高效空氣過濾器計數(shù)法性能測試系統(tǒng)研制的幾個問題
摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國現(xiàn)行的高效、超高效過濾器性能試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足實際發(fā)展的需要，計數(shù)法是高效過濾器效率測試手段發(fā)展的趨勢。為此，本文研制了高效空氣過濾器計數(shù)法性能測試系統(tǒng)，并對研制過程中的幾個核心問題進行了探討，期望能為我國新的國家標(biāo)準(zhǔn)的制定提供一些參考。
關(guān)鍵詞：高效過濾器、氣溶膠、過濾效率、最易穿透粒徑、穿透率
1 引言
隨著社會的發(fā)展及全球經(jīng)濟一體化趨勢的發(fā)展，國外大批企業(yè)紛紛涌入中國，對中國固有市場造成了很大的沖擊，本屬于小領(lǐng)域的高效過濾器市場也不例外。國外高效過濾器以其優(yōu)越的產(chǎn)品性能迅速擠壓國內(nèi)企業(yè)，其產(chǎn)品不僅受到了外資企業(yè)的青睞，就連國內(nèi)一些單位在追求檔次時都首選國外品牌。這種現(xiàn)狀和目前國內(nèi)大部分廠商檢測方法較為落后，檢測系統(tǒng)較為煩瑣，“逐臺檢測”概念較為淡薄有關(guān)[1]。
作為高效過濾器國家標(biāo)準(zhǔn)的鈉焰法曾對國內(nèi)高效過濾器行業(yè)起過非常重要的作用，并且仍將是國內(nèi)高效過濾器效率檢測的主要手段。但隨著現(xiàn)代科技的持續(xù)發(fā)展，對空氣環(huán)境中懸浮微粒的控制，無論在粒子尺寸還是數(shù)量方面不斷提出新的需要，這對空氣過濾器的性能要求越來越高，而過濾器測試手段的發(fā)展是制造高質(zhì)量空氣過濾器的保證。
我國《高效空氣過濾器性能試驗方法——透過率和阻力》國家標(biāo)準(zhǔn)GB6165-85在80年代率先提出對D類高效過濾器（超高效過濾器）采用計數(shù)法測定效率[2]，但限于國內(nèi)計數(shù)儀器設(shè)備研發(fā)落后的現(xiàn)狀，標(biāo)準(zhǔn)并未對計數(shù)法進行詳細(xì)的規(guī)定。其后，無論是歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1822的最易穿透粒徑法（Most Penetrating Particle size，簡稱MPPS）[3-7]，還是日本DOP計徑計數(shù)法都是屬于計數(shù)法的范疇，美國對于高效過濾器效率檢測采用DOP光度計測試法，但對于超高效過濾器采用0.1μmDOP計數(shù)法，也屬于計數(shù)法的范疇，可以看出計數(shù)法是高效過濾器效率測試手段發(fā)展的趨勢。因此，有必要在借鑒國外研究的基礎(chǔ)上，獨立自主開創(chuàng)具有自己特色的計數(shù)法研究，促進我國高效、超高效過濾器行業(yè)的快速發(fā)展。為此，我們與相關(guān)高效過濾器生產(chǎn)廠商共同研制了新型高效空氣過濾器計數(shù)法性能測試系統(tǒng)，本文重點探討在系統(tǒng)研制中的幾個問題，希望能為相關(guān)單位提供一些有益的參考。
2 測試臺的研制
本測試臺是主要參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN1822搭建的高效、超高效過濾器全效率測試系統(tǒng)，研制過程中還參考了日本JIS B 9908[8]、美國IEST[9-10]及 ASHRAE[11]、我國GB6165-85[2]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。實驗臺測試風(fēng)量范圍為200～3600m3/h，可以測試的高效過濾器效率從99%～99.9995%。
