CN109870395B

CN109870395B - 基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法

Info

Publication number: CN109870395B
Application number: CN201910213823.5A
Authority: CN
Inventors: 樊玮; 邹君臣; 朱永宏; 王广俊; 闫继伟; 师恩洁; 路兴杰; 郝霞莉; 刘文思; 王琳
Original assignee: Henan Institute of Metrology
Current assignee: Henan Institute Of Metrology And Testing Science
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN109870395A

Abstract

本发明公开了一种基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法。本发明首先采用所述的自动称重测量系统对待检测空气中PM_2.5颗粒物的浓度进行检测，然后根据检测结果建立数学模型；再根据建立的数学模型进行不确定度来源分析并对不确定度分量进行计量；再依次合成相对标准不确定度、合成相对扩展不确定度。本系统测量过程均由电脑控制，无需人工干预，实时显示浓度值，生成各种图表，并能长期保存。本发明在存储数据的基础上，对该检测过程进行了不确定度评定，不确定度评定中全面分析了系统误差和随机误差引入的不确定度分量，最终得到的不确定数据准确、可信。为在线计量提供了可靠的方法依据。

Description

基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法

技术领域

本发明属于空气质量检测技术领域。具体涉及一种基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法。

背景技术

随着我国经济的发展，大气污染越来越严重。空气中的粉尘颗粒物、有害气体等含量逐渐增高。其中呼吸性粉尘PM₁₀、细粉尘PM_2.5被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。粗颗粒物可侵害呼吸系统，诱发哮喘病。细颗粒物可能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能等。越细小的颗粒物对人体危害越大，甚至可以进入肺泡、血液，严重时可危及生命。PM_2.5还具有较强的吸附能力，是多种污染物的“载体”和“催化剂”，能成为多种污染物的集合体，是导致各种疾病的罪魁祸首。特别是煤矿粉尘不仅对人体具有较大的危害，其浓度过高时还潜伏着爆炸的危险。

针对粉尘如此大的危害，国家环保部和安全监察局相继出台了一系列相关的政策和标准，严格控制粉尘浓度、减少粉尘危害。因此，及时有效的对作业场所的粉尘和浓度进行监测，能更好的掌握粉尘浓度状况，进行有效的除尘和降尘，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。

测定粉尘颗粒物浓度的仪器种类较多。其中滤膜称重法是最早用于颗粒物浓度测量的方法，较之自动监测法(光散射法、振荡天平法、β射线吸收法、压电晶体法)具有基本原理简单和采样率高的特点，而且不受颗粒物形状、大小和颜色等物理性质的影响。以规定的流量采样，将空气中的颗粒物捕集于高性能滤膜上，称量滤膜采样前后的质量，由其质量差求得捕集的粉尘颗粒物质量，其与采样空气量之比即为粉尘颗粒物的质量浓度。在该检测方法中，为了防止外界对测量结果的影响，需要对滤膜进行恒温恒湿处理，以得到准确、可靠的检测数据和资料。但是，目前采用该方法进行测量时，需要手动称重，该过程中滤膜长时间与空气接触，恒温恒湿后的滤膜受到空气的影响极大，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化也会造成挥发性和半挥发性物质的损失，严重影响了测量结果的准确性；另外，每个测量的滤膜均需要人工移动，操作繁琐，劳动强度大。

因此，针对称重检测过程中，如何实现自动化、标准化、批量化检测成为急需解决的技术问题。本发明通过合理调控各个组件单元之间的周转，采用滤膜称重法实现了对空气中粉尘颗粒物的自动检测、很大程度的减少了外界环境对监测过程的影响，实现了自动化、准确化的检测过程。

在自动检测过程中，对测量结果进行不确定度分析是考察PM_2.5测量准确度的一个重要指标。不确定度是体现被测量值合理分散性，是与测量结果相联系的参数，是当代误差理论定量描述测量结果质量的重要指标。因此，本申请自动检测的基础上，通过数学模型的建立、分析不确定度来源，全面分析了系统误差和随机误差引入的不确定度分量，最终得到的不确定度数据准确、可信。为在线计量提供了可靠的方法依据。

发明内容

本发明针对的技术问题是：现有技术中采用滤膜称重法测量空气中PM_2.5浓度时，测量过程中存在受外界温度、湿度等因素的影响、人为因素的影响，且不能实现自动化、批量化的检测；现有技术中不存在关于滤膜称重法测量空气中PM_2.5浓度的不确定分析，无法有效减小PM_2.5浓度测量时的影响因素、提高测量结果的准确度。

针对上述问题，本发明提供了一种颗粒物采样称重装置及颗粒物质量浓度自动测定系统，该系统采用滤膜称重法对空气中的PM_2.5浓度进行自动检测，实现了自动控制、批量化的检测，避免了外界及人为因素对测量结果的影响。

