空氣負(fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)的研究*

于志強(qiáng)

(上海市計量測試技術(shù)研究院 材質(zhì)中心，上海 201203)

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空氣負(fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)的研究*

于志強(qiáng)

(上海市計量測試技術(shù)研究院 材質(zhì)中心，上海 201203)

在總結(jié)現(xiàn)有負(fù)離子源發(fā)生裝置和環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，電極發(fā)射形狀類比，利用標(biāo)準(zhǔn)氣源配比，恒溫恒濕處理，流量控制，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)離子源發(fā)生裝置系統(tǒng)。經(jīng)過實驗分析表明：該系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)具有良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，填補了行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生源的缺失，同時為負(fù)離子濃度測試類儀器及相關(guān)負(fù)離子產(chǎn)品的計量溯源及檢測工作提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

負(fù)離子；檢測；重復(fù)性；穩(wěn)定性

0 引言

近年來，由于認(rèn)識到空氣負(fù)離子在醫(yī)學(xué)、生物、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的作用，空氣離子相關(guān)儀器產(chǎn)品逐年增長，部分省市將空氣負(fù)離子量加入日常天氣預(yù)報中，絕大部分的空氣凈化類產(chǎn)品也增添入空氣負(fù)離子項目的新功能作為重要指標(biāo)，故空氣負(fù)離子檢測儀器在國內(nèi)也應(yīng)運而生，且數(shù)量種類繁多。

空氣負(fù)離子測量儀的校準(zhǔn)和量值溯源，我國與發(fā)達(dá)國家差距較大，就國內(nèi)而言，我國僅自1978年由伊朗的沙哈瓦特博士引進(jìn)一臺電子儀器—生物濾器(biological filter)，即我國負(fù)離子發(fā)生器的前身。從事負(fù)離子相關(guān)測量的單位(福建省漳州市東南電子技術(shù)研究所、中國建筑材料科學(xué)研究院等)均未有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生源。且中國建科院申報的JC/T1016-2006也是以建筑材料為研究對象，相對應(yīng)用領(lǐng)域較局限?！叭毡緳C(jī)能性ION協(xié)會” 研發(fā)制造的測量儀器和日本JIS國標(biāo)《空気中のイオン密度測定方法》已于2006年公布，且該協(xié)會也以此為基礎(chǔ)建立了標(biāo)準(zhǔn)離子源及測試系統(tǒng)，目前日本、韓國和臺灣等地區(qū)均采用此方法。

因此，為改善上述情況，本文研究建立一套標(biāo)準(zhǔn)空氣離子發(fā)生裝置用于空氣負(fù)離子測量儀的檢測系統(tǒng)工作，填補該領(lǐng)域國內(nèi)的缺失，同時提高工作效率，減少人力物力消耗。

1 四種負(fù)離子機(jī)理

1.1 負(fù)離子發(fā)生裝置機(jī)理的選擇

目前已得到論證的負(fù)離子產(chǎn)生機(jī)理有四種，裝置核心從中可以比較并選擇最優(yōu)化。

1.1.1 碰撞分離效應(yīng)

正電荷和負(fù)電荷數(shù)量相等時，空氣分子和原子呈電中性。當(dāng)空氣分子受到外界條件如電離劑作用后，獲得足夠能量，使原子核外圍的價電子脫離原子核的束縛而躍出軌道變成自由電子，使失去電子的中性分子或原子捕獲逃逸出來的電子，變成帶負(fù)電荷的離子，這一形成帶電荷的正負(fù)離子的過程成為空氣離子化，空氣負(fù)離子就是帶負(fù)電荷的單個氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱。電子對原子的碰撞偶然性較大，產(chǎn)生的負(fù)離子含量區(qū)間一般為102～105個/cm3左右，發(fā)生多在都市公園、郊外田野、街道綠化區(qū)內(nèi)。

