[发明专利]颗粒传感器和颗粒感测方法

说明书

提供了一种颗粒感测设备，用于确定例如空气的流体中的颗粒浓度。该设备基于流体流通路，所述流体流通路具有用于接收流体的上游入口以及用于排出流体的下游出口。其还包括与该流体流通路流体联通的再循环通路。在它们之间，该流体流通路和再循环通路定义了再循环回路。第一颗粒传感器位于该再循环回路中，并且其它传感器也可以以其它选择而存在。施力器被包括在该流体流通路中以向流体中携带的颗粒施加力。该力被用来将一些或全部颗粒引导到该再循环回路中。这在增加检测极限或检测量程之间提供了选择。处理器基于在该第一颗粒传感器处所检测到的颗粒浓度来确定流体中的颗粒浓度。

技术领域

本发明涉及用于检测流体流中的颗粒的传感器以及用于使用这样的传感器检测颗粒的方法。

背景技术

空气污染是世界范围的问题，并且空气污染的重要构成因素是悬浮在空气中的颗粒物。

颗粒污染来自于自然来源(诸如火山、沙尘暴、森林和草原火灾、生存植被和海洋飞沫)以及来自于人类活动(诸如燃料的燃烧、运输、发电厂以及各种工业处理)。在这些主要的颗粒来源之外还存在次要来源，它们是通过气体污染物复杂的大气化学反应所生成的细微颗粒。次要来源包括无机细微颗粒(例如，SO₂、NO₂、NH₃所生成的硫酸盐、硝酸盐和铵盐)以及(挥发性有机气体的氧化所生成的)有机细微颗粒。

颗粒污染在工业化速度拓宽了与空气质量相关的管理要求的边界的国家(例如，中国)格外严重。

官方户外空气质量标准将颗粒物浓度定义为每单位体积的质量浓度(例如，μg/m³)。特别值得关注的是具有直径小于2.5μm的颗粒(称作“PM2.5”)所造成的污染，因为它们能够渗透到肺部的气体交换区域(肺泡)之中，并且非常小的颗粒(100nm)会穿过肺而影响到其它器官。

当前中国针对PM 2.5限制的标准为75μg/m³。WHO标准的年度均值为10μg/m³，24小时均值为25μg/m³。因此，用来检测尤其处于低浓度的颗粒浓度的准确方式对于判断污染危害水平和相对应的健康影响是必不可少的。

此外，作为对消费者赋权增加的结果，对于有关生活空间的空气质量的信息的需求有所增加。空气质量数据的可用性以及国家和国际媒体的关注已经使得消费者对该问题强烈关注。

诸如花粉、细菌和病毒之类的生物颗粒对于空气质量而言也构成问题。

低成本的颗粒传感器可用于测量颗粒污染。它们通常是基于对经过检测体积的气流所携带的颗粒处所散射的光的量度。该光由LED或激光器所生成并且形成被有待感测的颗粒所穿插的聚焦光束。该气流经常是由用于强制性空气流的风扇或者用于对流气流的加热器所引起。光学颗粒传感器通常将颗粒计数作为传感器输出给出，并且该信息随后被转换为物质浓度。颗粒传感器还使用自混合干涉法来研发，借助于其来自所检测颗粒散射的光进入激光器并且引起激光功率的调制。

基于来自LED或激光器的散射的这些类型的颗粒传感器要在低浓度下给出稳定读数是耗时的。然而，空气中某些类型的颗粒被发现处于非常低的浓度。例如，花粉水平在以高于40颗粒/m³存在时被认为高。此外，这些光学传感器仅检测某个体积的空气中的颗粒，从而获得相对低的读数。

达到稳定数值的时间意味着用户在获得稳定且可靠的读数之前必须长时间等待。

另外的问题是为了提高传感器对于低颗粒浓度的空气样本的检测极限而对它们进行的调适，无法在空气中存在较高颗粒水平时提供必要的检测量程。

US 2003/0159932公开了一种用于感测低颗粒浓度的传感器系统。致动器被用来实施通道收窄以使得颗粒浓度有所增加。然而，这带来了附加的流动限制，其会影响通过传感器的整体流体流。

发明内容