KR200484692Y1

KR200484692Y1 - 확인된 공기 흐름을 생성하기 위한 장치 및 방법, 및 확인된 공기 흐름의 입자 농도 측정에서의 그러한 장치의 용도

Info

Publication number: KR200484692Y1
Application number: KR2020147000040U
Authority: KR
Inventors: 카우코 얀카
Original assignee: 페가소 오와이
Priority date: 2012-02-18
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2017-10-18
Also published as: EP2815226B1; EP2815226A1; CN205091225U; WO2013121095A1; KR20140005288U

Abstract

본 고안은 확인된 흐름(Q)을 생성하기 위한 장치를 개시한다. 상기 장치는, 적어도 부분적으로는, 본질적으로 수직인 방향, 즉 중력 방향으로 정렬되는 방향으로 공기가 통과하여 흐르도록 하는 제1통로(2), 상기 제1통로(2)에 배치되고, 상기 통로에서 공기로 운반되는 단극성 이온들(8)을 발생하는 방전 전극(5), 상기 제1통로(2) 내에서 온도차를 발생하도록 배열됨으로써 상기 제1통로(2)를 통한 공기 흐름(Q)을 생성하는 가열 수단(6) 또는 냉각 수단(7), 공기로 운반되는 전하의 농도 함수인 출력을 갖는 센싱 요소(12, 13), 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 영향을 미치는 파라미터의 스위칭 또는 조절 수단(17), 및 상기 스위칭 또는 조절 수단(17)에 의한 스위칭 또는 조절 동작이 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 대해 생성하는 응답 시간에 기초하여 용량 흐름(Q)을 결정하기 위한 수단을 포함한다. 본 고안은 초미세 입자 농도를 결정하기 위한 장치(1)의 용도를 개시한다. 본 고안은 또한 확인된 흐름을 생성하는 방법을 개시한다.

Description

확인된 공기 흐름을 생성하기 위한 장치 및 방법, 및 확인된 공기 흐름의 입자 농도 측정에서의 그러한 장치의 용도{APPARATUS AND PROCESS FOR PRODUCING ACKNOWLEDGED AIR FLOW AND THE USE OF SUCH APPARATUS IN MEASURING PARTICLE CONCENTRATION IN ACKNOWLEDGED AIR FLOW}

본 고안은 기지의 공기 흐름(known air flow)을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 고안은 또한 기지의 공기 흐름을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 고안은 또한 공기 흐름의 입자 농도를 결정함에 있어서 기지의 공기 흐름을 생성하기 위한 장치의 이용에 관한 것이다.

공기의 품질을 측정하기 위한 각종 센서에 있어서 기지의 용량 흐름(volumetric flow)을 갖는 센서를 통해 공기를 통과시킬 필요성이 존재한다. 이러한 센서에는, 예컨대, 입자 농도 센서, 습도 센서 및 다양한 가스 센서들이 포함된다.

미세입자들은 수많은 산업 공정과 연소 공정에서 형성된다. 더욱이, 미세입자들은 덕트나 통풍 시스템 및 실내 공간에서 흐르는 호흡 공기에도 존재한다. 여러 가지 이유에서 이러한 미세입자들을 측정한다. 미세입자의 측정은 그의 잠재적인 건강상의 효과 때문에, 또한 산업 공정이나 연소 공정의 조작을 모니터하기 위해서도 수행될 수 있다. 미세입자들은 또한 공기 품질을 모니터하기 위한 통풍 시스템에서도 측정된다. 미세입자들을 모니터하는 다른 또 하나의 이유는 산업 공정에 있어서 나노 크기 입자들의 사용과 생산의 증가에 기인한다.

미세입자들을 측정하기 위한 하나의 선행 기술 방법과 장치는 국제특허출원 제WO2009109688 A1호에 기술되어 있다. 이 선행 기술의 방법에서는, 청정 가스(clean gas), 본질적으로 입자가 없는 가스가 해당 장치에 공급되고, 주입 챔버를 경유하여 그 장치 내부에 제공된 배출기에 주된 흐름으로서 안내된다. 청정 가스는 주입 챔버로 공급되기 전 및 도중에 또한 이온화된다. 이온화된 청정 가스는 바람직하게는 음속으로, 또는 음속에 근접한 속도로 배출기에 공급될 수도 있다. 청정 가스의 이온화는, 예를 들면, 코로나 하전기를 이용하여 이루어질 수도 있다. 주입 챔버에는 또한 미세입자를 갖는 에어로졸을 포함하는 채널 또는 공간과 유체 상으로 통하도록 배열된 샘플 주입구가 제공된다. 청정 가스 흐름 및 배출기는 함께 샘플 주입구에 대한 흡인을 가능케 함으로써 상기 덕트 또는 공간으로부터 주입 챔버로 향하는 샘플의 에어로졸 흐름이 형성되도록 한다. 따라서, 샘플 에어로졸 흐름은 배출기에 대한 사이드 흐름으로서 제공된다. 이온화된 청정 가스는 입자들을 하전시킨다. 하전된 입자들은 또한 에어로졸을 함유하는 덕트 또는 공간으로 다시금 안내될 수도 있다. 따라서 에어로졸 샘플의 미세입자들은 전기적으로 하전된 입자들에 의해 운반된 전하를 모니터함으로써 추적된다. 자유 이온들은 또한 이온 트랩을 이용하여 제거할 수도 있다.

