CN115078199A - 一种移动式细颗粒物在线校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种移动式细颗粒物在线校准系统，包括：车载移动平台、一套车载重量法标准装置、气溶胶发生器、环境控制子系统、电控系统及减振系统；所述车载移动平台用来放置车载重量法标准装置和气溶胶发生器；所述气溶胶发生器用于试验和监测数据积累；所述车载移动平台还用于放置自动监测仪器；通过车载移动平台将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪工作现场，通过车载重量法标准装置测量同等条件下大气中的细颗粒物的浓度，并与自动监测仪器所测度的大气中的细颗粒物的浓度进行比对，实现对自动监测仪的在线校准。

Description

一种移动式细颗粒物在线校准系统

技术领域

本发明涉及细颗粒物检测仪校准领域，具体涉及一种移动式细颗粒物在线校准系统。

背景技术

细颗粒物比如PM_2.5是普遍存在和非常复杂的空气污染物，是大气环境颗粒物研究的重点。由于其较大的数量和表面积，影响大气的能见度，产生大气光化学烟雾，加剧温室效应。除能见度及气候的影响，尤其是气溶胶颗粒对人体健康产生非常严重影响和危害。当PM_2.5年均浓度达到每立方米35微克时，人的死亡风险比每立方米10微克的情形约增加15％。PM_2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。因此越来越重视对PM_2.5的研究。

为保证PM_2.5测量仪器的准确可靠，必须定期对仪器进行计量校准或比对。目前在环境监测使用的PM_2.5浓度测量仪数以万计，仅仅1700余个生态环境部国控站点的仪器就有近万台。这些仪器大多安装在户外监测站点上，仪器在线使用、体积大，送校、比对难，为保证测量数据持续性仪器不易长期移动；因此实验室校准方法因其移动性差、时效性低、覆盖面小等原因，很难完全满足这些仪器的校准比对需求。

发明内容

本发明实施例提供一种移动式细颗粒物在线校准系统，通过车载移动平台将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪工作现场，通过车载重量法标准装置测量同等条件下大气中的细颗粒物的浓度，并与自动监测仪器所测度的大气中的细颗粒物的浓度进行比对，实现对自动监测仪的在线校准。

为达上述目的，本发明实施例提供一种移动式细颗粒物在线校准系统，包括：车载移动平台、车载重量法标准装置、气溶胶发生器、空白滤膜存储架；当进行线校准时，将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪器工作现场，校准该细颗粒物自动监测仪器；其中，车载重量法标准装置用于校准细颗粒物自动监测仪器；细颗粒物自动监测仪器用于监测大气中的细颗粒物的浓度。空白滤膜存储架、车载重量法标准装置和气溶胶发生器设于车载移动平台内；细颗粒物自动监测仪器设于车载移动平台内；空白滤膜存储架具有存储位，存储位上存储空白滤膜；气溶胶发生器具有第一出气口和第二出气口；气溶胶发生器将同一环境空气样品通过第一出气口和第二出气口发射出去；车载重量法标准装置具有第一进气口。在线校准时，还包括设于第一进气口之后、与第一进气口预设距离的第一空白滤膜，第一空白滤膜自空白滤膜存储架获取；气溶胶发生器的第一出气口连接于车载重量法标准装置的第一进气口。细颗粒物自动监测仪器具有第二进气口；在线校准时，还包括设于第二进气口之后、与第二进气口预设距离的第二空白滤膜，第二空白滤膜取自空白滤膜存储架；细颗粒物自动监测仪器的第二出气口连接于细颗粒物自动监测仪器的第二进气口。通过车载重量法标准装置测量所接收的环境空气样品中的细颗粒物的浓度得到第一浓度值，自动监测仪器测量所接收的环境空气样品中的细颗粒物的浓度得到第二浓度值；将第二浓度值与第一浓度值进行比对，根据比对结果实现对自动监测仪器的在线校准，其中，车载重量法标准装置和细颗粒物监测仪器对气溶胶的采样测量时间相同。

上述技术方案具有如下有益效果：通过车载移动平台将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪工作现场，通过车载重量法标准装置测量同等条件下大气中的细颗粒物的浓度，并与自动监测仪器所测度的大气中的细颗粒物的浓度进行比对，实现对自动监测仪的在线校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的移动式细颗粒物在线校准系统的工作原理；图2是本发明实施例的车载细颗粒物校准平台俯视结构图；图3是本发明实施例的车载平台温度变化(夏季)；图4是本发明实施例的车载平台湿度变化(夏季)；图5是本发明实施例的车载平台温度变化(冬季)；图6是本发明实施例的车载平台湿度变化(冬季)；图7是本发明实施例的车载细颗粒物重量法标准装置原理图；图8是本发明实施例的车载细颗粒物标准测量系统结构示意图；图9是本发明实施例的环境控制单元温湿度控制原理图；图10是本发明实施例的自动采样_平衡_测量系统结构布置图；图11是本发明实施例的电控系统原理图；

图12是本发明实施例的降温除湿模块组成图；图13是本发明实施例的自动采样_平衡_测量系统效果图；图14是本发明实施例的采样模块工作原理图；图15是本发明实施例的空白滤膜平衡流程图；图16是本发明实施例的单尘膜的称重流程示意图；图17是本发明实施例的控制流程图；图18是本发明实施例的设备正面视图；图19是本发明实施例的设备右侧视图；图20是本发明实施例的恒温恒湿箱温度变化曲线图；图21是本发明实施例的恒温恒湿箱湿度变化曲线图；图22是本发明实施例的零点稳定性试验；图23是本发明实施例的PEFT滤膜称量稳定性试验；图24是本发明实施例的采样流量稳定性试验。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-24所示，本发明为移动式细颗粒物在线校准系统及方法，所要解决的技术问题是：现有细颗粒物校准方法都是将被校准仪器送到有资格校准的单位来实施，而这些被校准仪器固定安装，如果被校准仪器不移动则需在线使用需要数据连续，实现困难。并且现有的校准装置过于庞大。移动式细颗粒物监测仪在线校准系统包括：车载移动平台、车载重量法标准装置、气溶胶发生器、空白滤膜存储架，车载重量法标准装置、气溶胶发生器设于车载移动平台内；细颗粒物自动监测仪器用于监测大气中的细颗粒物的浓度。将移动式细颗粒物监测仪在线校准系统移动到被校准的细颗粒物监测仪器所在的工作地点；空白滤膜存储架具有存储位，存储位上存储空白滤膜。将车载重量法标准装置(固定放置)和细颗粒物监测仪器放在车载移动平台内桌面柜部的临近空间位置；设定车载重量法标准装置的相关参数，设定细颗粒物监测仪器的相关参数，将载重量法标准装置和被校准的细颗粒物监测仪同时开机；气溶胶发生器具有第一出气口和第二出气口；将同一环境空气样品通过第一出气口和第二出气口发射出去；第一路气溶胶发射到车载重量法标准装置，第二路气溶胶进发射到细颗粒物监测仪器；车载重量法标准装置具有第一进气口；在线校准时，还包括设于第一进气口之后、与第一进气口预设距离的第一空白滤膜，第一空白滤膜自空白滤膜存储架获取；气溶胶发生器的第一出气口连接于车载重量法标准装置的第一进气口；第一空白滤膜接收第一路气溶胶得到第一尘膜，根据第一尘膜所接收的环境空气样品计算环境空气样品内细颗粒物质量浓度为第一浓度值。细颗粒物自动监测仪器具有第二进气口；在线校准时，还包括设于第二进气口之后、与第二进气口预设距离的第二空白滤膜，第二空白滤膜取自空白滤膜存储架；细颗粒物自动监测仪器的第二出气口连接于细颗粒物自动监测仪器的第二进气口。第二空白滤膜接收第二路气溶胶得到第二尘膜，并根据第二尘膜所接收的环境空气样品计算环境空气样品内细颗粒物质量浓度值为第二浓度值；车载重量法标准装置和细颗粒物监测仪器对气溶胶的采样测量时间相同；将第一浓度值与第二浓度值进行比较，根据比较结果对细颗粒物监测仪器进行在线校准，将细颗粒物监测仪器对细颗粒物的检测精度校准到预定范围内。

本系统为重量法标准装置提供满足环境要求的移动载体，重量法校准装置能够移动、在线校准温度、湿度可控，实现实验室环境校准的所有工作，能够直接按照环境保护相关标准用试验现场环境下的大气气溶胶作为校准尘源，实现标准仪器和被校准仪器的比对和校准。校准工作原理：将细颗粒物监测仪在线校准装置(系统)移动到被校准仪器工作地点(监测站等)，将细颗粒物监测仪在线校准装置和被校准细颗粒物监测仪放在相同的空间位置(参照HJ653环境空气颗粒物(PM₁₀和PM_2.5)连续自动监测系统技术规范)，设定好校准装置和被校准颗粒物监测仪相关参数后，同时开机测量，分别记录在相同采样测量时间内的细颗粒物质量浓度值并进行比较，作为标准仪器和量值传递标准，通过比对法实现对细颗粒物监测仪的在线校准，实现对被校准仪器的比对和校准，见图1。通过车载移动实现，现场校准、比对，机动灵活，可节约大量的人力和时间成本，易于普及和推广。

车载平台车体外部特殊设施：1、车身四周设置可收放减震弹簧柱；2、车尾设置简易到车顶爬梯；3、车顶四周设置收放式围栏高100～200mm；4、车顶钻孔4个直径10cm，伸出直管，带防雨盖；5、车尾放置可放下桥板方便设备可移出车厢；5、车内5mm防滑地板载重5～7吨；6、车厢左右两侧各两个220V电源插座；7、车厢保温60mm,总厚度70mm。

