气溶胶粒径谱仪校准规范

JJF1864—20201气溶胶粒径谱仪校准规范1范围本规范适用于光散射法和空气动力学法原理、粒径测量范围(0.1~100)μm、颗粒数量浓度测量范围(50~7000)/cm3、颗粒质量浓度测量范围(30~1000)μg/m3的气溶胶粒径谱仪的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:GB/T29024.4—2017粒度分析单颗粒的光学测量方法第4部分:洁净间光散射尘埃粒子计数器凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3概述气溶胶粒径谱仪(以下简称粒径谱仪)主要用于测量环境空气中颗粒的粒径及浓度。其工作原理为:当被测颗粒经粒径谱仪的进样系统并以特定流速通过光敏感区时,会发生颗粒的光散射现象并产生散射信号,光散射信号的强弱或间距与颗粒粒径密切相关、散射信号数量与颗粒浓度密切相关。通过对该信号的光电转化、放大检测及数学计算,再利用软件及显示单元可计算得到样品的粒径大小和浓度。粒径谱仪一般由激光光源、进样系统、检测器、数据处理系统等部分组成。4计量特性粒径谱仪的计量特性见表1。表1粒径谱仪的计量特性序号校准项目性能指标1零点≤1/cm32流量示值误差不超过±5%3粒径测量示值误差不超过±15%4颗粒计数效率(100±20)%5颗粒计数重复性≤5%6颗粒质量浓度示值误差*不超过±30%注:*无此功能的粒径谱仪此项免做。以上指标不用于合格性判别,仅供参考。25校准条件5.1环境条件5.1.1环境温度:(18~30)℃。5.1.2相对湿度:20%~80%。5.1.3其他:远离振动、电磁干扰、避免阳光直射。5.2测量标准及其他设备5.2.1粒度标准物质:应使用国家有证标准物质,并在有效期内使用,具体要求如表2所示。表2校准所需的常用粒度标准物质序号粒径标准值μm粒径分布扩展不确定度1#0.1~0.8≤8%≤3%(k=2)2#1~33#5~154#20~1005.2.2凝结核粒子计数器:在(50~7000)/cm3的颗粒浓度范围内,颗粒计数效率(100±10)%,校准的相对扩展不确定度优于3.5%(k=2)。5.2.3PM2.5质量浓度测量仪:颗粒质量浓度测量范围为(30~1000)μg/m3,示值最大允许误差±10%,校准的相对扩展不确定度优于8%(k=2)。5.2.4皂膜流量计:流量范围(1~6)L/min,相对示值误差不超过±1.5%。5.2.5颗粒发生混匀系统:可发生(0.1~100)μm的气溶胶颗粒,系统组成及技术要求参见附录B。5.2.6高效空气过滤器:对不小于0.1μm颗粒的过滤效率优于99.99%5.2.7颗粒尘源:ISO12103-1中A1超细试验粉尘或A2细试验粉尘。6校准项目和校准方法校准项目可根据被校仪器的预期用途选择使用。对校准规范的偏离,应在校准证书中注明。6.1零点将高效空气过滤器连接到粒径谱仪入口处,并连续运行10min以上。之后将粒径谱仪调节到累积计数模式,记录1min内在最低粒径(Dmin)挡处的颗粒浓度测量值N0,并以N0作为零点。6.2流量示值误差开启粒径谱仪并达到稳定工作状态,将皂膜流量计连接到粒径谱仪的入口处,读取JJF1864—20203(1)3次流量测量值qm,并计算其平均值qm。根据公式(1)计算流量示值误差Δq。(1)Δq×100%式中:Δq—采样流量示值误差;qVS—粒径谱仪的流量值,L/min;qm—流量校准装置的3次测量平均值,L/min。6.3粒径测量示值误差按照图1的方式连接校准系统。