基于电容式吸入法的大气负离子观测仪性能分析

曲鹏飞，李旭光，刘俊杰

(华云升达(北京)气象科技有限责任公司,北京 102299)

0 引言

大气负离子浓度与人们的健康息息相关,其中负氧离子含量的高低和分布已经成为生态环境的重要指标之一,被誉为大气中的“维他命”[1-3],与环境气象学、生态气象学、旅游气象学等学科密切相关。大气负离子浓度随地理环境、天气状况、季节等变化而变化,在不同环境中大气负离子浓度会有很大差异[4，5],开展空气负离子浓度观测对评价空气质量、生态、环境和健康影响等具有十分重要的作用。

文章对基于电容式吸入法的大气负离子观测仪的测量原理和结构设计等方面进行介绍,并对实验室和外场观测试验数据从测量一致性、高湿通过情况、可靠性和稳定性等方面进行评估分析。

1 仪器简介

1.1 测量原理及流程

大气负离子观测仪利用目前国内常用的电容式吸入法原理进行负离子检测,主要用于测量空气中特定负离子浓度值。在离子传感器(或称传感器筒、采集筒)的极化板(或称偏压板)上加载定量的极化电压,使被测空气按设定速度匀速通过传感器。空气中特定的小粒径负离子在电场的作用下发生偏转,被采集板所捕获。采集到的负电荷经过数据采集器的处理,计算出负离子的电荷浓度值[6-8]。

根据离子半径的大小将空气负离子分为小离子、中离子和大离子[9]。负离子半径不同所产生的作用不同,对人体生长发育和防治疾病有利的主要为小离子[10]。研究表明,离子迁移率K≥0.4时,所测得的负离子绝大部分是以氧分子吸附的负离子为主的小粒径离子,俗称“负氧离子”[11]。该测量仪主要针对迁移率K在0.4～1.0 (V·sec)之间的小离子进行测量,离子迁移率以0.1为步长进行调节。

负离子传感器默认采集间隔是5 min,在1个间隔的测量过程中分成了4个部分。传感器在每个整5 min开始测量,第1个过程是判断环境湿度是否大于50%RH,条件成立开始加热0.5 min,达到驱湿和保持传感器绝缘性的目的;第2个过程是静态值测量,静态测量是从5 min测量过程的第1.5分钟开始,持续1 min;第3个过程是风扇启动,时间是从5 min测量过程的第3.5分钟开始,持续1.5 min;第4 个过程是动态测试,待风扇启动0.5 min,气流稳定后开始测量,持续1 min;第5个过程是计算1次测量的负离子数值,输出数据并开始等待下一个测量过程。

1.2 结构设计

为了减小外界干扰对离子采集筒中负离子形成的微电流的影响,提高测量的稳定性和准确性,同时尽量减小离子传感器的体积,将信号放大电路、AD采集电路等易受干扰的小信号电路、偏压发生电路、风扇驱动电路等与离子采集筒进行了紧密关联,封装成一个整体并进行了金属屏蔽。

离子传感器采用“筒式”设计。在一个外径3 cm屏蔽的圆筒结构内固定长12 cm、内径2.6 cm的圆筒作为极化筒,再在极化筒的中心固定一根直径为1.1 cm的金属棒作为采集端,金属棒和极化筒通过绝缘垫片隔开,采集电路板安装在直径为3 cm的外圆筒上,通过电缆连接到采集金属棒上,将采集金属棒上收集到的负离子电荷加载到电路板采样模块,实现离子的采集。风扇安装在外圆筒的上端,驱动气流从传感器底端进风口进入,匀速通过采集段,然后从传感器上端排出。

大气负离子观测仪整体采用T型管道结构进行封装,其内部风场的均匀性优于其他类型,同时延长水平管道的长度增加内部风场的均匀性[12]。

2 试验方案及数据分析方法

2.1 试验方案

2.1.1 实验室试验方案

将3 台负离子观测仪分别编号为H0001、H0002、H0003,放置在实验室正常环境(相对湿度为40%～50%)、常温高湿环境(相对湿度>85%)、高温高湿环境(温度50℃,相对湿度90%)3种环境下进行测试,对比两两之间的测量值,统计相对误差不超过±15%的样本个数。测量周期为5 min。

被试3台负离子观测仪的进风口需等高平行摆放,为防止衰减距离产生的影响[13],3台仪器间距不超过1.5 m,同时保证室内空气流动且均匀,四周应无明显遮挡、无强反射面,选择相同的离子迁移率(0.4c m2/(V·sec)),同时开机进行测量。

试验环境稳定后,待被试设备工作3 h以上,对设备进行一致性评价。

2.1.2 外场试验方案

选定两处不同纬度、不同气候条件的室外场所作为外场测试场所,满足负离子观测仪运行、观测、维护的基本需求,能提供当地测试站点的自动气象站信息(温度、相对湿度、风、天气现象等)。

