KR101668469B1

KR101668469B1 - 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스

Info

Publication number: KR101668469B1
Application number: KR1020117012302A
Authority: KR
Inventors: 요한 마라
Original assignee: 코닌클리케 필립스 엔.브이.
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2016-10-21
Also published as: US20110197656A1; WO2010049870A1; EP2350609A1; US8701466B2; CN102203584A; JP5657552B2; JP2012507702A; KR20110091708A; TW201022658A; EP2350609B1

Abstract

기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 특성들의 시간에 따른 진전을 기록할 수 있는 디바이스가 제공된다. 상기 디바이스는 공기 흡입구, 입자 전하 유닛, 농도 변화부, 입자 감지부, 및 데이터 평가 유닛을 포함한다. 구체적으로, 디바이스의 입자 감지부는 하전 부유 입자들의 크기 분포의 평균 입경(d_p,av) 및 수 농도(N) 모두에 대한 값들을 추론할 수 있는 적어도 2개의 연속적으로 획득된 측정 신호들(I₁ 및 I₂)을 생성한다. 기준 입경(d_p,ref)에 대한 추론된 평균 입경(d_p,av)의 변화가 설정된 최대 변화로 제한되는 상태로 인해, 입자 크기 분포의 특성들에 대한 정적 상태들 및 과도 상태들 하에서의 N 및 d_p,av에 대해 신뢰성 있는 값들이 획득될 수 있다. 이 부과된 상태는 시간의 함수로서 추론된 d_p,av 및 N에 대한 값들 내의 산포성을 현저하게 감소시키는 반면에, 평균화 절차들 및/또는 디바이스 하드웨어 적응들에 의존할 필요 없이, 시간 경과에 따라 시각화되도록 N 및 d_p,av 모두에 대한 과도 특성들을 허용한다.

Description

기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스{DEVICE FOR CHARACTERIZING THE EVOLUTION OVER TIME OF A SIZE DISTRIBUTION OF ELECTRICALLY-CHARGED AIRBORNE PARTICLES IN AN AIRFLOW}

본 발명은 일반적으로 기류 내에 하전(electrically-charged) 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전(evolution)을 특징짓기 위한 디바이스에 관한 것이다.

우리 주변의 공기는 상이한 크기들 및 형상들의 입자들을 포함하고, 이 입자들은 배출 가스들 및 다른 오염물들과 함께 어떤 에어리어(area) 내의 총 공기 오염에 기여한다. 일부 입자들은 인간의 소산이고, 예를 들어 차량들에서 화석 연료들의 연소로부터 발생할 수 있다. 다른 입자들은 자연적으로 발생하고 화산들, 황사들, 산불 등으로부터 발생할 수 있다. 5 내지 500 nm 크기 범위 내의 입자들은 초미립자(ultrafine particle : UFP)들로 분류된다. 예를 들어, 매연 입자(soot particle)들과 같은 UFP들은 특히 인간의 건강에 해로운 것으로 알려져 있다. 공기 중의 UFP들을 흡입함으로써 폐 내에 이들의 축적으로 인해 심각한 폐 질병이 야기될 수 있음이 검증되었다.

상술한 바를 고려하면, 우리 주변의 공기 내의 UFP들의 특성의 측정은 매우 중요해진다. 부유 초미립자들(UFP들)의 특성들에 관한 정보는 부유 입자들의 국지적 검출을 인에이블(enable)하고 공기 중의 입자 수 농도(N), 수-평균 입경(d_p,av), 및 입자 크기 분포(dN(d_p)/dln(d_p))의 측정을 수반하는 UFP 측정 디바이스를 이용하여 수집될 수 있다. 특히, UFP 공기 오염에 노출되는 것과 연관되어 초래되는 건강의 위험성은 UPF 길이 농도 L= N*d_p,av와 관련되는 것으로 알려져 있다. 후자의 추론 이유는, 흡입된 부유 입자들의 상대적인 건강 위험성(health-hazard)이, 기도(respiratory tract) 내에 침전(deposition)되는 흡입된 공기의 단위 체적당 입자 표면적과 연관될 가능성이 있다는 고찰(예를 들어, H.Fissan 등의 Journal of Nanoparticle Research (2007), Vol.9, pp.53 내지 59)에서 기인한다. 게다가, 이 침전된 입자 표면적 농도는 흡입된 공기 내의 입자 길이 농도(L)와 비례하는 것으로 확인될 수 있고, 이때, 상기 흡입된 부유 입자들의 침전 효율은 기도의 다양한 부분들에서의 흡입된 부유 입자들의 직경의 함수로서 적절하게 설명된다(International Commission for Radiological protection, ICRP, 1994).

WO 2007/000710 A2에 개시되는 종래 기술의 UFP 센서가 도 1a에 도시된다. 측정 디바이스(10)는 입자 프리필터(particle prefilter)(12)가 선택적으로 제공되는 공기 흡입부(11)를 포함한다. UFP 센서는 샘플 기류 내의 부유 입자들이 디바이스(10)에 진입한 후에 상기 부유 입자들을 충전할 수 있는 입자 전하부(18)을 더 포함한다. 게다가, UFP 센서(10)는 UFP 센서(10)의 나머지 부분으로부터 전기적으로 절연되고, 감응성 전류계(15)를 통해 접지 전위에 접속되는 패러데이 상자 장치(Faraday cage arrangement)(16)를 포함하는 입자 감지부를 포함한다. 패러데이 상자 장치(16)에 진입하는 기류 내의 하전 입자들은 자신들의 전하(charge)를 포함한 채로 패러데이 상자 내에 있는 공기 침투성(air-permeable) 여과 매체에 의해 캡처(capture) 됨으로써 전류계(15)에 의해 측정 가능한 전류(I_s)를 발생시키고, 이 전류는 패러데이 상자 장치(16) 내에서 단위 시간당 침전되는 전하와 동일하다. 전류(I_s)의 크기는 패러데이 상자 장치(16)에 진입하는 기류 내의 부유 하전된 UFP들의 농도 레벨에 비례하고, 상기 비례 인자(proportionality factor)는 부유 입자들에 대한 평균 전하에 의해 결정된다. 전하부(18)에서 입자 전하가 확산 전하(diffusion charging)에 의해 달성되는 경우, I_s는 입자 길이 농도 L = N*d_p,av에 비례한다(1985년 M. Adachi 등의 Journal of Aerosol Sci. 16(2), pp.109 내지 123).