如图7车载细颗粒物标准测量平台包括：环境控制子系统、自动采样_平衡_测量系统、电控系统及减振系统四大部分。采用上下分体式设计、提高隔振性能的同时，便于拆装、运输及检修。电控系统包含电气控制板、触摸式显示屏和开关控制按钮及移动式工作站等，按人机工程学原理进行设计和布置实现便捷高效的人机交互。电控系统还包含自动采样_平衡_测量系统及环境控制系统的控制单元、运行及报警灯光控制。电控系统用于采样单元、测量单元、运动控制单元、环境监测单元、数据处理单元。运动控制单元共分为滤膜转运和故障报警，控制流程图见图17。PLC控制器的核心部件是微型处理器，通过编辑程序实现对机器的控制等功能，还可改变输入/输出方式来控制各环节的机械制造过程。

优选地，细颗粒物自动监测仪器包括第二进气口、第二采样位；校准时第二采样位用于放置第二空白滤膜，第二空白滤膜采集来自第二出气口的环境空气样品。车载重量法标准装置包括采样模块、平衡模块、测量模块以及机械手模块；实现全自动的采样、平衡、及精确测量功能；结构示意图如图8。在线校准时，机械手模块串连车载重量法标准装置的采样模块、平衡模块及测量模块；机械手模块串连细颗粒物自动监测仪器的第二采样位、平衡模块及测量模块；自动采样模块包括第一进气口、第一采样位；第一采样位用于放置第一空白滤膜；在线校准时，第一进气口通向第一空白滤膜，获取第一进气口的环境空气样品。平衡模块包括多个平衡位；平衡位用于对各空白滤膜或各平衡尘膜进行恒重；测量模块包括高精度天平，高精度天平具有测量位，用于称重恒重前的各空白滤膜、恒重后的各空白滤膜，称重恒重前的各尘膜、恒重后的各尘膜。通过机械手在各采样位、平衡位、测量位之间实现相应空白膜及尘膜的顺次转移。机械手是圆柱坐标型机器人，对于平面定位具有一定的优势，相较于三坐标机器人，圆柱坐标型机器人不具有X轴轨道，具有预设强度的Z轴，圆柱坐标型机器人的运行轨道为绕圆心转动的扇形运动和升降运动；总体积小、结构简洁紧凑、强度和稳定性更好。将沿轨道滑动改为绕圆心转动，减少Z轴轨道的径向移动，机械手只做扇形运动和升降运动，定位更准确，重复定位精度更高等优点。

平衡模块、测量模块和机械手模块设于上机柜内；机械手集成到上机柜内。采样模块的真空泵和质量流量控制器集成到下机柜内。上机柜柜体侧壁均设有观察各采样位、平衡位、测量位及机械手的观察窗，采样位、平衡位、测量位及机械手均布置于工作舱台面上可通过观察窗实时观测，同时可实现内外环境隔绝。

车载重量法标准装置通过第一空白滤膜接收第一路气溶胶，并根据第一尘膜计算环境空气样品内细颗粒物质量浓度，记录为第一浓度值，具体包括：

采样模块流量控制系统由气压传感器、管路器、温湿度传感器、采样切割器(采样切割头)、滤膜、质量流量控制器(MFC)、负压气源(真空泵)、电磁比例阀、控制单元等组成。采样时环境空气样品以恒定的流量依次经过切割器、滤膜、管路过滤器、质量流量控制器和真空泵。采样模块工作原理图见图14。

采样切割器的切割头设于第一进气口与第一空白滤膜之间；管路器连接于第一进气口、并通向第一进气口之后的第一空白滤膜；切割器、管路器、第一空白滤膜依次设置在自第一出气口射出的气溶胶流动路径上；第一路气溶胶以恒定流量首先进入到车载重量法标准装置的采样模块，在采样模块内依次通过切割器、管路器后到达第一空白滤膜；通过切割器将环境空气样品的细颗粒物按照直径大小分级，在分级的同时通过相应的第一空白滤膜；第一空白滤膜获取相应级别的细颗粒物完成对环境空气样品的采样；同时通过真空泵采用气体平衡补偿的方法对抽取避免采样流量波动；其中，第一空白滤膜所获取的细颗粒物级别与细颗粒物检测仪器所获取的细颗粒物级别相同；管路器集成到上机柜内。

在采样环境空气样品过程中随着时间推进，采样管路器会因滤膜的阻力增大而导致流量减小，流量传感器、比例阀和流量控制板组成闭合回路系统，通过质量流量传感器收集第一空白滤膜处的环境空气样品的瞬时流量，通过PID电路根据瞬时流量基于BP神经网络的模糊PID控制算法控制电磁比例阀调整第一进气口瞬时流量，实时校正因滤膜的阻力增大所引起的流量变化，确保采样管路器内的流量恒定；MFC质量流量控制器控制采样流量，能够在较大的量程范围内在线实时精确控制气流质量流量。利用气流流过不锈钢毛细管，改变毛细管温度分布，造成上下游温差方法，而测得气体质量流量；不同于测压力或测体积方法等类别流量计，其流量精度不受气体压力、环境温度的影响。上下游温差测量电路信号实时反馈气流瞬时流量，并通过PID电路实时控制电磁比例阀而精确控制流量，所以特别适用于过程中在线实时的气体流量的精确测量和控制。

气体体积随着环境温度、压力的变化而变化，在环境空气样品流动方向上的第一滤膜前后安装气压传感器，对第一空白滤膜以及采样的滤膜的膜压进行实时监控。通过设于上柜右孔板下侧的温湿度传感器实时采集车载重量法标准装置所在空间的温度、湿度，根据理想气体状态算式，对车载重量法标准装置所在空间的气体进行压力、温度和湿度的补偿计算，精确控制采样管路器内的恒定流量，保证采样质量。温湿度传感器所在位置为：在其外侧挂着一台电脑的一侧为左、另一边为右，其正面是平台内一扇可以开启的门。

真空泵采用气体平衡补偿的方法向车载重量法标准装置所在空间内抽取空气避免采样流量波动。流量控制板设于移动车载移动平台内，查看在线校准过程中产生的各种数据。

优选地，还包括：恒重和称重单元，恒重和称重单元，具体用于：在通过气溶胶发生器将环境空气样品以气溶胶形式分两路以相同的恒定流量向外发射之前，对第一空白滤膜和第二空白滤膜分别进行称重。在得到第一尘膜后对第一尘膜称重得到第一尘膜的重量，将第一尘膜的重量与第一空白滤膜的重量之差作为附着在第一空白尘膜上的细颗粒物第一重量；在得到第二尘膜后对第二尘膜称重得到第二尘膜的重量，将第二尘膜的重量与第二空白滤膜的重量之差作为附着在第二空白尘膜上的细颗粒物第二重量。

如图10所示，对空白滤膜进行称重，具体包括：核心为机械手模块，构造线为机械手运动轨迹，轨迹覆盖采样位、测量位及平衡位，串连采样位、平衡位及测量位，由机械手在三个目标位置之间实现空白膜及尘膜的转移。在滤膜平衡过程中，滤膜存储架要满足储存数量(8张滤膜)的存储位；在分发放置空白滤膜的时候应方便观察及操作。空白滤膜平衡流程图见图15。滤膜平衡包括空白滤膜和尘膜的平衡，其流程基本一致，如图15所示，设备开启，对上机柜内部环境进行净化(约30min)。通过机械手将空白滤膜放入滤膜存储架的平衡位，对空白滤膜进行平衡达到第一预设时间段(可设定24h)，此时达到空白滤膜的第一次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，对空白滤膜进行平衡达到第一预设时间段，此时达到空白滤膜的第一次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平对空白滤膜称重得到重量m₁；自动采样_平衡_测量系统效果图见图13。

将空白滤膜移回滤膜存储架的平衡位，将空白滤膜进行平衡达到第二预设时间段，此时达到空白滤膜的第二次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平再次称量空白滤膜得到重量m₂；第二预设时间段小于第一预设时间段；在机械手把滤膜传送到高精度天平上后，系统通过R232通讯，自动获取样品的质量数据。

计算空白滤膜的m₁和m₂的差值，判断空白滤膜的m₁和m₂的差值是否小于预设阈值，如果空白滤膜的m₁和m₂的差值不大于预设阈值(预设阈值比如40ug)，完成对该空白滤膜的称重，空白滤膜的重量为m₁与m₂的平均值；如果空白滤膜的m₁和m₂的差值大于预设阈值，则将重复将空白滤膜移回滤膜存储架的平衡位平衡预设时间后、自平衡位移入高精度天平位再次称重m₃，直到m₁与m₃的差值不大于预设阈值，完成对该空白滤膜的称重，将m₁与m₃的平均值作为该空白滤膜的重量；即可等待机械手移入采样位进行采样流程。对空白滤膜进行平衡的目的为去除水分，平衡时间由相关环境标准规定。

机械手自动操作转运滤膜，将平衡架上的滤膜按要求正确无误的传输到天平或采样位上。通过步进电机驱动器对机械手进行控制，通过RS232接口与天平通讯，通过TCP/IPModbus协议与环境控制单元通讯，完成各种控制指令，获取数据，形成报表输出。电控系统原理图见图11。滤膜转运过程中或前后由机械或其它故障，机械手不能按要求将滤膜传送到指定工位发起故障报警并停止机械手的动作。报警方式包括：声音报警、发光闪烁报警，短信报警等单个或多个组合方式，用户可以设置选择报警方式。

