一种基于迁移率分析的空气负离子浓度检测方法
【摘要】 空气负离子浓度是判断空气质量好坏的重要标准。传统的空气负离子浓度检测仪通过电容式离子收集器测量负离子在收集板两端形成的电流，根据测量电流与空气负离子浓度的关系进行计算。采用传统方法设计的空气负离子浓度检测仪只能测量有限几种半径的空气负离子浓度，并且在测M大半径的空气负离子浓度时存在一定的系统误差。为满足空气负离子浓度高精度检测的应用需求，通过模拟分析不同半径的空气负离子在收集器中的运动轨迹，提出了一种基于迁移率分析的空气负离子浓度检测方法，给出了相应的电路系统和设计参数，分析论证了系统设计的合理性。该方法将电流检测与数值计算相结合.能够精确测定空气中不同半径的负离子浓度，在环境监测与评价领域有重要的应用价值。关键词空气质量;空气负离子浓度;迁移率;离子半径中图分类号:P412DOI:10.19517/j.1671-6345.20180477文献标识码:A引言空气负离子（NegativeAirIons，NAI)是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称w。由于空有较大的负离子才可能携带一个以上的电荷。离子半径表征了空气负离子的大小，其变化范围主要在1CT5〜l(T8cm。根据离子半径的大小，空气负离子分为小离子、中离子和大离子。半径不同的负离子气负离子能够使生物体内的自由基无毒化与细胞活在人们的生产生活中有着不同作用[11]，中离子和大化，因此对生长发育有良好的促进作用[2]，被认为是离子能够部分沉降空气中的污染物质，而小离子能一种有益人类健康的大气现象[3_7]。空气负离子浓度是指1mL空气中的负离子个数（个/cm3)，是判断空气质量好坏的重要标准。世界卫生组织规定清新空气中负离子的浓度为1000〜1500个/cm3[8:1。空气负离子是由空气分子在外力（辐射、受热、强电场等)作用下失去的自由电子与其它中性分子结够通过肺部呼吸进人人体，在生长发育和防治疾病等方面起着积极作用[12]。常用的离子浓度测量方法主要有Langmuir探针法和电容式测量法U3]。Langmuir探针法通过向探针尖端施加电压，在离子中形成电流.根据/-V曲线得到离子浓度。但该方法只适用于低气压及真空合形成的。由于不同中性分子与自由电子结合能力条件下的离子浓度测量[1<]，无法测量空气中的负离不同，空气负离子有多种存在形式。研究表明空气负离子主要由〇2-(H20)k和（)H(H20)k等原子团组成[9]，此外存在少量的or(H20)k、C〇3_(H20)k、so3-(h2o)k和s()r(h2o)k等离子，它们之间能够子浓度。电容式测量法主要采用电容式收集器收集离子电荷，通过检测电流计算出离子浓度。Beckett首先采用Wesix平行板式离子收集器探测空气负离子浓度[15]，〇6!^611采用同轴圆柱形电容器进行相互转换[_。空气离子浓度探测[16]。电容式测量法是目前大部空气负离子的物理性质可以用离子带电量和离分空气负离子探测仪采用的测量方法，但测量范围子半径描述。空气负离子通常只带一个负电荷，只较小，精度不高。本文对空气负离子在电容式检测http://www.qxkj.net.cn气象科技国家自然科学基金项目（41475025)资助作者简介:韩佳佳，男，1985年生，硕士，讲师，从事物理教学与大气科学研究，Email:hjaZa_f@163.C〇m收稿日期:2018年8月23日;定稿日期:2019年6月12日*通信作者，Email:zmtao@aiofm.ac.cn748气象科技第47卷仪电场中的运动进行了研究•确定了检测仪中系统误差的来源，并基于对负离子迁移率与检测仪参数的分析.将电流检测与数值计算结合，提出了一种新其中，e，r，/，7分别表示离子所带电荷，离子半径，空气分子平均自由程与空气粘滞系数。Cl，c2，c3为常系数。可以看出，在空气的粘滞系数和分子平均自型的空气负离子检测方法。最后给出了系统的设计由程等物理性质不变的情况下，离子迁移率是离子半方案和具体电路，论证了该方法的可行性与合理性。径的单值函数。因此通过测量一定迁移率的负离子1空气负离子在电场中的运动分析一种采用电容式测量法的空气负离子检测仪如图1所示:空气以恒定的风速通过离子收集器两端由采集板组成的平板式电容器，在两端施加电压时，空气中的负离子形成回路电流，通过检测电流换算出空气负离子浓度[11]。AIRIONCOUNTER■CLARITYOFFSETMCASURE图1空气负离子浓度检测仪AIC-2M在空气负离子浓度检测仪中.离子迁移率（ionmobility)定义为空气离子在单位电场强度产生的静电力的作用下，在空气中匀速运动时的速度值。离子迁移率是分辨离子半径大小的重要参数，假设空气离子在电场强度为E的电场中运动的速度为V.则离子迁移率々表示为:对于不同种类的空气离子，离子迁移率取决于离子半径和空气参数。空气离子在电场中匀速运动时，受到电场力与空气阻力的作用，根据式（1)和平衡关系[17]，可以得到:e[l+Ci-+c2-exp(-c3-)]rrr-浓度能够得到对应半径的空气负离子浓度。不同迁移率的空气离子对应的离子半径如表1所示。表1大气离子的分类[|7]类别迁移率V(cm2•V•s-0半径r/(10Hcm)气体离子小离子中离子大离子k^l.O\.0>k^\02I0~2>k^\0~3r^6.66.602.5X10-3250空气负离子在收集器中的合运动是水平方向和竖直方向运动的叠加。如果进入收集器测量范围内的负离子刚好能够被全部收集，那么从下极板边缘处进人收集器的该离子在离开测量区域时应恰好运动到上极板，即沿电场方向到达上极板的时间与沿水平方向离开测量区域的时间相等:d/Vy=L/yx(5)在离子收集器两极板的尺寸和水平方向空气流速、已知的情况下，如果空气负离子经过收集器能够全部到达上极板，则其沿电场方向的速度必须大于Vy。根据迁移率的定义，在收集器形成的电场中，速度对应的迁移率々b为:(6)式中，心为极限迁移率(limitmobility)，是能够全部kb=Vy/E=d2VJ(LU)到达极板的空气负离子迁移率的极小值。