JJF1562-2016《凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準規(guī)范》的重點說明劉俊杰

修宏宇

孫帥杰中國計量科學研究院承擔了JJF1562-2016《凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準規(guī)范》的制定工作。該規(guī)范于2016年6月27日由國家質(zhì)檢總局發(fā)布，并已于2016年9月27日正式實施。為使讀者能更好理解規(guī)范內(nèi)容并進一步正確執(zhí)行規(guī)范中的方法，本文將重點對規(guī)范中所用計量器具及顆粒計數(shù)效率的校準方法進行具體說明和介紹。一、主要計量器具

本規(guī)程為了使凝結(jié)核粒子計數(shù)器(CPC)對社會出具準確、可靠、有效的數(shù)據(jù)，滿足各行業(yè)領(lǐng)域的檢測需求，對儀器的零點、流量示值誤差、流量穩(wěn)定性、顆粒計數(shù)效率、顆粒計數(shù)重復性等主要性能的校準方法、各項指標的要求、校準結(jié)果的判定等做了統(tǒng)一的規(guī)定，同時對校準條件、校準儀器設(shè)備等也做了統(tǒng)一要求。

在該規(guī)范中主要計量標準器具為凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準裝置，該裝置包括氣溶膠發(fā)生器、差分電遷移分離器、氣溶膠稀釋器、氣溶膠靜電計(FCAE)等。由于FCAE計數(shù)效率、多電荷效應(yīng)、氣溶膠分配器通道偏差等因素會對測量結(jié)果造成影響，因此差分電遷移分離器、氣溶膠稀釋器、FCAE的計量性能需經(jīng)國家計量技術(shù)機構(gòu)校準。該裝置顆粒濃度范圍應(yīng)包括(50～10000)cm-3，顆粒濃度校準結(jié)果不確定度優(yōu)于3.5%(k=2)。在顆粒計數(shù)效率校準中，為能產(chǎn)生單分散、表面帶單一電荷的氣溶膠顆粒，且考慮樣品單分散性及多電荷效應(yīng)的影響，規(guī)范中選擇使用一種平均粒徑在(80～120)nm范圍內(nèi)的粒度國家有證標準物質(zhì)，且平均粒徑相對不確定度不超過10%(k=2)。表1為滿足技術(shù)要求的2種標準物質(zhì)。

表1

技術(shù)性能滿足規(guī)程要求的2種粒度標準物質(zhì)另外規(guī)范規(guī)定采用皂膜流量計對CPC采樣流量進行校準，其測量范圍為(50～5000)mL/min，且準確度等級不低于1.5級。二、顆粒計數(shù)效率的校準方法

規(guī)范中校準項目主要包括零點、流量示值誤差、流量穩(wěn)定性、顆粒計數(shù)效率、顆粒計數(shù)重復性。其中顆粒計數(shù)效率是CPC最重要的計量性能指標。本校準規(guī)范中采用與已溯源的FCAE比對的方法實現(xiàn)對CPC不同量值范圍的校準。下面就以校準某一臺CPC顆粒計數(shù)效率為例，說明顆粒計數(shù)效率的校準過程。

通過將待校準CPC與已校準FCAE的比對，完成對CPC的校準。校準裝置如圖1所示，即經(jīng)0.1μm過濾的潔凈壓縮空氣進入氣溶膠發(fā)生器后，將裝置中的單分散聚苯乙烯乳膠標準粒子霧化。產(chǎn)生的氣溶膠粒子經(jīng)粒子中和器(Am241)后達到波爾茲曼電荷平衡，再經(jīng)過氣溶膠電遷移分離器，最終產(chǎn)生表面帶有單一電荷的單分散氣溶膠粒子。通過稀釋、補充潔凈空氣、抽氣等技術(shù)手段使得氣溶膠分流器出口處的顆粒濃度達到動態(tài)平衡，并以特定流速流經(jīng)待校準的CPC和已校準的FCAE。與此同時，為了滿足對CPC低濃度范圍的校準，在凝結(jié)核粒子計數(shù)器入口連接一個氣溶膠稀釋器。當稀釋倍數(shù)f已知時：Qa為氣溶膠顆粒的采樣流量，即為CPC的采樣流速5.00cm3/s；Qd為稀釋空氣的采樣流量，可在5.00cm3/s～750cm3/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié))，通過將CPC的測量值CCPC與標準值進行比較(見式(1))，從而實現(xiàn)對CPC低濃度范圍的校準。校準結(jié)果如表2所示，可以看到當顆粒濃度介于(70～6300)個cm-3范圍內(nèi)，凝結(jié)核粒子計數(shù)器具有很好的測量線性，并與氣溶膠靜電計具有很好的一致性和可比性。

