專利名稱：新型空氣離子靜態(tài)測定法及空氣離子靜態(tài)測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明新型靜態(tài)法空氣離子測試系統(tǒng)屬于材料、應(yīng)用電子技術(shù)和空氣物理領(lǐng)域。該系統(tǒng)可以用于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(shù)：
空氣負離子的作用已被廣大醫(yī)學(xué)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(jiān)測多采用通過風(fēng)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，由于信號噪音的干擾，電流漂移過大，會影響其測量精度。我國已存在的靜態(tài)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，但是由于采用了電光、光電轉(zhuǎn)換放大路線，信號弱，受環(huán)境條件干擾大，轉(zhuǎn)換電路不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在上述靜態(tài)法的基礎(chǔ)上，提供一種新型空氣離子靜態(tài)測定法及空氣離子靜態(tài)測試系統(tǒng)，使得對空氣離子的測試更加穩(wěn)定可靠，減少環(huán)境因素對測試結(jié)果的影響。
本發(fā)明提供的一種靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，是由離子采集器，電信號放大電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)化卡，以及計算機組成；離子采集器上電荷變化信號經(jīng)放大電路放大，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)化卡轉(zhuǎn)化后傳輸至計算機，由計算機計算出離子濃度。
上述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)中，所述離子采集器上電荷變化通過一電容器C體現(xiàn)，所述放大電路將電容器的微電流信號放大，傳到計算機并被記錄，所述離子采集器通過繼電器與計算機電連接。
上述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)中，所述離子采集器為封閉電容式，由一高壓極和一收集極置于屏蔽殼內(nèi)組成。
上述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)中，粉體測試的采集器由高壓極、離子收集極和屏蔽殼組成，高壓極固定在下屏蔽殼內(nèi)，收集極固定在上屏蔽殼內(nèi)，離子采集器形狀可以更換。
上述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)中，制品測試的離子采集器為格柵式，由一組平行等間距的高壓格柵和收集格柵置于屏蔽箱內(nèi)構(gòu)成，離子采集器形狀可以更換。
上述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)中，高壓格柵較收集格柵要高。
本發(fā)明提供的空氣離子靜態(tài)檢測的方法，包括以下步驟采用上述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)進行，被測樣品置于離子采集器中，給高壓極和收集極加壓，由計算機獲取電容C經(jīng)放大的電信號并計算，輸出檢測結(jié)果。
上述空氣離子靜態(tài)檢測的方法中，所述檢測結(jié)果為空氣離子的濃度值或被測樣品誘發(fā)空氣離子的量。
上述空氣離子靜態(tài)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(tài)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制品。
本發(fā)明在靜態(tài)法離子測試設(shè)備的基礎(chǔ)上通過改進離子采集器形式和電信號采集線路，克服了原有電信號采集放大電路的不穩(wěn)定，隨機誤差較大的缺點，利用電容器直接記錄采集器上的電荷變化，通過電信號放大電路傳輸?shù)接嬎銠C，避免了原有靜態(tài)法設(shè)備電-光和光-電轉(zhuǎn)換對微小電信號帶來的誤差。本發(fā)明針對粉體和制品分別設(shè)計了圓柱形封閉式和格柵式兩種類型的離子采集器。在采集器上加高壓，形成電場來捕獲空氣離子，將捕獲到的電荷瀉放到與采集器相連的電容用來記錄采集器上電荷變化，此電荷經(jīng)過放大器放大，然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換卡傳輸?shù)接嬎銠C。整個系統(tǒng)的操作由計算機設(shè)計的程序控制，并可實現(xiàn)計算機的連續(xù)實時穩(wěn)定監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明中一種封閉電容式離子采集器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中另一種格柵式離子采集器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明中信號采集及控制電路圖。
