CN105928994A - 全自动空气离子测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全自动空气离子测量技术，包括测试方法及测试装置。测试方法包括测量功能设定程序和离子浓度测量程序。其测量功能设定程序包含离子极性设定、离子浓度量程设定和离子迁移率设定；其离子浓度测量程序包含5个步骤：一、预热、驱潮周期；二、零点检测周期；三、预抽气周期；四、数据采集周期；五、数据处理周期。测试装置的离子收集器进气口有一个档风板，可以阻止外界气流直接进入收集器；收集器金属外壳上有连通大地的接地端子。这种测试方法及测试装置能够依托自身预先设定的程序，自动完成空气离子浓度的测量，还能够抵御外部气流变化、静电干扰等不良因素的影响，稳定、可靠地工作。

Description

全自动空气离子测试方法及装置
技术领域
本发明涉及一种空气离子测量技术。
背景技术
现有的空气离子测量仪在进行空气离子测量时，需要由人工完成驱潮、零点调整、离子极性设定、离子浓度量程设定、抽气取样、读取数据等各项操作步骤。对于一些连续观测的项目，测试人员要长时间蹲守，非常辛苦。同时，还必须不断地观察变化中的数据，并对其进行人工的平均、处理。既劳累又容易造成人为误差。
公知的空气离子测量仪由离子收集器和微电流放大器构成。离子收集器由收集板、极化板及抽气机构成(见图1)。通过取样空气流量和取样电流计算出被取样空气中离子的浓度。现有的空气离子测量仪的取样气流通道为“直通式”通道。取样空气直接通过空气离子收集器，没有任何阻挡物。这种“直通式”结构的空气离子收集器中存在着一个不容忽视的问题：外界气流也会“直通”收集器，影响收集器中取样气流的速率。当外界气流的方向与抽气气流方向相同时，会加大收集器中的抽气气流速度，使取样空气流量变大；当外界气流与抽气气流方向相反时，则会减小收集器中的气流速度，使取样空气流量变小。取样空气流速的变化要影响到取样空气流量并进而影响空气离子浓度测量的准确性。也会对离子迁移率造成影响。外界的气流方向、流速往往是不稳定的，这会造成测量数据的波动。严重时会带来相当大的测量误差。
传统的空气离子测量仪在对一些新型负离子建筑涂料或负离子功能纺织品进行测量时，会出现一些奇怪的现象：测量的空气离子浓度数据起初会比较大；但是，很快就会降低到很低的水平,接近周围大气空气离子浓度本底值。分析研究结果表明，这是由于传统的空气离子测量仪的空气取样速率比较大[抽气速率为180(cm/s)]。超过局部空气离子生成的速率，破坏了原有周边的空气离子浓度的动态平衡。造成局部的空气离子浓度下降。显然，在这种情况下，测量的结果是不准确的。
发明内容
本发明的目的就是提供一种全自动空气离子测量技术，包括测试方法及测试装置。这种测试方法及测试装置能够依托自身预先设定的程序，自动完成空气离子浓度的测量，还能够抵御外部气流变化、静电干扰等不良因素的影响，稳定、可靠地工作。它能够用于环境监测并能解决建筑涂料、功能纺织品等材料所产生的空气离子检测问题。
外界气流干扰是影响空气离子测量稳定性的主要原因。而取样空气取样速率过大，超过局部空气离子生成的速率，造成局部的空气离子浓度下降，则是在测量负离子涂料之类的材料时使测量读数下降的主要原因；由于静电积累使空气离子测量仪自身电位升高也是造成测量读数的下降的另一个原因。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种空气离子测试方法，其特征是：该方法包含测量功能设定程序和离子浓度测量程序；测量功能设定程序包含：离子极性设定，离子浓度量程设定，离子迁移率设定；离子极性设定是通过设定极化电压的极性实现的；离子浓度量程设定是通过设定微电流放大器的放大倍数实现的；离子迁移率设定是通过设定极化电压的电压值和取样气流速率实现的；
离子浓度测量程序包含5个步骤：
步骤一：为预热、驱潮周期；
步骤二：为零点检测周期，此时MCU检测到的读数为D0；
步骤三：为预抽气周期；
步骤四：为数据采集周期,此时MCU检测到的读数为D1；
