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呼吸性粉塵分離效能測(cè)試方法誤差分析呼吸性粉塵分離效能測(cè)試方法誤差分析

文檔作者：周涅皋文檔來(lái)源：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月22日
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第40卷第6期
2013年12月
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION
Vo1．40 No．6
Dee．2013
周涅皋．呼吸性粉塵分離效能測(cè)試方法誤差分析[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(6)：61—64
文章編號(hào)：1008—4495(2013)06-0061—04
呼吸性粉塵分離效能測(cè)試方法誤差分析
周涅皋
(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037)
摘要：呼吸性粉塵濃度的準(zhǔn)確測(cè)量是防治塵肺病的關(guān)鍵。分離效能是呼吸性粉塵采樣器的核心指
標(biāo)，但其測(cè)試方法復(fù)雜，容易產(chǎn)生誤差。導(dǎo)致測(cè)試誤差的因素眾多，測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的氣溶膠粒子的粒
徑對(duì)測(cè)試誤差的影響最為直接。對(duì)此，依據(jù)BMRC曲線，采用全微分等數(shù)學(xué)手段，得出粒子粒徑的各影
響因素導(dǎo)致的誤差與分離效能測(cè)試誤差的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)一定方法實(shí)測(cè)并修正頻率與流量的數(shù)值，并將
溶液體積濃度提高至0．05％ 以上，可使由粒子粒徑引起的測(cè)試誤差低于1％。實(shí)測(cè)了3個(gè)采樣頭的分
離效能，測(cè)試數(shù)據(jù)表明該方法可以提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。
關(guān)鍵詞：分離效能；呼吸性粉塵；BMRC曲線；全微分；粉塵采樣器
中圖分類(lèi)號(hào)：TD714 ．4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013-11—21 13：28
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／50．1062．TD．20131121．1328．022．html
Error Analysis of Separating Efi ciency Test M ethod of Respirable Dust
ZHOU Ligao
(China Coal Technology and Engi~ering Group Chongqing Research Institute，Chongqiag 400037，China)
Abstract：The accurate measurement of respirable dust concentration iS the key to the prevention and treatment of
pneumoconiosis．The separating efi ciency is the core of the respirable dust sampler，but its measuring method is more complex
and the measuring error may exist．Many factors may lead to the measuring error，the size of aerosol particles generated in the
measuring process has the most direct influence on the measuring error． For this purpose，a mathematical relation between the
error led by the infl uence factors such as the particle size and the measuring error of the separating eficiency was obtained
according to BMRC curve and by using the total differential method．By modifying the values of flow rate and frequency and
enhancing the volume concentration of solution higher than 0．05％ ．the measuring eror can be dropped lower than 1％ ．The
separating efficiency of three sampling heads was measured，and the measuring data showed that this method can improve the
reliability of the measuring results．
Key words：separating eficiency；respirable dust；BMRC curve；total differential；dust sampler
粉塵分為總塵和呼吸性粉塵(簡(jiǎn)稱(chēng)呼塵) 1-3j。
總塵涉及到粉塵的爆炸特性，曾經(jīng)是國(guó)內(nèi)外研究的
重點(diǎn)。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，研究人員逐漸意識(shí)到呼塵
