塵埃粒子計數(shù)器校準裝置的研制*

劉俊杰　張文閣　國　凱　任玲玲

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國石油大學(xué)，北京 102249)

0　引言

空氣中顆粒物污染是醫(yī)藥、電子、航空等行業(yè)生產(chǎn)及加工工藝中主要的污染來源，如在電子行業(yè)及芯片制造工業(yè)中，氣體中微小顆粒物的沉積會造成電氣不良特性甚至更大的破壞，因此，準確評價空氣潔凈度已經(jīng)成為這些行業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品檢測的迫切要求[1]。目前，主要用于空氣潔凈度測量的商業(yè)儀器為塵埃粒子計數(shù)器，又稱激光粒子計數(shù)器(Optical particle counter，OPC)，其工作原理是當(dāng)含有塵埃顆粒的空氣通過儀器光敏感區(qū)時，散射出與粒徑大小成比例關(guān)系的光脈沖信號，該信號被光敏器件接受并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號再被放大，通過對一個檢測周期內(nèi)電脈沖的計數(shù)，便可得知單位體積采樣空氣中的粒子個數(shù)，即粒子濃度。但是，由于儀器制造技術(shù)的差異、使用中儀器光學(xué)系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)的變化[2]，塵埃粒子計數(shù)器的測量結(jié)果不盡相同，甚至存在較大的偏差。因此，為實現(xiàn)上述領(lǐng)域內(nèi)顆粒計數(shù)測量的準確、可靠、一致，塵埃粒子計數(shù)器量值溯源體系的建立和校準裝置的研制則顯得尤為重要。

1　國內(nèi)外塵埃粒子計數(shù)器的溯源性研究及技術(shù)現(xiàn)狀

多年來，塵埃粒子計數(shù)器的校準一直是國際計量及研究機構(gòu)關(guān)注的重點。例如，美國材料和試驗協(xié)會ASTM分別于1998年和2001年頒布實施的ASTM F328-98和ASTM F649-01兩個技術(shù)標準中對塵埃粒子計數(shù)器示值誤差(也稱計數(shù)效率)的校準方法進行了規(guī)定。即采用波高分析儀校準粒子計數(shù)示值誤差，其結(jié)果溯源至儀器所產(chǎn)生電壓脈沖信號的數(shù)量。但是在該方法中，由于儀器設(shè)計、光敏區(qū)內(nèi)激光強度不一致等造成的計數(shù)損失無法確定[3]，因此，該方法并沒有被廣泛使用和認可。

針對上述問題和狀況，ISO標準化組織分別于2007年和2009年頒布實施ISO 21501-4-2007和ISO 15900-2009兩個技術(shù)標準。在這兩項標準中對粒子計數(shù)器的量值溯源鏈進行了科學(xué)的界定，確立了塵埃粒子計數(shù)器的粒子計數(shù)量值溯源鏈和溯源方法，即：“塵埃粒子計數(shù)器(OPC)-凝結(jié)核粒子計數(shù)器(CPC)-氣溶膠靜電計(FCE)”的逐級溯源方法。在該溯源鏈中，通過凝結(jié)核粒子計數(shù)器將塵埃粒子計數(shù)器的測量結(jié)果溯源至氣溶膠靜電計，而氣溶膠靜電計通過測量帶電顆粒所形成的電流計算得到粒子數(shù)量，最終使得粒子計數(shù)的測量值溯源至現(xiàn)有的國家計量標準——電流標準。該溯源鏈和校準方法的建立對于粒子計數(shù)器的校準、保證其測量結(jié)果的可靠、一致提供了合理的理論依據(jù)。目前，該方法已被國外的計量技術(shù)機構(gòu)廣泛認可。如：美國國家標準技術(shù)研究院NIST于2009年4月研制并建立了凝結(jié)核粒子計數(shù)器的校準裝置，并可開展對塵埃粒子計數(shù)器的粒子計數(shù)示值誤差校準[4-5]。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院AIST于2007年完成了“顆粒數(shù)量濃度一級標準”的研究工作[6]，建立了日本國內(nèi)的塵埃粒子計數(shù)器溯源體系，采用逐級溯源方法對標準塵埃粒子計數(shù)器進行校準，對于工作級塵埃粒子計數(shù)器則采用與標準粒子計數(shù)器比較法進行校準。

