新锡德尔带您了解-空气净化器检测用环境试验舱混合度测量不确定度分析

空气净化器检测用环境试验舱混合度测量不确定度分析

近年来, 雾霾天气的加重, 引发了人们对于空气质量的关注, 同时让人们意识到室内空气质量的重要性。随着人们对室内空气质量的重视, 空气净化器的研究以及销售市场得到迅猛发展, 对其性能的检测工作显得尤为重要。根据《GB/T 18801-2015空气净化器》的测试要求, 空气净化器净化性能的评价主要通过测定空气净化器的洁净空气量以及相关性能来完成, 而环境试验舱即为空气净化器性能检测的最主要专用设备, 在产品研发过程以及质量检测过程中必不可少。

1 试验舱混合度测量试验

试验舱混合度σmix的测试, 目前主要是参照国内标准《GB/T18801-2015空气净化器》以及国外标准《ASTM D6670-01 Standard Practice for Full-Scale Chamber Determination of Volatile Organic Emissions from Indoor Materials/Products1》, 两个标准所用示踪气体分为六氟化硫 (SF6) 和二氧化碳 (CO2) 两种, 本次测试使用二氧化碳 (CO2) 作为示踪气体。

1.1 测量方法

用二氧化碳气体作为示踪气体, 在试验舱预先设置好的送风道中注入稳定浓度的二氧化碳气体, 再排风道连续监测二氧化碳气体的浓度, 根据实测值与理论值之间的比较来计算试验舱的混合度σmix。

1.2 测量步骤

(1) 试验舱需设置好下送上回 (或上送下回) 的送风道和排风道, 送风道与排风道的风量保持一致, 风量为15m3/h。

(2) 准备好试验用示踪二氧化碳气体, 关闭试验舱舱门。

(3) 开启试验舱内循环风机, 并将准备好的二氧化碳气体注入送风道, 并使送风道中二氧化碳气体浓度稳定为某一固定值, 推荐浓度为4.0g/m3。

(4) 在排风道中连续监测二氧化碳气体浓度, 完全混合情况下, 二氧化碳气体浓度理论值值方程用式 (1) 表示:

式中, c (t) :混合后排风道中二氧化碳气体浓度, g/m3;c0:送风道中二氧化碳气体浓度, g/m3;t:时间, min;N:换气次数, 为0.5h-1。

(5) 通过公式计算试验舱混合度σmix, 计算公式如式 (2) :

式中, σmix:混合度;tn:试验舱一次换气所需要的时间 (60/N) , 为120 min;cm (t) :排风道中监测的二氧化碳气体浓度, g/m3;c (t) :完全混合情况下排风道中二氧化碳气体浓度理论值[c (t) =c0 (1-e-Nt) ], g/m3;c0:送风道中二氧化碳气体浓度, g/m3;N:换气次数, 为0.5 h-1;t:时间, min。

(6) 确定试验过程中送风道中二氧化碳气体浓度值, 计算出对应时间t时刻排风道中二氧化碳气体浓度值c (t) , 根据排风道中二氧化碳气体浓度实际监测值做cm (t) 和t的线性拟合, 再以拟合曲线通过式 (2) 中计算方法, 得出试验舱混合度σmix。

1.3 测量结果

二氧化碳气体浓度测量结果如表1所示。

图1 二氧化碳浓度散点图 下载原图

表1 二氧化碳气体浓度测量结果 下载原表

2 试验舱混合度σmix测量不确定度分析

2.1 测量模型

公式计算试验舱, 计算公式如式 (3) :

式中, σmix:混合度;tn:试验舱一次换气所需要的时间 (60/N) , 为120 min;cm (t) :排风道中监测的二氧化碳气体浓度, g/m3;c (t) :完全混合情况下排风道中二氧化碳气体浓度理论值[c (t) =c0 (1-e-Nt) ], g/m3;c0:送风道中二氧化碳气体浓度, g/m3;N:换气次数, 为0.5 h-1;t:时间, min。