的危害，長(zhǎng)期吸人呼塵會(huì)使礦工肺部機(jī)能逐漸萎縮，
直至呼吸衰竭而亡。這種危害并不像總塵的爆炸性
那樣直接，但其致死率較高，且患者生活質(zhì)量極低。
衛(wèi)生部全國(guó)職業(yè)病報(bào)告的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自20世紀(jì)
50年代以來(lái)，全國(guó)累計(jì)報(bào)告職業(yè)病749 970例，其中累
計(jì)報(bào)告塵肺病676 541例，死亡149 110例。2010年
新增塵肺病為23 812例，約占所有職業(yè)病病例的
88％ 。這些現(xiàn)狀表明，防治塵肺病是監(jiān)管職業(yè)衛(wèi)
收稿日期：2013—03—16；2013—05—17修訂
作者簡(jiǎn)介：周涅皋(1984～)，男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，助理
研究員，2010年畢業(yè)于清華大學(xué)微電子專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事粉
塵監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的科研工作。
生迫不及待的重要任務(wù)，而其首要任務(wù)就是準(zhǔn)確監(jiān)
測(cè)工作場(chǎng)所呼塵濃度。2010年9月試行的《煤礦作
業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害防治規(guī)定》，呼塵濃度已被列為重要
監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
呼塵的測(cè)量需配備具有分離效能的采樣頭，這
種采樣頭可以將總塵中易進(jìn)入肺泡的那部分粉塵分
離出來(lái)。因此，采樣頭的分離效能直接影響呼塵濃
度傳感器 的檢測(cè)結(jié)果。
分離效能指的是粒徑與分離比例的關(guān)系。關(guān)于
分離比例的數(shù)據(jù)定義，1952年英國(guó)提出BMRC曲線
(簡(jiǎn)稱(chēng)B曲線)，該曲線后來(lái)用于歐洲；1968美國(guó)提
出ACGIH曲線(簡(jiǎn)稱(chēng)A曲線)，該曲線主要用于美
洲。到20世紀(jì)90年代，歐洲提出了新的EN481曲
線，并沿用至今。而在這個(gè)時(shí)期，世界標(biāo)準(zhǔn)組織提出
了IS07708曲線，其與EN481對(duì)分離效能的定義是
一致的 。我國(guó)煤炭行業(yè)于1995年引入B曲線，
． 61．
Vo1．40 No．6
Dec．2013
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY ＆ ENVIR0NMENTAL PROTECTION
第40卷第6期
2013年12月
并沿用至今。因此，筆者將基于B曲線進(jìn)行誤差分
析。各種分離效能曲線對(duì)比見(jiàn)圖1。
裝
髓
奄
0
＼雉始難基本一敢 ● BMRC曲線
"-k'-EN481／IS07708~緱
{j ，．＼ ～A曲線
、
． 、I 《
— — — ～
? 易 離 t能j 7505 時(shí)。
H 應(yīng) t徑 ：同
＼ 【
。
R 北 陸占
、箍 ’
． 徑一j
、= ’、 ‘’～
2 3 4 5 6 8 9 10
粉塵空氣動(dòng)力學(xué)直徑／I．rm
圖1 不同分離效能曲線的對(duì)比
1 測(cè)試方法
根據(jù)MT 394-1995(呼吸性粉塵測(cè)量?jī)x采樣效
能測(cè)定方法》要求，在塵室中分別產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)直
徑為2．2、3．9、5．0、5．9、7．1 m的氣溶膠粒子，將采
樣器置于塵室中，分別對(duì)各粒徑的氣溶膠采樣，最后
分析計(jì)算采樣器濾膜上所采集的粒子與進(jìn)入采樣器
總粒子的比例是否滿足B曲線的要求。
美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的氣溶膠發(fā)生器(TSI3450)
能生成指定粒徑的粒子。其原理是生成同等大小的
液滴，將液滴中溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)逐漸凝聚成球形粒
子。由于溶液的濃度是恒定的，所以凝結(jié)后粒子的
粒徑大小相同。
測(cè)試用亞甲基藍(lán)作為溶質(zhì)，考慮到揮發(fā)性能，采
用50％的二次蒸餾水與50％ 的乙醇(體積比)作為
溶劑。將所配溶液吸人注射器，給注射器施壓，使溶
液通過(guò)微孔片(直徑為10 m或20 txm的圓孔)，產(chǎn)
生恒定流量的液柱，通過(guò)壓電陶瓷使微孔片產(chǎn)生指
定頻率的振動(dòng)，從而將液柱分割為同等大小的液滴。
液滴在干燥筒中被純凈的空氣干燥，形成球形粒子，
最后輸送至塵室，形成一定濃度的單分散氣溶膠，為
下一步采樣提供環(huán)境。
2 誤差關(guān)系推導(dǎo)
2．1 粒徑的計(jì)算
氣溶膠粒徑的計(jì)算公式如下：
( )丁 (1)
式中： 。為氣溶膠粒子的物理直徑；C為亞甲基藍(lán)
溶液濃度(包含雜質(zhì))；f為氣溶膠發(fā)生器的擾動(dòng)頻
率；Q為氣溶膠注射器推進(jìn)流量。
此處的粒徑為粒子的實(shí)際直徑，可通過(guò)式(2)換
算成空氣動(dòng)力學(xué)直徑：
． 62 ．
DP (2)
式中：D為氣溶膠粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑；P為粒子
密度，g／cm ；Po為1 g／cm。的標(biāo)準(zhǔn)密度。
2．2 粒徑誤差對(duì)分離效能誤差的影響
分離效能與粒徑的關(guān)系可由式(3)表示：
n 2
即=1一!
