基于電容式吸入法的大氣負(fù)離子觀測儀性能分析

曲鵬飛，李旭光，劉俊杰

(華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司,北京 102299)

0 引言

大氣負(fù)離子濃度與人們的健康息息相關(guān),其中負(fù)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(biāo)之一,被譽(yù)為大氣中的“維他命”[1-3],與環(huán)境氣象學(xué)、生態(tài)氣象學(xué)、旅游氣象學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)。大氣負(fù)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(fù)離子濃度會有很大差異[4，5],開展空氣負(fù)離子濃度觀測對評價(jià)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(fù)離子觀測儀的測量原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行介紹,并對實(shí)驗(yàn)室和外場觀測試驗(yàn)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(jìn)行評估分析。

1 儀器簡介

1.1 測量原理及流程

大氣負(fù)離子觀測儀利用目前國內(nèi)常用的電容式吸入法原理進(jìn)行負(fù)離子檢測,主要用于測量空氣中特定負(fù)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(shè)定速度勻速通過傳感器?？諝庵刑囟ǖ男×截?fù)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(fù)電荷經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的處理,計(jì)算出負(fù)離子的電荷濃度值[6-8]。

根據(jù)離子半徑的大小將空氣負(fù)離子分為小離子、中離子和大離子[9]。負(fù)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(shí),所測得的負(fù)離子絕大部分是以氧分子吸附的負(fù)離子為主的小粒徑離子,俗稱“負(fù)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(jìn)行測量,離子遷移率以0.1為步長進(jìn)行調(diào)節(jié)。

負(fù)離子傳感器默認(rèn)采集間隔是5 min,在1個(gè)間隔的測量過程中分成了4個(gè)部分。傳感器在每個(gè)整5 min開始測量,第1個(gè)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(dá)到驅(qū)濕和保持傳感器絕緣性的目的;第2個(gè)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(gè)過程是風(fēng)扇啟動,時(shí)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(gè)過程是動態(tài)測試,待風(fēng)扇啟動0.5 min,氣流穩(wěn)定后開始測量,持續(xù)1 min;第5個(gè)過程是計(jì)算1次測量的負(fù)離子數(shù)值,輸出數(shù)據(jù)并開始等待下一個(gè)測量過程。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減小外界干擾對離子采集筒中負(fù)離子形成的微電流的影響,提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,同時(shí)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(fēng)扇驅(qū)動電路等與離子采集筒進(jìn)行了緊密關(guān)聯(lián),封裝成一個(gè)整體并進(jìn)行了金屬屏蔽。

離子傳感器采用“筒式”設(shè)計(jì)。在一個(gè)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(fù)離子電荷加載到電路板采樣模塊,實(shí)現(xiàn)離子的采集。風(fēng)扇安裝在外圓筒的上端,驅(qū)動氣流從傳感器底端進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,勻速通過采集段,然后從傳感器上端排出。

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

2 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案

將3 臺負(fù)離子觀測儀分別編號為H0001、H0002、H0003,放置在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測試,對比兩兩之間的測量值,統(tǒng)計(jì)相對誤差不超過±15%的樣本個(gè)數(shù)。測量周期為5 min。

被試3臺負(fù)離子觀測儀的進(jìn)風(fēng)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(shí)保證室內(nèi)空氣流動且均勻,四周應(yīng)無明顯遮擋、無強(qiáng)反射面,選擇相同的離子遷移率(0.4c m2/(V·sec)),同時(shí)開機(jī)進(jìn)行測量。

試驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定后,待被試設(shè)備工作3 h以上,對設(shè)備進(jìn)行一致性評價(jià)。

2.1.2 外場試驗(yàn)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(fù)離子觀測儀運(yùn)行、觀測、維護(hù)的基本需求,能提供當(dāng)?shù)販y試站點(diǎn)的自動氣象站信息(溫度、相對濕度、風(fēng)、天氣現(xiàn)象等)。

將2臺負(fù)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(yàn)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(jī)軟件。開展為期3個(gè)月的外場試驗(yàn),測量周期5 min,對設(shè)備的高濕環(huán)境通過情況、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 一致性評價(jià)方法