국제특허출원 제WO2009109688 A1호에 기술된 입자 센서의 조작은 청정 공기 또는 청정 가스의 공급원을 필요로 한다. 측정 간격이 짧은 일부 특별한 경우에서는 가스 실린더 또는 그에 상당하는 것이 청정 공기를 제공하기 위해 사용될 수 있을지라도, 대다수의 경우에 필요한 용량 흐름과 조작 압력을 생성할 수 있는 어떤 유형의 펌프를 사용하는 것이 편리하다. 모든 파라미터들이 본질적으로 일정하게 유지될 때, 국제특허출원 제WO2009109688 A1호에 기술된 구성은 센서를 통해서 본질적으로 일정한 샘플 흐름을 제공한다. 그러나, 센서에서 입자 축적의 변화와 같은 조작 파라미터나 다른 조건에서의 변화가 발생한다면, 센서를 통한 용량 흐름이 결정되어야만 한다. 그러나, 국제특허출원 제WO2009109688 A1호는 이에 대해서는 언급이 없다.

미세입자 모니터링 장치들에 대한 하나의 중요한 요구사항은 신뢰성 있고 효율적인 조작이다. 더욱이, 이러한 미세입자 모니터링 장치들은 이러한 미세입자 측정을 실시간으로 수행하기 위하여 낮은 에너지 소모로 연속적으로 조작할 수 있는 것이 또한 바람직하다.

팬, 펌프 또는 압축 가스의 사용과 같은, 센서의 조작에 필요한 흐름을 생성하기 위한 통상적인 수단들이 존재하기는 하지만, 그러한 해결책들은 예컨대, 빈번히 요구되는 정비로 인하여 때로는 불편하다. 그러므로, 장기간의 신뢰성 있는 공기 흐름을 제공하는 방식으로 흐름을 생성할 필요가 있다.

적어도 부분적으로는 본질적으로 수직방향인 공기 통로에서의 온도 차이로 인하여 연돌 효과(chimney effect)(굴뚝 효과(stack effect)라고도 함), 즉 통로를 통한 공기의 흐름을 생성하는 것은 당해 기술분야의 전문가에게 잘 알려져 있다. "BAE 시스템 리미티드"의 유럽특허공보 EP 1　155　344 B1호(2003. 4. 16일자)에는 대류성 공기 온도 및 습도 센서가 기술되어 있다. 이 센서는 개방된 상단부를 구비하는 상향 구멍으로써 형성되는 외부 부재를 구비한다. 상기 구멍 내에 배치된 하부와 상기 외부 부재 위로 돌출하는 상부를 구비하는 관 형태의 내부 부재가 제공된다. 관의 상부에 적용되는 태양열 방사가 연돌 효과를 나타내고, 이 연돌 효과로 인해 공기가 관 내부에서 위쪽으로, 또한 개방된 상단부로부터 내부 부재와 외부 부재 사이의 공간을 통해 아래쪽으로 흐르게 된다. 온도와 습도를 감지하기 위한 센서 장치들이 외부 부재 내부와 공기 흐름의 경로 상에 배열된다.

통로를 통해 공기의 흐름을 생성하기 위하여 전체 통로를 수직 방향, 즉 중력 방향으로 정렬되는 방향으로 유지할 필요는 없지만, 그 통로의 어떤 지점에서 공기의 흐름을 생성하기 위해 필요한 연돌 효과를 나타내는 본질적으로 수직인 경로가 존재하는 한 그 통로에서의 공기는 다양한 방향으로 흐를 수도 있다는 것은 종래기술로부터 자명할 것이다.

일부 용도에서는, 특히 입자 하전을 이용하는 입자 검출기에 대한 흐름을 생성하기 위하여 연돌 효과를 이용함에 있어서는 입자 하전 유닛의 오염을 방지하기 위해 사용되는 또 하나의 다른 흐름을 생성하는 것이 유익하다. 이러한 부가적인 통로는 하전 유닛을 통과하는 공기의 흐름으로부터 입자들을 제거하기 위한 필터를 포함하고 있다.