本发明还提供了基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法，该方法较好的分析了采用自动测量系统对空气中PM_2.5浓度进行测量时的各种影响因素的不确定分量，从而为有效减小测量过程中各种因素的影响、提高了测量结果的准确度。

本发明是通过以下技术方案实现的

一种颗粒物采样称重装置，包括：

箱体；膜盘，其回转设置在所述箱体内，且在所述膜盘上呈圆周布设有多个膜夹，各所述膜夹上匹配放置有滤膜；气体采集单元，其设置在所述箱体内，并与所述膜盘对应设置；至少一个所述膜夹对应设置在所述气体采集单元内，且相应工位的滤膜位于气体采集单元的进气口和出气口之间，实现气体颗粒物的过滤采集；称重单元，其设置在所述箱体内，实现对滤膜的称重；以及转移单元，其实现滤膜在所述膜盘与所述称重单元之间的转移。

所述的颗粒物采样称重装置，还包括与所述称重单元对应的罩壳，所述箱体内设置有驱动所述罩壳的升降单元；所述升降单元包括第一支架和设置在第一支架与罩壳之间的升降动力推杆；或所述升降单元包括第一支架、设置在第一支架上的丝杠和第一滑轨、以及驱动丝杠转动的第一电机，所述罩壳顶部设置有支撑杆，支撑杆的端部设置有与所述丝杠匹配的丝母、以及与所述第一滑轨匹配的滑块；

还包括读码器和静电消除棒，在各所述滤膜上设置有识别码，所述称重单元为天平，所述天平底部设置有减震座，所述箱体为恒温恒湿箱。

所述的颗粒物采样称重装置，所述转移单元包括：导向座；匹配设置在所述导向座内的立杆，所述立杆能够相对于所述导向座升降动作和旋转动作，所述立杆的顶部设置有移送臂，所述移送臂的端部设置有托环；下支架，其与所述导向座固定连接，在所述下支架上设置有第二滑轨；匹配滑动设置在所述第二滑轨上的滑移架，所述滑移架上设置有第二电机，所述立杆的下端部与所述第二电机传动连接；以及驱动所述滑移架相对于所述导向座升降动作的升降动力推杆；

所述膜盘与箱体之间设置有转轴，且在箱体上设置有驱动转轴旋转的第三电机，所述膜夹中部设置有托送口，所述托环经过所述托送口顶升所述滤膜脱离膜盘。

所述的颗粒物采样称重装置，所述气体采集单元包括：上支座，在所述上支座上设置有顶盖和进气口；下支座，在所述下支座上设置有支撑柱，支撑柱上滑动设置有升降台，所述升降台与对应的托送口对应；以及驱动所述升降台在所述支撑柱上上下动作的驱动部；所述升降台中部设置有沉槽，在所述沉槽的底部或侧部设置有出气口，通过所述升降台的顶升，使得所述滤膜密封压设在升降台与所述顶盖之间；所述驱动部为升降动力推杆；或所述驱动部包括中部铰接在下支座上的摆杆，摆杆的一端与所述升降台底部对应，与所述摆杆的另一端对应的下支座上设置有凸轮和驱动凸轮转动的第四电机，所述凸轮的动作带动所述摆杆的摆动。

一种颗粒物质量浓度自动测定系统，包括：采样切割装置，其包括采样头和切割器；上述的颗粒物采样称重装置，所述气体采集单元的进气口与切割器的出气端连通；流量检测及处理装置，其包括依次通过输气管道连通的流量计、抽气泵和过滤器，所述流量计的进气端与所述气体采集单元的出气口连通；以及控制器，所述控制器控制各部件的动作，并记录所述滤膜的称重数值和流量计的数值。

一种基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法，该方法包括以下步骤：

S1、采用上述的颗粒物浓度自动测定系统对空气中PM_2.5的浓度ρ进行测量：

测量体积为V的空气中PM_2.5的质量为m，则该空气中PM_2.5颗粒物浓度为ρ＝m/V；

S2、根据步骤S1测定的结果建立数学模型：

所检测空气中PM_2.5颗粒物的浓度为：ρ＝m/V

根据空气体积：

可建立数学模型，

式中，ρ表示测量所得空气中PM_2.5颗粒物的浓度，V表示检测的空气体积，m表示检测的体积为V的空气中PM_2.5颗粒物的质量，Q表示采样系统中流量计的采样流量m³/min，p表示采样期间测试现场环境的平均大气压力kPa，T_n表示标准状态下的热力学温度273K(常数求导之后结果为0，)，t表示采样时间h，p_n表示标准状态下的大气压力101.325kPa(常数求导之后结果为0，)，T表示采样期间测试现场环境的平均温度K；

