高效空氣過濾器效率檢測儀器相關問題的分析
高效空氣過濾器效率測試方法各國并不統(tǒng)一，其中應用較廣的有ＤＯＰ法、鈉焰法和粒子計數(shù)法 （ 含 ＭＰＰＳ 法），所謂 ＭＰＰＳ 法是指， 根據(jù)歐洲人的經(jīng)驗， 對于高效過濾器，最易穿透粒子粒徑 （ ｍｏｓｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｓｉｚｅ， 簡稱ＭＰＰＳ） 在 ０．１!ｍ ￣０．２５!ｍ 之間的某一點， 先確定測試條件最易穿透粒子粒徑， 然后連續(xù)掃描測量過濾器對該粒徑粒子的過濾效果， 歐洲人將此方法稱為 ＭＰＰＳ法 。各測［１］試方法一般都由氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、風道系統(tǒng)和取樣檢測系統(tǒng)三部分組成，其中風道系統(tǒng)、流量測量裝置和取樣系統(tǒng)都是通用的技術，差別不大； 各測試方法的主要差別在于測試氣溶膠的穩(wěn)定發(fā)生和氣溶膠濃度準確檢測這兩個方面。實際檢測過程中要求氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)發(fā)生特定粒徑、濃度穩(wěn)定、分散度和可重復性較好的人工氣溶膠作為測試塵源，然后采用相應的檢測儀器測試過濾器上下游氣溶膠濃度，再由下游和上游濃度之比計算出被測過濾器的透過率， 最后計算出過濾器的過濾效率。各測試方法發(fā)生的氣溶膠種類不盡相同， 檢測儀器也差別較大。和現(xiàn)有的主要的測試方法相對應， 高效空氣過濾器效率檢測儀器主要有三種：光度計 （火焰光度計）、光學 （激光） 粒子計數(shù)器和凝結(jié)核粒子計數(shù)器。這三種檢測儀器都是通過將粒子的散射光轉(zhuǎn)化成可測得的物理量 （ 電流或電位） 而進行濃度測量的。但在靈敏度、檢測范圍， 儀器復雜程度等方面還是有較大差異 （ 表 １） 。本文對這三種檢測儀器的檢測原理， 基本構(gòu)成進行介紹并指出各自在應用中存在的問題， 旨在為高效空氣過濾器的效率測試提供參考。
１ 光度計
１．１ 光度計檢測原理
美國軍用標準 ＭＩＬ－ＳＴＤ－２８２ 推薦的 ＤＯＰ 法是使用范圍較廣， 影響較大的高效過濾器性能測試方法， 其濃度檢測儀器為前向光散射式光度計， 光源為白熾燈， 用一個高靈敏度的光電倍增管作為光學檢測儀器。光度計通過粒子在光敏感腔中散射光強度來判定粒子的質(zhì)量濃度的， 并且假定所有的粒子的粒徑都近似單分散 （０．３!ｍ）， 檢測的是 “熱 ＤＯＰ 法”發(fā)生的質(zhì)量中值直徑為 ０．３!ｍ 的測試氣溶膠粒子。
１．２ 光度計實際應用中存在的問題
實際應用中光度計存在的問題主要有：
（１） 光度計雖然對高濃度的氣溶膠測量較為準確， 但是其靈敏度隨著濃度的降低而降低， 并且衰減的非常厲害。為測量高效空氣過濾器下游很低的粒子濃度， 光度倍增管的零點必須經(jīng)常調(diào)整以補償其噪聲漂移， 因此， 光度計不能檢測透過率小于 ０．０００１ 的高效空氣過濾器， 對于超高效空氣過濾器則更是無法檢測， 這是光度計主要缺陷。
表1高效空氣過濾器效率檢測儀器比較
（２）光度計對氣溶膠的分散度較為敏感， 因此， 測試氣溶膠的分散度應和光度計校準時用的氣溶膠的分散度保持一致， 為滿足這種要求， 一般的氣溶膠發(fā)生器做的復雜而體積龐大。
