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技術文章

塵埃粒子計數器的原理及組成

技術文章
1、介紹  
目前使用激光塵埃粒子計數器的用戶越來越多,廣泛應用於藥、電子、精密機械、彩管製造、微生物等行業中,實現對各種潔淨等級的工作台、淨化室、淨化車間的淨化效果、潔淨進行監控,以確保產品的質量。激光塵埃粒子計數器是用來測量空氣中塵埃微粒的數量及粒徑分布的儀器,從而為空氣潔淨度的評定依據。常見的是光散射式(DAPC)的,測量粒徑範圍0.1-10μm,此外還有凝聚核式的(CNC),可測量尺寸更小的塵埃粒子。本文將介紹光散射式激光塵埃粒子計數器。  
2、工作原理  
基本原理是光學傳感器的探測激光經塵埃粒子散射後被光敏元件接收並產生脈衝信號,該脈衝信號被輸出並放大,然後進行數字信號處理,通過與標準粒子信號進行比較,將對比結果用不同的參數表示出來。空氣中的微粒在光的照射下會發生散射,這種現象叫光散射。光散射和微粒大小、光波、微粒折射率及微粒對光的吸收特性等因素有關。但是就散射光強度和微粒大小而言,有一個基本規律,就是微粒散射光的強度隨微粒的表麵積增加而增大。這樣隻要測定散射光的強度就可推知微粒的大小,實際上,每個粒子產生的散射光強度很弱,是一個很小的光脈衝,需要通過光電轉換器的放大作用,把光脈衝轉化為信號幅度較大的電脈衝,然後再經過電子線路的進一步放大和甄別,從而完成對大量電脈衝的計數工作。此時,電脈衝數量對應於微粒的個數,電脈衝的幅度對應於微粒的大小。這就是光散射式激光塵埃粒子計數器的基本原理。  
3、激光塵埃粒子計數器的組成  
3.1光源  
光源是關鍵部件,對儀器的性能影響很大。光源要求穩定性高、壽命長、不受幹擾。光源有普通光源和激光光源兩種。普通光源為碘鎢燈,體積大、發熱量高、壽命短,開機後需要預熱。激光光源為激光器,體積小、穩定性高、壽命長,常與檢測腔及光檢測器做成一體,組成傳感器。常見的激光光源有He-Ne激光器、激光二管。采用普通光源的激光塵埃粒子計數器對0.3μm以下的微粒信號響應很低,其信號幅度與計數器本身的噪聲幅度相差無幾,信號很難從噪聲中檢測出來。此類儀器雖然標有0.3μm這一通道,但隻適於測定大於0.3μm特別是0.5μm以上的微粒。由於激光的單色性好,光能量集中穩定,所以采用激光光源的激光塵埃粒子計數器其傳感器有較高的信噪比,此類儀器有些能檢測到0.1μm的微粒。  
3.2測量腔  
測量腔是進行微粒觀測的空間,被采集的空氣要從測量腔內穿過。儀器的光學係統使光源經透鏡、狹縫照射到測量腔中,形成一個體積約幾個立方毫米的光敏感區。當空氣中的塵埃通過光敏感區時,會散射出一部分光能量,被與入射光成一角度(90度或70度)的集光透鏡收集,再投射到光檢測器上。  
3.3光檢測器  
光檢測器是將散射光能量轉換為電信號的光電轉換器件。激光塵埃粒子計數器中常用的光檢測器是光電倍增管和光電二管。光電倍增管把光電子放大幾萬倍後轉換成幾個毫伏到幾十毫伏的電信號,具有光譜線性好、響應時間快、暗電流小的優點,缺點是體積大。光電倍增管工作時需加上幾百伏特的負高壓,儀器中有相應的高壓產生電路,在對儀器進行調試或校準時應注意安全。光電二管是一種受到光照後能產生電子的半導體元件,具有體積小、外圍電路簡單的特點,常與檢測腔做成一體。  
3.4流量監控  
采樣流量一般為2.83L/min或28.3L/min,儀器常標識為0.1cfm(立方英尺每分鍾)或1cfm,主要是為了便於進行符合Fed-Std-209E的潔淨度的計算。大流量的采樣(28.3L/min)更能地反映空氣的潔淨狀況,但使大采樣濃度降低。  
3.5氣泵及過濾器  
氣泵位於內部,氣泵使儀器產生采樣流量。氣泵要求噪音低、振動小、產生的氣流穩定。過濾器應能過濾掉0.3μm以上的微粒,以免從儀器排出的空氣對潔淨區產生影響。  
3.6電路係統  
不同粒徑大小的粒子經光電係統轉換後,會產生不同幅度(電壓)的電脈衝信號,粒徑越大,脈衝電壓越高。信號電壓與粒徑之間的關係,也叫轉換靈敏度。對於給定的激光塵埃粒子計數器,粒徑大小與脈衝電壓是一一對應的,例如某台激光塵埃粒子計數器的轉換靈敏度為0.3μm對應69mv,0.5μm對應531mv,1.0μm對應701mv等,若檢測到一個脈衝為100mv,則這個粒子的大小肯定大於0.3μm而小於0.5μm。激光塵埃粒子計數器是測量大於等於某一粒徑的粒子數量的儀器,其內部電路就是統計大於等於某一電壓值的脈衝數量的電路。對於上段中的例子,測量空氣中大於等於0.3μm粒子的數量,在電路中就是統計大於等於69mv的脈衝的個數,測量大於等於0.5μm粒子的數量,在電路中就是統計大於等於531mv的脈衝的個數,依此類推。所以儀器對塵埃粒子的測量,主要靠轉換靈敏度這個參數。  
另外需要說明的是,每台激光塵埃粒子計數器的轉換靈敏度均不同,在出廠時及以後須定期用標準粒子進行校準,以獲得轉換靈敏度值。電路係統就是完成對脈衝信號的放大、甄別、計數的電路。此外還包括電源、控製、顯示、計算、打印等電路。  
4、注意事項.  
1)、當入口管被蓋住或被堵塞,不要啟動計數儀  
2)、應該在潔淨環境下使用,以防止對激光傳感器的損傷  
3)、不要測有可能產生反應的混合氣體(如氫氣和氧氣)。這此氣體也可能在計數器內產生。測這些氣體需與為取得更多的信息。  
4)、沒有高壓減壓設備(如高壓擴散器)不要取樣壓縮空氣,所有的顆粒計數儀被設計用於在一個大氣壓下操作。  
5)、水,溶液或其它液體都不能從入口管進入傳感器。  
6)、顆粒計數儀主要用來測試淨化車間幹淨的環境,當測的地方有鬆散顆粒的材質,灰塵源,噴霧處時,須少保持距管至少十二英寸遠。以免以上的顆粒及液體汙染傳感器及管路。  
7)、取樣時,僻免取樣從計數器本身排出來的或被計數器出來的氣體所汙染的氣體。  
8)、在連接外置打印機或連接外接溫濕度傳感器時,需先關掉計數器;當執行打印操作時,打印機上須有打印紙,否則會損傷打印頭。
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