도 1a에서의 UFP 센서는 입자 농도 변화부(17)을 구비하여 추가로 구성되고, 입자 농도 변화부는 입자 전하부(18)으로부터 다운스트림 구성되며, 제 1 농도 레벨 및 제 2 농도 레벨 사이의 하전 UFP들의 농도의 변화를 야기할 수 있다. 도 1a에서, 농도 변화부(17)은 전위차(V_p)가 인가될 수 있는 평행-판 전극면들에 의해 형성되는 공기 도관(19)을 포함하는, 평행-판부(또한 "판부"으로 칭해진다)으로 구현된다. 전극 판들 사이의 전위차는 도관(19)에 걸쳐 전기장을 발생시킨다. 상기 도관에 걸쳐 전기장이 인가되지 않는 경우, 판부를 나가는 부유 하전 입자들의 농도 레벨(제 1 농도 레벨)은 판부에 진입하는 부유 하전 입자들의 농도 레벨과 실질적으로 동일할 것이다. 영(0)이 아닌 전기장이 도관에 걸쳐 판들 사이에 인가되는 경우, 판부에 진입하는 부유 하전 입자들의 적어도 일부는 전극면들 중 하나에 정전 응결됨으로써 판부를 나가는 부유 하전 입자들의 농도 레벨을 더 작은 제 2 농도 레벨로 감소시킬 것이다. 판부를 나가는 하전 입자들의 농도 레벨은 후속해서 패러데이 상자 장치(16)에 의해 수용되어, 전류계(15)에 의해 측정되는 센서 전류(I_s)를 발생시킨다.

상술한 바와 같이, 측정된 전류 신호(I_s)의 크기는 패러데이 상자 장치(16)에 의해 수용되는 기류 내의 하전 UFP들의 농도 레벨에 비례하고 하전된 UFP들의 농도 레벨이 변할 때 변한다. 시간 경과에 따라 적용되는 입자 농도 변화에 응답하여, 공지되어 있는 센서(10)는 변화된 입자 농도 레벨들과 연관되는 측정 신호들을 연속 시간 간격들 동안 일련의 방식들로 결정한다. 적어도 두 개의 변화된 입자 농도 레벨들의 세트에 대응하는 적어도 2개의 측정 신호들을 포함하는 세트가 요구되며 상기 측정 신호들을 포함하는 세트는 총 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 결정하는데 충분하다. 측정 신호들에 대한 상이한 세트들은 시간 경과에 따른 총 입자 수 농도 및 평균 입경의 진전에 따라 연속적으로 결정될 수 있다.

부유 입자들의 총 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)의 정확한 결정을 위해, 공지되어 있는 센서(10)는 부유 입자들의 총 농도 및 입자 크기 분포(즉, 입자 크기의 함수로서의 입자 농도)가 단지 천천히 변하는 시간의 함수, 바람직하게는 실질적으로 시간에 있어서 정적이어야 하는 환경을 요구한다. 연속적으로 획득된 두 측정 신호들의 단일 세트를 측정하는데 필요한 시간 간격 동안, 총 입자 수 농도 및 평균 입경의 단일 결정의 필요에 따라, 총 입자 수 농도 및 평균 입경은 실질적으로 일정하게 유지되어야만 한다.

이 시간 간격은 측정 정확도에 대한 최소 필요 요구들로 인해 임의로 작게 할 수 없는데, 측정 정확도는 통상적으로 적어도 최소 시간 기간 동안의 신호 평균화를 필요로 한다. 비-정적인 과도 환경(transient environment)에서의 정확한 연산을 위해, 입자 농도 레벨이 시간 경과에 따라 급속하게 변할 수 있는 상당한 과도 상태들 하에서도 또한 부유 입자들의 총 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 결정할 수 있는 디바이스가 요구된다. 그와 같은 환경들은 예를 들어 동력화된 트래픽이 존재하는 위치에서 또는 상기 위치 근처에서 발생할 수 있다.

종래 기술에서, 그리고 상술한 바와 같이, 부유 입자들의 입자 수 농도(N) 및 평균 직경(d_p,av)은 2개의 연속 기록 센서 신호들(I_s)의 일련의 측정으로부터 추론되며, 하나의 신호 I_s = I₁는 판부 내의 침전 전압(precipitation voltage) V_p = 0에서 측정되고, 다른 신호는 I_s = I₂는 침전 전압 V_p = V₁에서 측정된다(도 1b를 참조하라). 인가된 영이 아닌 V_p = V₁은 판부(17)을 통과하는 기류로부터 하전 입자들 중 적어도 일부를 제거하기 때문에 일반적으로 I₂ < I₁일 것이다.

하전 부유 입자들의 크기 분포의 특성들이 시간 경과에 따라 실질적으로 일정하게 유지되는 정적 상태들 하에서, 측정된 신호들(I₁ 및 I₂)로부터 N 및 d_p,av가 디바이스(10)에 의해 추론될 수 있는 상대적인 정확도를 간략하게 기술하는 것이 유용하다. 비례적으로 상이하게 크기가 정해지는 센서(센서 크기 및 기류(φ)는 센서 내의 공기 속도들이 실질적으로 일정하게 그리고 φ와 관계없이 유지되는 그러한 방식으로 서로 관련된다)를 통과하는 기준 기류 φ^*에 대한, 센서를 통과하는 기류 φ(㎥/s)에서, N은 식 1에 따라 I₁ 및 I₂와 관련된다:

(입자/㎤) 식 1

여기서 S_N은 제 1 비례 상수이다. d_p _, _av는 식 2에 따라 I₁ 및 I₂와 관련된다:

(nm) 식 2

여기서 S_dp는 제 2 비례 상수이다. 최종적으로, 입자 길이 농도(L)는 식 3에 따라 단지 I₁과만 관련된다:

((입자/㎤)·nm) 식 3

N 및 d_p _, _av에 대한 정적 상태들 하에서, 상대적인 부정확도들(△N/N 및 △d_p,av/d_p,av)은 식 4 및 식 5에 따라, 각각 센서 신호(I_s)의 측정 부정확도(△I_s)와 관련되는 것으로 도시될 수 있다:

식 4

△I_s는 현재 시장에 나와 있으며 전기 잡음(electronic noise)으로 인해 용이하게 더 작게 제조될 수 없는 최상의 연산 증폭기들의 경우 약 1*10^-15(= 1fA)이다. 이 환경은 N 및 d_p,av의 단일 결정의 도달 가능한 정확도를 제한한다. 게다가, 상대적 불확실성들(△N/N 및 △d_p,av/d_p,av)은 N 및/또는 φ에 대한 더 작은 값에서 증가한다. 기류(φ)는 증가하면서 상대적 불확실성들/부정확도들을 감소시킬 수 있으나, 이는 일반적으로 센서 크기를 증가시키지 않고 행해질 수 없다. 왜냐하면 사람은 통상적으로 센서 크기가 가능한 작게 유지되는 것을 원하기 때문에, 또한 비용 및 휴대성의 관점으로부터 이 증가는 바람직하지 않다. 유사하게, 센서 크기의 감소가 φ를 감소시킴으로써 상대적 불확실성들(△N/N 및 △d_p,av/d_p,av)을 증가시킬 것이다. 이는 시간의 함수로서 추론된 N 및 d_p,av의 값들의 산포성(scatter)을 증가시킨다. N 및 d_p,av의 측면에서의 공기 오염의 특성들이 시간에 있어서 실질적으로 일정하게 유지되는 한, 시간 경과에 따라 연속적으로 획득되는 측정치의 결과들을 평균화함으로써 개선된 정확도 따라서 신뢰도는 또한 φ에 대한 상대적으로 작은 값에서도 달성될 수 있다. 이 평균화는 측정된 I₁ 및 I₂ 신호들에 대해, 또는 이 신호들로부터 추론된 값들(N 및 d_p,av)에 대해 행해질 수 있다.

