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高精度手持式粒子计数器价格,浅谈粒子计数器的原理

2020-10-27 13:44粒子计数器价格 人已围观

简介光学粒子计数器是利用丁达尔现象来检测粒子...

浅谈粒子计数器的原理

光学粒子计数器是利用丁达尔现象(Tyndall Effect)来检测粒子。丁达尔效应是用John Tyndall的名字命名的[1],通常是胶体中的粒子对光线的散射作用引起的。一束明亮的光照在空气或雾中的灰尘上,所产生的散射就是丁达尔现象。 当折射率变化时,光线就会发生散射。这就意味着在液体中,汽泡对光线的散射作用和固体粒子是一样的。米氏理论(Mie Theory)描述了粒子对光的散射作用。 Lorenz-Mie-Debye理论最早由Gustav Mie提出[2、3],它描述了光是如何朝各个不同方向散射的。具体的散射情况决定于介质的折射率、粒子对光的散射作用、粒子的尺寸和光的波长。具体介绍米氏理论的细节超出了本文的范围;但是,有很多公共领域的应用都可以用来验证光是如何散射的。 光的散射情况会随着粒子尺寸的变化而变化。在粒子计数器中,米氏理论最重要的结果以及它对光散射的预测都与之相关。当粒子尺寸比光的波长要小得多的时候,光散射主要是朝着正前方(图1a)。而当粒子尺寸比光波长要大得多的时候,光散射则主要朝直角和后方方向散射(图1b)。

图1光的散射与粒子尺寸的关系。 光可以看做是沿着传播方向进行垂直振荡的波。这一振荡方向就是所谓的偏振。入射光的偏振非常重要。在以前的例子里,光的散射是在入射光的偏振平面内进行测量的。 粒子尺寸在5μm时的散射情况类似(图2a);而具有偏振现象,粒子尺寸在0.3μm(图2b)时的散射情况有很大不同。由于用对数表示,变化不到十倍的,都看不到了。 图2 垂直平面的散射作用。 散射光的强度随着频率的改变而变化:较短的波长意味较强的散射。在其他条件都相同的情况下,蓝光的散射强度大约是红光的10倍。大部分粒子计数器采用的都是近红外或红色激光;直到最近,这还都是最符合经济效益的选择。蓝色气体和半导体激光器价格都很贵;而且半导体激光器的使用寿命也很短。 空气粒子计数器 图3所示的粒子计数器是使用传感器的典型设计;气流、激光、以及聚光镜彼此成直角。 在传感器的出口处有一个真空装置,把空气经过传感器抽走。而空气中的粒子则将激光散射。散射光又会被后面的聚光镜聚焦到光学探测器上,随后把光转换成电压信号,并且进行放大和滤波。此后,这个信号从模拟的转换成数字信号,并且由微处理器对它进行分类。微处理器也会通过接口将计数器连接到控制数据收集系统上。

激光 气体激光器发明于1960年,而半导体激光器发明于1962年。开始时这些激光器很贵,但是随着它们变成具有经济效益时,在粒子计数器中,就用气体激光取代了白光。而到了20世纪80年代末,在绝大多数场合下,更便宜的半导体激光器又取代了气体激光器。 用于粒子计数的激光器有两种:一种是气体激光器,如氦氖(HeNe)激光器和氩离子(argon-ion)激光器;另外就是半导体激光器[5]。气体激光器能够生产强烈的单色光,有时甚至是偏振光。气体激光器产生准直高斯光束,而半导体激光器则产生出一个小的发散点光源,通常发散光有两个不同的轴,并且总是出现多种模式。由于发散光具有多轴性,半导体激光器通常都有一个椭圆形的输出,这带来了一定的挑战,也带来了一定的优势。

不同轴的散射光意味着要么勉强接受这一椭圆形的输出,要么设计一套复杂而昂贵的光学镜来做补偿。另一方面,椭圆光束很适合用于某些应用,利用长轴,可以得到更好的覆盖范围。 总之,氦氖激光器的输出“直接可用”,无需增加任何光学元件。要想产生类似于氦氖激光器的光束,从半导体激光器出来的光必须经过透镜聚焦,这会导致光能的损耗。但是,半导体激光器的成本低、体积小、工作电压低、功耗小,成为粒子计数器的最佳选择。 在要求高灵敏度的应用中,氦氖激光器可以用于开式腔模式[6],产生很大的功率(图4)。因为样本要通过光学空腔谐振器,当粒子浓度较高时,激光会中断(无法维持“Q”因子),所以此时这种类型的激光不适用。 入口喷嘴 进入粒子计数器的入口样本对计数器的分辨率起着至关重要的作用。入口有两种类形:一种是扁平的(宽10mm,高0.1mm),另一种是内径为2-3mm的圆形。入口喷嘴为扁平的时,通常激光束是一条与喷嘴同轴的窄线。 而入口喷嘴为圆形时,激光束则通常与入射口的轴线大致成直角。

