空气负离子测量仪检测系统的研究*

于志强

(上海市计量测试技术研究院 材质中心，上海 201203)



空气负离子测量仪检测系统的研究*

于志强

(上海市计量测试技术研究院 材质中心，上海 201203)

在总结现有负离子源发生装置和环境影响的基础上，结合大量现场实测数据，电极发射形状类比，利用标准气源配比，恒温恒湿处理，流量控制，建立一套标准的负离子源发生装置系统。经过实验分析表明：该系统在测量范围内具有良好的重复性、稳定性和准确性，填补了行业内标准负离子发生源的缺失，同时为负离子浓度测试类仪器及相关负离子产品的计量溯源及检测工作提供强大的技术支持。

负离子；检测；重复性；稳定性

0 引言

近年来，由于认识到空气负离子在医学、生物、环境保护等领域的作用，空气离子相关仪器产品逐年增长，部分省市将空气负离子量加入日常天气预报中，绝大部分的空气净化类产品也增添入空气负离子项目的新功能作为重要指标，故空气负离子检测仪器在国内也应运而生，且数量种类繁多。

空气负离子测量仪的校准和量值溯源，我国与发达国家差距较大，就国内而言，我国仅自1978年由伊朗的沙哈瓦特博士引进一台电子仪器—生物滤器(biological filter)，即我国负离子发生器的前身。从事负离子相关测量的单位(福建省漳州市东南电子技术研究所、中国建筑材料科学研究院等)均未有标准负离子发生源。且中国建科院申报的JC/T1016-2006也是以建筑材料为研究对象，相对应用领域较局限。“日本機能性ION協会” 研发制造的测量仪器和日本JIS国标《空気中のイオン密度測定方法》已于2006年公布，且该协会也以此为基础建立了标准离子源及测试系统，目前日本、韩国和台湾等地区均采用此方法。

因此，为改善上述情况，本文研究建立一套标准空气离子发生装置用于空气负离子测量仪的检测系统工作，填补该领域国内的缺失，同时提高工作效率，减少人力物力消耗。

1 四种负离子机理

1.1 负离子发生装置机理的选择

目前已得到论证的负离子产生机理有四种，装置核心从中可以比较并选择最优化。

1.1.1 碰撞分离效应

正电荷和负电荷数量相等时，空气分子和原子呈电中性。当空气分子受到外界条件如电离剂作用后，获得足够能量，使原子核外围的价电子脱离原子核的束缚而跃出轨道变成自由电子，使失去电子的中性分子或原子捕获逃逸出来的电子，变成带负电荷的离子，这一形成带电荷的正负离子的过程成为空气离子化，空气负离子就是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。电子对原子的碰撞偶然性较大，产生的负离子含量区间一般为102～105个/cm3左右，发生多在都市公园、郊外田野、街道绿化区内。

1.1.2 Lenard效应

Lenard效应是由诺贝尔奖德国物理学家philipp von Lenard于1894年发现的。水滴在空气中运动能量的消耗伴随着电荷的分离。这时因为水滴通过外加剪切力剥离大水滴形成了水雾，水雾从水滴表面脱离时带上负电荷，从而形成负离子。自然界的瀑布效应，喷泉效应附近的负离子浓度较高就是由于Lenard效应导致。试验发现，水的喷射过程中，正负电荷的分离还依赖于温度、存在的溶解杂质、冲击空气的速度和接触界面[1]。

此效应的理论还不完备，负离子含量区间为102-104个/cm3左右，浓度较低，数据离散度大，稳定性差，不适合应用于装置。

1.1.3 热点效应和压电效应

由于一些天然矿石晶体结构的不对称性，导致两个高电荷的原子在结晶格架上排列明显错位，使其在机械力的作用和晶体的温度变化的条件下产生热点效应和压电效应。当前研究最多的是电气石，又叫托玛琳，其晶体所处环境温度与压力变化时，电气石的正极会吸收大气中的负离子，并把它存储在其晶体内部，多余负离子会从负极放出，因而形成永久放电特性。在一定的温度压力下，其放电特性相对稳定，温度每提高10度，效果倍增。

