專利名稱：用于感測氣載粒子的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感測大于IOnm的氣載粒子的傳感器。本發(fā)明還涉及包括所述傳感器的空氣管理系統(tǒng)，以及涉及用于感測大于IOnm的氣載粒子的方法。
背景技術(shù)：
氣載超細(xì)粒子(UFP)是直徑在近似IOnm到500nm范圍內(nèi)的粒子。在技術(shù)文獻(xiàn)中， 術(shù)語UFP有時也用于指直徑小于300nm的粒子。因?yàn)橐阎猆FP的吸入對人類健康有害，所以UFP傳感器可以用于監(jiān)視室內(nèi)和室外環(huán)境中空氣的質(zhì)量，特別是空氣中UFP污染水平。然后，當(dāng)基于UFP傳感器信號而認(rèn)為必要時可以采取適當(dāng)措施減少暴露于氣載UFP。例如，當(dāng)至少已知實(shí)際的室內(nèi)UFP濃度水平時，可以更經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行被布置為從室內(nèi)環(huán)境中移除氣載 UFP的空氣處理系統(tǒng)。除了小于約500nm的UFP，尺寸(size)介于約300nm與10 μ m之間的氣載細(xì)粒子(FP)也是受到關(guān)注的。即使作為一種類別的粒子的FP被認(rèn)為危害小于UFP， 任何小于10 μ m的氣載粒子也可以潛在地產(chǎn)生危害，因?yàn)樗强晌氲牟⑶夷軌虻竭_(dá)并沉積在肺的深肺泡區(qū)中。因此，氣載FP的測量連同氣載UFP的測量也仍然值得進(jìn)行。室內(nèi)測量優(yōu)選地在人們在其中生活或工作的或其中產(chǎn)生UFP (例如烹飪區(qū))的房屋中執(zhí)行。為了盡可能少地干擾正常的人類活動，UFP傳感器應(yīng)當(dāng)是小的、不顯眼的且還是無噪聲的。由于UFP濃度在不同房間之間可以顯著改變，所以在單個住宅內(nèi)經(jīng)常需要若干個測量點(diǎn)，并且因此期望將每個傳感器的成本保持得較低。同時待審的專利申請W02007/000710涉及UFP傳感器設(shè)備，其中電沉淀(electric precipitation)用于估計(jì)氣載UFP的尺寸和濃度。高壓放電電極用于生成和發(fā)射氣載離子到進(jìn)入所述設(shè)備的氣流中。氣載離子的一部分附著到氣流中的UFP，由此對它們進(jìn)行充電。 這些帶電粒子隨后被置于接地的導(dǎo)電的法拉第籠中的機(jī)械過濾器(filter)捕獲。帶電粒子的濃度可以通過測量沉積在機(jī)械過濾器內(nèi)部的粒子束縛的電荷的量來評估(evaluae)。 在到達(dá)過濾器之前，氣流穿過平行板沉淀部分，其中可以提供靜電場以借助于靜電沉淀從氣流中移除特定尺寸范圍內(nèi)的一部分帶電粒子，或者不提供靜電場不移除所述一部分帶電粒子。這使得能夠生成兩個不同的測量信號，一個信號與氣流中所有帶電粒子的測量相關(guān)聯(lián)，另一個信號與在一部分帶電粒子已經(jīng)借助于靜電沉淀而被從氣流中移除之后氣流中剩余的帶電粒子的測量相關(guān)聯(lián)。這兩個信號的組合允許推斷粒子數(shù)量濃度(如本文所使用，粒子數(shù)量濃度是空氣單位體積中氣載粒子的數(shù)量)和數(shù)量平均的(number-averaged)粒子直徑。W02007/000710中公開的UFP傳感器對于其具有魯棒性的構(gòu)造而言是有利的，其中通過傳感器的氣流的大小主要由吸引空氣通過傳感器的泵或通風(fēng)機(jī)的特性或由法拉第籠內(nèi)部的機(jī)械過濾器所引起的壓力降確定。傳感器的空氣入口與空氣出口之間的小環(huán)境空氣壓力差基本不影響通過傳感器的氣流。還有這樣的已知傳感器其中氣流通過熱導(dǎo)致的熱煙囪效應(yīng)產(chǎn)生，所述熱在傳感器內(nèi)部的開口(open)空氣通道的底端處連續(xù)地提供給空氣，氣流通過所述開口空氣通道。導(dǎo)致這種氣流所需的熱能使得傳感器的操作不那么經(jīng)濟(jì)。而且，熱煙 效應(yīng)僅在傳感器內(nèi)部的空氣通道豎直定位時有效，從而限制了熱煙囪效應(yīng)的普遍的適用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于在其中傳感器的無噪聲操作是優(yōu)選的環(huán)境中使用的改進(jìn)的UFP傳感器。期望的是，在產(chǎn)生通過傳感器的氣流的過程中起作用的 (active)部件應(yīng)當(dāng)實(shí)質(zhì)上不消耗能量(或者至少消耗量減少的能量)、應(yīng)當(dāng)是耐用的、緊湊的，并且實(shí)質(zhì)上不生成可聽噪聲(或生成至少非常低的可聽噪聲)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于感測大于約IOnm (比如(優(yōu)選地)大于約 20nm)的氣載粒子的傳感器。該傳感器包括具有開口端的通道，下列元件置于該通道中
