CN100557436C - 新型空气离子静态测定法及空气离子静态测试*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气离子静态检测的方法及***，通过计算机的控制在线连续监测空气离子浓度，***中离子采集分别针对粉体和制品设计了两种不同类型的采集器，与采集器相连的电容器记录采集器上电量变化，通过电信号放大线路和模/数转换卡传输到计算机，测试过程被记录下来，并通过计算机计算出离子浓度。本发明可用于稳定连续监测离子浓度，评价产生负离子粉体和制品在空气中产生空气离子的能力。

Description

新型空气离子静态测定法及空气离子静态测试***

技术领域：

本发明新型静态法空气离子测试***属于材料、应用电子技术和空气物理领域。该***可以用于测定空气中离子浓度，以及通过测定空气中离子浓度来评价负离子材料的离子诱生能力。

背景技术：

空气负离子的作用已被广大医学界所认同，除了有益人体健康之外，还具有杀菌、除尘、除臭作用。国际上空气负离子的监测多采用通过风扇使空气以一定的流量通过平行板电容器，这种方法涉及到微小电流的测量，由于信号噪音的干扰，电流漂移过大，会影响其测量精度。我国已存在的静态法离子测定仪(CN021238901，为同一申请人先前的专利申请)，该仪器工作原理不是测电流，而是直接测定电容器极板上的电量，虽然克服了直接测电流的缺点，但是由于采用了电光、光电转换放大路线，信号弱，受环境条件干扰大，转换电路不稳定。

发明内容：

本发明是在上述静态法的基础上，提供一种新型空气离子静态测定法及空气离子静态测试***，使得对空气离子的测试更加稳定可靠，减少环境因素对测试结果的影响。

本发明提供的一种静态空气离子检测***，是由离子采集器，电信号放大电路，模/数转化卡，以及计算机组成；离子采集器上电荷变化信号经放大电路放大，再通过模/数转化卡转化后传输至计算机，由计算机计算出离子浓度。

上述静态空气离子检测***中，所述离子采集器上电荷变化通过一电容器C体现，所述放大电路将电容器的微电流信号放大，传到计算机并被记录，所述离子采集器通过继电器与计算机电连接。

上述静态空气离子检测***中，所述离子采集器为封闭电容式，由一高压极和一收集极置于屏蔽壳内组成。

上述静态空气离子检测***中，粉体测试的采集器由高压极、离子收集极和屏蔽壳组成，高压极固定在下屏蔽壳内，收集极固定在上屏蔽壳内，离子采集器形状可以更换。

上述静态空气离子检测***中，制品测试的离子采集器为格栅式，由一组平行等间距的高压格栅和收集格栅置于屏蔽箱内构成，离子采集器形状可以更换。

上述静态空气离子检测***中，高压格栅较收集格栅要高。

本发明提供的空气离子静态检测的方法，包括以下步骤：采用上述静态空气离子检测***进行，被测样品置于离子采集器中，给高压极和收集极加压，由计算机获取电容C经放大的电信号并计算，输出检测结果。

上述空气离子静态检测的方法中，所述检测结果为空气离子的浓度值或被测样品诱发空气离子的量。

上述空气离子静态检测的方法中，所述离子为正离子或负离子。

上述空气离子静态检测的方法中，所述被测样品为空气、负离子粉体材料或负离子制品。

本发明在静态法离子测试设备的基础上通过改进离子采集器形式和电信号采集线路，克服了原有电信号采集放大电路的不稳定，随机误差较大的缺点，利用电容器直接记录采集器上的电荷变化，通过电信号放大电路传输到计算机，避免了原有静态法设备电-光和光-电转换对微小电信号带来的误差。本发明针对粉体和制品分别设计了圆柱形封闭式和格栅式两种类型的离子采集器。在采集器上加高压，形成电场来捕获空气离子，将捕获到的电荷泻放到与采集器相连的电容用来记录采集器上电荷变化，此电荷经过放大器放大，然后通过模/数转换卡传输到计算机。整个***的操作由计算机设计的程序控制，并可实现计算机的连续实时稳定监测。

