JJF1864—20201氣溶膠粒徑譜儀校準規范1范圍本規范適用于光散射法和空氣動力學法原理、粒徑測量范圍(0.1~100)μm、顆粒數量濃度測量范圍(50~7000)/cm3、顆粒質量濃度測量范圍(30~1000)μg/m3的氣溶膠粒徑譜儀的校準。2引用文件本規范引用了下列文件:GB/T29024.4—2017粒度分析單顆粒的光學測量方法第4部分:潔凈間光散射塵埃粒子計數器凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規范。3概述氣溶膠粒徑譜儀(以下簡稱粒徑譜儀)主要用于測量環境空氣中顆粒的粒徑及濃度。其工作原理為:當被測顆粒經粒徑譜儀的進樣系統并以特定流速通過光敏感區時,會發生顆粒的光散射現象并產生散射信號,光散射信號的強弱或間距與顆粒粒徑密切相關、散射信號數量與顆粒濃度密切相關。通過對該信號的光電轉化、放大檢測及數學計算,再利用軟件及顯示單元可計算得到樣品的粒徑大小和濃度。粒徑譜儀一般由激光光源、進樣系統、檢測器、數據處理系統等部分組成。4計量特性粒徑譜儀的計量特性見表1。表1粒徑譜儀的計量特性序號校準項目性能指標1零點≤1/cm32流量示值誤差不超過±5%3粒徑測量示值誤差不超過±15%4顆粒計數效率(100±20)%5顆粒計數重復性≤5%6顆粒質量濃度示值誤差*不超過±30%注:*無此功能的粒徑譜儀此項免做。以上指標不用于合格性判別,僅供參考。25校準條件5.1環境條件5.1.1環境溫度:(18~30)℃。5.1.2相對濕度:20%~80%。5.1.3其他:遠離振動、電磁干擾、避免陽光直射。5.2測量標準及其他設備5.2.1粒度標準物質:應使用國家有證標準物質,并在有效期內使用,具體要求如表2所示。表2校準所需的常用粒度標準物質序號粒徑標準值μm粒徑分布擴展不確定度1#0.1~0.8≤8%≤3%(k=2)2#1~33#5~154#20~1005.2.2凝結核粒子計數器:在(50~7000)/cm3的顆粒濃度范圍內,顆粒計數效率(100±10)%,校準的相對擴展不確定度優于3.5%(k=2)。5.2.3PM2.5質量濃度測量儀:顆粒質量濃度測量范圍為(30~1000)μg/m3,示值最大允許誤差±10%,校準的相對擴展不確定度優于8%(k=2)。5.2.4皂膜流量計:流量范圍(1~6)L/min,相對示值誤差不超過±1.5%。5.2.5顆粒發生混勻系統:可發生(0.1~100)μm的氣溶膠顆粒,系統組成及技術要求參見附錄B。5.2.6高效空氣過濾器:對不小于0.1μm顆粒的過濾效率優于99.99%5.2.7顆粒塵源:ISO12103-1中A1超細試驗粉塵或A2細試驗粉塵。6校準項目和校準方法校準項目可根據被校儀器的預期用途選擇使用。對校準規范的偏離,應在校準證書中注明。6.1零點將高效空氣過濾器連接到粒徑譜儀入口處,并連續運行10min以上。之后將粒徑譜儀調節到累積計數模式,記錄1min內在最低粒徑(Dmin)擋處的顆粒濃度測量值N0,并以N0作為零點。6.2流量示值誤差開啟粒徑譜儀并達到穩定工作狀態,將皂膜流量計連接到粒徑譜儀的入口處,讀取JJF1864—20203(1)3次流量測量值qm,并計算其平均值qm。根據公式(1)計算流量示值誤差Δq。(1)Δq×100%式中:Δq—采樣流量示值誤差;qVS—粒徑譜儀的流量值,L/min;qm—流量校準裝置的3次測量平均值,L/min。6.3粒徑測量示值誤差按照圖1的方式連接校準系統。