空气离子测量仪器是什么？

(一)空气离子测量的意义

空气离子是衡量室内空气质量的一项重要：皆标。空气离子是由空气中一些分子或分子团附着正电荷或负电荷所形成的。空气离子测量仪的测试对象，大体上可以分为自然离子源和人造离子源。自然离子源主要有地表放射性物质、放射性气体、字宙线、天然瀑布等。人造离子源主要有各种电晕式离子发生器、水激式离子发生器和放射源离子发生器等。不同的离子源产生的离子浓度相差很大，离子源周围的离子浓度梯度的分布也有很大不同。自然离子识到仅测量小离子的浓度并不能比较全面地反映出空气的质量。已有的测量数据表明：在清洁的环境中产生的空气离子多数为小离子，其迁移率(K)比较大。但是，在污染的空气中则会出现不少中离子和大离子，其迁移率要小得多。如果在测量过程中改变离子的迁移率，就可以得到对应于不同离子迁移率的离子浓度值，从而绘制出迁移率分布。

清洁空气中离子迁移率分布曲线如图6—50所示，吸烟室内空气中离子迁移率分布曲线如图6-51所示。这种分布图可以反映空气中各种大小不同悬浮颗粒的数目以及它们之间的比例，作为评价室内空气质量的依据之一。

(二)空气离子测最的要求

由于空气离子所携带的电荷极其微小．所以必须使用专用的空气离子测量仪进行测量。这种仪器是由离子收集器和微电流计构成。空气离子测量灵敏度和绝缘都要求非常高。在测量中它很容易受到环境因素和人为因素的影响。而造成测试的误差。各种不同的测量对象及其周围环境，都可能对测试的结果存在影响。这就要求使用者对仪器和被测对象的性质有一定的了解。也就是说．在空气离子的研究中，除了要有合适的仪器外．还要有一整套正确的测试方法，以及具备一定素质的操作人员，才能得到关于离子浓度和离子迁移率的可靠的数据。为此，使用者要尽可能多地掌握有关仪器原理，空气离子的背景知识，并根据被测对象选择合适的仪器，规定合理的测试方法和步骤。

(三)空气离子测最的仪器

(1)方法原理

①离子收集和电荷测量。空气离子测量仪采用电容式离子收集器收集空气离子所携带的电荷，并通过一个微电流计测量这些电荷释放所形成的电流。离子收集和电荷测量如图6—52所示。正、负空气离子随样气流进收集器后，在收集板与极化板之间的极化电场作用下，按不同极性分别向收集板和极化板偏转，把各自携带的电荷转移到收集板和极化板上。

收集板上收集到的电荷通过微电流计落地，形成一股电流jr；极化板上的电荷通过极化电源(电池组)落地，被复合掉。一般认为，每个空气离子只带一个电荷(当然特殊情况下可以带多电荷)。离子浓度可以由所测得的电流及空气流量用式(6—41)换算出来。

N=I／(qυA)(6—41)

式中，N为单位体积空气中离子数目，个／cm³；jr为微电流计的读数，A；q为电子基本电荷电量，l.6×10-19C；υ为取样空气流速，cm／s；A为收集器的有效横截面积，cm²。

②离子迁移率。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。离子迁移率是分辨被测离子直径大小的一个重要参数。小离子(直径0.001～0.003μm)，其平均迁移率为l.0cm²／(V·s)；中离子(直径0.003～0.03／μm)，其平均迁移率为0.05cm²／(V·S)；大离子(直径0.03～0.1μm)，其平均迁移率为0.005cm²／(V·s)。

离子迁移率与离子直径大小有关。根据离子迁移率的定义和离子收集器的结构，可以用式(6—42)推算出收集器离子迁移率极限：

K—d²V／(LU)(6—42)

式中，K为收集器离子迁移率极限，cm²／(V·s)；d为收集板与极化板之间的距离，cm；V为收集器中气流的速度，cm／s；L为收集板的长度，cm；U为极化电压，V。

以上公式是以假设离子是从最靠近极化板位置进入收集器为前提的．离子迁移率测量原理示意如图6—53所示。离子进入收集器电场后除了受抽气气流影响进行Vx方向的运动外，还要受极化电场影响进行Vy，方向的运动，两个运动合成V方向的运动。较大的离子Vy分量较小，当它运动到电场末端时尚未接触到收集板，收集不到。所以，上式给出的离子迁移率又称为极限迁移率．其意思是指：迁移率大于这个值的离子都能被收集到；而迁移率小于这个值的离子就收集不到。当然，这些观点都仅具有统计学的意义。由于离子进入电场的位置时，随机的一部分迁移率小于K值的离子也可能被收集到。考虑到迁移率K是按对数分布的，这种误差的影响可以忽略。

(2)仪器结构空气离子测量仪由离子收集器及微电流放大器两部分组成。

①离子收集器。离子收集器是由抽气机将空气抽入，同时用一个电场收集被抽入气体中的离子，以形成一股离子电流的装置。目前比较通用的离子收集器为平行板式收集器。平行板电场属于均匀电场。它不但可以用于收集离子，而且可以用于测定离子的迁移率。按照收集板结构的不同，平行板收集器可以分为一级式平行板收集器(如DLY-3型)和二级式平行板收集器(如DLY-2型)。后者的第一级收集板较短．用于收集小离子；第二级收集板较长，用于收集中、大离子。前、后两级极板都是独立的，可以分别施加不同的极化电压。

