專利名稱：超微細(xì)顆粒傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超微細(xì)顆粒傳感器及包括這種超微細(xì)顆粒傳感器 的空氣處理系統(tǒng)。更具體地，發(fā)明涉及用于感測空氣傳播的顆粒的超
微細(xì)顆粒傳感器，所述空氣傳播的顆粒的直徑范圍為約l-500nm，優(yōu) 選地為5-300nm，更優(yōu)選地為10至300nm或更優(yōu)選地為20至300nm。
背景技術(shù)：
在過去十年中，空氣傳播的燃燒相關(guān)的超微細(xì)顆粒(UFP)的吸 入給人類帶來顯著的健康危險(xiǎn)變得日益清楚，因?yàn)檫@些顆粒往往沉積 在肺部組織上并最終密封在肺部組織中的事實(shí)。這種UFP包括固體 顆粒和類液體顆粒。燃燒相關(guān)的固體顆粒的顯著部分由包括或主要包 括未燃燒的碳元素的灰粒組成。燃燒相關(guān)的固體顆粒的更小部分由無 機(jī)灰組成。超細(xì)燃燒相關(guān)的類液體顆粒典型地由或多或少的易揮發(fā)的 碳?xì)浠衔?H2SCVH20材料和少量無機(jī)物質(zhì)一起組成。燃燒相關(guān)的 UFP測量在直徑約5nm和500nm之間(大多數(shù)顆粒測量在直徑小于 200-300nm)，并且通常地包括或至少部分地覆蓋有致癌的多環(huán)芳烴和 其它易揮發(fā)有機(jī)化合物(VOC)。這些UFP從諸如汽車交通的燃燒源 和其它本地燃燒源的廢氣發(fā)射到空氣中并且作為不完全燃燒過程的 結(jié)果而形成。特別是，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因向空氣中發(fā)射大量灰粒和其它 UFP而臭名遠(yuǎn)揚(yáng)。
除了工業(yè)燃燒源和其它靜態(tài)燃燒源的附近之外，燃燒相關(guān)的UFP 的濃度(今后簡單地稱作UFP)在西方世界通常在或臨近機(jī)動(dòng)交通出 現(xiàn)的地方最高。可以遇到非常高的局部濃度，特別是在隧道中、交通 十字路口和/或有限通風(fēng)和/或風(fēng)速條件下的交通排隊(duì)中。日益證明這 些UFP對人類健康的影響比由燃燒馬達(dá)發(fā)出的普通氣體廢棄污染物 (CO， NOx， S02， VOCs)對人類健康的影響要顯著得多。這樣，
局部空氣污染與局部UFP濃度很大程度上相關(guān)。另外，局部UFP濃 度與普通氣體廢棄污染物的局部濃度大程度地相關(guān)，因?yàn)樗鼈兌际瞧?源于相同的污染源。
現(xiàn)有技術(shù)中，空氣傳播的顆粒污染水平的嚴(yán)重性主要是基于空氣 傳播的顆粒質(zhì)量濃度建立，這些空氣傳播的顆粒質(zhì)量濃度與特別是可 呼吸的這些空氣傳播的顆粒，即能夠到達(dá)并沉積入肺的肺泡區(qū)域的那 些空氣傳播的顆粒相關(guān)。因?yàn)樗械膁^lOpm的空氣傳播的顆粒是可 呼吸的，所以所有可呼吸顆粒質(zhì)量Mt^被當(dāng)作相關(guān)參數(shù)，Mt。^定義 為
其中，pp是顆粒密度，且其中dN(dp)/dlndp表示顆粒大小分布， dN(dp)表示具有直徑dp的顆粒的數(shù)量濃度。積分遍及可呼吸顆粒直徑 dp的整個(gè)范圍，實(shí)踐中上至dp=10nm (可呼吸顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)大 小上限)。可呼吸顆粒質(zhì)量濃度Mt。tal能夠例如由光散射和/或由顆粒 采樣/稱重測得。
已發(fā)現(xiàn)Mt。^通常主要源自dp〉300-500nm的顆粒，即使這些顆粒 具有非常小的數(shù)量濃度，即每單位體積的顆粒數(shù)。盡管更小顆粒的數(shù) 量濃度通常非常高，它們基本上不對Mt。tal起作用。數(shù)值是表示對人 類健康影響的相對嚴(yán)重性的人類健康影響參數(shù)Hfp，考慮dp> 3OO-5O0nm的可呼吸細(xì)顆粒(FP)時(shí)能夠表示為大約與正常環(huán)境條件 下的Mt。^成比例。
考慮到越來越多的證據(jù)，尤其是顆粒直徑dp小于300-500nm的 UFP危害人類健康，僅僅測量可呼吸顆粒質(zhì)量濃度Mt。^將不提供可
靠的和/或充足的關(guān)于整個(gè)人類健康影響參數(shù)Ht福的數(shù)據(jù)，Ht。ta!是分
別對FP和UFP的單獨(dú)的人類健康影響參數(shù)的和。此夕卜，不能夠用低 成本的裝置獲得對整個(gè)UFP數(shù)量濃度和數(shù)均UFP直徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能夠獲取關(guān)于空氣傳播的UFP的可靠數(shù)據(jù)的
超微細(xì)顆粒傳感器。 為達(dá)此目的，提供超微細(xì)顆粒傳感器用于檢測直徑范圍約為
l-500nm，優(yōu)選地5-300nm的空氣傳播的顆粒，包括 空氣入口，用于超微細(xì)顆粒流的進(jìn)入；