연속적으로 획득된 서너 개의 측정치들을 평균화하는 방법은 N 및 d_p,av의 관점에서 공기 오염 특성들이 시간 경과에 따라 변할 때(즉, 이것들이 과도적이 될 때) 이용될 수 없다. 이는 특히 센서 신호들(I₁ 및 I₂)이 도 1a에 도시된 셋-업(set-up)이 이용될 때 시간에 있어서 연속적으로 획득되기 때문이다. 공기 오염 특성들의 급속한 변화들이 발생하면, 연속적으로 획득된 신호들(I₁ 및 I₂)은 상이한 공기 오염 상태들 하에서 기록되므로 N 및 d_p,av를 추론하기 위해 식 1 내지 식 3에서 서로 신뢰성 있게 결합되지 못함으로써 상대적 부정확도들(△N/N 및 △d_p,av/d_p,av)을 크게 증가시킬 수 있다.

일부 국면 I₁ < I₂에서, 이는 식 1 내지 식 3이 이용될 때 N 및 d_p,av에 관한 무의미한 결과를 제공할 가능성이 아주 높다. 특정 시간 기간 동안 연속적으로 측정되는 전류들(I₁ 및 I₂)의 개별적인 평균화는 이 상황에 대해 개선할 해법을 제공하지 않는데 왜냐하면 이것은 단지 측정하고자 하는 관찰된 공기 오염 과도 현상들을 약화시키는 경향만이 있기 때문이다. 엄밀히 말해서, 식 1 및 식 2는 연속적으로 측정되는 센서 신호들(I₁ 및 I₂)이 미립자 공기 오염 특성들에 대한 상이한(과도적인) 상태들 하에서 획득될 때 자신의 유효성을 상실한다. 그러므로, 식 1 내지 식 3에 따른 신호들(I₁ 및 I₂)로부터 추론되는, N 및 d_p,av에 대한 신뢰할 수 있는 데이터가 시간 경과에 따라 더 이상 획득될 수 없다.

상기 관점에서, 시간 경과에 따라 부유 초미립자(ultrafine particle)들의 크기 분포의 특징들을 추론하기 위한 개선된 디바이스 및 방법을 달성하여 적어도 종래 기술에 있어서의 상술한 문제점들을 적어도 경감시키는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 제 1 양태에 따라 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징지우는 디바이스가 제공되고, 상기 디바이스는:

기류 내의 부유 입자들의 진입을 위한 공기 흡입구,

디바이스에 진입하는 부유 입자들을 하전함으로써 하전 부유 입자들의 크기 분포를 생성하도록 구성되는 입자 전하 유닛,

적어도 하나의 시간 간격 동안 적어도 하나의 제 1 농도 레벨 및 제 2 농도 레벨 사이의 하전 입자들의 농도의 변화를 야기할 수 있는 농도 변화부,

제 1 농도 레벨에 대응하는 제 1 측정 신호(I₁), 및 제 2 농도 레벨에 대응하는 제 2 측정 신호(I₂)를 발생시킬 수 있는 입자 감지부, 및 제 1 측정 신호(I₁) 및 제 2 측정 신호(I₂) 및 기준 입경(d_p,ref)으로부터, 하전 부유 입자들의 크기 분포의 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 구성되는 데이터 평가 유닛을 포함한다. 기준 입경(d_p,ref)에 대한 추론된 평균 입경(d_p,av)의 변화는 설정된 최대 변화로 제한된다.

