基于電容式吸入法的大氣負離子觀測儀性能分析

曲鵬飛，李旭光，劉俊杰

(華云升達(北京)氣象科技有限責任公司,北京 102299)

0 引言

大氣負離子濃度與人們的健康息息相關(guān),其中負氧離子含量的高低和分布已經(jīng)成為生態(tài)環(huán)境的重要指標之一,被譽為大氣中的“維他命”[1-3],與環(huán)境氣象學、生態(tài)氣象學、旅游氣象學等學科密切相關(guān)。大氣負離子濃度隨地理環(huán)境、天氣狀況、季節(jié)等變化而變化,在不同環(huán)境中大氣負離子濃度會有很大差異[4，5],開展空氣負離子濃度觀測對評價空氣質(zhì)量、生態(tài)、環(huán)境和健康影響等具有十分重要的作用。

文章對基于電容式吸入法的大氣負離子觀測儀的測量原理和結(jié)構(gòu)設計等方面進行介紹,并對實驗室和外場觀測試驗數(shù)據(jù)從測量一致性、高濕通過情況、可靠性和穩(wěn)定性等方面進行評估分析。

1 儀器簡介

1.1 測量原理及流程

大氣負離子觀測儀利用目前國內(nèi)常用的電容式吸入法原理進行負離子檢測,主要用于測量空氣中特定負離子濃度值。在離子傳感器(或稱傳感器筒、采集筒)的極化板(或稱偏壓板)上加載定量的極化電壓,使被測空氣按設定速度勻速通過傳感器。空氣中特定的小粒徑負離子在電場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),被采集板所捕獲。采集到的負電荷經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的處理,計算出負離子的電荷濃度值[6-8]。

根據(jù)離子半徑的大小將空氣負離子分為小離子、中離子和大離子[9]。負離子半徑不同所產(chǎn)生的作用不同,對人體生長發(fā)育和防治疾病有利的主要為小離子[10]。研究表明,離子遷移率K≥0.4時,所測得的負離子絕大部分是以氧分子吸附的負離子為主的小粒徑離子,俗稱“負氧離子”[11]。該測量儀主要針對遷移率K在0.4～1.0 (V·sec)之間的小離子進行測量,離子遷移率以0.1為步長進行調(diào)節(jié)。

負離子傳感器默認采集間隔是5 min,在1個間隔的測量過程中分成了4個部分。傳感器在每個整5 min開始測量,第1個過程是判斷環(huán)境濕度是否大于50%RH,條件成立開始加熱0.5 min,達到驅(qū)濕和保持傳感器絕緣性的目的;第2個過程是靜態(tài)值測量,靜態(tài)測量是從5 min測量過程的第1.5分鐘開始,持續(xù)1 min;第3個過程是風扇啟動,時間是從5 min測量過程的第3.5分鐘開始,持續(xù)1.5 min;第4 個過程是動態(tài)測試,待風扇啟動0.5 min,氣流穩(wěn)定后開始測量,持續(xù)1 min;第5個過程是計算1次測量的負離子數(shù)值,輸出數(shù)據(jù)并開始等待下一個測量過程。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

為了減小外界干擾對離子采集筒中負離子形成的微電流的影響,提高測量的穩(wěn)定性和準確性,同時盡量減小離子傳感器的體積,將信號放大電路、AD采集電路等易受干擾的小信號電路、偏壓發(fā)生電路、風扇驅(qū)動電路等與離子采集筒進行了緊密關(guān)聯(lián),封裝成一個整體并進行了金屬屏蔽。

離子傳感器采用“筒式”設計。在一個外徑3 cm屏蔽的圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)固定長12 cm、內(nèi)徑2.6 cm的圓筒作為極化筒,再在極化筒的中心固定一根直徑為1.1 cm的金屬棒作為采集端,金屬棒和極化筒通過絕緣墊片隔開,采集電路板安裝在直徑為3 cm的外圓筒上,通過電纜連接到采集金屬棒上,將采集金屬棒上收集到的負離子電荷加載到電路板采樣模塊,實現(xiàn)離子的采集。風扇安裝在外圓筒的上端,驅(qū)動氣流從傳感器底端進風口進入,勻速通過采集段,然后從傳感器上端排出。

大氣負離子觀測儀整體采用T型管道結(jié)構(gòu)進行封裝,其內(nèi)部風場的均勻性優(yōu)于其他類型,同時延長水平管道的長度增加內(nèi)部風場的均勻性[12]。

2 試驗方案及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 試驗方案

2.1.1 實驗室試驗方案

將3 臺負離子觀測儀分別編號為H0001、H0002、H0003,放置在實驗室正常環(huán)境(相對濕度為40%～50%)、常溫高濕環(huán)境(相對濕度>85%)、高溫高濕環(huán)境(溫度50℃,相對濕度90%)3種環(huán)境下進行測試,對比兩兩之間的測量值,統(tǒng)計相對誤差不超過±15%的樣本個數(shù)。測量周期為5 min。

被試3臺負離子觀測儀的進風口需等高平行擺放,為防止衰減距離產(chǎn)生的影響[13],3臺儀器間距不超過1.5 m,同時保證室內(nèi)空氣流動且均勻,四周應無明顯遮擋、無強反射面,選擇相同的離子遷移率(0.4c m2/(V·sec)),同時開機進行測量。

試驗環(huán)境穩(wěn)定后,待被試設備工作3 h以上,對設備進行一致性評價。

2.1.2 外場試驗方案

選定兩處不同緯度、不同氣候條件的室外場所作為外場測試場所,滿足負離子觀測儀運行、觀測、維護的基本需求,能提供當?shù)販y試站點的自動氣象站信息(溫度、相對濕度、風、天氣現(xiàn)象等)。

