Split Point Analysis and Uncertainty Quantification of Thermal-Optical Organic/Elemental Carbon Measurements

Bradley M. Conrad; Matthew  R. Johnson

doi:10.3791/59742

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Environment

تحليل نقطة الانقسام وعدم اليقين القياس الكمي للقياسات الكربونية العضوية/عنصري الحرارية البصرية

Published: September 07, 2019

doi:

10.3791/59742

Bradley M. Conrad¹, Matthew R. Johnson¹

¹Energy and Emissions Research Laboratory, NSERC FlareNet Strategic Network, Department of Mechanical and Aerospace Engineering,Carleton University

Summary

تقدم هذه المقالة أداة بروتوكول ية وبرامج لتحديد كمية عدم اليقين في معايرة وتحليل البيانات لمحلل كربون عضوي/عنصري حراري شبه مستمر.

Abstract

وكثيراً ما يسعى باحثون من عدد لا يحصى من المجالات إلى تحديد تركيزات الهباء الجوي الكربوني وتصنيفها على أنها كربون عضوي أو كربون عنصري (EC). ويتم ذلك عادة باستخدام محللات OC/EC الحرارية البصرية (TOAs)، التي تمكن من القياس عن طريق الانحلال الحراري الخاضع للرقابة والأكسدة بموجب بروتوكولات درجة حرارة محددة وضمن الأجواء المقيدة. وتوجد عدة وكالات اتصال تجارية، بما في ذلك أداة شبه مستمرة تتيح إجراء تحليلات على الإنترنت في الميدان. يستخدم هذا الجهاز إجراء معايرة في الاختبار يتطلب معايرة متكررة نسبياً. تفاصيل هذه المقالة بروتوكول معايرة لهذا TOA شبه المستمر ويقدم أداة البرمجيات مفتوحة المصدر لتحليل البيانات والتحديد الكمي الصارم ة مونتي كارلو من عدم اليقين. وتجدر الإشارة إلى أن أداة البرمجيات تتضمن وسائل جديدة لتصحيح الانجراف في الأجهزة وتحديد وقياس عدم اليقين في نقطة الانقسام بين OC/EC. وهذا تحسن كبير في تقدير عدم اليقين في برنامج الشركة المصنعة، الذي يتجاهل عدم اليقين في نقطة الانقسام ويستخدم المعادلات الثابتة للأخطاء النسبية والمطلقة (مما يؤدي عموما إلى عدم اليقين الناقص ة و غالباً ما تسفر عن نتائج غير مادية كما هو موضح في عدة مجموعات بيانات على سبيل المثال). يتم تقاسم بروتوكول المعايرة المثبت وأداة البرمجيات الجديدة التي تمكن من التحديد الكمي الدقيق للشكوك المجمعة من المعايرة والتكرار ونقطة تقسيم OC/EC بهدف مساعدة الباحثين الآخرين في تحقيق أفضل قياسات OC، EC، وكتلة الكربون الكلي في عينات الهباء الجوي.

Introduction

والقدرة على قياس التركيزات الجوية للأنواع الكربونية بدقة أمر بالغ الأهمية بالنسبة للعديد من الباحثين. وقد اقتُرح أن تكون الأنواع الكربونية في الجسيمات المحيطة (PM، أكبر عامل خطر بيئي للوفاة المبكرة¹⁾العنصر الرئيسي في PM المسؤول عن الآثار الصحية الضارة والنتائج²^و3 ^،⁴. والكربون الجسيمي في الغلاف الجوي هو ملوث مناخي حرج، حيث من المعروف أن لمختلف الأنواع الكربونية تأثيرات متغيرة، بل ومعاكسة. الكربون الأسود هو يحتمل أن يكون ثاني أقوى قوة مشعة مباشرة في الغلاف الجوي للأرض^5،^6،^7،^8. عند إيداعها على الثلج والجليد، والكربون الأسود يقلل أيضا من انعكاسية المناظر الطبيعية في القطبالشمالي، وتعزيز امتصاص أشعة الشمس، وزيادة معدل ذوبان^9،^10،^11،¹². وعلى النقيض من ذلك، تعمل جزيئات الكربون العضوية التنظيرية كنوى لتكثيف السحب، مما يزيد من انعكاسية الأرض المتوسطة، ويسبب تأثير تبريد^13. ومن ثم فإن التصنيف الدقيق للمواد الكربونية المأخوذة عينات والتحديد الكمي المتزامن لأوجه عدم اليقين في القياس هما جانبان أساسيان في قياسات الجسيمات.

ويمكن تحقيق التمييز بين الكربون العضوي والكربون الأولي في عينة محملة بالجسيمات باستخدام تحليل حراري بصري^14. تم إنشاء أنظمة تجارية مختبرية لتحليل الكربون الحراري البصري¹⁵^و16^و17 بما في ذلك محلل على الخط وشبه المستمر¹⁸ التي تمكن من تنفيذ التحليلات الحرارية البصرية في هذا المجال. ويصف هذا العمل إجراء ً مفصلاً لمعايرة هذا الجهاز الأخير من أجهزة OCEC (انظر جدول المواد)ويشترك في أداة برمجيات مفتوحة المصدر للتقدير الكمي الدقيق لأوجه عدم اليقين في المعايرة والتحليل. وعلى الرغم من أن الإصدار الأولي للبرمجيات المفتوحة المصدر مصمم لشكل ملف إخراج الأداة شبه المستمرة، فإن أداة البرمجيات يمكن أن توسعها الجهات الأخرى بسهولة في المستقبل للعمل مع النواتج التي تولدها أدوات أخرى.

محلل الكربون العضوي/الأولي الحراري البصري شبه المستمر (OCEC) يحدد كمية الكربون العضوي (OC) والكربون الأولي (EC) في حجم العينة. ويتضمن إجراء التحليل أربع مراحل مبينة في الشكل 1. أولا، يتم سحب حجم عينة من خلال الصك، حيث يتم إيداع الجسيمات على، ويتم امتصاص المواد العضوية في مرحلة الغاز من قبل، مرشح الكوارتز. عند إنهاء أخذ العينات ، يتم تسخين فلتر الكوارتز من خلال بروتوكول درجة الحرارة المنصوص عليهفي في الغلاف الجوي الخامل والهيليوم (He). خلال هذا الإجراء، يتم البيروزيلمنت جزء من المواد الكربونية حراريا من مرشح الكوارتز. يتم توجيه العادم الغازي إلى درجة حرارة ثابتة، أكسيد المنغنيز (MnO₂₎الفرن الذي يحول الأنواع الكربونية البيرالى إلى ثاني أكسيد الكربون (CO_2). ويقاس التركيز المحدد زمنياً لثاني أكسيد الكربون المفرج عنه فيما بعد بكاشف الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة(NDIR). بعد التدفئة الأولية في بيئة He، يتم تسخين العينة من خلال بروتوكول مماثل في بيئة مؤكسدة (Ox). في وجود الأكسجين، يتم أكسدة الأنواع الكربونية الحرارية المتبقية على مرشح الكوارتز ومن ثم توجيهها من خلال فرن MnO₂ وكاشف NDIR بنفس الطريقة. وبمجرد أن يتم تطوير الأنواع الكربونية التي تم أخذ عينات منها بشكل كامل من مرشح الكوارتز، يتم إجراء المعايرة النهائية في الاختبار. يتم إدخال كمية ثابتة (اسميا0.8 مل) من خليط الميثان 5٪ (CH₄₎-الهليوم في الصك، المؤكسدة في فرن MnO_2، وتحويلها إلى CO_2،وتقاس في وقت لاحق من قبل NDIR. تتوافق إشارة NDIR المدمجة خلال مرحلة المعايرةداخل الاختبار (التي تسمى CH 4-loop) مع كتلة الكربون المعروفة (التي تم تقديمها باسم CH₄₎وبالتالي تحدد حساسية NDIR، والتي يمكن أن تنجرف في الوقت المناسب. ثم يستخدم هذا المقياس من حساسية NDIR لاستنتاج كتل الكربون من إشارة NDIR خلال مراحل He- وOx السابقة من التحليل.

الشكل 1: إجراء التحليل الحراري البصري. تحليل إجراء من ال [ثرمب-بصري] [أسيك] جهاز. بعد الحصول على عينة على عامل تصفية الكوارتز (الخطوة 0)، يتم تنفيذ ثلاث خطوات التحليل الرئيسية. يتم تنفيذ بروتوكولين حراريين أولاً في الغلاف الجوي للهيليوم (المرحلة هي، الخطوة 1) ثم في جو مؤكسد (مرحلة الثور، الخطوة 2)، حيث يتم استخدام المكونات الكربونية/أكسدة من فلتر الكوارتز، وأكسدة المزيد في_ثاني أكسيد الكربون في غضون فرن تحفيز الثانوية، وتقاس في وقت لاحق من قبل كاشف NDIR. يتم تنفيذ إجراء المعايرةالنهائية في الاختبار (CH 4-حلقة، الخطوة 3)، حيث الأكسدة من كتلة معروفة من الميثان يوفر قدرا من الحساسية للكشف NDIR. وتقترن حساسية الكاشف_بثاني أكسيد الكربون المقاس بـ NDIR أثناء مرحلتي “هي” و”أوكس” لتحديد كمية التحميل الكتلي الكربوني على فلتر الكوارتز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يمكن أن تكون كتلة الكربون المحقون أثناء حلقة CH₄حساسة لظروف التشغيل بحيث يلزم إجراء معايرة متقطعة. تستخدم هذه المعايرة محلول السكروز المائي من التركيز المعروف (حوالي 0.99٪_{م / م)}كمعيار خارجي. يتم إجراء الاختبارات المتكررة حيث يتم إدخال وحدات تخزين مختلفة معروفة من محلول السكروز بترتيب عشوائي في الأداة ويتم إجراء التحليل الحراري البصري. وينتج عن كل اختبار متكرر (أي نتائج كل حقن وتحليل لاحق) إشارة NDIR متكاملة أثناء حلقة CH₄(“منطقة المعايرة”) وإشارة NDIR متكاملة لإجمالي الكربون (أي الإشارة أثناء مرحلتي الهي والثور المشار إليه؛ إلى ك “منطقة إجماليّة”), أيّ يماثل إلى الكتلة معروفة كربون في سكروز. يوفر الانحدار الخطي لكتلة الكربون المعروفة مع “المساحة الإجمالية” المبلغ عنها بالأداة مقياسًا لحساسية NDIR المتوسطة. ثم تقترن هذه الحساسية مع متوسط “منطقة المعايرة” لإنتاج المعرفةمعايرة من كتلة الكربون حقن خلال CH 4-حلقة.

