标准粒子发生器系统的粒子发生规律

詹永波，张健伟，曾建雄，石先城

（广东环凯微生物科技有限公司，广东广州 510663）

标准粒子发生器（standard particle generator，SPG）是一种能够发生标准粒子的装置，常用于校准激光尘埃粒子计数器。近年来，随着食品、药品等洁净行业的快速发展，尘埃粒子计数器的需求量日益增多，SPG作为校定尘埃粒子计数器的一种有效装置，越来越受到人们的关注。对于粒子发生装置的研制[1-3]、应用[4-6]和校准方法[7-8]等，国内外有一些相关的文献报道，然而，对于该装置下粒子发生规律的探讨却并不多见。

为了能够更好地校准和标定激光尘埃粒子计数器，本文中利用Metone255型SPG系统分别研究了等4 种 Duke标准粒子（polystyrene latex particles，PSL）的分布规律，利用PSL粒子研究了SPG系统粒子喷射液含量（单位体积粒子数）随时间的稳定性，并探讨了尘埃粒子计数器比较校准时，针对不同标准粒子的单、双管测量法。

1 SPG的结构和原理

图1为SPG的结构示意图。SPG正常工作时，抽气泵将外界的气流带进管路，经干燥、过滤后分2路：一路通过喷雾器稀释液流量计进入到喷雾器瓶，喷雾器瓶内盛有PSL标准粒子稀释液，气流由下往上将稀释液吹至管壁处，经溅射、雾化后从瓶口出射；另一路气流通过干燥气体流量计后在干燥器中与喷雾瓶出射的雾化PSL稀释液相汇，干燥过后，带有PSL粒子的气流从图1中9处管道进入到外接的粒子计数器中。

图1 SPG结构示意图Fig.1 Structure schematic drawing of SPG

激光尘埃粒子计数器是根据光散射的原理设计而成，激光光束经柱面镜等光学透镜准直、压缩后，在光学传感器腔体中心形成一个微小的光敏区。当粒子穿越此光敏区域时，粒子产生的散射光被一会聚反射镜收集至光电二极管上，散射光强度与粒子粒径的大小呈一定的比例关系，经光电转换，产生与粒子尺寸相对应的电压脉冲信号，再经电路放大，甄别后归入到相应的计数档位上。

2 实验

2.1 材料、参数及方法

实验所用的4种标准粒子PSL的参数见表1。

表1 4种标准粒子PSL参数Tab.1 Parameters of 4 standard particles

PSL稀释液配置：将上述4种PSL原液分别滴入到高纯水中，配置成具有不同含量的PSL稀释液，再装入SPG喷雾器瓶中。为了防止SPG产生的粒子被外界环境的颗粒物所污染，整台SPG置于超净工作台中。测量方式分2种，即单管测量和双管测量。单管测量时，SPG的PSL粒子出射管道直接连接流量为1.0SCFH（标准立方英尺每小时）的激光尘埃粒子计数器或0.1SCFH的激光尘埃粒子计数器。双管测量时，SPG的PSL粒子出射管道经一个三叉管分为2路，一路连接流量为1.0SCFH的激光尘埃粒子计数器，另一路连接流量为0.1SCFH的激光尘埃粒子计数器（如图2所示）。所用的1.0SCFH的激光尘埃粒子计数器型号为Kanomax3905，所用的0.1SCFH的激光尘埃粒子计数器型号为Kanomax3886，主要参数见表2。

图2 实验测试平台Fig.2 Experimental test platform

表2 激光尘埃粒子计数器参数Tab.2 Parameters of laser dust particles counter

2.2 条件

实验条件1：稀释液的粒子数浓度：0.296 μm的为 1.33×107mL-1；0.498 μm 的为 2×107mL-1；1.019 μm的为 2.67×107mL-1；2.995 μm 的为 1.67×106mL-1。干燥气体流量计调为50.0SCFH，喷雾器稀释液流量计分别调为2.0SCFH、2.5SCFH和3.0SCFH。采样的激光尘埃粒子计数器型号为Kanomax3905，采样时间为1 min，采样次数为3，测量方式为单管测量。

