尘埃粒子计数器校准装置的研制*

刘俊杰　张文阁　国　凯　任玲玲

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.中国石油大学，北京 102249)

0　引言

空气中颗粒物污染是医药、电子、航空等行业生产及加工工艺中主要的污染来源，如在电子行业及芯片制造工业中，气体中微小颗粒物的沉积会造成电气不良特性甚至更大的破坏，因此，准确评价空气洁净度已经成为这些行业生产和产品检测的迫切要求[1]。目前，主要用于空气洁净度测量的商业仪器为尘埃粒子计数器，又称激光粒子计数器(Optical particle counter，OPC)，其工作原理是当含有尘埃颗粒的空气通过仪器光敏感区时，散射出与粒径大小成比例关系的光脉冲信号，该信号被光敏器件接受并转换成相应的电脉冲信号再被放大，通过对一个检测周期内电脉冲的计数，便可得知单位体积采样空气中的粒子个数，即粒子浓度。但是，由于仪器制造技术的差异、使用中仪器光学系统及检测系统的变化[2]，尘埃粒子计数器的测量结果不尽相同，甚至存在较大的偏差。因此，为实现上述领域内颗粒计数测量的准确、可靠、一致，尘埃粒子计数器量值溯源体系的建立和校准装置的研制则显得尤为重要。

1　国内外尘埃粒子计数器的溯源性研究及技术现状

多年来，尘埃粒子计数器的校准一直是国际计量及研究机构关注的重点。例如，美国材料和试验协会ASTM分别于1998年和2001年颁布实施的ASTM F328-98和ASTM F649-01两个技术标准中对尘埃粒子计数器示值误差(也称计数效率)的校准方法进行了规定。即采用波高分析仪校准粒子计数示值误差，其结果溯源至仪器所产生电压脉冲信号的数量。但是在该方法中，由于仪器设计、光敏区内激光强度不一致等造成的计数损失无法确定[3]，因此，该方法并没有被广泛使用和认可。

针对上述问题和状况，ISO标准化组织分别于2007年和2009年颁布实施ISO 21501-4-2007和ISO 15900-2009两个技术标准。在这两项标准中对粒子计数器的量值溯源链进行了科学的界定，确立了尘埃粒子计数器的粒子计数量值溯源链和溯源方法，即：“尘埃粒子计数器(OPC)-凝结核粒子计数器(CPC)-气溶胶静电计(FCE)”的逐级溯源方法。在该溯源链中，通过凝结核粒子计数器将尘埃粒子计数器的测量结果溯源至气溶胶静电计，而气溶胶静电计通过测量带电颗粒所形成的电流计算得到粒子数量，最终使得粒子计数的测量值溯源至现有的国家计量标准——电流标准。该溯源链和校准方法的建立对于粒子计数器的校准、保证其测量结果的可靠、一致提供了合理的理论依据。目前，该方法已被国外的计量技术机构广泛认可。如：美国国家标准技术研究院NIST于2009年4月研制并建立了凝结核粒子计数器的校准装置，并可开展对尘埃粒子计数器的粒子计数示值误差校准[4-5]。日本产业技术研究院AIST于2007年完成了“颗粒数量浓度一级标准”的研究工作[6]，建立了日本国内的尘埃粒子计数器溯源体系，采用逐级溯源方法对标准尘埃粒子计数器进行校准，对于工作级尘埃粒子计数器则采用与标准粒子计数器比较法进行校准。

在我国，于1988年和2008年分别颁布实施了JJG 547—1988尘埃粒子计数器国家计量检定规程和JJF 1190—2008尘埃粒子计数器国家计量校准规范，对尘埃粒子计数器的计量性能指标及检定方法做出了规定。但是由于缺乏相应的实物计量标准，上述计量技术法规无法真正实施。在JJF 1190—2008中，要求用经多家比对后的标准尘埃粒子计数器作为传递标准，开展对工作级尘埃粒子计数器的校准和量值溯源。但是在比对中，由于很难获取稳定的气溶胶源、没有考虑粒径档设置对计数结果的影响[7]等，比对结果无法得到保证。因此，无法通过量值比对方式的到稳定准确的标准尘埃粒子计数器，该方法从根本上并没有解决我国尘埃粒子计数器的量值溯源问题。另外，尘埃粒子计数器作为光学类测量仪器，在使用一段时间后其光学系统及检测系统可能会发生变化，如光源老化、发光效率降低或聚焦错位、透镜污染，从而使整机的转换灵敏度变化。因此，对于使用需重新计量校准的标准尘埃粒子计数器，该方法根本行不通。