濃度變化部分，能夠在至少一個(gè)時(shí)間間隔中在至少第一濃度水平 和第二濃度水平之間引起超微細(xì)顆粒濃度的變化；
顆粒感測部分，能夠產(chǎn)生依賴所述第一濃度水平和所述第二濃度 水平之間的所述變化而變化的測量信號，及
評估單元，能夠從所述變化的測量信號得到與所述超微細(xì)顆粒相 關(guān)的數(shù)據(jù)。
已發(fā)現(xiàn)，作為濃度水平中所施加的變化的結(jié)果，能夠從與每單位 體積的超微細(xì)顆粒數(shù)(即顆粒數(shù)濃度Nufp)相關(guān)的測量信號導(dǎo)致的變 化獲得數(shù)據(jù)。此外，能夠從與對UFP的人類健康影響參數(shù)Hufp大約 成比例的此測量信號推斷每單位體積顆粒的總長度，即顆粒長度濃度 Lufp。數(shù)據(jù)NU*和Lu^的組合提供傳感器所暴露的空氣的質(zhì)量的有 價(jià)值的信息。另外，計(jì)算的比率dp,^Lufp/Nufp提供有助于進(jìn)一步描述 空氣傳播的UFP污染的特性的所有空氣傳播的UFP的數(shù)均顆粒直徑
dp,av 。
如權(quán)利要求2中所闡述的發(fā)明的實(shí)施例提供改變濃度水平和作為 UFP的電荷的結(jié)果檢測UFP的有效方法的益處。
如權(quán)利要求3中所闡述的發(fā)明的實(shí)施例中，電暈放電源在如上述 地使不同類型的UFP帶電上是有效的?？梢酝ㄟ^使用例如活性碳過 濾器移除可能產(chǎn)生的危害健康的臭氧。權(quán)利要求4中所闡述的實(shí)施例 將電暈放電源和使得能夠進(jìn)一步控制UFP的帶電過程的多孔網(wǎng)電極 組合。網(wǎng)電極容許在很低的電場強(qiáng)度下完成顆粒帶電，這有助于最小 化顆粒帶電過程中的顆粒損耗。
如權(quán)利要求5中所述的發(fā)明的實(shí)施例容許特別是空氣傳播的灰粒 的有效帶電并且此外消除在超微細(xì)顆粒傳感器內(nèi)使用高電壓的需求。
應(yīng)當(dāng)理解，超微細(xì)顆粒傳感器還可以包括多于一種類型的顆粒充 電部分，并且可以被作為包括多于一種類型的超微細(xì)顆粒傳感器的實(shí) 施例的組合來實(shí)施。
如權(quán)利要求6中所闡述的濃度變化部分的實(shí)施例提供到達(dá)顆粒感
測部分的流中的帶電顆粒濃度的簡單而有效的受控變化。作為示例， 使用一系列直的或圓柱地同心的平行板，也稱作平行板沉降器
(precipitator),能夠向所述平行板沉降器的選擇的板施加一系列的電 壓脈沖以使得在至少一個(gè)時(shí)間間隔中部分電場感應(yīng)的顆粒在板表面 上的沉淀發(fā)生。平行板具有在空氣入口和顆粒感測部分之間僅引起可 忽略的空氣壓力下降的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)選地，與零電壓周期交替地周期地施 加一系列非零電壓脈沖。
如權(quán)利要求7和8中所闡述的發(fā)明的實(shí)施例提供一種獲得變化的 電信號的裝置，所述電信號與濃度變化部分的帶電的UFP的下游的 濃度成比例，所述裝置適合用于確定傳感器所暴露的空氣中的顆粒數(shù) 濃度Nufp。
如權(quán)利要求9和10中所述的發(fā)明的實(shí)施例描述評估單元分別推斷 顆粒數(shù)濃度Nufp和每單位體積的顆?？傞LLufp的有效方法。
如權(quán)利要求ll中所述的發(fā)明的實(shí)施例，表明在適當(dāng)?shù)目諝馑俣龋?防止擁有直徑dp的任何組空氣傳播的顆粒在濃度變化部分內(nèi)部的完 全的顆粒沉降，該任何組空氣傳播的顆粒對進(jìn)入超微細(xì)顆粒傳感器的 流的整個(gè)顆粒數(shù)濃度所起的作用超過可忽略的程度。
如權(quán)利要求12中所述的發(fā)明的實(shí)施例，具有在對顆粒數(shù)濃度Nufp 幾乎不起作用的粗糙顆粒進(jìn)入并因此污染超微細(xì)顆粒傳感器之前將 其除去的優(yōu)點(diǎn)。
如權(quán)利要求13所述的發(fā)明的實(shí)施例，提供使得包含UFP的規(guī)則 的(優(yōu)選為可控制的)空氣流通過超微細(xì)顆粒傳感器的優(yōu)點(diǎn)。
如權(quán)利要求14所述的發(fā)明的實(shí)施例，具有以方便的方法顯示關(guān)于 環(huán)境空氣的特性(例如質(zhì)量/污染)的數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)可以包 括一或多個(gè)如下數(shù)據(jù)顆粒數(shù)濃度Nufp、顆粒長度濃度Lufp、人類健
康影響參數(shù)Hufp或諸如按數(shù)量平均的(number-averaged)顆粒直徑
dp,av的源自這些參數(shù)的數(shù)據(jù)。
如權(quán)利要求15所述的發(fā)明的實(shí)施例具有能夠獲取與UFP和FP相 關(guān)的數(shù)據(jù)的傳感器的優(yōu)點(diǎn)。'
應(yīng)當(dāng)承認(rèn)以上實(shí)施例或其方面可以被組合。
