1 引言

從負離子成因分析，輻射、暴雨、雷電等天氣現象有利于空氣負離子的形成，而其存在或消失和大氣的空氣質量有較大關系，空氣中負離子濃度多少與光照強度、空氣濕度、溫度、風速、霧等因子有關，因此空氣中負離子濃度是空氣質量好壞的標志之一。世界衛生組織規定：清新空氣的負離子標準濃度為每立方厘米空氣中不應低于1000-1500個。高負離子濃度的大氣環境，對人類的健康有一定的醫療保健作用。因此，對負離子的研究越來越引起不同學科專家的重視。

Maciej A. Noras等人設計了一種空氣負離子測量儀，它使用一個正負電場相間的圓盤裝置，可以收集空氣中的正負離子，通過產生電流測量空氣中的正負離子；S. Sekia等人利用鎵液態金屬離子源來掃描測量空氣中的正負離子；目前國內大部分空氣負離子測量使用福建省漳州市東南電子研究所設計的儀器，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。但是上述離子測量儀器都是采取人工操作，不能進行自動化的測量與傳輸。

威德創新科技（北京）有限公司研制開發了專利產品WIMD-A系列大氣負離子自動測量系統，包括空氣負離子自動測報儀、無線數據傳輸系統、上位機數據接收與處理系統、網上發布系統，其中空氣負離子自動測報儀采用“電容式吸入”法原理設計和生產的空氣離子測量儀器，該儀器是按照國家推薦標準GB/T18809-2002 《空氣離子測量儀通用規范》進行標定的， 各項技術指標均達到國際先進水平；采用了目前通用的GSM與GPRS通信方式進行無線數據傳輸，應用圖形化操作界面，并且可以在網上進行數據的查詢與發布。該自動測量系統符合相關的國家推薦標準，實現了從數據采集到傳輸的全部自動化、智能化，徹底取代了人工觀測。

2 系統介紹

空氣負離子自動測量系統包括自動負離子監測儀、無線傳輸系統或有線以太網傳輸系統、上位機數據接收與處理系統、網上發布系統，實現了從數據采集、傳輸、處理、發布的全部自動化、智能化。

2.1 自動負離子監測儀

本儀器采用電容式測量法。空氣以恒定風速通過采集桶，偏壓板施加負電壓，吸引正離子，與之對應的采集板則吸引負離子，經過電荷放大器后以電壓的形式到AD進行模數轉換，最后輸出測量值。

本系統采用免干擾測量方式，排除了交流電部分造成的干擾，使數據測量更精準。

一般的空氣離子檢測裝置的離子采集器外形是矩形的，而抽風裝置是圓形的，其導致空氣流過離子采集器時是不均勻的，測量會不穩定。采用了精密圓桶式離子采集器的結構設計，使腔體內流經的空氣均處于有效的采集范圍，從而保證了離子采集的準確性，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，其結果是空氣離子檢測裝置逐漸不能正常工作，只有經過清洗后才能恢復正常。然而清洗離子采集桶非常不方便，還會影響觀測業務。精密圓桶式離子采集器采用了可拆卸式技術，便于用戶方便地拆換采集器，并進行清洗和維護。

圖1 自動監測儀原理圖

（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（個/cm3）

I —— 采集器顯示的讀數

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）

（2）離子遷移率

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

K=Vd/E=d2Vx/（LU）

K：比例常數，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 大氣負離子自動測報儀性能指標

2.2 負離子數據觀測［page］

大氣環境中空氣離子濃度受地球環境的物理特性、氣候、季節、時間變化及大氣中污染物變化所影響。負離子的濃度、極性、大小是評價環境質量、環境污染程度、天氣好壞以及對人類帶來哪些影響的重要標尺。由于各種自然條件和居住環境中激發電離的能量不同，大氣溫度、濕度與氣壓的不斷變化，在各種環境中空氣負離子的數值有很大的差異。因此負離子測量儀器讀數的隨機性比較大，必須在穩定的環境條件下進行重復多次、或者持續一定時間的測試，才能得到比較準確的檢測結果。

負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，首先進行除濕，在進行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，再進行除濕操作，如此反復，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置觀測間隔，一般為1小時，考慮到還要進行除濕操作，最短間隔不能小于30分鐘。通過遠程命令操作，可以更改觀測時間間隔。