그러므로, 시간 경과에 따라 기류 내의 부유 입자들, 예를 들어 UFP들의 크기 분포에 대한 잠재적인 과도 특성들 N 및 d_p,av을 따르도록 구성되는 디바이스가 제공된다. 상기 디바이스는 입자 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하기 위한 측정 신호들(I₁ 및 I₂)을 평가할 때, 기준 입경(d_p,ref)에 대한 추론된 평균 입경의 허용된 변화에 대한 제한들이 설정되도록 구성된다. 특히, 상기 변화는 설정된 최대 변화로 제한된다. 이 제한은 물리적으로 적절한데, 왜냐하면 미립자 공기 오염을 발생시키는 소정의 오염원에 있어서, 입자 크기 분포의 특성들에 있어서의 과도 현상은 통상적으로 평균 입경에서의 과도 현상보다, 입자 수 농도에서의 과도 현상에 상대적으로 더 많이 관련되기 때문이다. 기준 입경에 대하여 기껏해야 d_p,av의 제한된 변화만을 허용하는 환경은 d_p,av로 하여금 시간 경과에 따라 변화들을 겪도록 하지만, d_p,ref에 관하여 d_p,av에 대한 추론된 값의 편차를 감소시켜, d_p,ref가 물리적으로 실현 가능한 평균 입경으로 적절하게 선택될 때 광범위한 상태들 하에서 물리적으로 실현 가능하게 유지되는 것을 보장한다. N에 대한 값들 및 값에 대한 변화들에 관한 한, 어떠한 제한들도 부과되지 않는다. 이는 전체 신뢰성을 개선하고 하드웨어 적응들 또는 평균화 절차들에 의존할 필요없이 N 및 d_p,av에 대한 추론된 값에 대하여 시간에 따른 산포성을 감소시킨다. 개선된 정확도는 과도 상태들 하에서뿐만 아니라 N 및/또는 φ가 상대적으로 낮을 때 정적 상태들에서도 획득되는 N 및 d_p,av에 대한 추론된 값에 적용된다. 식 1에 따르면, 작은 입자 수 농도(N)는 단지 신호 차(I₁ - I₂)에 대한 작은 값, 따라서 식 2에 따른 d_p,av에 대한 추론된 값의 상대적으로 큰 불확실성에 의해서만 성취되고, 여기서 (I₁ - I₂)는 분모에 나타난다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 입자 수 농도(N)는 제 1 측정 신호(I₁), 제 2 측정 신호(I₂), 및 하전 부유 입자들의 크기 분포의 추론된 평균 입경(d_p,av)에 기초하여 추론된다. 이 절차는 측정된 신호들(I₁ - I₂)에 관한 N 및 d_p,av에 대한 추론된 값들의 내적 일관성을 보장함으로써, 시간 경과에 따른 N에 대한 추론된 값의 변화에 대한 제한들 또는 평균화 절차를 필요로 하지 않고도 d_p,av에 대해서뿐만 아니라 N에 대해서도 물리적으로 실현 가능한 결과를 산출한다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 농도 변화부는 적어도 하나의 시간 간격 동안 하전 부유 입자들의 크기 분포의 적어도 일부를 전기적으로 침전시킬 수 있는 전기 침전 유닛이다. 이 실시예는 도 1a의 종래 기술 디바이스(10)에 대해 상술한 바와 같이, 침전 유닛 내부의 두 평행한 전극면들 사이에 위치된 유동 도관 양단에 전기장을 인가함으로써 하전 부유 입자의 크기 분포의 농도를 변화시키는 편리하고 제어 가능한 방법을 인에이블(enable)한다. 전기장은 바람직하게도 총 입자 수 농도(N)에 무시할 수 없을 정도로 기여하는 임의의 소정의 크기의 하전 입자들의 일부를 단지 침전시키도록 선택된다. 특히, 유동 도관 양단에 인가된 전기장은 직경이 10nm보다 더 큰 하전 입자들이 침전 유닛을 통과하는 기류로부터 단지 부분적으로만 침전되도록 선택된다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 제 1 농도 레벨은 하전 부유 입자들의 생성된 크기 분포의 농도 레벨과 실질적으로 동일하다. 이는 그것이 측정된 신호(I₁)가 센서 디바이스에 진입하는 부유 입자들의 전하 후에 센서 디바이스 내의 하전 부유 입자들의 생성된 크기 분포의 특성들에 대응하도록 하기 때문에 유용하다. 바람직하게도, 센서 디바이스의 전하부 내의 부유 입자들의 전하는 확산 전하에 의해 달성된다. 신호(I₂)는 후속해서 하전 부유 입자들의 초기에 생성된 크기 확산의 농도가 센서 디바이스의 침전부 내의 부분적 정전 입자 침전에 의해 감소된 이후에 획득되는 하전 부유 입자들의 크기 분포의 특성들에 대응하도록 생성될 수 있다. 이 절차는 식 1 내지 3을 이용하여 신호들(I₁ 및 I₂)로부터 하전 부유 입자들의 초기 생성 크기 분포의 특성들을 추론하는 것을 가능하게 한다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 기준 입경(d_p,ref)은 미리 정해진 입경(d_p,0)이다. 미리 정해진 입경은 입경의 디폴트값(default value)에 대응하고, 이는 디바이스의 이용자에 의해 설정될 수 있고, 바람직하게는 근사적으로 예측되는 평균 입경을 나타낸다. 구체적으로, 미리 정해진 입경(d_p,0)을 기준 입경으로 이용하는 것은 센서 디바이스가 스위치 온(switch on)된 직후에 제 1 신호들(I₁ 및 I₂)이 기록될 때 유용하다. 이때 d_p,av에 대하여 이전에 추론된 어떠한 값들도 이용 가능하지 않고, 그 후에 센서 디바이스가 스위치 온 된 직후 제 1 신호들(I₁ 및 I₂)이 기록되는 시간 동안에 하전 부유 입자들의 크기 분포가 자체의 특성으로 과도 동작을 나타내는 경우 d_p,av 및 N에 대한 어떠한 물리적 실현 불가능한 값들도 I₁ 및 I₂로부터 추론되지 않는 것을 보장하기 위해, 미리 정해진 입경(d_p,0)의 값에 의존하는 것이 바람직하다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 미리 정해진 입경(d_p,0)은 바람직하게도 20 내지 100 nm 크기 범위 내의 값으로 설정되고, 이는 약 10 및 300nm 사이에서 크기가 정해지는 부유 초미립자들의 수-평균 입경에 대한 전형적인 크기 범위이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기준 입경(d_p,ref)은 이전에 추론된 입경, 바람직하게는 d_p,av에 대하여 가장 최근에 추론된 이전 값이다. 이는 시간에서의 임의의 소정의 순간에 d_p,av 및 N에 대한 추론된 값들의 정확도 및 신뢰성을 증가시키는데, 왜냐하면 보통 d_p,av의 큰 변화들은 신호들(I₁ 및 I₂)의 연속 기록들 사이의 짧은 시간 기간 내에 발생할 것이라고 예측되지 않기 때문이다. d_p,av에 대하여 연속적으로 추론된 값들의 제어된 점진적인 변화는 현재, d_p,av에 대한 이전에 추론된 값들에 대한 이력(history)의 최소량만을 포함하여, 이제 허용되고, 상기 이력은 바람직하게도 d_p,av의 가장 최근에 추론된 이전 값과 동일하게 설정된 d_p,ref에 대한 단일 수에 의해 형성된다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 추론된 평균 입경(d_p,av)은 기준 입경(d_p,ref)과 동일하다고 여겨지고, I₁ ≤ I₂이거나 또는 I₁이 미리 정해진 기준 신호(I_1,ref) 이하일 때 d_p,ref에 대한 값은 바람직하게도 d_p,av에 대해 가장 최근에 추론된 값 또는 미리 정해진 값(d_p,0)을 나타낸다. I₁ ≤ I₂이면, d_p,av는 식 2로부터 추론될 수 없는데 왜냐하면 이는 d_p,av에 대하여 물리적으로 실현 불가능한 음의 값을 발생시킬 것이기 때문이다. I₁ ≤ I₂인 환경은 부유 하전 입자들의 크기 분포의 특성들에 대해 상당한 과도 상태 하에서, 또는 신호들 I₁ 및 I₂의 크기들이 너무 작아 만족할 정도의 정확도로 기록되지 않을 때 발생할 것이다. I₁ ≤ I_1,ref의 환경은, I_1,ref의 크기가 바람직하게도 영인 값이거나 또는 영에 근접한 값(바람직하게는 0 내지 10fA 범위 내의)을 나타내는 경우, 상대적으로 작은 입자 농도들(N)에서 발생할 수 있고, 상대적으로 작은 입자 농도들(N)은 신호들(I₁ 및 I₂)의 측정치를 발생시키는데, 이 측정치는 너무 작아서 만족할 정도의 정확도로 기록되지 않고 그러므로 심지어 I₁ > I₂일 때조차도 식 2에 따른 d_p,av에 대한 신뢰성 있는 값을 추론하는데 적합하지 않다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 추론된 입경(d_p,av) 및 추론된 입자 수 농도(N)의 수학적 곱(N*d_p,av)은 제 1 측정 신호(I₁)에 비례하도록 설정된다. 이는 식 3에 따르며 모든 환경들 하에서 N 및 d_p,av의 추론된 값의 적(L)이 I₁에 비례하는 방식으로 상기 N 및 d_p,av의 추론된 값이 서로 관련되는 것을 보장한다. 이는 입자 전하가 확산 전하에 의해 달성될 때 L ∝ I₁인 관찰에 따라 물리적으로 입증된다(1985년, M. Adachi 등의 Journal of aerosol Sci. 16(2), pp.109 내지 123).