1.1.2 Lenard效應(yīng)

Lenard效應(yīng)是由諾貝爾獎德國物理學(xué)家philipp von Lenard于1894年發(fā)現(xiàn)的。水滴在空氣中運動能量的消耗伴隨著電荷的分離。這時因為水滴通過外加剪切力剝離大水滴形成了水霧，水霧從水滴表面脫離時帶上負(fù)電荷，從而形成負(fù)離子。自然界的瀑布效應(yīng)，噴泉效應(yīng)附近的負(fù)離子濃度較高就是由于Lenard效應(yīng)導(dǎo)致。試驗發(fā)現(xiàn)，水的噴射過程中，正負(fù)電荷的分離還依賴于溫度、存在的溶解雜質(zhì)、沖擊空氣的速度和接觸界面[1]。

此效應(yīng)的理論還不完備，負(fù)離子含量區(qū)間為102-104個/cm3左右，濃度較低，數(shù)據(jù)離散度大，穩(wěn)定性差，不適合應(yīng)用于裝置。

1.1.3 熱點效應(yīng)和壓電效應(yīng)

由于一些天然礦石晶體結(jié)構(gòu)的不對稱性，導(dǎo)致兩個高電荷的原子在結(jié)晶格架上排列明顯錯位，使其在機(jī)械力的作用和晶體的溫度變化的條件下產(chǎn)生熱點效應(yīng)和壓電效應(yīng)。當(dāng)前研究最多的是電氣石，又叫托瑪琳，其晶體所處環(huán)境溫度與壓力變化時，電氣石的正極會吸收大氣中的負(fù)離子，并把它存儲在其晶體內(nèi)部，多余負(fù)離子會從負(fù)極放出，因而形成永久放電特性。在一定的溫度壓力下，其放電特性相對穩(wěn)定，溫度每提高10度，效果倍增。

由于電氣石的永久電極特性，常被用來制作成手腕，護(hù)腰帶。其放射的負(fù)離子濃度穩(wěn)定性很高，但缺點是其濃度不大，實驗數(shù)據(jù)顯示，5kg左右粉末狀的負(fù)離子濃度約為103個/cm3左右。

1.1.4 中性介質(zhì)荷電效應(yīng)

電暈放電可產(chǎn)生大量負(fù)離子。系統(tǒng)空間的空氣中，有不受原子束服的電子存在，當(dāng)在系統(tǒng)兩端施加高直流電壓時，天然電子被電場力加速，當(dāng)其動能累計值大于或等于所碰撞的氣體分子的電離點位時，可誘發(fā)分子電離而產(chǎn)生出正離子和電子，該電子與原有的自由電子分別又被電場力加速，形成“電子雪崩”，正離子被加速引向負(fù)極，釋放電荷。而在電暈外區(qū)，氣體分子俘獲自由電子形成了大量的空氣負(fù)離子。

此種負(fù)離子的產(chǎn)生機(jī)理主要是在靠近負(fù)極金屬絲的強(qiáng)電場區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。電場強(qiáng)度越強(qiáng), 所產(chǎn)生的負(fù)離子就越多，一般極限值可達(dá)107個/cm3左右。且在確定下放電極幾何形狀，系統(tǒng)環(huán)境的溫濕度與供給系統(tǒng)反應(yīng)的氣體源的因素后，能獲得較佳的穩(wěn)定性重復(fù)性、高濃度的負(fù)離子。

綜上所述，排除前三種不適宜采用的負(fù)離子發(fā)生機(jī)理，唯選擇第四種即電暈放電較符合目前標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生裝置的設(shè)計。

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子源發(fā)生裝置是本系統(tǒng)的核心，也是設(shè)計中重點要考慮的部分。

1.2 離子發(fā)生體幾何形狀的設(shè)計

電暈放電法的標(biāo)準(zhǔn)離子發(fā)生體幾何形狀是影響負(fù)離子濃度高低，穩(wěn)定性的重要因素。在設(shè)計及選用過程中，研究發(fā)現(xiàn)放電極按幾何形狀分類，主要有電場封閉型和電場開放型兩種。