2.1測試臺簡介
測試系統(tǒng)采用多分散氣溶膠作為塵源，選用可以調(diào)節(jié)發(fā)塵量大小的發(fā)塵器；以激光粒子計數(shù)器為計數(shù)測量裝置，為了縮短測試時間同時減小系統(tǒng)誤差，選用兩臺同一廠家生產(chǎn)的，同一型號粒子計數(shù)器進行上下游粒子濃度測試；由于下游氣溶膠濃度較低，上游氣溶膠濃度較高，為了兼顧兩者在上游氣溶膠測試時，需為粒子計數(shù)器選配稀釋器。
為了保證在流量范圍很大的情況下，流量測試的精確度，選用2臺孔板流量計進行流量測量，風(fēng)量的調(diào)整由變頻器完成，較小風(fēng)量必要時輔以風(fēng)閥；為了滿足不同尺寸規(guī)格過濾器性能測試的適用性，將測試風(fēng)管系統(tǒng)分成2路測試。管道流程示意圖如圖1所示。在被測過濾器的上游管道系統(tǒng)采用固定支架的形式加以固定，下游管道系統(tǒng)采用底端帶滑輪的活動支架架設(shè)在與地接觸的固定支架上的形式，以方便更換過濾器時，由啟動夾緊裝置帶動下游管道自動前進或后退。
圖1 全效率測試臺管路系統(tǒng)示意圖
測試臺的工作流程如下所述：首先根據(jù)被測過濾器的額定風(fēng)量及尺寸規(guī)格判斷進行大管路測試還是小管路測試（由氣動蝶閥進行管路切換），動力機房內(nèi)的空氣經(jīng)過初、中效過濾器的過濾，然后由風(fēng)機加壓，送入高效過濾器箱體（設(shè)有檢測門，以便于更換過濾器），經(jīng)過過濾，送入相應(yīng)測量管路，并與發(fā)塵器發(fā)生的氣溶膠混合，經(jīng)過設(shè)置在管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉輪的擾動而混合均勻。利用計數(shù)器和壓差計分別 測量過濾器上、下游的濃度和靜壓，下、上游濃度的比值的百分?jǐn)?shù)即為過濾器的穿透率，上、下游壓力差即為過濾器的全阻力。旁通管路的設(shè)計是為了在更換過濾器時，讓含有氣溶膠顆粒的氣體排出室外， 以免危害測試人員，這樣在更換過濾器時就不需要停止風(fēng)機、發(fā)塵器，節(jié)省測試時間。
2.2 測試臺信號采集與控制系統(tǒng)簡介
本試驗臺的信號采集與控制部分智能化程度較高，編制的上位機操作界面友好、直觀，通過簡單的參數(shù)設(shè)置和對程序提示的簡單應(yīng)答便可完成過濾器性能的檢測工作。軟件系統(tǒng)主要界面包括全效率測試界面、過濾器阻力與風(fēng)量關(guān)系測試界面、數(shù)據(jù)顯示處理及參數(shù)設(shè)置界面等。軟硬件滿足的基本功能有：（1）．實現(xiàn)數(shù)據(jù)（風(fēng)量、阻力、溫濕度、粒子濃度）的自動采集和處理，數(shù)據(jù)計算和實驗報告的打印由計算機自動完成；（2）．計算機操作界面采用友好的屏幕菜單形式；（3）．可按指令建立數(shù)據(jù)文件并儲存，可按指令自動生成未積塵過濾器風(fēng)量和阻力的曲線；（4）．系統(tǒng)風(fēng)量可在計算機屏幕上設(shè)定，自動選擇和控制風(fēng)量。
圖2給出了全效率測試臺信號采集與控制系統(tǒng)點數(shù)布置示意圖，圖3給出了測試臺上位機程序主界面圖。
