KR20190075061A

KR20190075061A - 수동 에어로졸 희석기 메커니즘

Info

Publication number: KR20190075061A
Application number: KR1020197010599A
Authority: KR
Inventors: 제이슨 폴 존슨; 로버트 앤더슨; 제레미 젠스 콜브; 애런 세라핀 아베니도; 로버트 플라우츠; 스티븐 케이스 이즈빅
Original assignee: 티에스아이 인코포레이티드
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-06-28
Also published as: JP2019530862A; US20200393346A1; EP3513162A1; US11486803B2; KR102335707B1; US10732082B2; JP6918927B2; WO2018053165A1; US20190212235A1; EP3513162A4

Abstract

다양한 실시예는 샘플링된 입자-함유 에어로졸 스트림을 희석하는 방법 및 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 샘플링된 에어로졸 스트림을 희석하기 위한 시스템은 에어로졸 샘플 입구를 포함한다. 필터는 샘플링된 에어로졸 스트림을 에어로졸 샘플 입구로부터 수용하도록 유동-감시 디바이스와 유체 연통하여 그리고 병렬로 결합된다. 유동-감시 디바이스는 샘플링된 에어로졸 스트림에 포함된 입자의 통과를 허용하도록 구성된다. 압력 센서 및 온도 센서가 필터 및 유동-감시 디바이스를 감시한다. 필터 및 유동-감시 디바이스로부터의 출구는 입자 측정 또는 입자 크기설정 디바이스로 향하게 될 수 있다. 입자 측정 또는 입자 크기설정 디바이스로 보내지는 출력물의 실제 희석 비율은 유동-감시 디바이스의 공칭 유량 및 에어로졸 스트림을 포함하는 가스의 열역학적 특성에 기초하여 결정된다. 다른 방법 및 장치가 개시된다.

Description

수동 에어로졸 희석기 메커니즘

본 출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 2016년 9월 14일자로 출원된 미국 가출원 제62/394,723호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.

다수의 공중 입자-측정 및 입자-농도 연구에서, 응축 입자 카운터(CPC, 응축 핵 카운터(CNC)로도 알려짐)가 감시된 환경에서 입자를 검출하기 위해 사용된다. CPC에서는, 종래의 검출 기술(예를 들어, 광학 입자 카운터(OPC) 내의 레이저 빔의 광 산란)에 의해 검출되기에 충분한 광을 산란시키기에는 너무 작은 입자가 검출될 수 있다. 작은 입자는 입자 상에 형성되는 응축물에 의해 더 큰 크기로 성장된다. 즉, 각각의 입자는 작동 유체에 대한 핵생성 지점으로서의 역할을 하고; 기기의 작동 유체에 의해 생성되는 증기가 입자 상으로 응축되어 입자를 더 크게 만든다. 입자 상으로의 작동 유체 증기의 응축으로 인한 입자의 성장을 성취한 후에, CPC는 개개의 액적이 그 다음에 레이저 빔의 초점 포인트(또는 라인)를 통과하여, 산란된 광 형태의 광의 플래시를 생성한다는 점에서 광학 입자 카운터와 유사하게 기능한다. 각각의 광 플래시는 하나의 입자로서 카운트된다.

그러나, 공기 오염 측정, 엔진 배기 연구, 및 에어로졸 스트림 내의 입자의 크기 또는 농도의 측정을 수반하는 조절 연구와 같은 특정 환경에서, 입자의 농도는 CPC에 의해 정확하게 측정하기에는 너무 높다. 종종, 이러한 입자 측정 방법 및 절차는 미국 환경 보호국(United States Environmental Protection Agency)(EPA) 또는 캘리포니아 에어 리소스 보드(California Air Resources Board)(CARB)와 같은 정부 기관에 의해 정의된다. 종종, 입자의 농도는 CPC로 정확하게 측정하기에 너무 높다. 이들 환경에서, 입자 농도는 1 입방 센티미터당 5×10⁹ 이상에 이를 수 있다. 그러나, 많은 CPC는 동시성 오류(에어로졸 샘플 스트림 내에서 2개 이상의 입자를 동시에 카운팅)로 인해 부정확한 감시가 발생하기 전에 훨씬 낮은 농도 범위(예를 들어, 아마도 상기 설명된 입자 농도보다 낮은 10⁴의 인수)에서만 정확하게 입자 농도를 측정할 수 있다. 다양한 모세관 유형 및 오리피스 희석기가 본 기술분야에 공지되어 있지만, 변화하는 온도 및 절대 압력의 상황 하에서 공지된 희석 비율을 정확하게 제공할 수 있는 것은 없다. 실제 희석 비율은 시간의 함수로서 달라질 수 있기 때문에, 문제는 종종 복잡하다.

도 1은 수동 에어로졸 희석기 메커니즘의 실시예를 구현하는 시스템의 예시적인 도면을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 공기 유동을 계량하기 위한 희석-유동 오리피스 피팅의 실시예를 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 샘플 입자-함유 공기 유동을 청정 공기(예를 들어, 실질적으로 입자-없는 공기 유동)로 희석하기 위한 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(tee)의 실시예를 도시한다.
도 4a는 도 2a 내지 도 2d의 희석-유동 오리피스 피팅을 통합하는 2차 희석기-조립체의 실시예를 도시한다.
도 4b는 도 3a 내지 3d의 희석-유동 오리피스 및 혼합-티를 통합하는 2차 희석기-조립체의 실시예를 도시한다.
도 5는 예를 들어 기계가 본 명세서에 설명된 방법론 중 임의의 하나 이상을 수행하게 하는 명령어의 세트가 실행될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 예시적인 형태의 기계의 개략적인 블록도이다.

에어로졸 희석기 메커니즘은 CPC, 고해상도 비행 시간 분광기, 및 다른 입자 측정 및 크기설정 기기를 위한 권장된 작동 요건을 충족시키는 대표적인 샘플을 엔지니어, 과학자 및 다른 연구자들에게 제공하기 위해 높은 입자-농도 에어로졸 스트림 내의 입자 농도를 감소시킨다. 개시된 주제는 먼저 본 명세서에 설명된 입자 측정 및 크기설정 기기 중 다양한 것들과 함께 사용되는 수동 희석기의 기능 및 작동 상태를 검증하기 위해 모듈형 센서와 함께 유동 감시, 유동 평균화 및 희석 비율 감시를 적용하는 것이다.

다양한 실시예에서, 그리고 본 명세서에 포함된 도면을 동시에 참조하면, 개시된 주제는 예를 들어, 유동-감시 디바이스 또는 오리피스, 모세관 또는 밸브와 같은 유동-제한 디바이스와 병렬로 필터로 구성되는 수동 희석기를 포함한다. 유동-감시 디바이스 또는 유동-제한 디바이스(예를 들어, 본 기술분야에 공지된 루비 오리피스(ruby orifice) 또는 다른 유동-제한 디바이스)는 유동-감시 디바이스 또는 유동-제한 디바이스의 하류에 잇따르는 혼합 오리피스, 혼합 콘(mixing cone) 또는 혼합 챔버를 잠재적으로 갖거나 갖지 않는 상태에서 에어로졸 입자의 통과를 허용한다. 입자-통과 유동-제한 디바이스를 통한 유동(예를 들어, 체적 유량이나 질량 유량 중 어느 하나로서 결정됨)은 압력 및 온도 센서에 의해 감시되고, 그래서 진정한 또는 실제 유량을 결정하기 위해, 측정된 또는 미리결정된 유량(공칭 유량)을 주어진 온도 및 압력에 대한 에어로졸 스트림을 포함하는 하나 이상의 기체의 열역학적 특성과 조합하는 것에 기초하여 디바이스를 통한 에어로졸 스트림의 유량의 정확한 결정이 측정될 수 있다. 디바이스를 통한 총 유동의 측정과 조합되면, 희석기 조립체의 희석 비율은 실질적으로 실시간으로 지속적으로 또는 주기적으로 결정될 수 있다. 이동 평균 또는 다른 이러한 평활화 알고리즘이 수동 희석기 메커니즘으로부터 발생하는 희석 비율 데이터 스트림에 적용될 수 있다. (가상 임팩터, 캐스케이드 충돌체 등을 포함하는) 본 기술분야에 공지된 응축 입자 카운터(CPC), 광학 입자 카운터(OPC), 분광계 또는 다른 유형의 입자 감시 디바이스와 같은 에어로졸 검출 디바이스와 함께 사용되면, 추가적인 희석 또는 (예를 들어, 엔진으로부터의 배기가스로부터의 배출물로부터의) 휘발성 입자를 제거하기 위한 촉매 스트리퍼가 있거나 없는 상태에서, 수동 희석기로부터의 희석 비율은 희석기 메커니즘의 입구에서의 검출된 입자 농도를 보정하고 입자의 진정한 농도를 측정하는데 사용될 수 있다. 입자의 진정한 농도의 결정은, 특히, 전체 기기로 하여금 희석이 없는 상태에서 시스템이 측정할 수 있는 것보다 예를 들어 엔진의 배기가스로부터의 더 높은 농도의 에어로졸을 측정할 수 있게 한다.

