总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪测量结果不确定度分析.pdf

40BRAND&STANDARDIZATION品牌与标准化2023年第4期总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪测量结果不确定度分析刘子优，赵玉婷（1.河北省计量监督检测研究院，河北石家庄0 51 1 30；2.航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）【摘要】总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪是用于检测挥发性有机污染物的仪器。本文通过高精度动态配气装置获得甲烷标准气体，对总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪进行测量，并对该分析仪示值误差测量结果的不确定度进行评定。【关键词】总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪；高精度；动态配气装置；不确定度【D O I 编码】1 0.396 9/j.issn.1674-4977.2023.04.012Uncertainty Analysis of Measurement Results ofTotal Hydrocarbon,Methane and Non-Methane Total Hydrocarbon AnalyzersLIU Ziyou,ZHAO Yuting?(1.Institute of Metrology of Hebei Province,Shijiazhuang 051130,China;2.AVIC Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing 100095,China)Abstract:Total hydrocarbon,methane,and non methane total hydrocarbon analyzers are instruments used to detect VOCs.In thispaper,a high-precision dynamic gas dispensing device is used to obtain methane standard gas,measure total hydrocarbon,methane,andnon methane total hydrocarbon analyzers,and evaluate the uncertainty of the measurement results of the analyzers indication error.Key words:total hydrocarbon;methane and non-methane total hydrocarbon analyzers;high-precision;dynamic gas distribution device;uncertainty挥发性有机污染物（VOCs）一直是我国密切关注的污染物质，危害极大，不仅会经呼吸影响人体健康，还会通过化学反应影响气候变化，同时也是导致光化学烟雾的因素之一。总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪是用于检测VOCs的仪器。广泛应用于固定污染源烟气排放监测、环境空气监测、喷涂行业排放监测、汽车尾气排放监测和实验室检测分析等。其中便携式分析仪解决了运输上的不便，在保证仪器检测准确性的前提下缩短了检测时间、提高了检测效率，进一步扩大了VOCs的检测范围。近几年，随着GB37822一2 0 1 9挥发性有机物无组织排放控制标准的实施，总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪也相应增多。JJF（冀）1 8 8 2 0 2 1 总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪校准规范的颁布，使得便携式总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪的校准更加简便易行，解决了测量原理为火焰离子化(FID)法的便携仪器不能进行计量校准的难题。1概述1.1校准依据JJF（冀）1 8 8 一2 0 2 1 总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪校准规范。1.2测量方法确定总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪的使用量程，并对总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪进行预热稳定以及零点和量程的校准；依次通人浓度为使用量程2 0%、50%和8 0%的空气中甲烷气体标准物质，读数稳定后分别记录总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪示值；再通人零气等待总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪示值回零；重复上述步骤3次，取读数的算术平均值与空气中甲烷气体的标准值的相对误差作为示值误差。本文以仪器使用量程2 0 0 0 1 0 mol/mol为例，进行示值误差测量结果的不确定度评定。41刘子优等：总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪测量结果不确定度分析|计量检定2不确定度评定分析2.1数学模型X-XoAX=X。式中，AX为被校准分析仪示值误差，%；X为被校准分析仪示值算术平均值，mol/mol;X。为CH气体标准物质浓度值，mol/mol。(4X)其中，各分量灵敏系数为：C1=1 100%,a(X)Xa(4X)C2=,100%。(-Xo)X2.2标准不确定度的来源分析及评定2.2.1测量重复性引人的不确定度测量重复性对仪器测量结果的影响使用A类方法进行不确定度的分析评定。本实验选取一台满量程值为2 0 0 0 1 0mol/mol的总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪，用高精度动态配气装置，将浓度为50 0 0 1 0 mol/mol,不确定度为Ue=1%，k=2的空气中甲烷气体标准物质配比出40 0 1 0 mol/mol、1 0 0 0 x10mol/mol和1 6 0 0 1 0 mol/mol的甲烷标准气体，然后进行不确定度评定。