《空气负离子测量仪器性能测试规范》团体标准编制说明

《空气负离子测量仪器性能测试规范》
团体标准编制说明
一、工作简况（包括任务来源、协作单位、主要工作过程、主要起草人及其所做的工作等）；
1.任务来源
本标准由中国气象服务协会提出，由中国气象服务协会归口，项目于2020年批准立项，计划项目名称《空气负离子测量仪器性能测试规范》。

该标准由浙江省大气探测技术保障中心高级工程师罗昶负责，主要起草单位为浙江省大气探测技术保障中心和中国气象服务协会，项目协作单位为杭州赛玛信息技术有限公司、深圳市万仪科技有限公司、广东华风锐进科技有限公司、北京依派伟业数码科技有限公司、威德创新科技（北京）有限公司、中国气象局上海物资管理处、江西省气象服务中心、河南省气象服务中心。

2. 主要工作过程
2.1 成立起草组、召开启动部署会、任务分工、制定工作计划
2020年5月，在杭州召开了标准编制工作部署视频会，成立了编写组，明确了编写组人员分工任务，确定了标准编制编写原则和总体思路，制定工作进度计划。

2.2 组织调研、研讨咨询、确定技术路线
2020年6月-9月，完成标准编写的前期准备工作，研究学习国内外相关标准、指南、规范等文件，调查国内外负离子测量仪技术现状，详细研讨目前负离子测量仪技术参数，广泛征求各方意见，初步确定本标准具体技术参数、编制思路、框架和内容。

2.3 技术参数的试验、分析和验证
2020年7月-9月，编写组根据前期调研的情况，又组织相关专家对标准编制的工作进展进行研讨，特别是对相关标准的仪器技术指标进行讨论研究，以GB/T 18809-2019 《空气离子测量仪器通用规范》和JIS-B 9929-2006《空气离子密度测定方法》为基础，开展了大量的实验、研究和分析，通过上述大量实验对负离子测量仪的性能测试方法进行了改进完善，对本标准中规定的各项技术参数进行了验证研究，形成了本标准中的性能试验方法，证明了本标准确定的各项技术参数的可行性。

2.4 完成初稿编写
2020年9月，项目组在杭州召开会议，对前期试验进行了总结，根据各项性能测试结果，完成测试规范初稿和编制说明的编写。

2.5 完成征求意见稿
2020年10月根据GB/T 1.1—2020 标准化工作导则第1部分项标准的结构和编写的原则，对初稿进行了修改，形成了征求意见稿。

同时，对标准编制说明进行完善。

3. 标准主要起草人及其所做的工作
本标准的主要起草人包括：罗昶、屈雅、丁妙增、杨安良、李闯、唐修雄、谢克勇、冯杉、王珊山、张垒、齐会会、张阳、陆勇、黄鹏良、章焕、夏祎萌、王新伟、李永强、季洪献、张梦磊、付裕、安锦华。

其分工情况见表1。

表1 编写组成员任务分工表
二、标准编制原则和确定标准主要内容（如技术指标、参数、公式、性能要求、试验方法、检验规则等）的论据（包括试验、统计数据），修订标准时，应增列新旧标准水平的对比；
1. 编写原则
本标准以GB/T 1.1--2020 《标准化工作导则第 1 部分：标准的结构和编写规则》系列标准为基础，遵照我国相关法律、法规、规章、技术规范、标准及其规范，以及气象行业标准的特点，本着完整性、统一性、科学性和实用性为基本原则进行编制。

1.1完整性
本标准根据相关计量法规要求和空气负离子测量相关标准，明确了量值溯源途径，规定了气负离子测量仪器开展测试的适用范围、测试条件、标准设备选择、测试项目和方法、测
试数据处理、证书的出具等主要内容，内容完整，对规范空气负离子测量仪器的测试工作具有重要指导意义。