圖4為本發(fā)明測粉體時連續(xù)監(jiān)測電容器C上的電壓隨時間的變化規(guī)律。
圖5為本發(fā)明測制品時1800秒連續(xù)監(jiān)制品的電容器C上電壓的變化規(guī)律。
圖6為本發(fā)明連續(xù)1800秒監(jiān)測空氣中離子濃度曲線。
具體實施例方式本發(fā)明主要提供一種合理科學(xué)穩(wěn)定的空氣離子測試方法和系統(tǒng)，以用于測定空氣離子以及評價負離子材料產(chǎn)生負離子的性能。
本發(fā)明的方法是通過連續(xù)檢測加有高壓的采集器上采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(xiàn)對空氣離子濃度的連續(xù)監(jiān)測，并通過對空氣離子濃度的測定，評價負離子材料產(chǎn)生負離子得能力。在評價材料產(chǎn)生負離子能力時，需要將被測樣品置于一離子采集器中，給離子采集器加載一定電壓，以捕獲離子采集器中被測樣品產(chǎn)生離子。
本發(fā)明的空氣離子測試系統(tǒng)由空氣離子采集器、電量信號捕獲電路、控制電路、計算機以及其支持測量和數(shù)據(jù)記錄處理的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。
其中，離子采集器10可為圓柱封閉電容式，參見圖1，采集器10截面為圓形，采集器由高壓極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(shè)在下屏蔽殼3內(nèi)，收集極2通過一上絕緣體4’固設(shè)在上屏蔽殼3’內(nèi)，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于高壓極板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。
該種采集器10的電路接通后，產(chǎn)生空氣離子的實驗樣品(如粉體)在采集器10中間被誘生或產(chǎn)生的空氣離子在電場力的作用下，被其中一個極板捕獲，并在電場作用下轉(zhuǎn)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(jù)電容值的大小即可計算出被測材料誘生的空氣離子濃度。
另一種采集器10’可采用格柵式設(shè)計。當測定具有誘生空氣離子的板材和涂層材料時，由于樣品體積較大、離子的產(chǎn)量比粉體小得多，故采用格柵式設(shè)計的采集器10’，增大離子捕獲面積和捕獲能力。
格柵式離子采集器10’，參見圖2，由置于屏蔽箱13內(nèi)的一組平行等間距的高壓格柵11和收集格柵12構(gòu)成，收集極格柵12略低于高壓格柵11。被測量制品(如板材)置于高壓格柵11上，由于收集格柵12略低于高壓格柵11，因而收集格柵12不能接觸到被測量制品。被測制品在電壓作用下產(chǎn)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(jīng)計算機采集分析處理，并計算出材料誘生空氣離子濃度。
本發(fā)明中，電量信號捕獲與控制電路參見圖3。給離子采集器加載高電壓，由CPU給繼電器J1和J2發(fā)出控制信號，決定采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(tài)，控制采集器和電容器C的連接狀態(tài)，控制整個測試電路的閉合狀態(tài)。電容器C上電壓的變化，通過電信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換卡傳輸?shù)紺PU，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進行控制并執(zhí)行，給采集器和電容器C上加載一定電壓，通過連續(xù)檢測電容器C在連續(xù)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(fā)明中，通過計算機監(jiān)控電壓的測定以及數(shù)據(jù)的處理計算。