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民用建筑工程室内空气污染物采样体积偏差分析及解决方案

黄晓天 王喜元 魏香玉

（国家建筑工程室内环境检测中心）

 

    摘要：《民用建筑工程市内环境污染控制规范》（GB 50325-2001）2006年版对室内空气污染物采样提出了新的要求，为便于大家理解规范，正确掌握采样技术，本文运用不确定度理论对采样偏差进行分析并提出相应的解决方案。

   关键词：室内空气污染物采样不确定度解决方案

    《民用建筑工程市内环境污染控制规范》（GB 50325-2001）（以下简称《规范》）自发布实施来，对于控制室内环境污染起到了积极的作用，为此，全国大部分省市均建立了室内环境检测实验室，开展室内空气污染物检测业务，与此同时，如何提高检测结果的质量，减小测量不确定度就成为我们每一个检测实验室需要解决的问题。采集空气样品作为检测空气中污染物的重要环节，对检测结果有着很大的影响，《规范》2006年版也对采样提出了更多的要求，本文就室内空气污染物检测中的采样偏差进行分析，并提出相应的解决方案。

一、采样方法简介

    按照《规范》的要求，民用建筑工程需测定的室内空气化学污染物有四种，分别是甲醛、氨、苯和TOVC，目前普遍使用的空气样品采样方法为富集采样（又叫浓缩采样），即空气污染物在采样泵的作用下,通过富集介质时被吸收，带回实验室进行分析测量，采用的富集介质有吸收溶液和固体吸附剂两种，以下进行简单介绍：

    1、吸收溶液采样：使空气通过吸收液，在气泡上升过程中，被测组分与吸收液发生化学反应或溶于吸收液中。室内空气污染物检测中主要用这种方法采集空气中的甲醛和氨，采样流量0.5L/min，采样时间分别为20 min 和10 min。

    2、固体吸附剂采样：将吸附剂(0.1～0.3) g 装填在采样管( 内径3mm～ 6mm , 长度80mm～ 180mm) 内，样品通过采样管被吸附在吸附剂上，空气中的组分按吸附强弱在吸附管中依次排列，和层析原理类似。用溶液萃取或热解析后进行测量。室内空气污染物检测中主要用这种方法采集空气中的苯和TVOC，采样流量0.1~0.5L/min。

二、采样体积偏差分析

    对于室内空气污染物检测中采样体积的偏差，针对目前使用最为普遍的浮子流量计采样器，我们分两种情况运用不确定度理论进行分析，一种是采用吸收溶液采样，采样负载较小的情况，另一种是采用固体吸附剂采样，采样负载较大的情况，后一种情况往往会使浮子流量计的显示读数远远高于实际流量，造成很大偏差。

以下是对采样体积偏差的详细分析：

    一、采用吸收溶液采样，采集室内空气中甲醛和氨，在这种情况下，采样器整个气路中阻力较小，和采样器空载时的流量偏差基本相同。

首先我们看一下采样体积(换算成标准状态)的数学模型

V = Q ×××t

式中:V ———空气采样器采样体积，L；

Q———采样流量，L/min ；

p———采样时的大气压，Pa ；

T———采样式采样点的温度，℃；

t———采样时间，min。

由此可见，采样体积主要同采样流量、采样点的大气压和温度以及采样时间有关，以下分别进行分析：

    1、采样流量偏差

    采样流量偏差主要由浮子流量计刻度标定不准和测量重复性引起：

    ①采样器在出厂前，浮子流量计均进行了刻度标定，但仍然存在一定偏差，为减小这种偏差，一般在采样前使用皂膜流量计进行校正：

    以某厂生产的双气路大气采样器（采用浮子流量计显示流量）为例进行说明，分别将其流量在0.1~0.5L/ml范围内进行调整，用电子皂膜流量计进行校正，对比数据如下：

 

