專利名稱：顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由內(nèi)燃機排放的顆粒物質(zhì)(particulate matter, PM)引起對公眾健康和環(huán)境的關(guān)注。 嚴格的排放標準已經(jīng)立法以減少來自內(nèi)燃機的污染物排放。近來，研究己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用現(xiàn) 代的技術(shù)，基于來自引擎的PM排放的質(zhì)量已經(jīng)顯著地降低。然而，來自引擎的PM排放的 數(shù)量濃度(number concentrations)已經(jīng)顯著地增加。結(jié)果，排放的微粒(particles)具 有較小尺寸和較大的表面面積。在研究引擎排放的微粒時，重要的是正確地測量微粒。
測量從輕型的柴油機車輛排放的固體微粒數(shù)的現(xiàn)有手段在圖1中以IO說明。系統(tǒng)10 包括預分類器12，熱稀釋器(PND1) 14，蒸發(fā)管16,冷稀釋器(PND2) 18,和冷凝微粒 計數(shù)器(CPC) 20。預分類器12用來將氣溶膠的截止(cutoff)尺寸保持在2.5至10um 范圍內(nèi)。通過在高稀釋空氣溫度運行熱稀釋器14，并在蒸發(fā)管16中在300至40(TC范圍 內(nèi)加熱樣品，由揮發(fā)性的材料形成的微粒和硫酸鹽微粒被汽化為氣態(tài)。在用冷稀釋器18 冷稀釋期間，由揮發(fā)性材料形成的所有的微粒和硫酸鹽被除去。結(jié)果，僅固體微粒移入冷 凝微粒計數(shù)器(CPC) 20。在CPC 20測量固體微粒濃度。
盡管用于測量顆粒物質(zhì)的現(xiàn)有的系統(tǒng)在許多應(yīng)用中使用，但是這些系統(tǒng)具有有限的功 能性。這是對具有擴展的功能的顆粒實時測量系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是提供一種用于測量引擎排氣微粒特性的強大的工具，該特性能被用于 引擎燃燒和排氣后處理的研究。
根據(jù)本發(fā)明，顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)具有超出測量固體微粒數(shù)排放的現(xiàn)有手段以外的 擴展功能性。本發(fā)明包括將擴散充電器或粒徑濃度測量儀器集成入固體微粒計數(shù)系統(tǒng)(SPCS)。對于固體微粒或全部微粒，預期的系統(tǒng)可以產(chǎn)生高達七個實時微粒特性而不是 僅一個特性。
按照本發(fā)明作出的顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)包括預分類器，熱稀釋器，蒸發(fā)管或單元， 冷稀釋器，和冷凝微粒計數(shù)器。本系統(tǒng)進一步地包含用于測量質(zhì)量濃度，以及粒徑濃度或 顆粒表面積的集成裝置。
在一個方法中，擴散充電器(DC)結(jié)合到固體微粒計數(shù)系統(tǒng)中。在另一個方法中，粒
徑濃度測量儀器結(jié)合到固體微粒計數(shù)系統(tǒng)中。在任意一個方法中，對于引擎放出的固體微 ?；蛉康奈⒘?，顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)能提供高達至少七個特性而不是一個特性。這些 特性包括實時固體微?；蛉课⒘?shù)量濃度，表面面積，直徑濃度，質(zhì)量濃度，體積濃度， 平均直徑，以及平均有效密度。
擴散充電器(DC)是一種用于實時測量微粒表面積的傳感器。通過用傳統(tǒng)的PM質(zhì)量 測量校準擴散充電器，擴散充電器可以同時測量實時質(zhì)量濃度。
直徑濃度儀器在與擴散充電器類似的原理之下運行。直徑濃度儀器測量粒徑濃度(例 如，mra/cm3)并且被校準以測量粒徑濃度而不是表面積。以和擴散充電器一樣的方法，直 徑濃度儀器可以被校準以同時測量實時質(zhì)量濃度。
在具有擴散充電器的測量系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的冷凝微粒計數(shù)器提供固體微粒或全部微茅立 數(shù)量濃度。擴散充電器測量用于固體微?；蛉课⒘５膶崟r表面積和質(zhì)量濃度。用于固體 微?；蛉课⒘５钠骄睆?、直徑濃度、體積濃度和平均有效密度可以根據(jù)從冷凝微粒計 數(shù)器和擴散充電器獲得的信息被計算。
在具有直徑濃度儀器的系統(tǒng)中，冷凝微粒計數(shù)器測量固體或全部微粒數(shù)濃度。直徑濃 度儀器測量固體或全部微粒的粒徑濃度和質(zhì)量濃度。固體或全部微粒的平均直徑、表面積、 體積濃度和平均有效密度可以根據(jù)從冷凝微粒計數(shù)器和直徑濃度儀器獲得的信息被計算。
與本發(fā)明的實施例相聯(lián)系的優(yōu)點是很多的。例如，擴散充電器或直徑濃度儀器可以在 與冷凝微粒計數(shù)器相同的位置取樣。以這種方法，不要求對固體微粒計數(shù)系統(tǒng)過度的修飾 以按照本發(fā)明實施顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)。改進的系統(tǒng)提供用于具有大大增加的功能性的 測量微粒特性的強大的工具。


圖1說明現(xiàn)有的固體微粒計數(shù)系統(tǒng)；
