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申请/专利权人：中国计量科学研究院

摘要：本发明实施例提供一种移动式细颗粒物在线校准系统，包括：车载移动平台、一套车载重量法标准装置、气溶胶发生器、环境控制子系统、电控系统及减振系统；所述车载移动平台用来放置车载重量法标准装置和气溶胶发生器；所述气溶胶发生器用于试验和监测数据积累；所述车载移动平台还用于放置自动监测仪器；通过车载移动平台将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪工作现场，通过车载重量法标准装置测量同等条件下大气中的细颗粒物的浓度，并与自动监测仪器所测度的大气中的细颗粒物的浓度进行比对，实现对自动监测仪的在线校准。

主权项：1.一种移动式细颗粒物在线校准系统，其特征在于，包括：车载移动平台、车载重量法标准装置、气溶胶发生器、空白滤膜存储架；当进行线校准时，将移动式细颗粒物在线校准系统移动到细颗粒物监测仪器工作现场，校准该细颗粒物自动监测仪器；其中，所述车载重量法标准装置用于校准细颗粒物自动监测仪器；所述细颗粒物自动监测仪器用于监测大气中的细颗粒物的浓度；所述空白滤膜存储架、所述车载重量法标准装置和所述气溶胶发生器设于所述车载移动平台内；所述细颗粒物自动监测仪器设于所述车载移动平台内；所述空白滤膜存储架具有存储位，所述存储位上存储空白滤膜；所述气溶胶发生器具有第一出气口和第二出气口；所述气溶胶发生器将同一环境空气样品通过第一出气口和第二出气口发射出去；所述车载重量法标准装置具有第一进气口；在线校准时，还包括设于第一进气口之后、与第一进气口预设距离的第一空白滤膜，所述第一空白滤膜自空白滤膜存储架获取；所述气溶胶发生器的第一出气口连接于所述车载重量法标准装置的第一进气口；所述细颗粒物自动监测仪器具有第二进气口；在线校准时，还包括设于第二进气口之后、与第二进气口预设距离的第二空白滤膜，所述第二空白滤膜取自空白滤膜存储架；所述细颗粒物自动监测仪器的第二出气口连接于所述细颗粒物自动监测仪器的第二进气口；通过车载重量法标准装置测量所接收的环境空气样品中的细颗粒物的浓度得到第一浓度值，自动监测仪器测量所接收的环境空气样品中的细颗粒物的浓度得到第二浓度值；将第二浓度值与第一浓度值进行比对，根据比对结果实现对自动监测仪器的在线校准，其中，车载重量法标准装置和细颗粒物监测仪器对气溶胶的采样测量时间相同；所述细颗粒物自动监测仪器包括第二进气口、第二采样位；在线校准时，所述第二采样位用于放置第二空白滤膜，所述第二空白滤膜采集来自第二出气口的环境空气样品；所述车载重量法标准装置包括自动采样模块、平衡模块、测量模块和机械手模块；在线校准时，所述机械手模块串连车载重量法标准装置的采样模块、平衡模块及测量模块；以及所述机械手模块串连细颗粒物自动监测仪器的第一采样位、平衡模块及测量模块；所述自动采样模块包括第一进气口、第一采样位；所述第一采样位用于放置第一空白滤膜；在线校准时，所述第一进气口通向第一空白滤膜，获取第一进气口的环境空气样品；所述平衡模块包括多个平衡位；在线校准时，所述平衡位用于对各空白滤膜或各平衡尘膜进行恒重；所述测量模块包括高精度天平，所述高精度天平具有测量位；所述机械手在线校准时，所高精度天平用于称重恒重前的各空白滤膜、恒重后的各空白滤膜；以及称重恒重前的各尘膜、恒重后的各尘膜；所述机械手模块包括机械手；所述机械手在动作移动时串连各采样位、平衡位及测量位；通过机械手在各采样位、平衡位、测量位之间实现相应空白膜及尘膜的顺次转移；所述机械手是圆柱坐标型机器人，所述圆柱坐标型机器人不具有X轴轨道，具有预设强度的Z轴，所述圆柱坐标型机器人的运行轨道为绕圆心转动的扇形运动和升降运动；所述的移动式细颗粒物在线校准系统，还包括自动平衡调节子系统，用于在路面不平时保持车辆正常平稳行驶，行驶终止时保持车载移动平台的平衡和稳定；所述的移动式细颗粒物在线校准系统，还包括恒重和称重单元，所述恒重和称重单元，具体用于：在通过所述气溶胶发生器将环境空气样品以气溶胶形式分两路以相同的恒定流量向外发射之前，对第一空白滤膜和第二空白滤膜分别进行称重；在得到第一尘膜后对第一尘膜称重得到第一尘膜的重量，将第一尘膜的重量与第一空白滤膜的重量之差作为附着在第一空白尘膜上的细颗粒物第一重量；在得到第二尘膜后对第二尘膜称重得到第二尘膜的重量，将第二尘膜的重量与第二空白滤膜的重量之差作为附着在第二空白尘膜上的细颗粒物第二重量；其中，对空白滤膜进行称重，具体包括：通过机械手将空白滤膜放入滤膜存储架的平衡位，对空白滤膜进行平衡达到第一