وإلى جانب المعايرة، يتمثل أحد التحديات الرئيسية في تفسير النتائج من أداة OCEC في تحديد الكسور النسبية لـ OC وEC في العينة المقاسة. كما OC pyrolyzes خلال مرحلة He من بروتوكول درجة الحرارة، والأحرف كسر على مرشح بدلا من أن يطلق سراحه، أكسدة في فرن MnO_2، وكشف من قبل NDIR. من الناحية النظرية، يبقى هذا OC الحرارية المتفحمة (تسمى الكربون البيرولز، PC) على مرشح حتى مرحلة الثور، عندما يتم أكسدة جنبا إلى جنب مع الجماعة الأوروبية. وبالتالي، فإن وضع علامات ساذجة على جميع الكربون المتطورة خلال المرحلة هي كـ OC والكربون المتطور في مرحلة الثور حيث أن الجماعة الأوروبية تؤدي إلى تقديرات متحيزة للجزء الحقيقي من OC وEC. وهناك وسيلة شائعة لتحديد نقطة الانقسام (أي اللحظة التي يعتبر فيها كل تطور الكربون السابق OC وكل تطور الكربون اللاحق ة كللجماعة الأوروبية) هو الأسلوب¹⁹للنفاذ الحراري/البصري ( TOT). هنا، يتم توجيه الليزر من خلال مرشح الكوارتز أثناء التحليل الحراري ويتم الكشف عن قوتها (المصب بصريا من مرشح الكوارتز) من قبل كاشف ضوئي. بافتراض أن OC ليست نشطة بصريا في الطول الموجي الليزر (أي، OC يمتص الضوء negligibly) وPC يشارك الخصائص البصرية مع EC، يمكن تقدير نقطة الانقسام. الفرضية هي قياس قوة الليزر المخففة أولاً في بداية التحليل. كما OC يتطور (جزئيا إلى جهاز الكمبيوتر امتصاص الضوء)، يتم تعزيز التوهين من الليزر بحيث يسقط إشارة الكشف الضوئي. كما يتم إدخال مرحلة الثور وEC / PC تتطور بشكل مشترك، يتم تقليل التوهين، وإشارة كاشف ضوئي يبدأ في الزيادة. يتم تعريف نقطة الانقسام على أنها المثيل في الوقت الذي تعود فيه قوة الليزر المقاسة إلى قيمتها الأولية. وفي حين أن منطق هذا النهج قوي، فإن النتيجة تعتمد على الافتراضات المشار إليها أعلاه. وعلى هذا النحو، من الشائع الإعلان عن أن نتائج OC وEC المبلغ عنها “محددة من الناحية التشغيلية” – أي أنها خاصة بالأسلوب المستخدم لتقييم نقطة الانقسام¹⁴^و20^و21.

على الرغم من أنه من الصحيح من الناحية النظرية أن يتم تطوير OC في مرحلة He وPC / EC تطورت في مرحلة الثور، وقد لوحظ أن تطور PC / EC يمكن أن يحدث في الواقع خلال المرحلة He-بسبب آليات مختلفة²²^،²³^،²⁴ ^،²⁵، بحيث يمكن أن تحدث نقطة الانقسام الحقيقية قبل إدخال الأكسجين. ويشير هذا الغموض في التنبؤ بالمكان الذي ينبغي أن تكمن فيه نقطة الانقسام، إلى جانب عدم اليقين في افتراضات الخصائص البصرية للأوسي، والكمبيوتر الشخصي، والجماعة الأوروبية، إلى أن عدم اليقين في نقطة الانقسام يمكن أن يكون مصدراً مهيمناً لعدم اليقين في الكربون المقاس الجماهير. ولحسن الحظ، فإن التقدير المنهجي لنقطة الانقسام عن طريق طريقة TOT يمكّن من تقدير موضوعي لعدم اليقين في نقطة الانقسام. غير أنه لا يوجد، حسب علم المؤلفين، تقدير مباشر (وما يترتب على ذلك من انتشار) لعدم اليقين في نقطة الانقسام في برمجيات الشركة المصنعة؛ بدلا ً من ذلك يتم حساب إجمالي حالات عدم اليقين المبلغ عنها مع مكونات نسبية ومطلقة ثابتة²⁶. كجزء من هذا العمل، يتم عرض تقنية جديدة لتقدير عدم اليقين نقطة الانقسام – تقنية “انخفاض التوهين”. وفي هذه التقنية، يُحدد مقدار عدم اليقين في نقطة الانقسام كفرق بين كتلة الكربون المتطورة عند التقسيم الاسمي (عن طريق طريقة TOT) وكتلة الكربون المتطورة في نقطة لاحقة حيث انخفض التوهين بالليزر إلى ما يتجاوز بعض الكمية الحرجة، جزء محدد من التوهين الأولي. ويُقدَّر انخفاض الإنتوهين الحرج استناداً إلى عدم اليقين في التوهين بالليزر بالنسبة لقيمته الأولية؛ من الناحية النظرية، هذا النهج يلتقط عدم اليقين في مبدأ مطابقة التوهين الرئيسي لطريقة TOT. وعلاوة على ذلك، وللنظر (جزئياً على الأقل) في عدم اليقين في نقطة الانقسام بسبب الخصائص البصرية المفترضة للحاسوب الشخصي والجماعة الأوروبية، يتم توسيع الانخفاض المقترح في التوهين الحرج بمعامل اثنين.

تقدم هذه المقالة بروتوكول مفصل لمعايرة أداة OCEC جنبا إلى جنب مع أداة برمجية لتحديد بدقة المعايرة وتحليل الشكوك. أولاً، الأقسام من 1 إلى 3 من البروتوكول تحدد تعليمات إنشاء محلول السكروز المائي، وإعداد الأداة للمعايرة، والحصول على بيانات المعايرة. يستخدم القسم 4 أداة البرنامج الجديدة المفتوحة المصدر (انظر جدول المواد)لتحليل بيانات المعايرة عبر واجهة المستخدم الرسومية للبرنامج. ويحدد القسم 5 اعتبارات الحصول على عينة باستخدام أداة OCEC، ويصف الفرع 6 استخدام البرمجيات المشار إليها أعلاه لحساب كتل الكربون وما يرتبط بها من أوجه عدم اليقين، بما في ذلك المساهمات المستمدة من تقدير التقسيم نقطه. ويرد في وثائق البرنامج على الإنترنت وصف للتقنيات الجديدة لتحسين معالجة بيانات OCEC – بما في ذلك تقنية “انخفاض التوهين” الواردة أعلاه.

ضمن أداة البرامج المعروضة، يتم حساب ثوابت المعايرة وكتل الكربون المقاسة والشكوك المرتبطة بها باستخدام طريقة مونتي كارلو (MC). ينشر هذا الإجراء الأخطاء التي لا، على حد علم المؤلفين، التي تعتبر حاليافي البرامج الخاصة بالشركة المصنعة. بالنسبة للمعايرة، تشمل مصادر الخطأ هذه عدم اليقين في تركيز السكروز في المحلول المائي، والدقة في حجم محلول السكروز التطبيقي (دقة الأداة، وإمكانية التكرار بين المستخدمين، والتكرار داخل المستخدم)، و عدم اليقين في الانحدار الخطي. وفيما يتعلق بتحليل البيانات، تشمل مصادر الخطأ المدروسة عدم اليقين في المعايرة وإمكانية التكرار، والأهم من ذلك، عدم اليقين المقدر لنقطة الانقسام. وفي نهاية المطاف، يمكّن البرنامج المستخدم من تحديد كمية عدم اليقين بدقة في معايرة الأداة ونشر هذا الغموض إلى جانب تقدير النقاط المنقسمة في حساب كتل الكربون. ويمثل ذلك تحسناً ملحوظاً في بروتوكول الشركة المصنعة، وذلك بالنظر مباشرة في مصادر الخطأ الرئيسية في القياس، بدلاً من تقدير أوجه عدم اليقين الجزئية باستخدام معادلة ثابتة.