예를 들어, 이제 도 1을 참조하면, 수동 에어로졸 희석기 메커니즘의 실시예를 구현하는 시스템(100)의 예시 도면이 도시되어 있다. 시스템(100)은 재순환 1차 희석 부분(110), 공기 유동을 측정하기 위한 1차 희석-유동 오리피스 부분(120), 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130), 및 입자 측정 부분(140)을 포함하는 것으로 도시되어 있다.

재순환 1차 희석 부분(110)은 샘플링된 에어로졸 스트림을 수용하는 샘플 입구 포트(101), 1차 희석기 디바이스(103) 및 사이클론 분리기(105)를 포함한다. 샘플링된 에어로졸 스트림의 일부는 티(tee)(127)를 통해 촉매 스트리퍼(129)로 계속되는 반면, 에어로졸 스트림의 다른 부분은 희석 공기 유동 분기부를 향해 티(127)의 다른 분기부로 계속된다. 농축된 에어로졸 스트림은 2개의 경로로 분할된다. 하나의 경로에서, 원래의 에어로졸 스트림의 대부분은 사실상 모든 입자가 클린징된다(cleansed). 다른 경로에서, 에어로졸 스트림의 나머지 작은 부분은 그 원래 입자 농도를 보유한다. 이들 2개의 경로는 이어서 에어로졸 스트림의 미리결정된 희석 비율을 생성하도록 재조합된다.

희석 공기 유동 분기부는 필터(113) 및 필터(113)로부터 건조제 건조기(117) 내로 희석 공기 유동을 흡인하기 위한 펌프(115)를 포함한다. 또 다른 필터(113)가 건조제 건조기(117) 내에 위치되는 건조제 재료 자체로부터 방출되는 임의의 입자를 제거하기 위해 건조제 건조기(117)의 하류측 상에 위치된다. 건조되고 여과된 공기 유동은 이어서 공기 유동을 계량하기 위해 1차 희석-유동 오리피스 부분(120)에 진입한다. 이 예에서, 1차 희석-유동 오리피스 부분(120)은 임계 오리피스(119)를 포함한다. 임계 오리피스(119)는 공기 유동에 대해 횡방향으로 배치된 디스크(예를 들어, 그 내부에 작은 구멍이 형성된 루비 디스크 또는 플레이트)의 작은 구멍으로 형성되고, 주어진 온도 및 압력에 대해 비교적 일정한 비율로 체적 공기 유동을 제어하는 공지된 수단이다. 비율은 공기 유동 내의 가스의 주어진 상류 압력 및 온도에 대해 일정하다. 본 명세서에 제공된 개시내용을 읽고 이해하면, 통상의 기술자는 다른 유형의 유동-감시 디바이스 또는 유동-제한 오리피스가 임계 오리피스와 함께 또는 그 대안으로서 사용될 수 있으며, 임계 오리피스는 필수적인 것은 아니다. 그러나, 본 발명의 주제의 이해와 관련하여, 제공된 예는 임계 오리피스(119)를 포함한다. 임계 오리피스(119)는 차압 게이지(121), 온도 게이지(123) 및 절대 압력 게이지(125)를 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때, 온도 및 압력 게이지의 각각은 아날로그 출력 및 디지털 출력 중 적어도 하나를 갖는 전자식 온도 및 압력 센서일 수 있다.

1차 희석-유동 오리피스 부분(120) 내에 사용될 수 있는 적절한 차압 탭, 절대 압력 탭, 및 온도 탭을 갖도록 기계가공되거나 달리 형성된 임계 오리피스의 일례가 도 2a 내지 도 2d와 관련하여 이하에 개시된다. 따라서, 아래에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 공기 유동의 상류 압력(절대 압력 게이지(125)의 절대 압력에 의해 측정되는 바와 같음) 및 온도(온도 게이지(123)에 의해 측정되는 바와 같음)는 시스템(100)의 재순환 1차 희석 부분(110) 내의 실제 체적 공기 유동을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 임계 오리피스(119)를 통한 실제 체적 유량은 공기 유동의 상류 압력 및 온도의 함수이기 때문에, 온도 및 압력 모두는 감시되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 수동 희석기의 정확한 희석 결정은 예를 들어 필터 로딩 문제로 인해 시간에 걸쳐 변화할 수 있다. 일단 공기 유동의 상류 압력 및 온도가 결정되면, 실제 체적 공기 유동을 결정하기 위한 지배 열역학적 방정식은 본 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 임계 오리피스의 상류에 충분한 압력이 제공되면, 1.07 mm(대략 0.042 인치)의 디스크 내의 구멍은 표준 온도 및 압력에서 대략 10.7 lpm의 공기 유동을 제공한다. 이 특정 실시예에 대해, 재순환 1차 희석 부분(110) 내의 공기 유동의 건조되고 여과된 부분은 약 6.3 lpm이다. 본 명세서에 제공된 개시내용을 읽고 이해하면, 통상의 기술자는 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 특정 적용예, 샘플링된 에어로졸 스트림, 및 특정 입자 감시 기기에 필요한 요구된 희석에 대한 다른 희석 비율을 어떻게 생성하는지를 이해할 것이다. 차압 게이지(121)는 임계 오리피스(119)가 막히거나 달리 오작동되는 경우 통지를 제공한다.

공기 유동이 시스템(100)의 1차 희석-유동 오리피스 부분(120)을 빠져나가면, 공기 유동은 습도 센서 본체(107)를 통과하는 공기 유동의 온도 및 상대 습도(RH)를 감시하기 위해 온도 게이지(109) 및 상대 습도 게이지(111)를 포함하는 습도 센서 본체(107)에 진입한다. 그후 습도 센서 본체(107)의 하류의 공기 유동은 1차 희석기 디바이스(103) 내의 샘플링된 에어로졸 스트림과 재조합된다. 1차 희석기 디바이스(103) 내의 도시되지는 않지만 쉽게 이해되는 혼합 콘(mixing cone)은 희석된 에어로졸 스트림에서의 균일한 분포를 보장한다.

명확하게 도시되지 않지만 통상의 기술자에게 용이하게 이해되는 대안적인 실시예에서, 티(127)에서 재순환 1차 희석 부분(110)의 건조 및 여과 부분으로 분기되지 않고, 샘플링된 에어로졸 스트림은 간단히 촉매 스트리퍼(129) 내로 직접 계속될 수 있다. 이 실시예에서는, 개별 공기 유동(도시되지 않음)이 (펌프(115)의 상류의) 필터(113) 내로 직접 제공된다. 이러한 개별 공기 유동은 1차 희석-유동 오리피스 부분(120) 내로 직접 주입될 수 있는 청정 건조 공기(CDA) 시스템에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 재순환 1차 희석 부분(110) 내의 샘플링된 에어로졸 스트림을 분할하기 위해 티(127)를 이용하는 것의 장점은, 시스템(100) 내의 모든 질량 유동이 균형화된다는 것이다(예를 들어, 샘플 입구 포트(101)에서 샘플링된 샘플링된 에어로졸 스트림은 입자 측정 부분(140)으로부터의 출구(157)에서의 배기의 출구 공기 유동 스트림과 동일할 것이다).

재순환 1차 희석 부분(110) 내의 다양한 다른 요소와 관련하여, 사이클론 분리기(105)는 샘플링된 에어로졸 스트림으로부터 과잉 수증기와 큰 입자를 제거하는 것을 돕는다. 사이클론 분리기(105)의 적합한 형태는 본 기술분야에 공지되어 있으며, Parker Hannifin(6035 Parkland Boulevard Cleveland, Ohio, USA) 및 TSI, Inc.(500 Cardigan Road, Shoreview, Minnesota, USA)를 포함하는 다수의 공급자로부터 입수가능하다.

필터(113)는 HEPA(High-Efficiency Particulate Air) 필터, ULPA(Ultra-Low Penetration Air) 필터, 또는 본 기술분야에 독립적으로 공지된 다른 유형의 "절대 필터"일 수 있다. 필터(113)의 적절한 형태는 Pall Corporation(25 Harbor Park Drive, Port Washington, New York, USA)를 포함하는 다수의 공급자로부터 입수가능하다. 필터(113)로서 식별되는 시스템(100) 내의 필터 각각은 이들이 절대 필터라면 서로 동일하거나 유사할 수 있다.

