[0001] 本发明涉及一种用于监测颗粒的仪器，特别是涉及一种用于冲刷颗粒测量装置的仪器。

[0002] 在许多燃烧过程中形成了具有1纳米到10微米之间的直径的细颗粒。出于各种原因需要测量这些细颗粒。由于细颗粒潜在的健康影响也为了监测例如内燃机操作，特别是柴油机的燃烧过程的操作，可以进行细颗粒测量。根据上述原因，需要可靠的细颗粒测量装置。

[0003] 在文件WO2009109688A1中描述了用于测量细颗粒的一个现有技术方法和装置。在这个现有技术方法中，将清洁、基本无颗粒的气体供给到所述装置中并作为主流通过进气室被引导到设置在所述装置内的喷射器。在将清洁空气供给到所述进气室之前或在将清洁的空气供给到所述进气室时，清洁空气被进一步电离。被电离的清洁空气可以优选地以声速或接近声速的速度被提供到所述喷射器。例如可以使用电晕充电器进行清洁空气的电离。进气室进一步设置有样品入口，样品入口设置为与包括具有细颗粒的气溶胶的通道或空间流体连通。清洁气流与喷射器一起引起抽吸到样品入口，使得从管道或空间到进气室形成样品气溶胶流。从而将样品气溶胶流作为侧流提供到所述喷射器。被电离的清洁气体给颗粒充电。带电颗粒可以被进一步引导回包含有气溶胶的管道或空间。因此，通过监测由带电颗粒携带的电荷，监测气溶胶样品的细颗粒。可以进一步通过使用离子捕集器去除自由离子。

[0004] 除了上述细颗粒之外，工业过程和燃烧过程通常还形成具有大于1μm，或者大于2μm、3μm、5μm或更大的颗粒直径的颗粒。在正常操作条件下，特别是在例如启动、停止和故障状态过程中的特定操作条件下，可以少量形成具有大于1μm颗粒直径的这些粗颗粒。
柴油机排气颗粒的尺寸分布通常展示为三种不同模式：核模式，其由具有约小于50nm的直径的颗粒组成；累积模式，其由具有50nm至1μm之间的直径的颗粒组成；以及粗模式，在所述粗模式中颗粒直径大于1μm。大多数柴油机排气颗粒是在废气从排气管中排出之后产生的，并且这些颗粒通常属于累积模式和核模式。

[0005] 对于细颗粒监测装置，尤其是柴油机的机上诊断的一个重要要求是小而紧凑的结构。此外，优选地，这些细颗粒监测装置可以被长时间操作而不需要维护。在例如监测内燃机细颗粒的很多应用中，更优选地，监测装置可以连续地对细颗粒测量进行实时操 作。

[0006] 为了满足长时间操作需要，有必要使细颗粒监测装置不被颗粒阻塞，即避免设备污染。一个重点污染区域是引导向实际测量空间的用于样品气流入口的入口喷嘴。

[0007] 1981年12月22日公开的、申请人为Robert Bosch GmbH(罗伯特博世公司)的美国专利4,307,061,描述了自恢复烟尘检测器，特别用于监测柴油机废气中的碳含量。例如氧化铝陶瓷的绝缘支撑体支撑两个电极，所述两个电极通过例如0.1mm的一个小间隙彼此隔开，并且所述间隙使得两个电极之间具有高电阻。在收集烟尘时，被所述间隔隔开的两个电极之间的电阻将降低，这可以通过连接到电源的电极感测电流来表示。为了移除抽烟结束后的烟尘或者气体中的烟尘含量，电极被设置在一层基本不导电的催化材料之上或被嵌入基本不导电的催化材料中，其中所述基本不导电的催化材料以氧化物形式存在，催化位于电极之间间隙中的烟尘的氧化，从而通过氧化移除烟尘并且恢复电极之间间隙的电阻，因此也恢复了用于后续检测在间隙中的烟尘累积的传感器的灵敏度。优选地，不导电的催化材料是铂的混合物、铂金属、铂金属合金和金属氧化物，其中所述金属氧化物与例如氧化铝的陶瓷基底相容或相同。可以通过厚膜技术设置基本不导电层，并且也可以通过厚膜技术将电极设置在基本上不导电层之上，或者电极可以以延伸通过催化不导电层的细铂丝形式存在。传感元件可以被设置在壳体或类似于火花塞套筒的套筒中。然而，所述用于去除污染的解决方案是复杂的。