（３） 為了克服零點漂移， 過濾器檢測時要求上游的濃度必須足夠的高， 高濃度的測試氣溶膠一方面對氣溶膠發(fā)生裝置提出很高的要求， 另一方面對過濾器本身也會產(chǎn)生污染。
（４） 由于檢測過程中要求下游濃度不能太低， 所以下游的氣溶膠對于潔凈室或者檢測實驗室都會產(chǎn)生污染。光度計是適用范圍較廣、影響較大的 ＤＯＰ 法采用的濃度檢測儀器， 但由于其在實際應用中存在的諸多缺陷， 使其應用受到限制， 歐洲標準 ＥＮ－ １８２２ 已不推薦使用光度計，［１］美國環(huán)境科學學會推薦標準 ＩＥＳＴ ＲＰ－ ＣＣ－ ０３４ 也只是在高效過濾器的掃描檢漏推薦使用該檢測儀器 。 ［２］
２ 火焰光度計
２．１ 火焰光度計原理及構(gòu)成
鈉焰法采用的氣溶膠源為固態(tài)氯化鈉氣溶膠粒子， 粒子濃度檢測儀器為火焰光度計。其簡單構(gòu)造如圖 １ 所示，檢測原理為： 采樣氯化鈉氣溶膠在燃燒器里和氫氣混合而燃燒， 鈉原子燃燒時發(fā)出波長為 ５８９ｎｍ 的黃光， 黃光的強度和氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量濃度成正比， 火焰燃燒發(fā)出的光通過濾波片后只剩下黃光， 然后通過高靈敏度的光電倍增管將黃光信號轉(zhuǎn)換成電信號， 而電信號的強弱和氯化鈉氣溶膠的質(zhì)量濃度成一定的比例關系， 通過檢測電信號可以測的氣溶膠濃度的大小 。［３］
２．２ 火焰光度計實際應用中存在的問題
實際應用過程中， 火焰光度計存在的問題主要有：
（１） 必須配備燃燒器和氫氣發(fā)生裝置， 這樣使得檢測部分就變得龐大而復雜。
（２） 檢測靈敏度不夠高， 不能對超高效過濾器進行檢測， 對于低濃度的氣溶膠誤差較大， 因此要求發(fā)生高濃度的氣溶膠；
（３） 對小粒徑粒子的檢測變得困難而且誤差很大， 這是由于火焰光度計檢測的是氣溶膠的質(zhì)量濃度， 而氣溶膠的質(zhì)量濃度正比于粒徑的三次方， 粒徑越小， 誤差越大。
（４） 對測試氣溶膠選擇單一， 只能檢測氯化鈉氣溶膠的濃度， 而鈉焰法的噴霧裝置復雜而體積龐大， 限制了鈉焰法的升級改造。
３ 光學粒子計數(shù)器
３．１ 光學粒子計數(shù)器計數(shù)原理及構(gòu)成
光學粒子計數(shù)器是檢測潔凈環(huán)境中塵埃顆粒的儀器。它是以塵埃顆粒在白光或激光束中產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象為原理設計而成的。即當空氣中塵埃粒子隨采樣氣流通過光敏感區(qū)時， 產(chǎn)生與其粒徑相關的散射光脈沖， 光學系統(tǒng)將散射光收集于光電轉(zhuǎn)換器件， 光電轉(zhuǎn)換器件將光脈沖信號變?yōu)橄鄳碾娒}沖信號， 信號處理系統(tǒng)將電脈沖信號放大， 并經(jīng)幅度甄別器甄別后由微處理器處理， 最后得到各檔粒徑的塵埃粒子數(shù)。其結(jié)構(gòu)原理如圖 ２ 所示， 其中， 圖（ａ） 表示的是整體結(jié)構(gòu)， 圖（ｂ）表示的是采樣口處的氣流情況［４］。
光學粒子計數(shù)器采用的光源不同， 檢測的粒徑范圍也有差別。普通的以白熾燈為光源的粒子計數(shù)器不能對低于０．３ 微米的粒子進行檢測， 以 Ｈｅ－ Ｎｅ 激光或者 Ｈｅ－ Ｃｄ 激光為光源的激光粒子計數(shù)器可以分別檢測到 ０．１ 微米和 ０．０６微米的粒子。