펌프(115)는 본 기술분야에 공지된 임의의 유형의 가스-운반 펌프일 수 있다. 이러한 펌프는 주어진 용도에 따라 회전식 베인 펌프, 다이어프램 펌프 및 연동 펌프와 같은 양변위 펌프를 포함한다.

건조제 건조기(117)는 희석 공기 유동을 포함하는 임의의 가스 스트림의 대기 이슬점을 감소시키기 위해 사용되고, 본 기술분야에 공지되어 있다. 건조제 건조기(117)는 사이클론 분리기(105)에 의해 포획되지 않는 공기 유동으로부터 추가의 수증기를 제거한다. 건조제 건조기(117)의 적절한 형태는 Parker Hannifin(6035 Parkland Boulevard Cleveland, Ohio, USA) 및 TSI, Inc.(500 Cardigan Road, Shoreview, Minnesota, USA)를 포함하는 다수의 공급자로부터 입수가능하다.

도 1을 계속 참조하면, 티(127)의 하류에서, 촉매 스트리퍼(129)는 촉매 스트리퍼(129) 내부의 현재 희석된 에어로졸 스트림의 온도를 측정하기 위해 온도 게이지(131)를 포함한다. 촉매 스트리퍼(129)는 전형적으로 샘플링된 에어로졸 스트림의 입자 및 가스-상 반-휘발성 부분을 제거하기 위해 사용되는 가열형 촉매 요소이다. 촉매 스트리퍼(129)는 샘플링된 에어로졸 스트림이 예를 들어 디젤 및 내부 연소 발생 배기로부터의 입자를 포함하는 경우에 사용될 수 있다. 따라서, 적용예에 따라, 촉매 스트리퍼(129)는 특정 유형의 입자 측정 및 농도 연구에 대해서는 필요하지 않을 수 있다.

촉매 스트리퍼(129)의 하류의 출구 튜브(108)는 희석된 에어로졸 스트림을 시스템(100)의 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130)으로 운반하고, 티(118)에 공압식으로 결합된다. 티(118)에서, 희석된 에어로졸 스트림은 분할되고, 여기서 희석된 에어로졸 스트림의 일부는 또 다른 임계 오리피스(119)의 입구(116) 내로 보내진다. 희석된 에어로졸 스트림의 나머지 부분은 또 다른 필터(113)의 입구(112)로 유도된다. 필터(113)의 출구 경로(114)에서, 여과된 공기 스트림(청정 공기)은 희석된 에어로졸 스트림과 재조합되어, 더 희석된 에어로졸 스트림을 생성한다.

2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130)의 임계 오리피스(119)는 원하는 2차 희석 비율에 따라 1차 희석-유동 오리피스 부분(120)의 임계 오리피스(119)와 동일하거나 유사할 수 있다. 본 명세서에 제공된 개시내용을 읽고 이해할 때 통상의 기술자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 증가된 백분율의 에어로졸 스트림이 (희석의 어느 하나의 단계에서) 필터(113)로 전환될 수 있고, 더 적은 백분율의 에어로졸 스트림의 유동이 (역시 희석의 어느 하나의 단계에서) 임계 오리피스(119)로 전환된다. 임계 오리피스(119)를 통한 미리결정된 체적 유량은 희석 비율을 결정한다 - 임계 오리피스(119)를 통한 더 작은 체적 유량은 증가된 백분율의 에어로졸 스트림이 필터(113)로 전환되어 더 높은 유량의 여과된 공기를 생성하고, 이에 의해 2개의 스트림이 재조합된 후에 더 높은 희석 비율 또는 에어로졸 스트림을 생성하는 것을 의미한다.

적절한 차압 탭, 절대 압력 탭, 온도 탭을 갖도록 기계가공 또는 달리 형성되며 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130) 내에서 사용될 수 있는 내부 혼합 챔버를 포함하는 임계 오리피스의 일례가 도 3과 관련하여 이하에 개시된다.

도 1의 예에 이어서, 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130)으로부터의 출구는 3개의 개별 유동 경로 - 입자 감시 디바이스(141) 내로 유도되는 샘플링된 유동 경로(137), 예를 들어 입자 감시 디바이스(141)의 동작을 위한 시스 유동(sheath flow)을 제공하기 위해 사용될 수 있는 바이패스 유동 경로(133), 및 샘플링된 유동 경로(137) 및 바이패스 유동 경로(133)로부터의 에어로졸 스트림을 입자 감시 디바이스(141)의 출구(예를 들어, 하류 부분)에서 합치는 과잉 유동 경로(139)로 향하게 된다. 과잉 유동 경로(139)는 샘플링된 유동 경로(137) 및 바이패스 유동 경로(133)에 대한 유량 필요를 초과하는 에어로졸 스트림의 유량을 위한 경로를 제공한다. 예를 들어, 빈번하게, 입자 감시 디바이스(141)는 내부 체적 유량을 조절하기 위해 디바이스의 내부의 샘플링된 유동 경로에 임계 오리피스(143)를 사용한다. 특정한 예시적인 실시예에서, 내부 샘플 유동 경로의 체적 유량은 CPC 또는 CNC에 대해 0.1 lpm이다. 바이패스 체적 유량은 약 0.6 lpm일 수 있고, 과잉 유동 경로(139) 내의 체적 유량은 샘플 입구 포트(101)에서의 샘플링된 에어로졸 스트림의 총 체적 유량에서 샘플링된 유동 경로(137) 및 바이패스 유동 경로(133) 내의 조합된 체적 유량(본 예에서, 조합된 체적 유량은 약 0.7 lpm이다)을 뺀 것과 대략 동일할 것이다.

본 실시예에서, 바이패스 유동 경로(133)는 입자 감시 디바이스(141)의 상류의 스로틀링 디바이스(135)에 결합된다. 바이패스 유동 경로(133)를 통한 에어로졸 스트림은 실제 체적 유량에 대해 면밀하게 감시될 필요가 없기 때문에, 스로틀링 디바이스(135)는 예를 들어 스로틀링 밸브(예를 들어, 볼 밸브, 게이트 밸브, 버터플라이 밸브, 또는 다른 제어 밸브), 모세관 유동-제한 디바이스, 또는 임계 또는 비임계 오리피스일 수 있다.

시스템(100)의 일부 실시예에서, 샘플링된 유동 경로(137), 샘플링된 유동 경로(137), 및 과잉 유동 경로(139)로부터의 조합된 에어로졸 스트림은, 입자 감시 디바이스(141)의 출구에서, 이어서 필터(113), 펌프(115), 및 펌프(115)의 하류의 다른 필터(113)에 의해 여과된다. 필터(113) 및 펌프(115) 각각은 본 명세서에서 설명된 다른 필터 및 펌프와 동일하거나 유사할 수 있다.

다른 예에서, 조합된 에어로졸 스트림이 환경으로(또는 하우스 배기장치(house exhaust) 또는 스크러버(scrubber)(도시되지 않음) 같은 개별 여과 시스템 내로) 안전하게 배출될 수 있는 경우에는, 펌프(115)의 상류의 필터(113), 펌프(115), 및 펌프(115)의 하류의 필터(113)는 필요하지 않을 수 있다. 다른 예에서, 펌프(115)는 필터가 있거나 없는 상태에서 입자 감시 디바이스(141)를 통해 샘플링된 에어로졸 스트림을 흡인하기 위해서 사용될 수 있다.

입자 감시 디바이스(141)는 고려되는 입자 연구의 유형에 따라 입자 농도, 입자 크기, 입자 질량, 입자 크기 범위 등을 측정하기 위한 다양한 입자 측정 디바이스들 중 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 입자 감시 디바이스(141)는 CPC, CNC, OPC, 입자 분광계, 또는 본 기술분야에 공지된 다른 유형의 입자 측정 디바이스일 수 있다. 입자 감시 디바이스(141)는 또한 차압 게이지(151), 온도 게이지(153) 및 절대 압력 게이지(155)를 포함할 수 있다. 입자 감시 디바이스(141)가 CPC 또는 CNC인 경우, 입자 감시 디바이스(141)는 또한 광학 온도 게이지(145), 응축기 온도 게이지(147), 및 포화기 온도 게이지(149)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 입자 감시 디바이스(141)는 직렬로 구성된 하나 초과의 유형의 측정 디바이스를 포함할 수 있다.

측정된 온도, 압력, 차압, 및 CPC 또는 CNC 경우 광학 온도, 응축기 온도 및 포화기 온도 각각은 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 디바이스, 또는 예를 들어 입자 감시 디바이스(141) 내에 위치된 프로세서 내로 바로)에 입력된다. 그후 이들 변수는 시스템(100)의 다양한 부분의 실제 체적 유량을 실질적으로 실시간으로 결정하기 위해 사용된다. 그후, 실제 체적 유량은 지배 알고리즘과 관련하여 아래에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이 샘플링된 에어로졸 스트림의 실제 희석 비율을 결정하기 위해 사용된다.

