烟尘采样器瞬时和累积流量示值误差的不确定度评定及思考
常颖+杨佳+王晓明+王振国
摘要：本文对我国空气环境问题的危害、烟尘采样器量值溯源的重要性进行了讨论，根据JJG 680-2007对烟尘采样器的瞬时流量示值误差和累积流量示值误差进行了检定，并根据JJF1059.1-2012中规定的方法和要求进行检定结果的不确定度评定。
关键词：烟尘采样器；瞬时流量示值误差；累积流量示值误差；不确定度
中图分类号：X851 文献标识码：A 文章编号：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
近年来，京津翼三地雾霾现象频发，严重地影响了人民群众的身体健康和我国城市在世界的形象。为了应对大气污染引发的雾霾现象，国家大力发展环保事业，“十一五”以来，环保工作坚持全面推进重点突破，把污染防治作为环境保护的重中之重。
大气污染物中的气溶胶是指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体，如粉尘、烟尘、雾等。各国科学家们不断研究大气污染物中颗粒物的危害，研究表明，大气污染与肺癌之间有因果关系[1]，肺癌风险与PM10和PM2.5均相关，这两种污染物的增加量与肺腺癌的发生亦有关联，PM2.5浓度每升高10μg/m3，将导致15%～27%的肺癌死亡率增加。PM2.5的健康危害除了影响呼吸道和肺功能，更为公认的是心血管疾病。此外，空气污染还被证实[2-3]与出生缺陷率提高以及新生儿体重过低有关，影响孩子一生。颗粒物更详细准确的健康危害表述可参阅美国环保署的2009年的颗粒物的综合科学评价报告[4]。
随着国家环境治理与监测工作的深入，天津市及各区县的环保监测、疾病预防控制中心以及防疫站等单位近年来不断增加采样器的种类与数量，同时，具备环境检测能力的民营企业数量也在逐步增加。为了更好地进行检定工作，保证污染源监测、污染事故应急监测、污染物总量控制监测、污染源解析监测、环境污染治理工程效果监测等工作的顺利进行，需要准确可靠科学的计量器具，保证监测结果的准确性。
1 目前烟尘采样器存在的问题
烟尘采样器[5]是用于测量烟道、烟囱及一般含尘管道中气体的粉塵浓度的仪器，将烟尘采样管由采样孔放入烟道中，将采样嘴置于测点上，正对气流方向，按等速采样要求抽取一定量的含尘气体，根据滤筒捕集的烟尘重量以及抽取的气体体积，计算颗粒物的排放浓度及排放总量。
目前进行监测的计量器具中存在有些设备精度和稳定性均达不到要求；有些设备波动大，稳定性差，测量数据不准确。环保计量器具不准确，使得设备本身数据达不到计量要求和测量要求，影响实际测量数据的准确性和规划前期数据，使得计量器具无法满足环保监测的需要。对于环保计量器具尤其是烟尘采样器进行检定装置测量不确定度评价，可以得到更准确的监测数据。
在平时的检定工作中，我们对不同厂家不同型号的机器做了大量的实验，得到了大量的实验数据，下面对某厂家3012H型烟尘采样器的测量结果不确定度进行评定[5-6]。测量环境条件为温度（10～35）℃，相对湿度≦85%RH；测量标准器为烟尘采样器标准装置（以下简称“标准装置”）；待测烟尘采样器的采样流量在60L/min以内。
2 烟尘采样器不确定度分析与评定
2.1 采样器瞬时流量示值误差的不确定度分析与评定
2.1.1 数学模型
式中：qv——仪器瞬时流量示值，L/min；qvs——流量标准器或装置的两次测量结果平均值，L/min；qmax——仪器瞬时流量的满量程值，L/min。
2.1.2 各输入量的不确定度分量
（1）输入量qv的不确定度分量
输入量qv主要是测量重复性引入的不确定度分量，根据检定规程[6]，对采样器进行检定，分别在20、40、50L/min流量点，在重复性条件下测量10次，数据如下（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。按贝塞尔公式计算得到各流量点的单次测量实验标准差，由于在实际检定中，取两次测量结果的平均值作为测量结果，故测量重复性引入的相对不确定度分量为：