연돌 효과를 활용하여 생성되는 흐름에 있어서의 문제점은 그 통로를 통한 용량 흐름이 여러 가지의 파라미터에 민감할 뿐만 아니라, 그 흐름이 장시간 동안 생성될 필요가 있는 경우에는 특히 안정성 있게 유지되지 않을 수도 있다는 것이다. 따라서, 연돌 효과를 이용하는 기지의(즉, 확인된) 공기 흐름의 생성을 개선할 필요성이 존재한다.

본 고안의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하거나 적어도 경감하도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 고안의 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 장치에 의해 달성된다. 본 고안의 목적은 또한 청구항 15의 특징부에 따른 방법에 의해 달성된다. 본 고안에 따른 장치의 이용 목적은 청구항 14의 특징부에 따라 달성된다.

본 고안의 바람직한 실시형태는 종속 청구항들에 개시되어 있다.

본 고안자들은 놀랍게도 저렴한 비용의 흐름 측정 또는 모니터링으로 전술한 종래 기술상의 문제점들을 해결하는 방법을 발견하였다. 이러한 저렴한 비용의 흐름 측정 또는 모니터링은 본 고안자의 PCT 국제출원 PCT/FI2011/050730호(현재 미공개 상태)에 상세하게 기술되어 있으며, 그의 내용 전체는 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 고안에 따른 확인된 흐름을 생성하기 위한 방법은, 적어도 부분적으로는 본질적으로 수직인 방향으로 향하는 제1통로의 적어도 일부를 가열 또는 냉각하여, 상기 제1통로 내에서 온도차를 발생시킴으로써, 상기 제1통로를 통한 공기 흐름(Q)을 발생시키고, 상기 통로에서 공기로 운반되는 단극성 이온(airborne unipolar ions)들을 발생시키고, 공기로 운반되는 전하의 농도를 측정하고, 상기 공기로 운반되는 전하의 농도에 영향을 미치는 파라미터를 스위칭 또는 조절하고, 상기 스위칭 또는 조절이 공기로 운반되는 전하의 농도에 대해 생성하는 응답 시간에 기초하여 용량 흐름(Q)을 결정하는 과정을 포함한다. 바람직하게는, 공기로 운반되는 단극성 이온들을 발생하기 위하여 코로나 방전침(corona needle)이 사용된다.

단극성 이온 생성에 기초하는 입자 센서의 농도 측정 결과에 영향을 미칠 수도 있는 스위칭이 가능한 파라미터들은 단지 제한된 수로 존재한다. 전형적으로, 스위칭 또는 조절에 유리한 파라미터들은 입자 하전(particle charging) 효율성 및 입자 트랩핑(particle trapping)이며, 실제의 조절 수단은 코로나 전압/전류 및 이온 트랩 전압이다.

상기 확인된 흐름은 제1통로와 제2통로 사이에서 분리될 수도 있는데, 이 경우 제2통로는 제1통로 내부에 배치된다. 상기 제2통로로 들어가는 입자들은 본질적으로 제거되는데, 이러한 입자의 제거는 방전 전극의 상류에서 수행된다. 이 방법에 의해 작은, 본질적으로 입자가 없는 공기 흐름이 코로나 방전침 바로 곁을 통과하게 되고, 따라서 코로나 방전침의 선단부는 오염되지 않는다. 제1 및 제2 통로들은 바람직하게는, 상기 제2통로를 통한 흐름이 전체 흐름의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 더욱 바람직하게는 2% 미만이 되도록 하는 방식으로 구성되며, 이로써 입자 제거와 함께 제2통로의 이용은 상기 확인된 흐름 생성 장치가 입자 측정 센서들과 병용될 때조차도 상당한 측정 오류를 일으키지 않을 것이다. 상기 제1 및 제2 통로의 흐름은 제3 통로에서 하나로 결합되는데, 이것은 확인된 흐름 생성을 위한 장치가, 예를 들면, 국제특허출원 제WO2009109688A1호 공보에 기술된 바와 같은 입자 하전에 기초한 입자 측정 센서에서 이용될 때 이온들 및 입자들에 대한 혼용 채널로서의 역할을 한다.

본 고안의 일 실시형태에 따르면, 본 고안의 방법은 확인된 흐름 생성 장치에 들어가는 입자들의 적어도 일부를 전기적으로 하전시키고, 하전된 입자들에 의해 전달되는 전류를 측정하고, 방전 전극이 입자들의 적어도 일부에 제1 전하량을 제공하는 제1 하전 단계와, 방전 전극이 입자들의 적어도 일부에 제2 전하량을 제공하는 제2 하전 단계 사이에서 적어도 방전 유닛을 스위칭 또는 조절하는 과정을 포함한다.

