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1、安徽省地方J+量技术规范器鬻:需寿JJF（皖）-20243傅立叶红外多组分气体分析仪校准规范CalibrationSpecificationforFourierInfraredMulti-componentGasAnaIyzer（报批稿）20243-XX-XX发布20243-XX-XX实施右儆的市伤监督窗理方发布JJF （皖）XXX20243傅立叶红外多组分气体分析仪校准规范CalibrationSpecificationforFourierInfraredMulti-componentGasAnalyzer归口单位：安徽省化学-MA业技术委员会主要起草单位：安徽省计量科学研窕院中国科学院合肥
2、物质科学研究院参加起草单位：合肥国信聚远科技有限公司本规范委托安徽省化学计量:专业技丕委员会负责解释本规程主要起草人：张守明（安徽省计量科学研究院）童晶晶（中国科学院合肥物质科学研究院）刘春燕（安徽省计量科学研究院）李相贤（中国科学院合肥物质科学研究院）参加起草人：韩昕（中国科学院合肥物质科学研究院）杨小龙（合肥国信聚远科技有限公司）李发帝（合肥国信聚远科技有限公司）目录引言II1范围32引用文件33术语34概述345计量特性41.1 傅立叶变换红外光谱仪的计量特性45. 2分析仪气体浓度测量的计量特性56校准条件55.1 环境条件56. 2校准用标准器及其它设备966. 3其他条件要求67校
3、准项目和校准方法77. 1波数示值误差与波数重复性77. 2光谱分辨率77. 3100%线的平直度87. 4噪声97. 5浓度测量的示值误差及重复性97. 6浓度测量的零点漂移和量程漂移107. 7浓度测量的检出限108校准结果表达119复校时间间隔11附录A各种不同类型分析仪的功能特征及测量原理示意图12附录B选择气体标准物质的分类参考表14附录C等效浓度配制方法及要求15附录D聚苯乙烯标准物质参数17附录E示值误差不确定度评定示例18附录F傅立叶红外多组分气体分析仪记录格式21附录G证书内页格式24引言本规范以JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则、JJF100I-2011通用计
4、量术语及定义、JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示为基础性系列规范进行制定。本规范参考JJFI319-2011傅立叶变换红外光谱仪校准规范、HJlOU-2018环境空气和废气挥发性有机物组分便携式傅里叶红外监测仪技术要求及检测方法、HJ919-2017环境空气挥发性有机物的测定便携式傅里叶红外仪法、HJ920-2017环境空气无机有害气体的应急监测便携式傅里叶红外仪法编制而成。本规范为首次发布。傅立叶红外多组分气体分析仪校准规范1范围本规范适用于利用傅立叶红外光谱技术所实现的对具有挥发性气态物进行监测的仪器即多组分气体分析仪（以下简称分析仪）的校准。2引用文件本规范引用了下列文件
5、：JJF1319-2011傅立叶变换红外光谱仪校准规范GB/T21186-2007傅立叶变换红外光谱仪HJ1011-2018环境空气和废气挥发性有机物组分便携式傅里叶红外监测仪技术要求及检测方法HJ1240-2021固定污染源废气气态污染物（SO,、NO、NO?、CO、C0j）的测定便携式傅立叶变换红外光谱法凡是注口期的引用文件，仅注口期的版本适用于本规范。3术语3. 1柱浓度columnconcentration某种气体在单位面积柱体内所含的分子数，单位为umoleculecm2,实际应用中单位通常以“molmolm”表示，经过推算可得换算关系如下:1 moleculesI；-=cm273
