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級聯(lián)沖擊取樣器定義
級聯(lián)沖擊取樣器（cascade impactor），簡稱級聯(lián)沖擊器[1] ，是指用沖擊的原理，按沖量大小，可以同時分別采集不同粒徑顆粒物的一種采樣器。[2] 級聯(lián)沖擊取樣器既可以用來測定大氣或工人操作地點(diǎn)的粉塵粒度分布，也可以用來測定管道中的粉塵粒度分布。[1]
級聯(lián)沖擊取樣器作用原理
圖1 基本構(gòu)造
級聯(lián)沖擊取樣器是利用慣性原理對粒子進(jìn)行取樣和分級的。這種儀器由截面為圓形或矩形的噴咀和靠近噴咀放著的平板等基本構(gòu)件組成。其作用原理如圖1所示[1] ：一個（或若干個）噴咀和一塊平板組成一個沖擊級，幾級串聯(lián)起來就稱為級聯(lián)沖擊取樣器。使用時把含塵空氣抽進(jìn)儀器，從噴咀噴出形成高速射流。在靠近平板處氣流迅速拐彎，與平板平行流動，進(jìn)入串聯(lián)的第二級，塵粒則由于本身的慣性可能與平板碰撞而被捕集。因為沖擊器中各級的噴咀逐步縮小，從而使射流速度逐步增加，粒子受到的慣性力也逐步增大，所以能夠與平板碰撞的粒子愈來愈小，這樣就可以把粒子按粒度分級。[1]
理想的沖擊器每一級應(yīng)當(dāng)能捕集大于某一粒度的所有粒子，而小于這一粒度的粒子則都不被捕集。設(shè)計沖擊器應(yīng)力求達(dá)到這一理想狀況。但是，由于一些因素的影響，實際上現(xiàn)有的沖擊器都做不到這一點(diǎn)，而是把理想的直線改變?yōu)椤癝”形的曲線。[1]
級聯(lián)沖擊取樣器基本公式
慣性碰撞參數(shù)N1是用來衡量慣性作用大小的一個無因次參數(shù)，其計算公式如下[1] ：
式中
c—肯寧漢修正系數(shù)；
v1—射流的平均速度，cm/s；
dp—粒子直徑，μm；
μ—流體的動力粘滯系數(shù)，泊；
w—射流寬度或直徑，cm；
上式是設(shè)計級聯(lián)沖擊取樣器的基本公式。
級聯(lián)沖擊取樣器構(gòu)造型式
級聯(lián)沖擊取樣器是K·R·May在1945年的。至今，這種儀器已經(jīng)發(fā)展成許多不同的構(gòu)造型式，比較普通的是采用孔口形噴咀，以平的淺盤做捕集板。表1是美國生產(chǎn)的幾種可供管道取樣用的級聯(lián)沖擊取樣器。[1]
表1美國生產(chǎn)的級聯(lián)沖擊取樣器[1]
名稱 | 標(biāo)稱流量cm3/s | 捕集板襯底 |
安德森煙囪取樣器 | 236 | 玻璃纖維 |
華盛頓大學(xué)Ⅲ型污染源測定用級聯(lián)沖擊取樣器 | 236 | 不銹鋼墊片，玻璃纖維，油脂 |
布林克級聯(lián)沖擊器 | 14.2 | 玻璃纖維，鋁，油脂 |
西拉tag取樣器，2600型 | 236 | 不銹鋼板，油脂 |
西拉發(fā)生源級聯(lián)沖擊器 | 236 | 玻璃纖維 |
西拉旋風(fēng)預(yù)分離器 | 236 | |
MRI慣性級聯(lián)沖擊器 | 236 | 不銹鋼，鋁，聚酯薄膜，聚四氟乙烯；任選；金，銀，鎳 |
圖3華盛頓大學(xué)Ⅲ型級聯(lián)沖擊器
圖3華盛頓大學(xué)Ⅲ型級聯(lián)沖擊器