根據粒徑譜儀測量范圍分別選擇1#~4#粒度標準物質,對于粒徑通道可調的粒徑譜儀,為提高校準分辨力應盡量降低每個通道的粒徑范圍。使用校準系統分別發生1#~4#粒度標準物質并產生氣溶膠樣品,記錄被校粒徑譜儀的峰值粒徑測量結果,重復測量3次。若被校粒徑譜儀只能以通道(粒徑)區間表示樣品的峰值粒徑,則應以該通道的粒徑平均值作為儀器的峰值粒徑測量結果。按照公式(2)計算粒徑測量示值誤差ΔD。 ΔD×100%(2)式中: ΔD—粒徑測量示值誤差;DOPS—粒徑譜儀3次測量的平均值,μm或nm;DS—標準物質的粒徑標準值,μm或nm。圖1粒徑測量示值誤差校準系統示意圖6.4顆粒計數效率和計數重復性6.4.1按照圖2連接校準系統;選用1#粒度標準物質,且其粒徑應是被校準粒徑譜儀最低粒徑擋Dmin的(1.5~2.0)倍;調節差分電遷移分離器,盡量使其分離粒徑與標準物質的平均粒徑接近;發生無顆粒樣品的超純水,凝結核粒子計數器的測量值應≤1/cm3。4NSOPSNSOPS圖2顆粒計數效率校準系統示意圖 η=NOPS×ηS×β1×100%sr=式中:(Ni-NOPS)2i=1n-1N×100% η—顆粒計數效率;NOPS—被校準粒徑譜儀的顆粒數量濃度10次測量結果平均值,1/cm3; NS—凝結核粒子計數器的顆粒數量濃度10次測量結果平均值,1/cm3;ηS—凝結核粒子計數器的顆粒計數效率;β1— η=NOPS×ηS×β1×100%sr=式中:(Ni-NOPS)2i=1n-1N×100% η—顆粒計數效率;NOPS—被校準粒徑譜儀的顆粒數量濃度10次測量結果平均值,1/cm3; NS—凝結核粒子計數器的顆粒數量濃度10次測量結果平均值,1/cm3;ηS—凝結核粒子計數器的顆粒計數效率;β1—氣溶膠分流器的通道偏差,無量綱量;sr—被校準粒徑譜儀的顆粒計數重復性;Ni—高濃度點下被校儀器的第i次測量結果,1/cm3;n—測量次數,n=10。(3)(4)濃度點下的測量數據,按照公式(4)計算得到顆粒計數重復性。6.5顆粒質量濃度示值誤差6.5.1根據被校準粒徑譜儀測量范圍選擇1個粒徑范圍內的顆粒質量濃度作為校準對象,通常選擇細顆粒物(PM2.5)質量濃度作為校準對象。按照圖3的方式連接校準系統;實驗前應按照被校準粒徑譜儀說明書確定其對顆粒塵源的校準因子(或K值)。JJF1864—20205圖3顆粒質量濃度示值誤差校準系統示意圖6.5.2使用校準系統發生顆粒塵源,并將顆粒濃度分別控制在(35~75)μg/m3、(200~300)μg/m3和大于500μg/m3范圍內。在每個濃度點下,記錄PM2.5質量濃度標準測量儀和被校準粒徑譜儀的顆粒質量濃度測量結果,共計6次,計算6次測量結果的平均值。按照公式(5)計算質量濃度示值誤差ΔC。ΔC=×100%(5)式中: ΔC—質量濃度示值誤差;COPS—被校準粒徑譜儀的顆粒質量濃度6次測量結果平均值,μg/m3;CS—PM2.5質量濃度標準測量儀的6次測量結果平均值,μg/m3。7校準結果表達校準結果應在校準證書上反映。校準證書應包括以下信息:a)標題:“校準證書”;b)實驗室名稱和地址;c)進行校準的地點;d)校準證書編號、頁碼及總頁數的標識;e)客戶名稱和地址;f)被校儀器的制造單位、名稱、型號及編號;g)校準單位校準專用章;h)校準日期;i)校準所依據的技術規范名稱及代號;j)本次校準所用有證標準物質和主要測量設備名稱、型號、準確度等級或不確定度或最大允許誤差、儀器編號、證書編號及有效期;k)校準時的環境溫度、相對濕度;l)校準結果及其測量不確定度;m)對校準規范偏離的說明(若有);JJF1864—20206n)復校時間間隔的建議;o)“校準證書”的校準人、核驗人、批準人簽名及簽發日期;p)校準結果僅對被校儀器本次測量有效的聲明;q)未經實驗室書面批準,部分復制證書或報告無效的聲明。