ISO 15900:2009
(Main)Determination of particle size distribution — Differential electrical mobility analysis for aerosol particles
Determination of particle size distribution — Differential electrical mobility analysis for aerosol particles
ISO 15900:2009 provides guidelines on the determination of aerosol particle size distribution by means of the analysis of electrical mobility of aerosol particles. This measurement is usually called “differential electrical mobility analysis for aerosol particles”. This analytical method is applicable to particle size measurements ranging from approximately 1 nm to 1 µm. ISO 15900:2009 does not address the specific instrument design or the specific requirements of particle size distribution measurements for different applications, but includes the calculation method of uncertainty.
Détermination de la distribution granulométrique — Analyse de mobilité électrique différentielle pour les particules d'aérosol
General Information
Relations
Buy Standard
Standards Content (Sample)
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ISO
СТАНДАРТ 15900
Первое издание
2009-05-15
Определение гранулометрического
состава. Анализ дифференциальной
подвижности частиц аэрозолей в
электрическом поле
Determination of particle size distribution – Differential electrical mobility
analysis for aerosol particles
Ответственность за подготовку русской версии несёт GOST R
(Российская Федерация) в соответствии со статьёй 18.1 Устава ISO
Ссылочный номер
ISO 15900:2009(R)
©
ISO 2009
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
Отказ от ответственности при работе в PDF
Настоящий файл PDF может содержать интегрированные шрифты. В соответствии с условиями лицензирования, принятыми
фирмой Adobe, этот файл можно распечатать или смотреть на экране, но его нельзя изменить, пока не будет получена
лицензия на интегрированные шрифты и они не будут установлены на компьютере, на котором ведется редактирование. В
случае загрузки настоящего файла заинтересованные стороны принимают на себя ответственность за соблюдение
лицензионных условий фирмы Adobe. Центральный секретариат ISO не несет никакой ответственности в этом отношении.
Adobe – торговый знак фирмы Adobe Systems Incorporated.
Подробности, относящиеся к программным продуктам, использованные для создания настоящего файла PDF, можно найти в
рубрике General Info файла; параметры создания PDF были оптимизированы для печати. Были приняты во внимание все
меры предосторожности с тем, чтобы обеспечить пригодность настоящего файла для использования комитетами-членами
ISO. В редких случаях возникновения проблемы, связанной со сказанным выше, просьба проинформировать Центральный
секретариат по адресу, приведенному ниже.
ДОКУМЕНТ ЗАЩИЩЕН АВТОРСКИМ ПРАВОМ
© ISO 2009
Все права сохраняются. Если не указано иное, никакую часть настоящей публикации нельзя копировать или использовать в
какой-либо форме или каким-либо электронным или механическим способом, включая фотокопии и микрофильмы, без
предварительного письменного согласия ISO, которое должно быть получено после запроса о разрешении, направленного по
адресу, приведенному ниже, или в комитет-член ISO в стране запрашивающей стороны.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Опубликовано в Швейцарии
ii © ISO 2009 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
Содержание Страница
Предисловие .iv
Введение .v
1 Область применения .1
2 Термины и определения .1
3 Обозначение.4
4 Общий принцип.6
4.1 Классификация частиц по размеру с помощью DEMC .6
4.2 Взаимосвязь между электрической подвижностью и размером частиц.6
4.3 Измерение и преобразование данных .7
4.4 Передаточная функция DEMC.8
4.5 Функция распределения заряда.9
5 Система и оборудование .10
5.1 Общая конфигурация.10
5.2 Компоненты .11
6 Процедуры измерения .13
6.1 Установка параметров и подготовка прибора.13
6.2 Проверки перед измерениями .16
6.3 Измерение .16
6.4 Техническое обслуживание.17
7 Периодические тесты и калибровки.17
7.1 Обзор.17
7.2 Испытание герметичности.18
7.3 Проверка нуля.19
7.4 Калибровка расходомера .19
7.5 Калибровка напряжения .19
7.6 Испытание целостности кондиционера заряда частиц .20
7.7 Калибровка для измерения размера частиц.20
7.8 Определение разрешения измерения размеров.21
7.9 Калибровка счетной концентрации .22
8 Представление результатов .22
Приложение A (информативное) Кондиционеры заряда частиц и распределения заряда .23
Приложение B (информативное) Датчики частиц.31
Приложение C (информативное) Поправочный коэффициент на скольжение (поправка
Каннингема) .35
Приложение D (информативное) Преобразование данных .39
Приложение E (информативное) Цилиндрический прибор DEMC.45
Приложение F (информативное) Калибровка измерения размеров в системе DMAS с
поэтапным изменением напряжения и использованием частиц стандартного
размера.51
Приложение G (информативное) Неопределенность .54
Библиография.57
© ISO 2009 – Все права сохраняются iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
Предисловие
Международная организация по стандартизации (ISO) представляет собой всемирную федерацию,
состоящую из национальных органов по стандартизации (комитеты-члены ISO). Работа по разработке
международных стандартов обычно ведется Техническими комитетами ISO. Каждый комитет-член,
заинтересованный в теме, для решения которой образован данный технический комитет, имеет право
быть представленным в этом комитете. Международные организации, правительственные и
неправительственные, поддерживающие связь с ISO, также принимают участие в работе. ISO тесно
сотрудничает с Международной электротехнической комиссией (IEC) по всем вопросам
стандартизации в области электротехники.
Международные стандарты разрабатываются в соответствии с правилами, установленными в Части 2
Директив ISO/IEC.
Основное назначение технических комитетов заключается в разработке международных стандартов.
Проекты международных стандартов, принятые Техническими комитетами, направляются комитетам-
членам на голосование. Для их опубликования в качестве международных стандартов требуется
одобрение не менее 75 % комитетов-членов, участвовавших в голосовании.