華盛頓大學(xué)Ⅲ型級聯(lián)沖擊器（如圖3所示）各級的捕集板和噴咀都裝在一個圓筒形外殼內(nèi)。[1] 第1級只有一個噴咀一即取樣咀的出口。包括取樣咀在內(nèi)的沖擊器總長為25厘米，直徑約7.4厘米。第2級到第7級的噴咀都是在一塊板上用機(jī)加工或激光光束等方法制成。沖擊器的取樣咀是可以更換的，應(yīng)根據(jù)等速取樣的要求選擇：樣品進(jìn)沖擊器后；大粒子脫離氣流與級捕集板碰撞，較小的粒子則隨同氣流經(jīng)過捕集板周邊的環(huán)形縫隙流入第2級。除第1級捕集板外，其余各級捕集板都是環(huán)形的，氣體經(jīng)過這些捕集板的中心流入下一級。在第7級后面還設(shè)有濾料，用以捕集所有剩余的粒子。這一層濾料可以用紙、玻璃纖維、多孔金屬薄片、多孔有機(jī)物（如塑料）或其它適當(dāng)?shù)牟牧稀?/div>表2 三種級聯(lián)沖擊器的理論粒度分級點(diǎn)（微米）[1]
級 | 安德森Ⅲ型 14升/分 | 華盛頓大學(xué) 14升/分 | 布林克 0.85升/分 |
旋風(fēng)分離器 | - | - | 18.0 |
0 | - | - | 11.0 |
1 | 14.0 | 39.0 | 6.29 |
2 | 8.71 | 15.0 | 3.74 |
3 | 5.92 | 6.5 | 2.59 |
4 | 4.00 | 3.1 | 1.41 |
5 | 2.58 | 1.65 | 0.93 |
6 | 1.29 | 0.80 | 0.50 |
7 | 0.80 | 0.49 | - |
8 | 0.51 | - | - |
級聯(lián)沖擊取樣器使用方法
上述級聯(lián)沖擊取樣器可以對大于0.3微米的粒子分級。使用時一般包括三個步驟，即測定前的準(zhǔn)備工作，取樣和分析捕集的樣品。[1]
級聯(lián)沖擊取樣器測定前準(zhǔn)備
準(zhǔn)備工作包括清理沖擊器，在捕集固體粒子的板上涂一層油，稱量捕集板或捕集板襯底的重量。[1]
級聯(lián)沖擊取樣器取樣
圖4管道取樣系統(tǒng)
在管道中取樣可采用圖4那樣的系統(tǒng)。[1]
取樣前先測量管道中氣流速度分布；按等速取樣要求選用取樣咀尺寸。
把沖擊器放入管道后，為了防止產(chǎn)生冷凝水，可在取樣前先把取樣咀對著下游預(yù)熱約10~30分鐘，然后再掉轉(zhuǎn)方向?qū)χ嫌伍_始取樣，并記錄取樣時間、氣體溫度和干氣體流量計處的靜壓。
級聯(lián)沖擊取樣器分析樣品
取樣后把沖擊器拆開，稱捕集板或襯底重量，再計算粒度分布。[1]
級聯(lián)沖擊取樣器注意事項
（1）壁損失（或稱級間損失）
管道取樣，通常是把沖擊器直接放在管道內(nèi)，不接取樣管，以避免粒子滯留在取樣管內(nèi)造成誤差，并可減少冷凝問題。雖然如此，粒子還會由于碰撞、擴(kuò)散、沉降、電力等原因而留在取樣咀和沖擊器的其它壁面上。每一級的損失量可能達(dá)到和該級捕集的粒子一樣多。壁損失量和粒度有關(guān)。因此，它對粒度分布和質(zhì)量濃度的測定可能造成大的誤差。對這個問題應(yīng)當(dāng)一方面從改進(jìn)沖擊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計著手，盡量減少壁損失，另一方面應(yīng)對各種級聯(lián)沖擊器進(jìn)行試驗，測定其壁損失，加以修正。[1]
（2）粒子重返氣流