在我國，于1988年和2008年分別頒布實施了JJG 547—1988塵埃粒子計數(shù)器國家計量檢定規(guī)程和JJF 1190—2008塵埃粒子計數(shù)器國家計量校準規(guī)范，對塵埃粒子計數(shù)器的計量性能指標及檢定方法做出了規(guī)定。但是由于缺乏相應(yīng)的實物計量標準，上述計量技術(shù)法規(guī)無法真正實施。在JJF 1190—2008中，要求用經(jīng)多家比對后的標準塵埃粒子計數(shù)器作為傳遞標準，開展對工作級塵埃粒子計數(shù)器的校準和量值溯源。但是在比對中，由于很難獲取穩(wěn)定的氣溶膠源、沒有考慮粒徑檔設(shè)置對計數(shù)結(jié)果的影響[7]等，比對結(jié)果無法得到保證。因此，無法通過量值比對方式的到穩(wěn)定準確的標準塵埃粒子計數(shù)器，該方法從根本上并沒有解決我國塵埃粒子計數(shù)器的量值溯源問題。另外，塵埃粒子計數(shù)器作為光學(xué)類測量儀器，在使用一段時間后其光學(xué)系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)可能會發(fā)生變化，如光源老化、發(fā)光效率降低或聚焦錯位、透鏡污染，從而使整機的轉(zhuǎn)換靈敏度變化。因此，對于使用需重新計量校準的標準塵埃粒子計數(shù)器，該方法根本行不通。

2　塵埃粒子計數(shù)器校準裝置的研制

為實現(xiàn)我國空氣中顆粒物潔凈度測量的準確性，保障塵埃粒子計數(shù)器的量值溯源，近年來中國計量科學(xué)研究院采用國際公認的“塵埃粒子計數(shù)器-凝結(jié)核粒子計數(shù)器-氣溶膠靜電計”的逐級溯源方法，開展了塵埃粒子計數(shù)器校準裝置的研制。

2.1　氣溶膠靜電計的校準

氣溶膠靜電計FCE是國際公認的顆粒計數(shù)最高標準，測量結(jié)果可溯源至電流。工作原理為：當(dāng)帶有單一電荷的顆粒氣溶膠進入FCE的采樣入口后，顆粒被截留在放置于法拉第杯中的高效濾膜上，此時，由于空間電荷效應(yīng)，顆粒上的電荷會被釋放于法拉第杯中，從而形成可測量的電流，該電流值與顆粒數(shù)量濃度存在以下的關(guān)系：

(1)

式中，C為顆粒數(shù)量濃度，counts/cm3；q為電量，C；t為采樣時間，s；Q為采樣流量，cm3/s；I為電流，A；e為電子電量，量值1.6×10-19C。

本研究中將氣溶膠靜電計串聯(lián)到校準電路中[8-9]，如圖1所示。通過將氣溶膠靜電計的響應(yīng)電流值與標準電流值進行比對，實現(xiàn)對氣溶膠靜電計的校準，校準結(jié)果可溯源至國家電壓及電阻標準。其中：采用多功能過程校準器作為直流電源，校準系統(tǒng)中的高值電阻為標稱值1TΩ。校準過程中所有電器及元件外殼均接地、使用可控制溫的屏蔽箱防止外界的電磁干擾影響[9]。

圖1　氣溶膠靜電計校準電路圖

校準結(jié)果參見圖2，即在10～100fA范圍內(nèi)(對應(yīng)的粒子濃度范圍約為3700～39000個/cm3)，氣溶膠靜電計的響應(yīng)電流具有很好的線性和準確性。另外，通過對儀器采樣流量、濾膜截留效率等校準技術(shù)研究，完成對儀器3700～39000個/cm3測量范圍的校準和結(jié)果修正，不確定度優(yōu)于3.2％(k=2)。校準后的氣溶膠靜電計可作為我國空氣中顆粒計數(shù)的最高計量標準，開展相關(guān)檢測和量值傳遞。

圖2　氣溶膠靜電計校準曲線

2.2　凝結(jié)核粒子計數(shù)器的校準

在塵埃粒子計數(shù)器溯源鏈及校準方法中，凝結(jié)核粒子計數(shù)器是一個重要環(huán)節(jié)和傳遞標準，其具有測量范圍寬、可覆蓋塵埃粒子計數(shù)器和氣溶膠靜電計測量范圍的優(yōu)點，因此，凝結(jié)核粒子計數(shù)器的校準是實現(xiàn)塵埃粒子計數(shù)器溯源的關(guān)鍵。

