環(huán)境空氣采樣流量標(biāo)定方法誤差分析及校正換算

錢 震

(南通市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 南通 226006)

·監(jiān)測技術(shù)·

環(huán)境空氣采樣流量標(biāo)定方法誤差分析及校正換算

錢 震

(南通市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 南通 226006)

由于壓力和溫度的變化，使得校正態(tài)下標(biāo)定的流量與采樣態(tài)實際流量不符，會給采樣體積計算帶來偏差。通過轉(zhuǎn)子流量計流量計算公式和理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出了采樣態(tài)體積與校正態(tài)體積之間的換算公式，并結(jié)合實例進(jìn)行了計算，分析了采用和不采用公式計算兩者之間的誤差。

大氣采樣;體積校正;采樣態(tài);校正態(tài)

環(huán)境空氣采樣體積為采樣流量與時間的乘積。采樣流量即流量計上的即時讀數(shù)，而流量計(通常為轉(zhuǎn)子流量計)的刻度是由皂膜流量計校正時標(biāo)定而來?，F(xiàn)場采樣過程中，只有與大氣采樣器串連在一起時，皂膜流量計上的即時讀數(shù)才是真正的瞬時采樣流量。然而在實際采樣過程中，通常會在采樣前預(yù)先進(jìn)行采樣器的流量校正，采樣期間則不再校正。這勢必就會帶來一個問題，當(dāng)采樣態(tài)的壓力和溫度與校正態(tài)的不一致時，原先標(biāo)定的刻度則無法沿用。

1 采樣體積換算公式推導(dǎo)

轉(zhuǎn)子流量計的流量計算公式為

式中:Q——氣 體 流 量;k——流 量 常 數(shù);Δp——轉(zhuǎn)子上下兩端壓力差;ρ——氣體密度［1］。

如果讓同一成分的氣體，在不同的壓力、溫度條件下分別通過同一轉(zhuǎn)子流量計，保持流量計轉(zhuǎn)子升到相同刻度，則有

從(2)式可以看出，若令同一成分的氣體，在不同的壓力、溫度條件下分別通過同一轉(zhuǎn)子流量計并使轉(zhuǎn)子升到相同高度，那么流量是不同的。反之，如果流量相同，則轉(zhuǎn)子上升的高度不同。

現(xiàn)場采樣時的壓力和溫度往往與采樣器流量標(biāo)定時不一致，甚至差別很大，且溫度和壓力會隨著采樣點位和時間的改變而變化。解決這一問題切實可行而又準(zhǔn)確的方法是對標(biāo)定時的刻度進(jìn)行換算。

由理想氣體方程式可得

式中:P——氣體壓強(qiáng);V——氣體體積;n——氣體摩爾數(shù);R——氣體摩爾常數(shù);T——氣體溫度［2］。

式中:m——氣體質(zhì)量;M——氣體摩爾質(zhì)量。

將(4)式代入(3)式，得

將(6)式代入(2)式，可得

流量乘以時間，即為采樣體積

式中:P1、V1、T1——采樣態(tài)下的氣體壓力、體積、溫度;

P2、V2、T2——校正態(tài)下的氣體壓力、體積、溫度。

實際采樣過程中，氣體在通過導(dǎo)氣管和吸收媒質(zhì)時會受到一定的阻力，表現(xiàn)為產(chǎn)生負(fù)壓，所以，P1、P2應(yīng)為

式中:P'1——采樣態(tài)下的大氣壓值(通常為氣壓表讀數(shù));

P'0——采樣態(tài)下加載負(fù)荷后的負(fù)壓值;

P'2——校正態(tài)下的大氣壓值(通常為氣壓表讀數(shù));

P″0——校正態(tài)下加載負(fù)荷后的負(fù)壓值。將公式(9)代入公式(8)，得到

公式(10)即采樣態(tài)體積與校正態(tài)體積的換算公式。

2 實例應(yīng)用

以某次環(huán)境空氣采樣為例，說明忽略與不忽略采樣態(tài)和校正態(tài)的區(qū)別所帶來的誤差。

采樣器以0.5 L/min(校正后)的流量連續(xù)采樣30 min，采樣前校正時大氣壓為1 029 hpa，加載負(fù)荷校正時負(fù)壓為180 hpa，溫度35℃，采樣時大氣壓為1 013 hpa，加載負(fù)荷后負(fù)壓為201 hpa，溫度27℃。

如果不考慮采樣態(tài)和校正態(tài)之間的區(qū)別，則認(rèn)為采樣體積為15.0 L，而如果考慮區(qū)別，按照公式(10)計算，采樣體積為:

可見，真實采樣體積為15.5 L，而非15.0 L，兩者之間的相對誤差為3%。

根據(jù)對南通市環(huán)境監(jiān)測中心站2010年大氣采樣的調(diào)查統(tǒng)計，不進(jìn)行采樣體積換算帶來的相對誤差約為2%～8%。對于環(huán)境空氣中的微量污染物分析而言，這種誤差往往會帶來完全不同的監(jiān)測結(jié)果(結(jié)論)。因此，實際工作中必須引起足夠的重視。

3 結(jié)論

為了使監(jiān)測結(jié)果更接近真實值，應(yīng)做到以下幾點:

(1)采樣前應(yīng)在加載負(fù)荷的前提下進(jìn)行大氣采樣器流量校正。

(2)長時間采樣，應(yīng)定時(每隔5～10 min)讀取P'1、T1值，分別計算各自的平均值后代入公式計算，確保結(jié)果更加符合實際情況。

(3)在采樣態(tài)和校正態(tài)氣壓、溫度變化較大的情況下，盡可能使用公式(10)進(jìn)行采樣體積校正，減少監(jiān)測結(jié)果的偏差。

［1］國家環(huán)境保護(hù)總局《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》編委會.空氣和廢氣監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003.

［2］劉衛(wèi)興.略論理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用［J］.寧德師專學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，16(4):413-416.

Error Analysis and Correction Conversion of the Flow Calibration Method of Atmosphere Sampling

QIAN Zhen
(Nantong Environmental Monitoring Central Station，Nantong，Jiangsu 226006，China)

Because of the variation of pressure and temperature，the flow which has been calibrated at the correction state is not inconsistent with the actual flow at the sampling state.This will cause deviation to the calculation of sampling volume.The conversion formula between the volume at sampling state and the volume at the correction state was derived by the rotary flow-meter calculation formula and ideal gas state equation.And the error between the results derived by using or not using the formula was analyzed by calculation with practical examples.

atmosphere sampling;volume correction;sampling state;correction state

X169

B

1674-6732(2012)-02-0020-02

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.02.005

2010-11-18;

2011-01-18

錢震(1976—)，男，工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境影響評價工作。