将2台负离子观测仪(编号H0001、H0002)安装在昌平中国气象科技园1号楼楼顶试验平台,间隔1.5 m;另一台(编号H0003)安装在辽宁冰砬子气象观测站,通过无线传输方式将数据上传至上位机软件。开展为期3个月的外场试验,测量周期5 min,对设备的高湿环境通过情况、可靠性和稳定性进行评价。

2.2 数据分析方法

2.2.1 一致性评价方法

在实验室正常环境及高湿环境(相对湿度≥85%)下进行测试,计算任意两台被试设备测量值之差与两台设备测量值的平均值的相对误差。相对误差不超过±15%的样本占比大于80%,认为一致性良好。

2.2.2 高湿环境通过评价方法

通过外场试验,统计当高湿环境(相对湿度≥70%)样本量超过统计时段总样本量50%时,有效样本占比大于95%,认为设备高湿环境下性能合格。

2.2.3 可靠性评价方法

设备可靠性指标验证试验采用GJB899A-2009规定的定时截尾统计试验方案,具体参数见表1。

表1 统计试验方案参数

要求外场试验的3台设备平均无故障运行时间MTBF≥5000 h。

2.2.4 稳定性评价方法

对每台设备3个月的数据到报率情况进行统计分析。

数据到报率(M)计算公式如下:

M= (Nr/Ns)×100%

(1)

式中,Nr为实到数据个数;Ns为应到数据个数。

M≥98%则认为稳定性良好。

3 数据分析结果

3.1 一致性评价

3.1.1 常温常湿一致性

在实验室正常环境下连续测量5 h,H0001与H0002相对误差不超过±15% RH的有效样本数占100%,H0001与H0003相对误差不超过±15%RH的有效样本数占100%,H0002与H0003相对误差不超过±15%RH的有效样本数占96.67%。

3.1.2 常温高湿一致性

在实验室高湿条件下连续稳定运行5 h,H0001与H0002相对误差不超过±15%RH的有效样本数占81.97%,H0001与H0003相对误差不超过±15%RH 的有效样本数占90.16%,H0002与H0003相对误差不超过±15%RH的有效样本数占95.08%。

3.2 高湿通过情况评价

对昌平楼顶试验平台2019-06-12—2019-09-14共计90 d的数据进行统计。

根据湿度观测值统计,昌平楼顶试验平台两台负离子观测仪2019-07-12—2019-08-15共计30 d高湿数据(相对湿度≥70%)占比均超过50%;H0001号设备高湿样本占比51.71%,有效样本占比97.74%;H0002号设备高湿样本占比52.18%,有效样本占比97.77%。

根据湿度观测值统计,辽宁冰砬山观测站负离子观测仪2019-06-11—2019-06-20与2019-07-11—2019-08-10共计51 d高湿数据(相对湿度≥70%)占比均超过50%,H0003号设备高湿样本占比72.54%,有效样本占比99.50%。

3.3 可靠性评价

根据可靠性分析方法中试验方案,设备可靠性指标验证试验的总有效试验时间为:

T=1.1×5000=5500 h

试验的总时间T为所有参试产品试验期间各自工作时间的总和,用公式(2)计算:

(2)

式中,N为参试产品总数;tkj为参试产品中第j台的试验时间,其中,j=1,2,3,…M,k为到判决时每台参试产品的总试验时间。

按照试验方案,选取3台参试设备,预计整个试验周期约5500÷(3×24)=77 d,3台设备在3个月测试期间未出现故障,平均无故障时间满足5000 h的要求。

3.4 稳定性评价

选取昌平两台设备2019-06-15—2019-09-14(8月1日—8月5日测试平台维护)的数据,测试时长共计90 d,选取辽宁冰砬山观测站2019-02-01—2019-05-07数据进行分析,测试时长共计96 d,测量周期均为5 min，试验期间3台设备到报率均超过98%。

4 结束语

文章对3台HYGFLZ2A 型大气负离子观测仪进行实验室和为期3个月的外场试验数据分析,从一致性、高湿环境通过情况、可靠性和稳定性方面得出以下结论:

1)3台设备在实验室常湿和高湿环境下,两两之间的相对误差小于15%的样本占比均超过80%,一致性良好;

2)昌平试验平台2台设备在高湿环境下(相对湿度≥70%)样本量超过统计时段总样本量50%时,有效样本占比均大于95%,认为设备高湿环境下性能合格;

3)3台设备在外场试验3个月内均未出现故障,满足MTBF>5000 h;

4)3台设备在外场试验3个月期间,数据到报率均在98%以上,稳定性良好。