차례로, 상술한 바와 같이, L은 부유 입자들의 크기 분포를 갖는 오염된 공기를 흡입할 때 노출 관련 건강 위험성에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이 절차는 모든 상태들 및 환경들 하에서, 노출 관련 건강 위험성의 신뢰성 있는 평가가 N 및 d_p,av에 대한 결합된 추론 값들을 통해, 또는 훨씬 더 직접적으로 I₁을 통해 획득될 수 있음을 보장한다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 기준 입경에 대한 추론된 평균 입경의 설정된 최대 변화는 두 개의 측정 신호들(I₁ 및 I₂) 중 적어도 하나의 크기에 따라 행해진다. 이는 d_p,av에 대하여 연속적으로 추론된 값들이 비교될 때 상기 상태가 d_p,av의 허용되는 최대 변화에 더 큰 유연성을 가능하게 하므로 유용하다. I₁ 및 I₂ 이 둘 모두에 대한 높은 값들에서 I₁ 및 I₂의 부정확도들은 I₁ 및 I₂에 대하여 낮은 값들이 기록될 때보다 상대적으로 작음으로써, 상대적으로 더 높은 값이 설정된 최대 변화에 이용되도록 한다. 이 환경은 또한 과도 현상들이 존재할 때 시간에 따라 기록되는 d_p,av 내에서 상대적으로 빠른 과도 현상들을 용이하게 한다. 낮은 부유 입자 농도에 직면하게 되는 경우, I₁ 및 I₂에 대한 작은 값들이 측정될 것이고, 이는 식 2에 따른 d_p,av에 대한 추론된 값에서의 상대적인 불확실성을 증가시킨다. 후자의 상황은 설정된 최대 변화를 상대적으로 더 작은 값으로 제한함으로써 개선될 수 있다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 일련의 제 1 측정 신호들(I₁(t_k), I₁(t_k+2), I₁(t_k+4)...) 및 일련의 제 2 측정 신호들(I₂(t_k+1), I₂(t_k+3), I₂(t_k+5)...)은 시간에 있어서 연속 순간들(t_k, t_k+1, t_k+2,...)에서 연속적으로 생성되고, 여기서 k는 정수를 나타내고, 데이터 평가 유닛은 제 1 측정 신호(I₁) 또는 제 2 측정 신호(I₂) 중 하나가 생성되면 각각의 순간(t_k, t_k+1, t_k+2,...)에서 하전 부유 입자들의 크기 분포의 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 구성된다. 이는 I₁ 또는 I₂ 중 하나가 기록될 때 시간에서의 각각의 순간에서 N 및 d_p,av 이 둘 모두의 신속한 업데이트를 가능하게 하므로 유용하다.

상기 디바이스의 실시예에 따르면, 상기 디바이스는 특히 하전 부유 입자들의 크기 분포의 특성들의 시간에 따른 진전의 검출을 인에이블하도록 구성되고, 여기서 하전 부유 입자들은 대부분 직경이 5 내지 500nm 크기 범위, 더 바람직하게는 10 내지 300 크기 범위 내에 있는 하전 초미립자이다. 이는 상기 초미립자들이 흔히 입자들 및 가스들과 함께 전체적으로 직면하는 공기 오염의 가장 위험한 요소를 나타내기 때문에 유용하다.

본 발명의 상술한 양태들의 상이한 특징들은 임의의 조합으로 결합될 수 있다.

본 발명의 장점은 WO2007000710 A2에 기술되어 있는 기본 센서(도 1a를 참조하라)를 이용할 때, 상기 센서가 정적 상태들 하에서 그리고 미립자 공기 오염 특성들에 대한 과도 상태들 하에서 모두 이용될 때, 시간 경과에 따라 d_p,av 및 N에 대한 추론된 데이터에서의 산포성을 현저하게 감소시키는 디바이스 및 방법이 개시되는 점이다. 이는 부가적으로 측정에서 추가 비신뢰성/산포성을 겪는 문제 없이 센서 크기 및 센서 가격(복잡성) 모두의 상대적인 감소가 달성되도록 한다.

본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명으로부터, 첨부된 종속 청구항들로부터, 그뿐만 아니라 도면들로부터 분명해질 것이다.

일반적으로, 청구항들에서 이용되는 모든 용어들은 본원에서 명시적으로 달리 규정되지 않으면, 기술 분야에서 용어의 통상의 의미에 따라 해석되어야 한다. "a/an/the[요소, 디바이스, 컴포넌트, 수단, 단계 등]"에 대한 모든 참조들은 달리 명시적으로 진술되지 않으면, 요소, 디바이스, 컴포넌트, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 예를 언급하는 것으로 공개적으로 해석되어야만 한다. 본원에 개시되는 임의의 방법의 단계들은 명시적으로 진술되지 않으면, 개시된 정확한 순서로 실행될 필요가 없다.

달리 규정되지 않으면, 본원에서 이용되는 모든 용어들(기술 및 과학 용어들을 포함하는)은 본 발명의 실시예들이 속하는 기술분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 지닌다. 본원에서 이용되는 용어들이 본 명세서의 컨텍스트 및 관련 분야에서의 자신의 의미와 부합하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야만 하고 본원에서 명확하게 규정되지 않으면 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술의 초미립자 센서의 개략적인 도면들.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징지우는 디바이스에 대한 블록도.

본 발명의 실시예들은 이제 개시된 도면들을 참조하여, 더 자세하게 설명될 것이다.

상기 도면들은 개략적이며 축적대로 도시되지 않음이 주목되어야 한다. 명료성 및 편리성을 위해, 상기 도면들의 부분들의 상대적인 치수들 및 비율들은 확대되어 도시되거나 크기가 감소하여 도시되었다.

본 발명의 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 이후에 더 완전하게 설명될 것이고, 도면들에서는 본 발명의 특정 실시예들이 도시된다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 본원에 설명된 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다; 오히려 본 실시예들은 본 명세서가 철저하거나 완성되도록, 그리고 본 발명의 범위를 당업자에게 충분히 전달하도록 예를 통해 제공된다. 동일한 번호들은 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 병기한다.

본 발명은 사실상 모든 주변 환경 상태들 하에서, 실내 및 실외 모두 d_p _. _av에 대한 값들의 큰 변동(fluctuation)이 통상적으로 발생하지 않는다(즉, 약 10초의 시간 스팬에서 약 5~ 10% 이상)는 고려사항에 기초한다. 한편, N의 현저한 변동들은 수 초의 시간 스팬(time span) 내에 확실히 발생하고 적시에 처리되어야만 한다.

이제 도 2를 참조하면, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스(20)의 실시예가 구성되고, 상기 디바이스(20)는 기류(F) 내에 부유 입자들의 진입을 위한 공기 흡입구(21)를 갖는다. 디바이스(20)를 통과하는 기류(F)는 통풍기 또는 펌프(도시되지 않음)에 의해 발생될 수 있다. 더욱이, 입자 전하 유닛(28)은 공기 흡입구(21)의 하류에 구성되어 디바이스(20)에 진입하는 부유 입자들을 충전함으로써 하전 부유 입자들의 크기 분포를 생성한다. 하전 유닛(28)은 고전압 전력 공급원(도 1a에서의 하전 유닛(18)과 비교 가능하다)에 접속되는 니들-팁(needle-tip) 전극을 포함할 수 있고, 상기 니들 전극은 니들 팁 주위의 공기를 이온화하는데 충분히 높은 전위 V_cor로 설정됨으로써 전하 유닛(28)을 통과하는 부유 입자들에 부분적으로 흡수되는 부유 이온들을 발생시킴으로써, 부유 입자들에 전기 전하를 발생시킨다. 바람직하게도, 니들 팁 전극은 스크린 전압 V_scr << V_cor로 설정되는 다공성 스크린 전극에 의해 둘러싸인다. 이는 부유 입자들의 확산 전하를 실현하는데 적합한 전하 유닛(28)의 상태들을 인에이블한다. 대안으로, 입자 전하는 충분한 에너지를 갖는 광자를 포함하여 부유 입자들을 이온화하는 방사선을 방출할 수 있는 광원, 예를 들어 UV 램프 또는 엑시머 광원(excimer light source)의 이용을 통해 광-이온화함으로써 실현될 수 있다.