-放電電極，其用于生成氣載單極離子；
-透氣對電極(counter electrode)，其適于吸引氣載離子；
-透氣篩濾電極(screening electrode)，其定位在對電極的下游；以及
-粒子感測部分，其用于感測帶電的氣載粒子。該粒子感測部分定位在篩濾電極的下游。對電極定位在放電電極的下游，從而它基本朝著下游的方向在氣載離子上施加引力。由放電電極排出(expel)的且朝向?qū)﹄姌O被吸引的離子將通過它們在移動通過空氣時經(jīng)歷的粘性阻力在對電極的方向上完成凈空氣移動。該凈空氣移動導(dǎo)致通道中的氣流，其通常被稱為離子風(fēng)。氣載單極離子的一部分吸收到氣流中的氣載粒子上，從而對粒子充電。 許多氣載離子隨后通過對電極上的吸收而從空氣中被移除。通過布置在對電極下游的篩濾電極從氣流中移除任何剩余的氣載離子，從而使得沒有氣載離子或至少有限數(shù)量的氣載離子可以進(jìn)入粒子感測部分。借助于篩濾電極，產(chǎn)生電場，從而使得氣載離子受到靜電力的作用，靜電力將這些氣載離子移出氣流。因此，由篩濾電極施加在氣載離子上的靜電力在不同于氣流移動的下游方向的第二方向上。因此，進(jìn)入粒子感測部分的空氣將僅包含帶電的氣載粒子而不包含氣載離子，或包含至少有限數(shù)量的氣載離子。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，放電電極以及對電極在該實(shí)施例中服務(wù)于至少兩個目的。在傳感器的操作期間，放電電極產(chǎn)生氣載離子，該氣載離子一方面將為氣載粒子提供檢測它們所必需的電荷，且另一方面通過將動量傳遞給空氣分子產(chǎn)生離子風(fēng)。對電極適于實(shí)現(xiàn)雙重任務(wù)使氣載離子受到下游方向上的靜電力的作用以及從其附近的空氣中移除至少一部分氣載離子，從而使得氣載離子將不會通過將不由粒子攜帶的氣載電荷引入到粒子感測部分中而擾亂粒子檢測過程。在有利實(shí)施例中，篩濾電極使氣載離子受到靜電力的作用，該靜電力的方向與下游方向成至少90度角。優(yōu)選地，靜電力指向基本上與氣流方向相對。特別地，所述第二方向可以是上游方向。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，粒子感測部分包括用于使氣流受電場的作用從而導(dǎo)致至少一部分帶電氣載粒子靜電沉淀在至少一個沉淀表面上的裝置。電力沉淀表現(xiàn)出與使用用于捕獲粒子的機(jī)械過濾器(比如纖維過濾器)相比的優(yōu)勢在于它可以以低得多的氣流阻力實(shí)現(xiàn)。這是重要的，因?yàn)橛呻x子風(fēng)導(dǎo)致的氣流可以僅在所遇到的氣流阻力非常小且小于離子風(fēng)產(chǎn)生的壓力差(其典型地為5-10 )時被建立。適當(dāng)?shù)?，可以使所施加的電場可隨著時間的推移變化，從而使得部分或全部沉淀的粒子的粒子尺寸范圍可被改變。這可以用于獲得氣載粒子的尺寸分布的相對寬度方面的見識。在本實(shí)施例中，粒子感測部分進(jìn)一步包括至少一個電流計(jì)。所述至少一個電流計(jì)電連接到所述至少一個沉淀表面中的一個或多個，從而生成指示沉淀在一個或多個沉淀表面上的任何帶電氣載粒子的電荷的測量信號。 所測量的電流表示每單位時間沉積在沉淀表面上的粒子束縛電荷。改變電場可以導(dǎo)致沉淀的帶電粒子量的變化并且因此導(dǎo)致所測量的電流的變化。在另一個實(shí)施例中，用于使氣流受到電場作用的裝置包括至少兩個導(dǎo)電電極元件，它們彼此平行。至少一個導(dǎo)電元件包括沉淀表面。電場可以跨越可以以直線或圓柱形配置被配置的至少兩個平行的導(dǎo)電板之間的氣流管道(conduit)而產(chǎn)生。這意味著所述電場基本上垂直于管道并且因此垂直于通道的方向。平行的導(dǎo)電板的間隔應(yīng)當(dāng)足夠大以免顯著地阻礙氣流。