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基于原位稀释技术的口罩颗粒物过滤效率测试仪校准研究

张明 邹亚雄 王婷 刘巍 刘伟光 徐广强 杨杰

张明,邹亚雄,王婷,等. 基于原位稀释技术的口罩颗粒物过滤效率测试仪校准研究[J]. 计量科学与技术,2024, 68(1): 37-43, 62 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0337
引用本文: 张明,邹亚雄,王婷,等. 基于原位稀释技术的口罩颗粒物过滤效率测试仪校准研究[J]. 计量科学与技术,2024, 68(1): 37-43, 62 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0337
ZHANG Ming, ZOU Yaxiong, WANG Ting, LIU Wei, LIU Weiguang, XU Guangqiang, YANG Jie. Study on the Calibration Method for the Mask Filter Efficiency Tester Based on In-Situ Aerosol Dilutor Technique[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(1): 37-43, 62. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0337
Citation: ZHANG Ming, ZOU Yaxiong, WANG Ting, LIU Wei, LIU Weiguang, XU Guangqiang, YANG Jie. Study on the Calibration Method for the Mask Filter Efficiency Tester Based on In-Situ Aerosol Dilutor Technique[J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(1): 37-43, 62. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0337

基于原位稀释技术的口罩颗粒物过滤效率测试仪校准研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0337
基金项目: 国家市场监督管理总局科技计划项目(2022MK142)。
详细信息
    作者简介:

    张明(1982-),青岛市计量技术研究院高级工程师,研究方向:化学计量检测,邮箱:my081026@163.com

  • 中图分类号: TB99

Study on the Calibration Method for the Mask Filter Efficiency Tester Based on In-Situ Aerosol Dilutor Technique

  • 摘要: 提出以一种原位气溶胶稀释器作为标准器,用于口罩颗粒物过滤效率测试仪的校准方法。该方法可以弥补传统校准方法(标准光度计法和标准滤膜法)在可操作性和溯源性方面的不足。原位气溶胶稀释器以多根限流毛细管组合和气溶胶原位稀释为特点,是一种结构型式满足在口罩夹具位置接入使用的限流式气溶胶稀释器。在工况流量已知的情况下,经过标定的稀释器,可根据校准过程中采集到的上下游差压,计算得到稀释器的稀释比。为证明该流量法稀释比可以直接转化为稀释器所提供的过滤效率参考值使用,文中针对稀释比校准方法进行了讨论。将校准过程类比于对气溶胶颗粒的同轴非等速采样,进行了斯托克斯数的推导计算,说明了所使用限流毛细管的吸入效率接近1。计算得到伴有扩散损失的毛细管内的输送效率大于0.99。使用原位气溶胶稀释器针对典型测量对象开展校准实验,并进行了参考值的不确定度分析。上述内容共同验证了稀释法校准的可行性和有效性。
  • 图  1  原位气溶胶稀释器结构示意图

    Figure  1.  Diagram of the in-situ aerosol dilutor structure

    图  2  标定系统示意图

    Figure  2.  Schematic of the calibration system

    表  1  标定结果

    Table  1.   Results of the calibration process

    管数参数S1S2S3S4S5S6相关系数斜率截距
    1Δp2713013343693944270.99970.00240.4114
    q1.061.141.221.301.361.44
    2Δp2903203533793994270.99960.00450.8158
    q2.122.262.422.542.622.74
    3Δp2873203473824024330.99980.00661.2997
    q3.193.423.613.833.964.16
    4Δp2973333543714084270.99970.00871.7673
    q4.344.674.855.015.325.47
    5Δp2983343553793904230.99960.01092.1436
    q5.365.786.016.266.386.72
    6Δp2833113393653884260.99950.01302.5331
    q6.176.576.957.287.568.03
    7Δp2843203563733954300.99980.01532.8780
    q7.227.788.358.618.949.45
    8Δp2863143373743964200.99960.01733.3786
    q8.308.829.249.8710.2410.62
    9Δp2933233523793924210.99960.01963.6961
    q9.4110.0310.5911.1511.3911.90
    10Δp2793203563864034200.99910.02184.1640
    q10.1911.2011.9812.6212.9313.29
    11Δp2662943133393764090.99960.02424.4803
    q10.8811.5812.1112.7213.5814.35
    12Δp2752923273653894200.99930.02644.8750
    q12.0712.5913.5714.5615.1615.90
    13Δp2753033363623794030.99940.02855.1695
    q12.9413.8514.8015.4915.9616.62
    注:表中参数Δp代表差压,单位:Pa;参数q代表经过毛细管的流量,单位:L/min。
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    表  2  斯托克斯数的计算过程

    Table  2.   Calculation steps for the Stokes number

    参数 盐性气溶胶 油性气溶胶
    测试仪工况流量Q 85 L/min 85 L/min
    夹具工作区面积A 100 cm2 100 cm2
    自由流动速度U0 0.14 m/s 0.14 m/s
    限流毛细管内径Ds 1.25 mm 1.25 mm
    空气的动力黏度η 1.833×10−5 Pa·s 1.833×10−5 Pa·s
    工作环境大气压P 101.3 kPa 101.3 kPa
    颗粒密度ρp 2200 kg/m3 985 kg/m3
    颗粒物粒径dp 0.075 μm 0.185 μm
    滑移修正因子Cc 3.64 1.96
    弛豫时间τ 1.37×10−7 s 2.00×10−7 s
    斯托克斯数Stk 0.000015 0.000022
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    表  3  输送效率的计算过程

