计径效率试验粒径的分析与对比

张万

(航空工业(新乡)计测科技有限公司，河南新乡 453019)

0 引言

计径效率是空气净化装置清除特定粒径(或粒径范围)粒子的能力，是空气过滤器的关键参数之一。在实际使用过程中，人们只是关注了粒径对应的效率值，其实计径效率试验中粒子计数器所采用的粒径有不同的含义。粒径有光学等效粒径、几何等效粒径、空气动力学粒径、几何平均粒径、对数平均粒径等等，本文作者针对这些粒径的关联和区别以及应用进行了分析和研究。

1 粒径的对比与分析

1.1 几种粒径的定义

粒径是颗粒物的直径，然而颗粒物大多是非球形的、不规则的物质，这样的颗粒物不方便测量和统计，如果将不规则的颗粒物转换为球形颗粒物，这个问题将迎刃而解，由此可以看出，粒径只是为了满足测量不同颗粒物的尺寸大小而假定的参数。光学等效粒径、几何等效粒径就是光学粒子计数器在校准和使用中不同形式的粒径。光学等效粒径是与被测试粒子具有相同光散射的、校准光学仪器所用粒子的直径，如使用单分散的聚苯乙烯球(PSL)校准光学粒子计数器时，光学等效粒径是粒子计数器经光学信号、电子信号转换而显示的PSL的粒径。几何等效粒径是与被测粒子同样体积的球体的直径，是粒子计数器以校准的等效圆粒径为基础，将不规则的颗粒物转换为球体后计算显示的粒径。光学等效粒径是校准过程中的粒径，而几何等效粒径是指应用时粒径，许多标准文件在应用中均假定几何等效粒径就是光学等效粒径。

除此之外，在应用时，又引入了空气动力学粒径和几何平均粒径、对数平均粒径等不同的粒径。空气动力学粒径是指被测粒子的直径与其在静置空气中具有最终沉降速度、且密度为1 g/m3的球体的直径相同。粒子在管路中、空气过滤器中的运动、沉降等情形，都是基于粒子在空气动力学特性。空气动力学粒径也是等效直径，能够间接描述非球性气载粒子的颗粒尺寸和数量。几何平均粒径和对数平均粒径表述的是同一种事物，只是名称不同而已(下文用几何平均粒径来表述)，代表的是粒径档上下限的几何平均值。

1.2 几何等效粒径和几何平均粒径在应用中的区别

1.2.1 概念的区别

一般通风用过滤器多用几何等效粒径进行计径试验，如ISO16890系列标准、ISO/TS 21220：2009标准等。在使用中，几何等效粒径和粒子计数器的设定显示的粒径值一致，几何平均粒径和几何等效粒径相互关联，几何平均粒径为

(1)

式中：di为粒径档i的粒径下限，μm；di+1为粒径档i的粒径上限，μm。

从公式(1)中可以看出，几何平均粒径就是两个不同的几何等效粒径的几何平均值。在实际使用过程中，几何平均粒径的试验数据是差分值，一般是大于某粒径档上限和下限粒径值所测量的累积计数颗粒浓度的差值，而几何等效粒径的测量数据是累积计数数值。表1和图1体现了两种粒径及其试验数据的关系与区别，图1中柱状图是几何平均粒径的试验数据，曲线图是几何等效粒径的累积计数取样数据。

表1 某空气过滤器试验的部分上游试验数据

图1 某空气过滤器试验上游单次测量数据

1.2.2 大小相同的两种粒径测量的数据分析

根据过滤器试验标准的要求，几何平均粒径档边界近似对数等距，按照公式(2)计算几何平均粒径，并选择数值与之相同或相近的几何等效粒径。下面利用某空气过滤器A的试验数据以不同粒径形式的测量结果进行对比分析。该试验利用单台粒子计数器取样测试，为了方便分析，上下游计数一致性处于理想状态下，即相关比均为1的情况下，数据及结果如表2、表3、图2所示。

