陸靜儀 林芳 張愛亮 / 上海市計量測試技術(shù)研究院
空氣中顆粒數(shù)量濃度(以下簡稱顆粒濃度)的測量在制藥、電子制造、精密加工等領(lǐng)域都有著重要意義[1]。空氣中顆粒數(shù)量濃度的測量方法有顯微鏡法與光散射法,其中顯微鏡法步驟繁瑣且不適用于小顆粒濃度測量,而使用光散射法可直接在儀器上讀取數(shù)據(jù),應(yīng)用較為普遍[2]。常用儀器有凝結(jié)核粒子計數(shù)器(CPC)、掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS)、塵埃粒子計數(shù)器(OPC)等[3]。凝結(jié)核粒子計數(shù)器(CPC)是利用過飽和蒸汽的冷凝增大顆粒粒徑,再檢測顆粒散射光信號,從而確定顆粒濃度的儀器,它實現(xiàn)了對納米級粒徑顆粒的數(shù)量濃度測量,可與差分電遷移分離器(DEMC)組合用于特定粒徑顆粒的計數(shù)。CPC被廣泛應(yīng)用于機動車尾氣監(jiān)測、環(huán)境空氣粒徑譜測量等[4],也是國際上廣泛認(rèn)可的“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(FCAE)[5]”逐級溯源鏈中的一環(huán)。圖1為凝結(jié)核粒子計數(shù)器的結(jié)構(gòu)。
圖1 凝結(jié)核粒子計數(shù)器結(jié)構(gòu)[6]
目前,國內(nèi)對凝結(jié)核粒子計數(shù)器的量值溯源依據(jù)為JJF 1562-2016《凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準(zhǔn)規(guī)范》,而國外所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 27891:2015《氣溶膠顆粒數(shù)量濃度凝結(jié)核粒子計數(shù)器的校準(zhǔn)》(ISO 27891:2015Aerosol particle number concentration - Calibration of condensation particle counters)。
JJF 1562-2016對CPC計數(shù)效率的校準(zhǔn)是以FCAE作為計量標(biāo)準(zhǔn),其校準(zhǔn)范圍為1~105個/cm3。其主要技術(shù)路線為通過氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的氣溶膠流經(jīng)DEMC,因不同粒徑的顆粒電遷移率不同,導(dǎo)致帶電顆粒通過電場的偏移量不同,從而實現(xiàn)對不同粒徑的選擇分離[7],圖2為DEMC結(jié)構(gòu)。經(jīng)DEMC篩分的單分散氣溶膠顆粒由氣溶膠分流器分流至FCAE與被校準(zhǔn)的CPC,通過兩者示值的比例關(guān)系計算出被校準(zhǔn)CPC的計數(shù)效率[8]。而ISO 27891:2015中有兩種不同的校準(zhǔn)方法,分別將FCAE或參考CPC作為計量標(biāo)準(zhǔn),其中以FCAE作為計量標(biāo)準(zhǔn)適合高顆粒濃度時CPC計數(shù)效率的校準(zhǔn),即濃度范圍為103~105個/cm3;以參考CPC作為計量標(biāo)準(zhǔn),則適合低顆粒濃度時CPC計數(shù)效率的校準(zhǔn),即濃度范圍為1~104個/cm3[6]。
圖2 差分電遷移分離器結(jié)構(gòu)
ISO 27891:2015中通過比較CPC示值與FCAE標(biāo)準(zhǔn)值進行校準(zhǔn)時,DEMC出口處氣溶膠經(jīng)氣溶膠分流器分流后直接進入FCAE與被校準(zhǔn)CPC。按圖3連接實驗裝置。本實驗中所用氣溶膠發(fā)生器為TSI 3076型恒流霧化氣溶膠發(fā)生器,可通過霧化懸浮的單分散顆粒產(chǎn)生單分散氣溶膠顆粒。
圖3 ISO 27891:2015方法校準(zhǔn)實驗裝置