S3、不确定度来源分析：

根据上述得到的数学模型：

经过细化可得，PM_2.5浓度测定结果的合成相对标准不确定度为：

即：

式中，ρ表示测量所得空气中PM_2.5颗粒物的浓度，V表示检测的空气体积，m表示检测体积为V的空气中PM_2.5颗粒物的质量，Q表示采样系统中流量计的采样流量m³/min，p表示采样期间测试现场环境的平均大气压力kPa，t表示采样时间h，T表示采样期间测试现场环境的平均温度K；

u(Q)表示大气采样流量计引入的标准不确定度/m³/min；u(T)表示气温读数引入的标准不确定度/K；u(p)表示气压读数引入的标准不确定度/kPa；u(t)表示采样时间引入的标准不确定度/min；u(m)表示称量时引入的标准不确定度/g；

u_r(Q)表示大气采样流量计引入的相对标准不确定度；u_r(T)表示气温读数引入的相对标准不确定度；u_r(p)表示气压读数引入的相对标准不确定度；u_r(t)表示采样时间引入的相对标准不确定度；u_r(m)表示称量时引入的相对标准不确定度；

所以，影响基于滤膜自动称重测量空气中PM_2.5颗粒物浓度测量结果的相对标准不确定度分量为：

(1)u_r(Q)表示大气采样流量计引入的相对标准不确定度；

(2)u_r(T)表示气温读数引入的相对标准不确定度；

(3)u_r(p)表示气压读数引入的相对标准不确定度；

(4)u_r(t)表示采样时间引入的相对标准不确定度；

(5)u_r(m)表示称量时引入的相对标准不确定度；

S4、合成相对标准不确定度：

S5、合成相对扩展不确定度：

取扩展因子k＝2，

检测空气中PM_2.5颗粒物浓度测量结果的相对扩展不确定度U_rel＝k·u_rel(ρ)。

进一步的，

步骤S3所述的大气采样流量计引入的相对标准不确定度分量u_r(Q)的计算如下：流量计的最大允许误差为±Δ，a＝Δ＝2.5％，k＝2，

u_r(Q)＝a/k

式中，a表示区间的带宽，k为置信因子；

步骤S3所述气温读数引入的相对标准不确定度分量u_r(T)的计算如下：所用温度计在 T₀℃时的示值误差为±ΔT，a＝ΔT/(273+T₀)，均匀分布

u_r(T)＝a/k

式中，a表示区间的带宽，k为置信因子，(采样温度设定通常在T₀℃为20℃，此温度点温度计的示值误差为0.5℃；即ΔT℃＝0.5℃)；

步骤S3所述气压读数引入的相对标准不确定度分量u_r(p)的计算如下：所用压力表在 1008hPa时的示值误差为-1.8hPa，相对误差为

a＝0.0018，均匀分布

式中，b表示相对误差，a表示区间的带宽，k为置信因子；

步骤S3所述采样时间引入的相对标准不确定度分量u_r(t)的计算如下(B类标准不确定)：所用秒表在24h时的误差为-0.74s(即采样时间为24h时的误差为-0.74s)，相对误差为

a＝0.0000086，均匀分布

式中，b表示相对误差，a表示区间的带宽，k为置信因子。

进一步的，

步骤S3所述称量时引入的标准不确定度分量u(m)包括天平允许误差引入的标准不确定度分量u(m_τ)、空白滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量u(m₁)与采样后滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量u(m₂)；

所述称量时引入的相对标准不确定度分量u_r(m)，计算具体如下：

m＝m₂-m₁

则称量时引入的相对标准不确定度分量为：

式中，u(m)表示称量时引入的标准不确定度分量，u(m_τ)表示天平允许误差引入的标准不确定度分量，u(m₁)表示空白滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度，u(m₂)表示采样后滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量，m表示测量所得的PM_2.5颗粒物的质量，m₁表示天平称量所得空白滤膜的平均质量，m₂表示天平称量所得采样后滤膜的平均质量。

进一步的，

①、天平允许误差引入的标准不确定度分量u(m_τ)的计算如下：十万分之一天平的校准结果：(0.01～20)g范围测量误差为-0.02mg；a＝0.02mg，均匀分布

