそれぞれ第1の圧力タップ及び第2の圧力タップと流体連通するように挿入される第1の圧力センサ開口部及び第2の圧力センサ開口部を有する。このため、第1のセンサポート及び第2のセンサポートは、好ましくは乳頭状で上向きであり、すなわち、下側エンクロージャ要素の方を向いている。下側エンクロージャ要素は、放射線検出器開口部を更に有し、放射線検出器は、放射線検出器開口部内に、又はその開口部の下方に収容される。放射線源は、上側エンクロージャ要素と下側エンクロージャ要素との間に保持されることが好ましく、下側エンクロージャ要素は、放射線源を、好ましくはプラグイン接続を介して回路基板に電気的に接続するための放射線源開口部を有することが好ましい。このようにして、センサデバイスは、非常に容易に組立及び分解することができる。
また、本発明は、本開示のセンサデバイスの動作方法も提供する。その方法は:
環境センサ装置から環境センサ信号を受信することと、
差圧センサから差圧信号を受信することと、
任意選択で、センサデバイスの温度センサから温度信号を受信することと、
環境センサ信号、差圧信号、及び任意選択で温度信号に基づいて、流体の少なくとも1つの特性に関する指標である出力信号を導出すること、
とを含む。
環境センサ装置から環境センサ信号を受信することと、
差圧センサから差圧信号を受信することと、
任意選択で、センサデバイスの温度センサから温度信号を受信することと、
環境センサ信号、差圧信号、及び任意選択で温度信号に基づいて、流体の少なくとも1つの特性に関する指標である出力信号を導出すること、
とを含む。
出力信号は、以下の出力信号:
流体内の粒子状物質の濃度に関する指標である出力信号、
流体内の粒子状物質の粒径分布に関する流動補正済み指標である出力信号、
空気中の1以上の気体被分析物、特に、揮発性有機化合物(VOC)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び/又は二酸化炭素(CO2)の濃度に関する流動補正済み指標である出力信号、並びに
流体の湿度に関する流動補正済み指標である出力信号、
のうちの少なくとも1つを含むことができる。
流体内の粒子状物質の濃度に関する指標である出力信号、
流体内の粒子状物質の粒径分布に関する流動補正済み指標である出力信号、
空気中の1以上の気体被分析物、特に、揮発性有機化合物(VOC)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び/又は二酸化炭素(CO2)の濃度に関する流動補正済み指標である出力信号、並びに
流体の湿度に関する流動補正済み指標である出力信号、
のうちの少なくとも1つを含むことができる。
出力信号は較正データを用いて導出することができ、較正データは1以上のルックアップテーブルの形で制御デバイスのメモリ内に記憶することができる。
前記方法は、差圧信号と、任意選択で温度信号とを用いて制御信号を特定することを更に含むことができ、制御信号は、
センサデバイス内の放射線源が動作する放射線電力レベルを制御するための放射線電力制御信号、及び/又は
ファンが動作するファン電力レベルを制御するためのファン電力制御信号、
を含む。
センサデバイス内の放射線源が動作する放射線電力レベルを制御するための放射線電力制御信号、及び/又は
ファンが動作するファン電力レベルを制御するためのファン電力制御信号、
を含む。
その方法は、メインチャネル内の体積流量を示す体積流量信号を導出し、出力することを更に含むことができる。
本発明は、制御デバイスのプロセッサによって実行されるときに、制御デバイスに上記の方法を実行させるコンピュータプログラム命令を含むコンピュータプログラム製品を更に提供する。コンピュータプログラムは記憶媒体内に、特に不揮発性データキャリア上に記憶される場合があるか、又はネットワークを介してのダウンロード用に提供される場合がある。
本発明の好ましい実施形態が、図面を参照しながら以下に説明され、それらは、本発明の現在の好ましい実施形態を例示することを意図としており、本発明を限定することは意図していない。