1.2统一性
本标准的适用范围为目前我国通用的负离子测量仪器计量性能测试，并参考了国外相关仪器设备，所规定的技术要求或指标均采用现行有效的国家标准，并结合当前我国目前能达到的技术水平，统一规定了测试项目和测试方法。

1.3科学性
本标准根据负离子浓度测量原理，将负离子浓度溯源至电流、空气流量及相关物理量，经试验验证，溯源方法科学合理。

另外，对本标准主要内容中的测试项目和测试方法进行了大量试验，对测试结果进行了测量不确定度分析和评估，测量结果不确定度小于被测仪器最大允许误差的1/2，符合我国量值传递基本要求，具有很好的科学合理性。

1.4适用性
本标准适用于当前所我国主流负离子测量设备的测试，所规定的测试项目和方法方便可行。

以目前科技水平，可自主制作或采购标准仪器和配套设备。

2. 主要内容
2.1 标准的编制依据
本标准主要依据GB/T 18809-2019 《空气离子测量仪器通用规范》和JIS-B 9929-2006《空气离子密度测定方法》对空气负离子测量的有关规定，确定了计量测试相关的技术指标、测试方法以及产品应符合的其他技术标准。

根据目前计量技术，本标准规定的测试方法选择了量值间接比较测试法。

为保证具有良好的测量重复性，结合标准器具的计量特性，规定了测试环境条件、标准设备和测试方法。

为保证测量结果的准确可靠，结合量值溯源的可靠性，确定了标准设备的技术指标要求。

结合目前通用的负离子浓度测量设备技术要求，规定测试项目主要有测量误差、响应时间、重复性和离子迁移率。

2.2主要技术指标及依据
GB/T 18809-2019《空气离子测量仪器通用规范》和JIS-B 9929-2006《空气离子密度测定方法》规定的测量仪器的主要技术指标，其中GB/T 18809-2019中规定的常见测量技术指标如表2所示。

表2 空气离子浓度示值的准确度
GB/T 18809-2019与JIS-B 9929-2006规定的仪器测量准确度基本一致。

根据我国量值传递要求，开展测试的标准设备的准确度（以最大允许误差表征）一般应不超过被测仪器最大允许误差的1/3，因此，本标准采用的标准仪器的最大允许误差规定不超过±5%。

再结合测量不确定度要求（开展校准或测试，其扩展不确定度一般不超过被测仪器最大允许误差的1/2），确定了配套设备的技术要求，并通过试验进行了验证。

2.3 性能测试方法
2.3.1 量值溯源和传递方法
假设存在恒定负离子浓度的空气，则可用于校准负离子测量仪。

但以目前的科技水平，产生一个可计量至单个负离子的空气十分困难。

另外，由于空气负离子生命周期短，负离子浓度也无法保持长时间恒定。

仪器测得的负离子浓度无法溯源至单位体积内空气中的负离子个数。

测量误差是测量仪器的主要计量特性。

对于负离子浓度测量误差，当前最有效的方法是在一个负离子浓度恒定均匀的负离子场（负离子源）中用准确度高的标准负离子测量仪与被校仪器进行比较。

由于空气负离子测量仪尚无负离子浓度计量溯源途径，其准确度无法验证，无法得到准确度高的标准负离子测量仪。

但根据测量原理可将负离子测量仪的组成部分单独进行溯源（见表3）。

表3 负离子测量仪量值溯源
按照GB/T 18809-2002或日本国家标准（JIS B 9929:2006 《Standard for measuring methods of airborne ion density》），在离子收集器结构尺寸和极化电压符合标准的情况下，根据空气流量误差和电流测量误差可计算出理论上的负离子浓度测量误差。