圖2說明按照本發(fā)明的第一實施例作出的顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)；以及 圖3說明按照本發(fā)明的第二實施例作出的顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)。
具體實施例方式
參考圖2，顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)包括固體微粒計數(shù)系統(tǒng)(SPCS) 30， SPCS計算機32， 以及擴散充電器(DC) 34。 SPCS30包括預分類器40、熱稀釋器(PND1) 42以及關(guān)聯(lián)的溫 度控制器44、蒸發(fā)單元46以及關(guān)聯(lián)的溫度控制器48、冷稀釋器(PND2) 50、以及冷凝微 粒計數(shù)器(CPC) 52。預分類器40用來將氣溶膠的切斷尺寸保持在2.5至10ym范圍內(nèi)。 通過利用溫度控制器44在高稀釋空氣溫度下運行熱稀釋器42，并且在蒸發(fā)單元46中在 300至400'C范圍內(nèi)加熱樣品，由揮發(fā)性材料形成的微粒和硫酸鹽微粒被汽化為氣態(tài)。在 冷稀釋器50冷稀釋之后，由揮發(fā)性材料形成的所有的微粒和硫酸鹽被除去。固體微粒移 入CPC 52，并且固體微粒的濃度在CPC 52被測量。在熱稀釋器42和蒸發(fā)單元46在較低 的溫度被運行以避免揮發(fā)性材料和硫酸鹽微粒汽化為氣態(tài)的情況下，所有的微粒隨流移入 CPC 52，并且全部微粒濃度在CPC 52被測量。
通過將擴散充電器34的入口連接至SPCS 30中的CPC 52的上游側(cè)，擴散充電器34 在與CPC 52相同的位置取樣。用于SPCS 30的計算機控制和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)32用來從擴散 充電器34獲得信號，擴散充電器34被校準以實時測量表面積和質(zhì)量濃度。對于固體和全 部微粒的利用擴散充電器34的質(zhì)量濃度的不同校準曲線可以被存儲在SPCS計算機32中。 例如，固體微粒質(zhì)量濃度的校準曲線在SPCS中的熱稀釋器和蒸發(fā)單元在高溫下運行的時 候被選擇。否則，全部微粒質(zhì)量濃度的校準曲線被選擇。
如上所述，CPC52測量數(shù)量濃度，并且DC 34實時測量表面積和質(zhì)量濃度。被測量的 微粒、固體或全部微粒的平均直徑、直徑濃度、體積濃度、以及平均有效密度可以被計算 如;w = ,—w)乂
這里td是CPC相對于DC的延遲時間；Dp(t-td,是在時間t-td的表面積平均直徑；St-td 是在時間t-td用DC測量的表面積；隊是在時間t由CPC測量的數(shù)量濃度；Lt-td是在時間 t-td的粒徑濃度；V^是在時間t-td的體積濃度；P w(^是在時間t-td的平均有效密度；
nu-td是在時間t-td由DC測量的質(zhì)量濃度。
利用當前的技術(shù)，DC的響應(yīng)時間比CPC的響應(yīng)時間快很多。所以，在以上等式中包含 有延遲時間修正。延遲時間td可以通過在瞬時條件下運行顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)被測量。 其在固定的系統(tǒng)配置是常數(shù)。
總之，有七個從顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)的該實施例獲得的函數(shù)
1. 數(shù)量濃度
2. 粒徑濃度
3. 表面積
4. 質(zhì)量濃度
5. 平均直徑
6. 體積濃度
7. 平均有效密度
參考圖3，顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)包括SPCS 60、 SPCS計算機62、以及直徑濃度儀器 64。 SPCS 60包括預分類器70、熱稀釋器(PND1) 72和關(guān)聯(lián)的溫度控制器74、蒸發(fā)單元 76和關(guān)聯(lián)的溫度控制器78、冷稀釋器(PND2) 80、以及冷凝微粒計數(shù)器(CPC) 82。
直徑濃度儀器64的入口連接至SPCS 60中的CPC 82的上游側(cè)。直徑濃度儀器64在 與CPC 82相同的位置取樣。用于SPCS 60的計算機控制和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)62用來從直徑濃 度儀器64獲得信號，直徑濃度儀器64被校準以實時測量粒徑濃度和質(zhì)量濃度。對于具有 直徑濃度儀器64的固體和全部微粒上的質(zhì)量濃度的不同校準曲線可以被存儲在SPCS計算 機62中。例如，固體微粒質(zhì)量濃度的校準曲線在SPCS中的熱稀釋器和蒸發(fā)單元在高溫下 運行的時候被選擇。否則，全部微粒質(zhì)量濃度的校準曲線被選擇。
CPC 82測量微粒數(shù)量濃度。直徑濃度儀器64實時測量直徑濃度和質(zhì)量濃度。被測量 的微粒固體或全部微粒的平均直徑、表面積、體積濃度、以及平均有效密度可以被計算如
這里td是CPC相對于直徑濃度儀器的延遲時間；Dp(t^是在時間t-td的粒徑濃度的平 均直徑；U-td是在時間t-td用直徑濃度儀器測量的粒徑濃度；St-"是在時間t-td的表面積 隊是在時間t由CPC測量的數(shù)量濃度；V^是在時間t-td的體積濃度；P^(t-td)是在時間 t-td的平均有效密度；mt—td是在時間t-td由直徑濃度儀器測量的質(zhì)量濃度。
