郜津慧　王智超　鄧高峰　楊英霞　孫海莉

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，沈陽 110168；2.中國建筑科學研究院，北京 100013)

0　引言

隨著環(huán)境污染源(如汽車尾氣排放/工業(yè)排放/建筑揚塵)的類型以及貢獻比重的變化，顆粒物污染愈加嚴重，市場對粉塵儀的需求增多，推動了粉塵測試設(shè)備的制備與改進，我國在1993年頒布JJG 846—1993《光散射式數(shù)字粉塵測試儀檢定規(guī)程》，有較詳盡的標定規(guī)程，但是隨著社會的進步，測塵儀器日新月異，目前根據(jù)工作原理不同分為四類：光散射法、光吸收法、β射線式、交流靜電感應(yīng)式，該規(guī)程已不能滿足激光、β射線等原理的粉塵儀，所以粉塵儀的檢定規(guī)程亟待完善。

在以往的粉塵儀標定過程中，大多數(shù)人們依據(jù)JJG 846—1993《光散射式數(shù)字粉塵測試儀檢定規(guī)程》，采用單分散人工粒子(0.3～3.0μm)、硬脂酸和DOP粒子進行實驗，但是，很少有人采用多分散氣溶膠對粉塵儀進行標定。所以，本次試驗即將采用KCl液態(tài)氣溶膠對光散射式數(shù)字粉塵測試儀進行標定，并進行了分析。

1　粉塵儀的標定系統(tǒng)

標定系統(tǒng)由氣溶膠發(fā)生裝置、大氣采樣裝置和高精度電子天平構(gòu)成，混合箱體采用CFD模擬技術(shù)和實驗測試技術(shù)對氣溶膠進行均勻性優(yōu)化設(shè)計，確保檢定箱中采樣的穩(wěn)定性與均勻性。標定實驗用校準裝置示意圖如圖1所示。

1.高效過濾器；2、3.調(diào)節(jié)閥；4.流量計；5.氣溶膠發(fā)生器6.混合箱；7.采樣管；8.分配箱；9.切割頭；10.采樣濾膜 11.待測粉塵儀；12.采樣器；13.支架；14.試驗桌

檢定環(huán)境：溫度：(20±5)℃，濕度≤75％。

檢定用儀器規(guī)格：1)天平：量程:81g/210g，可讀性：0.01mg/0.1mg，重復(fù)性偏差：0.02mg/0.1mg；2)大氣采樣器：采樣流量范圍：3～30L/min，可調(diào)，采樣時間可1min～99h59min內(nèi)預(yù)設(shè)自動控制，數(shù)字顯示；3)被檢儀為AM510粉塵儀(美國TSI)，可測粉塵的濃度范圍0.001～20mg/m3，粒徑范圍0.1～10μm，最小分辨力為0.001mg/m3。

濾膜的平衡環(huán)境：溫度恒為25℃；濕度恒為50％。

2　靈敏度誤差及相對誤差的標定

2.1　試驗原理

靈敏度標定時，調(diào)節(jié)標定粒子濃度為(2.0±10％)mg/m3，穩(wěn)定后，同時開啟大氣采樣裝置和待檢粉塵測試儀，調(diào)節(jié)流量為20L/min，采樣時間為30min。稱重采樣前后濾膜重量，每種塵源分別采樣5次，并按式(1)和式(2)進行計算。

對相對誤差標定時，依據(jù)標定規(guī)程，將粒子標定濃度分別調(diào)節(jié)到0.5mg/m3、1.0mg/m3、2.0mg/m3、3.0mg/m3，穩(wěn)定后，同時開啟大氣采樣裝置和待標定粉塵測試儀，每種塵源、每種濃度下分別試驗5次，并按式(1)和式(2)進行計算。

E=(ρ1/ρ2-1)×100％

(1)

式中，E為靈敏度誤差，相對誤差％；ρ1為粉塵儀測得校正粒子的質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ2為采樣裝置測得校正粒子的質(zhì)量濃度，mg/m3。

ρ2=(m2-m1)/V×1000

(2)