经计算，20、40、50L/min流量点的分别为0.37%、0.24%和0.17%。
（2）输入量qvs的不确定度分量
a）标准装置引入的不确定度分量。由国家计量院校准报告，标准装置流量扩展不确定度最大为1.0%，按正态分布包含因子k=2，则其引入的相对不确定度分量为：urs1=1.0%/2=0.50%，其中灵敏系数Crs1=1。
b）标准装置进口气体压力PS测量不确定度分量。标准装置进口气体压力为大气压力，由天津计量院出具的空盒气压表检定证书数据，并考虑估读误差，大气压力测量准确度不低于250Pa，按正态分布包含因子k=2，则标准装置进口气体压力PS的相对不确定度分量为：urs2==，其中灵敏系数Crs2=1。经计算，在天津市检定环境条件下，一般可取urs2=0.12%（ps取102.325kPa）。
c）标准装置内气体温度TS测量不确定度分量。由标准装置使用说明书，温度TS测量范围（-30～50）℃，示值误差≤±1℃，按均匀分布，则标准装置气体温度TS的相对不确定度分量为：urs3==。根据检定规程[6]，检定环境温度为（10～35）℃，urs3最大约为0.20%，灵敏系数Crs3=-1。
以上各输入量间不相关，故输入量qvs引入的相对不确定度分量为：
2.1.3 合成标准不确定度及扩展不确定度评定
（1）灵敏系数
由2.1.1数学模型求偏导得：
的灵敏系数；
ui（qvs）的靈敏系数C2=-5/3（L/min）-1。
（2）合成标准不确定度
根据2.1.1中所得输入量qv和qvs的相对不确定度分量uri（qv）和uri（qvs），计算出qv和qvs在各检定流量点所对应的不确定度分量和ui（qvs），按下式计算各检定流量点瞬时流量示值引用误差的合成标准不确定度：
经计算，在20、40、50L/min三个流量点的合成标准不确定度为分别为0.22%、0.40%和0.48%。
（3）扩展不确定度
取包含因子k=2，则扩展不确定度，在20、40、50L/min三个流量点的扩展不确定度为0.44%、0.80%和0.96%。
2.2 采样器累积流量示值误差的不确定度分析与评定
2.2.1 数学模型
式中：——累计流量示值误差，L；——流量标准器或装置测量出的瞬时流量示值，L/min；，仪器显示的累积流量值，L；q——采样器测量出的瞬时流量值，L/min；t——采样器流量累积时间，min；
2.2.2 各输入量的不确定度分量
（1）输入量V的不确定度分量
a）流量稳定性引入的不确定度分量。累积流量是采样器在10min内采样流量对时间的积分，因此，应考虑流量稳定性的影响。根据采样流量稳定性检定记录中，每隔10min读取一次共四次所得的五个瞬时流量值，按极差法知C=2.33，可得标准偏差为：S=（29.9-29.8）/2.33≈0.0429L/min，则流量稳定性引入的相对不确定度分量，其中灵敏系数Crv1=1。
b）输入量t引入的不确定度分量。依据JJG 237-2010秒表检定规程，取电子秒表最大允许误差±0.1s，均匀分布取包含因子k为，则其引入的不确定度分量为：uv21，其中灵敏系数Cv21=1。
电子秒表分辨力为0.01s，按均匀分布，取包含因子k为，其不确定度分量为，其中灵敏系数Cv22=1。
上述两项分析结果互不相关，故输入量t引入的相对不确定度分量为：urv2，其中灵敏系数Crv2=1。
上述各项分析结果，彼此独立，则输入量V引入的相对不确定度分量为0.14%。
（2）输入量的不确定度分量
标准装置测量出的瞬时流量的不确定度分析全同于2.1.2.2，现直接引用其相对不确定度分量，则uri（qv）=30×0.55%=0.165L/min。
2.2.3 合成标准不确定度及扩展不确定度评定
