专利名称：带有轴向风扇的气悬微粒传感器的制作方法
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，因为所有釆样 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. OCFM(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r//7eie/^rwz的"气 悬微粒测量〃er謂/ ^雄re膽""和#/油的"气悬微粒技术 〃eros^/ rec力/7oA^7乂 "中所阐释的。需要的必需临界压力降由下 式给出
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
Pv/Pa = 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. OCFM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 IO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，
因现在最大压力降已从临界流量孔设计的215. 6英寸水柱显著降 低，可以使用送风i殳备(air-moving device)而非正排量泵。径向再 生鼓风机能够移动压力范围达25英寸水柱的空气。这些鼓风机可用 DC电压控制，从而使它们易于集成到闭环流量控制系统。 一般而言， 它们在25W到75W的功率范围内运行，使得其与正排量泵相比成为功 率更低的选择。参见2000年12月26日获得授权的美国专利 No. 6， 167， 107。径向再生鼓风机的主要缺点在于它们的成本。因为对 于使用临界流量孔的粒子传感器，其最终系统安装成本仍然为每个传 感器500美元到700美元。所以，尽管这些系统提供连续监测且不需 要大规模气流系统，但在多粒子传感器系统中利用这些类型的鼓风机 仍然没有成本优势。
因此，仍然需要一种控制气悬微粒传感器中容积流速的系统和方 法，其可显著减小多传感器系统的最终安装成本并能提供对环境中所 有关键位置的连续监测。
发明内容
本发明通过提供一种在其中整个系统总压力降为3英寸水柱或更 小的光学粒子传感器促进本技术领域的发展并帮助克服上述提到的问 题。另一方面，本发明通过提供一种在其中包括轴向风扇的光学粒子 计数器促进本技术的发展并帮助克服上述提到的问题。优选地，该轴 向风扇包括高静压风扇或对转式风扇(counter-rotating fan)。优 选地，上述低压力降通过利用一个进气口喷嘴实现，该喷嘴在Q.1CFM 系统中为4mm'或更大，可替换性地，在1. OCFM系统中为25mm'或更大。
本发明提供一种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光学粒子传感器，该光学粒子传感器包括具有进气口和排气口的采样室； 用于让气体从进气口通过采样室流动到排气口的气流系统；光源；引 导光穿过采样室的光学系统；被设置以收集由流过采样室的气体中的 粒子所散射的光的光学收集系统；以及被设置以检测由光学收集系统 所收集的光的检测系统，该检测系统包括产生代表粒子的电信号的光 学检测器；其中，整个气流系统中的总压力降为3英寸水柱或更小。 优选地，该总压力降为2英寸水柱或更小。更优选地，该总压力降为 l英寸水柱或更小。优选地，该气流系统包括轴向风扇。优选地，该 轴向风扇包括高静压风扇或对转式风扇。优选地，该气流系统具有大 致0. 1CFM (立方英尺每分)的气体流量，包括横截面面积为4mm2 (平 方亳米)或更大的进气喷嘴。优选地，0. 1. OCFM气流系统包括内径为 6. 4mm或更大的入口管道。或者，该气流系统具有大致为1. OCFM (立 方英尺每分)的气体流量，包括横截面面积为25mm2 (平方亳米)或更 大的进气喷嘴。优选地，1. OCFM系统包括内径为9. 5mm或更大的入口 管道。优选地，1. OCFM包括内径为12mm或更大的入口管道。更优选 地，1. OCFM气流系统具有大致1. OCFM (立方英尺每分)的气体流量， 包括横截面面积为30mm2 (平方毫米)或更大的进气喷嘴。优选地，光 源包括功率为50毫瓦或更大的激光器。更优选地，光源包括功率为 100毫瓦或更大的激光器。本发明还提供如上所述的包括多个粒子传 感器的光学粒子计数器系统。
