塵埃粒子計數(shù)器原理

目前塵埃粒子計數(shù)器的用戶越來越多，廣泛應用于醫(yī)藥、電子、精密機械、彩管制造、微生物等行業(yè)中，實現(xiàn)對各種潔凈等級的工作臺、凈化室、凈化車間的凈化效果、潔凈級別進行監(jiān)控，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

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

1 儀器的工作原理

空氣中的微粒在光的照射下會發(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、微粒折射率及微粒對光的吸收特性等因素有關。但是就散射光強度和微粒大小而言，有一個基本規(guī)律，就是微粒散射光的強度隨微粒的表面積增加而增大。這樣只要測定散射光的強度就可推知微粒的大小，就是光散射式粒子計數(shù)器的基本原理。實際上，每個粒子產(chǎn)生的散射光強度很弱，是一個很小的光脈沖，需要通過光電轉(zhuǎn)換器的放大作用，把光脈沖轉(zhuǎn)化為信號幅度較大的電脈沖，然后再經(jīng)過電子線路的進一步放大和甄別，從而完成對大量電脈沖的計數(shù)工作。此時，電脈沖數(shù)量對應于微粒的個數(shù)，電脈沖的幅度對應于微粒的大小。

 

圖1表示了塵埃粒子計數(shù)器的具體工作原理：來

自光源的光線被透鏡組1聚焦于測量腔內(nèi)，當空氣中

的每一個粒子快速地通過測量腔時，便把入射光散射

一次，形成一個光脈沖信號。這一光信號經(jīng)過透鏡組

2被送到光檢測器，正比地轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，再經(jīng)過儀器電子線路的放大、甄別，揀出需要的信號，通過計數(shù)系統(tǒng)顯示出來。

需要指出的是，雖然儀器稱為“計數(shù)器”，但是儀器分辨微粒大小的能力更為重要。因為電脈沖的計數(shù)很簡單，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系如圖2所示。

 

2．1 光源

光源是塵埃粒子計數(shù)器的關鍵部件，對儀器的性能影響很大。光源要求穩(wěn)定性高、壽命長、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，開機后需要預熱。激光光源為激光器，體積小、穩(wěn)定性高、壽命長，常與檢i貝0腔及光檢測器做成一體，組成傳感器。

常見的激光光源有HeNe激光器、激光二極管。

采用普通光源的塵埃粒子計數(shù)器對0．3 m以下的微粒信號響應很低，其信號幅度與計數(shù)器本身的噪聲幅度相差無幾，信號很難從噪聲中檢測出來。此類儀器雖然標有0．3 m這一通道，但只適于測定大于

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數(shù)器其傳感器有較高的信噪比，此類儀器有些能檢測到0．1 m的微粒。

2．2 測量腔?

測量腔是進行微粒觀測的空間，被采集的空氣要從測量腔內(nèi)穿過。儀器的光學系統(tǒng)使光源經(jīng)透鏡、狹縫照射到測量腔中，形成一個體積約幾個立方毫米的光敏感區(qū)。當空氣中的塵埃通過光敏感區(qū)時，會散射出一部分光能量，被與入射光成一角度(90。或70。)的集光透鏡收集，再投射到光檢測器上。

 

2．3 光檢測器

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

倍增管和光電二極管。

光電倍增管把光電子放大幾萬倍后轉(zhuǎn)換成幾個毫伏到幾十毫伏的電信號，光譜具有線性好、響應時間快、暗電流小的優(yōu)點，缺點是體積大。光電倍增管工

作時需加上幾百伏特的負高壓，儀器中有相應的高壓產(chǎn)生電路，在對儀器進行調(diào)試或校準時應注意安全。光電二極管是一種受到光照后能產(chǎn)生電子的半導體元件，具有體積小、外圍電路簡單的特點，常與檢測腔做成一體。

2．4 流量監(jiān)控

目前國產(chǎn)塵埃粒子計數(shù)器常采用轉(zhuǎn)子流量計作流量指示，則儀器的流量調(diào)節(jié)大多數(shù)是直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計上的旋鈕，此時儀器的控制電路對流量是沒有監(jiān)控的。

進口塵埃粒子計數(shù)器通過流量傳感器對流量進行監(jiān)測，通過手動調(diào)節(jié)或自動反饋調(diào)節(jié)。

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

大流量的采樣(28．3L／min)更能準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、振動小、產(chǎn)生的氣流穩(wěn)定。過濾器應能過濾掉0．3ttm以上的微粒，以免從儀器排出的空氣對潔凈區(qū)產(chǎn)生影響。

2．6 電路系統(tǒng)

不同粒徑大小的粒子經(jīng)塵埃粒子計數(shù)器的光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，會產(chǎn)生不同幅度(電壓)的電脈沖信號，粒徑越大，脈沖電壓越高。信號電壓與粒徑之間的關系，也叫轉(zhuǎn)換靈敏度。對于給定的塵埃粒子計數(shù)器，粒徑大小與脈沖電壓是一一對應的，例如某臺塵埃粒子計數(shù)器的轉(zhuǎn)換靈敏度為0．3tLm對應69mV，0．5 m對應531mV，1．Ottm對應701mV等，若塵埃粒子計數(shù)器檢測到一個脈沖為lOOmV，則這個粒子的大小肯定大于0．3ttm而小于0．5 m。

塵埃粒子計數(shù)器是測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)計大于等于某一電壓值的脈沖數(shù)量的電路。對于上段中的例子，測量空氣中大于等于0．3ttm粒子的數(shù)量，在電路中就是統(tǒng)計大于等于69mV的脈沖的個數(shù)，測量大于等于0．5ttm粒子的數(shù)量，在電路中就是統(tǒng)計大于等于531mV的脈沖的個數(shù)，依此類推。所以儀器對塵埃粒子的測量，主要靠轉(zhuǎn)換靈敏度這個參數(shù)。

另外需要說明的是，每臺塵埃粒子計數(shù)器的轉(zhuǎn)換靈敏度均不同，在出廠時及以后須定期用標準粒子進行校準，以獲得轉(zhuǎn)換靈敏度值。電路系統(tǒng)就是完成對脈沖信號的放大、甄別、計數(shù)的電路。此外還包括電源、控制、顯示、計算、打印等電路。

3 儀器的使用及技術要求

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

儀器在開始采樣前應先自凈，以確保儀器內(nèi)部無殘留粒子。采樣時一定要用等動能取樣頭，并注意采樣管不要堵塞、彎死，采樣管不要太長。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。按照國家計量檢定規(guī)程要求，儀器的自凈時間應小于20min，測量準確度應小于40％ ，測量重復性應小于20％。

4 關于校準

塵埃粒子計數(shù)器是國家規(guī)定的計量器具，需按計量檢定規(guī)程每年定期校準。因為塵埃粒子計數(shù)器在使用一段時間后，其光學系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)都會發(fā)生變化，如光源老化、發(fā)光效率降低或聚焦錯位、透鏡被污染，從而使整機的轉(zhuǎn)換靈敏度變化。塵埃粒子計數(shù)

器的校準，就是對儀器各方面進行調(diào)整，以獲得

工作狀態(tài)。