单次测量的天平允许误差引入的标准不确定度分量

由空白和采样后两次称量天平允许误差引入的标准不确定分量为：

②、空白滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度u(m₁)的计算如下：

空白滤膜质量单次测量的标准偏差用贝塞尔公式表示为：

式中，s(y_i)表示空白滤膜质量单次测量结果的标准偏差，y_i表示每次测量空白滤膜的质量测试值，

表示多次测量空白滤膜质量的平均值，n表示空白滤膜质量的测量次数，i表示空白滤膜质量的测量结果序号，i＝1，2，3……n；

多次重复性测量空白滤膜质量之后，空白滤膜质量测量过程中，由测量重复性引入的标准不确定度为：

③、吸尘后滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量u(m₂)的计算如下：

采样后滤膜质量单次测量的标准偏差用贝塞尔公式表示为：

式中，S_R1表示采样后滤膜质量单次测量结果的标准偏差，y_j表示每次测量采样后滤膜的质量测试值，

表示多次测量采样后滤膜质量的平均值，n表示采样后滤膜质量的测量次数， j表示采样后滤膜质量的测量结果序号，j＝1，2，3……n；

多次重复性测采样后滤膜质量之后，采样后滤膜质量测量过程中，由测量重复性引入的标准不确定度为：

与现有技术相比，本发明具有以下积极有益效果：

本发明所述的颗粒物浓度检测系统首先在数据采集中对空气采取了前处理，保持进入采样系统的空气温湿度相对稳定，免除粉尘颗粒物中的水分及温度对测量结果的影响，流量计内配有温度、压力传感器，用于修正流量值，这些技术创新不仅确保了本方法能够连续测量，而且提高了测量结果的重复性和测量准确度；有效避免了外界因素对测量结果造成的影响；

本方法的自动称重系统放置在恒温恒湿仓内，通过电脑控制自制的机械手臂上下左右移动来移取滤膜，并将其放置到的精密天平上，仓内还具有恒温、恒湿、除静电、自动称重、四级防震、预衡重等功能。专门的防污染天平罩可减少固态及液态挥发性物质的挥发，保证了称重结果的准确性，而且提高了浓度测量结果的稳定性和精度；

本发明采用滤膜称重法对空气中的PM_2.5浓度进行自动检测，实现了自动控制、批量化的检测，操作、控制简单易行。避免了外界及人为因素对测量结果的影响，提高了检测效率，同时也提高了检测结果的精确度及准确度。具有很好的应用前景。

针对大多数颗粒物采样系统都是采样与称重分离的两个步骤，无法储存测量数据。本发明所述系统测量过程均由电脑控制，无需人工干预，实时显示浓度值，生成各种图表，并能长期保存。本发明在存储数据的基础上，对该检测过程进行了不确定度评定，不确定度评定中全面分析了系统误差和随机误差引入的不确定度分量，最终得到的不确定数据准确、可信。为在线计量提供了可靠的方法依据。

附图说明

图1为根据本发明实施例的颗粒物采样称重装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的天平和罩壳的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的天平、转移单元、读码器和静电消除棒的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的膜盘和转移单元的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的气体采集单元的结构示意图；

图6为根据本发明实施例的气体采集单元与膜盘之间的结构示意图；

图7为根据本发明实施例的颗粒物质量浓度自动测定系统的结构示意图；

图8为本发明所述不确定分析流程图；

图中符号表示为：

10为颗粒物采样称重装置、20为采样切割装置、21为采样头、22为切割器、30为流量检测及处理装置；

100为箱体、101为支撑板；200为膜盘、201为膜夹、202为托送口、203为转轴、204为第三电机；300为气体采集单元、301为上支座、302为下支座、303为顶盖、304为进气口、305为支撑柱、306为升降台、307为沉槽、308为出气口、309为摆杆、310为凸轮、311 为第四电机；400为称重单元、401为减震座、402为罩壳、403为第一支架、404为丝杠、 405为第一滑轨、406为第一电机、407为支撑杆、408为滤膜座；500为转移单元、501为导向座、502为下支架、503为立杆、504为移送臂、505为托环、506为第二滑轨、507为滑移架、508为第二电机、509为升降动力推杆；610为读码器、620为静电消除棒；700为滤膜。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种颗粒物采样称重装置，参见图1-图6，该装置包括箱体100、膜盘200、气体采集单元300、称重单元400和转移单元500，本实施例中箱体100为恒温恒湿箱体，具体的其可以通过设置空气过滤装置净化过滤箱体内的空气，设置空气循环系统，使得整个箱体内的温度和湿度达到均匀分布的效果，设置恒温机组和恒湿机组对空气进行加热或制冷、加湿或除湿等；进一步的在箱体100的中部设置有大理石材质的支撑板101，各个部件设置在支撑板101上。

具体的，本实施例中的转移单元500包括导向座501、匹配设置在导向座内的立杆503、设置在支撑板下部的下支架502、滑移架507和升降动力推杆509，滑移架匹配滑动设置在第二滑轨上，立杆能够相对于导向座升降动作和旋转动作，立杆的顶部设置有移送臂，移送臂的端部设置有托环505；下支架与导向座501固定连接，在下支架上设置有第二滑轨506；滑移架507上设置有第二电机508，立杆503的下端部与第二电机508传动连接；升降动力推杆509驱动滑移架相对于导向座501升降动作，该部位的托环的结构是给出的一种便于实现滤膜转移撑托的结构，其还可以不采用托环，而采用其他撑托方式、夹取形式、或者其他吸附形式的结构实现滤膜的转移均可。

