光散射式數(shù)字粉塵測試儀的標(biāo)定及不確定度分析

郜津慧

王智超①②

楊英霞②

孫海莉②

（①沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽110168；②中國建筑科學(xué)研究院，北京100013）

0 引言

2010年由美國太空總署公布的2001年到2006年全球PM2.5數(shù)值圖顯示我國大多地區(qū)空氣污染嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在對人體健康的危害、植物和生態(tài)系統(tǒng)的影響、能見度降低及材料腐蝕等方面，為避免空氣質(zhì)量繼續(xù)惡化，國家相繼出臺多項(xiàng)政策與標(biāo)準(zhǔn)，在GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對顆粒物(PM10)濃度限定標(biāo)準(zhǔn)，年平均一級、二級標(biāo)準(zhǔn)分別為 40、100μg/m3，日平均分別為 50、150μg/m3，對顆粒物(PM2.5)濃度限定標(biāo)準(zhǔn)，年平均一級、二級標(biāo)準(zhǔn)分別為 15、35μg/m3，日平均分別為 35、75μg/m3。

在環(huán)境保護(hù)、勞動衛(wèi)生和安全防疫等管理中，粉塵測量也是一個重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在市場上廣泛應(yīng)用的直接讀取數(shù)值的粉塵測試儀因其工作原理不同分為光散射式、β射線式、交流靜電感應(yīng)式等等，也因此在測量過程中，測量數(shù)值比對相差懸殊，難免讓測試人員疑惑測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性，為了得到可靠數(shù)據(jù)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG 846-1993《光散射式數(shù)字粉塵測試儀》將粉塵測試儀溯源到天平稱重，以實(shí)現(xiàn)所有儀器測量值的統(tǒng)一性和溯源性。

1 粉塵儀濃度及轉(zhuǎn)化系數(shù)的測定

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG 846-1993《光散射式數(shù)字粉塵測試儀》對儀器AM510進(jìn)行標(biāo)定，采用DEHS氣溶膠作為塵源，標(biāo)定濃度分別控制在 0.5mg/m3、1.0mg/m3、2.0mg/m3、3.0mg/m3（偏差為±10%），該實(shí)驗(yàn)通過將粉塵測試儀溯源到天平對濾膜的稱重，得出轉(zhuǎn)換系數(shù)k，從而實(shí)現(xiàn)對粉塵儀的標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 粉塵儀的標(biāo)定系統(tǒng)

在試驗(yàn)過程中要注意，一是保證粉塵儀與大氣采樣裝置同時、平行采樣；二是采樣前后將濾膜放入溫濕度恒定在15-30℃、45%-55%中某一點(diǎn)的環(huán)境中穩(wěn)定24h后進(jìn)行稱重。稱重結(jié)束后對測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，粉塵儀和采樣裝置測得質(zhì)量濃度之間的相對誤差以及轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算。

E——相對誤差，（%）；

ρ1——粉塵儀測得校正粒子的質(zhì)量濃度，（mg/m3）；

ρ2——采樣裝置測得校正粒子的質(zhì)量濃度，（mg/m3）。

m1——采樣前濾膜的質(zhì)量，（mg）；

m2——采樣后濾膜的質(zhì)量，（mg）；

V——采氣體積，（L）。

B——粉塵儀的基底值，此處取0.001mg/m3。

ki——在第i個標(biāo)定濃度下的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，在各標(biāo)定濃度下光散射式數(shù)字粉塵測試儀的測量誤差基本≤10%，數(shù)據(jù)顯示，該粉塵儀的測量結(jié)果偏差不大，但為保證在實(shí)際測量中更接近真值，采用測量值與轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積作為真值的最佳估計(jì)值，k=0.97837，然而，在標(biāo)定過程中，往往由于人為因素或儀器本身存在的誤差，標(biāo)定結(jié)果不可避免地存在著不確定度，所以，對測量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析成為標(biāo)定過程中不可或缺的一部分。

表1 各濃度下相對誤差的比對與轉(zhuǎn)化系數(shù)k值計(jì)算表

2 測量結(jié)果的不確定度評定

測量不確定度就是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。所以，測量結(jié)果表述必須同時包含賦予被測量的值及與該值相關(guān)的測量不確定度，才是完整并有意義的。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型可以看出，對大氣采樣裝置引入的誤差包括濾膜增重、大氣采樣器的流量計(jì)和計(jì)數(shù)器，而濾膜增重又包括稱量過程中的重復(fù)性誤差和天平自身存在的誤差；待校準(zhǔn)粉塵儀的誤差來源主要是在測量過程中測量值的不穩(wěn)定性。

2.2 靈敏系數(shù)的計(jì)算 靈敏系數(shù)描述了輸入估計(jì)值xi的微小變化△xi所引起的輸出量的微小變化△yi。按下式進(jìn)行計(jì)算，Cri（xi）=?（yi）/?（xi）

yi——輸出量；

xi——輸入量。

2.3 分量不確定度的計(jì)算 對測量結(jié)果進(jìn)行A類不確定度評定和B類不確定評定，以及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度的分析，結(jié)果如表2、3所示。

2.3.1 A類不確定度評定

影響測量結(jié)果重復(fù)性的因素主要有測量儀器的變動性、人員操作和讀數(shù)差異、樣品不均勻等因素。濾膜稱重過程、粉塵儀測量過程都伴隨有重復(fù)性誤差，由此帶來的A類不確定度uA計(jì)算如下：

表2 分量不確定度計(jì)算表

表3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度計(jì)算表

2.3.2 B類不確定度評定

①大氣采樣器的不確定度。

經(jīng)標(biāo)定該大氣采樣器在20L/min流量點(diǎn)測量不確定度為1.18%（k=2），則該大氣采樣器的流量計(jì)引入的不確定度分量計(jì)算如下：

②電子天平的不確定度。

電子天平不確定度的計(jì)算公式如下式所示：

其中，S——電子天平最大示值誤差；

M——對應(yīng)的示值刻度；

K——分布類別，按矩形分布估計(jì)，取K=3 。

2.4 合成不確定度的計(jì)算 采樣濾膜增重的不確定度包括人為因素等引起的重復(fù)性誤差u（m）和天平自身存在的不確定度u（w），則濾膜增重引起的不確定度計(jì)算：

合成不確定度按下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，y——輸出量；xi——輸入量；

Cri——各輸入量的靈敏系數(shù)。

2.5 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

up=k·u（y）

up——擴(kuò)展不確定度；

k——包含因子一般取2～3，在這里k取2。

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了對TSI光散射式粉塵儀AM510的標(biāo)定與不確定度分析，得到轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.97837，最大擴(kuò)展不確定度達(dá)6.373%≤10%，數(shù)據(jù)顯示，該粉塵儀作為標(biāo)準(zhǔn)粉塵儀對其他設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定是符合標(biāo)準(zhǔn)的，可以投入使用。

但是，在分量不確定度的計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，不確定度的主要來源是粉塵儀測量過程中不穩(wěn)定帶來的誤差，最高可達(dá)69%，影響粉塵儀測量不穩(wěn)定的因素如塵源、溫濕度，實(shí)驗(yàn)裝置的密封性等推動著我們下一步的研究。

[1]JJG 846-1993，光散射式數(shù)字粉塵測試儀[S].北京:中國計(jì)量出版社，1993，8.

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