CN104634703A - 空气离子迁移率谱分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

一种空气离子迁移率谱测量的方法和仪器。这种测量方法按照不同的离子迁移率值将空气离子迁移率谱分为数个区间。分别测量各个离子迁移率区间的空气离子浓度值；从而形成完整的离子迁移率谱。所述的测量仪器采用电容吸入式空气离子收集器，结合单通道及多通道等不同形式的离子收集器，可进行小、中、大、重、及超重离子等各类不同离子迁移率区间的空气离子浓度值的测试，作出完整的离子迁移率谱图。它既可以测量正离子，也可以测量负离子。还包含了使用MCU控制，智能判定绝缘性能及驱除潮湿的方案，可以适应野外高湿度环境的测试。是一种空气质量评价及环境监测的重要手段。

Description

空气离子迁移率谱分析方法及仪器

技术领域

本发明涉及一种测量空气中带电颗粒的方法及仪器，尤其是测量空气离子的仪器。

背景技术

空气中的微小的带电颗粒称为空气离子或大气离子。空气离子在单位强度(1V/m)电场作用下的移动速度称为离子迁移率。离子迁移率是分辨空气离子大小的一个重要参数。一般而言，离子迁移率越小，离子的粒径越大，也就是离子的体积越大。过去几十年来，许多国家的研究人员对于大气离子的迁移率以及其与空气中悬浮颗粒物粒径大小的关系做了大量的研究。根据这些研究结果，可以将空气离子按照迁移率的不同分为以下几类，分别对应于粒径大小不同的空气离子：

1.小离子(small cluster)   迁移率K＝1.3cm²/V·S      直径0.85nm

2.小离子团(big cluster)   迁移率K＝0.5cm²/V·S      直径1.6nm

3.中离子(intermediate)    迁移率K＝0.034cm²/V·S    直径7.4nm

4.轻型大离子(light large) 迁移率K＝0.0042cm²/V·S   直径22nm

5.重型大离子(heavy large) 迁移率K＝0.00041cm²/V·S  直径79nm

6.超重离子(super heavy)   迁移率K＝0.00005cm²/V·S  直径0.4μm

空气离子的迁移率或粒径大小的分布数值与周围环境空气的清洁程度是密切相关。在清洁的大气环境中所生成的空气离子迁移率比较大，属于小离子。而在受到污染的空气中则存在着许多气溶胶以及粒径较大的颗粒物，这些气溶胶或颗粒物捕获小离子所携带的电荷后会成为迁移率较低的中、大离子或重离子，甚至超重离子。不同大小的空气污染物所形成的离子的迁移率是不同的；可以在离子迁移率谱图中观察到各种空气污染物出现时所体现出的特征。因此，研究各种不同气候条件下以及不同的大气污染条件下空气离子迁移率谱的变化可作为一种分析空气质量、评价大气污染程度的重要依据。

根据离子迁移率的定义和空气离子收集器的结构，可以得到空气离子迁移率的计算公式：

$K=\frac{d^2{V}_x}{\mathrm{LU}}$

式中：K-收集器离子迁移率极限(cm²/cm²/V·S)；

d-收集板与极化板之间的距离(cm)；

V_x-收集器中气流速度(cm/S)；

L-收集板长度(cm)；

U-极化电压(V)。

现有的空气离子测量仪由离子收集器、微电流放大器、极化电源和抽气机等构成。离子收集器包含离子收集板、极化板；通过改变极化电压的极性改变所测量的离子的极性；通过改变极化电压的幅度以及收集器中的气流速度和收集板的长度改变离子迁移率。

现有的空气离子测量仪所能覆盖的离子迁移率只能达到小离子及一小部分中离子的范围；这种空气离子测量仪所收集到的空气离子的离子迁移率为极限迁移率；即，这种空气离子测量仪所收集到的空气离子的迁移率均大于此极限值，迁移率小于此极限值的粒径较大的空气离子则不会被收集到。这样的测试结果漏掉了大部分中离子、大离子、重型大离子和超重离子，与完整的空气离子迁移率谱之间存在相当大的差距。研究结果表明，对人体健康危害特别严重的空气污染物大多数分布在大离子、超重离子的范畴，即PM0.1左右的细颗粒物。显然，现有空气离子测量仪所得到的测试结果不能反映空气的实际质量状况。需要确立一个可行的方法和相应的仪器来解决测量完整的空气离子迁移率谱的问题。

发明内容

本发明目的在于提供空气离子迁移率谱测量的方法和仪器。所述的这种测量方法按照不同的离子迁移率值将空气离子迁移率谱分为数段，然后按照不同的分段，分别测量各段离子迁移率区间的空气离子浓度值；从而形成完整的离子迁移率谱。所述的这种测量仪器采用电容吸入式空气离子收集器，结合单通道及多通道等各种不同形式的离子收集器，完成小、中、大各类不同离子迁移率值的空气离子测试，做出完整的离子迁移率谱图。它既可以测量正离子，也可以测量负离子。还可适应野外高湿度环境的测试。

