CN112067522A - 一种空气负离子传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气负离子传感器及测量方法，该空气负离子传感器包括：具有圆筒结构的采集器和加热除湿模块，采集器的一端为进风口，另一端为出风口；其中所述圆筒结构包括作为极化电极的金属外筒和作为感应电极的实心金属棒；加热除湿模块设置在金属外筒上靠近进风口一端。本发明通过在现有电容式吸入法测量的基础上，从结构方面增加设置加热除湿模块，使整个气路内结构部件保持高于外界空气温度，避免高湿度空气进入后出现冷凝情况，进而影响实际测量值，降低测量误差率，提高测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及空气监测技术领域，尤其涉及一种空气负离子传感器及测量方法。
背景技术
作为活性氧的重要成员之一，空气负氧离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡的功效，对人的生命活动有着很重要的影响，具有重要的医疗保健功能，空气中负氧离子浓度也是空气质量的一大指标。
目前，空气负离子测量工作主要是进行大气负离子(尤其是小粒径离子)浓度观测、预报和研究，主要应用于环境气象学、生态气象学、旅游气象学等。通过负离子监测网的建立，从生态气象、旅游气象的角度，开展不同时空尺度、不同下垫面(即大气与其下界的固态地面或液态水面的分界面)、不同天气过程、不同季节小粒径负离子浓度分布特征等的研究。
但是现有的负离子测量存在误差率较高的缺陷，该上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种空气负离子传感器及测量方法，进而至少在一定程度上克服现有技术中负离子测量误差率较高的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明的一实施例提供一种空气负离子传感器，包括：
具有圆筒结构的采集器，采集器的一端为进风口，另一端为出风口；
其中所述圆筒结构包括作为极化电极的金属外筒和作为感应电极的实心金属棒；
加热除湿模块，设置在金属外筒上靠近进风口一端。
在本发明一实施例中，所述加热除湿模块为加热陶瓷片。
在本发明一实施例中，所述感应电极为镀金铜芯，所述极化电极为铜管。
在本发明一实施例中，还包括：
过滤网，设置在进风口；
自调速风扇，设置在出风口。
在本发明一实施例中，还包括：
绝缘性材料，设置在极化电极和感应电极之间；
电路板，采用切槽隔离形式，用于与感应电极连接。
在本发明一实施例中，还包括：
温度传感器，设置在所述采集器的内部气路中；
湿度传感器，设置在所述金属外筒的内壁和外壁分别靠近进风口和出风口的两端。
在本发明一实施例中，所述电路板包括：
控制模块，与温度传感器、湿度传感器和加热除湿模块连接，用根据温度传感器检测得到的温度值、湿度传感器检测的湿度值确定加热控制指令，将加热控制指令发送给加热除湿模块，所述加热控制指令包括加热启动和加热时长。
在本发明一实施例中，所述电路板还包括：
计算模块，与温度传感器、湿度传感器、感应电极和控制模块连接，用于基于采集的感应信号结合基础零值信号进行计算，得到负离子浓度以及采集器内部气路的温度和湿度，并传输给控制模块。
在本发明一实施例中，所述控制模块根据温度传感器检测得到的温度值、湿度传感器检测的湿度值确定加热控制指令中包括：
采用PWM方式根据温度值和湿度值确定调整值，满足金属外筒的外壁温度比内部气路的温度高预设温度，所述预设温度为5℃，调整精度为±1℃。
本发明的另一实施例还提供一种基于空气负离子传感器的测量方法，包括：
空气负离子传感器开启后的t0时间段内，进行预热除湿；
预热完成后t1时间段内，空气负离子传感器保持在恒温状态，开启极化电压，关闭风扇；
恒温完成的t2时间段内，开启极化电压，关闭风扇，进行基础零值信号测量，得到当前感应电极的有效信号；