Внимание обращается на тот факт, что отдельные элементы данного документы могут составлять
предмет патентных прав. ISO не несет ответственность за идентификацию каких–либо или всех
подобных патентных прав.
ISO 15900 был подготовлен Техническим комитетом ISO/TC 24, Сита, просеивание и другие методы
определения гранулометрического состава, Подкомитетом SC 4, Характеристика частиц.
iv © ISO 2009 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
Введение
Анализ и классификация частиц в воздухе по дифференциальной подвижности в электрическом поле
широко используется для измерения разнообразных аэрозольных частиц от нанометрического до
микрометрического размера в газовой фазе. Кроме того, классификацию заряженных частиц по
электрической подвижности можно использовать для создания монодисперсных частиц известного
размера для калибровки приборов. Один из характерных признаков этих технологий заключается в том,
что они базируются на простых физических принципах. Эти технологии приобрели большое значение в
различных областях науки и техники, связанных с аэрозолями, например, при измерении аэрозолей,
производстве материалов на основе аэрозолей, контроле загрязнения в полупроводниковой
промышленности, исследовании аэрозолей в атмосфере, характеризации технических наночастиц и т.д.
Однако чтобы правильно использовать классификацию и анализ электрической подвижности,
необходимо с должной осторожностью подходить к использованию некоторых аспектов, таких как
поправочный коэффициент на скольжение скольжения, коэффициенты прилипания ион-аэрозоль,
распределение заряда в зависимости от распределения по размерам и метод, используемый для
обратного преобразования измеренного распределения по подвижности в распределение по размерам
аэрозолей.
Поэтому возникла необходимость создания международного стандарта для использования анализа
дифференциальной электрической подвижности при классификации частиц аэрозолей. Целью такого
стандарта является обеспечение методологии для адекватного контроля качества по размеру частиц и
измерение численной (счетной) концентрации этим методом.
© ISO 2009 – Все права сохраняются v
---------------------- Page: 5 ----------------------
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ ISO 15900:2009(R)
Определение гранулометрического состава. Анализ
дифференциальной подвижности частиц аэрозолей в
электрическом поле
1 Область применения
Настоящий международный стандарт обеспечивает руководство по определению распределения
аэрозольных частиц по размерам посредством анализа подвижности этих частиц в электрическом
поле. Такое измерение обычно называют “дифференциальный анализ электрической подвижности
аэрозольных частиц”. Данный метод анализа применяется для измерения размеров частиц в
интервале примерно от 1 нм до 1 мкм. Настоящий международный стандарт не рассматривает
конкретные измерительные приборы или конкретные требования к измерениям распределения частиц
по размерам для различных задач, но включает метод расчета неопределенности измерений. В
настоящем международном стандарте полная система для выполнения анализа дифференциальной
электрической подвижности называется DMAS = САДП (система анализа дифференциальной
подвижности), тогда как элемент в рамках этой системы, который классифицирует частицы по их
подвижности в электрическом поле, называют DEMC = КДЭП (классификатор по дифференциальной
электрической подвижности).
ПРИМЕЧАНИЕ В отношении измерений дифференциальной электрической подвижности, касающихся
применения в автодорожном транспорте см. соответствующие национальные и международные стандарты.
Технический комитет ISO TC 22, Дорожный транспорт, несет ответственность за разработку международных
стандартов в области дорожного транспорта, компонентов и измерений.
2 Термины и определения
Применительно к данному документу используются следующие термины и определения.
2.1
аэрозоль
aerosol
система частиц твердого или жидкого вещества, суспендированного в газе
2.2
коэффициент прилипания
attachment coefficient
вероятность слипания ионов и аэрозольных частиц
2.3
биполярное зарядное устройство
bipolar charger
устройство для достижения устойчивого равновесного состояния заряжения путем воздействия на
аэрозольные частицы положительными и отрицательными ионами в пределах этого устройства
2.4
нейтрализация заряда
charge neutralization
процесс, в ходе которого аэрозольные частицы распределяются по заряду таким образом, что
устанавливается равновесие, и результирующий заряд аэрозоля близок к нулю, что обычно
достигается посредством воздействия на аэрозольные частицы электрически нейтральным облаком
положительных и отрицательных зарядов газа
© ISO 2009 – Все права сохраняются 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
2.5
счетчик частиц конденсации
condensation particle counter
CPC
прибор, который измеряет счетную концентрацию частиц в аэрозоле
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Размеры обнаруженных частиц обычно меньше чем несколько сотен нанометров и больше
нескольких нанометров.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 CPC является одним из возможных датчиков для применения с DEMC.
ПРИМЕЧАНИЕ 3 В некоторых случаях счетчик частиц конденсации может называться счетчиком ядер
конденсации (CNC).
2.6
критическая подвижность
critical mobility
параметр прибора DEMC, который определяет электрическую подвижность аэрозольных частиц,
покидающих DEMC в аэрозольной форме, который, в свою очередь, можно определить по геометрии,
скорости потока аэрозоля и ограждающего воздушного потока (поток ножн) и интенсивности
электрического поля
ПРИМЕЧАНИЕ Частицы с большей или меньшей, чем критическая, подвижностью перемещаются к электроду
или выходу с избыточным потоком воздуха и не выходят из DEMC в аэрозольной форме.
2.7
классификатор дифференциальной электрической подвижности
differential electrical mobility classifier
DEMC
классификатор, который способен отобрать аэрозольные частицы по их электрической подвижности и
отправить к выходу
ПРИМЕЧАНИЕ DEMC классифицирует аэрозольные частицы путем уравновешивания действия
напряженности электрического поля на каждую частицу с действием аэродинамической силы сопротивления
среды в электрическом поле. Классифицированные частицы находятся в узком интервале электрической
подвижности, определенном эксплуатационными условиями и физическими размерами DEMC, в то время как они
могут иметь различные размеры в результате разницы в числе зарядов, которые получили.
