凝结核粒子计数器校准方法

陆静仪 林芳 张爱亮 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

空气中颗粒数量浓度（以下简称颗粒浓度）的测量在制药、电子制造、精密加工等领域都有着重要意义[1]。空气中颗粒数量浓度的测量方法有显微镜法与光散射法，其中显微镜法步骤繁琐且不适用于小颗粒浓度测量，而使用光散射法可直接在仪器上读取数据，应用较为普遍[2]。常用仪器有凝结核粒子计数器（CPC）、扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）、尘埃粒子计数器（OPC）等[3]。凝结核粒子计数器（CPC）是利用过饱和蒸汽的冷凝增大颗粒粒径，再检测颗粒散射光信号，从而确定颗粒浓度的仪器，它实现了对纳米级粒径颗粒的数量浓度测量，可与差分电迁移分离器（DEMC）组合用于特定粒径颗粒的计数。CPC被广泛应用于机动车尾气监测、环境空气粒径谱测量等[4]，也是国际上广泛认可的“尘埃粒子计数器（OPC）-凝结核粒子计数器（CPC）-气溶胶静电计（FCAE）[5]”逐级溯源链中的一环。图1为凝结核粒子计数器的结构。

图1 凝结核粒子计数器结构[6]

1 凝结核粒子计数器的溯源方法

目前，国内对凝结核粒子计数器的量值溯源依据为JJF 1562-2016《凝结核粒子计数器校准规范》，而国外所依据的标准为ISO 27891：2015《气溶胶颗粒数量浓度凝结核粒子计数器的校准》（ISO 27891：2015Aerosol particle number concentration - Calibration of condensation particle counters）。

JJF 1562-2016对CPC计数效率的校准是以FCAE作为计量标准，其校准范围为1～105个/cm3。其主要技术路线为通过气溶胶发生器产生的气溶胶流经DEMC，因不同粒径的颗粒电迁移率不同，导致带电颗粒通过电场的偏移量不同，从而实现对不同粒径的选择分离[7]，图2为DEMC结构。经DEMC筛分的单分散气溶胶颗粒由气溶胶分流器分流至FCAE与被校准的CPC，通过两者示值的比例关系计算出被校准CPC的计数效率[8]。而ISO 27891：2015中有两种不同的校准方法，分别将FCAE或参考CPC作为计量标准，其中以FCAE作为计量标准适合高颗粒浓度时CPC计数效率的校准，即浓度范围为103～105个/cm3；以参考CPC作为计量标准，则适合低颗粒浓度时CPC计数效率的校准，即浓度范围为1～104个/cm3[6]。

图2 差分电迁移分离器结构

2 两种校准方法的验证

2.1 ISO 27891：2015方法

ISO 27891：2015中通过比较CPC示值与FCAE标准值进行校准时，DEMC出口处气溶胶经气溶胶分流器分流后直接进入FCAE与被校准CPC。按图3连接实验装置。本实验中所用气溶胶发生器为TSI 3076型恒流雾化气溶胶发生器，可通过雾化悬浮的单分散颗粒产生单分散气溶胶颗粒。

图3 ISO 27891：2015方法校准实验装置

依据校准方法，使用气溶胶发生器将粒径为100 nm的聚苯乙烯标准颗粒雾化，经扩散干燥器、气溶胶中和器和DEMC后得到单分散气溶胶颗粒，调节DEMC出口处气溶胶至不同浓度，记录并计算FCAE、CPC 30 s内示值算术平均值，示值数据见表1，由30 s内示值的变异系数（标准差与平均值的比值）观察示值的重复性。

表1 ISO 27891：2015中方法（以FCAE作为计量标准）校准实验数据

由表1可知，当颗粒浓度低至2 000个/cm3以下时，FCAE计数十分不稳定。而当颗粒浓度低至500个/cm3以下时的变异系数与高颗粒浓度时的变异系数已不在同一数量级，可见其电流示值出现负值，主要由于FCAE灵敏度不足以检测到少量颗粒所带电荷形成的微弱电流[9,10]。因此，在ISO 27891：2015方法中，如需对较低颗粒浓度时的CPC计数效率进行校准，只能以参考CPC作为计量标准。将图3中FCAE替换为参考CPC，实验数据见表2。

表2 ISO 27891：2015中方法（以参考CPC作为计量标准）校准实验数据

2.2 JJF 1562-2016方法

JJF 1562-2016与ISO 27891：2015中的CPC校准装置有所不同，即JJF 1562-2016中，被校准CPC前端加入了气溶胶稀释器。校准规范中规定：DEMC出口处的气溶胶颗粒浓度控制在约7 000个/cm3，即进入FCAE的气溶胶颗粒浓度约7 000个/cm3，CPC前端的颗粒浓度则由气溶胶稀释器控制，解决了将FCAE作为计量标准时低颗粒浓度下FCAE无法计数的问题。

按图4连接实验装置。以该方法进行校准，在计算CPC计数效率时需引入气溶胶稀释器的稀释比，表3为分别接入不同气溶胶稀释器的示值数据。

图4 JJF 1562-2016中方法的校准实验装置

表3 JJF 1562-2016中方法的校准实验数据

气溶胶稀释比的准确性直接影响CPC计数效率的校准结果，稀释比可由气溶胶与稀释气体的体积流量比计算[11]。

3 结语

ISO 27891：2015、JJF 1562-2016中凝结核粒子计数器的计数效率校准方法的主要区别在于校准颗粒浓度范围不同，ISO 27891：2015中方法只有颗粒浓度高于103个/cm3时才能将FCAE作为计量标准，在较低颗粒浓度时只能将参考CPC作为计量标准，而参考CPC在低颗粒浓度时的示值难以通过逐级溯源链向上溯源，其溯源只能通过量值比对等方式进行；JJF 1562-2016中在被校准CPC前端加入了气溶胶稀释器，解决了低颗粒浓度下无法直接比较FCAE与CPC示值的问题，从而使CPC示值在低颗粒浓度时也能溯源至FCAE，而稀释比的准确性成比例地影响计数效率的校准结果，为保证校准结果准确可靠，应通过可靠的途径对气溶胶稀释器进行溯源。