自動大氣負離子監測系統按照預設時間開始自動觀測，將采集的數據自動儲存在單片機內，最多可以存儲三個月的觀測數據，作為終端的大氣負離子自動測報儀內有通信模塊，通過GPRS與中心站和客戶端聯接。

2.3 觀測數據傳輸、處理與顯示

觀測數據通過有線以太網傳輸系統、短信或GPRS無線傳輸系統傳輸到上位機數據接收管理平臺；觀測數據以文本和SQL Server數據庫兩種方式進行存儲。

中心站數據管理平臺除基本的數據無線接收及網絡接收功能外，還具有多種管理、統計、分析功能，短信發布功能；通過中心站數據管理平臺，可以實現觀測站點管理、觀測數據實時顯示、野外監測站監控，通過內置指令對野外監測儀遠程進行參數設置，當數據出現丟失現象時，還可以通過遠程命令主動調取儀器中存儲的歷史數據。

本系統的另外一個特色是可以通過在局域網和互聯網上實時展示采集到的數據，并生成各種曲線，提供即時業務服務。

3 觀測資料初步分析

WIMD-A系列大氣離子自動測量系統已經在貴州、吉林、河北、江蘇、浙江等多個省份安裝，并正常業務運行，其中在江蘇省氣象局宿遷氣象站已經業務運行一年多了。

本文以江蘇省氣象局宿遷氣象站負離子觀測資料為例，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據，共168組數據作為樣本，利用分析空氣負離子濃度隨時間變化規律，以及與空氣溫度、濕度、風速之間的相關關系。

以下各趨勢曲線均取五點平均值進行平滑后，分析七天的變化規律。

根據圖5分析，有明顯的日變化規律，每天基本都會出現一個極大值，一個極小值；其中極大值出現在00時至02時左右，極小值出現在11時至14時左右，從02時至12時負離子濃度呈下降趨勢，從14時至02時負離子濃度呈上升趨勢。根據圖6分析，基本上負離子的峰值變化趨勢與溫度峰值變化趨勢相反，呈明顯負相關，這也與上面負離子具有日變化特征的結論一致，空氣溫度同樣也具有日變化規律。從負離子消散機制來分析，溫度高時造成空氣湍流加強，有利于負離子的消散，溫度低則有利于負離子的生存。

圖2 測量流程圖

圖3 中心站數據管理平臺界面

圖4 網上負離子數據圖形顯示界面

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圖5 春季2006年4月01日00時－07日23時負離子觀測結果日變化分析

圖6 春季2006年4月01日00時－07日23時負離子與溫度觀測結果相關分析

圖7 春季2006年4月01日00時－07日23時負離子與濕度觀測結果相關分析

根據圖7分析，與濕度呈明顯正相關，負離子濃度變化稍滯后于濕度變化。從負離子產生機制來分析，在空氣濕度大時造成空氣中水分子增大，有利于負離子的產生。

圖8 春季2006年4月01日00時－07日23時負離子與兩分鐘風速觀測結果相關分析

根據圖8分析，與風速呈明顯負相關。從負離子消散機制來分析，風速大時會造成空氣湍流加強，有利于負離子的消散。

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

4 結論與展望

本系統經過在貴州、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定，工作可靠，無故障、無間隔工作時間可達120-150天，對精密圓桶式離子采集器進行清洗和維護后，即可繼續連續穩定工作，極大地減輕了觀測人員的工作強度。

總結系統具有以下特色：

（1）測量過程用計算機技術完全取代人工操作，真正實現了空氣負離子數據采集的自動化、智能化；在臺站或者野外布設自動化觀測儀器，通過無線傳輸方式自動將監測數據發送到高性能的上位機數據無線接收管理平臺。

（2）系統管理平臺除有無線接收基本的數據外，還具有多種管理、統計、分析功能，短信發布功能；二級分布式數據管理系統具有高效、易用及進行二層智能組網的特點。通過服務器端和客戶端的智能聯接，可以完成服務器端對客戶端的管理、監控和服務等，客戶端也可以方便地操縱和監控自己權限以內的測報系統。

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

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

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