KR20110005782A - 입자 측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 방법은 필수적으로 일정한 표본 플로우(14)를 생산하고 입자 샘플과 필수적으로 청정한, 이온화된 가스(13)를 효율적으로 혼합하기 위해 배출기(11)를 사용하여 가스 내 입자 농도를 측정하는 방법이다. 또한, 본 발명은 그러한 방법을 시행하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법 및 장치는 연소 기관의 배출 시스템에서 입자 농도를 측정하는 실시 예로 사용될 수 있다.

Description

입자 측정 방법 및 장치{PARTICLE MEASUREMENT PROCESS AND APPARATUS}

본 발명은 에어로졸에서 입자 농도를 측정하는 방법에 관련된 것이다. 또한, 본 발명은 이와 같은 방법을 시행하는 장치와 관련된 것이다. 상기 방법 및 장치는 연소 기관의 배출 시스템에서 입자 농도를 측정하는 실시 예에 이용될 수 있다.

다양한 이유로, 미세 입자들 특히, 연소 기관에서 발생하는 입자들을 측정 가능하도록 하는 일은 중요하다. 상기 측정 활동은 미세 입자들이 잠재적으로 건강에 끼치는 영향에 대한 우려가 커지면서 추진되고 있으며 건강에 대한 우려로 미세 입자 배출을 규제하도록 하고 있다. 장래에 입자 배출에 대한 규제는 계속적으로 강화될 것이다. 미세 입자 측정에 대한 또 다른 수요는 연소 기관의 개발과 연소 기관 특히, 디젤 기관에 대한 실시간 감시로부터 발생한다. 또한, 미세 입자 측정에 대한 또 다른 수요는 공업 공정에서 나노 크기의 입자들, 전형적으로 100nm보다 작은 직경을 갖는 입자들을 생산하고 이들을 사용하는 양이 증가함으로써 발생한다. 직업적인 건강 및 안전성 문제와 마찬가지로 공업 공정에 있어서의 감시는 신뢰성 있는 미세 입자의 측정을 요구한다.

디젤 기관이 배출하는 입자들의 입자 분포는 일반적으로 세 가지 다른 모드: 대략 50nm보다 작은 직경을 갖는 입자들로 구성되는 핵 모드(nuclei mode), 50nm와 1㎛ 사이의 직경을 갖는 입자들로 구성되는 축적 모드(accumulation mode) 및 1㎛보다 큰 직경을 갖는 입자들로 구성된 조대 모드(coarse mode)로 나타난다. 디젤 기관이 배출하는 입자들의 대부분은 배출 가스가 배출 파이프로부터 누출된 후에 발생되고 이러한 입자들은 전형적으로 핵 모드에 속한다.

입자 트랩(particle trap)은 미세 입자 농도를 배출 규제 미만으로 유지하도록 연소 기관 배출 파이프에 설치된다. 상기 트랩은 주기적인 재생이 필요하고 갇혀진(trapped) 입자들은 트랩의 온도를 증가시키고 동시에 과잉 공기(excess air)를 상기 트랩에 공급함으로써 연소되어, 탄소 입자가 연소되도록 한다.

핀란드 공개특허 118278 B, Dekati Oy (2004.12.25)는 배출 파이프 시스템 또는 해당하는 배출 가스관에서 사용하는 동안 실질적으로 연소 기관의 배출 가스로부터 입자 배출을 결정하기 위한 센서 장치 및 방법에 관련된 것이고, 상기 방법에서 배출 가스에 함유된 배출된 입자들은 대전되며 상기 입자 배출은 상기 배출 가스관에서 배출된 입자들에 의해 운반된 전기 전하를 측정함으로써 결정된다. 상기 발명에 따르면, 상기 배출된 입자들은 상기 대전 결과로, 배출된 입자들이 적어도 두 가지의 상이한 전기적인 대전 상태로 되는 경우에 대하여 대전 방법 또는 대전 전력을 다양화함으로써 대전되고, 여기에서 상기 배출된 입자들의 전하량은 상기 적어도 두 가지의 상이한 전기적인 대전 상태들로 되는 배출된 입자들로부터 측정된 상이한 값/값들로 또한 결정된다. 상기 설명된 방법의 문제점은 상기 입자들이 상기 배출 가스관 내에 위치한 대전기(charger)에 의해 대전된다는 것이고, 상기 대전된 입자는 쉽게 오염되고 이러한 오염은 상기 대전기의 수명을 단축시키고 신뢰도를 떨어뜨리는 것이다. 일정한 이온 생성 및 입자 농도의 변화는 예를 들어, 입자 대전량을 일정하게 유지하는 데 있어 문제를 일으킨다. 상기 배출관에서 미세 입자들의 형성은 복잡한 단계를 거치고 매우 다양한 덩어리 플로우(mass flow)를 갖는 환경에서 측정을 하는 것은 매우 난해한 일이다. 예를 들어, 상이한 연료들 및 상이한 윤활유는 배출 가스관 내의 입자 농도 및 입자 특성에 영향을 끼친다. 이러한 내용은 예를 들어 Heejung Jung 등, The Influence of Engine Lubricating Oil on Diesel Nanoparticle Emissions and Kinetics of Oxidation, SAE International 2003-01-3179, 2003에 설명되어 있다.