2　尘埃粒子计数器校准装置的研制

为实现我国空气中颗粒物洁净度测量的准确性，保障尘埃粒子计数器的量值溯源，近年来中国计量科学研究院采用国际公认的“尘埃粒子计数器-凝结核粒子计数器-气溶胶静电计”的逐级溯源方法，开展了尘埃粒子计数器校准装置的研制。

2.1　气溶胶静电计的校准

气溶胶静电计FCE是国际公认的颗粒计数最高标准，测量结果可溯源至电流。工作原理为：当带有单一电荷的颗粒气溶胶进入FCE的采样入口后，颗粒被截留在放置于法拉第杯中的高效滤膜上，此时，由于空间电荷效应，颗粒上的电荷会被释放于法拉第杯中，从而形成可测量的电流，该电流值与颗粒数量浓度存在以下的关系：

(1)

式中，C为颗粒数量浓度，counts/cm3；q为电量，C；t为采样时间，s；Q为采样流量，cm3/s；I为电流，A；e为电子电量，量值1.6×10-19C。

本研究中将气溶胶静电计串联到校准电路中[8-9]，如图1所示。通过将气溶胶静电计的响应电流值与标准电流值进行比对，实现对气溶胶静电计的校准，校准结果可溯源至国家电压及电阻标准。其中：采用多功能过程校准器作为直流电源，校准系统中的高值电阻为标称值1TΩ。校准过程中所有电器及元件外壳均接地、使用可控制温的屏蔽箱防止外界的电磁干扰影响[9]。

图1　气溶胶静电计校准电路图

校准结果参见图2，即在10～100fA范围内(对应的粒子浓度范围约为3700～39000个/cm3)，气溶胶静电计的响应电流具有很好的线性和准确性。另外，通过对仪器采样流量、滤膜截留效率等校准技术研究，完成对仪器3700～39000个/cm3测量范围的校准和结果修正，不确定度优于3.2％(k=2)。校准后的气溶胶静电计可作为我国空气中颗粒计数的最高计量标准，开展相关检测和量值传递。

图2　气溶胶静电计校准曲线

2.2　凝结核粒子计数器的校准

在尘埃粒子计数器溯源链及校准方法中，凝结核粒子计数器是一个重要环节和传递标准，其具有测量范围宽、可覆盖尘埃粒子计数器和气溶胶静电计测量范围的优点，因此，凝结核粒子计数器的校准是实现尘埃粒子计数器溯源的关键。

校准装置如图3所示，即经0.1μm过滤的洁净压缩空气进入气溶胶发生器，将装置中的单分散聚苯乙烯乳胶标准粒子(国家标准物质GBW12019)雾化，产生的气溶胶粒子经粒子中和器(Am241)后达到波尔兹曼电荷平衡，再经过气溶胶电迁移分离器，最终产生表面带有单一电荷的单分散气溶胶粒子。通过稀释、补充洁净空气、抽气等技术手段使得气溶胶分配器出口处的颗粒浓度达到动态平衡，并以特定流速流经待校准的凝结核粒子计数器和已校准的气溶胶静电计，通过比对法完成对凝结核粒子计数器的校准。与此同时，为了满足对凝结核粒子计数器低浓度范围的校准，在凝结核粒子计数器入口接入了一套气溶胶稀释装置，其稀释倍数在1～100倍范围内可准确调节。当稀释倍数f已知时，通过将凝结核粒子计数器的测量值CCPC与标准值CFCE/f进行比较，实现对凝结核粒子计数器低浓度范围的校准。