附图说明：

图1为本发明中一种封闭电容式离子采集器结构示意图。

图2为本发明中另一种格栅式离子采集器结构示意图。

图3为本发明中信号采集及控制电路图。

图4为本发明测粉体时连续监测电容器C上的电压随时间的变化规律。

图5为本发明测制品时1800秒连续监制品的电容器C上电压的变化规律。

图6为本发明连续1800秒监测空气中离子浓度曲线。

具体实施方式：

本发明主要提供一种合理科学稳定的空气离子测试方法和***，以用于测定空气离子以及评价负离子材料产生负离子的性能。

本发明的方法是通过连续检测加有高压的采集器上采集的空气离子的电量泻放到一电容器上的电量引起的电压变化，利用计算机来计算空气离子浓度，实现对空气离子浓度的连续监测，并通过对空气离子浓度的测定，评价负离子材料产生负离子得能力。在评价材料产生负离子能力时，需要将被测样品置于一离子采集器中，给离子采集器加载一定电压，以捕获离子采集器中被测样品产生离子。

本发明的空气离子测试***由空气离子采集器、电量信号捕获电路、控制电路、计算机以及其支持测量和数据记录处理的软件***构成。

其中，离子采集器10可为圆柱封闭电容式，参见图1，采集器10截面为圆形，采集器由高压极1、离子收集极2和上、下屏蔽壳3、3’组成，高压极1通过一下绝缘体4固设在下屏蔽壳3内，收集极2通过一上绝缘体4’固设在上屏蔽壳3’内，高压极1、离子收集极2之间具有一空腔用以置放待测样品；将一定量被测材料样品置于高压极板1上，盖上上屏蔽壳3’，在高压极1加上适当高电压，上屏蔽壳3’接地，则在高压极1和屏蔽壳之间形成电场。

该种采集器10的电路接通后，产生空气离子的实验样品(如粉体)在采集器10中间被诱生或产生的空气离子在电场力的作用下，被其中一个极板捕获，并在电场作用下转移到一个外接电容器(图3电路中的电容器C)，通过测定该电容器C极板的电压变化，根据电容值的大小即可计算出被测材料诱生的空气离子浓度。

另一种采集器10’可采用格栅式设计。当测定具有诱生空气离子的板材和涂层材料时，由于样品体积较大、离子的产量比粉体小得多，故采用格栅式设计的采集器10’，增大离子捕获面积和捕获能力。

格栅式离子采集器10’，参见图2，由置于屏蔽箱13内的一组平行等间距的高压格栅11和收集格栅12构成，收集极格栅12略低于高压格栅11。被测量制品(如板材)置于高压格栅11上，由于收集格栅12略低于高压格栅11，因而收集格栅12不能接触到被测量制品。被测制品在电压作用下产生的离子进入高压格栅11和收集格栅12形成的电场而被收集测量，经计算机采集分析处理，并计算出材料诱生空气离子浓度。

本发明中，电量信号捕获与控制电路参见图3。给离子采集器加载高电压，由CPU给继电器J₁和J₂发出控制信号，决定采集器高压极上加载电压的电极性(正或负)，来选择测试离子的正负性即正离子或负离子。通过继电器RL₁和RL₂的断开和闭合状态，控制采集器和电容器C的连接状态，控制整个测试电路的闭合状态。电容器C上电压的变化，通过电信号放大电路和A/D转换卡传输到CPU，由CPU计算得到空气离子浓度。上述整个测试电路的控制信号是由计算机CPU进行控制并执行，给采集器和电容器C上加载一定电压，通过连续检测电容器C在连续捕获材料诱生空气离子的电量引起的电压的变化，通过计算机来计算出离子诱生量。

本发明中，通过计算机监控电压的测定以及数据的处理计算。数据采集及计算基于以下算式：

当给采集器上加电压后，在高压极和收集极之间形成电场，粉体测量材料产生的离子在电场的作用下被收集，电荷在向电容器C泻放的过程中，形成电流I。被测粉体材料的离子诱生量P_m为：