図1は、本発明の一実施形態によるセンサデバイスを極めて概略的に示す。センサデバイスは、流体が流れるための入口11及び出口12を画定する。概ねU字形のメインチャネル13が、入口11から出口12まで延在する。エアロゾルサンプルが、流れ方向Fに沿ってフローチャネルに通される。
概ねU字形のメインチャネル13は、3つのセクション:入口セクション13a、中間セクション13b及び出口セクション13cを有する。入口セクション13aは、Uの第1の脚部に沿って延在し、入口11から中間セクション13bに通じる。出口セクション13cは、Uの第2の脚部に沿って延在し、中間セクション13bから出口12に通じる。出口セクション13cの流れ方向は、入口セクション13a内の流れ方向と反対である。中間セクション13bは、それぞれの端部において、入口セクション13a及び出口セクション13cと接続する。中間セクション13b内の流れ方向は、入口セクション13a及び出口セクション13cのそれぞれの流れ方向に対して概ね直交する。
エアロゾルサンプルの粒子状物質(PM)濃度を特定するための環境センサ装置20が、メインチャネル13の中間セクション13bに隣接して配置される。環境センサ装置20は、レーザ形式の放射線源21と、光検出器形式の放射線検出器22とを備える。レーザ21は、レーザビームを生成し、レーザビームはメインチャネル13の中間セクション13b内の測定領域14に入る。レーザ21は、入口セクション13a及び出口セクション13cから離間して、すなわち、Uの外部に、中間セクション13bに隣接して配置される。光検出器22は、測定領域14に隣接して配置され、その感知エリアは、レーザビームが光検出器22に直接作用しないように、レーザビームに対して90度の角度で延在する面法線を有する。光検出器22は、測定領域内のエアロゾルサンプル内に存在する粒子状物質から散乱する光を記録する。各粒子から散乱する光の強度は、粒子の粒径と相関する。単一粒子からの散乱事象をカウントすることによって、単位時間あたりに光検出器によって記録される、エアロゾル内の粒子の数を特定することができる。光検出器からの信号の強度分布を解析することによって、粒子の粒径分布を推定することができる。
図1のセンサデバイスは差圧センサ40を更に備え、差圧センサは、測定領域14から上流にある第1の圧力タップ31と、測定領域14から下流にある第2の圧力タップ32との間の圧力差を測定する。各圧力タップ(圧力ポート)は、メインチャネル13を画定する壁内の小さい開口部によって形成される。第1の圧力タップ31はメインチャネルの入口セクション13a内に位置し、一方、第2の圧力タップ32は出口セクション13c内に位置する。差圧センサ40は、入口セクション13aと出口セクション13cとの間、すなわち、Uの2つの脚部間に、中間セクション13bから見てレーザ21の反対側に配置される。差圧センサ40は2つのセンサポートを有し、2つのセンサポートはそれぞれ、センサ入口チャネル33及びセンサ出口チャネル34を介して圧力タップに接続される。
メインチャネル13を通る流れは、メインチャネル13内の流れ抵抗に起因して、第1の圧力タップ31と第2の圧力タップ32との間に圧力差を引き起こす。所与の流量の圧力差を高めるために、測定領域14から下流のメインチャネル13内に流量制限器15が配置される。差圧センサ40を用いて圧力差を測定することによって、メインチャネル13を通る流量を特定することができる。流量制限器15の流れ抵抗は、メインチャネルを通る流量の予想されるダイナミックレンジが、差圧センサのダイナミックレンジに一致するように選択することができる。