粒子会通过一个非常狭窄,强度很高的激光面。 每种类型的喷嘴各有优缺点。扁平喷嘴出来的气流速度相当均匀,它通过激光束中最强而且最均匀的部分,因此精度最高。 但是,扁平喷嘴的横截面小,意味着要求真空度高于圆形喷嘴,这样会增加能耗(这点非常重要,特别是在采用电池供电时)。扁平喷嘴的制造比较复杂,价格也较高,而且它和激光之间的配合也是一个问题。 圆形喷嘴比较简单,因为它的横截面较大,对于速度相同的气流,对真空度的要求也较低,所以当空气吸入时,能耗也较小。相对于扁平喷嘴,气流速度较低意味着每个粒子散射的光也更多。圆形喷嘴的缺点在于它会降低气流的均匀性,而且激光束的功率不是均匀的;光束会变粗,因而精度较低。 光学聚焦元件 粒子会朝各个方向散射光,其中最主要的还是正前方。随着粒子的变大,会有更多的光朝后面以及沿直角方向散射。光学聚焦元件则将光收集起来并且聚焦到探测器上,防止出现激光干扰。 光学聚焦器件会尝试只收集包含有用信号的光,而将无用光排除在外。杂散反射光会导致噪音,通常会在基线上产生一定的偏移,这会影响仪器的灵敏度。

图3空气粒子计数器的俯视图。 反射镜:凹面镜可以用来聚集光线并且把光线聚焦到探测器上。凹面镜作为灯光的反射镜,可以将从它的焦点发出的光反射回焦点。这是最常用的光学聚焦元件,可以用它做出小巧而且成本低的传感器。 透镜:用于粒子计数器的透镜通常都是成对出现的半球镜。它们可以有效地将图象(散射光)从一个焦点传输到另一个焦点(光电探测器)。在许多传感器中,也在透镜的另一端用一个反射镜来收集光线。 小心地运用遮蔽技术,例如限制光圈或视场光阑,可以进一步减少偏射光。用透镜将光线从一个平面传输到另一平面,以及偏光消除技术,这些与那些摄影技术中常用的办法并没有什么不同,但是要记住,粒子计数器使用的是单色光辐射,因此不必担心另外需要使用色差校正(不同波长的光折射后会聚焦在不同点上)。 Mangin镜:Mangin镜主要由一个负凹凸透镜和一个镜像凸形二次表面组成。这些过去常见于乙炔灯。现在,它们用在光学系统中,例如望远镜。 图4开腔式激光器。 Mangin镜在粒子计数器中是成对使用,类似于半球透镜。Mangin镜比透镜轻,但是比透镜宽。和半球透镜一样,它的功能是将图像从一个镜子的焦点传输到另一个镜子的焦点。 非成像粒子计数器:非成像粒子计数器不需要使用任何光学聚焦元件。光电探测器紧靠着试样的入口和激光,收集散射光。小型传感器(例如手持式传感器)往往包含光学元件,它含有一个非成像元件。

光电探测器 光电探测器每接收到一个光子就会产生电荷,从而将入射光转换成电脉冲。散射光的数量会随着粒子尺寸的增大而增多,同时散射光子也会到达光电探测器,于是,产生了与粒子尺寸成正比的电流脉冲。 光电二极管:光电二极管就是一个p-n结。当能量足够的光子撞上二极管时,就会产生一个可移动的电子和一个带正电的空穴。这些电荷会引起光电流,随后进行放大、滤波和分类处理。 雪崩光电二极管:雪崩光电二极管[7]是一个半导体光电倍增管。光子能引起雪崩光电二极管发生电子雪崩;可以用来检测光子并进行计数。 处理电路 信号处理电路对光电探测器产生的信号进行放大和滤波。 例如,图5a所示的(经夸张处理)信号来自粒子计数器。粒子产生了4个尖脉冲。基线有些波动,可能是声波(例如,来自泵)、电源的影响,也可能是由于空气从入口处高速涌入时产生的呼啸声的影响。基线的波动频率远远低于粒子产生的信号,可以用高通滤波器把它滤除。 这样还会留下高频干扰(可能来自处理电路),如图5b所示。高频干扰的频率远远高于粒子产生的信号,可以用低通滤波器把它滤掉。 图5光电探测器信号的放大和滤波。 经过滤波后的信号,由一系列的脉冲组成,脉冲的高度与粒子尺寸有关(图5c)。现在对这些信号进行分类,用脉冲幅度分析仪进行模拟数字转换。在转换成数字信号之后,可以这些经过分类的脉冲进行计数,最后送往控制系统。 Jim Babb是Adams Instruments公司光学工程部总监。在过去的二十四年中,他一直参与极为复杂的激光光电系统的开发工作,并为FDA、国防承包商和航空航天制造商制定度量标准。