图3　凝结核粒子计数器校准装置

研究表明当颗粒数量浓度介于25～16000个/cm3范围内时，凝结核粒子计数器校准结果的扩展不确定度优于4.2％(k=2)。校准后的凝结核粒子计数器完全满足ISO 21501-4-2007及JJF 1190—2008国家计量校准规范对尘埃粒子计数器的校准需求，其校准不确定度远远优于仪器最大允许误差的三分之一，可作为量值传递的计量标准，开展对尘埃粒子计数器的校准。

2.3　尘埃粒子计数器的校准

与凝结核粒子计数器校准装置类似，在尘埃粒子计数器的校准中，采用气溶胶发生器、单分散聚苯乙烯标准物质(GBW12018)、气溶胶电迁移器等技术得到单分散的气溶胶粒子。之后在气溶胶分配器出口处同时连接凝结核粒子计数器和被校准的尘埃粒子计数器，如图4所示，通过比对实现对尘埃粒子计数器的校准。

图4　尘埃粒子计数器的校准示意图

校准中由于尘埃粒子计数器的采样流量较大，因此，需在其入口处补充恒定流速的洁净空气，保证气溶胶分配器出口处的气流平衡；另外，由于尘埃粒子计数器具有更低的浓度测量下限，需在其入口处连接气溶胶稀释器，实现对尘埃粒子计数器低测量范围的校准。与此同时，所用标准物质颗粒粒径为0.28μm，其99％以上的颗粒分布应在0.26～0.31μm范围内，且无粒径低于0.2μm 的颗粒，因此，通过测量≥0.2μm颗粒的数量浓度，可有效避免尘埃粒子计数器粒径档设定误差对颗粒计数值的影响，保证校准结果的可靠性。校准结果见表1，不确定度优于6％，k=2。

在该校准装置中，采用了调节原始气溶胶浓度、调节气溶胶稀释器的稀释比例、补充洁净空气等技术手段，可对不同流量尘埃粒子计数器全量程范围的颗粒计数示值误差进行校准，满足我国各行业领域对不同型号尘埃粒子计数器的校准需求。

表1　尘埃粒子计数器的校准结果

3　结论

本研究中采用国际公认的尘埃粒子计数器溯源方法，建立了我国尘埃粒子计数器的量值溯源体系和实物计量标准装置。在该溯源体系中通过凝结核粒子计数器将尘埃粒子计数器的测量结果溯源至气溶胶静电计，并最终使得粒子计数的测量值溯源至现有的计量标准——电流标准之上，从而保证了我国空气洁净度测量的准确性和尘埃粒子计数器的量值溯源。在所建立的尘埃粒子计数器实物计量标准装置中，以校准后的凝结核粒子计数器作为量值传递标准，可对不同流量尘埃粒子计数器全量程范围的颗粒计数示值误差进行校准，满足我国各行业领域对不同型号尘埃粒子计数器的校准需求。

[1]朱弋，王振洲，李朝伟.空气粒子计数器原理及手术室洁净度检测要求.医疗装备，2011(3)

[2]陈成新，李名兆.尘埃粒子计数器的原理和使用.工业计量，2004(6)

[3]纪运景，卞保民，贺安之.不同光源对激光尘埃粒子计数器性能的影响.红外与激光工程，2004(6)

[4]R.A.Fletcher，G.W.Mulholland，Calibration of a Condensation particle counter using a NIST Traceable Method，Aerosol Science and Technology，2009，43，425-441.

[5]Miles Owen，George Mulholland and Will Guthrie，Condensation particle counter proportionality calibration from 1 particle·cm-3to 104particles·cm-3，Aerosol Science and Technology，2012，46，444-450.

[6]Hiromu Sakurai，Kensei Ehara，Evalution of uncertainties in femtoampere current measurement for the number concentration standard of aerosol nanoparticles，Measurement Science and Technology，2011，22，1-11.

[7]刘俊杰，张文阁，胡向军，郝新友.JJG 1061-2010 液体颗粒计数器检定规程解读.中国计量，2011(11)

[8]Miles Owen，Calibration of an Electrometer from 500fA to 100fA，2006 NCSL International Workshop and Symposium.

[9]刘俊杰，张文阁，胡向军.气溶胶静电计的校准研究.第九届全国颗粒测试学术会议暨现代颗粒测试技术发展与应用研讨会论文集(第十五届中国科协年会第16分会场)，2013