6、+ /； 101.3273 %P 3.72 10,6mol / mol m式中：/一气体温度，单位七；P气体压强，单位kPa。3.2等效浓度equivalentconcentration吸收光谱测量中，当光线通过两个不同浓度且不同光程的同组分气体时，产生同等强度光谱吸收，则此时对应的不同浓度互为等效浓度。实际测量中需要用校准样池来实现气体组分浓度等效，以便于仪器的校准。等效浓度可从以下关系中得到：等效浓度X分析仪实际工作的光程（m）=标气浓度X校准样池长度（m）。4概述傅立叶变换红外光谱技术提供了一种可对气体进行实时、在线、非接触测量的高效手段，其基本原理：光源发出的红外光经准直后进入迈克尔逊
7、干涉仪,经干涉仪调制后产生干涉信号,再由探测器探测和A/D采集，最后由计算机对测量到的干涉信号进行快速傅立叶变换(FFT)复原红外光谱。如果红外光通过气态物质分子时产生吸收，这些吸收的信息必然会在解析出来的光谱中得到体现，从而可以实现气态物质的定量测定和定性分析。其原理图如图1所示。傅立叶红外多组分气体分析仪按照有无使用人工光源的方式来划分，可分为两类：主动式和被动式。按照具体工作方式可进一步划分为多种类型，其中，主动式包括抽取式和开放光路式：被动式包括被动遥测、地基遥测和太阳掩星等方式。各种不同类型的停立叶红外多组分分析仪的功能特征及测量原理示意图见附录A。5计量特性5.1 傅立叶变换红外光
8、谱仪的计量特性傅立叶变换红外光谱仪的计量特性包括：波数示值误差、波数重复性、光谱分辨率、100%线的平直度和噪声。各项技术指标见表1。表1傅立叶变换红外光谱仪主要校准项目序号技术指标计量特性计特性要求指标1波数示值误差设定光谱分辨率r0.5cm时：cm1设定光谱分辨率r0.5cm,:1cm,2波数重身性设定光谱分辨率r0.5cm时：cm1设定光谱分辨率r0.5Cm时：1cm13光谱分辨率最高分辨率应满足4cm2cm1、1cm0.5cm、0.25cm0.125cm1中之一：对仪器各分辨率进行测定，实测值应不大于选定的标称值.4100%线的平直度3200cm12800cm：内100与线的平直度一般
9、不大于1%2200cm,1900cm内100与线的平直度一般不大于1%800cm,500Cml内100%线的平直度一般不大于播5噪声不大于1%注：以上技术指标不作为合格性判定依据，仅供参考。5.2 分析仪气体浓度测量的计量特性气体浓度测量的计量特性包括：浓度测量的示值误差、示值重复性、零点漂移、量程漂移、检出限。各项技术指标见表2。表2气体浓度相关的主要校准项目序号计量特性标项目,计量特性指标要求适用仪器一H帝格式的：字体蒯色：自动设置)1示值误差相若误差l5%主动式分析仪相对误差：10被动式分析仪2示值重旦性一5%各类分析仪3零点漂移3%FS4h各类分析仪4量程漂移3%FS4h各类分析仪5检
10、出限GH:lkWnol/molX实际光程(m)5(m)抽取式：带格式的：居中)CzH:,50knmolZmol口实际光程(m)200(m)开放光路式._:带格式的：居中CJIc10MniolZmolm被动遥测式CH,:三5molmolm地基遥测式CH,：,511)olmolm太阳掩星式注：以上指标不适用于合格性判别,仅供参考。检出限指标中采用GH,是便于统一判据，当需要以日常测量组分给出检出限时，可直接给出测量结果，并注明实际光程，且以上指标不再适用。6校准条件6.1环境条件环境温度：(040)C；相对湿度：不大于85%：大气压力：(86106)kPa；室外现场校准时，应选择晴好天气。6.2校
11、准用标准器及其它设备6.2.1标准物质气体标准物质：气体标准物质的种类应根据分析仪实际使用情况选定，浓度应根据分析仪所应用的测量范围确定，其相对扩展不确定度应W2%(A=2)常用气体标准物质种类选择可参看附录B用于校准的等效浓度按照确定的测量范围上限的20%、50%、80%配制，相对扩展不确定度应3%(A=2),具体的配制方法及要求参照附录要进行。注：应优先选用有证气体标准物质，但由于分析仪可测量气体种类繁多，某些气体标准物质无法购得有证标准物质时，应选择有能力生产多种有证气体标准物质的生产商，以获得最优的可靠性，并征得客户的同意，事项应进行记录，并在校准证书中注明。气体发生装置：具有可溯源的