根据粒径谱仪测量范围分别选择1#~4#粒度标准物质,对于粒径通道可调的粒径谱仪,为提高校准分辨力应尽量降低每个通道的粒径范围。使用校准系统分别发生1#~4#粒度标准物质并产生气溶胶样品,记录被校粒径谱仪的峰值粒径测量结果,重复测量3次。若被校粒径谱仪只能以通道(粒径)区间表示样品的峰值粒径,则应以该通道的粒径平均值作为仪器的峰值粒径测量结果。按照公式(2)计算粒径测量示值误差ΔD。 ΔD×100%(2)式中: ΔD—粒径测量示值误差;DOPS—粒径谱仪3次测量的平均值,μm或nm;DS—标准物质的粒径标准值,μm或nm。图1粒径测量示值误差校准系统示意图6.4颗粒计数效率和计数重复性6.4.1按照图2连接校准系统;选用1#粒度标准物质,且其粒径应是被校准粒径谱仪最低粒径挡Dmin的(1.5~2.0)倍;调节差分电迁移分离器,尽量使其分离粒径与标准物质的平均粒径接近;发生无颗粒样品的超纯水,凝结核粒子计数器的测量值应≤1/cm3。4NSOPSNSOPS图2颗粒计数效率校准系统示意图 η=NOPS×ηS×β1×100%sr=式中:(Ni-NOPS)2i=1n-1N×100% η—颗粒计数效率;NOPS—被校准粒径谱仪的颗粒数量浓度10次测量结果平均值,1/cm3; NS—凝结核粒子计数器的颗粒数量浓度10次测量结果平均值,1/cm3;ηS—凝结核粒子计数器的颗粒计数效率;β1— η=NOPS×ηS×β1×100%sr=式中:(Ni-NOPS)2i=1n-1N×100% η—颗粒计数效率;NOPS—被校准粒径谱仪的颗粒数量浓度10次测量结果平均值,1/cm3; NS—凝结核粒子计数器的颗粒数量浓度10次测量结果平均值,1/cm3;ηS—凝结核粒子计数器的颗粒计数效率;β1—气溶胶分流器的通道偏差,无量纲量;sr—被校准粒径谱仪的颗粒计数重复性;Ni—高浓度点下被校仪器的第i次测量结果,1/cm3;n—测量次数,n=10。(3)(4)浓度点下的测量数据,按照公式(4)计算得到颗粒计数重复性。6.5颗粒质量浓度示值误差6.5.1根据被校准粒径谱仪测量范围选择1个粒径范围内的颗粒质量浓度作为校准对象,通常选择细颗粒物(PM2.5)质量浓度作为校准对象。按照图3的方式连接校准系统;实验前应按照被校准粒径谱仪说明书确定其对颗粒尘源的校准因子(或K值)。JJF1864—20205图3颗粒质量浓度示值误差校准系统示意图6.5.2使用校准系统发生颗粒尘源,并将颗粒浓度分别控制在(35~75)μg/m3、(200~300)μg/m3和大于500μg/m3范围内。在每个浓度点下,记录PM2.5质量浓度标准测量仪和被校准粒径谱仪的颗粒质量浓度测量结果,共计6次,计算6次测量结果的平均值。按照公式(5)计算质量浓度示值误差ΔC。ΔC=×100%(5)式中: ΔC—质量浓度示值误差;COPS—被校准粒径谱仪的颗粒质量浓度6次测量结果平均值,μg/m3;CS—PM2.5质量浓度标准测量仪的6次测量结果平均值,μg/m3。7校准结果表达校准结果应在校准证书上反映。校准证书应包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点;d)校准证书编号、页码及总页数的标识;e)客户名称和地址;f)被校仪器的制造单位、名称、型号及编号;g)校准单位校准专用章;h)校准日期;i)校准所依据的技术规范名称及代号;j)本次校准所用有证标准物质和主要测量设备名称、型号、准确度等级或不确定度或最大允许误差、仪器编号、证书编号及有效期;k)校准时的环境温度、相对湿度;l)校准结果及其测量不确定度;m)对校准规范偏离的说明(若有);JJF1864—20206n)复校时间间隔的建议;o)“校准证书”的校准人、核验人、批准人签名及签发日期;p)校准结果仅对被校仪器本次测量有效的声明;q)未经实验室书面批准,部分复制证书或报告无效的声明。