Francisco J. Romay, et al., A Sonic Jet Corona Ionizer for Electrostatic Discharge and Aerosol Neutralization, Aerosol Science and Technology, Vol. 20 (1994), pp. 31-41에서 상이한 전극의 한 쌍의 음속 제트 이온화기를 사용하는 양극(bipolar)의 코로나 이온화기(corona ionizer)의 설계에 대해 설명한다. 상기 이온화기는 몇몇의 전극들, 오리피스 플레이트(orifice plate) 재료, 및 이온화기 작동 조건에 대한 입자 생성과 이온 출력의 면에서 특징을 보인다. 상기 음속 제트 이온화기는 전형적인 자유 코로나 이온화기보다 더욱 많은 입자들을 생성하기 위해 적용된다. 이것은 강력하고 더욱 반응성 있는 코로나 방전에 기인할 수 있다. 상기 음속 제트 이온화기에 실리콘 전극을 사용함으로써 허용 가능한 수준의 입자 형성의 결과를 보인다. 낮은 입자 생성은 텅스텐 카바이드 전극들 및 몰리브덴 오리피스 플레이트를 사용함으로써 달성될 수 있다.

미국 등록특허 6,544,484 B1, TSI Inc., 8.4.2003.에서 에어로졸을 분석하는 시스템을 설명한다. 상기 시스템은 백금이나 백금합금으로 형성되고 양으로 또는 음으로 대전된 코로나 방전 니들(needle)을 구비하는 코로나 방전 이온 생성기를 포함한다. 고속(40-210 ㎧)의 공기 플로어는 상기 코로나 방전으로부터 이온들을 쓸어내고, 상기 이온들을 에어로졸과 만나는 제트기류(turbulent jet)에서 혼합 챔버(mixing chamber)로 나아가게 하며, 상기 혼합 챔버로 제공한다. 상기 이온 생성기의 한 종류에서, 상기 이온은 양으로 또는 음으로 바이어스된 플레이트에 형성된 오리피스(orifice)를 통해 혼합 챔버로 운반된다. 또 다른 대안으로, 에어로졸 물방울(droplet)은 정전기적으로 생성되고, 에어로졸 제트(aerosol jet)처럼 혼합 챔버로 나아가게 되고 상기 에어로졸 제트는 대전된 물방울들 및 이온들의 혼합을 향상시키도록 상기 이온 제트와 마주친다. 상기 형태에서 상기 물방울들은 대부분 개별적으로 양으로 그리고 음으로 대전되는 입자들로 남도록 유리하게 중화된다. 상기 시스템이 갖는 문제점은 상기 에어로졸의 플로우 비율 및 청정한 공기가 측정되는 동안 필터의 오염과 같은 것들 때문에 변화될 수 있다는 것이다. 반대되는 제트에 의한 에어로졸과 이온화된 공기의 혼합은 어려운데, 그 이유는 상기 구성은 제트 방향 및 제트 속도와 같은 제트 속성에 매우 민감하고 상기 제트가 불안정하기 때문이다. 이와 같은 구성에서 이온 손실은 매우 높은데, 전형적으로 99% 이상이고 99.9% 이상일 수도 있다.

미국 등록특허 3,413,545, Regents of the University of Minnesota, 26.11.1968.에서 전기 에어로졸 입자 집계 및 0.01 내지 2 마이크론 입자 범위에 대한 크기 분포 시스템에 대해서 설명한다. 가스 이온화 장치(gas ionizing device) 및 확산 챔버(diffusion chamber)를 갖는 에어로졸 챔버 유닛은 상기 입자들의 크기에 비례하는 에어로졸 입자들 상에 단극 전하(unipolar charge)를 전한다. 상기 대전된 입자들은 길쭉한 챔버를 갖는 하우징을 포함하는 이동도 분석기(mobility analyzer)로 전달된다. 입자를 모으는 전극은 전위계(electrometer)에 연결된 센서 필터 및 전류-집전자(current-collector) 위에 있는 챔버 내로 축을 이루어 돌출된다. 30kV에 달하는 집진 전압(collecting voltage)이 상기 시스템에 사용된다. 상기 시스템 내의 혼합은 비효율적이고 따라서 이온 손실이 매우 높고, 전형적으로 99.9% 이상이다.

미국 공개번호 2006/0144124 A1, Takeshi Kusaka, et al., 6.7.2006.에서 용해성 유기물질(Soluble Organic Fraction, SOF) 측정 시스템에 대해 설명하고 있으며, 이는 용해성 유기물질을 계속적으로 측정할 수 있고 그을음(soot)을 계속적으로 측정할 수 있는 그을음 측정 시스템은 배출 가스 라인과 연결된다. 상기 그을음 측정 시스템은 배출기 희석기(ejector diluter)를 포함하고, 상기 배출기 희석기는 희석 가스로 탄화수소 농도가 알려진 기준 가스(standard gas)나 배출 가스 중 하나를 선택적으로 희석시키며 이를 밀어낸다. 희석 비율 조정 장치가 상기 희석기의 희석 비율을 조정하는데 사용될 수 있다. 그을음 탐지기는 상기 희석기에 의해 희석된 기준 가스나 배출 가스에서 계속적으로 그을음을 탐지한다. 상기 용해성 유기물질 측정 시스템은 상기 희석기와 연결될 수 있어서 배출 가스 분석기가 상기 희석기에 의해 희석된 기준 가스에서 탄화수소 농도를 측정할 수 있도록 한다. 상기 공개특허는 희석 공기(diluting air)를 대전시키는 것에 대해서는 언급하지 않았다.