12、气体发生装置，总体相对扩展不确定度应W3%(A=2)。波长标准器：聚苯乙烯红外波长标准物质，其参考波长及要求见附录D：零点气：氮气(纯度299.999%),或不干扰目标气体化合物测定的清洁空气。6 .2.2其它设备配气装置：最大输出流量2500mmir流量计应满足：当流量小于满量程的20%时,流量最大允许误差在满量程的0.2%以内；当流量大于等于满量程的20%时，流量最大允许误差应在设定流量的1.0%以内。校准样池：运用等效浓度原理，通过在测量光路上架设不同长度的校准样池，通入一定浓度的标准气体来等效不同测量浓度，以完成校准工作。校准样池的单元结构示意图如图3o池子内部平均光程的相对误差应满足
13、0.5%,通光面尺寸应保证其在安置于分析仪光路上时，有效光线无遮挡。图2校准样池的单元结构示意图6.3其他条件要求6. 3.1对于抽取式分析仪应放置于平稳的工作台上，周用无强电磁干扰，无振动干扰。其它类分析仪应在其正常工作位置上，避免周围环境突发振动、电磁辐射干扰。7. 3.2分析仪主机外表面应整洁、标识完整、清晰，不应有影响正常使用的机械损伤，各紧固件不应松动，结构完整。8. 3.3计算机及控制系统应工作正常，显示器分辨率满足图形细节显示要求，显示清晰。9. 3.4在线分析仪应选择在气象条件较好的晴朗天气时实施校准，同时分析仪的实时测量值应小于预定测量上限的2%,并且数值桎定。注：上述要求对
14、于本规范的校准项目的校准不一定产生影响，但可能影响测定结果的可簟性，因此当不能满足时，应进行记录，并在校准证书中指出。7 校准项目和校准方法7.1 波数示值误差与波数重复性7.Ll对优于0.5cm（含0.5CmT）分辨率的仪器，设定仪器分辨率为最高，扫描速度置于最佳位置，扫描次数为32。采集本底光谱：然后放入充有一氧化碳气体的气体池于光路中，采集样品透过率光谱，一氧化碳气体特征吸收峰为2193.36CmL测量6次。按公式（1）计算波数示值误差。按公式（2）计算波数重复性。v=v-v（1）SV=vmaxvmin（2）式中：v波数示值误差，cmv波数重复性，cm；V波数测量平均值，cm1：V波数标
15、准值，cm：VmS波数测量最大值，cm1；min波数测量最小值，CmL7.1.2对低于0.5CmT分辨率的仪器，设定仪器分辨率4cm，扫描速度置于最佳位置，扫描次数为32。采集本底光谱，然后放入聚苯乙烯薄膜标样，采集样品透过率光谱。测量聚苯乙烯薄膜的3081CmT,1601Cm-1,906cm共3个特征吸收峰峰位,各测量6次。各峰位按公式（1）计算，取,绝对值最大值为波数示值误差。按公式（2）计算重复性,取儿最大值为波数重复性。7.2光谱分辨率设定仪器最高分辨率，扫描速度置于最佳位置，扫描次数为32。对优于0.5cm/（含0.5cm/）分辨率的仪器采用充有一氧化碳气体池测定。首先采集空气本底光
16、谱，然后放入充有一氧化碳气体的气体池，采集样品透过率光谱。采用峰的半高宽定义，测量一氧化碳气体2193.36CmJ谱线的半高宽即为此设定分辨率下的实际分辨率。对低于（）.5cm/分辨率的仪器采用空气中水峰测定，采集本底光谱，获得本底光谱图,采用水汽峰的半高宽定义，计算所选择1900Cm-LI700cm范围内对称水峰谱线的半高宽即为此设定分辨率下的实际分辨率。吸收峰半高宽见图3。图3半高宽7.3100%线的平直度傅立叶变换红外光谱仪扫描范围为4000CmT400cm,分辨率为4cm,常用扫描速度，扫描次数为32。待仪器稳定后，采集空气本底光谱，测量320()CmT28(X)cmL22(X)cm1
