空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量測試設備的對比研究

張橫錦 方海林 符顥譯 陳妙陽

1. 廣東產品質量監督檢驗研究院 廣東廣州 510000；

2. 國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心 廣東廣州 510000

1 引言

國家標準GB/T 18801-2015《空氣凈化器》推薦使用激光塵埃粒子計數器測量并計算得到顆粒物潔凈空氣量（CADR），而通過顆粒物質量濃度測試儀進行測量和計算顆粒物累積凈化量（CCM）[1,2]。受限于檢測設備的技術瓶頸，國內科研單位及檢測機構往往選擇使用進口的激光塵埃粒子計數器以保證測量的準確度，如TSI 3340A，價格高達54萬人民幣，價格高昂且維護成本高，對企業產品開發和質量控制帶來巨大負擔[3,4]；而同品牌顆粒物質量濃度測試儀只需要7萬人民幣左右。因此，有必要探索采用顆粒物質量濃度測試儀進行顆粒物潔凈空氣量（CADR）測試的可行性，以期為后續標準中采用備選檢測設備或為企業質量控制設備的選用提供理論依據。

2 測試設備和材料

激光塵埃粒子計數器使用美國TSI公司生產的3340A型激光氣溶膠粒徑譜儀（搭配TSI 3302A稀釋器），可測量粒徑范圍為0.09～7.5 μm的顆粒物濃度；顆粒物質量濃度測試儀使用美國TSI公司生產的DUSTTRAK II氣溶膠監測儀8530，可檢測與PM1、PM2.5、可吸入微粒、PM10或粒分數對應的氣溶膠濃度，氣溶膠濃度范圍0.001～400 mg/m3。這兩種設備都是利用光度測量原理進行測量和計算。用雄獅牌香煙（焦油含量8 mg）煙霧作為顆粒物的塵源[5]。采用符合GB/T 18801-2015《空氣凈化器》附錄A要求的30 m3試驗艙。

3 測試方法

為確保實驗數據的可比性，激光氣溶膠粒徑譜儀TSI 3340A和氣溶膠監測儀TSI 8530同時進行測量，兩個取樣口并排放置，取樣口離墻面55 cm，相對試驗艙地面110 cm，避開進出風口。TSI 3340A設置取樣周期2 min，取樣流量50 ml/min，稀釋器100:1，設置取樣通道5個，分別為90～100 nm、100～300 nm、300～000 nm、1000～2500 nm、2500～7500 nm。TSI 8530設置取樣周期2 min，取樣時間1 min，采用10 um粒徑選擇撞擊器。

30 m3試驗艙準備：顆粒物（0.3～10μm）背景濃度＜1000個/L，環境溫度（25±2）℃，相對濕度（50±5）%，顆粒物初始濃度（6×106～1.2×107）個/L。

4 設備不確定度評定

4.1 A類評定的標準不確定度分量

選擇某空氣凈化器為測試樣本，同時使用TSI 8530和TSI 3340A分別進行9次獨立重復測試，測試結果見表1。

表1 顆粒物潔凈空氣量測試結果（單位：m3/h）

用貝塞爾公式計算測量結果[6,7]，如公式（1），進行計算，可得A類評定的標準不確定度分量分別為μA(CADR)TSI8530=6.4 m3/h，μA(CADR)TSI3340A=8.2 m3/h。

式中：

μA(CADR)——A類方法評定的標準不確定度分量；

CADRi——第i次獨立測量得到的空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量；——n次獨立測量得到的空氣凈化器顆粒物潔凈空氣量；

n——獨立測量次數，這里n=9；

圖1 TSI 3340A和TSI 8530顆粒物潔凈空氣量測試值

4.2 B類評定的標準不確定度分量

TSI 3340A的測量不確定度主要來源于粒子計數示值誤差和取樣流量誤差。根據設備供應商出廠計量參數表，粒子計數最大誤差為5%，按矩形分布估計，則引入的相對不確定度為：

根據TSI 3340的計量證書，流量示值誤差測量結果的擴展不確定度為0.31%，則標準不確定度為μcrel-2=0.155%，

TSI 8530 的測量不確定度主要來源于濃度示值誤差。根據計量證書，粒子濃度示值誤差測量結果的擴展不確定度為9.6%，則標準不確定度為μcrel-TSI8530=4.8%。

4.3 合成標準不確定度

TSI 3340A的合成標準不確定度為：

TSI 8530的合成標準不確定度為：

4.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，則潔凈空氣量的相對擴展不確定度分別為：

5 測試結果

通過對顆粒物潔凈空氣量介于50～800 m3/h的樣機進行測試，分析TSI 3340A和TSI 8530對不同潔凈空氣量凈化器測試值的偏離程度，兩款設備的測試結果如圖1所示。

在圖1中，根據TSI 3340A測試值不確定度的計算結果標出誤差線。顆粒物潔凈空氣量在50～500 m3/h范圍內，TSI 3340A和TSI 8530測試結果絕對值偏離較小，隨著潔凈空氣量的提高，兩者測試值偏離程度呈增大趨勢。

圖2 TSI 8530測試值相對TSI 3340A偏離度

如圖2所示，偏離度為（CADRTSI8530-CADRTSI3340A）/CADRTSI3340A的值。由圖可見，顆粒物潔凈空氣量在350 m3/h以下時，偏離度低于3.0%；隨著潔凈空氣量的增加，偏離度呈上升趨勢，但均低于9.0%。根據4.4節的測量不確定度計算結果，TSI 8530的相對擴展不確定度為9.8%，潔凈空氣量較大時產生的誤差可能是由于測量不確定度導致，可采取3次測量取平均值的方法減少誤差。因此在國家標準GB/T 18801-2015規定的30 m3實驗艙顆粒物潔凈空氣量測試范圍（30～800 m3/h）內，TSI 3340A和TSI 8530顆粒物潔凈空氣量測試值偏離度均在可接受范圍內，兩者測量值具有較好的一致性。

6 結論

通過對TSI 3340A和TSI 8530測試結果偏離度和不確定度的分析，可知兩者測量結果具有高度的一致性。TSI 8530的測量結果與TSI 3340A比較，偏離度小于9%，且TSI 8530的測量不確定度為9.8%，依據國家標準GB/T 18801規定的潔凈空氣量實測值不小于標稱值的90%的要求，TSI 8530可滿足測量需求。此外，國家標準GB/T 18801規定的顆粒物背景濃度可考慮采用顆粒物質量濃度表示。綜上所述，TSI 8530可作為后續標準中采用的備選測試設備，或者作為企業生產控制的設備。