用于颗粒质量浓度测量的设备和过程以及对用于颗粒质量浓度测量的设备的使用

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的一种用于测量颗粒质量浓度的设备，即传感器，并且更具体地涉及允许从颗粒流中去除超细颗粒的设备。本发明还涉及根据权利要求8、12和14的前序部分的用于测量颗粒质量浓度的颗粒传感器的使用。本发明还涉及根据权利要求18的前序部分的用于测量颗粒质量浓度的过程。

背景技术

对于实时颗粒控制的需求不断增加。特别是诸如车辆之类的内燃机的实时排放控制需要可靠且不昂贵的颗粒监测。例如在室内空气质量监测或在航空交通安全方面存在对颗粒控制的需求。在大多数情况下颗粒量以mg/m³或其等价体为单位的颗粒质量浓度来表示。

各种颗粒测量装置基于对颗粒进行充电并且测量这样的带电颗粒所携带的电流。在2009年11月11日Pegasor Oy的文档WO2009109688A1中描述了一种这样的用于测量细颗粒的现有技术方法和设备。在此现有技术方法中，干净的、基本无颗粒的气体被供应到该设备中且作为主流动经由进气室被引导至设置在该设备内部的排出器。在将干净气体供应到进气室之前及期间，使该干净气体进一步离子化。优选地，经离子化的干净气体以声速或接近声速馈送到排出器。例如可以使用电晕带电器来实施干净气体的离子化。进气室还被提供有布置成与包括具有细颗粒的气溶胶的通道或空间流体连通的进样口。干净气体流和排出器一起促使进样口的抽吸，使得从该管道或该空间至进气室形成样品气溶胶流。样品气溶胶流因此作为侧流被提供至排出器。离子化的干净气体对颗粒进行充电。带电的颗粒还可以被引导回包含气溶胶的导管或空间。因此通过监测带电颗粒携带的电荷来监测气溶胶样品的细颗粒。还可以使用离子阱去除自由离子。

在基于对颗粒进行充电并且测量这样的带电颗粒携带的电流的任何颗粒测量装置中的主要问题是测量的电流与实际的质量浓度的转换。通过相对于准确确定质量浓度的参考方法，典型地是相对于重量测定方法，校准颗粒测量装置来简单地确定转换因子。然而，这样的校准可能由于颗粒尺寸分布曲线的形状、平均颗粒直径、对数正态颗粒尺寸分布曲线的宽度、颗粒形状(通常使用分形参数表示)或颗粒密度的变化而变化。

2010年10月12日TSI公司的美国专利US 7,812,306B2描述了包括电晕放电元件的用于非侵入性测量纳米颗粒曝光的仪器，电晕放电元件产生离子来实现气溶胶的单极扩散充电，接着离子阱去除过多的离子以及带电颗粒的电迁移率大于阈值的部分。下游的、导电HEPA过滤器或其它收集元件累积带电颗粒并且将得到的电流提供至静电计放大器。该仪器是可调节的以将静电计放大器输出朝着与描述颗粒行为(例如，呼吸系统的选中区域中的纳米颗粒沉积)的选中功能更密切地对应地进行改变。调节使得调整施加至离子阱、电晕放电元件和收集元件中的一个或更多个的电压成为必需。可选地，调节涉及直接调整或者与朝着具有气溶胶的合并器引导离子的气体的流速相比较地调整气溶胶流速。该公布专注于在表面面积方面对颗粒浓度的测量，这是因为由于纳米颗粒曝光，期望这样累积的或聚集的表面面积来提供对健康风险的更有用的评估。该公布实际上教导了质量浓度测量在指示健康影响方面无用，且因而未激励人们寻找将测量的电流转换成质量浓度的解决方案以检查本公布中描述的技术。

2012年2月28日的Robert Bosch GmbH的美国专利US 8,122,711B2涉及在内燃机的排气系统中查明煤烟颗粒的浓度或由于煤烟颗粒的装载内燃机排放控制系统的耗减的过程，藉此通过收集发射传感器信号的颗粒传感器确定排气系统中的煤烟颗粒浓度，以及藉此根据煤烟颗粒浓度确定发射控制系统由于煤烟颗粒的装载而引起的耗减。借助于相对于传感器温度和/或排放气体温度和/或排放气体的流速和/或在颗粒传感器处施加的电压的预定校正来校正传感器信号。从而在评估期间可以考虑颗粒传感器的横向敏感性；以及改善了煤烟颗粒的累积装载的确定和在排气系统中的煤烟颗粒浓度的确定。在该过程中，在准备阶段确定煤烟颗粒装载的电阻的温度依赖性方面传感器温度进入了校正并且在传感器信号评估期间予以考虑。尽管该过程改善了质量浓度测量，但是它涉及额外的组件，因而笨重且昂贵。