2.8
система анализа дифференциальной подвижности
differential mobility analysing system
DMAS
система для измерения распределения по размерам субмикрометрических (субмикронных)
аэрозольных частиц, состоящая из DEMC, расходомеров, датчика частиц, паяных соединений,
компьютера и программного обеспечения
2.9
электрическая подвижность
electrical mobility
подвижность заряженной частицы в электрическом поле
ПРИМЕЧАНИЕ Электрическую подвижность можно определить как скорость миграции, зависящую от силы
(напряженности) электрического поля, механической подвижности и количества зарядов на частицу.
2.10
электрометр
electrometer
устройство для измерения электрического тока в диапазоне от 1 фемтоампера (фA) до примерно 10
пикоампер (пA)
2 © ISO 2009 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
2.11
равновесное распределение заряда
equilibrium charge distribution
состояние зарядки для аэрозольных частиц, которое является устойчивым после воздействия
биполярных ионов в течение достаточно продолжительного периода времени
ПРИМЕЧАНИЕ Биполярные ионы представляют собой положительные и отрицательные ионы, производимые
либо радиоактивным источником излучения, либо коронным разрядом.
2.12
электрометр с цилиндром Фарадея для измерения аэрозольных частиц
Faraday-cup aerosol electrometer
FCAE
электрометр, сконструированный для измерения электрических зарядов, которые несут аэрозольные
частицы
ПРИМЕЧАНИЕ Электрометр с цилиндром Фарадея для измерения аэрозольных частиц включает
электропроводящий и заземленный цилиндр, который защищает чувствительный элемент со средами,
фильтрующими аэрозоли для улавливания заряженных аэрозольных частиц, электрическое соединение между
чувствительным элементом и цепью электрометра и расходомер.
2.13
число Кнудсена
Knudsen number
Kn [ISO]
отношение средней длины свободного пробега молекул газа к радиусу частицы, которое является
показателем свободномолекулярного режима в сравнении с континуальным (непрерывным) режимом
течения газа
2.14
ламинарное течение
laminar flow
течение газа без временной или пространственной неоднородной активности или турбулентных
вихревых потоков
2.15
скорость миграции
migration velocity
установившаяся скорость заряженной частицы воздуха в наложенном извне электрическом поле
2.16
кондиционер заряда частиц
particle charge conditioner
устройство, используемое для создания распределения известного зависящего от размера частиц
заряда на выборочном аэрозоля, находящемся в неизвестном состоянии заряжения; является
биполярным или униполярным зарядником
2.17
число Пекле
Peclet number
Pe [ISO]
безразмерный параметр, который характеризует соотношение между конвекционным и молекулярным
процессами переноса частиц
2.18
число Рейнольдса
Reynolds number
Re [ISO]
безразмерный параметр, который выражается как соотношение инерционной силы и силы вязкости;
например, приложенной к аэрозольной частице или трубе, несущей аэрозольные частицы
© ISO 2009 – Все права сохраняются 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
2.19
поправка (Каннингема) на скольжение (газа)
slip correction
S
c
безразмерный коэффициент, используемый для корректировки силы сопротивления среды,
действующей на частицу, на эффекты неконтинуального режима, которые приобретают значение,
когда размер частицы сравним или меньше чем средняя длина свободного пробега молекул газа
2.20
пространственный заряд
space charge
результирующий заряд, пространственно распределенный в газе
2.21
сила Стокса
Stokes' drag
тормозящая сила, действующая на частицу, движущуюся относительно непрерывной среды в
предельно медленном (ползучем) течении (низкое число Рейнольдса)
2.22
передаточная функция системы
system transfer function
передаточная функция, определенная как отношение концентрации частиц, измеренной датчиком
частиц DMAS, к концентрации частиц на входе в DMAS, которое обычно выражается как функция
электрической подвижности
2.23
передаточная функция
transfer function
отношение концентрации частиц на выходе из DEMC к концентрации частиц на входе в DEMC, которое
обычно выражается как функция электрической подвижности
2.24
униполярное зарядное устройство
unipolar charger
устройство для достижения установившегося распределения зарядов аэрозольных частиц
посредством воздействия на них либо положительных, либо отрицательных ионов в пределах этого
устройства
3 Обозначение
Применительно к данному документу используются следующие обозначения.