可知，极第5期韩佳佳等:一种基于迁移率分析的空气负离子浓度检测方法749限迁移率由离子收集器的尺寸、水平方向空气流速vx和极板间的电压(7决定，与离子半径无关。迁移率大于极限迁移率的负离子运动轨迹如图3a所示，由于沿竖直方向运动的速度较快，这部收集器V，AHVv空气负离子分负离子能够全部到达上极板形成电流。迁移率小于极限迁移率的空气负离子运动轨迹如图3c所示，由于沿竖直方向运动速度较慢，一部分能够到达上极板形成电流。因此，回路中探测到的电流是不同迁移率的离子到达极板形成的电流之和。传统的空气负离子检测仪[8`19]在设计中认为探测电流中仅由迁移率大于极限迁移率的空气负离子形成，导致接地测量结果存在一定的系统误差。图2电容式空气负离子浓度检测仪原理'y(a)/:><、(b)八(c)eiS0汐`------------------------------1------->.r〇[图3空气负离子运动轨迹:（a)迁移率大于极限迁移率，（b)迁移率等于极限迁移率•（<:)迁移率小于极限迁移率基于迁移率分析的空气负离子浓度检测仪设计传统的空气负离子检测仪只能测量离子迁移率为1.0和0.4(<:1112*¥-14_1)附近有限几档的空气负离子浓度[8`19]。由上面的分析可知，采用传统方法在测量大离子浓度时，中小离子也全部到达极板形成电流，对大离子的浓度测量结果造成了干扰;同理，在测量小离子浓度时，部分大离子也能够到达极板形成电流，对小离子的浓度测量也造成影响，导致测量值比实际值偏高。为了减小不同半径空气负离子测量时的相互干扰，准确测定不同半径的空气负离子浓度，提高测量精度，提出了一种基于迁移率分析的空气负离子浓度测量方法，其原理如图4所示。该空气负离子浓度检测仪系统主要由电源，可调电阻，吸气机，离子收集器，电压检测装置，电流检测装置和数据处理计算机组成。测量开始前，首先将空气负离子按尺度谱离散为离子半径为n，〜，厂3，…，〜的负离子，对应的浓度分别为，半径为的空气负离子单独全部到达极板…产生的电流J»[19]为:(7)上式中到达上极板的空气负离子的百分比为:^=yy,,LU,k,LV%d~V^d2kj':■:?kjhk,2010,30(1):42-51,64.[3]InbarO,RotsteinA,DlinRA,etal.Theeffectsofnegativeairionsonvariousphysiologicalfunctionsduringworkinahotenvironment匸JInternationalJournalofBiometeorology,1982,26(2):153-163.[4]IwamaH.Negativeairionscreatedbywatershearingimproveeryth-rocytedeformabilityandaerobicmetabolism[J].IndoorAir,2014,14(4):293-297.[5]石强.森林环境中空气负离子浓度分级标准[J].中国环境科2002,22(4):320-323.[6]SirotaTV,SafronovaVG»AmelinaAG,etal.Effectofnegativeairionsonrespiratoryorgansandblood[J].Biofiz-ika,2008,53(5):886-893.[7]毛成忠，于乃莲，杜佳乐，等.典型城市区与森林区空气负氧离子特征比较分析[J].气象科技，2014,42(6):1083-1089.[8]尹淑娴，朱达洪，陈玲，等.东莞市植物园空气负离子浓度变化特征[J].气象水文海洋仪器.2012，（2):33-36.[13]孙健，白敏冬，毛程奇，等.单极性带电粒子浓度测试方法的研究[J].物理学报，2007,56(7):3972-3976.[14]陈卓，何威，蒲以康.电子回旋共振氩等离子体中亚稳态粒子数密度及电子温度的测量[J].物理学报，2005，54(5):2153-2157.[15]BeckettJC.Airionizationasanenvironmentfactor[J].ElectricalEngineering.1954*73(4):161-165.[16]AplinKL,HarrisonRG.Acomputer-controlledGerdienatmosphericioncounter[J].ReviewofScientificInstruments»2000,71(8):3037-3041.[17]孙景群.大气电学基础[M].北京:气象出版社，1987:27-30.[18]KubasekR.RoubalZ，SzaboZ,etal.Themeasurementofairionsspectrumusingtheaspirationmethod[C]//Tunisia:20093rdInternationalConferenceonSignals,CircuitsandSystem(SCS)»2009:1-4.[19]李伟，王经业，陆勇，等.大气负离子自动测报仪的研制[J].气象科技，2008,36(6):834-836.[9]NagatoK,MatsuiY,TakahiroM,etal.Ananalysisoftheevolu[20]芦满涛.气体体积流量测量中温度和压力修正的必要性[J].tionofnegativeionsproducedbyacoronaionizerinair[J].InternationalJournalofMassSpectrometry,2006»248:142-147.[10]LutsA,PartsTE»LaaksoL，etal.Someairelectricityphenomenacausedbywaterfalls:Correlativestudyofthespectra[J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