17、900cm和800Cm-L500cm.波数范围内100%线的透射比，见图4。按公式(3)计算100%线的平直度。TIoO=TK)OmUX-TlOOmin(3)式中：TlOO100%线的平直度，%；TlOOgX每段波数范围内透射比最大值，%:T1Oomin每段波数范困内透射比最小值，%0图4100%线的平直度7.4 噪声在7.3取得的测量谱图中，手动测量计算21（X）cmCi分析仪n次测量平均值，molmol(nmol/molmolmol-m,mgm3).8校准结果表达8.1 校准数据处理浓度测量的示值误差及重复性一般保留2位有效数字。其它数据的小数位于分析仪示值位数对齐。8.2 校准结果的不确
18、定度评定波数示值误差、浓度测量的示值误差测量结果的不确定度依据JJFIo59.1评定，不确定度评定示例见附录Eo8.3 校准证书经校准后的分析仪应填发校准证书，校准证书应符合JJF1071-2010中5.12的要求，并给出各校准项目名称和测量结果以及扩展不确定度。校准原始记录格式见附录Fo9复校时间间隔复校时间间隔建议1年。复校时间的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸多因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。如果对仪器的检测数据有怀疑或仪器更换主要部件及修理后应对仪器聿新校准。附录A各种不同类型分析仪的功能特征及测量原理示意图各种不同类型的傅立叶红外多组
19、分分析仪的功能特征和应用场景如表A.1所示，测量示意图如图A中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示。表A.1傅立叶红外多组分气体分析仪分类结构方式具体类别功能特征应用场景主动式抽取式通过气泵抽气，内置多次反射池，进行气体红外吸收光谱测量，实现气体的定性和定量检测环境空气、污染源废气开放光路式采用从发射端发射光束经开放环境到接收端的方法测定该光束光程上平均空气污染物浓度的监测系统，为降低测量下限，其光程相对较长，为数百米或更长。环境空气、污染区域平均浓度测量、面源排放监测被动式被动遥测式无人工光源，通过测量背景红外辐射与H标气体红外辐射差，实现目标气体的定性和定量检测高架点源、移动高架源、
20、气体泄漏地基遥测式通过测量太阳经整层大气吸收后的红外辐射信号，实现整层大气柱浓度测量整层大气柱浓度测量太阳掩星式以太阳为光源，通过车载快速移动扫描污染排放区域，测窗:大气中污染气体的柱密度并结合气象数据获取污染源排放通量污染源排放通量测量抽取式气体分析仪内置多次反射池，以提高气体组分对红外光的吸收能力，从而大大提高仪器的灵敏度，实现气体浓度痕量测定。开放光路式气体分析仪主要通过长光程测量方式实现光束光程上平均空气污染物浓度的测定。被动遥测式分析仪无需人工光源，通过测量背景及目标气体的红外辐射差，实现目标气体的远距离定性和定量检测。地基遥测式分析仪以太阳为光源，通过测量太阳经整层大气吸收后的红外
21、福射信号,实现整层大气柱浓度测量。太阳掩星式分析仪以太阳为光源，通过车载快速移动扫描污染排放区域，测量大气中污染气体的柱密度并结合气象数据获取污染源排放通量。不同结构的傅立叶红外多组分气体分析仪测重原理示意图(e)被动遥测式附录B选择气体标准物质的分类参考表由于傅立叶红外气体分析仪可以进行较为繁多的气体浓度监测，所以应用场合不同其选择的监测气体也不同，为方便初期准备开展工作需要及减少工作成本，以下列出部分监测的场合和监测的气体名称以供参考。表B分析仪的用途和常用监测气体序号分析仪的用途常用监测气体1环境空气和废气挥发性有机物组分监测甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙焕、苯、甲苯、乙苯、苯乙烯2固
22、定污染源废气气态污染物监测二氧化磷、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、臭氧3面源排放挥发性有机化合物(VOCs)监测I-丁烯、反-2-丁烯、正丁烷、乙烷、丙烯、丙烷、异丁烷、乙焕、乙烯4环境空气中无机气体监测二氧化破、一氧化氮、二飙化氮、一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮、氯化氢、料化氢、氟化氢、氨5工业环境泄漏气体监测甲烷、丙烷、丁烷、氨气、环氧乙烷、显化氢、硫化氢、光气、二氧化硫等附录C等效浓度配制方法及要求除抽取式分析仪外，一般情况下分析仪都会内置校准池，用于出厂前后的示值校准（校正校准池置于内部光路之中，具有较高的尺寸精度。实施校准的具体的做法通常是：根据等效浓度的需要，向校准池中注
