塵埃粒子計數器原理

目前塵(chen)埃粒子計(ji)數器的(de)用戶越來越多，廣泛(fan)應用于醫藥(yao)、電(dian)子、精密機(ji)械、彩管(guan)制造(zao)、微生物等行(xing)業中，實現對各種潔凈等級(ji)的(de)工作臺、凈化(hua)室、凈化(hua)車間的(de)凈化(hua)效果(guo)、潔凈級(ji)別進行(xing)監(jian)控，以確保產(chan)品的(de)質量。

塵埃(ai)粒(li)子計數器(qi)是用來測(ce)量(liang)空(kong)氣(qi)中微粒(li)的數量(liang)及大小的儀(yi)器(qi)，從而為空(kong)氣(qi)潔凈(jing)度的評(ping)定提(ti)供依據(ju)。常見(jian)的塵埃(ai)粒(li)子計數器(qi)是光散射式(DAPC)的，測量粒徑(jing)范圍(wei)0．1～10t~m，此外還有凝聚核(he)式的塵(chen)埃粒(li)子計數器(CNC)，可測量尺寸(cun)更小的塵埃粒(li)子。本文將(jiang)介(jie)紹光(guang)散射式塵埃粒(li)子計數器。

1 儀器的工作原理

空氣(qi)中的(de)(de)微(wei)(wei)粒(li)(li)在(zai)光(guang)(guang)的(de)(de)照射(she)(she)(she)下會(hui)發(fa)生(sheng)散(san)(san)射(she)(she)(she)，這(zhe)種現象叫光(guang)(guang)散(san)(san)射(she)(she)(she)。光(guang)(guang)散(san)(san)射(she)(she)(she)和(he)微(wei)(wei)粒(li)(li)大(da)(da)小(xiao)、光(guang)(guang)波波長、微(wei)(wei)粒(li)(li)折射(she)(she)(she)率及微(wei)(wei)粒(li)(li)對(dui)光(guang)(guang)的(de)(de)吸收特性等因素有(you)關。但是(shi)就(jiu)散(san)(san)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)強(qiang)(qiang)度(du)(du)和(he)微(wei)(wei)粒(li)(li)大(da)(da)小(xiao)而言，有(you)一個(ge)基本規律，就(jiu)是(shi)微(wei)(wei)粒(li)(li)散(san)(san)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)隨微(wei)(wei)粒(li)(li)的(de)(de)表面積增加而增大(da)(da)。這(zhe)樣只要測(ce)定散(san)(san)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)就(jiu)可(ke)推知微(wei)(wei)粒(li)(li)的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)，就(jiu)是(shi)光(guang)(guang)散(san)(san)射(she)(she)(she)式粒(li)(li)子(zi)計數(shu)器的(de)(de)基本原理。實際上，每個(ge)粒(li)(li)子(zi)產生(sheng)的(de)(de)散(san)(san)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)強(qiang)(qiang)度(du)(du)很(hen)弱(ruo)，是(shi)一個(ge)很(hen)小(xiao)的(de)(de)光(guang)(guang)脈沖，需要通(tong)過光(guang)(guang)電(dian)轉換器的(de)(de)放(fang)大(da)(da)作用(yong)，把光(guang)(guang)脈沖轉化為信號幅度(du)(du)較大(da)(da)的(de)(de)電(dian)脈沖，然后再經過電(dian)子(zi)線路的(de)(de)進一步放(fang)大(da)(da)和(he)甄別，從而完成(cheng)對(dui)大(da)(da)量電(dian)脈沖的(de)(de)計數(shu)工作。此(ci)時，電(dian)脈沖數(shu)量對(dui)應(ying)(ying)于微(wei)(wei)粒(li)(li)的(de)(de)個(ge)數(shu)，電(dian)脈沖的(de)(de)幅度(du)(du)對(dui)應(ying)(ying)于微(wei)(wei)粒(li)(li)的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)。

 