本發(fā)明還涉及空氣處理系統(tǒng)，所述空氣處理系統(tǒng)包括上述超微細(xì) 顆粒傳感器，其中所述超微細(xì)顆粒傳感器具有設(shè)置為提供能夠基于所 述變化的測量信號控制所述空氣處理系統(tǒng)的空氣清潔單元和/或空氣 通風(fēng)單元的控制信號的反饋輸出。
這種空氣處理系統(tǒng)可以設(shè)置為主動(dòng)地對根據(jù)本發(fā)明的超微細(xì)顆粒 傳感器的測量起反應(yīng)，以便如果傳感器指示差的空氣質(zhì)量，例如表示 為顆粒數(shù)濃度Nufp和/或顆粒長度濃度Lufp的閾值，則能夠改善所述空 氣處理系統(tǒng)下游的空氣條件。
將參照示意性地示出根據(jù)發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖進(jìn)一步闡述本 發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不應(yīng)在任何方面受限于這些特定的和優(yōu)選的 實(shí)施例。


圖中
圖l示出根據(jù)發(fā)明的實(shí)施例的超微細(xì)顆粒傳感器的示意圖； 圖2示出圖1的超微細(xì)顆粒傳感器的更詳細(xì)的示意圖； 圖3-5示出使用電暈放電源的超微細(xì)顆粒傳感器的示意圖； 圖6示出使用紫外光源的超微細(xì)顆粒傳感器的示意圖； 圖7示出適于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例檢測超微細(xì)顆粒和細(xì)顆粒的傳 感器的框圖；以及
圖8A-8C示出使用根據(jù)發(fā)明的超微細(xì)顆粒傳感器的空氣處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
圖1是具有用于包含超微細(xì)顆粒(UFP)的流F進(jìn)入的空氣入口 2 的超微細(xì)顆粒傳感器1的示意圖。傳感器1具有能夠引起UFP的濃 度變化的濃度變化部分3。流變化部分3具有可控制的裝置4，用于 在至少一時(shí)間間隔中在至少第一非零濃度水平和第二非零濃度水平 之間改變UFP的濃度。第一非零濃度水平可以例如涉及進(jìn)入濃度變 化部分的UFP的約100X的UFP的通過百分比，而UFP的第二非零 濃度具有70-90%的通過百分比。裝置4可以包括靜電UFP俘獲裝置 或能夠(暫時(shí)地)減小UFP的通過量的任何其它裝置。
提供顆粒感測部分5，其能夠產(chǎn)生取決于UFP的濃度的所述變化 而改變的測量信號I。最終，評估單元6設(shè)置為從所述變化的測量信 號I推斷與所述超微細(xì)顆粒相關(guān)的數(shù)據(jù)。
圖2示出圖1的超微細(xì)顆粒傳感器的更詳細(xì)的示意圖。
顆粒充電部分(particle charging section) 7位于空氣入口 2和濃度 變化部分3之間。顆粒充電部分7能夠使進(jìn)入空氣入口 2的UFP的 至少一部分充電。將參照圖3-6進(jìn)一步討論顆粒充電部分7的多個(gè)實(shí) 施例。
圖3-5示出使用空氣傳播的離子電暈放電源的超微細(xì)顆粒傳感器
的示意圖。針11或細(xì)絲12連接到DC電壓Vc。r， Ve。r足夠高以電離
針尖11或細(xì)絲12附近的空氣。
多孔網(wǎng)電極(porous screen electrode) 13位于針11或細(xì)絲12離子 源附近并設(shè)置為電壓VSCT， V^基本小于使得從針11或金屬絲12將 一種極性的離子引向網(wǎng)電極的Vc。r。對電極(counter electrode) 14位 于多孔網(wǎng)電極13附近并設(shè)置為小于V^的對電極電位，對電極電位 優(yōu)選地設(shè)置為地電位并由傳感器1的外殼的內(nèi)壁形成。這使得從針 11或金屬絲12引向多孔網(wǎng)電極13的單極離子(unipolar ions)的部 分橫過網(wǎng)電極13的孔并在存在于多孔網(wǎng)電極13和對電極14之間的 電場的驅(qū)動(dòng)力作用下引向?qū)﹄姌O14，所述電場具有優(yōu)選地低于 500V/cm的強(qiáng)度。被引向?qū)﹄姌O14的部分單極離子將它們自己附著 于所接收的流入空氣流中的UFP上，由此引起這些UFP的擴(kuò)散充電 (diffusion charging )。
圖5中，電位V^由連接到網(wǎng)電極的接地電阻R建立。
應(yīng)當(dāng)理解，在傳感器l中可以省去多孔網(wǎng)電極13。在顆粒充電的 這些條件下，顆粒充電部分7包括離子源11、 12和對電極14，在所 述離子源和對電極之間從空氣入口 2收到流入空氣流。離子源11、 12產(chǎn)生空氣傳播的離子(airborne ions)并且優(yōu)選地作為支撐在兩個(gè) 絕緣體之間的位置中的針尖電極或細(xì)絲電極來實(shí)施。足夠高的電暈電 壓V^加于針尖電極11或細(xì)絲電極12上以分別電離與針尖11或細(xì) 絲12直接相鄰區(qū)域中的空氣。V^和加于對電極上的電壓(優(yōu)選為 地電位)之間的差異引起跨越空氣流導(dǎo)管(airflow conduit)的電場， 該電場將單極離子直接從離子源ll、 12引向?qū)﹄姌O14，由此容許部 分單極離子將它們自己附著于移動(dòng)穿過空氣流導(dǎo)管的流入空氣流中 的UFP，這樣使得在存在跨越流導(dǎo)管的電場的情況下完成顆粒充電， 所述電場可以或可以不具有超過500V/cm的局部強(qiáng)度。朝向離子源 的UFP傳感器的外殼的內(nèi)壁可以被用作對電極14。