電場封閉型，就是正、負(fù)高壓電極之間距離較近，兩電極相互放電。它采用數(shù)排平行尖端，排距約1cm左右，兩排尖端之間加5～7kV直流高電壓，相鄰兩排尖端互相放電，使1cm距離空間的空氣電離，產(chǎn)生空氣負(fù)離子。此類放電幾何形狀，負(fù)離子濃度數(shù)千到數(shù)萬個，并不適宜匹配標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)離子發(fā)生源[2]。

圖1 排除的放電極幾何形狀

圖2 選用的放電極幾何形狀

電場開放型，就是將負(fù)高壓電極直接對空間電暈放電，使空氣電離產(chǎn)生空氣負(fù)離子。電場開放型有幾種：數(shù)個尖端型、球狀尖端型、液體電極型和線管型。前三類開放型放電極幾何形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，產(chǎn)生臭氧量巨大且部分還需要通過添加藥物來提高負(fù)離子濃度量，在常規(guī)實驗中并不適合。

故排除的放電極幾何形狀如圖1所示，分別為電場封閉型和數(shù)個尖端型、球狀尖端型、液體電極型。

選用的放電極幾何形狀如圖2所示，為線管型，該放電幾何形狀結(jié)構(gòu)簡單，臭氧釋放相對較小，其通過線圈內(nèi)徑、金屬絲內(nèi)徑及載負(fù)電荷的線密度等可計算場強(qiáng)強(qiáng)度，便于觀察負(fù)離子趨勢，故標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生裝置設(shè)計上選用線管型放電極形狀最佳[3]。

1.3 裝置影響因素的確定

在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生裝置的設(shè)計中，考慮到有多種因素會對最終結(jié)果產(chǎn)生影響，故在裝置的設(shè)計內(nèi)又包含設(shè)計了以下幾種輔助設(shè)備，減少可變因素，主要針對氣源控制和溫度控制。

氣源方面，配置氮氧兩種氣體供給標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生裝置，模擬自然空氣的比例21:78，總流量控制在10L/min。通過氣源輸入除了可以控制裝置內(nèi)濕度值，也可排除輸入氣源的顆粒度，減少外界對負(fù)離子發(fā)生濃度的影響。

溫控方面，混合后的氣體，以標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)入迷宮式空氣加熱器中，上升到50℃，同樣排除溫度值對負(fù)離子濃度的影響。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖3所示，針對空氣負(fù)離子測量儀系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)主要包括以下部分：精控氣源及混合系統(tǒng)、氣體加熱倉、離子發(fā)生部件，精密電源控制部件及測試部件。

圖3 系統(tǒng)裝置示意圖

系統(tǒng)裝置的工作原理：氧氣與氮氣，經(jīng)減壓后，進(jìn)入質(zhì)量流量控制器中，混合模擬大氣環(huán)境，避免濕度、顆粒物的影響。混合后的氣體，以標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)入迷宮式的空氣加熱器中，加熱到一定溫度。再進(jìn)入離子發(fā)生腔，通過高精密電源控制及微電流計監(jiān)控, 在線管型負(fù)離子發(fā)生腔內(nèi)形成電場。此時腔內(nèi)不受原子束縛的自由電子在電場力的作用下, 沿電場的反方向作加速運動。達(dá)到一定的強(qiáng)度，將其它分子的外層電子轟擊掉,被其它分子所俘獲，形成一定濃度的負(fù)離子，從聚四氟乙烯材料的測試出口輸出，接入到負(fù)離子檢測儀內(nèi)，實現(xiàn)該裝置對負(fù)離子測量儀的檢測。各部件特點如下：

2.1 總負(fù)離子發(fā)生腔體效果圖

圖4中a所示，離子發(fā)生腔體設(shè)計的效果圖拆分后可觀察到內(nèi)部的迷宮式的空氣加熱器中。圖4中b所示，垂直剖面效果圖可以觀察內(nèi)部的放電極形狀。

形狀最終采用線管式發(fā)生器，內(nèi)腔Φ50mm×190mm，電暈絲使用鎢絲，尺寸為Φ0.1mm×190mm，整體精密幾何尺寸加工，外部為不銹鋼材料。輸出部件為聚四氟乙烯材料，從Φ50mm的內(nèi)口轉(zhuǎn)換為46mm×8mm的矩形口，以配合大部分測試儀接口。

