高效空气过滤器效率检测仪器相关问题的分析
高效空气过滤器效率测试方法各国并不统一，其中应用较广的有ＤＯＰ法、钠焰法和粒子计数法 （ 含 ＭＰＰＳ 法），所谓 ＭＰＰＳ 法是指， 根据欧洲人的经验， 对于高效过滤器，最易穿透粒子粒径 （ ｍｏｓｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｓｉｚｅ， 简称ＭＰＰＳ） 在 ０．１!ｍ ￣０．２５!ｍ 之间的某一点， 先确定测试条件最易穿透粒子粒径， 然后连续扫描测量过滤器对该粒径粒子的过滤效果， 欧洲人将此方法称为 ＭＰＰＳ法 。各测［１］试方法一般都由气溶胶发生系统、风道系统和取样检测系统三部分组成，其中风道系统、流量测量装置和取样系统都是通用的技术，差别不大； 各测试方法的主要差别在于测试气溶胶的稳定发生和气溶胶浓度准确检测这两个方面。实际检测过程中要求气溶胶发生系统发生特定粒径、浓度稳定、分散度和可重复性较好的人工气溶胶作为测试尘源，然后采用相应的检测仪器测试过滤器上下游气溶胶浓度，再由下游和上游浓度之比计算出被测过滤器的透过率， 最后计算出过滤器的过滤效率。各测试方法发生的气溶胶种类不尽相同， 检测仪器也差别较大。和现有的主要的测试方法相对应， 高效空气过滤器效率检测仪器主要有三种：光度计 （火焰光度计）、光学 （激光） 粒子计数器和凝结核粒子计数器。这三种检测仪器都是通过将粒子的散射光转化成可测得的物理量 （ 电流或电位） 而进行浓度测量的。但在灵敏度、检测范围， 仪器复杂程度等方面还是有较大差异 （ 表 １） 。本文对这三种检测仪器的检测原理， 基本构成进行介绍并指出各自在应用中存在的问题， 旨在为高效空气过滤器的效率测试提供参考。
１ 光度计
１．１ 光度计检测原理
美国军用标准 ＭＩＬ－ＳＴＤ－２８２ 推荐的 ＤＯＰ 法是使用范围较广， 影响较大的高效过滤器性能测试方法， 其浓度检测仪器为前向光散射式光度计， 光源为白炽灯， 用一个高灵敏度的光电倍增管作为光学检测仪器。光度计通过粒子在光敏感腔中散射光强度来判定粒子的质量浓度的， 并且假定所有的粒子的粒径都近似单分散 （０．３!ｍ）， 检测的是 “热 ＤＯＰ 法”发生的质量中值直径为 ０．３!ｍ 的测试气溶胶粒子。
１．２ 光度计实际应用中存在的问题
实际应用中光度计存在的问题主要有：
（１） 光度计虽然对高浓度的气溶胶测量较为准确， 但是其灵敏度随着浓度的降低而降低， 并且衰减的非常厉害。为测量高效空气过滤器下游很低的粒子浓度， 光度倍增管的零点必须经常调整以补偿其噪声漂移， 因此， 光度计不能检测透过率小于 ０．０００１ 的高效空气过滤器， 对于超高效空气过滤器则更是无法检测， 这是光度计主要缺陷。
表1高效空气过滤器效率检测仪器比较
（２）光度计对气溶胶的分散度较为敏感， 因此， 测试气溶胶的分散度应和光度计校准时用的气溶胶的分散度保持一致， 为满足这种要求， 一般的气溶胶发生器做的复杂而体积庞大。
（３） 为了克服零点漂移， 过滤器检测时要求上游的浓度必须足够的高， 高浓度的测试气溶胶一方面对气溶胶发生装置提出很高的要求， 另一方面对过滤器本身也会产生污染。
（４） 由于检测过程中要求下游浓度不能太低， 所以下游的气溶胶对于洁净室或者检测实验室都会产生污染。光度计是适用范围较广、影响较大的 ＤＯＰ 法采用的浓度检测仪器， 但由于其在实际应用中存在的诸多缺陷， 使其应用受到限制， 欧洲标准 ＥＮ－ １８２２ 已不推荐使用光度计，［１］美国环境科学学会推荐标准 ＩＥＳＴ ＲＰ－ ＣＣ－ ０３４ 也只是在高效过滤器的扫描检漏推荐使用该检测仪器 。 ［２］
２ 火焰光度计
２．１ 火焰光度计原理及构成
