[发明专利]颗粒传感器和颗粒感测方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于检测流体流中的颗粒的传感器。

背景技术

空气中的颗粒污染，特别是尺寸小于2.5μm直径范围的颗粒物质(称为“PM2.5”)是中国等国家的重大关切，其中工业化速度扩大了监管要求的边界。

由于增加消费者权力，对生活空间空气质量信息的需求正在增加。特别是在中国，过去十年来，过度的PM2.5污染已经成为常见的问题。这个问题也通过中国各个城市的连续测量得到验证。数据是公开的，并且可以通过手机应用或通过网络同时监测。

这些数据的可用性以及国内和国际媒体的不断关注引起了消费者对这一问题的强烈意识。

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)。中国大陆平均PM2.5污染浓度基于卫星数据计算，并且已发现该国大部分地区超过世界卫生组织限度10μg/m³，部分地区的PM2.5浓度达到并且甚至超过100μg/m³。

低成本的颗粒传感器例如基于在穿过检测体积的气流夹带的颗粒处散射的光的测量。气流例如由风扇或加热器引起。光学颗粒传感器通常给出颗粒计数作为传感器输出，并且该信息然后转换成质量浓度。然而，由于不同类型的悬浮微粒具有不同的密度，所以这种转换通常是不准确的。因此，低成本的光学方法不容易实现不同颗粒大小之间的区分。

可以使用更昂贵的专业光学系统，其也提供有关空气中的颗粒的大小分布的信息。然而，这些系统更复杂和昂贵。

存在备选的传感器设计，其收集颗粒并且随时间直接测量总收集的颗粒质量，例如使用重量分析法。然而，质量敏感传感器不区分颗粒的大小，并且因此不提供关于空气中的颗粒大小的分布的信息。因此，传统重量分析系统中的大小特定的颗粒检测(例如，PM2.5)需要附加的大小分类方法，诸如旋风分离器、过滤器、悬浮微粒取样器等，这增加了系统的复杂性并且产生维护负担。

质量测量可以例如使用石英晶体微天平、锥形谐振器、悬浮微粒取样器或称重过滤器和筛子来执行。

US2004259267A1描述了用于测量和鉴定气体中的颗粒含量的用于颗粒暴露评估的系统。该应用描述了用于区分小颗粒和大颗粒的颗粒大小鉴别器。热成像力用于捕获所有被鉴别的颗粒。在捕获之后，经由质量或光学检测来检测颗粒。US2002014158A1描述了一种用于收集流体流中的颗粒的系统。通过经由热成像力将颗粒沉积在表面上来收集颗粒。可选地，分析沉积的颗粒。

US2013036793A1描述了一种用于测量空气中的颗粒物质浓度的装置。弯曲通道用于分离不同大小的颗粒。收集表面用于收集分离的颗粒。

US2011197571A1提供了一种用于检测气流中的颗粒的方法和颗粒传感器装置。通过改变装置内部的温度，可以实现传感器上的颗粒累积。这种颗粒累积由传感器检测。

发明内容

因此，需要一种可以以低成本实现但是提供颗粒大小选择性的颗粒传感器。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于感测被夹带在流体流中的颗粒的颗粒感测系统，颗粒感测系统包括：

感测体积，具有夹带颗粒的流体将要穿过感测体积，感测体积形成流体沿着其流动的伸长的通道；

用于在流体中引起热泳颗粒运动的装置；

用于感测收集的颗粒的传感器，

其中该装置用于与重力方向相反地向上引起热泳颗粒运动，并且传感器位于感测体积的上端处；

传感器(12)包括沿着伸长的通道的长度方向布置的传感器元件系列(70)，每个传感器元件被定位为用于感测特定的颗粒大小。

在该系统中，使颗粒上的重力和热泳力在大致相反的方向上进行作用。这实现了颗粒大小的选择性，因为重力和热泳力关于颗粒大小具有不同的功能。特别地，该系统实现了关于颗粒大小的低通过滤功能。重力与颗粒体积成正比，即线性颗粒大小的立方体，而热泳力以不同的方式缩放。流体是例如诸如空气等气体、或诸如水等液体。

感测体积位于该装置内，例如在该装置的加热板与冷却板之间。当流体流过感测体积时，感测体积可以被定义为流体通道，其中感测体积具有伸长的通道的形状。通道沿着流体流的方向伸长。

该装置可以包括在感测体积的下端处的加热板。这在竖直方向上跨感测体积提供温度梯度。传感器所在的感测体积的顶部优选地保持在恒定温度。加热板可以包括珀耳帖元件或电阻加热元件。备选地或另外地，温度梯度可以通过在感测体积的下端处的冷却元件来获得。