新型空氣離子靜態測定法及空氣離子靜態測試系統的製作方法
2023-10-18 02:54:49 1
專利名稱：新型空氣離子靜態測定法及空氣離子靜態測試系統的製作方法
技術領域：
本發明新型靜態法空氣離子測試系統屬於材料、應用電子技術和空氣物理領域。該系統可以用於測定空氣中離子濃度，以及通過測定空氣中離子濃度來評價負離子材料的離子誘生能力。
背景技術：
空氣負離子的作用已被廣大醫學界所認同，除了有益人體健康之外，還具有殺菌、除塵、除臭作用。國際上空氣負離子的監測多採用通過風扇使空氣以一定的流量通過平行板電容器，這種方法涉及到微小電流的測量，由於信號噪音的幹擾，電流漂移過大，會影響其測量精度。我國已存在的靜態法離子測定儀(CN021238901，為同一申請人先前的專利申請)，該儀器工作原理不是測電流，而是直接測定電容器極板上的電量，雖然克服了直接測電流的缺點，但是由於採用了電光、光電轉換放大路線，信號弱，受環境條件幹擾大，轉換電路不穩定。
發明內容
本發明是在上述靜態法的基礎上，提供一種新型空氣離子靜態測定法及空氣離子靜態測試系統，使得對空氣離子的測試更加穩定可靠，減少環境因素對測試結果的影響。
本發明提供的一種靜態空氣離子檢測系統，是由離子採集器，電信號放大電路，模/數轉化卡，以及計算機組成；離子採集器上電荷變化信號經放大電路放大，再通過模/數轉化卡轉化後傳輸至計算機，由計算機計算出離子濃度。
上述靜態空氣離子檢測系統中，所述離子採集器上電荷變化通過一電容器C體現，所述放大電路將電容器的微電流信號放大，傳到計算機並被記錄，所述離子採集器通過繼電器與計算機電連接。
上述靜態空氣離子檢測系統中，所述離子採集器為封閉電容式，由一高壓極和一收集極置於屏蔽殼內組成。
上述靜態空氣離子檢測系統中，粉體測試的採集器由高壓極、離子收集極和屏蔽殼組成，高壓極固定在下屏蔽殼內，收集極固定在上屏蔽殼內，離子採集器形狀可以更換。
上述靜態空氣離子檢測系統中，製品測試的離子採集器為格柵式，由一組平行等間距的高壓格柵和收集格柵置於屏蔽箱內構成，離子採集器形狀可以更換。
上述靜態空氣離子檢測系統中，高壓格柵較收集格柵要高。
本發明提供的空氣離子靜態檢測的方法，包括以下步驟採用上述靜態空氣離子檢測系統進行，被測樣品置於離子採集器中，給高壓極和收集極加壓，由計算機獲取電容C經放大的電信號並計算，輸出檢測結果。
上述空氣離子靜態檢測的方法中，所述檢測結果為空氣離子的濃度值或被測樣品誘發空氣離子的量。
上述空氣離子靜態檢測的方法中，所述離子為正離子或負離子。
上述空氣離子靜態檢測的方法中，所述被測樣品為空氣、負離子粉體材料或負離子製品。
本發明在靜態法離子測試設備的基礎上通過改進離子採集器形式和電信號採集線路，克服了原有電信號採集放大電路的不穩定，隨機誤差較大的缺點，利用電容器直接記錄採集器上的電荷變化，通過電信號放大電路傳輸到計算機，避免了原有靜態法設備電-光和光-電轉換對微小電信號帶來的誤差。本發明針對粉體和製品分別設計了圓柱形封閉式和格柵式兩種類型的離子採集器。在採集器上加高壓，形成電場來捕獲空氣離子，將捕獲到的電荷瀉放到與採集器相連的電容用來記錄採集器上電荷變化，此電荷經過放大器放大，然後通過模/數轉換卡傳輸到計算機。整個系統的操作由計算機設計的程序控制，並可實現計算機的連續實時穩定監測。
圖1為本發明中一種封閉電容式離子採集器結構示意圖。
圖2為本發明中另一種格柵式離子採集器結構示意圖。
圖3為本發明中信號採集及控制電路圖。
圖4為本發明測粉體時連續監測電容器C上的電壓隨時間的變化規律。
圖5為本發明測製品時1800秒連續監製品的電容器C上電壓的變化規律。
圖6為本發明連續1800秒監測空氣中離子濃度曲線。