因而，现有技术的颗粒传感器处理对外部条件敏感的电流信号比对质量浓度比的技术问题。需要即使当颗粒平均直径变化时也能够测量或监测颗粒质量浓度的传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备以便克服或至少减轻现有技术的缺点。使用根据权利要求1的特征部分的设备来达到本发明的目的。本发明的目的还可以根据权利要求14的特征部分的过程来达到。所发明的设备的使用的目的根据权利要求4和8的特征部分来达到。

在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

发明人出乎意料地发现一种将解决上面描述的现有技术问题的过程。所发明的过程基于通过俘获带电颗粒的一部分来减少带电颗粒产生的电流信号。这样的过程在减少通过改变待测颗粒的计数中值直径(CMD)产生的测量错误方面引起明显改善。

带电颗粒携带的电流依赖于测量颗粒的颗粒尺寸分布。已经发现对数正态颗粒尺寸分布适用于大多数的单源气溶胶，诸如像内燃机或烟道排放气溶胶。对数正态分布大量用于气溶胶尺寸分布，这是因为它特别适合观察到的尺寸分布，这对于本领域技术人员是显然的。对数正态分布的特征在于中值颗粒直径，中值颗粒直径对于数浓度和质量浓度而言是不同，对于数浓度而言的中值颗粒直径小于对于质量浓度而言的中值粒径。颗粒质量还依赖于颗粒密度和颗粒形状，这通常由分形维数表征。分形维数对于本领域技术人员是公知的，且在例如William C.Hinds,1999年的Jonhn Wiley&Sons的第二版408-412页的Aerosol Technology—Properties,Behavior,and Measurement of AirborneParticles,以及在Maricq和Wu，Aerosol Science 35(2004)的1251-1274页的The effectivedensity and fractal dimensions of soot particles from premixed flames and motor vehicleexhaust中描述了。在单源气溶胶下影响颗粒形成的条件的变化主要改变中值直径、影响颗粒充电基本持续的其它参数。

用于颗粒质量浓度测量的所发明的过程包括：导引包括颗粒的样品流Q通过通道；对颗粒充电；以及测量所述带电颗粒携带的电流。所发明的过程还包括：通过具有俘获电压V的电场俘获基本上所有自由离子和具有直径小于截止直径DC-O的颗粒(P)；以测量电流I小于当俘获电压V设定成仅俘获基本上所有自由离子时测量的电流l0的方式来调整俘获电压V；以及将电流信号转换成颗粒质量浓度值。

包括颗粒充电和对带电颗粒携带的电荷的测量的颗粒测量需要：去除自由离子，即，未附着至颗粒的离子。用来去除自由离子的离子阱的设计能够通过计算或通过实验来实施。离子俘获基于带电颗粒的电迁移率，Z_p＝n e C_c/3πηD_p，其中Z_p＝电迁移率,n＝颗粒上的电荷数,e＝元电荷,C_c＝坎宁安滑移修正(Cunningham slip correction),η＝空气动力粘度以及D_p＝颗粒半径。由于基本上需要去除所有自由离子，所以离子阱典型地设计成也俘获超细带电颗粒，由于它们的低浓度和质量，所以基本上不影响数或质量浓度测量。电气俘获的典型设计具有4nm的颗粒截止直径，即，它去除具有4nm或更小的直径的所有带电颗粒。

用来转换测量电流的转换因子依赖于颗粒形成的机制，转换因子通常表示为fA对比质量浓度值，通常以mg/m³表示。在相似的单源颗粒内，转换因子主要依赖于中值颗粒直径。因而转换因子应当随着中值颗粒直径的变化而变化以获得可靠的电流-质量浓度转换。然而，由于不知道中值颗粒直径的变化，所以不能作出这样的转换因子调整。对于公知的颗粒源，诸如对于内燃机内的颗粒形成，可以根据诸如像内燃机扭矩之类的第二级参数确定中值颗粒直径的变化。然后，可以使用第二级参数(诸如发动机扭矩)的变化的信息调整转换因子。然而，这样的操作笨重且昂贵。

发明人出人意料地发现了相关因子对中值直径变化的敏感性能够通过以下面的方式增加俘获电压来明显降低：使用正常用来仅俘获基本上所有自由离子(即，颗粒截止直径约4nm)的离子阱来俘获带电颗粒，使得电压俘获的颗粒截止直径明显高于4nm。在这种情况下，对于具有颗粒的样品流Q的测量电流I小于针对相同样品流Q但是使用去除基本上所有自由离子的俘获电压测量的电流I₀。I/I₀比率基本恒定，并且可以通过实验或通过计算确定较低电流值对于质量/电流转换因子的影响。