步骤五：数据处理周期，此期间MCU依据公式（1）计算出所测量的离子浓度值；
N = D1-D0 ………………………………………（1）
式中：N — 空气离子浓度（ions/cm3） D0— 零点读数
D1— 离子浓度检测读数
步骤二和步骤四期间的零点读数D0和离子浓度检测数据D1都经过坏值剔除及加权平均处理。
步骤三和步骤四两个期间为抽气机工作周期，在此期间抽气机连续抽气。
一种实施了上述方法的空气离子检测装置，由空气离子收集器、微电流放大器和MCU等构成，其特征是：离子收集器包括极化板和收集板,收集板位于收集器中部；极化板位于收集板的上方及下方,极化板由绝缘材料固定在接地的金属板上；上、下极化板的侧面是取样气流通道围板[5]，它们共同组成了收集器的气流通道；前端为进气口，后端接抽气风机[4]。离子收集器的进气口有一个档风板，可以阻止外界气流直接进入收集器；上部极化板的外表面安装有驱潮电阻丝[15]，电阻丝接通电源时可发热，驱除绝缘支架[8]和微电流放大器[6]上附着的水分，提高绝缘程度；收集板[3]、微电流放大器[6]、MCU[12]、显示器[13]及USB接口[14]顺序连接；显示器的读数直接显示空气离子浓度值；离子收集器外壳[10]采用抗静电的金属材料制成，其上面有一个接地螺栓[11]通过导线接通大地。
极化板[2]和绝缘材料[9]及外部的接地金属板由双面敷铜板构成，里面为极化板，外面接地。
挡风板的宽度以及挡风板到进气口的距离与进气口的宽度一致。
取样气流通道围板[5]由铜板制成。
抽气风机的取样气流速率降低到20cm/s ～ 40cm/s的范围。 有益效果
采用上述技术方案，可以实现无人管理，自动地进行空气离子测量。同时，可以防止外界的气流直接进入空气离子收集器，改变收集器内的气流速度；从而允许采用较低的取样气流速率，克服使用较大的气流速率造成取样的空气离子离子浓度被稀释，造成空气离子浓度读数下降的问题。还能避免仪器本身静电积累对空气离子测量造成的干扰。
附图说明
图1.是传统的空气离子测量仪的原理图。
图2本发明的测量功能设定流程。
图3本发明的空气离子浓度测量程序流程。
图4本发明的空气离子测量装置原理框图。
图5 本发明空气离子收集器的结构图。
图6 档板、绝缘支架、驱潮电阻丝、风机及微电流放大器安装位置。
图中: 1.档板 2.极化板 3.收集板 4.风机 5. 取样气流通道围板 6.微电流放大器 7.收集板输出探针 8.绝缘支架 9.绝缘层（极化板与接地金属板之间） 10. 离子收集器11.接地端子 12 MCU 13 显示器 14 USB接口 15 驱潮电阻丝。
实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
图2所示为测量功能设定流程图。测量开始之前预先设定所测量的空气离子的极性（正离子或负离子）、离子浓度量程和离子迁移率。离子极性是通过设定极化电压的极性实现的；离子浓度量程是通过设定微电流放大器的放大倍数实现的；离子迁移率通过设定极化电压的电压值和取样气流速率实现。
图3为本发明的空气离子浓度测试程序流程，它包含五个步骤：
步骤一：预热、驱潮周期，此期间驱潮电阻丝通电加热，驱除装置内的湿气，提高绝缘程度；
步骤二：零点检测周期，此期间MCU中的A/D转换器检测到的读数为零点读数D0;
步骤三：预抽气周期，此期间抽气机开始抽气，但是MCU中的A/D转换器不工作；
步骤四：数据采集周期,此期间MCU中的A/D转换器开始工作，检测到的读数为离子浓度检测读数D1；
步骤五：数据处理周期，此期间MCU依据公式（1）计算出所测量的离子浓度值；
N = D1-D0 ………………………………………（1）
式中：N — 空气离子浓度 （ions/cm3） D0 — 零点读数
D1 — 离子浓度检测读数
步骤二和步骤四期间的零点读数D0和离子浓度检测数据D1分别经过坏值剔除及加权平均处理。
每个步骤的时间长度可以是相同也可以是不同的。
其中步骤三和步骤四两个期间为抽气机工作周期，在此期间抽气机连续抽气。
