低濃度粉塵測量儀檢定裝置的應用及測量結果的不確定度評定

顧晶晶

摘 要：隨著生產工藝精度的提高，人們對粉塵濃度的要求越來越高；隨著霧霾情況的加劇，國家對粉塵顆粒和煙塵濃度的監測也越來越普遍，因此，對低濃度粉塵測量儀的計量的準確性要求越來越高。根據JJG846-2015《粉塵濃度測量儀檢定規程》要求，對低濃度粉塵測量儀進行不確定度進行分析，闡明不確定的來源，給出測量結果的不確定評定方法，通過實際測量，對低濃度粉塵測量儀的做出具體分析。

關鍵詞：低濃度；粉塵測量儀；不確定度；評定

中圖分類號：TH83 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0071-02

隨著采礦業不斷發展，工業規模的不斷擴大和科學技術的迅速發展，粉塵帶來的危害也逐漸加大。越來越多的人患上呼吸道疾病，嚴重患上塵肺病。此外，粉塵還容易引起燃燒和爆炸。現如今，生產工藝的加工精度要求不斷提高，生產工藝對無塵或微塵的要求越來越高，因此，對粉塵濃度監測的準確性要求越來越高。近年來，全國各地的霧霾情況越來越頻繁和加劇，PM2.5嚴重超標，準確監測這些粉塵顆粒和煙塵濃度，可以為環保部門控制空氣污染提供依據。

為了確保低濃度粉塵測量儀計量的準確性，我們引進了低濃度粉塵測量儀檢定裝置。

1 低濃度粉塵測量儀檢定方法

低濃度粉塵測量儀檢定裝置主要分為4個部分：發塵裝置部分、擴散腔、檢測腔和除塵裝置部分，如圖1所示。

發塵裝置采用Wright原理，裝置的頂部有一個旋轉的刷子，刷子勻速轉動，塵柱被刷子磨蝕后，形成大量的顆粒物，顆粒物分散開來，被高壓氣流帶入稀釋腔，再經過2米長的擴散腔，最后到達檢測腔。在稀釋腔里，有一管路為清潔空氣，可以根據需要對粉塵進行再次稀釋。擴散腔比較高，可以讓粉塵更好的沉降和稀釋，使粉塵更均勻混合，減少測量誤差。在檢測腔里的底部，裝有橫豎排列的鐵架，鐵架上可以放置若干臺被測粉塵測量儀和濾膜采樣裝置。由于檢測腔面積很大，濾膜的截面積與它比起來，微乎其微，可以忽略不計，我們可以近似的認為檢測腔內的粉塵沒受到有影響，還是均勻的。在裝置的底部安裝一個風機，風機會產生負壓，一方面為過濾過的潔凈空氣進入稀釋腔提供動力，一方面將穿過檢測器的粉塵氣溶膠吸走。

待粉塵均勻穩定后，啟動標準采樣裝置，裝置內放置一片已經稱量過其質量的濾膜，質量記為m1，設定標準采樣裝置的采樣時間和采樣流量，分別為t和qv，在啟動標準采樣裝置的同時，放入被檢粉塵測量儀。待采樣完畢，讀取被檢粉塵測量儀的示值，記為c1，同時，將標準采樣裝置的濾膜取下并稱量其質量，記為m2。