出人意料地，俘获电压V以下面方式有利地调整：测量电流I比当俘获电压V设定成V₀时测量的电流I₀优选小20-95％，并且更优选小65-85％，其中，V₀仅俘获基本上所有自由离子，即，典型地俘获基本上小于4nm直径的所有带电颗粒。

应当注意，电流主要由其计数大于大颗粒(大部分颗粒质量)的计数的小颗粒携带，减小电流信号的影响同样不影响流动通过测量通道的颗粒质量的量。因而，俘获电压能够优选调整至俘获截止直径D_c-o基本上等于样品流Q中的颗粒的计数中值直径(CMD)的值。在此情况中的基本上例如意味着截止直径D_c-o处于样品流(Q)中的颗粒的CMD的-50％-+100％内。

样品流中的颗粒的CMD能够通过各种测量技术确定，例如，通过使用芬兰的DekatiOy的电气低压冲击器(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)。典型地，例如柴油机排放的CMD依赖于柴油发动机的类型、燃料和采样方法，诸如在例如Wong,C.P.；Chan,T.L.；Leung,C.W.,Characterization of diesel exhaust particle number and sizedistributions using mini-dilution tunnel and ejector–diluter measurement techniques,Atmospheric Environment,卷37,2003年10月31日,4435-4446(12)页中予以描述，在这里为了参考的目的附上其内容，但是在使用特定发动机和燃料期间处于标称CMD的-50％-+100％内。因而，标称CMD值可以针对感兴趣的组合来确定，并且它们可以用作本发明的设定的截止直径D_c-o。对于不同燃烧过程的合理准确的CMD还可以在这篇文献中找到。

在当前发明内使用的CMD因而是通过公知测量方法确定的或者以其它方式例如根据参考文献具有合理准确性的已知的、针对特定排放源和采样条件的标称CMD，CMD_nom，公知测量方法诸如是在Wong等人的文章中描述的那些方法。

在本发明的一个实施例中，在测量期间对俘获电压进行调整。这可以在产生颗粒的过程以稳定状态进行工作时完成，例如当内燃机以基本恒定的扭矩工作时。首先把俘获电压设定为确保去除基本上所有自由离子的值，例如俘获电压设定为与约4nm的颗粒截止直径相对应的值。测量带电颗粒携带的电流I₀。然后，增加俘获电压直到测量电流I基本上小于I₀。此俘获电压然后用在实际的质量浓度测量中，由于在这样的俘获电压的情况下电流/质量转换对中值颗粒直径变化的敏感度明显降低。优选增加该俘获电压直到测量电流I比I₀小20-95％，并且更优选小65-85％。

在本发明的一个实施例中，俘获电压设定成去除被认为基本上等同于自由离子的较大核模态颗粒。这在一些柴油机废气排放测量中尤其如此。总的来说，柴油机中的颗粒尺寸分布归类为三种不同的模态：核模态，聚集模态和粗模态。在核模态中，颗粒直径小于50nm，核模态颗粒的CMD典型地小于30nm，颗粒主要由有机物、硫化合物和挥发性组分组成。典型地监测燃油机废气的煤烟浓度需要去除核模态，且因而在那些情形下被认为基本等同于自由离子。

附图说明

在下文中，将结合优选实施例，参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了颗粒浓度遵照对数正态分布的典型单源气溶胶的俘获渗透、数分布和质量分布；

图2是所发明的设备的一个实施例的示意图；以及

图3示出了在不同俘获电压下根据颗粒计数中值直径的相对相关因子。

具体实施方式

图1示出了对数正态颗粒尺寸分布的典型实例。具有计数中值直径(CMD，countmedian diameter)的这样的颗粒尺寸分布可以良好地表示来自柴油机排放的颗粒尺寸分布,计数中值直径即累积数分布命中(hit)0,5为约50nm且几何标准偏差(GSD)为约1,7的颗粒直径。如从该图看出，质量中值直径几乎是CMD的两倍。在图1中，俘获电压设定成与50nm的截止直径相对应的值。对于小于截止直径的颗粒通过俘获的渗透基本为零，而对于大于截止直径的颗粒俘获渗透平稳增加。