[0008] 2008年11月20日公开的、申请人为Robert Bosch GmbH(罗伯特博世公司)的PCT申请WO 2008/138849 A1涉及一种用于检测气流中颗粒的方法，其中所述方法带有包括至少两个电极的传感器元件。在测量阶段中，测量电压被施加到传感器元件的电极上，其中由颗粒累积形成的颗粒路径短路电极，并且测量由此产生的电流、电压降和/或电阻并将由此产生的电流、电压降和/或电阻作为浓度和/或质量流速的测量。该发明的特征在于，在测量阶段之后的再生阶段中，通过提高施加到电极上的测量电压作为再生电压部分或完全去除所累积的颗粒。这种方法需要复杂的电源设计和构造。

[0009] 需要一种改进的颗粒测量仪器和方法，其能够避免颗粒测量装置的污染，特别是入口喷嘴的污染。

[0010] 本发明的目的是提供一种仪器以便克服现有技术中的缺点。

[0011] 根据本发明的一种用于冲刷颗粒测量装置的仪器，包括：

[0012] a.用于将样品气流(QS)吸入仪器的装置；

[0013] b.用于触发仪器进入冲刷模式的装置，其通过关闭仪器的出口阀实现所述触发，并且所述冲刷模式迫使清洁气流沿样品入口通道向上流动，在所述模式中，样品气流(QS)进入仪器的流量基本上为零；其中，用于触发仪器进入冲刷模式的装置连接到传感器；以及

[0014] c.用于调节气流的装置，其以基本清洁的气体冲刷仪器的至少一部分的方式调节所述气流，

[0015] 根据本发明的用于冲刷颗粒测量装置的仪器还包括：

[0016] d.电晕充电器，其被用于将清洁气流(QC)中的至少一部分氧气转换为臭氧；

[0017] e.用于将基本清洁的气流(QC)供给到仪器中的通道，所述清洁气流(QC)形成喷射器的动力流体流，其中在仪器的正常测量模式下，所述喷射器将样品气流(QS)吸入仪器中，其中，用于将基本清洁的气流(QC)供给到仪器中的通道位于所述电晕充电器的上游处。

[0018] 用于细颗粒测量的过程包括：将样品气流QS吸入测量仪器；将额外的、基本上清洁的气流QA供给到所述测量仪器中，优选地，将样品气流QS与额外气流QA和另一个清洁气流QC混合；在总流量QT＝QS+QA+QC中测量颗粒浓度，并且优选地，基于颗粒浓度测量结果调节额外气流。对于本领域或细颗粒测量领域技术人员来讲，基于颗粒测量结果调节额外气流的优点是显而易见的，即其能够在测量仪器的最优颗粒浓度测量范围内使用测量仪器，并且大大减少甚至完全防止入口喷嘴的污染，其中所述额外气流可以被调节以便QS/QT比率可以在一个大范围内变化。

[0019] 由于在测量仪器的最优颗粒浓度测量范围内使用测量仪器并且防止仪器污染对长期测量影响最大，本发明过程和仪器最适用于非收集颗粒测量仪器，即最适用于不刻意收集颗粒的测量过程。

[0020] 样品气流通过使用喷射泵有益地被吸入测量仪器中，其中基本清洁气体被用作动力流体流，从而使动力流体流中的颗粒不会错误影响测量结果。

[0021] 尤其是在长期测量中，在颗粒测量仪器中的颗粒累积，特别是在样品入口通道中的颗粒累积会对颗粒测量仪器的操作产生不利影响。在很多情况下，这可以通过太小或嘈杂的测量信号、样品气流QS减少或通过其他方式表现出来。

