专利名称：用于表征空气流中带电大气颗粒的尺寸分布随着时间的演变的设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于表征空气流中带电大气颗粒(airborne particle)的尺寸分布随着时间的演变的设备。
背景技术：
我们周围的空气包含不同尺寸和形状的颗粒，这些颗粒与废气和其他污染物一起造成一定区域内的总的空气污染。一些颗粒是人为的，并且可能来源于例如车辆中化石燃料的燃烧。其他颗粒则自然出现，并且可能来源于火山、尘暴、森林火灾等等。5-500nm尺寸范围内的颗粒被分类为超微颗粒(UFP)。像例如煤烟颗粒一样，已知UFP对人类而言是特别有害健康的。已经证明，大气UFP的吸入由于其在肺中的沉积而可能导致严重的肺损伤。鉴于以上所述，测量我们周围的空气中UFP的特性是非常重要的。可以通过使用 UFP测量设备来收集关于大气超微颗粒(UFP)的特性的信息，所述UFP测量设备允许实现大气颗粒的局部检测并且涉及测量空气中的颗粒数浓度N、数量平均颗粒直径C^av以及颗粒尺寸分布dN(dp)/dln(dp)。特别地，引起的与向UFP空气污染的暴露关联的健康危害据信与UFP长度浓度L = N*dp，av有关。后一推论的原因来自以下考虑(参见例如H. Fissan et. al. , Journal of Nanoparticle Research (2007)，Vol. 9, pp. 53 - 59):吸入的大气颗粒的相对健康危害很可能与吸入之后沉积在呼吸道中的每单位体积吸入空气的颗粒表面面积关联。此外，当正确考虑了吸入大气颗粒的沉积效率与其在呼吸道不同区域中的直径的函数关系时，该沉积颗粒表面面积浓度可以被证明与吸入空气中的颗粒长度浓度 L成比例(国际辐射防护委员会ICRP，1994)。图Ia中示出了 W02007/000710 A2中公开的一种现有技术UFP传感器。测量设备 10包括可选地设有颗粒预滤器12的空气入口部分11。该UFP传感器进一步包括颗粒充电部分18，其能够在采样的空气流中的大气颗粒进入设备10中之后对这些大气颗粒充电。此外，UFP传感器10包括包含法拉第笼装置(Faraday cage arrangement) 16的颗粒感测部分13，该法拉第笼装置与UFP传感器10的其余部分电绝缘并且经由灵敏电流计15连接到地电位。进入法拉第笼装置16的空气流中的带电颗粒与其电荷一起被法拉第笼内部的空气可渗透过滤介质捕获，从而产生电流Is，该电流可以由电流计15测量，其等于法拉第笼装置16内部每单位时间沉积的电荷。电流Is的幅度与进入法拉第笼装置16的空气流中大气带电UFP的浓度水平成比例，该比例因子由大气颗粒上的平均电荷确定。如果充电部分18 中的颗粒充电通过扩散充电完成，那么Is与颗粒长度浓度L = N*dp,av成比例(M . Adachi et.al. , Journal of Aerosol Sci. 16 (2), pp. 109-123，1985)。图la中的UFP传感器进一步设置有颗粒浓度变化部分17，其设置在颗粒充电部分18的下游，能够造成带电UFP的浓度在第一浓度水平与第二浓度水平之间变化。在图 Ia中，浓度变化部分17被实施为平行板部分(也称为“板部分”)，包括由平行板电极表面形成的空气导管19，在所述平行板电极表面之间可以施加电位差Vp。电极板之间的电位差创建了跨导管19的电场。如果跨导管没有施加电场，那么离开板部分的大气带电颗粒的浓度水平(第一浓度水平)将与进入板部分的大气带电颗粒的浓度水平基本上相同。如果跨导管在板之间施加了非零电场，那么进入板部分的大气带电颗粒的至少一部分将静电沉淀 (precipitate)到电极表面之一上，从而将离开板部分的大气带电颗粒的浓度水平降低到更小的第二浓度水平。离开板部分的带电颗粒的浓度水平随后由法拉第笼装置16接收，引起由电流计15测量的传感器电流Is。如上所述，测量的电流信号Is的幅度与由法拉第笼装置16接收的空气流中带电 UFP的浓度水平成比例，并且在带电UFP的浓度水平变化时变化。响应于随着时间的推移所施加的颗粒浓度的变化，所述已知传感器10在连续的时间间隔期间以串行的方式确定与变化的颗粒浓度水平关联的测量信号。包括至少两个测量信号的与至少两个变化的颗粒浓度水平的组相应的组是所需要的，并且对于确定总颗粒数浓度N和平均颗粒直径dp,av是足够的。可以连续地确定不同的测量信号组以便跟踪随着时间的推移总颗粒数浓度和平均颗粒直径的演变。为了精确地确定大气颗粒的总颗粒数浓度N和平均颗粒直gdp,av，已知传感器 10需要这样的环境，其中大气颗粒的总浓度和颗粒尺寸分布(即颗粒浓度与颗粒尺寸的函数关系)应当仅仅只是时间的缓慢变化函数，优选地基本上是时间平稳的(stationary in time)。在测量两个顺次获得的测量信号的单个组所需的时间间隔期间，所述单个组是单次确定总颗粒数浓度和平均颗粒直径所需的，总颗粒数浓度和平均颗粒直径应当保持基本上恒定。由于通常使至少最小时间段期间的信号平均成为必要的对于测量准确度的最小所需要求的原因，不可能使得该时间间隔任意小。