本发明是这样实现的：

一种空气离子迁移率谱分析方法，包括以下几项内容：

1.该方法按照离子迁移率数值的大小将空气离子迁移率划分成若干个区间，分段测量各个离子迁移率区间的空气离子浓度数值，并由此形成空气离子迁移率谱资料。

2.每段离子迁移率区间的空气离子由一节离子收集器收集；每节离子收集器的收集板连接一路微电流放大器；每节离子收集器的极化板连接到一组极化电源。

3.第一节离子收集器所测量的是极限迁移率，第二节和以后各节离子收集器所测量的为区间迁移率。

4.具有收集器绝缘性能判定措施，通过检测收集板绝缘支架的漏电电流，判断其绝缘性能。

实施了上述空气离子迁移率谱分析方法的空气离子迁移率谱分析仪，由吸入电容式离子收集器、微电流放大器、极化电源、MCU等构成，其特征是：

该分析仪的离子收集器为单通道式空气离子收集器，每个通道由若干节离子收集器组成，每节收集器都包含有一组收集板、极化板；各节收集器串联相接，安装在一个金属外壳内，后接抽气机；各节收集器的抽气速率相同；各节收集器的收集板分别连接到相互独立的微电流放大器，极化板分别连接到相互独立的极化电源，各节微电流放大器的输出通过多路开关与MCU相连接。

各节收集器的收集板和极化板分别由绝缘支架固定在离子收集器的金属外壳上；绝缘支架由高绝缘性能材料制成，上面装有电加热式驱潮装置；收集器金属外壳上安装有电加热式驱潮装置。

该仪器具有绝缘支架绝缘性能检测措施；所述绝缘支架绝缘性能检测措施采用短路开关将微电流放大器的取样高阻短路，并配合改变极化电压的极性在微电流放大器上输出端获得的读数变化量来判断绝缘性能。

实施了上述空气离子迁移率谱分析方法的空气离子迁移率谱分析仪，由吸入电容式离子收集器、微电流放大器、极化电源、MCU等构成，其特征是：

该分析仪的离子收集器为多通道式空气离子收集器；空气离子收集器分为若干通道，至少有两个通道，每个通道至少包含有一组收集板-极化板对，各通道相互独立，安装在各自的金属外壳通道内，后接抽气机；各通道的抽气速率可以相同亦可以不同；第二通道及以后各通道中的第一节收集器作为离子过滤器，其收集板接地；各通道的收集板分别连接到相互独立的微电流放大器，极化板分别连接到相互独立的极化电源，各微电流放大器的输出通过多路开关与MCU相连接。

依照所述的空气离子迁移率谱分析方法和仪器可以分段测量不同极性、不同离子迁移率区间的空气离子浓度值，从而作出完整的空气离子迁移率谱图。

附图说明

图1.是空气离子迁移率测量的原理图。

图2.单通道式空气离子迁移率谱测量仪原理框图。

图3.多通道式空气离子迁移率谱测量仪原理框图

图4.绝缘支架及驱潮电阻丝、电加热器件安装示意图。

图5.微电流放大器A及短路开关S的电路图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

附图中1.极化板  2.收集板  3.绝缘支架  4.收集器金属外壳  5.驱潮电阻丝  6.电发热器件7.微电流放大器  8.短路开关  9.抽气风机  10.极化电源  11.多路开关  12.MCU  13.LCD

实施例1：采用单通道空气离子收集器，一共分为三节收集器，安装在一个金属外壳通道内；第一节收集器的极限迁移率为0.4(cm²/V·S)，用于收集小离子；第二节收集器的区间迁移率为0.4～0.04(cm²/V·S)用于收集中离子；第三节收集器的区间迁移率为0.04～0.002(cm²/V·S)，用于收集大离子。每节收集器都包含有一组收集板-极化板对；收集器的收集板和极化板沿着抽气气流的方向互相平行，各节收集器串联相接，后接抽气机。各节收集器的抽气速率是相同的。

各节收集器的收集板和极化板分别由绝缘支架固定在离子收集器的金属外壳上；图4为绝缘支架及驱潮电阻丝、电加热器件安装示意图，绝缘支架由耐热高绝缘性能的聚四氟乙烯材料制成，上面装有驱潮电阻丝[5]。收集器金属通道外壳内部安装有电发热器件[6]，一旦收集器受潮，驱潮电阻丝[5]和电加热器件[6]可以通电发热，驱除湿汽。