具體實施例方式本發明主要提供一種合理科學穩定的空氣離子測試方法和系統，以用於測定空氣離子以及評價負離子材料產生負離子的性能。
本發明的方法是通過連續檢測加有高壓的採集器上採集的空氣離子的電量瀉放到一電容器上的電量引起的電壓變化，利用計算機來計算空氣離子濃度，實現對空氣離子濃度的連續監測，並通過對空氣離子濃度的測定，評價負離子材料產生負離子得能力。在評價材料產生負離子能力時，需要將被測樣品置於一離子採集器中，給離子採集器加載一定電壓，以捕獲離子採集器中被測樣品產生離子。
本發明的空氣離子測試系統由空氣離子採集器、電量信號捕獲電路、控制電路、計算機以及其支持測量和數據記錄處理的軟體系統構成。
其中，離子採集器10可為圓柱封閉電容式，參見圖1，採集器10截面為圓形，採集器由高壓極1、離子收集極2和上、下屏蔽殼3、3』組成，高壓極1通過一下絕緣體4固設在下屏蔽殼3內，收集極2通過一上絕緣體4』固設在上屏蔽殼3』內，高壓極1、離子收集極2之間具有一空腔用以置放待測樣品；將一定量被測材料樣品置於高壓極板1上，蓋上上屏蔽殼3』，在高壓極1加上適當高電壓，上屏蔽殼3』接地，則在高壓極1和屏蔽殼之間形成電場。
該種採集器10的電路接通後，產生空氣離子的實驗樣品(如粉體)在採集器10中間被誘生或產生的空氣離子在電場力的作用下，被其中一個極板捕獲，並在電場作用下轉移到一個外接電容器(圖3電路中的電容器C)，通過測定該電容器C極板的電壓變化，根據電容值的大小即可計算出被測材料誘生的空氣離子濃度。
另一種採集器10』可採用格柵式設計。當測定具有誘生空氣離子的板材和塗層材料時，由於樣品體積較大、離子的產量比粉體小得多，故採用格柵式設計的採集器10』，增大離子捕獲面積和捕獲能力。
格柵式離子採集器10』，參見圖2，由置於屏蔽箱13內的一組平行等間距的高壓格柵11和收集格柵12構成，收集極格柵12略低於高壓格柵11。被測量製品(如板材)置於高壓格柵11上，由於收集格柵12略低於高壓格柵11，因而收集格柵12不能接觸到被測量製品。被測製品在電壓作用下產生的離子進入高壓格柵11和收集格柵12形成的電場而被收集測量，經計算機採集分析處理，並計算出材料誘生空氣離子濃度。
本發明中，電量信號捕獲與控制電路參見圖3。給離子採集器加載高電壓，由CPU給繼電器J1和J2發出控制信號，決定採集器高壓極上加載電壓的電極性(正或負)，來選擇測試離子的正負性即正離子或負離子。通過繼電器RL1和RL2的斷開和閉合狀態，控制採集器和電容器C的連接狀態，控制整個測試電路的閉合狀態。電容器C上電壓的變化，通過電信號放大電路和A/D轉換卡傳輸到CPU，由CPU計算得到空氣離子濃度。上述整個測試電路的控制信號是由計算機CPU進行控制並執行，給採集器和電容器C上加載一定電壓，通過連續檢測電容器C在連續捕獲材料誘生空氣離子的電量引起的電壓的變化，通過計算機來計算出離子誘生量。
本發明中，通過計算機監控電壓的測定以及數據的處理計算。數據採集及計算基於以下算式當給採集器上加電壓後，在高壓極和收集極之間形成電場，粉體測量材料產生的離子在電場的作用下被收集，電荷在向電容器C瀉放的過程中，形成電流I。被測粉體材料的離子誘生量Pm為Pm=Iem---(1)]]>式中e——一個電子攜帶的電荷，e＝1.6022×10-19Cm——被測材料的質量，單位為kgPm的單位為/s·kg或s-1·kg-1被測製品的表面離子誘生量Ps為Ps=IeA---(2)]]>式中e——一個電子攜帶的電荷，e＝1.6022×10-19CA——被測製品測量面的面積，單位為m2Ps的單位為「個/s·m2」或「s-1·m-2」。