본 고안의 바람직한 실시형태에 있어서, 방전 유닛의 스위칭 또는 조절 모드로부터의 응답은 동기 검출(synchronic detection)에 의해 결정된다. 동기 검출은 아날로그 또는 디지털 전자장치를 이용하여 구현 가능하다. 디지털 방식의 구현은 별개의 연산 유닛에서 명백히 실현될 수 있거나, 또는 전기적 임팩터(electrical impactor)의 다른 제어기능들이 또한 수행되는 공통 컨트롤러 또는 연산 유닛에 통합되어도 좋다.

본 고안의 또 하나의 실시형태에 따르면, 본 고안의 방법은 상기 확인된 흐름 생성 장치에 들어가는 입자들의 적어도 일부를 전기적으로 하전시키고, 상기 하전된 입자들에 의해 전달되는 전류를 측정하고, 상기 장치를 통과하는 에어로졸로부터 이온들, 하전된 초미세 입자들, 또는 하전된 미세 입자들을 제거하고, 이온/입자 트랩이 자유 이온들을 본질적으로 제거하는 오프(OFF)-모드와, 이온/입자 트랩이 d_p 보다 작은 직경을 갖는 입자들을 본질적으로 제거하는 온(ON)-모드 사이에서 적어도 상기 이온/입자 트랩을 스위칭 또는 조절하는 과정을 포함한다. 자유 이온 또는 입자의 제거는 이온 트랩을 가로지르는 전계의 강도에 의존한다.

본 고안에 따른 방법은 상기 확인된 흐름 생성 장치의 전달 함수의 필수 파라미터들을 결정하고, 상기 장치를 통한 용량 흐름을 계산하기 위해 이들 필수 파라미터들을 이용하는 것을 포함한다. 본 고안의 일 실시형태에 따르면, 본 고안의 방법은 연산 기준 신호(computational reference signal)를 제공하고, 센싱 요소 출력을 상기 기준 신호와 비교하고, 센싱 요소 출력과 기준 신호 간의 최대 상관도를 위하여 상기 기준 신호를 조절하고, 최대 상관도를 갖는 상기 기준 신호로부터의 상기 장치의 전달 함수를 계산하고, 상기 계산된 전달 함수의 적어도 몇몇 파라미터들을 이용하여 상기 장치를 통한 용량 흐름을 결정하는 과정을 포함한다. 상기 연산 기준 신호는 적어도 일차 저역 통과 필터에 따를 수도 있는데, 이 경우 상기 일차 저역 통과 필터의 지연 시간(t_d) 및 시간 상수(τ)를 결정하는 것은 시간 상수(τ), 지연 시간(t_d)의 역수 또는 그의 합(t_d+τ)을 이용해 상기 장치를 통한 용량 흐름을 결정하는 것을 가능하게 한다.

본 고안의 방법에 있어서, 상기 센싱 요소의 출력에 영향을 주는 파라미터의 스위칭/조절 주파수는 0.01Hz 내지 10Hz 사이에서 조절할 수 있으며, 이로써 상기 확인된 흐름의 신속한 결정을 제공하고, 또한 센서를 통한 공기의 흐름이 필요할 경우 센서들에 대한 정확한 기준을 제공하게 된다.

상기 필수 파라미터들은 예를 들면, 빠르게 변화하는 에어로졸 조성으로 인해 필요시 연속적으로 결정될 수가 있다. 만일 측정 환경에서의 변화가 짧은 시간 간격에서 그리 현저하지 않다면, 또한 측정의 최대 응답 시간이 필요할 경우에는, 상기 필수 파라미터들의 결정은 더 긴 시간 간격으로 수행되어도 좋다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시형태들과 관련하여 본 고안에 대해 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 고안에 따른 장치의 일 실시형태에 대한 개략도이다.
도 2는 공기 통로가 본 고안의 장치 내에서 수직이 아닌 경우에 해당하는 본 장치의 또 다른 실시형태의 개략도이다.
도 3은 센서기가 본 장치의 흐름 생성부 외부에 배치되어 있는 경우에 해당하는 본 장치의 또 다른 실시형태의 개략도이다.
도 4는 2개 이상의 통로를 구비하는 본 고안에 따른 장치의 또 다른 실시형태에 대한 개략도이다.

도 1은 확인된 흐름(Q)을 생성하기 위한 본 고안에 따른 장치(1)를 도시한다. 도 2는 상기 흐름(Q)이 이루어지는 통로가 전체적으로 수직이 아닐 경우의 일 실시형태를 도시하며, 또한 도 3은 확인된 흐름의 판단에 필요한 센싱부가 상기 장치(1)의 흐름 생성부 상류에 배치되어 있는 실시형태를 도시한다. 확인된 흐름의 판단에 필요한 센싱부는 또한 상기 장치(1)의 흐름 생성부 하류에 배치될 수도 있으며, 이러한 실시형태는 센싱부를 통과하는 공기가 상기 장치(1)를 통과해 흐르는 공기의 이슬점 이상에서 가열될 수도 있는 이점을 갖는다는 것은 당해 기술분야의 전문가에게 자명할 것이다.