선행하는 시스템의 문제점들에는 : 대전기(charger)의 오염, 이온화된 공기와 에어로졸의 좋지 못한 혼합, 표본 플로우의 변화 및 높은 이온 손실이 있다. 이러한 모든 문제점들로 인해 선행 시스템들은 연소 기관 배출 가스 입자들의 온라인 측정에 있어서 특히 불안정해진다. 또한, 현재 시스템은 크기 때문에 예를 들어, 디젤 자동차로부터 배출된 입자들을 감시하는 곳에는 사용될 수 없다. 일부의 선행 시스템에 있어서 큰 혼합 챔버는 측정 결과치에 대한 실시간 응답 속도가 저하되기도 한다.

본 발명의 목적은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 장치 및 방법의 중요한 요소는 하기에 설명한다.

'배출기(ejector)'는 빈공간으로부터 제2 가스를 빼내기 위해 제1 가스의 제트(jet)를 사용하는 장치이다. 상기 제1 제트 가스는 '주 플로우(main flow)'라고 지칭하며 제2 플로우는 '부 플로우(side flow)'라고 지칭한다.

'스월(swirl)'은 가스가 꼬이고(twisting) 회오리치는(whirling) 움직임을 보이도록 하는 공정이다.

'이온 트랩(ion trap)'은 전기장 또는 자기장의 조합을 이용하거나 한 영역에서 이온들을 포획하는 확산을 이용하는 방법이다.

본 발명의 해결책들은 몇몇의 문제점들을 유리하게 해결한다. 따라서 가스 플로우를 사용함으로써 오염이 방지될 수 있고 이온화될 때 배출기의 주 플로우와 같은 동일한 가스가 사용될 수 있다. 배출기에 의해 효과적인 혼합이 달성될 수 있고 고속의 이온화된 가스 플로우를 사용함으로써 유리하게도 배출기 주 플로우 내에서 짧은 혼합 시간 내에 달성될 수 있다. 고속 플로우 및 효율적인 혼합은 이온 손실을 극적으로 감소시킨다. 배출관(exhaust duct) 내로 배출되는 연소 기관 배출 입자를 측정하는 것보다, 일정 표본 플로우(sample flow)가 사용되고, 이는 측정 방법을 더욱 안정화시킨다. 본 발명에서 설명된 모든 해결책들을 측정 방법을 더욱 안정화시킨다.

스월 제트가 제트 혼합에 직접적으로 사용된다면 결과가 스월 제트를 사용하지 않는 경우보다 덜 안정적이라는 것은 알려져 있다. 따라서 스월 제트는 예를 들어 미국 등록특허 6,544,484 B1에서 설명된 것과 같은 시스템에서 회피된다. 그러나, 본 발명자는 스월 가스 플로우가 상기 배출기에서 주 플로우로 사용된다면 결합된 플로우는 더욱 안정적으로 될 것이라는 것을 발견했다. 따라서 스월 주 플로우는 본 발명의 방법에 대한 이점이 있다.

선행하는 시스템들의 문제점을 해결하기 위해 가스 내에서 입자 농도를 감시하는 방법은 배출기에서 효과적인 혼합을 사용한다. 배출기의 주 플로우는 필수적으로 청정한 이온화된 가스 플로우로 구성된다. '필수적으로 청정한' 단계는 이온화된 가스에서 입자 농도가 매우 낮은 것을 의미하고 이는 감시 방법에 불리하게 영향을 미치지 않는다. 청정한 공기의 속도는 바람직하게 음속이 될 수 있지만 이에 한정되지 않고, 낮은 속도도 마찬가지로 사용될 수 있다. 상기 주 플로우는 부 플로우 채널로 흡입을 유발하여 입자 가스(particle-containing gas)로부터 표본 플로우가 감시 장치로 유입된다. 상기 이온화된 청정한 가스는 주 플로우를 형성하고 표본 플로우는 부 플로우를 형성한다. 상기 주 플로우는 가능한 한 크기가 작아야 한다. 본 발명자는 부 플로우 채널로 흡입되는 합당한 압력은 바람직하게 주 플로우 대 부 플로우 비율이 1:1로 달성될 수 있고 더욱 바람직하게 주 플로우 대 부 플로우 비율이 1:3으로 달성될 수 있다는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자는 배출기가 본 발명에서 설명된 것처럼 사용될 때, 두 개의 상이한 현상, 효율적인 모멘텀의 전달 및 효율적인 입자 대전(charging)이 단일 공정의 단계에서 일어나며 이는 상기 공정 시간을 단축시키는 데 있어 이점이 있으며, 따라서 이온 손실을 감소시킨다는 것을 발견했다. 상기 효율적인 혼합은 신속한 응답시간을 갖는 작은 측정 장치를 설계할 수 있도록 하며, 이는 자동차 배출을 측정할 때 매우 유리하다.

가스의 입자 농도가 감시될 때, 측정 장치를 통해 필수적으로 일정한 가스 플로우를 생산하는 것은 유리하다. 예를 들어, 연소 기관의 배출관과 같은 전형적인 덩어리 플로우(mass flow)는 결코 일정하지 않고, 전형적으로 기관의 회전속도에 의존한다. 배출관으로부터 표본 플로우를 흡입하기 위해 배출기를 사용함으로써 부 플로우를 필수적으로 일정하게 하고, 상기 플로우를 필수적으로 진동이 없도록, 즉 일정하도록 한다. 따라서, 이와 같은 플로우는 예를 들어 제어 방법에서 조절되고 전환될 수 있다.