本发明还提供一种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光 学粒子传感器，该光学粒子传感器包括具有进气口和排气口的采样 室；用于让气体从进气口通过采样室流动到排气口的气流系统，该气 流系统包括轴向风扇；光源；引导光穿过采样室的光学系统；被设置 以收集由流过采样室的气体中的粒子所散射的光的光学收集系统；以 及被设置以检测由光学收集系统所收集的光的检测系统，该检测系统 包括产生代表粒子电信号的光学检测器。优选地，该轴向风扇包括对 转式风扇。或者，该轴向风扇包括高静压风扇。 在另一方面，本发明提供一种用于光学检测流动气体中悬浮的自 由粒子的光学粒子传感器，该光学粒子传感器包括具有进气口和排 气口的采样室；用于让气体从进气口通过采样室流动到排气口的气流系统；该气流系统的流速大致为0. 1CFM (立方英尺每分)并且其进气 口喷嘴的横截面面积为4mm2 (平方毫米)或更大；光源；引导光穿过 采样室的光学系统；被设置以收集由流过采样室的气体中的粒子所散 射的光的光学收集系统；以及被设置以检测由光学收集系统所收集的 光的检测系统，该检测系统包括产生代表粒子的电信号的光学检测器。
再一方面，本发明提供一种用于光学检测流动气体中悬浮的自由 粒子的光学粒子传感器，该光学粒子传感器包括具有进气口和排气 口的采样室；用于让气体从进气口通过采样室流动到排气口的气流系 统，该气流系统具有大致1. OCFM (立方英尺每分)的流速和横截面面 积为25mm2 (平方亳米)或更大的进气口喷嘴；光源；引导光穿过采样 室的光学系统；被设置以收集由流过采样室的气体中的粒子所散射的 光的光学收集系统；以及被设置以检测由光学收集系统所收集的光的 检测系统，该检测系统包括产生代表粒子的电信号的光学检测器。
本发明还提供一种检测流动气体中自由粒子的方法，该方法包括 利用轴向风扇让含有自由粒子的气体流动；引导激光束穿过气流；收 集由气体中的粒子所散射的光；以及检测所收集的光并输出表示粒子 参数的信号。优选地，所述流动包括使用对转式风扇或高静压风扇。
再一方面，本发明提供一种检测流动气体中自由粒子的方法，该 方法包括让含有自由粒子的气体以3英寸水柱或更小的总压力降从 进气口通过采样室流动到排气口；引导激光束穿过气流；收集由气体 中的粒子散射的光；以及检测所收集的光并输出表示粒子参数的信号。 优选地，所述流动包括让气体以2英寸水柱或更小的总压力降流过。 更优选地，所述流动包括让气体以1英寸水柱或更小的总压力降流过。 优选地，所述引导包括形成有效射束高度为2. 5mm (毫米)或更大的 激光束。优选地，所述引导包括形成功率为50毫瓦或更大的激光束。
本发明显著降低了光学粒子传感器的成本、尺寸和功耗。此外， 整个粒子计数器系统装置大大简化。通过阅读结合附图进行的对本发
明优选示例性实施方案的以下描述，可以更好地理解本发明的以上和 其它优点。
图1示出了根据本发明的光学粒子传感器的优选实施方案的框
图2图解了图1系统中使用的压力检测方法的优选实施方案；
图3图解了图l光学粒子传感器的流动池(flow cell)和检测光
学装置，显示了进气喷嘴和激光束的布置；以及
图4是应用多个图1光学粒子传感器的光学粒子计数器系统的优
选实施方案的框图。
具体实施例方式
在本公开文本中，术语"光"不限于可见辐射，而是以宽泛的意 义使用，指任何电磁辐射，包括红外、紫外、极远紫外和x射线辐射。 应该注意到，本说明书中所公开的粒子传感器和粒子计数器被设计成 能够检测流动气体中的自由单粒子，这使其区别于检测和分析气体本 身的粒子、气体中悬浮的粒子云或在气体中诸如被约束为以一条线流 动穿过光束的受约束粒子的其它系统。本领域普通技术人员会认识到， 检测气体中的自由流动单粒子和确定其尺寸是一项困难得多的工作， 对于尺寸小于1微米的粒子尤其如此；因此，粒子计数技术包括与其 它粒子检测和分析系统不同的技术。