由于电气石的永久电极特性，常被用来制作成手腕，护腰带。其放射的负离子浓度稳定性很高，但缺点是其浓度不大，实验数据显示，5kg左右粉末状的负离子浓度约为103个/cm3左右。

1.1.4 中性介质荷电效应

电晕放电可产生大量负离子。系统空间的空气中，有不受原子束服的电子存在，当在系统两端施加高直流电压时，天然电子被电场力加速，当其动能累计值大于或等于所碰撞的气体分子的电离点位时，可诱发分子电离而产生出正离子和电子，该电子与原有的自由电子分别又被电场力加速，形成“电子雪崩”，正离子被加速引向负极，释放电荷。而在电晕外区，气体分子俘获自由电子形成了大量的空气负离子。

此种负离子的产生机理主要是在靠近负极金属丝的强电场区域内进行。电场强度越强, 所产生的负离子就越多，一般极限值可达107个/cm3左右。且在确定下放电极几何形状，系统环境的温湿度与供给系统反应的气体源的因素后，能获得较佳的稳定性重复性、高浓度的负离子。

综上所述，排除前三种不适宜采用的负离子发生机理，唯选择第四种即电晕放电较符合目前标准负离子发生装置的设计。

标准负离子源发生装置是本系统的核心，也是设计中重点要考虑的部分。

1.2 离子发生体几何形状的设计

电晕放电法的标准离子发生体几何形状是影响负离子浓度高低，稳定性的重要因素。在设计及选用过程中，研究发现放电极按几何形状分类，主要有电场封闭型和电场开放型两种。

电场封闭型，就是正、负高压电极之间距离较近，两电极相互放电。它采用数排平行尖端，排距约1cm左右，两排尖端之间加5～7kV直流高电压，相邻两排尖端互相放电，使1cm距离空间的空气电离，产生空气负离子。此类放电几何形状，负离子浓度数千到数万个，并不适宜匹配标准的负离子发生源[2]。

图1 排除的放电极几何形状

图2 选用的放电极几何形状

电场开放型，就是将负高压电极直接对空间电晕放电，使空气电离产生空气负离子。电场开放型有几种：数个尖端型、球状尖端型、液体电极型和线管型。前三类开放型放电极几何形状结构较复杂，产生臭氧量巨大且部分还需要通过添加药物来提高负离子浓度量，在常规实验中并不适合。

故排除的放电极几何形状如图1所示，分别为电场封闭型和数个尖端型、球状尖端型、液体电极型。

选用的放电极几何形状如图2所示，为线管型，该放电几何形状结构简单，臭氧释放相对较小，其通过线圈内径、金属丝内径及载负电荷的线密度等可计算场强强度，便于观察负离子趋势，故标准负离子发生装置设计上选用线管型放电极形状最佳[3]。

1.3 装置影响因素的确定

在标准负离子发生装置的设计中，考虑到有多种因素会对最终结果产生影响，故在装置的设计内又包含设计了以下几种辅助设备，减少可变因素，主要针对气源控制和温度控制。

气源方面，配置氮氧两种气体供给标准发生装置，模拟自然空气的比例21:78，总流量控制在10L/min。通过气源输入除了可以控制装置内湿度值，也可排除输入气源的颗粒度，减少外界对负离子发生浓度的影响。