디바이스(20)는 농도 변화부(27)을 구비하도록 추가로 구성되고, 농도 변화부는 입자 전하 유닛(28)으로부터 다운스트림 구성된다. 농도 변화 유닛(27)은 적어도 하나의 시간 간격 동안 기류 내의 하전 입자들의 농도의 변화를 적어도 제 1 농도 레벨 및 제 2 농도 레벨 사이에서 발생할 수 있도록 구성된다. 농도 변화 유닛(27)은 전하된 입자들을 포함하는 기류가 상이한 정전계를 겪도록 함으로써 농도 변화를 달성하도록 구성된다.

특히, 본 발명에 따른 디바이스의 하나의 실시예에서, 농도 변화 유닛(27)은 전기 침전 유닛이다(도 1a에 도시된 바와 같이 농도 변화 유닛(17)과 비교될 수 있다). 농도 변화 유닛(27)은 적어도 하나의 시간 간격 동안 하전 부유 입자들의 크기 분포의 적어도 일부를 전기적으로 침전시킬 수 있고, 일련의 곧은 또는 실린더형의 동심 평행-판들(도시되지 않음)을 포함하도록 구성될 수 있고, 평행-판들 중 적어도 하나의 판은 주기적인 일련의 전압 펄스들 V_p = V₁을 수신할 수 있고, 반면에 다른 판은 전압 V_p = 0에 연속적으로 접속된다. 그리고나서 판들 중 하나는 교류 전압들 V_p = 0 및 V_p = V₁에 접속되고, 이는 결과적으로 인가된 전압 V_p = 0 및 V_p = V₁과 각각 직접 연관되는 농도 변화부으로부터 나가는 하전 부유 입자들의 제 1 농도 레벨 및 제 2 농도 레벨을 각각 발생시킨다. 하전 부유 입자들 중 적어도 일부는 전압 V_p = V₁이 판들 중 하나에 인가될 때 침전 유닛(27) 내부에서 침전될 것이기 때문에, 제 2 농도 레벨은 제 1 레벨(V_p = 0에 접속되는 양 판들을 가지는 것과 연관되는)보다 낮다. 본 발명에 따른 디바이스의 본 실시예에서, 제 1 농도 레벨은 입자 전하 유닛(28)으로부터 나가는 하전 부유 입자들의 생성된 크기 분포의 농도 레벨과 실질적으로 동일하다.

입자 감지부(23)은 농도 변화부(27)으로부터 하부에 위치된다. 농도 변화부(27)으로부터 나가는 전하된 입자들은 입자 감지부(23)에 의해 수신되고, 입자 감지부(23)은 제 1 농도 레벨에 대응하는 제 1 측정 신호(I₁) 및 제 2 농도 레벨에 대응하는 제 2 측정 신호(I₂)를 발생시킬 수 있다. 측정 신호들은 도 1a에 도시된 바와 같은 감응성 전류계에 접속되는 패러데이 상자 장치를 이용함으로써 획득될 수 있다.

입자 감지부(23)은 데이터 평가 유닛(29)과 통신하도록 구성된다. 데이터 평가 유닛(29)은 입자 감지부(23)으로부터 측정된 신호들의 형태로 입력 데이터를 수신할 수 있고 메모리 기능을 갖는다. 선택적으로, 이는 부유 하전 입자들의 크기 분포에 대한 특성 데이터의 추론을 인에이블하는데 요구되는 파라미터들을 수신하기 위한 데이터 입력 유닛(30), 및 결과들을 이용자에게 제공하기 위한 디스플레이 유닛(31)을 포함하는 이용자 인터페이스를 구비하여 구성된다. 데이터 평가 유닛(29)은 제 1 측정 신호(I₁) 및 제 2 측정 신호(I₂), 및 기준 입경(d_p,ref)으로부터, 하전 부유 입자들의 입자 수 농도(N) 및 크기 분포의 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 추가로 구성된다. 기준 입경(d_p,ref)에 대한 추론된 평균 입경(d_p,av)의 변화는 파라미터(f)의 수치 값에 의해 표현되는 설정된 최대 변화로 제한된다. 게다가, 제 1 측정 신호(I₁)에 대한 최소 값(I_1,ref)이 규정될 수 있는데, 이는 I₁의 수치 값 및 그에따른 I₁의 상대적인 정확도에 의존하여 신호들(I₁ 및 I₂)로부터 N 및 d_p,av의 추론 절차를 행하는데 유용하다.

본 발명에 따른 디바이스의 실시예에서, 기준 입경(d_p,ref)은 이전에 추론된 평균 입경, 바람직하게는 이전의 가장 최근에 추론된 평균 입경이다. 본 발명의 디바이스의 다른 실시예에서, 기준 입경(d_p,ref)은 미리 정해진 입경(d_p,0)이다. 기준 입경(d_p,ref) 대신 미리 정해진 입경(d_p,0)을 이용하는 것은 디바이스가 스위치 온된 직후에 제 1 측정치들(I₁ 및 I₂)이 획득될 때 특히 유용한데, 왜냐하면 이때 이전에 추론된 평균 입경이 이용 가능하지 않기 때문이다.

본 발명에 따른 디바이스의 실시예에서, 입자 수 농도(N)는 제 1 측정 신호(I₁), 제 2 측정 신호(I₂), 및 하전된 부유 입자들의 크기 분포의 추론된 평균 입경(d_p,av)에 기초하여 추론된다. 측정된 신호들(I₁ 및 I₂)에 기초하여 d_p,av에 대한 추론된 값을 가진 후에 N을 추론하는 절차가 가능한데 왜냐하면 수학적 곱(N*d_p,av)은 확산 전하의 상태들 하에서 I₁에 비례하기 때문이다(식 3을 참조하라). 그러므로, I₁ 및 d_p,av가 공지되어 있으면, N을 추론하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따른 디바이스의 실시예에 따르면, 상기 디바이스는 하전 부유 입자들을 특징짓도록 구성되고, 상기 하전 부유 입자들은 대부분 직경이 5 내지 500 nm 크기 범위 내에 있고, 바람직하게는 10 내지 300 크기 범위 내에 있는 하전 초미립자들이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 일련의 제 1 측정 신호들(I₁(t_k), I₁(t_k+2), I₁(t_k+4)...) 및 일련의 제 2 측정 신호들(I₂(t_k+1), I₂(t_k+3), I₂(t_k+5)...)은 시간에 있어서 연속 순간들(t_k, t_k+1, t_k+2,...)에서 연속적으로 생성되고, 여기서 k는 정수를 나타낸다. 데이터 평가 유닛은 제 1 측정 신호(I₁) 또는 제 2 측정 신호(I₂) 중 하나가 생성되면 각각의 순간(t_k, t_k+1, t_k+2,...)에서 하전 부유 입자들의 크기 분포의 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 구성된다.