Символ Величина единицы СИ
элементы поправочного коэффициента на скольжение, определенного
A, B, C безразмерные
Уравнением (2)
−3
C численная (счетная) концентрация аэрозоля м
N
−1
c тепловая скорость аниона или молекулы м с
2 −3
D коэффициент диффузии частицы или иона в воздухе м с
d диаметр аэрозольной частицы м
−1
E сила (напряженность) электрического поля в DEMC В м
ε относительная ошибка
4 © ISO 2009 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
Символ Величина единицы СИ
элементарный заряд
e
−19
= 1,602 177 × 10 C
Kn число Кнудсена
Постоянная Больцмана
k
−23 −1
= 1,381 × 10 J K
эффективная активная длина DEMC, аппроксимированная осевым
L расстоянием между серединой входа аэрозоля и серединой выходной м
прорези цилиндрического DEMC
l средняя длина свободного пробега молекул м
M масса молекулы ед.атомн. массы
m масса иона ед.атомн. массы
постоянная Авогадро
N
A
23 –1
≈ 6,022 141 79(30) × 10 мол
−3
N численная (счетная) плотность ионов м
I
P атмосферное давление Пa
p число элементарных зарядов на частицу (безразмерное)
Pe Число Пекле (безразмерное)
скорости потока воздуха (или газа) и аэрозоля, входящих и выходящих из
3 −1
q , q , q , q м с
1 2 3 4
DEMC
q скорость аэрозоля в воздухе
a
r наружный радиус внутреннего цилиндра цилиндрического DEMC м
1
r внутренний радиус наружного цилиндра цилиндрического DEMC м
2
Re число Рейнольдса (безразмерное)
константа Сазерленда ( =110,4 K при температуре 23 °C и стандартном
S
атмосферном давлении)
S поправка (Каннингема) на скольжение (газа) (безразмерная)
c
T абсолютная температура K
t время пребывания иона с
Напряжение постоянного тока, используемое для установления
U В
электрического поля в DEMC
3
V объем м
2 −1 −1
Z электрическая подвижность заряженной аэрозольной частицы м В с
критические электрические подвижности, которые описывают передаточную
2 −1 −1
Z , Z , Z , Z м В с
1 2 3 4
функцию DEMC
3 −1
β коэффициент прилипания ионов к аэрозольным частицам м с
γ коэффициент рекомбинации ионов (безразмерный)
δ радиус ограничивающей сферы м
−1 −1
η коэффициент динамической вязкости газа кг м с
−3 −3
ι скорость образования ионных пар м с
λ средняя длина свободного пробега ионов м
−3
ρ массовая плотность частиц кг м
© ISO 2009 – Все права сохраняются 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
4 Общий принцип
4.1 Классификация частиц по размеру с помощью DEMC
Измерение распределений частиц по размеру с помощью DMAS основано на классификации частиц по
электрической подвижности в DEMC. DEMC можно сконструировать различными способами; например,
DEMC с концентрическими цилиндрами, радиальный DEMC, DEMC с параллельными пластинами, и
т.д. DEMC с концентрическими цилиндрами, показанный на Рисунке 1, является примером широко
используемой конструкции. Он состоит из двух концентрических цилиндрических электродов с двумя
входами. Один вход (помеченный q на Рисунке 1) предназначен для создания оболочки из
1
фильтрованного чистого воздуха. Другой вход (помеченный q ) предназначен для поступления пробы
2
воздуха с аэрозолем.
Пробу воздуха с аэрозолем, некоторые из частиц которого несут электрический заряд, вводят в DEMC
потоком в форме тонкостенного кольцевого цилиндра, расположенного вокруг струи чистого, не
содержащего частиц воздуха. Прикладывая напряжение, создают электрическое поле между
внутренним и наружным электродами. Заряженная частица в присутствии электрического поля будет
перемещаться в этом поле и достигнет конечной скорости, когда динамическое тормозящее влияние
среды на частицу уравновесит движущую силу электрического поля. Заряженные частицы
соответствующей полярности в пределах пробы воздуха начинают смещаться поперек потока чистого
воздуха в направлении внутреннего электрода. В то же время поток чистого воздуха несет заряженные
частицы вниз. Небольшая доля заряженных частиц поступает в узкую окружную щель у нижней части
центрального электрода и уносится потоком воздуха к датчику (в направлении, помеченном q ). Меняя
3
напряжение, можно отобрать частицы с различной электрической подвижностью.
*
Z критическая подвижность частиц, выходящих из DEMC в направлении q
3
Рисунок 1 — Схематическая диаграмма DEMC, состоящего из концентрических цилиндров
При использовании в системе DMAS, измерение соответствующих параметров, таких как напряжение и
скорость потока (расход), и их хронометраж необходимо объединить с другими измерениями, такими
как измерение выходного сигнала датчика частиц. Эти параметры обычно контролируются с помощью
системного контролирующего устройства (контроллера), как показано на Рисунке 3.
4.2 Взаимосвязь между электрической подвижностью и размером частиц
Электрическая подвижность частицы зависит от ее размера и электрического заряда. Зависимость
между электрической подвижностью и размером частицы для сферических частиц можно описать
Уравнением (1):
6 © ISO 2009 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
pe
Z(,dp) = S (1)
c
3πηd
Поправка на скольжение, S , распространяет расчет на основе закона Стокса тормозящей силы,
c
действующей на сферическую частицу, движущуюся с низким числом Рейнольдса в газовой фазе, на
частицы размером порядка нанометра. Поправка аппроксимируется Уравнением (2), приведенным
далее
⎡⎤
⎛⎞C
SK=+1enA+Bxp − (2)
⎢⎥
c ⎜⎟
Kn
⎝⎠
⎣⎦
Подробное обсуждение поправки на скольжение приведено в Приложении C.
Динамическая вязкость и средняя длина свободного пробега молекул газа, используемые в
Уравнениях (1) и (2), соответственно, зависит от температуры и давления газа-носителя. Уравнения (3)
и (4) должны использоваться для расчета вязкости и средней длины свободного пробега для
температур и давлений, отличных от стандартной температуры и давления, T и P , установленных в
0 0
Таблице 1, соответственно.
3
2
⎛⎞
T ⎛⎞TS+
0
ηη=× × (3)
⎜⎟
0 ⎜⎟
TT +S
⎝⎠
⎝⎠0
2
⎛⎞
T ⎛⎞PT⎛ +S⎞
00
ll=× × × (4)
⎜⎟
0 ⎜⎟⎜ ⎟
TP T +S
⎝⎠⎝ ⎠
⎝⎠0
где S, константа Сазерленда, имеет значение, приведенное в Таблице 1.
Если в отчете об измерениях не установлено однозначно другое, то для расчета взаимосвязи между
электрической подвижностью и размером частиц в воздухе должны использоваться Уравнения (1) – (4)
и набор параметров, приведенных в Таблице 1.
Таблица 1 — Значения параметров, рекомендованных для расчета
электрической подвижности в зависимости от размера частиц в воздухе
Параметр Значение Примечания
−5 −1 −1
η
1,832 45 10 кг⋅м ⋅с
0
Для сухого воздуха при температуре
−8
l
6,730 × 10 м
0
T = 296,15 K; P = 101,3 kПa.
0 0
S
110,4 K
Все значения взяты из статьи:
A 1,165
J.H. Kim, G.W. Mulholland, S.R. Kukuck
B 0,483
and D.Y.H. Pui (2005).