[0022] 发明者发现，通过颗粒测量仪器的频繁或偶发冲刷减少甚至完全移除有害颗粒累积是有可能的，特别是使用基本清洁的气体冲刷颗粒测量仪器的样品入口。

[0023] 在本发明的一个实施方式中，通过设置在颗粒监测仪器内部的喷射器产生驱动样品气流通过入口喷嘴的抽吸。清洁气流QC形成了喷射器的动力流体。除了产生抽吸之外，气流QC被电离并且动力流体流被用于给进入颗粒监测装置的颗粒充电。这确保了WO2009109688 A1中描述的测量方法可以被用于颗粒测量，其中文件WO2009109688 A1通过引用方式全部并入本文。

[0024] 在本发明前面的实施方式中，可以有益地通过将额外气流QA供给到样品入口实现冲刷，这使得在正常操作过程中，使用额外气流作为样品稀释气流。如果QS0是没有额外气流QA的样品气流，然后在颗粒测量仪器的正常操作过程中QA被设置为小于QS0。当装置被设置为进入冲刷模式时，额外气流QA被设置为大于QS0，优选地大于1.5倍QS0(1.5×QS0)，并且更优选地大于2倍QS0(2×QS0)。

[0025] 在本发明的一个实施方式中，其中带有动力流体流QC的喷射器被用于将这样的样品气流QS带入测量仪器中，也可以通过关闭测量仪器的出口流体管道并且使清洁空气流QC在上游通过测量仪器的入口管道实现冲刷。在这种情况下，当使用WO2009109688 A1中描述的测量仪器时，通常优选地在冲刷过程中切换电离作用。然而，如果颗粒测量仪器处于高温，优选地高于300℃并且更优选地高于400℃，如果含氧气体被用作清洁气流QC，并且如果电晕放电被用于电离，保持电晕电压或者甚至将电晕电压设置为比正常操作更高的值可能是有益的。电晕放电单元将至少一部分氧气转换为臭氧，这样将改善冲刷过程中的累积烟尘颗粒的燃烧。

[0026] 可以通过时间触发(即，以频繁或偶发周期)冲刷或者可以通过一些其他方式触发冲刷。触发冲刷的一种方式是保持获得已经通过颗粒测量仪器的颗粒总数的信息，并且在达到预定值之后启动冲刷。触发冲刷的另一种方式是在颗粒浓度超过一定限度之后启动冲刷。这个触发过程具有不允许过高颗粒浓度流进颗粒测量仪器的优点。触发冲刷的另一个方式是监测样品气流QS，并且如果样品气流降低到一定限度就启动冲刷。可以通过各种方式实现样品气流的监测，特别是如果在测量仪器被切换为测量模式之前就监测气流。在本发明的一个实施方式中，通过申请者的现有未公开申请PCT/FI2011/050730中描述的方法监测样品气流，所述申请通过引用方式全部并入本文，其中用于测量颗粒浓度的仪器和过程包括：颗粒浓度测量的传感元件；用于切换或调节影响传感元件输出的参数的装置；以及基于切换或调节产生的、相对于传感元件输出的响应，用于确定体积流量的装置。
附图说明

[0027] 下面将参照附图更详细地描述本发明，其中

[0028] 图1示出了颗粒测量仪器的示意图，其中所述颗粒测量仪器带有用于设置其进入冲刷模式的装置；

[0029] 图2示出了一个实施方式，其中控制装置位于颗粒传感器的外部并且可以通过各种方法实现所述冲刷模式。

[0030] 为了清楚起见，图中只显示用于理解本发明的必要细节。为了强调本发明的特征，已在附图中省略对理解本发明不必要以及对于本领域技术人员显而易见的结构和细节。