对尘膜进行称重，具体包括：通过机械手将尘膜放入滤膜存储架的平衡位，对尘膜进行平衡达到第三预设时间段，此时达到尘膜的第一次恒重；通过机械手将尘膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平对尘膜称重得到重量M₁；将尘膜移回滤膜存储架的平衡位，将尘膜进行平衡达到第四预设时间段，此时达到尘膜的第二次恒重；通过机械手将尘膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平再次称量尘膜得到重量M₂；其中，第四预设时间段小于第三预设时间段；计算尘膜的M₁和M₂的差值，判断尘膜的M₁和M₂的差值是否小于预设阈值，如果尘膜的M₁和M₂的差值不大于预设阈值，完成对该尘膜的称重，尘膜的重量为M₁与M₂的平均值；如果尘膜的M₁和M₂的差值大于预设阈值，则将重复将尘膜移回滤膜存储架的平衡位平衡预设时间后、自平衡位移入高精度天平位再次称重M₃，直到M₁与M₃的差值不大于预设阈值，完成对该尘膜的称重，将M₁与M₃的平均值作为该尘膜的重量；在空白滤膜或尘膜转运的过程中，当机械手不能按要求将空白滤膜或尘膜传送到指定工位时，发起故障报警、并停止机械手的动作；报警方式包括至少如下之一：声音报警、发光闪烁报警、短信报警。

优选地，还包括离子风去静电装置：采用离子风对采样完毕后对第一尘膜进行离子风去静电，去除静电后的第一尘膜用于恒重和称重。

车载移动平台还包括上机柜、下机柜，将下机柜置于车载移动平台之上，将上机柜设于下机柜之上；上机柜、下机柜之间通过钢丝绳减震模块连接固定，有效隔绝运输和转场过程中路面振动对系统精密零部件的冲击伤害以及微振对测量的干扰、隔绝下机柜及车底板振动的传递，同时提高系统安装与移动的灵活性，保持装置的稳定性；下机柜采用减振橡胶垫直接固定于车底板及侧壁，上机柜通过减震器与下机柜连接，隔离环境控制系统和自动采样_平衡_测量系统之间的振动传递。减震模块包括自下至上依次连接的一级减震模块、二级减震模块、三级减震模块；采用三级减振模块方案：一级减振模块为下机柜橡胶减振垫；二级减振模块采用钢丝绳减振器有效降低转运过程中对上机柜的剧烈冲击；三级减振模块采用微型硅胶减振器，隔绝微振对自动称重测量过程中的影响。减振模块用于将振动隔绝到上机柜之外；其中，振动包括车体、地基振动和气体采样时引起的振动。在上机柜、下机柜的主体结构基础上粘贴20mm的隔热保温层聚氨酯硬泡板，见表1，具有保温与防水功能的新型合成材料，导热系数仅0.022～0.033W/(m*K)，导热系数最低的。

表1 聚氨酯保温板性能参数

将电控系统及自动采样_平衡_测量系统(其中采样模块只包含采样执行机构)集成到上机柜，将环境控制模块集成入下机柜。采用贝克VT4.4真空泵，噪音低振动低，环境的影响性微乎其微。构造简洁、空气冷却方式使得维护维修简单，更换润滑油时不用更换油雾离析器及其他消耗品使用长久。通过设于上机柜柜体侧壁的观察窗观察采样位、平衡位、测量位及机械手。当路面不平时，通过车体自动平衡调节子系统保持车辆正常平稳行驶；行驶终止时，通过调节保持车载移动平台的平衡和稳定；车体自动平衡调节子系统具备水平调节功能保证车厢内仪器中内置高精度天平可准确调0。

优选地，车载移动平台包括环境控制模块，环境控制模块包含：环境控制系统包含：电气控制单元、温度控制模块、湿度控制模块、空气洁净模块、以及保温隔热箱体，精确的控制测量区域的温湿度及空气洁净度；受控环境包括：温度、湿度、洁净度、风速等参数。电气控制单元集成入电控系统中，通过触摸屏显示及操作实现精确的环境控制。空气洁净模块集成入风道系统中，采用多层过滤技术实现测量环境的高洁净度。保温箱体采用铝型材框架，外覆铝塑板，内贴铝膜聚氨酯发泡板的方式达到隔绝内外环境(集成在上机柜中)。环境控制模块及采样模块的部分部件集成在下机柜中。在通过气溶胶发生器将环境空气样品以气溶胶形式分两路向外发射之前，通过空气洁净模块对上机柜的内部环境进行一定时间的净化，将上机柜的内部环境的各种颗粒物浓度降到预设浓度范围之下，减少内部环境颗粒物对测量结果影响，直至在线校准结束。在线校准过程中，通过设于上机柜内的静压箱对上机柜进行静音。

环境监测单元分为温度和湿度监测。恒温恒湿系统3000W，具备除湿、加湿、制热、制冷功能。温度控制先降温除湿、再精确控制加热加湿实现大温湿度范围的精准控温控湿。温湿度的控制由电控系统、风道、制冷/除湿单元、加湿单元、加热单元组成。基本原理为通风内循环，PID控制调温调湿。在制冷/除湿单元连续工作的情况下，电控系统根据所采集到的上机柜箱内温度/湿度信号与设定值进行比较，得出的偏差信号经PID运算，输出调节信号，自动控制加热器及加湿器的输出功率，最终使上机柜箱内的温度和湿度达到动态平衡。环境控制单元温湿度控制原理图如图9。温度控制模块采用制冷单元对高温湿热空气先降温除湿，再进入恒温控温单元，对其进行加热加湿，极大的提高控温系统的性能。空气加热方式为优质镍铬合金电加热器；空气制冷/除湿方式：亲水膜翅片管式换热器；为保证上机柜内风速小于0.2m/s，风机选用可调风量风机，同时在风道上设置过滤器实现上机柜的百级洁净度。加湿方式：电热式蒸汽加湿；除湿方式：冷冻除湿，光管表面式除湿器。降温除湿模块组成图见图12。温度控制范围在15℃～30℃，温度控制精度为±0.2℃，湿度控制范围在40％～70％，湿度控制在±2％RH。采样时设定温度25℃、湿度50％RH，运行仪器30min后，每隔30分钟采集一次采集温、湿度参数数据，24h的温度变化曲线图如图20，湿度变化曲线图如图21。或者在24h内，控温的平均值在24.9℃，温度变化在±1℃范围内，满足24h内控温精度±1℃的要求；相对湿度控制的平均值49.8％，变化在±2.5％范围内。或者，达到停泊时内部温度可控制在25±3℃，湿度可控制在50±15％RH的内部环境要求。具体操作如下：启动车载空调，在夏冬2个季节典型环境下分别观察24小时内温度和湿度变化，间隔1h记录数据。夏季室外平均温度36.1℃、相对湿度79.6％，车载平台内环境变化数据见图3、图4。冬季室外平均温度9.6℃、相对湿度29.6％，车载平台内环境变化见图5、图6。具体为：a.除湿系统：当被调节空气湿度大于所需值时，启动压缩机制冷，析出空气中的水分达到除湿的目的。b.加湿系统：当被调节空气的相对湿度低于所需值时，恒湿电脑控制器使电极式加湿器工作，将水加热沸腾成为蒸汽通过风机送入房间。c.制热系统：被调节空气的温度低于所需温度时，恒温电脑控制器就接通电加热器，通过风机送至被调房间达到加热的目的。d.制冷系统：压缩机将气态的氟利昂压缩为高温高压的气态氟利昂，然后送到冷凝器(室外机)散热后成为常温高压的液态氟利昂风；室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，使室内温度得以降低。具体地：通过设于车载移动平台的温度控制模块对上机柜的内部温度进行控制，将温度的平均值控制在预设温度内，且温度变化在±1℃范围内；以及，通过设于车载移动平台的湿度控制模块对上机柜的内部湿度进行控制，将相对湿度控制的预设平均值内，湿度的变化在±2.5％范围内。对平台车厢内环境温度、湿度进行控制；使得载移动平台温度、湿度等试验环境可控。

洁净气源1台(可移出)80～90L，980W需加过滤及除水(分子筛或干燥机)尺寸：520*230*580mm；环境控制单元的送风通过上机柜的柜体侧壁设有的均流孔板，保证环境控制单元的送风(来自洁净气源)均匀低速的从上机柜流过。车载细颗粒物校准系统结构示意见图2轻量化、小型化、模块化、标准化、智能化；车载设备运输和安装的轻便性；结构尺寸小，占用车内体积小；将功能单元分组形成模块；标准化：选择常用器件，降低器件维修、替换周期；智能化：完善的运行与保护机制，自动运行出现故障时提示操作人员及时干预及处置。图18为正视图，功能见表2；控制电脑在系统自动启动进行系列操作；运动控制系统出现故障时，按下“急停”按钮立即停止机械臂运动；系统出现各类故障时报警；系统启动温湿度时亮蓝色光；控制电源通断按下呈绿色光。图19为右视图，功能见表3。水箱水位传感器接口需接入系统否则无法运行；水箱接入的溢水管远远高于液面。

表2

序号	名称	说明
			1	控制电脑	设备的主要人机交互工具
2	减震弹簧	用于上下机柜支撑以及减少震动
			3	“急停”按钮	紧急情况下按下，停止机械手运动
4	报警灯	声光提示系统出现故障
			5	温湿度运行灯	温湿度运行时亮蓝色光
6	电源开关	控制设备总电源通断