圖(tu)1表示了塵埃粒子(zi)計數器的(de)具體(ti)工作原理：來

自光源的光線被透鏡組(zu)1聚(ju)焦于測量(liang)腔(qiang)內，當(dang)空氣(qi)中

的(de)每一(yi)個(ge)粒(li)子快速地通過測量(liang)腔時(shi)，便(bian)把入射光散射

一次，形成(cheng)一個光(guang)(guang)脈沖信號(hao)。這一光(guang)(guang)信號(hao)經(jing)過透鏡(jing)組

2被送到光檢測器(qi)，正比(bi)地轉換成電脈沖(chong)信(xin)號，再經過儀器(qi)電子線路(lu)的放大(da)、甄(zhen)別(bie)，揀出需要的信(xin)號，通過計(ji)數系統顯示出來(lai)。

需(xu)要指出的(de)是，雖然儀(yi)器(qi)稱為“計數(shu)器(qi)”，但是儀(yi)器(qi)分辨(bian)微粒大小的(de)能力更為重要。因為電(dian)脈(mo)沖的(de)計數(shu)很簡單，而判斷粒子的(de)大小非常重要。

2 儀(yi)器的組成(cheng)及各部分功能

儀器的(de)組成及相互關系如圖2所示。

 

2．1 光源

光源(yuan)(yuan)是塵埃粒子計數(shu)器的關(guan)鍵部件，對儀器的性能(neng)影響很大。光源(yuan)(yuan)要求穩定性高、壽命長、不(bu)受干擾。

光(guang)(guang)源有普通光(guang)(guang)源和激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)源兩(liang)種。普通光(guang)(guang)源為碘鎢燈，體積大、發(fa)熱量高、壽命短，開(kai)機(ji)后需要預熱。激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)源為激(ji)光(guang)(guang)器，體積小、穩(wen)定性高、壽命長，常(chang)與檢(jian)i貝0腔及光檢測器做(zuo)成(cheng)(cheng)一(yi)體，組成(cheng)(cheng)傳感器。

常見的激光光源(yuan)有HeNe激光(guang)器、激光(guang)二極(ji)管。

采用普(pu)通光源的塵(chen)埃粒子(zi)計數器對0．3 m以下的(de)微粒信號(hao)(hao)響應很低(di)，其信號(hao)(hao)幅(fu)度(du)與計數器本身的(de)噪聲幅(fu)度(du)相(xiang)差無幾，信號(hao)(hao)很難從(cong)噪聲中檢測出來。此類儀(yi)器雖然標有0．3 m這一通道，但只(zhi)適于測定大于

0．3 m特別是(shi)0．5 m以上(shang)的微(wei)粒。由于激(ji)(ji)光(guang)(guang)的單色性好，光(guang)(guang)能量集(ji)中(zhong)穩定，所以采用激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)源的塵埃粒子計數(shu)器(qi)其傳感器(qi)有(you)較(jiao)高的信噪比，此類儀器(qi)有(you)些(xie)能檢(jian)測(ce)到0．1 m的微(wei)粒。

2．2 測量腔?

測(ce)量腔(qiang)是進行(xing)微(wei)粒(li)觀測(ce)的空間，被(bei)(bei)采集的空氣要從測(ce)量腔(qiang)內(nei)穿(chuan)過。儀(yi)器的光(guang)(guang)學系統使(shi)光(guang)(guang)源經透(tou)鏡、狹縫照射(she)到(dao)測(ce)量腔(qiang)中(zhong)，形(xing)成一個體積約(yue)幾個立(li)方毫(hao)米的光(guang)(guang)敏感(gan)區(qu)。當空氣中(zhong)的塵埃通過光(guang)(guang)敏感(gan)區(qu)時，會散射(she)出一部分光(guang)(guang)能量，被(bei)(bei)與入射(she)光(guang)(guang)成一角度(90。或70。)的(de)集光(guang)透鏡(jing)收集，再(zai)投射(she)到光(guang)檢測器(qi)上。

 

