張愛亮，劉 悅，陳啟悅，王婷婷，施禪臻，張子通

(1.上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203；2.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200233)

1 引 言

隨著制藥及醫(yī)療衛(wèi)生企事業(yè)單位對生產(chǎn)凈化區(qū)域潔凈要求逐漸提高，對潔凈技術(shù)的挑戰(zhàn)也將達到前所未有的深度和廣度[1]。目前廣泛使用了氣溶膠光度計對高效過濾器和凈化類產(chǎn)品的過濾終端進行檢測，驗證相關(guān)區(qū)域及設備是否滿足凈化要求。因此氣溶膠光度計數(shù)值的準確性直接影響到對潔凈環(huán)境的最終測試結(jié)果。與以往通過塵埃粒子計數(shù)器檢測環(huán)境空氣潔凈度相比，氣溶膠光度計可以更加直觀準確反映出被檢過濾系統(tǒng)的泄漏點。目前該檢測手段已被國家標準和行業(yè)標準廣泛使用，作為一種廣泛應用的檢測設備，但國內(nèi)尚沒有針對該設備的國家標準和計量技術(shù)法規(guī)，因此無法滿足對該檢測設備量值溯源的需求。上海市計量測試技術(shù)研究院承擔了全國環(huán)境化學計量技術(shù)委員會2018年度下達的《氣溶膠光度計》校準規(guī)范制定任務，在該規(guī)范中需對氣溶膠光度計質(zhì)量濃度的技術(shù)指標及校準方法進行制定。

2 工作原理和光學測量系統(tǒng)

氣溶膠光度計(以下簡稱儀器)工作原理是：儀器以恒定流量分別抽取被測過濾系統(tǒng)上游端和下游端的空氣樣品，采樣單元將空氣樣品輸送到測量單元，測量單元對空氣樣品中的氣溶膠質(zhì)量濃度進行測量，數(shù)據(jù)處理單元將測量結(jié)果進行分析并計算兩者的比值得出被測系統(tǒng)泄漏率，最后由顯示單元輸出測量結(jié)果。

儀器檢測原理簡圖如圖1所示。

圖1 檢測原理簡圖

測量單元的光散射室是一個復雜的光電單元，它包含連接到頂端的圓錐形光感應器，一副準直透鏡調(diào)整從光源直射入的光線，然后將其聚焦到采樣圓錐腔體內(nèi)。一個小孔形成一個圓錐形黑暗區(qū)在光電倍增管的周圍，防止光線直接到達光電倍增管上。聚光透鏡背對著光源將散射的光線通過圓錐形黑暗區(qū)照射到光電倍增管上。其光學原理是：基于光的Mie散射理論，粒子尺度接近或大于入射光波長的粒子散射現(xiàn)象；其散射光強在各方向是不對稱的，順入射方向上的前向散射最強，粒子越大，前向散射越強[2]。散射光強與粒子數(shù)濃度成正比，若已知粒子的相對密度，粒子數(shù)與質(zhì)量之比是個常數(shù)，所以散射光強與粒子的質(zhì)量濃度成正比。通過測量特定光路下氣溶膠引起的散射光強就可以達到間接測量氣溶膠濃度的目的[3]。

儀器光學測量系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 光學測量系統(tǒng)簡圖

3 質(zhì)量濃度校準設備

3.1 濾膜

濾膜為圓形，其直徑為(37±0.25)mm；孔徑小于2 μm；厚度為0.2～0.25 μm；在0.45 m/s的潔凈空氣流速時，壓強應小于3 kPa；暴露在35%RH空氣中24 h后質(zhì)量增加值不超過10 μg；可選用玻璃纖維濾膜、石英濾膜等無機濾膜，濾膜對0.3 μm標準粒子的截留效率不低于99.99%。

3.2 聚α烯烴

聚α烯烴(PAO)是由乙烯經(jīng)聚合反應制成α烯烴，進一步經(jīng)聚合及氫化而制成，是合成基礎油中的一種，使用范圍較為廣泛。PAO-4(化學編碼68649-12-7)氣溶膠是指以運動粘度為4 m2/s的聚α-烯烴油(PAO)為發(fā)生介質(zhì)的，通過氣溶膠光度計發(fā)霧混勻裝置而生成的多分散氣溶膠。

3.3 采樣稱量系統(tǒng)

(1)采樣裝置：流量量程為0～50 L/min，4 h的穩(wěn)定性應小于5%；

(2)流量標準裝置：量程為0～50 L/min，最大允許誤差±1.0%；可顯示累積采樣體積；

(4)氣溶膠發(fā)霧混勻裝置：可發(fā)生濃度高低可控、混合均勻的PAO-4氣溶膠的設備。內(nèi)部裝有多支Ⅲ-A型拉絲金噴嘴，其通過Venturi效應將PAO-4油生成的多分散氣溶膠。使用濾膜采樣法對該裝置的發(fā)霧口濃度進行測量，其20 min內(nèi)氣溶膠質(zhì)量濃度穩(wěn)定性應小于5%[4]。圖3為Ⅲ-A型拉絲金噴嘴結(jié)構(gòu)圖[5]。