式中:ηCPC——CPC的顆粒計數(shù)效率；CCPC——CPC的3次測量結(jié)果平均值，cm-3；CFCAE——FCAE的3次測量結(jié)果平均值，cm-3；β——氣溶膠分流器的通道偏差，無量綱量；f——稀釋比例，無量綱量；ηFCAE——FCAE的計數(shù)效率，無量綱量；φp——氣溶膠顆粒中攜帶P個電荷顆粒的分數(shù)，無量綱量；P——顆粒所帶的電荷數(shù)，無量綱量。

圖1

凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準裝置

表2

凝結(jié)核粒子計數(shù)器校準結(jié)果1.氣溶膠分流器偏差β

按照規(guī)范方法連接好CPC校準裝置，并將CPC和FCAE的流量設(shè)置為相同值，氣溶膠分流器的通道1和2分別連接FCAE和CPC。待讀數(shù)穩(wěn)定30s后，分別記錄60s內(nèi)、每隔1s的FCAE和CPC讀數(shù)，計算平均值CFCAE1和CCPC1；之后將氣溶膠分流器的通道1和2分別連接凝結(jié)核粒子計數(shù)器和氣溶膠靜電計，重復上述測量，得到CFCAE2和CCPC2。根據(jù)式(2)和式(3)計算得到r1和r2。

根據(jù)公式：

計算得到氣溶膠分流器的偏差。校準數(shù)據(jù)如表3所示，因此得到氣溶膠分流器偏差β=0.9995。

表3

氣溶膠分流器出口偏差的校準數(shù)據(jù)2.法拉第杯氣溶膠靜電計的計數(shù)效率ηFCAE

使用氣溶膠發(fā)生器將粒度標準物質(zhì)霧化，經(jīng)擴散干燥器、氣溶膠中和器和氣溶膠電遷移器后得到單分散氣溶膠顆粒樣品。通過調(diào)節(jié)粒度標準物質(zhì)濃度、稀釋流量和發(fā)生器流量，將差分電遷移分離器出口處的濃度控制在7000個cm-3附近。記錄1min內(nèi)、每間隔1s的FCAE響應(yīng)電流和顆粒數(shù)量濃度的測量結(jié)果，并分別計算得到其平均值I(=21.12fA)和CFCAE(=6937個/cm-3)。再用已建立的校準曲線得到響應(yīng)電流平均值I的修正值IR(=19.79)，最后將得到的IR、I0(=0.21fA)、Q校準值(=16.93mL/s)帶入式(4)中，可得到FCAE的標準值C(=7006)。最后通過與CFCAE值的比較，得到FCAE的顆粒計數(shù)效率為99.01%(見式(5))。

3.多電荷顆粒的百分比Φp

在CPC校準中，希望通過控制差分電遷移分離器的電壓U得到帶有單一電荷、單分散氣溶膠顆粒樣品，直徑為d1(U)，并通過對氣溶膠靜電計的校準計算得到氣溶膠顆粒數(shù)量濃度。但在實際測量中，攜帶多個電荷、大顆粒的電遷移率與直徑為d、攜帶單一電荷顆粒的電遷移率一致，影響FCAE的測量結(jié)果。因此需對該因素進行分析計算。

直徑為101nm(d1(U)=101nm)的單分散氣溶膠顆粒進入腔體電壓分別為U、2U、3U的差分電遷移分離器后，使用FCAE測量其出口處的顆粒數(shù)量濃度，記為:CN(U)、CN(2U)和CN(3U)，結(jié)果如表4所示。

表4

電壓分別為U、2U、3U的差分電遷移出口處的顆粒數(shù)量濃度參考ISO15900標準，將fp(d)帶入如下公式中，計算得到:

因此，氣溶膠中攜帶一個電荷、兩個電荷、三個電荷顆粒的百分比Φ1、Φ2、Φ3可通過如下公式計算得到:

4.稀釋因子f

氣溶膠的稀釋因子，式中:Qa為氣溶膠顆粒的采樣流量，即為CPC的采樣流速5.00cm3/s，Qd為稀釋空氣的采樣流量，可在5.00cm3/s～750cm3/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。結(jié)果如表5所示。

表5

氣溶膠稀釋因子5.顆粒計數(shù)效率的計算

將各個結(jié)果帶入式(1)中得到CPC的顆粒計數(shù)效率ηCPC(見表6)。