低濃度粉塵測(cè)量?jī)x檢定裝置的應(yīng)用及測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

顧晶晶

摘 要：隨著生產(chǎn)工藝精度的提高，人們對(duì)粉塵濃度的要求越來(lái)越高；隨著霧霾情況的加劇，國(guó)家對(duì)粉塵顆粒和煙塵濃度的監(jiān)測(cè)也越來(lái)越普遍，因此，對(duì)低濃度粉塵測(cè)量?jī)x的計(jì)量的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高。根據(jù)JJG846-2015《粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》要求，對(duì)低濃度粉塵測(cè)量?jī)x進(jìn)行不確定度進(jìn)行分析，闡明不確定的來(lái)源，給出測(cè)量結(jié)果的不確定評(píng)定方法，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，對(duì)低濃度粉塵測(cè)量?jī)x的做出具體分析。

關(guān)鍵詞：低濃度；粉塵測(cè)量?jī)x；不確定度；評(píng)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TH83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0071-02

隨著采礦業(yè)不斷發(fā)展，工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，粉塵帶來(lái)的危害也逐漸加大。越來(lái)越多的人患上呼吸道疾病，嚴(yán)重患上塵肺病。此外，粉塵還容易引起燃燒和爆炸?，F(xiàn)如今，生產(chǎn)工藝的加工精度要求不斷提高，生產(chǎn)工藝對(duì)無(wú)塵或微塵的要求越來(lái)越高，因此，對(duì)粉塵濃度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高。近年來(lái)，全國(guó)各地的霧霾情況越來(lái)越頻繁和加劇，PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)這些粉塵顆粒和煙塵濃度，可以為環(huán)保部門(mén)控制空氣污染提供依據(jù)。

為了確保低濃度粉塵測(cè)量?jī)x計(jì)量的準(zhǔn)確性，我們引進(jìn)了低濃度粉塵測(cè)量?jī)x檢定裝置。

1 低濃度粉塵測(cè)量?jī)x檢定方法

低濃度粉塵測(cè)量?jī)x檢定裝置主要分為4個(gè)部分：發(fā)塵裝置部分、擴(kuò)散腔、檢測(cè)腔和除塵裝置部分，如圖1所示。

發(fā)塵裝置采用Wright原理，裝置的頂部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的刷子，刷子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，塵柱被刷子磨蝕后，形成大量的顆粒物，顆粒物分散開(kāi)來(lái)，被高壓氣流帶入稀釋腔，再經(jīng)過(guò)2米長(zhǎng)的擴(kuò)散腔，最后到達(dá)檢測(cè)腔。在稀釋腔里，有一管路為清潔空氣，可以根據(jù)需要對(duì)粉塵進(jìn)行再次稀釋。擴(kuò)散腔比較高，可以讓粉塵更好的沉降和稀釋?zhuān)狗蹓m更均勻混合，減少測(cè)量誤差。在檢測(cè)腔里的底部，裝有橫豎排列的鐵架，鐵架上可以放置若干臺(tái)被測(cè)粉塵測(cè)量?jī)x和濾膜采樣裝置。由于檢測(cè)腔面積很大，濾膜的截面積與它比起來(lái)，微乎其微，可以忽略不計(jì)，我們可以近似的認(rèn)為檢測(cè)腔內(nèi)的粉塵沒(méi)受到有影響，還是均勻的。在裝置的底部安裝一個(gè)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，一方面為過(guò)濾過(guò)的潔凈空氣進(jìn)入稀釋腔提供動(dòng)力，一方面將穿過(guò)檢測(cè)器的粉塵氣溶膠吸走。

待粉塵均勻穩(wěn)定后，啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置，裝置內(nèi)放置一片已經(jīng)稱(chēng)量過(guò)其質(zhì)量的濾膜，質(zhì)量記為m1，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置的采樣時(shí)間和采樣流量，分別為t和qv，在啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置的同時(shí)，放入被檢粉塵測(cè)量?jī)x。待采樣完畢，讀取被檢粉塵測(cè)量?jī)x的示值，記為c1，同時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置的濾膜取下并稱(chēng)量其質(zhì)量，記為m2。

裝置的粉塵濃度用公式（1-1）計(jì)算。

（1-1）

式中：c0——標(biāo)準(zhǔn)粉塵的質(zhì)量濃度，mg/m3；

m1——采樣前濾膜的質(zhì)量，mg；

m2——采樣后濾膜的質(zhì)量，mg；

qv——標(biāo)準(zhǔn)裝置的采樣流量，L/min；

t——采樣時(shí)間，min。

粉塵濃度測(cè)量?jī)x的示值誤差用公式（1-2）表示。

（1-2）

式中：——示值誤差

c1——被檢粉塵測(cè)量?jī)x的示值

c0——標(biāo)準(zhǔn)粉塵的質(zhì)量濃度

2 低濃度粉塵測(cè)量?jī)x不確定度評(píng)定

（1）測(cè)量依據(jù)，JJG846-2015《粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》。

（2）環(huán)境條件，溫度：（15～30）℃，濕度≤85%。

（3）測(cè)量設(shè)備。低濃度粉塵發(fā)生裝置、標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置（用粉塵采樣器代替）、電子天平（精確到0.1mg）、電子秒表（精確到0.01s）。