通過由一或多個(gè)光源照射空氣傳播的UFP顆粒可以獲得讓至少部 分這些顆粒帶電的可選方法。圖6對此進(jìn)行了示意性的說明。該方法 尤其適合于使灰粒帶電及隨后對灰粒的檢測，這樣將超微細(xì)顆粒傳感 器改造成更具體的煙灰傳感器(soot sensor)。
圖6中的顆粒充電部分包括UV燈20，例如發(fā)射包括低于260nm 波長的輻射的管狀低壓UV燈。諸如這些通常用于消毒目的的普通低 壓UV燈，通常被提供以包括汞蒸氣的氣體填充。這些UV燈發(fā)射的 峰值波長為253.7nm并且，在UV燈以(合成)石英燈實(shí)施的情況下， 額外的峰值波長184.9nm。可選地，UV燈可以是UV受激準(zhǔn)分子燈， 其輻射波長在170nm和260nm之間能夠被調(diào)諧，取決于受激準(zhǔn)分子 燈內(nèi)的填充氣體的性質(zhì)和組分。朝向uv燈的傳感器外殼的內(nèi)壁可以 是反射的，以提高燈和傳感器外殼之間流導(dǎo)管中的光強(qiáng)。至少部分地 覆蓋有多環(huán)芳烴(PAH)材料涂層的燃燒相關(guān)的UFP (對于所有灰粒 而言通常是這樣的)，當(dāng)它們被以處理波長峰值低于260nm的UV燈 輻照時(shí)，將發(fā)生一個(gè)或多個(gè)電子的光電子發(fā)射，這使得這些顆粒帶正 電。通過在UY燈20周圍設(shè)置高孔隙率的保護(hù)傳導(dǎo)絲網(wǎng)(conducting gauze) 21，將燈屏蔽以免直接暴露于通過灰粒傳感器的空氣流，由 此避免了沉積來自空氣的UFP對燈表面的逐漸污染，否則最終會(huì)減 小來自燈的光輸出。
另外，有益的是在此絲網(wǎng)21上施加11()=約5-10V的小的DC或 AC電壓并將傳感器1的內(nèi)壁接地以便穿過絲網(wǎng)21和內(nèi)壁之間的流導(dǎo) 管存在小的靜電場。此電場促進(jìn)來自空氣的光發(fā)射的電子和負(fù)離子的 迅速移除而幾乎不影響帶正電灰粒向濃度變化部分3的通行(因?yàn)殡?子和離子的高得多的電泳遷移率)。帶電的(和保持未帶電的)灰粒 隨后進(jìn)入傳感器1的濃度變化部分3。更有益的是給絲網(wǎng)21的表面 和朝向絲網(wǎng)的傳感器的內(nèi)壁的表面提供薄的非金屬涂層，當(dāng)所述表面 被以UV光輻照時(shí)，這些涂層防止來自這些表面的電子的光電子發(fā) 射。
應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，可以組合圖3-5的電暈放電實(shí)施例和圖6的照射實(shí)施例。
返回參照圖2，因?yàn)橹辽俨糠諹FP在顆粒充電部分7中帶電，所 以能夠以靜電方式完成濃度變化部分3中的UFP的濃度變化。尤其 是，濃度變化部分3的裝置4可以構(gòu)造為一系列的直的或圓柱同心的 平行板，它們中的至少一個(gè)能夠接收周期性的電壓脈沖Vp^系列。 板4交替地連接到地電位和電壓Vplate，平行板相互并行安置且每個(gè) 在基本上平行于空氣流方向的平面內(nèi)延伸。電壓脈沖優(yōu)選地在與第一 濃度水平相關(guān)的電壓V=0伏和與第二濃度水平相關(guān)的V-V一之間交 替。因?yàn)楫?dāng)施加電壓Vphte時(shí)，在存在于相鄰板之間的靜電場的影響 下許多帶電UFP沉積到板4中的至少之一的表面上，所以第二濃度 水平低于第一濃度水平。選擇Vplate，使得在穿過此部分3的固有空 氣速度下，對于低于dp二500nm，優(yōu)選300nm的任何大小的所有級別 的相等大小地帶電的顆粒，僅發(fā)生受控制的部分顆粒沉積，這些相等 大小的帶電顆粒對整個(gè)顆粒數(shù)濃度起到不可忽視的作用。這通常意味 著當(dāng)施加電壓Vplate時(shí)，大小在直徑約10到20nrn之間的所有帶電超 微細(xì)顆粒的至多95%應(yīng)當(dāng)通過濃度變化部分3內(nèi)部的靜電沉積被從
空氣流移除。因?yàn)闈舛茸兓糠謨?nèi)部的顆粒沉積程度隨增大的顆粒大 小變小，所以至少當(dāng)這些顆粒通過擴(kuò)散充電而被充電時(shí)，相對較小程 度地移走更大的顆粒。 一旦顆粒沉積到板表面上，它們就成為固定的 且當(dāng)電壓Vplate隨后減小到零時(shí)不能從板表面移開它們自己。