Protocol

ملاحظة: يحتوي هذا الصك على ليزر مرئي من الفئة 1. وفي حين أن التعرض لهذا الليزر المنخفض الطاقة من غير المرجح أن يؤدي إلى ضرر، فإن الأداة تتضمن جهازاً متشابكاً في شكل كفن ليزر يمنع المستخدم من المسار البصري عندما تكون لوحة الوصول مفتوحة. إزالة كفن الليزر تعطيل الليزر، بحيث لا ينبغي أن يحدث التعرض للليزر في جميع أنحاء البروتوكول المقدمة. قد تسخن أفران الجهاز إلى حوالي 900 درجة مئوية أثناء التشغيل العادي للأداة وقد تصبح المكونات التي يتم التلاعب بها في جميع أنحاء البروتوكول المعروض ساخنة. قبل القيام بعمل داخل لوحة الوصول الخاصة بالأداة، تأكد من أن برنامج العدادات يقرأ “حالة” “الخمول” وأن درجة حرارة “الفرن الأمامي” هي <90 درجة مئوية. توخي الحذر عند معالجة المكونات بالقرب من وحدة الفرن مباشرة بعد عمليات درجة الحرارة العالية. 1. إعداد محلول السكروز المائي. على توازن دقيق، ضع وعاء زجاجي نظيف قابل للغلق لا يقل عن 1 لتر في الحجم. أضف 10 غ من السكروز عالي النقاء و1000 غرام من الماء المقطر المنزع (DDi) إلى السفينة. ختم السفينة وتخلط جيدا عن طريق الهز حتى يذوب السكروز تماما. نقل جزء من الحل إلى جرة صغيرة ونظيفة والزجاج(جدول المواد)لpipetting. قم بتخزين كلا الحلين في الثلاجة لمدة تصل إلى ستة أشهر. 2. إعداد أداة للمعايرة. تنشيط الصك والسماح للفرن الخلفي أن يأتي إلى درجة الحرارة. تشغيل ما لايقل عن خمسة CH 4-الحلقات للسماح للعابرين بدء التشغيل لتبديد. في الحقل “معرف العينة #” من برنامج الأداة، اكتب النص للإشارة إلى بدء التشغيل، مثل أداة الاحماء. في الحقل PAR FILE، انقر فوق الزر … في الحقل “ملف البيانات الأولية الإخراج” ، انقر فوق الزر … ملاحظة: يتوفر ملف المعلمة OCECgo_WarmUp.par في مستودع البرامج على الإنترنت لأداة برنامج OCECgo (جدول المواد). تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار استخدام أوقات الملفات النموذجية. في القائمة المنسدلة “دقائق العينة”، حدد 0. تأكد من تحديد خانة الاختيار دورة. انقر فوق الزر بدء تحليل. السماح للأداة للعمل لمدة 20 دقيقة ~.ملاحظة: يجب أن يكون التفاعل مع القائمة المنسدلة “دقائق نموذج” بواسطة الماوس. لن يتعرف الصك على إدخال النص اليدوي. أثناء التحليل النهائي، قم بإلغاء تحديد خانة الاختيار دورة والسماح للتحليل الحالي بالانتهاء. استبدال مرشحات الكوارتز(اختياري).ملاحظة: من المستحسن من قبل الشركة المصنعة للصك18 أن يتم استبدال المرشحات أسبوعيا (على افتراض الاستخدام المتسق للأداة). إزالة الكوارتز (أنبوب) إدراج. فتح لوحة الوصول وإزالة كفن الليزر (دي تنشيط الليزر). إزالة كاشف الصور (لا الأدوات المطلوبة) عن طريق تخفيف الجوز البولي أوكسيميثيلين الأبيض (POM) وراء كاشف الصور، وقطع تركيب أنبوب معدني على الجانب الأيسر من كاشف الصور، وانزلاق السكن كاشف ضوئي قبالة إدراج الكوارتز. ضع كاشف الصور في الجزء السفلي من الأداة. إزالة إدراج الكوارتز عن طريق تخفيف الجوز بوم الأبيض عقد إدراج الكوارتز في مكان و- في حين يرتدي غير مسحوق، المتاح، قفازات بلاستيكية – انزلاق إدراج الكوارتز للخروج من المناسب POM.تحذير: إدراج الكوارتز هش جدا، وضعه ثابت على نسيج خال من الوبر على سطح مستو. باستخدام أداة إزالة عامل التصفية، قم بإزالة عوامل تصفية الكوارتز الموجودة والتخلص منها. تثبيت مرشحات كوارتز جديدة. ضع مرشح كوارتز كبير على نسيج خال ٍ من الوبر على سطح مستو. باستخدام أداة لكمة مرشح، لكمة خارج مرشح واحد. باستخدام ملاقط نظيفة، وإزالة مرشح من لكمة ومكان ضد السكن POM لإدراج الكوارتز بحيث سطح محكم من مرشح يواجه بعيدا عن الفرن. ارتداء غير مسحوق، المتاح، قفازات بلاستيكية، واستخدام إدراج الكوارتز لشريحة مرشح الكوارتز حتى يجلس تماما ضد الفرن. كرر الخطوتين 2.3.2.1 و 2.3.2.2 بحيث يتم تثبيت اثنين من عوامل تصفية الكوارتز. تثبيت مرشح الكوارتز الثالث (يشار إليها باسم الكوارتز “قارب”) لإدخال معيار السكروز إلى الصك. كرر الخطوة 2.3.2.1. باستخدام ملاقط نظيفة، وإزالة مرشح من لكمة ووضع مرشح الكوارتز “قارب” في نهاية إدراج الكوارتز بحيث المقاطع العرضية من مرشح وإدراج عمودي. استبدال المكونات وإغلاق الصك. ارتداء غير مسحوق، المتاح، قفازات بلاستيكية، إعادة إدخال إدراج الكوارتز في الصك. يدويا فضفاضة تشديد الجوز بوم الأبيض الذي يؤمن إدراج الكوارتز في مكان. استبدال رئيس كاشف ضوئي (لا توجد أدوات مطلوبة). حرك السكن كاشف ضوئي على نهاية إدراج الكوارتز. إعادة ربط فضفاضة تركيب أنبوب معدني على الجانب الأيسر من كاشف ضوئي لضمان المحاذاة المناسبة للكشف الضوئي وإدراج الكوارتز. فضفاضة اليد تشديد الجوز بوم الأبيض تأمين رئيس كاشف ضوئي على إدراج الكوارتز. اليد تماما تشديد تركيب أنبوب معدني على الجانب الأيسر من كاشف ضوئي. تأكد من أن جميع المكسرات POM هي تماما اليد ضيقة وآمنة.ملاحظة: من الأهمية بمكان أن يكون فرن الجهاز محكم الإغلاق من الغلاف الجوي. وهذا هو، على الرغم من أن الأدوات لا ينبغي أن تستخدم، اليد تشديد جميع المكسرات POM قدر الإمكان. في تجربة المؤلفين، على الرغم من حساسة، إدراج الكوارتز قوية في الاتجاه المحيطي – تشديد كبير من المكسرات POM، الذي يضمن الأختام جيدة، من غير المرجح أن تضر إدراج الكوارتز. استبدل كفن الليزر (إعادة تنشيط الليزر) وأغلق لوحة الوصول. تنظيف مرشحات الكوارتز المثبتة حديثا عن طريق تشغيل ما لا يقل عن دورة واحدة نظيفة الفرن. انقر على القائمة المنسدلة تشغيل في شريط أدوات برنامج الصك وحدد فرن نظيف، مما يرفع درجة حرارة الفرن الأمامي إلى أعلى من ~ 835 درجة مئوية. تأكد من إزالة الكربون المتبقي من عامل التصفية باستخدام دورة (دورة) تحليلية فارغة. في الحقل PAR FILE من برنامج الأداة، انقر فوق … تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار استخدام أوقات الملفات النموذجية. في القائمة المنسدلة “دقائق العينة”، حدد 0. تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار دورة. انقر فوق الزر “تحليل البدء”، وتأكد من أن هناك حاجة إلى تحليل/دورة واحدة فقط، والسماح للتحليل الحراري بالتنفيذ.ملاحظة: يجب أن يكون التفاعل مع القائمة المنسدلة “دقائق نموذج” بواسطة الماوس. لن يتعرف الصك على إدخال النص اليدوي. كرر الخطوتين 2-6 و2-7 حتى تكون كتلة الكربون الإجمالية المبلغ عنها من الأداة مساوية إحصائياً للصفر. 3. الحصول على بيانات المعايرة. الحصول على نقطة معايرة واحدة. إزالة إدراج الكوارتز عبر الخطوة 2.3.1 واتباع إجراءات الأنابيب الموصى بها من قبل الشركة المصنعة، يستنشق 5 μL أو 10 ميكرولتر من محلول السكروز. إيداع بعناية العينة على قارب الكوارتز، أقرب ما يمكن إلى نهاية إدراج الكوارتز، وضمان تنفيذ إجراء انفجار بحيث يتم إخراج وحدة التخزين بأكملها على قارب الكوارتز. إعادة إدخال إدراج الكوارتز، وإغلاق الصك عن طريق الخطوة 2.5، وتجفيف مرشح الرطب. انقر على القائمة المنسدلة تشغيل في شريط أدوات برنامج الصك وحدد مرشح الرطب الجاف،مما يرفع درجة حرارة الفرن الأمامي إلى 110 درجة مئوية. بمجرد تبريد الفرن الأمامي، قم بتشغيل بروتوكول الأداة ليتم استخدامه في قياسات ما بعد المعايرة (المحددة في الخطوة 5.3.1). في الحقل “معرف العينة #” من برنامج الأداة، اكتب النص للإشارة إلى حجم السكروز المطبق، مثل 5 uL. في الحقل PAR FILE، انقر فوق … لاستعراض وتحديد ملف .par للبروتوكول الحراري المطلوب. في الحقل “ملف البيانات الأولية الإخراج” ، انقر فوق … لاستعراض ملف .txt مناسب وتحديده أو إنشائه مثل yyyy-mm-dd_Calibration.txt. تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار استخدام أوقات الملفات النموذجية. في القائمة المنسدلة “دقائق العينة”، حدد 0. تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار دورة. انقر فوق الزر “تحليل البدء”، وتأكد من أن هناك حاجة إلى تحليل/دورة واحدة فقط، والسماح للتحليل الحراري بالتنفيذ.ملاحظة: يجب أن يكون التفاعل مع القائمة المنسدلة “دقائق نموذج” بواسطة الماوس. لن يتعرف الصك على إدخال النص اليدوي. الحصول على نقطة معايرة فارغة/خلفية واحدة. تنفيذ الخطوة 3.1 دون إيداع عينة السكروز على قارب الكوارتز.ملاحظة: للحصول على خلفية فارغة دقيقة، تأكد من تعرض قارب الكوارتز للهواء المحيط كما لو كان المستخدم إيداع عينة من السكروز. كرر الخطوة 3.1 بحيث يتم الحصول على نقطة معايرة واحدة لكل منها عند 5 و10 ميكرولتر. كرر الخطوتين 3-1 و3-2 كما هو مطلوب لتحقيق عدم اليقين المطلوب في المعايرة كما تم حسابها في الخطوة 4.ملاحظة: يمكن تنفيذ القسم 4 بعد كل تكرار من القسم 3.3 لدعم المستخدم في تحديد التقارب المرضي للمعايرة. إزالة قارب الكوارتز. إزالة إدراج الكوارتز عبر الخطوة 2.3.1. باستخدام ملاقط نظيفة، وإزالة قارب الكوارتز من إدراج الكوارتز. إعادة إدخال إدراج الكوارتز وإغلاق الصك عبر الخطوة 2.5. لضمان إعداد الأداة لقياسات ما بعد المعايرة، قم بتشغيل دورة تنظيف فرن واحدة على الأقل كما هو الحال في الخطوة 2.6. 4. حساب المعايرة ثابتمع عدم اليقين. ملاحظة: تستخدم أداة برنامج OCECgo الأدوات المساعدة الماوس لمساعدة المستخدم مع إدخال البيانات واختيار معلمات التحليل. يتم سرد مزيد من المعلومات، بما في ذلك النطاقات الافتراضية والمسموح بها للحقول القابلة للتحرير من قبل المستخدم في وثائق الأداة عبر الإنترنت. قم بتحميل أداة البرنامج(OCECgo)وانقر للترحيل إلى علامة التبويب أداة المعايرة. بيانات معايرة الإدخال. في القسم (1) من واجهة المستخدم الرسومية (GUI)، بيانات معايرة المدخلات: الحجم الاسمي لحل السكروز التطبيقي، إشارة NDIR المدمجة المبلغ عنها بالآلات المقابلة لإجمالي الكربون (“المساحة الإجمالية”)، إشارة NDIR المتكاملة المبلغ عنها من قبل الأجهزة أثناء CH4-حلقة(“منطقة المعايرة”)، ومنطقية للإشارة إلى ما إذا كان ينبغي استخدام نقاط محددة في المعايرة (“1” لنعم؛ “0” لا). كرر لكل نقطة بيانات، إضافة وحذف الصفوف إلى الجدول، حسب الضرورة، بالنقر فوق الزرين “+ صف” و “- صف”.ملاحظة: يمكن للمستخدم بدلاً من ذلك النقر فوق الزر استيراد المعايرة لتحميل بيانات المعايرة السابقة والمدخلات إلى أداة البرنامج. إذا تم ممارسة هذا الخيار، انتقل إلى الخطوة 4.4 لإعادة إنشاء المؤامرات في قسم واجهة المستخدم الرسومية (3) أو انتقل مباشرة إلى القسم 6 لتحليل بيانات الأداة. تعريف بيانات عدم اليقين لاستخدامها في تحليل مونتي كارلو. في قسم واجهة المستخدم الرسومية (2) (أ)، بيانات الإدخال المتعلقة بمحلول السكروز المائي. كتل الإدخال من السكروز والمياه DDi تقاس خلال الخطوة 1.1 والتحيز المطلق 2י من مقياس [ز] المستخدمة لقياس DDi وكتل السكروز – التحيز المطلق يعادل دقة النطاق المبلغ عنها. إدخال النقاء الاسمي الأدنى للسكروز [%م/م]المدرج على ملصق وعاء السكروز وإدراج نطاق درجات الحرارة المحيطة [درجة مئوية] التي لوحظت أثناء الحصول على بيانات المعايرة.