对于非平稳瞬态环境中的精确操作而言， 需要可以也在高度瞬态的条件下确定总颗粒数浓度N和平均颗粒直径dp,av的设备，在所述高度瞬态的条件中，颗粒浓度水平在时间的推移期间可能快速地变化。这样的情况例如可能出现在存在机动车辆的位置处或附近。在现有技术中且如上所述，根据2个连续记录的传感器信号Is的系列测量，推断大气颗粒的颗粒数浓度N和平均直径dp,av，一个信号Is=I1在板部分中的沉淀电压Vp=O处测量，另一个信号Is=I2在沉淀电压Vp=V1处测量(参见图lb)。由于施加的非零Vp=V1从穿过板部分17的空气流中移除带电颗粒的至少一部分，通常有I2<Ilt)有启发性的是简要地描述这样的相对准确度，N和dp,av可以在其中带电大气颗粒的尺寸分布的特性随着时间的推移基本上保持恒定的平稳条件下利用设备10根据测量的信号I1和I2以该相对准确度推断。在相对于通过尺寸成比例地不同的传感器的参考空气流Φ*的通过所述传感器的空气流Φ (rn3/s)下(传感器尺寸和空气流Φ彼此相关，使得传
感器内部的空气速度保持基本上恒定且与Φ无关)，N依照方程1与I1和I2有关
权利要求
1.一种用于表征空气流中带电大气颗粒的尺寸分布随着时间的演变的设备，包括-空气入口，其用于空气流中的大气颗粒进入，-颗粒充电单元，其被设置成通过对进入设备的大气颗粒充电而创建带电大气颗粒的尺寸分布，-浓度变化部分，其能够造成在至少一个时间间隔期间带电颗粒的浓度在至少第一浓度水平和第二浓度水平之间变化，-颗粒感测部分，其能够产生与第一浓度水平相应的第一测量信号I1以及与第二浓度水平相应的第二测量信号12，以及-数据求值单元，其被设置成根据第一测量信号IdP第二测量信号I2以及参考颗粒直径dp,Mf推断带电大气颗粒的尺寸分布的颗粒数浓度N和平均颗粒直径dp,av，其中推断的平均颗粒直径dp,av相对于参考颗粒直径dp,ref的变化由设定的最大变化限界。
2.依照权利要求1的设备，其中基于第一测量信号I1、第二测量信号I2以及带电大气颗粒的尺寸分布的推断的平均颗粒直径dp,av推断颗粒数浓度N。
3.依照权利要求1的设备，其中所述浓度变化部分是能够在至少一个时间间隔期间电沉淀带电大气颗粒的尺寸分布的至少一部分的电沉淀单元。
4.依照权利要求1的设备，其中第一浓度水平与带电大气颗粒的创建的尺寸分布的浓度水平基本上相同。
5.依照权利要求1的设备，其中参考颗粒直径dp,Mf是预定义的颗粒直径《『
6.依照权利要求5的设备，其中预定义的颗粒直径Cl^优选地设置为20-100nm尺寸范围内的值。
7.依照权利要求1的设备，其中参考颗粒直径dp,Mf是先前推断的平均颗粒直径。
8.依照前面的权利要求中任何一项的设备，其中当第一测量信号I1小于或等于第二测量信号I2时，推断的平均颗粒直径dp,av被取为等于参考颗粒直径dp,ref。
9.依照前面的权利要求中任何一项的设备，其中当第一测量信号I1小于或等于预定义的参考信号Iyrf时，推断的平均颗粒直径dp,av被取为等于参考颗粒直径dp’ref。
10.依照权利要求1的设备，其中将推断的平均颗粒直径dp,av与推断的颗粒数浓度N 的数学乘积N*dp,av设置成与第一测量信号I1成比例。
11.依照权利要求1的设备，其中所述设定的最大变化分别依赖于所述两个测量信号 I1和I2中的至少一个的幅度。
12.依照权利要求1的设备，其中顺次地在连续时刻tk、tk+1、tM、……产生一系列第一测量信号I1 (tk)> I1(W2), I1(^4),……和一系列第二测量信号I2(tk+1)、I2(tk+3)、 I2(tk+5)、……，k代表整数，并且其中数据求值单元被设置成在产生了第一测量信号I1或第二测量信号I2时的每个时刻tk、tk+1、tk+2,……推断带电大气颗粒的尺寸分布的颗粒数浓度N和平均颗粒直径《Μ
13.依照前面的权利要求中任何一项的设备，其中该设备被设置用于测量带电大气颗粒的尺寸分布的特性随着时间的演变，这些带电大气颗粒主要为直径在5-500nm尺寸范围内，更优选地在10-300尺寸范围内的带电超微颗粒。
全文摘要
提供了一种能够记录空气流中带电大气颗粒的尺寸分布的特性随着时间的演变的设备。该设备包括空气入口、颗粒充电单元、浓度变化部分、颗粒感测部分和数据求值单元。特别地，设备的颗粒感测部分产生至少两个顺次获得的测量信号I1和I2，数据求值单元根据这些测量信号可以推断带电大气颗粒的尺寸分布的平均颗粒直径dp,av和数量浓度N的值。由于推断的平均颗粒直径dp,av相对于参考颗粒直径dp,ref的变化由设定的最大变化限界这一条件，可以在关于颗粒尺寸分布的特性的平稳条件和瞬态条件下获得N和dp,av的可靠值。该施加的条件显著地降低了作为时间函数的dp,av和N的推断值的分散性，同时仍然允许关于N和dp,av的瞬态特性随着时间的推移变得可见，而不必依赖于平均过程和/或设备硬件适应性。
文档编号G01N15/02GK102203584SQ200980143357
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月26日 优先权日2008年10月31日
发明者马拉 J. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司