隨后，在顆粒感測部分5中接收通過濃度變化部分3的帶電UFP， 顆粒感測部分5基本上俘獲所有接收的UFP。在圖3-6中所示的實(shí)施 例中，使用法拉第籠30，其使得所有帶電UFP沉積在法拉第籠30 內(nèi)部的濾塵器31的纖維上。該法拉第籠30保持在恒定電位，例如， 通過將其經(jīng)由靈敏電流計(jì)連接到公共電位，優(yōu)選為評估單元6端的地 電位。法拉第籠30的恒定電位引起流向法拉第籠的電流I，當(dāng)帶電的 UFP在濾塵器31內(nèi)部被俘獲時(shí)，電流I補(bǔ)償置于法拉第籠30中的濾 塵器31內(nèi)部積累的電荷。該電流I構(gòu)成傳感器信號并且等于法拉第 籠30內(nèi)部每單位時(shí)間積累的電荷。獲得測量電流I并將其輸入評估 單元6，由于通過濃度變化部分3的帶電UFP的濃度變化，測量電流
之間變化。
在電暈充電的情況下，示于圖3-5中，由顆粒直徑dp、網(wǎng)電極13 和傳感器1的外殼的接地內(nèi)壁之間的流導(dǎo)管空間中的平均顆粒濃度 N^和帶電區(qū)中UFP的滯留的平均時(shí)間t確定UFP的電荷。已發(fā)現(xiàn)顆 粒電荷取決于直徑dp和乘積Ni。nt。
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)對于電暈充電，在濃度變化部分3中V=0的情況下， 能夠通過連接到具有顆粒過濾器31的法拉第籠30的評估單元6記錄 電流Iv^，其與所有UFP的總長濃度Lufp成比例。這樣，
<formula>complex formula see original document page 14</formula>
事實(shí)上，大于500nm的空氣傳播的顆粒也對I^有貢獻(xiàn)，從而對 Lufp有貢獻(xiàn)，然而它們對Lufp的貢獻(xiàn)通常比小于500nm的顆粒的貢獻(xiàn) 小得多。因?yàn)長吻與關(guān)于UFP的人類健康影響參數(shù)Hufp近似地成比 例，表示為
<formula>complex formula see original document page 14</formula>
其中Const,為取決于顆粒物理組分的常數(shù)參數(shù)，其以好的近似遵 循該關(guān)系，
仏/p k 4=0
從沉積的顆粒對健康的相對影響(與它們的表面積(~dp2)成比 例)和肺內(nèi)這些顆粒的沉積效率(近似地與d,s成比例)的乘積獲
得了表達(dá)式中Hufp對dp"的依賴關(guān)系。優(yōu)選地，應(yīng)當(dāng)知道空氣傳播的 UFP的源(例如汽車交通)以確定Ipo和Hufp之間的可靠的比例因子。 因此，獲得了關(guān)于UFP污染的空氣的相對健康影響Hufp的數(shù)據(jù)。
在V=Vplat#0的情況下，部分帶電的UFP將沉積在濃度變化部分 6內(nèi)部，這樣產(chǎn)生電流I<Iv=()。已發(fā)現(xiàn)
這樣從記錄的評估單元6的兩電流水平之間的差異和取決于UFP 充電程度和通過超微細(xì)顆粒傳感器的空氣流的比例因子獲得了總 UFP顆粒數(shù)濃度Nufp。因?yàn)镹ufp通常地是時(shí)間相關(guān)的，給沉積部分3 以低于1Hz的頻率提供方塊形V一e是合適的。然后也能夠作為時(shí)間 的函數(shù)記錄濃度N^。
當(dāng)通過照射執(zhí)行顆粒帶電時(shí)，示于圖6中，基本上只有空氣傳播 的灰粒通過用具有足夠低波長的UV光輻照被充電。在引起的光電顆 粒電荷飽和的情況下(通過使用足夠高的輻照強(qiáng)度和/或在UV光中 足夠長的顆粒滯留時(shí)間)，已通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在V-0時(shí)，記錄的法拉
第籠電流Isatu^。n,v^變得與灰粒的總長濃度L自成比例。這樣
<formula>formula see original document page 15</formula>
對于超微細(xì)灰粒，灰粒相關(guān)的健康影響參數(shù)H，J艮從<formula>formula see original document page 15</formula> p 其中Const2為常數(shù)參數(shù)，導(dǎo)致比例關(guān)系中的合理近似
現(xiàn)在能夠從
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在評估單元6近似地確定灰粒數(shù)濃度Ns。。t。
這樣從記錄的評估單元6的兩電流水平之間的差異和能夠被實(shí)驗(yàn) 地確定或理論地推出的比例因子獲得了總UFP顆粒數(shù)濃度Nufp。
通過確保灰粒的光致帶電保持稍低于光電飽和，能夠作出Hs。。t的 更精確的評估。這樣，光電顆粒電荷變得與d/成比例，其中指數(shù)f 在范圍1.0-2.0之間(對全飽和的光充電f=l，對全非飽和光充電f =2)。通過仔細(xì)控制空氣傳播的灰粒對UV光的暴露，于是根據(jù)<formula>formula see original document page 16</formula>
就能夠記錄電流I一，其包含也出現(xiàn)在如上所示的H，t的表達(dá)式 中的dp"依賴關(guān)系。在這種情況下，能夠確定更精確的健康影響因子