取代在粒子感測部分內(nèi)部使用平行板電極組件(assembly)以用于實(shí)現(xiàn)帶電粒子沉淀，可以可替代地應(yīng)用至少兩個平行的粗篩孔金屬絲網(wǎng)電極的堆疊，相鄰絲網(wǎng)相對于彼此被設(shè)置在不同的電位處。絲網(wǎng)電極的平面可被給予不同于通過粒子感測部分的氣流方向的取向，因?yàn)榻z網(wǎng)自身是透氣的。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，篩濾電極包括至少兩個篩濾電極元件，它們彼此平行。篩濾電極元件之間的電場隨著時間的推移在第一篩濾場強(qiáng)Esc^1和第二篩濾場強(qiáng)Esct,2 之間變化。第一篩濾場強(qiáng)被確定為使得基本上所有氣載離子在離開篩濾電極之前沉淀(即場強(qiáng)足夠高)并且使得氣流中的至多20%的帶電氣載粒子在離開篩濾電極之前沉淀(即場強(qiáng)足夠低)。第二篩濾場強(qiáng)高于第一篩濾場強(qiáng)并且被選擇(即，足夠低)以使得所有帶電氣載粒子中具有大于預(yù)定粒子尺寸的部分穿過篩濾電極。優(yōu)選地，第一篩濾場強(qiáng)被調(diào)諧為使得帶電粒子的盡可能小的一部分沉淀。該策略阻止了任何氣載離子或氣載離子的至少大多數(shù)進(jìn)入粒子感測部分。優(yōu)選地，第二篩濾場強(qiáng)被調(diào)諧為使得具有大約10-20nm尺寸的單帶電粒子(即，僅攜帶一個基本電荷的粒子)在離開篩濾電極之前僅僅部分地，優(yōu)選地少于90%被沉淀。響應(yīng)于變化的篩濾場強(qiáng)，附著到沉淀電極的電流計(jì)所測量的電流Is (由此帶電粒子沉淀發(fā)生在粒子感測部分內(nèi)部)也隨著時間的推移在第一電流值I1與第二電流值I2之間變化。相應(yīng)的電流值可以用于在氣載帶電粒子的數(shù)量濃度和它們的數(shù)量平均的粒子尺寸方面表征氣載帶電粒子。在本發(fā)明的有利實(shí)施例中，所述傳感器進(jìn)一步包括光學(xué)粒子檢測單元，其能夠光學(xué)地檢測氣流中的氣載粒子。氣載粒子僅在它們大于約300nm時可被容易地檢測。利用適當(dāng)配置的光學(xué)粒子檢測單元，甚至有可能區(qū)分300nm-10 μ m粒子尺寸區(qū)間中的粒子的若干個尺寸類別。光學(xué)粒子檢測單元添加到傳感器使得不僅能夠感測10nm-300nm尺寸范圍中的超細(xì)粒子而且能夠感測大于300nm的細(xì)粒子。這是有益的，因?yàn)樾∮?0 μ m的氣載粒子的任何存在由于它們能被吸入和沉積在呼吸道深處而可能是有害的。大于300nm的氣載粒子不能容易地經(jīng)由對它們的電荷的測量而被檢測，因?yàn)楫?dāng)與與小于300nm的氣載粒子相關(guān)聯(lián)的粒子電荷相比時，與大于300nm的粒子相關(guān)聯(lián)的粒子電荷對由粒子感測部分感測的總粒子電荷的貢獻(xiàn)通常是可忽略的。同時，與小于300nm的粒子相比，大于300nm的氣載粒子更容易被光學(xué)裝置檢測。因此，利用光學(xué)粒子檢測單元獲得的信息(其可作為測量信號被提供給評估單元)補(bǔ)充了利用帶電粒子感測部分獲得的信息。光學(xué)粒子檢測單元優(yōu)選地被布置在放電電極的上游以避免任何帶電粒子沉淀在光學(xué)粒子檢測單元內(nèi)部。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，由放電電極產(chǎn)生的對健康有潛在危害的臭氧在它離開傳感器之前從氣流中被移除。這可以通過使氣流沿著表面通過和/或穿過能夠吸收或分解臭氧的多孔介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。為此目的，所述表面和/或多孔介質(zhì)可以配備有活性炭。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，提供一種評估單元，其能夠從連接到沉淀表面的電流計(jì)接收測量信號(一個或多個)，并且如果傳感器包括光學(xué)粒子檢測單元，則所述評估單元能夠從光學(xué)粒子檢測單元接收測量信號。如果粒子感測部分被劃分為具有單獨(dú)的電流計(jì)的子部分的序列，則優(yōu)選地所有所測量的電流被作為輸入信號提供給評估單元。評估單元適于輸出指示下列至少一個的信號
