一氧化碳自動監(jiān)測中不確定度的評定

徐衡

摘要：隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們越來越關(guān)注周邊的空氣質(zhì)量。通過借助一氧化碳自動監(jiān)測儀構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，然后對測量與計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠清楚掌握一氧化碳自動監(jiān)測儀中不確定度中有關(guān)的分量值，對于提高監(jiān)測質(zhì)量與改善空氣質(zhì)量都有顯著的幫助。

關(guān)鍵詞：一氧化碳 一氧化碳自動監(jiān)測儀 不確定度評定

0 引言

根據(jù)現(xiàn)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）的要求，升級監(jiān)測因子，實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量控制與監(jiān)督，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對外公布。但實(shí)際在日常監(jiān)測中，往往存在監(jiān)測到的數(shù)據(jù)伴隨著不確定性，只有對不確定度進(jìn)行有效的評定，才能保證監(jiān)測到的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及可靠度。下文將通過分析一氧化碳的主要來源以及自動監(jiān)測過程中數(shù)值不準(zhǔn)確進(jìn)行分析，并結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯σ谎趸甲詣訖z測系統(tǒng)不確定度進(jìn)行評定。

1 空氣中一氧化碳的主要來源

空氣中的一氧化碳的主要來源分為兩種，一種是室內(nèi)空氣中一氧化碳，另一種是大氣中存在一氧化碳。前者主要是人們在吸煙過程中煙草燃燒所產(chǎn)生的，后者來源一方面是機(jī)動車輛尾氣排放中包含一氧化碳?xì)怏w，另一方面是工業(yè)區(qū)在進(jìn)行加工制造與生產(chǎn)過程中排放出來的氣體中含有一氧化碳含量，且后者產(chǎn)生的一氧化碳的含量較高。

2 一氧化碳自動檢測過程中數(shù)值誤差分析

2.1 環(huán)境溫度對監(jiān)測儀器的影響

無論是在試驗(yàn)中還是在實(shí)際的監(jiān)測操作中，監(jiān)測人員都應(yīng)該將選擇的測量儀器妥善放置在合適的環(huán)境中。因?yàn)闇囟冗^高或過低會使儀器精度有影響，當(dāng)溫度過高時(shí)甚至?xí)箖x器不能正常工作，而導(dǎo)致監(jiān)測出來的數(shù)值有較大的誤差，而當(dāng)溫度過低，特別是在零攝氏度以下時(shí)會導(dǎo)致儀器出現(xiàn)凝露等現(xiàn)象，從而影響監(jiān)測結(jié)果。

2.2 周邊電磁對站房的影響

在進(jìn)行一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)不確定度的評定過程中，周邊磁場會對站房存在一定的干擾，導(dǎo)致監(jiān)測的數(shù)值存在誤差。所以在進(jìn)行監(jiān)測時(shí)可以在距離電磁干擾輻射較遠(yuǎn)的位置建設(shè)站房，減少電磁因素的影響。如果站房已經(jīng)在會受到電磁輻射干擾的范圍之內(nèi)建立，則應(yīng)該采取合理的手段，對電磁干擾進(jìn)行屏蔽。

2.3 使用儀器未校準(zhǔn)

在進(jìn)行一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)不確定度評價(jià)中，使用的儀器若沒有定期的校準(zhǔn)與校標(biāo)以及校零，將會影響到儀器在實(shí)際測量中具有的精度與漂移，致使監(jiān)測結(jié)果存在誤差。

2.4 儀器審核不仔細(xì)

儀器使用之前與之后，相關(guān)的工作人員以及管理人員沒有仔細(xì)的審核儀器，將不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)破損儀器或是質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的儀器，進(jìn)而難以保證問題儀器得到及時(shí)的更換，使得監(jiān)測人員使用的儀器本身存在缺陷，而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)值有誤差。

