級聯衝擊取樣器

級聯衝擊取樣器（cascade impactor），簡稱級聯衝擊器，是指用衝擊的原理，按衝量大小，可以同時分別採集不同粒徑顆粒物的一種採樣器。

級聯衝擊取樣器是利用慣性原理對粒子進行取樣和分級的。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件組成。級聯衝擊取樣器使用時一般包括三個步驟，即測定前的準備工作，取樣和分析捕集的樣品。

基本介紹

• 中文名：級聯衝擊取樣器
• 外文名：cascade impactor
• 學科：空氣品質術語
• 簡稱：級聯衝擊器
• 作用原理：慣性原理
• 使用步驟：測定前準、取樣和分析

定義

級聯衝擊取樣器（cascade impactor），簡稱級聯衝擊器，是指用衝擊的原理，按衝量大小，可以同時分別採集不同粒徑顆粒物的一種採樣器。級聯衝擊取樣器既可以用來測定大氣或工人操作地點的粉塵粒度分布，也可以用來測定管道中的粉塵粒度分布。

作用原理

級聯衝擊取樣器是利用慣性原理對粒子進行取樣和分級的。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件組成。其作用原理如圖1所示：

圖1 基本構造

一個（或若干個）噴咀和一塊平板組成一個衝擊級，幾級串聯起來就稱為級聯衝擊取樣器。使用時把含塵空氣抽進儀器，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，進入串聯的第二級，塵粒則由於本身的慣性可能與平板碰撞而被捕集。因為衝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。

理想的衝擊器每一級應當能捕集大於某一粒度的所有粒子，而小於這一粒度的粒子則都不被捕集。設計衝擊器應力求達到這一理想狀況。但是，由於一些因素的影響，實際上現有的衝擊器都做不到這一點，而是把理想的直線改變為“S”形的曲線。

基本公式

慣性碰撞參數N₁是用來衡量慣性作用大小的一個無因次參數，其計算公式如下：

式中 —粒子的質量濃度，g/cm；

c—肯寧漢修正係數；

v₁—射流的平均速度，cm/s；

d_p—粒子直徑，μm；

μ—流體的動力粘滯係數，泊；

w—射流寬度或直徑，cm；

上式是設計級聯衝擊取樣器的基本公式。

構造型式

級聯衝擊取樣器是K·R·May在1945年首創的。至今，這種儀器已經發展成許多不同的構造型式，比較普通的是採用孔口形噴咀，以平的淺盤做捕集板。表1是美國生產的幾種可供管道取樣用的級聯衝擊取樣器。

表1美國生產的級聯衝擊取樣器

圖3華盛頓大學Ⅲ型級聯衝擊器

華盛頓大學Ⅲ型級聯衝擊器（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。第1級只有一個噴咀一即取樣咀的出口。包括取樣咀在內的衝擊器總長為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加工或雷射光束等方法製成。衝擊器的取樣咀是可以更換的，應根據等速取樣的要求選擇：樣品進衝擊器後；大粒子脫離氣流與第一級捕集板碰撞，較小的粒子則隨同氣流經過捕集板周邊的環形縫隙流入第2級。除第1級捕集板外，其餘各級捕集板都是環形的，氣體經過這些捕集板的中心流入下一級。在第7級後面還設有濾料，用以捕集所有剩餘的粒子。這一層濾料可以用紙、玻璃纖維、多孔金屬薄片、多孔有機物（如塑膠）或其它適當的材料。

圖3華盛頓大學Ⅲ型級聯衝擊器

表2 三種級聯衝擊器的理論粒度分級點（微米）

級	安德森Ⅲ型 14升/分	華盛頓大學 14升/分	布林克 0.85升/分
旋風分離器	-	-	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	-	-

