塵埃粒子計(jì)數(shù)器原理

目前塵埃粒子計(jì)數(shù)器的用戶越來(lái)越多，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、精密機(jī)械、彩管制造、微生物等行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種潔凈等級(jí)的工作臺(tái)、凈化室、凈化車間的凈化效果、潔凈級(jí)別進(jìn)行監(jiān)控，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

塵埃粒子計(jì)數(shù)器是用來(lái)測(cè)量空氣中微粒的數(shù)量及大小的儀器，從而為空氣潔凈度的評(píng)定提供依據(jù)。常見(jiàn)的塵埃粒子計(jì)數(shù)器是光散射式(DAPC)的，測(cè)量粒徑范圍0．1～10t~m，此外還有凝聚核式的塵埃粒子計(jì)數(shù)器(CNC)，可測(cè)量尺寸更小的塵埃粒子。本文將介紹光散射式塵埃粒子計(jì)數(shù)器。

1 儀器的工作原理

空氣中的微粒在光的照射下會(huì)發(fā)生散射，這種現(xiàn)象叫光散射。光散射和微粒大小、光波波長(zhǎng)、微粒折射率及微粒對(duì)光的吸收特性等因素有關(guān)。但是就散射光強(qiáng)度和微粒大小而言，有一個(gè)基本規(guī)律，就是微粒散射光的強(qiáng)度隨微粒的表面積增加而增大。這樣只要測(cè)定散射光的強(qiáng)度就可推知微粒的大小，就是光散射式粒子計(jì)數(shù)器的基本原理。實(shí)際上，每個(gè)粒子產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度很弱，是一個(gè)很小的光脈沖，需要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器的放大作用，把光脈沖轉(zhuǎn)化為信號(hào)幅度較大的電脈沖，然后再經(jīng)過(guò)電子線路的進(jìn)一步放大和甄別，從而完成對(duì)大量電脈沖的計(jì)數(shù)工作。此時(shí)，電脈沖數(shù)量對(duì)應(yīng)于微粒的個(gè)數(shù)，電脈沖的幅度對(duì)應(yīng)于微粒的大小。

 

圖1表示了塵埃粒子計(jì)數(shù)器的具體工作原理：來(lái)

自光源的光線被透鏡組1聚焦于測(cè)量腔內(nèi)，當(dāng)空氣中

的每一個(gè)粒子快速地通過(guò)測(cè)量腔時(shí)，便把入射光散射

一次，形成一個(gè)光脈沖信號(hào)。這一光信號(hào)經(jīng)過(guò)透鏡組

2被送到光檢測(cè)器，正比地轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)儀器電子線路的放大、甄別，揀出需要的信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)系統(tǒng)顯示出來(lái)。

需要指出的是，雖然儀器稱為“計(jì)數(shù)器”，但是儀器分辨微粒大小的能力更為重要。因?yàn)殡娒}沖的計(jì)數(shù)很簡(jiǎn)單，而判斷粒子的大小非常重要。

2 儀器的組成及各部分功能

儀器的組成及相互關(guān)系如圖2所示。

 

2．1 光源

光源是塵埃粒子計(jì)數(shù)器的關(guān)鍵部件，對(duì)儀器的性能影響很大。光源要求穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)、不受干擾。

光源有普通光源和激光光源兩種。普通光源為碘鎢燈，體積大、發(fā)熱量高、壽命短，開機(jī)后需要預(yù)熱。激光光源為激光器，體積小、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)，常與檢i貝0腔及光檢測(cè)器做成一體，組成傳感器。

常見(jiàn)的激光光源有HeNe激光器、激光二極管。

采用普通光源的塵埃粒子計(jì)數(shù)器對(duì)0．3 m以下的微粒信號(hào)響應(yīng)很低，其信號(hào)幅度與計(jì)數(shù)器本身的噪聲幅度相差無(wú)幾，信號(hào)很難從噪聲中檢測(cè)出來(lái)。此類儀器雖然標(biāo)有0．3 m這一通道，但只適于測(cè)定大于

0．3 m特別是0．5 m以上的微粒。由于激光的單色性好，光能量集中穩(wěn)定，所以采用激光光源的塵埃粒子計(jì)數(shù)器其傳感器有較高的信噪比，此類儀器有些能檢測(cè)到0．1 m的微粒。

2．2 測(cè)量腔?

測(cè)量腔是進(jìn)行微粒觀測(cè)的空間，被采集的空氣要從測(cè)量腔內(nèi)穿過(guò)。儀器的光學(xué)系統(tǒng)使光源經(jīng)透鏡、狹縫照射到測(cè)量腔中，形成一個(gè)體積約幾個(gè)立方毫米的光敏感區(qū)。當(dāng)空氣中的塵埃通過(guò)光敏感區(qū)時(shí)，會(huì)散射出一部分光能量，被與入射光成一角度(90?；?/span>70。)的集光透鏡收集，再投射到光檢測(cè)器上。

 

2．3 光檢測(cè)器

光檢測(cè)器是將散射光能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。塵埃粒子計(jì)數(shù)器中常用的光檢測(cè)器是光電

倍增管和光電二極管。

光電倍增管把光電子放大幾萬(wàn)倍后轉(zhuǎn)換成幾個(gè)毫伏到幾十毫伏的電信號(hào)，光譜具有線性好、響應(yīng)時(shí)間快、暗電流小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是體積大。光電倍增管工