在同一环境、相同实验条件下对分析仪进行连续6 次测量，得到数据如表1 所示表1仪器不同浓度点测量值标准气体浓度值/1 0 mol/mol序号400100016001402.31030.51595.82401.21037.11598.73402.51030.91601.44400.41028.31595.75402.91032.11599.36401.41032.41595.9Z(X:-X)根据贝塞尔公式：X=X，由Sn-1表1 的测量数据计算得到上述3个浓度点的算术平均值，以及单次实验标准偏差结果，如表2 所示表2测量列算术平均值及单次实验标准偏差计算结果标准气体浓度值/测量列平均值/单次实验标准偏差/10mol/mol10mol/mol10mol/mol400401.80.9410001031.92.9416001597.82.37将表2 中40 0 1 0 mol/mol、1 0 0 0 1 0 m o l/m o l 和1 6 0 0 10mol/mol三个浓度点单次实验标准偏差的测量列分别作为仪器测量重复性引人的不确定度，则：S（X)=0.94，S 2(X)=2.94,$3(X)=2.37。测量结果取3次测量值的算术平均值，由测量重复性引人的不确定度为:u(X)()=0.54,u:(X)=2()=1.70,V3V3ua(X)=:(X)=1.37，则测量重复性引人的不确定度为：V3u(X)=1.7 10-mol/mol。2.2.2高精度动态配气系统配比标准气体引人的不确定度在本试验中，校准用40 0 1 0 mol/mol、1 0 0 0 1 0 m o l/m o l和1 6 0 0 1 0 mol/mol的空气中甲烷气体标准物质是经过高精度动态配气装置稀释以后得到的本实验中所用的高精度动态配气装置由A、B两路质量流量控制器进行控制。在进行甲烷气体标准物质稀释时，假设A路和B路的控制流量分别为F和FB，稀释后的目标气体浓度值可按照下列公式计算：FAC=FA+FBxCs式中，C为配气装置配比后的标准气体浓度值，1 0 mol/mol;Cs为配比前原标准气体的浓度值，1 0 mol/mol;F为流量控制器A的流量显示值,L/min;FB为流量控制器B的流量显示值,L/minoFA令X：则上式可变为C=XCs,则：FA+FBu(C)=(C)Pu(Cs)(C)Pu(X)a(Cs)a(X)所以可得出结论：配气装置配比出的标准气体量值的不确定度，由稀释前气体标准物质的不确定度和配气装置在配气过程中所引入的不确定度两部分组成。2.2.2.1稀释前的气体标准物质所引人的不确定度分量中国计量科学研究院购买的空气中甲烷气体标准物质，相对扩展不确定度为Urer=1%,k=2,则：1%5000u(Cs)=25 10-mol/mol22.2.2.2配气装置引人不确定度分量FA由X=可得：FA+FB1FAFAu?(X)=Pu?(FA)+Pu?(Fe)FA+FB(FA+FB)(FA+FB)已知空气中甲烷气体标准物质标称值为50 0 0 1 0 mol/42（编辑：李加鹏）BRAND&STANDARDIZATION品牌与标准化2023年第4期1mol,目标气体浓度值为1 0 0 0 1 0 mol/mol,计算得X=取5A路质量流量控制器控制流量为FA=0.4L/min，则FB=1.6L/min。此时配气装置输出的总流量为2.0 L/min。2.2.2.2.1流量控制器A配气时所引人的不确定度1)A路测量重复性所引人的不确定度使用高精度电子皂膜流量计对A路流量进行1 0 次连续测量，得到的数据为：0.40 8、0.41 0、0.40 9、0.40 9、0.41 1、0.41 2、0.409.0.407、0.40 8.0.41 1 L/m in,则Z(X:-X)ui(FA)=s(X)=0.0016 L/minn-12）流量控制器A的示值误差所引人的不确定度流量控制器A的最大允许误差为0.5%，按均匀分布计算得：0.40.5%u2(FA)=0.0012 L/minV3综合ui(FA)和u2(FA)的结果有：u(FA)=Vui(FA)+u2(FA)=0.002 L/min2.2.2.2.2流量控制器B配气时所引人的不确定度1)B路测量重复性引人的不确定度使用高精度电子皂膜流量计对B路流量进行1 0 次连续测量，得到的数据为：1.6 1 3、1.6 0 8、1.6 1 1、1.6 1 2、1.6 1 5、1.6 0 9、1.613、1.6 0 7、1.6 1 0、1.6 0 9L/mi n,则:Z(X-X)ui(FB)=s(X)=0.0025 L/minn-12）流量控制器B的示值误差引人的不确定度流量控制器B的最大允许误差为0.5%，按均匀分布计算得：u:(F.)=1.6 0.5%=0.0047 L/minV3综合ui(FB)和u2(FB)的结果得：u(FB)=Vui(Fs)+u2(Fs)=0.0053 L/min则：1FAu(X)=Pu?(FA)+FA+FB(FA+FB)FA1Pu(FB)2=0.10%(FA+FB因此配气系统配比标准气体所引人的不确定度为：u(C)=Pu(Cs)+Pu(X)=/u(Cs)+u(X)=7.07%2.2.3配气后标准气体不确定度在不引人高精度动态配气装置，空气中甲烷标准气体由500010mol/mol稀释至1 0 0 0 1 0 mol/mol时的不确定度为：1%1000u(Csi)=5.0%2引人高精度动态配气装置后目标气体的不确定度为：u(C)=Vu(C)+u(Csi)=8.66%2.3不确定度评定结果2.3.1标准不确定度分量汇总测量重复性引人的不确定度为：u（X）=1.7 1 0-m o l/mol,引人高精度动态配气装置后目标气体的不确定度为：u(C新)=8.6 6%2.3.2合成标准不确定度构成标准不确定度的两个分量是X与C新，二者彼此独立不相关，因此合成不确定度为：u.(AX)t(X)+()1(Cm)=0.91%XX2.3.3扩展不确定度的评定取包含因子k=2,则扩展不确定度为：Urel=k u.(X)=2 0.91%=1.9%3结束语本文以使用高精度动态配气装置获得甲烷标准气体的方式，对总烃、甲烷和非甲烷总烃分析仪示值误差测量结果进行不确定度评定，分析仪示值误差测量结果扩展不确定度为Urel=1.9%,k=2。品【参考文献】1测量不确定度评定与表示：JJF1059.12012S.2总烃、甲烷非甲烷总烃分析仪校准规范：JJF（冀）1 8 82021S.3 空气质量自动监测系统校准规范：JJF（冀）1 1 92 0 1 5 S.【作者简介】刘子优，男，1 991 年出生，一级注册计量师，工程师，研究方向为水环境及大气环境测量仪器的计量检定。