數(shù)據(jù)采集及計算基于以下算式當給采集器上加電壓后，在高壓極和收集極之間形成電場，粉體測量材料產(chǎn)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=Ie·m---(1)]]>式中e——一個電子攜帶的電荷，e＝1.6022×10-19Cm——被測材料的質(zhì)量，單位為kgPm的單位為/s·kg或s-1·kg-1被測制品的表面離子誘生量Ps為Ps=Ie·A---(2)]]>式中e——一個電子攜帶的電荷，e＝1.6022×10-19CA——被測制品測量面的面積，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(zhuǎn)換，得出離子產(chǎn)生個數(shù)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(shè)單位時間內(nèi)，某種材料誘生空氣離子有n個被采集，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變化采集到的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(shù)n
n=kCq0---(6)]]>在儀器的測試過程中，計算機采集電量Q隨時間t的變化關(guān)系，用數(shù)值分析計算法對數(shù)據(jù)進行處理，剔除隨機出現(xiàn)的干擾信號導(dǎo)致的粗大誤差，然后利用數(shù)學(xué)曲線擬合對數(shù)據(jù)進行直線擬合，可以得到材料的空氣離子產(chǎn)生速率(即斜率k)，然后再根據(jù)式(6)計算得到空氣離子數(shù)n。
綜上，本發(fā)明的離子測試系統(tǒng)實用平行電容板式離子采集器或格柵式離子采集器，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，離子采集器上的電荷變化通過位敏器件被放大，最后被計算機采集，經(jīng)過處理給出空氣中離子濃度數(shù)值。計算機可實時記錄電容器上的電荷變化，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測。
本發(fā)明對待測樣品產(chǎn)生空氣離子能力的測試，可依據(jù)測試對象的不同分為(1)對產(chǎn)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采集器10(參見圖1)，將一定量被測粉體置于高壓極板上，蓋上上屏蔽殼。電路接通后，被測樣品在采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，并計算出測試倉內(nèi)材料的離子誘生量。
(2)對產(chǎn)生空氣離子的制品的封閉式測試待測制品可以為體積較大的板材或涂層材料。選擇格柵式離子采集器10’(參見圖2)，置于一封閉的測試倉內(nèi)，被測制品置于高壓格柵上，通電后制品產(chǎn)生的離子進入高壓格柵和收集格柵形成的電場，被收集極采集，計算機采集分析處理，計算出制品誘生的離子量。
(3)對環(huán)境中空氣離子的實時監(jiān)控以平行板電容器離子采集器，環(huán)境氣體中的空氣離子聚集在采集器兩極之間，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，離子采集器上的電荷變化通過位敏器件被放大，最后被計算機采集，經(jīng)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(xiàn)實時監(jiān)測空氣中離子濃度。
實施例(1)對產(chǎn)生空氣離子的粉體的測定選擇適當?shù)牟杉麟娙葜担珻＝19930pF，給采集器電容加載電壓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(jiān)測電容C兩端電壓隨時間變化值，并通過計算機擬合如圖4所示。
在圖4中，經(jīng)過1800秒測得的電壓U隨時間T的變化關(guān)系為U＝1.321×10-5T斜率k＝1.32×10-5，線形相關(guān)系數(shù)為0.9979。
代入(6)式中可得，其中電容值C＝19930pF，q0＝1.6×10-19n=kCq0=1.321×10-5×19930×10-121.6×10-19=1.65×106,(ions/s)]]>通過圖4數(shù)值計算可以得到，該靜態(tài)測試儀通過計算機自動化控制連續(xù)監(jiān)測材料產(chǎn)生空氣離子的能力，5克粉體材料每秒鐘產(chǎn)生空氣負離子的個數(shù)為1.65×106個。
(2)對產(chǎn)生空氣離子的制品的檢測選擇適當?shù)牟蓸悠麟娙葜担珻＝10000pF，給采集器電容加載電壓220V，采用格柵式采集器對50cm×50cm(0.25m2)的負離子木地板進行測試，計算機監(jiān)測和擬合結(jié)果如圖5。
在圖5中，經(jīng)過1800秒測得的電壓U隨時間T的變化關(guān)系為U＝3.43×10-7T斜率k＝3.43×10-7，線性相關(guān)系數(shù)為0.8826。
代入(6)式中可得，(其中，電容值C＝10000pF，q0＝1.6×10-19)n=kCq0=3.43×10-7×10000×10-121.6×10-19=2.14×104,(ions/s)]]>從圖5中可以看出，該靜態(tài)測試儀通過計算機自動化控制連續(xù)監(jiān)測負離子地板產(chǎn)生空氣離子的能力，每秒種產(chǎn)生空氣負離子的個數(shù)為2.14×104ion。