선행 기술의 문제점들 중 하나는 청정한 공기 및 입자 가스를 비효율적으로 혼합하는 것이다. 본 발명자는 배출기가 주 플로우 특히 스월하는 주 플로우 및 부 플로우를 혼합함에 있어 비효율적이라는 것을 발견했다. 상기 배출기에서 주 플로우 및 부 플로우는 선행 시스템들과 비교했을 때 혼합 동종성(homogeneity) 및 비율(rate)을 크게 증가시키도록 서로에게 근접하여 공급된다. 선행 시스템에 존재하는 불안정한 문제들은 상기 배출기로 회피할 수 있다.

또한, 주 플로우의 높은 가스 속도 및 효율적인 혼합은 이온 손실을 감소시키고 입자 대전에 앞서 이온 손실은 바람직하게 99%보다 작으며 더욱 바람직하게 90%보다 작다는 것을 발견했다. 선행하는 시스템들에 있어서 이온 손실이 상당히 낮아지고, 이온화기에 공급되는 전력이 감소함으로써 경제적 이득이 있다. 효과적인 측정에 있어서 상기 주 플로우을 전환하거나 조절하기에 유리한 점이 있을 수 있고 따라서 DC-모드에서 보다는 AC-모드에서 측정을 수행할 수 있다. AC-모드를 실현하는 또 다른 실시 예는 챔버를 일정한 가스 플로우에 평행하게 연결하여 진동 플로우(pulsing flow)를 생성하도록 챔버의 부피를 변화시키는 것이다.

입자들에 부착되지 않은 이온들은 혼합 후에 제거된다. 상기 이온들은 이온 트랩에 의해 제거되고;상기 제거 메커니즘은 전자기장 또는 확산에 의하며, 또한 이러한 메커니즘들이 결합될 수 있다. 또한, 만약 상기 트랩 전압이 적절한 값으로 증가한다면, 상기 핵 모드 입자들은 이온 트랩에 갇힐 수 있고, 상기 절대적인 전압은 이온 트랩의 기하학적 구조, 가스 플로우 속도 및 기타의 것들에 의존한다. 갇혀진(trapped) 입자들의 크기는 상기 트랩 전압을 증가시킴으로써 또한 증가될 수 있다. 따라서 축적 모드(accumulation mode) 입자들의 크기 분포상의 지표를 제공하는 세 개의 다른 전압들로 상기 트랩(trapping)이 수행될 수 있으며, 상기 축적 모드 입자들은 예를 들어 덩어리 또는 수량 농도(number concentration)의 측정에 유리하게 사용될 수 있다. 상이한 이온 트랩 전압들에 따른 전기 전류의 측정은 입자 농도 및 평균 입자 크기와 같이, 핵 모드 및 축적 모드의 다양한 파라미터들의 측정을 가능하게 한다. 상기 이온 트랩 전압은 또한 적어도 두 개의 전압들 사이에서 전환되거나 조절될 수 있다.

특히 고온의 가스 플로우를 감시할 때, 연소 기관의 배출 가스들과 같이, 입자 농도는 냉각 가스가 핵 모드 입자들을 생성하는 만큼 측정 장치에서 변화될 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 이온 트랩은 충분히 높은 전압으로 이러한 핵 모드 입자들을 가두기 위해 조절될 수 있고 따라서 측정 장치 자체에서 형성된 입자들은 측정 결과에 부정적으로 영향을 끼치지 않는다. 그러나, 어떤 경우에는 측정 장치에서 형성된 핵은 배출 가스가 배출관으로부터 누출된 후에 형성된 입자들의 지표로 제공되는 것과 같이 이러한 핵 모드를 제거하지 않는 것이 더 유리할 수 있다. 이와 같은 핵의 생성은 상기 배출기 평균 플로우(mean flow)를 냉각함으로써 강화될 수 있다. 따라서 상기 이온 트랩의 전압을 전환하거나 조절하는 것은 연소 기관의 배출 가스로부터 다양한 파라미터들의 분석에 사용될 수 있다.

이온화된 청정한 가스에 대한 바람직한 실시 예는 코로나 방전기를 사용하는 것이다. 상기 청정한 가스는 상기 코로나 방전기의 근접 부근으로부터 고속으로 유리하게 공급되어 코로나 니들(needle) 또는 이와 동등한 것들이 상기 청정한 가스 플로우에 의해 보호되도록 한다. 또한, 고속의 가스 플로우는 자유-공간에서의 코로나 방전과 비교하여 이온 생산물을 증가시키고 장치 벽 등으로 이온 손실을 감소시킨다.