[0031] 图1示出了具有样品气流Qs和额外气流Qc的颗粒测量仪器1的示意图。颗粒测量仪器1包括用于电离基本清洁气流Qc的装置，其中所述基本清洁的气流Qc从气体管道4并通过通道5被提供到仪器1中，并且通过电晕充电器7电离所述基本清洁气流Qc，其中所述电晕充电器7通过绝缘体8绝缘，使得高电压可以被施加到电晕充电器7上。“基本清洁”是指所述基本清洁气体的颗粒数浓度比样品气流F中的颗粒数浓度低得多的情况，其中所述颗粒数浓度的单位为1/cm3。优选地，基本清洁气体中的颗粒数浓度Ncg为10-1…
10-6乘以样品气流Ns中的颗粒数浓度，并且更优选的Ncg＝10-3…10-6×Ns。清洁气流Qc进入由喷射器入口9a、喷射器喉9b和喷射器出口9c构成的喷射器。所述清洁气流Qc形成喷射器的动力流体流并且产生对入口喷嘴14的负压(相对于获得样品气流Qs的空间)，其中所述负压确保样品气流Qs流入颗粒测量仪器1。被电离的清洁气体在混合室中为随样品气流Qs进入仪器1的颗粒充电，并且带电颗粒通过出口通道3从仪器1逸出，其中所述混合室由喷射器入口9a和喷射器喉9b构成。

[0032] 仪器1包括传感器101，其输出信号对应于流过仪器1的颗粒浓度，即样品气流、额外气流和清洁气流的总和(QT＝QS+QA+QC)中的颗粒浓度。得知单个气流QS、QA和QC的值仅能够确定样品气流QS中的颗粒浓度，从而提供用于颗粒浓度测量的装置。传感器101被连接到用于触发冲刷功能、即设置仪器1进入冲刷模式的装置102、103。功能单元102提供颗粒浓度的信息。术语“功能单元”表示单元102在功能上是本发明的重要组成部分，但是可以物理地以各种方式，即通过模拟或数字装置构造，并且其既可以位于实际测量仪器1内部也可以位于实际测量仪器1的外部。功能单元102被连接到另一个功能单元103，所述功能单元103通过流量控制单元6*控制额外气流QA。功能单元103可以物理地以各种方式，即通过模拟或数字装置构造，并且其既可以位于实际测量仪器1内部也可以位于实际测量仪器1的外部，或者其可以被集成到流量控制单元6*中。本发明的基本特征是，可以设置流量控制单元6*控制气流QA，其中气流QA大于样品气流QS0，即在QA被设置为零的情况下的QS。将QA设置为这样的值，即优选 地为大于1.5倍QS0(1.5×QS0)，并且更优选地为大于2倍QS0(2×QS0)，确保没有样品气流QS被吸入仪器1，但实际上清洁气流沿入口通道2向上流动。

[0033] 在本发明的优选实施方式中，如在现有技术公开WO2009109688A1中描述的，颗粒浓度测量是基于测量随带电颗粒逸出的电流。

[0034] 图2示出了本发明的一个实施方式，其说明了功能组件101、102和103的含义。仪器1由各种组件组成，并且各种组件中的大多数没有被设置在传感器1*内部，其中所述传感器1*包括实际颗粒测量传感器101、用于加热传感器1*的加热器He、用于测量传感器
1*温度的热电偶Tc以及用于防止传感器1*过热的热敏开关TSw。清洁气流QC，在这种情况下为清洁的压缩空气流，从管道4通过油分离器OS、水分离器WS、过滤器F、活性炭过滤器ACF以及膜干燥器被供给到传感器1*中，这保证了清洁气体没有颗粒和水分。通过压力调节器PR调节清洁空气压力，并且通过压力计PM测量调节器PR的上游压力和下游压力。通过露点仪DPM控制湿度水平。通过电磁阀SV可以打开或关闭传感器1*中的清洁气流QC。
清洁气流QC对传感器1*入口产生抽吸，从而将样品气流QS吸入传感器1*中。正常操作时，样品气流QS的体积值仅取决于通过压力调节器PR设置的压力。样品气流QS结合了额外气流QA，其中所述额外气流QA从清洁气体通道通过电磁阀SV、流量控制器6*和止回阀CV被供给。被稀释的样品气流，即样品气流和额外气流的总和QS+QA，通过加热器He和球阀BV被进一步引导到传感器1*中。通过热电偶TC测量(基本上)加热器He的温度，并且通过热敏开关TSw保护加热器He，其中在过热的情况下，所述热敏开关TSw关闭加热电源。从传感器1*流出的气流在其被排出之前通过球阀BV。通过热电偶TC可以监测出口管的温度。