（4）測(cè)量對(duì)象，低濃度粉塵測(cè)量?jī)x。

（5）測(cè)量過(guò)程，利用稱(chēng)重法，測(cè)定粉塵測(cè)量?jī)x的顯示值。

（6）測(cè)量模型

A類(lèi)不確定度評(píng)定。

選取5mg/m3左右點(diǎn)來(lái)評(píng)定。由于發(fā)塵裝置有若干個(gè)檔位，測(cè)量的時(shí)候選用固定的檔位連續(xù)發(fā)塵。記錄低濃度粉塵測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)，分別為：（單位mg/m3）

5.304；5.493；5.538；5.621；5.396；5.452；5.228；5.406；5.352；5.540

平均值：

根據(jù)貝塞爾公式，得到s=0.110mg/m3

重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量結(jié)果的不確定度為：

B類(lèi)不確定度評(píng)定。

對(duì)整個(gè)低濃度粉塵測(cè)量?jī)x檢定裝置來(lái)說(shuō)，響應(yīng)其不確定的因素主要有以下幾個(gè)方面：

（1）儀器的最小分辨力引入的不確定度分量。低濃度粉塵測(cè)量?jī)x顯示值的最小分度值d=0.001mg/m3，則區(qū)間半寬度a=d/2=0.0005 mg/m3， 假定是按均勻分布，則有儀器分辨力引入的不確定分量：

（2）發(fā)塵的不均勻性引入的不確定度。在檢測(cè)腔的中間位置安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置，記為1號(hào)采樣裝置。在相同的橫截面上，距離1號(hào)相鄰和四周（按前后左右均勻放置）處安裝另一個(gè)采樣裝置，記為2號(hào)采樣裝置。發(fā)塵濃度保持在5 mg/m3。這兩個(gè)采樣設(shè)備的采樣率設(shè)置為20L/min，采樣時(shí)間設(shè)定在20min，以2號(hào)采樣裝置和1號(hào)采樣裝置之差的最大值來(lái)評(píng)定裝置的不確定度，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

由上表可以看出，2號(hào)采樣裝置和1號(hào)采樣裝置差值的最大值，按均勻分布，則有

（3）塵箱的不穩(wěn)定性引入的不確定度。我們用一臺(tái)可以連續(xù)采樣并能儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的低濃度粉塵測(cè)量?jī)x，平均2分鐘采樣一次，一共采樣20分鐘。選取5mg/m3點(diǎn)左右發(fā)塵，發(fā)塵穩(wěn)定后，放入被檢粉塵儀。數(shù)據(jù)記錄如下（單位mg/m3）。

5.341；5.353；5.482；5.444；5.565；5.203；5.625；5.701；5.448；5.242

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

單次測(cè)量的的標(biāo)準(zhǔn)差，也就是塵箱的不穩(wěn)定性引入的不確定度為

（4）電子天平引入的不確定度。電子天平經(jīng)計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定，其誤差為0.2mg。天平在檢測(cè)過(guò)程中用到兩次，兩次的影響不互相關(guān)，因此，天平引入的不確定度為

在測(cè)量中，標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置，采樣流量設(shè)定為20L/min，采樣時(shí)間設(shè)置為20min，根據(jù)公式

即：

天平相對(duì)于裝置的靈敏度系數(shù)為：

，

天平引入的不確定度分量為：

（5）粉塵采樣器引入的不確定分量。標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置經(jīng)江蘇省計(jì)量院檢定，最大允許誤差為±0.2L/min，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置均勻分布，，則有，

標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置相對(duì)于整個(gè)裝置的不確定度分量：

，

經(jīng)過(guò)稱(chēng)量，m1=142.2mg；m2=144.2mg，=2mg

在測(cè)量的時(shí)候?qū)⒎蹓m采樣器的采樣流量設(shè)為20L/min，采樣時(shí)間設(shè)定為20min。

將數(shù)據(jù)代入公式，得到

（6）標(biāo)準(zhǔn)采樣器的采樣時(shí)間引入的不確定分量。標(biāo)準(zhǔn)采樣裝置的采樣時(shí)間的不確定度分量對(duì)裝置的貢獻(xiàn)很小，可以忽略不計(jì)。

3 不確定度的合成

（1）靈敏系數(shù)。

測(cè)量模型：

靈敏度系數(shù)：

（2）標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表（表2）。

（3）不確定度的合成。

以上不確定度分量是互不相關(guān)的，對(duì)此進(jìn)行合成：

（4）擴(kuò)展不確定度。

取置信因子k=2，則示值誤差的擴(kuò)展不確定度為：

因此，對(duì)于低濃度粉塵測(cè)量?jī)x檢定裝置，在5.430mg/m3點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的不確定度是U=0.8 mg/m3（k=2）。

參考文獻(xiàn)

[1]JJG846-2015粉塵濃度測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程[S].

[2]JJF1059-2012測(cè)量不確定度評(píng)定及表示[S].

[3]沈正生，張國(guó)城，范人杰，等.一種低濃度粉塵儀檢定裝置的建立與應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù)，2015（10）.