圖4 離子發(fā)生腔體設(shè)計的效果圖

2.2 精密氣體質(zhì)量流量控制器

氧氣流量計與氮氣流量計分為0～5L/min和0～20L/min，精度高達(dá)0.5%。

2.3 靜電發(fā)生器及微電流監(jiān)控表

發(fā)生器電源為精密高壓電源EST705，電壓范圍30kV，調(diào)制電流1mA。EST122型微電流監(jiān)控表(北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所)，電流調(diào)制精度為10-14A。

3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性研究

空氣負(fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)為保證各測量點的技術(shù)指標(biāo)，采用控制變量法，最大程度上排除影響負(fù)離子濃度檢測的變量，確定測量點并研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

由于空氣負(fù)離子極高的活性和不確定性，當(dāng)測試系統(tǒng)穩(wěn)定性≤10%，重復(fù)性≤10%時，就已滿足既定的裝置目標(biāo)，可用于負(fù)離子測量儀器的比對工作。

選取測試距離為20cm、40cm 和60cm，分別作為1、2、3測試點。選用DLY-4G-232Y型的負(fù)離子檢測儀作為測試儀器。該儀器準(zhǔn)確度高，還具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性較好的特性，適合用來比較負(fù)離子濃度穩(wěn)定性與重復(fù)性的影響。

由于圓筒的長度遠(yuǎn)大于圓筒的直徑，在圓筒內(nèi)部可近似認(rèn)為電場方向與徑向相反，并且是軸對稱的，由高斯定理可求出電場強(qiáng)度的大小:

E=l /(2prε0)

(1)

式中，l 表示負(fù)極金屬絲單位長度上所載負(fù)電荷數(shù)，即所載負(fù)電荷的線密度；r表示圓筒半徑；ε0為真空介電常數(shù)。

正、負(fù)極間所加高壓用U表示，金屬絲的半徑用a表示，圓筒的內(nèi)半徑用b表示，則

(2)

l =2prε0U/ln(b/a)

(3)

將式(2)代入式(1)得

E=U/ln(b/a)

(4)

由式(2)和式(3)可以看出圓筒內(nèi)部電場強(qiáng)度的分布。負(fù)離子的產(chǎn)生主要是在靠近負(fù)極金屬絲的強(qiáng)電場區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。電場強(qiáng)度越強(qiáng)，所產(chǎn)生的負(fù)離子就越多。負(fù)離子發(fā)生裝置確定后, 內(nèi)部電場強(qiáng)度是由正、負(fù)極上所加的電壓決定，在裝置結(jié)構(gòu)確定的前提下，轉(zhuǎn)換成微電流作為輸入量[4]。

故此套系統(tǒng)中的負(fù)離子濃度是通過兩方面來調(diào)節(jié)的，第一個是調(diào)節(jié)負(fù)離子發(fā)生裝置的電壓，通過微電流產(chǎn)生不同濃度的負(fù)離子；第二個是選用檢測系統(tǒng)不同的測試點來確定負(fù)離子的濃度。

在負(fù)離子測量與標(biāo)定中，1000個/cm3以下的低負(fù)離子數(shù)，尤其是500個/cm3以下的極低負(fù)離子測量一直是一個難點，由于負(fù)離子在空氣中無處不在，無法排除低濃度值時大氣中負(fù)離子的本底值。因此，結(jié)合測試儀器指標(biāo)以及技術(shù)現(xiàn)狀，選擇的測試濃度點均大于1000個/cm3，讀數(shù)方式為每隔三秒讀數(shù)一次，讀數(shù)一分鐘，見表1。

表1 測試點1的負(fù)離子數(shù)據(jù)

續(xù)表

在測量點位置1，負(fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)的重復(fù)性(≤0.7%)和穩(wěn)定性(≤2.5%)。由于數(shù)據(jù)量太大，測試點位置2與位置3只寫結(jié)論。在測量點位置2，負(fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)的重復(fù)性(≤2.5%)和穩(wěn)定性(≤5.5%)。測量點位置3，負(fù)離子測量儀檢測需提供的重復(fù)性(≤6.5%)和穩(wěn)定性(≤8.5%)。