3 一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)中不確定度的評定原理及方法

3.1 評定原理

在對一氧化碳進(jìn)行自動監(jiān)測過程中，該系統(tǒng)選擇的監(jiān)測方法是非分散紅外吸收法。利用這種方法是由于一氧化碳是對于中心波段是4.5um，能夠有選擇性的吸收其所攜帶的紅外輻射，并且當(dāng)濃度值在適宜的濃度區(qū)間之中，一氧化碳的濃度與吸收的紅外輻射程度之間存在可循的線性關(guān)系，所以可以依據(jù)其吸收值的大小，計(jì)算出樣品中具有一氧化碳的濃度值。

3.2 在監(jiān)測中使用的試驗(yàn)方法

一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)中不確定度的評定方法中，量值傳遞基準(zhǔn)的選取是環(huán)境監(jiān)測總站在對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行研究之后而提供的可靠地標(biāo)準(zhǔn)氣體。然后可以借助動態(tài)氣體校準(zhǔn)儀將零氣與選取的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行混合，保證兩種氣體之間能夠充分的稀釋，從而使一氧化碳?xì)怏w的濃度能夠達(dá)到所需的濃度值。最后將已經(jīng)調(diào)試好的一氧化碳?xì)怏w傳送到監(jiān)測儀器中，傳送介質(zhì)需要使用采樣管路，之后監(jiān)測儀器便會將氣體具有的濃度檢測出來。

因此，一氧化碳濃度試驗(yàn)在進(jìn)行不確定度評定監(jiān)測過程中可以借助校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的方法，在進(jìn)行監(jiān)測儀器的示值誤差與標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量以及零氣流量不確定度三者之間的測試過程中，可以借助重復(fù)性試驗(yàn)方法進(jìn)行有效評定。

3.3 試驗(yàn)中需要選擇的儀器和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

在進(jìn)行一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)中不確定度的評定中需要使用合適的監(jiān)測儀器與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，盡可能的減小試驗(yàn)誤差。我們使用的是編號為CM12509090的熱電48i儀器。其中使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體有嚴(yán)格的要求，我們使用的是環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的標(biāo)氣，并且其純度不確定度保持在百分之一。

3.4 進(jìn)行試驗(yàn)過程中相關(guān)的要求

①選擇使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體必須保證在規(guī)定的使用有效期內(nèi)。

②在進(jìn)行不確定的評定之前需要進(jìn)行儀器流量校準(zhǔn)，使用的校準(zhǔn)流量儀器必須是計(jì)量部門通過校準(zhǔn)試驗(yàn)后認(rèn)可的流量計(jì)。

③監(jiān)測儀器在未開始進(jìn)行評定前需要進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)，以便保證監(jiān)測儀器所具有的性能能夠達(dá)到監(jiān)測方法的標(biāo)準(zhǔn)要求。

④自動監(jiān)測儀器需要妥善放置，放在室內(nèi)需要保證環(huán)境溫度盡量在20攝氏度到30攝氏度的范圍之內(nèi)，還應(yīng)控制環(huán)境濕度最好不要超過百分之八十。

3.5 建立自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

該系統(tǒng)按照監(jiān)測儀器的使用原理以及動態(tài)氣體校準(zhǔn)儀在試驗(yàn)中遵循的工作原理，可以構(gòu)建自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。并且該數(shù)學(xué)模型如下：

y=C■×■×Fs×rep+Δ

μ■■=μ■■+μ■■+μ■■+μ■■+μ■■+μ■■（不確定度傳播律）

該數(shù)學(xué)模型中y代表監(jiān)測氣體具有的質(zhì)量濃度，其單位是升每毫克，表示方式為mg/L；Qx與Q0分別表示標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量與零氣的流量，并且兩者之間的單位表示方式為ml/min；C0是指標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度；rep是指使用監(jiān)測儀器的示值重復(fù)性；而Fs表示跨度具有的精度，其單位和表示方式與監(jiān)測氣體的質(zhì)量濃度表示方式一致；Δ表示監(jiān)測儀器的飄移，單位表示方式為μg/L。

4 一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)中不確定度的評定與來源

在進(jìn)行一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)不確定度的評定中，其中不確定度的來源與標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度的不確定度有著直接的聯(lián)系，并且動態(tài)氣體校準(zhǔn)儀以及其他的監(jiān)測儀器之間的準(zhǔn)確度，甚至儀器出現(xiàn)的示值所產(chǎn)生的重復(fù)性以及儀器的飄移等都會對評定結(jié)果產(chǎn)生不確定度。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