더욱이, 본 발명의 주요 양태는 시간 t = t_k에서, (이전에) 식 2에 따라 단지 마지막에 측정된 센서 신호들(I₁ 및 I₂)에만 기초하는(즉, t = t_k에서 센서 신호(I₁(t_k))가 측정되는지 또는 센서 신호(I₂(t_k))가 측정되는지에 따라, 세트(I₁(t_k),I₂(t_k-1)) 또는 세트(I₁(t_k-1),I₂(t_k)) 중 하나에 기초하는) 추론된 값(d_p,av(t_k))이 미리 정해진 양 f 또는 d_p,av(t_k-1)로부터 1/f 이상으로 차이가 나는지(여기서 f > 1)를 확인하기 위해 이전의 가장 최근에 추론된 시간(t_k-1)에서의 값(d_p,av(t_k-1))만을 검사하는데에 있다. 만일 그와 같은 경우가 아니라면, 최종 값(d_p,av(t_k))은 공기 오염 특성들이 시간에 따라 적절히 일정하게 유지되는 정적 상황에 대해서 유효한 식 2에 따라 측정된 신호들(I₁(t_k-1),I₂(t_k)) 또는 (I₂(t_k-1),I₁(t_k)) 중 하나로부터 추론된 이전 추론 값(d_p,av(t_k))과 동일하게 설정된다. 그러나, 상기와 같은 경우라면, 이전에 획득된 값(d_p,av(t_k))은 거절되고 최종 값(d_p,av(t_k))은 단지 이전에 d_p,av(t_k) > d_p,av(t_k-1)로 결정되거나 또는 이전에 d_p,av(t_k) < d_p,av(t_k-1)로 결정된 것에 따라 각각 제한된 양 f 또는 1/f 만큼 d_p,av(t_k-1)와 다르다. 그리고나서 d_p,av(t_k)에 대한 결정된 최종 값에 기초하여, 값(N(t_k))이 평가된다. 이 절차는 아래 "상세한 예시 실시예"에서 후술되는 알고리즘에 의해 부가적으로 설명된다.

본 발명의 대안의 실시예에 따르면, 특정 시간 기간 동안 추론된 데이터 세트들(d_p,av, N)의 수는 추론된 데이터의 정확도를 손상하지 않고 가능한 크게 될 수 있다. 본 발명의 이 양태는 임의의 시간(t_k)에서 데이터 세트(d_p _, _av(t_k),N(t_k))를 추론함으로써 구현되고, 여기서 센서 신호(I₁(t_k)) 또는 센서 신호(I₂(t_k))가 획득된다. 후술되는 알고리즘에 따라 결정이 행해진다. 그러므로, 데이터 세트(d_p _, _av(t_k),N(t_k))는 센서 신호 세트(I₁(t_k _-1),I₂(t_k)) 또는 세트(I₂(t_k _-1),I₁(t_k)) 이둘 모두로부터 추론될 수 있다.

본 발명의 다른 중요한 양태는 극미세 입자 오염(입자 길이 농도 L = N*d_p _, _av에 비례하는)에 노출되는 것과 연관되는 상대적 건강 위험성이 또한 각각의 시간 t_k에서 결정되고 여기서 센서 신호(I₁(t_k)) 또는 센서 신호(I₂(t_k))가 획득된다. 이 시간 t_k에서의 건강 위험성은 I₁에 대한 마지막 값이 t_k 또는 t_k _-1에서 측정되었는지의 여부에 따라 각각 센서 신호(I₁(t_k)) 또는 센서 신호(I₁(t_k _-1))에 비례하여 설정된다. 그러므로, 시간에 있어서의 임의의 순간에 UFP 공기 오염으로의 노출과 연관되는 건강 위험성의 결정에 평균화는 포함되지 않는다.

상세한 예시적인 실시예 :

임의의 특정한 절차 또는 이론에 의해 제한되고자 하지 않으므로, 이후에 디바이스의 예시 방법 및 실시예가 더 상세하게 설명된다. 평가 유닛(29)은 디바이스를 통과하는 샘플링된 기류 내에 하전 부유 입자들의 크기 분포의 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 구성된다. 필수적으로, WO 2007/000710 A2에 기술된 종래 기술에 따르면, 시간 기간 동안 하전 부유 입자들의 크기 분포의 특성들에 대하여 실질적으로 정적인 상태들이 존재하고 여기서 연속적으로 측정된 신호(I₁ 및 I₂)의 쌍이 측정되면, 도 1a의 기본 센서는:

식 6

식 7

식 8

에 따라 φ = φ*에서 N, d_p _, _av, 및 L의 평가를 인에이블한다. S_N 및 S_dp는 교정되거나 계산된 상수 비례 팩터들을 나타낸다.

본 발명에서, 과도 상태들이 존재할 때 L에 대해 제공된 값에서(식 3에 따라 단지 I₁의 측정으로부터 획득될 수 있는) N 및 d_p _, _av에 대한 추론된 값들의 정확성을 개선하기 위해, 측정들의 전체 이력 동안 평가 유닛(29)에 의해 다음의 프로토콜이 수행되고, 여기서 센서 전류 측정치들의 스트링(string)

I₁(t₀),I₂(t₁),I₁(t₂),I₁(t₃),......I₁(t_k),I₂(t_k ₊₁),I₁(t_k ₊₂),I₁(t_k ₊₃),......

은 시간 t₀, t₁, t₂,....에서 연속적으로 기록된다.

이제 다음의 파라미터들이 규정된다:

d_p,0, 이는 미리 정해진 기준 입경이고, 바람직하게는 20nm ≤ d_p,0≤ 100nm가 되도록 선택된다,

I_1,ref, 이는 미리 정해진 기준 측정 신호이고 바람직하게 0 내지 10fA 범위 내의 값으로 설정되는 수치 크기를 갖는다,

f, 이는 단위 1보다 더 큰 미리 정해진 파라미터이고 바람직하게는 1.001 ≤ f ≤ 1.1이다.

시간에 경과에 따른 결과들의 다수의 세트들((d_p _, _av(t₁),N(t₁),L(t₁)), (d_p,av(t₂),N(t₂),L(t₂)), (d_p _, _av(t₃),N(t₃),L(t₃)))에 대한 의미 값들은 모든 종류들의 측정 부정확도를 처리하고 명시적으로 수정하는 다음의 예시적인 절차를 통해 획득될 수 있다.

센서 기구를 스위치 온한 직후에 획득되는 측정치들의 제 1 세트(I₁(t₀),I₂(t₁))는 제한 모드 또는 자유 모드 중 하나에서 수행될 수 있는 후술되는 식들 및 상태들의 세트에 따라 t = t₁에서 추론된 데이터의 세트(d_p,av(t₁),N(t₁),L(t₁))를 생성한다.

제한 모드는 바람직하게도 t = t₀ 및 t = t₁에서 과도 상태들이 부유 하전 입자들의 크기 분포의 특성들에 관하여 존재하는 것으로 예측될 때 선택된다.