表3 某空气过滤器A采用几何等效粒径测试结果

图2 相同试验数据不同粒径下的穿透率

表2 某空气过滤器A采用几何平均粒径测试结果

经过以上分析，几何平均粒径和几何等效粒径存在相互关系和区别：(1)粒径表示方法不同，几何等效粒径是一个粒径，几何平均粒径是两个几何等效粒径范围的几何平均值；(2)计径效率不同，采用几何等效粒径的计径效率是通过大于该粒径的累积颗粒数量计算得到的，需要在粒径值前加上“>”来表示，而使用几何平均粒径的计径效率是几何等效粒径范围的上限和下限的差分颗粒数量计算而得到的；(3)采用两种粒径的穿透率和粒径的变化趋势非常接近，当几何等效粒径和几何平均粒径的数值相等或相近时，几何等效粒径的穿透率和几何平均粒径的穿透率差异非常小，最大差异仅为0.103%。

1.3 几何等效粒径和空气动力学粒径

空气动力学粒径和几何等效粒径多被汽车、压缩机及乘驾室用空气过滤器使用，如ISO/TS 11155-1:2000和ISO/TS 19713系列标准。空气动力学粒径和几何平均粒径无关联，而与几何等效粒径存在很大的联系。空气动力学粒径Dae为

(2)

(3)

式中：Dg为粒子的几何等效粒径，μm；ρ为试验粉尘粒子的密度，g/cm3；ρo为单位密度，1 g/cm3；Cc为滑失修正系数；x为试验粉尘粒子的动态形状系数。

对于密度为0.5～3 g/m3的气溶胶材料且其空气动力学粒径大于0.5 μm的试验气溶胶粒子，公式(2)可以简化为公式(3)，此时相对尺寸误差小于5%，部分常用气溶胶材料的密度与形状因子见表4。对于空气动力学小于0.5 μm的试验气溶胶粒子，应使用该粒子的几何等效粒径代替空气动力学粒径。

表4 密度、形状系数及对应空气动力学粒径公式

将表4的参数代入公式(3)可分别得出对应气溶胶的计算公式。

使用ISO 12103-A2进行效率试验时：Dae=1.299 2×Dg(Dae>0.5 μm)；

使用KCl进行效率试验时：Dae=1.281 3×Dg(Dae>0.5 μm)。

某空气过滤器B效率试验的气溶胶为KCl，需要测试空气动力学粒径和几何等效粒径的计径效率，部分试验数据见表5。

表5 使用KCl试验时的几何等效粒径和空气动力学粒径试验结果

可以看出，空气动力学粒径和几何等效粒径存在倍数关系，虽然使用的粒径种类不同，但是两种粒径的效率计算方法是相同的，都是利用相同粒径值的上下游累积计数浓度计算得来的，而且空气动力学粒径及对应关联的几何等效粒径之间的效率是相同的。

2 结论

经过以上分析与对比，光学粒子计数器的光学等效粒径、几何等效粒径、几何平均粒径、空气动力学粒径等粒径所代表的含义是不同的。光学等效粒径和几何等效粒径是粒子计数器的基础粒径，光学等效粒径是校准后粒子计数器的粒径，而几何等效粒径是粒子计数器测量的颗粒物的粒径，两者被认定为相同。几何平均粒径和空气动力学粒径都是因使用需求而衍生的粒径，其基础粒径是几何等效粒径。几何平均粒径和空气动力学粒径都是依据光学等效粒径或几何等效粒径计算得到的粒径。在试验应用中，几何等效粒径的计径效率和空气动力学粒径的计径效率均为累积计数效率，表示的是拦截大于某个粒径的颗粒物的总体效率；几何平均粒径的计径效率是差分计数效率，表征的是某个小粒径范围内滤除颗粒的效率。在粒径数值相同时，几何等效粒径的计径效率和几何平均粒径的计径效率非常接近。而空气动力学粒径的计径效率和相关联的几何等效粒径的计径效率是相同的。希望通过文中的分析，能够有助于了解计径效率所使用粒径的关系和区别。