5、测量装置

5.1 光学粒子计数器

5.1.1 操作

在光学粒子计数器中，颗粒物逐粒进入一个受到密集光照的测量空间。颗粒物穿越该光敏区时引起光散射，在特定空间角的光探测器感受散射我，并将其转变成电脉冲。脉冲高度代表颗粒物的尺寸，单位时间内的脉冲数量表明被测空气的颗粒物浓度。



图 4 是个实例，展示以激光为光源的光学粒子计数器的一般结构。

1 经德国工程师协会同意，本图选自文献[6]。

5.1.2 最低性能参数

粒径测量范围（计数效率100%时）：0.1 μm 至2 μm

粒径在0.1 μm 至0.5 μm 之间最少分段：

滤料试验： 5 个尺寸段

过滤器试验：2 个尺寸段

伪计数率：＜1 min^-1

5.1.3 误差来源与限制误差

光学粒子计数器给出的粒子尺寸是散射光等效直径（见文献[16]），它不仅依赖于颗粒物的几何尺寸，还取决于颗粒物的形状以及材料的光学特性。这种依赖性随粒子计数器的结构而不同。只有当两台计数器标定所用颗粒物材料与实测颗粒物一致时，两者的测量数据才有比较意义。

若颗粒物浓度过高，会产生所谓的重叠误差，即数个颗粒物同时进入光敏区，计数器将它们视为一个大颗粒物。为保证测量浓度不超出计数器制造商规定的最大浓度，应使用适当的稀释措施（见5.5 条）。[separator]

大多数计数器仅配有不很准确的流量表计，应使用更好的流量计来准确地确定颗粒物浓度。

5.1.4 维护与检查

应由有资质的人员定期维护和检查光学粒子计数器，包括用Latex 气溶胶的标定计数器。使用者正确操作方面的检查包括流量检查，以及在采样上游插入一个合适过滤器（H13或更高的HEPA 过滤器）来进行伪计数率检查。

若有数台计数器可利用，就有可能采用同一试验气溶胶对它们进行比对检查。

5.1.5 标定

光学粒子计数器通常采用聚苯乙烯乳胶球（Latex）标定（见文献[17]、[18]）。当采用振动孔板气溶胶发生器（见文献[19]），或独立的气溶胶粒度分析设备标定时，也可使用其它材料，通常为液体气溶胶材料（如DEHS）。

标定计数效率时，需要已知浓度的单分散气溶胶（例如，借助于微分迁移分析仪与气溶胶静电计，或凝结核计数器，见文献[12]），这种标定只可能在装备齐全的气溶胶实验室进行。标定计数效率的替代方法是，采用Latex 乳胶球作为标准粒子，与另一台光学计数器进行比对试验。做这种比对时，标准计数器的测量下限应小于被标定计数器的测量下限。

5.2 凝结核计数器

5.2.1 操作

在凝结核计数器（CNC）中，太小而无法直接采用光学测量的颗粒物，在进行光散射或消光测量之前，先经蒸汽凝结形成大颗粒。凝结后液滴的浓度再接受计数测量或光度测量。采用这种方法时，颗粒物的原始尺寸信息会丢失。

CNC 需要持续的过饱和气流以实现蒸汽凝结，产生这种过饱和气流的方法主要有两种。方法之一是，先在高于环境湿度的条件下达到饱和，然而接触冷管壁使之冷却（外冷却）（见文献[20]）。



图5采用外冷原理的凝结核计数器构造

这种装置的结构如图5 所示。气溶胶通过充满饱和丁醇蒸汽的管道，再穿过一个被外部冷却的管子，在此形成液滴，然后由光散射传感器测量。

另一种方法，与环境温度相同的气溶胶与含饱和蒸汽的无尘热空气混合，这种混合造成过饱和与凝结（见文献[21]）。其原理如图6 所示。气溶胶以最短路径直接进入混合喷嘴，在凝结段形成丙二醇液滴，然后由光散射传感器测量。





图6采用混合原理的凝结核计数器构造

5.2.2 最低性能参数

粒径测量范围（100%计数效率）：

50nm 到0.8μm

伪计数率：＜1 min^-1

5.2.3 误差来源及限制误差

对于CNC 的计数模式，粒子浓度的准确主要依赖于采样流量的准确度，根据所采用的测量或控制方式，其误差为2%~5%。对于光度模式，数量浓度与输出信号的相互关系依赖于液滴尺寸。在极端情况下，光度测量的不准确度可能高达100%（见文献[22]、[23]），因此，应避免采用光度测量模式。