図2に示されるように、センサ入口チャネル33は、差圧センサ40に達する粒子状物質の量を最小限に抑えるように特に構成される。特に、センサ入口チャネル33は、流体の流れの中の粒子が、センサ入口チャネル33に入った場合、その運動方向(又は同等に、その運動量の方向)を変更せざるを得ないように構成される。このため、センサ入口チャネル33は、第1の圧力タップ31において流れ方向Fに対して90度より大きい角度でメインチャネル13から分岐する。図2において、センサ入口チャネル33が分岐する角度は180度−γであり、タップ角γは90度未満であり、60度以下であることが好ましく、特に45度以下であることが好ましい。圧力タップ31は、メインチャネル13の断面に比べて相対的に小さい。センサ入口チャネル33の断面積は、メインチャネルの断面積に比べて、少なくとも5分の1未満であることが好ましい。それにより、センサ入口チャネルに過量の流体が流れ込むのが回避される。圧力タップ31の直ぐ下流にある内側チャネル壁面は、第1の圧力タップ31の周り及び内側の粒子汚染を低減するために、圧力タップ31の直ぐ上流にある壁面から横方向外側にわずかにオフセットされる場合がある。しかしながら、横方向オフセット「a」は大きくし過ぎるべきではなく、第1の圧力タップ31において圧力に及ぼすベルヌーイ効果の影響を制限するために、圧力タップ31のサイズ「b」より小さいことが好ましい。
図3は、図1のセンサデバイスの種々の構成要素の配置及び相互関係を示す極めて概略的な機能図を示す。メインフローチャネル13は、入口11から出口12まで延在する。環境センサ装置20が、フローチャネル13に隣接して流量制限器15の上流に配置される。第1の圧力タップ31は環境センサ装置20の上流に配置され、一方、第2の圧力タップ32は流量制限器15の下流に配置される。センサ入口チャネル33は、第1の圧力タップ31から差圧センサ40の第1のセンサポート41まで延在し、一方、センサ出口チャネル34は、差圧センサ40の第2のセンサポート42から第2の圧力タップ32まで延在する。
図4に示されるように、流量制限器15を設ける代わりに、メインチャネル13に狭窄部16を設けることができる。狭窄部16はメインチャネル13の測定領域14内に配置することができ、エアロゾルサンプル内の粒子状物質によるレーザ21及び光検出器22の汚染を最小限に抑えるために、測定領域14内の流体の流れを加速させる。
図5に示されるように、センサデバイスはファン50を更に備えることができる。ファン50は、有利には、第2の圧力タップ32の下流(又は第1の圧力タップ31の上流)に配置される。このような方法では、一般に流量だけでなく、ファン速度などの他のパラメータにも依存する、ファンを横断する圧力差は、差圧センサ40の測定値には反映されない。
図6は、図5のセンサデバイスの種々の構成要素の配置及び相互関係の対応する機能図を示す。図6から明らかなように、ファンは、第2の圧力タップ32と出口12との間に配置される。
図7及び図8は、本発明によるセンサデバイスの取り得る具体的な設計を示す。上側エンクロージャ要素60と下側エンクロージャ要素70との間にU字形メインチャネル13が形成され、それらのエンクロージャ要素が合わせてメインチャネル13を包囲する。エンクロージャ要素はそれぞれ成型プラスチックから形成される。入口11及び出口12が、エンクロージャ要素60と70との間に保持される2つの短い管状構造体によって形成される。第1の圧力タップ31は、Uの第1の脚部の長さに沿った概ね中間に、メインチャネル13の入口セクション13a(図8を参照)内に形成される。第2の圧力タップ32は、Uの第2の脚部内の出口12の上流に近接して、メインチャネル13の出口セクション13c内に形成される。各圧力タップは、メインチャネル13を画定する周壁内の小さい開口部の形をとる。各圧力タップは、一部が上側エンクロージャ要素60によって、一部が下側エンクロージャ要素70によって画定される。
センサ入口チャネル33は、第1の圧力タップ31から、下側エンクロージャ要素70内の第1の圧力センサ開口部71まで延在する。センサ出口チャネル34は、下側エンクロージャ要素70内の第2の圧力センサ開口部72から第2の圧力タップ32まで延在する。圧力センサ開口部71、72は、Uの2つの脚部間のUの中央に配置される。圧力センサ開口部は、差圧センサの40第1のセンサポート41及び第2のセンサポート42を受け入れるような大きさに形成される。各センサポート41、42は、差圧センサ40の本体から上方に延在する乳頭の形を有する。