2．3 光檢測器

光(guang)檢測器(qi)是將散射光(guang)能量轉換為電信(xin)號(hao)的(de)光(guang)電轉換器(qi)件。塵埃粒子(zi)計數器(qi)中常(chang)用的(de)光(guang)檢測器(qi)是光(guang)電

倍(bei)增管(guan)和光(guang)電(dian)二(er)極管(guan)。

光電倍增管把光電子放(fang)大幾(ji)(ji)萬(wan)倍后轉換(huan)成(cheng)幾(ji)(ji)個毫伏到幾(ji)(ji)十毫伏的電信號，光譜(pu)具有線性(xing)好、響應時間快、暗電流小的優點，缺點是體積大。光電倍增管工

作時需加上(shang)幾百(bai)伏特的負(fu)高(gao)(gao)壓，儀(yi)器中有(you)(you)相應(ying)(ying)的高(gao)(gao)壓產(chan)生電(dian)(dian)路，在對儀(yi)器進行調試(shi)或校準(zhun)時應(ying)(ying)注意(yi)安全。光電(dian)(dian)二極(ji)管(guan)是一種受到光照后能產(chan)生電(dian)(dian)子的半導(dao)體元(yuan)件，具有(you)(you)體積小、外圍電(dian)(dian)路簡單的特點，常與(yu)檢測腔(qiang)做成一體。

2．4 流量監控

目前國產塵埃粒子計數(shu)器常采用轉子流(liu)量計作流(liu)量指示，則(ze)儀器的流(liu)量調(diao)節大(da)多數(shu)是直接調(diao)節轉子流(liu)量計上的旋鈕，此時(shi)儀器的控(kong)制電路(lu)對流(liu)量是沒有(you)監控(kong)的。

進口塵埃粒(li)子(zi)計(ji)數器通(tong)過流量(liang)傳(chuan)感器對流量(liang)進行監測，通(tong)過手動(dong)調節或自動(dong)反饋(kui)調節。

塵埃(ai)粒子計數器的采樣流量(liang)一般為2．83L／min或28．3L／min(進(jin)口儀(yi)器常(chang)以(yi)“立方英尺每分(fen)”為單位(wei)，標記為0．1cfm或1cfm)，主要是為了(le)便(bian)于進行(xing)符(fu)合Fed—Std一(yi)209E的潔凈(jing)度的計算。

大(da)流(liu)量的采(cai)樣(28．3L／min)更能準確地(di)反(fan)映(ying)空氣的潔凈狀況，但使大采樣(yang)濃度降低(di)。

2．5 氣泵及(ji)過(guo)濾器

氣泵位于儀器內部，使(shi)儀器產生(sheng)采樣(yang)流量。氣泵要(yao)求噪音低、振(zhen)動小、產生(sheng)的氣流穩定。過(guo)濾器應能過(guo)濾掉(diao)0．3ttm以上的微(wei)粒，以免(mian)從儀器排出的空氣對潔凈(jing)區(qu)產(chan)生影響。

2．6 電路系(xi)統

不同粒(li)徑大小的(de)粒(li)子(zi)經塵埃粒(li)子(zi)計數器(qi)的(de)光電系(xi)統轉換(huan)后，會產生不同幅度(電(dian)壓)的電(dian)脈沖(chong)(chong)信(xin)號，粒徑(jing)越大，脈沖(chong)(chong)電(dian)壓越高。信(xin)號電(dian)壓與粒徑(jing)之間的關(guan)系，也叫轉換(huan)靈敏度(du)。對于給定(ding)的塵埃粒子(zi)計(ji)數器(qi)，粒徑(jing)大小與脈沖(chong)(chong)電(dian)壓是一一對應的，例如某(mou)臺塵埃粒子(zi)計(ji)數器(qi)的轉換(huan)靈敏度(du)為0．3tLm對(dui)應69mV，0．5 m對應(ying)531mV，1．Ottm對應701mV等，若塵埃粒(li)子(zi)計數器(qi)檢測(ce)到一(yi)個脈沖為(wei)lOOmV，則(ze)這(zhe)個粒子(zi)的(de)大小(xiao)肯定大于0．3ttm而小于0．5 m。