將2臺負離子觀測儀(編號H0001、H0002)安裝在昌平中國氣象科技園1號樓樓頂試驗平臺,間隔1.5 m;另一臺(編號H0003)安裝在遼寧冰砬子氣象觀測站,通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件。開展為期3個月的外場試驗,測量周期5 min,對設備的高濕環(huán)境通過情況、可靠性和穩(wěn)定性進行評價。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 一致性評價方法

在實驗室正常環(huán)境及高濕環(huán)境(相對濕度≥85%)下進行測試,計算任意兩臺被試設備測量值之差與兩臺設備測量值的平均值的相對誤差。相對誤差不超過±15%的樣本占比大于80%,認為一致性良好。

2.2.2 高濕環(huán)境通過評價方法

通過外場試驗,統(tǒng)計當高濕環(huán)境(相對濕度≥70%)樣本量超過統(tǒng)計時段總樣本量50%時,有效樣本占比大于95%,認為設備高濕環(huán)境下性能合格。

2.2.3 可靠性評價方法

設備可靠性指標驗證試驗采用GJB899A-2009規(guī)定的定時截尾統(tǒng)計試驗方案,具體參數(shù)見表1。

表1 統(tǒng)計試驗方案參數(shù)

要求外場試驗的3臺設備平均無故障運行時間MTBF≥5000 h。

2.2.4 穩(wěn)定性評價方法

對每臺設備3個月的數(shù)據(jù)到報率情況進行統(tǒng)計分析。

數(shù)據(jù)到報率(M)計算公式如下:

M= (Nr/Ns)×100%

(1)

式中,Nr為實到數(shù)據(jù)個數(shù);Ns為應到數(shù)據(jù)個數(shù)。

M≥98%則認為穩(wěn)定性良好。

3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.1 一致性評價

3.1.1 常溫常濕一致性

在實驗室正常環(huán)境下連續(xù)測量5 h,H0001與H0002相對誤差不超過±15% RH的有效樣本數(shù)占100%,H0001與H0003相對誤差不超過±15%RH的有效樣本數(shù)占100%,H0002與H0003相對誤差不超過±15%RH的有效樣本數(shù)占96.67%。

3.1.2 常溫高濕一致性

在實驗室高濕條件下連續(xù)穩(wěn)定運行5 h,H0001與H0002相對誤差不超過±15%RH的有效樣本數(shù)占81.97%,H0001與H0003相對誤差不超過±15%RH 的有效樣本數(shù)占90.16%,H0002與H0003相對誤差不超過±15%RH的有效樣本數(shù)占95.08%。

3.2 高濕通過情況評價

對昌平樓頂試驗平臺2019-06-12—2019-09-14共計90 d的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

根據(jù)濕度觀測值統(tǒng)計,昌平樓頂試驗平臺兩臺負離子觀測儀2019-07-12—2019-08-15共計30 d高濕數(shù)據(jù)(相對濕度≥70%)占比均超過50%;H0001號設備高濕樣本占比51.71%,有效樣本占比97.74%;H0002號設備高濕樣本占比52.18%,有效樣本占比97.77%。

根據(jù)濕度觀測值統(tǒng)計,遼寧冰砬山觀測站負離子觀測儀2019-06-11—2019-06-20與2019-07-11—2019-08-10共計51 d高濕數(shù)據(jù)(相對濕度≥70%)占比均超過50%,H0003號設備高濕樣本占比72.54%,有效樣本占比99.50%。

3.3 可靠性評價

根據(jù)可靠性分析方法中試驗方案,設備可靠性指標驗證試驗的總有效試驗時間為:

T=1.1×5000=5500 h

試驗的總時間T為所有參試產(chǎn)品試驗期間各自工作時間的總和,用公式(2)計算:

(2)

式中,N為參試產(chǎn)品總數(shù);tkj為參試產(chǎn)品中第j臺的試驗時間,其中,j=1,2,3,…M,k為到判決時每臺參試產(chǎn)品的總試驗時間。

按照試驗方案,選取3臺參試設備,預計整個試驗周期約5500÷(3×24)=77 d,3臺設備在3個月測試期間未出現(xiàn)故障,平均無故障時間滿足5000 h的要求。

3.4 穩(wěn)定性評價

選取昌平兩臺設備2019-06-15—2019-09-14(8月1日—8月5日測試平臺維護)的數(shù)據(jù),測試時長共計90 d,選取遼寧冰砬山觀測站2019-02-01—2019-05-07數(shù)據(jù)進行分析,測試時長共計96 d,測量周期均為5 min，試驗期間3臺設備到報率均超過98%。

4 結(jié)束語

文章對3臺HYGFLZ2A 型大氣負離子觀測儀進行實驗室和為期3個月的外場試驗數(shù)據(jù)分析,從一致性、高濕環(huán)境通過情況、可靠性和穩(wěn)定性方面得出以下結(jié)論:

1)3臺設備在實驗室常濕和高濕環(huán)境下,兩兩之間的相對誤差小于15%的樣本占比均超過80%,一致性良好;

2)昌平試驗平臺2臺設備在高濕環(huán)境下(相對濕度≥70%)樣本量超過統(tǒng)計時段總樣本量50%時,有效樣本占比均大于95%,認為設備高濕環(huán)境下性能合格;

3)3臺設備在外場試驗3個月內(nèi)均未出現(xiàn)故障,滿足MTBF>5000 h;

4)3臺設備在外場試驗3個月期間,數(shù)據(jù)到報率均在98%以上,穩(wěn)定性良好。