差圧センサ40は、フローベース差圧センサであることが好ましい。このタイプの差圧センサは、2つのセンサポート41と42との間に細いフローチャネルを画定する。フローチャネルに隣接して熱流センサが配置される。熱流センサは、ヒータと、フローチャネルに沿ってヒータの両側にある2つの温度センサと、を備える。センサポート41と42との間の圧力差は、フローチャネルを通る小流を引き起こし、その流速は圧力差によって決まる。ヒータが動作するとき、流れによって、温度センサによって測定される温度に差が生じることになる。温度差から、流速、それゆえ、圧力差を特定することができる。特に、差圧センサ40は、米国特許第10,151,612号に開示される流量センサと同じようにして構成することができる。センサ入口チャネル33及びセンサ出口チャネル34は、差圧センサ40を通る流れに対して無視できるほどの流れ抵抗を示すような大きさに、すなわち、それらの断面積は、差圧センサ40の内部のフローチャネルの断面積より著しく大きく、形成される。
下側エンクロージャ要素70の底部にプリント回路基板(PCB)80が配置される。PCBは、下側エンクロージャ要素70の底部において下方に開口している空洞内に収容されるような大きさに形成され、空洞は下側エンクロージャ要素70の下方に延在する側壁によって画定される。差圧センサ40はPCB80上に実装される。また、光検出器22、マイクロコントローラ形式の制御デバイス100、及び、例えば、電圧を安定させるための、そして外部世界と通信するための、種々の他の電子構成要素もPCB80上に実装される。光検出器22は、上向きの感知面を有する。感知面は、下側エンクロージャ要素70内の放射線検出器開口部73の下方に配置される。
下側エンクロージャ要素70は、上側エンクロージャ要素と下側エンクロージャ要素との間にレーザ及び1以上のレンズを保持するための保持構造体76を有する。放射線源開口部74が、下方からレーザに接近できるようにし、レーザとPCB80との間にプラグインの電気的接続を形成できるようにする。下側エンクロージャ要素70は、迷光を回避するためにレーザを吸収するためのビームストッパ構造体を収容するためのビームストッパ開口部75を更に有する。
センサデバイスは、下側エンクロージャ要素70の保持構造体76内にレーザを位置決めすることによって容易に組み立てることができる。その後、下側エンクロージャ要素70上に上側エンクロージャ要素60を取り付けることによって、エンクロージャが閉じられる。その後、PCB80が、下側エンクロージャ要素70の底部の空洞の中に押し込まれる。それにより、差圧センサ40のセンサポート41、42が圧力センサ開口部71、72に押圧され、光検出器が下側エンクロージャ要素70の光検出器開口部73の下方に配置され、レーザがプラグイン接続によってPCBに電気的に接続される。この時点で、そのアセンブリを保護ハウジングに入れる準備ができている。
図9は、マイクロコントローラ100の例示的な機能図を極めて概略的に示す。マイクロコントローラ100は、バス102を介して種々の他の構成要素と通信するマイクロプロセッサ(μP)101を備える。また、リードオンリーメモリ(ROM)デバイス103及びランダムアクセスメモリ(RAM)デバイス108もバス102に接続される。入力/出力(I/O)インターフェース109が、マイクロコントローラ100を種々の入力及び出力デバイスに、特に、光検出器22、差圧センサ40、差圧センサ40に組み込まれる任意選択の温度センサ43、レーザ21及びファン50に接続する。通信インターフェース110が、例えば、I2C又はUARTインターフェースを介して、他のデバイスと通信するための有線又はワイヤレス通信能力を制御デバイスに与える。
I/Oインターフェース109を介して、マイクロコントローラ100は、光検出器22から光信号を、差圧センサ40から差圧信号dPを、そして任意選択で温度センサ43から温度信号Tを取得する。これらの信号に基づいて、マイクロコントローラは出力信号を導出する。出力信号は、流れの中にある粒子状物質の個数濃度の指標である信号を含む。このため、マイクロコントローラ100は、単位時間あたりの光信号をカウントする。ROMデバイス103は、とりわけ、第1のルックアップテーブル(LUT1)104を記憶し、第1のルックアップテーブルは、一定の流体密度(すなわち、一定の流体圧及び温度)を仮定して、メインチャネルを通って流れる流体の体積流量値を対応する差圧値dPに関連付ける較正データを含む。