煙塵采樣器瞬時(shí)和累積流量示值誤差的不確定度評(píng)定及思考

常穎+楊佳+王曉明+王振國(guó)

摘要：本文對(duì)我國(guó)空氣環(huán)境問(wèn)題的危害、煙塵采樣器量值溯源的重要性進(jìn)行了討論，根據(jù)JJG 680-2007對(duì)煙塵采樣器的瞬時(shí)流量示值誤差和累積流量示值誤差進(jìn)行了檢定，并根據(jù)JJF1059.1-2012中規(guī)定的方法和要求進(jìn)行檢定結(jié)果的不確定度評(píng)定。

關(guān)鍵詞：煙塵采樣器；瞬時(shí)流量示值誤差；累積流量示值誤差；不確定度

中圖分類號(hào)：X851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2017）04-0245-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.119

Abstract： In this paper， the importance of airborne environmental problems and the importance of traceability of soot sampler are discussed. According to JJG 680-2007， the instantaneous flow indication error and cumulative flow indication error of smoke and dust sampler are tested. The uncertainty of the test results is based on the method and requirements specified in JJF1059.1-2012.

Key words： smoke and dust sampler； instantaneous flow indication error； cumulative flow indication error； uncertainty

近年來(lái)，京津翼三地霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重地影響了人民群眾的身體健康和我國(guó)城市在世界的形象。為了應(yīng)對(duì)大氣污染引發(fā)的霧霾現(xiàn)象，國(guó)家大力發(fā)展環(huán)保事業(yè)，“十一五”以來(lái)，環(huán)保工作堅(jiān)持全面推進(jìn)重點(diǎn)突破，把污染防治作為環(huán)境保護(hù)的重中之重。

大氣污染物中的氣溶膠是指沉降速度可以忽略的固體粒子、液體粒子或固體和液體粒子在氣體介質(zhì)中的懸浮體，如粉塵、煙塵、霧等。各國(guó)科學(xué)家們不斷研究大氣污染物中顆粒物的危害，研究表明，大氣污染與肺癌之間有因果關(guān)系[1]，肺癌風(fēng)險(xiǎn)與PM10和PM2.5均相關(guān)，這兩種污染物的增加量與肺腺癌的發(fā)生亦有關(guān)聯(lián)，PM2.5濃度每升高10μg/m3，將導(dǎo)致15%～27%的肺癌死亡率增加。PM2.5的健康危害除了影響呼吸道和肺功能，更為公認(rèn)的是心血管疾病。此外，空氣污染還被證實(shí)[2-3]與出生缺陷率提高以及新生兒體重過(guò)低有關(guān)，影響孩子一生。顆粒物更詳細(xì)準(zhǔn)確的健康危害表述可參閱美國(guó)環(huán)保署的2009年的顆粒物的綜合科學(xué)評(píng)價(jià)報(bào)告[4]。

隨著國(guó)家環(huán)境治理與監(jiān)測(cè)工作的深入，天津市及各區(qū)縣的環(huán)保監(jiān)測(cè)、疾病預(yù)防控制中心以及防疫站等單位近年來(lái)不斷增加采樣器的種類與數(shù)量，同時(shí)，具備環(huán)境檢測(cè)能力的民營(yíng)企業(yè)數(shù)量也在逐步增加。為了更好地進(jìn)行檢定工作，保證污染源監(jiān)測(cè)、污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)、污染物總量控制監(jiān)測(cè)、污染源解析監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染治理工程效果監(jiān)測(cè)等工作的順利進(jìn)行，需要準(zhǔn)確可靠科學(xué)的計(jì)量器具，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 目前煙塵采樣器存在的問(wèn)題

煙塵采樣器[5]是用于測(cè)量煙道、煙囪及一般含塵管道中氣體的粉塵濃度的儀器，將煙塵采樣管由采樣孔放入煙道中，將采樣嘴置于測(cè)點(diǎn)上，正對(duì)氣流方向，按等速采樣要求抽取一定量的含塵氣體，根據(jù)濾筒捕集的煙塵重量以及抽取的氣體體積，計(jì)算顆粒物的排放濃度及排放總量。

