空气负离子自动测量系统的研制

1 引言

　　从负离子成因分析，辐射、暴雨、雷电等天气现象有利于空气负离子的形成，而其存在或消失和大气的空气质量有较大关系，空气中负离子浓度多少与光照强度、空气湿度、温度、风速、雾等因子有关，因此空气中负离子浓度是空气质量好坏的标志之一。世界卫生组织规定：清新空气的负离子标准浓度为每立方厘米空气中不应低于1000-1500个。高负离子浓度的大气环境，对人类的健康有一定的医疗保健作用。因此，对负离子的研究越来越引起不同学科专家的重视。

　　Maciej A. Noras等人设计了一种空气负离子测量仪，它使用一个正负电场相间的圆盘装置，可以收集空气中的正负离子，通过产生电流测量空气中的正负离子[5]；S. Sekia等人利用镓液态金属离子源来扫描测量空气中的正负离子[6]；目前国内大部分空气负离子测量使用福建省漳州市东南电子研究所设计的仪器，采用电容式空气离子收集器收集离子携带的电荷，通过测量这些电荷形成的电流和取样空气流量换算出离子浓度[7]。但是上述离子测量仪器都是采取人工操作，不能进行自动化的测量与传输。

　　威德创新科技（北京）有限公司研制开发了专利产品WIMD-A系列大气负离子自动测量系统，包括空气负离子自动测报仪、无线数据传输系统、上位机数据接收与处理系统、网上发布系统，其中空气负离子自动测报仪采用“电容式吸入”法原理设计和生产的空气离子测量仪器，该仪器是按照国家推荐标准GB/T18809-2002 《空气离子测量仪通用规范》进行标定的, 各项技术指标均达到国际先进水平；采用了目前通用的GSM与GPRS通信方式进行无线数据传输，应用图形化操作界面，并且可以在网上进行数据的查询与发布。该自动测量系统符合相关的国家推荐标准，实现了从数据采集到传输的全部自动化、智能化，彻底取代了人工观测。

2 系统介绍

　　空气负离子自动测量系统包括自动负离子监测仪、无线传输系统或有线以太网传输系统、上位机数据接收与处理系统、网上发布系统，实现了从数据采集、传输、处理、发布的全部自动化、智能化。

2.1 自动负离子监测仪

　　本仪器采用电容式测量法。空气以恒定风速通过采集桶，偏压板施加负电压，吸引正离子，与之对应的采集板则吸引负离子，经过电荷放大器后以电压的形式到AD进行模数转换，最后输出测量值。

　　本系统采用免干扰测量方式，排除了交流电部分造成的干扰，使数据测量更精准。
一般的空气离子检测装置的离子采集器外形是矩形的，而抽风装置是圆形的，其导致空气流过离子采集器时是不均匀的，测量会不稳定。采用了精密圆桶式离子采集器的结构设计，使腔体内流经的空气均处于有效的采集范围，从而保证了离子采集的准确性，同时具有防震防静电的效果。

　　空气离子检测装置的离子采集器暴露在空气中，很容易被污染，其结果是空气离子检测装置逐渐不能正常工作，只有经过清洗后才能恢复正常。然而清洗离子采集桶非常不方便，还会影响观测业务。精密圆桶式离子采集器采用了可拆卸式技术，便于用户方便地拆换采集器，并进行清洗和维护。

图1 自动监测仪原理图

　　（1）离子浓度计算公式

N=I/(q.V.A)
N —— 每单位体积空气中的离子数（个/cm3）
I —— 采集器显示的读数
q —— 基本电荷电量（≈1.6×10-19库仑）
V —— 取样空气流速（cm/sec）
A —— 采集桶的有效横截面积（cm2）

　　（2）离子迁移率

　　离子迁移率是表达被测离子大小的重要参数。离子运动速度与离子直径成负相关，而离子迁移率与离子运动速度成正相关，故离子迁移率与离子直径成负相关。

K=Vd/E=d2Vx/(LU)
K：比例常数，离子迁移率极限（简称离子迁移率）（cm2/v·sec）
Vd ：空气中离子穿过气体的平均速度（迁移速度）(cm/sec)
E：电场强度(v/cm)
D：采集板与极化板之间的间距（cm）
Vx ：采集桶中的气流速度（cm/sec）
L：采集板的长度（cm）
U：极化电压（v）

　　小离子的直径一般在 0.001 — 0.003 μm, 平均迁移率为1.0 cm2/v·sec；中离子的直径一般在 0.003 — 0.03 μm， 平均迁移率为0.05 cm2/v·sec；大离子的直径一般在 0.03 — 0.1 μm, 平均迁移率为0.005 cm2/v·sec。

　　WIMD-A系列大气离子自动测报仪观测的是对人体健康有影响、离子迁移率K为1.0和0（cm2/v·sec）两档的小离子。

表1 大气负离子自动测报仪性能指标

2.2 负离子数据观测

　　大气环境中空气离子浓度受地球环境的物理特性、气候、季节、时间变化及大气中污染物变化所影响。负离子的浓度、极性、大小是评价环境质量、环境污染程度、天气好坏以及对人类带来哪些影响的重要标尺。由于各种自然条件和居住环境中激发电离的能量不同，大气温度、湿度与气压的不断变化，在各种环境中空气负离子的数值有很大的差异。因此负离子测量仪器读数的随机性比较大，必须在稳定的环境条件下进行重复多次、或者持续一定时间的测试，才能得到比较准确的检测结果。

　　负离子观测仪在正点开始自动启动开始观测，为了去除空气湿度的影响，首先进行除湿，在进行3分钟的除湿后，测量仪器的绝缘度，如果绝缘度过小，说明湿度还是过大，再进行除湿操作，如此反复，直到仪器绝缘度满足要求后开始正式观测。每次观测72秒钟，12秒采样1次，考虑到负离子浓度变化比较大，取第二大值作为观测值。

