高效空气过滤器计数法性能测试系统研制的几个问题
摘 要：随着经济的发展，我国现行的高效、超高效过滤器性能试验方法国家标准已不能满足实际发展的需要，计数法是高效过滤器效率测试手段发展的趋势。为此，本文研制了高效空气过滤器计数法性能测试系统，并对研制过程中的几个核心问题进行了探讨，期望能为我国新的国家标准的制定提供一些参考。
关键词：高效过滤器、气溶胶、过滤效率、最易穿透粒径、穿透率
1 引言
随着社会的发展及经济一体化趋势的发展，国外大批企业纷纷涌入中国，对中国固有市场造成了很大的冲击，本属于小领域的高效过滤器市场也不例外。国外高效过滤器以其的产品性能迅速挤压国内企业，其产品不仅受到了外资企业的青睐，就连国内一些单位在追求档次时都国外品牌。这种现状和目前国内大部分厂商检测方法较为落后，检测系统较为烦琐，“逐台检测”概念较为淡薄有关[1]。
作为高效过滤器国家标准的钠焰法曾对国内高效过滤器行业起过非常重要的作用，并且仍将是国内高效过滤器效率检测的主要手段。但随着现代科技的持续发展，对空气环境中悬浮微粒的控制，无论在粒子尺寸还是数量方面不断提出新的需要，这对空气过滤器的性能要求越来越高，而过滤器测试手段的发展是制造高质量空气过滤器的保证。
我国《高效空气过滤器性能试验方法——透过率和阻力》国家标准GB6165-85在80年代提出对D类高效过滤器（超高效过滤器）采用计数法测定效率[2]，但限于国内计数仪器设备研发落后的现状，标准并未对计数法进行详细的规定。其后，无论是欧盟标准EN1822的最易穿透粒径法（Most Penetrating Particle size，简称MPPS）[3-7]，还是日本DOP计径计数法都是属于计数法的范畴，美国对于高效过滤器效率检测采用DOP光度计测试法，但对于超高效过滤器采用0.1μmDOP计数法，也属于计数法的范畴，可以看出计数法是高效过滤器效率测试手段发展的趋势。因此，有必要在借鉴国外研究的基础上，独立自主开创具有自己特色的计数法研究，促进我国高效、超高效过滤器行业的快速发展。为此，我们与相关高效过滤器生产厂商共同研制了新型高效空气过滤器计数法性能测试系统，本文重点探讨在系统研制中的几个问题，希望能为相关单位提供一些有益的参考。
2 测试台的研制
本测试台是主要参考欧洲标准EN1822搭建的高效、超高效过滤器全效率测试系统，研制过程中还参考了日本JIS B 9908[8]、美国IEST[9-10]及 ASHRAE[11]、我国GB6165-85[2]等相关标准。实验台测试风量范围为200～3600m3/h，可以测试的高效过滤器效率从99%～99.9995%。
2.1测试台简介
测试系统采用多分散气溶胶作为尘源，选用可以调节发尘量大小的发尘器；以激光粒子计数器为计数测量装置，为了缩短测试时间同时减小系统误差，选用两台同一厂家生产的，同一型号粒子计数器进行上下游粒子浓度测试；由于下游气溶胶浓度较低，上游气溶胶浓度较高，为了兼顾两者在上游气溶胶测试时，需为粒子计数器选配稀释器。
为了保证在流量范围很大的情况下，流量测试的精确度，选用2台孔板流量计进行流量测量，风量的调整由变频器完成，较小风量必要时辅以风阀；为了满足不同尺寸规格过滤器性能测试的适用性，将测试风管系统分成2路测试。管道流程示意图如图1所示。在被测过滤器的上游管道系统采用固定支架的形式加以固定，下游管道系统采用底端带滑轮的活动支架架设在与地接触的固定支架上的形式，以方便更换过滤器时，由启动夹紧装置带动下游管道自动前进或后退。
图1 全效率测试台管路系统示意图
