一种气溶胶光度计质量浓度的校准方法
2020-06-12张爱亮陈启悦王婷婷施禅臻张子通
张爱亮,刘 悦,陈启悦,王婷婷,施禅臻,张子通
(1.上海市计量测试技术研究院,上海 201203;2.上海市质量监督检验技术研究院,上海 200233)
1 引 言
随着制药及医疗卫生企事业单位对生产净化区域洁净要求逐渐提高,对洁净技术的挑战也将达到前所未有的深度和广度[1]。目前广泛使用了气溶胶光度计对高效过滤器和净化类产品的过滤终端进行检测,验证相关区域及设备是否满足净化要求。因此气溶胶光度计数值的准确性直接影响到对洁净环境的最终测试结果。与以往通过尘埃粒子计数器检测环境空气洁净度相比,气溶胶光度计可以更加直观准确反映出被检过滤系统的泄漏点。目前该检测手段已被国家标准和行业标准广泛使用,作为一种广泛应用的检测设备,但国内尚没有针对该设备的国家标准和计量技术法规,因此无法满足对该检测设备量值溯源的需求。上海市计量测试技术研究院承担了全国环境化学计量技术委员会2018年度下达的《气溶胶光度计》校准规范制定任务,在该规范中需对气溶胶光度计质量浓度的技术指标及校准方法进行制定。
2 工作原理和光学测量系统
气溶胶光度计(以下简称仪器)工作原理是:仪器以恒定流量分别抽取被测过滤系统上游端和下游端的空气样品,采样单元将空气样品输送到测量单元,测量单元对空气样品中的气溶胶质量浓度进行测量,数据处理单元将测量结果进行分析并计算两者的比值得出被测系统泄漏率,最后由显示单元输出测量结果。
仪器检测原理简图如图1所示。
图1 检测原理简图
测量单元的光散射室是一个复杂的光电单元,它包含连接到顶端的圆锥形光感应器,一副准直透镜调整从光源直射入的光线,然后将其聚焦到采样圆锥腔体内。一个小孔形成一个圆锥形黑暗区在光电倍增管的周围,防止光线直接到达光电倍增管上。聚光透镜背对着光源将散射的光线通过圆锥形黑暗区照射到光电倍增管上。其光学原理是:基于光的Mie散射理论,粒子尺度接近或大于入射光波长的粒子散射现象;其散射光强在各方向是不对称的,顺入射方向上的前向散射最强,粒子越大,前向散射越强[2]。散射光强与粒子数浓度成正比,若已知粒子的相对密度,粒子数与质量之比是个常数,所以散射光强与粒子的质量浓度成正比。通过测量特定光路下气溶胶引起的散射光强就可以达到间接测量气溶胶浓度的目的[3]。
仪器光学测量系统简图如图2所示。
图2 光学测量系统简图
3 质量浓度校准设备
3.1 滤膜
滤膜为圆形,其直径为(37±0.25)mm;孔径小于2 μm;厚度为0.2~0.25 μm;在0.45 m/s的洁净空气流速时,压强应小于3 kPa;暴露在35%RH空气中24 h后质量增加值不超过10 μg;可选用玻璃纤维滤膜、石英滤膜等无机滤膜,滤膜对0.3 μm标准粒子的截留效率不低于99.99%。
3.2 聚α烯烃
聚α烯烃(PAO)是由乙烯经聚合反应制成α烯烃,进一步经聚合及氢化而制成,是合成基础油中的一种,使用范围较为广泛。PAO-4(化学编码68649-12-7)气溶胶是指以运动粘度为4 m2/s的聚α-烯烃油(PAO)为发生介质的,通过气溶胶光度计发雾混匀装置而生成的多分散气溶胶。
3.3 采样称量系统
(1)采样装置:流量量程为0~50 L/min,4 h的稳定性应小于5%;
(2)流量标准装置:量程为0~50 L/min,最大允许误差±1.0%;可显示累积采样体积;
(4)气溶胶发雾混匀装置:可发生浓度高低可控、混合均匀的PAO-4气溶胶的设备。内部装有多支Ⅲ-A型拉丝金喷嘴,其通过Venturi效应将PAO-4油生成的多分散气溶胶。使用滤膜采样法对该装置的发雾口浓度进行测量,其20 min内气溶胶质量浓度稳定性应小于5%[4]。图3为Ⅲ-A型拉丝金喷嘴结构图[5]。
