詹永波，張健偉，曾建雄，石先城

（廣東環(huán)凱微生物科技有限公司，廣東廣州 510663）

標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生器（standard particle generator，SPG）是一種能夠發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)粒子的裝置，常用于校準(zhǔn)激光塵埃粒子計數(shù)器。近年來，隨著食品、藥品等潔凈行業(yè)的快速發(fā)展，塵埃粒子計數(shù)器的需求量日益增多，SPG作為校定塵埃粒子計數(shù)器的一種有效裝置，越來越受到人們的關(guān)注。對于粒子發(fā)生裝置的研制[1-3]、應(yīng)用[4-6]和校準(zhǔn)方法[7-8]等，國內(nèi)外有一些相關(guān)的文獻報道，然而，對于該裝置下粒子發(fā)生規(guī)律的探討卻并不多見。

為了能夠更好地校準(zhǔn)和標(biāo)定激光塵埃粒子計數(shù)器，本文中利用Metone255型SPG系統(tǒng)分別研究了等4 種 Duke標(biāo)準(zhǔn)粒子（polystyrene latex particles，PSL）的分布規(guī)律，利用PSL粒子研究了SPG系統(tǒng)粒子噴射液含量（單位體積粒子數(shù)）隨時間的穩(wěn)定性，并探討了塵埃粒子計數(shù)器比較校準(zhǔn)時，針對不同標(biāo)準(zhǔn)粒子的單、雙管測量法。

1 SPG的結(jié)構(gòu)和原理

圖1為SPG的結(jié)構(gòu)示意圖。SPG正常工作時，抽氣泵將外界的氣流帶進管路，經(jīng)干燥、過濾后分2路：一路通過噴霧器稀釋液流量計進入到噴霧器瓶，噴霧器瓶內(nèi)盛有PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子稀釋液，氣流由下往上將稀釋液吹至管壁處，經(jīng)濺射、霧化后從瓶口出射；另一路氣流通過干燥氣體流量計后在干燥器中與噴霧瓶出射的霧化PSL稀釋液相匯，干燥過后，帶有PSL粒子的氣流從圖1中9處管道進入到外接的粒子計數(shù)器中。

圖1 SPG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic drawing of SPG

激光塵埃粒子計數(shù)器是根據(jù)光散射的原理設(shè)計而成，激光光束經(jīng)柱面鏡等光學(xué)透鏡準(zhǔn)直、壓縮后，在光學(xué)傳感器腔體中心形成一個微小的光敏區(qū)。當(dāng)粒子穿越此光敏區(qū)域時，粒子產(chǎn)生的散射光被一會聚反射鏡收集至光電二極管上，散射光強度與粒子粒徑的大小呈一定的比例關(guān)系，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與粒子尺寸相對應(yīng)的電壓脈沖信號，再經(jīng)電路放大，甄別后歸入到相應(yīng)的計數(shù)檔位上。

2 實驗

2.1 材料、參數(shù)及方法

實驗所用的4種標(biāo)準(zhǔn)粒子PSL的參數(shù)見表1。

表1 4種標(biāo)準(zhǔn)粒子PSL參數(shù)Tab.1 Parameters of 4 standard particles

PSL稀釋液配置：將上述4種PSL原液分別滴入到高純水中，配置成具有不同含量的PSL稀釋液，再裝入SPG噴霧器瓶中。為了防止SPG產(chǎn)生的粒子被外界環(huán)境的顆粒物所污染，整臺SPG置于超凈工作臺中。測量方式分2種，即單管測量和雙管測量。單管測量時，SPG的PSL粒子出射管道直接連接流量為1.0SCFH（標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每小時）的激光塵埃粒子計數(shù)器或0.1SCFH的激光塵埃粒子計數(shù)器。雙管測量時，SPG的PSL粒子出射管道經(jīng)一個三叉管分為2路，一路連接流量為1.0SCFH的激光塵埃粒子計數(shù)器，另一路連接流量為0.1SCFH的激光塵埃粒子計數(shù)器（如圖2所示）。所用的1.0SCFH的激光塵埃粒子計數(shù)器型號為Kanomax3905，所用的0.1SCFH的激光塵埃粒子計數(shù)器型號為Kanomax3886，主要參數(shù)見表2。

圖2 實驗測試平臺Fig.2 Experimental test platform

表2 激光塵埃粒子計數(shù)器參數(shù)Tab.2 Parameters of laser dust particles counter

2.2 條件

實驗條件1：稀釋液的粒子數(shù)濃度：0.296 μm的為 1.33×107mL-1；0.498 μm 的為 2×107mL-1；1.019 μm的為 2.67×107mL-1；2.995 μm 的為 1.67×106mL-1。干燥氣體流量計調(diào)為50.0SCFH，噴霧器稀釋液流量計分別調(diào)為2.0SCFH、2.5SCFH和3.0SCFH。采樣的激光塵埃粒子計數(shù)器型號為Kanomax3905，采樣時間為1 min，采樣次數(shù)為3，測量方式為單管測量。