测试台的工作流程如下所述：首先根据被测过滤器的额定风量及尺寸规格判断进行大管路测试还是小管路测试（由气动蝶阀进行管路切换），动力机房内的空气经过初、中效过滤器的过滤，然后由风机加压，送入高效过滤器箱体（设有检测门，以便于更换过滤器），经过过滤，送入相应测量管路，并与发尘器发生的气溶胶混合，经过设置在管道内的旋转叶轮的扰动而混合均匀。利用计数器和压差计分别 测量过滤器上、下游的浓度和静压，下、上游浓度的比值的百分数即为过滤器的穿透率，上、下游压力差即为过滤器的全阻力。旁通管路的设计是为了在更换过滤器时，让含有气溶胶颗粒的气体排出室外， 以免危害测试人员，这样在更换过滤器时就不需要停止风机、发尘器，节省测试时间。
2.2 测试台信号采集与控制系统简介
本试验台的信号采集与控制部分智能化程度较高，编制的上位机操作界面友好、直观，通过简单的参数设置和对程序提示的简单应答便可完成过滤器性能的检测工作。软件系统主要界面包括全效率测试界面、过滤器阻力与风量关系测试界面、数据显示处理及参数设置界面等。软硬件满足的基本功能有：（1）．实现数据（风量、阻力、温湿度、粒子浓度）的自动采集和处理，数据计算和实验报告的打印由计算机自动完成；（2）．计算机操作界面采用友好的屏幕菜单形式；（3）．可按指令建立数据文件并储存，可按指令自动生成未积尘过滤器风量和阻力的曲线；（4）．系统风量可在计算机屏幕上设定，自动选择和控制风量。
图2给出了全效率测试台信号采集与控制系统点数布置示意图，图3给出了测试台上位机程序主界面图。
1.初效过滤器 2.中效过滤器3.风机 4.变频器 5.高效过滤器6、7.温湿度传感器8、9.发尘管 10.发尘器 11、12.扰流叶轮13~15.气动开关蝶阀16、17.上游采样管 18.稀释器19.上游激光粒子计数器 20、21.压差传感器（测量被测过滤器阻力） 22、23.被测过滤器 24、25.压差传感器（测量孔板两端压差）26、27.孔板流量计 28、29.下游采样管 30.下游激光粒子计数器31、32.风阀 33.计算机 34.打印机
图2 全效率测试台信号采集与控制系统示意图
图3 全效率测试界面图
3 测试气溶胶浓度及尘源发尘量的确定
过去人们一直认为高效过滤器对0.3μm微粒的过滤低，但近些年的研究表明高效、超高效过滤器对粉尘粒径在0.1～0.3µm之间的某粒径的过滤低。因此为了测定高效过滤器的过滤效率，发尘器的尘源粒径分布应集中在0.1－0.3μm，大气尘的粒径分布不满足此要求，且大气尘本身不稳定，故需引入发尘器。
3.1 气溶胶浓度的确定
对于气溶胶浓度的确定，EN1822没有给出明确的计算公式，但EN1822给出了确定试验参数的边界条件，规定了“确定效率所需的下游最少粒子数为100”，这是从粒子计数统计学角度出发给出的数值。由于粒子计数器测出的每单位容积里的微粒数目是有一定规律的，一般情况下，遵循Possion分布。EN1822根据微粒的Possion分布规律以及粒数统计学的知识，给出了不同颗粒数下的95％置信上、下限的粒数值，计算公式如下：
（1）
式中，N——期望观测颗粒数。
95％置信上、下限的粒数值，即式（1）表达的意思为：若粒子计数器记录了N个粒子，则对同一 对象进行多次重复测量，所得的测量数据将有95％次落在区间 内。则当给定期望观测颗粒数N时，用粒子计数器测出的颗粒数95％置信概率下的相对误差为：
（2）
由式（2）可以看出，气溶胶浓度（单位容积里的微粒数，p/cft）和相对误差成反比关系，即采样浓度越高，测量相对误差越小。由式（2）可以分别计算出相对误差为5％、10％、15％、20％时的气溶胶浓度分别为1537p/cft、385 p/cft、171 p/cft、97p/cft，欧洲标准EN1822规定的100p/cft对应的相对误差为19.6％。EN1822在其第五部分内容也指出“在下游端，粒子数（对应泊松分布95％置信区间的上限值）与实际粒子计数（至少100粒）的差别不大于实测计数的20％”，即要求下游粒子数应大于100。