表3

配备发电机、照明设备；设置车顶平台和后爬梯便于仪器安装和操作；车厢内有固定装置便于相关仪器设备的放置、安装。所有的动力均通过发电机(可移出)提供，发电机功率参数为10KW、220V，尺寸为730*610*700mm。上机柜、下机柜整体框架采用工业铝型材搭建，在铝型材整体框架内填充保温层(聚氨酯硬泡板)，减少围护结构的热传导降低系统功率。车箱体内部尺寸:3*2.4*2m(长*宽*高)，后门(1000～1200mm)*2000mm。箱体材质为玻璃钢和工程塑料。移动平台按方舱载重要求定制生产，载重5-7吨；容纳抽气泵等动力源配件。内部放置的各装置示例如下：1、重量法称量装置1套：满功率1800W，使用时为800W；220VAC/50Hz，尺寸：860*600*1680mm，左下有检测门，左上有旋转操作屏，能够固定调平减振，车箱顶有出口。2、放置BAM1020型β向射线自动监测仪1台：尺寸为480*400*400mm 250W 220V，固定支架800～900mm高(铝合金型材架子)，车箱顶有出口；3、放置PQ200型颗粒物采样器1台(可移动)：尺寸470*490*550mm。4、放置颗粒物发生混匀装置1套(出口2个16.7L，10-10000ug/m³,去静电，车内发尘)。

优选地，还包括：重量法标准装置是细颗粒物在线校准系统的核心部件，以PM_2.5颗粒物示例：以恒速抽取定量体积的空气通过具有PM_2.5切割装置的采样器，使空气中动力学直径小于2.5μm大气颗粒物截留在已恒重的滤膜上。根据采样器前后滤膜质量差及采样体积计算出动力学直径小于等于2.5μm的大气颗粒物的浓度。空白滤膜前后称量质量之差应远小于采样滤膜上的颗粒物负载量。采用在线校准则采样过程和称重过程为一体，全程无人监管、高效、高精度，称重过程和采样过程中，采集颗粒物称重、流量和时间是影响其结果的三大因素。首先PM_2.5颗粒物称重结果的可靠性和精度是其主要的影响因素，具体体现在半挥发性物质对温度的依赖性、水分对颗粒物重量的影响、天平的零点漂移、静电对测量的影响、测试中污染物对滤膜影响等；其次对采样流量的影响因素包括温度、压力对流量计的影响，系统漏气引起流量换算等因素的影响；包括时间随季节变化及采样器和数字系统时间的同步性对时间参数的影响。

(一)PM_2.5重量法的功能保证做到如下：(1)滤膜恒重和称重环境的一致性：滤膜称重包括空白滤膜的恒重和称重、尘膜的恒重和称重。空白滤膜、尘膜均位于恒温恒湿系统中进行恒重，最大限度减小环境差异(温度、湿度、大气压等)给测量带来的误差。(2)测量过程中的高精度和稳定性：称重精度依赖于天平本身的精度和测量过程的稳定性。全程通过控制机械手以平稳、缓慢速度自动完成天平加载和卸载称重，减少振动和人为因素的影响，提高称重精度，每次测量前均进行天平内部校准，保证恒定温湿度环境条件下最大限度地消除天平零点漂移。稳定性减振设计保证空白滤膜和尘膜称量的高精度和稳定性。电气参数的影响是指其它电气组件运行过程中，瞬时脉冲电压或者电压波动性变化对天平的影响。(3)静电对滤膜测量的影响：采样中由摩擦、湿度低等因素滤膜携带静电，采样完毕通过去静电装置的离子风对滤膜去静电，消除静电对滤膜称重的影响。(4)污染物对滤膜影响：完全密封在恒温恒湿系统、全自动机械臂操作，消除人为因素、空气对流等带来的滤膜污损，提高测量精度。(5)滤膜捕集效率对测量结果影响：滤膜捕集效率是滤膜质量的重要指标之一，针对PM_2.5颗粒物采样，要求保证其滤膜对0.3μm的颗粒物具有99.7％以上的捕集效率。(6)采样系统的密闭性：提高气路、滤膜安装等器件的加工精度，保证气路连接处不漏气，系统密闭性可靠，不影响测量的准确性。(7)系统流量准确性和稳定性：采用标准状态下的质量流量计，精度高、稳定性好；在滤膜采样前后安装有气压传感器对采样前后膜压的流量进行监测。真空泵采用气体平衡补偿避免采样流量波动。(8)采样计时准确性：对系统时间精确计时和定时，保持系统和各部件之间的时间同步和精确计时，满足高精度计时要求、采样气体体积的精确计算。(9)恒温恒湿：采样气体湿度过大会在采样管壁形成水滴，去除气体湿度保证气体湿度在要求范围内不影响测量精度。

(二)采用车载重量法标准装置进行测量：保证细颗粒物重量法标准装置运行可靠、性能符合设计指标，在预设精度的上实现细颗粒物重量法自动测量。

(1)天平称重范围：装置测量中采用METTLER TOLEDO的XP6高精度天平(高精密百万分之一)，测量范围为0.001mg～6.1g，最小称量值1μg。称量过程中控制被称物体质量位于天平量程的0.001g～0.5g之间，达到降低误差。

(2)天平稳定性：取决于静电、振动、气流扰动、温度、湿度等参数的变化，高精度天平处于恒温恒湿箱，温度和湿度保持在恒定的范围内，所以对天平称重影响基本忽略。根据仪器本身的基座设计特点、减振系统能够保持装置的稳定性，在采样中不接触或晃动仪器天平示值一直稳定在零点，振动对天平的稳定性无影响。

仪器中运行的电器件均属于小功率器件，天平供电和仪器其它部件的供电采用两套独立的电源设计，天平本身具有很强的稳压和电气隔离功能。天平示值一直稳定在零点不受电气影响。且针对天平的稳定性验证实验方案如下：24h内每隔1h记录天平零点变化见图22；24h内将一张平衡好的PEFT滤膜置于天平上，每隔1h记录PEFT滤膜质量的变化；数据如下图23。从图22和图23看出在天平常用量程0.001g-0.5g范围本装置稳定。

(3)采样滤膜的选择和性能，见表4：

表4PM_2.5常用滤膜特性分析

TeFlon滤膜适用于称重测量。滤膜的最大压降是主要性能参数之一，进行PM_2.5颗粒物采样前对空白滤膜的最大压降进行测试：在0.45m/s的洁净空气流速时压降应小于3kPa，或PM_2.5TeFlon空白滤膜的最大压降在16.67L/min洁净空气的流量下30cmH₂O柱即3kPa。PM₁₀切割装置和PM_2.5切割装置通过切割器的气体流量为16.67L/min，在测试空白滤膜的最大压降为在16.67L/min洁净空气的流量下，最大压降不超过30cmH₂O柱即3kPa。空白滤膜在16.67L/min的流量下的最大压降测试采用的测量装置由三部分组成：滤膜夹具，流量检测装置和压力检测装置。滤膜、滤膜托、滤膜支架三者组合安装在滤膜夹具中，通入洁净干燥空气，在监测流量在为16.67L/min的情况下，观察膜前压力和膜后压力的差值判断空白滤膜最大压降是否符合小于等于3kPa这一标准。对空白滤膜在16.67L/min的流量下连续测试1min，取检测数据的平均值为检测结果，空白滤膜的膜压如表5所示。

表5 TeFlon滤膜的膜压测试

采样系统气密性检查参考气体采样器计量检定规程相关方法进行试验。采用专用检测漏气的实心滤膜组件进行气路密闭性调试。在机械手的带动下把检测漏气实心滤膜组件上压到采样工位，之后开启真空泵进行抽气10s～20s，流量计前压力达到一定值时，观察界面显示的流量值，如果流量小于0.5L/min表示仪器气路正常，立即停止真空泵；避免长时间对其造成损伤，如果流量大于0.5L/min表示仪器气路存在漏气状况，要检查气路元件、气体管路和真空泵等，确认漏气原因。按照以上步骤针对PM_2.5重量法标准装置采用实心滤膜组件，在真空泵抽气10s～20s时，流量计前压力达到7.42kPa，20s内，观察流量计流量为0.00L/min，流量计前压力保持不变，证明系统无漏气，气密性良好。

PM_2.5采样过程中PM_2.5切割器要流量以16.67L/min才能保证动力学直径为2.5μm的颗粒物的切割效率，保证采样流量稳定性。采样流量稳定性试验见图24。进行24h，每隔20min采集一次数据，采样流量控制稳定性强、精度高，测试数据曲线如图24所示。

测量气溶胶时采用自动模式测试由机械手控制自动程序，测量10μg/m³左右的气溶胶的测试数据和计算过程如表6所示。流程为：空白滤膜置于上料机构中，恒温恒湿(25℃，50％RH)；采样流量16.67L/min，把尘膜送至恒重位置，恒重后进行首次称重，再进行尘膜的二次称重；分别按照空白滤膜和采样后尘膜的两次称量的均值计算出采样的PM_2.5颗粒物质量，再依据流量为16.67L/min下的采样气体体积计算出PM_2.5浓度值。

表6 测试数据

滤膜称重过程中必须进行空气浮力修正得到精确的颗粒物质量。测量模块负责电子天平的管理及称重数据的获取。自动模式下天平、平衡架、机械手三者之间互动实现一个批次全自动恒重及测量，手动模式需通过软件界面对特定滤膜进行称重的选择，单尘膜的称重流程示意图见图16。在称重前对电子天平进行校正、调零。在用户的操作下天平内校发送天平内校指令对天平进行校正时天平，也具有外部校准功能，外部校准砝码不少于2个；发送天平调零指令将天平自动调零。根据实际需求选择称重模式(为单张和批量称重)。单张称重模式：通过窗口选择称重的滤膜所在工位号，自动将该工位号的滤膜送到电子天平进行称量。批量称重模式：通过窗口选择所需要称重的滤膜工位号范围，系统自动将工位号范围内的滤膜自动称量、显示称完该批样品所需要的时间。