다양한 실시예에서, 도 1의 시스템(100)은 전체적으로 또는 부분적으로 입자 감시 디바이스(예를 들어, CPC, OPC 또는 분광계) 내로 통합될 수 있거나, 또는 시스템(100)의 부분들이 독립형 수동 입자 희석기일 수 있다. 예를 들어, 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130)은 기존의 입자 감시 디바이스 내에 사용되거나 통합될 수 있다. 또한, 희석 스테이지(예를 들어, 1차 희석-유동 오리피스 부분(120) 및 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130))의 수는 단일 스테이지로 감소될 수 있다. 다른 예에서, 희석 스테이지의 수는 샘플 에어로졸 스트림의 전체 희석 비율을 증가시키기 위해서 증가될 수 있다(예를 들어, 여러 개의 희석기가 공압식으로 직렬로 결합될 수 있다). 또한, 통상의 기술자는 다양한 유량이 주어진 입자 감시 디바이스, 검출 효율, 응답 시간, 및 입자 감시 디바이스의 다른 파라미터를 고려하여 샘플링된 에어로졸 스트림을 희석하기 위해 희석 비율을 변화시키도록 선택될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이러한 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 범위 내에 있다.

지배 알고리즘

전술한 바와 같이, 이하의 알고리즘은 측정된 온도, 압력, 및 차압이 에어로졸 스트림 및 여과된 공기 스트림의 가스의 열역학적 특성에 기초하여 시스템(100)의 상이한 부분에서 실제 체적 유량을 실질적으로 실시간으로 결정하는데 어떻게 사용되는지의 일 예이다. 그후 실제 체적 유량은 샘플링된 에어로졸 스트림의 실제 희석 비율을 결정하는데 사용된다.

이하에서 더 상세하게 논의되는 에어로졸 희석기 메커니즘의 펌웨어 및 소프트웨어 구성요소를 참조하면, 이하의 알고리즘은, 일 실시예에서, 2차 희석기의 희석 유동 및 희석 비율이 개시된 본 발명 주제에서 어떻게 사용되는지를 규정하는 관련 부분을 포함한다. 코드의 특정 부분은 관련 부분에 대한 설명을 포함한다. 예를 들어, 코드의 평균화 부분은 평균화 함수가 어떻게 동작하는지를 설명한다. 평균화의 이러한 예에 대해, 제1 함수는 온도 및 압력 게이지로부터 미가공 수(raw number)를 취하고, 이들을 실제 측정으로 변환한다. 데이터 스트림은 기록되고 평균화된 버전을 피드 포워드하며, 평균은 이 예에서 최종 5초에 해당하는 데이터에 기초한다. 그러나, 통상의 기술자는, 본 명세서에 개시된 본 발명 주제를 읽고 이해하는 것에 기초하여, 코드의 각각의 부분을 이해할 것이고, 따라서 다양한 동작 및 감시 환경을 위한 코드를 어떻게 수정하는지를 이해할 것이다.

이 함수는 온도 및 압력 측정 디바이스의 다양한 것들과 연관된 아날로그 대 디지털 변환기를 판독하고, 측정된 단위를 킬로파스칼 및 섭씨의 적절한 단위로 변환한다.

void PNEA::ConvertToUnits()

{

　　　　　 // Convert all the ADC readings to actuall measurement values

　　　　　 // ADC Main0 - No input on channels 5 and 7

　　　　　 m_PCBTemperature　　　　　　　 = CalculateTemperature_LM35D(m_ADC_Main0_readings[0]);

　　　　　 m_CondenserTemperature　 = CalculateThermistor_T(m_ADC_Main0_Voltages[1]);

　　　　　 m_SaturatorTemperature　 = CalculateThermistor_T(m_ADC_Main0_Voltages[2]);

　　　　　 m_MainTestVoltage5VA　　　 = m_ADC_Main0_Voltages[4] * 2.5f;

　　　　　 m_OpticsHeaterVoltage　　 = m_ADC_Main0_Voltages[6] * 2.6f;

　　　　　 // ADC Main1 - No input on channel 7

　　　　　 m_SheathPumpVoltage　　　　 = m_ADC_Main1_Voltages[0] * 1.2f;

　　　　　 m_DilutionPumpVoltage　　 = m_ADC_Main1_Voltages[1] * 4.0f;

　　　　　 m_CPCPumpVoltage　　　　　　　 = m_ADC_Main1_Voltages[2] * 1.357f;

　　　　　 m_MainTestVoltage24V　　　 = m_ADC_Main1_Voltages[3] * 12.0f;

　　　　　 m_MainTestVoltage12V　　　 = m_ADC_Main1_Voltages[4] * 5.99f;

　　　　　 m_MainTestVoltage3_3V　　 = m_ADC_Main1_Voltages[5] * 1.649f;

　　　　　 m_MainTestVoltage6V　　　　 = m_ADC_Main1_Voltages[6] * 4.0f;

　　　　　 m_OpticsTemperature　　　　 = CalculateThermistor_T(m_ADC_Main0_Voltages[3]);

　　　　　 m_CPCDiffPressure　　　　　　 = CalculateDeltaPressure_MPXV5004(m_ADC_SNSR1_Voltages[7]);

　　　　　 m_CPCAbsPressure　　　　　　　 = CalculateAbsolutePressure_MPXAZ6130(m_ADC_SNSR2_Voltages[7]);

　　　　　 m_CPCFlowTemperature　　　 = m_OpticsTemperature;

　　　　　 m_BypassAbsPressure　　　　 = m_CPCAbsPressure;

　　　　　 m_BypassDiffPressure　　　 = m_CPCDiffPressure;

　　　　　 m_BypassTemperature　　　　 = m_CPCFlowTemperature;

　　　　　 m_DilutionAbsPressure　　 = CalculateAbsolutePressure_MPXAZ6130(m_ADC_SNSR2_Voltages[4]);

　　　　　 m_DilutionDiffPressure　 = CalculateDeltaPressure_MPXV5010(m_ADC_SNSR2_Voltages[1]);

　　　　　 m_DilutionTemperature　　 = CalculateThermistor_T(m_ADC_SNSR2_Voltages[0]);

　　　　 m_DilutionAbsPressure2　 = CalculateAbsolutePressure_MPXAZ6130(m_ADC_SNSR0_Voltages[1]);

　　　　　 m_DilutionDiffPressure2 = CalculateDeltaPressure_HSCDRRN002NDAA(m_ADC_SNSR0_Voltages[0]);

　　　　　 m_DilutionTemperature2　 = CalculateThermistor_T(m_ADC_SNSR0_Voltages[2]);

　　　　　 m_DryerHumidity = CalculateHumidity_HIH4031(m_ADC_SNSR1_Voltages[0], m_DryerTemperature_Avg.Average());

　　　　　 m_DryerTemperature　　　　　 = CalculateThermistor_T(m_ADC_SNSR1_Voltages[2]);

　　　　　 m_AmbientPressure　　　　　　 = CalculateAbsolutePressure_MPXAZ6130(m_ADC_SNSR1_Voltages[1]);

　　　　　 m_HeatedInletTemperature = CalculateThermistor_T(m_ADC_SNSR1_Voltages[6]);

}

이 함수는 판독값을 평균화한다.

void PNEA::AverageAll()

{

　　　　　 m_LaserCurrent_Avg.Add(m_LaserCurrent);

　　　　　 m_BackgroundVoltage_Avg.Add(m_BackgroundVoltage);

　　　　　 m_PCBTemperature_Avg.Add(m_PCBTemperature);

　　　　　 m_CondenserTemperature_Avg.Add(m_CondenserTemperature);

　　　　　 m_SaturatorTemperature_Avg.Add(m_SaturatorTemperature);

　　　　　 m_OpticsHeaterVoltage_Avg.Add(m_OpticsHeaterVoltage);

　　　　　 m_MainTestVoltage5VA_Avg.Add(m_MainTestVoltage5VA);

　　　　　 m_SheathPumpVoltage_Avg.Add(m_SheathPumpVoltage);

　　　　　 m_DilutionPumpVoltage_Avg.Add(m_DilutionPumpVoltage);

　　　　　 m_CPCPumpVoltage_Avg.Add(m_CPCPumpVoltage);

　　　　　 m_MainTestVoltage24V_Avg.Add(m_MainTestVoltage24V);

　　　　　 m_MainTestVoltage12V_Avg.Add(m_MainTestVoltage12V);

　　　　　 m_MainTestVoltage3_3V_Avg.Add(m_MainTestVoltage3_3V);

　　　　　 m_MainTestVoltage6V_Avg.Add(m_MainTestVoltage6V);