    Table  3.   Computation process for transport efficiency

    参数 盐性气溶胶 油性气溶胶
    玻尔兹曼常数k 1.38×10−23 N·m/K 1.38×10−23 N·m/K
    绝对温度T 293 K 293 K
    管长L 0.060 m 0.060 m
    颗粒物粒径dp 0.075 μm 0.185 μm
    毛细管内流量q 1.44 L/min 1.44 L/min
    空气的动力黏度η 1.833×10−5 Pa·s 1.833×10−5 Pa·s
    工作环境大气压P 101.3 kPa 101.3 kPa
    滑移修正因子Cc 3.64 1.96
    粒子扩散系数D 1.14×10−9 m2/s 2.48×10−10 m2/s
    中间变量ξ 8.93×10−6 1.94×10−6
    舍伍德数Sh 130.9 215.8
    输送效率ηtube 0.9988 0.9996
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    表  4  校准数据

    Table  4.   Calibration data and results

    盐性气溶胶 油性气溶胶
    稀释倍数
    (流量比计算值)
    过滤效率
    参考值(%)
    过滤效率
    测量值(%)
    示值误差
    (%)
    稀释倍数
    (流量比计算值)
    过滤效率
    参考值(%)
    过滤效率
    测量值(%)
    示值误差
    (%)
    61.45 98.37 98.30 −0.07 48.08 97.92 98.08 0.16
    32.44 96.92 96.91 −0.01 24.81 95.97 96.31 0.34
    21.67 95.39 95.34 −0.05 16.92 94.09 94.70 0.61
    16.46 93.92 93.94 0.02 12.84 92.21 92.91 0.70
    13.39 92.53 92.40 −0.13 10.56 90.53 91.10 0.57
    11.33 91.17 90.81 −0.36 8.94 88.81 89.70 0.89
    9.76 89.75 89.30 −0.45 7.70 87.01 88.20 1.19
    8.56 88.32 87.90 −0.42 6.80 85.29 86.30 1.01
    7.69 87.00 86.90 −0.10 6.18 83.82 84.60 0.78
    6.95 85.61 85.20 −0.41 5.61 82.17 83.20 1.03
    6.33 84.20 83.30 −0.90 5.16 80.62 81.70 1.08
    5.86 82.94 82.00 −0.94 4.80 79.17 80.30 1.13
    5.46 81.68 80.20 −1.48 4.53 77.92 78.40 0.48
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    表  5  过滤效率参考值的不确定度

    Table  5.   Uncertainty analysis for the reference values of filtration efficiency

    参考值 u1(q) /
    L/min
    u2(q) /
    L/min
    u3(q) /
    L/min
    u(q) /
    L/min
    u(Q)/
    L/min
    c1/
    min /L
    c2/
    min /L
    u'(Fs) uc U(k=2)
    98.37% 0.003 0.003 0.01 0.011 0.49 −0.01176 0.00019 0.048% 0.05% 0.10%
    96.92% 0.006 0.005 0.02 0.022 0.49 −0.01176 0.00036 0.091% 0.10% 0.19%
    95.39% 0.007 0.008 0.03 0.032 0.49 −0.01176 0.00054 0.136% 0.14% 0.29%
    93.92% 0.009 0.010 0.04 0.042 0.49 −0.01176 0.00071 0.179% 0.19% 0.38%
    92.53% 0.011 0.012 0.05 0.053 0.49 −0.01176 0.00088 0.221% 0.23% 0.47%
    91.17% 0.018 0.015 0.06 0.065 0.49 −0.01176 0.00104 0.261% 0.28% 0.55%
    89.75% 0.011 0.018 0.07 0.073 0.49 −0.01176 0.00121 0.303% 0.32% 0.64%
    88.32% 0.020 0.020 0.08 0.085 0.49 −0.01176 0.00137 0.345% 0.37% 0.73%
    87.00% 0.022 0.023 0.09 0.095 0.49 −0.01176 0.00153 0.385% 0.41% 0.81%
    85.61% 0.040 0.025 0.10 0.110 0.49 −0.01176 0.00169 0.427% 0.45% 0.91%
    84.20% 0.032 0.028 0.11 0.118 0.49 −0.01176 0.00186 0.468% 0.50% 0.99%
    82.94% 0.044 0.030 0.12 0.131 0.49 −0.01176 0.00201 0.506% 0.54% 1.1%
    81.68% 0.038 0.033 0.12 0.130 0.49 −0.01176 0.00215 0.542% 0.57% 1.2%
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-07
  • 录用日期:  2023-12-08
  • 修回日期:  2023-12-10
  • 网络出版日期:  2023-12-15
  • 刊出日期:  2024-01-18

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