塵(chen)埃粒(li)子計數(shu)器是(shi)測量大(da)于(yu)等(deng)于(yu)某(mou)一粒(li)徑(jing)的(de)粒(li)子數(shu)量的(de)儀(yi)器，其內部電(dian)路(lu)就(jiu)是(shi)統計大(da)于(yu)等(deng)于(yu)某(mou)一電(dian)壓(ya)值(zhi)的(de)脈沖數(shu)量的(de)電(dian)路(lu)。對于(yu)上段中的(de)例(li)子，測量空氣中大(da)于(yu)等(deng)于(yu)0．3ttm粒子的數量，在電(dian)路中就是統計大(da)于等于69mV的脈沖的個(ge)數，測(ce)量大于等(deng)于0．5ttm粒子的(de)數量(liang)，在(zai)電路中就是統計(ji)大于(yu)等于(yu)531mV的(de)脈(mo)沖的(de)個數，依(yi)此類(lei)推。所(suo)以(yi)儀器對塵埃粒子的(de)測量，主要靠(kao)轉換靈敏度這個參(can)數。

另外(wai)需要說明(ming)的(de)是(shi)，每臺塵埃(ai)粒(li)子計數(shu)器(qi)的(de)轉換靈敏度均不同，在出廠時及以后須定期(qi)用標準粒(li)子進行(xing)校準，以獲得轉換靈敏度值。電(dian)路系統就是(shi)完(wan)成(cheng)對脈沖信(xin)號的(de)放大(da)、甄別、計數(shu)的(de)電(dian)路。此外(wai)還包括電(dian)源(yuan)、控制、顯示、計算、打印等(deng)電(dian)路。

3 儀(yi)器(qi)的使用及(ji)技(ji)術要求

塵(chen)埃粒子計數器(qi)的、鋇0量值有(you)兩種(zhong)表示(shi)方式：總計(cumulative)方式和分計方式(differentia1)。總計方(fang)式(shi)指(zhi)(zhi)測(ce)量值(zhi)為(wei)大于等于該粒徑(jing)的(de)粒子數，分計方(fang)式(shi)指(zhi)(zhi)測(ce)量值(zhi)為(wei)大于等于該粒徑(jing)同(tong)時又小于下一相鄰粒徑(jing)的(de)粒子數。

儀器(qi)在開始采(cai)樣前應(ying)先自(zi)凈，以確保儀器(qi)內部無殘留(liu)粒子(zi)。采(cai)樣時(shi)一定要(yao)用等動能(neng)取(qu)樣頭，并注意采(cai)樣管(guan)不(bu)要(yao)堵塞、彎死(si)，采(cai)樣管(guan)不(bu)要(yao)太長。儀器(qi)禁止抽(chou)取(qu)高濃度粒子(zi)的氣體(如較(jiao)臟的(de)空氣)及含(han)有水氣、油氣、腐蝕性氣體進入儀器，否則將污染儀器氣路、光路器件(jian)，甚至造成久損壞。按(an)照國家計量(liang)檢定規程要求，儀器的自(zi)凈時間(jian)應小于(yu)20min，測(ce)量準確度(du)應小(xiao)于40％ ，測量重復性應(ying)小于20％。

4 關于校(xiao)準

塵埃粒(li)子計(ji)數器是國(guo)家規定的計(ji)量(liang)器具，需按計(ji)量(liang)檢定規程每年定期校準。因為塵埃粒(li)子計(ji)數器在使用(yong)一段(duan)時間后，其光(guang)學系(xi)統及檢測(ce)系(xi)統都會發生變化(hua)，如光(guang)源老(lao)化(hua)、發光(guang)效率降(jiang)低(di)或聚焦錯位(wei)、透鏡被污染，從而使整機的轉換(huan)靈敏度變化(hua)。塵埃粒(li)子計(ji)數

器的(de)校準(zhun)，就是對儀器各方面(mian)進行調整，以獲得

工(gong)作狀(zhuang)態。