（1）灵敏系数
由2.2.1数学模型求偏导得：
uri（V）的灵敏系数C3=1/10qs≈1/300（min/L）；
uri（qs）的灵敏系数C4=-V/10qs2≈-1/30（min2/L）。
（2）合成标准不确定度
因为输入量V与qs不相关，采样器累积流量示值误差的合成标准不确定度为：
（3）扩展不确定度
取包含因子k=2，则扩展不确定度。
3 结论与讨论
（1）该烟尘采样器的瞬时流量在20、40、50L/min三个流量点的扩展不确定度为0.44%、0.80%和0.96%，累积流量在30L/min流量点的扩展不确定度为2.8%。（2）该仪器的测量不确定度评价具有代表性，烟尘类计量器具和烟气类计量器具的评价都可以参考本文，为此类计量器具的测量不确定度评价提供参考。（3）通过现场考核不确定度评价，发现目前烟尘类计量器具存在数据不稳，数值偏差大，实际检测数据不稳定等问题，仪器数据采集方面的准确性、灵敏度和稳定性需进行提高，同时可以增加24小时远程监控，克服人为因素影响。
参考文献
[1]陈仁杰，张金良，阚海东.中国大气污染与肺癌关系的流行病学研究回顾[J].卫生研究，2011，40（2）：243-245.
[2]侯海燕，杨振华，邹晓萍等.空气污染与出生缺陷关系的生态学分析[J].环境与健康杂志，2010，（12）：1098-1100.
[3]阮海燕，赵庆国，陈伦能等.空气污染与出生体重关系的病例对照研究[J].中国妇幼健康研究，2008，（4）：306-308.
[4]应用3012H系列05版自动烟尘（气）测试仪说明书[M/CD].山东：青岛崂山应用技术研究所，2005.
[5]全国环境化学计量技术委员会JJG680-2007，烟尘采样器检定规程[S].
[6]全国法制计量管理计量技术委员会JJF1059.1-2012，测量不确定度评定与表示[S].
作者简介：常颖，工程师，天津市计量监督检测科学研究院一线技术人员，研究方向为环境与能源计量。
摘要：本文对我国空气环境问题的危害、烟尘采样器量值溯源的重要性进行了讨论，根据JJG 680-2007对烟尘采样器的瞬时流量示值误差和累积流量示值误差进行了检定，并根据JJF1059.1-2012中规定的方法和要求进行检定结果的不确定度评定。
关键词：烟尘采样器；瞬时流量示值误差；累积流量示值误差；不确定度
中图分类号：X851 文献标识码：A 文章编号：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
近年来，京津翼三地雾霾现象频发，严重地影响了人民群众的身体健康和我国城市在世界的形象。为了应对大气污染引发的雾霾现象，国家大力发展环保事业，“十一五”以来，环保工作坚持全面推进重点突破，把污染防治作为环境保护的重中之重。
大气污染物中的气溶胶是指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体，如粉尘、烟尘、雾等。各国科学家们不断研究大气污染物中颗粒物的危害，研究表明，大气污染与肺癌之间有因果关系[1]，肺癌风险与PM10和PM2.5均相关，这两种污染物的增加量与肺腺癌的发生亦有关联，PM2.5浓度每升高10μg/m3，将导致15%～27%的肺癌死亡率增加。PM2.5的健康危害除了影响呼吸道和肺功能，更为公认的是心血管疾病。此外，空气污染还被证实[2-3]与出生缺陷率提高以及新生儿体重过低有关，影响孩子一生。颗粒物更详细准确的健康危害表述可参阅美国环保署的2009年的颗粒物的综合科学评价报告[4]。
随着国家环境治理与监测工作的深入，天津市及各区县的环保监测、疾病预防控制中心以及防疫站等单位近年来不断增加采样器的种类与数量，同时，具备环境检测能力的民营企业数量也在逐步增加。为了更好地进行检定工作，保证污染源监测、污染事故应急监测、污染物总量控制监测、污染源解析监测、环境污染治理工程效果监测等工作的顺利进行，需要准确可靠科学的计量器具，保证监测结果的准确性。
