洁净室新标准揭秘：ISO/TR 14644-21如何守护我们的无尘世界？（下）-PMS美国粒子监测系统公司

粒子取样所面临的测量挑战

与粒子计数应用相关的有几种潜在误差，ISO/TR 14644-21:2023技术报告将其汇总为三个主要主题进行讨论：

1、取样误差：与从洁净室或洁净设备内较大空气体中获取部分样本进行分析所产生的相关误差；

2、样本测量误差：与粒子计数器的校准功能直接相关的误差；

3、样本输送误差：与通过取样管（长度和材料）、阀门、弯曲和连接件造成的样本变化直接相关的误差。

当取样无需管道时，误差主要来自于取样和测量环节，以下将进行详细阐述。

取样误差

我们审查了以下标准（作为技术报告中关于取样误差讨论的部分内容）

1）取样头的设计（及材料）应尽可能将收集到的粒子输送到传感器的光学器件中，避免粒子损失；

2）等动力取样是指在环境气流速度和样本入口速度相等时进行的取样，适用于单向气流条件。为了收集到这一均匀空气体积内粒子的最具统计代表性的样本，可采用设计合理和尺寸合适的等动力取样头。当环境的主要气流和样本入口的气流不匹配时，有可能导致对总样本中粒子比例进行过度取样或欠取样。这可能会使较大粒子的分布产生偏差。等动力取样范围5%的误差通常被认为是可接受的（见参考文献《Belyaev和Levin》）。这一公差值在一系列气流速度和仪器流量范围内都是可接受的。

等动力采样示意图

3）等轴取样是等动力取样的一个组成部分。ISO 14644第1部分要求取样口应正对主要气流方向；该取样角度称为0°方向。在实践中，将入口朝向主要气流的角度会产生椭圆形的有效取样口形状，这会改变粒子在取样空气中的“传播”方式。超过20°的角度表明存在潜在错误（见参考文献《Hinds WC》）。

样本测量误差

取样测量误差与粒子计数器的设计参数、测量公差以及通过校准确定的其可接受波动范围有关。特别是光散射悬浮粒子计数器 (LSAPC) 采用了五个主要系统（激光和光学、检测腔、光电探测器、脉冲高度分析器和用户界面），如下图所示：

①激光和光学

②检测腔

③光电探测器

④脉冲高度分析器

⑤用户界面

技术报告中关注了如下几个测量变量：

? 重叠，即两个及以上的粒子同时通过检测腔并被识别为单个较大粒子；

? 激光和测量光学腔室的污染可能导致光散射检测减少，尤其是污染在镜面或光电探测器上时，影响更大；

? 实际粒子的成分、形状和方向与校准所用的聚苯乙烯橡胶 (PSL) 球不同，对光的散射效果存在差异；

? 实际粒子相对于空气的折射率与标准粒子存在差异；

? 不同仪器使用的激光波长不同会造成测量差异；

? 仪器使用光学器件设计和形状不同，以及光学器件本身的差异，会造成测量差异；

? 仪器激光强度的差异造成的测量差异；

校准测试旨在将这些参数调整至可接受的范围之内。ISO 21501-4是目前适用于粒子计数器的参考标准。

管路损失误差

为了使得取样位置更具代表性，可能需要使用取样管路将取样口延伸至所需的取样位置。

需根据具体情况选择合适的管道材料。管道直径由流经管道的流量函数来确定，以确保在高雷诺系数的情况下满足湍流流量的需求。我们关注了以下几种管道类型及其各自的优点：

? 光滑内壁的卫生级不锈钢管，可用于固定位置；

? 带Hytrel涂层的Bev-a-Line管道，具有不锈钢的许多特性，并具有灵活性和易于更换的优点；

? Tygon PFA具有比其他柔性管道更高的变形温度，可用于较高温度的取样环境；而Tygon 2475具有光滑衬管且具有稳定的化学性质，可用于有一定腐蚀性的取样环境。

取样管道长度是对管道内移动的粒子影响最大的机械动力学因素，会导致粒子在运输过程中磨损或沉积（即管道越长，这些力对粒子在运输过程中的影响越大，由长度导致的磨损也越大）。若这些沉积的粒子在后续被释放，则会影响后续的测量结果。管道中的粒子损失主要表现为≥5.0 μm的粒子沉积造成的损失组合，但亚微米粒子也会因作用在粒子上的其它作用力而损失，如管道材料的静电吸引力、布朗运动、扩散和热泳力等。

取样管长度导致粒子损失的图表

当取样管道需要弯曲以改变方向时，每个弯曲都会导致粒子损失。将直线移动的粒子改变方向时，粒子的惯性会导致其撞击管道壁并沉积。通过确保移动方向的平滑过渡，可以减少这种撞击。长半径弯曲对管道中粒子输送具有多种优势：它提供了更平缓的方向变化，提供了最接近直管运输的方法。一个建议是，管道弯曲半径应＞150 mm（见ASTM F50）。然而，“理想”的半径是管道直径和流量的函数。

其他取样管道考虑因素包括配件、连接器和阀门。当管道穿过隔板时，可能要用到过渡接头。这些过渡连接的设计应确保运输平滑过渡，避免因直径发生任何变化而导致湍流并造成粒子撞击连接器或管道。阀门主要用于在定期清洁/消毒期间隔离粒子计数器和测试环境。在系统中添加阀门可能会产生潜在的粒子沉降，这些沉降有可能在未知的时间间隔以不同数量或大小脱落，从而引发不良事件。