由测量模型可知, 混合度的测量不确定度由以下四个部分组成:

(a) 二氧化碳测试仪浓度测量引入的标准不确定度;

(b) 采样时间引入的标准不确定度;

(c) 二氧化碳浓度曲线线性拟合引入的标准不确定度;

(d) 重复性实验引入的标准不确定度。

2.3 标准不确定度分量分析

(1) 二氧化碳测试仪浓度测量引入的标准不确定度分量urel (ct) 二氧化碳测试仪的最大允许误差为±1.5%, 按均匀分布,

(2) 采样时间引入的标准不确定度分量urel (t) 计时器的最大允许误差为±0.5%, 按均匀分布,

(3) 二氧化碳浓度曲线线性拟合引入的标准不确定度分量urel (y)

(1) 多项式线性拟合说明

根据给定数据点pi (xi, yi) (i=0, 1, 2, 3…, m) , 求得偏差最小的近似曲线y=φ (x) , 近似曲线在点pi处的偏差为δi=φ (xi) -y, i=1, 2, ..., m。

假设拟合多项式为y (n) =a0+a1x+…+akxk (k=0, 1, …, n) , 使得:

显然

a0, a1, …, an为多元函数, 因此即为求解I=I (a0, a1, …, an) 的极值。

根据多元函数求极值的必要条件, 可得:

即

式 (9) 式关于a0, a1, …, an的线性方程组, 可表示为矩阵:

此矩阵是一个对称正定矩阵, 所以存在唯一解。可以根据式 (10) 解出ak (k=0, 1, …, n) , 从而确定多项式为:

显而易见, 式 (11) 中的f (x) 满足式 (6) , 所以可以认为y (t) 就是所求的拟合多项式。

(2) 多项式拟合结果计算

二氧化碳浓度随时间的变化的混合度拟合结果如表2所示。

根据表2可得, 一次多项式系数a1=0.0227, a0=0.2390, 所以

可得二次多项式系数a2=-0.0001, a1=0.0339, a0=0.0331, 所以

可得三次多项式系数a3=4.3998×10-7, a2=-1.7280×10-4, a1=3.7555×10-2, a0=4.0385×10-3, 所以

可得四次多项式系数a4=-1.2426×10-9, a3=7.3821×10-7, a2=-1.9526×10-4, a1=3.8102×10-2, a0=1.9295×10-3, 所以

可得五次多项式系数a5=-9.4268×10-12, a4=1.5854×10-9, a3=4.4126×10-7, a2=-1.8253×10-4, a1=3.7913×10-2, a0=2.2851×10-3, 所以

可得六次多项式系数a6=-1.8490×10-12, a5=6.5621×10-10, a4=-8.8258×10-8, a3=6.0286×10-6, a2=-3.3903×10-4, a1=3.9469×10-2, a0=9.5380×10-4, 所以

同理可得七次、八次、九次多项式拟合曲线分别为:

多项式拟合的均方差为

根据式 (12) 可得

(3) 多项式拟合引入的标准不确定度urel (y) :

(4) 重复性实验引入的标准不确定度分量urel (A)

对试验舱混合度进行6次重复测试, 测试结果见表3, 根据测试结果计算重复性测试的不确定度。

表3 混合度重复测试结果 下载原表

根据表3的数据, 可以计算出混合度重复性测试的试验标准偏差:

表2 二氧化碳浓度随时间的变化的混合度拟合结果 下载原表

测量重复性引入的标准不确定度为:

2.4 合成标准不确定度的计算

合成标准不确定度urel (K) :

2.5 扩展不确定度的确定

当置信区间为95%, 包含因子k=2, 则扩展不确定度urel为:

3 结语

通过试验舱混合度测量不确定度分析, 能够将空气净化器性能测试过程中各种影响因素的影响减低到最小范围, 为检测结果准确性提供较大的保障。

定期对试验舱的性能进行检验, 是实验室保证测量结果准确性的重要手段。测量不确定度评定与分析, 体现了实验室对实验结果的重视以及负责任的科学精神。