CN110785645A - 颗粒传感器和颗粒感测方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于感测流体中夹带的颗粒的颗粒感测***。该***包括：流通道，流体在纵向方向上通过该流通道；加热装置，用于加热流体以及由此在垂直于流通道纵向方向的方向上对流体施加正热泳力；以及第一传感器，用于在由加热装置加热后感测流体中的颗粒。热泳力增加第一传感器处的颗粒浓度。

Description

颗粒传感器和颗粒感测方法
技术领域
本发明涉及用于检测流体流中的颗粒的传感器和使用这种传感器检测颗粒的方法。
背景技术
悬浮颗粒污染，特别是直径小于2.5μm(称为“PM2.5”)的颗粒物，对于中国这样的国家的是个大问题，在这些国家，工业化的速度超出了与空气质量有关的监管要求的界线。
作为增加消费者赋权的结果，对关于居住空间的空气质量的信息的需求正在增加。特别是在中国，在过去十年，PM2.5的过度污染已成为一个普遍的问题。中国各城市的连续测量也证实了这一问题。该数据是公共可用的并且可以由移动电话应用或通过网络同时地监控。
这些数据的可用性以及国家和国际媒体的持续关注，使消费者对该问题有了强烈的认识。
官方室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PM2.5平均污染浓度基于卫星数据计算，并且发现中国大部分地区超过了世界卫生组织限制的10μg/m3，有些地区达到甚至超过了PM2.5浓度100μg/m3。
例如，低成本的颗粒传感器基于由通过检测体积的气流所夹带的颗粒散射的光进行测量。光由LED或激光器生成并产生聚焦光束，待感测的颗粒通过该聚焦光束。空气流例如由用于强制空气流动的风扇或用于对流空气流动的加热器引起。光学颗粒传感器典型地给出颗粒计数作为传感器输出，并且该信息然后被转换为质量浓度。使用自混合干涉测量法的颗粒传感器也正在开发中，通过该自混合干涉测量法，从被检测颗粒所散射的光进入激光器并引起激光功率的调制。
基于来自LED或激光器的散射，这些类型的颗粒传感器在低浓度下花费一定时间以给出稳定的读数。然而，发现，空气中某些类型的颗粒处于非常低的浓度。例如：当存在大于例如40个颗粒/m3时，花粉水平被认为是高的。此外，这些光学传感器仅检测一定体积的空气中的颗粒，从而获得相对低的读数。
为达到稳定值的长时间意味着在获得稳定和可靠的读数之前用户必须等待长时间。为了检测在低浓度下的更多颗粒，需要增加流速(每单位时间的采样空气体积)。这将需要更大的空气泵，这将增加传感器的尺寸。
由于特定颗粒在空气中的低浓度水平，用于选择性地感测特定的颗粒(像花粉)的传感器，在实践中很可能遇到问题。
US2003/0159932公开了用于感测低浓度颗粒的传感器***。致动器被用于实施通道变窄以使颗粒的浓度增加。然而这引入了附加的流限制，该流限制影响通过传感器的总流体流。
JPS57131036公开了基于光散射的颗粒计数***，其中热泳被用于在轴向上浓缩颗粒，从而使得可以使用小的光检测区域。
发明内容
因此，仍然需要一种颗粒传感器，其能够在检测低浓度的颗粒时更快地提供稳定的读数，并且不会不利地影响通过传感器的流。
本发明由权利要求书限定。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于感测流体中夹带的颗粒的颗粒感测***，包括：
检测体积，位于流通道内，流体在纵向方向上通过该流通道；
加热装置，用于生成垂直于流体流方向的热梯度，由此对夹带在流体中的颗粒施加正热泳力；以及
传感器，用于在检测体积处感测流体中的颗粒，其中热泳力被用于压缩由流内的颗粒占据的空间，并且由此将颗粒浓缩在检测体积内，
其中加热装置是可调节的，以对流体提供不同水平的热泳力，以及
其中所述***还包括控制器，该控制器适于：
在不加热的情况下获得初始颗粒浓度测量；以及
依赖初始颗粒浓度测量而控制加热装置。
在不增加流通道对流体流的阻力的情况下，能够使颗粒浓度的增加。检测体积位于流通道内的热梯度的末端部分或直接位于末端。