从统计学计数的角度讲，希望被测气溶胶浓度越高越好，但激光粒子计数器自身性能决定了气溶胶浓度越低，计数的重叠误差越小，这是一对矛盾。因此对于高效过滤器计数法效率测试而言，为了尽量减小粒子计数的相对误差，其下游气溶胶的浓度不宜过小，但也不宜过大，否则上游粒子浓度偏高，计数器重叠误差偏大。在确定测试气溶胶浓度时应权衡利弊综合考虑，选定适宜的浓度值。本文认为EN1822规定的95％置信概率下的下游最少粒子数100底限偏小，宜为385，即10％的相对统计误差。
3.2 尘源发尘量的确定
当确定了下游气溶胶浓度Cd，min（p/cft）后，若已知被测过滤器的过滤效率E(%)及额定风量G (m3/h)，则可由式（3）计算出发尘器的最小发尘量Mmin（p/min）。
（3）
式中，0.5889为单位换算系数。
对于某一给定的被测过滤器而言，由于其E、G是已知的（或知其近似值），此时可由式（3）计算出发尘器对应的发尘量。
对于高效过滤器计数法效率测试台而言，亦可由式（3）计算出所需发尘器的发尘量至少应满 足的要求，即解决发尘器的选型问题。选型原则如下：首先确定测试台所测过滤器的风量Gmax（m3/h）以及测试过滤器过滤效率Emax，由式（3）计算发尘器发尘量Mmax应满足的要求，只有当发尘器发尘量满足Mmax时，其流量选型才符合要求。这里需要说明的是，按式（3）计算出的Mmax在实际使用中往往偏大，这是由于过滤效率Emax的过滤器对应的额定风量往往达不到Gmax，为了解决这个问 题，在选型计算时可以将Cd,min适当减小，例如从385p/cft减小至100p/cft，或将计算所得Mmax降低一个等级。在选型计算后，需进行校核，EN1822-2规定“用于过滤器试验的发生器的发尘率应为108s-1～1011s-1”。
3.3 实例计算
3.3.1 发尘器选型
本实验台所测过滤器的额定风量3600m3/h，可以测试的高效过滤器率为99.9995%，下游气溶胶浓度按欧洲标准EN1822规定的100p/cft进行计算，由式（3）可得：
(4)
本实验台根据计算选用了TSI3079发尘器，其发尘浓度和压缩空气流量关系见图4。可以看出所选发尘器的发尘量仅为1.0×1010p/min，小于上述计算值，但这足以满足本试验台所测过滤器的测试要求。因为99.9995%的过滤效率对应的额定风量往往达不到3600m3/h，若按计算值选择发尘器，不但发尘器型号加大，发尘器匹配的气泵最小压缩空气流量也将增大，这将引起日常发尘所耗气溶胶物质增多，不论对于初投资还是日常运行费用都是不利的。
图4 发尘器发尘浓度和压缩空气流量关系图
3.3.2 某被测过滤器效率测试所需发尘量
以某高效过滤器的效率测试为例，假定其额定风量1000m3/h，过滤效率99.95%(欧洲标准等级H13，接近于我国B类高效过滤器)，下游气溶胶浓度按385p/cft进行计算，由式（3）可得：
(5)
由图4查得此时压缩空气流量为60～70L/h即可满足要求，由额定风量1000 m3/h根据发尘器生产厂家提供的系统风量与所需压缩空气流量对应关系表查得的压缩空气流量为67L/h。由于生产厂家给出的关系表，并没有反应出压缩空气流量与过滤效率之间的关系，另外在大风量条件下生产厂家推荐的压缩空气流量有2列（甚至3列）值，不便于操作者直接选择，且当系统风量不在表中所列时需要内插法确定，因此本文给出的计算公式具有很大的实际应用价值。
4 稀释器理论分析及稀释比的确定
在过滤器的效率测试过程中，需要测定上下游的气溶胶浓度。激光粒子计数器是测量粒子浓度的精密仪器。例如某激光粒子计数器的测量上限为40000粒/立方英尺，此时它的重叠损失小于5%。如果粒子浓度过大，不仅对计数器的光学系统的损伤很大，还使仪器的重叠损失加大，测量的数据产生不可接受的误差，从而使得到的效率值严重偏离真实情况，甚至有可能得到负效率。而进行高效过滤器效率的测量，上游的气溶胶浓度一般都会超过计数器的测量上限，因此加入稀释器成为了必然的选择。