依據(jù)校準(zhǔn)方法,使用氣溶膠發(fā)生器將粒徑為100 nm的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)顆粒霧化,經(jīng)擴散干燥器、氣溶膠中和器和DEMC后得到單分散氣溶膠顆粒,調(diào)節(jié)DEMC出口處氣溶膠至不同濃度,記錄并計算FCAE、CPC 30 s內(nèi)示值算術(shù)平均值,示值數(shù)據(jù)見表1,由30 s內(nèi)示值的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值)觀察示值的重復(fù)性。
表1 ISO 27891:2015中方法(以FCAE作為計量標(biāo)準(zhǔn))校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)
由表1可知,當(dāng)顆粒濃度低至2 000個/cm3以下時,F(xiàn)CAE計數(shù)十分不穩(wěn)定。而當(dāng)顆粒濃度低至500個/cm3以下時的變異系數(shù)與高顆粒濃度時的變異系數(shù)已不在同一數(shù)量級,可見其電流示值出現(xiàn)負(fù)值,主要由于FCAE靈敏度不足以檢測到少量顆粒所帶電荷形成的微弱電流[9,10]。因此,在ISO 27891:2015方法中,如需對較低顆粒濃度時的CPC計數(shù)效率進行校準(zhǔn),只能以參考CPC作為計量標(biāo)準(zhǔn)。將圖3中FCAE替換為參考CPC,實驗數(shù)據(jù)見表2。
表2 ISO 27891:2015中方法(以參考CPC作為計量標(biāo)準(zhǔn))校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)
JJF 1562-2016與ISO 27891:2015中的CPC校準(zhǔn)裝置有所不同,即JJF 1562-2016中,被校準(zhǔn)CPC前端加入了氣溶膠稀釋器。校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定:DEMC出口處的氣溶膠顆粒濃度控制在約7 000個/cm3,即進入FCAE的氣溶膠顆粒濃度約7 000個/cm3,CPC前端的顆粒濃度則由氣溶膠稀釋器控制,解決了將FCAE作為計量標(biāo)準(zhǔn)時低顆粒濃度下FCAE無法計數(shù)的問題。
按圖4連接實驗裝置。以該方法進行校準(zhǔn),在計算CPC計數(shù)效率時需引入氣溶膠稀釋器的稀釋比,表3為分別接入不同氣溶膠稀釋器的示值數(shù)據(jù)。
圖4 JJF 1562-2016中方法的校準(zhǔn)實驗裝置
表3 JJF 1562-2016中方法的校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)
氣溶膠稀釋比的準(zhǔn)確性直接影響CPC計數(shù)效率的校準(zhǔn)結(jié)果,稀釋比可由氣溶膠與稀釋氣體的體積流量比計算[11]。
ISO 27891:2015、JJF 1562-2016中凝結(jié)核粒子計數(shù)器的計數(shù)效率校準(zhǔn)方法的主要區(qū)別在于校準(zhǔn)顆粒濃度范圍不同,ISO 27891:2015中方法只有顆粒濃度高于103個/cm3時才能將FCAE作為計量標(biāo)準(zhǔn),在較低顆粒濃度時只能將參考CPC作為計量標(biāo)準(zhǔn),而參考CPC在低顆粒濃度時的示值難以通過逐級溯源鏈向上溯源,其溯源只能通過量值比對等方式進行;JJF 1562-2016中在被校準(zhǔn)CPC前端加入了氣溶膠稀釋器,解決了低顆粒濃度下無法直接比較FCAE與CPC示值的問題,從而使CPC示值在低顆粒濃度時也能溯源至FCAE,而稀釋比的準(zhǔn)確性成比例地影響計數(shù)效率的校準(zhǔn)結(jié)果,為保證校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠,應(yīng)通過可靠的途徑對氣溶膠稀釋器進行溯源。