　　　　　 m_CPCDiffPressure_Avg.Add(m_CPCDiffPressure);

　　　　　 m_HeatedInletTemperature_Avg.Add(m_HeatedInletTemperature);

　　　　　 m_OpticsTemperature_Avg.Add(m_OpticsTemperature);

　　　　　 m_CPCAbsPressure_Avg.Add(m_CPCAbsPressure);

　　　　　 m_CPCFlowTemperature_Avg.Add(m_CPCFlowTemperature);

　　　　　 m_DilutionAbsPressure_Avg.Add(m_DilutionAbsPressure);

　　　　　 m_DilutionTemperature_Avg.Add(m_DilutionTemperature);

　　　　　 m_DilutionDiffPressure_Avg.Add(m_DilutionDiffPressure);

　　　　　 m_DilutionAbsPressure2_Avg.Add(m_DilutionAbsPressure2);

　　　　　 m_DilutionTemperature2_Avg.Add(m_DilutionTemperature2);

　　　　　 m_DilutionDiffPressure2_Avg.Add(m_DilutionDiffPressure2);

　　　　　 m_BypassAbsPressure_Avg.Add(m_BypassAbsPressure);

　　　　　 m_BypassTemperature_Avg.Add(m_BypassTemperature);

　　　　　 m_BypassDiffPressure_Avg.Add(m_BypassDiffPressure);

　　　　　 m_DryerTemperature_Avg.Add(m_DryerTemperature);

　　　　　 m_AmbientPressure_Avg.Add(m_AmbientPressure);　　

　　　　　 m_DryerHumidity_Avg.Add(m_DryerHumidity);

}

이 함수는 2차 희석 비율을 계산한다.

float32 PNEA::CalculateDilutionRatio2()

{

　　　　　 float32 DilutionRatio, Temp1, DilutionFlow, BypassFlow;

　　　　　 float32 DilutionTempAvg, CPCTempAvg, BypassTempAvg;

　　　　　 float32 DilutionAbsPressureAvg, CPCAbsPressureAvg, BypassAbsPressureAvg;

　　　　　 float32 DilutionDiffPressureAvg;

　　　　　 DilutionTempAvg = m_DilutionTemperature2_Avg.Average() + 273.15f;

　　　　　 DilutionAbsPressureAvg = m_DilutionAbsPressure2_Avg.Average();

　　　　　 DilutionDiffPressureAvg = m_DilutionDiffPressure2_Avg.Average();

　　　　　 CPCTempAvg = m_CPCFlowTemperature_Avg.Average() + 273.15f;

　　　　　 CPCAbsPressureAvg = m_CPCAbsPressure_Avg.Average();

　　　　　 BypassTempAvg = m_BypassTemperature_Avg.Average() + 273.15f;

　　　　　 BypassAbsPressureAvg = m_BypassAbsPressure_Avg.Average();

　　　　　 if (m_bDilutionRatioEn){

　　　　　　　　 DilutionFlow = m_DilutionFlow2.m_StandardFlowRateAvg.Average();

　　　　　　　　　　　 //Assuming Bypass and CPC Flow are at same Temperature and Pressure

　　　　　　　　 BypassFlow = m_BypassFlow.m_StandardFlowRateAvg.Average();

　　　　　　　　 Temp1 = m_CPCFlow.m_StandardFlowRateAvg.Average() + BypassFlow;

　　　　　　　　　　　 if (DilutionFlow == 0)

　　　　　　　　　　　　　　　　　 DilutionRatio = 0.0f;

　　　　　　　　　　　 else

　　　　　　　　　　　 {

　　　　　　　　　　　　　　　　　 DilutionRatio = Temp1 / DilutionFlow;

　　　　　　　　　　　 }

　　　　　 else

　　　　　　　　　　　 DilutionRatio = 1.0;

　　　　　 return DilutionRatio;

}

통상의 기술자는 다른 알고리즘이 열역학의 원리에 기초하여 도 1의 시스템(100)과 함께 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 상기 알고리즘은 다양한 온도, 압력, 차압 등이 실제 희석 비율을 결정하기 위해서 어떻게 이용되는지를 더 완전하게 설명하기 위해 제공된다. 예를 들어, 통상의 기술자는 더 많은 희석 스테이지가 부가되는 경우 적절한 알고리즘을 어떻게 적용하는 지를 인식할 것이다.

이제 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 공기 유동을 계량하기 위한 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 실시예가 도시된다. 예를 들어, 도 2a는 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 평면도이고, 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 일부로서 모두 기계가공되거나 달리 형성되는 에어로졸 스트림 입구 포트(201), 에어로졸 스트림 출구 포트(203), 및 한 쌍의 차압 포트(205)를 포함하는 것으로 도시된다. 한 쌍의 차압 포트(205)는 도 2d를 참조하여 후술되는 내부 임계 오리피스의 어느 한 측부(상류 및 하류 측부) 상에 장착된다. 전술한 바와 같이, 희석-유동 오리피스 피팅(200)은 여과된 (청정) 공기 유동 또는 입자-함유 공기 유동(예를 들어, 에어로졸 스트림)을 계량하기 위해서 이용된다. 특정한 예시적인 실시예에서, 차압 포트(205)의 중심선으로부터의 치수(D₁)는 약 11.4 mm(대략 0.450 인치)이다. 희석-유동 오리피스 피팅(200)은 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 다양한 재료로 기계가공되거나 달리 형성될 수 있다.

도 2b는 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 정면(입면)도를 도시한다. 특정한 예시적인 실시예에서, 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 주요부의 길이를 나타내는 치수(D₂)는 약 15.2 mm(대략 0.600 인치)이고, 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 전체 길이를 나타내는 치수(D₃)는 약 30.5 mm(대략 1.20 인치)이며, 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 전체 길이를 나타내는 치수(D₄)는 약 16.5 mm(대략 0.650 인치)이다.

도 2c는 에어로졸 스트림 입구 포트(201)로부터 본 측면(입면)도를 도시한다. 도 2c는 또한 이하에서 도 2d를 참고하여 설명되는, 2D-2D 로 표시된 단면을 나타낸다. 특정한 예시적인 실시예에서, 희석-유동 오리피스 피팅(200)을 나타내는 치수(D₅)는 약 11.4 mm(대략 0.450 인치)이다.

도 2d는 정면(입면) 단면도를 도시한다. 희석-유동 오리피스 피팅(200)은 임계 오리피스(207)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 임계 오리피스(207)는 도 1을 참조하여 전술한 임계 오리피스(119)와 동일하거나 유사할 수 있다. 임계 오리피스(207)는, 유체 역학 관점에서, 임계 오리피스(207)를 가로지르는 차압의 감시를 허용하기 위해 차압 포트(205) 사이에 위치된다는 것을 주목하여야 한다. 특정한 예시적인 실시예에서, 에어로졸 스트림 입구 포트(301)의 직경을 나타내는 치수(D₆)는 약 3.81 mm(대략 0.150 인치)이다.

전체적으로 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 특정한 예시적인 실시예에서, 희석-유동 오리피스 피팅(200)은 스테인리스강(예를 들어, 316L 스테인리스)으로 기계가공되거나 달리 형성된다. 그러나, 통상의 기술자는, 정전기 인력이 공기 유동으로부터 상당한 백분율의 입자를 제거하지 않는다면, 다른 적합한 재료가 또한 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 플라스틱 버전을 통한 공기 유동에 의해 유도되는 마찰은 (예를 들어, 전기-전도성 재료로 코팅되지 않는 한) 플라스틱 상에 정전하를 유도할 수 있다. 공기 유동 내의 상당수의 입자, 특히 직경이 수 미크론 미만인 입자는 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 플라스틱 본체로의 입자의 정전기 인력에 의해 제거될 것이다. 따라서, 희석-유동 오리피스 피팅(200)을 형성하는 재료가 고려될 필요가 있다. 통상의 기술자는 또한 상기에 제공된 치수의 각각은 단지 예이고, 단지 희석-유동 오리피스 피팅(200)을 생성하기 위해 사용될 수 있는 더 충분히 다양한 예시적인 실시예를 부각시키기 위해 주어진다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 도시된 다양한 치수는 훨씬 더 높은 체적 유량을 허용하도록 증가될 수 있다. 대안적으로, 도시된 다양한 치수는 훨씬 더 낮은 체적 유량을 허용하도록 감소될 수 있고, 동시에 예를 들어 입자 감시 디바이스(예를 들어, 도 1의 입자 감시 디바이스(141) 같은 것) 내에 끼워지도록 작은 형상 인자를 유지할 수 있다.