检测体积是流通道的子区域，从而使得颗粒浓度在检测体积中增加，但在流通道的其余部分中减少。颗粒由热泳力压缩，这意味着从至少两个相对侧施加力以产生漏斗效应。由此，颗粒不是简单地随着整体流移动，而是颗粒流的形状被控制以提供从至少两个相对侧变窄的流。检测体积例如由流通道的其余部分包围，因此压缩优选地在流通道内径向向内。特别地，在检测体积和限定流通道的导管的内壁之间存在完全开放的空间。
传感器优选地是远程的，即，其硬件在流通道外部，以使传感器本身也不对流提供任何阻力。传感器例如是光学的，从而检测体积是光学分析区域。
热泳力是在移动颗粒的混合物中观察到的现象，其中不同的颗粒类型展示出对温度梯度的力的不同响应。热泳可应用于颗粒污染物和花粉的颗粒检测。基于颗粒已经获得的动能，被加热的颗粒产生沿着温度梯度离开热源的快速流动。本发明利用所谓的正热泳，由该正热泳，所感兴趣的颗粒从热区域移动到冷区域。流体中较轻或较小的物质可能展示出负行为，以填充由所感兴趣的颗粒空出的空隙。以这种方式，总的流的横截面不改变，以及因此总的流速沿纵向方向保持相同，但是所感兴趣的颗粒在空间上浓缩。以这种方式，增加了在传感器处检测到的颗粒的浓度。
当检测低浓度的颗粒时，减少了传感器提供稳定读数所花费的时间。使用热泳来压缩颗粒是特别有利的，因为用于产生所需温度梯度的加热是容易控制的并且具有低的实施成本。
加热装置是可调节的，以对流体提供不同水平的热泳力。
可调节的加热装置允许改变力，并因此改变检测体积处颗粒浓度增加的程度。适当的热水平是例如取决于颗粒的主要浓度。如果颗粒的浓度低，则较高的热水平将是适当的。然而，如果颗粒的浓度较高，则较低的热水平以及可能根本没有热，将是适当的。在使用中，在由传感器尝试初始读数之后，可以改变热水平，以适合于特定流体。通过仅在需要时使用加热，而获得功率节省，并且还可以确保在高浓度的情况下传感器不饱和。
加热装置可以包括多个独立的可控制的加热元件。多个独立的可控制的加热装置的使用提供了提供加热装置的调节的简单方式。
检测体积优选具有比流通道的横截面积小的横截面积。流体流沿着流通道。流体进入流通道并流过加热流体的加热元件，并且温度梯度从而改变流体中颗粒的分布，而在检测体积中提供增加的颗粒浓度。
可以提供流控制器，用于控制通过流通道的流体的流动速度。
加热装置可包括围绕流通道的线圈或线圈组。通过提供围绕流通道的线圈，从所有方向流体被均等地加热，从而将流体浓缩到检测体积所处的流通道的中心。
纵向方向可以是竖直的(或稍微偏离竖直方向而不改变功能，例如小于10度)，并且加热装置适于生成通过流通道的流。以这种方式，加热装置生成通过(夹带在其运载气体、即空气中的颗粒的)流通道的对流热流(作为上升气流)，以及用于控制颗粒分布的热泳热梯度。
传感器可以包括光学传感器。光学传感器可以使用光散射或光反射来评估颗粒浓度，例如通过流通道的透明壁。
***可以包括第二传感器，用于在由加热装置加热之前感测流体中的颗粒。因此，可以在施加热泳力以浓缩颗粒分布之前和之后确定颗粒浓度。
***可以是用于感测流体中的颗粒的颗粒感测***，流体为空气。***可以是用于感测花粉的颗粒感测***。
花粉通常以低浓度存在于空气中。因此，适于克服与检测低浓度颗粒相关的问题的本***特别适用于检测空气中的花粉水平。然而，***也可用于确定其它颗粒(例如细菌和病毒)的水平。
在第二方面，本发明提供一种用于感测流体中夹带的颗粒的颗粒感测方法，包括：
使具有夹带颗粒的流体沿着流通道的纵向方向通过；
获得在流通道的检测体积处的初始颗粒浓度测量；
以取决于初始颗粒浓度测量的量加热流体，并且由此对流体施加正热泳力，该流体包括在与流通道的纵向方向垂直的方向上的分量；以及
在流通道的检测体积处感测颗粒，其中热泳力提供流内由颗粒占据的压缩空间，并且由此增加颗粒在检测体积处的浓度。
如关于***所讨论的，由加热流体，可以增加检测体积处的颗粒浓度，以及由此减少获得稳定读数的时间。
方法可以包括调节加热以获得稳定的感测结果。
取决于颗粒的浓度，不同的热水平以及因此不同的热泳力可能是适当的。如果颗粒浓度特别低，则可能需要增加加热以提供稳定的读数。备选地，如果颗粒浓度较高，则传感器可能饱和，以及加热可能需要减少或甚至关闭，以便提供适当的读数。