實驗條件 2：粒徑為 0.296、0.498、1.019 μm 的PSL稀釋液的粒子數(shù)濃度分別為1.50×107mL-1；粒徑為2.995 μm的PSL稀釋液的粒子數(shù)濃度為2.50×106mL-1。干燥氣體流量計都調(diào)為50.0SCFH，噴霧器稀釋液流量計調(diào)為2.5SCFH。采樣的激光塵埃粒子計數(shù)器型為Kanomax3905，采樣時間為1 min，采樣間隔為1.5 min，采樣次數(shù)為30，測量方式為單管測量。

實驗條件 3：粒徑為 0.296、0.498、1.019 μm 的PSL稀釋液的粒子數(shù)濃度均為 1.880×107mL-1；2.995 μm的PSL稀釋液的粒子數(shù)濃度為1.56×106mL-1。干燥氣體流量計都調(diào)為50.0SCFH，噴霧器稀釋液流量計調(diào)為2.5SCFH。采樣的激光塵埃粒子計數(shù)器型號為Kanomax3905和Kanomax3886，采樣時間為 1 min，采樣次數(shù)為3，測量方式前3種粒子采用單管測量的方法，2.995 μm的粒子采用雙管測量的方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 SPG噴射的4種PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布規(guī)律

3.1.1 不同稀釋液噴射流量下PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布

圖3—6是實驗條件1條件下測試所得到的4種PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子在不同稀釋液噴射流量下的分布圖。

從圖中可以看出，粒徑為0.296 μm的PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子占總粒子數(shù)的分?jǐn)?shù)高達99%，0.498 μm的高達97%，1.019 μm的高達83%，2.995 μm的PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子占總粒子數(shù)的分?jǐn)?shù)高達55%。 粒徑越大，測量粒子占總粒子數(shù)的比例呈下降的趨勢，原因主要有2個：一是PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子并不是嚴(yán)格意義上的同一粒徑，而是有一個不確定度的范圍，粒徑越大，這種不確定度的范圍就越大（從表1中可以看出）。單分散PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子在空間上的分布呈正態(tài)分布（參考國標(biāo)GB/T 6167—2007），粒徑越大，粒子計數(shù)器除測量檔外，其他檔測量到的粒子也會越多，因此，所測量粒子的比例會下降。二是粒徑越大，PSL粒子質(zhì)量就越大，粒子被吹出的數(shù)量就會相對減少。在高純水直接測試的試驗中，發(fā)現(xiàn)在3種噴射流量下（2.0SCFH、2.5SCFH、3.0SCFH），粒子計數(shù)器測量到的水滴數(shù)量還是不同程度存在的，SPG無法做到將PSL粒子完全干燥，所以測量粒子數(shù)量相對于水分子數(shù)量的減少，導(dǎo)致了比例的下降。從粒子總數(shù)來看，隨著稀釋液流量的遞增，測量粒子的數(shù)量也會隨著增加。從穩(wěn)定性的角度來看，前3種PSL粒子所占的比例基本上是穩(wěn)定的，而不會隨著稀釋液流量的增加而發(fā)生大的改變；而粒徑為2.995 μm的PSL粒子，明顯可以看出粒子所占的不盡相同。該粒徑PSL粒子所表現(xiàn)出來的這種差異性，原因可能跟測量粒子質(zhì)量有關(guān)，相對于前3種粒子，2.995 μm的PSL粒子質(zhì)量較大，在2.0SCFH的稀釋液流量下，噴射力度不足，無法將霧化的PSL粒子全部吹出。

圖3 0.296 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布Fig.3 Standard particle distribution of 0.296 μm

圖4 0.498 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布Fig.4 Standard particle distribution of 0.498 μm

圖5 1.019 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布Fig.5 Standard particle distribution of 1.019 μm

圖6 2.995 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布Fig.6 Standard particle distribution of 2.995 μm

3.1.2 PSL稀釋液濃度提高對粒子分布的影響

將粒徑為1.019、2.995 μm稀釋液的粒子數(shù)濃度分別提高至 5.33×107、1.67×106mL-1，得到的粒子分布圖如圖7和圖8所示。

顯而易見，稀釋液粒子數(shù)增加對1.019 μm的PSL粒子所占的比例幾乎沒有影響；而2.995 μm的PSL粒子數(shù)量盡管有了增加，但粒子所占的比例并沒有提高，且在3個稀釋液流量下，比例也各不相同，這也說明了稀釋液粒子數(shù)增加無法提高2.995 μm粒子分布的穩(wěn)定性。

圖7 粒子數(shù)濃度增大2倍后粒徑為1.019 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的分布Fig.7 Standard particle distribution of 1.019 μm after double particle concentration

3.2 SPG系統(tǒng)噴射粒子數(shù)隨時間的穩(wěn)定性

通常，激光塵埃粒子計數(shù)器校準(zhǔn)條件要求SPG系統(tǒng)噴射粒子數(shù)是穩(wěn)定的，如此才能夠保證測試的粒子計數(shù)器與標(biāo)準(zhǔn)的粒子計數(shù)器之間的差值更接近于真實值。以下采用實驗條件2的模式，研究了SPG系統(tǒng)噴射粒徑為0.296 μm等4種粒子時，粒子數(shù)隨時間的穩(wěn)定性。