裝置的粉塵濃度用公式（1-1）計算。

（1-1）

式中：c0——標準粉塵的質量濃度，mg/m3；

m1——采樣前濾膜的質量，mg；

m2——采樣后濾膜的質量，mg；

qv——標準裝置的采樣流量，L/min；

t——采樣時間，min。

粉塵濃度測量儀的示值誤差用公式（1-2）表示。

（1-2）

式中：——示值誤差

c1——被檢粉塵測量儀的示值

c0——標準粉塵的質量濃度

2 低濃度粉塵測量儀不確定度評定

（1）測量依據，JJG846-2015《粉塵濃度測量儀檢定規程》。

（2）環境條件，溫度：（15～30）℃，濕度≤85%。

（3）測量設備。低濃度粉塵發生裝置、標準采樣裝置（用粉塵采樣器代替）、電子天平（精確到0.1mg）、電子秒表（精確到0.01s）。

（4）測量對象，低濃度粉塵測量儀。

（5）測量過程，利用稱重法，測定粉塵測量儀的顯示值。

（6）測量模型

A類不確定度評定。

選取5mg/m3左右點來評定。由于發塵裝置有若干個檔位，測量的時候選用固定的檔位連續發塵。記錄低濃度粉塵測量儀的數據，分別為：（單位mg/m3）

5.304；5.493；5.538；5.621；5.396；5.452；5.228；5.406；5.352；5.540

平均值：

根據貝塞爾公式，得到s=0.110mg/m3

重復測量10次，測量結果的不確定度為：

B類不確定度評定。

對整個低濃度粉塵測量儀檢定裝置來說，響應其不確定的因素主要有以下幾個方面：

（1）儀器的最小分辨力引入的不確定度分量。低濃度粉塵測量儀顯示值的最小分度值d=0.001mg/m3，則區間半寬度a=d/2=0.0005 mg/m3， 假定是按均勻分布，則有儀器分辨力引入的不確定分量：

（2）發塵的不均勻性引入的不確定度。在檢測腔的中間位置安裝一個標準采樣裝置，記為1號采樣裝置。在相同的橫截面上，距離1號相鄰和四周（按前后左右均勻放置）處安裝另一個采樣裝置，記為2號采樣裝置。發塵濃度保持在5 mg/m3。這兩個采樣設備的采樣率設置為20L/min，采樣時間設定在20min，以2號采樣裝置和1號采樣裝置之差的最大值來評定裝置的不確定度，檢測結果如表1所示。

由上表可以看出，2號采樣裝置和1號采樣裝置差值的最大值，按均勻分布，則有

（3）塵箱的不穩定性引入的不確定度。我們用一臺可以連續采樣并能儲存數據的低濃度粉塵測量儀，平均2分鐘采樣一次，一共采樣20分鐘。選取5mg/m3點左右發塵，發塵穩定后，放入被檢粉塵儀。數據記錄如下（單位mg/m3）。

5.341；5.353；5.482；5.444；5.565；5.203；5.625；5.701；5.448；5.242

實驗標準偏差：

單次測量的的標準差，也就是塵箱的不穩定性引入的不確定度為

（4）電子天平引入的不確定度。電子天平經計量機構檢定，其誤差為0.2mg。天平在檢測過程中用到兩次，兩次的影響不互相關，因此，天平引入的不確定度為

在測量中，標準采樣裝置，采樣流量設定為20L/min，采樣時間設置為20min，根據公式

即：

天平相對于裝置的靈敏度系數為：

，

天平引入的不確定度分量為：

（5）粉塵采樣器引入的不確定分量。標準采樣裝置經江蘇省計量院檢定，最大允許誤差為±0.2L/min，假設標準采樣裝置均勻分布，，則有，

標準采樣裝置相對于整個裝置的不確定度分量：

，

經過稱量，m1=142.2mg；m2=144.2mg，=2mg

在測量的時候將粉塵采樣器的采樣流量設為20L/min，采樣時間設定為20min。

將數據代入公式，得到

（6）標準采樣器的采樣時間引入的不確定分量。標準采樣裝置的采樣時間的不確定度分量對裝置的貢獻很小，可以忽略不計。

3 不確定度的合成

（1）靈敏系數。

測量模型：

靈敏度系數：

（2）標準不確定度一覽表（表2）。

（3）不確定度的合成。

以上不確定度分量是互不相關的，對此進行合成：

（4）擴展不確定度。

取置信因子k=2，則示值誤差的擴展不確定度為：

因此，對于低濃度粉塵測量儀檢定裝置，在5.430mg/m3點測量結果的不確定度是U=0.8 mg/m3（k=2）。

參考文獻

[1]JJG846-2015粉塵濃度測量儀檢定規程[S].

[2]JJF1059-2012測量不確定度評定及表示[S].

[3]沈正生，張國城，范人杰，等.一種低濃度粉塵儀檢定裝置的建立與應用[J].計量技術，2015（10）.