1、 1 2018 年 省科 技进步奖 项目 公示 一、项目基本情况 行业评审组： 编号： 奖励类别： 推荐等级： 二等奖 项目名称 粉尘浓度测量仪校准装置 主要完成人 朱永宏，樊玮，闫继伟，师恩洁，陈传岭，路兴杰，赵娜，张柯，段云，陈睿锋， 周文辉，周彩霞 主要完成单位 河南省计量科学研究院 推荐单位 河南省质量技术监督局 科技成果登记号 9412016Y1320 学科分类 名 称 1 计量学 代码 41055 2 代码 所属国民经济行业 科学研究、技术服务和地质勘查业 代码 3591 任务来源 B-部委计划 具体计划、基金的名称和编号： 质检总局科技计划项目、 项目名称：粉尘浓度测量仪校准装置
2、的研究； 项目 编号： 2012QK126 已呈交的科技报告编号： 授权发明专利（项） 1 授权的其他知识产权（项） 9 项目起止时间 起始： 2012 年 5 月 8 日 完成： 2016 年 6 月 16 日 2 二、项目简介 （限 1200 字） 1.任务背景和来源 在大气中粉尘的存在是保持地球 温度 的主要原因之一，但是过多或过少的粉尘都会造成灾难性的影响。近年来，我国各地粉尘爆炸事故频频发生，在如此沉痛的粉尘爆炸事故面前，国家环保部和煤矿安全监察局非常重视，相继出台了一系列相关政策和技术标准，旨在严控生活环境和生产场所的粉尘浓度。 目前粉尘浓度测量仪（即直读式测尘仪 、激光粉尘测量仪
3、、微电脑粉尘仪等 ）可实时显示粉尘浓度，克服了原有粉尘采样器在现场采样后要到实验室称重来计算浓度的不足，有利于现场人员实时监测控制粉尘浓度，但同时 面临计量技术机构无法为这些仪器的 量值溯源 提供技术支撑的现状，制约了该仪器的推广应用。为解决上述问题 ， 本项目于 2012 年正式立项，属于国家质检总局科研项目。项目名称： 粉尘浓度测量仪校准装置的研究 ；项目编号： 2012QK126。第一完成单位为河南省计量科学研究院。 2. 研究内容 本项目旨在建立起一整套颗粒物浓度测量仪校准装置，研制完成的粉尘浓度测量仪校准装置，可为其他计量技术机构建立同类装置提供 “模板 ”，能够实现对光散射式粉尘浓
4、度测量仪、光电式粉尘浓度测量仪等多种原理的粉尘浓度测量仪的检定、校准及各种科研工作 ，从而推动颗粒物浓度测量行业的发展。在粉尘浓度测量仪校准装置的研制过程中，通过选用符合要求的标准粒子，有效降低了传统方法中粒子分散性、均匀性等多种因素对粉尘浓度值的影响，同时提高了进入混匀箱体内的粉尘的均匀性和稳定性；通过在混匀箱内同一高度，同一气流方向、同一直径方向安装等速采样头，保证了各个采样头之间浓度的均匀性；采用可变速的计量钢圈，通过调节送料钢圈的速度来实现输出气溶胶浓度的大范围调节，从而实现发生粉尘浓度的连续可调 ， 保证粉尘颗粒在混匀箱内部得到充分的混匀。 3. 项目成果 已发表论文 8 篇，已授权
5、专利 9 项，已制定国家标准 1 项，地方标准 规范 4 项。 4. 经济效益和社会效益 通过 本项目 解决了粉尘浓度测量仪校准装置存在的发生粉尘气溶胶的均匀性低、稳定性不高，从而导致的准确度不高等问题。 本 标准装置 可广泛应用于各级计量检测机构、科研院所和粉尘浓度仪器设备生产企业，用于粉尘浓度测试仪器设备的量值溯源、质量检测和相关科学研究， 将 我国粉尘浓度测量 工作 提高到了一个新水平， 具有较 高 的经济效益和 较好的 社会效益。 3 三、主要科技创新 1.主要科技创新 （限 5 页 ，但不少于 3500 字 ） 测定粉尘浓度的仪器种类较多，目前主要分为粉尘 采样器和直读式测尘仪两大类