8復校時間間隔粒徑譜儀的復校時間間隔建議為1年。由于復校時間間隔的長短是由粒徑譜儀的使用情況、使用者、儀器本身質量等諸因素所決定的,因此,送校單位可根據實際使用情況自主決定復校時間間隔。JJF1864—20207附錄A不確定度評定示例A.1粒徑測量示值誤差的校準不確定度評定示例A.1.1校準方法簡述及測量模型按6.3進行粒徑測量示值誤差的校準。按公式(A.1)計算粒徑譜儀的粒徑測量示值誤差。ΔD×100%(A.1)式中: ΔD—粒徑譜儀的粒徑測量示值誤差;DOPS—粒徑譜儀3次測量的平均值,μm或nm;DS—標準物質的粒徑標準值,μm或nm。A.1.2不確定度計算公式從公式(A.1)和校準過程可以看出,粒徑測量示值誤差校準的不確定度來源主要公式(A.2):uc(ΔD)=2u2(DOPS)+(-2u2(DS)(A.2)式中:uc(ΔD)—粒徑測量示值誤差的合成標準不確定度,%;u(DOPS)———粒徑譜儀測量結果DOPS引入的標準不確定度,μm或nm;u(DS)—標準物質粒徑標準值DS引入的標準不確定度,μm或nm。A.1.3不確定度分量評定A.1.3.1粒徑譜儀測量結果DOPS引入的標準不確定度u(DOPS) 粒徑譜儀測量結果DOPS引入的不確定度主要包括兩部分,即:測量重復性引入的不確定度和分辨力引入的不確定度。6.3中規定以3次測量的平均值作為測量結果(見表A.1),因此重復性引入的不確定度u(A)=0。粒徑譜儀3次測量結果平均值為9.65μm,在此粒徑段粒徑擋的寬度為0.8μm,即分辨力為0.4μm。若分辨力引入的不確定度服從均勻分布,則分辨力引入的標準不確定度u(DR)為:u(DR)=0.23μmJJF1864—20208表A.1粒徑譜儀的測量結果測量次數峰值粒徑測量值/μm19.6529.6539.65平均值9.65實驗標準偏差0因此:A.1.3.2標準物質標)u.S3μm所使用的標準物質為GBW(E)120130,標準物質的標準值為9.86μm,擴展不確定度為0.06μm(k=2)。因此,標準值DS引入的標準不確定度u(DS)為:u(DS)=0.03μmA.1.3合成標準不確定度粒徑測量示值誤差校準的合成標準不確定度uc(ΔD)為: uc(ΔD)=2u2(DOPS)+(-2u2(DS)=2×0.232+(-2×0.032=2.4%A.1.4擴展不確定度取包含因子k=2,則粒徑測量示值誤差校準的擴展不確定度:A.2顆粒計數效率的校準不.8%≈5%A.2.1校準方法簡述及測量模型按6.4進行粒徑譜儀顆粒計數效率的校準。按公式(A.3)計算粒徑譜儀的計數效率:η×100%(A.3)式中: η—顆粒計數效率;NOPS—被校準粒徑譜儀的顆粒數量濃度10次測量結果平均值,1/cm3; NS—凝結核粒子計數器的顆粒數量濃度10次測量結果平均值,1/cm3;ηS—凝結核粒子計數器的顆粒計數效率;β1—氣溶膠分流器通道的顆粒濃度偏差,無量綱量。JJF1864—20209A.2.2不確定度計算公式從公式(A.3)和校準過程可以看出,顆粒計數效率校準的不確定度來源主要包括:粒徑譜儀測量結果、凝結核粒子計數器的測量結果、凝結核粒子計數器的計數效率和氣溶膠分流器的通道偏差。