C 0,997
4.3 Измерение и преобразование данных
Для данного приложенного электрического напряжения, U, отклик, R(U), датчика частиц на
аэрозольные частицы, поступающие в DEMC, задается Уравнением (5), которое называют основным
уравнением для ответного сигнала датчика при измерении электрической подвижности:
∞
∞
⎡⎤
RU=⋅q n d f d⋅ΩΦZ d,,pΔ (U) (W d,p)dd (5)
( ) () () ( )
∑ p
∫ ⎣⎦
2
d =0
p=1
© ISO 2009 – Все права сохраняются 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
где
W(d, p) коэффициент, связывающий ответ датчика со скоростью частиц;
Для счетчиков частиц конденсации (CPC), ответом является численная (счетная)
−1
концентрация частиц и W(d, p) = η (d ) q , где η (d ) это зависимая от размера
CPC CPC CPC
частиц эффективность детектирования CPC, а q это измеряемая скорость потока CPC.
CPC
Для электрометров с цилиндром Фарадея для измерения аэрозольных частиц (FCAE),
откликом является ток, а W(d, p) = p e η (d ), где η (d ) зависимая от размера частиц
FCAE FCAE
эффективность детектирования FCAE.
n(d ) dd численная (счетная) концентрация аэрозольных частиц в интервале диаметров dd вокруг
d;
f (d ) функция вероятности зарядки (см. 4.5 и Приложение A);
p
⎡⎤
ΩΦZ dp,, Δ (U) передаточная функция DEMC (см. 4.4 и Приложение E);
()
⎣⎦
Z(d, p) электрическая подвижность (см. 4.2);
ΔΦ(U) функция питающего напряжения и геометрии DEMC (см. 4.4 и Приложение E).
Если передаточная функция, Ω, функция распределения заряда, f (d ), и максимальный размер частиц
p
(см. 5.2.1) известны, распределение частиц по размерам можно рассчитать на основе измерений
DEMC. Подробности некоторых методов преобразования данных описаны в Приложении D.
4.4 Передаточная функция DEMC
Передаточная функция, Ω, DEMC определяется как вероятность того, что аэрозольная частица,
которая попадает в DEMC через вход для аэрозоля, покинет его через выход датчика. Это зависит от
электрической подвижности частицы, Z, от четырех объемных скоростей потока, от геометрии DEMC и
от электрического поля. Влияние геометрии и электрического поля на передаточную функцию
отражается членом ΔΦ, который является функцией геометрии и питающего напряжения DEMC. Для
данного подающегося напряжения, ΔΦ является постоянной.
Если пренебречь инерцией частиц, броуновским движением, пространственным зарядом и его
зеркальными силами, то передаточную функцию DEMC можно описать как усеченный равнобедренный
треугольник с половиной ширины, ΔZ, центрированной вокруг электрической подвижности, Z*, см.
Рисунок 2.
Детальное обсуждение передаточной функции на примере DEMC с концентрическими цилиндрами
можно найти в Приложении E.
8 © ISO 2009 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 15900:2009(R)
Рисунок 2 — Передаточная функция DEMC
4.5 Функция распределения заряда
Как установ
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15900
First edition
2009-05-15
Determination of particle size
distribution — Differential electrical
mobility analysis for aerosol particles
Détermination de la distribution granulométrique — Analyse de mobilité
électrique différentielle pour les particules d'aérosol
Reference number
ISO 15900:2009(E)
©
ISO 2009
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
PDF disclaimer
This PDF file may contain embedded typefaces. In accordance with Adobe's licensing policy, this file may be printed or viewed but
shall not be edited unless the typefaces which are embedded are licensed to and installed on the computer performing the editing. In
downloading this file, parties accept therein the responsibility of not infringing Adobe's licensing policy. The ISO Central Secretariat
accepts no liability in this area.
Adobe is a trademark of Adobe Systems Incorporated.
Details of the software products used to create this PDF file can be found in the General Info relative to the file; the PDF-creation
parameters were optimized for printing. Every care has been taken to ensure that the file is suitable for use by ISO member bodies. In
the unlikely event that a problem relating to it is found, please inform the Central Secretariat at the address given below.
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2009
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from either ISO at the address below or
ISO's member body in the country of the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2009 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions. 1
3 Symbols . 4
4 General principle. 5
4.1 Particle size classification with the DEMC. 5
4.2 Relationship between electrical mobility and particle size . 6
4.3 Measurement and data inversion. 7
4.4 Transfer function of the DEMC. 8
4.5 The charge distribution function. 8
5 System and apparatus. 9
5.1 General configuration. 9
5.2 Components . 10
6 Measurement procedures . 11
6.1 Setup and preparation of the instrument .11
6.2 Pre-measurement checks . 14
6.3 Measurement. 14
6.4 Maintenance . 15
7 Periodic tests and calibrations. 16
7.1 Overview . 16
7.2 Leak test . 16
7.3 Zero tests. 17
7.4 Flow meter calibration. 17
7.5 Voltage calibration. 17
7.6 Particle charge conditioner integrity test. 18
7.7 Calibration for size measurement . 18
7.8 Size resolution test. 19
7.9 Number concentration calibration . 20
8 Reporting of results. 20
Annex A (informative) Particle charge conditioners and charge distributions . 21
Annex B (informative) Particle detectors. 29
Annex C (informative) Slip correction factor. 33
Annex D (informative) Data inversion . 37
Annex E (informative) Cylindrical DEMC . 43
Annex F (informative) Size calibration of a DMAS with step-wise voltage change using particle
size standards . 49
Annex G (informative) Uncertainty . 52
Bibliography . 55
© ISO 2009 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 15900 was prepared by Technical Committee ISO/TC 24, Particle characterization including sieving,
Subcommittee SC 4, Particle characterization.
iv © ISO 2009 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
Introduction
Differential electrical mobility classification and analysis of airborne particles has been widely used to measure
a variety of aerosol particles ranging from nanometre-size to micrometre-size in the gas phase. In addition, the
electrical mobility classification of charged particles can be used to generate mono-disperse particles of
known size for calibration of other instruments. One notable feature of these techniques is that they are based
on simple physical principles. The techniques have become important in many fields of aerosol science and
technology, e.g. aerosol instrumentation, production of materials from aerosols, contamination control in the
semiconductor industry, atmospheric aerosol science, characterization of engineered nanoparticles, and so on.
