EA024372B1 - Устройство и способ регистрации мелких частиц в аэрозоле - Google Patents

Abstract

Предложено устройство для регистрации мелких частиц, содержащихся в аэрозоле, в канале или пространстве, содержащее средство для переключения потока в устройство при заданной температуре. Способ регистрации мелких частиц, содержащихся в аэрозоле, в канале или пространстве с устройством, в которое затекает по меньшей мере часть частиц в канале или пространстве, причем поток в устройство переключается при заданной температуре.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству для регистрации частиц и, в частности, к устройству, определенному в преамбуле независимого п. 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу регистрации частиц и, более конкретно, к способу, определенному в преамбуле независимого п.6 формулы изобретения.

Предпосылки создания изобретения

Мелкие частицы, имеющие диаметр от 1 нм до 10 мкм, образуются во многих промышленных процессах и процессах сгорания. По различным причинам эти частицы измеряются. Измерения мелких частиц могут быть проведены из-за их потенциальных воздействий на здоровье, а также для контроля работы промышленных процессов и процессов сгорания, таких как работа двигателей внутреннего сгорания, особенно дизельных двигателей. Другой причиной контроля мелких частиц является увеличение использования и производства частиц с наноразмерами в промышленных процессах. Ввиду упомянутых выше причин существует потребность в надежном оборудовании и способах измерения мелких частиц.

Один пример способа и устройства предшествующего уровня техники для измерения мелких частиц описан в документе \УО 2009109688 А1. В этом способе предшествующего уровня техники чистый, существенно свободный от частиц газ подается в устройство и направляется как основной поток через впускную камеру в эжектор, предусмотренный внутри устройства. Чистый газ дополнительно ионизируется перед и во время подачи его во впускную камеру. Ионизированный чистый газ может быть предпочтительно подан в эжектор со скоростью звука или близкой к скорости звука. Ионизация чистого газа может быть выполнена, например, с использованием коронного разрядника. Впускная камера дополнительно предусмотрена с впуском образца, расположенным в гидравлическом сообщении с каналом или пространством, содержащим аэрозоль, имеющий мелкие частицы. Поток чистого газа и эжектор вместе приводят к всасыванию во впуске образца так, что образуется поток образца аэрозоля от канала или пространства к впускной камере. Таким образом, поток образца аэрозоля предусмотрен как боковой поток к эжектору. Ионизированный чистый газ заряжает частицы. Заряженные частицы могут быть дополнительно проведены обратно к каналу или пространству, содержащему аэрозоль. Мелкие частицы образца аэрозоля, таким образом, контролируются посредством контроля электрического заряда, переносимого электрически заряженными частицами. Свободные ионы могут быть дополнительно удалены с использованием ионной ловушки. В дополнение к упомянутым выше мелким частицам промышленные процессы и процессы сгорания обычно также образуют частицы, имеющие диаметр частицы больше чем 1 мкм или больше чем 2 мкм, 3 мкм, 5 мкм и даже еще больше. Эти крупные частицы, имеющие диаметр частицы больше чем 1 мкм, могут быть образованы в малых количествах при нормальных условиях работы, но могут быть образованы в больших количествах, особенно при специальных условиях работы, таких как во время запусков, глушений, условий неполадок. Распределение размера выхлопных частиц дизельного двигателя показывает три разных режима: режим ядер состоит из частиц, имеющих диаметр меньше чем примерно 50 нм, режим накопления состоит из частиц, имеющих диаметры от 50 нм до 1 мкм и в крупном режиме диаметр частиц больше чем 1 мкм. Большинство выхлопных частиц дизельного двигателя образуется после того, как выхлопные газы покидают выхлопную трубу, и эти частицы обычно принадлежат режиму накопления или ядер.