[0035] 通过气压致动器PA操作球阀，其由通过电磁阀SV进入致动器PA的加压气体设置为不同位置。当设置关闭电磁阀时，由于弹簧弹力气压致动器返回到OFF位置，并且加压气体从致动器通过消音器S排出。

[0036] 对应于通过传感器1*的气流、即混合气流QS+QA+QC中颗粒浓度的传感器6*的输出信号，从传感器1*传送到可编程逻辑器中，其中所述可编程逻辑器包括功能单元102、103。基于浓度结果，在正常测量模式中，功能单元102、103将额外气流FA设置为保持传感器1*在最佳测量区域中工作的一个值。实际数字在很大程度上取决于颗粒测量仪器1的构造，但是例如对于 PPS,Pegasor Oy,Finland颗粒传感器，清洁气体压力PR被设置为1...2bar(相对于大气压力)，样品气流F为3-10l/min，清洁气流FC为2-8l/min，并且额外气流QA为从零到QS0。通常但不是必须通过基于热测量或科里奥利测量的质量流量控制器设置额外气流QA。流量控制器6*的选择主要取决于设置控制器的动态要求。通常，流量控制器6*的响应时间小于传感器1*的响应时间，这对额 外气流QA的有效控制是有益的。通常，流量控制器6*的响应时间必须小于100ms。

[0037] 图2中示出的装置可以通过各种实施方式被设置为冲刷模式。对于每个这些实施方式，仪器1包括用于触发装置进入冲刷模式的装置是常见的。基于颗粒浓度或基于通过传感器1*的颗粒材料的总数，这些装置可以包括计时器、用于检测颗粒浓度的装置1*、用于触发仪器1为冲刷模式的装置102、103。对于所有实施方式，仪器1包括用于调节气流的装置也是常见的，其中所述用于调节气流的装置是以基本清洁的空气冲刷装置1*的至少一部分的方式调节气流的。

[0038] 在本发明的一个实施方式中，冲刷模式触发装置102、103设置额外气流QA为高于QS0的一个值，从而清洁气体流入传感器1*并通过入口通道2向上流动，即从入口管流出。这样防止了样品气流进入仪器1。

[0039] 在本发明的另一个实施方式中，通过关闭入口球阀BV防止样品气流QS流入传感器1′。现在，所有额外气流QA流出入口通道2并且有效地冲刷所述入口。

[0040] 在本发明的又一个实施方式中，关闭传感器1*的出口阀BV，然后清洁空气流QC通过传感器1*入口通道2向上流动，并且防止样品气流QS进入传感器1*。如果传感器1*类似于WO2009109688 A1中描述的传感器，通常优选地在冲刷过程中切换电离作用。然而，如果颗粒测量装置处于高温，优选地高于300℃并且更优选地高于400℃，如果含氧气体被用作清洁气流QC，并且如果电晕放电被用于电离，保持电晕电压或者甚至将电晕电压设置为比正常操作更高的值可能是有益的。电晕放电单元将至少一部分氧气转换为臭氧，这样改善冲刷过程中累积烟尘颗粒的燃烧。可以从传感器1*的环境产生这样的高温，或者可以使用传感器1*的加热器He加热传感器1*到这样的高温。

[0041] 在本发明的又一个实施方式中，冲刷模式触发装置102、103设置额外气流QA为高于QS0的一个值，从而清洁气体流入传感器1*并且通过入口通道2向上流动，即从入口管流出。这样防止样品气流进入仪器1。使用围绕在入口流体管道的加热器He加热进入传感器1*的冲刷气流(QA的一部分)，并且传感器1*中的电晕放电单元的电压被设置为高于正常操作过程的一个值，从而提高臭氧产量。

[0042] 根据本发明的精神，可以产生本发明的各种实施方式。因此，上面给出的实施例不能被解释为限制本发明，但是本发明的实施方式可以在本文的权利要求中给出本发明的特征范围内自由变化。