장치(1)는 적어도 부분적으로는, 본질적으로 수직인 방향, 즉 중력 방향으로 정렬하는 방향으로 공기가 통과하여 흐르도록 하는 제1통로(2)를 포함한다. 장치(1)는 제1통로(2)에 배치되어 상기 통로에서 공기로 운반되는 단극성 이온들(8)을 발생하는 방전 전극(5)과, 상기 제1통로(2)의 단부들에서 온도차를 발생하도록 배열됨으로써 제1통로(2)를 통해 공기 흐름(Q)을 생성하는 가열 수단(6) 또는 냉각 수단(7)을 더 포함한다. 장치(1)는 또한 상기 공기로 운반되는 전하의 농도 함수인 출력을 갖는 센싱 요소(12, 13)와, 그 센싱 요소(12, 13)의 출력에 영향을 미치는 파라미터의 스위칭 또는 조절 수단(17)과, 상기 스위칭 또는 조절 수단(17)에 의한 스위칭 또는 조절 작용이 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 대해 생성하는 응답 시간에 기초하여 용량 흐름(Q)을 결정하기 위한 수단을 더 포함한다.

상기 센싱 요소는 센싱 요소(12)에 들어가거나, 그를 통과하는 전하를 측정하는 것으로서 구성될 수도 있고, 또는 전위계(electrometer)로서 구성될 수도 있는데, 전위계는 장치(1)로부터 이탈하는 전류를 공기로 운반되는 전하로서 측정한다. 이러한 입자 농도를 측정하기 위한 소위 "이탈 전류 기법(escaping current technique)"은 국제특허출원 제WO2009109688 A1호에 기술되어 있으며, 이의 전체 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

가열 수단(6)은 예를 들면, 전기 가열, 유체 순환에 의한 가열, 태양열 가열 등을 이용하는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 본 고안의 일 실시형태에 있어서, 가열 수단(6)은 저항성 가열을 위해 구성된 전기 히터이다. 본 고안의 또 다른 실시형태에서, 가열 수단(6)은 유도성 가열을 위해 구성된 전기 히터이다.

본 고안의 일 실시형태에 있어서, 통로(2)의 일부에 대한 가열은 그 가열수단(6)이 장치(1)의 전기적 절연체들의 적어도 일부를 또한 가열하도록 함으로써 유리하게는, 장치(1)의 전기적 절연체들의 적어도 일부 표면상에서의 물의 응축을 피하도록 구성된다. 절연체에 대한 가열은 또한 그들의 표면상에서의 입자 침적(deposition)을 방지할 수도 있다. 이것은 입자들이 가스 중에서 온도 구배의 반대 방향으로 이동하는 것을 방지하는 소위 열영동력(thermoforetic forces)에 기인한다. 절연체의 습기 및 오염 현상은 누전을 야기할 수도 있으며, 이에 따라서 기기의 동작 장애를 일으킬 수 있다.

냉각 수단(7)은 예를 들면, 유체 순환에 의한 냉각, 자연식 또는 강제식 대류 냉각, 증기 압축 냉각 또는 열전 냉각을 이용하는 다양한 방식으로 구성이 가능하다. 본 고안의 일 실시형태에 있어서, 냉각 수단(7)은 열전 냉각기(thermoelectric cooler), 즉 펠티에 냉각기(Peltier cooler)이다.

장치(1)는 센싱 요소(12, 13)의 출력에 영향을 미치는 파라미터의 스위칭 또는 조절 수단(17), 및 상기 스위칭 또는 조절 작용이 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 대해 생성하는 응답 시간에 기초하여 용량 흐름(Q)을 결정하기 위한 수단(도 1에는 도시하지 않음)을 더 포함한다. 바람직하게는, 용량 흐름(Q)은 연산 기준 신호를 제공하고, 센싱 요소(12, 13) 출력을 기준 신호와 비교하고, 상기 센싱 요소(12, 13) 출력과 기준 신호 간의 최대 상관도를 위하여 기준신호를 조절하고, 최대 상관도를 갖는 기준 신호로부터 상기 장치(1)의 전달 함수를 계산하고, 상기 계산된 전달 함수의 적어도 몇몇 파라미터들을 이용하여 상기 장치(1)를 통한 용량 흐름(Q)을 결정함으로써 결정된다. 본 고안의 일 실시형태에 있어서, 상기 연산 기준 신호는 적어도 일차 저역 통과 필터를 따를 수도 있는데, 그 경우 일차 저역 통과 필터의 지연 시간(t_d) 및 시간 상수(τ)는 시간 상수(τ), t_d의 역수 또는 그의 합(t_d + τ)을 이용해 상기 장치(1)를 통한 용량 흐름(Q)을 결정하도록 한다.