-氣流中大于lOnm，例如大于20nm的氣載粒子的長度濃度； -氣流中具有大于lOnm，例如大于20nm的直徑的氣載粒子的數(shù)量濃度； -氣流中大于lOnm，例如大于20nm的氣載粒子的數(shù)量平均的粒子尺寸； -氣流中光學(xué)檢測的氣載粒子的濃度。而且，評估單元可以使其輸出數(shù)據(jù)與傳感器內(nèi)部的一個或多個電壓設(shè)定 (settings)有關(guān)或與傳感器內(nèi)部所產(chǎn)生的過程條件、特別是通過通道的氣流的大小有關(guān)。在本發(fā)明的又一個實(shí)施例中，傳感器可在校準(zhǔn)模式中操作，該校準(zhǔn)模式優(yōu)選地對應(yīng)于操作如上所述的除不起作用(deactivated)的放電電極之外的所有部件。在該模式中， 一般地，放電電極不生成氣載離子。如果不生成氣載離子，則不產(chǎn)生通過傳感器內(nèi)部通道的離子風(fēng)導(dǎo)致的氣流并且也不能發(fā)生粒子充電或帶電粒子沉淀。測量由使帶電粒子沉淀在粒子感測部分內(nèi)部導(dǎo)致的電流的電流計(jì)的所得的測量信號可以被用作定義其零讀數(shù)的偏置信號。優(yōu)選地，傳感器在校準(zhǔn)模式中被周期性地操作以周期性地檢查電流計(jì)的零讀數(shù)是否正確，并且如果需要，在觀察到偏置信號隨著時間的推移漂移(drift)時對電流計(jì)讀數(shù)做出調(diào)整。在本發(fā)明的另一個有利實(shí)施例中，評估單元能夠隨著時間的推移根據(jù)其輸出數(shù)據(jù)生成累計(jì)數(shù)(cumulative number).優(yōu)選地，數(shù)量累計(jì)在已經(jīng)維修傳感器之后從零開始，該傳感器維修至少涉及根據(jù)沉積的粒子清潔傳感器內(nèi)的氣流通道。累計(jì)數(shù)可以與自從最后一次傳感器維修已經(jīng)沉淀在粒子感測部分內(nèi)部的UFP的近似總量成比例或與自從最后一次傳感器維修已經(jīng)穿過光學(xué)檢測單元的光學(xué)檢測到的粒子的近似總量成比例。它也可以是這些數(shù)的線性組合。同樣，累計(jì)數(shù)近似地反映傳感器內(nèi)部沉積的物質(zhì)的總量的至少一部分的大小。當(dāng)累計(jì)數(shù)超過設(shè)置的最大值時，評估單元被布置為生成建議傳感器維修的報(bào)警消息。 及時的傳感器維修有益于保證可靠的且可預(yù)測的傳感器操作和功能。在傳感器維修之后， 累計(jì)數(shù)被重置為零。在本發(fā)明的另一個有利實(shí)施例中，通道的一端或兩端通過面向孔的遮蔽板而被遮蔽以免直接暴露于環(huán)境中。該措施防止了離子風(fēng)導(dǎo)致的通過傳感器內(nèi)部通道的氣流變得容易受到由其中存在傳感器的環(huán)境中的空間氣壓梯度導(dǎo)致的空氣運(yùn)動的影響。這增強(qiáng)了傳感器測量的可靠性并且防止了由環(huán)境條件帶來的干擾。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種空氣管理系統(tǒng)，基于由形成本系統(tǒng)的一部分的根據(jù)本發(fā)明的用于感測氣載粒子的至少一個傳感器提供的輸出信號，該系統(tǒng)的設(shè)置是可控的。所述一個或多個傳感器可以定位在空氣管理系統(tǒng)所服務(wù)的(serviced)空間中或之外， 例如室外，從中可以取得新鮮空氣。除了粒子傳感器之外，空氣管理系統(tǒng)可包括用于在需要時空氣凈化和/或用于在需要時空氣調(diào)節(jié)和/或用于在需要時空氣通風(fēng)的裝置，由此降低氣載粒子的室內(nèi)濃度(如果該濃度超過由空氣管理系統(tǒng)服務(wù)的房屋中的預(yù)定的值)。在空氣管理系統(tǒng)用于車廂的特定情況下，該系統(tǒng)可以比較氣載粒子的室內(nèi)與室外濃度，以便確定內(nèi)部空氣再循環(huán)的合適速率和與外部環(huán)境空氣交換的合適速率。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種感測大于lOnm，例如(優(yōu)選地)大于20nm的氣載粒子的方法。出于解釋該方法的目的，考慮具有第一和第二開口端的通道中包含的空氣樣本(或控制體積，即空氣分子以及其中懸浮的氣載粒子的特定集合)。該方法包括下列連續(xù)的步驟