方法可以包括在加热颗粒之前用第二传感器感测颗粒。因此，可以在施加热泳力以浓缩流体之前和之后确定颗粒浓度。
方法可以用于感测夹带在流体中的颗粒，流体为空气。方法可以用于感测花粉作为的颗粒。
花粉通常以低浓度存在于空气中。因此，适于克服与检测低浓度颗粒相关的问题的本***特别适用于检测空气中的花粉水平。
附图说明
现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了已知的颗粒感测***；
图2示出了作为对图1***的修改的颗粒感测***的第一示例：
图3示出了加热装置对颗粒分布的影响；
图4示出了一种可能的加热装置；
图5示出了作为对图1***的修改的颗粒感测***的第二示例：
图6示出了具有一组可独立控制的加热元件的另一可能的加热装置；以及
图7示出了说明本发明的***的特定用途的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种用于感测流体中夹带的颗粒的颗粒感测***。***包括：具有纵向方向的流通道，流体将沿该流通道通过；加热装置，用于加热流体并由此在垂直于流通道的纵向方向的方向上、对流体施加正热泳力；以及传感器，用于感测由加热装置加热后的流体中的颗粒。传感器具有检测体积，并且热泳效应被用于增加检测体积中的颗粒浓度。
热泳的使用已知用于诱导空气中的颗粒沉积在质量传感器的表面上。例如，参考I.Paprotny、F.Doering、P.A.Solomon、R.M.White和L.A.Gundel2013年的“用于个人监测悬浮颗粒物的微制造空气-微流体传感器”(Microfabricated air-microfluidic sensorfor personalmonitoring of airborne particulate matter)：设计、制造和实验结果(传感器和致动器A201，506-516)。
本发明基于热泳的使用来控制传感器(例如基于光学散射的传感器)的检测体积中的颗粒浓度。
图1示出了可以应用于本发明的光学传感器的示例。图中，流体(气体)流10从流通道14的入口11到流通道14的出口12。流通道由导管形成，该导管具有沿着入口11和出口12之间的纵向方向的长度。在总流通道内，存在检测体积13。检测体积具有比总流通道更小的横截面(在沿着流体流10的方向上观察时)。这意味着流通道中的一些颗粒将通过通过检测体积并由颗粒传感器检测到，而其它颗粒将不会。尽管示出为3D体积，但是检测体积实际上可以包括大致平面的区域，其中当颗粒穿越平面时，颗粒被检测到。
在一个示例中，红外LED 14(λ＝890nm)被用于照射流体流,以使得能够基于散射的光学测量来光学检测夹带颗粒。LED位于检测体积13的一侧，并且在相对侧进行感测。备选的设计可以利用光的反射。
光学传感器16包括光电二极管传感器18和收集散射光的聚焦透镜20。
图1中示意性示出流控制设备22，用于诱导通过传感器设备的流。它可以包括风扇，或者加热器可以替代地用于产生对流热流。在使用加热的***中，所产生的浮力使得空气朝向检测器的顶部流动，携带颗粒通过流通道。在这种情况下，纵向方向可以是竖直向上的。
控制器24控制传感器信号的处理以及流量控制设备和光源的操作。
检测体积13形成在限定流通道14的导管的透明部分处，流通道14允许光穿透过导管。导管可以是壳体的一部分，该壳体放置在具有电子器件的印刷电路板上，电子器件用以将由于颗粒而产生的信号转换成计数。LED光直接朝向光电二极管传感器的泄漏(其将给出背景信号)被最小化，并且可以使用任何DC信号的电子滤波来创建脉冲颗粒信号。
传感器可用于为特定尺寸的颗粒提供颗粒计数。例如，脉冲颗粒信号被放大并与阈值电压进行比较。在某一颗粒尺寸之上，脉冲高度足以超过阈值。该阈值由此实施带通滤波功能。对脉冲进行计数并测量脉冲长度，导致低脉冲占用时间(LPO％)。
由此这种类型的传感器可以提供简单的颗粒计数(即，超过阈值设置的检测峰的数目的计数)以及能够获得颗粒尺寸信息的低脉冲占用测量。该阈值例如被实施为施加到比较器的阈值电压，该比较器控制传感器***的颗粒尺寸灵敏度。通过调节阈值，可以定义颗粒尺寸箱(size bin)以使得能够获得颗粒尺寸分布信息。