在式(1)和(2)中，只要測得電流I即可計算出被測樣品離子的誘生量P。但電流的直接測量不可能，只有通過放大電路測得電容器C上的電壓，才能計算出P。通過式(3)～(6)轉換，得出離子產生個數的計算公式，如下示dQ＝idtQ＝∫idt＝∫CdU＝CU(3)其中，Q為電量，t為時間，C為電容器電容值，U為測試的電容器電壓值。
設單位時間內，某種材料誘生空氣離子有n個被採集，每個離子的電量為q0(1.6×10-19C)，則n個離子的電量為nq0Q＝nq0∫dt＝nq0t (4)由(3)和(4)式可得U=n(q0C)t---(5)]]>由此，計算機隨時間t變化採集到的U(電壓值)，做出U(t)直線，求出斜率k＝n(q0/C)可以得到空氣離子數n
n=kCq0---(6)]]>在儀器的測試過程中，計算機採集電量Q隨時間t的變化關係，用數值分析計算法對數據進行處理，剔除隨機出現的幹擾信號導致的粗大誤差，然後利用數學曲線擬合對數據進行直線擬合，可以得到材料的空氣離子產生速率(即斜率k)，然後再根據式(6)計算得到空氣離子數n。
綜上，本發明的離子測試系統實用平行電容板式離子採集器或格柵式離子採集器，在計算機的控制下加載一定的高壓，空氣中的離子和待測材料誘生的離子會被電極捕獲，離子採集器上的電荷變化通過位敏器件被放大，最後被計算機採集，經過處理給出空氣中離子濃度數值。計算機可實時記錄電容器上的電荷變化，可以實現實時監測。
本發明對待測樣品產生空氣離子能力的測試，可依據測試對象的不同分為(1)對產生空氣離子的粉體的封閉式測試首先選擇圓柱封閉式離子採集器10(參見圖1)，將一定量被測粉體置於高壓極板上，蓋上上屏蔽殼。電路接通後，被測樣品在採集器中間誘生的空氣離子在電場力的作用下，被其中一個極板捕獲，加大電容器C電荷量，通過計算機控制測定電容器極板的電壓變化，並計算出測試倉內材料的離子誘生量。
(2)對產生空氣離子的製品的封閉式測試待測製品可以為體積較大的板材或塗層材料。選擇格柵式離子採集器10』(參見圖2)，置於一封閉的測試倉內，被測製品置於高壓格柵上，通電後製品產生的離子進入高壓格柵和收集格柵形成的電場，被收集極採集，計算機採集分析處理，計算出製品誘生的離子量。
(3)對環境中空氣離子的實時監控以平行板電容器離子採集器，環境氣體中的空氣離子聚集在採集器兩極之間，在計算機的控制下加載一定的高壓，空氣中的離子會被電極捕獲，離子採集器上的電荷變化通過位敏器件被放大，最後被計算機採集，經過處理給出空氣中離子濃度。計算機可實時記錄電容器上的電荷變化，可以實現實時監測空氣中離子濃度。
實施例(1)對產生空氣離子的粉體的測定選擇適當的採集器電容值，C＝19930pF，給採集器電容加載電壓220V，利用以上測試原理和計算方法，對5g粉體樣品進行檢測。計算機監測電容C兩端電壓隨時間變化值，並通過計算機擬合如圖4所示。
在圖4中，經過1800秒測得的電壓U隨時間T的變化關係為U＝1.321×10-5T斜率k＝1.32×10-5，線形相關係數為0.9979。
代入(6)式中可得，其中電容值C＝19930pF，q0＝1.6×10-19n=kCq0=1.32110-51993010-121.610-19=1.65106,(ions/s)]]>通過圖4數值計算可以得到，該靜態測試儀通過計算機自動化控制連續監測材料產生空氣離子的能力，5克粉體材料每秒鐘產生空氣負離子的個數為1.65×106個。
(2)對產生空氣離子的製品的檢測選擇適當的採樣器電容值，C＝10000pF，給採集器電容加載電壓220V，採用格柵式採集器對50cm×50cm(0.25m2)的負離子木地板進行測試，計算機監測和擬合結果如圖5。
在圖5中，經過1800秒測得的電壓U隨時間T的變化關係為U＝3.43×10-7T斜率k＝3.43×10-7，線性相關係數為0.8826。
