空氣負(fù)離子自動測量系統(tǒng)的研制

1 引言

　　從負(fù)離子成因分析，輻射、暴雨、雷電等天氣現(xiàn)象有利于空氣負(fù)離子的形成，而其存在或消失和大氣的空氣質(zhì)量有較大關(guān)系，空氣中負(fù)離子濃度多少與光照強度、空氣濕度、溫度、風(fēng)速、霧等因子有關(guān)，因此空氣中負(fù)離子濃度是空氣質(zhì)量好壞的標(biāo)志之一。世界衛(wèi)生組織規(guī)定：清新空氣的負(fù)離子標(biāo)準(zhǔn)濃度為每立方厘米空氣中不應(yīng)低于1000-1500個。高負(fù)離子濃度的大氣環(huán)境，對人類的健康有一定的醫(yī)療保健作用。因此，對負(fù)離子的研究越來越引起不同學(xué)科專家的重視。

　　Maciej A. Noras等人設(shè)計了一種空氣負(fù)離子測量儀，它使用一個正負(fù)電場相間的圓盤裝置，可以收集空氣中的正負(fù)離子，通過產(chǎn)生電流測量空氣中的正負(fù)離子[5]；S. Sekia等人利用鎵液態(tài)金屬離子源來掃描測量空氣中的正負(fù)離子[6]；目前國內(nèi)大部分空氣負(fù)離子測量使用福建省漳州市東南電子研究所設(shè)計的儀器，采用電容式空氣離子收集器收集離子攜帶的電荷，通過測量這些電荷形成的電流和取樣空氣流量換算出離子濃度[7]。但是上述離子測量儀器都是采取人工操作，不能進(jìn)行自動化的測量與傳輸。

　　威德創(chuàng)新科技（北京）有限公司研制開發(fā)了專利產(chǎn)品WIMD-A系列大氣負(fù)離子自動測量系統(tǒng)，包括空氣負(fù)離子自動測報儀、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、上位機數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)、網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)，其中空氣負(fù)離子自動測報儀采用“電容式吸入”法原理設(shè)計和生產(chǎn)的空氣離子測量儀器，該儀器是按照國家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T18809-2002 《空氣離子測量儀通用規(guī)范》進(jìn)行標(biāo)定的, 各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平；采用了目前通用的GSM與GPRS通信方式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用圖形化操作界面，并且可以在網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與發(fā)布。該自動測量系統(tǒng)符合相關(guān)的國家推薦標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到傳輸?shù)娜孔詣踊?、智能化，徹底取代了人工觀測。

2 系統(tǒng)介紹

　　空氣負(fù)離子自動測量系統(tǒng)包括自動負(fù)離子監(jiān)測儀、無線傳輸系統(tǒng)或有線以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)、上位機數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)、網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、發(fā)布的全部自動化、智能化。

2.1 自動負(fù)離子監(jiān)測儀

　　本儀器采用電容式測量法?？諝庖院愣L(fēng)速通過采集桶，偏壓板施加負(fù)電壓，吸引正離子，與之對應(yīng)的采集板則吸引負(fù)離子，經(jīng)過電荷放大器后以電壓的形式到AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸出測量值。

　　本系統(tǒng)采用免干擾測量方式，排除了交流電部分造成的干擾，使數(shù)據(jù)測量更精準(zhǔn)。
一般的空氣離子檢測裝置的離子采集器外形是矩形的，而抽風(fēng)裝置是圓形的，其導(dǎo)致空氣流過離子采集器時是不均勻的，測量會不穩(wěn)定。采用了精密圓桶式離子采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使腔體內(nèi)流經(jīng)的空氣均處于有效的采集范圍，從而保證了離子采集的準(zhǔn)確性，同時具有防震防靜電的效果。

　　空氣離子檢測裝置的離子采集器暴露在空氣中，很容易被污染，其結(jié)果是空氣離子檢測裝置逐漸不能正常工作，只有經(jīng)過清洗后才能恢復(fù)正常。然而清洗離子采集桶非常不方便，還會影響觀測業(yè)務(wù)。精密圓桶式離子采集器采用了可拆卸式技術(shù)，便于用戶方便地拆換采集器，并進(jìn)行清洗和維護(hù)。

圖1 自動監(jiān)測儀原理圖

　　（1）離子濃度計算公式

N=I/(q.V.A)
N —— 每單位體積空氣中的離子數(shù)（個/cm3）
I —— 采集器顯示的讀數(shù)
q —— 基本電荷電量（≈1.6×10-19庫侖）
V —— 取樣空氣流速（cm/sec）
A —— 采集桶的有效橫截面積（cm2）

　?。?）離子遷移率

　　離子遷移率是表達(dá)被測離子大小的重要參數(shù)。離子運動速度與離子直徑成負(fù)相關(guān)，而離子遷移率與離子運動速度成正相關(guān)，故離子遷移率與離子直徑成負(fù)相關(guān)。