4.1 稀释器理论分析
目前市场上的稀释器主要有两类，一般稀释器是一个具有两条支路的并联管路，它的原理符合流体力学中的并联管路流动规律，如图5所示，另一类稀释器是对其改进，将气溶胶入口节点拆开为两路，并辅以流量测量装置，如图6所示。
图5 并联管路的稀释器工作原理示意图 图6 改进的稀释器工作原理示意图
如图5所示，并联管路的稀释器将高浓度气流Q按一定比例分为两部分，其中一部分气流Q1经过 过滤器后，颗粒几乎被过滤掉，另一部分气流Q2经过毛细管达到稀释器的另一端，两者混合后流出，通过标定得到该稀释器的稀释比。则可得稀释比的计算公式为：
（6）
从式（6）可以看出，稀释比和流量大小、粒径没有关系，只和管路阻力系数有关系，因此，如果稀释器内部管路阻力系数不发生变化，稀释比也将保持稳定。但在实际使用过程中，过滤器支路的阻力系数S1会随着使用时间的增长而逐渐增大，直至达到过滤器需要更换为止。经常使用稀释器，由于其S1逐渐增大，故其稀释比将逐渐减小。由于稀释器的稀释比随使用时间而不断变化，因此需要经常监测，虽然程序化后的监测操作并不复杂，但频繁的监测仍显繁琐。这类稀释器的缺陷在于其中的高效过滤器（HEPA filter）在高浓度的气溶胶尘源（远高于有洁净度要求的测试室的大气尘气溶胶浓度）下工作，寿命相对较短。
另外，通过对稀释比的监测会发现随着颗粒粒径的增大，这类稀释器的稀释比也相应增大，本文认为造成不同粒径稀释比存在差异的主要原因仍在于稀释器自身的高效过滤器（虽然这类过滤器号称过滤器，颗粒几乎被滤掉，但在高浓度的尘源下，过滤是很困难的），由于这种过滤器对大粒径的过滤效率要高于小粒径，致使小颗粒稀释比下降，大颗粒稀释比上升。
图6为改进后的稀释器工作原理图，此类稀释器的工作原理为：由图6中的两个流量测量装置分别测量稀释器出口气溶胶总流量Q及流经毛细管支路的气溶胶流量Q2，两者的比值即为稀释器的稀释比。为此稀释器生产厂家在稀释器的外表附有毛细管支路的压差测量表，反映毛细管节流件部分的压差，同时给出了不同压差对应稀释比的附表。用户在使用这类稀释器时只需根据压力表读值查找对应的稀释比即可。可以看出对于高效过滤器MPPS效率测试台而言，当采样所需的激光粒子计数器选定后，其采样流量（约为Q）是一定的，此时稀释比只与系统风量及采样口处的背压有关，而与稀释器内部的高效过滤器无关。
对比图5及图6可以发现两者的区别在于，改进后的稀释器其气溶胶气流全部流经毛细管支路，而流经高效过滤器支路的气流来自室内空气，由于测试室内的气溶胶尘浓远低于发尘器所产生的尘浓（一般差别几个数量级），因此高效过滤器的使用寿命大大延长，且稀释比的变化与高效过滤器支路阻抗的变化不再有直接关联，故此类稀释器的工作性能大大提高。
在实际的高效过滤器性能检测过程中，生产厂家往往是对某一型号的产品进行批量检测，此时测试系统的风量是基本不变的，且各过滤器的阻力大致相等，即采样口处的背压基本相等，此时，稀释器的 稀释比基本不变。故在批量检测同型号过滤器时，只需进行一次压力表读值查找对应的稀释比即可，因此解决了稀释器的频繁且繁琐的监测问题。
5 结语
随着社会科技的发展，过滤器在生活和生产中将扮演越来越重要的角色。只有制造效率更高的空气过滤器才能满足社会日益发展的需要，而过滤器测试方法的发展是制造高质量空气过滤器的保证。随着世界各国的经济联系越来越密切，过滤行业也将随之逐步实现化，不久我们将看到一个更加国际化的发展趋势，这是洁净技术发展的必然要求。通过分析认为计数法是高效过滤器效率测试手段发展的趋势。本文通过高效空气过滤器计数法性能检测系统的研制及对几个问题的探讨得出如下结论：
1）、我国标准对超高效过滤器（D类高效过滤器）的效率测试推荐采用0.1μm微粒的计数法，但没有规定具体的测试细节。因此有必要借鉴国外相关标准建立高效、超高效空气过滤器计数法性能检测实验台，为国内过滤器的测试和研究开辟新的途径。