基础零值测量完成的t3时间段内，开启极化电压，开启风扇，进行离子感应电压测量，并基于测量得到的信号计算得到负离子浓度。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种空气负离子传感器及测量方法，通过在现有电容式吸入法测量的基础上，从结构方面增加设置加热除湿模块，使整个气路内结构部件保持高于外界空气温度，避免高湿度空气进入后出现冷凝情况，进而影响实际测量值，降低测量误差率，提高测量的准确性。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种空气负离子传感器的整体结构图；
图2为本发明一实施例中空气负离子传感器工作中的离子运动轨迹示意图；
图3为本发明一实施例中风扇固定结构图；
图4为本发明一实施例中传感器工作原理图；
图5为本发明另一实施例中提供的一种空气负离子传感器的测量方法的流程图；
图6为本发明另一实施例中测量周期的时间轴图；
图7为本发明另一实施例中测量全过程的流程。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为本发明一实施例提供的一种空气负离子传感器的整体结构图，如图1所示，该空气负离子传感器包括具有圆筒结构的采集器和设置在金属外筒上的加热除湿模块5，采集器的一端为进风口，另一端为出风口；其中所述圆筒结构包括作为极化电极3的金属外筒和作为感应电极4的实心金属棒，加热除湿模块5设置在金属外筒上靠近进风口一端。
其中加热除湿模块5主要是在测量起始阶段对采集器进行加热除湿，通过PID算法自动控温进行预热，使得采集器内部的温度高于外界温度(如高于外界温度5℃)，达到除湿的目的。热除湿模块5可以采用加热陶瓷片，例如可选择高导温高效率的加热陶瓷片。
需要说明的是，本实施例中是以设置一个加热除湿模块为例，在其他实施例中可以根据需要设置多个加热除湿模块，具体设置位置可考虑可用空间和设计方便等因素将多个加热除湿模块设置在靠近出风口的金属外筒外壁沿截面方向呈环状分布，或是在靠近出风口的金属外筒外壁沿轴向方向直接分布或螺旋状分布。
如图1所示，采集器为同轴双筒式结构，极化电极3可以为铜管，感应电极4为镀金铜芯，加热陶瓷片5设置在极化电极3的外壁，具体为采用贴合方式在导热硅脂外部将加热陶瓷片用金属件固定在铜管的外壁。极化电极3连接外部电源1负的偏置电压，空气被吸入双筒式结构中，在偏置电压作用下，负氧离子偏转到实心圆棒，再由实心圆棒接入电荷放大器后接地。
在本发明一实施例中，该传感器中还包括：进风口与机箱固定罩1、进风口固定罩与极化风道连接件2、出风口固定罩与极化风道连接件6、出风口与机箱固定罩7、内置的自调速风扇8、出风罩(蘑菇头)9。除了在出风口设置自调速风扇，还在进风口设置过滤网(图中未示出)，该过滤网可以为316不锈钢材质，30目的密度。其中进风口的外部呈喇叭嘴状，外宽内窄适合气体搜集，风道腔体内部通过计算，极化电机和感应电机长度都已达到最高利用率，这里的“机箱”是指传感器的外机箱。
本实施例的传感器采样高强度、耐腐蚀标号为316不锈钢外壳，结构稳定可靠，内部抽气风扇自带调速功能，野外长时间运行后灰尘或杂物增加，影响风速转速时，自动调速功能将风扇转速控制在规定范围内。
本实施例采用电容吸入式测量原理，将采样风道优化为双筒式结构，底端为进风口，顶端为出风口，外部铜管作为极化电极，极化电极内套镀金的紫铜芯作为感应电极，感应电极和极化电极用ABS高阻抗材质固定安装。通过设置自动加热除湿模块，准确稳定自动控温，软件利用PID算法实现；在极化电极加驱动电压，形成能够使离子偏移的电场，当风扇转动后带动气路中空气流动，流动气体中的悬浮离子通过偏移电场力的作用，使相应的感应极芯上搜集到对应的测量离子，并形成电流，通过放大器转换为相应的电压信号，通过测量电路转为有效的信号，在核心处理器的采集分析后，输出实际的离子浓度值。
本实施例中的加热除湿模块的主要作用就是加热和去除湿气，通过加热使金属外筒内壁的水汽迅速蒸发达到除湿目的，另外，自调速风扇除了正常测量时用于稳定气流外，空闲时间配合加热除湿模块一起工作，进行排湿处理。