图5 是本发明的空气离子收集器结构示意图。其中，收集板[3]位于收集器中部，通过绝缘支架[8]固定在极化板[2]上；极化板[2]有两块，分别位于收集板的上方及下方；极化板[2]由绝缘层[9]固定在接地的金属板上；其侧面是取样气流通道围板[5]；它们共同组成了空气离子收集器[10]的气流通道。前端为进气口，后端接抽气风机[4]。离子收集器的进气口有一个档风板[1]，可以阻止外界气流直接进入收集器；挡风板的宽度以及挡风板到进气口的距离与进气口的宽度一致。上部极化板的外表面安装有驱潮电阻丝[15]，电阻丝接通机电源时可发热，驱除绝缘支架[8]、微电流放大器[6]上附着的水分，提高绝缘程度。收集板[3]、微电流放大器[6]、MCU[12]、显示器[13]及USB接口[14]顺序连接；离子收集器[10] 外壳采用抗静电的金属材料制成，其上面装有一个接地螺栓[11]通过导线接通大地。
本实施例中，收集板[3]由导电铜板制成，表面镀金，可以减少电荷复合时间，提高收集效率。极化板[2]和绝缘材料[9]及外部的接地的金属板由双面敷铜板构成，里面为极化板，外面接地。取样气流通道围板[5]由铜板制成。MCU通过改变极化电压的极性改变所测量的离子极性；同时还可以设定、控制驱潮电阻丝、抽气机的工作，并对测试结果进行零点扣除、坏值剔除和平均值计算等处理。

Claims (8)

1.一种空气离子测试方法，其特征在于：该方法包含测量功能设定程序和离子浓度测量程序；测量功能设定程序包含：离子极性设定、离子浓度量程设定和离子迁移率设定；离子极性设定是通过设定极化电压的极性实现的；离子浓度量程设定是通过设定微电流放大器的放大倍数实现的；离子迁移率设定是通过极化电压的电压值和取样气流速率来设定；离子浓度测量程序包含5个步骤：
步骤一：为预热、驱潮周期；
步骤二：为零点检测周期，此时MCU检测到的读数为D0；
步骤三：为预抽气周期；
步骤四：为数据采集周期,此时MCU检测到的读数为D1；
步骤五：数据处理周期，此期间MCU依据公式（1）计算出所测量的离子浓度值；
N = D1-D0 ………………………………………（1）
式中：N — 空气离子浓度 （ions/cm3） D0 — 零点读数
D1— 离子浓度检测读数。
2.如权利要求1所述空气离子测量方法，其特征在于：步骤二和步骤四期间的零点读数D0和离子浓度检测读数D1都经过坏值剔除及加权平均处理。
3.如权利要求1所述空气离子测量方法，其特征在于：步骤三和步骤四两个周期为抽气机工作周期，在此期间抽气机连续抽气。
4.一种实施了上述方法的空气离子检测装置，由空气离子收集器、微电流放大器和MCU等构成，其特征在于：离子收集器包括收集板和极化板,收集板位于收集器中部；极化板位于收集板的上方及下方,极化板由绝缘材料固定在接地的金属板上；上、下极化板的侧面是取样气流通道围板[5]，它们共同组成了收集器的气流通道；前端为进气口，后端接抽气风机[4]；离子收集器的进气口有一个档风板，可以阻止外界气流直接进入收集器；上部极化板的外表面安装有驱潮电阻丝[15]，电阻丝接通电源时可发热，驱除绝缘支架[8]和微电流放大器[6]上附着的水分，提高绝缘程度；收集板[3]、微电流放大器[6]、MCU[12]、显示器[13]及USB接口顺序连接；显示器的读数直接显示空气离子浓度值；离子收集器外壳[10采用抗静电的金属材料制成，其上面有一个接地螺栓[11]通过导线接通大地。
5.如权利要求4所述空气离子检测装置，其特征在于：极化板[2]和绝缘材料[9]及外部的接地金属板由双面敷铜板构成，里面为极化板，外面接地。
6.如权利要求4所述空气离子检测装置，其特征在于：挡风板的宽度以及挡风板到进气口的距离与进气口的宽度一致。
7.如权利要求4所述空气离子检测装置，其特征在于：取样气流通道围板5由铜板制成。
8.如权利要求4所述空气离子检测装置，其特征在于：抽气风机的取样气流速率在20cm/s ～ 40cm/s的范围。
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