-生成氣載單極離子；
-應(yīng)用第一電場，其適于使所生成的氣載離子受到沿著通道進(jìn)入第一方向的靜電力的作用，從而造成空氣樣本在第一方向上移動并且對空氣樣本中的氣載粒子充電； -使空氣樣本穿過透氣的對電極，對電極適于從空氣樣本中移除部分氣載離子； -應(yīng)用第二電場，其適于使剩余氣載離子受到在不同于第一方向的第二方向上的靜電力的作用，以用于從空氣樣本中分離氣載離子；
-應(yīng)用第三電場，以用于使氣載帶電粒子沉淀到通道中的沉淀表面上；以及 -測量沉淀表面上所沉淀的帶電粒子的電荷。因?yàn)橐恍廨d離子將附著到氣載粒子，所以單極氣載離子的存在導(dǎo)致氣載粒子變得帶電。借助于所應(yīng)用的第一電場，所生成的氣載離子被移動到沿著通道朝向通道的第二端的第一方向。通過將離子移動通過空氣而經(jīng)歷的粘性阻力導(dǎo)致進(jìn)入第一方向的凈氣流。 第一電場在氣流穿過的透氣對電極處結(jié)束。許多氣載離子被對電極從氣流中移除。氣流中剩余的氣載離子的存在可以干擾對帶電氣載粒子的后續(xù)電測量，并且為此施加電篩濾場以從采樣的氣流中移除所有剩余的氣載離子。該篩濾場強(qiáng)優(yōu)選地被選擇為使得不會導(dǎo)致來自氣流的帶電粒子的大量沉淀(即該場強(qiáng)保持足夠低)。隨后，氣流中的電荷主要由氣載粒子攜帶。然后在第二電場的影響下至少部分地使帶電氣載粒子沉淀到通道中的沉淀電極的表面上，并且測量指示沉淀的帶電粒子的濃度的沉淀的電荷量。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，通過使采樣的氣流受到垂直于通過通道的氣流的方向指向的靜電場的作用引起帶電粒子沉淀。在給定的場強(qiáng)下，小帶電粒子比較大的帶電粒子沉淀得相對更快速。因此，靜電場強(qiáng)度的變化(無論在時間還是空間方面)對于提取關(guān)于采樣的氣流中氣載粒子的尺寸分布的信息是有用的。在本發(fā)明方法的另一個有利實(shí)施例中，采樣的氣流中的氣載粒子還借助于附加的光學(xué)粒子檢測單元而被光學(xué)檢測。這對于大于約300nm的氣載粒子而言是很有可能的，這是有利的，因?yàn)榇笥诩s300nm的粒子一般不容易用電氣裝置檢測。所述方法的附加的有利實(shí)施例包含這樣的實(shí)施例其中包括在通道中在生成氣載離子的位置的下游從采樣的氣流中移除臭氧的步驟。本發(fā)明的這些和其他方面將根據(jù)下文描述的實(shí)施例而清楚并且參照這些實(shí)施例而被闡明。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括一個電流計(jì)的UFP傳感器的示意性橫截面視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的UFP傳感器的示意性橫截面視圖，其中離子感測部分包括兩個電流計(jì)；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的UFP傳感器的示意性橫截面視圖，其中光學(xué)粒子檢測單元被布置在放電電極的上游并且其中傳感器的入口和出口部分面對屏蔽板； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的空氣管理系統(tǒng)的示意圖；以及圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的第三方面的感測空氣樣本中的UFP的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的UFP傳感器100。傳感器100包括空氣填充的中心通道，中心通道包括三個相連接的部分110、112、114，其中用于對粒子充電的第一部分110在通道的方向上從入口部分116延伸到對電極124 ；第二部分112從對電極IM延伸到篩濾電極128 ；以及第三部分114 (意在用于感測帶電粒子)從篩濾電極1 延伸到出口部分118。入口部分116和出口部分118以傳感器100的外殼150中的孔的形式被提供， 外殼150連接到地或某參考(零)電位。在第一部分110中，提供高壓電暈放電電極120，其連接到電位Vcot并且借助于絕緣體122與傳感器100的其他部分電絕緣。電位Vcot可以是可變的并且被調(diào)整(regulate) 為使得從放電電極120發(fā)射單極離子的恒定電流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1-2 μ A范圍內(nèi)的電流適用于許多應(yīng)用。