6、，由于直读式测尘仪受其测量准确度、工作机理等多方面因素限制，未能得到推广应用，各行业普遍采用粉尘采样器，粉尘采样器测量准确度较高，但也存在影响量多、采样时间长等缺点。近几年，随着粉尘浓度测量技术的发展，各相关生产企业逐步规范化，有相当一部分企业配备了直接显示读数的光散射式数字粉尘测试仪。 这就要求计量技术机构为这些光散射式数字粉尘测试仪的校准提供技术支撑，以保证这些仪器测量数据的准确可靠，而目前该项工作尚属空白状态。粉尘浓度测量的准确性难以保证，将直接影响企业的生产安全和人们的身体 健康，因此，建立粉尘测试仪校准装置已刻不容缓。为了更好为环境监测服务，特别是在保护人类的健康和生命安全、减少矿难
7、和我省职业病人数方面有着重大意义，同时，为下一步规范各生产企业的细微颗粒物测量仪器方面给予指导，从而促进颗粒物测量仪器市场的蓬勃发展。 本项目于2012 年立项，属于国家质检总局科技计划项目，项目名称： 粉尘浓度测量仪校准装置的研究。项目编号： 2012QK126。第一完成单位为河南省计量科学研究院。 （附件 2-2， 10-9） 针对存在的问题和市场需求， 经过认真调研， 根据研制计划，我们设计建立 了 颗粒物浓度测 量仪校准装置。该装置基于颗粒物再悬浮的原理，通过对比滤膜称重法测得的粉尘浓度、被校粉尘仪测得的粉尘浓度进行校准，最终实现粉尘仪的校准可溯源至质量。（ 附件 1-2， 1-3，
8、7-7， 7-9） 所 研制 的 颗粒物浓度测量仪校准装置， 可以 实现以下功能： （ 1）粉尘发生器可发生出在（ 0.1 150） m 粒径范围内的标准粉尘，如 ISO 粉尘、SAE 粉尘、 PSL 标准粒子等； （ 2）粉尘发生器部分为被校粉尘仪提供测量范围内的粉尘浓度； （ 3）实现粉尘在（ 0.1 500） mg/m3 浓度范围内的连续可调； （ 4）可产生洁净压缩空气 。 达到的主要技术指标如下： （ 1）发生粉尘浓度范围：（ 0.1 500） mg/m3； （ 2）粉尘浓度稳定性：实验标准偏差均应小于 5%； （ 3）粉尘浓度均匀性：实验标准偏差均应小于 5%。 解决了粉尘浓度测量
9、仪校准装置存在的发生粉尘气溶胶的均匀性低、稳定性差，从而导致的准确度不高等问题。校准装置经中国计量科学研究院测试，计量性 4 能指标优秀，全面实现了设计目标。 改进了我 国 粉尘浓度测量仪校准工作的技术水平，填补目前粉尘浓度测量仪校准装置的空白，项目组致力于研制一套功能完善、操作简便、稳定性好的标准装置，从而实现对粉 尘浓度测量仪的量值传递。 本项目创新点所属的学科分类名称为：计量学。 在粉尘浓度测量仪校准装置的研制过程中，主要有以下关键 科技创新点 ， 支持其成立的材料有：发明专利： 数字粉尘仪的标 定系统及其标定方法 ；国家规程： JJG1003-2016 流量积算仪检定规程 ；论文： 粉
10、尘浓度测量仪校准装置的研制， pH 响应型空心微球在 CSTR 中的振荡行为，颗粒物测量仪校准方法及校准装置的研究， A new calibration device of particulate matter mass concentration monitor， Earth and Environmental Science 检定规程修订的讨论与检定软件（系统）的开发、烟气排放连续监测系统 (CEMS)采样技术及PM2.5 监测问题的研究 以及 烟气排放连续监测系统 (CEMS)采样技术及 PM2.5 监测问题的研究 等 8 篇 。 (1) 独特的 粉尘气溶胶发生系统 （附件 1-2， 1