预设时间段，此时达到空白滤膜的第一次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平对空白滤膜称重得到重量m1；将空白滤膜移回滤膜存储架的平衡位，将空白滤膜进行平衡达到第二预设时间段，此时达到空白滤膜的第二次恒重；通过机械手将空白滤膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平再次称量空白滤膜得到重量m2；其中，所述第二预设时间段小于所述第一预设时间段；计算空白滤膜的m1和m2的差值，判断空白滤膜的m1和m2的差值是否小于预设阈值，如果空白滤膜的m1和m2的差值不大于预设阈值，完成对该空白滤膜的称重，空白滤膜的重量为m1与m2的平均值；如果空白滤膜的m1和m2的差值大于预设阈值，则将重复将空白滤膜移回滤膜存储架的平衡位平衡预设时间后、自平衡位移入高精度天平位再次称重m3，直到m1与m3的差值不大于预设阈值，完成对该空白滤膜的称重，将m1与m3的平均值作为该空白滤膜的重量；对尘膜进行称重，具体包括：通过机械手将尘膜放入滤膜存储架的平衡位，对尘膜进行平衡达到第三预设时间段，此时达到尘膜的第一次恒重；通过机械手将尘膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平对尘膜称重得到重量M1；将尘膜移回滤膜存储架的平衡位，将尘膜进行平衡达到第四预设时间段，此时达到尘膜的第二次恒重；通过机械手将尘膜从平衡位移入高精度天平，通过高精度天平再次称量尘膜得到重量M2；其中，所述第四预设时间段小于所述第三预设时间段；计算尘膜的M1和M2的差值，判断尘膜的M1和M2的差值是否小于预设阈值，如果尘膜的M1和M2的差值不大于预设阈值，完成对该尘膜的称重，尘膜的重量M1与M2的平均值；如果尘膜的M1和M2的差值大于预设阈值，则将重复将尘膜移回滤膜存储架的平衡位平衡预设时间后、自平衡位移入高精度天平位再次称重M3，直到M1与M3的差值不大于预设阈值，完成对该尘膜的称重，将M1与M3的平均值作为该尘膜的重量；所述的移动式细颗粒物在线校准系统，还包括细颗粒物称重修正单元，所述细颗粒物称重修正单元具体用于：在对车载重量法标准装置所采用的第一空白滤膜、以及第一尘膜进行称重过程中，通过低精度估算空气密度达到对高精度天平所采集到的空气浮力进行修正校准，在根据修正校准的空气浮力获得空白滤膜或尘膜的重量；所述对高精度天平所采集到的空气浮力进行修正校准，在根据修正校准的空气浮力获得空白滤膜或尘膜的重量，具体包括：首先获得测量所在地的空气密度，且参与空气密度计算的温度计的精度、气压计的精度和湿度表的精度决定空气浮力修正的精度，通过算式1进行低精度估算空气密度，测量所在地天平校准的空气密度为： 其中：ρa表示天平校准的空气密度，单位为gcm3；P表示大气压，单位为mmHg；保留预设位数的有效数字；U表示％相对湿度，进位为整数；保留预设位数的有效数字；t表示温度，单位为℃；保留预设位数的有效数字；es为1.3146×109×e-5315.56t+273.15；然后根据天平校准的空气密度对天平称重进行修正，天平称重未知物体的质量Mx的浮力修正算式为： 其中：Mx表示修正后的重量，单位是μg；MR表示天平读数，单位是μg；ρa表示天平校准的空气密度，单位是gcm3；ρc表示用于校准天平的标准密度，单位是gcm3；ρx表示未知称重质量的密度，单位gcm3；还包括细颗粒物质的浓度含量计算单元，所述细颗粒物质的浓度含量计算单元，具体用于：针对细颗粒物质的浓度含量，采用算式3： 其中：ρ表示细颗粒物的浓度，单位是μgm3；w2表示第一尘膜的重量，单位是mg；w1表示该空白滤膜的重量，单位是mg；V表示环境空气样品的标准体积，0℃、1个标准大气压下进入到车载重量法标准装置的环境空气样品体积，单位是m3；环境空气样品的恒定流量Q、采样时间t、获得采样环境空气样品的标准体积V之间的关系式4所示： 其中：Q，单位是Lmin；t，单位是s；将算式4带入算式3得到该细颗粒物质的浓度计算式5所示： 其中：w1表示采样前空白滤膜的重量；w2表示采样后的第一滤膜的重量；所述的移动式细颗粒物在线校准系统，还包括不确定度计算单元，用于对车载重量法标准装置所截取的该细颗粒物质计算该细颗粒物质的浓度测量值不确定度；所述不确定度计算单元，具体用于：该细颗粒物质的浓度测量值不确定度的构成因素包括：高精密天平称量引入的不确定度uΔ、质量流量计采样流量Q引入的不确定度uQ、采样时间t引入的不确定度ut、浓度测量值的合成不确定度ucρ、浓度测量值的扩展不确定度U、浓度测量值的相对扩展不确定度Urel；将空白滤膜的重量通过w1表示，第一尘膜的重量通过w2表示，由于w1、w2采用同一天平进行称量，因此w1、w2存在相关性；根据该细颗粒物质的浓度算式5，利用不确定度传播律，结合该细颗粒物质的浓度测量值不确定度的构成因素，整理得到细颗粒浓度的不确定度合成算式7： 