在线式激光尘埃粒子计数器产品简介
 
粒子计数器(Particle Counter)是气体工业名词术语,通常被分为激光颗粒计数器或凝聚核粒子计数器。激光尘埃粒子计数器是用于测量洁净环境中单位体积内尘埃粒子数和粒径分布的仪器,仪器的测量参数设定、测量结果显示、按键、定时、打印、时间、日期、数据存储等均由内置微机(MCU)控制和实现,仪器可同时显示环境的温湿度并监测报告激光粒子传感器的工作状态 。
 
目前激光尘埃粒子计数器的用户越来越多,激光尘埃粒子计数器广泛应用于医药、电子、精密机械、彩管制造、微生物等行业中,实现对各种洁净等级的工作台、净化室、净化车间的净化效果、洁净级别进行监控,以确保产品的质量。激光尘埃粒子计数器是用来测量空气中尘埃微粒的数量及粒径分布的仪器,从而为空气洁净度的评定提供依据。常见的激光尘埃粒子计数器是光散射式(DAPC)的,测量粒径范围 0.1-10μm,此外还有凝聚核式的激光尘埃粒子计数器(CNC),可测量尺寸更小的尘埃粒子。
 
在线式激光尘埃粒子计数器仪器用途
 
粒子计数器是用于测量洁净环境中单位体积内尘埃粒子数和粒径分布的专用仪器,由显微镜发展而来,经历了显微镜、沉降管、沉降仪、离心沉降仪、颗粒计数器、激光空气粒子计数器、凝结核粒子计数器、多通道多功能粒子计数器等过程,其中因激光空气粒子计数器测试速度快、动态分布宽、不受人为影响等各方面的优势,而成为很多行业的主流产品,被 广泛应用于为各省市药检所、血液中心、防疫站、疾控中心、质量监督所等权威机构、电子行业、制药车间、半导体、光学或精密机械加工、塑胶、喷漆、医院、环保、检验所等生产企业和科研部门。
 
在线式激光尘埃粒子计数器工作原理
 
空气中的微粒在光的照射下会发生散射,这种现象叫光散射。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和微粒大小而言,有一个基本规律,就是微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小,就是光散射式粒子计数器的基本原理。实际上,每个粒子产生的散射光强度很弱,是一个很小的光脉冲,需要通过光电转换器的放大作用,把光脉冲转化为信号幅度较大的电脉冲,然后再经过电子线路的进一步放大和甄别,从而完成对大量电脉冲的计数工作。此时,电脉冲数量对应于微粒的个数,电脉冲的幅度对应于微粒的大小。

尘埃粒子计数器的具体工作原理:来自光源的光线被透镜组聚焦于测量腔内,当空气中的每一个粒子快速地通过测量腔时,便把入射光散射一次,形成一个光脉冲信号。这一光信号经过透镜组2被送到光检测器,正比地转换成电脉冲信号,再经过仪器电子线路的放大、甄别,拣出需要的信号,通过计数系统显示出来。需要指出的是,虽然仪器称为“计数器”,但是仪器分辨微粒大小的能力更为重要。因为电脉冲的计数很简单,而判断粒子的大小非常重要。
 
在线式激光尘埃粒子计数器仪器分类
 
1、按测试原理:光散射法测试(白光、激光)、显微镜法测试、称重法测试、DMA法测试(粒径分析仪)、惯性法测试、扩散法测试、凝聚核法测试(CNC)等
2、按流量:小流量 0.1cfm(2.83L/min) 、大流量 1cfm(28.3L/min)
3、按形状、体积大小:手持式、台式
4、按测试通道:单通道(只测某一种粒子径)、双通道(测试某两种粒子径)、多通道(测试多种粒子径)
 