空气负离子测量仪标称允许
误差一般为±15%至±20%，因此应选择相对测量误差小于标称允许误差的负离子测量仪作为测试用标准负离子测量仪。

以标准负离子测量仪作为校准用标准器（参考标准）时，需要一个稳定的负离子源用于量值比较（量值传递）。

2.3.2 测试环境
测试环境主要为室内测试环境条件。

由于负离子浓度测量属弱电流测量，结合标准设备特别是微电流计要求的检测环境要求，其测试环境中的温湿度一般应保持恒温恒湿，且无电磁干扰。

一方面确保标准设备的准确可靠，也保证了测量结果具有良好的重复性和较小的不确定度。

2.3.3 标准测量设备
测量空气负离子含量的测量方法有多种，但目前常用且较为合理的负离子测量方法为电容式测量法，空气负离子测量仪主要由离子收集器（包括极化板或极化圆筒、收集板或收集棒、极化电源、吸气风机等组成）、微电流测量模块（也可通过电位差计测量电流）、数据处理模块等组成，其主要工作原理如图1所示。

空气以稳定流速通过一个具有恒定电场的固定空间，空气中的负离子在电场作用下发生迁移并落在收集板（棒）上形成电流，根据电流大小计算出采集空气中的负离子个数。

由于单个负离子的电荷量已知（约为1.6×10-19C ），可以根据电流大小和空气流量计算出负离子浓度，其计算公式为：
qM I
N
（1）
式中N 为负离子浓度（ ions/cm 3），I 为测得的电流（A ），q 为基本电荷量（约为1.6×10-19C ）,M 为收集空气流量（cm 3/s ）。

从公式1可知，负离子浓度误差主要来源于空气流量测量误差和电流测量。

因此，依据GB/T 18809-2019或日本国家标准JIS B 9929:2006 《Standard for measuring
methods of airborne ion density 》，只要减少空气流量和电流测量误差，从而减小负离子浓度测量误差，可制作标准负离子测量仪作为检测用参考标准，则该标准测量仪可用于测试工作用负离子测量仪。

根据电容式负离子测量原理，制作标准离子收集器，标准离子收集器应具有稳定均匀的空气流场和稳定的极化电压。

为此，本标准规定标准离子收集器内的空气流场雷诺数不大于2300，从而保证收集气流具有良好的层流性。

选择性能良好的通风风扇，并通过高精度流量计测量出空气流量，使空气流量误差控制在±3%以内。

因离子收集器相当于电容，必然存在泄漏电流，泄漏电流造成的零位应不超过50 ions/cm 3（通过公式1进行计算）。

选择精度为1%的电流皮安表测量离子收集器的电流，可通过公式1计算出负离子浓度。

因此，测试用标准负离子测量仪由标准离子收集器和微电流计二部分组成。

标准离子收集器应符合相关标准并进行优化，流量误差优于±3%。

微电流计选用数字式皮（飞）安表（B2983A 型），测量精度1%。

通过不同结构的离子收集器制作，不同型号的离子收集器与微电流计联接后进行示值比较，负离子浓度示值相对偏差不超过±5%。

极化电压可根据极限迁移率公式进行计算，依据GB/T 18809-2019和日本国家标准（JIS B 9929:2006 《Standard for measuring methods of airborne ion density 》）。

双重圆筒式离子收集器极限迁移率公式见公式2，平板式离子收集器极限迁移率公式见公式3。

LU r r M K u π2ln
2
1
= （2）
LU V d K x
u 2= （3）
式中： L 为极板长度，d 为极板间距，空气流速为Vx ，极化电压为U 。