5.2.4 维护与检查

应定期检查容器中蒸汽物质的存有量。由于水份的增加会改变蒸汽物质的热力学性能，所以应定期更换蒸汽物质。

使用者正确操作方面的检查包括流量检查，以及在采样上游插入一只合适过滤器（H13或更高的HEPA 过滤器）来进行伪计数率检查。

若有数台计数器可供使用，就有可能使用同一试验气溶胶对它们进行比对检查。

5.2.5 标定

采用计数模式的凝结核计数器可被认为是无需标定的绝对测量方法。只需经常用对比方式检查采样流量，例如用一个浮子流量计来对比。

采用光度模式时，测定计数效率需要已知的浓度单分散气溶胶（例如采用微分迁移分析仪与气溶胶静电仪， 见文献[12]），这种标定只能在设备齐全的气溶胶实验室进行。

5.3 微分迁移分析仪

5.3.1 操作

微分迁移分析仪（DMA）将颗粒物按其电迁移率来分级。颗粒物的电迁移率是粒径尺寸与该颗粒物上电荷数量的函数。



DMA 的结构如图7 所示。迁移分析仪中有两个同心的圆柱体电极。多分散气溶胶先因与空气离子接触而带有确定的电荷，然后穿过沿外电极的环状缝隙进入DMA，沿内电极注入等动力无尘空气。在两电极间电场的影响下，具有一种极性的粒子偏离气流向中心电极移动，而具有相反极性的粒子被外电极吸引。从内电极的底部引出具有特定电迁移率的粒子。

要正确选用原始多分散气溶胶的粒径分布，只有保证每个颗粒物只带一个电荷，才能保证分离出的粒子大小相同。

5.3.2 最低性能参数

分离粒径范围：10nm 到0.8μm（准）单分散气溶胶几何标准差：＜1.3

5.3.3 误差来源与误差限制

若原始气溶胶的粒径分布不能准确地满足单分散气溶胶的分离要求，当输出0.1 μm 以上的粒子时，可能会混有大量含多个电荷的大粒子。

漏气和流量的误调整会造成所选粒径的漂移以及单分散的失真。

5.3.4 维护与检查

运行过程中电极吸附尘粒，因此应定期清洁电极。

每次清洁后，应按制造商说明书介绍的方法进行密封检测。应经常校验仪器内的质量流量计。正确调整流量对设备的正常运行至关重要。若在两电极间无电位差时仍在输出口检测至粒子，就应检查流量。

5.3.5 标定

通过对设备几何尺寸、流量、电位差的计算，可以得到输出单分散气溶胶粒子的直径，因此原则上没必要对设备进行标定。鉴于这个原因，这种设备经常被用作其它仪器的标定基准。若怀疑设备工作不正常，建议利用同样型号的另一台设备进行比对，或用Latex 气溶胶进行比对（见[17]、[24]）.

5.4 以微分迁移分析仪为基础的尘径分析系统

5.4.1 操作

这里所说的微分迁移粒度仪（DMPS）是DMA 与CNC 的组合。改变DMA 中心电极的电压，分别测量各种电压下出口处单分散气溶胶的计数浓度，若知道气溶胶粒子的电荷分布情况，就能计算出原始气溶胶的粒径分布。整个DMPS 的测量过程由同一台计算机控制，测量数据的评估由那台计算机来完成。

5.4.2 最低性能参数

采样流量：＞0.3 l/min

测量范围：

――粒径： 10 nm 至0.8 μm

――计数浓度：103cm^-3 至106cm^-3

5.4.3 误差来源与误差限制

采用这种测试方法，就要知道气溶胶的电荷分布情况。携载颗粒物的气体（如乙醇分子）会干扰颗粒物上的电荷状况，颗粒物浓度过高也会改变电荷分布。

5.4.4 维护与检查

见 CNC（5.2.4）与DMA（5.3.4）。

5.4.5 标定

见 CNC（5.2.5）与DMA（5.3.5）。

5.5 稀释系统

5.5.1 操作

稀释系统通过加入无尘气体（通常为空气）将气溶胶浓度降至确定的水平。稀释性能不应受粒径范围的影响，不应随时间而漂移。

含气溶胶的一股分流经过滤成为洁净空气，未过滤的部分进入一根细管，用这根细管上的压降来确定体积流量（见文献[25]）。

另一种可能的方式是从外部注入无尘空气（例如，从压缩空气线路）。有些系统采用喷射原理。纯净气流收缩时产生压降，利用这一压降来吸入气溶胶并将其稀释（见文献[26]）。这类系统的稀释取决于装置的几何尺寸，操作者无法对其进行调整。不采用喷射原理的另一种稀释方法是，将纯净空气与含气溶胶气流混合。通过调整纯净