However, in order to use electrical mobility classification and analysis correctly, several issues, such as the
slip correction factor, the ion-aerosol attachment coefficients, the size-dependent charge distribution on
aerosol particles and the method used for inversion of the measured mobility distribution to the aerosol size
distribution, need due caution.
There is, therefore, a need to establish an International Standard for the use of differential electrical mobility
analysis for classifying aerosol particles. Its purpose is to provide a methodology for adequate quality control
in particle size and number concentration measurement with this method.
© ISO 2009 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 15900:2009(E)
Determination of particle size distribution — Differential
electrical mobility analysis for aerosol particles
1 Scope
This International Standard provides guidelines on the determination of aerosol particle size distribution by
means of the analysis of electrical mobility of aerosol particles. This measurement is usually called “differential
electrical mobility analysis for aerosol particles”. This analytical method is applicable to particle size
measurements ranging from approximately 1 nm to 1 µm. This International Standard does not address the
specific instrument design or the specific requirements of particle size distribution measurements for different
applications, but includes the calculation method of uncertainty. In this International Standard, the complete
system for carrying out differential electrical mobility analysis is referred to as DMAS (differential mobility
analysing system), while the element within this system that classifies the particles according to their electrical
mobility is referred to as DEMC (differential electrical mobility classifier).
NOTE For differential electrical mobility measurements relating to Road Vehicle applications, please refer to relevant
national and international standards. ISO Technical Committee TC 22, Road vehicles, is responsible for developing
International Standards relating to road vehicles, components and measurements.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
aerosol
system of solid or liquid particles suspended in gas
2.2
attachment coefficient
attachment probability of ions and aerosol particles
2.3
bipolar charger
device to attain the equilibrium steady state of charging by exposing aerosol particles to both positive and
negative ions within the device
2.4
charge neutralization
process that leaves the aerosol particles with a distribution of charges that is in equilibrium and makes the net
charge of the aerosol nearly zero, which is usually achieved by exposing aerosol particles to an electrically
neutral cloud of positive and negative gas charges
2.5
condensation particle counter
CPC
instrument that measures the particle number concentration of an aerosol
NOTE 1 The sizes of particles detected are usually smaller than several hundred nanometres and larger than a few
nanometres.
© ISO 2009 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
NOTE 2 A CPC is one possible detector for use with a DEMC.
NOTE 3 In some cases, a condensation particle counter may be called a condensation nucleus counter (CNC).
2.6
critical mobility
instrument parameter of a DEMC that defines the electrical mobility of aerosol particles that exit the DEMC in
aerosol form, which may be defined by the geometry, aerosol and sheath air flow rates, and electrical field
intensity
NOTE Particles larger or smaller than the critical mobility migrate to an electrode or exit with the excess flow and do
not exit from the DEMC in aerosol form.
2.7
differential electrical mobility classifier
DEMC
classifier that is able to select aerosol particles according to their electrical mobility and pass them to its exit
NOTE A DEMC classifies aerosol particles by balancing the electrical force on each particle with its aerodynamic
drag force in an electrical field. Classified particles are in a narrow range of electrical mobility determined by the operating
conditions and physical dimensions of the DEMC, while they can have different sizes due to difference in the number of
charges that they have.
2.8
differential mobility analysing system
DMAS
system to measure the size distribution of submicrometre aerosol particles consisting of a DEMC, flow meters,
a particle detector, interconnecting plumbing, a computer and suitable software
2.9
electrical mobility
mobility of a charged particle in an electrical field
NOTE Electrical mobility can be defined as the migration velocity dependent on the strength of the electrical field, the
mechanical mobility and the number of charges per particle.
2.10
electrometer
device that measures electrical current ranging from about 1 femtoampere (fA) to about 10 picoamperes (pA)
2.11
equilibrium charge distribution
charging condition for aerosol particles that is stable after exposure to bipolar ions for a sufficiently long period
of time
NOTE Bipolar ions are positive and negative ions which are produced by either a radioactive source or a corona
discharge.
2.12
Faraday-cup aerosol electrometer
FCAE
electrometer designed for the measurement of electrical charges carried by aerosol particles
NOTE A Faraday-cup aerosol electrometer consists of an electrically conducting and electrically grounded cup as a
guard to cover the sensing element that includes aerosol filtering media to capture charged aerosol particles, an electrical
connection between the sensing element and an electrometer circuit, and a flow meter.
2 © ISO 2009 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
2.13
Knudsen number
Kn [ISO]
ratio of gas molecular mean free path to the radius of the particle, which is an indicator of free molecular flow
versus continuum gas flow
2.14
laminar flow
gas flow with no temporally or spatially irregular activity or turbulent eddy flow
2.15
migration velocity
steady-state velocity of a charged airborne particle within an externally applied electric field
2.16
particle charge conditioner
device used to establish a known size-dependent charge distribution on the sampled aerosol of an unknown
charging state, which is either a bipolar or unipolar charger
2.17
Peclet number
Pe [ISO]
dimensionless number representing the ratio of a particle’s convective to diffusive transport
2.18
Reynolds number
Re [ISO]
dimensionless number expressed as the ratio of the inertial force to the viscous force; for example, applied to
an aerosol particle or a tube carrying aerosol particles
2.19
slip correction
S
c
dimensionless factor that is used to correct the drag force acting on a particle for non-continuum effects that
become important when the particle size is comparable to or smaller than the mean free path of the gas
molecules
2.20
space charge
net charge spatially distributed in a gas
2.21
Stokes' drag
drag force acting on a particle that is moving relative to a continuum fluid in the creeping flow (low Reynolds
number) limit
2.22
system transfer function
transfer function defined as the ratio of the particle concentration at the particle concentration measurement
detector of a DMAS to the particle concentration at the inlet of the DMAS, which is normally expressed as a
function of electrical mobility
2.23
transfer function
ratio of particle concentration at the outlet of a DEMC to the particle concentration at the inlet of the DEMC,
which is normally expressed as a function of electrical mobility
© ISO 2009 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
2.24
unipolar charger
device to attain a steady-state charge distribution of aerosol particles by exposing them to either positive or
negative ions within the device
3 Symbols
For the purposes of this document, the following symbols are applied.