为了更进一步的阐述该托环505在与其他结构的连接关系，其托环505上设置有缺口，且缺口能够便于与称重单元的滤膜座408进行配合。

关于滤膜座408，本实施例中的称重单元为天平，且为十万分之一的精密天平，在天平底部设置有减震座401，其为了便于滤膜700在称重单元上放置和托起设置的，其包括支撑立柱和位于顶部的支撑台，当通过转移单元放置滤膜到滤膜座上时，缺口与支撑立柱对应，从而使得托环505与滤膜座同心，此时驱动托环505下降，则将滤膜放置在滤膜座上，当需要托起时，采用相反的方法即可，称重单元也设置在箱体内的支撑板，实现对滤膜的称重；转移单元实现滤膜在膜盘200与称重单元400之间的转移。

膜盘200回转设置在箱体100内，且在膜盘200上呈圆周布设有多个膜夹201，膜夹即为在一定的圆周区域内设置多个定位柱，从而围绕呈一个定位区域形成膜夹，本实施例中通过三个定位柱形成一个膜夹结构，此外还可以通过设置单独的支撑台作为膜夹。各膜夹201 上匹配放置有滤膜700，其中膜盘200与支撑板101之间设置有转轴203，且在支撑板101上设置有驱动转轴203旋转的第三电机204，膜夹201中部设置有托送口202，托环经过托送口 202顶升滤膜700脱离膜盘200，从而使得该实施例中的托环的结构能够适用于膜盘和滤膜座。本实施例的附图中也给出了另一种与膜盘的膜夹类似的结构的滤膜座408，当采用该滤膜座时，无需设置缺口结构。

为了进一步的避免称重过程中气流等因素的影响，本实施例中还设置与称重单元对应的罩壳402，在沉重单元下部还设置有减震座401，箱体100内设置有驱动罩壳402的升降单元；升降单元包括第一支架和设置在第一支架与罩壳之间的升降动力推杆；或升降单元包括第一支架403、设置在第一支架上的丝杠404和第一滑轨405、以及驱动丝杠转动的第一电机406，罩壳顶部设置有支撑杆407，支撑杆407的端部设置有与丝杠匹配的丝母、以及与第一滑轨 405匹配的滑块。

本实施例中的气体采集单元300也设置在箱体100的支撑板101上，并与膜盘200对应设置；至少一个膜夹201对应设置在气体采集单元300内，且相应工位的滤膜位于气体采集单元的进气口和出气口之间，实现气体颗粒物的过滤采集。

该装置还包括读码器和静电消除棒，在各滤膜上设置有识别码，其布置的位置为在转移单元转移过程中滤膜行进的轨迹上，其均与滤膜上下对应，通过读码器进行识别，并记录相应滤膜的称重数据，同时静电消除棒能够对其消除静电，避免对整个系统造成影响。

气体采集单元包括上支座301和下支座302，在上支座301上设置有顶盖303和进气口 304；在下支座302上设置有支撑柱305，支撑柱305上滑动设置有升降台306，升降台306与对应的托送口202对应；在下支座302上设置有驱动升降台306在支撑柱305上上下动作的驱动部，升降台306中部设置有沉槽307，在沉槽的底部或侧部设置有出气口308，通过升降台306的顶升，使得滤膜700密封压设在升降台306与顶盖303之间。

具体的驱动结构，可以是升降动力推杆；本实施例中采用的是：驱动部包括中部铰接在下支座上的摆杆309，摆杆309的一端与升降台306底部对应，与摆杆309的另一端对应的下支座302上设置有凸轮310和驱动凸轮310转动的第四电机311，凸轮310的动作带动摆杆309的摆动，为了便于凸轮与摆杆的动作，在摆杆端部设置有滚轮，从而将凸轮与摆杆的滑动摩擦变位滚动摩擦。

如图所示，本实施例中还可以在升降台下部设置下底板，且下底板在升降台上通过螺纹连接，从而便于调节高度，实现升降台与顶盖之间对滤膜的作用力的调整，还可以设置弹簧，从而提高作用力的均衡性，并具有防松效果在顶盖上设置凹槽，使得其与滤膜实现迷宫式密封结构，提高密封效果，避免气流溢出。

参见图7，本发明还提供了一种颗粒物质量浓度自动测定系统，包括采样切割装置20、如上述的颗粒物采样称重装置10、流量检测及处理装置30以及控制器，采样切割装置包括采样头21和切割器22；气体采集单元300的进气口与切割器22的出气端连通；流量检测及处理装置30包括依次通过输气管道连通的流量计、抽气泵和过滤器，流量计的进气端与气体采集单元的出气口连通；控制器控制各部件的动作，并记录滤膜的称重数值和流量计的数值。其切割头可以为PM10或PM2.5的切割头，采样头上可以在外侧设置热交换外套，从而对空气进行冷却或者加热，提高检测数据的准确性。