，(D≤D0) (3)
0
式中：叼為分離效能； 為常數(shù)，取7．07。
對(duì)粒徑求導(dǎo)，可以得出粒徑與分離效能的微變
量關(guān)系：
E =2(1-7／)orD (4)
式中：E 為分離效能誤差； 。為粒子粒徑相對(duì)誤差。
，7的取值范圍為0～100％，考慮最大誤差情況，
由式(4)可得：
E =2o"D (5)
2．3 參數(shù)誤差與粒徑誤差的關(guān)系
從式(1)可以看出，粒徑直接受Q、C、f的影響。
這些參數(shù)的實(shí)際值與設(shè)定值存在偏差，這些偏差將
導(dǎo)致粒徑誤差。為了分析參數(shù)誤差對(duì)粒徑誤差的影
響，對(duì)式(1)求全微分：
AO
p= △Q+ △c+ (6)
對(duì)式(1)變形：
D3 ： (7)
l
分別對(duì)Q、C、廠求偏導(dǎo)數(shù)：
3。2 00p
=
6C
如2 0Dp
：
6 q
3。 =一
合并式(8)：
(8)
3。 △Q+ △c+等
( Q+ c一 一
化簡(jiǎn)：
3D2
p
ADp=D3
p(A~Q+ 一 (10)
變形為相對(duì)誤差形式：
AD p
= Lf
I
aQ
D 3 Q十 C f ? )
。
一 I J
取絕對(duì)值，得相對(duì)誤差關(guān)系式：
(12)
式中：orf)、 n、 ，分別代表粒徑、流量、濃度、頻率
∞ ∞ 舯 ∞ 如∞ 加m
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的最大相對(duì)誤差。
2．4 參數(shù)誤差與分離效能總誤差
聯(lián)立式(5)、(12)，可得簡(jiǎn)單直觀的誤差關(guān)系式：
，'
E = ( Q+ c+ ) (13)
由式(13)可以得出：參數(shù)誤差對(duì)總誤差的影響
是平權(quán)的，因此可以分析哪些參數(shù)的誤差容易控制，
可用最小的代價(jià)來(lái)降低總誤差。
表1列出了誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。MT 394—1995
要求采樣頭分離效能的允差小于5％ ，那么測(cè)試誤差
應(yīng)該遠(yuǎn)低于5％ 。
表1 參數(shù)誤差和與總誤差的量化關(guān)系
分離效能測(cè)試誤差E ／％ 參數(shù)誤差和(o-O+O'c+trf)／％
5．0 7．5
3．O 4．5
1．0 1．5
n 0 75
從表1可以看出，參數(shù)誤差和至少要低于1．5％
時(shí)，測(cè)試結(jié)果才具有一定的可靠性；如果參數(shù)誤差和
接近7．5％時(shí)，那么測(cè)試很容易出現(xiàn)誤判，其可信度
幾乎為0。為此有必要分析參數(shù)誤差和的大小。
測(cè)試用的氣溶膠發(fā)生器是一種通用設(shè)備，并不
是專(zhuān)為測(cè)試分離效能而設(shè)計(jì)的，且隨著設(shè)備的老化
以及其他因素的影響，其流量、頻率的不確定性未必
能滿足實(shí)驗(yàn)要求，另外在配置溶液時(shí)也會(huì)引入主觀
誤差。這些誤差會(huì)導(dǎo)致多大的測(cè)試誤差，以及通過(guò)
努力這些誤差能控制在什么范圍，只有定量地研究
誤差，才能提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。
3 各參數(shù)誤差分析
3．1 流量
氣溶膠發(fā)生器的推進(jìn)馬達(dá)以指定的速度推動(dòng)注
射器，從而產(chǎn)生恒定流量的液柱。將推進(jìn)器打開(kāi)，在
排泄口收集液體并測(cè)量體積，用秒表計(jì)時(shí)，便可以計(jì)
算流量。選用揮發(fā)性弱的液體以便減少測(cè)量誤差。
測(cè)量時(shí)間宜長(zhǎng)，選擇1 h，秒表的讀數(shù)最大誤差以2 s
計(jì)，計(jì)算可得時(shí)間的測(cè)量不確定度為0．056％。若用
量筒來(lái)測(cè)量體積，由于量筒精度、讀數(shù)誤差等原因，
易使誤差大于1％ ，因而不可取。一種更好的辦法