校準裝置如圖3所示，即經(jīng)0.1μm過濾的潔凈壓縮空氣進入氣溶膠發(fā)生器，將裝置中的單分散聚苯乙烯乳膠標準粒子(國家標準物質(zhì)GBW12019)霧化，產(chǎn)生的氣溶膠粒子經(jīng)粒子中和器(Am241)后達到波爾茲曼電荷平衡，再經(jīng)過氣溶膠電遷移分離器，最終產(chǎn)生表面帶有單一電荷的單分散氣溶膠粒子。通過稀釋、補充潔凈空氣、抽氣等技術(shù)手段使得氣溶膠分配器出口處的顆粒濃度達到動態(tài)平衡，并以特定流速流經(jīng)待校準的凝結(jié)核粒子計數(shù)器和已校準的氣溶膠靜電計，通過比對法完成對凝結(jié)核粒子計數(shù)器的校準。與此同時，為了滿足對凝結(jié)核粒子計數(shù)器低濃度范圍的校準，在凝結(jié)核粒子計數(shù)器入口接入了一套氣溶膠稀釋裝置，其稀釋倍數(shù)在1～100倍范圍內(nèi)可準確調(diào)節(jié)。當(dāng)稀釋倍數(shù)f已知時，通過將凝結(jié)核粒子計數(shù)器的測量值CCPC與標準值CFCE/f進行比較，實現(xiàn)對凝結(jié)核粒子計數(shù)器低濃度范圍的校準。

圖3　凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準裝置

研究表明當(dāng)顆粒數(shù)量濃度介于25～16000個/cm3范圍內(nèi)時，凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準結(jié)果的擴展不確定度優(yōu)于4.2％(k=2)。校準后的凝結(jié)核粒子計數(shù)器完全滿足ISO 21501-4-2007及JJF 1190—2008國家計量校準規(guī)范對塵埃粒子計數(shù)器的校準需求，其校準不確定度遠遠優(yōu)于儀器最大允許誤差的三分之一，可作為量值傳遞的計量標準，開展對塵埃粒子計數(shù)器的校準。

2.3　塵埃粒子計數(shù)器的校準

與凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準裝置類似，在塵埃粒子計數(shù)器的校準中，采用氣溶膠發(fā)生器、單分散聚苯乙烯標準物質(zhì)(GBW12018)、氣溶膠電遷移器等技術(shù)得到單分散的氣溶膠粒子。之后在氣溶膠分配器出口處同時連接凝結(jié)核粒子計數(shù)器和被校準的塵埃粒子計數(shù)器，如圖4所示，通過比對實現(xiàn)對塵埃粒子計數(shù)器的校準。

圖4　塵埃粒子計數(shù)器的校準示意圖

校準中由于塵埃粒子計數(shù)器的采樣流量較大，因此，需在其入口處補充恒定流速的潔凈空氣，保證氣溶膠分配器出口處的氣流平衡；另外，由于塵埃粒子計數(shù)器具有更低的濃度測量下限，需在其入口處連接氣溶膠稀釋器，實現(xiàn)對塵埃粒子計數(shù)器低測量范圍的校準。與此同時，所用標準物質(zhì)顆粒粒徑為0.28μm，其99％以上的顆粒分布應(yīng)在0.26～0.31μm范圍內(nèi)，且無粒徑低于0.2μm 的顆粒，因此，通過測量≥0.2μm顆粒的數(shù)量濃度，可有效避免塵埃粒子計數(shù)器粒徑檔設(shè)定誤差對顆粒計數(shù)值的影響，保證校準結(jié)果的可靠性。校準結(jié)果見表1，不確定度優(yōu)于6％，k=2。

在該校準裝置中，采用了調(diào)節(jié)原始氣溶膠濃度、調(diào)節(jié)氣溶膠稀釋器的稀釋比例、補充潔凈空氣等技術(shù)手段，可對不同流量塵埃粒子計數(shù)器全量程范圍的顆粒計數(shù)示值誤差進行校準，滿足我國各行業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ煌吞枆m埃粒子計數(shù)器的校準需求。

表1　塵埃粒子計數(shù)器的校準結(jié)果

3　結(jié)論

本研究中采用國際公認的塵埃粒子計數(shù)器溯源方法，建立了我國塵埃粒子計數(shù)器的量值溯源體系和實物計量標準裝置。在該溯源體系中通過凝結(jié)核粒子計數(shù)器將塵埃粒子計數(shù)器的測量結(jié)果溯源至氣溶膠靜電計，并最終使得粒子計數(shù)的測量值溯源至現(xiàn)有的計量標準——電流標準之上，從而保證了我國空氣潔凈度測量的準確性和塵埃粒子計數(shù)器的量值溯源。在所建立的塵埃粒子計數(shù)器實物計量標準裝置中，以校準后的凝結(jié)核粒子計數(shù)器作為量值傳遞標準，可對不同流量塵埃粒子計數(shù)器全量程范圍的顆粒計數(shù)示值誤差進行校準，滿足我國各行業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ煌吞枆m埃粒子計數(shù)器的校準需求。

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[9]劉俊杰，張文閣，胡向軍.氣溶膠靜電計的校準研究.第九屆全國顆粒測試學(xué)術(shù)會議暨現(xiàn)代顆粒測試技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研討會論文集(第十五屆中國科協(xié)年會第16分會場)，2013