空气流量与气溶胶空气流量来确定稀释比。这种方式的稀释比可以在给定范围内任意调节。将数只稀释器串联可以获是高精确度的的高稀释比（高至10000）（见文献[25]、[27]）。

5.5.2 最低性能参数

体积流量：在测量装置上可调

稀释比： 10~10000，取决于原始气体气溶胶浓度以及使用的测量装置

精度： （稀释比的）5%

伪计数率（在稀释系统的入口部位使用“绝对过滤器”时）：

＜10 min-1

5.5.3 误差来源与误差限制

细管与喷嘴上的沉积物会改变稀释比。

5.5.4 维护与检查

按照制造商给定的周期更换过滤器。若测量无尘空气时颗粒物读数不为零，就应清洁稀释系统。应经常检查稀释比，其方法例如，在设定稀释比的条件下测量稀释器进、出口粒子的浓度。

5.6 差压测量设备

测量过滤器的压降需要压力测量装置，该装置既可以是直接测量（例如：液体压力计，薄膜压力计），或间接测量（例如：电或气动测量变换器）。电变换器需定期标定。最低性能参数：

精确度：＜3%测量值

5.7 绝对压力测量设备

在试验台入口绝对压力的测量可采用水银压力计，无液气压计，或电动压力传感器。

最低性能参数：测量范围：90 kPa~120 kPa

精确度 ±0.6 kPa

5.8 温度计

可采用液体温度计或具有电传感器/变换器的温度计进行温度测量（见文献[28]）。

最低性能参数：

测量范围：273K~313K

精确度： 2K

5.9 湿度计

相对湿度的测量可采用简易的发丝湿度计，也可使用复杂些的装置（电解湿度计，氯化锂露点湿度计，露点镜面湿度计，干湿球湿度计等，见文献[28]）。

最低性能参数：

测量范围：25%~95%相对湿度

精确度： 5%相对湿度

6、维护与检查周期

参照表2 规定的程序，在规定时间内对各种仪器进行至少一次维护和检查。仪器的年度标定应与单项标定备忘录一并归档。

表2 维护与检查周期汇总表                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

粒子数量	下限	上限	粒子数量	下限	上限
0	0	3.7	35	24.4	48.7
1	0.1	5.6	40	28.6	54.5
2	0.2	7.2	45	32.8	60.2
3	0.6	8.8	50	37.1	65.9
4	1	10.2	55	41.4	71.6
5	1.6	11.7	60	45.8	77.2
6	2.2	13.1	65	50.2	82.9
8	3.4	15.8	70	54.6	88.4
10	4.7	18.4	75	59	94
12	6.2	21	80	63.4	99.6
14	7.7	23.5	85	67.9	105.1
16	9.4	26	90	72.4	110.6
18	10.7	28.4	95	76.9	116.1
20	12.2	30.8	100	81.4	121.6
25	16.2	36.8
30	20.2	42.8

7、粒子计数统计学问题

粒子计数涉及误差统计学误差，计数事件的数量越少，置信度越低。置信度可用泊松分布来估计。

下表给出泊松分布下给定事件数量95%置信区间的上、下极限。

表3 符合泊松分布粒子数量95%置信区间的上、下限

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

项 目	每只过滤器	每日	每周	每月	每年	更换后
压差              调零              绝对压力              温度              相对湿度					×              ×              ×	×              ×              ×              ×
激光粒子计数器              伪计数率              尺寸确定              计数效率              重叠误差              体积流量	×				×              ×              ×              ×	×              ×              ×              ×              ×
DMA              零电压测试              体积流量              清洁		×		×	×	×              ×              ×
CNC              伪计数率              计数效率              重叠误差              体积流量              填充水平	×	×			×              ×              ×	×              ×              ×              ×              ×
气溶胶发生器              粒径分布              稳定性              电中和性					×              ×	×              ×              ×
稀释系统              伪计数率              稀释系数		×			×	×              ×
1) 因试验准备和具体仪器而异。

例如，若记录了5 只粒子，表3 中显示95%次重复测量同一对象所得测量数应该在1.6至 11.7 之间。

小计数置信区间的极限值与期望值不对称。大计数的泊松分布变为对称的正态分布同，此时，可采用下式计算置信区间：

N95%＝N±1.96×N1/2

计算过滤器效率时，透过率的计算中需要粒子的计数值，此时，应确定置信区间的最不利值并将其作为透过率计算的基础。这通常意味着，上游浓度取置信区间的下限值而不是测量平均值，下游浓度取上限值。

值得注意的是，极限值以原始计数为基础，而不是间接是到的数值（例如，包含了稀释比的颗粒浓度或粒子数量）。

泊松概率仅用于稀释小计数产生的误差。确定计数误差的同时，还必须采取措施减少其它随机误差和系统误差。