优选地，还包括细颗粒物称重修正单元，用于在对车载重量法标准装置的第一空白滤膜、第一尘膜进行称重过程中，通过低精度估算空气密度达到对高精度天平所采集到的空气浮力进行修正校准，在根据修正校准的空气浮力获得空白滤膜或尘膜的重量。

对高精度天平所采集到的空气浮力进行修正校准，在根据修正校准的空气浮力获得空白滤膜或尘膜的重量，具体包括：

在质量标准相比较的称重测量中，首先获得测量所在地的空气密度，且参与空气密度计算的温度计的精度、气压计的精度和湿度表的精度决定空气浮力修正的精度，通过算式(1)进行低精度估算空气密度，测量所在地天平校准的空气密度为：

其中：ρ_a表示天平校准的空气密度，单位为g/cm³；保留足够的有效数字以保证计算数字的取舍误差相对于测量过程是可忽略的。P表示大气压，单位为mmHg；保留预设位数的有效数字；U表示％相对湿度，进位为整数；保留预设位数的有效数字；t表示温度，单位为℃；保留预设位数的有效数字；e_s为1.3146×10⁹×e^{-5315.56/(t+273.15)}。

举例如：针对该高精度天平附近的温度、湿度和大气压测量值分别为24.9℃，49％和102.3kPa，计算结果保留7位有效数字，通过上述计算可得：ρ＝1.189237×10^-3g/cm³。

METTLER TOLEDO的XP6是全量程电子控制的，作为校准的一部分，电子增益是通过已知内部标准质量进行调节的。例如，如果电子控制的范围是100g，通过电子调节使100g的标准重量产生一个100g的指示精度。这个过程实际上内置一个表观质量在天平内部。表观质量尺度的参考密度是用于校准的标准质量的密度，参考空气密度也是在校准时的空气密度。然后根据天平校准的空气密度对天平称重进行修正，天平称重未知物体的质量M_x的浮力修正算式为：

M_x表示修正后的重量，单位是μg；M_R表示天平读数，单位是μg；ρ_a表示天平校准的空气密度，单位是g/cm³；ρ_c表示用于校准天平的标准密度，单位是g/cm³；ρ_x表示未知称重质量的密度，单位g/cm³。

高精度天平包含电子控制系统和内置质量，天平砝码材质是无磁特制合金成分，密度8.0g/cm³。称量过程中需称量空白滤膜的质量(重量)和采样后尘膜的重量，将重量差作为采样滤膜所附着的颗粒物量重量，针对表6.1所示的自动采样程序的测量结果，采样前、后滤膜的重量分别为0.164413g和0.164652g，称量得到采集到的PM_2.5颗粒物质量为239μg。每次称重前在同样温、湿度和大气压下对天平进行内部校准。大气颗粒物的密度这里采用空气颗粒物密度值2.25g/cm³，在此情况下进行计算，根据：ρ_a＝1.189237×10^-3g/cm³，ρ_c＝8.0g/cm³，M_R＝239μg，ρ_x＝2.25g/cm³；得到：M_R＝239.09μg。浮力修正后前后浓度相比，浓度变化量约为0.03％。根据算式(2)进行分析当待测质量密度和校准天平的标准密度相差越大浮力修正的数据越大，并与温湿度、大气压等因素变化相关。

优选地，还包括细颗粒物质的浓度含量计算单元，细颗粒物质的浓度含量计算单元用于：对细颗粒物质的浓度含量进行计算；对细颗粒物质的浓度含量进行计算，具体包括：针对细颗粒物质的浓度含量，采用算式(3)：

其中：ρ表示细颗粒物的浓度，单位是μg/m³；w₂表示第一尘膜的重量，单位是mg；w₁表示该空白滤膜的重量，单位是mg；V表示环境空气样品的标准体积，0℃、1个标准大气压下进入到车载重量法标准装置的环境空气样品体积，单位是m³。

环境空气样品的恒定流量Q、采样时间t、获得采样环境空气样品的标准体积V之间的关系式(4)所示：

其中：Q，单位是L/min；t，单位是s。

将算式(4)带入算式(3)得到该细颗粒物质的浓度计算式(5)：

其中：w₁表示采样前空白滤膜的重量；w₂表示采样后的第一滤膜的重量。

优选地，还包括不确定度计算单元，用于对车载重量法标准装置所截取的该细颗粒物质，计算该细颗粒物质的浓度测量值不确定度；不确定度计算单元，具体用于：

该细颗粒物质的浓度测量值不确定度的构成因素包括：高精密天平称量引入的不确定度u(Δ)、质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)、采样时间t引入的不确定度u(t)、浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)、浓度测量值的扩展不确定度U、浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel。将空白滤膜的重量通过w₁表示，第一尘膜的重量通过w₂表示，由于w₁、w₂采用同一天平进行称量，因此w₁、w₂存在相关性；根据该细颗粒物质的浓度算式(5)，利用不确定度传播律，结合该细颗粒物质的浓度测量值不确定度的构成因素，整理得到该细颗粒浓度的不确定度合成算式(7)：

根据不确定度合成算式(7)，得到影响精度天平称量相关的不确定度的因素包括：采样前空白滤膜重量测得值w₁引入的不确定度u(w₁)、采样后第一尘膜的重量测得值w₂引入的不确定度u(w₂)以及输入量w₁和w₂的协方差估计u(w₁,w₂)；

由于空白滤膜和采样后的尘膜称量采用的是同一高精度天平，设测量的高精度天平本身存在综合误差Δ，标准不确定度为u(Δ)，则存在：u(w₁)＝u(w₂)＝u(Δ)。根据采用同一高精度天平测量两质量w₁,w₂具有相关性，设w₁＝F(Δ)＝A+Δ；其中，A是空白滤膜重量测得值w₁的示值，视为常数。w₂＝G(Δ)＝B+Δ；其中，B是测量w₂的示值，视为常数。则输入量w₁,w₂的协方差估计值为：

所以算式(7)中，u²(w₁)+u²(w₂)+2u(w₁,w₂)＝u²(Δ)+u²(Δ)+2u²(Δ)＝4u²(Δ)，u(Δ)为精密天平引入的不确定度。

优选地，高精度天平称量相关的不确定度包括如下确定度：高精度天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)、高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)、高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)、浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)、温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)；其中：

对天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)的计算，具体包括：根据高精度天平所允许的在0.001g-0.5g范围内的最大允许误差，按照均匀分布进行计算，最大允许误差引入的不确定度为：

对高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)的计算，具体包括：以一张固定的空白滤膜，设定空白滤膜采样时间为0，循环重复空白滤膜平衡-空白滤膜称重-采样-空白滤膜平衡-空白滤膜称重6次，得出标准偏差s；计算天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)。

对高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)的计算，具体包括：高精度天平采用百万分之一天平，最小分度值为0.001mg，估读误差为1/2分度值，按均匀分布，可靠性为25％：

当高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)远远小于高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)时，在计算不确定度时将u₃(Δ)忽略：u₃(Δ)＝0。

空气浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)的计算，具体包括：当细颗粒物为PM_2.5颗粒物，计算空气浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)，且空气浮力修正引入的不确定度远小于测量精度要求，将空气浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)忽略：u₄(Δ)＝0。

温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)的计算，具体包括：在高精度天平进行称重前对其内部校准，校准到符合当前温读、湿度状况的短时间称量，以及在称重的过程中将高精度天平始终处于高精度天平称重的环境条件要求的恒温恒湿环境中，因此由温湿度引入的不确定度u₅(Δ)比较小，将温湿度引入的不确定度忽略：u₅(Δ)＝0。

根据高精度天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)、高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)、高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)、浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)、温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)，计算由高精度天平引入的不确定度u(Δ)为：

优选地，对质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)的计算，具体包括：

(1)流量计最大允许引入的不确定度u₁(Q)按检定证书设置的流量最大值引入：u₁(Q)＝流量最大值×0.45％。

(2)流量重复性引入的不确定度u₂(Q)：流量重复性引入的不确定度属于不确定度A类评定针对环境空气样品以恒定流量16.67L/min的流速采样10次，10次流速的平均值为

10次流速的均方差为s；计算流量重复性引入的不确定度u₂(Q)：

(3)示值估读引入的不确定度u₃(Q)：示值估读引入的不确定度u₃(Q)属于不确定度B类评定，根据质量流量计的最小分度值、估读误差为1/2分度值，按均匀分布，可靠性为25％：

将质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)为：

采样时间采用精确的同步标准时间，24h误差小于1s，采样时间t引入的不确定度u(t)不确定度忽略不计：u(t)＝0。

对细颗粒浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)的计算，具体包括：

根据w₁,w₂,Q,t各自均值，通过算式(7)计算浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)：