본 고안의 일 실시형태에 있어서, 장치(1)는 방전 전극(5)으로서 작용하도록 구성된 코로나 방전침(corona needle)을 포함한다. 코로나 방전침의 오염을 피하기 위하여, 장치(1)는 도 4에 도시된 바와 같은 본 고안의 일 실시형태에서는, 제1통로(2) 내부에 배치된 제2통로(21)를 포함한다. 제2통로는 방전 전극(5)의 상류에 배치된 입자 제거 유닛(22)을 포함한다. 상기 통로(21)를 통한 흐름은 인력으로 인해 통로(21)를 통해 흐름을 생성하도록 구성된, 제1 통로(2)에서의 연돌 효과에 의해 배열됨으로써, 공기의 흐름(Q)의 일부가 필터(22)를 통해 통과하고, 입자들이 이러한 흐름의 일부로부터 본질적으로 제거된다. 그 다음, 청정 공기가 제2통로(21)를 통해 코로나 방전침(5)의 근처를 통과함으로써 코로나 방전침의 오염이 방지된다. 제2통로(21)를 통한 흐름은 부가적인 가열 수단(6*) 또는 냉각 수단(7*), 또는 양자를 이용하여 또한 생성될 수도 있는데, 이 경우 제2통로(21)에서의 연돌 효과는 제1통로(2)에서의 연돌 효과보다는 본질적으로 더 작게 구성된다.

제2통로(21)를 통과하는 흐름의 일부는 제1통로(2)를 통과하는 흐름에 비교하면 작기 때문에, 그러한 배열의 이용은 상기 장치(1)가 입자 측정 센서를 위한 확인된 흐름을 생성하기 위해 사용될 때조차도 해로운 잘못된 결과를 초래하지는 않는다.

본 고안의 일 실시형태에 있어서, 장치(1)는 상기 확인된 흐름(Q)으로 장치(1)에 들어가는 입자들(10)의 적어도 일부를 전기적으로 하전시키기 위한, 방전 전극(5)의 하류에 배치된 하전 챔버(16)와, 입자들(10)에 부착되지 않은 이온들(8)을 제거하기 위한 이온/입자 트랩(9)과, 하전된 입자들(11)에 의해 전달되는 전류를 측정하기 위한 수단(12, 13)과, 방전 전극(5)이 입자들(10)의 적어도 일부에 제1 전하량을 제공하는 제1 하전 단계와 방전 전극(5)이 입자들(10)의 적어도 일부에 제2 전하량을 제공하는 제2 하전 단계 사이에서 적어도 방전 유닛(5)을 스위칭 또는 조절하기 위한 수단(17)을 포함한다. 본 실시형태는 하전된 입자들이 상기 이온들(자유 전하)(8)보다 공기의 흐름(Q)으로부터 제거하기가 더 어렵기 때문에 방전 유닛(5)의 조절에 대한 응답이 더욱 정확하다는 이점을 제공한다. 방전 유닛은 온(ON) 및 오프(OFF) 단계 사이에서만 스위칭될 수 있는데, 이 경우 용량 흐름은 코로나 방전 유닛(5)과 센싱 요소(12) 사이의 체적을, 또는 센싱 요소(13)와 함께 이탈 전류 기법이 사용될 시에는 상기 장치(1)의 출력단(4)과 코로나 방전 유닛(5) 간의 거리를 인지함으로써, 온 단계로만 스위칭하는 응답으로부터 용이하게 결정된다. 또 다른 실시형태에 있어서, 상기 방전 유닛(5)은 적어도 2개의 전압 사이에서 조절되는데, 그 각각은 상기 장치(1)를 통한 공기 흐름을 제공한다.

본 고안의 또 다른 실시형태에 있어서, 장치(1)는 장치(1)에 들어가는 입자들(10)의 적어도 일부를 전기적으로 하전시키기 위한, 방전 전극(5)의 하류에 배치된 하전 챔버(16)와, 하전된 입자들(11)에 의해 전달되는 전류를 측정하기 위한 수단(12, 13)과, d_p보다 작은 직경을 갖는 하전 입자들(11) 및/또는 이온들(8)을 제거하기 위한 이온/입자 트랩(9)과, 이온/입자 트랩(9)이 본질적으로 자유 이온들(8)을 제거하는 오프(OFF)-모드와 이온/입자 트랩(9)이 d_p보다 작은 직경을 갖는 하전 입자들(11)을 본질적으로 제거하는 온(ON)-모드 사이에서 적어도 이온/입자 트랩(9)의 전원(18) 출력을 스위칭 또는 조절하기 위한 수단(17)을 포함한다. 이러한 실시형태의 장점은 상기한 흐름(Q)이 흐름의 결정과정 동안 내내 본질적으로 일정하게 유지될 수 있다는 것이다.