３．２ 光學粒子計數(shù)器的優(yōu)缺點分析
光學粒子計數(shù)器優(yōu)點是靈敏度較高， 對氣溶膠的選擇余地較大， 而且能夠同時測量粒子的數(shù)量濃度和粒徑大小。根據(jù)過濾理論， 過濾材料對不同粒徑粒子的過濾效率是不一樣的， 因此在實際應用中人們關注的是對某一特定粒徑的過濾效率。而光度計測量的是粒子的質(zhì)量濃度（ｍｇ／Ｌ），得到的是過濾總效率， 不能獲得粒子的粒徑信息。
光學粒子計數(shù)器在實際應用中存在的主要問題是需要經(jīng)常的調(diào)整和校準。實際檢測工作中發(fā)現(xiàn)： 校準過的不同廠家生產(chǎn)的不同型號的粒子計數(shù)器， 對統(tǒng)一潔凈區(qū)域進行潔凈度檢測時， 測量結(jié)果相差很大， 甚至超過 １００％， 即使是同一廠家生產(chǎn)的同一型號的多臺粒子計數(shù)器進行比較測量時， 測量結(jié)果也平均相差 ２０％。因此粒子計數(shù)器不但出廠前需要采用標準的校準方法和精密的校準儀器進行出廠標定， 而且在使用工程中， 每隔一段時間就需要標定。我國國家標準規(guī)定每隔 １ 年就需要標定一次 。另外，由于［５］光散射粒子計數(shù)器都是單個粒子計數(shù)的， 如果采樣的氣溶膠濃度越大， 則計數(shù)重疊誤差越大， 因此， 上游濃度的測量一般要求使用稀釋器， 而稀釋器的使用一方面增加檢測儀器的成本， 另一方面也會造成較大的稀釋誤差。
４ 凝結(jié)核粒子計數(shù)器
４．１ 凝結(jié)核粒子計數(shù)器粒子計數(shù)原理及簡單構(gòu)成
凝結(jié)核粒子計數(shù)器是通過“云形成”的原理而計數(shù)的， 即讓氣溶膠粒子（ 作為凝結(jié)核） 通過熱的醇蒸汽（ 正丁醇） 然后恒溫冷凝， 讓正丁醇蒸汽冷凝包裹在氣溶膠粒子（ 凝結(jié)核）外面而使粒子“長大“， 長大的粒子最后進入光學檢測系統(tǒng)，通過檢測散射光的強度而獲得粒子的數(shù)量濃度。因此， 凝結(jié)核粒子計數(shù)器只能測量氣溶膠粒子的數(shù)量濃度， 而丟失了粒子粒徑、形狀等信息。凝結(jié)核粒子計數(shù)器一般由三大部分組成： 飽和器、冷凝器和光學計數(shù)系統(tǒng)（ 見圖 ３） 。
４．２ 凝結(jié)核粒子計數(shù)器的優(yōu)缺點分析
和其他高效過濾器檢測儀器相比， 凝結(jié)核粒子計數(shù)器有著其明顯的優(yōu)點： 在凝結(jié)核粒子計數(shù)器中， 亞微米氣溶膠粒子被包裹一層油 （ 正丁醇） 而 “長大”成大粒子， 然后再對大粒子測量， 這樣可以對粒徑小至 ０．０１ 微米的粒子濃度進行準確的測量 。使用凝結(jié)核粒子計數(shù)器對高效空［６］氣過濾器進行檢測時， 理想情況下可以使用任何種類的氣溶膠。ＣＮＣ 有兩種計數(shù)模式， 即單顆粒計數(shù)模式 （ｓｉｎｇｌｅ－ｐａｒｔｉｃｌｅ－ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｍｏｄｅ） 和光度計模式 （ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅ）。當氣溶膠濃度低于 １０００ 粒／ｃｍ３ 時采用單顆粒計數(shù)模式， 該模式下氣溶膠粒子是一顆一顆地進入光學檢測區(qū)的， 因此能夠檢測濃度非常低 （ ０．０１ 粒／ｃｍ３） 的粒子。