11、0-1， 10-2， 7-1） 为实现向扩散器持续供应粉尘颗粒，使用传动钢圈将粉 末定量输送至扩散器。经过大量实验及数据分析，设计采用特制的送料钢圈宽度，即使在低供 料率的情况下仍然可以持续稳定地输送粉末。钢圈按上部送料宽度不同分为三个规格： 0.3mm、0.6mm、 1.0mm，不同的质量浓度可以选择不同规格的钢圈 ， 送料钢圈的速度可调，通过调节送料钢圈的速度，便可大范围调节输出气溶胶的浓度。当粉末从喷嘴中输出时，在喷嘴口形成的剪切力将团聚的粉末微粒分散开，从而形成气溶胶颗粒。采用一个专用的刮料装置，以保证带齿间的填料均衡，从而将储槽中的粉末多少对气溶胶质量流量的影响降到最小。 (2) 先
12、进的 等速采样头 （附件 2-3， 7-8， 7-10， 10-2） 与传统的箱式粉尘校准装置相比 ，首创性地在混匀箱内同一高度，同一气流方向、同一直径方向安装等速采样头，这样可保证不同采样头之间的浓度均匀性。 系统配置了双气路采样装置，包括一个真空采样泵，两个质量流量计，用于滤膜采样或者无动力源的粉尘仪采样，采样流量通过质量流量计来调节并控制。气体质量流量计：流量测量范围： 0 30L/min，准确度： 1% ， 标定气体：空气 ， 数据输出： RS232。 (3) 高效的 洁净空气源系统 （附件 7-3， 7-4， 10-1， 10-3） 传统箱式粉尘发生装置采用的未经洁净处理的压缩空气源
13、，对发生粉尘的单分散性 5 和均匀性 都有较大影响，本项目中，首次采用了洁净的压缩空气源系统，使用空气压缩机、冷干机和三级过滤器，将洁净压缩空气储存在缓冲罐内并配有稳压装置，保证了压缩空气洁净、干燥、压力稳定、可调，有效地保证了发生粉尘的单分散性和均匀性。 (4) 适用的 可变速计量钢圈 （附件 1-2， 7-1， 7-3） 为实现发生粉尘浓度的连续可调，采用可变速的计量钢圈， 通过调节送料钢圈的速度，便可大范围调节输出气溶胶的浓度， 即使是低流量时仍可达到高浓度，有利于低流量状态下的粉尘研究。 (5) 新型的 刮料装置 （附件 1-2， 7-1， 10-1） 采用 一个专用的刮料装置，以保证
14、带齿间的填料均衡，从而将储槽中的粉末多少对气溶胶质量流量的影响降到最小。 （ 6） 新型的粉尘混匀箱 （附件 10-1， 10-3， 10-5） 采用不锈钢材质，经过防静电处理 。 根据颗粒物的布朗运动轨迹，对进入混匀箱内的气体流场进行分析，根据分析结果，在混匀箱体的底部设计四个采样口， 四个采样口在一个同心圆上，并且每个采样口均深入到箱体 1/4位置，以保证每个采样口达到等速采样。经过流体分析计算，设计出的粉尘混匀场所，即两端带弧形封顶的圆形筒，总体积为 120L，直径 35cm，高度 130cm。设有一个内径 6mm 气溶胶入口；一个稀释空气入口 (外管内径 6mm，内管内径 35mm)；
15、内径为 10mm的等速采样口共四个；一个内径10mm 过剩空气排出口；一个内径 100mm 观察视窗。选用材料为 304 不锈钢板；由于不锈钢的表面粗糙程度与颗粒物在箱体内悬浮的运动轨迹密切相关，因此，采用内壁面均经过特殊刨光处理，表面粗糙度小于 2.5m，以防止静电及颗粒吸附；设计气流无死角，最长空气滞留时间 21s；保证粉尘颗粒在混匀箱内部得到充足的混匀。内部流场湍流剧烈、平均湍流强度达到 90以上，分析结果表明混合箱采 样口位置浓度均匀性，确保了不同仪器采集的粉尘浓度及粒径分布偏差不超过 5。 两端带弧形封顶的圆形筒，采用内壁面均经过特殊刨光处理，表面粗糙度小于 2.5m，以防止静电及颗