对于双重圆筒轴式离子收集器，外圆筒内径为1r ，收集电极外径为2r ，收集电极长度为L ，极化电压为U ，空气流量为M 。

取相应的极限迁移率，根据离子收集器中的结构物理参数，可得到离子收集器的极化电压，极化电压误差应不超过±1%。

为进行量值比较，需要一个离子浓度稳定均匀，大小连续可调，离子粒径小的负离子发生装置。

为减小测量结果的不确定度，规定了负离子发生装置试验区均匀度：≤5%（≥500 ions/cm3时），波动度：±5%（≥500 ions/cm3时）。

另外，试验区风场流速应尽可能小，一般小于0.5m/s ，以减小测试时对负离子测量仪收集空气流量的影响。

通过大量试验，在本标准规定的标准负离子测量仪和负离子发生装置各项技术指标情况下，测量结果的不确定度不超过被测仪器测量误差的1/2，测试结果准确可靠。

2.3.4 测试项目
根据空气负离子测量仪工作原理，本标准规定的测试项目主要有测量误差、响应时间、重复性和离子迁移率。

测量误差是计量器具最主要计量特性，仪器负离子浓度示值误差是本标准最主要的测试项目，反映了仪器的测量准确度。

响应时间反映了仪器对量值变化响应的灵敏度，由于空气负离子生命周期短，要求测量仪器具有较短的响应时间，以实时监测空气负离子浓度的变化情况。

为此，规定了响应时间作为测试项目。

对仪器的重复性进行测试，主要用于验证测量仪器对同一被测量（负离子浓度值）测量的一致性情况。

仪器的离子迁移率大小反映了离子收集器能收集空气中离子粒径在大小，人们一般关注小粒径负离子，因此，对负离子测量仪的极限迁移率进行测试是十分必要的。

2.3.5 性能测试
2.3.5.1测量误差
通过负离子发生装置产生一个稳定均匀负离子场，标准负离子测量仪和被测负离子测量仪在同一负离子场中测量负离子浓度值，以标准负离子测量仪示值作为参考标准值，取稳定期间的各仪器示值平均值的差值作为测量误差，并以相对测量误差作为测试结果。

2.3.5.2 响应时间
调整负离子浓度发生装置试验区负离子浓度至规定值（取1000 ions/cm3），被测负离子测量仪稳定5min后，调节试验区负离子浓度快速升至10000 ions/cm3，用秒表测量负离子测量仪示值升至7000 ions/cm3时所需时间（70%响应）。

关闭负氧离子浓度发生装置使负离子浓度下降，用秒表测量负氧离子监测仪示值从高值降至1000 ions/cm3时所需时间。

以测得的时间的平均值作为响应时间。

2.3.5.3 重复性
开启负离子发生装置，将负离子浓度稳定至一测试值（如3000 ions/cm3），稳定后同时读取标准负离子测量仪和被校仪器示值。

重复测量10次。

以10次测量误差的相对标准偏差作为该测量点仪器重复性。

2.3.5.4 离子迁移率
测量被测仪器的空气流量、收集器物理结构尺寸和极化电压，用空气流量计测量被测仪器离子收集器的空气流量，重复测量3次，取算术平均值作为被测仪器的空气收集流量。

用游标卡尺测量离子收集器极化板和收集板的长度、宽度和间距（或极化筒内径、收集棒外径和长度）。

用直流电压计测量极化电压，重复测量2次，取算术平均值作为被测仪器的极化电压。

将测得的结果按公式2或公式3计算出仪器的极限离子迁移率。

2.4 测试报告
根据相关计量法规或规范要求，结出参考测试报告编写格式（包括测试记录格式）。

三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果；
3.1 试验验证
3.1.1 标准设备
本标准编制时，测试时的参考标准离子收集器基本情况见表4、表5。

表4 圆筒式离子收集器技术参数
离子收集器类型KS型离子收集器SM型离子收集器
注：各型号离子收集器均制作2套，因风扇原因，流量略有差异。

表5 平板式离子收集器技术参数
离子收集器类型KS-F型离子收集器1 KS-F型离子收集器
2
图2 KS双重圆筒式离子收集器剖面图
SM双重圆筒式离子收集器如图3所示。