由此传感器基本上包括流通路、光源和光学检测器，流通路具有入口和出口并且在所述入口和出口之间具有气流，所述光学检测器用于在沿着该通路的检测体积内进行光学散射测量，其中该检测器信号与颗粒尺寸相关。如果使用可调节的阈值，则可以获得颗粒尺寸信息。
这种类型的光学颗粒传感器的设计和操作的进一步细节对于本领域技术人员将是公知的。
当要感测低浓度的颗粒时，传感器可能需要较长的时间来提供稳定的输出。
本发明通过使用热泳效应提供增加的颗粒浓度。该效应可以永久使用，也可以选择性地使用。例如，当检测低浓度的颗粒时，***于是可以允许传感器提供稳定读数所花费的时间减少，这是因为由传感器检测到更高数目的颗粒。由此该效应可以仅在初始稳定期间使用，或者但是仅当存在低颗粒浓度时使用连续地使用，或者其可以永久地使用时。
应当理解，术语“增加的颗粒浓度”包括从0(检测体积13中没有颗粒)增加到检测体积中的1个颗粒。实际上，对于每m3仅具有少量颗粒的颗粒检测，在任何时间在检测体积中将最有可能存在0颗粒或1个颗粒。由此，热泳加热的影响可以被认为是提高给定颗粒通过检测体积13的概率的一种方式，特别是当检测体积仅占据总流通道(即，流通路)的横截面积的一部分时，如图1中所示。
本发明特别关注低浓度。如果已经例如由选择性过滤分离了特定颗粒类型，则这可能发生。
例如，为了分离花粉，可以使用UV LED来(通过花粉)激发冷光。所得到的冷光通常指示生物材料，诸如花粉。由此，由仅检测特定波长(使用波长选择滤波器)，可以识别特定生物材料类型的信号。
例如，花粉颗粒的尺寸大于30μm，以及因此大于PM2.5或PM10设备中计数的颗粒。当执行分布式加热时，在一定长度上，花粉将因此在更长的距离之后比更小颗粒浓缩。
可以使用包括已知的颗粒浓度的流体来校准传感器，因此在施加特定水平的加热之后在传感器处的读数可以被转换为特定的颗粒浓度。备选地，还可以在特定条件下使用计算流体动力学方法来计算浓度因子。
使用热泳来浓缩颗粒是特别有利的，这是因为加热容易控制并且具有低的实施成本。
图2示出了作为对图1***修改的***的一个实施例。对于相同的部件，使用与图1相同的附图标记，并且不再重复描述。
提供加热元件30，用于在流通道14的内部体积内生成热梯度。在最简单的实施方式中，在限定流通道14的导管的外壁或内壁处的一个位置处可以存在加热元件，以使在远离该位置处创建温度梯度。优选地，加热元件围绕限定流通道14的导管(由图2所示的位于流通道横截面的相对侧上的加热元件部分表示)。由此，存在从流通道的外周到中心的温度梯度。流体沿着流通道的纵向方向流动经过加热流体的加热元件30，并且所产生的热泳力朝向导管的中心驱动所感兴趣尺寸的颗粒，检测体积13位于导管的中心。例如，指向检测体积的浓缩颗粒流的半径可以是原来流通道半径的一半，使面积减少为1/4且浓度对应增加。
检测体积可以位于中心处，或者如所示的水平导管，可以将其设置在中心下方以考虑重力的影响。
加热元件30位于检测体积13的上游，从而使得颗粒一旦到达检测体积13，颗粒就已经移动了。加热元件可以在检测体积13之前结束，或者加热元件可以与检测体积13重叠。
注意，热泳力遵循温度梯度，以及由此通常地垂直于流通道的纵向方向和流体的流动方向。然而，在实践中，从流通道的加热元件30所在位置的较暖区域到流通道的处于环境温度的末端也存在温度梯度。由此，在实践中，力将相对于流通道的垂直方向倾斜(典型地以锐角)。术语“垂直”和“流通道的纵向方向”也应当相应地理解。特别地，热泳力将至少具有垂直于流通道的纵向方向和流体的流动方向的分量。
一般来说，混合物中较大的颗粒从热的区域移动到较冷的区域(以及较小的颗粒以相反的方向运动)。由此，这种方法非常适合于检测较大的颗粒，如花粉。
典型地，流通道的横截面积仅为几平方毫米的量级，并且检测体积对应地较小。
图3示出了热泳力的影响。力示出为40。如示意性地示出的，所感兴趣颗粒的颗粒浓度在检测体积13内增加并且远离流通道径向地减小。关键是对流体施加力以将颗粒推入具有减小的横截面积的流中，从而浓缩颗粒。