實驗數(shù)據(jù)表明，空氣負(fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)在測量點1，2，3(即測試距離為20cm,40cm ，60cm)滿足初設(shè)的重復(fù)性穩(wěn)定性要求。

4 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性研究與國內(nèi)外負(fù)離子測試儀比對

4.1 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性

目前國內(nèi)唯一的負(fù)離子測試儀標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18809—2002 空氣離子測量儀通用規(guī)范》是由福建省漳州市東南電子技術(shù)研究所起草的，該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍僅為該單位設(shè)計生產(chǎn)的DLY系列負(fù)離子測試儀，即是本次重復(fù)性穩(wěn)定性研究中采用的儀器DLY-4G-232Y型負(fù)離子測試儀。

該儀器DLY-4G-232Y型負(fù)離子測試儀有福建省漳州市東南電子技術(shù)研究所的出廠檢驗報告，并另由上海計量院比對后出具溯源證書。

4.2 國內(nèi)外負(fù)離子測試儀比對

經(jīng)過市場調(diào)研、取證及工作經(jīng)驗，市面上現(xiàn)存的國內(nèi)外空氣負(fù)離子測量儀種類目前常用的4種。通過日本JIS國標(biāo)《空気中のイオン密度測定方法》出廠要求的日本Inti公司 ITC-201A型，美國AIC公司的AIC-1000型，上海電動工具研究所生產(chǎn)的SD9207B型，及福建漳州東南研究所DLY-4G-232Y型這四種。

以下采用這4種空氣負(fù)離子測量儀在3組相同的測試條件下，分別進(jìn)行3組離子濃度的比對試驗，見表2。

表2 4臺負(fù)離子測試儀比對數(shù)據(jù)

續(xù)表

選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)使用En比率值計算來進(jìn)行評價，該能力統(tǒng)計量很典型地被用于測量比對計劃或測量審核活動。

選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)使用En比率值計算來進(jìn)行評價。

En=(xi-xref)/(Ui2+Uref2)0.5

式中，xi為測量儀顯示的數(shù)值；xref為帶證書測量儀給出的相應(yīng)離子濃度數(shù)值, 以此作為每臺被檢儀器的參考值；Ui為參加測量結(jié)果xi的不確定度；Uref為參考實驗室指定值xref的不確定度。

以有溯源報告的DLY-4G-232Y型數(shù)據(jù)為參考實驗室樣板數(shù)據(jù)，比對結(jié)果En值見圖5所示。

圖5 國內(nèi)外測試儀比對En結(jié)果

以En=1 和En=-1 兩條能力界線為界，最終，國內(nèi)外在用的3臺測試儀全部絕對值En< 1, 其結(jié)果令人滿意的，檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確性達(dá)到要求。

選取的國內(nèi)外負(fù)離子測試儀性能都符合基本要求，除DLY-4G-232Y型帶溯源證書外，其中ITC-201A型(日本)優(yōu)于AIC-1000型(美國)和SD9207B型(上海)。

5 結(jié)論

由于負(fù)離子的易反應(yīng)、不穩(wěn)定性，以及其不具備存儲標(biāo)準(zhǔn)氣體的條件，因此，負(fù)離子測試儀不能向其他氣體分析儀一樣使用標(biāo)準(zhǔn)氣體來進(jìn)行校準(zhǔn)?？諝庳?fù)離子測量儀檢測系統(tǒng)的建立，為負(fù)離子測試儀的校準(zhǔn)提供了一種新方法，完善了負(fù)離子濃度測試儀及相關(guān)負(fù)離子產(chǎn)品的計量檢測工作，填補國內(nèi)空白。另一方面在項目的研究過程中，項目組還對不同的負(fù)離子測試儀在不同工況下測量積累了數(shù)據(jù)，項目研究中積累的大量數(shù)據(jù)也為今后其他負(fù)離子的檢測工作或發(fā)生裝置的建立提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

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*上海市計量測試技術(shù)研究院(I00RY0808)