전기적 코로나 방전은 측정 가스에서 입자 농도가 낮을 때 측정을 방해하는 입자들을 생산할 수 있다. 이는 입자 트랩이 전형적으로 디젤 연소 기관의 배출관에 존재하는 전후로 입자 농도를 감시하기 위해 상기 방법이 사용될 때와 같은 경우가 될 수 있다. 이와 같은 측정은 상기 입자 트랩의 유지 필요성이나 여과 용량에 대한 지표를 제공할 수 있다. 코로나 방전에 의해 입자 생산물을 최소화하기 위해 텅스텐, 레늄(rhenium), 탄탈륨, 몰리브덴, 이리듐, 니오븀, 루테늄, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 크롬, C-103 합금, KBI-3 합금, 니켈-크롬 합금, 텅스텐 카바이드 또는 이와 유사한 것들과 같은 금속 합금이나 내화 금속으로부터 상기 코로나 니들 주위의 노즐 및 코로나 니들을 제조하는 것이 유리하다. 또한, 코로나 방전에서 입자 생산물을 최소화하기 위해 건조한 청정한 가스 플로우를 사용하는 것도 유리하다.

또한, 청정한 가스 이온화는 불꽃, 열 방출, 표면 대전 또는 이온화 방사에 의해 수행될 수 있다.

측정 장치의 부 플로우가 필수적으로 일정하게 유지될 수 있기 때문에, 측정 값이 입자 가스의 덩어리 플로우의 값으로 처리될 수 있어서 예를 들어 연소 기관으로부터 배출이 계산될 수 있다.

입자들에 의해 운반되는 전기 전하는 입자들과 함께 누출되는 전기 전류를 측정함으로써 감시될 수 있다. 이러한 전류 측정 방법은 선행 기술로부터 알려져 있고 본 발명은 대전된 입자들을 포획할 필요가 없도록 하는 이점이 있다.

연소 기관 감시에 대하여, 본 발명은 예를 들어 통풍 시스템, 나노 크기의 입자들을 이용하는 공업 공정에서 입자들의 감시 및 개인적 입자 측정 장치에 활용될 수 있다.

도 1은 가스에서 입자 농도를 감시하기 위한 본 발명의 방법 및 장치를 명확하게 하는 실시 예를 도시한 도면,
도 2는 배출기(ejector)의 의 세부 도면,
도 3은 주 플로우(main flow) 및 부 플로우(side flow)가 동일한 방향으로 흐르도록 하는 것에 대한 실시 예를 도시한 도면,
도 4는 청정한 공기 플로우를 조절하는 실시 예를 도시한 도면, 및
도 5는 상기 방법과 상이한 기능적인 모듈을 도시한 도면.

하기에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 세부 사항을 설명한다.

본 발명을 명확히 하기 위해, 상기 도면들은 본 발명을 이해하는데 필요한 세부 사항만을 나타낸다. 본 발명을 이해하는데 불필요하고 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 세부 사항 및 구조는 본 발명의 특성을 강조하기 위해 본 도면에 생략한다.

도 5는 상이한 기능적인 블록들로 분리함으로써 본 발명인 방법을 나타낸다. 표본 플로우(NV)는 입자 가스가 배출기(E)를 통해 흐르는 곳의 채널 또는 관(duct)으로부터 흡입된다. 압력이 가해진 공기 플로우(PI)는 주 플로우를 형성하고 이온화기(IG)는 압력이 가해진 공기 플로우를 이온화하기 위해 사용된다. 상기 이온화기(IG)는 바람직하게 코로나 방전에 기초하고, 코로나 방전에 필요한 고전압은 변압기(M)로부터 전기적으로 분리된 고전압 전원(HV)으로 생성된다. 이온화된 공기 플로우는 표본 플로우와 혼합되고 표본 플로우의 입자들은 대전 챔버(VK)에서 대전된다. 대전 챔버는 실제로 기능적인 블록이고 상기 대전은 바람직하게 주 플로우와 부 플로우가 서로 만나는 지점에서 배출기에서 필수적으로 발생한다. 입자들에 부착되지 아니한 이온들은 상기 플로우(PV)가 상기 측정 장치로부터 누출되기 전에 이온 트랩(IL)에 의해 제거된다. 상기 측정 장치로부터 누출되는 전류는 전위계(EM)를 이용하여 측정된다.

도 1은 상기 방법이 연소 기관의 배출관으로부터 입자 농도를 감시하도록 사용되고 상기 장치는 디젤 기관으로부터 미세 입자 배출을 감시하도록 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 상기 측정 장치(1)는 표본 플로우를 측정 채널(4)로 향하도록 하는 수단(3), 필수적으로 청정한 이온화된 가스를 상기 측정 채널(4)로 향하도록 하는 수단(5), 상기 청정한 가스 플로우 및 표본 플로우를 혼합하는 수단(6), 상기 청정한 가스를 이온화하는 수단(7), 상기 입자들을 대전하는 적어도 하나의 대전 챔버(8), 적어도 하나의 이온 트랩(9) 및 상기 입자들에 의해 운반되는 전류를 측정하는 적어도 하나의 전류 측정 유닛(10)을 포함한다. 추가적으로 본 장치(1)는 필수적으로 청정한 가스 플로우를 전환하거나 조절하는 수단(16) 및 청정한 가스의 온도를 조절하는 수단(17)을 포함한다. 또한, 도 1은 상기 배출관으로 장치(1)를 연결하는 수단(20), 압력이 가해진 공기 라인, 압력이 가해진 공기 챔버 또는 유사 가스 플로우 생산 유닛으로 상기 장치를 연결하는 수단(21)을 포함한다. 본 실시 예는 청정한 공기 플로어를 제어하는 수단(22), 압력이 가해진 공기를 여과하기 위한 수단(23) 및 상기 측정 장치(1)로 압력이 가해진 공기를 향하도록 하는 수단(24)를 포함한다.