이제 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 청정 공기(예를 들어, 실질적으로 입자-없는 공기 유동)을 갖는 샘플 입자-함유 공기 유동을 희석하기 위한 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 실시예가 도시되어 있다. 예를 들어, 도 3a는 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 평면도이고, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 일부로서 모두 기계가공되거나 달리 형성되는 에어로졸 스트림 입구 포트(301), 청정 공기 입구 포트(303), 및 한 쌍의 차압 포트(305)를 포함하는 것으로 도시된다. 한 쌍의 차압 포트(305)는 도 3d를 참조하여 후술되는 내부 임계 오리피스의 어느 한 측면(상류 및 하류 측부) 상에 장착된다. 위에서 언급된 바와 같이, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)는 청정 공기 유동 또는 입자-함유 공기 유동(예를 들어, 에어로졸)을 계량하고 또한 에어로졸 스트림과 여과된 공기 스트림을 함께 혼합하여, 청정 공기 입구 포트(303)에서 희석된 에어로졸 스트림을 생성하기 위해 사용된다. 특정한 예시적인 실시예에서, 차압 포트(305)의 중심선으로부터의 치수(D₇)는 약 11.4 mm(대략 0.450 인치)이다. 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)는 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이 다양한 재료로 기계가공되거나 달리 형성될 수 있다.

도 3b는 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 정면(입면)도를 도시한다. 특정한 예시적인 실시예에서, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 주요부의 길이를 나타내는 치수(D₈)는 약 15.2 mm(대략 0.600 인치)이고, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 전체 길이를 나타내는 치수(D₉)는 약 30.5 mm(대략 1.20 인치)이고, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 전체 높이를 나타내는 치수(D₁₀)는 약 24.1 mm(대략 0.950 인치)이며, 한 쌍의 차압 포트의 최상부까지의 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 몸체의 주요부의 높이를 나타내는 치수(D₁₁)는 약 16.5 mm(대략 0.650 인치)이다.

도 3c는 에어로졸 스트림 입구 포트(301)로부터 본 측면(입면)도를 도시한다. 도 3c는 또한 아래에서 도 3d를 참조하여 설명되는 3D-3D 로 표시된 단면을 나타낸다. 특정한 예시적인 실시예에서, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 전체 폭을 나타내는 치수(D₁₂)는 약 11.4 mm(대략 0.450인치)이다.

도 3d는 정면(입면) 단면도이다. 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)는 임계 오리피스(309)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 임계 오리피스(309)는 도 1을 참조하여 전술한 임계 오리피스(119)와 동일하거나 유사할 수 있다. 임계 오리피스(309)는 유체 역학 관점에서 임계 오리피스(309)를 가로지르는 차압의 감시를 허용하기 위해 차압 포트(305) 사이에서 위치된다는 것에 주목해야 한다. 특정한 예시적인 실시예에서, 에어로졸 스트림 입구 포트(301)의 직경을 나타내는 치수(D₁₃)는 약 3.81 mm(대략 0.150 인치)이다.

도 3a 내지 도 3d 전체와 관련하여, 특정한 예시적인 실시예에서, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)는 스테인리스강(예를 들어, 316L 스테인리스)로 기계가공되거나 달리 형성된다. 예를 들어, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)는 도 2a 내지 도 2d의 희석-유동 오리피스 피팅(200)을 형성하기 위해 사용되는 동일한 또는 유사한 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 통상의 기술자는, 정전기 인력이 공기 유동으로부터 상당한 백분율의 입자를 제거하지 않는다면, 다른 적합한 재료가 또한 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 희석-유동 오리피스 피팅을(200)을 참조하여 전술한 바와 같이, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 플라스틱 버전을 통한 공기 유동에 의해 유도되는 마찰은 플라스틱에 정전하를 유도할 수 있다. 공기 유동 내의 상당수의 입자, 특히 직경이 수 미크론 미만인 입자는 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 플라스틱 몸체로의 입자의 정전기 인력에 의해 제거될 것이다. 따라서, 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)를 형성하는 재료가 고려될 필요가 있다. 통상의 기술자는 또한, 전술한 희석-유동 오리피스 피팅(200)과 같이, 위에서 제공된 치수의 각각은 단지 예일 뿐이고, 단지 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)를 생산하기 위해서 이용될 수 있는 더 완전한 다양한 예시적인 실시예를 부각시키기 위해서 주어진다는 것을 인식할 것이다.

본 명세서에 제공된 개시내용을 읽고 이해하면, 통상의 기술자는 본 발명 주제는 도 2a 내지 도 2d 및 도 3a 내지 도 3d의 실제 피팅 없이 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 이들 도면의 피팅은 개시된 주제의 실시예를 구현하는 하나의 방식을 나타내는 것이다. 그러나, 도 1의 본 발명 주제는 도 1에 도시된 바와 같은 "별개의 구성요소"로 실시될 수 있다. 즉, 임계 오리피스, 온도 및 압력 게이지, 및 필터가 본 발명의 실시예를 실시하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다.

예를 들어, 도 4a는 도 2a 내지 도 2d의 희석-유동 오리피스 피팅을 통합하는 2차 희석기-조립체의 실시예를 도시한다. 그러나, 도 3a 내지 도 3d의 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)를 사용하는 대신에, 희석된 에어로졸 스트림을 생성하기 위해 혼합 부분(에어로졸 스트림을 여과된 공기 스트림과 조합함)을 구성하는데 별개의 구성요소가 사용된다.

도 1을 동시에 참조하면, 도 4a는 촉매 스트리퍼(129), 촉매 스트리퍼(129)로부터의 출구 튜브(108), 티(118), 희석-유동 오리피스 피팅(200)으로의 입구(116), 희석-유동 오리피스 피팅(200)으로부터의 차압 포트(205), 필터(113), 필터(113)의 하류의 2차 티(401) 및 임계 오리피스(119)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도 4a의 실시예를 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 도 1의 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130) 내의 온도 및 압력 게이지는 도 4a에 도시되지 않는다. 도 4a의 실시예에서, 도 1의 임계 오리피스(119)는 도 4a의 희석-유동 오리피스 피팅(200) 내에 수용된다. 도 3a 내지 3d의 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 (에어로졸 스트림 및 여과된 공기 스트림의) "혼합 기능"은 도 4a에서 사용되지 않는다. 대신에, 혼합 기능은, 도 1의 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130)의 관점에서 인식될 수 있는 바와 같이, 2차 티(401)에서 재결합되고 조합(예를 들어, 혼합)되는, 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 하류의 에어로졸 스트림 및 필터(113)의 하류의 여과된 공기 스트림과 결합되는 티(118), 필터(113) 및 희석-유동 오리피스 피팅(200)의 조합에 의해 수행된다. (필터(113)의 하류에 있는 도 4a의 임계 오리피스(119)는 선택적이고, 저-유동 압력 감시 디바이스를 위해 사용될 수 있으며, 도 1에는 도시되지 않는다.)

도 4b는 도 3a 내지 도 3d의 희석-유동 오리피스 및 혼합-티를 통합하는 2차 희석기-조립체의 실시예를 도시한다. 다시, 도 1을 동시에 참조하면, 도 4b는 촉매 스트리퍼(129), 촉매 스트리퍼(129)로부터의 출구 튜브(108), 티(118), 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 에어로졸 스트림 입구 포트(301)로의 입구(116), 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)로부터의 차압 포트(305), 필터(113), 필터(113)로부터 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 청정 공기 입구 포트(303)로의 출구 경로(114), 및 입자 감시 디바이스(141)(도 4b에 도시되지 않음)에 계속되는 샘플링된 유동 경로(137)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도 4b의 실시예를 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 도 1의 2차 희석-유동 오리피스 및 혼합 부분(130) 내의 온도 및 압력 게이지는 도 4b에는 도시되지 않는다.