各节收集器的收集板分别连接到相互独立的微电流放大器[7]，极化板分别连接到相互独立的极化电源[10]，各节微电流放大器的输出通过多路开关[11]与MCU相连接。

各节收集器的极化板与相应的极化电源相连接，各节极化电压根据所对应的离子迁移率而设置，各节收集器的收集板、极化板的长度根据所对应的离子迁移率而设置。

该仪器各部件由MCU统一控制。

该仪器具有绝缘支架受潮、漏电检测措施。图5为微电流放大器A及短路开关S的电路连接图。微电流放大器[7]的输入端连接有高阻G和短路开关[8]，该开关由MCU控制，用于检测微电流放大器的零点和绝缘支架的漏电程度。短路开关[8]闭合时，微电流放大器输出端的读数归零；当它放开时，若抽气机[9]未开始抽气(取样)，则微电流放大器输出端的读数的变化量就代表了绝缘支架的漏电流值。当漏电流值超过一定数值，MCU就会开启驱潮装置使绝缘支架恢复绝缘性能。另外，如果在极化板上施加不同极性的极化电压，在微电流放大器的输出端所形成的电压会有所不同，这个电压的差值与绝缘支架的漏电相关。可以用它来判断绝缘支架的绝缘性能是否正常。

实施例2采用双通道空气离子收集器，第一通道内含三节收集器，安装在一个金属外壳通道内；第一节收集器的极限迁移率为0.4(cm²/cm²/V·S)，用于收集小离子；第二节收集器的区间迁移率为0.4～0.04(cm²/V·S)用于收集中离子；第三节收集器的区间迁移率为0.04～0.004(cm²/V·S)，用于收集大离子。第二通道也包含三节收集器，第一节收集器的收集板接地，其极限迁移率为0.004(cm²/cm²/V·S)，用于过滤第一通道所收集的空气离子；第二节收集器的区间迁移率为0.004～0.0004(cm²/V·S)用于收集重型大离子；第三节收集器的区间迁移率为0.0004～0.00005(cm²/V·S)用于收集超重离子。每节收集器都包含有一组收集板-极化板对；收集器的收集板和极化板沿着抽气气流的方向互相平行，各节收集器串联相接，后接抽气机。各通道采用不同的抽气速率。

通过上述两个实施例单独或组合使用可以实现完整的离子迁移率谱测量，做出离子迁移率谱图。

Claims (9)

1.一种空气离子迁移率谱分析方法，其特征是：该方法按照离子迁移率数值的大小将空气离子迁移率划分成若干个区间；分别测量各个离子迁移率区间的空气离子浓度数值，并由此形成空气离子迁移率谱资料。

2.如权利要求1所述空气离子迁移率谱分析方法，其特征是：每个离子迁移率区间的空气离子由一节离子收集器收集；每节离子收集器的收集板连接一路微电流放大器；每节离子收集器的极化板连接到一组极化电源。

3.如权利要求1所述空气离子迁移率谱分析方法，其特征是：第一节收集器所测量的空气离子迁移率为极限迁移率，第二节和以后各节收集器所测量的离子迁移率为区间迁移率。

4.如权利要求1所述空气离子迁移率谱分析方法，其特征是：具有收集器绝缘性能度判定措施；通过检测收集板绝缘支架的漏电电流，判断其绝缘性能。

5.实施了权利要求1的方法的空气离子迁移率谱分析仪，由吸入电容式离子收集器、微电流放大器、极化电源、MCU等构成，其特征是：该分析仪的离子收集器为单通道式空气离子收集器；通道由若干节离子收集器组成，每节收集器都包含有一组收集板、极化板；各节收集器串联相接，安装在一个金属通道外壳内，后接抽气机；各节收集器的抽气速率相同。

6.如权利要求5所述空气离子迁移率谱分析仪，其特征是：各节收集器的收集板分别连接到相互独立的微电流放大器，极化板分别连接到相互独立的极化电源，各节微电流放大器的输出端通过多路开关与MCU相连接。

7.如权利要求5所述空气离子迁移率谱分析仪，其特征是：各节收集器的收集板和极化板分别由绝缘支架固定在离子收集器的金属通道外壳内；绝缘支架由耐热高绝缘性材料制成，上面装有电加热式驱潮装置；收集器金属通道外壳上安装有电加热式驱潮装置。

8.如权利要求5所述空气离子迁移率谱分析仪，其特征是：具有绝缘支架的绝缘性能检测措施；所述绝缘支架绝缘性能检测措施采用短路开关将微电流放大器的取样高阻短路，并配合改变极化电压的极性在微电流放大器的输出端所获得的读数变化量来判断绝缘性能。

9.实施了权利要求1的方法的空气离子迁移率谱分析仪，由吸入电容式离子收集器、微电流放大器、极化电源、MCU等构成，其特征是：该分析仪的离子收集器为多通道式离子收集器，至少有两条通道；每条通道内至少包含一组离子收集板、极化板；各通道相互独立，分别安装在各自的金属外壳通道内；后接抽气机；各通道的抽气速率可以相同亦可以不同；第二通道及以后各通道中的第一节收集器作为离子过滤器，其收集板接地。