空气过滤器粒子计数法试验结果的影响因素分析

张万

(航空工业(新乡)计测科技有限公司，河南新乡 453019)

0 引言

对空气过滤器进行过滤性能试验时，主要使用纳焰法、油雾法、粒子计数法等来检测其过滤效率。而粒子计数法由于能够检测不同颗粒尺寸的过滤效率而非质量效率，所以正逐渐被国内外暖通行业、汽车发动机行业所接受。在用粒子计数法测量空气过滤器的计径效率时，测量结果是否准确，哪些因素会对其产生影响，本文作者对此进行了分析[1]。

1 粒子计数法的原理和计算公式

粒子计数法是在洁净的上游试验气流中发生气溶胶，使用粒子计数器分别测量被试过滤器上下游粒子的计数浓度，然后计算得出过滤效率的试验方法。主要试验设备为风机、气溶胶发生装置、粒子计数器、流量计、压力计、试验管路和采样管等。粒子计数法过滤效率试验原理如图1所示。

图1 粒子计数法过滤效率试验原理

粒子计数法过滤效率试验的计算公式[2]如下所示：

式中：E是过滤效率；P是穿透率；R是上下游计数的相关比系数；Nut、Ndt分别是上、下游同体积的粒子计数浓度。从公式中可以看出，上、下游的粒子计数浓度Nut、Ndt和相关比系数R直接影响决定着过滤效率E。由于气溶胶是发散在管路的流动气流中的，所以气溶胶均匀性，流动的气流(试验风量)，粒子计数器，上、下游粒子计数一致性及管路的气密性等都会影响上下游的粒子计数浓度。因此，需要对这些影响因素逐一展开分析，以减小对测量结果准确性的影响。

2 粒子计数法的影响因素分析

2.1 试验设备、仪器的质量保证

粒子计数法过滤效率是通过空气滤清器试验台和仪器等间接测量计算而得到的，试验台的仪表和测量仪器的量值的准确性和一致性直接影响着测量结果。所以，在试验台上安装使用的压力计(压差计)、流量计、气溶胶发生器、粒子计数器、稀释器、静电中和器及微分迁移率分级器(DMA)、稀释器等都需要进行校准，并且使用时还要在校准有效期限内。只有量值准确的仪器，才能获得准确可靠的测量结果。

2.2 气溶胶

气溶胶是粒子计数法过滤效率试验的重要媒介，气溶胶的特性和粒子的浓度、粒径分布等密切相关。气溶胶按照相态分为液体气溶胶和固体气溶胶，液体气溶胶主要有DEHS，固体气溶胶主要有NaCl、KCl及ISO12103-A2等。液体气溶胶通过气溶胶发生器形成雾化液滴直接进入试验风道。KCl、NaCl气溶胶在使用时配制成盐溶液，气溶胶发生器将盐溶液雾化，形成浓度和粒径分布均质的薄雾气溶胶，利用干燥空气、加热、干燥剂等方法来干燥细小的液滴，使其形成盐粒子。A2气溶胶是发生器直接将A2细灰分散，形成浓度和粒径分布稳定的尘粒气溶胶。

气溶胶的种类不同，发散的气溶胶粒径分布也有很大的区别。几种常用气溶胶的粒径中值呈现以下关系：dDEHS

气溶胶均匀性应满足在规定的任一采样点，每个粒径的浓度值与平均浓度的偏差不超过±10%。气溶胶发生器的粒子流量应根据试验风量和过滤效率进行相应的调整，在不超过计数器的重叠误差极限的前提下，气溶胶的浓度应该足够大，部分标准给出了最低计数要求，一般最低浓度要求不小于500 个/L或者最少计数不少于500个。浓度过低会影响数据颗粒数的统计规律，数据偶然性的影响很大，严重影响测量结果。