代入(6)式中可得，(其中，電容值C＝10000pF，q0＝1.6×10-19)n=kCq0=3.4310-71000010-121.610-19=2.14104,(ions/s)]]>從圖5中可以看出，該靜態測試儀通過計算機自動化控制連續監測負離子地板產生空氣離子的能力，每秒種產生空氣負離子的個數為2.14×104ion。
(3)對環境中空氣離子的實時監測採用平行電容板式離子採集器，置採集器於測試環境中，不放置任何樣品，進行樣品實驗的對比實驗，設定C＝10000pF，採集器電容加載電壓220V，啟動計算機，連續監測空氣中離子濃度，實時記錄結果，結果參見圖6。
在圖6中，經過1800秒測得的電壓U隨時間T的變化關係為U＝7.12×10-9T斜率k＝7.12×10-9，線性相關係數為0.9574。
代入(6)式中可得，(其中，電容值C＝10000pF，q0＝1.6×10-19)n=kCq0=7.1210-91000010-121.610-19=4.45102,(ions/s)]]>從圖6中可以看出，該靜態測試儀通過計算機自動化控制連續監測負離子地板產生空氣離子的能力，每秒種產生空氣負離子的個數為4.45×102ion。
權利要求
1.一種靜態空氣離子檢測系統，是由離子採集器，電信號放大電路，模/數轉化卡，以及計算機組成；離子採集器上電荷變化信號經放大電路放大，再通過模/數轉化卡轉化後傳輸至計算機，由計算機計算出離子濃度。
2.如權利要求1所述靜態空氣離子檢測系統，其特徵在於，所述離子採集器上電荷變化通過一電容器C體現，所述放大電路將電容器的微電流信號放大，傳到計算機並被記錄，所述離子採集器通過繼電器與計算機電連接。
3.如權利要求1或2所述靜態空氣離子檢測系統，其特徵在於，所述離子採集器為封閉電容式，由一高壓極和一收集極置於屏蔽殼內組成。
4.如權利要求3所述靜態空氣離子檢測系統，其特徵在於，粉體測試的採集器由高壓極、離子收集極和屏蔽殼組成，高壓極固定在下屏蔽殼內，收集極固定在上屏蔽殼內，離子採集器形狀可以更換。
5.如權利要求1或2所述靜態空氣離子檢測系統，其特徵在於，製品測試的離子採集器為格柵式，由一組平行等間距的高壓格柵和收集格柵置於屏蔽箱內構成，離子採集器形狀可以更換。
6.如權利要求5所述靜態空氣離子檢測系統，其特徵在於，高壓格柵較收集格柵要高。
7.一種空氣離子靜態檢測的方法，包括以下步驟利用權利要求1至6任一所述靜態空氣離子檢測系統進行，被測樣品置於離子採集器中，給高壓極和收集極加壓，由計算機獲取電容C經放大的電信號並計算，輸出檢測結果。
8.根據權利要求7所述空氣離子靜態檢測的方法，其特徵在於，所述檢測結果為空氣離子的濃度值或被測樣品誘發空氣離子的量。
9.根據權利要求7或8所述空氣離子靜態檢測的方法，其特徵在於，所述離子為正離子或負離子。
10.根據權利要求7或8所述空氣離子靜態檢測的方法，其特徵在於，所述被測樣品為空氣、負離子粉體材料或負離子製品。
全文摘要
本發明公開了一種空氣離子靜態檢測的方法及系統，通過計算機的控制在線連續監測空氣離子濃度，系統中離子採集分別針對粉體和製品設計了兩種不同類型的採集器，與採集器相連的電容器記錄採集器上電量變化，通過電信號放大線路和模/數轉換卡傳輸到計算機，測試過程被記錄下來，並通過計算機計算出離子濃度。本發明可用於穩定連續監測離子濃度，評價產生負離子粉體和製品在空氣中產生空氣離子的能力。
文檔編號G01N27/60GK1904605SQ20061008909
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月2日 優先權日2006年8月2日
發明者冀志江, 王靜, 王繼梅 申請人:中國建築材料科學研究總院