16、粒吸附；设计气流无死角，最长空气滞留时间 21s；保证粉尘颗粒在混匀箱内部得到充分的混匀。 (7) 新型的除尘装置 （附件 10-1， 10-3， 10-5， 10-7） 系统采用负压模式，在混匀箱底部外接真空吸尘器抽取多余的气体及粉尘，确保混匀箱内部流场均匀，并在真空吸尘器前端设计一个三通球阀来调节箱体内压力。 混匀箱底部外接真空吸尘器抽取多余的气体 及粉尘，确保混匀箱内部流场均匀，有利于环境保护及检定人员身体健康。 (8) 标准物质的优选 （附件 7-2， 7-4， 10-6， 10-7， 10-8） 6 通过选用符合要求的 特殊 标准粒子，有效降低了传统方法中粉尘颗粒大小、粒子分散性、均
17、匀性等多种因素对粉尘浓度值的影响，同时提高了进入混匀箱体内的粉尘的均匀性和稳定性 。 通过以上技术解决了粉尘浓度测量仪校准装置存在的发生粉尘气溶胶的均匀性低、稳定性差，从而导致的准确度不高等问题。校准装置经中国计量科学研究院测试，计量性能指标优秀，全面实现了设计目标。粉尘浓度测量仪校准装置 主要应用于以粉尘浓度为技术指标的直读式粉尘浓度测量仪的校准，可广泛应用于基于光散射法、光吸收法、摩擦电法等原理的粉尘浓度测量仪校准。粉尘浓度测量仪的量值准确与否直接影响到煤矿、粉尘生产车间生产与人员的安全。 本项目制定了粉尘浓度测量仪的校准方法，使得对此类设备的检校有了统一的技术规范， 为下一步建立整套的颗
18、粒物浓度测量仪校准装置提供了技术基础，为各级环境监测、科研、校准机构建立计量标准提供了技术手段，保证了计量检测科学准确 （附件1-2,7-310-2）。 该装置具有较好的均匀性和稳定性，本项目的完成可实现粉尘 浓度测量仪的检定、校准及各种科研工作；同时在此装置的基础上进行改进，加装标准采样头等，进而进行PM10、 PM2.5、 PM1 的校准工作及研究。 本装置具有可塑性，为呼吸性粉尘仪 PM10、 PM2.5测尘仪的校准提供了技术上的支持，今后还将开展一系列研究工作，如 PM10、 PM2.5 检定、相关切割头的切割效率以及切割效率量值溯源等。研制的校准设备可广泛应用环保检测、环保设备计量、
19、校准、研发；对环境空气中呼吸性粉尘的控制有积极的作用。同时，为各生产企业特别是环保设备生产企业开发新产品、技术改造提供有力的技术保证，形成 完善的产业链，促进环保设备的批量投产和企业的进一步发展 （附件 7-3， 10-1，10-2， 10-3） 。 在 粉尘浓度 测量仪校准装置的研制过程中 ， 通过对气流流量的控制 ， 积累了大量的实验经验和数据 ， 为国家计量检定 规 程 JJG1033-2004流量积算仪的修订提供了数据依据，扩展了流量积算仪国家检定规程的应用范围。正式发布的 JJG1033-2016流量积算仪优化控制功能的检测方法，为计量标准装置中使用的流量积算的计量检定和校准提供了技
20、术依据。 （附件 7-5， 7-6， 7-8） 粉尘浓度 测量仪校准装置在同类研究中 技术领先，处于领先地位。 经中国计量科学研究院测试，计量性能指标优秀，全面实现了设计目标。 粉尘浓度测量仪校准装置可广泛应用于各级计量部门、检测中心，具有广泛的市场需求。项目的研究成果及技术可以 7 通过河南省计量工程技术研究中心转化为产品，预计将取得良好的经济 效益和 社会效益（附件 4-1， 4-2， 4-3， , 4-4， 4-5） 。 2.科技局限性（限 1 页 ） （ 1） 由于 粉尘 发生器 对超低浓度粉尘产生的限制 及标准粉尘的局限性 ，导致 低浓度特别是 0.1 mg/m3 以下 的 粉尘 浓
