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(qiáng)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(gè)。高負(fù)離子濃度的大氣環(huán)境，對(duì)人類的健康有一定的醫(yī)療保健作用。因此，對(duì)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(jì)了一種空氣負(fù)離子測(cè)量儀，它使用一個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)量使用福建省漳州市東南電子研究所設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量儀器都是采取人工操作，不能進(jìn)行自動(dòng)化的測(cè)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括空氣負(fù)離子自動(dòng)測(cè)報(bào)儀、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)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(dòng)測(cè)報(bào)儀采用“電容式吸入”法原理設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的空氣離子測(cè)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(cè)量儀通用規(guī)范》進(jìn)行標(biāo)定的, 各項(xiàng)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)符合相關(guān)的國家推薦標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到傳輸?shù)娜孔詣?dòng)化、智能化，徹底取代了人工觀測(cè)。

2 系統(tǒng)介紹

　　空氣負(fù)離子自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括自動(dòng)負(fù)離子監(jiān)測(cè)儀、無線傳輸系統(tǒng)或有線以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)、網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、發(fā)布的全部自動(dòng)化、智能化。

2.1 自動(dòng)負(fù)離子監(jiān)測(cè)儀

　　本儀器采用電容式測(cè)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(duì)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(cè)量值。

　　本系統(tǒng)采用免干擾測(cè)量方式，排除了交流電部分造成的干擾，使數(shù)據(jù)測(cè)量更精準(zhǔn)。
一般的空氣離子檢測(cè)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(shí)是不均勻的，測(cè)量會(huì)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(jì)，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(shí)具有防震防靜電的效果。

　　空氣離子檢測(cè)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(cè)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(huì)影響觀測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)儀原理圖

　?。?）離子濃度計(jì)算公式

N=I/(q.V.A)
N —— 每單位體積空氣中的離子數(shù)（個(gè)/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(cè)離子大小的重要參數(shù)。離子運(yùn)動(dòng)速度與離子直徑成負(fù)相關(guān)，而離子遷移率與離子運(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(dòng)測(cè)報(bào)儀觀測(cè)的是對(duì)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(dòng)測(cè)報(bào)儀性能指標(biāo)

2.2 負(fù)離子數(shù)據(jù)觀測(cè)

　　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(shí)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(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量、環(huán)境污染程度、天氣好壞以及對(duì)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(cè)量儀器讀數(shù)的隨機(jī)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(shí)間的測(cè)試，才能得到比較準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

　　負(fù)離子觀測(cè)儀在正點(diǎn)開始自動(dòng)啟動(dòng)開始觀測(cè)，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(cè)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(cè)。每次觀測(cè)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(cè)值。

　　在儀器的單片機(jī)中可以人工設(shè)置觀測(cè)間隔，一般為1小時(shí)，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(cè)時(shí)間間隔。

　　自動(dòng)大氣負(fù)離子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)時(shí)間開始自動(dòng)觀測(cè)，將采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存在單片機(jī)內(nèi)，最多可以存儲(chǔ)三個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，作為終端的大氣負(fù)離子自動(dòng)測(cè)報(bào)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(cè)數(shù)據(jù)傳輸、處理與顯示

　　觀測(cè)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(jī)數(shù)據(jù)接收管理平臺(tái)；觀測(cè)數(shù)據(jù)以文本和SQL Server數(shù)據(jù)庫兩種方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　中心站數(shù)據(jù)管理平臺(tái)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(jì)、分析功能，短信發(fā)布功能；通過中心站數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)站點(diǎn)管理、觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、野外監(jiān)測(cè)站監(jiān)控，通過內(nèi)置指令對(duì)野外監(jiān)測(cè)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(shí)，還可以通過遠(yuǎn)程命令主動(dòng)調(diào)取儀器中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

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

3 觀測(cè)資料初步分析

　　WIMD-A系列大氣離子自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在貴州、吉林、河北、江蘇、浙江等多個(gè)省份安裝，并正常業(yè)務(wù)運(yùn)行，其中在江蘇省氣象局宿遷氣象站已經(jīng)業(yè)務(wù)運(yùn)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(cè)資料為例，利用2006年4月代表春季觀測(cè)資料，取其中2006年4月01日00時(shí)－07日23時(shí)，每個(gè)小時(shí)一組觀測(cè)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(shí)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(shì)曲線均取五點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值，一個(gè)極小值；其中極大值出現(xiàn)在00時(shí)至02時(shí)左右，極小值出現(xiàn)在11時(shí)至14時(shí)左右，從02時(shí)至12時(shí)負(fù)離子濃度呈下降趨勢(shì)，從14時(shí)至02時(shí)負(fù)離子濃度呈上升趨勢(shì)。根據(jù)圖6分析，基本上負(fù)離子的峰值變化趨勢(shì)與溫度峰值變化趨勢(shì)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(jī)制來分析，溫度高時(shí)造成空氣湍流加強(qiáng)，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(cè)量流程圖

圖3 中心站數(shù)據(jù)管理平臺(tái)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(shí)－07日23時(shí)負(fù)離子觀測(cè)結(jié)果日變化分析

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

圖7 春季2006年4月01日00時(shí)－07日23時(shí)負(fù)離子與濕度觀測(cè)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(jī)制來分析，在空氣濕度大時(shí)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(shí)－07日23時(shí)負(fù)離子與兩分鐘風(fēng)速觀測(cè)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(jī)制來分析，風(fēng)速大時(shí)會(huì)造成空氣湍流加強(qiáng)，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(jī)制多方面綜合的，利用本系統(tǒng)提供的高時(shí)間密度觀測(cè)資料，可以對(duì)負(fù)離子生消機(jī)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(dòng)測(cè)報(bào)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(dòng)測(cè)報(bào)部分性能穩(wěn)定，工作可靠，無故障、無間隔工作時(shí)間可達(dá)120-150天，對(duì)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(cè)人員的工作強(qiáng)度。
總結(jié)系統(tǒng)具有以下特色：

　?。?）測(cè)量過程用計(jì)算機(jī)技術(shù)完全取代人工操作，真正實(shí)現(xiàn)了空氣負(fù)離子數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化、智能化；在臺(tái)站或者野外布設(shè)自動(dòng)化觀測(cè)儀器，通過無線傳輸方式自動(dòng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到高性能的上位機(jī)數(shù)據(jù)無線接收管理平臺(tái)。

　?。?）系統(tǒng)管理平臺(tái)除有無線接收基本的數(shù)據(jù)外，還具有多種管理、統(tǒng)計(jì)、分析功能，短信發(fā)布功能；二級(jí)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(diǎn)。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(duì)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(cè)報(bào)系統(tǒng)。

　　（3）一般的空氣離子檢測(cè)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(dòng)測(cè)報(bào)儀采用了多項(xiàng)特殊的抗潮濕設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，觀測(cè)過程中，一旦儀器受潮，將自動(dòng)開啟本機(jī)特有的多重驅(qū)潮裝置使儀器恢復(fù)正常功能，完全實(shí)現(xiàn)了相對(duì)濕度至100% 時(shí)空氣負(fù)離子自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)正常工作。

　　展望未來，通過負(fù)離子監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立，開展不同時(shí)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(jī)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(bào)，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(diǎn)提供依據(jù)，同時(shí)還可為環(huán)境部門開展城近郊區(qū)大氣環(huán)境評(píng)價(jià)工作提供參考依據(jù)，可產(chǎn)生較大的社會(huì)效益和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。