气悬微粒计数器或传感器仪器利用高静压风扇或对转式风扇模 块。该仪器用来最小化压力降，主要是通过利用具有大横截面面积的 进气喷嘴实现。进气喷嘴的压力降被设计成在期望的流速下小于1英 寸水柱。总系统压力降被设计成尽可能小。
风扇模块可与智能流量控制系统串联使用。由于具有扩展的工作 电压范围，这些风扇模块理想地适合用于闭环流量控制系统中。可改 变DC电压以控制流速。由于风扇模块可使其每个风扇具有单独的DC 电源，可以独立控制这些风扇以扩展仪器的动态控制范围。可引入多 个风扇模块，以扩展仪器的动态范围或使仪器容量最大化。
图1示出了包括粒子传感器106和粒子计数器电子装置108的粒 子计数器100。粒子计数器电子装置108通常包括显示器110、诸如键 盘的输入装置112以及产生表示检测到的粒子参数输出的相关电子装 置，所述输出如包括各种粒子尺寸的不同通道中的粒子的数量。该电子装置是本领域已知的，在本说明书中将不进行详细讨论。
粒子传感器106包括流动池132、气流系统120和粒子检测电子 装置144。气流系统120包括入口管道115、粒子传感器气流输入管 118、进气喷嘴130 (图3)、采样室135、气流传感器121、内部气压 传感器122、风扇128、风扇速度控制器126、绝对压力传感器124、 排气过滤器160、连接采样室135和气流传感器121和122的气流管 150、连接气流传感器模块123和风扇128的气流管152、连接风扇128 和过滤器160的气流管156,以及输出气流管162。气流如下所述。利 用风扇128经由管道115将进气117吸入粒子传感器106，并且该进 气通过进气喷嘴130 (图3)在采样室135中产生气流138。然后，来 自室135的空气151进入气流传感器模块123,通过管152到达风扇 128。然后，风扇128通过管156将排出空气154排出到排气过滤器 160，然后排放空气164经由输出管162排出粒子传感器106。可选地， 排气歧管170可连接到输出管162以提供附加指向和动力来将排气移 出设备。正如本领域已知的，压力传感器121和122以及绝对压力传 感器124电连接到电压控制器126,电压控制器126电连接到风扇128 以控制风扇128的速度确保合适的容积流量通过系统，正如下文中将 更详细讨论的。正如本领域已知的，激光器134产生激光束136,该 激光束照射流138使得表示流138中粒子的散射能140被检测器142 检测到。粒子检测电子装置144放大来自检测器142的信号并在线147 上提供输出，该输出表示检测到的粒子的参数，如粒子的数量等。信 号147由粒子计数器电子装置108分析以提供用户所要求的任何常规 形式的输出数据，如粒子计数等。流动池132的设计在下文中结合图 3进行更详细描述。
参看图2,气流传感器121测量通过节流160的空气151的气流， 内部气压传感器122测量传感器106内的压力。风扇128通过连接管 152吸入空气151,通过连接管156、高效排气过滤器160和输出管162 排出空气154。从粒子传感器106排出空气的唯一出口是通过过滤器 160,该过滤器清洁排放空气164以减小系统100内的污染。大气压力 传感器124提供进入系统100的环境空气117的绝对压力。风扇速度 电压控制器126经由信号线184接收来自传感器121、 122、 124的信号，并调节DC电压、从而通过信号线131调节风扇1"的速度，以控 制进入粒子传感器106的空气117的容积流速。