使用方法

上述級聯衝擊取樣器可以對大於0.3微米的粒子分級。使用時一般包括三個步驟，即測定前的準備工作，取樣和分析捕集的樣品。

測定前準備

準備工作包括清理衝擊器，在捕集固體粒子的板上塗一層油，稱量捕集板或捕集板襯底的重量。

取樣

圖4管道取樣系統

在管道中取樣可採用圖4那樣的系統。

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。

把衝擊器放入管道後，為了防止產生冷凝水，可在取樣前先把取樣咀對著下游預熱約10~30分鐘，然後再掉轉方向對著上游開始取樣，並記錄取樣時間、氣體溫度和乾氣體流量計處的靜壓。

分析樣品

取樣後把衝擊器拆開，稱捕集板或襯底重量，再計算粒度分布。

注意事項

（1）壁損失（或稱級間損失）

管道取樣，通常是把衝擊器直接放在管道內，不接取樣管，以避免粒子滯留在取樣管內造成誤差，並可減少冷凝問題。雖然如此，粒子還會由於碰撞、擴散、沉降、電力等原因而留在取樣咀和衝擊器的其它壁面上。每一級的損失量可能達到和該級捕集的粒子一樣多。壁損失量和粒度有關。因此，它對粒度分布和質量濃度的測定可能造成大的誤差。對這個問題應當一方面從改進衝擊器的結構設計著手，儘量減少壁損失，另一方面應對各種級聯衝擊器進行試驗，測定其壁損失，加以修正。

（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，就可能把已經沉降在捕集板上的粒子吹掉，或使粒子從捕集板上彈回。據試驗，當速度約大於了35米/秒時，就會有嚴重的帶走粒子現象。某些材料的粒子在小於這個速度時，也可能重返氣流。射流速度高還會使壁損失增加。

防止粒子重返氣流的一個辦法，是在捕集板上塗適當的粘性油。可以將高真空矽脂或某些甘醇化合物放在苯中做成10~15%的懸膠液或溶液，然後把適當量(每一級小於為毫克)的這種懸膠液均勻地塗在捕集板上，形成只有“指紋”厚的一層(否則就會被吹掉)，讓苯蒸發後，把加上塗層的捕集板在205℃下烘約1小時，然後保乾，直到實際使用。即使塗了油脂，射流速度也不能大於65米/秒，否則就可能把油和粒子吹掉，而造成測定誤差。因此，在使用衝擊器時要注意氣體流率，不能大於某極限值。

另一個可以儘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衝擊表面，形成的捕集效率曲線不如衝擊在光滑表面上的陡。

（3）稱重準確性

表面覆蓋油脂的捕集板，在粘附了一層粒子以後，如果繼續使用就可能出現粒子重返氣流的現象。因此，衝擊器各級捕集的粒子不應過負荷。現有各級聯衝擊器一般每一級捕集的樣品不能超過大約10毫克。應當根據這個要求和採用的取樣流率以及預計濃度來確定取樣時間。因為最大的級負荷大約只有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，這樣有些衝擊級就只能捕集大約幾十或幾百微克的樣品了，所以要取得準確的結果，稱重的精確性和靈敏度必須達到10~30微克。

（4）顯著不同的粒子濃度

除塵器進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，在其進出口應分別採用不同的級聯衝擊器，否則就會產生嚴重的誤差。例如，假定一台除塵器有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節，但也不能調節到足以彌補粒子濃度的這種差異。因為極高的流率會造成粒子重返氣流，而且入口又不宜採用流率高的取樣器，否則取樣時間過短，可能由於管道內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。所以一般應在除塵器入口採用流率低的衝擊器，而在出口採用流率高的衝擊器。取樣時分別用它們的最佳流率運行。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荷的要求來確定。

（5）靜電影響

在煙道氣粒子上可能存在靜電荷，使級,聯衝擊器的取樣發生誤差。在這種情況下最好把電荷中和器和級聯衝擊器結合使用。

（6）等速取樣

使用級聯衝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於2毫米的取樣咀)。因此，在分析測定數據時，應考慮不等速取樣的影響。