1.初效過濾器 2.中效過濾器3.風(fēng)機 4.變頻器 5.高效過濾器6、7.溫濕度傳感器8、9.發(fā)塵管 10.發(fā)塵器 11、12.擾流葉輪13~15.氣動開關(guān)蝶閥16、17.上游采樣管 18.稀釋器19.上游激光粒子計數(shù)器 20、21.壓差傳感器（測量被測過濾器阻力） 22、23.被測過濾器 24、25.壓差傳感器（測量孔板兩端壓差）26、27.孔板流量計 28、29.下游采樣管 30.下游激光粒子計數(shù)器31、32.風(fēng)閥 33.計算機 34.打印機
圖2 全效率測試臺信號采集與控制系統(tǒng)示意圖
圖3 全效率測試界面圖
3 測試氣溶膠濃度及塵源發(fā)塵量的確定
過去人們一直認(rèn)為高效過濾器對0.3μm微粒的過濾效率最低，但近些年的研究表明高效、超高效過濾器對粉塵粒徑在0.1～0.3µm之間的某粒徑的過濾效率最低。因此為了測定高效過濾器的過濾效率，發(fā)塵器的塵源粒徑分布應(yīng)集中在0.1－0.3μm，大氣塵的粒徑分布不滿足此要求，且大氣塵本身不穩(wěn)定，故需引入發(fā)塵器。
3.1 氣溶膠濃度的確定
對于氣溶膠濃度的確定，EN1822沒有給出明確的計算公式，但EN1822給出了確定試驗參數(shù)的邊界條件，規(guī)定了“確定效率所需的下游最少粒子數(shù)為100”，這是從粒子計數(shù)統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)給出的數(shù)值。由于粒子計數(shù)器測出的每單位容積里的微粒數(shù)目是有一定規(guī)律的，一般情況下，遵循Possion分布。EN1822根據(jù)微粒的Possion分布規(guī)律以及粒數(shù)統(tǒng)計學(xué)的知識，給出了不同顆粒數(shù)下的95％置信上、下限的粒數(shù)值，計算公式如下：
（1）
式中，N——期望觀測顆粒數(shù)。
95％置信上、下限的粒數(shù)值，即式（1）表達(dá)的意思為：若粒子計數(shù)器記錄了N個粒子，則對同一 對象進行多次重復(fù)測量，所得的測量數(shù)據(jù)將有95％次落在區(qū)間 內(nèi)。則當(dāng)給定期望觀測顆粒數(shù)N時，用粒子計數(shù)器測出的顆粒數(shù)95％置信概率下的相對誤差為：
（2）
由式（2）可以看出，氣溶膠濃度（單位容積里的微粒數(shù)，p/cft）和相對誤差成反比關(guān)系，即采樣濃度越高，測量相對誤差越小。由式（2）可以分別計算出相對誤差為5％、10％、15％、20％時的氣溶膠濃度分別為1537p/cft、385 p/cft、171 p/cft、97p/cft，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1822規(guī)定的100p/cft對應(yīng)的相對誤差為19.6％。EN1822在其第五部分內(nèi)容也指出“在下游端，最大粒子數(shù)（對應(yīng)泊松分布95％置信區(qū)間的上限值）與實際粒子計數(shù)（至少100粒）的差別不大于實測計數(shù)的20％”，即要求下游粒子數(shù)應(yīng)大于100。
從統(tǒng)計學(xué)計數(shù)的角度講，希望被測氣溶膠濃度越高越好，但激光粒子計數(shù)器自身性能決定了氣溶膠濃度越低，計數(shù)的重疊誤差越小，這是一對矛盾。因此對于高效過濾器計數(shù)法效率測試而言，為了盡量減小粒子計數(shù)的相對誤差，其下游氣溶膠的濃度不宜過小，但也不宜過大，否則上游粒子濃度偏高，計數(shù)器重疊誤差偏大。在確定測試氣溶膠濃度時應(yīng)權(quán)衡利弊綜合考慮，選定適宜的濃度值。本文認(rèn)為EN1822規(guī)定的95％置信概率下的下游最少粒子數(shù)100底限偏小，宜為385，即10％的相對統(tǒng)計誤差。
3.2 塵源發(fā)塵量的確定