图2图解了在传感器106内进行压力检测以在传感器106内获得 精确容积流速的原理。采样管150中空气的流速(分子/秒)由跨越节 流孔260的气流传感器121测量。压力传感器122测量采样管150内 的空气密度。为了获得期望容积流量下微粒的数量，利用分别由气流 传感器121和压力传感器122所提供的流速和大气压力确定容积流量。 压力传感器122可位于系统100内的任何位置；然而，较精确的容积 流速可由位于传感器106内的压力传感器122确定。更具体而言，如 图1中的可变速度风扇128被用作传感器106内的送风设备。差动气 流压力传感器121与节流孔206串联，以测量由通过孔260的气流导 致的通过孔260的压力差降。压力传感器122测量节流孔260紧上游 的绝对气压。绝对压力传感器124测量环境空气117的绝对气压。风 扇控制器126解释由压力传感器121、 122、 124所提供的信息并在信 号线131上得到输出信号，该输出信号控制风扇128的速度。这样， 系统100提供对风扇128的闭环反馈控制。
优选地，气流系统120提供从周围环境(即，空气源117)采样 的精确的0. 1或1. OCFM的容积流速。系统120可用于大约从海平面到 10, 000英尺之间变化的高度。由传感器120产生的压力差信号厶P 与通过粒子传感器106的流速成比例；不过，柏努利方程要求传感器 120处的空气密度是已知的从而得出实际容积流速。压力传感器122 用来测量该空气密度。
压力传感器122上游气流中的压力降导致其所在位置的空气密度 稍微不同于周围环境空气117中的空气密度。因此，压力比(来自压 力传感器l22的压力除以来自压力传感器124的压力)被解释以维持 气流传感器120处的所需容积流速，其相当于与从周围环境提取的 1. OCFM或0. 1CFM的容积流速。因此，气流系统120在当前周围环境 条件下产生精确的0. l到l.OCFM的容积流速，补偿由于地点海拔而变 化的空气密度以及由于环境条件而引起的本地空气压力变化。
以下方程可用于确定上面讨论的容积流速 理想气体定律p "PM/RT
其中
p-密度(kg/m3) P-压力(kPa)
M-空气的摩尔质量(28.97kg/kmol) R-通用气体常数(8. 314kJ/kmol.K) T =温度(。K ) 柏努利方程
Q ^ M:(2,AP) / p卢
其中
Q =容积流量 k-经验确定的常数 AP-压力差 p=密度
传感器106内容积流量Q的简化方程 其中
Q-环境容积流量 k-经验确定的常数 PAPso-压力传感器124的压力 PDPS=气流传感器120的压力差
PAPSE-压力传感器122的压力
优选地，压力传感器121是Honeywell Model DCXL01DV差动压 力传感器或 AUsensor小型放大低压力传感器Model I inch-G-P4V-Mini。对流量控制的进一步讨论，请参见例如Thom'as Bates等人于2000年12月26日获得授权的美国专利No. 6,167,107。
参见图3，其示出了根据本发明的优选实施方案的流动池(flow cell) 132。流动池132包括流动池壳308、流动池窗319、激光束入 口孔310、激光束出口孔312和镜子326。射束136由激光器134产生， 穿过窗319和入口孔310进入采样室135，通过出口孔312从流动池 132射出。正如与图1相关指出的，在室135中，激光束136穿过从进气喷嘴130流出的气流138，而气流138中的粒子散射激光。在图3 中方向向下的光散射由镜子326朝检测器142反射。镜子326和任何 相关的收集光学装置包括散射光收集系统330。激光束136中剩余的 光在束流收集器122中被吸收。散射的光由检测器142检测，检测器 信号由电子装置144处理，表示气流138中粒子参数的信号在147处 输出。检测器142和电子装置144包括散射光检测系统340。如下面 将讨论的，根据本发明的喷嘴130和激光束136显著大于现有技术粒 子计数器和粒子传感器中所使用的喷嘴和激光束，因而与现有技术粒 子传感器和粒子计数器相比允许使用低得多的压力降和不同类型的风 扇128。
