1 引言

　　从负离子成因分析，辐射、暴雨、雷电等天气现象有利于空气负离子的形成，而其存在或消失和大气的空气质量有较大关系，空气中负离子浓度多少与光照强度、空气湿度、温度、风速、雾等因子有关，因此空气中负离子浓度是空气质量好坏的标志之一。世界卫生组织规定：清新空气的负离子标准浓度为每立方厘米空气中不应低于1000-1500个。高负离子浓度的大气环境，对人类的健康有一定的医疗保健作用。因此，对负离子的研究越来越引起不同学科专家的重视。

　　Maciej A. Noras等人设计了一种空气负离子测量仪，它使用一个正负电场相间的圆盘装置，可以收集空气中的正负离子，通过产生电流测量空气中的正负离子[5]；S. Sekia等人利用镓液态金属离子源来扫描测量空气中的正负离子[6]；目前国内大部分空气负离子测量使用福建省漳州市东南电子研究所设计的仪器，采用电容式空气离子收集器收集离子携带的电荷，通过测量这些电荷形成的电流和取样空气流量换算出离子浓度[7]。但是上述离子测量仪器都是采取人工操作，不能进行自动化的测量与传输。

　　威德创新科技（北京）有限公司研制开发了专利产品WIMD-A系列大气负离子自动测量系统，包括空气负离子自动测报仪、无线数据传输系统、上位机数据接收与处理系统、网上发布系统，其中空气负离子自动测报仪采用“电容式吸入”法原理设计和生产的空气离子测量仪器，该仪器是按照国家推荐标准GB/T18809-2002 《空气离子测量仪通用规范》进行标定的, 各项技术指标均达到国际先进水平；采用了目前通用的GSM与GPRS通信方式进行无线数据传输，应用图形化操作界面，并且可以在网上进行数据的查询与发布。该自动测量系统符合相关的国家推荐标准，实现了从数据采集到传输的全部自动化、智能化，彻底取代了人工观测。

2 系统介绍

　　空气负离子自动测量系统包括自动负离子监测仪、无线传输系统或有线以太网传输系统、上位机数据接收与处理系统、网上发布系统，实现了从数据采集、传输、处理、发布的全部自动化、智能化。

2.1 自动负离子监测仪

　　本仪器采用电容式测量法。空气以恒定风速通过采集桶，偏压板施加负电压，吸引正离子，与之对应的采集板则吸引负离子，经过电荷放大器后以电压的形式到AD进行模数转换，最后输出测量值。

　　本系统采用免干扰测量方式，排除了交流电部分造成的干扰，使数据测量更精准。
一般的空气离子检测装置的离子采集器外形是矩形的，而抽风装置是圆形的，其导致空气流过离子采集器时是不均匀的，测量会不稳定。采用了精密圆桶式离子采集器的结构设计，使腔体内流经的空气均处于有效的采集范围，从而保证了离子采集的准确性，同时具有防震防静电的效果。

　　空气离子检测装置的离子采集器暴露在空气中，很容易被污染，其结果是空气离子检测装置逐渐不能正常工作，只有经过清洗后才能恢复正常。然而清洗离子采集桶非常不方便，还会影响观测业务。精密圆桶式离子采集器采用了可拆卸式技术，便于用户方便地拆换采集器，并进行清洗和维护。

图1 自动监测仪原理图

　　（1）离子浓度计算公式

N=I/(q.V.A)
N —— 每单位体积空气中的离子数（个/cm3）
I —— 采集器显示的读数
q —— 基本电荷电量（≈1.6×10-19库仑）
V —— 取样空气流速（cm/sec）
A —— 采集桶的有效横截面积（cm2）

　　（2）离子迁移率

　　离子迁移率是表达被测离子大小的重要参数。离子运动速度与离子直径成负相关，而离子迁移率与离子运动速度成正相关，故离子迁移率与离子直径成负相关。

K=Vd/E=d2Vx/(LU)
K：比例常数，离子迁移率极限（简称离子迁移率）（cm2/v·sec）
Vd ：空气中离子穿过气体的平均速度（迁移速度）(cm/sec)
E：电场强度(v/cm)
D：采集板与极化板之间的间距（cm）
Vx ：采集桶中的气流速度（cm/sec）
L：采集板的长度（cm）
U：极化电压（v）

　　小离子的直径一般在 0.001 — 0.003 μm, 平均迁移率为1.0 cm2/v·sec；中离子的直径一般在 0.003 — 0.03 μm， 平均迁移率为0.05 cm2/v·sec；大离子的直径一般在 0.03 — 0.1 μm, 平均迁移率为0.005 cm2/v·sec。

　　WIMD-A系列大气离子自动测报仪观测的是对人体健康有影响、离子迁移率K为1.0和0（cm2/v·sec）两档的小离子。

表1 大气负离子自动测报仪性能指标

2.2 负离子数据观测