对细颗粒物浓度测量值的扩展不确定度U的计算，具体包括：标准不确定度：u＝u_c(ρ)；若k＝2，则细颗粒物浓度测量值的扩展不确定度为:U＝u_c(ρ)×k。

对细颗粒物浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel的计算，具体包括：相对标准不确定度为：(u_c(ρ)/ρ)×100％；浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel：

k＝2。

示例分别为发生10μg/m³、80μg/m³、10000μg/m³附近三个典型浓度气溶胶。

(1)10μg/m³附近浓度点测量不确定度分析计算

PM_2.5浓度含量按照算式(3)进行计算：

其中，ρ表示PM_2.5浓度，μg/m³；w₂表示采样后滤膜的质量，mg；w₁表示采样前滤膜的质量，mg；V表示标准状况下的采样体积，m³。

实际采样中通过控制质量流量计的标况流量Q(L/min)和采样时间t(s)获得采样气体的标准体积V(m³)的，三者之间关系式如算式(4)所示：

把算式(4)带入(3)整理得到PM_2.5浓度算式如算式(5)所示：

PM_2.5浓度ρ与采样前、后滤膜的质量w₁、w₂、工况流量Q、采样时间t、四个变量有关，利用不确定度传播律，对算式y＝f(x₁,x₂,...x_i..x_j..)，如果x_i仅与x_j相关，其它各输入量不相关，则得到输出量y的合成不确定度与输入量x₁,x₂,...x_i..x_j..的标准不确定度模型算式如算式(6)所示：

根据算式(6)针对PM_2.5浓度计算算式(5)进行不确定分析，由于w₁、w₂采用相同的天平进行称量，所以存在相关性，整理得到其不确定度合成算式算式(7)：

根据算式(7)对合成PM_2.5浓度测量值不确定度的主要构成要素进行分析如下：

1.1精密天平称量引入的不确定度u(Δ)

根据不确定度合成算式(7)所示，与天平称量相关的不确定度主要有三个部分，分别为采样前空白滤膜质量测得值w₁引入的不确定度u(w₁)、采样后滤膜的质量测得值w₂引入的不确定度u(w₂)以及输入量w₁和w₂的协方差估计u(w₁,w₂)，由于空白滤膜和采样后的尘膜称量采用的是同一个天平，设测量的精密天平本身存在综合误差Δ，标准不确定度为u(Δ)，则存在：u(w₁)＝u(w₂)＝u(Δ)；

由于采用统一天平测量两质量w₁,w₂产生相关性，设w₁＝F(Δ)＝A+Δ，A是测量w₁的示值，视为常数，w₁＝G(Δ)＝B+Δ,B是测量w₂的示值，视为常数，则测量两质量w₁,w₂的协方差估计值为：

所以算式(7)中：u²(w₁)+u²(w₂)+2u(w₁,w₂)＝u²(Δ)+u²(Δ)+2u²(Δ)＝4u²(Δ)。

针对精密天平引入的不确定度u(Δ)，根据测量采用的精密天平检定证书结果分析。

第一、天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)

根据天平检定证书，天平在0.001g-0.5g范围内的最大允许误差为±0.001mg，按照均匀分布进行计算，引入的不确定度为：

第二、天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)

进行天平重复性试验时，以一张固定的膜，重复滤膜平衡-称重-采样-平衡-称重试验(设定滤膜采样时间为0，即未实际采样)，重复此试验6次，得出标准偏差s。计算天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)。

具体步骤：等待温湿度稳定后实验。在初次平衡完成后，机械手将滤膜送至离子风机下，持续吹离子风10s，天平置零，机械手将滤膜送入天平后退出，天平门关上等待天平稳定。然后机械手取出滤膜，放回滤膜架进行再次平衡。平衡完成后机械手抓取滤膜送至离子风机下，持续吹离子风10s，然后天平置零，机械手将滤膜送入天平后退出，天平门关上等待天平稳定。机械手取出滤膜放入采样位，进行采样。在采样后，机械手将滤膜取回，放入滤膜架，等待采样后的初次平衡。在初次平衡完成后，机械手将滤膜送至离子风机下，持续吹离子风10s，然后天平置零，机械手将滤膜送入天平后退出，天平门关上等待天平稳定得到采样后第一个数据。然后机械手取出滤膜放回滤膜架进行再次平衡。在再次平衡完成后，机械手抓取滤膜送至离子风机下，持续吹离子风10s，然后天平置零，机械手将滤膜送入天平后退出，天平门关上等待天平稳定，得到采样后第二个数据此时记录采样后第一个数据和第二个数据的平均值m1作为重复性实验的第一个数据。取出滤膜，放回滤膜架，以此循环6次。试验数据和结果见表7。

表7 重复性试验记录

第三、天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)：精密天平采用百万分之一天平，最小分度值为0.001mg，估读误差为1/2分度值，按均匀分布，可靠性为25％：

示值估读引入的不确定度u₃(Δ)远远小于天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)，所以u₃(Δ)在计算中可忽略。

第四、浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)：空气浮力修正是针对称重PM_2.5颗粒物质量进行的，浮力修正引入的不确定度相对于测量过程的精度而言是可以忽略不计的：u₄(Δ)＝0。

第五、温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)：在天平进行称重前，首先进行内部校准，把称重测量校准到当前情况下的温、湿度状况下进行短时间称量，并且天平始终处于恒温恒湿环境中，温湿度的控制情况要求严格，符合精密天平称重的环境条件要求，所以由温湿度带来的不确定度比较小，可以忽略：u₅(Δ)＝0。根据以上分析，由精密天平引入的不确定度u(Δ)为：

1.2质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)

第一、流量计最大允许引入的不确定度u₁(Q)：根据检定证书，流量计检定结果不确定度按最大值引入：u₁(Q)＝16.67L/min×0.45％＝0.075L/min。

第二、流量重复性引入的不确定度u₂(Q)：属于不确定度A类评定，针对采样点流量16.67L/min进行测试，采样10次，测的流量值如下，单位为L/min；

其平均值为：

其均方差为：s＝0.0082L/min；

第三、示值估读引入的不确定度u₃(Q)：属于不确定度B类评定：质量流量计的最小分度值为0.01L/min，估读误差为1/2分度值，按均匀分布，可靠性为25％：

因此，

1.3采样时间t引入的不确定度u(t)：采样时间采用的是精确的同步标准时间，24h误差小于1s，其引入的不确定度可以忽略不计：u(t)＝0。

1.4PM_2.5浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)，针对一组测试数据如下，如表8所示的自动测量过程的数据，其中w₁,w₂,Q,t取测得均值，计算引入的不确定度。

表8 PM_2.5测量数据

测量项目	w<sub>1</sub>(mg)	w<sub>2</sub>(mg)	Q(L/min)	t(s)
					测得值均值	0.164413	0.164652	16.67	86400

此时测量浓度为ρ＝9.956μg/m³；u(Δ)＝0.0055mg，u(Q)＝0.075L/min

根据算式(7)得到浓度的不确定度为：

1.4PM_2.5浓度测量值的扩展不确定度U，因为标准不确定度：u＝0.46μg/m³；若k＝2，则扩展不确定度为:U＝0.92μg/m³。

1.6PM_2.5浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel

所以在一次PM_2.5典型测量流程中，相对标准不确定度：(046μg/m³/9.956μg/m³)×100％＝4.7％；相对扩展不确定度：

k＝2。

(2)80μg/m³附近浓度点测量不确定度分析

精密天平称量引入的不确定度u(Δ)：u(Δ)＝0.0055mg；质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)：u(Q)＝0.075L/min；采样时间t引入的不确定度u(t)：u(t)＝0；

PM_2.5浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)，针对一组测试数据如下，测量过程的数据如表9，其中w₁,w₂,Q,t取测得均值，计算引入的不确定度。

表9 PM_2.5测量数据

测量项目	w<sub>1</sub>(mg)	w<sub>2</sub>(mg)	Q(L/min)	t(s)
					测得值均值	0.163937	0.165859	16.67	86400

此时测量浓度为ρ＝80.07μg/m³；u(Δ)＝0.0055mg，u(Q)＝0.075L/min

根据算式(7)得到浓度的不确定度为：

PM_2.5浓度测量值的扩展不确定度U，其中，标准不确定度：u＝0.59μg/m³；若k＝2，则扩展不确定度为:U＝1.18μg/m³；

PM_2.5浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel；相对标准不确定度：(0.59μg/m³/80.07μg/m³)×100％＝0.74％；相对扩展不确定度：

k＝2。

(3)10000μg/m³附近浓度点测量不确定度分析精密天平称量引入的不确定度u(Δ)：u(Δ)＝0.0055mg；

质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)：u(Q)＝0.075L/min；采样时间t引入的不确定度u(t)：u(t)＝0；

PM_2.5浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)，针对一组测试数据如下，测量过程的数据如表10，其中w₁,w₂,Q,t取测得均值，此时测量浓度为ρ＝10021.04μg/m³；u(Δ)＝0.0055mg，u(Q)＝0.075L/min，计算引入的不确定度。

表10 PM_2.5测量数据

测量项目	w<sub>1</sub>(mg)	w<sub>2</sub>(mg)	Q(L/min)	t(s)
					测得值均值	0.164179	0.404732	16.67	86400

