粉尘采样器校准和测量能力的评估

粉尘采样器 校准和测量能力的评估

胡志鹏 赵艳

安徽省计量科学研究院 邮编 230051

摘要：选取钟罩式气体流量标准装置对流量范围为（5~30）L/min的粉尘采样器的最大流量开展校准，对校准结果进行不确定度的分析与评估，并最终给出评估的结果。

关键词：粉尘采样器，测量不确定度，测量能力

1、概述

粉尘采样器是指在含尘空气中采集粉尘试样的便携式器具。测定空气中的粉尘浓度，除了安全生产管理需要外，也是为了给研究防尘、降尘、除尘措施提供科学依据。它广泛运用于疾病预防、环境监测、冶金、石油化工等部门的卫生监测和评价。

粉尘采样器主要由采样头、抽气泵、流量计、电源等部分组成。某些粉尘采样器还具有采样时间显示、采样体积显示装置。

依据JJG 520-2005《粉尘采样器》检定规程，采样流量大于或等于5L/min的粉尘采样器选用粉尘采样器检定装置（或钟罩式气体流量标准装置或标准流量表）进行检定；采样流量小于5L的粉尘采样器选用粉尘采样器检定装置或皂膜流量标准装置进行检定。本文结合平时的实践经验，给出了合理的不确定度的分析与评估。

1.1 测量依据：

JJG 520-2005《粉尘采样器检定规程》

1.2 环境条件：

环境温度：（20±2）℃；相对湿度：（45～75）%；大气压力：（86～106）kPa。

1.3 测量标准：

主要计量标准设备为体积为200L，准确度等级为0.2级的钟罩式气体流量标准装置；配套设备为空盒气压表一台，测量范围（800～1604）hPa；差压变送器一台，测量范围（0～40）kPa；水银温度计一支，测量范围（0～50）℃。

1.4 被测对象：

粉尘采样器：测量范围（5~30）L/min，最大允许误差为±3.0%FS。

1.5 测量方法：

启动粉尘采样器，调节流量到待校准点，将粉尘采样器的采样头接在钟罩式气体流量标准装置上，调节标准器排气流量大小，使之与采样器流量达到平衡，压力计显示为零。气流达到平衡后读取所排出气体的体积、排气时间、温度和压力，计算得出该点的采样流量。

2 、粉尘采样器测量不确定度的评估

2.1、测量模型

（1）

式中： ——钟罩式气体流量标准装置气流平衡后排出气体的体积，L；

——与排出气体体积对应的排气时间，min；

——钟罩式气体流量标准装置内气体的绝对压力，Pa；

——钟罩式气体流量标准装置内气体的热力学温度，K；

——标准状态下大气压， = 101325 Pa；

——标准状态下气体温度， = 293.15 K；

——采样器前气体的绝对压力，Pa；

——采样器前气体的热力学温度，K；

——当地大气压，Pa；

——标准装置内气体的表压力，Pa；

——采样器前气体的表压力，Pa。

设 ，已知 =101325Pa， =293.15K，则式（1）可变换为：

（2）

式中： ——采样器流量示值误差，%；

——流量计的最大流量，L/min；

——流量计的指示流量，L/min；

——流量计在刻度状态下标准器测得的实际流量，L/min。

2.2、方差和灵敏系数

（3）

得：

由测量得： =100850Pa， =1020Pa， =990Pa， =393.15K

在采样器的量程范围进行检测，在30L/min流量点的流量波动相对较大，取 近似等于30L/min， =30L/min，由式（2）对各个分量求偏导，可得：

2.3、标准不确定度评定

2.3.1标准器的标准不确定度

用于校准采样器的标准装置流量的不确定度是由装置检定得到的，由标准器的证书可知，200L钟罩式气体流量标准装置的准确度为0.2级，则：

2.3.2校准过程中钟罩式气体流量标准装置内温度测量引入的不确定度

2.3.2.1校准过程中标准器内温度波动引入的不确定度分量

根据检定规程，标准器内温度波动（20±0.2）℃（ ），则

2.3.2.2温度测量中温度误差引入的不确定度分量

根据检定证书，温度计误差为（20±0.1）℃（ ），则

2.3.3校准过程中采样器进口处温度测量引入的不确定度

2.3.3.1校准过程中采样器进口处温度波动引入的不确定度分量

根据检定规程，采样器进口处温度波动（20±0.2）℃（ ），则

2.3.3.2温度测量中温度误差引入的不确定度分量

根据检定证书，温度计误差为（20±0.1）℃（ ），则

2.3.4大气压的测量不确定度

采用气压计对大气进行测量，由证书可知，最大允许误差为±40Pa，按矩形分布（ ），则

2.3.5钟罩式气体流量标准装置内压力测量引入的不确定度

2.3.5.1差压变送器误差引入的不确定度分量

由证书知差压变送器的不确定度为U=0.009mA，k=2，测量范围为（0~40）kPa，则

2.3.5.2校准过程中钟罩压力波动引入的不确定度分量

测得 Pa，根据检定规程，余压波动为±20Pa，按矩形分布（ ），则

2.3.6校准过程中采样器前表压力测量引入的不确定度

2.3.6.1差压变送器误差引入的不确定度分量

由证书知差压变送器的不确定度为U=0.009mA，k=2，测量范围为（0~40）kPa，则

2.3.6.2校准过程中采样器前压力波动引入的不确定度分量

测得 Pa，根据检定规程，压力波动为±20Pa，按矩形分布（ ），则

2.3.7采样器流量测量引入的不确定度

2.3.7.1采用统计分析的方法计算其试验标准差，作为标准不确定度分量 ，以30L/min点为例，重复测量6次，得到以下数据：30.2314L/min，30.2409L/min，30.2425L/min，30.2345L/min，30.2518L/min，30.2377L/min。得出 L/min， 。

用贝塞尔公式可算出单次测量标准差

（L/min）

则

2.3.7.2采样器流量示值引入的不确定度分量

采样器流量范围为（5～30）L/min，则估读误差为0.1L/min（ ），

则

2.4、合成标准不确定度

标准不确定度结果见下表：

2.5、扩展相对不确定度：

，包含因子k＝2时

3 校准和测量能力（CMC）

综合以上测量不确定度的评估，该项目的CMC为：30L/min，U_rel=0.27%，_。

4 结束语

以上是对粉尘采样器流量的校准和测量能力的评估，可为从事此类专业的同仁提供参考，对于使用其它标准设备进行此类校准的，可依据本文中标准装置不确定度的评定进行分析。

参考文献:

[1] JJG 520-2005 粉尘采样器检定规程

[2] GB/T 20964-2007 粉尘采样器

[3] JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示

[4] 实用测量不确定度评定 （第5版） 倪育才 中国计量出版社