钠焰法采用的气溶胶源为固态氯化钠气溶胶粒子， 粒子浓度检测仪器为火焰光度计。其简单构造如图 １ 所示，检测原理为： 采样氯化钠气溶胶在燃烧器里和氢气混合而燃烧， 钠原子燃烧时发出波长为 ５８９ｎｍ 的黄光， 黄光的强度和氯化钠气溶胶的质量浓度成正比， 火焰燃烧发出的光通过滤波片后只剩下黄光， 然后通过高灵敏度的光电倍增管将黄光信号转换成电信号， 而电信号的强弱和氯化钠气溶胶的质量浓度成一定的比例关系， 通过检测电信号可以测的气溶胶浓度的大小 。［３］
２．２ 火焰光度计实际应用中存在的问题
实际应用过程中， 火焰光度计存在的问题主要有：
（１） 必须配备燃烧器和氢气发生装置， 这样使得检测部分就变得庞大而复杂。
（２） 检测灵敏度不够高， 不能对超高效过滤器进行检测， 对于低浓度的气溶胶误差较大， 因此要求发生高浓度的气溶胶；
（３） 对小粒径粒子的检测变得困难而且误差很大， 这是由于火焰光度计检测的是气溶胶的质量浓度， 而气溶胶的质量浓度正比于粒径的三次方， 粒径越小， 误差越大。
（４） 对测试气溶胶选择单一， 只能检测氯化钠气溶胶的浓度， 而钠焰法的喷雾装置复杂而体积庞大， 限制了钠焰法的升级改造。
３ 光学粒子计数器
３．１ 光学粒子计数器计数原理及构成
光学粒子计数器是检测洁净环境中尘埃颗粒的仪器。它是以尘埃颗粒在白光或激光束中产生的光散射现象为原理设计而成的。即当空气中尘埃粒子随采样气流通过光敏感区时， 产生与其粒径相关的散射光脉冲， 光学系统将散射光收集于光电转换器件， 光电转换器件将光脉冲信号变为相应的电脉冲信号， 信号处理系统将电脉冲信号放大， 并经幅度甄别器甄别后由微处理器处理， 最后得到各档粒径的尘埃粒子数。其结构原理如图 ２ 所示， 其中， 图（ａ） 表示的是整体结构， 图（ｂ）表示的是采样口处的气流情况［４］。
光学粒子计数器采用的光源不同， 检测的粒径范围也有差别。普通的以白炽灯为光源的粒子计数器不能对低于０．３ 微米的粒子进行检测， 以 Ｈｅ－ Ｎｅ 激光或者 Ｈｅ－ Ｃｄ 激光为光源的激光粒子计数器可以分别检测到 ０．１ 微米和 ０．０６微米的粒子。
３．２ 光学粒子计数器的优缺点分析
光学粒子计数器优点是灵敏度较高， 对气溶胶的选择余地较大， 而且能够同时测量粒子的数量浓度和粒径大小。根据过滤理论， 过滤材料对不同粒径粒子的过滤效率是不一样的， 因此在实际应用中人们关注的是对某一特定粒径的过滤效率。而光度计测量的是粒子的质量浓度（ｍｇ／Ｌ），得到的是过滤总效率， 不能获得粒子的粒径信息。
光学粒子计数器在实际应用中存在的主要问题是需要经常的调整和校准。实际检测工作中发现： 校准过的不同厂家生产的不同型号的粒子计数器， 对统一洁净区域进行洁净度检测时， 测量结果相差很大， 甚至超过 １００％， 即使是同一厂家生产的同一型号的多台粒子计数器进行比较测量时， 测量结果也平均相差 ２０％。因此粒子计数器不但出厂前需要采用标准的校准方法和精密的校准仪器进行出厂标定， 而且在使用工程中， 每隔一段时间就需要标定。我国国家标准规定每隔 １ 年就需要标定一次 。另外，由于［５］光散射粒子计数器都是单个粒子计数的， 如果采样的气溶胶浓度越大， 则计数重叠误差越大， 因此， 上游浓度的测量一般要求使用稀释器， 而稀释器的使用一方面增加检测仪器的成本， 另一方面也会造成较大的稀释误差。
４ 凝结核粒子计数器
４．１ 凝结核粒子计数器粒子计数原理及简单构成
凝结核粒子计数器是通过“云形成”的原理而计数的， 即让气溶胶粒子（ 作为凝结核） 通过热的醇蒸汽（ 正丁醇） 然后恒温冷凝， 让正丁醇蒸汽冷凝包裹在气溶胶粒子（ 凝结核）外面而使粒子“长大“， 长大的粒子最后进入光学检测系统，通过检测散射光的强度而获得粒子的数量浓度。因此， 凝结核粒子计数器只能测量气溶胶粒子的数量浓度， 而丢失了粒子粒径、形状等信息。凝结核粒子计数器一般由三大部分组成： 饱和器、冷凝器和光学计数系统（ 见图 ３） 。
４．２ 凝结核粒子计数器的优缺点分析