ملاحظة: 2י يتوافق مع ضعف الانحراف المعياري، الذي في سياق التوزيع العادي (غاوسيان) هو تقدير متحفظ من الفاصل الزمني الثقة 95٪ (CI). وفي الفرع (2) (ب)، تقدم بيانات تتعلق بعدم اليقين بشأن الماصة. دقة المدخلات النسبية 2י للمعدات المبلغ عنها (خطأ في التحيز)، والمعدات التي تم الإبلاغ عن تكرارها (خطأ في الدقة)، وخطأ في الدقة يقابل التكرار داخل المستخدم، وخطأ في التحيز يتوافق مع قابلية التكرار بين المستخدمين لوحدات التخزين المستنشقة من 5 ميكرولتر و 10 ميكرولتر.ملاحظة: تتوافق أوجه عدم اليقين الافتراضية بشأن الماصة مع الأداة المدرجة في جدول المواد. وقد قُدِّرت الأخطاء البشرية الافتراضية 2- استناداً إلى الفروق المجمعة في دراسات التكرار داخل المستخدم وإمكانية التكرار بين المستخدمين في كل مجلد. في القسم (2) (ج)، أدخل العدد المطلوب من سحوبات مونتي كارلو لحساب مقاييس المعايرة.ملاحظة: عدد يرسم مونتي كارلو يتوافق مع عدد الحسابات العشوائية لثابت المعايرة الجماعية ضمن إطار مونتي كارلو. أرقام أكبر تسفر عن نتائج أكثر اتساقا ولكن يستغرق وقتا أطول لمعالجة (المزيد من الوقت الحسابي). القيمة الافتراضية في OCECgo هي 106 بينما القيم المسموح بها هي [102و 108]. قم بتشغيل التحليل. في قسم واجهة المستخدم الرسومية (3)، اضغط لتشغيل تحليل مونتي كارلو لمعالجة بيانات المعايرة. تحديث ملف معايرة الأداة مع النتائج المعروضة في القسم (4). افتح ملف معلمة الأداة: SCInstrumentParameters.txt. ابحث عن سطر النص الذي يحتوي على بيانات المعايرة الموجودة — يتضمن سطر النص هذا تعليقًا على الجانب الأيمن يقرأ “ثابت المعايرة…”. يستعاض عن البيانات الرقمية بمنطقة “كتلة الكربون المعايرة” و”متوسط المعايرة (CH4-loop)المبلغ عنها”. حفظ وإغلاق ملف المعلمة وإعادة تشغيل برنامج الصك. حفظ و/أو تصدير نتائج المعايرة (اختياري). انقر فوق الزر حفظ كمعايرة افتراضية لتخزين نتيجة المعايرة للاستخدام الافتراضي من قبل البرنامج.ملاحظة: يتم تخزين نتائج المعايرة في ملف تهيئة يقوم بإعادة تحميل أحدث معايرة عند إعادة تشغيل البرنامج. يتم تحذير المستخدم إذا كان التاريخ الحالي أكثر من 30 يوما من أحدث معايرة. انقر فوق الزر تصدير نتائج معايرة لتصدير بيانات المعايرة.ملاحظة: يتم تصدير البيانات الرقمية إلى ملف .xlsx بتنسيق مسبق ويتم تصدير التصور نتائج مونتي كارلو كملف .png. يكون ملف المعايرة المحفوظ هذا مفيدًا إذا أريد إعادة تحليل/استيراد النتائج في تاريخ لاحق باستخدام المعايرة القابلة للتطبيق. بمجرد اكتمال المعايرة، قم بإزالة قارب الكوارتز. بعد الخطوة 2.3.1، قم بإزالة إدراج الكوارتز من الأداة. باستخدام ملقط أو ملاقط، وإزالة قارب الكوارتز المستخدمة للمعايرة. بعد الخطوة 2.5 استبدال إدراج الكوارتز وإغلاق الصك. 5. الحصول على بيانات القياس. تعيين معدل تدفق العينة المطلوب (اختياري). افتح ملف التحكم في صمام الأداة: valve_table.txt. تعيين المعلمة “تجميع” من “صمام A”، الذي يمثل معدل تدفق العينة المستهدفة في لتر في الدقيقة الواحدة، إلى قيمة عدد صحيح بين 2 و 8 (شاملة).ملاحظة: يجب إعادة تشغيل برنامج الأداة بعد التغييرات في ملف التحكم بالصمام. تعيين فترة أخذ العينات المطلوبة. إذا كان المطلوب عينة فورية. تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار استخدام أوقات الملفات النموذجية. في القائمة المنسدلة “دقائق العينة”، حدد فترة العينة المطلوبة بالدقائق. إذا رغبت في الحصول على أمثلة متعددة ومتتالية، فتأكد من تحديد خانة الاختيار دورة. وإلا، تأكد من عدم تحديد خانة الاختيار دورة.ملاحظة: يجب أن يكون التفاعل مع القائمة المنسدلة “دقائق نموذج” بواسطة الماوس. لن يتعرف الصك على إدخال النص اليدوي. إذا كان من المرغوب فيه لتأخير الحصول على عينة. افتح ملف التحكم في الوقت نموذج الصك: SamTimePar1.txt. يحتوي كل صف من هذا الملف على زوج مفصول بفواصل من نموذج وقت البدء والمدة. قم بتحرير هذا الملف حسب الرغبة، ثم احفظ الملف وأغلقه ثم أعاد تشغيل برنامج الأداة. تنفيذ التحليل الحراري. في الحقل “معرف العينة #” من برنامج الأداة، اكتب نصًا لتعريف النموذج، مثل Sample_01. في الحقل PAR FILE، انقر فوق الزر … في الحقل “ملف البيانات الأولية الإخراج” ، انقر فوق الزر … انقر فوق الزر بدء تحليل. إذا لزم الأمر، تأكد من أن هناك حاجة إلى تحليل واحد فقط/ دورة واحدة.ملاحظة: حددت التجربة، مع اثنين من الصكوك الفريدة، أن القياس الداخلي لحجم العينة يختلف مع القياسات باستخدام مقياس تدفق كتلة عالية الدقة الخارجية، مع أخطاء تتجاوز 10٪ في بعض الحالات. وعلاوة على ذلك، لوحظ أن الأخطاء في حجم العينة المبلغ عنها بواسطة الأجهزة حساسة لكل من معدل تدفق العينة ومدة العينة. ولذلك فمن المستحسن لقياس خارجيا حجم عينات في منفذ مضخة عينة مع عالية الدقة مقياس تدفق الكتلة مثل تلك المذكورة في جدول المواد. 6- حساب كتل الكربون وأوجه عدم اليقين. ملاحظة: أداة برنامج OCECgo يستغل الأدوات المساعدة الماوس لمساعدة المستخدم مع إدخال البيانات واختيار معلمات التحليل. يتم سرد مزيد من المعلومات، بما في ذلك النطاقات الافتراضية والمسموح بها للحقول القابلة للتحرير من قبل المستخدم في وثائق الأداة عبر الإنترنت. قم بتحميل أداة البرنامج (OCECgo) وانقر للترحيل إلى علامة التبويب تحليل البيانات – المدخلات. تحميل بيانات الأداة التي تم حلها بالوقت — قسم واجهة المستخدم الرسومية (1). في المقطع الفرعي (a) ، انقر فوق الزر استعراض… ثم في مربع الحوار تحديد الملف حدد ملف النتائج .txt المعرّف في الخطوة 5.3.1. في المقطع الفرعي (ب)، راجع معرّف العينات (كما هو محدد في الخطوة 5.3.1)، وانقر لتحديد تحليل الفائدة. في المقطع الفرعي (ج)، راجع بيانات التحليل الوصفية، ولا سيما الطابع الزمني لـ نموذج البدء للتحليل. تحديد خيارات معالجة البيانات — قسم واجهة المستخدم الرسومية (2). في القسم الفرعي (أ)، حدد إجراء تصحيح الليزر المطلوب: اعتماد رباعي أو خطي على درجة حرارة الفرن.ملاحظة: في تجربة المؤلفين، إجراء تصحيح الليزر عادة ً له تأثير لا يذكر – على هذا النحو، ينصح التصحيح التربيعي ويتم تحميله كقيمة افتراضية. في القسم الفرعي (ب)، حدد إجراء تصحيح NDIR المطلوب: تصحيح عن طريق هيكل محدب إلى بيانات NDIR الخام أو تصحيح خطي باستخدام مناطق NDIR التي تم الإبلاغ عنها باستخدام الأداة(من ملف النتائج).ملاحظة: تقنية بدن محدب ة (الموضحة بإيجاز في وثائق البرنامج عبر الإنترنت) يصحح إشارة NDIR عن طريق تركيب هيكل محدب كأقل من ملزمة إلى السلسلة الزمنية NDIR; تسمح هذه التقنية بتصحيح غير خطي (قطعة) لإشارة NDIR. في تجربة المؤلفين، التصحيح الخطي للكشف NDIR يمكن، في بعض الظروف، تسفر عن نتائج غير مادية – على هذا النحو، ينصح إجراء “محدب هال” ويتم تحميلها كقيمة افتراضية. في المقطع الفرعي (ج)، إذا رغبت في ذلك، اضبط معلمات التوزيع t المعمم المبلغ عنه لثابت المعايرة الكتلية (محسوبة في الخطوة 4.4) وخطأ تكرار المعايرة المقدر.ملاحظة: تنفيذ الخطوة 4.4 أو استيراد نتائج المعايرة السابقة (انظر الخطوة 4.6.2) تلقائياً بتحديث معلمات توزيع t المعممة. يتم تعيين التكرار في معايرة الأداة (“Rep. [%]”) إلى قيمة افتراضية تبلغ 7.90%، استناداً إلى اختبار التكرار من قبل المؤلفين27. في القسم الفرعي (د)، اضغط لإنشاء/تحديث الرسم الحراري للتحليل وAVEC (التوهين بالليزر مقابل الكربون المتطور21)المؤامرات.ملاحظة: إذا تم تحديد الزر ملف النتائج من (الخطوة 6.3.2) في مربع الحوار تحديد الملف حدد ملف النتائج .xlsx التي تم إنشاؤها بواسطة الصك. حدد إجراء تحديد النقاط المقسمة — قسم واجهة المستخدم الرسومية (3) و(4). في القسم الفرعي (3) (أ)، حدد الإجراء المطلوب لحساب نقطة التقسيم وما يرتبط بها من عدم اليقين: الإجراء الجديد “انخفاض التوهين” الوارد وصفه في قسم المقدمة، ونقطة انقسام محددة يدويًا وعدم اليقين (“الاختيار اليدوي”) ، أو إجراء TOT الافتراضي للشركة المصنعة (“الشركة المصنعة”).ملاحظة: يتم تعيين عرض نطاق نقطة الانقسام عند استخدام إجراء الشركة المصنعة إلى صفر (أي، إجراء الشركة المصنعة لا تنظر في عدم يقين نقطة الانقسام). في القسم الفرعي (3) (ب)، اعتماداً على الإجراء المختار لحساب نقطة الانقسام وعدم اليقين، حدد نقطة الانقسام الاسمية (المتوسطة)، وعدم اليقين في نقطة الانقسام، والتوهين الأولي بالليزر، و/أو انخفاض التوهين الحرج.ملاحظة: يقوم المستخدم بمدخلات التوهين بالليزر الأولي وعتبة انخفاض التوهين لإجراء “انخفاض التوهين” ومدخلات متوسط الانقسام وعدم اليقين الانقسام لإجراء “الاختيار اليدوي”. لا يتم استخدام التوهين بالليزر الأولي في إجراء “التحديد اليدوي” ولكن يمكن ضبطه لدعم التحديد اليدوي لنقطة الانقسام. في القسم (4)، راجع دقة نقطة الانقسام وعدم التيقن منها. الاستفادة من مؤامرة AVEC، كرر الخطوتين 6-4-1 و 6.4.2 حسب الاقتضاء، إلى أن يتم تحقيق نقطة انقسام مرضية وعدم يقين معقول من نقطة الانقسام. استخدام التكبير في( )، والتصغير ( ) ، وعموم ( )المرافق كما هو مطلوب للتعامل مع مؤامرة AVEC ودعم اختيار نقطة الانقسام وعدم اليقين. تشغيل تحليل مونتي كارلو — قسم واجهة المستخدم الرسومية (5). في الفرع الفرعي (أ)، تدرج الدقة المقدرة للصك ككل.ملاحظة: دقة الأداة (التكرار) في وحدات ميكروغرام. وتستند القيمة الافتراضية في OCECgo (0.031 ميكروغرام) إلى تقديرات المؤلفين عن طريق تكرار تحليلات فارغة. في القسم الفرعي (ب)، أدخل العدد المطلوب من يرسم مونتي كارلو لحساب كتل الكربون.ملاحظة: عدد يرسم مونتي كارلو يتوافق مع عدد من الحسابات العشوائية من كتل الكربون تحت إطار مونتي كارلو. وتسفر الأرقام الأكبر عن نتائج أكثر دقة واتساقا، على حساب الوقت الحسابي. القيمة الافتراضية في OCECgo هي 106 بينما القيم المسموح بها هي [102و 108]. في القسم الفرعي (ج)، اضغط لتشغيل تحليل مونتي كارلو لحساب كتل الكربون وما يرتبط بها من شكوك.ملاحظة: بعد تنفيذ تحليل مونتي كارلو، يتم ترحيل المستخدم إلى علامة التبويب أداة تحليل البيانات – النتائج. استعراض النتائج. (أ) أداة تحليل البيانات – تقارير علامة التبويب عن النتائج عن إحصاءات OC المقاسة، والجماعة الأوروبية، ومجموع الكربون (TC)؛ الرسوم البيانية لنتائج مونتي كارلو؛ وأفضل ملاءمة توزيع احتمال الخلفي من كتل الكربون لاستخدامها في إجراءات مونتي كارلو اللاحقة، التي اختارها معيار المعلومات Akaike28. اضغط على الزر “نتائج تحليل التصدير” لتصدير نتائج مونتي كارلو.ملاحظة: يتم تصدير البيانات الرقمية إلى ملف .xlsx بتنسيق مسبق ويتم تصدير التصور نتائج مونتي كارلو كملف .png.