21、度值 的 校准受到限制。今后还会对粉尘发生器进行优化，力求 在低浓度发生方面有所突破，扩大校准范围。现 已 申请并获批立项 河南省科技攻关项目 PM10/PM2.5 监测仪校准系统的构建及新型标准粉尘的研制 （ 172102210313，2017.01-2018.12）；今后将从粉尘加工、粒径测试、稳定性等方面方面着手，研制不同浓度下的标准粉尘、 可根据不同的浓度范围选取不同规格型号的标准粉尘。 实现低浓度PM2.5 测量仪准确校准。 （ 2） 由于经费原因未 采用 滤膜自动称重系统，造成校准过程中人员误差的引入。在本项目的基础上决定增加滤膜自动称重，在恒温恒湿环境下使用机械手臂实现滤膜自 动
22、称重，质量数据传入中央控制处理器。该系统已列入 省质量技术监督局局科技计划项目粉尘浓度测量仪检定装置自动称重技术研究（ 2016zj26， 2015.11-2016.12）。增加自动称重后将消除人员、环境对检测结果的影响，提高装置的均匀性和稳定性。 （ 3） 采样器装置及结果处理智能化程度不高，远程控制能力差。今后将对采样装置进行优化，使采集的流量数据信号直接传入 中央控制处理器，利用流量积算仪中精准的算法实现流量、时间、质量的有效快速计算及修正，提高测量结果的准确度。 （ 4） 由于 前期 软件设计的局限性，校准操作自 动化程度不高 。下一步 将改进软件设计，实现人机对话、智能检测、数据处理
23、一次完成，这一改进也有利于低能校准，解决低浓度校准时间长、对人员检测技术和环境因素要求高等问题，并可实现 WIFI 及蓝牙环境下的远程检测。 （ 5） 为了提高测量结果的准确度，该项目的校准装置体积比较大，便携性差，对在线检测的仪器无法满足校准。今后将对零部件进行优化，是装置能满足在线自动测量仪器的校准需要，更好的为环境监测服务。 总之，该项目的局限性也促进了我们的创新积极性，因为该项目具有可塑性，在该装置的基础上我们又进行 PM10/PM2.5 监测 仪校准方法的研究，并取得了显著成绩。 8 四、 第三方评价 （限 2 页） 1、 河南省 质量技术监督局 科学技术委员会组织专家 验收 鉴定会
24、意见 河南省 质量技术监督局科学技术委员会组织专家对项目进行了验收 鉴定，验收鉴定委员会听取并审议了项目组的工作汇报和相关技术文件，现场审查相关证明材料，经过质询和讨论，形成如下意见： （ 1）率先研究了粉尘浓度测量仪的校准方法和量传体系，建立了一整套颗粒物粉尘浓度测量仪校准规范，研制了粉尘浓度测量仪校准装置，校准装置经中国计量科学研究院测试，技术指标达到了设计要求。 （ 2）项目研究过程中， 制订了粉尘浓度测量仪校准规范（规范编号 JJF（豫）165-2012），已于 2012 年 9 月 20 日正式实施；制订了粉尘浓度测量仪检定装置的校准方法（规范编号 JJF（豫 199-2016） ，
25、 2016 年 5 月 5 日正式实施。申请的数字粉尘仪的标定系统及其标定方法、颗粒物测量仪标定系统及其标定方法国家发明专利已受理；数字粉尘仪的标定系统和 颗粒物测量仪标定系统 获得 2 项实用新型专利授权。并在计量学报等国家权威专业期刊发表论文 2 篇；粉尘浓度测量仪校准方法及测量结果不确定度分析和粉尘浓度测量仪校准 装置的研制。超额完成了计划任务书要求。 （ 3）所研制的装置具有较好的均匀性和稳定性，可广泛应用环保监测、环保设备计量、校准、研发；对环境空气中呼吸性粉尘的控制有积极的作用。同时，为各生产企业特别是环保设备生产企业开发新产品、技术改造提供有力的技术保证。 综上所述，该项目超额完