<formula>formula see original document page 16</formula>
能夠在顯示屏8上方便地顯示評估結(jié)果。優(yōu)選地，提供裝置(未 示出)以容許(手動(dòng)地)調(diào)整使記錄電流I一與健康影響因子Hufp和 /或Hs。。t相關(guān)的比例因子，以解釋具有不同的化學(xué)組分和/或起源(從 而不同地影響人類健康)的不同的空氣傳播的超微細(xì)顆粒。
提供泵或通風(fēng)機(jī)9以保持通過空氣入口 2向顆粒感測部分5的空 氣流。還向空氣入口提供顆粒預(yù)過濾器10以避免粗糙顆粒對傳感器 1的污染。
可選地，通過確立傳感器空氣入口和傳感器空氣出口之間壓力的 差異可以產(chǎn)生通過傳感器的空氣流。壓力的這種差異跨越空氣導(dǎo)管的 壁而存在。然后通過在空氣導(dǎo)管中定位入口 2和在空氣導(dǎo)管外定位空 氣出口可以確定通過傳感器的空氣流。流過傳感器的空氣量取決于存 在于從其采樣空氣的空氣導(dǎo)管內(nèi)的平均速度(因?yàn)檫@至少部分地設(shè)定 傳感器的空氣入口和空氣出口之間的壓力差)?？梢詮脑诳諝鈱?dǎo)管中 建立空氣流的通風(fēng)機(jī)的設(shè)置確定平均空氣速度。該確定的空氣速度然 后能夠用于解釋測量的傳感器信號。此過程可能需要校正，以使通過 傳感器的空氣流與建立通過空氣導(dǎo)管的空氣流的通風(fēng)機(jī)的設(shè)置精確 地相關(guān)。
放大的傳感器電流(表示沒有出現(xiàn)顆粒)的零水平可能會(huì)由于例 如溫度的變化而漂移。通過中斷感測過程可以重新建立正確的零水 平。這可以，例如，通過停止空氣吸入或禁止傳感器內(nèi)部的顆粒帶電 來完成。
可以給示于上述圖1-6中的超微細(xì)顆粒傳感器在其入口部分或靠 近其入口部分提供諸如電阻加熱單元的加熱裝置，以減小進(jìn)入傳感器 的空氣的相對濕度，從而減小了濕氣凝結(jié)或者因必須在潮濕飽和空氣 中建立電場引起的電短路和/或漏電問題發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
圖7示出適于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例感測超微細(xì)顆粒和微細(xì)顆粒 (FP)的傳感器40的框圖。傳感器40包括參照圖l-6討論的任一實(shí) 施例中的傳感器1和微細(xì)顆粒傳感器41 。在顯示屏8上可以顯示UFP 傳感器1和FP傳感器41的輸出或其派生物。微細(xì)顆粒傳感器41可 以例如包括單元，該單元用于用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的光散射方法 和/或顆粒采樣/稱重過程(例如使用PM,o采樣系統(tǒng))測量在近似的顆 粒大小范圍300nmSdp^lO)im或500nm$dpS10nm內(nèi)的可呼吸的 (respirable)空氣傳播的細(xì)顆粒的質(zhì)量濃度。
在由傳感器40檢測的空氣中同時(shí)出現(xiàn)可呼吸的FP和UPP的情況 下，根據(jù)<formula>complex formula see original document page 17</formula>獲得總的健康影響Ht。ta^H^+H卻，其中Const3和Const4為比例因子。
能夠用例如由裝置41使用的光散射評估Hfp的相對大小。這對Hufp 是不可能的，已經(jīng)發(fā)明了對Hufp的可選的測量方法并在本申請中進(jìn)行 了討論。如前述，特別是在交通污染的空氣中，Hufp可能比Hfp更重 要。
最后，在圖8A和8B中，顯示了連接到根據(jù)本發(fā)明的超微細(xì)顆粒 傳感器1、 40的空氣處理系統(tǒng)50?？諝馓幚硐到y(tǒng)可以例如包括通風(fēng) 機(jī)51和/或空氣調(diào)節(jié)/清潔系統(tǒng)52以處理經(jīng)由導(dǎo)管53引入的空氣。傳 感器1、 40可以設(shè)置在導(dǎo)管53內(nèi)部，在空氣處理系統(tǒng)50的上游和/ 或下游，和/或在外殼54內(nèi)，空氣導(dǎo)管53向外殼54內(nèi)輸入空氣或者 從外殼54引出空氣。外殼例如可以與車輛或建筑中的房屋相關(guān)?？?以使用多于一個(gè)傳感器l、 40?；谧兓臏y量信號，或更具體地基 于關(guān)于從一個(gè)或多個(gè)傳感器1、 40獲得的超微細(xì)顆粒和/或灰粒和/或 可呼吸顆粒的數(shù)據(jù)，傳感器可以控制空氣處理系統(tǒng)50的單元的設(shè)置 和操作。
應(yīng)當(dāng)理解，傳感器l、 40不必與空氣處理系統(tǒng)組合，而是可以也 為獨(dú)立的傳感器，例如手持傳感器。
