环境空气PM2.5测量不确定度评定*

陈 玲 陈瑞欢 贾 锐 周瑾艳

（广东省计量科学研究院，广帅 510300）

0 引言

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称人肺颗粒物。PM2.5富含大量的有毒、有害物质，可以由呼吸道进人肺部并沉积。虽然PM2.5是空气中含量较小的组分，但它传输距离远，更容易吸附各类有害物质，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大[1-3]。根据GB 3095—2012《环境空气质量标准》，PM2.5的24h 平均浓度限值为75μg/m3，年均浓度限制为35μg/m3，采用的测量方法是重量法[4]。

测量不确定度是表征合理地赋予被测量值的分散性与测量结果相联系的参数，也是保证计量及检测质量的重要要素，对测量、试验结果的可信性和可比性及可接受性具有非常重要的思义。我们通过空气中重量法测定PM2.5的不确定度分析，使检测人员对影响测量结果各环节产生的不确定度有所了解和认识，找出PM2.5检测的关键控制点[5-6]。

1 测量方法

测量方法为HJ 618—2011《环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》，根据该方法，以恒定流速抽取一定体积的空气，使环境空气中的PM2.5截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算空气中PM2.5的质量浓度[7-8]。

2 数学模型

PM2.5质量浓度计算公式为：

式中，c为PM2.5的质量浓度，mg/m3；W2为采样后滤膜的重量，g；W1为采样前滤膜的重量，g；V为标准状态下（101.325kPa，273K）的采样体积，m3。

根据式（1），PM2.5质量浓度的不确定度可以计算如下：

3 不确定度来源和量化分析

根据PM2.5的测量过程，PM2.5测量不确定度来源包括称量不确定度urel（W）和体积带来的不确定度urel（V）。

3.1 滤膜重量的不确定度urel（W）

采集时，将空白滤膜放在恒温恒湿箱中平衡24h，称重，记录滤膜重量W1（空白滤膜平衡两次，质量差小于0.4mg）。滤膜平衡后，开启采样器，设置采样时间，采样一定时间后，在同一条件下平衡24h时，称重，得滤膜质量W2，由质量差得到PM2.5的质量。根据这一称重过程，滤膜重量的不确定度包括称量稳定性引人的不确定度u1（W），天平称量重复性引人的不确定度u2（W）和恒温恒湿平衡引人的不确定度u3（W）。采用一台型号为TAS-5.0 的采样器，采样流速8.0L/min，采样时间96h，测量数据 如表1 所示。

表1 采样前后滤膜质量

3.1.1 天平示值误差引人的不确定度u1（W）

0.01mg分度值天平的漂移为±0.05mg。故天平称量稳定性引人的不确定度为：

3.1.2 称量重复性引人的不确定度u2（W）

根据表1 中称量结果，sn-1，w1＝0.053mgmg，sn-1，w2＝0.056mgmg，则天平称量重复性引人的不确定度为：

3.1.3 恒温恒湿平衡引人的不确定度u3（W）

根据标准，空白滤膜平衡两次，质量差小于不超过0.4mg即可满足要求[5]，那么恒温恒湿平衡引人的不确定度为：

合成上述不确定分量，则滤膜重量引人的不确定度为：

3.2 空气体积测量引入的不确定度分量urel（V）

采样体积公式为：

式中，V为已换算成标准状态下的采样体积，m3；Q为采样器采气流量，m3/min；p1为环境大气压力，kPa；Tn为标准状态下的热力学温度，273K；T1为环境温度，K；pn为标准状态下的大气压力，101.325kPa；t为采样时间，min。

根据式（3），体积的不确定度分量包括流量示值不确定度分量urel（Q）、温度稳定性引人的不确定度分量urel（T）以及秒表计时引人的不确定度分量urel（t）。

3.2.1 流量测量不确定度分量

流量测量不确定度包括流量示值误差引人的不确定度urel1（Q）和流量视线目测读数引人的不确定度分量urel2（Q）。

PM2.5采样器技术要求中，小流量（≤30L/min）的最大允许误差为±2%，则流量示值误差引人的不确定度为：

将采样器流量调至8.0L/min，与采样仪校准装置相连，读出校准装置的流量示值，重复该步骤11次，读数分别为（L/min）：8.04，8.02，7.98，7.92，8.08，8.01，7.96，7.98，8.00，7.92，7.94。sn-1＝0.049L/minL/min，

视线目测读数引人的不确定度分量为：

流量测量不确定度分量为：

3.2.2 温度稳定性引人的不确定度分量urel（T）

采样时将采样器置于室外，本身无温度控制，室外温度为21～32℃，温度波动为±5.5℃，那么温度波动引起的不确定度分量为：

3.2.3 秒表计时引人的不确定度分量urel（t）

电子计时误差为±1%，则秒表计时引人的不确定度分量为：

合成上述不确定度分量，则体积的不确定度为：

3.3 合成标准不确定度

以该方法测量空气中PM2.5浓度的相对不确定度为：

3.4 扩展不确定度

某采样点空气中PM2.5测量的相对扩展不确定度为：取包含因子k＝2，Urel（c）＝2 ×7.18%≈14.4%。

4 结论

本实验室按照HJ618 环境空气PM10和PM2.5的测定，采用重量法测量了环境空气中PM2.5的浓度，并进行了不确定度评定。从分析结果来看，在PM2.5测定过程中，由于PM2.5浓度小，所采集样品质量也较小，滤膜称量准确性对PM2.5测量不确定度影响最大。此外，在采集过程中，采样器流量准确性对不确定度的影响也较大。因此，在称量过程中要注思称量准确性和天平稳定性。在滤膜处理过程中，要做到充分平衡。采样器要经常进行流量校准以保证流速的准确性。严格按照标准分析方法控制实验条件，尽量较小不确定性以保证实验数据的准确性和实用性。