Одним важным требованием для устройств контроля мелких частиц является надежная работа. К тому же также предпочтительным является то, что эти устройства контроля мелких частиц могут работать в течение долгих периодов времени без необходимости обслуживания. Во многих применениях, таких как контроль мелких частиц двигателей внутреннего сгорания, дополнительно преимущественным является то, что устройство контроля может работать непрерывно для проведения измерений мелких частиц в реальном времени. Было неожиданно обнаружено, что проблема способа измерения мелких частиц предшествующего уровня техники, в котором образец аэрозоля всасывается из канала или пространства, содержащего аэрозоль, посредством использования потока ионизированного газа и эжектора, заключается в том, что во время запуска измерения от высокотемпературных каналов, такого как во время запуска измерения выхлопа дизельного двигателя, существует риск того, что пары, присутствующие в измеряемом аэрозоле, могут конденсироваться на внутренних поверхностях устройства измерения мелких частиц или в существенной близости от впуска устройства измерения мелких частиц. Конденсация приведет к ненадежному измерению мелких частиц.

Краткое изложение сущности изобретения

Целями настоящего изобретения являются разработка устройства и способа, преодолевающих недостатки предшествующего уровня техники. Цели настоящего изобретения достигаются устройством согласно отличительной части п. 1 формулы изобретения, причем это устройство содержит средство для включения потока устройства при заданной температуре.

Цели настоящего изобретения дополнительно достигаются способом согласно отличительной части п.6 формулы изобретения, причем этот способ содержит включение потока в устройство при заданной температуре.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

- 1 024372

Настоящее изобретение основано на идее разработки способа измерения мелких частиц в канале или пространстве. Частицы измеряются устройством, в которое затекает по меньшей мере часть частиц в канале или пространстве. Во избежание проблем, вызванных конденсацией, поток в измерительное устройство допускается только над некоторой заданной температурой. Для того чтобы полностью избежать конденсации воды, заданная температура должна быть по меньшей мере 100°С, и для того чтобы полностью избежать конденсацию летучих разновидностей, которые могут присутствовать в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, заданная температура должна быть по меньшей мере 200°С.

Предпочтительно измерение частиц основано на зарядке по меньшей мере части частиц, входящих в измерительное устройство, и измерении по меньшей мере части тока, переносимого частицами. Частицы могут быть заряжены, когда они входят в измерительное устройство, но в большинстве случаев предпочтительно заряжать частицы в устройстве. Зарядка частиц может быть выполнена различными способами, например посредством разряда диэлектрического барьера или коронного разряда. Зарядка частиц посредством ионизированного, существенно чистого воздуха, как описано в νθ 2009109688 А1, является преимущественным вариантом осуществления для зарядки частиц, поскольку оно исключает проблему загрязнения разрядного узла.

Для легкой работы изобретенного способа и устройства предпочтительным вариантом осуществления является тот, в котором переключателем, реагирующим на заданную точку температуры, является пассивный переключатель, то есть переключатель, который не требует внешней подачи энергии. Биметаллический переключатель используется для преобразования изменения температуры в механическое смещение. Полоса состоит из двух полос разных металлов, которые расширяются с разной скоростью по мере из нагревания, обычно из стали и меди, или в некоторых случаях из латуни вместо меди. Полосы соединены вместе по их длине посредством клепания, пайки или сварки. Разные расширения заставляют плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагреве и в противоположном направлении при охлаждении ниже ее исходной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на наружной стороне изгиба, когда полоса нагревается, и на внутренней стороне при охлаждении. Специалисту в данной области техники очевидно, что, несмотря на то, что в примере приведен биметаллический переключатель, такой переключатель на самом деле может быть сконструирован из любых двух материалов с подходящей упругостью и/или подходящей разностью теплового расширения.

В другом варианте осуществления изобретения включение/выключение измеряемого потока в устройство 30 может быть выполнено с устройством, содержащим термоэлектрическое устройство, то есть устройство с непосредственным преобразованием тепла в электричество. Такие устройства включают в себя, например, термопары, элементы Пельтье и тому подобное, но не ограничены этим. Такое устройство может, например, управлять клапаном, открывающим и закрывающим канал потока.