26、成了计划任务书的各项考核指标，项目成果具有良好的科学性和实用性。 验收鉴定委员会一致同意通过项目验收。 材料旁证见附件 2-2。 2、 河南省科学技术信息研究院科技查新报告 经检索可知，对颗粒物浓度检测装置校准技术的研究，国内有相关的文 献报道。其中文献 1-2 为本项目人员撰写的论文，叙述了粉尘浓度测量仪校准 方法及测量结果不确定度分析研究，设计本项目的部分研究内容。其它文献与本项目相比，虽然也对校准装置进行设计研究，但具体内容各有差异，不尽相同。如文献 3 所述粉尘测试仪校准方法研究，主要通过采样计算得到的第一颗粒物浓度，以及根据对所述第一颗粒物浓度和待 9 校准粉尘测试仪，对 所述混合气
27、体进行检测显示的第二颗粒物浓度进行运输处理，获取待校准粉尘测试仪的相对误差，最终实现对粉尘测试仪的校准检定；而本项目颗粒物浓度测量仪校准方法，是采取混匀箱在同一高度、同 一气流方向、同一水平面（直径）方向安装等速采样头，来实现对颗粒物浓度检测装置的校准。文献 4-6 则分别通过在颗粒物浓度检测装置中，加入模拟信号发生器、频率计数器，或将检定装置的采样头设于风筒内的不同部位，或采用分光棱镜、挡光片以及光电测试器的方式，来完成对检测装置的校准；文献 7-9 与本项目相比，分别采用电阻、静电计来完成校准，或通过改变风道、标准采样装置的技术指标等，来实现对测量仪的检定校准。均与本项目所述特征不同。 因
28、此，在所列检索范围内，虽 有对颗粒物浓度检测装置校准技术研究的相关报道，但采取混匀箱在同一高 度、同一气流方向、同一水平面（直径）方向安装等速采样头，来实现对颗粒物浓度检测装置的校准，国内未见相同的文献报道。 材料旁证见附件 2-3。 3、 中国计量科学研究院出具的测试报告 针对颗粒物（粉尘）浓度测定仪校准装置出具测试报告，采用 ISO 标准粉尘和气溶胶粒径谱仪等精密仪器进行了测试。测试结果如下： 1、描述：该装置的混匀箱有 1#、2#、 3#、 4#共 3 个采样口。 2、测试结果：均匀性测试，将采样口 1#作为标准采样口，采样口 1#与采样口 2#之间的均匀性为 4.0%；采样口 1#与采
29、样口 3#之间的均匀性为4.2%。稳定性 测试：以采样口 2#作为稳定性测试对象。测量 5 次，每次采样时间为 20min，称重后得出每次测量的浓度值，计算每次测量浓度值与 5 次平均值的相对误差，其最大值为 4.9%。 材料旁证见附件 2-1。 4、相关通讯报道 （ 1） “总悬浮颗粒物采样器检定装置”顺利通过国家质检总局的现场考核，并取得计量标准证书，填补了我省该项目的空白。 总悬浮颗粒物是指悬浮在空气中 ， 空气动力学当量直径 100 m 的颗粒物。它主要来源于燃料燃烧时产生的烟尘、粉尘、风沙扬尘以及气态污染物经过复杂物理化学反应在空气中生成的相应的盐类颗粒，是大气质 量评价中的一个通用
30、的重要染指标。总悬浮颗粒物采样器是测量空气中年平均和 24 小时平均总悬浮物浓度的仪器，是我国强制检定计量器具。其量值准确可靠是对空气质量测量的技术保障。该项目的建成保证了我省总悬浮颗粒物采样器的准确性、统一性，对空气污染监测，保护群众的健康和生命安 10 全具有积极促进作用。 材料旁证见附件 10-10。 （ 2） 全国流量容量计量技术委员会于 2015 年 8 月 11 日至 15 日在黑龙江省哈尔滨市召开技术法规审定会。 其中 JJG1003流量积算仪国家检定规程顺利通过审定。 JJG1003流量积算仪自 2005 年发布以来 ， 对于规范检定方法，统一量值起到了积极的作用。但由于技术的发展和应用环境的变化，原规程已不能完全满足目前的需要。此次修订完成的规程，更加适应当前的技术水平和实际应用情况，具有技术的先进性、方法的适宜性和实施的可操作性，对有效规范技术机构的检定活动，产业健康发展起到积极的促进作用。 材料旁证见附件 10-10。