其中,粒徑譜儀測量結果與凝結核粒子計數器的測量結果相關,因此合成標準不確定度計算公式可表示為: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)—計數效率的合成標準不確定度,%;u(NOPS)———粒徑譜儀測量結果NOPS引入的標準不確定度,1/cm3;u(NS)—凝結核粒子計數器測量結果NS引入的標準不確定度,1/cm3;u(ηS)—凝結核粒子計數器的計數效率ηS引入的標準不確定度,%;u(β1)—氣溶膠分流器通道的顆粒濃度偏差引入的標準不確定度,無量 綱量;r(NOPS,NS)———粒徑譜儀測量結果與凝結核粒子計數器測量結果的相關系數,無量綱量。A.2.3不確定度分量的評定A.2.3.1測量結果NOPS引入的標準不確定度u(NOPS) 粒徑譜儀10次測量結果及其平均值NOPS、實驗標準偏差s(NOPS)的測量結果見表A.2。表A.2顆粒計數測量結果測量次數粒徑譜儀測量結果1/cm3凝結核粒子計數器測量結果1/cm3165046645264766636365156673465726712564926653664596597765386688865376695JJF1864—202010表A.2(續)測量次數粒徑譜儀測量結果1/cm3凝結核粒子計數器測量結果1/cm39648666321065216683平均值6510.06661.4實驗標準偏差33.734.9粒徑譜儀測量重復性引入的相對不確定度為u(NOPS1)=10.7/cm3。粒徑譜儀的流量示值誤差不大于2.2%,假設服從均勻分布,粒徑譜儀流量引入的標準不確定度為u(NOPS2)×6510/cm3=82.7/cm3因此:u(NOPS)=u2(NOPS1)+u2(NOPS2)=83.4/cm3。A.2.3.2凝結核粒子計數器測量結果NS引入的標準不確定度u(NS)凝結核粒子計數器的10次測量結果及其平均值NS、實驗標準偏差s(NS)的測量結果見表A.2。因此,凝結核粒子計數器測量結果引入的標準不確定度為u(NS)=s()=11.0/cm3A.2.3.3凝結核粒子計數器的計數效率ηS引入的標準不確定度u(ηS)凝結核粒子計數器在(50~7000)個/cm3范圍的顆粒計數效率ηS為99.2%,擴展不確定度≤3.5%(k=2)。因此,計數效率ηS引入的標準不確定度u(ηS)=1.75%。A.2.3.4氣溶膠分流器通道的顆粒濃度偏差引入的標準不確定度u(β1)氣溶膠分流器的通道偏差為0.9995,標準不確定度u(β1)=0.9%。A.2.3.5粒徑譜儀測量結果與標準儀器的測量結果的相關系數相關系數r(NOPS,NS)可由式(A.5)計算得到r(NOPS,NS)=A.2.4合成標準不確定度(NOPSi-NOPS)(NSi-NS)0.96(A.5)根據式(A.4)及上述計算,顆粒計數效率校準的合成標準不確定度為:A.2.5擴展不確定度uc(η)=2.3%取包含因子k=2,則顆粒計數效率校準的擴展不確定度為U=k·uc(η)=4.6%≈5%JJF1864—202011A.3質量濃度示值誤差的校準不確定度評定示例A.3.1校準方法簡述及測量模型按6.5進行質量濃度示值誤差的校準。按公式(A.6)計算被校準粒徑譜儀的質量濃度示值誤差。ΔC×100%(A.6)式中: ΔC—粒徑譜儀的質量濃度示值誤差;COPS—被校準粒徑譜儀的顆粒質量濃度6次測量結果平均值,μg/m3;CS—PM2.5質量濃度標準測量儀的6次測量結果平均值,μg/m3。