物理地减小流通道/检测体积尺寸的已知备选方案不具有这样的的效果，原因在于已知备选方案减小了总流体流率，因为总流动阻力增加了。通过使用热泳，包含所感兴趣颗粒的体积被压缩到较窄的通道而不降低总流率。
图4示出了加热元件作为在检测体积上游围绕流通道的线圈50的可能实施方式。因为线圈围绕流通道，所以流体从所有方向被均等地加热，从而将流体浓缩到检测体积13的中心。
图5示出了***的另一个示例。在该示例中，***包括具有检测体积13B的第二传感器14B、16B，用于在加热元件30加热之前感测流体中的颗粒。使用两个传感器读数允许在施加热泳力而浓缩流体之前和之后进行测量。
使用该方法，可以获得总颗粒浓度因子。当浓度增加区域之前的颗粒浓度太高时，可以丢弃第二传感器的读数(由于饱和)，然后减小加热电流。当初始颗粒浓度非常低时，可以增加加热电流以增加颗粒计数。因此，可以提高传感器精度和/或因此提高感测速度。
加热元件可以具有可变输出功率以能够提供可变加热。
图6示出替代的加热元件可以被分成多个部分，示出为三个单独的线圈50A、50B、50C。由此，***的该示例包括沿着流通道的纵向方向的一系列加热装置。它们可以沿着流通道按顺序被布置(如图6示意性地示出的)，从而使得它们在稍微不同的位置提供加热，或者它们可以彼此交错，从而使得它们向流通道的相同纵向区域提供它们的加热功率。
这些单独的线圈可以独立地接通和断开。于是，可以不需要模拟控制。可调节的加热(无论是模拟的还是使用离散的加热元件)允许控制颗粒流的压缩程度。它可以依赖传感器读数而被动态地控制。如果存在高传感器读数，则使用较少(或不使用)热以节省功率并避免使传感器饱和。如果存在低传感器读数，则使用更多的热。依赖所施加的热来校准传感器输出，以便导出最终传感器输出。
如上文所提及的，已知可使用加热来创建通过流通道的所需流。用于产生热泳效应的加热元件也可用于提供沿流通道的流。为此目的，通道被竖直地布置，并且流通道的纵向方向由此也被竖直地定位，以生成竖直向上的流10。颗粒在检测体积的位置处浓缩在流通道的中心。
在不改变功能性的情况下，纵向方向可以从竖直方向偏移少量。
然后，加热具有两个效果。一个是使空气流通过流通道，另一个是在传感器的检测体积中浓缩颗粒。在非常高的浓度下，可能使传感器过载(太多的颗粒意味着没有记录准确的结果)，而在太低的水平下，传感器不能给出稳定的读数(太少的颗粒通过通过感测区域)。
加热元件能够用单个机构控制这两个因素。更多的热导致更快的空气流和更高的颗粒浓度(适用于低水平的污染)，而更少的热导致更慢的气流和更低的颗粒浓度(适用于高污染水平)。因此，可以确保由传感器观察的颗粒量在最佳范围内，并且通过基于控制信号调节传感器输出来计算实际值。
图7示出了描述该***和方法的可能使用的流程图。
在步骤70中，获得第一颗粒浓度测量(S1)。
在步骤72中，确定信号是否是弱信号(低于阈值Th)。如果存在足够强的信号，则该方法返回到步骤70以进行下一次测量。
如果存在弱信号，则在步骤74中施加热泳加热，并且在步骤76中获得第二颗粒浓度测量(S2)。
在步骤78中，确定信号现在是否强信号(高于阈值Th或另一阈值)。如果存在足够强的信号，则在步骤80中关闭加热器，并且该方法返回到步骤70以进行下一次测量。
如果存在弱信号，则过程返回到步骤76，用于在仍然施加热泳加热的情况下进行下一次测量。
该方法提供加热打开或关闭，但其可依赖测量的颗粒浓度扩展以提供不同水平的加热。
以这种方式，依赖所测量的颗粒的浓度，可能提供合适的不同水平的热以及因此提供合适的热泳力。
力可以被控制为具有两个水平中的一个(即开/关)，或在从零到最大值的模拟范围内。加热可以随时间脉动，因此传感器能够使用和不使用热泳浓度并且仅使用一个传感器来测量颗粒浓度。对于多个区段加热装置，区段可独立地接通或断开或控制在功率范围内，以提供连续的调节范围。
流体可以由风扇驱动通过流通道，尽管其它气体传播装置也可以被使用，诸如上面已经提到的离子风或自拔风。
在***中，传感器优选地包括如上所述的光学传感器。光学传感器可以使用光散射或光反射来评估颗粒浓度，例如通过流通道上的透明壁。