根据不确定度合成算式7，得到影响精度天平称量相关的不确定度的因素包括：采样前空白滤膜重量测得值w1引入的不确定度uw1、采样后第一尘膜的重量测得值w2引入的不确定度uw2以及输入量w1和w2的协方差估计uw1,w2；由于空白滤膜和采样后的尘膜称量采用的是同一高精度天平，设测量的高精度天平本身存在综合误差Δ，标准不确定度为uΔ，则存在：uw1＝uw2＝uΔ；根据采用同一高精度天平测量两质量w1,w2具有相关性，设w1＝FΔ＝A+Δ；其中，A是空白滤膜重量测得值w1的示值，视为常数；w2＝GΔ＝B+Δ；其中，B是测量w2的示值，视为常数；则输入量w1,w2的协方差估计值为： 所以算式7中，u2w1+u2w2+2uw1,w2＝u2Δ+u2Δ+2u2Δ＝4u2ΔuΔ为精密天平引入的不确定度；所述高精度天平称量相关的不确定度包括如下确定度：高精度天平测量最大允许误差引入的不确定度u1Δ、高精度天平测量重复性引入的不确定度u2Δ、高精度天平测量示值估读引入的不确定度u3Δ、浮力修正引入的不确定度u4Δ、温湿度影响引入的不确定度u5Δ；其中：对所述天平测量最大允许误差引入的不确定度u1Δ的计算，具体包括：根据高精度天平所允许的在0.001g-0.5g范围内的最大允许误差，按照均匀分布进行计算，最大允许误差引入的不确定度为： 对所述高精度天平测量重复性引入的不确定度u2Δ的计算，具体包括：以一张固定的空白滤膜，设定空白滤膜采样时间为0，循环重复空白滤膜平衡-空白滤膜称重-采样-空白滤膜平衡-空白滤膜称重6次，得出标准偏差s；计算天平测量重复性引入的不确定度u2Δ；对所述高精度天平测量示值估读引入的不确定度u3Δ的计算，具体包括：高精度天平采用百万分之一天平，最小分度值为0.001mg，估读误差为12分度值，按均匀分布，可靠性为25％： 当高精度天平测量示值估读引入的不确定度u3Δ小于高精度天平测量重复性引入的不确定度u2Δ时，在计算不确定度时将u3Δ忽略：u3Δ＝0所述空气浮力修正引入的不确定度u4Δ的计算，具体包括：当细颗粒物为PM2.5颗粒物，计算空气浮力修正引入的不确定度u4Δ，且空气浮力修正引入的不确定度小于测量精度要求，将空气浮力修正引入的不确定度u4Δ忽略：u4Δ＝0所述温湿度影响引入的不确定度u5Δ的计算，具体包括：在高精度天平进行称重前对其内部校准，校准到符合当前温读、湿度状况的短时间称量，以及在称重的过程中将高精度天平始终处于高精度天平称重的环境条件要求的恒温恒湿环境中，因此由温湿度引入的不确定度u5Δ比较小，将温湿度引入的不确定度忽略：u5Δ＝0根据高精度天平测量最大允许误差引入的不确定度u1Δ、高精度天平测量重复性引入的不确定度u2Δ、高精度天平测量示值估读引入的不确定度u3Δ、浮力修正引入的不确定度u4Δ、温湿度影响引入的不确定度u5Δ，计算由高精度天平引入的不确定度uΔ为： 对质量流量计采样流量Q引入的不确定度uQ的计算，具体包括：1流量计最大允许引入的不确定度u1Q按检定证书设置的流量最大值引入：u1Q＝流量最大值×0.45％2流量重复性引入的不确定度u2Q流量重复性引入的不确定度属于不确定度A类评定针对环境空气样品以恒定流量16.67Lmin的流速采样10次，10次流速的平均值为10次流速的均方差为s；计算流量重复性引入的不确定度u2Q： 3示值估读引入的不确定度u3Q示值估读引入的不确定度u3Q属于不确定度B类评定，根据质量流量计的最小分度值、估读误差为12分度值，按均匀分布，可靠性为25％： 将质量流量计采样流量Q引入的不确定度uQ为： 采样时间采用精确的同步标准时间，24h误差小于1s，采样时间t引入的不确定度ut不确定度忽略不计：ut＝0；对细颗粒浓度测量值的合成不确定度ucρ的计算，具体包括：根据w1,w2,Q,t各自均值，通过算式7计算浓度测量值的合成不确定度ucρ： 对细颗粒浓度测量值的扩展不确定度U的计算，具体包括：标准不确定度：u＝ucρ；若k＝2，则细颗粒物浓度测量值的扩展不确定度为:U＝ucρ×k对细颗粒浓度测量值的相对扩展不确定度Urel的计算，具体包括：相对标准不确定度为：ucρρ×100％浓度测量值的相对扩展不确定度Urel：

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