[发明专利]带有轴向风扇的气悬微粒传感器

说明书

技术领域

本发明总体涉及利用光散射原理检测气体中不希望有的单粒子的系统，该系统在本领域中通常被称为光学粒子计数器，更具体而言，本发明涉及这样的粒子计数器中的气流系统。

背景技术

众所周知，在诸如高科技电子器件和药物制造的产业中，必须防止小粒子造成的污染。这一需要导致了光学粒子计数器的发展，在该光学粒子计数器中流体流过光学传感器，该光学传感器检测存在的污染粒子。检测空气或其它气体中的粒子的粒子计数器有时被称为“气悬微粒计数器”。标准通常要求气悬微粒计数器监测流过传感器的气体的总体积。监测流过传感器的气体的总体积的粒子计数器在微污染产业中被称为“容积式的”。微污染产业导致逐步形成了两种对环境进行连续容积式气悬微粒监测的不同方法。一种方法涉及使用气悬歧管系统。使用该歧管系统允许单个粒子计数器顺序地监测一个环境中的多个采样位置。这使得可在多个采样点之间分担粒子计数器、歧管和系统真空泵的费用。该方法的主要缺陷在于，大的粒子沿着所需冗长采样管道路线向下传输时的损耗。这是不可避免的，因为所有采样点都必须确定路线至该单个粒子计数器。一些采样管线可能达到一百英尺长以上。该方法的另一主要缺点是，一次只可以对一个采样点进行评测；因此，不可能对所有采样位置进行实时监测。

第二种常用的方法需要在每个必需采样点使用专用的粒子计数器。该方法提供对所有采样位置的连续、实时监测，并且还消除了大粒子的传输管道损耗，因为粒子传感器可放置在每个必需采样位置处或附近，从而使采样管道长度最小化。然而，该方法需要大量粒子计数器，对于大的成套设备来说，可能相当昂贵。对该问题的响应导致了粒子传感器的发展。粒子传感器通常不具有外部显示器、键盘、内部气流泵或可变流量控制装置。这使传感器的成本降至最低，但要求最终用户提供外部真空抽气系统。这些传感器最常用的流速是1.0CFM(立方英尺每分)或0.1CFM。由于没有内部气流泵或可变流量控制和测量系统，粒子传感器一般利用临界流量孔控制样本流速。使用临界流量孔控制容积流速已是非常确定的，如在Willeke/Baron的“气悬微粒测量(Aerosol Measurement)”和Hinds的“气悬微粒技术(Aerosol Technology)”中所阐释的。需要的必需临界压力降由下式给出：

P_v/P_a＝[2/(k+1)]^k/k-1

其中：

Pv＝临界流量孔真空侧的压力；

Pa＝临界流量孔上游侧的压力；

K＝气体比热比＝对于双原子气体为7/5＝1.4用1.4代替k，得到简化方程：

P_v/P_a＝0.53

在标准条件下，Pa＝14.7psi。因此，在标准条件下的必需临界压力降为7.791psi(15.9英寸Hg柱)。按水柱英寸计，为215.6英寸。

在标准条件下，当下游真空水平高于15.9英寸Hg柱时，临界流量孔将维持稳定的容积流量。在此情况下，孔颈中的速度为声速，并且下游真空水平的进一步增加不会使通过孔颈的速度增加。这要求用户提供在粒子传感器的规定流速下可维持为15英寸到17英寸Hg柱真空水平最小值的真空抽气系统。

甚至对于单个1.0CFM粒子传感器也要求真空泵能够维持大于15英寸Hg柱，该要求将可提供的泵选项限制为诸如碳无用旋转设计(carbon vain rotary design)的正排量泵。这些泵体积相当大，消耗功率大于100瓦。因为用户一般会安装多个粒子传感器，使用中的粒子传感器数量将增加该抽气系统的需求。该抽气系统普遍重达数百磅并且具有数千瓦的功耗。此外，真空管线必须从中心真空泵安装延伸至该系统中所安装的每个传感器。最终的流量系统安装成本通常为每仪器500美元到700美元。

近年来，粒子计数器制造商已经开始提供包括由闭环流量测量和控制装置控制的内部泵或鼓风机的粒子传感器。在附加有智能流量控制系统的情况下，临界流量孔可以去除。这消除了系统中的主要压力降，并且除了任何需要的入口管道之外，还剩下粒子传感器自身的压力降。目前的粒子传感器压力降在大约3英寸到50英寸水柱之间变化。对于达5英尺长的入口管道长度，通常的入口管道压力降为2英寸到10英寸水柱。因此，总的系统压力降一般为5英寸到60英寸水柱，其中包括传感器压力降和入口管道压力降。