该***可以是用于感测任何流体中的颗粒的颗粒感测***。在一个实施例中，颗粒感测***用于感测流体(为空气)中的颗粒。该***可以是用于任何类型的颗粒(例如花粉、细菌和病毒)的颗粒感测***。花粉是重要的过敏原，可能对人们的健康有严重的影响。另外，它们也是哮喘的诱因。为了防止或最小化人类暴露，检测人类可能暴露于其中的花粉是重要的。所获得的信息可用于促使采取其它动作，例如真空清洁敏感人所驻留的居所或清洁这种居所中的表面。这可以自动地执行，或者可以向用户提供警报以手动地执行清洁动作。花粉通常以低浓度存在于空气中。因此，适于克服与检测低浓度颗粒相关的问题的***对于检测空气中的花粉水平特别有用。
传感器可以被集成到空气净化器中或者作为外部部件提供。本发明主要对家庭和办公室所感兴趣，但一般地对期待知道特定颗粒浓度的任何空间均有意义。
在上述示例中，加热元件被示出在流通道外部，由此加热通过通路的外壁。其当然可以在流通道内部而不改变如上所描述的本发明的功能。
上面已经给出了传感器配置的一个示例。然而，本发明可应用于其中传感器体积限定在较大流通路内的任何传感器。本发明避免需要提供对流通路的物理尺寸的任何控制(例如使用机械致动器)，并且由此提供了生成浓缩的颗粒体积的低成本方式。
本发明不限于光学散射传感器的使用。传感器可以基于照相机和图像识别，或者基于颗粒的荧光检测，或者基于光衰减。荧光对于诸如细菌和花粉的生物颗粒的检测可能是特别相关的。极化程度也可用于将花粉与其它颗粒“分离”。
通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅仅在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种用于感测流体中夹带的颗粒的颗粒感测***，包括：
检测体积(13)，位于流通道内，所述流体将在纵向方向上通过所述流通道；
加热装置(30)，用于生成垂直于所述流体流方向的热梯度，以及由此对夹带在所述流体中的颗粒施加正热泳力；以及
传感器(14、16)，用于在所述检测体积处感测所述流体中的所述颗粒，其中所述热泳力被用于压缩所述流内由所述颗粒占据的空间，并且由此将所述颗粒浓缩在所述检测体积(13)内，
其中所述加热装置(30)是可调节的，以对所述流体提供不同水平的热泳力，以及
其中所述***进一步包括控制器，所述控制器适于：
在不加热的情况下，获得初始颗粒浓度测量；以及
依赖所述初始颗粒浓度测量，而控制所述加热装置。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述加热装置(30)包括多个独立的可控制的加热元件(50A、50B、50C)。
3.根据任一前述权利要求所述的***，其中所述检测体积(13)具有比所述流通道(14)的横截面积更小的横截面积。
4.根据权利要求1至3之一所述的***，其中所述加热装置包括围绕所述流通道的线圈(50)或线圈组。
5.根据权利要求1至4之一所述的***，其中所述纵向方向是竖直的或接近竖直的，并且所述加热装置适于生成通过所述流通道的所述流。
6.根据权利要求1至5之一所述的***，其中所述传感器(14、16)包括光学传感器。
7.根据权利要求1至6之一所述的***，其中所述***包括第二传感器(14B、16B)，用于在由所述加热装置加热之前感测所述流体中的所述颗粒。
8.根据权利要求1至7之一所述的***，其中所述***是用于感测流体中的颗粒的颗粒感测***，所述流体为空气。
9.根据权利要求1至8之一所述的***，其中所述***是用于感测花粉的颗粒感测***。
10.一种用于感测流体中夹带的颗粒的颗粒感测方法，包括：
使具有夹带颗粒的流体沿着流通道的纵向方向通过；
获得在所述流通道的检测体积处的初始颗粒浓度测量；
以取决于初始颗粒浓度测量的量来加热所述流体，以及由此对所述流体施加正热泳力，所述正热泳力包括在与所述流通道的所述纵向方向垂直的方向上的分量；以及
在所述流通道的检测体积处感测所述颗粒，其中所述热泳力提供所述流内由所述颗粒占据的压缩空间，并且由此增加所述颗粒在所述检测体积处的浓度。
