環(huán)境空氣PM2.5測量不確定度評定*

陳 玲 陳瑞歡 賈 銳 周瑾艷

（廣東省計量科學(xué)研究院，廣帥 510300）

0 引言

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也稱人肺顆粒物。PM2.5富含大量的有毒、有害物質(zhì)，可以由呼吸道進(jìn)人肺部并沉積。雖然PM2.5是空氣中含量較小的組分，但它傳輸距離遠(yuǎn)，更容易吸附各類有害物質(zhì)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大[1-3]。根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，PM2.5的24h 平均濃度限值為75μg/m3，年均濃度限制為35μg/m3，采用的測量方法是重量法[4]。

測量不確定度是表征合理地賦予被測量值的分散性與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，也是保證計量及檢測質(zhì)量的重要要素，對測量、試驗結(jié)果的可信性和可比性及可接受性具有非常重要的思義。我們通過空氣中重量法測定PM2.5的不確定度分析，使檢測人員對影響測量結(jié)果各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不確定度有所了解和認(rèn)識，找出PM2.5檢測的關(guān)鍵控制點[5-6]。

1 測量方法

測量方法為HJ 618—2011《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法》，根據(jù)該方法，以恒定流速抽取一定體積的空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計算空氣中PM2.5的質(zhì)量濃度[7-8]。

2 數(shù)學(xué)模型

PM2.5質(zhì)量濃度計算公式為：

式中，c為PM2.5的質(zhì)量濃度，mg/m3；W2為采樣后濾膜的重量，g；W1為采樣前濾膜的重量，g；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（101.325kPa，273K）的采樣體積，m3。

根據(jù)式（1），PM2.5質(zhì)量濃度的不確定度可以計算如下：

3 不確定度來源和量化分析

根據(jù)PM2.5的測量過程，PM2.5測量不確定度來源包括稱量不確定度urel（W）和體積帶來的不確定度urel（V）。

3.1 濾膜重量的不確定度urel（W）

采集時，將空白濾膜放在恒溫恒濕箱中平衡24h，稱重，記錄濾膜重量W1（空白濾膜平衡兩次，質(zhì)量差小于0.4mg）。濾膜平衡后，開啟采樣器，設(shè)置采樣時間，采樣一定時間后，在同一條件下平衡24h時，稱重，得濾膜質(zhì)量W2，由質(zhì)量差得到PM2.5的質(zhì)量。根據(jù)這一稱重過程，濾膜重量的不確定度包括稱量穩(wěn)定性引人的不確定度u1（W），天平稱量重復(fù)性引人的不確定度u2（W）和恒溫恒濕平衡引人的不確定度u3（W）。采用一臺型號為TAS-5.0 的采樣器，采樣流速8.0L/min，采樣時間96h，測量數(shù)據(jù) 如表1 所示。

表1 采樣前后濾膜質(zhì)量

3.1.1 天平示值誤差引人的不確定度u1（W）

0.01mg分度值天平的漂移為±0.05mg。故天平稱量穩(wěn)定性引人的不確定度為：

3.1.2 稱量重復(fù)性引人的不確定度u2（W）

根據(jù)表1 中稱量結(jié)果，sn-1，w1＝0.053mgmg，sn-1，w2＝0.056mgmg，則天平稱量重復(fù)性引人的不確定度為：

3.1.3 恒溫恒濕平衡引人的不確定度u3（W）

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，空白濾膜平衡兩次，質(zhì)量差小于不超過0.4mg即可滿足要求[5]，那么恒溫恒濕平衡引人的不確定度為：

合成上述不確定分量，則濾膜重量引人的不確定度為：

3.2 空氣體積測量引入的不確定度分量urel（V）

采樣體積公式為：

式中，V為已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積，m3；Q為采樣器采氣流量，m3/min；p1為環(huán)境大氣壓力，kPa；Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，273K；T1為環(huán)境溫度，K；pn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，101.325kPa；t為采樣時間，min。

根據(jù)式（3），體積的不確定度分量包括流量示值不確定度分量urel（Q）、溫度穩(wěn)定性引人的不確定度分量urel（T）以及秒表計時引人的不確定度分量urel（t）。

3.2.1 流量測量不確定度分量

流量測量不確定度包括流量示值誤差引人的不確定度urel1（Q）和流量視線目測讀數(shù)引人的不確定度分量urel2（Q）。

PM2.5采樣器技術(shù)要求中，小流量（≤30L/min）的最大允許誤差為±2%，則流量示值誤差引人的不確定度為：

將采樣器流量調(diào)至8.0L/min，與采樣儀校準(zhǔn)裝置相連，讀出校準(zhǔn)裝置的流量示值，重復(fù)該步驟11次，讀數(shù)分別為（L/min）：8.04，8.02，7.98，7.92，8.08，8.01，7.96，7.98，8.00，7.92，7.94。sn-1＝0.049L/minL/min，

視線目測讀數(shù)引人的不確定度分量為：

流量測量不確定度分量為：

3.2.2 溫度穩(wěn)定性引人的不確定度分量urel（T）

采樣時將采樣器置于室外，本身無溫度控制，室外溫度為21～32℃，溫度波動為±5.5℃，那么溫度波動引起的不確定度分量為：

3.2.3 秒表計時引人的不確定度分量urel（t）

電子計時誤差為±1%，則秒表計時引人的不確定度分量為：

合成上述不確定度分量，則體積的不確定度為：

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以該方法測量空氣中PM2.5濃度的相對不確定度為：

3.4 擴(kuò)展不確定度

某采樣點空氣中PM2.5測量的相對擴(kuò)展不確定度為：取包含因子k＝2，Urel（c）＝2 ×7.18%≈14.4%。

4 結(jié)論

本實驗室按照HJ618 環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定，采用重量法測量了環(huán)境空氣中PM2.5的濃度，并進(jìn)行了不確定度評定。從分析結(jié)果來看，在PM2.5測定過程中，由于PM2.5濃度小，所采集樣品質(zhì)量也較小，濾膜稱量準(zhǔn)確性對PM2.5測量不確定度影響最大。此外，在采集過程中，采樣器流量準(zhǔn)確性對不確定度的影響也較大。因此，在稱量過程中要注思稱量準(zhǔn)確性和天平穩(wěn)定性。在濾膜處理過程中，要做到充分平衡。采樣器要經(jīng)常進(jìn)行流量校準(zhǔn)以保證流速的準(zhǔn)確性。嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)分析方法控制實驗條件，盡量較小不確定性以保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實用性。