空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量測試設(shè)備的對比研究

張橫錦 方海林 符顥譯 陳妙陽

1. 廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 廣東廣州 510000；

2. 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 廣東廣州 510000

1 引言

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801-2015《空氣凈化器》推薦使用激光塵埃粒子計數(shù)器測量并計算得到顆粒物潔凈空氣量（CADR），而通過顆粒物質(zhì)量濃度測試儀進(jìn)行測量和計算顆粒物累積凈化量（CCM）[1,2]。受限于檢測設(shè)備的技術(shù)瓶頸，國內(nèi)科研單位及檢測機(jī)構(gòu)往往選擇使用進(jìn)口的激光塵埃粒子計數(shù)器以保證測量的準(zhǔn)確度，如TSI 3340A，價格高達(dá)54萬人民幣，價格高昂且維護(hù)成本高，對企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量控制帶來巨大負(fù)擔(dān)[3,4]；而同品牌顆粒物質(zhì)量濃度測試儀只需要7萬人民幣左右。因此，有必要探索采用顆粒物質(zhì)量濃度測試儀進(jìn)行顆粒物潔凈空氣量（CADR）測試的可行性，以期為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)中采用備選檢測設(shè)備或為企業(yè)質(zhì)量控制設(shè)備的選用提供理論依據(jù)。

2 測試設(shè)備和材料

激光塵埃粒子計數(shù)器使用美國TSI公司生產(chǎn)的3340A型激光氣溶膠粒徑譜儀（搭配TSI 3302A稀釋器），可測量粒徑范圍為0.09～7.5 μm的顆粒物濃度；顆粒物質(zhì)量濃度測試儀使用美國TSI公司生產(chǎn)的DUSTTRAK II氣溶膠監(jiān)測儀8530，可檢測與PM1、PM2.5、可吸入微粒、PM10或粒分?jǐn)?shù)對應(yīng)的氣溶膠濃度，氣溶膠濃度范圍0.001～400 mg/m3。這兩種設(shè)備都是利用光度測量原理進(jìn)行測量和計算。用雄獅牌香煙（焦油含量8 mg）煙霧作為顆粒物的塵源[5]。采用符合GB/T 18801-2015《空氣凈化器》附錄A要求的30 m3試驗艙。

3 測試方法

為確保實驗數(shù)據(jù)的可比性，激光氣溶膠粒徑譜儀TSI 3340A和氣溶膠監(jiān)測儀TSI 8530同時進(jìn)行測量，兩個取樣口并排放置，取樣口離墻面55 cm，相對試驗艙地面110 cm，避開進(jìn)出風(fēng)口。TSI 3340A設(shè)置取樣周期2 min，取樣流量50 ml/min，稀釋器100:1，設(shè)置取樣通道5個，分別為90～100 nm、100～300 nm、300～000 nm、1000～2500 nm、2500～7500 nm。TSI 8530設(shè)置取樣周期2 min，取樣時間1 min，采用10 um粒徑選擇撞擊器。

30 m3試驗艙準(zhǔn)備：顆粒物（0.3～10μm）背景濃度＜1000個/L，環(huán)境溫度（25±2）℃，相對濕度（50±5）%，顆粒物初始濃度（6×106～1.2×107）個/L。

4 設(shè)備不確定度評定

4.1 A類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

選擇某空氣凈化器為測試樣本，同時使用TSI 8530和TSI 3340A分別進(jìn)行9次獨立重復(fù)測試，測試結(jié)果見表1。

表1 顆粒物潔凈空氣量測試結(jié)果（單位：m3/h）

用貝塞爾公式計算測量結(jié)果[6,7]，如公式（1），進(jìn)行計算，可得A類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分別為μA(CADR)TSI8530=6.4 m3/h，μA(CADR)TSI3340A=8.2 m3/h。

式中：

μA(CADR)——A類方法評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；

CADRi——第i次獨立測量得到的空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量；——n次獨立測量得到的空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量；

n——獨立測量次數(shù)，這里n=9；

圖1 TSI 3340A和TSI 8530顆粒物潔凈空氣量測試值

4.2 B類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

TSI 3340A的測量不確定度主要來源于粒子計數(shù)示值誤差和取樣流量誤差。根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商出廠計量參數(shù)表，粒子計數(shù)最大誤差為5%，按矩形分布估計，則引入的相對不確定度為：

根據(jù)TSI 3340的計量證書，流量示值誤差測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為0.31%，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為μcrel-2=0.155%，

TSI 8530 的測量不確定度主要來源于濃度示值誤差。根據(jù)計量證書，粒子濃度示值誤差測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為9.6%，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為μcrel-TSI8530=4.8%。

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

TSI 3340A的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

TSI 8530的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.4 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則潔凈空氣量的相對擴(kuò)展不確定度分別為：

5 測試結(jié)果

通過對顆粒物潔凈空氣量介于50～800 m3/h的樣機(jī)進(jìn)行測試，分析TSI 3340A和TSI 8530對不同潔凈空氣量凈化器測試值的偏離程度，兩款設(shè)備的測試結(jié)果如圖1所示。

在圖1中，根據(jù)TSI 3340A測試值不確定度的計算結(jié)果標(biāo)出誤差線。顆粒物潔凈空氣量在50～500 m3/h范圍內(nèi)，TSI 3340A和TSI 8530測試結(jié)果絕對值偏離較小，隨著潔凈空氣量的提高，兩者測試值偏離程度呈增大趨勢。

圖2 TSI 8530測試值相對TSI 3340A偏離度

如圖2所示，偏離度為（CADRTSI8530-CADRTSI3340A）/CADRTSI3340A的值。由圖可見，顆粒物潔凈空氣量在350 m3/h以下時，偏離度低于3.0%；隨著潔凈空氣量的增加，偏離度呈上升趨勢，但均低于9.0%。根據(jù)4.4節(jié)的測量不確定度計算結(jié)果，TSI 8530的相對擴(kuò)展不確定度為9.8%，潔凈空氣量較大時產(chǎn)生的誤差可能是由于測量不確定度導(dǎo)致，可采取3次測量取平均值的方法減少誤差。因此在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801-2015規(guī)定的30 m3實驗艙顆粒物潔凈空氣量測試范圍（30～800 m3/h）內(nèi)，TSI 3340A和TSI 8530顆粒物潔凈空氣量測試值偏離度均在可接受范圍內(nèi)，兩者測量值具有較好的一致性。

6 結(jié)論

通過對TSI 3340A和TSI 8530測試結(jié)果偏離度和不確定度的分析，可知兩者測量結(jié)果具有高度的一致性。TSI 8530的測量結(jié)果與TSI 3340A比較，偏離度小于9%，且TSI 8530的測量不確定度為9.8%，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801規(guī)定的潔凈空氣量實測值不小于標(biāo)稱值的90%的要求，TSI 8530可滿足測量需求。此外，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801規(guī)定的顆粒物背景濃度可考慮采用顆粒物質(zhì)量濃度表示。綜上所述，TSI 8530可作為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)中采用的備選測試設(shè)備，或者作為企業(yè)生產(chǎn)控制的設(shè)備。