图3 Ⅲ-A型拉丝金喷嘴机构图
4 质量浓度示值误差校准方法
4.1 校准前准备
(1)滤膜外观检查应保证边缘平整、厚薄均匀、无毛刺、无污染,不得有针孔或任何破损。
(2)采样前滤膜平衡称量应在恒温恒湿环境中,即15~30 ℃,(50±5)%RH条件下,将滤膜放置至少24 h;称量室环境条件应与恒温恒湿设备保持一致;滤膜平衡后,运用分析天平对滤膜进行称量。
4.2 质量浓度校准
将被校仪器内部参考值设定为100 mg/m3。按照图4所示的校准系统进行校准。
图4 仪器浓度示值误差校准系统示意图
使用气溶胶发雾混匀装置发生质量浓度为1~100 mg/m3的PAO-4气溶胶,将气溶胶光度计发雾混匀装置的发雾口Ⅰ、Ⅱ,通过软管分别连接到滤膜采样装置采样口和被校仪器的下游采样口,同时进行等流量采样,按公式(1)计算滤膜采样装置的测量值Cs1[6]和记录被校仪器浓度测量值Cm1。
(1)
式中:Cs为滤膜采样装置测量值,mg/m3;w1为采样前滤膜的质量,mg;w2为采样后滤膜的质量,mg;V为采样体积,m3。
交换滤膜采样装置采样口和被校仪器的下游采样口连接的气溶胶发雾混匀装置发雾口,同时进行等流量采样,计算滤膜采样装置的测量值Cs2和记录被校仪器浓度测量值Cm2。按公式(2)计算出仪器的第i次的单次浓度示值误差δi,mg/m3。
(2)
式中:Cs1为滤膜采样装置连接发雾口Ⅰ的计算值,mg/m3;Cs2为滤膜采样装置连接发雾口Ⅱ的计算值,mg/m3;Cm1为被校仪器连接发雾口Ⅰ的测量值,mg/m3;Cm2为被校仪器连接发雾口Ⅱ的测量值,mg/m3。
重复以上操作4次,按公式(3)计算出被校仪器的质量浓度示值误差δ,mg/m3。
(3)
5 校准结果的验证
5.1 气溶胶发雾混匀装置发雾口稳定性验证
由于气溶胶发雾混匀装置发雾口质量浓度的稳定性直接关系到气溶胶光度计质量浓度校准的结果,因此需对其发雾口气溶胶浓度稳定性进行验证[7]。
通过调节气溶胶发雾混匀装置相关参数,使之产生稳定的气溶胶。选用一台重复性优于1.5%的气溶胶光度计连接到气溶胶发雾混匀装置的发雾口,待仪器稳定后读取气溶胶光度计的初始值并开始计时,以后每隔5 min读取1次浓度值,共5次。取5个读数中的最大值和最小值,按公式(4)计算气溶胶发雾混匀装置20 min稳定性。
(4)
使用气溶胶发雾混匀装置发生3种不同质量浓度的气溶胶,发雾口Ⅰ和Ⅱ稳定性曲线图见图5和图6,其数据见表1。
图5 发雾口Ⅰ稳定性曲线
图6 发雾口Ⅱ稳定性曲线
表1 不同浓度下发雾口质量浓度稳定性
由表1中数据可知,气溶胶发雾混匀装置两个发雾口浓度在20 min内稳定性均小于5%,符合技术要求。因此由气溶胶发雾混匀装置发雾口不稳定性引入的系统误差在受控范围内,该装置可用于气溶胶光度计质量浓度校准工作。
5.2 滤膜采样校准结果的验证
选用市场上主流的3种型号气溶胶光度计使用上述校准方法进行气溶胶质量浓度校准。校准结果见表2。
表2 气溶胶质量浓度校准结果
通过表2的数据可以发现使用气溶胶发雾混匀装置和滤膜采样法对气溶胶光度计进行校准,被校的气溶胶光度计质量浓度相对示值误差均小于±10%。校准结果符合这3种型号仪器的技术要求,因此该方法可以有效解决该类仪器量值溯源的需求。
6 结束语
本文给出了一种气溶胶光度计质量浓度参数的校准装置及校准方法,并通过实验验证了气溶胶发雾混匀装置发雾浓度稳定性均优于5%且被校气溶胶光度计质量浓度示值误差小于±10%。从而有效解决了气溶胶光度计质量浓度的量值溯源问题,确保了气溶胶光度计质量浓度测量的准确性,可提高洁净环境最终的测试结果。