图2示出了用于颗粒质量浓度测量的所发明的设备1的一个实施例。设备1包括具有进口3和出口3的通道2，用于导引包括具有某颗粒尺寸分布的颗粒P,P*的样品流Q通过设备1。通过通道2的流Q可以以各种方式实现，诸如通过使用泵、通过使用烟囱效应或通过使用离子风。在图2的实施例中，风扇5驱动空气通过过滤器6到内部通道2*中。此空气接着被传递到用于使该空气离子化的装置7,8中。在本发明的一个实施例中，用于使空气离子化的装置7,8由电晕放电单元7来实现，由高电压源8供电，其使用隔离变压器9与主电源电气隔离。离子化空气形成了放置在通道2内部的排出器10的动力流体流。排出器产生将具有不同尺寸颗粒P,P*的样品流Q经由进口3驱动到设备1中的负压。离子化空气和颗粒在混合区11中有效混合，且因而颗粒P,P*被充电12,12*。如前述的还可以是非常细小的带电颗粒的自由离子11通过俘获装置13被去除，俘获装置13基本上是静电除尘器，其由于电场中小带电颗粒的高的电迁移率的原因而去除小带电颗粒。必要的俘获电压由电源14产生，其由用于控制俘获电压的装置15控制。在本发明的另一实施例中，俘获装置13还可以连接至控制俘获电极的距离的装置15，以及电场强度通过调整电极间距来调整，而不必调整俘获电极两端的电压。使用用于测量带电颗粒携带的电流的装置16,17来测量经由出口4逸出通道2的颗粒所携带的电流。尽管测量电流的优选方式是使用用于测量逸出电流(即与颗粒一起逸出设备1的电流)的装置16，也可以使用诸如收集带电颗粒的至少一部分的电极之类的其它电流测量技术。使用可以位于设备1中的合适的装置18将测量的电流转换成质量浓度值，或者例如通过记录电流值且其后提供转换来在别处实施转换。

在设备1中，俘获装置13用于俘获基本上所有自由离子11和具有颗粒直径小于俘获截止直径D_C-O的带电颗粒12，截止直径D_C-O是在其上通过俘获装置13的渗透基本上偏离零的颗粒直径，俘获装置13连接至用于调整俘获装置13的装置15以调整俘获截止直径D_C-O。对于本发明而言主要的是，俘获装置13被调整成明显高于基本上自由离子的直径的截止直径D_C-O，即，俘获装置13从流Q中去除显著量的带电颗粒。在本发明的一个实施例中，俘获装置13被调整成10nm或更大的俘获截止直径D_C-O。

优选地，设备1包括用于将电流信号转换成颗粒质量浓度值的装置18。优选地通过调整俘获电压将俘获装置13调整为不同的截止直径D_C-O。

通常优选的是能够在设备1的正常操作期间调整俘获电压。因而在本发明的一个实施例中，设备1包括用于基于装置16,17的输出控制用于调整俘获装置13的装置15的装置19，装置16,17用于测量所述带电颗粒12,12*携带的电流。在本发明的这样的实施例中，在测量期间调整俘获电压V。当产生颗粒的过程以稳定状态工作时，例如当内燃机以基本恒定的扭矩操作时，这可以实现。用于调整俘获装置13的第一装置15将俘获电压V设置成确保去除基本上所有自由离子11的值，例如，把俘获电压V设定成与约4nm或更小的颗粒截止直径D_c-o相对应的值V₀。使用电流测量装置16,17测量带电颗粒12,12*携带的电流I₀。然后，用于控制用于调整俘获装置13的装置15的装置19增加俘获电压V直到用于电流测量的装置16,17测量的电流I基本上小于I₀为止。此俘获电压V然后用在实际的质量浓度测量中，这是因为在这样的俘获电压下，电流/质量转换对比中值颗粒直径变化的敏感性明显降低。优选增加俘获电压V直到测量电流I比I₀小20-95％，并且更优选地，比I₀小65-85％。应当注意到，用于控制用于调整俘获装置13的装置15的装置19应当理解为可以以各种方式实现且可以例如位于相同控制单元中的功能部件。

本发明还包括颗粒质量浓度测量设备1的使用，其中，设备1包括：具有进口3和出口4的通道2，用于导引包括颗粒P,P*的样品流Q通过设备1；用于对颗粒P,P*充电的装置7,8；用于测量所述带电颗粒12,12*携带的电流的装置16,17；具有截止直径D_C-O的俘获装置13，用于俘获基本上所有自由离子11以及还有可能的带电颗粒12；以及用于调整俘获装置13的装置15。该使用包括当俘获装置13设定成仅基本上俘获自由离子11时，以带电颗粒12携带的且被电流测量装置16,17测量的电流I基本上小于带电颗粒12,12*携带的且装置16,17测量的电流I₀的方式来调整俘获装置13。优选地，基本上俘获自由离子意味着俘获具有小于4nm的直径的带电颗粒。