23、入所需浓度为C*的标气，再预设分析仪工作的光程L,若内部校准池光程为LO时，可以得到等效浓度Co=Gj4,将C）赋予仪器的该浓度所得信号值对应的显示标度时，仪器完成校准。按本规范实施量值朔源校准时，由于分析仪的种类不同、使用场合不同，标气浓度G值会不同，因此可以利用配气装置将市购气体标准物质进行稀释得到校准用的标气，然后注入校准池中，如此可以方便得到所需的等效浓度校准样气。例如：某开放光路式仪器测量范围上限为5molmol,工作的光程为200m,内置校准池为20.Omnb可以算出所需等效浓度分别为：iMmol/mol、2.5molmoU4molmol,此时，充入校准池的标气浓度应为：1.00%
24、、2.50%、4.00%o与此对应的分析仪的示值应在IMmol/mol、2.5PmolmoK4Mmolmol左右。本例及其它类别分析仪的等效浓度配制及标气的备置示例列表如下表C.1当分析仪无内置校准池时，可采用外置校准样池（见6.6.2）实施校准工作。表CJ等效浓度配制及标气的备置分析仪类别工作范围上限工作的光程校准池长度等效浓度准备的标气浓度抽取式CtRnol/mol/20%C、50%Q、80%Ct（直接使用源气）开放光路式5Mmol/mol200m20.0mm1.00Mmol/mol1.00%（可稀释得到）2.50Mmol/mol2.50%（可稀释得到）4.00Mmol/mol4.00%（
25、可作为源气）被动遥测式、地基遥测式、太阳掩星式1000Mmol/mol.tn1m（开放状态，搬折算为Im光程）20.0nun200Mmol/mol.m1.00%（可稀释得到）500olmol.m2.50%（可稀释得到800Mmol/mol.m4.00%（可作为源气）对于无法获得有证标准物质的气体而采用定制气体时，可采用两种方式查看其可靠性：1、分批次配制平行气体（等浓度），使用平行气体在同一分析仪上进行测试，当平行气体的测量结果的示值误差在重复性范围之内时，可认为该气体浓度可靠。2、配制同组分三个浓度的标准气体，在两台同类型的仪器上进行测试，再使用大浓度的气体按稀释要求进行稀释，然后进行测试，
26、比较结果的一致性程度，可以看出生产商配气的可靠性。无论采用何种方式，进行这方面验证时都要同时做好记录作为查证依据。附录D聚苯乙烯标准物质参数图D聚苯乙烯标准物质红外谱图表D聚苯乙烯标准物质红外吸收峰主要参考值序号波数/cm:序号波数/cm序号波数/cm113082.261601.311906.823060.071583.112842.033026.481154.613544.243001.491069.252850.1101028.4附录E示值误差不确定度评定示例E.1波数示值误差的不确定度评定示例E.1.1建立测量模型v=Vi-V式中：v波数示值误差，cm：vf第i峰值波数测量平均值，cm；
27、V第i峰值波数标准值，cm。E.1.2方差和灵敏系数模型中各项彼此独立，则m(,.)=5cj1M2(v)+r(y)其中：Cl=Lc2=-loE.1.3标准不确定度分量评定E.1.3.1由标准物质引入的不确定度(v)从标准物质证书中可得到，波数为1028.36CmL其不确定度为0.085cm,包含因子k=2,则O.O85cm=()()43cm2E.1.3.2波数测量的不确定度)波数测量的不确定度主要由测量重复性引入，波数分辨力不需予以考虑。这时，对某台分析仪的傅立叶变换红外光谐仪，在1028.36cn处连续测量6次，得到重复性(极差R)为0.4cm,o则R0.4cm-八必s=OJocmC62.5