在工作过程中，通过抽气泵的动作进行抽气，空气经采样头吸入，由切割器切割为PM10 或PM2.5的粒径的颗粒物，采样得到的颗粒物在滤膜上，实现颗粒物的采样收集，气流进一步的流经流量计获取体积，最终由抽气泵的出气口排出，为了避免对空气造成污染，还需要进行过滤器的过滤。对于滤膜，通过转移单元进行抓取、扫码、除静电后，转移至天平上，罩壳下降，进行称重，记录称重读数，并由转移单元再次放回膜盘的相应位置，由此能够得出该次测量的试验数据。通过膜盘的转动能够实现自动化的连续监测测量作业，直至该膜盘上的滤膜全部完成测量。

实施例2

该实施例为采用实施例1所述的装置及系统对待检测空气中的PM_2.5颗粒物浓度进行检测，具体过程如下：

S1、采用实施例1所述的装置及系统检测待测气体单位体积内PM_2.5颗粒物的浓度(1)首先检测采用该装置检测PM_2.5颗粒物浓度的浓度示值误差

按照仪器的测量范围，选择三个浓度测量点。用校准合格的标准PM_2.5测量仪与本发明的采样系统同时采样，每个测量点重复操作3次，分别取标准器检测浓度3个数值

的算术平均值ρ₁与本采样系统的检测浓度的3个数值

的算术平均值ρ₀，结果如表1所示：

表1标准PM_2.5测量仪与本发明的采样系统检测结果

通过比对测量结果，本系统示值误差较小，准确度高，远远优于国家校准规范JJF1659-2017中浓度示值误差±20％的要求。采用下面公式计算该点本采样系统的测量误差。

式中：δ—相对误差，％；

ρ₁表示本采样系统测量值，仪器示值平均值，μg/m³；

ρ₀表示PM_2.5标准测量仪测量值，标准值示值平均值，μg/m³；

取三个点中绝对值最大的示值误差为仪器的示值误差。示值误差为6.0％，远远低于国家校准规范中要求的浓度示值误差。因此，该装置能够较好的使用于PM_2.5颗粒物浓度的测量。既能够实现自动化控制，又能够准确测量检测结果；

(2)通过实施例1所述的装置及该系统对PM_2.5颗粒物浓度进行检测(即系统中的切割器采用PM_2.5的切割器)：

首先称量空白滤膜的质量3次，记录3次检测的平均值为m₁mg；

将待检测的气体由PM_2.5切割器的出气端排出，进入到气体采集单元(空气中的PM_2.5颗粒物过滤在滤膜上)，经过流量计计量通过的体积，再由抽气泵、过滤器排出，计量的体积为 V；

然后称量采样后的滤膜的质量、连续称量3次，记录3次检测的平均值为m₂mg；

则所测量体积V的气体中PM_2.5颗粒物的质量m＝m₂-m₁

所以，所测量气体单位体积内PM_2.5颗粒物的浓度为ρ＝m/V；

S2、建立数学模型

根据步骤S1测量的单位体积内PM_2.5颗粒物的浓度，建立数学模型，具体如下：

所检测空气中PM_2.5颗粒物的浓度为：ρ＝m/V

根据空气体积：

所以可建立数学模型：

式中，ρ表示测量所得空气中PM_2.5颗粒物的浓度，V表示检测的空气体积，m表示检测体积为V的空气中PM_2.5颗粒物的质量，Q表示采样系统中流量计的采样流量m³/min，p表示采样期间测试现场环境的平均大气压力kPa，T_n表示标准状态下的热力学温度273K(常数求导结果为0，)，t表示采样时间h，p_n表示标准状态下的大气压力101.325kPa(常数求导结果为0，)，T表示采样期间测试现场环境的平均温度K；

S3、不确定度来源分析及计算

根据上述得到的数学模型：

经过细化可得，PM_2.5浓度测定结果的合成相对标准不确定度：

即：

式中，ρ表示测量所得空气中PM_2.5颗粒物的浓度，V表示检测的空气体积，m表示检测体积为V的空气中PM_2.5颗粒物的质量，Q表示采样系统中流量计的采样流量m³/min，p表示采样期间测试现场的平均大气压力kPa，t表示采样时间h，T表示采样期间测试现场流量计的平均温度K；

所以，可以得到影响基于滤膜自动称重测量空气中PM_2.5颗粒物浓度测量结果的相对标准不确定度分量为有以下几种：

(1)u_r(Q)表示大气采样流量计引入的相对标准不确定度；

(2)u_r(T)表示气温读数引入的相对标准不确定度；

(3)u_r(p)表示气压读数引入的相对标准不确定度；

(4)u_r(t)表示采样时间引入的相对标准不确定度；

(5)u_r(m)表示称量时引入的相对标准不确定度；

对上述的相对标准不确定度分量进行计算，具体如下：

(1)大气采样流量计引入的相对标准不确定度分量u_r(Q)的计算，采用B类评定方法；(实际测量过程中，流量设定为1m³/h，采样时间为24小时)；

流量计的最大允许误差为±Δ，a＝Δ＝2.5％，k＝2，(a表示区间的带宽，k为置信因子，)