目前進(jìn)行監(jiān)測(cè)的計(jì)量器具中存在有些設(shè)備精度和穩(wěn)定性均達(dá)不到要求；有些設(shè)備波動(dòng)大，穩(wěn)定性差，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。環(huán)保計(jì)量器具不準(zhǔn)確，使得設(shè)備本身數(shù)據(jù)達(dá)不到計(jì)量要求和測(cè)量要求，影響實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和規(guī)劃前期數(shù)據(jù)，使得計(jì)量器具無(wú)法滿足環(huán)保監(jiān)測(cè)的需要。對(duì)于環(huán)保計(jì)量器具尤其是煙塵采樣器進(jìn)行檢定裝置測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)，可以得到更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

在平時(shí)的檢定工作中，我們對(duì)不同廠家不同型號(hào)的機(jī)器做了大量的實(shí)驗(yàn)，得到了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下面對(duì)某廠家3012H型煙塵采樣器的測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)定[5-6]。測(cè)量環(huán)境條件為溫度（10～35）℃，相對(duì)濕度≦85%RH；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器為煙塵采樣器標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)裝置”）；待測(cè)煙塵采樣器的采樣流量在60L/min以內(nèi)。

2 煙塵采樣器不確定度分析與評(píng)定

2.1 采樣器瞬時(shí)流量示值誤差的不確定度分析與評(píng)定

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

式中：qv——儀器瞬時(shí)流量示值，L/min；qvs——流量標(biāo)準(zhǔn)器或裝置的兩次測(cè)量結(jié)果平均值，L/min；qmax——儀器瞬時(shí)流量的滿量程值，L/min。

2.1.2 各輸入量的不確定度分量

（1）輸入量qv的不確定度分量

輸入量qv主要是測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量，根據(jù)檢定規(guī)程[6]，對(duì)采樣器進(jìn)行檢定，分別在20、40、50L/min流量點(diǎn)，在重復(fù)性條件下測(cè)量10次，數(shù)據(jù)如下（L/min）：19.82、19.48、19.62、19.58、19.54、19.64、19.60、19.55、19.46、19.49；38.62、38.86、38.69、38.79、38.76、39.07、38.72、38.70、38.84、38.97；48.60、48.64、48.61、48.55、48.51、48.59、48.43、48.47、48.35、48.28。按貝塞爾公式計(jì)算得到各流量點(diǎn)的單次測(cè)量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，由于在實(shí)際檢定中，取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值作為測(cè)量結(jié)果，故測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)不確定度分量為：

經(jīng)計(jì)算，20、40、50L/min流量點(diǎn)的分別為0.37%、0.24%和0.17%。

（2）輸入量qvs的不確定度分量

a）標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度分量。由國(guó)家計(jì)量院校準(zhǔn)報(bào)告，標(biāo)準(zhǔn)裝置流量擴(kuò)展不確定度最大為1.0%，按正態(tài)分布包含因子k=2，則其引入的相對(duì)不確定度分量為：urs1=1.0%/2=0.50%，其中靈敏系數(shù)Crs1=1。

b）標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)口氣體壓力PS測(cè)量不確定度分量。標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)口氣體壓力為大氣壓力，由天津計(jì)量院出具的空盒氣壓表檢定證書數(shù)據(jù)，并考慮估讀誤差，大氣壓力測(cè)量準(zhǔn)確度不低于250Pa，按正態(tài)分布包含因子k=2，則標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)口氣體壓力PS的相對(duì)不確定度分量為：urs2==，其中靈敏系數(shù)Crs2=1。經(jīng)計(jì)算，在天津市檢定環(huán)境條件下，一般可取urs2=0.12%（ps取102.325kPa）。

c）標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)氣體溫度TS測(cè)量不確定度分量。由標(biāo)準(zhǔn)裝置使用說(shuō)明書，溫度TS測(cè)量范圍（-30～50）℃，示值誤差≤±1℃，按均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)裝置氣體溫度TS的相對(duì)不確定度分量為：urs3==。根據(jù)檢定規(guī)程[6]，檢定環(huán)境溫度為（10～35）℃，urs3最大約為0.20%，靈敏系數(shù)Crs3=-1。

以上各輸入量間不相關(guān)，故輸入量qvs引入的相對(duì)不確定度分量為：

2.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度評(píng)定

（1）靈敏系數(shù)