Функция включения/выключения может быть выполнена на входе устройства или на выходе устройства. В таких вариантах осуществления, которые содержат поток существенно чистого газа, как в устройствах, подобных описанному в νθ 2009109688 А1, включение/выключение также может быть выполнено посредством переключения потока чистого газа. Этот вариант осуществления имеет дополнительное преимущество, когда включается и выключается выпуск устройства, так как в выключенном состоянии существенно чистый газ течет через впуск устройства и, таким образом, эффективно защищает впуск от входа холодного газа.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемый принципиальный чертеж, на котором показан принцип варианта осуществления изобретенного устройства.

Для понятности на чертеже показаны только детали, необходимые для понимания изобретения. Конструкции и детали, которые не являются необходимыми для понимания изобретения и которые очевидны для специалиста в данной области техники, были опущены на чертежах для подчеркивания особенностей изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения

На чертеже показан принципиальный чертеж устройства 1 контроля частиц в канале или пространстве. Устройство 1 содержит средство 10 для включения потока устройства при заданной температуре. Устройство 1 может дополнительно содержать средство 7 для зарядки частиц в устройстве 1 и средство 8 для определения тока, переносимого, по меньшей мере, некоторыми из частиц. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 1 содержит средство 5 для впуска потока существенно чистого газа в устройство 1 и средство б для ионизации 6 существенно чистого газа.

В одном варианте осуществления средство 10 для включения потока устройства при заданной температуре 10 представляет собой биметаллический переключатель. В другом варианте осуществления изобретения средство 10 для включения потока устройства при заданной температуре содержит термоэлектрическое устройство.

Вариант осуществления на чертеже подходит для использования в качестве датчика 1 частиц для измерения концентраций частиц внутри или у выхода выхлопной трубы 2 двигателя внутреннего сгорания. Устройство 1 присоединено к выхлопной трубе 2 соединениями 3. Поток существенно чистого, ионизированного газа создает разность давлений между впуском 12 устройства 1 и выхлопной трубой 2,

- 2 024372 причем давление у впуска 12 ниже, чем давление у выхлопной трубы 2. Отрицательное давление вызывает поток газа от выхлопной трубы 2 в устройство 1. Поток ионизированного чистого газа создается посредством подачи существенно чистого газа через газопровод 5 к узлу 6 коронного разряда, который ионизирует существенно чистый газ. Ионизированный газ заряжает частицы в зарядной камере 7, которую следует понимать более как виртуальную камеру, чем как четко определенную часть устройства 1. Устройство 1 дополнительно содержит средство 8 для измерения электрического тока, переносимого заряженными частицами. Для настоящего изобретения важным является то, что устройство 1 содержит средство 10 для закрывания потока газа, содержащего частицы, в устройство 1, когда температура устройства 1 такова, что летучие компоненты в потоке газа, содержащего частицы, могут конденсироваться в устройстве 1. Точка 9 измерения для измерения температуры предпочтительно выбирается так, чтобы измеренная температура была показательной для определения потенциального риска конденсации. Точка 9 измерения может быть выбрана так, чтобы быть внутри или снаружи устройства 1 или внутри или снаружи выхлопной трубы 2.

Средство 10 для закрывания потока газа, содержащего частицы, в устройство 1 предпочтительно содержит устройство, реагирующее на изменение температуры. Предпочтительно такое устройство может быть биматериальным переключателем, таким как биметаллический переключатель, в котором разные коэффициенты теплового расширения по меньшей мере двух разных материалов заставляют биметаллический переключатель изгибаться по мере роста температуры биметаллического переключателя, чтобы при заданной температуре биметаллический переключатель позволял газу, содержащему частицы, входить в устройство 1.

Средство 10 для закрывания потока газа, содержащего частицы, в устройство 1 может быть помещено как к стороне вверх по потоку, так и вниз по потоку устройства 1. Когда средство 10 расположено на стороне вниз по потоку устройства 1, и средство 10 закрывает поток газа, существенно чистый газ будет течь через впуск 12 из устройства 1, таким образом эффективно предотвращая поток газа, содержащего частицы, в устройство 1, таким образом сохраняя устройство 1 чистым перед измерением и даже очищая впуск 12.