放電電極的幾何形狀優(yōu)選地適于促進(jìn)氣載離子的高效生成，同時限制放電電極上的粒子沉積和臭氧生成。優(yōu)選地，使用由化學(xué)惰性材料(例如鉬或鎢)構(gòu)成的鋒利的針尖電極。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，特別是對于限制臭氧產(chǎn)生而言，產(chǎn)生帶正電的氣載離子是有利的。放電電極120排斥(r印el)氣載離子云，并且該云由于離子自身之間的排斥而立即膨脹。電位加到的對電極IM在第一部分110的下游端處提供以用于朝向?qū)﹄姌O 124吸引來自放電電極120的離子。對電極124的幾何形狀優(yōu)選地由至少三個要求確定
(i)對電極1 應(yīng)當(dāng)基本上在通道的下游方向上吸引(draw)離子；
(ii)從放電電極120到對電極IM的吸引氣載離子的路徑應(yīng)當(dāng)使得氣流的所有部分的路徑與離子的路徑相交，從而使得沒有氣載粒子或至少有限部分的氣載粒子可以逃避暴露 (exposure)于氣載離子；以及
(iii)對電極1 應(yīng)當(dāng)造成很少的流阻或不造成流阻。事實(shí)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，對電極IM可以適當(dāng)?shù)乇粚?shí)現(xiàn)為具有面向放電電極120的圓形或橢圓形開口的管。然后，大多數(shù)氣載離子將被吸引朝向面向放電電極 120的所述管的開口面的圓形邊緣，從而將這些氣載離子從氣流中移除。帶電粒子的比較而言小得多的電移動性(electric mobility)使得大多數(shù)帶電粒子能夠逃避沉淀到對電極 IM上，從而允許它們與通過對電極1 的氣流一起繼續(xù)它們的行程。氣載離子從放電電極 120朝向?qū)﹄姌O124的運(yùn)動生成離子風(fēng)，該離子風(fēng)可以產(chǎn)生并維持通過通道的氣流，而不必依靠用于生成氣流的其他裝置，只要?dú)饬鹘?jīng)歷不大于僅保持低于5Pa-10I^的最小阻力。氣載粒子和氣載離子之間在第一部分110中的接觸導(dǎo)致根據(jù)通常被稱為擴(kuò)散充電或自由粒子充電的物理過程的粒子充電。在第二部分112的下游端處，提供設(shè)置在相對于對電極IM上的電位Vete的電位處的導(dǎo)電篩濾電極128，其將氣載離子從篩濾電極1 向后朝向?qū)﹄姌OIM排斥。在圖1中，篩濾電極被配置為短開口管，其中心軸在與對電極124的中心軸相同的方向上取向。如果施加到篩濾電極的電位為零(通過短路到接地的傳感器外殼)，則V。te需要為負(fù)電壓，以便將正離子從篩濾電極128向后朝向?qū)﹄姌OIM排斥。通過向彼此面對的對電極124的管開口端和篩濾電極128的管開口端提供平行放置的多孔絲網(wǎng)(如圖1所示)，甚至可以在各平行絲網(wǎng)之間以低的篩濾場強(qiáng)產(chǎn)生局部非常有效的離子篩濾。由于氣載離子的高移動性的原因， 第二部分112中電篩濾場的強(qiáng)度可以保持相對較低，從而使得實(shí)質(zhì)上沒有帶電粒子的沉淀或者至少非常有限量的帶電粒子的沉淀伴隨從氣流中進(jìn)行的離子篩濾。在第三部分114中，篩濾電極1 的下游，氣載帶電粒子基本上是氣流中僅剩的帶電體。該氣流被引導(dǎo)穿過兩個平行導(dǎo)電板130、132之間的管道，其中一個平行導(dǎo)電板130 接地(在電位V_th處)并且另一個132維持在恒定電位Vplate以在垂直于氣流的方向上產(chǎn)生近似均勻的電場。板130、132通過絕緣體134與傳感器100的其他部分電絕緣。通過關(guān)于預(yù)期的粒子電荷和粒子尺寸以及板130、132的大小選擇Vplate的足夠大的值，可以確?；舅械臍廨d帶電粒子從氣流沉淀。在粒子帶正電和Vplate-V_th>0的情況下，沉淀發(fā)生在接地的板132上的沉淀表面上。由板132上的沉淀粒子攜帶的電荷經(jīng)由電流計(jì)136而被排到大地。因?yàn)樵跀U(kuò)散充電的條件下每個粒子的電荷近似與該粒子的直徑成比例，所以依據(jù)下式用電流計(jì)136測量的電流Is與氣載粒子的長度濃度L (即，每單位空氣體積所有排成行的粒子的總長度)成比例