11.根据权利要求10所述的方法，包括调节所述加热以获得稳定的感测结果。
12.根据权利要求10或11所述的方法，包括在加热所述颗粒之前，用第二传感器获得所述初始颗粒浓度测量。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述流体是空气。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述颗粒是花粉。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111398103A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 北京工业大学 一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的测量方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10948392B2 (en) * 2017-11-14 2021-03-16 Aerodyne Microsystems Inc., a Delaware Corporation Airborne particle detection system with thermophoretic scanning
US10876949B2 (en) 2019-04-26 2020-12-29 Honeywell International Inc. Flow device and associated method and system
US11835432B2 (en) 2020-10-26 2023-12-05 Honeywell International Inc. Fluid composition sensor device and method of using the same
TWI771806B (zh) * 2020-11-18 2022-07-21 財團法人工業技術研究院 微粒感測裝置
US20220357261A1 (en) * 2021-05-07 2022-11-10 Honeywell International Inc. Device for detecting liquid content in an aerosol and method of using the same
US20220364973A1 (en) * 2021-05-13 2022-11-17 Honeywell International Inc. In situ fluid sampling device and method of using the same

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57131036A (en) * 1981-02-06 1982-08-13 Rion Co Ltd Light scattering type floating particle counting
CN103411864A (zh) * 2013-08-05 2013-11-27 深迪半导体(上海)有限公司 基于结构共振测量气体悬浮颗粒浓度的mems传感器
CN105806756A (zh) * 2016-01-30 2016-07-27 济南大陆机电股份有限公司 一种利用气象参数修正室内外pm2.5监测结果的方法
WO2016156305A1 (de) * 2015-04-02 2016-10-06 Tesa Se Wiederablösbarer haftklebestreifen
WO2016198321A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Koninklijke Philips N.V. Particle sensor and particle sensing method