图2为本发明一实施例中空气负离子传感器工作中的离子运动轨迹示意图，如图2所示，负离子会沿着通道内风速方向流过。其中离子迁移率根据不同离子直径设定不同电场电压，对应产生不同电场力，使其驱动不同大小的离子产生运动偏转，通过公式(1)得出离子迁移率和离子直径呈负相关；
计算公式如下所示：
其中K：比例常数，离子迁移率极限(简称离子迁移率)(单位为cm2/V·s)；
Vd：空气中离子穿过气体的平均速度(迁移速度)(单位为cm/s)；
E：电场强度(单位为V/cm)；
d：采集板(即感应电极)与极化板(即极化电极)之间的间距(单位为cm)；
Vx：采集通道中的气流速度(单位为cm/s)；
L：采集板的长度(单位为cm)；
U：极化电压(单位为v)。
在本发明一实施例中，除了感应电极4和极化电极3之外，还可以进一步设置进风口感应电极和极化电极固定件和出风口感应电极和极化电极固定件。
图3为本发明一实施例中风扇固定结构图，如图3所示，12为出风口不锈钢结构件螺丝固定孔，13为出风口不锈钢结构件，8为自调速风扇(简称风扇)。结合如图1所示，采样空气在风扇的抽力下进入至风道内部，通过在进风口设置过滤网，在不影响采样空气正常流入情况下，避免昆虫或杂物进入风道内，从而保证设备运行稳定性和测量数据的有效性，传感器离子测量部分将对进风口吸入的空气进行测量(由750cm3/s的速度进入空气，再由风扇排出腔体至外部)。正负离子的测量均由快速的气流导入至仪器内部，由极化板加入对应测量离子极性的电压，进而将待测量的电荷聚集在收集板板上进行信号放大测量。通过将该传感器良好接地，对地电阻大于10GΩ时，电荷采集板上所测量到的离子数量，即为每秒感应到的电荷量。
之后，根据电路板计算负离子浓度，效的信号，在核心处理器的采集分析后，输出实际的离子浓度值。
离子感应器件输出原始电流计算公式：
I＝N*Q*V*A (2)
I：离子产生的电流或称之为收集到电荷所形成到的有效电流，单位为A(安培)；
N：为空气中负离子浓度或每单位体积空气中离子个数(n/cm3)；
Q：电子所携带的基本电荷电量，标称值为1.6×10-19库仑；
V：采样气路的空气流速(m/s)；
A：感应器件有效接收面积(㎡)。
在本发明一实施例中，该传感器还包括：绝缘性材料和电路板，绝缘性材料设置在极化电极和感应电极之间进行隔离，该电路板采用切槽隔离设计的电路板，与极化电极和感应电极分别通过同轴电缆进行电气连接。为实现高分辨率和低误差率，本实施例从三个个方面进行优化：一是从结构方面，外部极化电极和内部感应电极之间连接加入绝缘隔离处理，连接线缆采用同轴单点接地，电路板端采用切槽隔离，提高感应芯收集电流信号的抗干扰性，结构端在极化金属管内壁套入等内径的PVC管，起到极化电极和感应电极在有无水汽凝结条件下相对绝缘作用，避免影响测量信号；二是采样电路方面，选用高输入阻抗、低失调电压、低噪声、低温漂的高精度仪表运放，进行小信号放大，实现对PA级电流的精准转换和放大，提高采样精度，采用24位高转换速率、低温漂、低功耗芯片进行转换后的电压信号捕获，将模拟信号高效转换为处理器直接可计算的数字量，高精度低温漂外部参考电源，提高测量精度和稳定性；三是软件算法处理，采用等比例加多次平均综合滤波算法，在数字端采用自标定算法。
在本发明一实施例中，该传感器中还包括：温度传感器和湿度传感器，温度传感器设置在所述采集器的内部气路中；湿度传感器设置在所述金属外筒的内壁和外壁分别靠近进风口和出风口的两端。
在本发明一实施例中，电路板包括控制模块和计算模块，控制模块与温度传感器、湿度传感器和加热除湿模块连接，用根据温度传感器检测得到的温度值、湿度传感器检测得到的湿度值确定是否下发加热控制指令以及确定加热控制指令的具体内容，将加热控制指令发送给加热除湿模块。计算模块与温度传感器、湿度传感器、感应电极和控制模块连接，用于基于采集的感应信号结合基础零值信号进行计算，得到负离子浓度以及采集器内部气路的温度和湿度，并传输给控制模块。