是，用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)量液體質(zhì)量，然后根據(jù)密度來(lái)
換算體積，其不確定度小于0．1％。流量總誤差為兩
者之和，即0．156％ 。
3．2 頻率
氣溶膠發(fā)生器壓電陶瓷的振動(dòng)頻率是由電信號(hào)
驅(qū)動(dòng)的，可由頻率計(jì)來(lái)測(cè)試電信號(hào)的頻率。頻率計(jì)
的測(cè)量誤差小于0．01％ ，可以精確地校準(zhǔn)頻率。但
氣溶膠發(fā)生器受溫漂等影響，存在頻率波動(dòng)。相同
條件下測(cè)量10次，每次測(cè)量1 h，最大相對(duì)頻偏 ，小
于0．11％。取頻率計(jì)的測(cè)量誤差為0．01％ ，那么頻
率總誤差為0．12％ 。
3．3 濃度
濃度分析主要是考慮非揮發(fā)性雜質(zhì)的影響。測(cè)
試所配溶液為亞甲基藍(lán)溶液，溶質(zhì)為亞甲基藍(lán)，溶劑
為50％乙醇和50％蒸餾水。這三者均含有非揮發(fā)性
雜質(zhì)。測(cè)試所用亞甲基藍(lán)的濃度不超過(guò)0．2％ ，而亞
甲基藍(lán)固體中的非揮發(fā)l生雜質(zhì)含量低于0．05％ ，所以
亞甲基藍(lán)本身對(duì)溶液濃度的影響小于0．000 1％。
為了提高實(shí)驗(yàn)精度，在配置溶液時(shí)，蒸餾水選擇
二次蒸餾水，乙醇要求使用分析純，兩者非揮發(fā)性雜
質(zhì)總含量小于0．000 5％。雜質(zhì)濃度c 為三者之
和，即0．000 6％。這是雜質(zhì)濃度的最大近似值，是
一個(gè)常數(shù)。濃度的相對(duì)誤差由式(14)給出，溶液濃
度及其相對(duì)誤差見(jiàn)表2。
c ：
Ca
×100％ (14)
表2 溶液濃度與濃度相對(duì)誤差的關(guān)系
c／％ c，％
0．O1
O．O5
O．10
0．15
0．2O
6．0
1．2
O．6
0．4
0．3
4 總誤差分析
公式(13)描述了參數(shù)誤差與總誤差的關(guān)系，通
過(guò)上節(jié)的推算也已經(jīng)知道各參數(shù)誤差的實(shí)際情況。
表3給出了參數(shù)誤差與總誤差的數(shù)據(jù)關(guān)系。
表3 參數(shù)誤差與總誤差的數(shù)據(jù)關(guān)系 ％
O．01
O．05
0．1O
0．15
0．20
6．0
1．2
0．6
O．4
O．3
4．17
0．98
O．58
0．45
0．38
由表3可以看出，通過(guò)控制，頻率和流量誤差之
和僅為0．276％ ，為次要矛盾。如果要進(jìn)一步降低這
兩方面的誤差，需要昂貴的設(shè)備來(lái)提高測(cè)試精度，而
且提高的效果也有限。在濃度方面，溶液濃度低會(huì)
引入較大誤差，因此可以通過(guò)提高溶液濃度來(lái)降低
測(cè)試誤差，這在測(cè)試過(guò)程中是容易做到的。測(cè)試所
配溶液的濃度如果控制在0．05％ ～0．20％，那么理
論上由粒子粒徑誤差而引入的測(cè)試誤差可以控制在
1％ 以內(nèi)。
· 63 ·
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5 實(shí)測(cè)論證
5．1 測(cè)試方案
任何測(cè)試方法都存在誤差，而被測(cè)對(duì)象的真值
往往是無(wú)法知曉的，所以目前難以實(shí)證測(cè)試方案使
誤差低于1％。但可以通過(guò)對(duì)比采取誤差控制方案
前后的測(cè)試數(shù)據(jù)，來(lái)判斷測(cè)試方案的可靠性。
先按照常規(guī)的方法測(cè)試分離效能，再對(duì)測(cè)試參
數(shù)進(jìn)行誤差控制，然后再測(cè)同種樣品的分離效能。
測(cè)試對(duì)象為常熟市礦山機(jī)電器材有限公司的旋風(fēng)分
離頭，該采樣頭通過(guò)了B曲線認(rèn)證。實(shí)測(cè)每個(gè)采樣
頭的5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)3次，記錄每個(gè)點(diǎn)的平均值。