实验条件 2：粒径为 0.296、0.498、1.019 μm 的PSL稀释液的粒子数浓度分别为1.50×107mL-1；粒径为2.995 μm的PSL稀释液的粒子数浓度为2.50×106mL-1。干燥气体流量计都调为50.0SCFH，喷雾器稀释液流量计调为2.5SCFH。采样的激光尘埃粒子计数器型为Kanomax3905，采样时间为1 min，采样间隔为1.5 min，采样次数为30，测量方式为单管测量。

实验条件 3：粒径为 0.296、0.498、1.019 μm 的PSL稀释液的粒子数浓度均为 1.880×107mL-1；2.995 μm的PSL稀释液的粒子数浓度为1.56×106mL-1。干燥气体流量计都调为50.0SCFH，喷雾器稀释液流量计调为2.5SCFH。采样的激光尘埃粒子计数器型号为Kanomax3905和Kanomax3886，采样时间为 1 min，采样次数为3，测量方式前3种粒子采用单管测量的方法，2.995 μm的粒子采用双管测量的方法。

3 结果与讨论

3.1 SPG喷射的4种PSL标准粒子的分布规律

3.1.1 不同稀释液喷射流量下PSL标准粒子的分布

图3—6是实验条件1条件下测试所得到的4种PSL标准粒子在不同稀释液喷射流量下的分布图。

从图中可以看出，粒径为0.296 μm的PSL标准粒子占总粒子数的分数高达99%，0.498 μm的高达97%，1.019 μm的高达83%，2.995 μm的PSL标准粒子占总粒子数的分数高达55%。 粒径越大，测量粒子占总粒子数的比例呈下降的趋势，原因主要有2个：一是PSL标准粒子并不是严格意义上的同一粒径，而是有一个不确定度的范围，粒径越大，这种不确定度的范围就越大（从表1中可以看出）。单分散PSL标准粒子在空间上的分布呈正态分布（参考国标GB/T 6167—2007），粒径越大，粒子计数器除测量档外，其他档测量到的粒子也会越多，因此，所测量粒子的比例会下降。二是粒径越大，PSL粒子质量就越大，粒子被吹出的数量就会相对减少。在高纯水直接测试的试验中，发现在3种喷射流量下（2.0SCFH、2.5SCFH、3.0SCFH），粒子计数器测量到的水滴数量还是不同程度存在的，SPG无法做到将PSL粒子完全干燥，所以测量粒子数量相对于水分子数量的减少，导致了比例的下降。从粒子总数来看，随着稀释液流量的递增，测量粒子的数量也会随着增加。从稳定性的角度来看，前3种PSL粒子所占的比例基本上是稳定的，而不会随着稀释液流量的增加而发生大的改变；而粒径为2.995 μm的PSL粒子，明显可以看出粒子所占的不尽相同。该粒径PSL粒子所表现出来的这种差异性，原因可能跟测量粒子质量有关，相对于前3种粒子，2.995 μm的PSL粒子质量较大，在2.0SCFH的稀释液流量下，喷射力度不足，无法将雾化的PSL粒子全部吹出。

图3 0.296 μm标准粒子的分布Fig.3 Standard particle distribution of 0.296 μm

图4 0.498 μm标准粒子的分布Fig.4 Standard particle distribution of 0.498 μm

图5 1.019 μm标准粒子的分布Fig.5 Standard particle distribution of 1.019 μm

图6 2.995 μm标准粒子的分布Fig.6 Standard particle distribution of 2.995 μm

3.1.2 PSL稀释液浓度提高对粒子分布的影响

将粒径为1.019、2.995 μm稀释液的粒子数浓度分别提高至 5.33×107、1.67×106mL-1，得到的粒子分布图如图7和图8所示。

显而易见，稀释液粒子数增加对1.019 μm的PSL粒子所占的比例几乎没有影响；而2.995 μm的PSL粒子数量尽管有了增加，但粒子所占的比例并没有提高，且在3个稀释液流量下，比例也各不相同，这也说明了稀释液粒子数增加无法提高2.995 μm粒子分布的稳定性。

图7 粒子数浓度增大2倍后粒径为1.019 μm标准粒子的分布Fig.7 Standard particle distribution of 1.019 μm after double particle concentration