8复校时间间隔粒径谱仪的复校时间间隔建议为1年。由于复校时间间隔的长短是由粒径谱仪的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此,送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。JJF1864—20207附录A不确定度评定示例A.1粒径测量示值误差的校准不确定度评定示例A.1.1校准方法简述及测量模型按6.3进行粒径测量示值误差的校准。按公式(A.1)计算粒径谱仪的粒径测量示值误差。ΔD×100%(A.1)式中: ΔD—粒径谱仪的粒径测量示值误差;DOPS—粒径谱仪3次测量的平均值,μm或nm;DS—标准物质的粒径标准值,μm或nm。A.1.2不确定度计算公式从公式(A.1)和校准过程可以看出,粒径测量示值误差校准的不确定度来源主要公式(A.2):uc(ΔD)=2u2(DOPS)+(-2u2(DS)(A.2)式中:uc(ΔD)—粒径测量示值误差的合成标准不确定度,%;u(DOPS)———粒径谱仪测量结果DOPS引入的标准不确定度,μm或nm;u(DS)—标准物质粒径标准值DS引入的标准不确定度,μm或nm。A.1.3不确定度分量评定A.1.3.1粒径谱仪测量结果DOPS引入的标准不确定度u(DOPS) 粒径谱仪测量结果DOPS引入的不确定度主要包括两部分,即:测量重复性引入的不确定度和分辨力引入的不确定度。6.3中规定以3次测量的平均值作为测量结果(见表A.1),因此重复性引入的不确定度u(A)=0。粒径谱仪3次测量结果平均值为9.65μm,在此粒径段粒径挡的宽度为0.8μm,即分辨力为0.4μm。若分辨力引入的不确定度服从均匀分布,则分辨力引入的标准不确定度u(DR)为:u(DR)=0.23μmJJF1864—20208表A.1粒径谱仪的测量结果测量次数峰值粒径测量值/μm19.6529.6539.65平均值9.65实验标准偏差0因此:A.1.3.2标准物质标)u.S3μm所使用的标准物质为GBW(E)120130,标准物质的标准值为9.86μm,扩展不确定度为0.06μm(k=2)。因此,标准值DS引入的标准不确定度u(DS)为:u(DS)=0.03μmA.1.3合成标准不确定度粒径测量示值误差校准的合成标准不确定度uc(ΔD)为: uc(ΔD)=2u2(DOPS)+(-2u2(DS)=2×0.232+(-2×0.032=2.4%A.1.4扩展不确定度取包含因子k=2,则粒径测量示值误差校准的扩展不确定度:A.2颗粒计数效率的校准不.8%≈5%A.2.1校准方法简述及测量模型按6.4进行粒径谱仪颗粒计数效率的校准。按公式(A.3)计算粒径谱仪的计数效率:η×100%(A.3)式中: η—颗粒计数效率;NOPS—被校准粒径谱仪的颗粒数量浓度10次测量结果平均值,1/cm3; NS—凝结核粒子计数器的颗粒数量浓度10次测量结果平均值,1/cm3;ηS—凝结核粒子计数器的颗粒计数效率;β1—气溶胶分流器通道的颗粒浓度偏差,无量纲量。JJF1864—20209A.2.2不确定度计算公式从公式(A.3)和校准过程可以看出,颗粒计数效率校准的不确定度来源主要包括:粒径谱仪测量结果、凝结核粒子计数器的测量结果、凝结核粒子计数器的计数效率和气溶胶分流器的通道偏差。