如圖8C中所示，根據(jù)本發(fā)明的超微細(xì)顆粒傳感器1、 40也可以被 耦合到(便攜式)空氣清潔裝置55。便攜式空氣清潔裝置經(jīng)常用于 清潔諸如起居室和臥室的居民區(qū)內(nèi)的室內(nèi)空氣，并典型地包括通風(fēng)機(jī) 和一個(gè)或多個(gè)空氣清潔過濾器。傳感器1、 40可以設(shè)置在便攜式空氣 清潔器內(nèi)，連接到空氣清潔器，或設(shè)置為遠(yuǎn)離外殼54內(nèi)部的便攜式 空氣清潔器，外殼54中的空氣由便攜式空氣清潔器55清潔?？梢允?用多于一個(gè)傳感器l、 40?；谧兓臏y量信號，或更具體地基于關(guān) 于從一個(gè)或多個(gè)傳感器1、 40獲得的超微細(xì)顆粒和/或灰粒和/或可呼 吸顆粒的數(shù)據(jù)，傳感器可以控制便攜式空氣清潔器的操作設(shè)置(空氣 流、開/關(guān)切換)。傳感器l、 40可以與空氣清潔裝置無線通信。
在包括UFP或煙灰傳感器和空氣清潔單元的空氣污染傳感器系統(tǒng) 中，可以給空氣清潔單元安裝旁路以旁路(bypassing)空氣清潔單元， 導(dǎo)向旁路的空氣量由傳感器控制。在引入系統(tǒng)的空氣被超微細(xì)顆粒嚴(yán) 重污染的情況下，傳感器可以導(dǎo)引至少基本部分的空氣到空氣清潔單 元，而具有低水平污染的空氣被至少基本上導(dǎo)引到旁路，從而通過避 免發(fā)生在清潔單元中的壓力下降而節(jié)省能量。
提出的傳感器1、 40簡單且成本低，并能夠被單獨(dú)使用或相互結(jié) 合使用。它們僅需要基本的清潔維護(hù)并能夠用于評估(普通的)環(huán)境 空氣和(嚴(yán)重地)污染的空氣中的顆粒污染水平。傳感器l、 40可能 不能測量諸如超凈室環(huán)境中的非常低的顆粒數(shù)濃度。
應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例是示例而不是限定本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技
術(shù)人員不脫離所附權(quán)利要求的范圍能夠設(shè)計(jì)許多可選實(shí)施例。權(quán)利要 求中，置于括號間的任何參考符號不應(yīng)構(gòu)成對權(quán)利要求的限制。詞語 "包括"不排除除在權(quán)利要求中所列的那些元件或步驟之外的元件或 步驟的出現(xiàn)。元件之前的詞語"一"不排除出現(xiàn)多個(gè)這種元件。某種 測量被在相互不同的從屬權(quán)利要求中引用的純粹的事實(shí)不表明這些 測量的組合不能被有益地使用。
權(quán)利要求
1、一種超微細(xì)顆粒傳感器(1；40)，用于感測直徑在約1-500nm，優(yōu)選5-300nm范圍的空氣傳播的顆粒，包括-空氣入口(2)，用于超微細(xì)顆粒流的進(jìn)入；-濃度變化部分(3)，能夠在至少一個(gè)時(shí)間間隔中使超微細(xì)顆粒的濃度在至少第一濃度水平和第二濃度水平之間變化；-顆粒感測部分(5)，能夠產(chǎn)生依賴于所述第一濃度水平和所述第二濃度水平之間的所述變化而變化的測量信號，及-評估單元(6)，能夠從所述變化的測量信號得到與所述超微細(xì)顆粒相關(guān)的數(shù)據(jù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，包括所述 濃度變化部分(3)上游的顆粒充電部分(7)，所述顆粒充電部分能 夠使至少部分所述超微細(xì)顆粒充電，并且其中所述濃度變化部分設(shè) 置為產(chǎn)生能夠引起帶電超微細(xì)顆粒的所述濃度的所述變化的可變電 場。
3、 如權(quán)利要求2所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述顆粒充電部分(7)包括至少一個(gè)優(yōu)選為針或金屬絲的電暈放電源(11; 12)以及對電極(14)及向所述電暈放電源施加第一電壓和 向所述對電極施加第二電壓的裝置，并且其中所述電暈放電源和對 電極相對于所述空氣入口設(shè)置以使得至少部分所述超微細(xì)顆粒能夠 被充電。
4、 如權(quán)利要求3所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述顆粒充電部分(7)還包括至少部分地環(huán)繞所述電暈放電源(11; 12)的多孔網(wǎng)電極(13)和用于向所述多孔網(wǎng)電極施加第三電壓的 裝置(R)。
5、 如權(quán)利要求2所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述顆粒充電部分(7)包括至少一個(gè)光源(20)，優(yōu)選為紫外光發(fā)射 源，其能夠發(fā)射光以使至少部分所述超微細(xì)顆粒充電。
6、 如權(quán)利要求2所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述濃度變化部分(3)包括至少一組基本上平行的板(4)和用于向 所述板中至少之一施加可變電壓以在至少一個(gè)時(shí)間間隔中改變所述 電場的裝置。