圖3 Ⅲ-A型拉絲金噴嘴機構(gòu)圖

4 質(zhì)量濃度示值誤差校準方法

4.1 校準前準備

(1)濾膜外觀檢查應保證邊緣平整、厚薄均勻、無毛刺、無污染，不得有針孔或任何破損。

(2)采樣前濾膜平衡稱量應在恒溫恒濕環(huán)境中，即15～30 ℃，(50±5)%RH條件下，將濾膜放置至少24 h；稱量室環(huán)境條件應與恒溫恒濕設備保持一致；濾膜平衡后，運用分析天平對濾膜進行稱量。

4.2 質(zhì)量濃度校準

將被校儀器內(nèi)部參考值設定為100 mg/m3。按照圖4所示的校準系統(tǒng)進行校準。

圖4 儀器濃度示值誤差校準系統(tǒng)示意圖

使用氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)生質(zhì)量濃度為1～100 mg/m3的PAO-4氣溶膠，將氣溶膠光度計發(fā)霧混勻裝置的發(fā)霧口Ⅰ、Ⅱ,通過軟管分別連接到濾膜采樣裝置采樣口和被校儀器的下游采樣口，同時進行等流量采樣，按公式(1)計算濾膜采樣裝置的測量值Cs1[6]和記錄被校儀器濃度測量值Cm1。

(1)

式中：Cs為濾膜采樣裝置測量值，mg/m3；w1為采樣前濾膜的質(zhì)量，mg；w2為采樣后濾膜的質(zhì)量，mg；V為采樣體積，m3。

交換濾膜采樣裝置采樣口和被校儀器的下游采樣口連接的氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)霧口，同時進行等流量采樣，計算濾膜采樣裝置的測量值Cs2和記錄被校儀器濃度測量值Cm2。按公式(2)計算出儀器的第i次的單次濃度示值誤差δi,mg/m3。

(2)

式中:Cs1為濾膜采樣裝置連接發(fā)霧口Ⅰ的計算值，mg/m3；Cs2為濾膜采樣裝置連接發(fā)霧口Ⅱ的計算值，mg/m3；Cm1為被校儀器連接發(fā)霧口Ⅰ的測量值，mg/m3；Cm2為被校儀器連接發(fā)霧口Ⅱ的測量值，mg/m3。

重復以上操作4次，按公式(3)計算出被校儀器的質(zhì)量濃度示值誤差δ,mg/m3。

(3)

5 校準結(jié)果的驗證

5.1 氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)霧口穩(wěn)定性驗證

由于氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)霧口質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性直接關(guān)系到氣溶膠光度計質(zhì)量濃度校準的結(jié)果，因此需對其發(fā)霧口氣溶膠濃度穩(wěn)定性進行驗證[7]。

通過調(diào)節(jié)氣溶膠發(fā)霧混勻裝置相關(guān)參數(shù)，使之產(chǎn)生穩(wěn)定的氣溶膠。選用一臺重復性優(yōu)于1.5%的氣溶膠光度計連接到氣溶膠發(fā)霧混勻裝置的發(fā)霧口，待儀器穩(wěn)定后讀取氣溶膠光度計的初始值并開始計時，以后每隔5 min讀取1次濃度值，共5次。取5個讀數(shù)中的最大值和最小值，按公式(4)計算氣溶膠發(fā)霧混勻裝置20 min穩(wěn)定性。

(4)

使用氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)生3種不同質(zhì)量濃度的氣溶膠，發(fā)霧口Ⅰ和Ⅱ穩(wěn)定性曲線圖見圖5和圖6，其數(shù)據(jù)見表1。

圖5 發(fā)霧口Ⅰ穩(wěn)定性曲線

圖6 發(fā)霧口Ⅱ穩(wěn)定性曲線

表1 不同濃度下發(fā)霧口質(zhì)量濃度穩(wěn)定性

由表1中數(shù)據(jù)可知，氣溶膠發(fā)霧混勻裝置兩個發(fā)霧口濃度在20 min內(nèi)穩(wěn)定性均小于5%，符合技術(shù)要求。因此由氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)霧口不穩(wěn)定性引入的系統(tǒng)誤差在受控范圍內(nèi)，該裝置可用于氣溶膠光度計質(zhì)量濃度校準工作。

5.2 濾膜采樣校準結(jié)果的驗證

選用市場上主流的3種型號氣溶膠光度計使用上述校準方法進行氣溶膠質(zhì)量濃度校準。校準結(jié)果見表2。

表2 氣溶膠質(zhì)量濃度校準結(jié)果

通過表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)使用氣溶膠發(fā)霧混勻裝置和濾膜采樣法對氣溶膠光度計進行校準，被校的氣溶膠光度計質(zhì)量濃度相對示值誤差均小于±10%。校準結(jié)果符合這3種型號儀器的技術(shù)要求，因此該方法可以有效解決該類儀器量值溯源的需求。

6 結(jié)束語

本文給出了一種氣溶膠光度計質(zhì)量濃度參數(shù)的校準裝置及校準方法，并通過實驗驗證了氣溶膠發(fā)霧混勻裝置發(fā)霧濃度穩(wěn)定性均優(yōu)于5%且被校氣溶膠光度計質(zhì)量濃度示值誤差小于±10%。從而有效解決了氣溶膠光度計質(zhì)量濃度的量值溯源問題，確保了氣溶膠光度計質(zhì)量濃度測量的準確性，可提高潔凈環(huán)境最終的測試結(jié)果。