所以，u_r(Q)＝a/k＝(2.5％)/2＝1.25×10^-2

(2)气温读数引入的相对标准不确定度分量u_r(T)的计算，采用B类评定方法

所用温度计在T₀℃时的示值误差为±ΔT，a＝ΔT/(273+T₀)，采用均匀分布

(a表示区间的带宽，k为置信因子；)

在对样品进行测量时，设定温度为20℃，此温度点温度计的示值误差为0.5℃，所以，

T₀℃＝20℃，ΔT＝0.5℃，a＝0.5/(273+20)＝0.0017

可得，

(3)气压读数引入的相对标准不确定度分量u_r(p)的计算，采用B类评定方法

采样过程中所用压力表在1008hPa时的示值误差为-1.8hPa，相对误差为

则a＝0.0018，采用均匀分布

(b表示相对误差，a表示区间的带宽，k为置信因子；)

可得，

(4)采样时间引入的相对标准不确定度u_r(t)的计算，采用B类评定方法

采样过程中所用秒表在24h时的误差为-0.74s，相对误差为

则a＝0.0000086，采用均匀分布

(b表示相对误差，a表示区间的带宽，k为置信因子)

可得，

(5)称量时引入的相对标准不确定度u_r(m)的计算

所述的称量时引入的标准不确定度分量u(m)包括天平允许误差引入的标准不确定度分量 u(m_τ)、空白滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量u(m₁)以及采样后滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量u(m₂)；

所以，称量时引入的标准不确定度分量

m＝m₂-m₁

称量引入的相对标准不确定度分量为：

式中，u(m)表示称量时引入的标准不确定度分量，u(m_τ)表示天平允许误差引入的标准不确定度分量，u(m₁)表示空白滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度，u(m₂)表示采样后滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度分量，m表示测量所得的PM_2.5颗粒物的质量，m₁表示天平称量所得空白滤膜的平均质量，m₂表示天平称量所得采样后滤膜的平均质量；

具体计算如下：

①所述天平允许误差引入的标准不确定度分量u(m_τ的计算，采用B类评定方法，

采样过程中所用的天平为十万分之一天平，十万分之一天平的校准结果为：(0.01～20)g 范围的测量误差为-0.02mg，即a＝0.02mg，采用均匀分布

则单次测量的天平允许误差引入的标准不确定度分量

本次采用过程中要对空白滤膜和采样后滤膜进行称量，即进行了两次称量，所以该过程中由天平允许误差引入的标准不确定u(m_τ)为：

②所述空白滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度u(m₁)的计算，采用A类评定方法，均匀分布

首先采用上述的装置及系统对空白滤膜进行重复性测量10次，结果如下表2所示：

表2空白滤膜质量的平行测量结果

在对空白滤膜质量测量过程中，单次测量结果的标准偏差用贝塞尔公式计算为：

(式中，s(y_i)表示空白滤膜质量单次测量结果的标准偏差，y_i表示每次测量空白滤膜的质量测试值，

表示多次测量空白滤膜质量的平均值，n表示空白滤膜质量的测量次数，i表示空白滤膜质量的测量结果序号，i＝1，2，3……n)；

将上述表1中的数据代入贝塞尔公式可得，

在实际的测量过程中，每个样品的检测次数为3次，并取3次检测结果的平均值；则重复测量空白滤膜质量引入的标准不确定度为：

③所述采样后滤膜质量重复性测量引入的标准不确定度u(m₂)的计算，采用A类评定方法，采用均匀分布

首先采用上述的装置及系统对采样后的滤膜进行重复性测量10次，结果如下表3所示：

表3采样后滤膜质量的平行测量结果

在对采样后滤膜质量测量过程中，单次测量结果的标准偏差用贝塞尔公式计算为：

(式中，S_R1表示采样后滤膜质量单次测量结果的标准偏差，y_j表示每次测量采样后滤膜的质量测试值，

表示多次测量采样后滤膜质量的平均值，n表示采样后滤膜质量的测量次数，j表示采样后滤膜质量的测量结果序号，j＝1，2，3……n)；

将上述表2中的数据代入贝塞尔公式可得，

在实际的测量过程中，每个样品的检测次数为3次，并取3次检测结果的平均值；则重复测量采样后滤膜质量引入的标准不确定度为：

所以，称量时引入的标准不确定度分量为：

所测量的滤膜上PM_2.5颗粒物的质量平均值为：

m＝m₂–m_1＝386.445-367.677＝18.768mg

所以，称量时引入的相对标准不确定度分量为：

由上述的计算结果，可得到各项相对标准不确定度，如表4所示，

表4空气中PM_2.5质量浓度测量不确定度归纳表

S4、合成相对标准不确定度

S5、合成相对扩展不确定度

取扩展因子，k＝2，

检测空气中PM_2.5颗粒物浓度测量结果的相对扩展不确定度：

U_rel＝k·u_rel(ρ)＝2×1.26％＝2.6％。

由于上述的分析结果可知：在采用本发明所述的颗粒物(PM_2.5)质量浓度自动测定系统对空气中的PM_2.5颗粒物浓度进行测量时，测量过程中相对不确定度来源主要是由自动测量系统中流量计及气压读数引入的。因此，在测量过程中应该尽量减小该因素对测量结果的影响，在自动化操作、已经减小其他影响因素的基础上，进一步提高测量结果的准确度和精确度。