图4示出了根据本发明的粒子计数器系统400，其可用于诸如制 造厂之类的环境中。系统400包括多个粒子传感器106A、 106B和 106C-106N以及计算机410，其中N是等于或大于2的整数。在一些实 施方案中，粒子传感器106A、 106B和106C-106N可使用诸如粒子计数 器100代替。粒子传感器106A、 106B和106C-106N经由电子连接器 404A、 404B和404C-404N连接到计算机410,这些连接器中的每一个 可以是电缆——以并行或串行、无线连接、因特网或任何其它方法电 连接到计算机。优选地，粒子传感器106A、 106B和106C-106N中的每 一个是如图1所示的粒子传感器106。计算机410可以是个人计算机、 工作站或本领域公知的安装有粒子计数软件的其它计算机。
本发明的一个特征是，根据本发明的粒子传感器106具有极低的 压力降，优选地该压力降小于5英寸水柱，更优选地该压力降小于3 英寸水柱，最优选地该压力降小于2英寸水柱。这允许使用轴向风扇 作为送风设备。如在风扇领域中公知的，轴向风扇在基本平行于风扇 旋转轴线的方向上移动空气。优选的轴向风扇的实施例为高静压风扇 和对转式风扇。这些装置在低压力降范围内移动空气方面非常有效。 如本领域已知的，高静压风扇是利用导叶片将空气的至少一部分旋转 能改变成沿轴向能量的轴向风扇。高静压风扇的一个实施例是Sunon Model PMD1204PQB1-A。该风扇可产生约0 - 1. 25英寸水柱的压力差。 市售对转式风扇才莫块的两个实施例是Sanyo Denki Sun Ace Model 9CR0412S501和Sunon Model PMD1204PPB1-A。对转式风扇利用一对旋转式风扇叶片，其中一个风扇叶片顺时针方向旋转，另一个风扇叶片 逆时针方向旋转。优选地，每个风扇叶片还以不同的速度旋转。例如，
Sunon Model PMD1204PPB1-A具有旋转速度分别为14， 500RPM和9， 500RPM的叶片。这使得对转式风扇模块可产生在风扇设计中通常看不 到的压力差。优选的对转式风扇模块可产生接近2英寸水柱的最大压 力差。将两个对转式风扇模块串联叠置可实现顺时针对逆时针的旋转 连续以及变化的旋转速度，完全能够产生接近4英寸水柱的压力差。
现有技术0. 1CFM粒子传感器的进气喷嘴横截面面积在约0. 5mm2 和0. 3mm'之间变化。因为这是粒子传感器系统中的最小物理节流口 ， 当气流被吸入通过其中时将产生最大的压力降。本发明的一个特征是， 进气喷嘴13的横截面面积被扩大，例如，扩大到4mm'或更大。试验 表明，4mm2的进气喷嘴面积产生低于0. 5英寸水柱的压力降。
现有技术0. 1CFM流速粒子传感器入口管道尺寸为内径(ID) 1/8 英寸(3. 2mm)和1/4英寸(6. 4mm )。现有技术粒子传感器的入口管道 横截面面积一般在1/8英寸ID管道的7.92 mi^到1/4英寸ID管道的 31. 67mi^之间变化。通常在入口管道的0到5英尺之间的任何位置运 行粒子传感器。由沿该入口管道向下流的采样气流产生的压力降是粒 子传感器系统中的第二大压力降。本发明的一个特征是，控制入口管 道压力降以适应轴向风扇。对于典型的5英尺长度，利用1/4英寸内 径的入口管道直径产生远远小于0. 2英寸水柱的0. 1CFM流速压力降。 在气流系统中存在其它较小的压力降；不过，利用常规的管道长度， 本发明提供总系统压力降小于1. 25英寸水柱的0. 1CFM流速的粒子传 感器。
现有技术1. 0CFM粒子传感器的进气喷嘴横截面面积在约5mm'和 20mm'之间变化。因为这是粒子传感器系统中的最小物理节流，当气流 被吸取通过该喷嘴时它将产生最大的压力降。根据本发明，l.OCFM粒 子传感器的进气喷嘴横截面面积是25mm2或更大。试验表明，25mm2的 进气喷嘴面积产生低于1英寸水柱的压力降。试验表明，30mi^的进气 喷嘴面积产生接近0. 5英寸水柱的压力降。因此，根据本发明的粒子 传感器，对于对转式风扇模块所产生的可获得的2英寸压力差来说， 其具有可忽略的进气喷嘴压力降。最常见的现有技术l. OCFM流速粒子传感器入口管道尺寸为1/4英 寸(6. 4mm )和3/8英寸(9. 5mm)的内径(ID )。这些现有技术粒子传 感器的入口管道横截面面积通常在l/4英寸ID管道的31.67mm2到3/8 英寸ID管道的71. 