본 명세서에 제공된 본 발명 주제의 개시내용을 읽고 이해하는 것에 기초하여, 통상의 기술자는 희석-유동 오리피스 피팅(200) 및 희석-유동 오리피스 및 혼합-티(300)의 다양한 조합을 모두 본 개시내용의 범주 내에 있는 다양한 별개의 구성요소와 함께 통합하기 위한 다른 방식을 용이하게 고려할 수 있다. 통상의 기술자는 또한 더 적거나 더 많은 희석 스테이지가 특정 적용예를 위해 필요에 따라 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

따라서, 개시된 주제에는 수동 에어로졸 희석기 메커니즘의 다양한 실시예를 설명하는 시스템 도면이 포함된다. 펌웨어 또는 소프트웨어가, 다양한 알고리즘에 대해서 전술한 바와 같이, 하나 이상의 실제 희석 비율에 대한 입자 농도를 보정하기 위해서 이용되고, 또한 전체 시스템의 일부로서 포함될 수 있다. 펌웨어 또는 소프트웨어는, 기록된 측정의 동시적 또는 이후의 분석을 위해 시스템의 개별 부분으로서 또는 다양한 유형의 컴퓨터, 랩탑, 태블릿 또는 다른 컴퓨팅 디바이스에서 작동할 수 있는 개별 독립형 구성요소로서, 희석된 입자 스트림을 감시하기 위해 사용되는 입자 감시 디바이스(141)(예를 들어, CPC, CNC, OPC 또는 분광계) 내에 통합될 수 있다. 수동 에어로졸 희석기 메커니즘에서 이루어지는 압력, 온도 및 유동 측정을 허용하는 피팅도 포함될 수 있다. 다양한 실시예에서, 필터, 유동-제한 디바이스, 스로틀링 밸브, 임계 오리피스 등의 다양한 것들을 가로지르는 차압, 절대 압력 및 온도의 측정이 미리결정된 간격으로(예를 들어, 매분마다, 5초마다, 매초마다, 0.1초마다 등) 감시될 수 있다. 또한, 주어진 측정 기기(예를 들어, CPC)에 대한 공지된 또는 계산된 동시성 오류 손실 및 주어진 입자 농도 범위에 대해 필요에 따라 다양한 희석 비율(예를 들어, 10⁵ 내지 1, 10³ 내지 1, 10 내지 1 등)이 미리결정될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 시스템은 이러한 결정을 허용하기 위해 체적 또는 질량-기반 유동에 기초한 측정 및 계산을 제공하도록 구성될 수 있고 예를 들어 펌웨어 또는 소프트웨어에 포함될 수도 있다. 개시된 수동 에어로졸 희석기 메커니즘은, 또한 희석 비율, 다양한 압력 또는 온도, 또는 유동의 변화가 유동-제한 디바이스의 필터 또는 다양한 것들이 적절한지 또는 막혔는지를 나타낼 수 있도록 희석기의 "건강성(health)"이 감시될 수 있게 하며, 다양한 유지보수 문제가 필요한지를 최종 사용자에게 통지하기 위해 에러를 발생시키도록 구성될 수 있다. 또한, 개시된 수동 에어로졸 희석기 메커니즘은 에어로졸 스트림의 수동 희석을 수행하기 위해 모듈형 센서 시스템 및 이동 평균을 포함하는 고유한 신호 처리를 채용하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 매우 콤팩트한 패키지를 생성한다. 따라서, 개시된 수동 에어로졸 희석기 메커니즘은 내부 연소 및 디젤 엔진으로부터 방출되는 것과 같은 에어로졸 스트림의 고농도 입자를 측정하기 위해 강건하고 정확한 희석 디바이스를 갖는 것의 문제를 해결한다. 또한, 수동 에어로졸 희석기 메커니즘은 비자동화 유형의 희석기를 위한 드롭-인(drop-in) 교체물로서 구성될 수 있다.

예시적인 기계 아키텍처 및 기계-판독가능 저장 매체

이제 도 5를 참조하면, 예시적인 실시예는, 기계가 본 명세서에서 설명되는 방법론 중 하나 이상을 수행하게 하는 명령어가 실행될 수 있는 컴퓨터 시스템(500)의 예의 기계로 연장된다. 대안적인 예시적인 실시예에서, 기계는 독립형 디바이스로서 동작하거나 다른 기계에 연결(예를 들어, 네트워킹)될 수 있다. 네트워킹 배치에서, 기계는 서버-클라이언트 네트워크 환경에서는 서버 또는 클라이언트 기계의 자격으로 또는 피어-투-피어(peer-to-peer)(또는 분산형) 네트워크 환경에서는 피어 기계로서 동작할 수 있다. 기계는 개인용 컴퓨터(PC), 태블릿 PC, 셋톱 박스(STB), PDA(Personal Digital Assistant), 모바일 전화기, 웹 어플라이언스, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브리지, 또는 그 기계에 의해 취해질 동작들을 특정하는 명령어(순차형 또는 다른 방식)를 실행할 수 있는 임의의 기계일 수 있다. 또한, 단지 단일 기계만이 예시되어 있지만, "기계"라는 용어는 또한 본 명세서에 설명된 방법론 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위한 명령어 세트(또는 다수의 세트)를 개별적으로 또는 공동으로 실행하는 임의의 기계의 집단을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

컴퓨터 시스템(500)은 버스(507)를 통해 서로 통신하는 프로세서(501)(예를 들어, 중앙 처리 유닛(CPU)), 그래픽 처리 유닛(GPU) 또는 양자 모두), 주 메모리(503) 및 정적 메모리(505)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(500)은 비디오 디스플레이 유닛(509)(예를 들어, 액정 디스플레이(LCD) 또는 음극선관(CRT))을 더 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(800)은 또한 문자숫자 입력 디바이스(511)(예를 들어, 키보드), 사용자 인터페이스(UI) 내비게이션 디바이스(513)(예를 들어, 마우스), 디스크 구동 유닛(515), 신호 생성 디바이스(517)(예를 들어, 스피커), 및 네트워크 인터페이스 디바이스(519)를 포함한다.

기계-판독가능 매체

디스크 드라이브 유닛(515)은 본 명세서에 설명된 방법론 또는 기능 중 임의의 하나 이상에 의해 구현되거나 사용되는 하나 이상의 세트의 명령어 및 데이터 구조(예를 들어, 소프트웨어(823))가 저장되는 비일시적 기계-판독가능 매체(521)를 포함한다. 소프트웨어(523)는 또한 컴퓨터 시스템(500)에 의한 그 실행 중에 메인 메모리(503) 내에 또는 프로세서(501) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있고; 메인 메모리(803) 및 프로세서(801)는 또한 기계-판독가능 매체를 구성한다.

비일시적 기계-판독가능 매체(521)는 예시적인 실시예에서 단일 매체인 것으로 도시되어 있지만, "기계-판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 명령어를 저장하는 단일 매체 또는 다수의 매체(예를 들어, 중앙집중식 또는 분산식 데이터베이스 또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함할 수 있다. "비일시적 기계-판독가능 매체"라는 용어는 기계에 의한 실행을 위한 명령어를 저장, 인코딩 또는 운반할 수 있고, 기계가 본 발명의 방법론 중 임의의 하나 이상을 수행하게 하거나, 이러한 명령어에 의해 사용되거나 이들과 관련되는 데이터 구조를 저장, 인코딩 또는 운반할 수 있는 임의의 유형 매체를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 따라서, "기계-판독가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리, 및 광학 및 자기 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 것으로 간주되어야 한다. 기계-판독가능 매체의 특정 예는 예시적인 반도체 메모리 디바이스(예를 들어, EPROM, EEPROM, 및 플래시 메모리 디바이스)를 포함하는 비휘발성 메모리; 내부 하드 디스크 및 제거가능한 디스크와 같은 자기 디스크; 광자기 디스크; 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크를 포함한다.

전달 매체

소프트웨어(523)는 다수의 공지된 전송 프로토콜(예를 들어, HTTP) 중 어느 하나를 이용하여 네트워크 인터페이스 디바이스(519)를 통해 전달 매체를 이용하여 통신 네트워크(525)를 통해 송신 또는 수신될 수 있다. 통신 네트워크의 예는 근거리 네트워크(LAN), 광역 네트워크(WAN), 인터넷, 휴대 전화 네트워크, POTS(Plain Old Telephone) 네트워크, 및 무선 데이터 네트워크(예를 들어, WiFi 및 WiMax 네트워크)를 포함한다. "전달 매체"라는 용어는 기계에 의한 실행을 위한 명령어를 저장, 인코딩 또는 운반할 수 있는 임의의 무형 매체를 포함하는 것으로 간주되어야 하며, 디지털 또는 아날로그 통신 신호 또는 그러한 소프트웨어의 통신을 촉진하기 위한 다른 무형 매체를 포함한다.

본 발명의 주제의 개요가 특정한 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 더 넓은 사상으로부터 벗어나지 않고 이러한 실시예에 대해 다양한 수정 및 변화가 이루어질 수 있다. 본 발명 주제의 이러한 실시예는 본 명세서에서는 단지 편의를 위해 개별적으로 또는 집합적으로 "발명"이라 지칭될 수 있으며, 사실상 하나보다 많은 것이 개시되는 경우에는 본 출원의 범위를 임의의 단일 발명 또는 발명 개념으로 자발적으로 제한하기를 의도하는 것은 아니다.