単位時間あたりの光信号カウント(すなわち、単位時間あたりの粒子数)を体積流量で除算することによって、一定の較正係数(それはLUT1内の較正データ内に既に含まれている場合がある)まで、粒子個数濃度が取得される。LUT1のために使用された一定の温度からの実際の温度の偏差に関して、体積流量及び/又は個数濃度を補正するために、任意選択の第2のルックアップテーブル(LUT2)105は、LUT1の補助を受けて特定されたような体積流量(又は同等に、個数濃度)に関する補正係数を温度信号Tに関連付ける較正データを含む。その後、補正済みの個数濃度、そして任意選択で、体積流量が出力される。任意選択の更なるルックアップテーブル(LUT3)106が、他の目的のための較正データ、例えば、個数濃度を質量濃度に変換する、又は光信号の大きさの分布から粒径分布を特定するなどのために、粒子質量又は粒径を光信号の信号の大きさに関連付ける較正データ、を含むことができる。ROMデバイス103は、マイクロプロセッサ101に関する命令を伴うプログラムデータ(Prog)107を更に記憶する。
マイクロコントローラ100は光信号、差圧信号dP及び/又は温度信号Tに基づいて、レーザ21に関するレーザ電力レベル及びファン50に関するファン電力レベルを更に特定する。例えば、光信号が、単位時間あたりの過剰な散乱事象数を示す場合には、又は流量信号が過量の流れを示す場合には、マイクロコントローラが、低い電力においてファンを動作させることができる。別の例として、光信号が、過大な強度を有する散乱事象を示す場合には、マイクロコントローラは、低い電力においてレーザを動作させることができる。更に別の例として、温度信号が、センサデバイス内部の過大な温度を示す場合には、更なる冷却を与えるために、マイクロコントローラは、より高い電力においてファンを動作させることができ、低い電力においてレーザを動作させることができる。制御方式の数多くの変形が考えられる。
例示的な動作方法が図10に示される。ステップ201において、マイクロコントローラ100がレーザ21を動作させる。ステップ202において、マイクロコントローラが、光検出器22から結果として生じる光信号を検出し、カウントする。ステップ203において、マイクロコントローラが、差圧信号dPを特定する。ステップ204において、マイクロコントローラが、放射線検出器22からの光信号と、一定の温度を仮定して、上記のようにルックアップテーブルLUT1を使用する差圧信号dPとに基づいて、体積流量及び粒子状物質濃度、例えば、PM10、PM2.5及び/又はPM1値を特定する。ここで、「PMxx」という表現は、xxマイクロメートルの一定の粒径未満、例えば、10μm、2.5μm又は1.0μm未満の粒子の濃度を示す。ある閾値未満の大きさを有する光信号のみを考慮に入れることによって、粒径カットオフを行うことができる。ステップ205において、マイクロコントローラが、任意選択で、実際の温度信号Tを特定する。ステップ206において、マイクロコントローラが、任意選択で、上記のようなルックアップテーブルLUT2を用いて、実際の温度信号Tに関してPMxx値を補正する。ステップ207において、マイクロコントローラが、任意選択で体積流量(場合によっては温度補正済み)とともに、補正済みのPMxx値を、通信インターフェース110を介して出力する。任意選択で、ステップ208において、マイクロコントローラが、適切なレーザ電力レベルを特定し、レーザ21の次の動作時にこの電力レベルを使用する。任意選択で、マイクロコントローラはまた、適切なファン電力レベルを特定し、次の測定時にこの電力レベルにおいてファン50を駆動する。