图3 KS双重圆筒式离子收集器
平板式离子收集器剖面图如图4所示。

图4 平板式离子收集器剖面图
从公式1可知，当离子收集器采集的空气流量为一定值后，其电流与负离子浓度为线性等比关系。

由于风扇性能的不一致，各收集器流量不同，对每个收集器流量用超声波流量计测量后（测量准确度优于2%），再根据公式1计算出转换系数。

其流量测量结果和转换系数见表6。

表6 离子收集器流量及离子浓度转换系数
3.1.2 试验环境条件
试验时环境温湿度及风速：20.7℃，68%RH，0.5 m/s。

3.1.3 测量误差试验
3.1.3.1日本COM3400型离子测量仪测试
取标准离子收集器（SM01）与微电流计作为参考标准，测试日本COM3400型离子测量仪的（1#）测量误差，离子迁移率取0.4 cm2/V.s。

测量结果见图5。

图5 SM型收集器与COM3400型离子测量仪测试结果
取平板型收集器和微电流计作为参考标准，与COM3400型仪器进行比较，其测试结果见图6。

图6 平板型收集器与COM3400型离子测量仪测试结果
3.1.1.2 德国IM806型离子测量仪测试
IM806型离子测量仪极限迁移率为0.5cm2/V.s，取标准离子收集器（SM02）与微电流计作为参考标准（极限迁移率设置为0.5cm2/V.s），测试结果见图7。

图7 SM型收集器与IM806型离子测量仪测试结果
取平板型收集器和微电流计作为参考标准，与IM806型离子测量仪进行比较，其测试结果见图8。

图8 平板型收集器与IM806型离子测量仪测试结果
3.1.1.3 ONETEST-500型离子测量仪测试
ONETEST-500型离子测量仪如图9所示。

图9 ONETEST-500型离子测量仪
使用平板型收集器与仪器进行测试，结果如图10所示。

图10 ONETEST-500型离子测量仪
3.1.1.4 WST型负离子测量仪测试
使用平板型收集器与仪器进行测试，结果如图11所示。

图11 WST型负离子测量仪测试结果
3.1.4测量重复性
取平板型收集器与德国仪器进行比较测量，测量过程中各测试点稳定期间等间隔读取测量值，测得结果如表7所示。

表7 重复性试验结果
从表7可看出，不同测试点相对误差的标准偏差略有不同，负离子浓度越大，其标准偏差越小，但均不大于2.3%，以10次测量示值的平均值作为测量结果，则测量结果重复性引入的标准不确定度为。

3.1.5 响应时间（70％响应）
调节负离子浓度发生装置试验区负离子浓度至1000 ions/cm3，被测负离子测量仪稳定5min后，调节试验区负离子浓度快速升至10000 ions/cm3以上，用秒表测量负离子测量仪示值升至7000 ions/cm3时所需时间。

关闭负氧离子浓度发生装置使负离子浓度下降，用秒表测量负氧离子监测仪示值从高值降至1000 ions/cm3时所需时间。

任取一仪器进行响应时间测试，结果如图12和图13所示。

图12 响应时间测试（上升）
图13 响应时间测试（下降）
从图12可知，负离子浓度上升时，仪器响应时间约5s。

从图13可知，负离子浓度下降时，响应时间约10s。

3.1.6离子迁移率
以表4为例，外筒内径为1.6（cm）,收集棒外径为0.8（cm），收集棒长度为16.05（cm），空气流量2.46（m3/h）,极化电压11.75（V）,则根据公式2，极限迁移率K u 为：
K u ==0.3999（cm2/(v.s) ）
3.2不确定度分析与评定
3.2.1测量结果重复性引入的标准不确定度
取平板型收集器与德国仪器进行比较测量，测量过程中各测试点稳定期间等间隔读取测量值，测得结果如表8所示。

表8 重复性试验结果
从表8可看出，不同测试点相对误差的标准偏差略有不同，负离子浓度越大，其标准偏差越小，但均不大于2.3%，以10次测量示值的平均值作为测量结果，则测量结果重复性引入的标准不确定度为。