본 고안의 또 다른 실시형태에 있어서, 장치(1)는 장치(1)의 전달 함수의 필수적인 파라미터들을 결정하기 위한 수단을 포함한다. 이들 수단은 당해 기술분야의 전문가에게는 자명한 것으로서 아날로그 또는 디지털 수단에 의해 구성될 수 있으며, 또한 그 수단은 하나 또는 다수의 기능 블록 내에서 구현되어도 좋다.

본 고안의 또 다른 실시형태에 있어서, 장치(1)는 연산 기준 신호를 제공하기 위한 수단을 포함하며, 상기 신호는 센싱 요소의 출력에 본질적으로 영향을 미치는 파라미터의 스위칭 또는 조절 수단에 연결된다. 장치(1)는 센싱 요소 출력을 상기 기준 신호와 비교하기 위한 수단과, 상기 센싱 요소 출력과 기준 신호 간의 최대 상관도를 위해 기준 신호를 조절하기 위한 수단과, 최대 상관도를 갖는 기준 신호로부터 장치(1)의 전달 함수를 계산하기 위한 수단과, 상기 계산된 전달 함수의 적어도 몇몇 파라미터들을 이용하여 장치(1)를 통한 용량 흐름(Q)을 결정하기 위한 수단을 더 포함하고 있다. 바람직한 실시형태에 있어서, 장치(1)는 적어도 일차 저역 통과 필터에 따르는 연산 기준 신호를 제공하기 위한 수단과, 상기 일차 저역 통과 필터의 지연 시간(t_d) 및 시간 상수(τ)를 결정하기 위한 수단과, 시간 상수(τ), 지연 시간(t_d)의 역수 또는 그의 합(t_d+τ)을 이용해 장치(1)를 통한 용량 흐름을 결정하기 위한 수단을 포함한다. 장치 내에서의 흐름 특성에 따라서는 혼합형 반응기 및 지연의 합이 아닌 다른 동적 모델들이 이용될 수 있다는 것은 당해 기술분야의 전문가에게는 자명하다.

본 고안의 또 다른 실시형태에 있어서, 장치(1)는 0.01Hz 내지 10Hz 사이에서 센싱 요소(12, 13)의 출력에 영향을 주는 파라미터를 스위칭 또는 조절하기 위한 수단(17)의 스위칭/조절 주파수를 조절하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 실시형태는 빠른 흐름 결정을 제공한다.

본 고안은 또한 초미세 입자 농도를 결정하기 위한 전술한 실시형태들에서 기술된 바와 같은 장치(1)의 용도를 포함한다. 장치(1)의 이러한 용도는 스위칭 또는 조절이 센싱 요소 출력에 발생하는 응답 시간에 기초하여 시간 주기(t) 동안 누적된 흐름(Q_t)을 결정하는 것과, 상기 시간 주기(t) 동안 입자들의 누적된 수(N_t) 또는 누적된 입자 질량(M_t)을 결정하는 것과, 상기 입자들의 누적된 수(N_t) 또는 누적된 입자 질량(M_t)을 누적된 흐름(Q_t)으로 나눔으로써 입자 질량 또는 입자 수 농도인 M 또는 N을 결정하는 것(즉, M=M_t/Q_t이고 N=N_t/Q_t)을 포함한다.

전술한 구성의 중요한 이점은 가장 비싼 구성요소들, 즉 센싱 요소들과 방전 유닛들이 흐름 모니터링 및 입자 농도 센싱의 양자의 기능에 공통으로 적용된다는 점이다.

기술이 진보함에 따라서 본 고안의 기본적인 사상은 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것은 당해 기술분야의 전문가에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 고안 및 그의 실시형태들은 전술한 예들에만 한정되는 것이 아니라 후술하는 실용신안등록청구범위의 범위 내에서 변형할 수도 있을 것이다.