本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能である。例えば、放射線源は、レーザの代わりに、LEDとすることができる。粒子状物質センサの代わりに、又はそれに加えて、異なるタイプの環境センサ装置、例えば、空気中の気体被分析物、特に、VOC、NOx、CO又はCO2の濃度を特定するための気体センサ、が存在することができる。その高い精度及び大きいダイナミックレンジに起因して、フローベース差圧センサが好ましいが、他のタイプの差圧センサを使用することもできる。温度センサを差圧センサと集積する代わりに、又はそれに加えて、個別の温度センサを使用することができ、その温度センサは、センサデバイスの異なる領域に、特にメインチャネルに隣接して、配置することができる。メインチャネルは、図示されるU字形構成とは異なる構成を有することができる。数多くの他の変更が可能である。
11 入口
12 出口
13 メインチャネル
13a 入口セクション
13b 中間セクション
13c 出口セクション
14 測定領域
15 流量制限器
16 狭窄部
20 センサ装置
21 放射線源
22 放射線検出器
31 圧力タップ
32 圧力タップ
33 センサ入口チャネル
34 センサ出口チャネル
40 差圧センサ
41 第1のセンサポート
42 第2のセンサポート
43 温度センサ
50 ファン
60 上側エンクロージャ要素
70 下側エンクロージャ要素
71 圧力センサ開口部
72 圧力センサ開口部
73 放射線検出器開口部
74 放射線源開口部
75 ビームストッパ開口部
76 保持構造体
80 回路基板
100 マイクロコントローラ
101 マイクロプロセッサ(μP)
102 バス
103 ROM
104 ルックアップテーブル(LUT1)
105 ルックアップテーブル(LUT2)
106 ルックアップテーブル(LUT3)
107 プログラムメモリ(Prog)
108 RAM
109 I/Oインターフェース
110 通信インターフェース
201 dPの測定
202 レーザの動作
203 光信号の検出
204 Tの測定
205 Tの補償
206 流量の特定
207 PMxxの特定
208 PMxxの出力
dP 差圧
T 温度
a 横方向オフセット
b タップサイズ
γ タップ角
F 流れ方向
12 出口
13 メインチャネル
13a 入口セクション
13b 中間セクション
13c 出口セクション
14 測定領域
15 流量制限器
16 狭窄部
20 センサ装置
21 放射線源
22 放射線検出器
31 圧力タップ
32 圧力タップ
33 センサ入口チャネル
34 センサ出口チャネル
40 差圧センサ
41 第1のセンサポート
42 第2のセンサポート
43 温度センサ
50 ファン
60 上側エンクロージャ要素
70 下側エンクロージャ要素
71 圧力センサ開口部
72 圧力センサ開口部
73 放射線検出器開口部
74 放射線源開口部
75 ビームストッパ開口部
76 保持構造体
80 回路基板
100 マイクロコントローラ
101 マイクロプロセッサ(μP)
102 バス
103 ROM
104 ルックアップテーブル(LUT1)
105 ルックアップテーブル(LUT2)
106 ルックアップテーブル(LUT3)
107 プログラムメモリ(Prog)
108 RAM
109 I/Oインターフェース
110 通信インターフェース
201 dPの測定
202 レーザの動作
203 光信号の検出
204 Tの測定
205 Tの補償
206 流量の特定
207 PMxxの特定
208 PMxxの出力
dP 差圧
T 温度
a 横方向オフセット
b タップサイズ
γ タップ角
F 流れ方向
Claims (15)
- 流体、好ましくは、気体又はエアロゾル、特に周囲空気、の少なくとも1つの特性を特定するためのセンサデバイスであって、前記センサデバイスは、
入口(11)と、出口(12)と、前記入口(11)と前記出口(12)との間に延在するメインチャネル(13)であって、流体が流れ方向(F)に沿って前記入口(11)から前記出口(12)まで前記メインチャネル(13)を通って流動できるようにする、メインチャネル(13)と、
前記メインチャネル(13)の測定領域(14)内の前記流体から少なくとも1つの被測定変数を特定するように構成される環境センサ(20)とを備え、
前記メインチャネル(13)は、前記測定領域(14)から上流にある第1の圧力タップ(31)と、前記測定領域(14)から下流にある第2の圧力タップ(32)とを有し、