　　在仪器的单片机中可以人工设置观测间隔，一般为1小时，考虑到还要进行除湿操作，最短间隔不能小于30分钟。通过远程命令操作，可以更改观测时间间隔。

　　自动大气负离子监测系统按照预设时间开始自动观测，将采集的数据自动储存在单片机内，最多可以存储三个月的观测数据，作为终端的大气负离子自动测报仪内有通信模块，通过GPRS与中心站和客户端联接。

2.3 观测数据传输、处理与显示

　　观测数据通过有线以太网传输系统、短信或GPRS无线传输系统传输到上位机数据接收管理平台；观测数据以文本和SQL Server数据库两种方式进行存储。

　　中心站数据管理平台除基本的数据无线接收及网络接收功能外，还具有多种管理、统计、分析功能，短信发布功能；通过中心站数据管理平台，可以实现观测站点管理、观测数据实时显示、野外监测站监控，通过内置指令对野外监测仪远程进行参数设置，当数据出现丢失现象时，还可以通过远程命令主动调取仪器中存储的历史数据。

　　本系统的另外一个特色是可以通过在局域网和互联网上实时展示采集到的数据，并生成各种曲线，提供即时业务服务。

3 观测资料初步分析

　　WIMD-A系列大气离子自动测量系统已经在贵州、吉林、河北、江苏、浙江等多个省份安装，并正常业务运行，其中在江苏省气象局宿迁气象站已经业务运行一年多了。

　　本文以江苏省气象局宿迁气象站负离子观测资料为例，利用2006年4月代表春季观测资料，取其中2006年4月01日00时－07日23时，每个小时一组观测数据，共168组数据作为样本，利用分析空气负离子浓度随时间变化规律，以及与空气温度、湿度、风速之间的相关关系。

　　以下各趋势曲线均取五点平均值进行平滑后，分析七天的变化规律。

　　根据图5分析，有明显的日变化规律，每天基本都会出现一个极大值，一个极小值；其中极大值出现在00时至02时左右，极小值出现在11时至14时左右，从02时至12时负离子浓度呈下降趋势，从14时至02时负离子浓度呈上升趋势。根据图6分析，基本上负离子的峰值变化趋势与温度峰值变化趋势相反，呈明显负相关，这也与上面负离子具有日变化特征的结论一致，空气温度同样也具有日变化规律。从负离子消散机制来分析，温度高时造成空气湍流加强，有利于负离子的消散，温度低则有利于负离子的生存。

图2 测量流程图

图3 中心站数据管理平台界面

图4 网上负离子数据图形显示界面

图5 春季2006年4月01日00时－07日23时负离子观测结果日变化分析

图6 春季2006年4月01日00时－07日23时负离子与温度观测结果相关分析

图7 春季2006年4月01日00时－07日23时负离子与湿度观测结果相关分析
 
　　根据图7分析，与湿度呈明显正相关，负离子浓度变化稍滞后于湿度变化。从负离子产生机制来分析，在空气湿度大时造成空气中水分子增大，有利于负离子的产生。

图8 春季2006年4月01日00时－07日23时负离子与两分钟风速观测结果相关分析

　　根据图8分析，与风速呈明显负相关。从负离子消散机制来分析，风速大时会造成空气湍流加强，有利于负离子的消散。

　　同样也可以分析其它季节的变化规律，可以得到大致相同的结论，但是产生影响负离子浓度变化的机制多方面综合的，利用本系统提供的高时间密度观测资料，可以对负离子生消机制开展下一步的分析与探讨。

4 结论与展望

　　本系统经过在贵州、江苏、河北、浙江等地使用表明，自动测报部分防御各种恶劣天气（防雷击等）和技术性故障（如极板间短路与过压等）的性能突出，自动测报部分性能稳定，工作可靠，无故障、无间隔工作时间可达120-150天，对精密圆桶式离子采集器进行清洗和维护后，即可继续连续稳定工作，极大地减轻了观测人员的工作强度。
总结系统具有以下特色：

　　（1）测量过程用计算机技术完全取代人工操作，真正实现了空气负离子数据采集的自动化、智能化；在台站或者野外布设自动化观测仪器，通过无线传输方式自动将监测数据发送到高性能的上位机数据无线接收管理平台。

　　（2）系统管理平台除有无线接收基本的数据外，还具有多种管理、统计、分析功能，短信发布功能；二级分布式数据管理系统具有高效、易用及进行二层智能组网的特点。通过服务器端和客户端的智能联接，可以完成服务器端对客户端的管理、监控和服务等，客户端也可以方便地操纵和监控自己权限以内的测报系统。

　　（3）一般的空气离子检测装置只能正常工作在小于70%R.H.的环境中，因此也就无法在野外全天候工作。WIMD-A系列大气负离子自动测报仪采用了多项特殊的抗潮湿设计结构，观测过程中，一旦仪器受潮，将自动开启本机特有的多重驱潮装置使仪器恢复正常功能，完全实现了相对湿度至100% 时空气负离子自动测量系统正常工作。

　　展望未来，通过负离子监测网的建立，开展不同时空尺度、不同下垫面、不同天气过程、不同季节负离子浓度分布特征研究，搞清空气中负离子形成、维持和消亡的机理，利用负离子浓度与气象条件的关系，开展城郊和旅游景区的空气中负离子浓度气象条件预报，旅游景区吸引游客，为市民出行选择有利于负离子产生和形成的天气及挑选负离子浓度高、空气质量好的旅游景点提供依据，同时还可为环境部门开展城近郊区大气环境评价工作提供参考依据，可产生较大的社会效益和潜在的经济效益。