由2.1.1數(shù)學(xué)模型求偏導(dǎo)得：

的靈敏系數(shù)；

ui（qvs）的靈敏系數(shù)C2=-5/3（L/min）-1。

（2）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)2.1.1中所得輸入量qv和qvs的相對(duì)不確定度分量uri（qv）和uri（qvs），計(jì)算出qv和qvs在各檢定流量點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不確定度分量和ui（qvs），按下式計(jì)算各檢定流量點(diǎn)瞬時(shí)流量示值引用誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

經(jīng)計(jì)算，在20、40、50L/min三個(gè)流量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為分別為0.22%、0.40%和0.48%。

（3）擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度，在20、40、50L/min三個(gè)流量點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度為0.44%、0.80%和0.96%。

2.2 采樣器累積流量示值誤差的不確定度分析與評(píng)定

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

式中：——累計(jì)流量示值誤差，L；——流量標(biāo)準(zhǔn)器或裝置測(cè)量出的瞬時(shí)流量示值，L/min；，儀器顯示的累積流量值，L；q——采樣器測(cè)量出的瞬時(shí)流量值，L/min；t——采樣器流量累積時(shí)間，min；

2.2.2 各輸入量的不確定度分量

（1）輸入量V的不確定度分量

a）流量穩(wěn)定性引入的不確定度分量。累積流量是采樣器在10min內(nèi)采樣流量對(duì)時(shí)間的積分，因此，應(yīng)考慮流量穩(wěn)定性的影響。根據(jù)采樣流量穩(wěn)定性檢定記錄中，每隔10min讀取一次共四次所得的五個(gè)瞬時(shí)流量值，按極差法知C=2.33，可得標(biāo)準(zhǔn)偏差為：S=（29.9-29.8）/2.33≈0.0429L/min，則流量穩(wěn)定性引入的相對(duì)不確定度分量，其中靈敏系數(shù)Crv1=1。

b）輸入量t引入的不確定度分量。依據(jù)JJG 237-2010秒表檢定規(guī)程，取電子秒表最大允許誤差±0.1s，均勻分布取包含因子k為，則其引入的不確定度分量為：uv21，其中靈敏系數(shù)Cv21=1。

電子秒表分辨力為0.01s，按均勻分布，取包含因子k為，其不確定度分量為，其中靈敏系數(shù)Cv22=1。

上述兩項(xiàng)分析結(jié)果互不相關(guān)，故輸入量t引入的相對(duì)不確定度分量為：urv2，其中靈敏系數(shù)Crv2=1。

上述各項(xiàng)分析結(jié)果，彼此獨(dú)立，則輸入量V引入的相對(duì)不確定度分量為0.14%。

（2）輸入量的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量出的瞬時(shí)流量的不確定度分析全同于2.1.2.2，現(xiàn)直接引用其相對(duì)不確定度分量，則uri（qv）=30×0.55%=0.165L/min。

2.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度評(píng)定

（1）靈敏系數(shù)

由2.2.1數(shù)學(xué)模型求偏導(dǎo)得：

uri（V）的靈敏系數(shù)C3=1/10qs≈1/300（min/L）；

uri（qs）的靈敏系數(shù)C4=-V/10qs2≈-1/30（min2/L）。

（2）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

因?yàn)檩斎肓縑與qs不相關(guān)，采樣器累積流量示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（3）擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度。

3 結(jié)論與討論

（1）該煙塵采樣器的瞬時(shí)流量在20、40、50L/min三個(gè)流量點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度為0.44%、0.80%和0.96%，累積流量在30L/min流量點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度為2.8%。（2）該儀器的測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)具有代表性，煙塵類計(jì)量器具和煙氣類計(jì)量器具的評(píng)價(jià)都可以參考本文，為此類計(jì)量器具的測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)提供參考。（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考核不確定度評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)目前煙塵類計(jì)量器具存在數(shù)據(jù)不穩(wěn)，數(shù)值偏差大，實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問(wèn)題，儀器數(shù)據(jù)采集方面的準(zhǔn)確性、靈敏度和穩(wěn)定性需進(jìn)行提高，同時(shí)可以增加24小時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，克服人為因素影響。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：常穎，工程師，天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院一線技術(shù)人員，研究方向?yàn)榄h(huán)境與能源計(jì)量。