當(dāng)確定了下游氣溶膠濃度Cd，min（p/cft）后，若已知被測過濾器的過濾效率E(%)及額定風(fēng)量G (m3/h)，則可由式（3）計算出發(fā)塵器的最小發(fā)塵量Mmin（p/min）。
（3）
式中，0.5889為單位換算系數(shù)。
對于某一給定的被測過濾器而言，由于其E、G是已知的（或知其近似值），此時可由式（3）計算出發(fā)塵器對應(yīng)的發(fā)塵量。
對于高效過濾器計數(shù)法效率測試臺而言，亦可由式（3）計算出所需發(fā)塵器的最大發(fā)塵量至少應(yīng)滿 足的要求，即解決發(fā)塵器的選型問題。選型原則如下：首先確定測試臺所測過濾器的最大風(fēng)量Gmax（m3/h）以及測試過濾器最高過濾效率Emax，由式（3）計算發(fā)塵器最大發(fā)塵量Mmax應(yīng)滿足的要求，只有當(dāng)發(fā)塵器最大發(fā)塵量滿足Mmax時，其流量選型才符合要求。這里需要說明的是，按式（3）計算出的Mmax在實際使用中往往偏大，這是由于最大過濾效率Emax的過濾器對應(yīng)的額定風(fēng)量往往達(dá)不到Gmax，為了解決這個問 題，在選型計算時可以將Cd,min適當(dāng)減小，例如從385p/cft減小至100p/cft，或?qū)⒂嬎闼肕max降低一個等級。在選型計算后，需進行校核，EN1822-2規(guī)定“用于過濾器試驗的發(fā)生器的發(fā)塵率應(yīng)為108s-1～1011s-1”。
3.3 實例計算
3.3.1 發(fā)塵器選型
本實驗臺所測過濾器的最大額定風(fēng)量3600m3/h，可以測試的高效過濾器最高效率為99.9995%，下游氣溶膠濃度按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1822規(guī)定的100p/cft進行計算，由式（3）可得：
(4)
本實驗臺根據(jù)計算選用了TSI3079發(fā)塵器，其發(fā)塵濃度和壓縮空氣流量關(guān)系見圖4?？梢钥闯鏊x發(fā)塵器的最大發(fā)塵量僅為1.0×1010p/min，小于上述計算值，但這足以滿足本試驗臺所測過濾器的測試要求。因為99.9995%的過濾效率對應(yīng)的額定風(fēng)量往往達(dá)不到3600m3/h，若按計算值選擇發(fā)塵器，不但發(fā)塵器型號加大，發(fā)塵器匹配的氣泵最小壓縮空氣流量也將增大，這將引起日常發(fā)塵所耗氣溶膠物質(zhì)增多，不論對于初投資還是日常運行費用都是不利的。
圖4 發(fā)塵器發(fā)塵濃度和壓縮空氣流量關(guān)系圖
3.3.2 某被測過濾器效率測試所需發(fā)塵量
以某高效過濾器的效率測試為例，假定其額定風(fēng)量1000m3/h，過濾效率99.95%(歐洲標(biāo)準(zhǔn)等級H13，接近于我國B類高效過濾器)，下游氣溶膠濃度按385p/cft進行計算，由式（3）可得：
(5)
由圖4查得此時壓縮空氣流量為60～70L/h即可滿足要求，由額定風(fēng)量1000 m3/h根據(jù)發(fā)塵器生產(chǎn)廠家提供的系統(tǒng)風(fēng)量與所需壓縮空氣流量對應(yīng)關(guān)系表查得的壓縮空氣流量為67L/h。由于生產(chǎn)廠家給出的關(guān)系表，并沒有反應(yīng)出壓縮空氣流量與過濾效率之間的關(guān)系，另外在大風(fēng)量條件下生產(chǎn)廠家推薦的壓縮空氣流量有2列（甚至3列）值，不便于操作者直接選擇，且當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量不在表中所列時需要內(nèi)插法確定，因此本文給出的計算公式具有很大的實際應(yīng)用價值。