5．2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
按照常規(guī)的方法設(shè)定參數(shù)，測(cè)試被測(cè)對(duì)象。參
數(shù)設(shè)置及測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。
表4 未約束誤差時(shí)的參數(shù)配置
kHz (10一 cm ／rain) ％ 徑／ m 期望值／％
86．8 82．7 83．4 3．2 7．3 6．6
72．7 75．3 73．2 2．7 5．3 3．2
51．1 53．7 52．2 1．1 3．7 2．2
32．4 33．5 33．9 2．4 3．5 3．9
4．1 5．3 5．1 4．1 5．3 5．1
用頻率、流量的實(shí)測(cè)值取代設(shè)定值，并且提高
2．2 m、3．9 m點(diǎn)的溶液濃度，再測(cè)同樣的3個(gè)采
樣頭。測(cè)試情況見(jiàn)表6、表7。
表6 約束誤差時(shí)的參數(shù)配置
表7 約束誤差時(shí)3個(gè)采樣頭的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
· 64 ·
5．3 結(jié)果分析
國(guó)內(nèi)要求被測(cè)采樣頭的誤差在5％以內(nèi)才算合
格。本次試驗(yàn)的被測(cè)對(duì)象是檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，各點(diǎn)
誤差應(yīng)該在5％以內(nèi)。但表5的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在未
對(duì)誤差進(jìn)行控制前，15個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)中有5個(gè)點(diǎn)不合
格(見(jiàn)表5)，測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)采樣頭進(jìn)行了誤判。在控
制了誤差之后再測(cè)同樣的15個(gè)點(diǎn)，所有點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)
均合格(見(jiàn)表7)。這表明，采用誤差控制的方法，測(cè)
試結(jié)果將更加接近真值，能提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。
6 結(jié)語(yǔ)
1)首次采用全微分方法對(duì)分離效能測(cè)試誤差進(jìn)
行量化分析，得出誤差的簡(jiǎn)約關(guān)系。依據(jù)此關(guān)系，并
深入分析流量、頻率、濃度3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的誤差來(lái)源
及性質(zhì)，提出誤差控制的辦法，使得由粒徑誤差引起
的分離效能測(cè)試誤差低于1％。
2)為了驗(yàn)證方案的有效性，對(duì)比測(cè)試了3個(gè)驗(yàn)
證合格的采樣頭。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，采取誤差控制方
案后，可以提高測(cè)試結(jié)果的可靠性。目前尚無(wú)法通
過(guò)實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證測(cè)試方案的誤差值，這是下一步需
努力的地方。
3)在一定程度上提高了分離效能測(cè)試的可靠
性，這有利于研發(fā)高準(zhǔn)度的呼塵濃度傳感器，從而為
呼塵職業(yè)衛(wèi)生危害提供可靠的鑒定數(shù)據(jù)，并為促進(jìn)
行業(yè)規(guī)范提供根源性的技術(shù)支持。
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(責(zé)任編輯：陳玉濤)

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