根据算式(7)得到浓度的不确定度为：

PM_2.5浓度测量值的扩展不确定度U：标准不确定度：u＝45.09μg/m³；若k＝2，则扩展不确定度为:U＝90.18；

PM_2.5浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel，相对标准不确定度：(45.09μg/m³/10021.04μg/m³)×100％＝0.5％；相对扩展不确定度：

k＝2。

综上，车载细颗粒物在线校准装置，集气溶胶颗粒物发生器、车载移动平台和车载重量法标准装置于一体。气溶胶质量浓度发生范围(10-10000)μg/m³，适用于颗粒物测量装置的研究工作；国内外关于大气细颗粒物浓度重量法测量的多项技术标准，取其最为严格的控制参数，细颗粒物浓度重量法标准装置采用上下分体式结构，将电控系统及自动采样_平衡_测量系统(其中采样模块只包含采样执行机构)集成到上机柜，将环境控制模块及采样模块负压气源和MFC(质量流量控制器)集成入下机柜，上、下机柜通过钢丝绳减震器连接固定，有效隔绝下机柜及车底板振动的传递，同时提高系统安装与移动的灵活性，实现相互通信及通气，与传统的重量法(手工检测方法)相比，车载重量法标准装置集成了精密称重天平、恒温恒湿控制系统和自动化检测装置等多项功能，滤膜采样完成后直接进行恒重和称量，不需要进行滤膜转移、单独建立天平室等环节，能够自动化实现基于重量法的细颗粒浓度测量的整个过程，可做到全程无人值守，降低了由于滤膜转移、人为因素等带了的误差，提高了测量精度，同时节省了测量时间，提高了效率。并且保证测量过程的稳定性和高精度。细颗粒物在线校准装置测量范围：(10-10000)μg/m³，测量结果的相对标准不确定度为(4.7-0.5)％，k＝2，满足要求，满足了PM_2.5测量仪器现场在线校准比对需求，对于促进国家科技、经济和社会发展及高新技术应用具有深远的意义。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，包括：车载移动平台、车载重量法标准装置、气溶胶发生器、空白滤膜存储架；当进行线校准时，将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪器工作现场，校准该细颗粒物自动监测仪器；其中，所述车载重量法标准装置用于校准细颗粒物自动监测仪器；所述细颗粒物自动监测仪器用于监测大气中的细颗粒物的浓度；

所述空白滤膜存储架、所述车载重量法标准装置和所述气溶胶发生器设于所述车载移动平台内；

所述细颗粒物自动监测仪器设于所述车载移动平台内；

所述空白滤膜存储架具有存储位，所述存储位上存储空白滤膜；

所述气溶胶发生器具有第一出气口和第二出气口；所述气溶胶发生器将同一环境空气样品通过第一出气口和第二出气口发射出去；

所述车载重量法标准装置具有第一进气口；

在线校准时，还包括设于第一进气口之后、与第一进气口预设距离的第一空白滤膜，所述第一空白滤膜自空白滤膜存储架获取；所述气溶胶发生器的第一出气口连接于所述车载重量法标准装置的第一进气口；

所述细颗粒物自动监测仪器具有第二进气口；

在线校准时，还包括设于第二进气口之后、与第二进气口预设距离的第二空白滤膜，所述第二空白滤膜取自空白滤膜存储架；所述细颗粒物自动监测仪器的第二出气口连接于所述细颗粒物自动监测仪器的第二进气口；

通过车载重量法标准装置测量所接收的环境空气样品中的细颗粒物的浓度得到第一浓度值，自动监测仪器测量所接收的环境空气样品中的细颗粒物的浓度得到第二浓度值；将第二浓度值与第一浓度值进行比对，根据比对结果实现对自动监测仪器的在线校准，其中，车载重量法标准装置和细颗粒物监测仪器对气溶胶的采样测量时间相同。

2.根据权利要求1所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，所述细颗粒物自动监测仪器包括第二进气口、第二采样位；在线校准时，所述第二采样位用于放置第二空白滤膜，所述第二空白滤膜采集来自第二出气口的环境空气样品；

所述车载重量法标准装置包括自动采样模块、平衡模块、测量模块和机械手模块；

在线校准时，所述机械手模块串连车载重量法标准装置的采样模块、平衡模块及测量模块；以及所述机械手模块串连细颗粒物自动监测仪器的第一采样位、平衡模块及测量模块；所述自动采样模块包括第一进气口、第一采样位；所述第一采样位用于放置第一空白滤膜；在线校准时，所述第一进气口通向第一空白滤膜，获取第一进气口的环境空气样品；

所述平衡模块包括多个平衡位；在线校准时，所述平衡位用于对各空白滤膜或各平衡尘膜进行恒重；

所述测量模块包括高精度天平，所述高精度天平具有测量位；所述机械手在线校准时，所高精度天平用于称重恒重前的各空白滤膜、恒重后的各空白滤膜；以及称重恒重前的各尘膜、恒重后的各尘膜；

所述机械手模块包括机械手；所述机械手在动作移动时串连各采样位、平衡位及测量位；通过机械手在各采样位、平衡位、测量位之间实现相应空白膜及尘膜的顺次转移；

所述机械手是圆柱坐标型机器人，所述圆柱坐标型机器人不具有X轴轨道，具有预设强度的Z轴，所述圆柱坐标型机器人的运行轨道为绕圆心转动的扇形运动和升降运动。

3.根据权利要求1所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，还包括离子风去静电装置，所述离子风去静电装置采用离子风对第一尘膜去除静电，去除静电后的第一尘膜用于恒重和称重，所述第一尘膜是指第一空白滤膜在对气溶胶采样完毕后形成的尘膜。

4.根据权利要求2所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，所述采样模块还包括：采样切割器、管路器、真空泵、温湿度传感器、气压传感器、质量流量控制器、电磁比例阀；

所述采样切割器的切割头设于第一进气口与第一空白滤膜之间；

所述管路器连接于第一进气口、并通向第一进气口之后的第一空白滤膜；所述切割器、管路器、第一空白滤膜依次设置在自第一出气口射出的气溶胶流动路径上；

所述真空泵采用气体平衡补偿的方法向所述车载重量法标准装置所在空间内抽取空气避免采样流量波动；

在环境空气样品流动方向上的第一滤膜前后设有气压传感器，通过气压传感器对第一空白滤膜以及采样后的滤膜的膜压进行实时监控；

温湿度传感器设于上柜右孔板下侧，通过温度传感器实时采集车载重量法标准装置所在空间的气体温度、湿度，根据理想气体状态算式，对车载重量法标准装置所在空间的气体进行压力和温度、湿度的补偿计算，达到精确控制采样管路器内的流量恒定；

所述质量流量控制器收集第一空白滤膜处的环境空气样品的瞬时流量，通过PID电路根据瞬时流量基于BP神经网络的模糊PID控制算法控制电磁比例阀调整第一进气口瞬时流量；

所述的移动式细颗粒物在线校准系统还包括：

流量控制板，所述流量控制板设于移动车载移动平台内，用于查看在线校准过程中产生的各种数据。

5.根据权利要求2所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，所述车载移动平台包括平台、上机柜、下机柜；所述下机柜置于车载移动平台之上，所述上机柜设于所述下机柜之上；所述上机柜、下机柜之间通过减震模块连接固定；所述减震模块包括自下至上依次连接的一级减震模块、二级减震模块、三级减震模块；所述减振模块用于将振动隔绝到所述上机柜之外；其中，所述振动包括车体、地基振动和气体采样时引起的振动；所述上机柜、所述下机柜分别具有工业铝型材搭建的整体框架、填充在铝型材整体框架内的保温层；其中，所述保温层为聚氨酯硬泡板；

所述平衡模块、测量模块和机械手模块设于上机柜内；所述机械手、管路器集成到上机柜内；所述采样模块的真空泵和质量流量控制器集成到下机柜内；

所述上机柜柜体侧壁均设有观察各采样位、平衡位、测量位及机械手的观察窗；

所述上机柜内设有静压箱。

6.根据权利要求5所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，所述车载移动平台包括环境控制模块，环境控制模块包含温度控制模块、湿度控制模块、空气洁净模块，

所述温度控制模块用于对上机柜的内部温度进行控制，将温度的平均值控制在预设温度内，且温度变化在±1℃范围内；

所述湿度控制模块用于对上机柜的内部湿度进行控制，将相对湿度控制的预设平均值内，湿度的变化在±2.5％范围内；

所述空气洁净模块净化空气，在所述通过气溶胶发生器将环境空气样品以气溶胶形式分两路向外发射之前，通过空气洁净模块将净化的空气均匀低速的从上机柜的柜体侧壁均流孔板进入到上机柜，对所述上机柜的内部环境进行一定时间的净化，将上机柜的内部环境的各种颗粒物浓度降到预设浓度范围之下；直至在线校准结束。

7.根据权利要求1所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，还包括自动平衡调节子系统，用于在路面不平时保持车辆正常平稳行驶，行驶终止时保持车载移动平台的平衡和稳定。

8.根据权利要求2所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，还包括恒重和称重单元，所述恒重和称重单元，具体用于：

在所述通过气溶胶发生器将环境空气样品以气溶胶形式分两路以相同的恒定流量向外发射之前，对第一空白滤膜和第二空白滤膜分别进行称重；

在得到第一尘膜后对第一尘膜称重得到第一尘膜的重量，将第一尘膜的重量与第一空白滤膜的重量之差作为附着在第一空白尘膜上的细颗粒物第一重量；

在得到第二尘膜后对第二尘膜称重得到第二尘膜的重量，将第二尘膜的重量与第二空白滤膜的重量之差作为附着在第二空白尘膜上的细颗粒物第二重量；

其中，所述对空白滤膜进行称重，具体包括：

通过机械手将空白滤膜放入滤膜存储架的平衡位，对空白滤膜进行平衡达到第一预设时间段，此时达到空白滤膜的第一次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平对空白滤膜称重得到重量m₁；

将空白滤膜移回滤膜存储架的平衡位，将空白滤膜进行平衡达到第二预设时间段，此时达到空白滤膜的第二次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平再次称量空白滤膜得到重量m₂；其中，所述第二预设时间段小于所述第一预设时间段；