表1流量校正数据

序号

采样器

显示流量L1（L/min）

皂膜流量计

显示流量L2（ml/min）

偏差

（L1-L2）/L2

1

0.1

112

-10.7%

2

0.2

208

-3.8%

3

0.3

305

-1.6%

4

0.4

385

+3.9%

5

0.5

470

+6.0%

    由此可见，如不对流量进行校正，很容易就超过采样流量的最大允许误差（5%），按最大误差为5%，均匀分布考虑，计算流量计刻度标定不准引起的相对标准不确定度分量：

uQ1=0.05/=0.029=2.9%

    ②由于采样过程中气流不稳，造成浮子上下跳动，给检测人员准确读数造成困难，检测人员读数的视角不同还会进一步加大不确定度，这部分不确定度可用空气采样器流量重复性来定量，以下给出15次测量数值（重复性条件，仔细调节流量至0.5 L/min后，用电子皂膜流量计测量流量，然后关机，将流量调节阀关闭，下次调节重新开机，重新调节）：

表2重复性测量数据

序号

电子皂膜流量计测量流量（ml/min）

序号

电子皂膜流量计测量流量（ml/min）

序号

电子皂膜流量计测量流量（ml/min）

1

481.7

6

485.4

11

479.0

2

483.0

7

481.3

12

474.0

3

475.5

8

486.3

13

481.0

4

476.0

9

480.1

14

483.0

5

481.6

10

491.6

15

480.1

流量平均值（ml/min）

481.3

标准差s（ml/min）

4.45

 

    由于每次测量只调节一次流量，故重复性测量引起的相对标准不确定度等于相对标准差：

uQ2=s/=4.45/481.3=0.92%

    2、采样时的大气压引起的偏差

    主要由气压计示值引起，气压计示值允许误差为0.05%，按均匀分布考虑，计算其引起的相对标准不确定度：

up=0.0005/=0.000029=0.0029%

    3、采样时的气温

    主要由温度计示值引起，温度计示值允许误差为0.5 ℃,换算为绝对温度的相对误差为0.16%，按均匀分布考虑，计算其引起的相对标准不确定度：

uT=0.0016/=0.00092=0.092%

    4、采样时间

    主要由秒表示值引起，秒表示值允许误差为±0.02 % ,按均匀分布考虑，计算其引起的相对标准不确定度：

ut=0.0002/=0.00012=0.012%

 

    5、各类不确定度的合成及扩展不确定度计算

    各类不确定度数值集合成如下：

序号

不确定度来源

相对标准不确定度数值

相对标准不确定度

1

流量计标定

0.029

2.5%

2

测量重复性

0.0092

0.88%

3

采样时大气压

0.000029

0.015%

4

采样时气温

0.00092

0.098%

5

采样时间

0.00012

0.012%

采样体积

合成相对标准不确定度uv

0.0304

3.04%

采样体积

扩展相对不确定度（取k=2）

0.061

6.1%

 

    6、各不确定度来源对采样体积不确定度贡献分析

    将各不确定度分量绘制成条状图：

 

    由图中可直观看到，流量计的刻度标定不准和流量重复性是影响采样体积不确定度的决定性因素，所以，可得出以下结论：

    大气压、温度、计时引起的偏差较小，采样体积偏差主要由流量计刻度标定不准和重复性（人员读数偏差、浮子抖动等因素）引起。要减小采样体积偏差，必须注意以下几个方面：

    ①采样前必须采用皂膜流量计对采样器进行校正，减小由于浮子流量计刻度标定不准引起的不确定度，对于我们建筑工程室内环境检测来说，并不需要绘制流量校正曲线，主要应对0.5L/min的流量进行校正。

    ②减小人员读数偏差：检测人员在调节流量读数时，视线应和浮子中心保持在同一水平线上，浮子如有抖动，应尽量使其以刻度线为中心，上下抖动幅度相同。

    ③为消除不同人员读取流量习惯引起的偏差，应规定采样人员同校正流量人员为一人。

    ④如条件许可，应尽可能采用数字化的采样器或恒定流量采样器，可完全消除人员读数引起的偏差，并大大减小流量计标定引起的偏差。

    ⑤本次不确定度分析是基于仪器误差满足检测要求，人员操作正确的基础上，除以上几点外还应注意检查采样器是否漏气、防止连接错误导致溶液倒吸、采样流量多大导致采样溶液飞出采样管等因素。

    二、固体吸附剂采样，采集空气中苯和TVOC

    在这种情况下，不仅包含有第一种情况下的不确定度，还由于整个气路中阻力较大（尤其是采集TVOC时接入Tenax吸附管），导致采样器浮子流量计的读数远远大于实际流量，即产生显示流量“虚高”的现象。