和其他高效过滤器检测仪器相比， 凝结核粒子计数器有着其明显的优点： 在凝结核粒子计数器中， 亚微米气溶胶粒子被包裹一层油 （ 正丁醇） 而 “长大”成大粒子， 然后再对大粒子测量， 这样可以对粒径小至 ０．０１ 微米的粒子浓度进行准确的测量 。使用凝结核粒子计数器对高效空［６］气过滤器进行检测时， 理想情况下可以使用任何种类的气溶胶。ＣＮＣ 有两种计数模式， 即单颗粒计数模式 （ｓｉｎｇｌｅ－ｐａｒｔｉｃｌｅ－ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｍｏｄｅ） 和光度计模式 （ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅ）。当气溶胶浓度低于 １０００ 粒／ｃｍ３ 时采用单颗粒计数模式， 该模式下气溶胶粒子是一颗一颗地进入光学检测区的， 因此能够检测浓度非常低 （ ０．０１ 粒／ｃｍ３） 的粒子。当气溶胶浓度高于 １０００ 粒／ｃｍ３ 时采用光度计模式， 该模式下大量气溶胶粒子同时进入光检测区， 然后测量粒子总散射光强， 从而获得气溶胶粒子浓度。由于这两种计数模式的存在， 使得凝结核粒子计数器浓度测量范围非常广， 从 ０．０１ 粒／ｃｍ３到 １０７ 粒／ｃｍ３ 。随着滤纸过滤效率的提高， 高效空气过［７］滤器的透过率越来越低， 使得效率检测过程中， 下游的浓度非常的低， 一般的粒子计数器都检测不到， 要想提高下游浓度， 必须加大上游浓度， 其结果是， 上游必须使用高稀释倍数的稀释器， 高浓度气溶胶一方面发生较困难， 另一方面也会对被测过滤器造成污染， 而稀释器的使用一方面增加检测的设备成本， 另一方面还会造成大的稀释误差， 影响效率检测的准确度。凝结核粒子计数器由于浓度检测范围非常广， 灵敏度高， 克服了光学粒子计数器的上述缺陷。
凝结核粒子计数器只能检测到颗粒物的数量浓度， 丢失了粒子粒径等方面的信息， 因此， 如果使用凝结核粒子计数器作为浓度检测仪器， 则需发生已知粒径的单分散气溶胶。欧洲标准 ＥＮ－ １８２２ 推荐凝结核粒子计数器作为高效空气过滤器检测仪器时， 要求发生单分散的测试气溶胶。而单分散气溶胶相对多分散气溶胶发生困难且代价昂贵，因此， 以单分散气溶胶为测试气溶胶， 凝结核粒子计数器为检测仪器来测试高效空气过滤器的过滤效率尽管是最为准确的一种方法。由于单分散气溶胶发生困难， 造价昂贵等原因， 使得目前这种方法的使用受到一定的限制， 但可以预知， 随着空气洁净技术的发展和高效空气过滤器检测技术的进步， 这种检测方法将会是未来一个发展方向。
５ 结论
（１） 光度计和火焰光度计是对应于 ＤＯＰ 法和钠焰法的浓度检测仪器， 检测的是测试气溶胶的质量浓度， 但由于其灵敏度较低， 对气溶胶选择余地较小， 也无法实现超高效过滤器的检测， 随着空气洁净技术的发展和检测手段的进步， 粒子计数法已经成为主流的测试方法， 光度计和火焰光度计的使用将受到限制。
（ ２） 粒子计数法为当前国际上 ＨＥＰＡ／ＵＬＰＡ 主流测试方法， 检测仪器为粒子计数器。其灵敏度较高， 对气溶胶的选择余地较大， 而且能够同时测量粒子的数量浓度和粒径大小， 因此使用较广。但是实际使用过程中需要经常的校准和调整， 上游浓度测试需要使用稀释器。尽管如此，它依然是目前主要的高效过滤器效率检测仪器。
（３） 凝结核粒子计数器能够检测亚微米气溶胶粒子的数量浓度， 检测浓度范围广， 灵敏度高， 对气溶胶种类的选择余地大， 但是需要发生粒径已知的单分散气溶胶作为测试尘源。倘若单分散气溶胶发生的关键技术能够解决，则凝结核粒子计数器将成为最为理想的高效空气过滤器效率检测仪器。 可以预知， 随着高效空气过滤器检测技术的进步， 这种检测仪器将是未来的一个发展方向。
５ 附件：空气过滤器图集
1） 高效空气过滤器
超高效空气过滤器
H14高效空气过滤器
有隔板高效空气过滤器
中效袋式过滤器
中效板式过滤器
初效袋式过滤器
初效过滤器
空调过滤器