计算空白滤膜的m₁和m₂的差值，判断空白滤膜的m₁和m₂的差值是否小于预设阈值，如果空白滤膜的m₁和m₂的差值不大于预设阈值，完成对该空白滤膜的称重，空白滤膜的重量为m₁与m₂的平均值；如果空白滤膜的m₁和m₂的差值大于预设阈值，则将重复将空白滤膜移回滤膜存储架的平衡位平衡预设时间后、自平衡位移入高精度天平位再次称重m₃，直到m₁与m₃的差值不大于预设阈值，完成对该空白滤膜的称重，将m₁与m₃的平均值作为该空白滤膜的重量；

所述对尘膜进行称重，具体包括：

通过机械手将尘膜放入滤膜存储架的平衡位，对尘膜进行平衡达到第三预设时间段，此时达到尘膜的第一次恒重；通过机械手将尘膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平对尘膜称重得到重量M₁；

将尘膜移回滤膜存储架的平衡位，将尘膜进行平衡达到第四预设时间段，此时达到尘膜的第二次恒重；通过机械手将尘膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平再次称量尘膜得到重量M₂；其中，所述第四预设时间段小于所述第三预设时间段；

计算尘膜的M₁和M₂的差值，判断尘膜的M₁和M₂的差值是否小于预设阈值，如果尘膜的M₁和M₂的差值不大于预设阈值，完成对该尘膜的称重，尘膜的重量M₁与M₂的平均值；如果尘膜的M₁和M₂的差值大于预设阈值，则将重复将尘膜移回滤膜存储架的平衡位平衡预设时间后、自平衡位移入高精度天平位再次称重M₃，直到M₁与M₃的差值不大于预设阈值，完成对该尘膜的称重，将M₁与M₃的平均值作为该尘膜的重量。

9.根据权利要求8所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，还包括细颗粒物称重修正单元，所述细颗粒物称重修正单元具体用于：

在对车载重量法标准装置所采用的第一空白滤膜、以及第一尘膜进行称重过程中，通过低精度估算空气密度达到对高精度天平所采集到的空气浮力进行修正校准，在根据修正校准的空气浮力获得空白滤膜或尘膜的重量；

所述对高精度天平所采集到的空气浮力进行修正校准，在根据修正校准的空气浮力获得空白滤膜或尘膜的重量，具体包括：

首先获得测量所在地的空气密度，且参与空气密度计算的温度计的精度、气压计的精度和湿度表的精度决定空气浮力修正的精度，通过算式(1)进行低精度估算空气密度，测量所在地天平校准的空气密度为：

其中：

ρ_a表示天平校准的空气密度，单位为g/cm³；

P表示大气压，单位为mmHg；保留预设位数的有效数字；

U表示％相对湿度，进位为整数；保留预设位数的有效数字；

t表示温度，单位为℃；保留预设位数的有效数字；

e_s为1.3146×10⁹×e^{-5315.56/(t+273.15)}；

然后根据天平校准的空气密度对天平称重进行修正，天平称重未知物体的质量M_x的浮力修正算式为：

其中：

M_x表示修正后的重量，单位是μg；

M_R表示天平读数，单位是μg；

ρ_a表示天平校准的空气密度，单位是g/cm³；

ρ_c表示用于校准天平的标准密度，单位是g/cm³；

ρ_x表示未知称重质量的密度，单位g/cm³；

还包括细颗粒物质的浓度含量计算单元，所述细颗粒物质的浓度含量计算单元，具体用于：

针对细颗粒物质的浓度含量，采用算式(3)：

其中：

ρ表示细颗粒物的浓度，单位是μg/m³；

w₂表示第一尘膜的重量，单位是mg；

w₁表示该空白滤膜的重量，单位是mg；

V表示环境空气样品的标准体积，0℃、1个标准大气压下进入到车载重量法标准装置的环境空气样品体积，单位是m³；

环境空气样品的恒定流量Q、采样时间t、获得采样环境空气样品的标准体积V之间的关系式(4)所示：

其中：

Q，单位是L/min；

t，单位是s；

将算式(4)带入算式(3)得到该细颗粒物质的浓度计算式(5)所示：

其中：

w₁表示采样前空白滤膜的重量；

w₂表示采样后的第一滤膜的重量。

10.根据权利要求9所述的移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，还包括不确定度计算单元，用于对车载重量法标准装置所截取的该细颗粒物质计算该细颗粒物质的浓度测量值不确定度；

所述不确定度计算单元，具体用于：

该细颗粒物质的浓度测量值不确定度的构成因素包括：高精密天平称量引入的不确定度u(Δ)、质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)、采样时间t引入的不确定度u(t)、浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)、浓度测量值的扩展不确定度U、浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel；

将空白滤膜的重量通过w₁表示，第一尘膜的重量通过w₂表示，由于w₁、w₂采用同一天平进行称量，因此w₁、w₂存在相关性；根据该细颗粒物质的浓度算式(5)，利用不确定度传播律，结合该细颗粒物质的浓度测量值不确定度的构成因素，整理得到该细颗粒浓度的不确定度合成算式(7)：

根据不确定度合成算式(7)，得到影响精度天平称量相关的不确定度的因素包括：采样前空白滤膜重量测得值w₁引入的不确定度u(w₁)、采样后第一尘膜的重量测得值w₂引入的不确定度u(w₂)以及输入量w₁和w₂的协方差估计u(w₁,w₂)；

由于空白滤膜和采样后的尘膜称量采用的是同一高精度天平，设测量的高精度天平本身存在综合误差Δ，标准不确定度为u(Δ)，则存在：u(w₁)＝u(w₂)＝u(Δ)；

根据采用同一高精度天平测量两质量w₁,w₂具有相关性，设w₁＝F(Δ)＝A+Δ；其中，A是空白滤膜重量测得值w₁的示值，视为常数；

w₂＝G(Δ)＝B+Δ；其中，B是测量w₂的示值，视为常数；

则输入量w₁,w₂的协方差估计值为：

所以算式(7)中，u²(w₁)+u²(w₂)+2u(w₁,w₂)＝u²(Δ)+u²(Δ)+2u²(Δ)＝4u²(Δ)

u(Δ)为精密天平引入的不确定度。

所述高精度天平称量相关的不确定度包括如下确定度：高精度天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)、高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)、高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)、浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)、温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)；其中：

对所述天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)的计算，具体包括：

根据高精度天平所允许的在0.001g-0.5g范围内的最大允许误差，按照均匀分布进行计算，最大允许误差引入的不确定度为：

对所述高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)的计算，具体包括：

以一张固定的空白滤膜，设定空白滤膜采样时间为0，循环重复空白滤膜平衡-空白滤膜称重-采样-空白滤膜平衡-空白滤膜称重6次，得出标准偏差s；计算天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)；

对所述高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)的计算，具体包括：

高精度天平采用百万分之一天平，最小分度值为0.001mg，估读误差为1/2分度值，按均匀分布，可靠性为25％：

当高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)远远小于高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)时，在计算不确定度时将u₃(Δ)忽略：

u₃(Δ)＝0

所述空气浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)的计算，具体包括：

当细颗粒物为PM_2.5颗粒物，计算空气浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)，且空气浮力修正引入的不确定度远小于测量精度要求，将空气浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)忽略：

u₄(Δ)＝0

所述温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)的计算，具体包括：

在高精度天平进行称重前对其内部校准，校准到符合当前温读、湿度状况的短时间称量，以及在称重的过程中将高精度天平始终处于高精度天平称重的环境条件要求的恒温恒湿环境中，因此由温湿度引入的不确定度u₅(Δ)比较小，将温湿度引入的不确定度忽略：

u₅(Δ)＝0

根据高精度天平测量最大允许误差引入的不确定度u₁(Δ)、高精度天平测量重复性引入的不确定度u₂(Δ)、高精度天平测量示值估读引入的不确定度u₃(Δ)、浮力修正引入的不确定度u₄(Δ)、温湿度影响引入的不确定度u₅(Δ)，计算由高精度天平引入的不确定度u(Δ)为：

所述对质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)的计算，具体包括：

(1)流量计最大允许引入的不确定度u₁(Q)按检定证书设置的流量最大值引入：u₁(Q)＝流量最大值×0.45％

(2)流量重复性引入的不确定度u₂(Q)

流量重复性引入的不确定度属于不确定度A类评定针对环境空气样品以恒定流量16.67L/min的流速采样10次，10次流速的平均值为

10次流速的均方差为s；计算流量重复性引入的不确定度u₂(Q)：

(3)示值估读引入的不确定度u₃(Q)

示值估读引入的不确定度u₃(Q)属于不确定度B类评定，根据质量流量计的最小分度值、估读误差为1/2分度值，按均匀分布，可靠性为25％：

将质量流量计采样流量Q引入的不确定度u(Q)为：

采样时间采用精确的同步标准时间，24h误差小于1s，采样时间t引入的不确定度u(t)不确定度忽略不计：u(t)＝0；

所述对细颗粒浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)的计算，具体包括：

根据w₁,w₂,Q,t各自均值，通过算式(7)计算浓度测量值的合成不确定度u_c(ρ)：

所述对细颗粒物浓度测量值的扩展不确定度U的计算，具体包括：

标准不确定度：u＝u_c(ρ)；若k＝2，则细颗粒物浓度测量值的扩展不确定度为:

U＝u_c(ρ)×k

所述对细颗粒物浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel的计算，具体包括：

相对标准不确定度为：(u_c(ρ)/ρ)×100％

浓度测量值的相对扩展不确定度U_rel：

k＝2。

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