一種氣溶膠光度計質(zhì)量濃度的校準(zhǔn)方法

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(dá)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(shè)備是否滿足凈化要求。因此氣溶膠光度計數(shù)值的準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)廣泛使用，作為一種廣泛應(yīng)用的檢測設(shè)備，但國內(nèi)尚沒有針對該設(shè)備的國家標(biāo)準(zhǔn)和計量技術(shù)法規(guī)，因此無法滿足對該檢測設(shè)備量值溯源的需求。上海市計量測試技術(shù)研究院承擔(dān)了全國環(huán)境化學(xué)計量技術(shù)委員會2018年度下達(dá)的《氣溶膠光度計》校準(zhǔn)規(guī)范制定任務(wù)，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(biāo)及校準(zhǔn)方法進行制定。

2 工作原理和光學(xué)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(fù)雜的光電單元，它包含連接到頂端的圓錐形光感應(yīng)器，一副準(zhǔn)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(dá)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(xué)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(dá)到間接測量氣溶膠濃度的目的[3]。

儀器光學(xué)測量系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)測量系統(tǒng)簡圖

3 質(zhì)量濃度校準(zhǔn)設(shè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)制成α烯烴，進一步經(jīng)聚合及氫化而制成，是合成基礎(chǔ)油中的一種，使用范圍較為廣泛。PAO-4(化學(xué)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(yīng)小于5%；

(2)流量標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備。內(nèi)部裝有多支Ⅲ-A型拉絲金噴嘴，其通過Venturi效應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)方法

4.1 校準(zhǔn)前準(zhǔn)備

(1)濾膜外觀檢查應(yīng)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(yīng)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(yīng)與恒溫恒濕設(shè)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(zhǔn)

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

圖4 儀器濃度示值誤差校準(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)工作。

5.2 濾膜采樣校準(zhǔn)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(zhǔn)方法進行氣溶膠質(zhì)量濃度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果見表2。

表2 氣溶膠質(zhì)量濃度校準(zhǔn)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(zhǔn)，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(zhǔn)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(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)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(zhǔn)確性，可提高潔凈環(huán)境最終的測試結(jié)果。