新型空气过滤器检测系统-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要　提出一套将高效过滤器检测系统与一般通风用空气过滤器检测系统合二为一的过滤器性能检测系统的方案,效率检测采用计径计数法,并按此方案搭建了实验装置。经实验,该测试系统及检测结果均符合过滤器测试要求,可实现自动化检测,检测更方便,测试结果更可靠。
关键词　空气过滤器　计径计数法　效率检测　数据采集
引言
目前,国内空气过滤器检测系统分为高效过滤器检测系统和一般通风用空气过滤器检测系统两类。高效过滤器的检测按国家标准GB 6165 85及其修订版GB 1355492执行,此标准规定效率检测方法为钠焰法和油雾法[1]。
一般通风用空气过滤器的检测按国家标准GB 12218 89及修订后的GB 14295 93执行,此标准规定效率检测方法为大气尘粒径分组计数法[2]。笔者参考国内外过滤器检测标准,提出将两套检测系统合二为一并采用计径计数法检测过滤器效率的设想,并研制了一套能够检测粗效至高效各类空气过滤器的自动检测系统,试验验证测试效果良好。本文就该新型过滤器检测系统介绍如下。
1　空气过滤器检测标准的发展与演进
过滤器的检测标准及方法是随着过滤器及其他相关检测技术的进步而逐步发展与演变的。各国制定的检测标准及检测方法,大体都可分为一般通风用空气过滤器检测标准和HEPA/ULPA(高效/超低穿透率空气过滤器)性能检测标准两类。
1.1　一般通风用空气过滤器检测标准及方法的演变
早在1938年美国国家标准局NBS(National Bureau ofStandard)就制定了针对中效空气过滤器的比色效率检测法,按尘源又分为人工尘比色效率法和大气尘比色效率法两种,通常大气尘比色效率法使用更普遍,后来AFI和ASHRAE也制定了与NBS相一致的比色效率法。1952年美国过滤器研究所制定的AFI人工尘计重法,主要针对粗效过滤器,1968年ASHRAE根据上述基本方法制定的,1972,1976年陆续修订的ASHRAE人工尘计重法和比色法[3],即ASHRAE 52 76标准被长期沿用,影响很大。直到1992年被美国国家标准ANSI/ASHRAE 52.1 1992取代,但效率检测仍采用计重法和比色法。尽管英、法、德等国在20世纪五六十年代都有各自的过滤器检测方法,但1979年欧洲通风协会在ASHRAE 52 76标准的基础上制定了Eurovent 4/5标准,效率检测与ASHRAE 52 76标准相同[4],只是所用人工尘不同,如英国采用烧结氧化铝粉末(计重法)与亚甲基兰(比色法),法国采用荧光素钠粉末等[5]。随着新技术的发展及对过滤器要求的不断提高,1992年欧洲通风协会提出了一套推荐取代Eurovent 4/5的标准,即所谓Eurovent 4/9标准,效率检测方法采用计径计数法。1995年ASHRAE沿着欧洲的计径计数效率法的思路制定了ANSI/ASHRAE 52.2 95计径计数法,并在1999年推出了更新的美国国家标准ANSI/ASHRAEStandard 52.2 1999[4]。
20世纪70~80年代国内一些科研院所,如中国建筑科学研究院空气调节研究所、天津大学、冶金部建筑科学研究院等,曾先后研制过人工试验粉尘,但终因无稳定可靠的人工试验尘供应,人工尘计重法在国内未能被正式列入测试标准[3]。另外,由于仪器设备等技术方面的原因及习惯,比色效率法也未能推广。笔者之一在20世纪80年代初,依据科研实践,提出了采用大气尘计径计数法作为一般通风用过滤器的检测方法及分类依据的设想,后来被国内同行所认同,并以此为基础制定了我国的相应标准,即GB12218 89标准,该标准1993年修订为GB 14295 93标准,并一直沿用至今。