압력이 가해진 공기는 공기원(air source)(P)으로부터 온도 조절기(17)로 공급되고, 상기 온도 조절기는 또한 상기 공기를 가열하거나 냉각시킬 수 있다. 자성 밸브(16)가 상기 플로우 제어기(22)로 공기를 공급하도록 전환되어서, 상기 플로우가 원하는 밸브로 설정될 수 있다. 상기 플로우 제어기(22)는 예를 들어 조절 가능한 밸브, 날카로운 구멍(aperture), 플로우미터(flowmeter), 덩어리 플로우 제어기(mass flow controller) 또는 이와 유사한 것들이 될 수 있다. 상기 플로우 제어기(22)는 압력이 가해진 공기로부터 입자들을 필수적으로 제거하는 필터(23)에 연결되어, 압력이 가해진 공기에서 입자 농도가 표본 플로우 내의 입자 농도보다 현저히 낮아지도록 한다. 이후 상기 청정한 공기는 연결 부재(24)를 통해 상기 측정 장치(1)로 공급된다. 압력이 가해진 공기는 상기 측정 장치의 중심 채널(18)로 흐르고 상기 플로우는 흐름 제한 장치 플레이트(restrictor plate)(26)로 안정화될 수 있다. 또한 상기 중심 채널(18)은 상기 플로우가 상기 설명한 것처럼 다양한 목적에 유리한 스월이 만들어지도록 설계되고 구성될 수 있다. 이후 상기 플로우는 상기 노즐(27)을 통해 누출된다. 상기 이온화 장치(7)는 상기 노즐(27)로부터 누출된 가스를 이온화한다. 상기 노즐(27)은 유리하게 구성되어서 상기 가스 플로우는 상기 코로나 니들(28)의 필수적인 부근으로부터 누출되도록 한다. 이는 상기 코로나 니들(28)이 청결하게 유지되도록 하고 이온 생산량을 개선시킨다. 상기 노즐(27)에서 높은 플로우 속도는 이온 손실을 감소시킨다. 고전압이 상기 전극(29)을 통해 상기 코로나 니들(28)에 연결된다. 고전압원(34)이 상기 변압기(35) 및 절연체(33)를 통해 다른 시스템으로부터 전기적으로 분리된다. 전극(29)은 상기 전극 차폐기(30)와 동일한 전기적 포텐셜을 갖는다. 분명히 상기 코로나 니들 및 반대 전극의 극성은 전환될 수 있다. 상기 이온화된 가스 플로우는 상기 측정 채널(4)로 공급된다. 또한, 상기 관(2)으로부터 표본 플로우는 표본화 수단(3)을 통해 측정 채널(4)로 공급된다. 상기 표본화 수단(3)은 바람직하게 도 2에 도시된 배출기(11)의 부 플로우(14)이다. 상기 이온화된 청정한 가스 플로우(13)는 상기 배출기(11)의 주 플로우를 형성하고 상기 부 플로우 채널(14)로의 흡입을 생성하고, 상기 부 플로우 값은 필수적으로 배출기(11)의 기하학적 구조 및 상기 평균 플로우(mean flow)의 값에만 의존한다. 바람직한 실시 예에서 상기 평균 플로우 대 부 플로우의 비율은 작다. 주 플로우 채널(13)의 기하학적 구조와 그에 따른 거동은 예를 들어 상기 전극 차폐기(30)의 설계에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어 가스 속도 또는 전기장의 강도는 부분적으로 또는 전체적인 측정 채널을 통해 변경될 수 있다. 상기 이온화되고 청정한 가스 플로우 및 표본 플로우는 상기 측정 채널(4)의 혼합부(6)에서 혼합된다. 상기 혼합부(6)는 상기 측정 채널(4)로부터 물리적으로 분리되거나 분리될 수 없는 기능적인 블록으로 이해되어야 한다. 상기 혼합부(6)는 가스를 포함하는 상기 청정한 가스 및 입자가 최소 시간 내에 서로 혼합되도록 설계된다. 따라서 예를 들어 상기 플로우들은 효율적이고 안정된 혼합 방법을 위해 스월 움직임을 하도록 설정될 수 있다. 상기 입자들은 혼합 과정에서 대전되고 따라서 이온화 챔버(8)는 기능적 블록으로 고려되어야 하며 상기 혼합 챔버 및 이온화 챔버는 교차적으로 사용될 수 있다. 상기 입자들에 부착되지 아니한 이온들은 상기 이온 트랩(9)에 의해 제거된다. 상기 장치(1)의 기계적 구조에 따라, 상기 전극 차폐기(30) 또는 상기 장치의 외벽(31)의 설계와 같이, 덩어리 플로우 값 및 이온 트랩(9)의 전압에 따라, 다른 파라미터들 사이에서 상기 이온 트랩(9)은 핵 모드 입자들 및 축적 모드(accumulation mode)에서 최소의 입자들까지도 가두기 위해 조절될 수 있다. 바람직한 실시 예는 상기 이온 트랩 전압, 큰 입자들을 가두는 고전압을 조절하는 것이다. 상기 이온 트랩의 실제 전압은 다르게 설계된 가스 플로우 파라미터들에 따르지만, 전형적으로 상기 이온 트랩 전압 범위는 1 내지 30 kV가 될 수 있다.