CN106964230A (zh) * 2017-05-11 2017-07-21 南京工业大学 一种热泳空气过滤装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6023324A (en) 1997-11-05 2000-02-08 Comco, Inc. Particle flow monitor and metering system
GB2361883B (en) 2000-05-03 2003-05-28 Cell Analysis Ltd Method and apparatus for analysing low concentrations of particles
DE102005058830B4 (de) * 2005-12-09 2021-03-04 Robert Bosch Gmbh Sensor mit Thermogradientenpumpe
US7752885B2 (en) * 2006-12-07 2010-07-13 General Electric Company Gas analysis system and method
BR112013022328A2 (pt) * 2011-03-07 2016-12-06 Los Alamos Nat Security Llc método e aparelho para monitorar a qualidade de vapor
US8771402B2 (en) * 2011-06-14 2014-07-08 Ut-Battelle, Llc Membrane based apparatus for measurement of volatile particles
US10363514B2 (en) * 2015-03-27 2019-07-30 Koninklijke Philips N.V. Protecting an optical particle sensor from particulate desposits by thermophoresis
JP6083660B1 (ja) * 2016-01-29 2017-02-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 粒子検出センサ、ダストセンサ、煙感知器、空調装置、及び、粒子検出方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57131036A (en) * 1981-02-06 1982-08-13 Rion Co Ltd Light scattering type floating particle counting
CN103411864A (zh) * 2013-08-05 2013-11-27 深迪半导体(上海)有限公司 基于结构共振测量气体悬浮颗粒浓度的mems传感器
WO2016156305A1 (de) * 2015-04-02 2016-10-06 Tesa Se Wiederablösbarer haftklebestreifen
WO2016198321A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Koninklijke Philips N.V. Particle sensor and particle sensing method
CN105806756A (zh) * 2016-01-30 2016-07-27 济南大陆机电股份有限公司 一种利用气象参数修正室内外pm2.5监测结果的方法
CN106964230A (zh) * 2017-05-11 2017-07-21 南京工业大学 一种热泳空气过滤装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111398103A (zh) * 2020-03-31 2020-07-10 北京工业大学 一种基于“三明治”模型约束羽辉的激光焊接中光束内微粒的测量方法

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