在實(shí)驗(yàn)室正常環(huán)境及高濕環(huán)境(相對濕度≥85%)下進(jìn)行測試,計(jì)算任意兩臺被試設(shè)備測量值之差與兩臺設(shè)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(rèn)為一致性良好。

2.2.2 高濕環(huán)境通過評價(jià)方法

通過外場試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)當(dāng)高濕環(huán)境(相對濕度≥70%)樣本量超過統(tǒng)計(jì)時(shí)段總樣本量50%時(shí),有效樣本占比大于95%,認(rèn)為設(shè)備高濕環(huán)境下性能合格。

2.2.3 可靠性評價(jià)方法

設(shè)備可靠性指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)采用GJB899A-2009規(guī)定的定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案,具體參數(shù)見表1。

表1 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案參數(shù)

要求外場試驗(yàn)的3臺設(shè)備平均無故障運(yùn)行時(shí)間MTBF≥5000 h。

2.2.4 穩(wěn)定性評價(jià)方法

對每臺設(shè)備3個(gè)月的數(shù)據(jù)到報(bào)率情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

數(shù)據(jù)到報(bào)率(M)計(jì)算公式如下:

M= (Nr/Ns)×100%

(1)

式中,Nr為實(shí)到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);Ns為應(yīng)到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

M≥98%則認(rèn)為穩(wěn)定性良好。

3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.1 一致性評價(jià)

3.1.1 常溫常濕一致性

在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室高濕條件下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(jià)

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

根據(jù)濕度觀測值統(tǒng)計(jì),昌平樓頂試驗(yàn)平臺兩臺負(fù)離子觀測儀2019-07-12—2019-08-15共計(jì)30 d高濕數(shù)據(jù)(相對濕度≥70%)占比均超過50%;H0001號設(shè)備高濕樣本占比51.71%,有效樣本占比97.74%;H0002號設(shè)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(jì),遼寧冰砬山觀測站負(fù)離子觀測儀2019-06-11—2019-06-20與2019-07-11—2019-08-10共計(jì)51 d高濕數(shù)據(jù)(相對濕度≥70%)占比均超過50%,H0003號設(shè)備高濕樣本占比72.54%,有效樣本占比99.50%。

3.3 可靠性評價(jià)

根據(jù)可靠性分析方法中試驗(yàn)方案,設(shè)備可靠性指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)的總有效試驗(yàn)時(shí)間為:

T=1.1×5000=5500 h

試驗(yàn)的總時(shí)間T為所有參試產(chǎn)品試驗(yàn)期間各自工作時(shí)間的總和,用公式(2)計(jì)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(yàn)時(shí)間,其中,j=1,2,3,…M,k為到判決時(shí)每臺參試產(chǎn)品的總試驗(yàn)時(shí)間。

按照試驗(yàn)方案,選取3臺參試設(shè)備,預(yù)計(jì)整個(gè)試驗(yàn)周期約5500÷(3×24)=77 d,3臺設(shè)備在3個(gè)月測試期間未出現(xiàn)故障,平均無故障時(shí)間滿足5000 h的要求。

3.4 穩(wěn)定性評價(jià)

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

4 結(jié)束語

文章對3臺HYGFLZ2A 型大氣負(fù)離子觀測儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和為期3個(gè)月的外場試驗(yàn)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(shè)備在實(shí)驗(yàn)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(yàn)平臺2臺設(shè)備在高濕環(huán)境下(相對濕度≥70%)樣本量超過統(tǒng)計(jì)時(shí)段總樣本量50%時(shí),有效樣本占比均大于95%,認(rèn)為設(shè)備高濕環(huán)境下性能合格;

3)3臺設(shè)備在外場試驗(yàn)3個(gè)月內(nèi)均未出現(xiàn)故障,滿足MTBF>5000 h;

4)3臺設(shè)備在外場試驗(yàn)3個(gè)月期間,數(shù)據(jù)到報(bào)率均在98%以上,穩(wěn)定性良好。