상기 측정 채널(4)를 통해 흐르는 이온화된 입자들(32)에 의해 운반되는 전하는 상기 이온화 장치(7)로부터 누출되는 순(net) 전류를 측정함으로써 측정될 수 있다. 상기 작은 전류를 측정하기 위해, 전형적으로 pA 수준에서 상기 이온화 장치(7)는 상기 절연체(33) 및 분리 변압기(isolating transformer)(35)에 의해 다른 시스템으로부터 전기적으로 분리된다. 상기 전위계(10)는 상기 이온화 장치(7) 사이에 상기 측정 채널(14)의 벽(31)과 갈바닉 컨택을 갖는 지점으로 조립된다. 고전압원(34)의 제1 컨택은 수단(25)을 통해 이온화 장치(7)의 전극에 연결되고 제2 컨택은 전류 측정 장치(10)의 증폭기로 연결된다. 상기 전위계(10)의 다른 입력은 상기 이온 트랩(9)과 갈바닉 컨택을 또한 갖는 측정 채널(4)의 벽(31)에 연결된다. 그와 같은 설정으로 상기 전위계(10)는 예를 들어 누출되는 전류를 측정하는 것과 같이 이온화된 입자들을 통해 측정 채널로부터 누출되는 전하를 측정한다.

순-전극(36)은 측정 채널(4)에 존재하는 자유 이온이 상기 관(2)으로 누출되는 것을 방지한다. 바람직한 실시 예에서 순-전극(36)은 이중-피복 측정 장치(1)의 양쪽 플로우 구멍(flow aperture)에 조립되고, 비록 상기 순-전극이 충분히 큰 순 구멍들을 갖도록 설계되더라도 상기 이중-피복 측정 장치는 이온 유출을 방지하는데 유리하며, 충분히 큰 순 구멍들은 그것들을 통해 흐르는 입자들에 의해 쉽게 막히지 않는다. 그러나, 이온 유출이 적절한 가스 플로우들과 함께 방지되기 때문에, 상기 순 전극(36)은 상기 장치(1)에서 절대적으로 필요하지는 않다.

상기 측정 채널(4)에서의 플로우는 예를 들어 자성 밸브(16)를 맥동시켜서 상기 배출기(11)의 평균 플로우를 전환하거나 조절함으로써 맥동할 수 있다. 상기 평균 플로우 전환 또는 조절은 마찬가지로 부 플로우의 유사한 전환 또는 조절을 야기한다. 따라서 총 플로우가 잘 제어된 방법으로 전환되거나 조절된다. 이는 상기 전위계(10)가 DC-모드보다 더욱 신뢰 있는 측정을 제공하는 가상의 AC-모드에서 동작할 수 있게 한다. 또한, 상기 측정 플로우는 전환되거나 조절될 수 있다. 도 2는 회전 디스크(15)가 표본 플로우 채널(14)에 조립됨으로써 표본 플로우가 조절될 수 있는 실시 예를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 장치에서 샘플 가스 플로우 및 청정한 이온화된 가스 플로우를 체계화하는 방법을 설명하는 상세 실시 예를 나타낸다. 상기 이온화 장치(7)는 중심 채널(18)에 흐르는 청정한 가스 플로우를 이온화하기 위해 코로나 니들(28)을 사용한다. 상기 배출기(11)의 주 채널(13)을 필수적으로 형성하는 노즐(27)로부터 가스가 유출된다. 채널(14)을 통해 흡입되는 표본 플로우 및 주 플로우는 혼합 영역(mixing zone)(8)에서 효과적으로 혼합된다. 중심 채널(18)은 가스가 혼합 효율을 더욱 증가시키는 스월 운동을 하도록 설계될 수 있다. 상기 이온화 장치(7)에서 가스 잔류 시간이 짧고 효과적인 혼합이 배출기(11)에서 수행되기 때문에, 장치에서의 이온 손실은 바람직하게 99%보다 작고, 더욱 바람직하게 90%보다 작으며, 가장 바람직하게는 80%보다 작다. 이는 선행하는 시스템과 비교하여 현저하게 개선된 것으로서 예를 들어 전원 공급기(34)에 대해 큰 경제적 이점을 제공한다.

도 4는 가스 플로우 전환이 일정하게 청정한 공기 플로우에 평행하도록 가변적-부피의 챔버를 연결함으로써 수행되는 실시 예의 주요 도면을 나타낸다. 상기 구조의 필수적인 부분은 피스톤 또는 격막(diaphragm)(39)이며, 상기 격막의 움직임 또는 피스톤은 특정 범위에서 가변적일 수 있다. 도 4a는 주요 구조를 나타내는데 반해 도 4b는 일정한 플로우(38) 및 움직이는 피스톤(39)의 합산된 기능으로서 순환 플로우(cycling flow)(37)의 형성을 나타낸다. 상기 도면은 구형파에 의한 피스톤의 조절을 나타내고 상기 조절의 진폭은 순환 플로우의 최소값이 0이 되는 방식으로 설정된다. 분명하게 파형 또는 플로우 진폭은 다양한 방식으로 상이해질 수 있다. 또 다른 실시 예에서 상기 동작 부분은 오디오 성분과 유사한 격막이 될 수 있다. 이러한 간단한 구조는 필수적으로 유지 보수에 대한 필요성이 없고 거의 자유로운 파형 선택이 코일(38)에 의해 생성될 수 있다. 분명하게 왕복 피스톤(39)은 다양한 방식으로 실현될 수 있다.