26mn^之间变化。通常在入口管道的0和5英尺之 间的任何位置运行该粒子传感器。由沿该入口管道向下流的采样气流 产生的压力降是该粒子传感器系统中的笫二大压力降。根据本发明， 也使入口管道压力降扩大以适应对转式风扇模块。如本领域普通技术 人员已知的，为了使大粒子的传输损失最小化，建议入口管道产生具 有大于3000雷诺数的湍气流。这可用于确定任意给定流速的最大入口 管道直径的准则。在1. 0CFM的流速下，入口管道可具有12mm的内径， 同时仍维持大于3000的雷诺数。常规长度的该管道直径产生远远低于 1英寸水柱的1. OCFM流速压力降。也存在其它更小的压力降；不过， 根据本发明的1. 0CFM流速的粒子传感器具有2英寸水柱或更小的总系 统压力降。
由于根据本发明的粒子传感器的喷嘴130较大，穿过采样室135 的聚焦气流138的高度也会较大。本发明的一个特征是，图3中竖直 方向喷射气流的高度为2.5毫米或更大。本发明的一个相关特征是， 激光束在图3中竖直方向的有效高度也是大致2. 5毫米或更大。这里 所使用的术语"有效高度"与在本技术领域中相同。如本领域已知的， 原则上激光束高度可延伸至无穷，但有效高度指射束具有足够能量以 有效检测粒子的高度。该高度一般称为激光束的半宽，也即，从射束 中心起射束能量减小一半的宽度。本发明的另一特征是，根据本发明 的粒子计数器的激光器134优选为50mw (亳瓦)到100mw的激光器。 更优选地，激光器134以可见光束的形式产生50mw (毫瓦)到100mw 的功率，最优选地，在大致660纳米波长产生50mw (毫瓦)到100mw 的功率。这样的激光器在高度为2. 5mm或更大激光束的整个有效射束 高度上提供足够的功率。
根据本发明的粒子传感器和粒子计数器设计的一个特征是成本降 低。优选地，根据本发明，将先前每采样位置500美元到700美元的 成本降低至不到100美元。本发明的另一特征是尺寸减小。前述Sunon 高静压风扇模块尺寸仅为40mmx40mmx28mm。这比现有技术仪器中使用的送风设备尺寸小得多。前述Sunon对转式风扇模块尺寸仅为 40mmx40mmx56min。这比现有技术仪器中所使用送风设备尺寸的1/4还 要小。本发明的又一个特征是重量减小。Sunon风扇模块的重量小于 88. 5克。这比现有技术粒子传感器中所使用送风设备重量的1/4还要 小。本发明的又一个特征是功耗降低。以16. 8W的最大功率运行，根 据本发明的技术消耗的功率远小于前述的送风设备。本发明的再一特 征在于风扇模块的寿命。由于一般具有30， 000小时的MTTF (平均无 故障)时间，根据本发明的风扇模块理想地适用于粒子计数仪器。
已经描述了 一种新颖的整个气流系统具有低得多的总系统压力降 的粒子传感器和粒子计数器系统。应该理解，附图中示出的和本说明 书中描述的特定实施方案是出于示例性目的，不应被解释为限制了本 发明，其将在下面的权利要求书中被描述。例如，尽管通过空气粒子 传感器和粒子计数器描述了本发明，但本发明可用于任何气体。也就 是说，可在本公开文本中出现词语"空气"的任何地方用词语"气体" 代替。类似地，术语"气体"当在本说明书中用于其中悬浮有粒子的 流体时，还意图包括在本领域中称为"气悬微粒计数器"的粒子传感 器或粒子计数器。此外，显而易见的是，本领域的普通技术人员可在 不偏离本发明构思的情况下，将所描述的具体实施方案用于多种用途 并修改。例如，尽管通过0. 1CFM和1. OCFM的粒子传感器和粒子计数 器描述了本发明，但本发明可用于具有任何流速的粒子传感器和粒子 计数器。同样显而易见的是，所记载的方法在许多情况下可按不同的 顺序执行；或者，可用等同结构和过程代替所描述的各结构和过程。
权利要求