3.2.2参考标准测量误差引入的标准不确定度
各离子收集器与微电流计作为参考标准，各标准离子收集器测量结果的相对偏差不超过±5%。

按最大允许误差±5%作为引入不确定分量因子，则参考标准测量误差引入的标准不确定度为。

3.2.3均匀度引入的标准不确定度
测试时，参考标准与被测仪器收集器处于相邻位置，根据离子发生装置负离子浓度分布特性，其均匀度不超过2%。

因此，由均匀度引入的标准不确定度为。

3.2.4 因风场风速大小引入的标准不确定度
在负离子发生装置工作试验区，流场风速约0.5m/s。

由于风场的存在，必然对负离子测量仪离子收集器的通风流量产生影响，对于不同结构和流量大小的离子收集器，会产生不同的流量变化量，从而产生负离子测量误差。

通过控制工作试验区风速大小，可以检测不同风速下误差的变化情况，图14为风速与测量误差的变化情况。

图14 不同风速流场下的负离子偏差测试结果
从图14可看出，在流场风速大于0.63m/s时，两收集器的示值偏差逐渐加大，而且， KS-F型收集器在风速大于1.06m/s后，其示值出现了下降，主要原因在于外界风场对收集器的空气收集流量产生了很大影响。

从表5可知，KS-F型为平板型收集器，流量约4.1m3/h,极化区平均风速为1.0m/s； KS-Y型为圆形收集器，流量约2.4m3/h, 极化区平均风速为1.1m/s。

因此，外界风场对离子收集器有较大影响，且平板型收集器影响更大。

以平板型收集器与德国IM806离子测量仪在不同风速下进行比较，其测试结果如图15所示，其测试结果类似。

图15平板型与双重圆筒式负离子测量仪示值偏差与风速变化
从试验结果可知，在风场为0.5m/s的情况下，对负离子浓度测量的影响不超过2%，假设为均匀分布，则其标准不确定度为。

3.2.5 不确定度评定
综上所述，其不确定度一览表如表9所示。

表9 相对测量不确定度一览表
相对扩展不确定度为7.0%（k=2）,小于被测仪器的最大允许误差绝对值的1/2,测量结果准确可靠。

3.3 结论和讨论
综上所述，利用现有的条件，负离子测量仪的大部分性能指标均可实现测试，测量结果准确可靠，符合量值溯源和量值传递要求。

3.4 预期的经济效果
本标准按照国家标准中对负离子测量仪的技术要求，制定了相应测试方法，使得负离子测量仪的生产制造能够满足相关要求，并基本符合我国量值溯源和量值传递要
求，对于实现我国空气负离子测量的统一、准确和可靠，提高观测数据的质量，为生态气象资料的应用、交换提供基础，具有重要的意义，社会经济效益显著。

四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况，或与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况
本标准应用了JIS B 9929:2006 《Standard for measuring methods of airborne ion density》（空气离子密度测定方法）中关于负离子测量仪的相关技术指标，结合中国负离子测量仪生产的实际情况，对国产和国外的负离子测量仪进行了大量的试验比对，制定了本标准。

五、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系
本标准与现行有关法律、法规和强制性标准没有矛盾。

六、重大分歧意见的处理经过和依据；
无
七、贯彻标准的要求和措施建议（包括组织措施、技术措施、过渡办法等内容）；
本标准为新建标准，标准的起草严格按照GB/T 1.1--2009 《标准化工作导则第 1 部分：标准的结构和编写规则》的有关规定进行编写，作为推荐性标准，本标准规定了负离子测量仪的一系列规范性要求，适用于负离子测量仪的生产、测试。

本标准发布后，建议标准归口单位进行贯彻指导，组织标准宣贯培训班。

设立专门的答疑或咨询部门或网站，为贯标本标准的企业排忧解难，使企业对标准中新要求、新技术有明确的认识，以提高产品生产质量。

八、废止现行有关标准的建议；
无
九、其他应予说明的事项。

无。