在本发明一实施例中，控制模块采用PWM方式根据温度值和湿度值确定调整值，确定调整值时应当满足金属外筒的外壁温度比内部气路的温度高预设温度，所述预设温度为5℃，调整精度为±1℃。这样，通过内置在风道内部的温度传感器和湿度传感器，形成控制和反馈的闭环结构，控制温度采用PWM方式，内部有MOS管驱动加热电路，将极化管外壁温度控制在比吸入空气(刚吸入空气的温度可等价于外部温度)高5℃，控制精度为±1℃。
本实施例在通用“电容式吸入法”测量原理基础上，内置极化电极和感应电极采用镀金抗氧化处理，在极化电极结构外圈加入加热除湿装置，使整个气路内结构部件保持高于外接空气温度，避免高湿度空气进入后出现冷凝情况，进而影响实际测量值。高精度低误差测量负离子并计算其浓度值，可以长期、自动、连续、全天候监测大气负离子浓度变化，输出测量的浓度值具有更高可靠性。
图4为本发明一实施例中传感器工作原理图，如图4所示，包括核心采集及数据处理模块M1、离子极化及感应模块M2、电源模块M3、继电器及MOS M4、风扇M5和模拟信号及串口输出M6，各模块详细说明如下：
模块M1主要由MCU及最小系统外围组件构成，I/O用于逻辑控制，外部24位AD采样用于感应信号和基础零值信号测量，内部12位DA输出用于模拟信号输出，包括测量离子浓度和传感器内温湿度；
模块M2主要由纯铜结构件组成，采用圆筒结构，包括一个金属外筒和实心金属棒；
模块M3主要分为三个部分，其一为最小系统供电模块，输出电压为3.3V，并加入LC滤波电路；其二为风扇及继电器中功率器件供电模块，输出电压为5.0V，并加入LC滤波电路；其三为极化电压和运放供电电压，采用成品模块，输出电压为±12V，输出端加入LC滤波电路；
模块M4主要由继电器和MOS管组成，控制开关极化电压；
模块M5为风扇，加入限流电阻控制转速，风扇的电阻为4.02Ω，且软件自动识别运行转速，可进行自动调整(补偿式)。
基于上述，图4中模块M1为其他模块安排工作时序，传感器开启测量后，M1首先控制M4开启预热除湿，利用软件PID算法，将风道内部的结构件保持在恒温状态，之后发送开启极化电压，使M2内形成稳定电场，为离子正常偏移提供支撑，其次周期开启风扇和采样，进行模拟信号处理，计算完成后通过模拟通道或串口输出有效信息。
图5为本发明另一实施例中提供的一种空气负离子传感器的测量方法的流程图，如图5所示，包括以下步骤：
在步骤S1中，空气负离子传感器开启后的t0时间段内，进行预热除湿；例如预设初始的时间t0可以为5Min；
在步骤S2中，预热完成后t1时间段内，空气负离子传感器保持在恒温状态，开启极化电压，关闭风扇；
在步骤S3中，恒温完成的t2时间段内，开启极化电压，关闭风扇，进行基础零值信号测量，得到当前感应电极的有效信号；
在步骤S4中，基础零值测量完成的t3时间段内，开启极化电压，开启风扇，进行离子感应电压测量，并基于测量得到的信号计算得到负离子浓度。
图6为本发明另一实施例中测量周期的时间轴图，如图6所示，各工作时间段说明：
T：单次测量周期，可以为2Min(还可以根据需要对周期进行扩展设置，但最小设置单位为2Min)。
t1：极化电压稳定时间，极化电压开启，风扇关闭，定时器延时1Min；
t2：基础零值电压测量时间，极化电压开启，风扇关闭，定时器延时30S，采集当前感应极板有效信号(经过两级放大和分压)；
t3：离子感应电压测量时间，极化电压开启，风扇开启，定时器延时30S，采集当前感应极板有效信号(经过两级放大和分压)。
t1开始之前，需要有个t0的预热时间段，该时间段的长短不固定，需要根据传感器内温度与外接温度对比进行预测，直到满足上述的温差条件该阶段结束。这样，待t3有效信号测量完成后，进行负离子浓度计算，将离子感应电压Ug和基础零值电压Uz做差值计算，得出测量离子浓度对应电压值，再经对应实际负离子个数拟合的曲线公式计算后，输出对应测量负离子浓度值。
图7为本发明另一实施例中测量全过程的流程，如图7所示，包括：
1)系统初始化；
2)极化电压开启并延时1min；