K=Vd/E=d2Vx/(LU)
K：比例常數(shù)，離子遷移率極限（簡稱離子遷移率）（cm2/v·sec）
Vd ：空氣中離子穿過氣體的平均速度（遷移速度）(cm/sec)
E：電場強度(v/cm)
D：采集板與極化板之間的間距（cm）
Vx ：采集桶中的氣流速度（cm/sec）
L：采集板的長度（cm）
U：極化電壓（v）

　　小離子的直徑一般在 0.001 — 0.003 μm, 平均遷移率為1.0 cm2/v·sec；中離子的直徑一般在 0.003 — 0.03 μm， 平均遷移率為0.05 cm2/v·sec；大離子的直徑一般在 0.03 — 0.1 μm, 平均遷移率為0.005 cm2/v·sec。

　　WIMD-A系列大氣離子自動測報儀觀測的是對人體健康有影響、離子遷移率K為1.0和0（cm2/v·sec）兩檔的小離子。

表1 大氣負(fù)離子自動測報儀性能指標(biāo)

2.2 負(fù)離子數(shù)據(jù)觀測

　　大氣環(huán)境中空氣離子濃度受地球環(huán)境的物理特性、氣候、季節(jié)、時間變化及大氣中污染物變化所影響。負(fù)離子的濃度、極性、大小是評價環(huán)境質(zhì)量、環(huán)境污染程度、天氣好壞以及對人類帶來哪些影響的重要標(biāo)尺。由于各種自然條件和居住環(huán)境中激發(fā)電離的能量不同，大氣溫度、濕度與氣壓的不斷變化，在各種環(huán)境中空氣負(fù)離子的數(shù)值有很大的差異。因此負(fù)離子測量儀器讀數(shù)的隨機性比較大，必須在穩(wěn)定的環(huán)境條件下進(jìn)行重復(fù)多次、或者持續(xù)一定時間的測試，才能得到比較準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

　　負(fù)離子觀測儀在正點開始自動啟動開始觀測，為了去除空氣濕度的影響，首先進(jìn)行除濕，在進(jìn)行3分鐘的除濕后，測量儀器的絕緣度，如果絕緣度過小，說明濕度還是過大，再進(jìn)行除濕操作，如此反復(fù)，直到儀器絕緣度滿足要求后開始正式觀測。每次觀測72秒鐘，12秒采樣1次，考慮到負(fù)離子濃度變化比較大，取第二大值作為觀測值。

　　在儀器的單片機中可以人工設(shè)置觀測間隔，一般為1小時，考慮到還要進(jìn)行除濕操作，最短間隔不能小于30分鐘。通過遠(yuǎn)程命令操作，可以更改觀測時間間隔。

　　自動大氣負(fù)離子監(jiān)測系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)時間開始自動觀測，將采集的數(shù)據(jù)自動儲存在單片機內(nèi)，最多可以存儲三個月的觀測數(shù)據(jù)，作為終端的大氣負(fù)離子自動測報儀內(nèi)有通信模塊，通過GPRS與中心站和客戶端聯(lián)接。

2.3 觀測數(shù)據(jù)傳輸、處理與顯示

　　觀測數(shù)據(jù)通過有線以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)、短信或GPRS無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C數(shù)據(jù)接收管理平臺；觀測數(shù)據(jù)以文本和SQL Server數(shù)據(jù)庫兩種方式進(jìn)行存儲。

　　中心站數(shù)據(jù)管理平臺除基本的數(shù)據(jù)無線接收及網(wǎng)絡(luò)接收功能外，還具有多種管理、統(tǒng)計、分析功能，短信發(fā)布功能；通過中心站數(shù)據(jù)管理平臺，可以實現(xiàn)觀測站點管理、觀測數(shù)據(jù)實時顯示、野外監(jiān)測站監(jiān)控，通過內(nèi)置指令對野外監(jiān)測儀遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象時，還可以通過遠(yuǎn)程命令主動調(diào)取儀器中存儲的歷史數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)的另外一個特色是可以通過在局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上實時展示采集到的數(shù)據(jù)，并生成各種曲線，提供即時業(yè)務(wù)服務(wù)。

3 觀測資料初步分析

　　WIMD-A系列大氣離子自動測量系統(tǒng)已經(jīng)在貴州、吉林、河北、江蘇、浙江等多個省份安裝，并正常業(yè)務(wù)運行，其中在江蘇省氣象局宿遷氣象站已經(jīng)業(yè)務(wù)運行一年多了。

　　本文以江蘇省氣象局宿遷氣象站負(fù)離子觀測資料為例，利用2006年4月代表春季觀測資料，取其中2006年4月01日00時－07日23時，每個小時一組觀測數(shù)據(jù)，共168組數(shù)據(jù)作為樣本，利用分析空氣負(fù)離子濃度隨時間變化規(guī)律，以及與空氣溫度、濕度、風(fēng)速之間的相關(guān)關(guān)系。