CPC相對于直徑濃度儀器的延遲時間td,可以通過在瞬時條件下運行顆粒物質(zhì)實時測 量系統(tǒng)被測量。如果在CPC和直徑濃度儀器之間沒有延遲時間，則td等于零。td的符號 (負的和正的)反映出直徑濃度儀器比CPC快或慢。
總之，有七個從顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)的該實施例中獲得的函數(shù)
1. 數(shù)量濃度
2. 粒徑濃度
3. 表面積
4. 質(zhì)量濃度
5. 平均直徑
6. 體積濃度
7. 平均有效密度
以下過程可以用來測量在說明的實施例中的固體或全部微粒 a. 固體微粒測量用于熱稀釋器和蒸發(fā)單元的溫度控制器被設(shè)置為高溫。例如，用于 熱稀釋器的溫度控制器被設(shè)置為高于150'C的溫度，并且用于蒸發(fā)單元的溫度控制 器被設(shè)置為300至400°C。這樣，由揮發(fā)性材料形成的微粒和硫化物被除去。CPC 和擴散充電器(DC)或直徑濃度儀器僅測量固體微粒。為避免CPC和DC或直徑濃 度儀器的飽和，用于熱稀釋器和冷稀釋器的稀釋比率可以被調(diào)整至更高的值。
b. 全部微粒的測量用于熱稀釋器和蒸發(fā)單元的溫度控制器被設(shè)置為室溫或關(guān)閉。結(jié) 果，包括固體、揮發(fā)性的和硫化物微粒的全部微粒流入CPC和擴散充電器(DC)或 直徑濃度儀器。為避免CPC和DC或直徑濃度儀器的飽和，用于熱稀釋器和冷稀釋 器的稀釋比率可以被調(diào)整至更高的值。
雖然本發(fā)明的實施例已經(jīng)被圖解并說明，這些實施例不意味圖解并說明本發(fā)明所有的 可能形式。更確切些，說明書中使用的言詞是描述而不是限制的言詞，并且很清楚，在沒 有背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含熱稀釋器，用于接收和稀釋氣溶膠；蒸發(fā)單元，用于接收所稀釋的氣溶膠，所述蒸發(fā)單元能夠蒸發(fā)揮發(fā)性材料微粒和硫酸鹽微粒，所述蒸發(fā)單元提供輸出流；冷稀釋器，用于接收和稀釋來自所述蒸發(fā)單元的所述輸出流；冷凝微粒計數(shù)器，用于接收來自所述冷稀釋器的稀釋后的輸出流并測量所述微粒數(shù)量濃度；以及集成裝置，用于測量質(zhì)量濃度，并用于測量粒徑濃度和微粒表面積中的至少一個，所述集成裝置接收來自所述冷稀釋器的稀釋的輸出流。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包含預分類器，用于接收所述氣溶膠，并向所述熱稀釋器提供預分類的氣溶膠。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述集成裝置是用于測量稀釋的輸出流的 微粒表面積的擴散充電器。
4. 一種操作如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的粒徑濃度。
5. —種操作如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的微粒平均直徑。
6. —種操作如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的微粒體積濃度。
7. —種操作如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的平均有效密度。
8. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述集成裝置是用于測量所述稀釋的輸出 流的粒徑濃度的粒徑濃度儀器。
9. 一種操作如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的微粒表面積。
10. —種操作如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的微粒平均直徑。
11. 一種操作如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的微粒體積濃度。
12. —種操作如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 確定所述稀釋的輸出流的平均有縛密度。
13. —種操作如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 在足夠高的溫度下操作所述熱稀釋器和所述蒸發(fā)單元，以使揮發(fā)性材料微粒和硫酸鹽微粒蒸發(fā)。
14. 一種操作如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述方法包含 在足夠低的溫度下操作所述熱稀釋器和所述蒸發(fā)器單元，以避免揮發(fā)性材料微粒和硫酸鹽微粒蒸發(fā)。
全文摘要
顆粒物質(zhì)實時測量系統(tǒng)包括用于接收和稀釋氣溶膠的熱稀釋器。蒸發(fā)單元接收稀釋后的氣溶膠。冷稀釋器從蒸發(fā)單元接收和稀釋輸出流。冷凝微粒計數(shù)器接收稀釋的輸出流并測量微粒數(shù)量濃度。集成裝置也接收稀釋的輸出流。集成裝置測量粒徑濃度和微粒表面積中的至少一個。集成裝置也測量質(zhì)量濃度。
文檔編號G01N15/00GK101375149SQ200680045392
公開日2009年2月25日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者卡爾·E·厄斯特高, 淺野一朗, 萊斯利·希爾, 強 魏 申請人:株式會社堀場制作所