$P_m=\frac{I}{e\·m}---\left(1\right)$

式中e——一个电子携带的电荷，e＝1.6022×10^-19C

    m——被测材料的质量，单位为kg

P_m的单位为/s·kg或s^-1·kg^-1

被测制品的表面离子诱生量P_s为

$P_s=\frac{I}{e\·A}---\left(2\right)$

式中e——一个电子携带的电荷，e＝1.6022×10^-19C

A——被测制品测量面的面积，单位为m²

P_s的单位为“个/s·m²”或“s^-1·m^-2”。

在式(1)和(2)中，只要测得电流I即可计算出被测样品离子的诱生量P。但电流的直接测量不可能，只有通过放大电路测得电容器C上的电压，才能计算出P。通过式(3)～(6)转换，得出离子产生个数的计算公式，如下示：

dQ＝idt

Q＝∫idt＝∫CdU＝CU    (3)

其中，Q为电量，t为时间，C为电容器电容值，U为测试的电容器电压值。

设单位时间内，某种材料诱生空气离子有n个被采集，每个离子的电量为q₀(1.6×10^-19C)，则n个离子的电量为nq₀

Q＝nq₀∫dt＝nq₀t    (4)

由(3)和(4)式可得：

$U=n\left(\frac{q_0}{C}\right)t---\left(5\right)$

由此，计算机随时间t变化采集到的U(电压值)，做出U(t)直线，求出斜率k＝n(q₀/C)可以得到空气离子数n：

$n=\frac{\mathrm{kC}}{q_0}---\left(6\right)$

在仪器的测试过程中，计算机采集电量Q随时间t的变化关系，用数值分析计算法对数据进行处理，剔除随机出现的干扰信号导致的粗大误差，然后利用数学曲线拟合对数据进行直线拟合，可以得到材料的空气离子产生速率(即斜率k)，然后再根据式(6)计算得到空气离子数n。

综上，本发明的离子测试***实用平行电容板式离子采集器或格栅式离子采集器，在计算机的控制下加载一定的高压，空气中的离子和待测材料诱生的离子会被电极捕获，离子采集器上的电荷变化通过位敏器件被放大，最后被计算机采集，经过处理给出空气中离子浓度数值。计算机可实时记录电容器上的电荷变化，可以实现实时监测。

本发明对待测样品产生空气离子能力的测试，可依据测试对象的不同分为：

(1)对产生空气离子的粉体的封闭式测试：

首先选择圆柱封闭式离子采集器10(参见图1)，将一定量被测粉体置于高压极板上，盖上上屏蔽壳。电路接通后，被测样品在采集器中间诱生的空气离子在电场力的作用下，被其中一个极板捕获，加大电容器C电荷量，通过计算机控制测定电容器极板的电压变化，并计算出测试仓内材料的离子诱生量。

(2)对产生空气离子的制品的封闭式测试

待测制品可以为体积较大的板材或涂层材料。选择格栅式离子采集器10’(参见图2)，置于一封闭的测试仓内，被测制品置于高压格栅上，通电后制品产生的离子进入高压格栅和收集格栅形成的电场，被收集极采集，计算机采集分析处理，计算出制品诱生的离子量。

(3)对环境中空气离子的实时监控

以平行板电容器离子采集器，环境气体中的空气离子聚集在采集器两极之间，在计算机的控制下加载一定的高压，空气中的离子会被电极捕获，离子采集器上的电荷变化通过位敏器件被放大，最后被计算机采集，经过处理给出空气中离子浓度。计算机可实时记录电容器上的电荷变化，可以实现实时监测空气中离子浓度。

实施例：

(1)对产生空气离子的粉体的测定

选择适当的采集器电容值，C＝19930pF，给采集器电容加载电压220V，利用以上测试原理和计算方法，对5g粉体样品进行检测。计算机监测电容C两端电压随时间变化值，并通过计算机拟合如图4所示。

在图4中，经过1800秒测得的电压U随时间T的变化关系为：

U＝1.321×10^-5T

斜率k＝1.32×10^-5，线形相关系数为0.9979。

代入(6)式中可得，其中电容值C＝19930pF，q₀＝1.6×10^-19

$n=\frac{\mathrm{kC}}{q_0}=\frac{1.321\×{10}^{-5}\×19930\×{10}^{-12}}{1.6\×{10}^{-19}}=1.65\×{10}^6(\mathrm{ions}/s)$

