凝結核粒子計數器校準方法

陸靜儀 林芳 張愛亮 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

空氣中顆粒數量濃度（以下簡稱顆粒濃度）的測量在制藥、電子制造、精密加工等領域都有著重要意義[1]?？諝庵蓄w粒數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據，應用較為普遍[2]。常用儀器有凝結核粒子計數器（CPC）、掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）、塵埃粒子計數器（OPC）等[3]。凝結核粒子計數器（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，它實現了對納米級粒徑顆粒的數量濃度測量，可與差分電遷移分離器（DEMC）組合用于特定粒徑顆粒的計數。CPC被廣泛應用于機動車尾氣監(jiān)測、環(huán)境空氣粒徑譜測量等[4]，也是國際上廣泛認可的“塵埃粒子計數器（OPC）-凝結核粒子計數器（CPC）-氣溶膠靜電計（FCAE）[5]”逐級溯源鏈中的一環(huán)。圖1為凝結核粒子計數器的結構。

圖1 凝結核粒子計數器結構[6]

1 凝結核粒子計數器的溯源方法

目前，國內對凝結核粒子計數器的量值溯源依據為JJF 1562-2016《凝結核粒子計數器校準規(guī)范》，而國外所依據的標準為ISO 27891：2015《氣溶膠顆粒數量濃度凝結核粒子計數器的校準》（ISO 27891：2015Aerosol particle number concentration - Calibration of condensation particle counters）。

JJF 1562-2016對CPC計數效率的校準是以FCAE作為計量標準，其校準范圍為1～105個/cm3。其主要技術路線為通過氣溶膠發(fā)生器產生的氣溶膠流經DEMC，因不同粒徑的顆粒電遷移率不同，導致帶電顆粒通過電場的偏移量不同，從而實現對不同粒徑的選擇分離[7]，圖2為DEMC結構。經DEMC篩分的單分散氣溶膠顆粒由氣溶膠分流器分流至FCAE與被校準的CPC，通過兩者示值的比例關系計算出被校準CPC的計數效率[8]。而ISO 27891：2015中有兩種不同的校準方法，分別將FCAE或參考CPC作為計量標準，其中以FCAE作為計量標準適合高顆粒濃度時CPC計數效率的校準，即濃度范圍為103～105個/cm3；以參考CPC作為計量標準，則適合低顆粒濃度時CPC計數效率的校準，即濃度范圍為1～104個/cm3[6]。

圖2 差分電遷移分離器結構

2 兩種校準方法的驗證

2.1 ISO 27891：2015方法

ISO 27891：2015中通過比較CPC示值與FCAE標準值進行校準時，DEMC出口處氣溶膠經氣溶膠分流器分流后直接進入FCAE與被校準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生單分散氣溶膠顆粒。

圖3 ISO 27891：2015方法校準實驗裝置

依據校準方法，使用氣溶膠發(fā)生器將粒徑為100 nm的聚苯乙烯標準顆粒霧化，經擴散干燥器、氣溶膠中和器和DEMC后得到單分散氣溶膠顆粒，調節(jié)DEMC出口處氣溶膠至不同濃度，記錄并計算FCAE、CPC 30 s內示值算術平均值，示值數據見表1，由30 s內示值的變異系數（標準差與平均值的比值）觀察示值的重復性。

表1 ISO 27891：2015中方法（以FCAE作為計量標準）校準實驗數據

由表1可知，當顆粒濃度低至2 000個/cm3以下時，FCAE計數十分不穩(wěn)定。而當顆粒濃度低至500個/cm3以下時的變異系數與高顆粒濃度時的變異系數已不在同一數量級，可見其電流示值出現負值，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計數效率進行校準，只能以參考CPC作為計量標準。將圖3中FCAE替換為參考CPC，實驗數據見表2。

表2 ISO 27891：2015中方法（以參考CPC作為計量標準）校準實驗數據

2.2 JJF 1562-2016方法

JJF 1562-2016與ISO 27891：2015中的CPC校準裝置有所不同，即JJF 1562-2016中，被校準CPC前端加入了氣溶膠稀釋器。校準規(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作為計量標準時低顆粒濃度下FCAE無法計數的問題。

按圖4連接實驗裝置。以該方法進行校準，在計算CPC計數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據。

圖4 JJF 1562-2016中方法的校準實驗裝置

表3 JJF 1562-2016中方法的校準實驗數據

氣溶膠稀釋比的準確性直接影響CPC計數效率的校準結果，稀釋比可由氣溶膠與稀釋氣體的體積流量比計算[11]。

3 結語

ISO 27891：2015、JJF 1562-2016中凝結核粒子計數器的計數效率校準方法的主要區(qū)別在于校準顆粒濃度范圍不同，ISO 27891：2015中方法只有顆粒濃度高于103個/cm3時才能將FCAE作為計量標準，在較低顆粒濃度時只能將參考CPC作為計量標準，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，而稀釋比的準確性成比例地影響計數效率的校準結果，為保證校準結果準確可靠，應通過可靠的途徑對氣溶膠稀釋器進行溯源。