温控方面，混合后的气体，以标准流量进入迷宫式空气加热器中，上升到50℃，同样排除温度值对负离子浓度的影响。

2 系统的构成

如图3所示，针对空气负离子测量仪系统的要求，系统主要包括以下部分：精控气源及混合系统、气体加热仓、离子发生部件，精密电源控制部件及测试部件。

图3 系统装置示意图

系统装置的工作原理：氧气与氮气，经减压后，进入质量流量控制器中，混合模拟大气环境，避免湿度、颗粒物的影响。混合后的气体，以标准流量进入迷宫式的空气加热器中，加热到一定温度。再进入离子发生腔，通过高精密电源控制及微电流计监控, 在线管型负离子发生腔内形成电场。此时腔内不受原子束缚的自由电子在电场力的作用下, 沿电场的反方向作加速运动。达到一定的强度，将其它分子的外层电子轰击掉,被其它分子所俘获，形成一定浓度的负离子，从聚四氟乙烯材料的测试出口输出，接入到负离子检测仪内，实现该装置对负离子测量仪的检测。各部件特点如下：

2.1 总负离子发生腔体效果图

图4中a所示，离子发生腔体设计的效果图拆分后可观察到内部的迷宫式的空气加热器中。图4中b所示，垂直剖面效果图可以观察内部的放电极形状。

形状最终采用线管式发生器，内腔Φ50mm×190mm，电晕丝使用钨丝，尺寸为Φ0.1mm×190mm，整体精密几何尺寸加工，外部为不锈钢材料。输出部件为聚四氟乙烯材料，从Φ50mm的内口转换为46mm×8mm的矩形口，以配合大部分测试仪接口。

图4 离子发生腔体设计的效果图

2.2 精密气体质量流量控制器

氧气流量计与氮气流量计分为0～5L/min和0～20L/min，精度高达0.5%。

2.3 静电发生器及微电流监控表

发生器电源为精密高压电源EST705，电压范围30kV，调制电流1mA。EST122型微电流监控表(北京市劳动保护科学研究所)，电流调制精度为10-14A。

3 系统的稳定性和重复性研究

空气负离子测量仪检测系统为保证各测量点的技术指标，采用控制变量法，最大程度上排除影响负离子浓度检测的变量，确定测量点并研究系统的稳定性和重复性。

由于空气负离子极高的活性和不确定性，当测试系统稳定性≤10%，重复性≤10%时，就已满足既定的装置目标，可用于负离子测量仪器的比对工作。

选取测试距离为20cm、40cm 和60cm，分别作为1、2、3测试点。选用DLY-4G-232Y型的负离子检测仪作为测试仪器。该仪器准确度高，还具有响应快、稳定性较好的特性，适合用来比较负离子浓度稳定性与重复性的影响。

由于圆筒的长度远大于圆筒的直径，在圆筒内部可近似认为电场方向与径向相反，并且是轴对称的，由高斯定理可求出电场强度的大小:

E=l /(2prε0)

(1)

式中，l 表示负极金属丝单位长度上所载负电荷数，即所载负电荷的线密度；r表示圆筒半径；ε0为真空介电常数。

正、负极间所加高压用U表示，金属丝的半径用a表示，圆筒的内半径用b表示，则

(2)

l =2prε0U/ln(b/a)

(3)

将式(2)代入式(1)得

E=U/ln(b/a)

(4)

由式(2)和式(3)可以看出圆筒内部电场强度的分布。负离子的产生主要是在靠近负极金属丝的强电场区域内进行。电场强度越强，所产生的负离子就越多。负离子发生装置确定后, 内部电场强度是由正、负极上所加的电压决定，在装置结构确定的前提下，转换成微电流作为输入量[4]。

故此套系统中的负离子浓度是通过两方面来调节的，第一个是调节负离子发生装置的电压，通过微电流产生不同浓度的负离子；第二个是选用检测系统不同的测试点来确定负离子的浓度。

在负离子测量与标定中，1000个/cm3以下的低负离子数，尤其是500个/cm3以下的极低负离子测量一直是一个难点，由于负离子在空气中无处不在，无法排除低浓度值时大气中负离子的本底值。因此，结合测试仪器指标以及技术现状，选择的测试浓度点均大于1000个/cm3，读数方式为每隔三秒读数一次，读数一分钟，见表1。