Representative Results

وتُعرض النتائج التمثيلية لمعايرة أداة OCEC باستخدام بيانات المعايرة المثلالتي حصل عليها المؤلفون، المبينة في الجدول 1. هنا، يتم استخدام معايرة من ست نقاط، يتم الحصول عليها باستخدام البرامج المتقدمة واتباع مثال الشركة المصنعة في دليل الصك18. وترد النتائج في الشكل 2. الشكل 2 يعرض نتائج الانحدار الخطي على بيانات المعايرة ضمن إطار MC. تتوافق النقاط السوداء مع الفاصل الزمني للثقة 2י لكل نقطة من نقاط المعايرة الست — أي كتلة الكربون في السكروز المودع على المحور الأفقي والمساحة الإجمالية المبلغ عنها بواسطة الأداة (العمود 2 من الجدول 1)على المحور الرأسي. تمثل المنطقة المظللة الحمراء CI 2י من الانحدار الخطي استناداً إلى نقاط بيانات المعايرة الست غير المؤكدة – نقطتان لكل منهما 0 و5 و10 ميكرولتر من محلول السكروز (العمود 1 من الجدول 1). يتم تحديد متوسط كتلة الكربون التي يتم حقنها أثناء CH4-loopضمن طريقة MC. لكل رسم MC (2×107 في هذا المثال)، يتم اقتران منطقة معايرة معشاة (استناداً إلى توزيع متوسط مناطق المعايرة من العمود 3 من الجدول 1)بالنموذج الخطي غير المؤكد للحصول على تقدير MC لـ CH4-loop كتلة الكربون. تتوافق المناطق المظللة الزرقاء الأفقية والرأسية مع الـ 2 درجة مئوية لمنطقة المعايرة المتوسطة وثابت المعايرة الكتلية من تحليل MC. وترد تقديرات MC لبيانات المعايرة هذه في الرسم البياني للمؤامرة المبعثرة في الشكل 2ب. وقد أسفرت مجموعة البيانات هذه عن ثبات معايرة قدره 18.49 ميكروغراممئوية ± 2.78%. بيانات المعايرة حجم محلول السكروز[μL] “المجموع” NDIRالمنطقة [-] “معايرة” NDIRالمنطقة [-](CH 4-loop) 0 3041 31297 5 38229 31281 5 37321 32056 10 72472 31435 0 1589 31583 10 72914 30926 تركيز اسمي قدره 4.148 ± 0.022 غرامC/Lعند 25 درجة مئوية الجدول 1: بيانات المعايرة التمثيلية. بيانات معايرة تمثيلية تحتوي على فراغين ومقياسين لكل منهما بـ 5 ميكرولتر و10 ميكرولتر من محلول السكروز، بما يتفق مع مثال الشركة المصنعة في دليل الأدوات18. الشكل 2: نتائج المعايرة التمثيلية. (أ)نتائج تراجع MC لمجموعة بيانات معايرة من ست نقاط حصل عليها المؤلفون. يتم تمثيل بيانات المعايرة مع عدم اليقين 2י بواسطة مربعات سوداء ويظهر CI 2י من الانحدار الخطي في المنطقة المظللة الحمراء. يماثل الشريط أفقيّة زرقاء إلى ال [2][س] من ال [نر] يعني منطقة أثناء ال [ك] [4-لوبس] (“معايرة مناطق”),أيّ يكون زوّجت مع الانحدار غير متأكّد خطيّة أن ينتج ال [2] [س] من الكتلة معايرة ثابتة (يمثّل بالأزرق عموديّة شريط). (ب)رسم بياني للحرف المبعثرة يمثل بيانات المعايرة المحسوبة MC؛ ثابت المعايرة الكتلية على المحور الأفقي ومنطقة المعايرة المتوسطة على المحور العمودي. في هذا مثال كان حالة عدم يقين في الكتلة معايرة ثابتة تقريبا 2.78%. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. ويرد تحليل تمثيلي للبيانات باستخدام البرمجيات المتقدمة لقياس الانبعاثات الكربونية من مولد سخام مختبري (MiniCAST 5201 Type C) يحرق وقود البروبان المخفف بالنيتروجين29. وترد في الشكل 3أ و و و و و و و و و و و و و و و و وووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووو الشكل 3(ب)،على التوالي. وفي هذا المثال، يقدر عدم اليقين في نقطة الانقسام باستخدام تقنية “انخفاض الإنتوه” الموصوفة أعلاه التي طورها المؤلفون. وقد تم تحديد الانخفاض الحرج في التوهين كمياً حيث بلغ 1.342% مما أسفر عن عدم يقين من نقطة الانقسام بنسبة 4.50% من كتلة التعاون التقني. ويرد في الجدول 2موجز للنتائج الرئيسية لهذا التحليل – إحصاءات كتلة الكربون والتوزيعات اللاحقة الأفضل ملاءمة – الشكل 3: بيانات التحليل التمثيلي. (أ)رسم حراري لقوة الليزر قياس OCEC، إشارة NDIR، المطلوب (مجموعة)، وقياس (الفعلية، والعمل.) درجة حرارة الفرن. (ب)مؤامرة التوهين مقابل الكربون المتطور (AVEC) المقابلة للرسم البياني المقدم. تتوافق النقاط مع البيانات الفورية التي تم الإبلاغ عنها عند 1 هرتز، مع تحديد نقطة تمثل درجة حرارة الفرن الأمامي الفوري (فلتر). يتوافق الخط الأسود الأفقي مع التوهين بالليزر الأولي (بعد الحصول على العينة وقبل التحليل الحراري) المستخدم في تحديد نقطة الانقسام، في حين أن الخط الأحمر الأفقي يتوافق مع انخفاض بنسبة 1.342٪ في الليزر الأولي التوهين المستخدمة لتقدير عدم اليقين في نقطة الانقسام. تمثل المنطقة الرمادية المظللة CI 2י من نقطة الانقسام لهذا التحليل، الذي هو ما يقرب من 4.50٪ من كتلة TC. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. نوع الكربون يعني الشامل[ميكروغرامC] 2י عدم اليقينمن بيانات MC أفضل المناسبالتوزيع(أ) العضويهالكربون (OC) 26.94 -21.3%+22.2% N(26.94, 2.925) عنصريالكربون (EC) 93.11 -9.98%+10.4% Γ(385.7, 0.2414) مجموعالكربون (TC) 120.05 -8.32%+8.40% N(120.1, 5.014) (أ) عادي: N (μ، و) ؛ غاما: Γ(a, b[scale]) الجدول 2: النتائج التمثيلية لكتلة الكربون. MC-حساب OC, EC, وTC الجماهير للبيانات على سبيل المثال المرسومة في الشكل 3 مع عدم اليقين 2י في نقطة الانقسام من 4.50%, المقابلة لانخفاض 1.342% في التوهين الليزر الأولي. المدرجة هي متوسط و2י الشكوك من البيانات MC، بالإضافة إلى التوزيعات الخلفية أفضل المناسب.