從噴咀噴出的射流，如果速度過高或捕，集板上堆積粒子過多，就可能把已經(jīng)沉降在捕集板上的粒子吹掉，或使粒子從捕集板上彈回。據(jù)試驗，當(dāng)速度約大于了35米/秒時，就會有嚴(yán)重的帶走粒子現(xiàn)象。某些材料的粒子在小于這個速度時，也可能重返氣流。射流速度高還會使壁損失增加。[1]
防止粒子重返氣流的一個辦法，是在捕集板上涂適當(dāng)?shù)恼承杂汀？梢詫⒏哒婵展柚蚰承└蚀蓟衔锓旁诒街凶龀?0~15%的懸膠液或溶液，然后把適當(dāng)量(每一級小于為毫克)的這種懸膠液均勻地涂在捕集板上，形成只有“指紋”厚的一層(否則就會被吹掉)，讓苯蒸發(fā)后，把加上涂層的捕集板在205℃下烘約1小時，然后保干，直到實際使用。即使涂了油脂，射流速度也不能大于65米/秒，否則就可能把油和粒子吹掉，而造成測定誤差。因此，在使用沖擊器時要注意氣體流率，不能大于某極限值。[1]
另一個可以盡量減少粒子重返氣流的辦法，是用玻璃纖維濾料做捕集板的襯底。但用玻璃纖維濾料做沖擊表面，形成的捕集效率曲線不如沖擊在光滑表面上的陡。[1]
（3）稱重準(zhǔn)確性
表面覆蓋油脂的捕集板，在粘附了一層粒子以后，如果繼續(xù)使用就可能出現(xiàn)粒子重返氣流的現(xiàn)象。因此，沖擊器各級捕集的粒子不應(yīng)過負(fù)荷。現(xiàn)有各級聯(lián)沖擊器一般每一級捕集的樣品不能超過大約10毫克。應(yīng)當(dāng)根據(jù)這個要求和采用的取樣流率以及預(yù)計濃度來確定取樣時間。因為的級負(fù)荷大約只有10毫克，也就是說在捕集粒子最多的那一級只能收集10毫克樣品，這樣有些沖擊級就只能捕集大約幾十或幾百微克的樣品了，所以要取得準(zhǔn)確的結(jié)果，稱重的精確性和靈敏度必須達(dá)到10~30微克。[1]
（4）顯著不同的粒子濃度
除塵器進(jìn)出門的粒子濃度一般是相差很大的，故測定除塵器的效率時，在其進(jìn)出口應(yīng)分別采用不同的級聯(lián)沖擊器，否則就會產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。例如，假定一臺除塵器有99%的效率，如果在其入口需取樣30分鐘，則在其出口就需取樣了3000分鐘。雖然取樣流率可以調(diào)節(jié)，但也不能調(diào)節(jié)到足以彌補(bǔ)粒子濃度的這種差異。因為的流率會造成粒子重返氣流，而且入口又不宜采用流率高的取樣器，否則取樣時間過短，可能由于管道內(nèi)粒子濃度或粒度分布的瞬時變化而使所取的樣品無代表性。所以一般應(yīng)在除塵器入口采用流率低的沖擊器，而在出口采用流率高的沖擊器。取樣時分別用它們的流率運(yùn)行。取樣時間按每一級都捕集到可以稱重的樣品，又不致使任一級過負(fù)荷的要求來確定。[1]
（5）靜電影響
在煙道氣粒子上可能存在靜電荷，使級,聯(lián)沖擊器的取樣發(fā)生誤差。在這種情況下把電荷中和器和級聯(lián)沖擊器結(jié)合使用。[1]
（6）等速取樣
使用級聯(lián)沖擊器要保持總是等速取樣是比較困難的，因為在每一次測定期間必須保持流率不變(否則粒度分級就會起變化)，而且取樣咀尺寸是有限制的(一般要避免使用直徑小于2毫米的取樣咀)。因此，在分析測定數(shù)據(jù)時，應(yīng)考慮不等速取樣的影響。[1]
參考資料
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