人工尘计重法是以人工尘为尘源,通过检测被测过滤器前后人工尘质量变化来确定过滤器的过滤效率;比色效率法是根据采样前后由于积尘使滤纸的光通量或色度发生变化,采用比色计来判别其差异,从而得出过滤器的效率;而计径计数法是通过白炽光源或激光光源的粒子计数器测量被测过滤器前后各粒径挡的累计粒子数目确定各粒径挡的累计计数效率,此方法给出一条随粒径变化的过滤效率曲线,能够更全面地反映过滤器的性能。
1.2　高效空气过滤器检测标准及方法的演变
1956年美国军事委员会制定了最早最完备的高效空气过滤器检测标准US MIL-STD 282,此标准未作大的变更一直沿用至今,其效率检测采用DOP法(用光散射式光度计(light-scattering photometer)检测过滤器前后气样的浊度比,计算过滤器的过滤效率)。1965年英国制定了英国标准BS 3928,效率检测采用钠焰法。1973年欧洲通风协会制定了Eurovent 4/4标准,沿用了钠焰检测法。后来美国环境科学学会(IES)编制颁发了一系列推荐检测方法的类似标准,如IES-RP-CC-001 86, IES-RP-CC 007. 11992和IES-RP-CC 001.3 1993,均采用DOP计径计数法检测过滤器效率。1994年德国机械工业标准协会制定了DIN 24183标准,效率检测仍采用DOP计径计数法[6]。随着洁净要求的不断提高,欧洲在1999年制定了BS EN1822标准,所不同在于采用最易透过粒径(MPPS)检测过滤效率[7]。
在参照国外相关标准的基础上,我国颁布了高效空气过滤器检测国家标准GB 6165 85及其修订版GB 1355492,标准中规定的检测方法为钠焰法和油雾法。目前国内普遍采用钠焰法,某些军工单位沿用与前苏联标准相一致的油雾法。
钠焰法是根据钠原子被氢气火焰激发后发出波长为589 nm的特征光,光的强度与气溶胶质量浓度成比例的原理,通过检测被测过滤器前后光强度的比值来计算过滤器效率[1];DOP计径计数法以DOP气溶胶为尘源,用粒子计数器检测被测过滤器前后粒子个数,根据前后粒子数的比值计算效率;MPPS法是以最易透过粒径的粒子为尘源,用粒子计数器检测被测过滤器前后最易透过粒径粒子的个数,根据前后粒子个数的比值计算过滤器效率[7]。
2　新型空气过滤器检测系统可行性分析
从国际空气过滤器检测标准的发展与演变可以看出,一般通风用空气过滤器的效率检测已从计重法、比色法转变为计径计数法,高效过滤器的效率检测也普遍倾向采用计径计数法,即计径计数法已成为高效过滤器及一般通风用过滤器性能检测的通用方法,差别仅在于实验尘源。由此,笔者认为将这两大类过滤器检测系统合二为一并采用计径计数法来检测过滤效率的设想既符合国际潮流同时也是可行的。检测亚高效、高效过滤器时尘源为由发尘器产生的人工尘,检测粗、中效过滤器时尘源为大气尘。对高效过滤器来说,将两套检测系统合二为一可能存在的问题是在从粗、中效过滤器检测转到高效过滤器检测时,管道内壁积尘对检测结果的影响,只要在操作管理方面采取擦洗等必要措施即可解决此问题,而并非不可克服的技术障碍,系统建成后的检测实践也证明了这一点。
3　新型空气过滤器检测系统介绍
所设计的检测系统的检测对象为粗效,中效,高中效,亚高效,高效A,B,C类过滤器。过滤器尺寸规格有3种,分别是610 mm×610 mm,592 mm×592 mm,480 mm×480 mm,其他非标尺寸可在试件前后加装变径接头再与测试系统连接。检测内容主要是过滤器的阻力和效率,容尘量试验因暂无标准试验尘及发尘装置未纳入,只要有相关的标准出台,即可相应补充与增添。检测系统包括硬软件两部分。硬件部分包括风管系统、发尘装置、采样系统、控制系统和数据采集系统;软件部分包括检测系统、数据处理和检测结果打印输出3部分。
3.1　风管系统
风管采用1.5 mm厚不锈钢板制作,基础尺寸为610mm×610 mm。采用吸入式系统,驱动风机设在系统后部,从进风口到排风口各段按功能分为:进风段、进风处理段、发尘段、混合段、上游采样段、被测过滤器段、下游采样段、风量测量段、风机段、排风段。进风段至上游采样段安装在轨道车上可以滑动(简称可动段);下游采样段至排风段固定不动(简称固定段)。
a)进风段及进风处理段