　　以下各趨勢曲線均取五點平均值進(jìn)行平滑后，分析七天的變化規(guī)律。

　　根據(jù)圖5分析，有明顯的日變化規(guī)律，每天基本都會出現(xiàn)一個極大值，一個極小值；其中極大值出現(xiàn)在00時至02時左右，極小值出現(xiàn)在11時至14時左右，從02時至12時負(fù)離子濃度呈下降趨勢，從14時至02時負(fù)離子濃度呈上升趨勢。根據(jù)圖6分析，基本上負(fù)離子的峰值變化趨勢與溫度峰值變化趨勢相反，呈明顯負(fù)相關(guān)，這也與上面負(fù)離子具有日變化特征的結(jié)論一致，空氣溫度同樣也具有日變化規(guī)律。從負(fù)離子消散機制來分析，溫度高時造成空氣湍流加強，有利于負(fù)離子的消散，溫度低則有利于負(fù)離子的生存。

圖2 測量流程圖

圖3 中心站數(shù)據(jù)管理平臺界面

圖4 網(wǎng)上負(fù)離子數(shù)據(jù)圖形顯示界面

圖5 春季2006年4月01日00時－07日23時負(fù)離子觀測結(jié)果日變化分析

圖6 春季2006年4月01日00時－07日23時負(fù)離子與溫度觀測結(jié)果相關(guān)分析

圖7 春季2006年4月01日00時－07日23時負(fù)離子與濕度觀測結(jié)果相關(guān)分析
 
　　根據(jù)圖7分析，與濕度呈明顯正相關(guān)，負(fù)離子濃度變化稍滯后于濕度變化。從負(fù)離子產(chǎn)生機制來分析，在空氣濕度大時造成空氣中水分子增大，有利于負(fù)離子的產(chǎn)生。

圖8 春季2006年4月01日00時－07日23時負(fù)離子與兩分鐘風(fēng)速觀測結(jié)果相關(guān)分析

　　根據(jù)圖8分析，與風(fēng)速呈明顯負(fù)相關(guān)。從負(fù)離子消散機制來分析，風(fēng)速大時會造成空氣湍流加強，有利于負(fù)離子的消散。

　　同樣也可以分析其它季節(jié)的變化規(guī)律，可以得到大致相同的結(jié)論，但是產(chǎn)生影響負(fù)離子濃度變化的機制多方面綜合的，利用本系統(tǒng)提供的高時間密度觀測資料，可以對負(fù)離子生消機制開展下一步的分析與探討。

4 結(jié)論與展望

　　本系統(tǒng)經(jīng)過在貴州、江蘇、河北、浙江等地使用表明，自動測報部分防御各種惡劣天氣（防雷擊等）和技術(shù)性故障（如極板間短路與過壓等）的性能突出，自動測報部分性能穩(wěn)定，工作可靠，無故障、無間隔工作時間可達(dá)120-150天，對精密圓桶式離子采集器進(jìn)行清洗和維護(hù)后，即可繼續(xù)連續(xù)穩(wěn)定工作，極大地減輕了觀測人員的工作強度。
總結(jié)系統(tǒng)具有以下特色：

　?。?）測量過程用計算機技術(shù)完全取代人工操作，真正實現(xiàn)了空氣負(fù)離子數(shù)據(jù)采集的自動化、智能化；在臺站或者野外布設(shè)自動化觀測儀器，通過無線傳輸方式自動將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到高性能的上位機數(shù)據(jù)無線接收管理平臺。

　　（2）系統(tǒng)管理平臺除有無線接收基本的數(shù)據(jù)外，還具有多種管理、統(tǒng)計、分析功能，短信發(fā)布功能；二級分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具有高效、易用及進(jìn)行二層智能組網(wǎng)的特點。通過服務(wù)器端和客戶端的智能聯(lián)接，可以完成服務(wù)器端對客戶端的管理、監(jiān)控和服務(wù)等，客戶端也可以方便地操縱和監(jiān)控自己權(quán)限以內(nèi)的測報系統(tǒng)。

　?。?）一般的空氣離子檢測裝置只能正常工作在小于70%R.H.的環(huán)境中，因此也就無法在野外全天候工作。WIMD-A系列大氣負(fù)離子自動測報儀采用了多項特殊的抗潮濕設(shè)計結(jié)構(gòu)，觀測過程中，一旦儀器受潮，將自動開啟本機特有的多重驅(qū)潮裝置使儀器恢復(fù)正常功能，完全實現(xiàn)了相對濕度至100% 時空氣負(fù)離子自動測量系統(tǒng)正常工作。

　　展望未來，通過負(fù)離子監(jiān)測網(wǎng)的建立，開展不同時空尺度、不同下墊面、不同天氣過程、不同季節(jié)負(fù)離子濃度分布特征研究，搞清空氣中負(fù)離子形成、維持和消亡的機理，利用負(fù)離子濃度與氣象條件的關(guān)系，開展城郊和旅游景區(qū)的空氣中負(fù)離子濃度氣象條件預(yù)報，旅游景區(qū)吸引游客，為市民出行選擇有利于負(fù)離子產(chǎn)生和形成的天氣及挑選負(fù)離子濃度高、空氣質(zhì)量好的旅游景點提供依據(jù)，同時還可為環(huán)境部門開展城近郊區(qū)大氣環(huán)境評價工作提供參考依據(jù)，可產(chǎn)生較大的社會效益和潛在的經(jīng)濟效益。