换言之，设备1用来去除带电小颗粒12的基本部分，即，直径小于俘获装置13的截止直径D_c-o的带电颗粒12。在这样的情况下，仅测量较大的带电颗粒12*携带的电流。以这样的方式出人意料地使用设备1明显降低了质量浓度测量关于颗粒中值直径的敏感性。

设备1的优选使用包括使用俘获电压V控制俘获截止直径D_c-o。

电流I基本上小于电流I₀。在设备1的使用的一个实施例中，俘获电压以这样的方式调整：当用于俘获基本上所有自由离子和直径小于截止直径D_c-o的颗粒的装置13的俘获电压被设定成仅基本上俘获自由离子时，用于测量所述带电颗粒12,12*携带的电流的装置16,17测量的电流信号比用于测量所述带电颗粒12,12*携带的电流的装置16,17测量的电流信号优选小20-95％，并且更优选小65-85％。

使用用于颗粒质量浓度测量的设备1的另一实施例包括：以这样的方式调整俘获电压V：截止直径D_c-o基本等于样品流(Q)中的颗粒(P,P*)的计数中值直径(CMD)。基本等于可以意味着，例如，截止直径D_c-o处于样品流(Q)中的颗粒P,P*的计数中值直径的-50％-+100％内。

在本发明2的优选实施例中，设备1包括用于调整俘获装置13的装置15以将俘获截止直径D_c-o调整成25nm至100nm内的值。

使用用于颗粒质量浓度测量的设备1的又一实施例包括：通过调整装置13的俘获电压的装置15将俘获电压调整成俘获电压V₀，其中，装置13用于俘获基本上所有自由离子和具有截止直径D_c-o的颗粒P，俘获电压V₀确保了去除基本上所有自由离子；在所述俘获电压V₀的情况下通过用于测量所述带电颗粒12,12*携带的电流的装置16,17来测量电流I₀；以及增加俘获电压V直到测量的电流I基本上小于I₀。这样的实施例优选包括在去除基本上所有自由离子期间去除具有小于4nm的直径的所有带电颗粒。在这样的使用中，优选增加俘获电压V直到测量电流I比I₀小20-95％，以及更优选是小65-85％。设备1的这样的使用使得在设备1的正常使用期间能够对俘获电压进行调整以减少由于改变中值颗粒直径而引起的质量浓度测量不确定性。

图3示出了本发明对使用电气颗粒传感器的质量浓度测量的效果。如果我们假定：待测气溶胶的CMD是50nm，则当将当前测量结果转换成质量浓度值时，归一化转换因子是一(1)。如果俘获装置13设定成4nm的俘获截止直径D_c-o，则归一化转换因子根据CMD接近线性地变化。在不知道待测气溶胶内可能发生的CMD变化的情况下，当测量具有相同来源但具有不同CMD的气溶胶时，使用针对50nm CMD确定的校正因子将导致错误结果。然而，如果使用较高的俘获截止直径，例如，50nm D_c-o，则归一化转换因子对CMD的敏感性会小得多。将俘获截止直径设定为这样高的值基本上减少了测量电流。如果当CMD是50nm时具有4nm俘获截止直径的归一化电流I₀是1，则具有50nm俘获截止直径的归一化电流和50nm CMD是0,25，即，显著小于I₀。如果CMD减小至30nm，则归一化电流仅是0,09。如果CMD增加至70nm或90nm，则归一化电流分别是0,39和0,49。

图3示出了当将俘获截止直径设定为等于待测气溶胶的标称CMD时，例如，在图3的情况下为50nm(其是柴油机排放气溶胶的典型CMD)，则归一化转换因子基本保持恒定(例如在+/-10％内)的CMD变化区域宽，并且尽管CMD变化也允许准确的质量浓度测量。图3中的曲线被数值地确定，并且它们基于芬兰的PegasorOy的颗粒传感器的属性以及在下面文档中描述的基于气溶胶颗粒的燃烧属性，该下面文档是Maricq和Wu的，在Aerosol Science 35(2004)，1251至1274页的来自预混火焰和机动车辆排放的烟尘颗粒的有效密度和分形维数(The effective density and fractal dimensions ofsoot particles from premixed flames and motor vehicle exhaust)。初级颗粒的密度假定为2kg/dm3，以及分形维数f_d为2,3。

对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实施。因此，本发明及其实施例不限制于上面的实例，但是它们可以在权利要求的范围内变化。