作時(shí)需加上幾百伏特的負(fù)高壓，儀器中有相應(yīng)的高壓產(chǎn)生電路，在對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)試或校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意安全。光電二極管是一種受到光照后能產(chǎn)生電子的半導(dǎo)體元件，具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，常與檢測(cè)腔做成一體。

2．4 流量監(jiān)控

目前國(guó)產(chǎn)塵埃粒子計(jì)數(shù)器常采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)作流量指示，則儀器的流量調(diào)節(jié)大多數(shù)是直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)上的旋鈕，此時(shí)儀器的控制電路對(duì)流量是沒(méi)有監(jiān)控的。

進(jìn)口塵埃粒子計(jì)數(shù)器通過(guò)流量傳感器對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)或自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)。

塵埃粒子計(jì)數(shù)器的采樣流量一般為2．83L／min或28．3L／min(進(jìn)口儀器常以“立方英尺每分”為單位，標(biāo)記為0．1cfm或1cfm)，主要是為了便于進(jìn)行符合Fed—Std一209E的潔凈度的計(jì)算。

大流量的采樣(28．3L／min)更能準(zhǔn)確地反映空氣的潔凈狀況，但使大采樣濃度降低。

2．5 氣泵及過(guò)濾器

氣泵位于儀器內(nèi)部，使儀器產(chǎn)生采樣流量。氣泵要求噪音低、振動(dòng)小、產(chǎn)生的氣流穩(wěn)定。過(guò)濾器應(yīng)能過(guò)濾掉0．3ttm以上的微粒，以免從儀器排出的空氣對(duì)潔凈區(qū)產(chǎn)生影響。

2．6 電路系統(tǒng)

不同粒徑大小的粒子經(jīng)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，會(huì)產(chǎn)生不同幅度(電壓)的電脈沖信號(hào)，粒徑越大，脈沖電壓越高。信號(hào)電壓與粒徑之間的關(guān)系，也叫轉(zhuǎn)換靈敏度。對(duì)于給定的塵埃粒子計(jì)數(shù)器，粒徑大小與脈沖電壓是一一對(duì)應(yīng)的，例如某臺(tái)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換靈敏度為0．3tLm對(duì)應(yīng)69mV，0．5 m對(duì)應(yīng)531mV，1．Ottm對(duì)應(yīng)701mV等，若塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢測(cè)到一個(gè)脈沖為lOOmV，則這個(gè)粒子的大小肯定大于0．3ttm而小于0．5 m。

塵埃粒子計(jì)數(shù)器是測(cè)量大于等于某一粒徑的粒子數(shù)量的儀器，其內(nèi)部電路就是統(tǒng)計(jì)大于等于某一電壓值的脈沖數(shù)量的電路。對(duì)于上段中的例子，測(cè)量空氣中大于等于0．3ttm粒子的數(shù)量，在電路中就是統(tǒng)計(jì)大于等于69mV的脈沖的個(gè)數(shù)，測(cè)量大于等于0．5ttm粒子的數(shù)量，在電路中就是統(tǒng)計(jì)大于等于531mV的脈沖的個(gè)數(shù)，依此類推。所以儀器對(duì)塵埃粒子的測(cè)量，主要靠轉(zhuǎn)換靈敏度這個(gè)參數(shù)。

另外需要說(shuō)明的是，每臺(tái)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換靈敏度均不同，在出廠時(shí)及以后須定期用標(biāo)準(zhǔn)粒子進(jìn)行校準(zhǔn)，以獲得轉(zhuǎn)換靈敏度值。電路系統(tǒng)就是完成對(duì)脈沖信號(hào)的放大、甄別、計(jì)數(shù)的電路。此外還包括電源、控制、顯示、計(jì)算、打印等電路。

3 儀器的使用及技術(shù)要求

塵埃粒子計(jì)數(shù)器的、鋇0量值有兩種表示方式：總計(jì)(cumulative)方式和分計(jì)方式(differentia1)?？傆?jì)方式指測(cè)量值為大于等于該粒徑的粒子數(shù)，分計(jì)方式指測(cè)量值為大于等于該粒徑同時(shí)又小于下一相鄰粒徑的粒子數(shù)。

儀器在開始采樣前應(yīng)先自凈，以確保儀器內(nèi)部無(wú)殘留粒子。采樣時(shí)一定要用等動(dòng)能取樣頭，并注意采樣管不要堵塞、彎死，采樣管不要太長(zhǎng)。儀器禁止抽取高濃度粒子的氣體(如較臟的空氣)及含有水氣、油氣、腐蝕性氣體進(jìn)入儀器，否則將污染儀器氣路、光路器件，甚至造成久損壞。按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程要求，儀器的自凈時(shí)間應(yīng)小于20min，測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)小于40％ ，測(cè)量重復(fù)性應(yīng)小于20％。

4 關(guān)于校準(zhǔn)

塵埃粒子計(jì)數(shù)器是國(guó)家規(guī)定的計(jì)量器具，需按計(jì)量檢定規(guī)程每年定期校準(zhǔn)。因?yàn)閴m埃粒子計(jì)數(shù)器在使用一段時(shí)間后，其光學(xué)系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生變化，如光源老化、發(fā)光效率降低或聚焦錯(cuò)位、透鏡被污染，從而使整機(jī)的轉(zhuǎn)換靈敏度變化。塵埃粒子計(jì)數(shù)

器的校準(zhǔn)，就是對(duì)儀器各方面進(jìn)行調(diào)整，以獲得

工作狀態(tài)。