(3)對環(huán)境中空氣離子的實時監(jiān)測采用平行電容板式離子采集器，置采集器于測試環(huán)境中，不放置任何樣品，進行樣品實驗的對比實驗，設(shè)定C＝10000pF，采集器電容加載電壓220V，啟動計算機，連續(xù)監(jiān)測空氣中離子濃度，實時記錄結(jié)果，結(jié)果參見圖6。
在圖6中，經(jīng)過1800秒測得的電壓U隨時間T的變化關(guān)系為U＝7.12×10-9T斜率k＝7.12×10-9，線性相關(guān)系數(shù)為0.9574。
代入(6)式中可得，(其中，電容值C＝10000pF，q0＝1.6×10-19)n=kCq0=7.12×10-9×10000×10-121.6×10-19=4.45×102,(ions/s)]]>從圖6中可以看出，該靜態(tài)測試儀通過計算機自動化控制連續(xù)監(jiān)測負離子地板產(chǎn)生空氣離子的能力，每秒種產(chǎn)生空氣負離子的個數(shù)為4.45×102ion。
權(quán)利要求
1.一種靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，是由離子采集器，電信號放大電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)化卡，以及計算機組成；離子采集器上電荷變化信號經(jīng)放大電路放大，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)化卡轉(zhuǎn)化后傳輸至計算機，由計算機計算出離子濃度。
2.如權(quán)利要求1所述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述離子采集器上電荷變化通過一電容器C體現(xiàn)，所述放大電路將電容器的微電流信號放大，傳到計算機并被記錄，所述離子采集器通過繼電器與計算機電連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述離子采集器為封閉電容式，由一高壓極和一收集極置于屏蔽殼內(nèi)組成。
4.如權(quán)利要求3所述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，其特征在于，粉體測試的采集器由高壓極、離子收集極和屏蔽殼組成，高壓極固定在下屏蔽殼內(nèi)，收集極固定在上屏蔽殼內(nèi)，離子采集器形狀可以更換。
5.如權(quán)利要求1或2所述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，其特征在于，制品測試的離子采集器為格柵式，由一組平行等間距的高壓格柵和收集格柵置于屏蔽箱內(nèi)構(gòu)成，離子采集器形狀可以更換。
6.如權(quán)利要求5所述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)，其特征在于，高壓格柵較收集格柵要高。
7.一種空氣離子靜態(tài)檢測的方法，包括以下步驟利用權(quán)利要求1至6任一所述靜態(tài)空氣離子檢測系統(tǒng)進行，被測樣品置于離子采集器中，給高壓極和收集極加壓，由計算機獲取電容C經(jīng)放大的電信號并計算，輸出檢測結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述空氣離子靜態(tài)檢測的方法，其特征在于，所述檢測結(jié)果為空氣離子的濃度值或被測樣品誘發(fā)空氣離子的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述空氣離子靜態(tài)檢測的方法，其特征在于，所述離子為正離子或負離子。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述空氣離子靜態(tài)檢測的方法，其特征在于，所述被測樣品為空氣、負離子粉體材料或負離子制品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空氣離子靜態(tài)檢測的方法及系統(tǒng)，通過計算機的控制在線連續(xù)監(jiān)測空氣離子濃度，系統(tǒng)中離子采集分別針對粉體和制品設(shè)計了兩種不同類型的采集器，與采集器相連的電容器記錄采集器上電量變化，通過電信號放大線路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換卡傳輸?shù)接嬎銠C，測試過程被記錄下來，并通過計算機計算出離子濃度。本發(fā)明可用于穩(wěn)定連續(xù)監(jiān)測離子濃度，評價產(chǎn)生負離子粉體和制品在空氣中產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2006年8月2日
發(fā)明者冀志江, 王靜, 王繼梅 申請人:中國建筑材料科學(xué)研究總院