1 目前烟尘采样器存在的问题
烟尘采样器[5]是用于测量烟道、烟囱及一般含尘管道中气体的粉塵浓度的仪器，将烟尘采样管由采样孔放入烟道中，将采样嘴置于测点上，正对气流方向，按等速采样要求抽取一定量的含尘气体，根据滤筒捕集的烟尘重量以及抽取的气体体积，计算颗粒物的排放浓度及排放总量。
目前进行监测的计量器具中存在有些设备精度和稳定性均达不到要求；有些设备波动大，稳定性差，测量数据不准确。环保计量器具不准确，使得设备本身数据达不到计量要求和测量要求，影响实际测量数据的准确性和规划前期数据，使得计量器具无法满足环保监测的需要。对于环保计量器具尤其是烟尘采样器进行检定装置测量不确定度评价，可以得到更准确的监测数据。
在平时的检定工作中，我们对不同厂家不同型号的机器做了大量的实验，得到了大量的实验数据，下面对某厂家3012H型烟尘采样器的测量结果不确定度进行评定[5-6]。测量环境条件为温度（10～35）℃，相对湿度≦85%RH；测量标准器为烟尘采样器标准装置（以下简称“标准装置”）；待测烟尘采样器的采样流量在60L/min以内。
2 烟尘采样器不确定度分析与评定
2.1 采样器瞬时流量示值误差的不确定度分析与评定
2.1.1 数学模型
式中：qv——仪器瞬时流量示值，L/min；qvs——流量标准器或装置的两次测量结果平均值，L/min；qmax——仪器瞬时流量的满量程值，L/min。
2.1.2 各输入量的不确定度分量
（1）输入量qv的不确定度分量
输入量qv主要是测量重复性引入的不确定度分量，根据检定规程[6]，对采样器进行检定，分别在20、40、50L/min流量点，在重复性条件下测量10次，数据如下（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。按贝塞尔公式计算得到各流量点的单次测量实验标准差，由于在实际检定中，取两次测量结果的平均值作为测量结果，故测量重复性引入的相对不确定度分量为：
经计算，20、40、50L/min流量点的分别为0.37%、0.24%和0.17%。
（2）输入量qvs的不确定度分量
a）标准装置引入的不确定度分量。由国家计量院校准报告，标准装置流量扩展不确定度最大为1.0%，按正态分布包含因子k=2，则其引入的相对不确定度分量为：urs1=1.0%/2=0.50%，其中灵敏系数Crs1=1。
b）标准装置进口气体压力PS测量不确定度分量。标准装置进口气体压力为大气压力，由天津计量院出具的空盒气压表检定证书数据，并考虑估读误差，大气压力测量准确度不低于250Pa，按正态分布包含因子k=2，则标准装置进口气体压力PS的相对不确定度分量为：urs2==，其中灵敏系数Crs2=1。经计算，在天津市检定环境条件下，一般可取urs2=0.12%（ps取102.325kPa）。
c）标准装置内气体温度TS测量不确定度分量。由标准装置使用说明书，温度TS测量范围（-30～50）℃，示值误差≤±1℃，按均匀分布，则标准装置气体温度TS的相对不确定度分量为：urs3==。根据检定规程[6]，检定环境温度为（10～35）℃，urs3最大约为0.20%，灵敏系数Crs3=-1。
以上各输入量间不相关，故输入量qvs引入的相对不确定度分量为：
2.1.3 合成标准不确定度及扩展不确定度评定
（1）灵敏系数
由2.1.1数学模型求偏导得：
的灵敏系数；
ui（qvs）的靈敏系数C2=-5/3（L/min）-1。
（2）合成标准不确定度
根据2.1.1中所得输入量qv和qvs的相对不确定度分量uri（qv）和uri（qvs），计算出qv和qvs在各检定流量点所对应的不确定度分量和ui（qvs），按下式计算各检定流量点瞬时流量示值引用误差的合成标准不确定度：