A.3.2不確定度計算公式從公式(A.6)和校準過程可以看出,質量濃度示值誤差校準的不確定度來源主要包括:粒徑譜儀測量結果、標準測量儀測量結果和氣溶膠混勻箱出口的不均勻性。因此,不確定度計算公式可導出為:2u2(COPS)+2u2(CS)+Sr(COPS,CS)u(COPS)u(CS)+u2(β2)(A.7)式中:uc(ΔC)—質量濃度示值誤差的合成標準不確定度,%;u(COPS)—粒徑譜儀測量結果COPS引入的標準不確定度,μg/m3; u(CS)—標準測量儀測量結果CS引入的標準不確定度,μg/m3;r(COPS,CS)———粒徑譜儀測量結果COPS與標準測量儀測量結果CS的相關系數,無量綱量;u(β2)—氣溶膠混勻箱出口的不均勻性引入的標準不確定度。A.3.3不確定度分量的評定A.3.3.1粒徑譜儀測量結果COPS引入的標準不確定度u(COPS) 粒徑譜儀測量結果COPS引入的不確定度主要包括兩部分,即:測量重復性引入的不確定度和流量示值誤差引入的不確定度。粒徑譜儀6次測量結果及其平均值COPS、實驗標準偏差s(COPS)的測量結果見表A.3。因此重復性引入的標準不確定度u(A)為:u(A)=2.10μg/m3。粒徑譜儀的流量示值誤差不大于2.2%,假設服從均勻分布,流量示值誤差引入的標準不確定度u(Q)×259.3μg/m3=3.29μg/m3。因此,粒徑譜儀測量結果引入的標準不確定度u(COPS)=u2(A)+u2(Q)=3.91μg/m3。JJF1864—202012表A.3質量濃度測量結果測量次數被校準粒徑譜儀測量結果/(μg/m3)標準測量儀的測量結果/(μg/m3)1258.6274.32264.3277.13255.2271.24253.1265.45265.8279.86259.1276.4平均值259.3274.0實驗標準偏差5.05.1A.3.3.2標準測量儀測量結果CS引入的標準不確定度u(CS)標準測量儀測量結果CS引入的不確定度包括示值誤差引入的不確定度和測量重復性引入的不確定度。PM2.5質量濃度標準測量儀的示值誤差不超過±10%,因此校準不確定度為u(CS1)×274.0μg/m3=15.82μg/m3標準測量儀的6次測量結果及其平均值CS、實驗標準偏差s(CS)的測量結果見表A.3。因此,標準測量儀測量結果重復性引入的標準不確定度為:u(CS2)=2.09μg/m3因此,標準儀器測量結果CS引入的不確定度為:u(CS)=u2(CS1)+u2(CS2)=15.96μg/m3A.3.3.3粒徑譜儀測量結果COPS與標準測量儀測量結果CS的相關系數相關系數r(COPS,CS)可由式(A.8)計算得到:r(COPS,CS)OPSi1CS)=0.92(A.8)A.3.3.4氣溶膠混勻箱出口的不均勻性引入的標準不確定度u(β2)所使用的氣溶膠混勻箱出口的不均勻性不大于6%,假設服從均勻分布,氣溶膠不引)=6%/3=3.46%。根據式(A.7)及上述計算,質量濃度示值誤差的合成標準不確定度為:uc(ΔC)=5.5%A.3.5擴展不確定度取包含因子k=2,則質量濃度示值誤差的擴展不確定度為:U=k·uc(ΔC)=11%JJF1864—202013附錄B顆粒發生混勻系統本規范中,需使用顆粒發生混勻系統實現對粒徑測量示值誤差、顆粒計數效率和重復性、顆粒質量濃度示值誤差的校準,校準系統如圖1、圖2和圖3所示。顆粒發生混勻系統的主要組成及技術要求如下:a)氣溶膠發生器可發生(0.1~100)μm的氣溶膠顆粒。b)潔凈空氣最大流量至少為100L/m