Claims

1.一种颗粒物质量浓度自动测定系统，其特征在于，包括：

采样切割装置，其包括采样头和切割器，采样头外侧设置热交换外套；

颗粒物采样称重装置，其包括：

箱体；

膜盘，其回转设置在所述箱体内，且在所述膜盘上呈圆周布设有多个膜夹，各所述膜夹上匹配放置有滤膜；

气体采集单元，其设置在所述箱体内，并与所述膜盘对应设置；至少一个所述膜夹对应设置在所述气体采集单元内，且相应工位的滤膜位于气体采集单元的进气口和出气口之间，实现气体颗粒物的过滤采集；

称重单元，其设置在所述箱体内，实现对滤膜的称重；以及

转移单元，其实现滤膜在所述膜盘与所述称重单元之间的转移，所述转移单元包括：导向座；匹配设置在所述导向座内的立杆，所述立杆能够相对于所述导向座升降动作和旋转动作，所述立杆的顶部设置有移送臂，所述移送臂的端部设置有托环；所述膜盘与箱体之间设置有转轴，且在箱体上设置有驱动转轴旋转的第三电机，所述膜夹中部设置有托送口，所述托环经过所述托送口顶升所述滤膜脱离膜盘，滤膜由转移单元再次放回膜盘；

所述气体采集单元的进气口与切割器的出气端连通；

流量检测及处理装置，其包括依次通过输气管道连通的流量计、抽气泵和过滤器，所述流量计的进气端与所述气体采集单元的出气口连通；以及

控制器，所述控制器控制各部件的动作，并记录所述滤膜的称重数值和流量计的数值。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒物质量浓度自动测定系统，其特征在于，还包括与所述称重单元对应的罩壳，所述箱体内设置有驱动所述罩壳的升降单元；

所述升降单元包括第一支架和设置在第一支架与罩壳之间的升降动力推杆；

或所述升降单元包括第一支架、设置在第一支架上的丝杠和第一滑轨、以及驱动丝杠转动的第一电机，所述罩壳顶部设置有支撑杆，支撑杆的端部设置有与所述丝杠匹配的丝母、以及与所述第一滑轨匹配的滑块；

3.根据权利要求1所述的一种颗粒物质量浓度自动测定系统，其特征在于，所述转移单元还包括：

下支架，其与所述导向座固定连接，在所述下支架上设置有第二滑轨；

匹配滑动设置在所述第二滑轨上的滑移架，所述滑移架上设置有第二电机，所述立杆的下端部与所述第二电机传动连接；以及

驱动所述滑移架相对于所述导向座升降动作的升降动力推杆。

4.根据权利要求3所述的一种颗粒物质量浓度自动测定系统，其特征在于，所述气体采集单元包括：上支座，在所述上支座上设置有顶盖和进气口；

下支座，在所述下支座上设置有支撑柱，支撑柱上滑动设置有升降台，所述升降台与对应的托送口对应；以及

驱动所述升降台在所述支撑柱上上下动作的驱动部；所述升降台中部设置有沉槽，在所述沉槽的底部或侧部设置有出气口，通过所述升降台的顶升，使得所述滤膜密封压设在升降台与所述顶盖之间；所述驱动部为升降动力推杆；或所述驱动部包括中部铰接在下支座上的摆杆，摆杆的一端与所述升降台底部对应，与所述摆杆的另一端对应的下支座上设置有凸轮和驱动凸轮转动的第四电机，所述凸轮的动作带动所述摆杆的摆动。

5.一种基于滤膜自动称重测量空气中颗粒物浓度的不确定度分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、采用权利要求1所述的颗粒物浓度自动测定系统对空气中PM_2.5浓度ρ进行测量：

S2、根据步骤S1测定的结果建立数学模型：

所检测空气中PM_2.5颗粒物的浓度为：ρ＝m/V

根据空气体积：

可建立数学模型，

式中，ρ表示测量所得空气中PM_2.5颗粒物的浓度，V表示检测的空气体积，m表示检测的体积为V的空气中PM_2.5颗粒物的质量，Q表示采样系统中流量计的采样流量m³/min，p表示采样期间测试现场环境的平均大气压力kPa，T_n表示标准状态下的热力学温度273K，t表示采样时间h，p_n表示标准状态下的大气压力101.325kPa，T表示采样期间测试现场环境的平均温度K；

S3、不确定度来源分析：

根据上述得到的数学模型：