其中,粒径谱仪测量结果与凝结核粒子计数器的测量结果相关,因此合成标准不确定度计算公式可表示为:uc(η)=2u2(NOPS)+2u2(NS)+2u2(ηS)12+NOηS)2u2(β1)+(ηβ)(NOPS-×β)r(NOPS,NS)u(NOPS)u(NS)12(A.4)式中:uc(η)—计数效率的合成标准不确定度,%;u(NOPS)———粒径谱仪测量结果NOPS引入的标准不确定度,1/cm3;u(NS)—凝结核粒子计数器测量结果NS引入的标准不确定度,1/cm3;u(ηS)—凝结核粒子计数器的计数效率ηS引入的标准不确定度,%;u(β1)—气溶胶分流器通道的颗粒浓度偏差引入的标准不确定度,无量 纲量;r(NOPS,NS)———粒径谱仪测量结果与凝结核粒子计数器测量结果的相关系数,无量纲量。A.2.3不确定度分量的评定A.2.3.1测量结果NOPS引入的标准不确定度u(NOPS) 粒径谱仪10次测量结果及其平均值NOPS、实验标准偏差s(NOPS)的测量结果见表A.2。表A.2颗粒计数测量结果测量次数粒径谱仪测量结果1/cm3凝结核粒子计数器测量结果1/cm3165046645264766636365156673465726712564926653664596597765386688865376695JJF1864—202010表A.2(续)测量次数粒径谱仪测量结果1/cm3凝结核粒子计数器测量结果1/cm39648666321065216683平均值6510.06661.4实验标准偏差33.734.9粒径谱仪测量重复性引入的相对不确定度为u(NOPS1)=10.7/cm3。粒径谱仪的流量示值误差不大于2.2%,假设服从均匀分布,粒径谱仪流量引入的标准不确定度为u(NOPS2)×6510/cm3=82.7/cm3因此:u(NOPS)=u2(NOPS1)+u2(NOPS2)=83.4/cm3。A.2.3.2凝结核粒子计数器测量结果NS引入的标准不确定度u(NS)凝结核粒子计数器的10次测量结果及其平均值NS、实验标准偏差s(NS)的测量结果见表A.2。因此,凝结核粒子计数器测量结果引入的标准不确定度为u(NS)=s()=11.0/cm3A.2.3.3凝结核粒子计数器的计数效率ηS引入的标准不确定度u(ηS)凝结核粒子计数器在(50~7000)个/cm3范围的颗粒计数效率ηS为99.2%,扩展不确定度≤3.5%(k=2)。因此,计数效率ηS引入的标准不确定度u(ηS)=1.75%。A.2.3.4气溶胶分流器通道的颗粒浓度偏差引入的标准不确定度u(β1)气溶胶分流器的通道偏差为0.9995,标准不确定度u(β1)=0.9%。A.2.3.5粒径谱仪测量结果与标准仪器的测量结果的相关系数相关系数r(NOPS,NS)可由式(A.5)计算得到r(NOPS,NS)=A.2.4合成标准不确定度(NOPSi-NOPS)(NSi-NS)0.96(A.5)根据式(A.4)及上述计算,颗粒计数效率校准的合成标准不确定度为:A.2.5扩展不确定度uc(η)=2.3%取包含因子k=2,则颗粒计数效率校准的扩展不确定度为U=k·uc(η)=4.6%≈5%JJF1864—202011A.3质量浓度示值误差的校准不确定度评定示例A.3.1校准方法简述及测量模型按6.5进行质量浓度示值误差的校准。按公式(A.6)计算被校准粒径谱仪的质量浓度示值误差。ΔC×100%(A.6)式中: ΔC—粒径谱仪的质量浓度示值误差;COPS—被校准粒径谱仪的颗粒质量浓度6次测量结果平均值,μg/m3;CS—PM2.5质量浓度标准测量仪的6次测量结果平均值,μg/m3。