在线式激光尘埃粒子计数器主要部件
 
光源是尘埃粒子计数器的关键部件,对仪器的性能影响很大。光源要求稳定性高、寿命长、不受干扰。激光尘埃粒子计数器的光源有普通光源和激光光源两种。普通光源为碘钨灯,体积大、发热量高、寿命短,开机后需要预热。激光光源为激光器,体积小、稳定性高、寿命长,常与检测腔及光检测器做成一体,组成传感器。
 
常见的激光光源有HeNe激光器、激光二极管。采用普通光源的激光尘埃粒子计数器对0.3μm以下的微粒信号响应很低,其信号幅度与计数器本身的噪声幅度相差无几,信号很难从噪声中检测出来。此类仪器虽然标有0.3μm这一通道,但只适于测定大于0.3μm特别是0.5μm以上的微粒。由于激光的单色性好,光能量集中稳定,所以采用激光光源的激光尘埃粒子计数器其传感器有较高的信噪比,此类仪器有些能检测到0.1μm的微粒。
 
在线式激光尘埃粒子计数器操作方法
 
不同型号的粒子计数器,在功能方面和操作界面方面会有一些差别,但基本的操作步骤是差不多的:
1.打开电源预热。
2.设置工作参数,如果和上次一样不需要更改可以跳过,具体的按键操作参考每台仪器的产品介绍。注意在采样状态下,设置是无效的。
3.设置完成后,即可开始采样测定,读取数据。
4.连接打印机,将数据导出打印出来,一些有内置打印机的产品可以直接打印。
 
在线式激光尘埃粒子计数器校准维护
 
1、粒子计数器是国家规定的计量器具,在使用一段时间后,其光学系统及检测系统都会发生变化,如光源老化、发光效率降低或聚焦错位、透镜被污染,从而使整机的转换灵敏度变化。因此需按JJF1190-2008《尘埃粒子计数器校准规范》的要求每年定期到国家空调设备质量监督检验中心或者中国建筑科学研究院建筑能源与环境检测中心进行定期校准,并根据其出具法定校准证书对仪器各方面进行调整以获得最佳工作状态。
2、仪器的工作位置和采样管的进气口应处于同一气压和同一温度下,以免影响气路系统工作和产生凝露二损坏光学系统。若必须再有压差的情况下工作,则最大压差不超过200Pa在有压差和温度的条件下工作,会增大测量误差,甚至损坏仪器。
3、搬运仪器时,应轻搬轻放,少受震动,最好放在专用包箱内。
 
在线式激光尘埃粒子计数器注意事项
 
在日常使用和保养中要注意下面几点:
1、 当入口管被盖住或被堵塞,不要启动计数仪
2、 应该在洁净环境下使用,以防止对激光传感器的损伤
3、 禁止抽取含有油污、腐蚀性物质的气体,也不要测有可能产生反应的混合气体(如氢气和氧气)。这些气体也可能在计数器内产生爆炸。测这些气体需与厂家联系为取得更多的信息。
4、 没有高压减压设备(如高压扩散器)不要取样压缩空气,所有的计数器被设计用于在一个大气压下操作。仪器的工作位置和采样口应处于同一气压和同一温湿度环境下,保证仪器正常工作。
5、 水,溶液或其它液体都不能从入口管进入传感器。
6、 粒子计数器主要用来测试净化车间干净的环境,当测的地方有松散颗粒的材质,灰尘源,喷雾处时,须最少保持距进口管至少十二英寸远。以免以上的颗粒及液体污染传感器及管路。
7、 取样时,避免取样从计数器本身排出来的气体所污染的气体。
8、 在连接外置打印机或连接外接温湿度传感器时,需先关掉计数器;当执行打印操作时,打印机上须有打印纸,否则会损伤打印头。
9、 在搬运时,应轻搬轻放,少受振动、冲击。特别是对于台式的粒子计数器,更加要小心,以免损坏内部元件。
 
另外需要说明的是,每台激光尘埃粒子计数器的转换灵敏度均不同,在出厂时及以后须定期用标准粒子进行校准,以获得最佳转换灵敏度值。电路系统就是完成对脉冲信号的放大、甄别、计数的电路。此外还包括电源、控制、显示、计算、打印等电路。

Tags: 款式  手持式  高精度  价格 

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