低浓度粉尘测量仪检定装置的应用及测量结果的不确定度评定
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摘 要：随着生产工艺精度的提高，人们对粉尘浓度的要求越来越高；随着雾霾情况的加剧，国家对粉尘颗粒和烟尘浓度的监测也越来越普遍，因此，对低浓度粉尘测量仪的计量的准确性要求越来越高。根据JJG846-2015《粉尘浓度测量仪检定规程》要求，对低浓度粉尘测量仪进行不确定度进行分析，阐明不确定的来源，给出测量结果的不确定评定方法，通过实际测量，对低浓度粉尘测量仪的做出具体分析。
中图分类号：TH83 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0071-02
随着采矿业不断发展，工业规模的不断扩大和科学技术的迅速发展，粉尘带来的危害也逐渐加大。越来越多的人患上呼吸道疾病，严重患上尘肺病。此外，粉尘还容易引起燃烧和爆炸。现如今，生产工艺的加工精度要求不断提高，生产工艺对无尘或微尘的要求越来越高，因此，对粉尘浓度监测的准确性要求越来越高。近年来，全国各地的雾霾情况越来越频繁和加剧，PM2.5严重超标，准确监测这些粉尘颗粒和烟尘浓度，可以为环保部门控制空气污染提供依据。
为了确保低浓度粉尘测量仪计量的准确性，我们引进了低浓度粉尘测量仪检定装置。
1 低浓度粉尘测量仪检定方法
低浓度粉尘测量仪检定装置主要分为4个部分：发尘装置部分、扩散腔、检测腔和除尘装置部分，如图1所示。
发尘装置采用Wright原理，装置的顶部有一个旋转的刷子，刷子匀速转动，尘柱被刷子磨蚀后，形成大量的颗粒物，颗粒物分散开来，被高压气流带入稀释腔，再经过2米长的扩散腔，最后到达检测腔。在稀释腔里，有一管路为清洁空气，可以根据需要对粉尘进行再次稀释。扩散腔比较高，可以让粉尘更好的沉降和稀释，使粉尘更均匀混合，减少测量误差。在检测腔里的底部，装有横竖排列的铁架，铁架上可以放置若干台被测粉尘测量仪和滤膜采样装置。由于检测腔面积很大，滤膜的截面积与它比起来，微乎其微，可以忽略不计，我们可以近似的认为检测腔内的粉尘没受到有影响，还是均匀的。在装置的底部安装一个风机，风机会产生负压，一方面为过滤过的洁净空气进入稀释腔提供动力，一方面将穿过检测器的粉尘气溶胶吸走。
待粉尘均匀稳定后，启动标准采样装置，装置内放置一片已经称量过其质量的滤膜，质量记为m1，设定标准采样装置的采样时间和采样流量，分别为t和qv，在启动标准采样装置的同时，放入被检粉尘测量仪。待采样完毕，读取被检粉尘测量仪的示值，记为c1，同时，将标准采样装置的滤膜取下并称量其质量，记为m2。
装置的粉尘浓度用公式（1-1）计算。
（1-1）
式中：c0――标准粉尘的质量浓度，mg/m3；
m1――采样前滤膜的质量，mg；
m2――采样后滤膜的质量，mg；
qv――标准装置的采恿髁浚L/min；
t――采样时间，min。
粉尘浓度测量仪的示值误差用公式（1-2）表示。
（1-2）
式中：――示值误差
c1――被检粉尘测量仪的示值
c0――标准粉尘的质量浓度
2 低浓度粉尘测量仪不确定度评定
（1）测量依据，JJG846-2015《粉尘浓度测量仪检定规程》。
（2）环境条件，温度：（15～30）℃，湿度≤85%。
（3）测量设备。低浓度粉尘发生装置、标准采样装置（用粉尘采样器代替）、电子天平（精确到0.1mg）、电子秒表（精确到0.01s）。
（4）测量对象，低浓度粉尘测量仪。
（5）测量过程，利用称重法，测定粉尘测量仪的显示值。
（6）测量模型
A类不确定度评定。
选取5mg/m3左右点来评定。由于发尘装置有若干个档位，测量的时候选用固定的档位连续发尘。记录低浓度粉尘测量仪的数据，分别为：（单位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：
根据贝塞尔公式，得到s=0.110mg/m3
重复测量10次，测量结果的不确定度为：
B类不确定度评定。
对整个低浓度粉尘测量仪检定装置来说，响应其不确定的因素主要有以下几个方面：
（1）仪器的最小分辨力引入的不确定度分量。低浓度粉尘测量仪显示值的最小分度值d=0.001mg/m3，则区间半宽度a=d/2=0.0005 mg/m3， 假定是按均匀分布，则有仪器分辨力引入的不确定分量：
（2）发尘的不均匀性引入的不确定度。在检测腔的中间位置安装一个标准采样装置，记为1号采样装置。在相同的横截面上，距离1号相邻和四周（按前后左右均匀放置）处安装另一个采样装置，记为2号采样装置。发尘浓度保持在5 mg/m3。这两个采样设备的采样率设置为20L/min，采样时间设定在20min，以2号采样装置和1号采样装置之差的最大值来评定装置的不确定度，检测结果如表1所示。
由上表可以看出，2号采样装置和1号采样装置差值的最大值，按均匀分布，则有
（3）尘箱的不稳定性引入的不确定度。我们用一台可以连续采样并能储存数据的低浓度粉尘测量仪，平均2分钟采样一次，一共采样20分钟。选取5mg/m3点左右发尘，发尘稳定后，放入被检粉尘仪。数据记录如下（单位mg/m3）。
5.341；5.353；5.482；5.444；5.565；5.203；5.625；5.701；5.448；5.242
实验标准偏差：
单次测量的的标准差，也就是尘箱的不稳定性引入的不确定度为
（4）电子天平引入的不确定度。电子天平经计量机构检定，其误差为0.2mg。天平在检测过程中用到两次，两次的影响不互相关，因此，天平引入的不确定度为
在测量中，标准采样装置，采样流量设定为20L/min，采样时间设置为20min，根据公式
即：
天平相对于装置的灵敏度系数为：
，
天平引入的不确定度分量为：
（5）粉尘采样器引入的不确定分量。标准采样装置经江苏省计量院检定，最大允许误差为±0.2L/min，假设标准采样装置均匀分布，，则有，
标准采样装置相对于整个装置的不确定度分量：
，
经过称量，m1=142.2mg；m2=144.2mg，=2mg
在测量的时候将粉尘采样器的采样流量设为20L/min，采样时间设定为20min。
将数据代入公式，得到
（6）标准采样器的采样时间引入的不确定分量。标准采样装置的采样时间的不确定度分量对装置的贡献很小，可以忽略不计。
3 不确定度的合成
（1）灵敏系数。
测量模型：
灵敏度系数：
（2）标准不确定度一览表（表2）。
（3）不确定度的合成。
以上不确定度分量是互不相关的，对此进行合成：
（4）扩展不确定度。
取置信因子k=2，则示值误差的扩展不确定度为：
因此，对于低浓度粉尘测量仪检定装置，在5.430mg/m3点测量结果的不确定度是U=0.8 mg/m3（k=2）。
参考文献
[1]JJG846-2015粉尘浓度测量仪检定规程[S].
[2]JJF1059-2012测量不确定度评定及表示[S].
[3]沈正生，张国城，范人杰，等.一种低浓度粉尘仪检定装置的建立与应用[J].计量技术，2015（10）.