7、 如權(quán)利要求2所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述顆粒感測部分(5)包括顆粒過濾器(31)，其能夠俘獲至少部分 所述帶電超微細(xì)顆粒并產(chǎn)生至少在與所述第一濃度水平對應(yīng)的第一 電流水平和與所述第二濃度水平對應(yīng)的第二電流水平之間變化的電 流。
8、 如權(quán)利要求7所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述顆粒感測部分(5)包括置于法拉第籠(30)內(nèi)的多孔顆粒過濾器(31)，并且其中所述法拉第籠連接到所述評估單元(6)用于處理 戶萬述電流。
9、 如權(quán)利要求1所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述變化的測量信號是在至少與所述第一濃度水平對應(yīng)的第一電流水 平和與所述第二濃度水平對應(yīng)的第二電流水平之間變化的電流且所 述評估單元(6)能夠通過比較所述第一電流水平和所述第二電流水 平推斷進(jìn)入所述空氣入口 (2)的每單位體積的超微細(xì)顆粒數(shù)(Nufp)， 所述每單位體積的超微細(xì)顆粒數(shù)與直徑為約5nm或更大，或更具體 地10nm或更大，或更具體地20nm或更大的超微細(xì)顆粒相關(guān)。
10、 如權(quán)利要求9所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述評估單元(6)還能夠從所述第一電流水平推斷所述超微細(xì)顆粒的長度濃度(Lufp)，所述長度濃度與直徑為約5nm或更大的超微細(xì)顆 粒相關(guān)。
11、 如權(quán)利要求1所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述濃度變化部分(3)能夠?qū)崿F(xiàn)所述第一濃度水平和所述第二濃度水 平以使得對大小大于約5nm或更具體地10nm的所有超微細(xì)顆粒， 兩個(gè)所述濃度水平保持非零。
12、 如權(quán)利要求1所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，其中，所 述空氣入口(2)包括預(yù)過濾部分(10)，其能夠過濾直徑大于約2-5pm 的顆粒。
13、 如權(quán)利要求1所述的超微細(xì)顆粒傳感器(h 40)，還包括泵 或通風(fēng)機(jī)(9)，其能夠且設(shè)置為保持通過所述空氣入口 (2)流向所 述顆粒感測部分(5)的空氣流。
14、 如權(quán)利要求l所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，還包括顯 示屏(8)，其能夠接收和顯示與來自所述評估單元的所述超微細(xì)顆粒相關(guān)的數(shù)據(jù)。
15、 如權(quán)利要求1所述的超微細(xì)顆粒傳感器(1; 40)，還包括顆 粒質(zhì)量感測部分(41)，其能夠獲取與直徑在約500nm-10pm，優(yōu)選 300nm-l(Vm范圍內(nèi)的顆粒相關(guān)的數(shù)據(jù)。
16、 一種空氣處理系統(tǒng)(50)，包括如權(quán)利要求1所述的超微細(xì) 顆粒傳感器(1; 40),其中，所述超微細(xì)顆粒傳感器具有設(shè)置為提 供控制信號的反饋輸出，所述控制信號能夠基于所述變化的測量信 號控制與所述空氣處理系統(tǒng)相關(guān)的空氣調(diào)節(jié)/清潔單元(52; 55)和 /或空氣通風(fēng)單元(51)。
17、如權(quán)利要求16所述的空氣處理系統(tǒng)(50)，其中，所述空氣調(diào)節(jié)/清潔單元(55)是便攜式單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于檢測直徑在約1-500nm范圍內(nèi)的空氣傳播的顆粒的超微細(xì)顆粒傳感器(1)。所述傳感器包括用于超微細(xì)顆粒流的進(jìn)入的空氣入口(2)和能夠在至少一時(shí)間間隔中在至少第一濃度水平和第二濃度水平之間引起超微細(xì)顆粒的濃度變化的濃度變化部分(4)。提供了顆粒感測部分(5)，其能夠產(chǎn)生依賴于所述第一濃度水平和所述第二濃度水平之間的所述變化而變化的測量信號(I)。提供了評估單元(6)，其能夠從所述變化的測量信號得到與所述超微細(xì)顆粒相關(guān)的數(shù)據(jù)。作為濃度水平中施加的變化的結(jié)果，能夠從測量信號的導(dǎo)致的變化獲得與每單位體積的空氣傳播的超微細(xì)顆粒的長度濃度和數(shù)量濃度相關(guān)的數(shù)據(jù)。
文檔編號G01N15/02GK101208592SQ200680023179
公開日2008年6月25日 申請日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者J·馬拉 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司