當氣溶膠濃度高于 １０００ 粒／ｃｍ３ 時采用光度計模式， 該模式下大量氣溶膠粒子同時進入光檢測區(qū)， 然后測量粒子總散射光強， 從而獲得氣溶膠粒子濃度。由于這兩種計數(shù)模式的存在， 使得凝結(jié)核粒子計數(shù)器濃度測量范圍非常廣， 從 ０．０１ 粒／ｃｍ３到 １０７ 粒／ｃｍ３ 。隨著濾紙過濾效率的提高， 高效空氣過［７］濾器的透過率越來越低， 使得效率檢測過程中， 下游的濃度非常的低， 一般的粒子計數(shù)器都檢測不到， 要想提高下游濃度， 必須加大上游濃度， 其結(jié)果是， 上游必須使用高稀釋倍數(shù)的稀釋器， 高濃度氣溶膠一方面發(fā)生較困難， 另一方面也會對被測過濾器造成污染， 而稀釋器的使用一方面增加檢測的設備成本， 另一方面還會造成大的稀釋誤差， 影響效率檢測的準確度。凝結(jié)核粒子計數(shù)器由于濃度檢測范圍非常廣， 靈敏度高， 克服了光學粒子計數(shù)器的上述缺陷。
凝結(jié)核粒子計數(shù)器只能檢測到顆粒物的數(shù)量濃度， 丟失了粒子粒徑等方面的信息， 因此， 如果使用凝結(jié)核粒子計數(shù)器作為濃度檢測儀器， 則需發(fā)生已知粒徑的單分散氣溶膠。歐洲標準 ＥＮ－ １８２２ 推薦凝結(jié)核粒子計數(shù)器作為高效空氣過濾器檢測儀器時， 要求發(fā)生單分散的測試氣溶膠。而單分散氣溶膠相對多分散氣溶膠發(fā)生困難且代價昂貴，因此， 以單分散氣溶膠為測試氣溶膠， 凝結(jié)核粒子計數(shù)器為檢測儀器來測試高效空氣過濾器的過濾效率盡管是最為準確的一種方法。由于單分散氣溶膠發(fā)生困難， 造價昂貴等原因， 使得目前這種方法的使用受到一定的限制， 但可以預知， 隨著空氣潔凈技術的發(fā)展和高效空氣過濾器檢測技術的進步， 這種檢測方法將會是未來一個發(fā)展方向。
５ 結(jié)論
（１） 光度計和火焰光度計是對應于 ＤＯＰ 法和鈉焰法的濃度檢測儀器， 檢測的是測試氣溶膠的質(zhì)量濃度， 但由于其靈敏度較低， 對氣溶膠選擇余地較小， 也無法實現(xiàn)超高效過濾器的檢測， 隨著空氣潔凈技術的發(fā)展和檢測手段的進步， 粒子計數(shù)法已經(jīng)成為主流的測試方法， 光度計和火焰光度計的使用將受到限制。
（ ２） 粒子計數(shù)法為當前國際上 ＨＥＰＡ／ＵＬＰＡ 主流測試方法， 檢測儀器為粒子計數(shù)器。其靈敏度較高， 對氣溶膠的選擇余地較大， 而且能夠同時測量粒子的數(shù)量濃度和粒徑大小， 因此使用較廣。但是實際使用過程中需要經(jīng)常的校準和調(diào)整， 上游濃度測試需要使用稀釋器。盡管如此，它依然是目前主要的高效過濾器效率檢測儀器。
（３） 凝結(jié)核粒子計數(shù)器能夠檢測亞微米氣溶膠粒子的數(shù)量濃度， 檢測濃度范圍廣， 靈敏度高， 對氣溶膠種類的選擇余地大， 但是需要發(fā)生粒徑已知的單分散氣溶膠作為測試塵源。倘若單分散氣溶膠發(fā)生的關鍵技術能夠解決，則凝結(jié)核粒子計數(shù)器將成為最為理想的高效空氣過濾器效率檢測儀器。 可以預知， 隨著高效空氣過濾器檢測技術的進步， 這種檢測儀器將是未來的一個發(fā)展方向。
５ 附件：空氣過濾器圖集
1） 高效空氣過濾器
超高效空氣過濾器
H14高效空氣過濾器
有隔板高效空氣過濾器
中效袋式過濾器
中效板式過濾器
初效袋式過濾器
初效過濾器
空調(diào)過濾器