如果數(shù)量平均的直徑dp,av是已知的或可以估計(jì)，則粒子數(shù)量濃度N被獲得為
等式1中的Is與L之間的比例因子(其尤其依賴于粒子充電的有效程度)可以用實(shí)驗(yàn)的方法或經(jīng)由校準(zhǔn)來確定。盡管等式1中的積分區(qū)域延伸到無窮，但是當(dāng)關(guān)注來自室內(nèi)或室外環(huán)境的普通環(huán)境空氣時大于300-500nm的氣載粒子一般不充分地貢獻(xiàn)于L。原因是，在空氣中它們的數(shù)量濃度一般比小于300-500nm的粒子的數(shù)量濃度小得多。因此，L以及從而還有N特別地是指氣載超細(xì)粒子。 圖2中示出根據(jù)本發(fā)明的粒子傳感器的有利實(shí)施例。在傳感器200中，在第三部分114中經(jīng)由絕緣體246提供至少一個附加的導(dǎo)電板242、244對。板244經(jīng)由第二電流計(jì) 248接地。電位Vplateil施加到第一板M2，同時另一對板130、132中的第一板130保持設(shè)置在電位Vplate。通過選擇Vplateil和Vplate的合適的值，在這兩對平行板之間產(chǎn)生的電場可以具有不同的強(qiáng)度。優(yōu)選地，Vplatol被選擇為使得在非可忽略程度上貢獻(xiàn)于總粒子數(shù)量濃度的任何尺寸的氣載帶電粒子的僅一部分沉淀在所述附加的板對中的板244上，從而產(chǎn)生由相連接的電流計(jì)248測量的第一電流Ip優(yōu)選地，大于IOnm的所有帶電粒子，更優(yōu)選地大于20nm的所有帶電粒子被允許僅部分地從氣流沉淀到板244上。剩余的氣載帶電粒子在板元件130、132之間的足夠強(qiáng)的電場的作用下沉淀在板132上，從而產(chǎn)生由連接的電流計(jì)136測量的電流12。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，粒子數(shù)量濃度N和平均粒子直徑dp,av根據(jù)下式遵循 (follow from) I1 和 I2
權(quán)利要求
1.一種用于感測大于IOnm的氣載粒子的傳感器(100)，包括具有開口端的通道 (110，112，114)，下列元件置于該通道中-放電電極(120)，其用于在該通道中生成氣載單極離子； -透氣對電極(1 ，3M)，其適于吸引所述氣載離子； -透氣篩濾電極(128 ； 372，374)，其定位在放電電極的下游；以及 -粒子感測部分(114)，其用于感測通道中的帶電氣載粒子，該粒子感測部分定位在篩濾電極的下游， 其中-對電極定位在通道中放電電極的下游和篩濾電極的上游，從而適于引起氣載離子的下游凈流動，由此生成下游氣流；并且-篩濾電極適于使氣載離子受到不同于下游方向的第二方向上的靜電力的作用以便從氣流中分離氣載離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中第二方向與下游方向成至少90度角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中粒子感測部分包括-用于使氣流受電場的作用以導(dǎo)致帶電氣載粒子靜電沉淀在沉淀表面(132;244)上的裝置(130，132; 242，244)；以及-電連接到沉淀表面的電流計(jì)(136)，其用于生成指示沉淀在沉淀表面上的任何帶電氣載粒子的電荷的測量信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的傳感器，其中用于使氣流受到電場作用的裝置包括至少兩個平行的導(dǎo)電電極元件(130，132)，其中至少一個包括沉淀表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的傳感器，其中用于使氣流受到電場作用的裝置適于產(chǎn)生垂直于下游方向的電場。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4和5中任一項(xiàng)的傳感器，其中篩濾電極包括至少兩個平行的導(dǎo)電電極元件(372，374)，篩濾電極元件之間的電場隨著時間的推移在第一篩濾場強(qiáng)和第二篩濾場強(qiáng)之間交替，其中第一篩濾場強(qiáng)被選擇以使得基本上所有氣載離子在離開篩濾電極之前沉淀并且氣流中的至多20%的帶電氣載粒子在離開篩濾電極之前沉淀；第二篩濾場強(qiáng)高于第一篩濾場強(qiáng)并且被選擇以使得所有帶電氣載粒子中具有大于預(yù)定粒子尺寸的尺寸的那部分穿過篩濾電極。