4 稀釋器理論分析及稀釋比的確定
在過濾器的效率測試過程中，需要測定上下游的氣溶膠濃度。激光粒子計數(shù)器是測量粒子濃度的精密儀器。例如某激光粒子計數(shù)器的測量上限為40000粒/立方英尺，此時它的重疊損失小于5%。如果粒子濃度過大，不僅對計數(shù)器的光學(xué)系統(tǒng)的損傷很大，還使儀器的重疊損失加大，測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可接受的誤差，從而使得到的效率值嚴(yán)重偏離真實情況，甚至有可能得到負(fù)效率。而進行高效過濾器效率的測量，上游的氣溶膠濃度一般都會超過計數(shù)器的測量上限，因此加入稀釋器成為了必然的選擇。
4.1 稀釋器理論分析
目前市場上的稀釋器主要有兩類，一般稀釋器是一個具有兩條支路的并聯(lián)管路，它的原理符合流體力學(xué)中的并聯(lián)管路流動規(guī)律，如圖5所示，另一類稀釋器是對其改進，將氣溶膠入口節(jié)點拆開為兩路，并輔以流量測量裝置，如圖6所示。
圖5 并聯(lián)管路的稀釋器工作原理示意圖 圖6 改進的稀釋器工作原理示意圖
如圖5所示，并聯(lián)管路的稀釋器將高濃度氣流Q按一定比例分為兩部分，其中一部分氣流Q1經(jīng)過 絕對過濾器后，顆粒幾乎完全被過濾掉，另一部分氣流Q2經(jīng)過毛細(xì)管達(dá)到稀釋器的另一端，兩者混合后流出，通過標(biāo)定得到該稀釋器的稀釋比。則可得稀釋比的計算公式為：
（6）
從式（6）可以看出，稀釋比和流量大小、粒徑?jīng)]有關(guān)系，只和管路阻力系數(shù)有關(guān)系，因此，如果稀釋器內(nèi)部管路阻力系數(shù)不發(fā)生變化，稀釋比也將保持穩(wěn)定。但在實際使用過程中，絕對過濾器支路的阻力系數(shù)S1會隨著使用時間的增長而逐漸增大，直至達(dá)到絕對過濾器需要更換為止。經(jīng)常使用稀釋器，由于其S1逐漸增大，故其稀釋比將逐漸減小。由于稀釋器的稀釋比隨使用時間而不斷變化，因此需要經(jīng)常監(jiān)測，雖然程序化后的監(jiān)測操作并不復(fù)雜，但頻繁的監(jiān)測仍顯繁瑣。這類稀釋器的最大缺陷在于其中的高效過濾器（HEPA filter）在高濃度的氣溶膠塵源（遠(yuǎn)高于有潔凈度要求的測試室的大氣塵氣溶膠濃度）下工作，壽命相對較短。
另外，通過對稀釋比的監(jiān)測會發(fā)現(xiàn)隨著顆粒粒徑的增大，這類稀釋器的稀釋比也相應(yīng)增大，本文認(rèn)為造成不同粒徑稀釋比存在差異的主要原因仍在于稀釋器自身的高效過濾器（雖然這類過濾器號稱絕對過濾器，顆粒幾乎被濾掉，但在高濃度的塵源下，絕對過濾是很困難的），由于這種過濾器對大粒徑的過濾效率要高于小粒徑，致使小顆粒稀釋比下降，大顆粒稀釋比上升。
圖6為改進后的稀釋器工作原理圖，此類稀釋器的工作原理為：由圖6中的兩個流量測量裝置分別測量稀釋器出口氣溶膠總流量Q及流經(jīng)毛細(xì)管支路的氣溶膠流量Q2，兩者的比值即為稀釋器的稀釋比。為此稀釋器生產(chǎn)廠家在稀釋器的外表附有毛細(xì)管支路的壓差測量表，反映毛細(xì)管節(jié)流件部分的壓差，同時給出了不同壓差對應(yīng)稀釋比的附表。用戶在使用這類稀釋器時只需根據(jù)壓力表讀值查找對應(yīng)的稀釋比即可?？梢钥闯鰧τ诟咝н^濾器MPPS效率測試臺而言，當(dāng)采樣所需的激光粒子計數(shù)器選定后，其采樣流量（約為Q）是一定的，此時稀釋比只與系統(tǒng)風(fēng)量及采樣口處的背壓有關(guān)，而與稀釋器內(nèi)部的高效過濾器無關(guān)。