Symbol Quantity SI Unit
A, B, C elements of the slip correction factor defined in Equation (2) dimensionless
−3
C number concentration of an aerosol m
N
−1
c thermal velocity of an ion or molecule m s
2 −3
D diffusion coefficient of a particle or an ion in air m s
d aerosol particle diameter m
−1
E electric field strength in a DEMC V m
ε relative error
elementary charge
e
−19
= 1,602 177 × 10 C
Kn Knudsen number
Boltzmann constant
k
−23 −1
= 1,381 × 10 J K
effective active length of a DEMC, approximated by the axial distance between
L the midpoint of the aerosol entrance and the midpoint of the exit slit of a m
cylindrical DEMC
l mean free path of a molecule m
M mass of a molecule amu
m mass of an ion amu
Avogadro constant
N
A
23 –1
≈ 6,022 141 79(30) × 10 mol
−3
N number density of ions m
I
P atmospheric pressure Pa
p number of elementary charges on a particle (dimensionless)
Pe Peclet number (dimensionless)
3 −1
q , q , q , q flow rates of air (or gas) and of aerosol entering and exiting a DEMC m s
1 2 3 4
q aerosol air flow rate
a
r outer radius of inner cylinder of a cylindrical DEMC m
1
r inner radius of outer cylinder of a cylindrical DEMC m
2
Re Reynolds number (dimensionless)
S Sutherland constant ( =110,4 K at 23 °C and standard atmospheric pressure)
S slip correction (dimensionless)
c
T absolute temperature K
4 © ISO 2009 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
Symbol Quantity SI Unit
t residence time of an ion s
U DC voltage used to establish an electrical field in a DEMC V
3
V volume m
2 −1 −1
Z electrical mobility of a charged aerosol particle m V s
2 −1 −1
Z , Z , Z , Z critical electrical mobilities that describe the transfer function of a DEMC m V s
1 2 3 4
3 −1
β attachment coefficient of ions onto aerosol particles m s
γ recombination coefficient of ions (dimensionless)
δ radius of a limiting sphere m
−1 −1
η coefficient of dynamic viscosity of a gas kg m s
−3 −3
ι ion pair production rate m s
λ mean free path of an ion m
−3
ρ mass density of a particle kg m
4 General principle
4.1 Particle size classification with the DEMC
The measurement of particle size distributions with a DMAS is based on particle classification by electrical
mobility in a DEMC. The DEMC may be designed in many different ways; for example, coaxial cylindrical
DEMC, radial DEMC, parallel plate DEMC, etc. The coaxial cylindrical DEMC shown in Figure 1 is an example
of a widely used design. It consists of two coaxial, cylindrical electrodes with two inlets. One inlet (marked q
1
in Figure 1) is for filtered clean sheath air. The other inlet (marked q ) is for the aerosol sample air.
2
The aerosol sample air, some of whose particles are electrically charged, enters the DEMC as a thin annular
cylinder around a core of filtered, particle-free sheath air. By applying a voltage, an electric field is created
between the inner and outer electrodes. A charged particle in the presence of an electric field will migrate
within the field and reach a terminal migration velocity when the fluid dynamic drag on the particle balances
the driving force of the electric field. Charged particles of the correct polarity within the sample air begin to drift
across the sheath air flow towards the inner electrode. At the same time, the clean sheath air flow carries the
charged airborne particles downward. A small fraction of the charged particles enters the thin circumferential
slit near the bottom of the centre electrode and is carried by the air flow to the detector (in the direction
marked q ). By varying the voltage, particles of different electrical mobility are selected.
3
© ISO 2009 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
*
Z critical mobility of particles exiting the DEMC with q
3
Figure 1 — Schematic diagram of coaxial cylindrical DEMC
When used within a DMAS, measurements of relevant parameters such as voltage and flow and their timings
need to be combined with other measurements such as the output from the particle detector. These
parameters are usually controlled using a system controller as shown in Figure 3.
4.2 Relationship between electrical mobility and particle size
The electrical mobility of a particle depends on its size and its electric charge. The relationship between
electrical mobility and particle size for spherical particles can be described by Equation (1):
pe
Z(,dp) = S (1)
c
3πηd
The slip correction, S , extends the Stokes' law-based calculation of the drag force on a spherical particle
c
moving with low Reynolds number in a gas phase to nanometre-sized particles. It is approximated by the
expression given in Equation (2):
⎡⎤
⎛⎞C
SK=+1enA+Bxp − (2)
c ⎢⎥⎜⎟
Kn
⎝⎠
⎣⎦
For a detailed discussion of the slip correction, see Annex C.
The dynamic viscosity and the mean free path of gas molecules used within Equations (1) and (2),
respectively, depend on both the temperature and the pressure of the carrier gas. Equations (3) and (4) shall
be used to calculate the viscosity and the mean free path for temperatures and pressures different from the
reference temperature and pressure, T and P , specified in Table 1, respectively.