1. 一种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光学粒子传感器(106)，所述光学粒子传感器包括具有进气口(115)和排气口(162)的采样室(135)；让所述气体从所述进气口通过所述采样室流动到所述排气口的气流系统(120)；光源(134)；引导所述光穿过所述采样室的光学系统(310，319)；被设置以收集由流过所述采样室的所述气体中的所述粒子所散射的光的光学收集系统(330)；以及被设置以检测由所述光学收集系统所收集的光的检测系统(340)，所述检测系统包括产生代表所述粒子的电信号的光学检测器(142)；所述光学粒子传感器的特征在于，整个所述气流系统中的总压力降为3英寸水柱或更小。
2. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述总压力降为2 英寸水柱或更小。
3. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述总压力降为l 英寸水柱或更小。
4. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统包括 轴向风扇(128)。
5. 如权利要求4所述的光学粒子传感器，其中所述轴向风扇包括 高静压风扇。
6. 如权利要求4所述的光学粒子传感器，其中所述轴向风扇包括 对转式风扇。
7. 如权利要求4所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统包括 多个所述轴向风扇。
8. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统具有 大致0. 1CFM (立方英尺每分)的气体流量，包括横截面面积为4mm2(平方毫米)或更大的进气喷嘴(130)。
9. 如权利要求8所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统包括 内径为6. 4mm或更大的入口管道(118)。
10. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统具 有大致1. OCFM(立方英尺每分)的气体流量，包括横截面面积为25mm2(平方亳米)或更大的进气喷嘴。
11. 如权利要求IO所迷的光学粒子传感器，其中所述气流系统包 括内径为9. 5mm或更大的入口管道(118)。
12. 如杈利要求IO所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统包 括内径为12mni或更大的入口管道。
13. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述气流系统具 有大致1. OCFM(立方英尺每分)的气体流量，包括横截面面积为30mai2(平方毫米)或更大的进气喷嘴(130)。
14. 如权利要求1所述的光学粒子传感器，其中所述光源包括功 率为50毫瓦或更大的激光器(134)。
15. 如权利要求1所迷的光学粒子传感器，其中所述光源包括功 率为100毫瓦或更大的激光器。
16. —种包括多个如权利要求1所述的粒子传感器的光学粒子计 数器系统。
17. —种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光学粒子传 感器(106)，所述光学粒子传感器包括具有进气口 (115)和排气 口 (162)的采样室(135);用于让所述气体从所述进气口通过所述 采样室流动到所述排气口的气流系统(120);光源(134);引导所 述光穿过所述采样室的光学系统(310, 319);被设置以收集由流过 所述采样室的所述气体中的所述粒子所散射的光的光学收集系统(330 );以及被设置以检测由所述光学收集系统所收集的光的检测系 统(340 ),所述检测系统包括产生代表所述粒子的电信号的光学检测 器(142);所述光学粒子传感器的特征在于，所述气流系统包括轴向 风扇(128)。
18. 如权利要求17所述的光学粒子传感器，其中所述轴向风扇包 括对转式风扇。
19. 如权利要求17所述的光学粒子传感器，其中所述轴向风扇包 括高静压风扇。