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器，進(jìn)一步包括光學(xué)粒子檢測單元(380)，其被布置為光學(xué)地檢測氣流中的氣載粒子并且釋放指示光學(xué)檢測的粒子的濃度的測量信號。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器，進(jìn)一步包括用于從通過所述通道的氣流中移除臭氧的裝置，該裝置定位在通道中放電電極的下游。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器，進(jìn)一步包括評估單元，其能夠接收一個或多個測量信號，該評估單元適于輸出指示包括以下的組中的至少一個的信號-氣流中氣載粒子的長度濃度； -氣流中具有大于IOnm的直徑的氣載粒子的數(shù)量濃度； -氣流中大于IOnm的氣載粒子的數(shù)量平均的粒子尺寸；以及 -氣流中光學(xué)檢測的氣載粒子的濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的傳感器，其中評估單元能夠隨著時間的推移從其輸出信號計(jì)算累計(jì)數(shù)，該累計(jì)數(shù)與以下任一成比例-自從預(yù)定的時間點(diǎn)已經(jīng)沉淀在粒子感測部分內(nèi)部的大于IOnm的氣載粒子的近似總量；或-自從預(yù)定的時間點(diǎn)已經(jīng)被光學(xué)粒子檢測單元檢測到的氣載粒子的近似總量。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器，其在校準(zhǔn)模式中可操作，其中放電電極 (120)不起作用時的電流計(jì)(136，248)的所測量的信號被用作放電電極被激活時的后續(xù)測量的零電平。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器，其中通道的至少一端配備有屏蔽板。
13.一種空氣管理系統(tǒng)，包括-根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器(418)，其用于提供指示氣載粒子濃度的輸出信號，-空氣處理單元(410)；以及-控制器(416)，其被布置為基于傳感器的輸出信號控制空氣處理單元。
14.一種用于感測在具有開口端的通道中的空氣樣本中大于IOnm的氣載粒子的方法 (500)，該方法包括步驟-生成(512)氣載單極離子；-施加(514)第一電場，其適于使所生成的氣載離子受到沿著通道進(jìn)入第一方向的靜電力的作用，從而導(dǎo)致空氣樣本在第一方向上移動并且對空氣樣本中的氣載粒子充電； -使空氣樣本穿過(516)透氣的對電極，該對電極適于從空氣樣本中移除部分氣載離子；-施加(518)第二電場，其適于使剩余氣載離子受到在不同于第一方向的第二方向上的靜電力的作用，以便從空氣樣本中分離氣載離子；-施加(520)第三電場，以用于使氣載帶電粒子沉淀到通道中的沉淀表面上；以及 -測量(522)沉淀表面上所沉淀的帶電粒子的電荷。
15.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括步驟光學(xué)地檢測(510)空氣樣本中的氣載粒子。
全文摘要
公開了一種粒子傳感器，其能夠感測在穿過該傳感器內(nèi)部通道的氣流中大于約10nm的氣載粒子。該傳感器包括高壓放電電極，其用于生成氣載單極離子，該氣載單極離子對氣流中的氣載粒子進(jìn)行充電。而且，所生成的離子被用于在傳感器內(nèi)部的放電電極與對電極之間建立離子風(fēng)。該離子風(fēng)是用于維持通過傳感器的氣流的驅(qū)動力并且允許傳感器操作在無可聽噪聲的情況下發(fā)生。氣流中的帶電粒子的存在由粒子感測部分中的電流計(jì)測量，在由置于粒子感測部分的上游的單獨(dú)的篩濾電極從空氣中移除所有氣載離子之后，該電流計(jì)測量每單位時間沉淀在沉淀電極的表面上的粒子束縛電荷。
文檔編號G01N15/02GK102224406SQ200980147104
公開日2011年10月19日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者馬拉 J. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司