절연체, 특히 누설 전류가 측정되는 전류 신호로 합산되는 것에 대해 엄격한 순도에 대한 요구가 설정된다는 것은 당업자에게 명백하다. 고온 환경에서, 연소 기관의 배출관에서와 같이, 절연체 온도의 증가는 그것들의 절연 능력을 감소시킨다. 낮은 전류값에 따라 측정 전기장치는 측정 전극의 필수적인 부근에 조립될 필요가 있어서 상기 시스템의 높은 온도는 측정 전기장치의 온도를 또한 증가시킨다. 이는 예를 들어 측정 전기장치의 소음을 증가시킨다. 본 발명의 일 실시 예에서 이러한 문제점은 상기 절연체가 오염되지 않고 과열되지 않도록 하고 상기 측정 전기장치를 냉각시키도록 동일한 가스 플로우를 사용함으로써 해결된다.

본 발명의 사상과 일치하는 본 발명의 다양한 실시 예들을 생산하는 것이 가능하다. 그러므로, 상기-설명된 예들은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되지만, 본 발명의 실시 예들은 본 명세서의 청구항에 제시된 본 발명의 기능들의 사상 내에서 자유롭게 변경될 수 있다.

Claims (25)

1. 적어도 일부의 입자 가스를 필수적으로 입자가 없고 이온화된 다른 가스와 혼합하고 상기 입자들에 의해 운반되는 전기 전하를 감시함으로써 상기 적어도 일부의 입자들을 대전시키는 단계를 포함하는 가스 내 상기 입자 농도를 감시하는 방법에 있어서, 상기 이온화되고 청정한 가스가 주 플로우를 형성하고 표본 플로우가 부 플로우를 형성하는 배출기에 의해 상기 입자 가스로부터 상기 표본 플로우를 흡입하는 단계를 포함하는 입자 농도 감시 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주 플로우 대 부 플로우 비율은 1:1보다 작은 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 주 플로우 대 부 플로우 비율은 1:3보다 작은 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
4. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 입자 대전에 앞서 이온 손실은 99%보다 작은 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 대전에 앞서 이온 손실은 90%보다 작은 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 어떠한 입자들에도 부착되지 아니한 이온은 이온 트랩(ion trap)에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
7. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들에 의해 운반되는 전기 전하는 상기 입자들로부터 누출되는 전기 전류를 측정함으로써 감시되는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
8. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필수적으로 청정한, 이온화된 가스 플로우는 전환되거나 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
9. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 트랩은 핵 모드(nuclei mode)에 속하는 상기 입자들을 또한 가두는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 핵 모드 입자들은 상기 이온 트랩의 전압을 증가시킴으로써 제거되는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
11. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 상기 이온 트랩의 전압은 적어도 두 개의 상이한 값들 사이에서 전환되거나 조절되고;
    b. 상기 적어도 두 개의 상이한 값들에 따른 전류는 상기 핵 모드 농도 또는 상기 축적 모드 농도 또는 덩어리(mass) 농도 또는 수량(number) 농도 또는 크기 분포 또는 배출관 뒤로 전달되는 입자들의 농도, 또는 이들의 조합을 계산하는 것에 사용되는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
12. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 입자 가스 내의 입자 농도를 계산하기 위해 상기 부 플로우의 입자 농도 및 상기 입자 가스의 전체 플로우에 따른 측정 신호를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
13. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필수적으로 청정한 가스는 코로나 방전으로 이온화된 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
14. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 입자 트랩 전후 입자들의 감시에 사용되는 것을 특징으로 하는 입자 농도 감시 방법.
15. 관(duct) 또는 채널에서 입자들을 감시하는 장치에 있어서,
    a. 필수적으로 입자가 없는 가스를 이온화하는 수단;
    b. 적어도 하나의 배출기(ejector);
    c. 필수적으로 청정한, 이온화된 가스를 상기 배출기의 평균 플로우 채널로 공급하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 필수적으로 청정한, 이온화된 가스 및 상기 입자 가스를 혼합하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 혼합을 위한 수단 이전의 이온 손실은 바람직하게 99%보다 작고 더욱 바람직하게 90%보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 이온 트랩을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 이온 트랩 전압을 적어도 두 개의 상이한 값으로 전환하거나 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필수적으로 입자가 없는 이온화된 가스 플로우를 전환하거나 조절하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필수적으로 입자가 없는 이온화된 가스 플로우의 온도를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필수적으로 입자가 없는 가스를 이온화하는 코로나 방전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 필수적으로 입자가 없는 가스 플로우를 상기 코로나 방전기의 부근으로 향하도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온화하는 수단은 시스템의 나머지로부터 전기적으로 분리되고 적어도 하나의 전하 측정 수단은 방전 전류를 측정함으로써 상기 배출된 입자들에 의해 획득된 순 전하를 결정하도록 배열되며 상기 방전 전류는 상기 이온화 수단으로부터 상기 이온화 수단을 따라 운반되고 상기 장치의 가스 플로우 채널벽의 벽과의 갈바닉 접촉 지점 및 상기 이온화 수단 사이에서 측정되는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이온화 장치 및 그것에 관련된 요소들을 가스 플로어 수단으로 냉각하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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