煙塵采樣器瞬時和累積流量示值誤差的不確定度評定及思考

常穎+楊佳+王曉明+王振國

摘要：本文對我國空氣環境問題的危害、煙塵采樣器量值溯源的重要性進行了討論，根據JJG 680-2007對煙塵采樣器的瞬時流量示值誤差和累積流量示值誤差進行了檢定，并根據JJF1059.1-2012中規定的方法和要求進行檢定結果的不確定度評定。

關鍵詞：煙塵采樣器；瞬時流量示值誤差；累積流量示值誤差；不確定度

中圖分類號：X851 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）04-0245-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.119

Abstract： In this paper， the importance of airborne environmental problems and the importance of traceability of soot sampler are discussed. According to JJG 680-2007， the instantaneous flow indication error and cumulative flow indication error of smoke and dust sampler are tested. The uncertainty of the test results is based on the method and requirements specified in JJF1059.1-2012.

Key words： smoke and dust sampler； instantaneous flow indication error； cumulative flow indication error； uncertainty

近年來，京津翼三地霧霾現象頻發，嚴重地影響了人民群眾的身體健康和我國城市在世界的形象。為了應對大氣污染引發的霧霾現象，國家大力發展環保事業，“十一五”以來，環保工作堅持全面推進重點突破，把污染防治作為環境保護的重中之重。

大氣污染物中的氣溶膠是指沉降速度可以忽略的固體粒子、液體粒子或固體和液體粒子在氣體介質中的懸浮體，如粉塵、煙塵、霧等。各國科學家們不斷研究大氣污染物中顆粒物的危害，研究表明，大氣污染與肺癌之間有因果關系[1]，肺癌風險與PM10和PM2.5均相關，這兩種污染物的增加量與肺腺癌的發生亦有關聯，PM2.5濃度每升高10μg/m3，將導致15%～27%的肺癌死亡率增加。PM2.5的健康危害除了影響呼吸道和肺功能，更為公認的是心血管疾病。此外，空氣污染還被證實[2-3]與出生缺陷率提高以及新生兒體重過低有關，影響孩子一生。顆粒物更詳細準確的健康危害表述可參閱美國環保署的2009年的顆粒物的綜合科學評價報告[4]。

隨著國家環境治理與監測工作的深入，天津市及各區縣的環保監測、疾病預防控制中心以及防疫站等單位近年來不斷增加采樣器的種類與數量，同時，具備環境檢測能力的民營企業數量也在逐步增加。為了更好地進行檢定工作，保證污染源監測、污染事故應急監測、污染物總量控制監測、污染源解析監測、環境污染治理工程效果監測等工作的順利進行，需要準確可靠科學的計量器具，保證監測結果的準確性。

1 目前煙塵采樣器存在的問題

煙塵采樣器[5]是用于測量煙道、煙囪及一般含塵管道中氣體的粉塵濃度的儀器，將煙塵采樣管由采樣孔放入煙道中，將采樣嘴置于測點上，正對氣流方向，按等速采樣要求抽取一定量的含塵氣體，根據濾筒捕集的煙塵重量以及抽取的氣體體積，計算顆粒物的排放濃度及排放總量。

目前進行監測的計量器具中存在有些設備精度和穩定性均達不到要求；有些設備波動大，穩定性差，測量數據不準確。環保計量器具不準確，使得設備本身數據達不到計量要求和測量要求，影響實際測量數據的準確性和規劃前期數據，使得計量器具無法滿足環保監測的需要。對于環保計量器具尤其是煙塵采樣器進行檢定裝置測量不確定度評價，可以得到更準確的監測數據。

在平時的檢定工作中，我們對不同廠家不同型號的機器做了大量的實驗，得到了大量的實驗數據，下面對某廠家3012H型煙塵采樣器的測量結果不確定度進行評定[5-6]。測量環境條件為溫度（10～35）℃，相對濕度≦85%RH；測量標準器為煙塵采樣器標準裝置（以下簡稱“標準裝置”）；待測煙塵采樣器的采樣流量在60L/min以內。

2 煙塵采樣器不確定度分析與評定

2.1 采樣器瞬時流量示值誤差的不確定度分析與評定

2.1.1 數學模型

式中：qv——儀器瞬時流量示值，L/min；qvs——流量標準器或裝置的兩次測量結果平均值，L/min；qmax——儀器瞬時流量的滿量程值，L/min。

2.1.2 各輸入量的不確定度分量

（1）輸入量qv的不確定度分量

輸入量qv主要是測量重復性引入的不確定度分量，根據檢定規程[6]，對采樣器進行檢定，分別在20、40、50L/min流量點，在重復性條件下測量10次，數據如下（L/min）：19.82、19.48、19.62、19.58、19.54、19.64、19.60、19.55、19.46、19.49；38.62、38.86、38.69、38.79、38.76、39.07、38.72、38.70、38.84、38.97；48.60、48.64、48.61、48.55、48.51、48.59、48.43、48.47、48.35、48.28。按貝塞爾公式計算得到各流量點的單次測量實驗標準差，由于在實際檢定中，取兩次測量結果的平均值作為測量結果，故測量重復性引入的相對不確定度分量為：