20. —种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光学粒子传 感器(106)，所述光学粒子传感器包括具有进气口 (115)和排气 口 (162)的采样室(135);用于让所述气体从所述进气口通过所述 采样室流动到所述排气口的气流系统；光源(134);引导所述光穿过所述采样室的光学系统(310, 319);被设置以收集由流过所述采样 室的所述气体中的所述粒子所散射的光的光学收集系统(330 );以及 被设置以检测由所述光学收集系统所收集的光的检测系统(340 ),所 述检测系统包括产生代表所述粒子的电信号的光学检测器(142);所 述光学粒子传感器的特征在于，所述气流系统包括轴向风扇，具有大 致0. 1CFM (立方英尺每分)的流速和横截面面积为4mm2 (平方毫米) 或更大的进气口喷嘴。
21. —种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光学粒子传 感器(106)，所述光学粒子传感器包括具有进气口 (115)和排气 口 (162)的采样室(135);用于让所述气体从所述进气口通过所述 采样室流动到所述排气口的气流系统(120);光源(134);引导所 述光穿过所述采样室的光学系统(310， 319);被设置以收集由流过 所述采样室的所述气体中的所述粒子所散射的光的光学收集系统(330 );以及被设置以检测由所述光学收集系统所收集的光的检测系 统(340 ),所述检测系统包括产生代表所述粒子的电信号的光学检测 器(142);所述光学粒子传感器的特征在于，所述气流系统具有大致 1. 0CFM (立方英尺每分)的流速和横截面面积为25mm2 (平方毫米)或 更大的进气口喷嘴。
22. —种检测流动气体中自由粒子的方法，所述方法包括让含 有所述自由粒子的所述气体流动；引导激光束穿过所述气流；收集由 所述气体中的所述粒子散射的光；以及检测所述收集的光并输出表示 所述粒子的参数的信号；所述方法的特征在于，所述流动包括使用轴 向风扇让含有所述自由粒子的所述气体流动。
23. 如权利要求22所述的方法，其中所述流动包括使用对转式风扇。
24. 如权利要求22所述的方法，其中所述流动包括使用高静压风扇。
25. —种检测流动气体中自由粒子的方法，所述方法包括让含 有所述自由粒子的所述气体从进气口通过采样室流到排气口；引导激 光束穿过所述气流；收集由所述气体中的所述粒子散射的光；以及检 测所迷收集的光并输出表示所述粒子的参数的信号；所述方法的特征在于，所述流动包括让含有所述自由粒子的所述气体以3英寸水柱或 更小的总压力降从所述进气口通过所述采样室流动到所述排气口 。
26. 如权利要求25所述的方法，其中所述流动包括让所述气体以 2英寸水柱或更小的总压力降流动。
27. 如权利要求25所述的方法，其中所述流动包括让所述气体以 1英寸水柱或更小的总压力降流动。
28. 如权利要求25所述的方法，其中所述引导包括形成有效射束 高度为2. 5mm (毫米)或更大的激光束。
29. 如权利要求25所述的方法，其中所述引导包括形成功率为 50毫瓦或更大的激光束。
全文摘要
一种用于光学检测流动气体中悬浮的自由粒子的光学传感器(106)，包括具有进气口(115)和排气口(162)的采样室(135)；让所述气体从所述进气口通过所述采样室流动到所述排气口的气流系统(120)；光源(134)；引导所述光穿过所述采样室的光学系统(310，319)；被设置以收集由气体中的所述粒子散射的光的光学收集系统(330)；以及被设置以检测所收集的光的检测系统(340)。整个所述气流系统中的总压力降为3英寸水柱或更小，该气流系统包括轴向风扇(128)，该轴向风扇可为高静压风扇或对转式风扇。在1.0CFM系统中，进气口喷嘴(130)的面积为25平方毫米或更大。
文档编号G01N15/02GK101432615SQ200780011736
公开日2009年5月13日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年3月30日
发明者T·贝茨 申请人:粒子监测系统有限公司