前記センサデバイスは、差圧センサ(40)、好ましくは、フロータイプ差圧センサを備え、前記差圧センサ(40)は、前記第1の圧力タップ(31)と前記第2の圧力タップ(32)との間の圧力差を特定するように構成され、
前記センサデバイスは、入力信号を受信し、前記入力信号に基づいて出力信号を導出するように構成される制御デバイス(100)を備え、前記入力信号は、前記環境センサ(20)からの環境センサ信号と、前記差圧センサ(40)からの差圧信号(dP)とを含み、前記出力信号は前記流体の前記少なくとも1つの特性に関する指標である、ことを特徴とするセンサデバイス。 - 前記流体の前記少なくとも1つの特性は、単位体積あたりの前記流体の成分の濃度を含む、請求項1に記載のセンサデバイス。
- 前記環境センサは粒子状物質センサを備え、特に粒子状物質センサは、前記メインチャネル内に放射線を生成するように構成される放射線源(21)と、前記流体内の粒子状物質から散乱する放射線を検出するように構成される放射線検出器(22)とを備え、
前記流体の前記少なくとも1つの特性は単位体積あたりの前記粒子状物質の濃度を含む、請求項2に記載のセンサデバイス。 - 前記環境センサ(20)は、
空気中の1以上の気体被分析物、特に、揮発性有機化合物(VOC)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び/若しくは二酸化炭素(CO2)の濃度を特定するための気体センサ、並びに/又は
前記流体の湿度を特定するための湿度センサとを備える、請求項2又は3に記載のセンサデバイス。 - 前記センサデバイスは温度センサ(43)を更に備え、前記制御デバイス(100)は、前記温度センサ(43)から温度信号(T)を受信するように構成され、前記入力信号は前記温度信号(T)を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
- 前記メインチャネル内に放射線を生成するように構成される放射線源(21)を備え、前記制御デバイス(100)は、前記入力信号に基づいて、前記放射線源(21)が動作する放射線電力レベルを制御するように構成される、請求項1から5のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
- ファン(50)を備え、
前記ファンは前記第2の圧力タップ(32)から下流に配置され、及び/又は
前記制御デバイス(100)は、前記入力信号に基づいて、前記ファン(50)が動作するファン電力レベルを制御するように構成される、請求項1から6のいずれか一項に記載のセンサデバイス。 - 前記第1の圧力タップ(31)と前記第2の圧力タップ(32)との間の前記メインチャネル(13)内に流量制限器(15)及び/又は狭窄部(16)を備え、前記狭窄部(16)は、任意選択で、前記測定領域(14)内に、又はその上流に近接して形成される、請求項1から7のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
- 前記メインチャネル(13)は、前記第1の圧力タップと前記第2の圧力タップとの間で湾曲し、特に、前記メインチャネル(13)は概ねU字形又はL字形である、請求項1から8のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
- 前記第1の圧力タップ(31)において前記メインチャネル(13)から分岐するセンサ入口チャネル(33)を備え、前記センサ入口チャネル(33)は前記第1の圧力タップ(31)から前記差圧センサ(40)の第1のセンサポート(41)まで延在し、前記第1の圧力タップ(31)に隣接する領域内の前記センサ入口チャネル(33)は、前記第1の圧力タップ(31)における前記メインチャネル(13)の前記流れ方向(F)に対して、少なくとも120度、好ましくは少なくとも135度の角度で延在する、請求項1から9のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