表1 测试点1的负离子数据

续表

在测量点位置1，负离子测量仪检测系统的重复性(≤0.7%)和稳定性(≤2.5%)。由于数据量太大，测试点位置2与位置3只写结论。在测量点位置2，负离子测量仪检测系统的重复性(≤2.5%)和稳定性(≤5.5%)。测量点位置3，负离子测量仪检测需提供的重复性(≤6.5%)和稳定性(≤8.5%)。

实验数据表明，空气负离子测量仪检测系统在测量点1，2，3(即测试距离为20cm,40cm ，60cm)满足初设的重复性稳定性要求。

4 系统的准确性研究与国内外负离子测试仪比对

4.1 系统的准确性

目前国内唯一的负离子测试仪标准《GB/T 18809—2002 空气离子测量仪通用规范》是由福建省漳州市东南电子技术研究所起草的，该标准的适用范围仅为该单位设计生产的DLY系列负离子测试仪，即是本次重复性稳定性研究中采用的仪器DLY-4G-232Y型负离子测试仪。

该仪器DLY-4G-232Y型负离子测试仪有福建省漳州市东南电子技术研究所的出厂检验报告，并另由上海计量院比对后出具溯源证书。

4.2 国内外负离子测试仪比对

经过市场调研、取证及工作经验，市面上现存的国内外空气负离子测量仪种类目前常用的4种。通过日本JIS国标《空気中のイオン密度測定方法》出厂要求的日本Inti公司 ITC-201A型，美国AIC公司的AIC-1000型，上海电动工具研究所生产的SD9207B型，及福建漳州东南研究所DLY-4G-232Y型这四种。

以下采用这4种空气负离子测量仪在3组相同的测试条件下，分别进行3组离子浓度的比对试验，见表2。

表2 4台负离子测试仪比对数据

续表

选取具有代表性的一组数据使用En比率值计算来进行评价，该能力统计量很典型地被用于测量比对计划或测量审核活动。

选取具有代表性的一组数据使用En比率值计算来进行评价。

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

式中，xi为测量仪显示的数值；xref为带证书测量仪给出的相应离子浓度数值, 以此作为每台被检仪器的参考值；Ui为参加测量结果xi的不确定度；Uref为参考实验室指定值xref的不确定度。

以有溯源报告的DLY-4G-232Y型数据为参考实验室样板数据，比对结果En值见图5所示。

图5 国内外测试仪比对En结果

以En=1 和En=-1 两条能力界线为界，最终，国内外在用的3台测试仪全部绝对值En< 1, 其结果令人满意的，检测系统准确性达到要求。

选取的国内外负离子测试仪性能都符合基本要求，除DLY-4G-232Y型带溯源证书外，其中ITC-201A型(日本)优于AIC-1000型(美国)和SD9207B型(上海)。

5 结论

由于负离子的易反应、不稳定性，以及其不具备存储标准气体的条件，因此，负离子测试仪不能向其他气体分析仪一样使用标准气体来进行校准。空气负离子测量仪检测系统的建立，为负离子测试仪的校准提供了一种新方法，完善了负离子浓度测试仪及相关负离子产品的计量检测工作，填补国内空白。另一方面在项目的研究过程中，项目组还对不同的负离子测试仪在不同工况下测量积累了数据，项目研究中积累的大量数据也为今后其他负离子的检测工作或发生装置的建立提供了强大的技术支持。

[1] 黄春松，黄翔，吴志湘. 空气负离子产生机理的研究. 第五届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集，2005

[2] 蒙晋佳，韩桂华. 空气负离子发生器产品概况. 医疗卫生装备，2003(12)

[3] JIS B9929-2006《空気中のイオン密度測定方法》，日本规格协会2006-11-20实施

[4] 陈勇.负离子发生器原理及设计.家用电器科技，1998(6)

[5] WU Chih Cheng， L EE Grace W M. Oxidation of volatile organic compounds by negative air ions[J].Atmospheric Environment,2004,38: 6 28726295

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.01

*上海市计量测试技术研究院(I00RY0808)