2）、为了适应被测过滤器的较大额定风量范围，宜采用改变风机转速、辅以调节风阀的方式调节系统测试风量；为了满足不同规格尺寸过滤器的性能测试要求，宜将测试风管分成两路或多路；为了尽量减小采样测试误差、缩短采样时间，宜采用两台同品牌、同型号的粒子计数器分别进行上、下游气溶胶采样。
3）、从统计学计数的角度，通过对激光粒子计数器的采样浓度测量相对误差的计算，认为EN1822规定的“确定效率所需的下游最少粒子数为100”的底限偏小，宜为385。并以下游气溶胶浓度为基础，依据被测过滤器的过滤效率及额定风量，给出了所需发尘器发尘量的理论计算公式。
4）、通过对稀释器工作原理的探讨，认为宜选用采样气溶胶气流直接流经毛细管支路而流经高效过滤器支路的气流来自室内空气的稀释器，以提高稀释器的使用寿命、避免稀释器稀释倍数的频繁监测。
参考文献：
[1] 蔡杰．空气过虑ABC．北京：中国建筑工业出版社，2002
[2] 中华人民共和国国家技术．GB6165-85《高效空气过滤器性能实验方法——透过率和阻力》．北京：国家标准局，1986-04-01
[3] European Committee for Standardization, EN 1822-1 High Efficiency Air Filters
(HEPA and ULPA) –Part 1: Classification, Performance Testing, Marking，1998
[4] European Committee for Standardization, EN 1822-2 High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA) –Part 2: Aerosol Production, Measuring Equipment, Particle Counting Statistics，1998
[5] European Committee for Standardization, EN 1822-3 High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA) –Part 3: Testing flat sheet filter media，1998
[6] European Committee for Standardization, EN 1822-4 High Efficiency Air Filters
(HEPA and ULPA) –Part 4: Determining Leakage of Filter Element，2000
[7] European Committee for Standardization, EN 1822-5 High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA) –Part 5: Determining the Efficiency of Filter Element，2000
[8] 日本规格协会，JIS B 9908，换气用电子集尘器的性能实验方法，2001
[9] IEST-RP-CC-001.3，HEPA and ULPA Filters，Institute Of Environmental Sciences
[10] IEST-RP-CC-034.1,HEPA and ULPA Filters Leak Tests, Institute Of Environmental Sciences
[11] ANSI/ASHRAE 52.2-1992，Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size，美国采暖、制冷与空调工程师协会