3)开启任务切换定时器；
4)判断测量任务是否开启，如果是，则测量任务完成并输出负离子浓度值，然后进入低功耗模式；如果否，则直接进入低功耗模式；另外，判断是否有定时器任务切换提醒(采用时间片轮转调度)，如果是，则返回判断测量任务是否开启；如果否，则也是进入低功耗模式。
本实施例采用独特的多任务分段轮询的测量方式，在保证计算出高精度测量值的基础上，大大缩短的单次测量周期，计算过程自动消除背景噪声影响。
综上所述，采用本发明实施例提供的技术方案，提供一种非接触式空气负离子含量测量装置，为了克服现有的人工定时测量，在传统空气负离子测量装置基础上改善测量和安装结构，优化内部电子感应电极结构，实现单位空间内离子收集的最大化，并具有极高的分辨率和极低的误差率。尤其是能够在无人值守自动测量，自动适应多种气候背景条件下，以高准确率、高精度、宽量程测量空气中负离子浓度。由于内置极化电极和感应电极采用镀金抗氧化处理，在极化电极结构外圈加入加热除湿装置，使整个气路内结构部件保持高于外接空气温度，避免高湿度空气进入后出现冷凝情况，进而影响实际测量值。高精度低误差测量负离子并计算其浓度值，可以长期、自动、连续、全天候监测大气负离子浓度变化，输出测量的浓度值具有更高可靠性。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种空气负离子传感器，其特征在于，包括：
具有圆筒结构的采集器，采集器的一端为进风口，另一端为出风口；
其中所述圆筒结构包括作为极化电极的金属外筒和作为感应电极的实心金属棒；
加热除湿模块，设置在金属外筒上靠近进风口一端。
2.如权利要求1所述的空气负离子传感器，其特征在于，所述加热除湿模块为加热陶瓷片。
3.如权利要求1所述的空气负离子传感器，其特征在于，所述感应电极为镀金铜芯，所述极化电极为铜管。
4.如权利要求1所述的空气负离子传感器，其特征在于，还包括：
过滤网，设置在进风口；
自调速风扇，设置在出风口。
5.如权利要求1所述的空气负离子传感器，其特征在于，还包括：
绝缘性材料，设置在极化电极和感应电极之间；
电路板，采用切槽隔离形式，用于与感应电极连接。
6.如权利要求5所述的空气负离子传感器，其特征在于，还包括：
温度传感器，设置在所述采集器的内部气路中；
湿度传感器，设置在所述金属外筒的内壁和外壁分别靠近进风口和出风口的两端。
7.如权利要求6所述的空气负离子传感器，其特征在于，所述电路板包括：
控制模块，与温度传感器、湿度传感器和加热除湿模块连接，用根据温度传感器检测得到的温度值、湿度传感器检测的湿度值确定加热控制指令，将加热控制指令发送给加热除湿模块，所述加热控制指令包括加热启动和加热时长。
8.如权利要求7所述的空气负离子传感器，其特征在于，所述电路板还包括：
计算模块，与温度传感器、湿度传感器、感应电极和控制模块连接，用于基于采集的感应信号结合基础零值信号进行计算，得到负离子浓度以及采集器内部气路的温度和湿度，并传输给控制模块。
9.如权利要求7所述的空气负离子传感器，其特征在于，所述控制模块根据温度传感器检测得到的温度值、湿度传感器检测的湿度值确定加热控制指令中包括：
采用PWM方式根据温度值和湿度值确定调整值，满足金属外筒的外壁温度比内部气路的温度高预设温度，所述预设温度为5℃，调整精度为±1℃。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的空气负离子传感器的测量方法，其特征在于，包括：
空气负离子传感器开启后的t0时间段内，进行预热除湿；
预热完成后t1时间段内，空气负离子传感器保持在恒温状态，开启极化电压，关闭风扇；
恒温完成的t2时间段内，开启极化电压，关闭风扇，进行基础零值信号测量，得到当前感应电极的有效信号；
基础零值测量完成的t3时间段内，开启极化电压，开启风扇，进行离子感应电压测量，并基于测量得到的信号计算得到负离子浓度。
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