进风处理段的作用是对进入风管的空气进行预处理,包括预滤器段和高效过滤器段。检测亚高效以下等级的过滤器时,设置预滤器;检测亚高效、高效过滤器时,需装上高效空气过滤器段以防止由于进风而影响发尘浓度以及最终检测结果。
b)发尘段
发尘段侧壁设有Φ8的接口,用软管与发尘装置相连,在管道内装有一个气溶胶分配器。检测高效过滤器时,发尘器产生的气溶胶经过Φ8接口进入气溶胶分配器后,均匀地散发到风管中。检测粗、中效过滤器时,不使用发尘器,尘源为大气尘。
c)被测过滤器段
该段的作用是固定被测过滤器。为了满足3种不同规格尺寸过滤器的检测,设计了3套不同尺寸的特殊装置,每套装置都分上、下游两部分。测试时将被测过滤器嵌入装置内,再用特制快速夹子将其与风管连接。快速夹子的使用简化了更换被测过滤器的操作过程。
d)风量测量段
风量测量段由均流板、4个喷嘴流量计和静压环组成。喷嘴流量计的喉部尺寸分别为Φ50,Φ80,Φ110,Φ150。4个喷嘴的不同组合能够满足200~3 500 m3/h的风量测量要求。根据喷嘴前后的压降按下式[8]计算风量:

e)风机及排风段风机固定在风机箱中,作了减振处理。排风段将检测完的气溶胶排至室外。排风段安装了消声弯头,可减小系统噪声。
3.2　发尘装置
在检测亚高效、高效过滤器时才使用发尘装置,本系统选用ATM225发尘器,用二乙基己醇癸二酸酯(DEHS)作为尘源(与欧洲新标准相一致)。ATM225发尘器主要由低噪声空气压缩机、高效过滤器、DEHS容器和Laskin喷嘴等组成。如图1所示。发尘过程为空气压缩机产生的高压空气经过滤后进入Laskin喷嘴,靠引射作用将DEHS容器内的DEHS溶液雾化。用ATM225发尘器得到的DEHS气溶胶有很好的稳定性和均匀的粒径分布,粒径分布见图2。从图上可以看出DEHS气溶胶在0.2~0.3μm粒径范围内有非常高的粒子浓度(>107个/cm3),这个粒径范围内的粒径为最易穿透粒径(MPPS)。
在激光粒子计数器检测范围0.3~0.5μm内的粒径的粒子浓度也较高,能够满足测试要求。

ATM225也可以用其他溶剂作为检测尘源,如DOP,DOS,PSL及盐溶液气溶胶。所得的DOP,DOS,PSL及盐溶液气溶胶也有较好的分布。
3.3　采样系统
采样系统包括激光粒子计数器、稀释器、电动两通阀门和上、下游采样管。一般激光粒子计数器既可通过控制面板操作又可通过计算机实现远程控制,并且自带打印机,用户可以通过控制面板设定打印机开关。当粒子计数器由计算机远程控制时,其自带的打印机处于不工作状态。
激光粒子计数器采样浓度大于一定值时,采样重叠损失较大,故在测试上游粒子个数时,需在粒子计数器入口加稀释器以保证计数器检测精度,另外在检测粗、中效过滤器时,由于其过滤效率低也会导致下游粒子数超出激光粒子计数器的检测范围,故在检测粗、中效等效率较低的过滤器时,需调整稀释器与电动阀门、粒子计数器的连接顺序,使上、下游采样均先经过稀释器,然后再进入激光粒子计数器。本系统采用DIL550稀释器,其稀释倍数固定为100倍。其工作原理见图3。被测气溶胶进入稀释器后分为两路,一路经过高效过滤器和调节阀,另一路经过毛细管,两路在稀释器出口汇合。由于毛细管阻力非常大,这样将导致大部分被测气溶胶由高效过滤器和阀门一路通过,稀释倍数即经过两路气溶胶的比值。该稀释器不影响气溶胶的粒径分布。

电动两通阀的作用是实现粒子计数器采样过程的自动切换。首先启动稀释器,打开下游电动两通阀(上游和自净阀门关闭)进行下游采样。采样完后,打开自净管路上电动两通阀(上游、下游阀门关闭)进行自净。随后打开上游电动两通阀(下游、自净阀门关闭)进行上游采样。上述过程循环进行。本系统中阀门切换,粒子计数器启动计数,数据处理、存储等过程均由计算机自动控制,这样将减少人为因素引起的误差,提高测试精度。
3.4　数据采集及控制系统
数据采集系统包括PC机、多功能模入模出接口卡(简称接口卡)、信号处理板、压差传感器和温湿度传感器等。控制系统包括对风机风量、电动两通阀门切换、激光粒子计数器等的控制。