2.3 试验风量

试验风量是空气过滤器过滤性能时的关键输入参数，一般都是以额定试验风量进行试验。然而如果试验风量不是额定风量，风量会对粒子法过滤效率产生什么影响呢？根据有关文献论述：对于纤维类过滤材料，当过滤滤材的风量增加时，过滤效率会下降；在气溶胶加入量不变的情况下，改变试验风量，会改变单位时间内通过被试过滤器气溶胶的浓度，而且被试过滤器的压差也会变化。由此可以判断，试验风量对过滤器过滤性能产生较大影响，尽量按照额定试验风量进行试验，以免出现使测量结果“降低”或“增大”的影响[5]。

2.4 粒子计数器和上下游粒子计数一致性

粒子计数器是粒子计数法过滤的关键测量仪器，粒子计数器有凝结核粒子计数器(CPC)和光学粒子计数器(OPC)，对于HEPA和ULPA的过滤器，一般使用CPC测量单分散气溶胶，其他过滤器使用一般使用OPC和多分散气溶胶进行试验。试验时可以使用两台粒子计数器分别测量上、下游气溶胶的粒子浓度，也可以使用一台粒子计数器在上、下游取样处进行切换测量。无论是使用两台计数器还是使用一台计数器，在上下游测量时，计径尺寸、取样流速和取样时间应该一致，测量相同取样体积的粒子浓度才有意义，在气溶胶趋于稳定后数据才可以作为试验数据。在超出计数器的浓度范围时，可使用稀释器进行稀释后取样测量。为了降低计数器间的计数差异，当使用两台计数器时，建议使用同型号的。计数器在测试前应自净化或使用配套的空气滤进行净化，去除伪计数的影响。

粒子计数法测量过滤效率是在上游、下游分别取样测量的，上下游测量的粒子浓度不会完全一样，所以为了验证上下游粒子计数的一致性，一般先测量相关比。相关比是一个修正系数，是为了修正上下游粒子计数不一致的测量结果，降低上下游不一致对穿透率的影响。相关比R公式如下所示：

式中：Nuc、Ndc分别是上、下游同体积的粒子计数浓度。对于相关比的取值，不同行业使用的空气过滤器要求也不同。HEPA和ULPA的试验进行到计算时，虽然没有代入相关比，但是却要求在未安装过滤器时，上、下游采样位置所测浓度的差别不应超过5%。乘驾室用空气过滤器的要求稍有放宽，设定范围为0.7～1.6。而汽车发动机和压缩机进气空气滤及一般通风过滤器试验对于相关比的要求如表1、表2所示，在表1中也列举了不代入计算相关比时的穿透率(P1、P2、P3)和代入计算相关比的穿透率(P)的关系比较。由此可见，上下游计数粒子一致性对过滤效率的影响很大，需要代入计算相关比。

表1 某汽车用空气过滤器试验标准规定的相关比[6]

表2 ISO16890-2规定的相关比[3]

2.5 被试过滤器的安装与气密性

不管是正压试验系统还是负压试验系统，如果被试过滤器在安装时密封不好，都会改变下游管路气体中粒子的浓度和粒径分布，直接影响过滤效率。被试过滤器在正压系统出现泄漏时，由于泄漏处的压力差，系统管路中的一部分气流会从安装的缝隙处流向大气中，而改变了系统中气溶胶的浓度和分布。而负压系统泄漏时，大气压力高于系统内部压力，大气会从缝隙处进入试验系统中，而改变了系统中气溶胶的浓度和分布。所以，安装被试过滤器时，必须做好过滤器与管路之间的密封工作。

3 结论

经过以上分析，空气过滤器粒子计数法过滤效率试验结果会受到很多因素的影响，为了确保试验结果的准确性，降低外在因素的影响，试验前必须对试验设备进行计量确认、试验验证等工作，然后根据空气过滤器的额定流量、过滤器等级(分级)等提供的试验参数选择合适的气溶胶、确定合适的气溶胶浓度，进行相关比测量，同时在安装被试过滤器时要确保密封性要求。