有上述的選擇試驗(yàn)氣體可知，已選的標(biāo)準(zhǔn)氣體具有的純度不確定度是百分之一，將標(biāo)準(zhǔn)氣體的純度不確定度根據(jù)均勻分布的方式進(jìn)行解決，并且均勻分布中存在k=■，所以μ■■=■=0.58%

4.2 質(zhì)量流量計(jì)不確定度評定

質(zhì)量流量計(jì)的不確定度主要的分量是標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量與零氣的流量。其中

由于配置之后的標(biāo)氣具有的濃度值C0為16mmol/mmol，所以可以計(jì)算出標(biāo)氣的控制流量應(yīng)為每分鐘28.7毫升，而對于不確定度的評定可以通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)反復(fù)測量之后得出相應(yīng)的值。

經(jīng)過反復(fù)且仔細(xì)的計(jì)算最終可以得到CQx與CQ0的值分別為0.553、-5.29×10-3

經(jīng)過儀器測量之后產(chǎn)生的均值標(biāo)準(zhǔn)差是

并且具有的不確定度是

因此，根據(jù)上面的公式與已知的數(shù)據(jù)可求出SQx與

μ■■的值依次為1.22×10-2、4.25×10-2，將已知的所有數(shù)據(jù)帶入公式中，可以將C（Qx）μ■■求出為2.35×10-4。

所以，將所有計(jì)算出來的數(shù)值填充到公式中便可以求出質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值，最終結(jié)果大約為0.024%。

4.3 儀器示值誤差以及儀器示值重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

一般情況下，實(shí)際監(jiān)測過程中允許監(jiān)測儀器存在百分之一的跨度精度誤差。根據(jù)均勻分布方法將精度誤差不確定度分布進(jìn)行有效的處理，其中k=■，所以可以將μ■計(jì)算出來，其值為0.058%。

在進(jìn)行儀器的示值出現(xiàn)的重復(fù)性不確定度試驗(yàn)過程中，可以借助兩臺型號一致的儀器進(jìn)行反復(fù)測量，然后將樣本中的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行合并測量，不過其中需要依據(jù)跨度標(biāo)準(zhǔn)濃度而得出準(zhǔn)確的不確定度。

根據(jù)準(zhǔn)確的操作步驟以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算可以得到該值為0.056%。

4.4 儀器漂移不確定度評定

這種不確定度評定中需要考慮的兩點(diǎn)不確定度主要是標(biāo)點(diǎn)漂移以及零點(diǎn)漂移。根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)可知，標(biāo)點(diǎn)漂移的參數(shù)值為0.5%，而零點(diǎn)飄移的參數(shù)值為0.2%。因此，根據(jù)參數(shù)以及相關(guān)的已知數(shù)據(jù)可以計(jì)算出標(biāo)點(diǎn)漂移的不確定度為0.29%。零點(diǎn)漂移不確定度為41%。綜上所述，可以得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.92%。

當(dāng)所取的k值不再是■而是2時(shí)，可以計(jì)算出一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)中拓展不確定度大約為2%。

5 結(jié)束語

環(huán)境質(zhì)量的好壞關(guān)乎到地球上的每一個(gè)生物，每一個(gè)群種，一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體具有的純度不確定度最好是控制在百分之一，并且在規(guī)定的使用期限內(nèi)進(jìn)行合理的使用，避免產(chǎn)生不確定度。

在生活中做好一氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)中的不確定度的評定是有必要的，但注意事項(xiàng)是需要相關(guān)操作者引起重視，比如，監(jiān)測儀器的選擇，使用儀器的正確步驟以及相關(guān)的影響因素的控制等。監(jiān)測人員還應(yīng)保證結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量控制線，準(zhǔn)確掌握質(zhì)量流量計(jì)的位置，從而提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而采集到真實(shí)有效的數(shù)據(jù)，以便有關(guān)部門參考。

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