式中，m1為采樣前濾膜的質(zhì)量，mg；m2為采樣后濾膜的質(zhì)量，mg；V為采氣體積，L。

2.2　實驗結(jié)果

分別在濃度為3mg/m3、2mg/m3、1mg/m3、0.5mg/m3時，采用濾膜稱重法分別對光散射式粉塵測試儀進行標定，對AM510與大氣采樣裝置進行比對分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　在每個濃度下AM510測得PM10濃度的相對誤差

圖3　AM510與采樣裝置的PM10擬合

由圖2可以看出，標定粉塵儀的靈敏度誤差基本維持在±2％之間，相對誤差也基本滿足小于±10％的標準。為進一步分析，分別在氣溶膠濃度為0.5mg/m3、1.0mg/m3、2.0mg/m3、3.0mg/m3對AM510和采樣裝置測得數(shù)據(jù)進行歸一化(圖3)，對測量值進行擬合，擬合曲線方程為y=0.9485x+0.0638，相關(guān)系數(shù)r=0.9987，相關(guān)系數(shù)反映出擬合曲線與實際數(shù)據(jù)的吻合度，越是接近1說明吻合度越高，從擬合曲線方程可以看出，非常接近直線Y=x，也就是說明AM510與采樣裝置測得值有很好的一致性。

3　測量結(jié)果的不確定度分析

測量不確定度就是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。所以，測量結(jié)果表述必須同時包含賦予被測量的值及與該值相關(guān)的測量不確定度，才是完整并有意義的。

式(1)和式(2)為建立的數(shù)學模型，可以看出對大氣采樣裝置引入的誤差包括濾膜增重、大氣采樣器的流量計和計數(shù)器，而濾膜增重又包括稱量過程中的重復(fù)性誤差和天平自身存在的誤差；待校準粉塵儀的誤差來源主要是在測量過程中測量值的不穩(wěn)定性。

3.1　A類不確定度評定

影響測量結(jié)果重復(fù)性的因素主要有測量儀器的變動性、人員操作和讀數(shù)差異、樣品不均勻等因素。濾膜稱重過程、粉塵儀測量過程都伴隨有重復(fù)性誤差，由此帶來的A類不確定度uA計算如下：

在標定濃度分別為0.5mg/m3、1.0mg/m3.2.0mg/m3和3.0mg/m3時，A類不確定度的計算結(jié)果如表1所示：

表1　A類不確定度的計算

3.2　B類不確定度評定

3.2.1大氣采樣器的不確定度

經(jīng)標定該大氣采樣器在20L/min流量點測量不確定度為1.18％(k=2)，則該大氣采樣器的流量計引入的不確定度分量計算如下：

urel(q)=1.18％/2=0.59％

3.2.2電子天平的不確定度

電子天平不確定度的計算公式如下式所示：

表2　天平自身引入的不確定度

3.3　合成不確定度和擴展不確定度

cri(xi)=?(yi)/?(xi)

其中，y，yi為輸出量，xi為輸入量，cri為各輸入量的靈敏系數(shù)。

up=k·u(y)

其中，up為擴展不確定度；k為包含因子一般取2～3，在這里k取2。合成不確定度和擴展不確定度的計算結(jié)果如表3所示：

表3　合成不確定度和擴展不確定度計算表

4　結(jié)論

通過利用天平稱重原理對光散射式粉塵測試儀進行標定，并通過誤差傳播定律對測量結(jié)果進行不確定度分析，結(jié)果顯示，采用KCl為塵源，靈敏度誤差和相對誤差均滿足檢定規(guī)程的要求，其不確定度最大為2.25％<3％，而不確定度的主要來源是混合箱內(nèi)顆粒物的均勻性、粉塵儀自身的穩(wěn)定性和大氣采樣裝置引入的誤差，并且粉塵儀測量值的穩(wěn)定性很大一部分取決于氣溶膠發(fā)生器發(fā)射和混合箱內(nèi)顆粒物的均勻性，所以，在標定過程中采用發(fā)塵穩(wěn)定的氣溶膠發(fā)生器和混合均勻的混合裝置會減小對標定結(jié)果的影響?？傮w而言，采用KCl作為塵源依然具有很大的優(yōu)勢。

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