Discussion

ويبين الجدول 3 مساهمة المصادر المحددة لعدم اليقين في ثابت المعايرة الكتلية للحالة المثال الموصوفة في الجدول 1 والشكل 2. يتم سرد عدم اليقين المعايرة التراكمية الناجمة عن خطأ التحيز في كاشف NDIR، وخطأ التحيز في تركيز السكروز، وخطأ الدقة والتحيز في وحدات التخزين pipetted. ويميل الخطأ في التحيز في كاشف NDIR (أي التباين في “منطقة المعايرة”) إلى الهيمنة، مع التحيز في إجراء الأنابيب الذي يكون ثاني أهم (على الرغم من صغره في المثال التمثيلي). وبالتالي فإن التقدير السليم لخطأ الأنابيب أمر بالغ الأهمية لضمان التحديد الكمي الدقيق لعدم اليقين في المعايرة عموماً؛ وبالإشارة إلى الخطوة 4-3-2 من البروتوكول، يُقترح بالتالي تقييم قابلية التكرار داخل المستخدم وإمكانية استنساخه فيما بين المستخدمين لكل مجموعة من المستعملين والماصة. وعلى النقيض من ذلك، فإن عدم اليقين الناجم عن تركيز السكروز في المعيار الخارجي صغير للغاية. وعلاوة على ذلك، يبدو أن هناك مساهمة ضئيلة من عدم اليقين الانحدار، نتيجة محتملة للخطية جيدة من الصك – معامل التحديد (R²⁾لاحتواء خطي من بيانات المعايرة يتجاوز عموما 99.95٪ . إذا لم تكن بيانات المعايرة خطية بما فيه الكفاية، يقوم البرنامج تلقائياً بتحذير المستخدم، الذي يكون قادراً بعد ذلك على استكشاف أخطاء مجموعة البيانات وإصلاحها عبر عنصر التحكم المنطقي المشار إليه في الخطوة 4.2 من البروتوكول؛ ثم يمكن للمستخدم تعديل مجموعة بيانات المعايرة الخاصة بهم عن طريق الحصول على بيانات الاستبدال حسب الحاجة.

أوجه عدم اليقين التي تم النظر فيها	معايرة كاملة (6 نقاط)
انحياز NDIR	± 2.61٪
+ محلول السكروز	± 2.61٪
+ ماصة	± 2.78٪
النتيجة الاسمية [ميكروغرام_C]	18.49

الجدول 3: أوجه عدم اليقين في ثبات المعايرة الجماعية. مساهمة تمثيلية من عدم اليقين في معايرة أداة OCEC للمعايرة من ست نقاط على سبيل المثال (انظر الجدول 1). ويهيمن على عدم اليقين المعايرة عموما من قبل التحيز في كاشف NDIR مع خطأ بسبب الدقة في الأنابيب من محلول السكروز، بما في ذلك الأخطاء البشرية (استنساخ بين المستخدمين والتكرار داخل المستخدم)، ويجري ثاني أهم، يليها عدم اليقين في الانحدار الخطي وتركيز السكروز (وكلاهما لا يكاد يذكر).

معايرة جهاز OCEC هو إجراء يستغرق وقتاطويلا، وعادة ما يتطلب 2-3 ساعات لإكمال اعتمادا على طول البروتوكول الحراري المستخدمة. من المستحسن إجراء معايرة أسرع. ولهذه الغاية، تم تحليل فعالية بروتوكول معايرة معدل واقتطاع باستخدام أداة البرامج المعروضة. تم تنفيذ إجراء MC المطور باستخدام جميع المجموعات الفرعية الممكنة من بيانات معايرة المثال المدرجة في الجدول 1 — تقتصر على الحالات التي تحتوي على ثلاثة بيانات أو أكثر وقياس فارغ واحد على الأقل. يتم رسم كافة ثوابت المعايرة الكتلية الناتجة من هذا التحليل في الشكل 4 كدالة لعدد بيانات المعايرة المستخدمة، حيث تم تطبيع ثوابت المعايرة بواسطة نتيجة المعايرة الكاملة (6 نقاط). ومن غير المستغرب أن يزداد عدم اليقين في ثبات المعايرة مع تقليل بيانات المعايرة المتوفرة. ومع ذلك، فإن وسائل جميع المعايرة المقتطعة تقع ضمن CI 2י من نتيجة المعايرة الكاملة، والتي هي نتيجة للخطية المذكورة أعلاه من الصك. يشير هذا الاتساق في المتوسط MC إلى أنه يمكن استخدام معايرة معدلة وأسرع تتكون من بيانات معايرة قليلة كفحص “اختبار عثرة” لمعايرة أداة OCEC. وهذا يعني أنه إذا كان متوسط MC لمجموعة بيانات معايرة من 3 نقاط ضمن CI 2י للمعايرة الحالية، فمن المحتمل أن أداة OCEC لا تتطلب إعادة المعايرة. ومن الواضح أيضاً في الشكل 4 أن عدم اليقين في المعايرة ينخفض مع المزيد من بيانات المعايرة، ولكن الانخفاض في عدم اليقين يعاني من تناقص العائدات. بالإشارة إلى الجدول 3 ومناقشته أعلاه، حيث أن عدم اليقين في المعايرة يهيمن عليه انحياز NDIR (كمياً مع الخطأ القياسي في “مناطق المعايرة”)، فإن الانخفاض الهامشي في عدم اليقين في المعايرة عن طريق إدراج الـ n^th يمكن تقدير نقطة البيانات مع العامل √(1−1/n). وبالتالي، فإن الانخفاض الهامشي في عدم اليقين، في المثال التمثيلي، أكبر عند الانتقال من معايرة من ثلاث إلى أربع نقاط منه عند الانتقال من معايرة من خمس إلى ست نقاط. وتتيح أداة البرمجيات المطورة، التي يمكن تنفيذها بعد الحصول على كل نقطة بيانات معايرة (أي بعد كل تكرار للخطوة 3-3 من البروتوكول)، للمستخدم تحديد مدى عدم اليقين في المعايرة طوال عملية الحصول على البيانات. ومن الأهمية بمكان أن هذه القدرة تمكن المستخدم ليس فقط من اتخاذ قرار بشأن التقارب الكافي للمعايرة في سياق عدم اليقين، ولكن أيضا الكشف عن وجود بيانات زائفة – وهذا هو الانخفاض المتزايد في عدم اليقين المعايرة التي لا سيما مختلفة من المتوقع يسلط الضوء على المستخدم أن أحدث نقطة بيانات المعايرة المكتسبة يمكن أن تكون معيبة.