- 前記差圧センサ(40)、前記環境センサ(20)の少なくとも1つの構成要素、及び任意選択で前記制御デバイス(100)は、共通の回路基板(80)上に配置される、請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
- 前記環境センサ(20)は、前記メインチャネル内に放射線を生成するように構成される放射線源(21)と、前記流体内の粒子状物質から散乱する放射線を検出するように構成される放射線検出器(22)とを備え、前記センサデバイスは、
上側エンクロージャ要素(60)と、
前記上側エンクロージャ要素に流体密に接続される下側エンクロージャ要素(70)と、
前記下側エンクロージャ要素(70)の、前記上側エンクロージャ要素の反対に面する側に接続される回路基板(80)とを備え、
前記上側エンクロージャ要素(60)及び前記下側エンクロージャ要素(70)は、合わせて前記メインチャネル(13)を画定するように形作られ、
前記差圧センサ(40)及び前記放射線検出器(22)は前記回路基板(80)上に実装され、
前記下側エンクロージャ要素(70)は、前記第1の圧力タップ(31)及び前記第2の圧力タップ(32)と流体連通するように前記差圧センサ(40)の第1のセンサポート(41)及び第2のセンサポート(42)がそれぞれ挿入される第1の圧力センサ開口部(71)及び第2の第2の圧力センサ開口部(72)を有し、前記第1のセンサポート(41)及び前記第2のセンサポート(42)は前記下側エンクロージャ要素(70)の方を向いており、
前記下側エンクロージャ要素(70)は放射線検出器開口部(73)を有し、前記放射線検出器(22)は前記放射線検出器開口部(73)内に、又はその下方に配置され、
好ましくは、前記放射線源(21)は前記上側エンクロージャ要素(60)と前記下側エンクロージャ要素(70)との間に保持され、前記下側エンクロージャ要素(70)は、好ましくは、前記放射線源(21)を前記回路基板(80)に電気的に接続するための放射線源開口部(74)を有する、請求項1から11のいずれか一項に記載のセンサデバイス。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載のセンサデバイスの動作方法であって、前記方法は、
前記環境センサ(20)から環境センサ信号を受信することと、
前記差圧センサ(40)から差圧信号(dP)を受信することと、
任意選択で、前記センサデバイスの温度センサ(43)から温度信号(T)を受信することと、
前記環境センサ信号、前記差圧信号(dP)及び任意選択で前記温度信号(T)に基づいて、前記流体の前記少なくとも1つの特性に関する指標である出力信号を導出すること、
とを含み、
好ましくは、前記出力信号は、以下の出力信号:
前記流体内の粒子状物質の濃度に関する指標である出力信号、
前記流体内の粒子状物質の粒径分布に関する流動補正済み指標である出力信号、
空気中の1以上の気体被分析物、特に、揮発性有機化合物(VOC)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び/又は二酸化炭素(CO2)の濃度に関する流動補正済み指標である出力信号、並びに
前記流体の湿度に関する流動補正済み指標である出力信号、
のうちの少なくとも1つを含む、ことを特徴とするセンサデバイス動作方法。 - 前記差圧信号(dP)及び任意選択で前記温度信号(T)を用いて、制御信号を特定することを更に含み、前記制御信号は、
前記センサデバイス内の放射線源(21)が動作する放射線電力レベルを制御するための放射線電力制御信号、及び/又は
ファン(50)が動作するファン電力レベルを制御するためのファン電力制御信号、
を含む、請求項13に記載の方法。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載のセンサデバイスの制御デバイス(100)のプロセッサにおいて実行されるときに、前記制御デバイス(100)に請求項13又は14の方法を実行させるコンピュータプログラム命令を含むことを特徴とするコンピュータプログラム製品。
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