經計算，20、40、50L/min流量點的分別為0.37%、0.24%和0.17%。

（2）輸入量qvs的不確定度分量

a）標準裝置引入的不確定度分量。由國家計量院校準報告，標準裝置流量擴展不確定度最大為1.0%，按正態分布包含因子k=2，則其引入的相對不確定度分量為：urs1=1.0%/2=0.50%，其中靈敏系數Crs1=1。

b）標準裝置進口氣體壓力PS測量不確定度分量。標準裝置進口氣體壓力為大氣壓力，由天津計量院出具的空盒氣壓表檢定證書數據，并考慮估讀誤差，大氣壓力測量準確度不低于250Pa，按正態分布包含因子k=2，則標準裝置進口氣體壓力PS的相對不確定度分量為：urs2==，其中靈敏系數Crs2=1。經計算，在天津市檢定環境條件下，一般可取urs2=0.12%（ps取102.325kPa）。

c）標準裝置內氣體溫度TS測量不確定度分量。由標準裝置使用說明書，溫度TS測量范圍（-30～50）℃，示值誤差≤±1℃，按均勻分布，則標準裝置氣體溫度TS的相對不確定度分量為：urs3==。根據檢定規程[6]，檢定環境溫度為（10～35）℃，urs3最大約為0.20%，靈敏系數Crs3=-1。

以上各輸入量間不相關，故輸入量qvs引入的相對不確定度分量為：

2.1.3 合成標準不確定度及擴展不確定度評定

（1）靈敏系數

由2.1.1數學模型求偏導得：

的靈敏系數；

ui（qvs）的靈敏系數C2=-5/3（L/min）-1。

（2）合成標準不確定度

根據2.1.1中所得輸入量qv和qvs的相對不確定度分量uri（qv）和uri（qvs），計算出qv和qvs在各檢定流量點所對應的不確定度分量和ui（qvs），按下式計算各檢定流量點瞬時流量示值引用誤差的合成標準不確定度：

經計算，在20、40、50L/min三個流量點的合成標準不確定度為分別為0.22%、0.40%和0.48%。

（3）擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度，在20、40、50L/min三個流量點的擴展不確定度為0.44%、0.80%和0.96%。

2.2 采樣器累積流量示值誤差的不確定度分析與評定

2.2.1 數學模型

式中：——累計流量示值誤差，L；——流量標準器或裝置測量出的瞬時流量示值，L/min；，儀器顯示的累積流量值，L；q——采樣器測量出的瞬時流量值，L/min；t——采樣器流量累積時間，min；

2.2.2 各輸入量的不確定度分量

（1）輸入量V的不確定度分量

a）流量穩定性引入的不確定度分量。累積流量是采樣器在10min內采樣流量對時間的積分，因此，應考慮流量穩定性的影響。根據采樣流量穩定性檢定記錄中，每隔10min讀取一次共四次所得的五個瞬時流量值，按極差法知C=2.33，可得標準偏差為：S=（29.9-29.8）/2.33≈0.0429L/min，則流量穩定性引入的相對不確定度分量，其中靈敏系數Crv1=1。

b）輸入量t引入的不確定度分量。依據JJG 237-2010秒表檢定規程，取電子秒表最大允許誤差±0.1s，均勻分布取包含因子k為，則其引入的不確定度分量為：uv21，其中靈敏系數Cv21=1。

電子秒表分辨力為0.01s，按均勻分布，取包含因子k為，其不確定度分量為，其中靈敏系數Cv22=1。

上述兩項分析結果互不相關，故輸入量t引入的相對不確定度分量為：urv2，其中靈敏系數Crv2=1。

上述各項分析結果，彼此獨立，則輸入量V引入的相對不確定度分量為0.14%。

（2）輸入量的不確定度分量

標準裝置測量出的瞬時流量的不確定度分析全同于2.1.2.2，現直接引用其相對不確定度分量，則uri（qv）=30×0.55%=0.165L/min。

2.2.3 合成標準不確定度及擴展不確定度評定

（1）靈敏系數

由2.2.1數學模型求偏導得：

uri（V）的靈敏系數C3=1/10qs≈1/300（min/L）；

uri（qs）的靈敏系數C4=-V/10qs2≈-1/30（min2/L）。

（2）合成標準不確定度

因為輸入量V與qs不相關，采樣器累積流量示值誤差的合成標準不確定度為：

（3）擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度。

3 結論與討論

（1）該煙塵采樣器的瞬時流量在20、40、50L/min三個流量點的擴展不確定度為0.44%、0.80%和0.96%，累積流量在30L/min流量點的擴展不確定度為2.8%。（2）該儀器的測量不確定度評價具有代表性，煙塵類計量器具和煙氣類計量器具的評價都可以參考本文，為此類計量器具的測量不確定度評價提供參考。（3）通過現場考核不確定度評價，發現目前煙塵類計量器具存在數據不穩，數值偏差大，實際檢測數據不穩定等問題，儀器數據采集方面的準確性、靈敏度和穩定性需進行提高，同時可以增加24小時遠程監控，克服人為因素影響。

參考文獻

[1]陳仁杰，張金良，闞海東.中國大氣污染與肺癌關系的流行病學研究回顧[J].衛生研究，2011，40（2）：243-245.

[2]侯海燕，楊振華，鄒曉萍等.空氣污染與出生缺陷關系的生態學分析[J].環境與健康雜志，2010，（12）：1098-1100.

[3]阮海燕，趙慶國，陳倫能等.空氣污染與出生體重關系的病例對照研究[J].中國婦幼健康研究，2008，（4）：306-308.

[4]應用3012H系列05版自動煙塵（氣）測試儀說明書[M/CD].山東：青島嶗山應用技術研究所，2005.

[5]全國環境化學計量技術委員會JJG680-2007，煙塵采樣器檢定規程[S].

[6]全國法制計量管理計量技術委員會JJF1059.1-2012，測量不確定度評定與表示[S].

作者簡介：常穎，工程師，天津市計量監督檢測科學研究院一線技術人員，研究方向為環境與能源計量。