圖9為分別用粒徑為 0.296、0.498、1.019 μm 的PSL粒子測試SPG系統(tǒng)所得到粒子數(shù)隨時間變化的曲線圖，圖10是用2.995 μm的PSL粒子測試SPG系統(tǒng)得到粒子數(shù)隨時間變化的曲線圖。其中虛線①表示系統(tǒng)啟動后，料子計數(shù)器首次采樣結(jié)束的時刻線，虛線②是啟動10 min后的。

圖9 分別噴射粒徑為0.296、0.498、1.019 μm粒子時粒子數(shù)隨時間變化的規(guī)律Fig.9 Temporal development of particle number spraying particles of 0.296，0.498 and 1.019 μm respectively

圖10 噴射粒徑為2.995 μm粒子時粒子數(shù)濃度隨時間變化的規(guī)律Fig.10 Temporal development of particle number spraying particles of 2.995 μm

從圖中可見，SPG系統(tǒng)工作的前10 min，粒徑為0.296、0.498、1.019 μm的PSL粒子數(shù)濃度隨時間呈下降趨勢，之后數(shù)量維持相對穩(wěn)定，而2.995 μm的PSL粒子數(shù)濃度隨時間呈上升趨勢，之后濃度維持相對穩(wěn)定。也就是說，該SPG系統(tǒng)開啟后需要等待10 min左右的時間才能夠發(fā)生數(shù)量較為穩(wěn)定PSL粒子。出現(xiàn)這種情況可能的原因是SPG內(nèi)置泵造成的，該泵需要啟動一段時間后才能夠進入到正常的工作狀態(tài)。

3.3 比較校準(zhǔn)時的單、雙管測量法

激光塵埃粒子計數(shù)器的校準(zhǔn)方法有2種，即絕對校準(zhǔn)和比較校準(zhǔn)。由于后者操作簡便，因此被許多粒子計數(shù)器廠家和計量院所采納。在比較校準(zhǔn)時，針對不同的PSL標(biāo)準(zhǔn)粒子，測量方法上是有所區(qū)別的，本文中采用實驗條件3的模式，進行粒徑為0.296 μm等4種粒子的比較校準(zhǔn)測試。

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6167—2007《塵埃粒子計數(shù)器性能試驗方法》中的規(guī)定，比較校準(zhǔn)時，測試粒子計數(shù)器與標(biāo)準(zhǔn)粒子計數(shù)器讀值偏差在±20%以內(nèi)時，視為合格。發(fā)現(xiàn)采樣 0.296、0.498、1.019 μm 的 PSL 粒子時，只能利用雙管同時測量的方法，采樣的該粒子粒徑所對應(yīng)的檔位數(shù)值才會接近相等；采樣2.995 μm的PSL粒子時，只能利用單管分時測量的方法，采樣的該粒子粒徑所對應(yīng)的檔位數(shù)值才會接近相等。表3—5給出的是前3種PSL粒子用雙管同時測量的方法所得到的2個計數(shù)器的對比數(shù)值。很明顯可以看出，采樣粒子粒徑檔位的計數(shù)分?jǐn)?shù)相差很小，但相鄰對應(yīng)檔位的計數(shù)偏差是很大的。

表3 雙管測量時，采樣0.296 μm的PSL粒子兩計數(shù)器對應(yīng)檔位的粒子數(shù)Tab.3 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 0.296 μm under double tube measurement

表4 雙管測量時采樣0.498 μm的PSL粒子兩計數(shù)器對應(yīng)檔位的粒子數(shù)Tab.4 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 0.498 μm under double tube measurement

表5 雙管測量時采樣1.019 μm的PSL粒子兩計數(shù)器對應(yīng)檔位的粒子數(shù)Tab.5 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 1.019 μm under double tube measurement

表6是粒徑為2.995 μm的PSL粒子用單管分時測量的方法所得到的2個計數(shù)器的對比數(shù)值，同樣，3.0 μm檔位的計數(shù)分?jǐn)?shù)相差很小，但1.0 μm檔的計數(shù)偏差很大。

表6 單管測量時采樣2.995 μm的PSL粒子兩計數(shù)器對應(yīng)檔位的粒子數(shù)Tab.6 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 2.995 μm under single tube measurement

4 結(jié)論

1）Duke PSL粒子隨粒徑的增大對應(yīng)檔位計數(shù)的分浸透減下；0.296、0.498、1.019 μm 的 PSL 粒子具有較高的分布穩(wěn)定性，2.995 μm的分布穩(wěn)定性較差；PSL粒子對應(yīng)檔位計數(shù)的分?jǐn)?shù)不隨PSL稀釋液流量和濃度的增加而產(chǎn)生較大的變化。

2）SPG系統(tǒng)啟動后約10 min左右，系統(tǒng)噴射粒子的濃度才會進入到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）比較校準(zhǔn)時前3種粒子適合用雙管測量的測試方法，后1種粒子適合用單管測量的方法。

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