    以下是某采样器（浮子流量计读数）接入5根不同的Tenax吸附管后浮子流量计同皂膜流量计的读数对比情况：

 

序号

采样器

显示流量L1（L/min）

皂膜流量计

显示流量L2（ml/min）

偏差

（L1-L2）/L2

1

0.5

436

14.7%

2

0.5

312

60.3%

3

0.5

405

23.5%

4

0.5

355

40.8%

5

0.5

362

38.1%

 

    由此可见，接入Tenax吸附管后流量偏差变化幅度很大，最大偏差可达60%，这种偏差对检测结果的影响极大，已经不能归纳为误差或不确定度，是不能够接受的，必须设法消除，为解决这一问题，主要途径有三个：

    1、通过各种措施改进采样器，提高采样泵的能力，数字化显示采样流量提高精度，消除流量显示“虚高”现象，目前国内已经开始使用这类采样器，这类采样器可在接入不同负载各种采样情况下显示准确流量，适应不同的Tenax吸附管，并且大大提高了采样精度，浮子流量计是以0.1L/min进行刻度的，而这类仪器可读取到1ml/min，我中心通过实验，其读数同皂膜流量计读数偏差均可保持在2%以内。

    2、采用恒定流量采样器，目前这类以其主要是进口采样泵，其特点是接入不同负载后可自动调节，保持原有流量，但该类采样泵一般不显示实时流量，需要配合皂膜流量计使用。经实验，在允许的阻力范围内，基本可保持误差在5%以内，但由于国内Tenax吸附管无统一标准，阻力相差较大，一些阻力较大的Tenax吸附管接入后，采样器就会过载，停止工作，使用该采样器应选定合适的采样管（进口采样管最佳），以保持采样泵正常运转。

    3、使用浮子流量计采样器进行采样时，应尽量降低采样流量，并配合皂膜流量计进行校正，由前面的分析可知，流量越大，浮子流量计显示流量“虚高”现象越严重，所以，采用Tenax吸附管采样时，为减少浮子流量计显示流量的偏差，流量一般应降至0.1~0.2L/ml，由于不同的吸附管造成的流量偏差情况也不尽相同，应采用皂膜流量计进行现场校正。采用这种方法可在不增加成本的情况下降低由于阻力引起的采样体积偏差，但由于流量降低，采样体积减小，必然会导致流量相对不确定度的增大，而且由于国产采样器在较低流量的情况下，相对误差往往较大，很少能保持在5%以内，此外，由于低流量情况下气流不稳定，浮子上下抖动幅度增加，加大了采样人员的调节及读数难度，进一步增大了采样偏差，要将采样体积偏差控制在允许范围内，非常困难。

    以下是我中心使用以上三种方法后的一些体会总结：

序号

采样方法

优点

不足之处

1

提高采样泵的能力，数字化显示采样流量

提高了采样精度，可适应不同阻力的Tenax采样管

需手动调节流量

2

采用恒定流量采样器

自动调整流量

1、不显示流量，需配合皂膜流量计

2、不能适应国内不同的Tenax吸附管

3、价格较贵

3

降低采样流量

不增加成本

1、现场校正体积，工作量过大

2、采样体积减小，代表性降低，不确定度增大

 

    综上所述，如不注意控制室内空气污染物检测中采样体积的偏差，将严重影响到检测结果的准确性，而且其影响程度远远超过实验室分析样品所造成的影响，所以，我们的检测人员绝对不能因为采样过程相对简单，技术含量不高而忽视它，因为检测结果的准确性是由不确定度分量最大的因素所主要决定的，采样过程对室内空气污染物检测结果所带来的不确定度贡献可以说是远大于其它因素，所以，要保障室内空气污染物检测的准确性和可靠程度，采取必要的措施，降低采样体积偏差，是极为重要的。

 

参考文献

（1）《民用建筑工程市内环境污染控制规范》（GB 50325-2001）2006年版

（2）《测量不确定度评定与表示》（JJF1059-1999）

 

联系人:黄晓天国家建筑工程室内环境检测中心郑州市丰乐路4号

电话0371-63837230(0)13603868390

邮箱hxttian@vip.sina.com
     
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