0 0
3
2
⎛⎞ TS+
T ⎛⎞
0
ηη=× × (3)
⎜⎟
0 ⎜⎟
TT +S
⎝⎠
⎝⎠0
2
⎛⎞ PT +S
T ⎛⎞⎛ ⎞
00
ll=× × × (4)
⎜⎟
0 ⎜⎟⎜ ⎟
TP T +S
⎝⎠⎝ ⎠
⎝⎠0
6 © ISO 2009 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
where S, the Sutherland constant, has the value given in Table 1.
Unless explicitly specified differently in the measurement report, Equations (1) to (4) and the set of parameters
given in Table 1 shall be used for the calculation of the relation between electrical mobility and particle size
in air.
Table 1 — Values of parameters recommended for the calculation
of the electrical mobility from the particle size in air
Parameter Value Remarks
−5 −1 −1
η
1,832 45 10 kg⋅m ⋅s
0
−8
l
6,730 × 10 m For dry air at T = 296,15 K; P = 101,3 kPa.
0
0 0
S 110,4 K
All values from:
A 1,165
J.H. Kim, G.W. Mulholland, S.R. Kukuck
and D.Y.H. Pui (2005).
B 0,483
C
0,997
4.3 Measurement and data inversion
For a given supply voltage, U, the response, R(U), of the particle detector to aerosol particles entering the
DEMC is given by Equation (5), which is called the basic equation for the response of the electrical mobility
measurement:
∞
∞
RUq=⋅nd f d⋅ΩΦ⎡⎤Zd,,p∆ (U) (Wd,p)dd (5)
( ) () () ( )
∑ p
⎣⎦
2 ∫
d =0
p=1
where
W(d, p) is the factor relating the detector response to the rate of particles;
For condensation particle counters (CPCs), the response is particle number concentration and
−1
W(d, p) = η (d ) q , where η (d ) is the size-dependent detection efficiency of the CPC
CPC CPC CPC
and q is the measuring flow rate of the CPC.
CPC
For Faraday-cup aerosol electrometers (FCAEs), the response is current and
W(d, p) = p e η (d ), where η (d ) is the size-dependent detection efficiency of the FCAE.
FCAE FCAE
n(d ) dd is the number concentration of aerosol particles in the diameter interval dd around d;
f (d ) is the charging probability function (see 4.5 and Annex A);
p
ΩΦ⎡⎤Z dp,, ∆ (U) is the transfer function of the DEMC (see 4.4 and Annex E);
()
⎣⎦
Z(d, p) is the electrical mobility (see 4.2);
∆Φ(U) is a function of the supply voltage and the geometry of the DEMC (see 4.4 and Annex E).
If the transfer function, Ω, the charge distribution function, f (d ), and the maximum particle size (see 5.2.1) are
p
known, the particle size distributions can be calculated based on the measurements with a DEMC. Details of
some methods of data inversion are described in Annex D.
© ISO 2009 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
4.4 Transfer function of the DEMC
The transfer function, Ω, of a DEMC is defined as the probability that an aerosol particle which enters the
DEMC at the aerosol inlet will leave via the detector outlet. It depends on the particle’s electrical mobility, Z, on
the four volumetric flow rates, on the geometry of the DEMC and on the electrical field. The influence of the
geometry and the electrical field on the transfer function is expressed by the term ∆Φ, which is a function of
the geometry and the supply voltage of the DEMC. For a given supply voltage, ∆Φ is constant.
If particle inertia, Brownian motion, space charge and its image forces are neglected, the transfer function of a
DEMC can be described as a truncated isosceles triangle with the half-width, ∆Z, centred around the electrical
mobility, Z*, as in Figure 2.
A detailed discussion of the transfer function for the example of a coaxial cylindrical DEMC can be found in
Annex E.
Figure 2 — Transfer function of a DEMC
4.5 The charge distribution function
As stated in 4.3, the particle size-dependent charge distribution function, f (d ), must be known to calculate the
p
particle size distribution of particles measured by a DEMC. In principle, a known charge distribution function
can be established either by bipolar or by unipolar charging. An aerosol particle charge conditioner (5.2.2) is
used for this purpose.
For unipolar charging, the achieved charge distribution depends on the technical design of the charger.
Therefore, the charge distribution function, f (d ), must be evaluated for each specific unipolar charger design.
p
The particle concentration to be charged must be limited in such a way that the depletion of the ion
concentration due to ion attachment to the particles does not lead to significantly reduced charges on the
particles. The instrument manufacturer or the user shall, by design or by measurement, ensure that the
method performs correctly and does not produce artefact particles. Unipolar charging is discussed further in
Annex A.
In a gaseous medium containing aerosol particles and a sufficiently high concentration of bipolar ions
produced e.g. by a radioactive source, an equilibrium charge distribution will develop on the aerosol as a
result of the random thermal motion of the ions and the frequent collisions between ions and aerosol particles.
The bipolar equilibrium charge distribution depends on the ion properties (ion mobility and ion mass), gas-
dynamic properties (diffusion coefficient of the ions and mean free path of the ions) and the ion-aerosol
attachment coefficient. Details are described in Annex A.
8 © ISO 2009 – All rights reserved
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 15900:2009(E)
The bipolar charging probability for spherical particles in air (293,15 K, 101,3 kPa) can also be calculated
[50] [24]
using the approximation by Wiedensohler (1988) in combination with a result from Gunn (1956) , given
in Annex A. This approximation compares well both with other theoretical calculations and experimental
results. Table 2 shows the results of this calculation.
Unless explicitly specified differently in the measurement report, values in Table 2 shall be used for the
determination of the charge distribution function, f (d ), for aerosol particles in air.
p
Table 2 — Bipolar charging probability f (d ) for spherical particles in air (293,15 K, 101,3 kPa), from
p
Equations (A.10) and (A.11)
d
Charging probability
p
nm −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 6
1 0 0 0 0 0 0,004 80,999 30,004 50 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0 0,008 30,974 20,007 50
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.