위의 설명은 개시된 주제를 실시하는 예시적인 예, 디바이스 및 장치를 포함한다. 위의 설명에서, 설명의 목적을 위해, 많은 특정 세부사항이 본 발명 주제의 다양한 실시예의 이해를 제공하기 위해 기재되었다. 그러나, 본 발명 주제의 다양한 실시예가 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 분명할 것이다. 또한, 널리-공지된 구조, 재료, 및 기술이 다양한 예시된 실시예를 모호하게 하지 않도록, 상세하게 제시되지 않았다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "또는"은 포괄적인 또는 배타적인 의미로 해석될 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에서 설명된 다양한 예시적인 실시예가 샘플링된 입자 스트림을 희석하기 위한 특별한 방식에 집중되지만, 제공된 개시내용을 읽고 이해하면 다른 실시예가 통상의 기술자에 의해서 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에 제공된 개시내용을 읽고 이해할 때에, 통상의 기술자라는 본 명세서에 제공된 기술 및 예의 다양한 조합 모두가 일련으로 또는 다양한 조합으로 적용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다.

다양한 실시예가 개별적으로 논의되지만, 이들 개별 실시예는 독립적인 기술 또는 설계로서 간주되도록 의도되지 않는다. 위에서 지시된 바와 같이, 다양한 부분의 각각은 상호-관련될 수 있고, 각각은 본 명세서에서 논의된 다른 희석기 기술과 개별적으로 또는 조합되어 사용될 수 있다.

또한, 특정 값, 값의 범위, 측정 값 및 기술이 본 명세서에서 논의된 다양한 파라미터에 대해 주어지지만, 이들 값 및 기술은 단지 통상의 기술자가 본 명세서에 개시된 설계 및 기술의 특정 특성을 이해하는 것을 돕도록 제공한다. 통상의 기술자는, 제공된 개시내용을 읽고 이해할 때에, 이들 값 및 기술이 단지 예로서 제시되고, 많은 다른 값, 값의 범위, 및 기술이 주어진 입자-함유 샘플 스트림을 희석하기 위해 채용될 수 있는 논의된 신규한 설계로부터 여전히 이익을 얻으면서 채용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 상기 장치의 다양한 예시는 다양한 실시예의 구조 및 설계에 대한 대체적인 이해를 제공하도록 의도되고, 본 명세서에 설명된 구조, 특징, 및 설계를 이용할 수 있는 상기 장치의 모든 요소 및 특징의 완전한 설명을 제공하도록 의도되지 않는다.

통상의 기술자가 본 명세서에 제공된 개시내용을 읽고 이해할 때에 분명한 바와 같이 많은 변형 및 변화가 이루어질 수 있다. 본 개시내용의 범위 내의 기능적으로 동등한 방법 및 디바이스는 본 명세서에 나열된 것들에 추가하여, 위의 설명으로부터 통상의 기술자에게 분명할 것이다. 일부 실시예의 부분 및 특징은 다른 실시예의 부분 및 특징 내에 포함되거나, 그것에 대해 대체될 수 있다. 많은 다른 실시예는 통상의 기술자가 제공된 설명을 읽고 이해할 때에 분명할 것이다. 그러한 변형 및 변화는 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하도록 의도된다. 따라서, 본 개시내용은 단지 그러한 청구범위의 권리범위 내에 있는 등가물의 전체 범주와 함께, 첨부된 청구범위의 용어에 의해 제한되어야 한다. 본 명세서에 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명할 목적을 위한 것이고, 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것이 또한 이해되어야 한다.

본 개시의 요약은 독자가 기술적 개시내용의 본질을 빠르게 파악하도록 하기 위해서 제공된다. 요약서는 그것이 청구범위를 해석 또는 제한하는데 사용되지 않을 것이라는 이해 하에서 제출된다. 또한, 위의 상세한 설명에서, 다양한 특징이 개시내용을 간략화할 목적을 위해 단일의 실시예에서 함께 그룹화될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 이러한 개시내용의 방법은 청구범위를 한정하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 이와 같이, 다음의 특허청구범위는 상세한 설명 내로 여기에서 통합되어 있고, 이 때에 각각의 청구항은 그 자체로 개별 실시예로서 독립적이다.

Claims

샘플링된 에어로졸 스트림을 희석하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,
에어로졸 스트림의 샘플을 수용하기 위한 에어로졸 샘플 입구;
에어로졸 샘플 입구로부터 샘플링된 에어로졸 스트림의 제1 부분을 수용하기 위한 유동-감시 디바이스로서, 상기 유동-감시 디바이스는 샘플링된 에어로졸 스트림에 포함된 입자의 통과를 허용하도록 구성되는, 유동-감시 디바이스;
에어로졸 샘플 입구로부터 샘플링된 에어로졸 스트림의 제2 부분을 수용하도록 유동-감시 디바이스와 유체 연통하여 그리고 병렬로 결합된 필터; 및
유동-감시 디바이스의 상류의 에어로졸 스트림의 압력 및 온도를 감시하기 위한 압력 센서 및 온도 센서를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 압력 센서는 유동-감시 디바이스에 진입하는 에어로졸 스트림의 압력을 감시하도록 구성되는 절대 압력 센서인 시스템.
제1항에 있어서, 희석된 에어로졸 스트림을 제공하기 위해 유동-감시 디바이스 및 필터의 양자 모두의 출구에 결합된 혼합 챔버를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 유동-감시 디바이스는 임계 오리피스인 시스템.
제4항에 있어서, 임계 오리피스를 통한 미리결정된 공칭 체적 유량을 위한 오리피스를 크기설정하는 것을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 유동-감시 디바이스 및 필터의 양자 모두의 출구에 결합되는 2차 희석 시스템을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 유동-감시 디바이스 및 필터의 양자 모두의 출구를 입자 감시 디바이스에 결합하는 것을 더 포함하는 시스템.
제7항에 있어서, 입자 감시 디바이스는 응축 입자 카운터인 시스템.
제1항에 있어서, 유동-감시 디바이스의 차압을 측정하기 위해 유동-감시 디바이스를 가로질러 차압 센서를 배치하는 것을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 필터의 상류의 에어로졸 스트림의 압력과 온도를 감시하기 위한 압력 센서 및 온도 센서를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 유동-감시 디바이스 및 필터와 직렬인 촉매 스트리퍼를 더 포함하고, 촉매 스트리퍼는 에어로졸 스트림으로부터 휘발성 입자를 제거하는 시스템.
샘플링된 에어로졸 스트림을 희석하는 방법이며, 상기 방법은,
에어로졸 스트림의 샘플을 수용하는 단계;
에어로졸 스트림의 제1 부분을 유동-감시 디바이스로 전환시키는 단계;
유동-감시 디바이스의 온도 및 압력을 감시하는 단계;
에어로졸 스트림의 제2 부분을 필터로 전환시키는 단계;
에어로졸 스트림의 제2 부분을 여과하여 여과된 공기 스트림을 생성하는 단계; 및
유동-감시 디바이스의 출구로부터의 에어로졸 스트림의 제1 부분과 여과된 공기 스트림을 조합하는 단계를 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 유동-감시 디바이스를 통한 공칭 유량을 미리결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제12항에 있어서,
여과된 공기의 실제 유량을 계산하는 단계;
유동-감시 디바이스의 출구로부터 에어로졸 스트림의 제1 부분의 실제 유량을 계산하는 단계; 및
유동-감시 디바이스의 출구로부터의 에어로졸 스트림의 제1 부분의 실제 유량을 여과된 공기의 실제 유량으로 나눈 비율에 기초하여 희석 비율을 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 실제 유량의 계산은 유동-감시 디바이스의 감시된 온도와 감시된 압력에 기초하여 에어로졸 스트림을 포함하는 하나 이상의 기체의 열역학적 특성에 의해 결정되는 방법.
제14항에 있어서, 실제 유량의 이동 평균을 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 실제 유량에 평활 함수를 적용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 유동-감시 디바이스의 출구로부터 에어로졸 스트림의 제1 부분의 실제 유량의 실제 결정을 갱신하는 시간 간격을 미리결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 이하의 동작을 수행하게 하는 명령어를 저장하는 컴퓨터-판독가능 저장 매체이며, 상기 동작은,
에어로졸 스트림의 온도 및 압력을 포함하는 데이터 스트림을 수신하는 단계;
에어로졸 스트림의 미리결정된 공칭 유량을 수신하는 단계;
여과된 공기의 실제 유량을 계산하는 단계;
유동-감시 디바이스의 출구로부터의 에어로졸 스트림의 일부의 실제 유량을 계산하는 단계; 및
유동-감시 디바이스의 출구로부터의 에어로졸 스트림의 일부의 실제 유량을 여과된 공기의 실제 유량으로 나눈 비율에 기초하여 희석 비율을 계산하는 단계를 포함하는 컴퓨터-판독가능 저장 매체.
제19항에 있어서, 실제 유량의 계산은 유동-감시 디바이스의 감시된 온도와 감시된 압력에 기초하여 에어로졸 스트림을 포함하는 하나 이상의 기체의 열역학적 특성에 의해 결정되는 컴퓨터-판독가능 저장 매체.