對比圖5及圖6可以發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別在于，改進后的稀釋器其氣溶膠氣流全部流經(jīng)毛細(xì)管支路，而流經(jīng)高效過濾器支路的氣流來自室內(nèi)空氣，由于測試室內(nèi)的氣溶膠塵濃遠(yuǎn)低于發(fā)塵器所產(chǎn)生的塵濃（一般差別幾個數(shù)量級），因此高效過濾器的使用壽命大大延長，且稀釋比的變化與高效過濾器支路阻抗的變化不再有直接關(guān)聯(lián)，故此類稀釋器的工作性能大大提高。
在實際的高效過濾器性能檢測過程中，生產(chǎn)廠家往往是對某一型號的產(chǎn)品進行批量檢測，此時測試系統(tǒng)的風(fēng)量是基本不變的，且各過濾器的阻力大致相等，即采樣口處的背壓基本相等，此時，稀釋器的 稀釋比基本不變。故在批量檢測同型號過濾器時，只需進行一次壓力表讀值查找對應(yīng)的稀釋比即可，因此解決了稀釋器的頻繁且繁瑣的監(jiān)測問題。
5 結(jié)語
隨著社會科技的發(fā)展，過濾器在生活和生產(chǎn)中將扮演越來越重要的角色。只有制造效率更高的空氣過濾器才能滿足社會日益發(fā)展的需要，而過濾器測試方法的發(fā)展是制造高質(zhì)量空氣過濾器的保證。隨著世界各國的經(jīng)濟聯(lián)系越來越密切，過濾行業(yè)也將隨之逐步實現(xiàn)全球化，不久我們將看到一個更加國際化的發(fā)展趨勢，這是潔凈技術(shù)發(fā)展的必然要求。通過分析認(rèn)為計數(shù)法是高效過濾器效率測試手段發(fā)展的趨勢。本文通過高效空氣過濾器計數(shù)法性能檢測系統(tǒng)的研制及對幾個問題的探討得出如下結(jié)論：
1）、我國標(biāo)準(zhǔn)對超高效過濾器（D類高效過濾器）的效率測試推薦采用0.1μm微粒的計數(shù)法，但沒有規(guī)定具體的測試細(xì)節(jié)。因此有必要借鑒國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立高效、超高效空氣過濾器計數(shù)法性能檢測實驗臺，為國內(nèi)過濾器的測試和研究開辟新的途徑。
2）、為了適應(yīng)被測過濾器的較大額定風(fēng)量范圍，宜采用改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速、輔以調(diào)節(jié)風(fēng)閥的方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)測試風(fēng)量；為了滿足不同規(guī)格尺寸過濾器的性能測試要求，宜將測試風(fēng)管分成兩路或多路；為了盡量減小采樣測試誤差、縮短采樣時間，宜采用兩臺同品牌、同型號的粒子計數(shù)器分別進行上、下游氣溶膠采樣。
3）、從統(tǒng)計學(xué)計數(shù)的角度，通過對激光粒子計數(shù)器的采樣濃度測量相對誤差的計算，認(rèn)為EN1822規(guī)定的“確定效率所需的下游最少粒子數(shù)為100”的底限偏小，宜為385。并以下游氣溶膠濃度為基礎(chǔ)，依據(jù)被測過濾器的過濾效率及額定風(fēng)量，給出了所需發(fā)塵器發(fā)塵量的理論計算公式。
4）、通過對稀釋器工作原理的探討，認(rèn)為宜選用采樣氣溶膠氣流直接流經(jīng)毛細(xì)管支路而流經(jīng)高效過濾器支路的氣流來自室內(nèi)空氣的稀釋器，以提高稀釋器的使用壽命、避免稀釋器稀釋倍數(shù)的頻繁監(jiān)測。
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