Средство 10 для закрывания потока газа, содержащего частицы, в устройство 1 может также содержать термоэлектрическое устройство, в котором тепло в точке 9 измерения создает электрический сигнал, который используется для управления функцией включения/выключения средства 10 для закрывания потока газа, содержащего частицы, в устройство 1. В одном варианте осуществления настоящего изобретения термоэлектрическое устройство управляет клапаном 11, который включает или выключает поток 5 существенно чистого газа. Когда поток существенно чистого газа в устройство 1 остановлен, также остановлено всасывание газа, содержащего частицы, в устройство 1.

Устройство 1 может быть нагрето для увеличения температуры устройства 1 или точки 9 измерения. Нагревание может быть выполнено внешним средством, но в предпочтительном варианте осуществления для использования устройства 1 для измерения выхлопных частиц двигателя внутреннего сгорания нагревание выполняется посредством передачи тепла от выхлопных газов к устройству 1.

Возможно произвести различные варианты осуществления изобретения согласно сущности изобретения. Следовательно, представленные выше примеры не должны быть поняты как ограничивающие изобретение, но варианты осуществления изобретения могут быть свободно изменены в объеме обладающих признаками изобретения признаков, представленных в формуле изобретения, прилагаемой ниже в этом документе.

Claims (14)

1. Устройство (1) для регистрации мелких частиц, имеющих диаметр от 1 нм до 10 мкм, в аэрозоле, подаваемом из канала или пространства, содержащее средство для регистрации частиц в измеряемом потоке аэрозоля, впуск (12) для подвода измеряемого потока аэрозоля, содержащего частицы, из канала или пространства в устройство (1), и выпуск для отвода прошедшего через указанное средство потока аэрозоля в канал или пространство, отличающееся тем, что впуск содержит переключатель (10) для переключения измеряемого потока аэрозоля, содержащего частицы, из канала или пространства в указанное устройство при заданной температуре устройства (1), которая выше температуры конденсации по меньшей мере одного пара, присутствующего в аэрозоле.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что переключатель (10) выполнен с возможностью переключения потока при заданной температуре, которая выше или равна 100°С.

3. Устройство (1) по п.1 или 2, отличающееся тем, что устройство (1) содержит средство (7) для зарядки частиц в устройстве (1) и средство (8) для определения тока, переносимого, по меньшей мере, некоторыми из заряженных частиц.

4. Устройство (1) по п.3, отличающееся тем, что устройство (1) содержит средство (5) для впуска потока существенно чистого газа в устройство (1) и средство (6) для ионизации существенно чистого газа.

5. Устройство (1) по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что переключатель (10) представляет со- 3 024372 бой биметаллический переключатель или содержит термоэлектрическое средство.

6. Способ регистрации мелких частиц, имеющих диаметр от 1 нм до 10 мкм, присутствующих в аэрозоле в канале или пространстве, причем частицы регистрируют устройством по любому из пп.1-5, содержащий этапы, на которых подают измеряемый поток аэрозоля, содержащий частицы, из канала или пространства в устройство (1), регистрируют мелкие частицы в устройстве и отводят выпускной поток из устройства в канал или пространство через выпуск, отличающийся тем, что переключают измеряемый поток, содержащий частицы, из канала или пространства в устройство (1) при заданной температуре устройства (1), которая выше температуры конденсации по меньшей мере одного пара, присутствующего в аэрозоле.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что пар, присутствующий в аэрозоле, является паром воды.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что регистрация частиц основана на измерении тока, переносимого заряженными частицами, причем предпочтительно заряжают частицы, входящие в устройство.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что заряжают частицы посредством ионизированных, существенно чистых газа или воздуха.

10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что заданная температура выше 100°С.

11. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что переключатель является пассивным средством.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что пассивное средство представляет собой биметаллический переключатель.

13. Способ по любому из пп.6-12, отличающийся тем, что измеряемый поток аэрозоля подают в устройство при заданной температуре.

14. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что обеспечивают поток (5) ионизированного, существенно чистого газа в устройство (1) и подают указанный поток при заданной температуре.