3.2 SPG系统喷射粒子数随时间的稳定性

通常，激光尘埃粒子计数器校准条件要求SPG系统喷射粒子数是稳定的，如此才能够保证测试的粒子计数器与标准的粒子计数器之间的差值更接近于真实值。以下采用实验条件2的模式，研究了SPG系统喷射粒径为0.296 μm等4种粒子时，粒子数随时间的稳定性。

图9为分别用粒径为 0.296、0.498、1.019 μm 的PSL粒子测试SPG系统所得到粒子数随时间变化的曲线图，图10是用2.995 μm的PSL粒子测试SPG系统得到粒子数随时间变化的曲线图。其中虚线①表示系统启动后，料子计数器首次采样结束的时刻线，虚线②是启动10 min后的。

图9 分别喷射粒径为0.296、0.498、1.019 μm粒子时粒子数随时间变化的规律Fig.9 Temporal development of particle number spraying particles of 0.296，0.498 and 1.019 μm respectively

图10 喷射粒径为2.995 μm粒子时粒子数浓度随时间变化的规律Fig.10 Temporal development of particle number spraying particles of 2.995 μm

从图中可见，SPG系统工作的前10 min，粒径为0.296、0.498、1.019 μm的PSL粒子数浓度随时间呈下降趋势，之后数量维持相对稳定，而2.995 μm的PSL粒子数浓度随时间呈上升趋势，之后浓度维持相对稳定。也就是说，该SPG系统开启后需要等待10 min左右的时间才能够发生数量较为稳定PSL粒子。出现这种情况可能的原因是SPG内置泵造成的，该泵需要启动一段时间后才能够进入到正常的工作状态。

3.3 比较校准时的单、双管测量法

激光尘埃粒子计数器的校准方法有2种，即绝对校准和比较校准。由于后者操作简便，因此被许多粒子计数器厂家和计量院所采纳。在比较校准时，针对不同的PSL标准粒子，测量方法上是有所区别的，本文中采用实验条件3的模式，进行粒径为0.296 μm等4种粒子的比较校准测试。

按国家标准GB/T 6167—2007《尘埃粒子计数器性能试验方法》中的规定，比较校准时，测试粒子计数器与标准粒子计数器读值偏差在±20%以内时，视为合格。发现采样 0.296、0.498、1.019 μm 的 PSL 粒子时，只能利用双管同时测量的方法，采样的该粒子粒径所对应的档位数值才会接近相等；采样2.995 μm的PSL粒子时，只能利用单管分时测量的方法，采样的该粒子粒径所对应的档位数值才会接近相等。表3—5给出的是前3种PSL粒子用双管同时测量的方法所得到的2个计数器的对比数值。很明显可以看出，采样粒子粒径档位的计数分数相差很小，但相邻对应档位的计数偏差是很大的。

表3 双管测量时，采样0.296 μm的PSL粒子两计数器对应档位的粒子数Tab.3 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 0.296 μm under double tube measurement

表4 双管测量时采样0.498 μm的PSL粒子两计数器对应档位的粒子数Tab.4 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 0.498 μm under double tube measurement

表5 双管测量时采样1.019 μm的PSL粒子两计数器对应档位的粒子数Tab.5 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 1.019 μm under double tube measurement

表6是粒径为2.995 μm的PSL粒子用单管分时测量的方法所得到的2个计数器的对比数值，同样，3.0 μm档位的计数分数相差很小，但1.0 μm档的计数偏差很大。

表6 单管测量时采样2.995 μm的PSL粒子两计数器对应档位的粒子数Tab.6 Counts of corresponding gear sampling PSL particles of 2.995 μm under single tube measurement

4 结论

1）Duke PSL粒子随粒径的增大对应档位计数的分浸透减下；0.296、0.498、1.019 μm 的 PSL 粒子具有较高的分布稳定性，2.995 μm的分布稳定性较差；PSL粒子对应档位计数的分数不随PSL稀释液流量和浓度的增加而产生较大的变化。

2）SPG系统启动后约10 min左右，系统喷射粒子的浓度才会进入到较为稳定的状态。

3）比较校准时前3种粒子适合用双管测量的测试方法，后1种粒子适合用单管测量的方法。

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