经计算，在20、40、50L/min三个流量点的合成标准不确定度为分别为0.22%、0.40%和0.48%。
（3）扩展不确定度
取包含因子k=2，则扩展不确定度，在20、40、50L/min三个流量点的扩展不确定度为0.44%、0.80%和0.96%。
2.2 采样器累积流量示值误差的不确定度分析与评定
2.2.1 数学模型
式中：——累计流量示值误差，L；——流量标准器或装置测量出的瞬时流量示值，L/min；，仪器显示的累积流量值，L；q——采样器测量出的瞬时流量值，L/min；t——采样器流量累积时间，min；
2.2.2 各输入量的不确定度分量
（1）输入量V的不确定度分量
a）流量稳定性引入的不确定度分量。累积流量是采样器在10min内采样流量对时间的积分，因此，应考虑流量稳定性的影响。根据采样流量稳定性检定记录中，每隔10min读取一次共四次所得的五个瞬时流量值，按极差法知C=2.33，可得标准偏差为：S=（29.9-29.8）/2.33≈0.0429L/min，则流量稳定性引入的相对不确定度分量，其中灵敏系数Crv1=1。
b）输入量t引入的不确定度分量。依据JJG 237-2010秒表检定规程，取电子秒表最大允许误差±0.1s，均匀分布取包含因子k为，则其引入的不确定度分量为：uv21，其中灵敏系数Cv21=1。
电子秒表分辨力为0.01s，按均匀分布，取包含因子k为，其不确定度分量为，其中灵敏系数Cv22=1。
上述两项分析结果互不相关，故输入量t引入的相对不确定度分量为：urv2，其中灵敏系数Crv2=1。
上述各项分析结果，彼此独立，则输入量V引入的相对不确定度分量为0.14%。
（2）输入量的不确定度分量
标准装置测量出的瞬时流量的不确定度分析全同于2.1.2.2，现直接引用其相对不确定度分量，则uri（qv）=30×0.55%=0.165L/min。
2.2.3 合成标准不确定度及扩展不确定度评定
（1）灵敏系数
由2.2.1数学模型求偏导得：
uri（V）的灵敏系数C3=1/10qs≈1/300（min/L）；
uri（qs）的灵敏系数C4=-V/10qs2≈-1/30（min2/L）。
（2）合成标准不确定度
因为输入量V与qs不相关，采样器累积流量示值误差的合成标准不确定度为：
（3）扩展不确定度
取包含因子k=2，则扩展不确定度。
3 结论与讨论
（1）该烟尘采样器的瞬时流量在20、40、50L/min三个流量点的扩展不确定度为0.44%、0.80%和0.96%，累积流量在30L/min流量点的扩展不确定度为2.8%。（2）该仪器的测量不确定度评价具有代表性，烟尘类计量器具和烟气类计量器具的评价都可以参考本文，为此类计量器具的测量不确定度评价提供参考。（3）通过现场考核不确定度评价，发现目前烟尘类计量器具存在数据不稳，数值偏差大，实际检测数据不稳定等问题，仪器数据采集方面的准确性、灵敏度和稳定性需进行提高，同时可以增加24小时远程监控，克服人为因素影响。
参考文献
[1]陈仁杰，张金良，阚海东.中国大气污染与肺癌关系的流行病学研究回顾[J].卫生研究，2011，40（2）：243-245.
[2]侯海燕，杨振华，邹晓萍等.空气污染与出生缺陷关系的生态学分析[J].环境与健康杂志，2010，（12）：1098-1100.
[3]阮海燕，赵庆国，陈伦能等.空气污染与出生体重关系的病例对照研究[J].中国妇幼健康研究，2008，（4）：306-308.
[4]应用3012H系列05版自动烟尘（气）测试仪说明书[M/CD].山东：青岛崂山应用技术研究所，2005.
[5]全国环境化学计量技术委员会JJG680-2007，烟尘采样器检定规程[S].
[6]全国法制计量管理计量技术委员会JJF1059.1-2012，测量不确定度评定与表示[S].
作者简介：常颖，工程师，天津市计量监督检测科学研究院一线技术人员，研究方向为环境与能源计量。