자유 모드는 바람직하게도 모든 다른 경우들에서 부유 하전 입자들의 크기 분포의 특성들이 t = t₀ 및 t = t₁에서 비교적 일정하게 유지될 때 선택된다.

제한 모드

제 1 측정치에 대한 제한 모드는 I₁(t₀) > 0 fA인 한 항상 결과들(d_p _, _av(t₁),N₁(t₁),L(t₁))의 제 1 세트를 발생시킨다.

자유 모드

이는 I₁(t₀) > 0 fA인 한 항상 결과들(d_p _, _av(t₁),N₁(t₁),L(t₁))의 제 1 세트를 발생시킨다.

N, d_p _, _av 및 L에 대한 추론된 데이터의 제 2 및 후속 세트들의 경우, 알고리즘은 후술하는 바와 같이 제한 모드에 따라 구현된다:

추론된 데이터(d_p _, _av(t₂),N(t₂),L(t₂))의 제 2 세트는 식들 및 상태들의 세트에 따라 센서 신호들(I₁(t₂),I₂(t₁))로부터 획득된다:

더 일반적으로, t = t_k(k > 1)일 때 센서 신호(I₁(t_k))가 측정될 때, 데이터 d_p,av(t_k), N(t_k), 및 L(t_k)는 다음에 따라 획득된다

대안으로, t = t_k일 때 센서 신호(I₂(t_k))가 측정되면, 데이터 d_p _, _av(t_k), 및 N(t_k)는 다음에 따라 획득된다

상기 절차는 특정 시간 기간 동안 추론된 값들(d_p _, _av)에서의 무작위한 산포성을 훨씬 감소시키고 동시에 N에 대한 추론 값들을 더욱 신뢰성 있게 하면서도 노출 관련 위험성(L)의 평가에 관한 한 손상되지 않고 유지된다.

본 발명에 따른 디바이스의 실시예들이 적절한 애플리케이션들의 예들은 예를 들어 환경 모니터링, 직업상 노출 측정(occupational exposure measurement)들, 연구 기구 및 입자 필터 테스트 기구이다.

본 발명이 도면들 및 전의 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었을지라도, 그와 같은 도면 및 설명은 예시 및 설명으로 간주 되어야하고 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다; 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다. 개시된 실시예들에 대한 변형들은 도면들, 명세서, 및 첨부 청구항들의 연구로부터, 청구되는 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 달성될 수 있다. 청구항들에서, 단어 "comprising"은 다른 요소들을 배제하지 않고, 부정관사 "a", 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 특정 조치들이 상호 상이한 청구항들에서 인용되는 단순한 사실은 이 조치들의 결합인 유용하게 이용될 수 없음을 나타내지 않는다. 청구항들에서 어떠한 참조 부호들도 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

10, 20 : 측정 디바이스 12 : 입자 프리필터
27 : 침전 유닛 28 : 입자 전하 유닛

Claims

기류 내의 하전 부유 입자들(electrically-charged airborne particles)의 크기 분포의 시간에 따른 진전(evolution)을 특징짓기 위한 디바이스에 있어서:
- 기류 내의 부유 입자들의 진입을 위한 공기 흡입구;
- 상기 디바이스에 진입하는 부유 입자들을 하전함으로써 하전 부유 입자들의 크기 분포를 생성하도록 구성되는 입자 전하 유닛;
- 적어도 하나의 시간 간격 동안 적어도 제 1 농도 레벨 및 제 2 농도 레벨 사이의 하전 입자들의 농도의 변화를 야기할 수 있는 농도 변화부;
- 상기 제 1 농도 레벨에 대응하는 제 1 측정 신호(I₁), 및 상기 제 2 농도 레벨에 대응하는 제 2 측정 신호(I₂)를 생성시킬 수 있는 입자 감지부; 및
- 상기 제 1 측정 신호(I₁) 및 상기 제 2 측정 신호(I₂)와 기준 입경(d_p,ref)으로부터, 상기 하전 부유 입자들의 크기 분포의 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 구성된 데이터 평가 유닛으로서, 상기 기준 입경(d_p,ref)에 대한 상기 추론된 평균 입경(d_p,av)의 변화는 설정된 최대 변화로 제한되는, 상기 데이터 평가 유닛을 포함하는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 입자 수 농도(N)는 상기 제 1 측정 신호(I₁), 상기 제 2 측정 신호(I₂), 및 상기 하전 부유 입자들의 크기 분포의 상기 추론된 평균 입경(d_p,av)에 기초하여 추론되는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 농도 변화부는 적어도 하나의 시간 간격 동안 상기 하전 부유 입자들의 크기 분포의 적어도 일부를 전기적으로 침전시킬 수 있는 전기 침전 유닛인, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 농도 레벨은 상기 하전 부유 입자들의 생성된 크기 분포의 농도 레벨과 실질적으로 동일한, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 기준 입경(d_p,ref)은 미리 정해진 입경(d_p,0)인, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 5 항에 있어서, 상기 미리 정해진 입경(d_p,0)은 20 내지 100 nm 크기 범위 내의 값으로 설정되는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 기준 입경(d_p,ref)은 이전에 추론된 평균 입경인, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추론된 평균 입경(d_p,av)은, 상기 제 1 측정 신호(I₁)가 상기 제 2 측정 신호(I₂) 이하일 때, 상기 기준 입경(d_p,ref)과 동일하다고 여겨지는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추론된 평균 입경(d_p,av)은, 상기 제 1 측정 신호(I₁)가 미리 정해진 기준 신호(I_1,ref) 이하일 때, 상기 기준 입경(d_p,ref)과 동일하다고 여겨지는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 추론된 평균 입경(d_p,av) 및 상기 추론된 입자 수 농도(N)의 수학적 곱(N*d_p,av)은 상기 제 1 측정 신호(I₁)와 비례하도록 설정되는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 상기 설정된 최대 변화는 각각 2개의 측정 신호들(I₁ 및 I₂) 중 적어도 하나의 크기에 의존하는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서, 일련의 제 1 측정 신호들(I₁(t_k), I₁(t_k+2), I₁(t_k+4)...) 및 일련의 제 2 측정 신호들(I₂(t_k+1), I₂(t_k+3), I₂(t_k+5)...)은 시간의 연속 순간들(t_k, t_k+1, t_k+2,...)에서 연속적으로 생성되고, 여기서 k는 정수를 나타내며, 상기 데이터 평가 유닛은 제 1 측정 신호(I₁) 또는 제 2 측정 신호(I₂) 중 하나가 생성되는 각각의 순간(t_k, t_k+1, t_k+2,...)에서 하전 부유 입자들의 크기 분포의 입자 수 농도(N) 및 평균 입경(d_p,av)을 추론하도록 구성되는, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 하전 부유 입자들의 크기 분포의 특성들의 시간에 따른 진전을 측정하도록 구성되고, 상기 하전 부유 입자들은 대부분 직경이 5 내지 500nm 크기 범위 내에 있는 하전 초미립자들인, 기류 내의 하전 부유 입자들의 크기 분포의 시간에 따른 진전을 특징짓기 위한 디바이스.