数据采集系统的工作流程是将温湿度及压差传感器测得的物理量转换为模拟电信号,送至信号处理板放大调整,得到0~10 V标准信号。标准信号送至接口卡转换为计算机可以识别的数字量,再由计算机进行相应的处理。接口卡有20路AI,1路AO, 6路DI和6路DO ,其A/D和D/A转换均是12位,转换精度为1/4096。
风量控制:压差传感器测得的喷嘴前后压差信号送处理板调整放大为标准信号,再由接口卡转换为数字信号送计算机处理。计算风量若不满足设定值,计算机将自动计算电压输出量(数字量)给接口卡,接口卡将数字量转换为模拟量(0~10 V)输出给变频器,变频器根据此值调节风机转速。
阀门切换控制:计算机向接口卡DO输出端口发送开关信号,由此信号控制信号处理板上对应阀门的继电器开闭,进而控制相应阀门开闭。
激光粒子计数器控制:本系统中计数器由计算机通过RS 232串行端口控制。根据粒子计数器规定的RS-232串行通讯协议编制程序,以实现启动采样、停止采样、采样周期设定、采样次数设定及数据存储、清空等操作。
3.5　软件部分
配合硬件系统开发了一套软件。此软件根据不同的被测过滤器选择不同的检测界面,界面友好,能够实现过滤器阻力和过滤效率的检测。检测结果存入数据库中,可以随时调入查询及输出打印。打印报表中风量阻力关系以曲线形式给出,非常直观,而效率则按粒径范围分别给出累计效率和差分效率。
4　过滤器检测系统校核与标定
过滤器的检测受速度场、浓度场、采样系统、数据采集系统等因素的影响。为确保测试结果准确、可靠,必须对各部分校核标定。系统中的压差及温湿度值经过传感器、转换电路等传输可能产生较大偏差,故采用精度为0.2 Pa的微压计对系统中的两个压差传感器进行标定,见图4,5。
同时采用阿斯曼干湿球温度计标定温湿度传感器。速度场和浓度场的标定采用分割法将风道断面分成9份,取各份的中心点为测点,分别测量各测点风速和浓度[9]。检测系统校核、标定项目和结果见表1。从表中可以看出,检测系统的校核结果满足检测要求。通过校核、标定能够更进一步了解检测系统的性能,更科学准确地评价测试结果。

考虑到先测试粗效、中效过滤器时,系统可能产生管道壁吸附尘粒而对以后进行的高效过滤器测试产生影响,为了了解这种影响的程度,作了大量的检测试验。图6是对中、亚高、高效过滤器检测后得到的效率曲线。测试结果表明管道壁吸附尘粒对高效过滤器的检测结果基本没影响,但注意定期擦洗管道内壁并作为一种管理制度仍有必要。

5　新型过滤器检测系统的优越性
5.1　计径计数法与洁净级别检测使用的尘源一致,并且提供更全面的过滤器性能
既然空气净化的主要对象是室内外空气,所以以大气尘为尘源来检测过滤器效率与实际应用相一致;按不同粒径挡所得到的效率值恰好是洁净室“计数含尘浓度理论”计算和分析所需要的[3]。比色法、计重法、钠焰法、油雾法等测试方法均为全效率测试方法,测试结果为所有粒径粒子的平均效率。而利用计径计数法则可以得到一条随粒径变化的效率曲线。对用户而言,他们最关心的是所用过滤器能否过滤掉对其生产、生活有害的粒子,因为计径计数法能更全面地描述过滤器的性能,因而更好地满足了用户的需求。
5.2　节省检测设备投资
目前国内许多过滤器生产企业检测设备不完善,产品质量无法保证。本文提出的检测方法对过滤器生产企业来说不失为一个既节省投资又可以提升产品品质的方法。另外,风道设计中采用特殊装置,使得不同规格尺寸的过滤器在同一测试系统中进行检测成为可能。
5.3　计算机数据采集系统的应用使检测更方便
过滤器效率及阻力等测试内容不再像以前那样由人工读取微压计数值,调整变频器输出频率,切换上游、自净和下游采样过程以及记录复杂的数据,而一切工作都由计算机自动完成,测试人员只需按程序提示进行测试即可完成过滤器的检测工作,检测结果自动存入数据库中并可打印输出。检测操作非常方便,节省人力和测试时间。

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