通过图4数值计算可以得到，该静态测试仪通过计算机自动化控制连续监测材料产生空气离子的能力，5克粉体材料每秒钟产生空气负离子的个数为1.65×10⁶个。

(2)对产生空气离子的制品的检测

选择适当的采样器电容值，C＝10000pF，给采集器电容加载电压220V，采用格栅式采集器对50cm×50cm(0.25m²)的负离子木地板进行测试，计算机监测和拟合结果如图5。

在图5中，经过1800秒测得的电压U随时间T的变化关系为：

U＝3.43×10^-7T

斜率k＝3.43×10^-7，线性相关系数为0.8826。

代入(6)式中可得，(其中，电容值C＝10000pF，q₀＝1.6×10^-19)

$n=\frac{\mathrm{kC}}{q_0}=\frac{3.43\×{10}^{-7}\×10000\×{10}^{-12}}{1.6\×{10}^{-19}}=2.14\×{10}^4(\mathrm{ions}/s)$

从图5中可以看出，该静态测试仪通过计算机自动化控制连续监测负离子地板产生空气离子的能力，每秒种产生空气负离子的个数为2.14×10⁴ion。

(3)对环境中空气离子的实时监测

采用平行电容板式离子采集器，置采集器于测试环境中，不放置任何样品，进行样品实验的对比实验，设定C＝10000pF，采集器电容加载电压220V，启动计算机，连续监测空气中离子浓度，实时记录结果，结果参见图6。

在图6中，经过1800秒测得的电压U随时间T的变化关系为：

U＝7.12×10^-9T

斜率k＝7.12×10^-9，线性相关系数为0.9574。

代入(6)式中可得，(其中，电容值C＝10000pF，q₀＝1.6×10^-19)

$n=\frac{\mathrm{kC}}{q_0}=\frac{7.12\×{10}^{-9}\×10000\×{10}^{-12}}{1.6\×{10}^{-19}}=4.45\×{10}^2(\mathrm{ions}/s)$

从图6中可以看出，该静态测试仪通过计算机自动化控制连续监测负离子地板产生空气离子的能力，每秒种产生空气负离子的个数为4.45×10²ion。

Claims (7)

1.一种静态空气离子检测***，是由离子采集器，电信号放大电路，模/数转化卡，以及计算机组成；离子采集器上电荷变化信号经放大电路放大，再通过模/数转化卡转化后传输至计算机，由计算机计算出离子浓度；所述离子采集器上电荷变化通过一电容器C直接记录，所述放大电路将电容器C记录的微电流信号放大，传到计算机，所述离子采集器通过继电器与计算机电连接；

所述离子采集器为封闭电容式，粉体测试的采集器由高压极、离子收集极和上、下屏蔽壳组成，高压极通过一下绝缘体固定在下屏蔽壳内，收集极通过一上绝缘体固定在上屏蔽壳内，高压极和离子收集极之间具有一空腔用以置放待测样品。

2.一种静态空气离子检测***，是由离子采集器，电信号放大电路，模/数转化卡，以及计算机组成；离子采集器上电荷变化信号经放大电路放大，再通过模/数转化卡转化后传输至计算机，由计算机计算出离子浓度；所述离子采集器上电荷变化通过一电容器C直接记录，所述放大电路将电容器C记录的微电流信号放大，传到计算机，所述离子采集器通过继电器与计算机电连接；

制品测试的离子采集器为格栅式，由一组平行等间距的高压格栅和收集格栅置于屏蔽箱内构成。

3.如权利要求2所述静态空气离子检测***，其特征在于，高压格栅较收集格栅要高。

4.一种空气离子静态检测的方法，包括以下步骤：利用权利要求1至3任一所述静态空气离子检测***进行，被测样品置于离子采集器中，给高压极和收集极加压，由计算机获取电容C经放大的电信号并计算，输出检测结果。

5.根据权利要求4所述空气离子静态检测的方法，其特征在于，所述检测结果为空气离子的浓度值或被测样品诱发空气离子的量。

6.根据权利要求4所述空气离子静态检测的方法，其特征在于，所述离子为正离子或负离子。

8.根据权利要求4所述空气离子静态检测的方法，其特征在于，所述被测样品为负离子粉体材料或负离子制品。

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