Claims

확인된 흐름(Q)을 생성하기 위한 장치(1)에 있어서,
a. 적어도 부분적으로는, 본질적으로 수직인 방향, 즉 중력 방향으로 정렬되는 방향으로 공기가 통과하여 흐르도록 배열되는 제1통로(2);
b. 상기 제1통로(2)에 배치되고, 상기 통로에서 공기로 운반되는 단극성 이온들(8)을 발생하는 방전 전극(5);
c. 상기 제1통로(2) 내에서 온도차를 발생하도록 배열됨으로써 상기 제1통로(2)를 통해 공기 흐름(Q)을 생성하는 가열 수단(6) 또는 냉각 수단(7);
d. 상기 공기로 운반되는 전하의 농도 함수인 출력을 갖는 센싱 요소(12, 13);
e. 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 영향을 미치는 파라미터의 스위칭 또는 조절 수단(17); 및
f. 상기 스위칭 또는 조절 수단(17)에 의한 스위칭 또는 조절 작용이 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 대해 생성하는 응답 시간에 기초하여 용량 흐름(Q)을 결정하기 위한 수단;
g. 상기 제1통로(2) 내에 배치된 제2통로(21), 상기 제2통로(21)에 배치된 상기 방전 전극(5); 및
h. 상기 방전 전극(5)의 상류에 배치된, 상기 제2통로(21) 내의 입자 제거 유닛(22);을 포함하며,
상기 제1 및 제2 통로는 상기 제2통로를 통한 흐름이 전체 흐름의 10% 미만이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 확인된 흐름(Q)을 생성하기 위한 장치.
제1항에 있어서,
전기 히터(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
펠티에 냉각기(Peltier cooler)(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
방전 전극(5)으로서 작동하도록 구성된 코로나 방전침(corona needle)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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제1항에 있어서,
상기 제2통로(21) 내에서 온도 차를 발생시키도록 구성된 가열 수단(6*) 및 냉각 수단(7*)으로부터 선택된 것을 포함함으로써 상기 제2통로(21)를 통해 공기 흐름을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
삭제
제1항에 있어서,
a. 상기 확인된 흐름(Q)과 함께 상기 장치(1)에 들어가는 입자들(10)의 적어도 일부를 전기적으로 하전시키기 위한, 상기 방전 전극(5)의 하류에 배치된 하전 챔버(16);
b. 입자들(10)에 부착되지 않은 이온들(8)을 제거하기 위한 이온/입자 트랩(9);
c. 하전된 입자들(11)에 의해 전달되는 전류를 측정하기 위한 수단(12, 13); 및
d. 상기 방전 전극이 입자들(10)의 적어도 일부에 제1 전하량을 제공하는 제1 하전 단계와 상기 방전 전극이 입자들(10)의 적어도 일부에 제2 전하량을 제공하는 제2 하전 단계 사이에서 적어도 상기 방전 전극(5)을 스위칭 또는 조절하기 위한 수단(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
a. 상기 장치(1)에 들어가는 입자들(10)의 적어도 일부를 전기적으로 하전시키기 위한, 상기 방전 전극(5)의 하류에 배치된 하전 챔버(16);
b. 하전된 입자들(11)에 의해 전달되는 전류를 측정하기 위한 수단(12, 13);
c. d_p 보다 작은 직경을 갖는 하전 입자들(11) 및 이온들(8)로부터 선택된 것을 제거하기 위한 이온/입자 트랩(9): 및
d. 상기 이온/입자 트랩(9)이 자유 이온들(8)을 본질적으로 제거하는 오프(OFF)-모드와 이온/입자 트랩(9)이 d_p 보다 작은 직경을 갖는 하전 입자들(11)을 본질적으로 제거하는 온(ON)-모드 사이에서 적어도 이온/입자 트랩(9)의 전원(18) 출력을 스위칭 또는 조절하기 위한 수단(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 장치(1)의 전달 함수의 필수적인 파라미터들을 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서,
a. 센싱 요소 출력에 본질적으로 영향을 미치는 파라미터의 스위칭 또는 조절 수단에 연결되는, 기준 신호를 제공하는 수단;
b. 상기 센싱 요소 출력을 상기 기준 신호와 비교하기 위한 수단;
c. 상기 센싱 요소 출력과 상기 기준 신호 사이의 최대 상관도를 위하여 상기 기준 신호를 조절하기 위한 수단;
d. 최대 상관도를 갖는 상기 기준 신호로부터 상기 장치(1)의 전달 함수를 계산하기 위한 수단; 및
e. 상기 계산된 전달 함수의 적어도 몇몇 파라미터들을 이용하여 상기 장치(1)를 통한 용량 흐름(Q)을 결정하기 위한 수단
을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제11항에 있어서,
a. 상기 기준 신호는 일차 저역 통과 필터에 따르는 기준 신호이고, 상기 장치는,
b. 상기 일차 저역 통과 필터의 지연 시간(t_d) 및 시간 상수(τ)를 결정하기 위한 수단; 및
c. 시간 상수(τ), 지연 시간(t_d)의 역수 또는 이들의 합(t_d+τ)을 이용해 상기 장치(1)를 통한 용량 흐름을 결정하기 위한 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제4항, 제6항, 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
0.01Hz 내지 10Hz 사이에서 상기 센싱 요소(12, 13)의 출력에 영향을 주는 파라미터를 스위칭 또는 조절하기 위한 수단(17)의 스위칭/조절 주파수를 조절하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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