الشكل 4: تقييم حجم العينة على عدم يقين المعايرة. ثابت المعايرة الكتلية المحسوبة لجميع المجموعات الممكنة من بيانات المعايرة المدرجة في الجدول 1 (تتطلب ما لا يقل عن ثلاثة بيانات، بما في ذلك واحد على الأقل فارغ) تم تطبيعها بالنتيجة باستخدام جميع البيانات الستة. ينخفض عدم اليقين النسبي في ثابت المعايرة مع زيادة في عدد بيانات المعايرة. وتتطابق المنطقة المظللة الزرقاء في الشكل مع CI 2י من ثابت المعايرة المحسوب باستخدام جميع بيانات المعايرة. ومن الواضح أن جميع النتائج الاسمية تقع ضمن هذا CI مما يشير إلى أنه – على الرغم من عدم اليقين – يمكن استخدام إجراء معايرة مقتطع من ثلاث نقاط بيانات معايرة فقط كفحص “اختبار عثرة” لمعايرة الأداة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وترد في الجدول 4تفاصيل كتل الكربون المحسوبة وأوجه عدم اليقين فيما بين مجموعات البيانات الأربعة على سبيل المثال؛ ويتم الحصول على هذه البيانات من قياسات الانبعاثات الكربونية من اللهب الهيدروكربوني²⁷^و29وتوربينات الغاز²⁹والشكل الدقيق (< 2 μm) الجسيمات الكربونية التي تم الحصول عليها من عينات الرواسب تحت المحيطات^30. وترد كتل OC وEC وTC المحسوبة في الجدول 4 إلى جانب انخفاض التوهين الحرج المحسوب ونسبة EC/TC لكل مجموعة بيانات، مما يبين اتساع نطاق البيانات النموذجية في سياق تكوين الكربون المعون. ويرد موجز في الجدول 4 للمصادر وأوجه عدم اليقين العامة في كتلة الكربون باستخدام أداة البرمجيات المعروضة مقارنة بالمصادر التي أبلغ عنها الصك. ضمن أداة البرنامج، ينتج عن الجمع (توزيع المنتج) من عدم اليقين والمعايرة عدم اليقين الكلي في كتلة TC المكلورة MC (الكمية كـ −8.32/+8.40% في العمل الحالي)، وهو أمر مستقل عن عدم اليقين في انقسام نقطة وبالتالي بمثابة الحد الأدنى في عدم اليقين من OC والجماهير EC. وتطبق هذه الشكوك في المعايرة التمثيلية على كل مجموعة بيانات على سبيل المثال مع الحفاظ على ثابت المعايرة الكتلية الاسمية المستخدم في التحليلات الأصلية.

الجدول 4: أوجه عدم اليقين في تحليل البيانات. المساهمة في عدم اليقين في كتل الكربون التي تقيسها OCEC لأربعة مجموعات بيانات على سبيل المثال من مجموعة واسعة من المصادر وتؤديهامختبرات مختلفة²⁷^و29^و30. (أ)النتائج العددية الرئيسية من مجموعات البيانات المثال: OC، EC، وTC الجماهير، وانخفاض التوهين الحرجة للقياس الكمي من عدم اليقين نقطة الانقسام، ونسبة الكربون من عنصري إلى إجمالي. (ب)موجز للشكوك في كتل الكربون المحسوبة. وتشمل مصادر عدم اليقين المساهمة ثابت المعايرة الكتلية، وتكرار إجراء المعايرة، وعدم اليقين في نقطة الانقسام (بالنسبة لكتلة TC) المقابلة لانخفاض التوهين الحرج المدرجة في (أ). وترد أيضاً في (ب) أوجه عدم اليقين في كتل الكربون باستخدام المعادلات الثابتة (مكافئ (1)) التي تستخدمها الأداة. ويتوافق تسليط الضوء الأحمر والأصفر على البيانات مع التقدير الناقص والإفراطي لعدم اليقين، على التوالي، عند استخدام المعادلات الثابتة بالنسبة للطريقة الحالية. وفي معظم الحالات، فإن الصك لا يقدر قدرة قدرة الكربون على الكتلة، إلا أنه إذا كانت كتلة الوسواس القهري أو الجماعة الأوروبية المقاسة صغيرة، فإن الصك قد يبالغ في تقدير عدم اليقين مقارنة بالبرنامج الحالي. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.

وبالنسبة لهذه الأمثلة، استخدمت تقنية انخفاض التوهين لتحديد مقدار عدم اليقين في نقطة الانقسام. وتراوحتالقيم الحرجة المحسوبة لتراجع التوهين من 1.342% إلى 2.059% مما أدى إلى حالات عدم يقين من نقطة الانقسام من 0.10% إلى 4.50% من كتلة TC. وفي حين أن القيم المستخدمة لانخفاض التوهين هي في الواقع ذاتية إلى حد ما – ولا سيما العامل المستخدم لتقدير عدم اليقين في نقطة الانقسام بسبب نقطة الخصائص البصرية – فإن هذه الأمثلة تبرز اعتماد عدم اليقين في نقطة الانقسام على بيانات التحليل المحددة. فعلى سبيل المثال، يكون عدم اليقين عند نقطة الانقسام حساساً لميل قطعة الرسم التي تحتوي عليها أفيا بالقرب من نقطة التقسيم الاسمية. النظر في مجموعة البيانات “A” المقابلة للبيانات المثال في الشكل 3 ومجموعة البيانات “D”؛ على الرغم من وجود انخفاضات مماثلة في التوهين الحرج، فإن المنحدرات الضحلة والحادة نسبياً لأراضي AVEC الخاصة بكل منها (على سبيل المثال، انظر الشكل 3ب لمجموعة البيانات “A”) تسفر عن أكبر وأصغر نقطة انقسام الشكوك بنسبة 4.50٪ و 0.10٪ من TC الجماعي. وبالإضافة إلى ذلك، تبين البيانات النموذجية أن تأثير عدم اليقين في نقطة الانقسام يعتمد إلى حد كبير على نطاقه بالنسبة لكتل OC وEC الاسمية. النظر في مجموعات البيانات على سبيل المثال “باء” و “جيم”، التي لديها شبه متطابقة نقطة الانقسام الشكوك (1.22٪ من كتلة TC)؛ تحتوي مجموعة البيانات “C” على 43% OC بينما تحتوي مجموعة البيانات “B” على 8%؛ ويؤدي انخفاض الكمية النسبية لـ OC في هذه الأخيرة إلى مضاعفة عدم اليقين الشامل تقريباً. وتبرز هذه النتائج بشكل حاسم شرط النظر مباشرة في عدم اليقين في نقاط الانقسام في سياق بيانات الـ AVEC للتحليل وكتل الكربون الإجمالية.

ويبين الجدول 4أيضاً أوجه عدم اليقين التي أبلغ عنها الصانعون في كتل الكربون. ولا تراعي هذه التقديرات مباشرة أوجه عدم اليقين في المعايرة ونقطة الانقسام، بل تُحسب باستخدام العلاقات الثابتة المبينة في التاق (1)^26،حيث تمثل م_ط الكتلة الاسمية لمكون الكربون المحدد.

(1)

وتسمح هذه العلاقات الثابتة بأن تكون أوجه عدم اليقين المقدرة في كتلة OC و/أو EC أقل من كتلة التعاون التقني بشكل مصطنع – ويحدث هذا الشرط عندما تكون كتلة OC أو EC أقل من ثلث كتلة التعاون التقني، كما هو الحال بالنسبة لمجموعات البيانات “ألف” و”باء” و”دال”. هذه النتيجة غير مادية، لأن عدم اليقين النسبي في كتل OC وEC يجب أن يحدها أدناه من قبل كتلة TC، نتيجة لنشر عدم اليقين نقطة الانقسام في كتل OC وEC المحسوبة. تتوافق الخلايا التي تم تمييزها باللونين الأحمر والأصفر في الجدول مع التقديرات الناقصة والمفرطة لعدم اليقين في كتلة الكربون عند استخدام Eq. (1) من الشركة المصنعة. المعادلات الثابتة أقل من تقدير عدم اليقين الشامل TC لجميع الأمثلة الأربعة، نتيجة لكتل TC المحسوبة كبيرة بما فيه الكفاية. وفي معظم الحالات، كانت المعادلات الثابتة أيضاً أقل من تقدير عدم اليقين الكتلي للجماعة الأوروبية وOC، باستثناء الحالات التي كانت فيها OC (مجموعة البيانات “باء”) والجماعة الأوروبية (مجموعة البيانات “دال”) صغيرة بما يكفي للتسبب في الإفراط في التقدير عن طريق مكافئ (1). هذه الزيادة في عدم اليقين المتقاربة عن طريق Eq. (1) يتفق مع البرنامج الحالي منذ عدم اليقين في كتلة OC وEC بسبب أن من نقطة الانقسام تعتمد على حجمها المطلق; ومع ذلك، فإن أوجه عدم اليقين عبر المعادلات الثابتة لا تتبع مع تلك الخاصة بالبرمجيات الحالية، التي تنظر مباشرة في حالة عدم اليقين في نقطة الانقسام وتنشرها في سياق بيانات تحليل محددة.

إن استخدام إطار MC في أداة البرمجيات المعروضة ضروري لنشر أوجه عدم اليقين في المكونات بدقة من خلال الخوارزميات غير الخطية لتحليلات OC/EC الحرارية البصرية. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن أساليب MC، من خلال طبيعتها العشوائية بطبيعتها، ليست حتمية وتميل إلى أن تسفر عن نتائج غير متسقة إذا كان العدد المستخدم من السحوبات/التكرارات MC (انظر الخطوتين 4-3-3-3 و6-5-2) غير كاف – على غرار ما يلي: عينة صغيرة الحجم إحصائيا. ولذلك، هناك اتساق متأصل مقابل حساب الوقت المفاضلة التي ينبغي النظر فيها عند معالجة البيانات باستخدام OCECgo. وبالتالي فمن المستحسن للمستخدمين لإجراء المعالجة الأولية واستكشاف الأخطاء وإصلاحها من البيانات باستخدام عدد صغير من السحوبات MC (على سبيل المثال، 10^4). بمجرد أن تسفر الحسابات عن نتائج مرضية، يجب علىالمستخدم ثم زيادة عدد السحوبات MC (إلى 10 6-10⁸⁾لتحقيق نتيجة أقل تأثراً بالطبيعة المنفصلة والعشوائية لطريقة MC. وإلى جانب “التعريف التشغيلي” اللازم لتحليلات OC/EC الحرارية البصرية، هناك قيود أخرى في معالجة هذه البيانات يجب الاعتراف بها أيضاً عند استخدام OCECgo لحساب بيانات OC/EC والإبلاغ عنها. أولاً، الصكوك المستندة إلى NDIR (مثل تلك المدرجة في جدول المواد)تعاني من الانجراف في إشارة NDIR التي يجب تصحيحها. وفي هذا البروتوكول (انظر الخطوة 6-3-2 ووثائق OCECgo)، يمكن للمستخدم أن يستخدم نهجاً جديداً لتصحيح الانجراف في كاشف NDIR اختيارياً. في حين أن تجربة المؤلفين هذا يؤدي إلى نتائج محسنة على تصحيح NDIR الخطي القياسي للشركة المصنعة، يجب أن يلاحظ أن عدم اليقين في هذا التصحيح NDIR هو التحدي إن لم يكن من المستحيل تحديد كمي، وبالتالي لا يزال غير معروف عنصر من عدم اليقين في حساب كتل الكربون. وعلى نفس المنوال، من الصعب أيضا تحديد كمية عدم اليقين في الافتراض اللازم بأن الخصائص البصرية للحاسوب وEC تشتركان في خصائص بصرية. إذا تم اختيارها (انظر الخطوة البروتوكولية 6-4-1)، تحاول تقنية انخفاض التوهين الحرج أن تحد بتحفظ من تأثير هذا الافتراض من خلال عامل توسع ذاتي. بيد أن الأهم من ذلك هو أن هذا ليس بالضرورة سوى تقدير، ويقترح على المستخدم تقييم أثر عامل التوسع هذا (أي انخفاض التوهين الحرج) على بياناته المحددة. وتقدم OCECgo كأداة مفتوحة المصدر بحيث يمكن بسهولة توسيعنطاقها من قبل المؤلفين وغيرهم من المتعاونين المهتمين ليس فقط للتواصل مع الصكوك الأخرى ولكن أيضا لتشمل وظائف أخرى مفيدة، ومحددة المجال. وعموماً، فإن أداة البرمجيات المفتوحة المصدر المطورة إلى جانب إجراء المعايرة التفصيلية تهدف إلى المساعدة في تحقيق قياسات أكثر دقة لكتلة OC وEC وTC في عينات الهباء الجوي مع تبسيط الحساب القوي للقياس الشكوك.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا العمل من قبل مجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية في كندا (NSERC) الشبكة الاستراتيجية FlareNet (منحة # 479641)، منح البحوث اكتشاف NSERC (منحة #06632 و 522658)، والموارد الطبيعية كندا (مدير المشروع، مايكل طبقة). ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لأولئك الذين تقاسموا ملفات البيانات الأولية لاستخدامها كأمثلة تمثيلية في هذا العمل.