A.3.2不确定度计算公式从公式(A.6)和校准过程可以看出,质量浓度示值误差校准的不确定度来源主要包括:粒径谱仪测量结果、标准测量仪测量结果和气溶胶混匀箱出口的不均匀性。因此,不确定度计算公式可导出为:2u2(COPS)+2u2(CS)+Sr(COPS,CS)u(COPS)u(CS)+u2(β2)(A.7)式中:uc(ΔC)—质量浓度示值误差的合成标准不确定度,%;u(COPS)—粒径谱仪测量结果COPS引入的标准不确定度,μg/m3; u(CS)—标准测量仪测量结果CS引入的标准不确定度,μg/m3;r(COPS,CS)———粒径谱仪测量结果COPS与标准测量仪测量结果CS的相关系数,无量纲量;u(β2)—气溶胶混匀箱出口的不均匀性引入的标准不确定度。A.3.3不确定度分量的评定A.3.3.1粒径谱仪测量结果COPS引入的标准不确定度u(COPS) 粒径谱仪测量结果COPS引入的不确定度主要包括两部分,即:测量重复性引入的不确定度和流量示值误差引入的不确定度。粒径谱仪6次测量结果及其平均值COPS、实验标准偏差s(COPS)的测量结果见表A.3。因此重复性引入的标准不确定度u(A)为:u(A)=2.10μg/m3。粒径谱仪的流量示值误差不大于2.2%,假设服从均匀分布,流量示值误差引入的标准不确定度u(Q)×259.3μg/m3=3.29μg/m3。因此,粒径谱仪测量结果引入的标准不确定度u(COPS)=u2(A)+u2(Q)=3.91μg/m3。JJF1864—202012表A.3质量浓度测量结果测量次数被校准粒径谱仪测量结果/(μg/m3)标准测量仪的测量结果/(μg/m3)1258.6274.32264.3277.13255.2271.24253.1265.45265.8279.86259.1276.4平均值259.3274.0实验标准偏差5.05.1A.3.3.2标准测量仪测量结果CS引入的标准不确定度u(CS)标准测量仪测量结果CS引入的不确定度包括示值误差引入的不确定度和测量重复性引入的不确定度。PM2.5质量浓度标准测量仪的示值误差不超过±10%,因此校准不确定度为u(CS1)×274.0μg/m3=15.82μg/m3标准测量仪的6次测量结果及其平均值CS、实验标准偏差s(CS)的测量结果见表A.3。因此,标准测量仪测量结果重复性引入的标准不确定度为:u(CS2)=2.09μg/m3因此,标准仪器测量结果CS引入的不确定度为:u(CS)=u2(CS1)+u2(CS2)=15.96μg/m3A.3.3.3粒径谱仪测量结果COPS与标准测量仪测量结果CS的相关系数相关系数r(COPS,CS)可由式(A.8)计算得到:r(COPS,CS)OPSi1CS)=0.92(A.8)A.3.3.4气溶胶混匀箱出口的不均匀性引入的标准不确定度u(β2)所使用的气溶胶混匀箱出口的不均匀性不大于6%,假设服从均匀分布,气溶胶不引)=6%/3=3.46%。根据式(A.7)及上述计算,质量浓度示值误差的合成标准不确定度为:uc(ΔC)=5.5%A.3.5扩展不确定度取包含因子k=2,则质量浓度示值误差的扩展不确定度为:U=k·uc(ΔC)=11%JJF1864—202013附录B颗粒发生混匀系统本规范中,需使用颗粒发生混匀系统实现对粒径测量示值误差、颗粒计数效率和重复性、颗粒质量浓度示值误差的校准,校准系统如图1、图2和图3所示。颗粒发生混匀系统的主要组成及技术要求如下:a)气溶胶发生器可发生(0.1~100)μm的气溶胶颗粒。b)洁净空气最大流量至少为100L/m