28、3-0.16cm1m(v)=0.07cm6E.1.4合成标准不确定度W(v)=yjcU2(y)+c1u2(v)=0.072+0.0432cm,=0.082cm-E.1.5扩展不确定度取A=2,则扩展不确定度:U=k-w(v)=2O.O82cm,=0.I7cm,E.2组分浓度示值误差的不确定度评定示例E.2.1建立测量模型本示例仅以某开放光路式分析仪给出单组份单点浓度的不确定度评定示例。浓度示值相对误差R的计算公式：C-CR=00%G式中：AC某组分的绝对示值误差；Cx某组分标准气体浓度值；C一分析仪6次测量平均值。E.2.2示值误差的方差公式数学模型测量摸型中各项彼此独立，则2”、M2(C)W
29、2(Cv)(R)=_2+cGE.2.3标准不确定度分量评定E.2.3.1由气体标准物质引入的不确定度w(G)从标准物质证书中可得到，组分C?H“气体的浓度为4.02%,不确定度为=2%,包含因子依2；测量中标气不能直接使用，需要稀释成为2.5%,一般使用双流量计进行稀释,精密流量的不确定度为=1.2%,A=2：分析仪工作光程为200m,2=0.05%,依2校准池长度为20un,总=0.05%,A=2：则等效浓度2.511olol标气不确定为：*二聘2争吟=J(争+2(平尸+(27V2222=1.31%E.2.3.2浓度测量的不确定度M(C)浓度测量的不确定度主要由浓度测量的重复性引入，浓度分辨
30、力可以不需予以考虑。在50%浓度测量点处连续测量6次，得到的测量结果如表D.k表DJ等效浓度2.5molmol的CH连续测量结果组分各次测量结果nmolmol)C2H1背景值2.133.102.841.313.555.02浓度值2516.832718.352616.22741.12608.92589.73测量值2514.702715.252613.362739.792605.352584.71测量聿夏性引入的不确定度为:U飞=34.42nmol / mol 65u(C)_34.42-=-100/o1.31IoC2628.86E.2.4合成相对标准不确定度uri(R)=(1.31%)2+(1.3
31、1%)2=1.85%E.2.5扩展不确定度取A=2,则扩展不确定度：Urel=kw(7?)=21.85%=3.7%附录F傅立叶红外多组分气体分析仪记录格式记录编号：共3页第1页委托方：委托方地址：器具名称：制造单位：型号/规格：器具编号：准确度：被校仪器状态（完好J）：校准前：校准后：气候状况：环境温度：七,相对湿度：%,气压：kPa室外现场天气：校准依据：标准器名称型号/规格准确度等级/不确定度/最大允许误差编号有效期至1、外观及常规功能检查波数标准值实测波数值平均值示值误差重复性波数示值误差与波数重复性（单位：cm1）选择的分辨率:cm不确定度:3、光谱分辨率（单位：Cm-I）选择的分辨率
32、实测分辨率共3页第2页4、100%线的平直度平直度测量区间3200CmL2800cm2200cm,-1900cm-1800cm,500cm,100%线的平直度/%5、噪声噪声测量区间21(X)cm1-20(X)cm-1噪声/%6、浓度测量的示值误差及重复性（浓度单位：）组份名称等效浓度测量示值平均值背景值示值误差/%重复性/%123456不确定度:共3页第3页7、浓度测量的零点漂移和量程漂移组份测量上限力值点名称OhIh2h3h4h零点漂移量程漂移Z值S值S-ZZ值S值S-ZZ值S值S-ZZ值S值S-ZZ值S值S-Z8、浓度测量的检出限（浓度单位：仪器类型（勾选）：抽取式光程m；口开放光路式光程m；口其他组份名称零点处示值检出限校准地点：校准员：核验员：校准口期：年月日附录G证书内页格式校准证书（内页）格式（供参考）1 .校准条件：2 .校准结果:序号项目校准结果测量结果的不确定度U（.k=2）1光谱仪部分波数示值误差2波数重且性/3光谱分辨率/4100%线的平直度/5噪声/6浓度测量部分示值误差7示值重且性/8零点濠移/9量程漂移/10检出限/cozOTXXX(照)u.f