Materials

10% oxygen gas in helium	Local gas supplier	– – –	Primary or certified standard preferred
5% methane gas in helium	Local gas supplier	– – –	Primary or certified standard preferred
Distilled, de-ionized water	Harleco	6442-85	ASTM D1193-91 Type II or Type I (preferred)
Filter punch tool	Sunset Laboratories Inc.	– – –	Included with carbon analyzer
Filter removal tool	Sunset Laboratories Inc.	– – –	Included with carbon analyzer
Glass jar (4 oz.)	ULINE	S-17982P-BL	Or suitable equivalent; borosillicate glass preferred
Helium gas	Local gas supplier	– – –	Ultra-high purity (> 99.999%) or better preferred
High-accuracy thermal gas mass flow meter	Bronkhorst	EL-FLOW Prestige	For accurate measurement of sample volume (see Protocol step 5)
High-purity sucrose	Sigma Aldrich	S9378	Purity ≥ 99%_m/m or higher preferred
Lint-free tissues	Kimtech	34155	Or suitable equivalent
MatLab Runtime (R2016a or newer)	MathWorks Inc.	mathworks.com	Search "runtime compiler" and install appropriate version for the operating system
Non-powdered, disposable, plastic gloves	VWR	89428-752	Or suitable, properly-sized equivalent
OCECgo software	Carleton University, Energy and Emissions Research Lab.	GitHub Repository	Source and build distributions of the software are available on GitHub
Oxygen trap	Supelco	22449	Or suitable GC-quality equivalent
Pipette	Eppendorf	3120000020	Model: Research® Plus 0.5 – 10 μL – Or any single-channel, adjustable volume, manual pipette
Pipette tips	Eppendorf	022492012	Model: epT.I.P.S.® Standard, 0.1 – 20 μL
Precision scale / balance	AND	FX-3000IWP	Precision balance with capacity > 1 kg
Quartz filters	Pall	7202	Model: Tissuquartz 2500 QAT-UP – 47 mm
Semi-continuous thermal-optical organic/elemental carbon analyzer	Sunset Laboratories Inc.	– – –	Model 4 semi-continuous analyzer

References

Cohen, A. J., et al. Estimates and 25-year trends of the global burden of disease attributable to ambient air pollution: an analysis of data from the Global Burden of Diseases Study. The Lancet. 389 (10082), 1907-1918 (2015).
Grahame, T. J., Klemm, R., Schlesinger, R. B. Public health and components of particulate matter: The changing assessment of black carbon. Journal of the Air & Waste Management Association. 64 (6), 620-660 (2014).
Kim, S. -. Y., et al. The short-term association of selected components of fine particulate matter and mortality in the Denver Aerosol Sources and Health (DASH) study. Environmental Health. 14 (1), (2015).
Basagaña, X., et al. Short-term effects of particulate matter constituents on daily hospitalizations and mortality in five South-European cities: Results from the MED-PARTICLES project. Environment International. 75, 151-158 (2015).
Jacobson, M. Z. Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols. Nature. 409 (6821), 695-697 (2001).
Sato, M., et al. Global atmospheric black carbon inferred from AERONET. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (11), 6319-6324 (2003).
Ramanathan, V., Carmichael, G. Global and regional climate changes due to black carbon. Nature Geoscience. 1 (4), 221-227 (2008).
Bond, T. C., et al. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 118 (11), 5380-5552 (2013).
Jacobson, M. Z. Short-term effects of controlling fossil-fuel soot, biofuel soot and gases, and methane on climate, Arctic ice, and air pollution health. Journal of Geophysical Research. 115, 1-24 (2010).
Doherty, S. J., Grenfell, T. C., Forsström, S., Hegg, D. L., Brandt, R. E., Warren, S. G. Observed vertical redistribution of black carbon and other insoluble light-absorbing particles in melting snow. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 118 (11), 5553-5569 (2013).
Sterle, K. M., McConnell, J. R., Dozier, J., Edwards, R., Flanner, M. G. Retention and radiative forcing of black carbon in eastern Sierra Nevada snow. The Cryosphere. 7 (1), 365-374 (2013).
Goelles, T., Bøggild, C. E., Greve, R. Ice sheet mass loss caused by dust and black carbon accumulation. The Cryosphere. 9 (5), 1845-1856 (2015).
Kopp, R. E., Mauzerall, D. L. Assessing the climatic benefits of black carbon mitigation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (26), 11703-11708 (2010).
Cavalli, F., Viana, M., Yttri, K. E., Genberg, J., Putaud, J. -. P. Toward a standardised thermal-optical protocol for measuring atmospheric organic and elemental carbon: the EUSAAR protocol. Atmospheric Measurement Techniques. 3 (1), 79-89 (2010).
Chen, L. -. W. A., et al. Multi-wavelength optical measurement to enhance thermal/optical analysis for carbonaceous aerosol. Atmospheric Measurement Techniques. 8 (1), 451-461 (2015).
Chow, J. C., et al. Optical Calibration and Equivalence of a Multiwavelength Thermal/Optical Carbon Analyzer. Aerosol and Air Quality Research. 15 (4), 1145-1159 (2015).
Chow, J. C., et al. Separation of brown carbon from black carbon for IMPROVE and Chemical Speciation Network PM 2.5 samples. Journal of the Air & Waste Management Association. 68 (5), 494-510 (2018).
Sunset Laboratory Inc. . Organic Carbon and Elemental Carbon Field Instrument: Model 4 User’s Manual. , (2019).
Turpin, B. J., Cary, R. A., Huntzicker, J. J. An In Situ, Time-Resolved Analyzer for Aerosol Organic and Elemental Carbon. Aerosol Science and Technology. 12 (1), 161-171 (1990).
Petzold, A., et al. Recommendations for reporting “black carbon” measurements. Atmospheric Chemistry and Physics. 13 (16), 8365-8379 (2013).
Nicolosi, E. M. G., Quincey, P., Font, A., Fuller, G. W. Light attenuation versus evolved carbon (AVEC) – A new way to look at elemental and organic carbon analysis. Atmospheric Environment. , 145-153 (2018).
Chow, J. C., Watson, J. G., Crow, D., Lowenthal, D. H., Merrifield, T. Comparison of IMPROVE and NIOSH Carbon Measurements. Aerosol Science and Technology. 34 (1), 23-34 (2001).
Chow, J. C., Watson, J. G., Chen, L. -. W. A., Arnott, W. P., Moosmüller, H., Fung, K. Equivalence of Elemental Carbon by Thermal/Optical Reflectance and Transmittance with Different Temperature Protocols. Environmental Science & Technology. 38 (16), 4414-4422 (2004).
Subramanian, R., Khlystov, A., Robinson, A. Effect of peak inert-mode temperature on elemental carbon measured using thermal-optical analysis. Aerosol Science and Technology. 40 (10), 763-780 (2006).
Wang, Y., Chung, A., Paulson, S. E. The effect of metal salts on quantification of elemental and organic carbon in diesel exhaust particles using thermal-optical evolved gas analysis. Atmospheric Chemistry and Physics. 10 (23), 11447-11457 (2010).
Peterson, M. R. Standard Operating Procedure for the Determination of Organic, Elemental, and Total Carbon in Particulate Matter Using a Thermal/Optical-Transmittance Carbon Analyzer. Research Triangle. , (2009).
Conrad, B. M., Johnson, M. R. Mass Absorption Cross-Section of Flare-Generated Black Carbon: Variability, Predictive Model, and Implications. Carbon. 149, 760-771 (2019).
Akaike, H. A new look at the statistical model identification. IEEE Transactions on Automatic Control. 19 (6), 716-723 (1974).
Saffaripour, M., et al. Raman spectroscopy and TEM characterization of solid particulate matter emitted from soot generators and aircraft turbine engines. Aerosol Science and Technology. 51 (4), 518-531 (2017).
Lu, S., Irino, T., Igarashi, Y. Biomass burning history in East Asia during the last 4 million years recorded in elemental carbon variability at IODP site. U1423. Progress in Earth and Planetary Science. 5 (1), (2018).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Conrad, B. M., Johnson, M. R. Split Point Analysis and Uncertainty Quantification of Thermal-Optical Organic/Elemental Carbon Measurements. J. Vis. Exp. (151), e59742, doi:10.3791/59742 (2019).

Automatically Generated