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尘埃粒子计数器原理

浏览次数:176发布日期:2019-07-22

目前尘埃粒子计数器的用户越来越多,广泛应用于医药、电子、精密机械、彩管制造、微生物等行业中,实现对各种洁净等级的工作台、净化室、净化车间的净化效果、洁净级别进行监控,以确保产品的质量。

尘埃粒子计数器是用来测量空气中微粒的数量及大小的仪器,从而为空气洁净度的评定提供依据。常见的尘埃粒子计数器是光散射式(DAPC)的,测量粒径范围0110t~m,此外还有凝聚核式的尘埃粒子计数器(CNC),可测量尺寸更小的尘埃粒子。本文将介绍光散射式尘埃粒子计数器。

1 仪器的工作原理

空气中的微粒在光的照射下会发生散射,这种现象叫光散射。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和微粒大小而言,有一个基本规律,就是微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小,就是光散射式粒子计数器的基本原理。实际上,每个粒子产生的散射光强度很弱,是一个很小的光脉冲,需要通过光电转换器的放大作用,把光脉冲转化为信号幅度较大的电脉冲,然后再经过电子线路的进一步放大和甄别,从而完成对大量电脉冲的计数工作。此时,电脉冲数量对应于微粒的个数,电脉冲的幅度对应于微粒的大小。

 

1表示了尘埃粒子计数器的具体工作原理:来

自光源的光线被透镜组1聚焦于测量腔内,当空气中

的每一个粒子快速地通过测量腔时,便把入射光散射

一次,形成一个光脉冲信号。这一光信号经过透镜组

2被送到光检测器,正比地转换成电脉冲信号,再经过仪器电子线路的放大、甄别,拣出需要的信号,通过计数系统显示出来。

需要指出的是,虽然仪器称为“计数器”,但是仪器分辨微粒大小的能力更为重要。因为电脉冲的计数很简单,而判断粒子的大小非常重要。

2 仪器的组成及各部分功能

仪器的组成及相互关系如图2所示。

 

21 光源

光源是尘埃粒子计数器的关键部件,对仪器的性能影响很大。光源要求稳定性高、寿命长、不受干扰。

光源有普通光源和激光光源两种。普通光源为碘钨灯,体积大、发热量高、寿命短,开机后需要预热。激光光源为激光器,体积小、稳定性高、寿命长,常与检i0腔及光检测器做成一体,组成传感器。

常见的激光光源有HeNe激光器、激光二极管。

采用普通光源的尘埃粒子计数器对03 m以下的微粒信号响应很低,其信号幅度与计数器本身的噪声幅度相差无几,信号很难从噪声中检测出来。此类仪器虽然标有03 m这一通道,但只适于测定大于

03 m特别是05 m以上的微粒。由于激光的单色性好,光能量集中稳定,所以采用激光光源的尘埃粒子计数器其传感器有较高的信噪比,此类仪器有些能检测到01 m的微粒。

22 测量腔

测量腔是进行微粒观测的空间,被采集的空气要从测量腔内穿过。仪器的光学系统使光源经透镜、狭缝照射到测量腔中,形成一个体积约几个立方毫米的光敏感区。当空气中的尘埃通过光敏感区时,会散射出一部分光能量,被与入射光成一角度(90。或70)的集光透镜收集,再投射到光检测器上。

 

23 光检测器

光检测器是将散射光能量转换为电信号的光电转换器件。尘埃粒子计数器中常用的光检测器是光电

倍增管和光电二极管。

光电倍增管把光电子放大几万倍后转换成几个毫伏到几十毫伏的电信号,光谱具有线性好、响应时间快、暗电流小的优点,缺点是体积大。光电倍增管工

作时需加上几百伏特的负高压,仪器中有相应的高压产生电路,在对仪器进行调试或校准时应注意安全。光电二极管是一种受到光照后能产生电子的半导体元件,具有体积小、外围电路简单的特点,常与检测腔做成一体。

24 流量监控

目前国产尘埃粒子计数器常采用转子流量计作流量指示,则仪器的流量调节大多数是直接调节转子流量计上的旋钮,此时仪器的控制电路对流量是没有监控的。

进口尘埃粒子计数器通过流量传感器对流量进行监测,通过手动调节或自动反馈调节。

尘埃粒子计数器的采样流量一般为283Lmin283Lmin(进口仪器常以“立方英尺每分”为单位,标记为01cfm1cfm),主要是为了便于进行符合FedStd209E的洁净度的计算。

大流量的采样(283Lmin)更能准确地反映空气的洁净状况,但使大采样浓度降低。

25 气泵及过滤器

气泵位于仪器内部,使仪器产生采样流量。气泵要求噪音低、振动小、产生的气流稳定。过滤器应能过滤掉03ttm以上的微粒,以免从仪器排出的空气对洁净区产生影响。

26 电路系统

不同粒径大小的粒子经尘埃粒子计数器的光电系统转换后,会产生不同幅度(电压)的电脉冲信号,粒径越大,脉冲电压越高。信号电压与粒径之间的关系,也叫转换灵敏度。对于给定的尘埃粒子计数器,粒径大小与脉冲电压是一一对应的,例如某台尘埃粒子计数器的转换灵敏度为03tLm对应69mV05 m对应531mV1Ottm对应701mV等,若尘埃粒子计数器检测到一个脉冲为lOOmV,则这个粒子的大小肯定大于03ttm而小于05 m

尘埃粒子计数器是测量大于等于某一粒径的粒子数量的仪器,其内部电路就是统计大于等于某一电压值的脉冲数量的电路。对于上段中的例子,测量空气中大于等于03ttm粒子的数量,在电路中就是统计大于等于69mV的脉冲的个数,测量大于等于05ttm粒子的数量,在电路中就是统计大于等于531mV的脉冲的个数,依此类推。所以仪器对尘埃粒子的测量,主要靠转换灵敏度这个参数。

另外需要说明的是,每台尘埃粒子计数器的转换灵敏度均不同,在出厂时及以后须定期用标准粒子进行校准,以获得转换灵敏度值。电路系统就是完成对脉冲信号的放大、甄别、计数的电路。此外还包括电源、控制、显示、计算、打印等电路。

3 仪器的使用及技术要求

尘埃粒子计数器的、钡0量值有两种表示方式:总计(cumulative)方式和分计方式(differentia1)。总计方式指测量值为大于等于该粒径的粒子数,分计方式指测量值为大于等于该粒径同时又小于下一相邻粒径的粒子数。

仪器在开始采样前应先自净,以确保仪器内部无残留粒子。采样时一定要用等动能取样头,并注意采样管不要堵塞、弯死,采样管不要太长。仪器禁止抽取高浓度粒子的气体(如较脏的空气)及含有水气、油气、腐蚀性气体进入仪器,否则将污染仪器气路、光路器件,甚至造成久损坏。按照国家计量检定规程要求,仪器的自净时间应小于20min,测量准确度应小于40 ,测量重复性应小于20%。

4 关于校准

尘埃粒子计数器是国家规定的计量器具,需按计量检定规程每年定期校准。因为尘埃粒子计数器在使用一段时间后,其光学系统及检测系统都会发生变化,如光源老化、发光效率降低或聚焦错位、透镜被污染,从而使整机的转换灵敏度变化。尘埃粒子计数

器的校准,就是对仪器各方面进行调整,以获得

工作状态。

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