为了加宽离子迁移率覆盖的范围，这种离子收集器使用了不同的两种抽气速度。测量小离子、中离子时抽气速率比较高，一般为l.8m／s；测量大离子时抽气速率比较低，一般为0.35m／s。这样，可使得离子迁移率范围覆盖大、中、小离子的范围。二级式离子收集器在测量中、大离子时，往往将第一级收集器作为离子过滤器。这时第二级收集器所收集到的离子就不包含第一级收集器所过滤的小离子。因此，它的迁移率为区间迁移率。区间值为第一级收集器的极限迁移率值到第二级收集器的极限迁移率值。即第二级收集器所收集到的离子的迁移率上限为第一级收集器的极限迁移率值；下限为第二级收集器的极限迁移率值。

另一类收集器采用圆筒形电场，由内外两个圆筒套构成。由于其电场非均匀，前端绝缘支架会吸附离子等问题，现在已很少采用。

②微电流放大器。微电流放大器是空气离子测量仪的关键性部件之一。微电流放大器一般采用全反馈式直流放大器，其工作原理由式(6—43)和图6—54所示。

V0一IaRt(6—43)

式中，V0为输出电压；Ia为输入电流；Rt为反馈电阻。

根据公式(6—43)便可以得到被测电流的数值。仪器的反应速度(τ)取决于反馈电阻Rt的数值和与它们并联的电容Cl(包括分布电容量)。仪器反应速度可用式(6—44)计算。仪器的响应时间如图6—55所示。

τ=RtCl(6—44)

式中，τ为仪器的反应速度；Rt为反馈电阻；Cl为并联的电容。

较短的响应时间有利于观察离子浓度在短时间内的变化。然而，在野外进行测量时，由于风的影响，很容易使读数跳动不定，造成无法读取的缺点。在这种情况下，采用较长的响应时间可以得到更平稳的读数。一般在开放的空气中测量，响应时间可以在5～20s之间选择。

(四)仪器的箍定和校准

根据现行国家标准《空气离子测量仪通用规范》(GB／Tl8809--2002)中的规定进行，主要包括空气流量Q、离子浓度示值N、离子迁移率K和实测对比(低浓度和高浓度两项)。

(五)采样和测定步骤

1．使用前准备工作

使用前准备工作主要包括：将电源开关、风机开关置于关“OFF”位置；将倍率开关置于最高挡(×105)；“离子极性”开关置于“0”处。

2．使用中操作步骤

(1)驱潮新购买的仪器及已闲置较长时间的仪器，可先用电热吹风器对收集器吹热风进行驱潮。如果主机也受潮，则应同时对主机吹热风驱潮，待机器冷却后才能接通电源工作。也可以将机器后面板的电源插座接到220V电源上，待通电几个小时，利用机器自身的驱潮器进行驱潮。

(2)进行零点校正把“离子极性"开关置于“0”；“迁移率”的旋钮置于“1"；“倍率”开关置于“×l0”；调整“调零”旋钮，使显示器显示零。

(3)检查收集器绝缘程度先把“倍率”转到较高的挡次，把“离子极性”开关打到¨+”，大约过10～20s，再降低量程至“×10”，待读数稳定后，即可读出收集器的漏电。一般要求收集器漏电不大于4单位。

(4)离子浓度的测量

①按所需要的离子极性迁移率定好挡位，调好零点。打开风机开关，稍等片刻后，即可读出离子浓度。

②读数指示太小时，把倍率开关往右旋转，注意搬动“倍率”开关后应重新校对零点，即重复前面校对零点的操作。如果测量时发生超量程，数字表会显示“1"，这时操作者应升高“倍率”。

③改变“离子极性”开关，可改变测量的离子极性。在旋转这个旋钮之前，应先把“倍率”置于较大位置，以防止冲击表头。

④对各种空气离子发生器进行测量时，应使收集器中收集板到离子发生器的距离为30cm。

(5)离子迁移率DLY-3型空气离子测量仪的迁移率与开关挡位的关系见表6—3。把迁移率旋钮对准不同的刻度，可以测量不同迁移率的离子浓度值。

应当注意的是：在改变“迁移率”旋钮时，由于收集器电容的放电和充电．会使微电流计受冲击，出现长时间“溢出”。尤其在“×l0”挡，微电流计时间常数较大．需要较长时间才能稳定。所以，最好先把“倍率”打大一些，既可缓冲，又可缩短时间常数，等冲击过后再升高灵敏度，并注意应经常校正零点。测量中如果有停歇和间断时，应将风机关上，以节省电池的消耗。

(六)结果计算

利用空气离子测量仪可以直接读出离子浓度，相邻两个刻度之间的离子读数差值△N就是迁移率在这两值之间的离子数。例如在迁移率K=0.40cm²／(V·s)时．测得的负离子浓度Nl=200个／cm³；在迁移率K=0.15cm²／(V·S)时，测得的负离子浓度N2=500个／cm³。则在迁移率K=0.15～0.40cm²／(V·S)之间共有负离子为：

△N=N2一Nl=300个／cm³。