光散射式數字粉塵測試儀的標定及不確定度分析

郜津慧

王智超①②

楊英霞②

孫海莉②

（①沈陽建筑大學市政與環境工程學院，沈陽110168；②中國建筑科學研究院，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數值圖顯示我國大多地區空氣污染嚴重，主要表現在對人體健康的危害、植物和生態系統的影響、能見度降低及材料腐蝕等方面，為避免空氣質量繼續惡化，國家相繼出臺多項政策與標準，在GB3095-2012《環境空氣質量標準》中對顆粒物(PM10)濃度限定標準，年平均一級、二級標準分別為 40、100μg/m3，日平均分別為 50、150μg/m3，對顆粒物(PM2.5)濃度限定標準，年平均一級、二級標準分別為 15、35μg/m3，日平均分別為 35、75μg/m3。

在環境保護、勞動衛生和安全防疫等管理中，粉塵測量也是一個重要環節，現在市場上廣泛應用的直接讀取數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、交流靜電感應式等等，也因此在測量過程中，測量數值比對相差懸殊，難免讓測試人員疑惑測試數據的真實性，為了得到可靠數據，依據標準JJG 846-1993《光散射式數字粉塵測試儀》將粉塵測試儀溯源到天平稱重，以實現所有儀器測量值的統一性和溯源性。

1 粉塵儀濃度及轉化系數的測定

依據標準JJG 846-1993《光散射式數字粉塵測試儀》對儀器AM510進行標定，采用DEHS氣溶膠作為塵源，標定濃度分別控制在 0.5mg/m3、1.0mg/m3、2.0mg/m3、3.0mg/m3（偏差為±10%），該實驗通過將粉塵測試儀溯源到天平對濾膜的稱重，得出轉換系數k，從而實現對粉塵儀的標定。標定系統如圖1所示。

圖1 粉塵儀的標定系統

在試驗過程中要注意，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%中某一點的環境中穩定24h后進行稱重。稱重結束后對測量結果進行計算和分析，粉塵儀和采樣裝置測得質量濃度之間的相對誤差以及轉換系數的計算。

E——相對誤差，（%）；

ρ1——粉塵儀測得校正粒子的質量濃度，（mg/m3）；

ρ2——采樣裝置測得校正粒子的質量濃度，（mg/m3）。

m1——采樣前濾膜的質量，（mg）；

m2——采樣后濾膜的質量，（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個標定濃度下的轉換系數。

經對比發現，在各標定濃度下光散射式數字粉塵測試儀的測量誤差基本≤10%，數據顯示，該粉塵儀的測量結果偏差不大，但為保證在實際測量中更接近真值，采用測量值與轉換系數的乘積作為真值的最佳估計值，k=0.97837，然而，在標定過程中，往往由于人為因素或儀器本身存在的誤差，標定結果不可避免地存在著不確定度，所以，對測量結果進行不確定度分析成為標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化系數k值計算表

2 測量結果的不確定度評定

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

2.1 建立數學模型

根據建立的數學模型可以看出，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和計數器，而濾膜增重又包括稱量過程中的重復性誤差和天平自身存在的誤差；待校準粉塵儀的誤差來源主要是在測量過程中測量值的不穩定性。

2.2 靈敏系數的計算 靈敏系數描述了輸入估計值xi的微小變化△xi所引起的輸出量的微小變化△yi。按下式進行計算，Cri（xi）=?（yi）/?（xi）

yi——輸出量；

xi——輸入量。

2.3 分量不確定度的計算 對測量結果進行A類不確定度評定和B類不確定評定，以及合成標準不確定度和擴展不確定度的分析，結果如表2、3所示。

2.3.1 A類不確定度評定

影響測量結果重復性的因素主要有測量儀器的變動性、人員操作和讀數差異、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性誤差，由此帶來的A類不確定度uA計算如下：

表2 分量不確定度計算表

表3 合成標準不確定度和擴展不確定度計算表

2.3.2 B類不確定度評定

①大氣采樣器的不確定度。

經標定該大氣采樣器在20L/min流量點測量不確定度為1.18%（k=2），則該大氣采樣器的流量計引入的不確定度分量計算如下：

②電子天平的不確定度。

電子天平不確定度的計算公式如下式所示：

其中，S——電子天平最大示值誤差；

M——對應的示值刻度；

K——分布類別，按矩形分布估計，取K=3 。

2.4 合成不確定度的計算 采樣濾膜增重的不確定度包括人為因素等引起的重復性誤差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算：

合成不確定度按下式進行計算：

其中，y——輸出量；xi——輸入量；

Cri——各輸入量的靈敏系數。

2.5 擴展不確定度的計算

up=k·u（y）

up——擴展不確定度；

k——包含因子一般取2～3，在這里k取2。

3 結論

通過以上實驗和數據分析，實現了對TSI光散射式粉塵儀AM510的標定與不確定度分析，得到轉換系數為0.97837，最大擴展不確定度達6.373%≤10%，數據顯示，該粉塵儀作為標準粉塵儀對其他設備進行標定是符合標準的，可以投入使用。

但是，在分量不確定度的計算過程中發現，不確定度的主要來源是粉塵儀測量過程中不穩定帶來的誤差，最高可達69%，影響粉塵儀測量不穩定的因素如塵源、溫濕度，實驗裝置的密封性等推動著我們下一步的研究。

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