許來春 楊賢飛 李鵬忠 謝劍飛 黃露超 姚 磊

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著科技和生活的發(fā)展，人們對(duì)空氣質(zhì)量的要求越來越高。工業(yè)化的發(fā)展，卻對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染。黨中央和政府已經(jīng)意識(shí)到空氣污染的嚴(yán)重性，通過各種手段綜合控制大氣污染，室外的空氣質(zhì)量惡化的趨勢(shì)得到了有效的遏制和緩解。此外，室內(nèi)的空氣污染也不容小覷。居民大部分時(shí)間都在室內(nèi)度過，但是室內(nèi)空間含有多種污染物如裝修甲醛、甲苯等，也包括各種粉塵發(fā)生源（被褥、窗簾、動(dòng)物毛發(fā)等）。因此空氣凈化器就成為居民室內(nèi)空氣凈化的強(qiáng)需求。

對(duì)于空氣凈化器的使用效果，如果沒有數(shù)據(jù)的直觀顯示，用戶也無法得知凈化器的凈化性能是否能夠達(dá)到預(yù)期。如圖1所示，很多凈化器都在機(jī)身上內(nèi)置一個(gè)傳感器，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量的變化情況。這種設(shè)計(jì)能夠給用戶帶來一種實(shí)時(shí)反饋，有助于讓用戶有一種掌控全局的感覺，無疑是有積極意義的。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段市面上流通的所有空氣凈化器，大多數(shù)均具有PM 2.5粉塵濃度顯示功能。也就是說，大多數(shù)空氣凈化器是裝有內(nèi)置的PM 2.5粉塵濃度傳感器的。筆者從事空氣凈化器檢測(cè)工作多年，發(fā)現(xiàn)PM 2.5粉塵濃度傳感器的安裝也極有講究，安裝方式的不合適卻會(huì)導(dǎo)致樣機(jī)不符合安全測(cè)試的要求。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求與案例問題

標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005第8章中對(duì)防止意外觸及器具帶電部件做出了詳細(xì)要求（詳見GB 4706.1-2005第8.1條款），同時(shí)第13章對(duì)器具的電氣強(qiáng)度測(cè)試做出了規(guī)定（詳見GB 4706.1-2005第13.3條款）。

圖1 具有污染物濃度顯示功能的凈化器

筆者在對(duì)一款帶有PM 2.5傳感器的凈化器進(jìn)行電氣強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，對(duì)帶電部件和可觸及PM 2.5粉塵傳感器的金屬部分進(jìn)行3 000 V測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)擊穿（見圖2和圖3）。

該器具為II類器具，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005第8.2條款要求，用B型試驗(yàn)探棒只允許觸及到那些由雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣與帶電部件隔開的部件。該P(yáng)M 2.5粉塵傳感器的金屬部件是可用B型試驗(yàn)探棒觸及的，那么該粉塵傳感器的金屬部分必須滿足雙重或者加強(qiáng)絕緣的要求。另一方面，滿足雙重或者加強(qiáng)絕緣的部件，按照標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005第13.3條款要求，必須在進(jìn)行電氣強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。因此，判定為該款空氣凈化器不合格。

2 案例分析

2.1 PM 2.5粉塵傳感器結(jié)構(gòu)分析

PM2.5傳感器也叫粉塵傳感器、灰塵傳感器，可以用來檢測(cè)我們周圍空氣中的粉塵濃度，即PM 2.5值大小?？諝鈩?dòng)力學(xué)把直徑小于10 μm能進(jìn)入肺泡區(qū)的粉塵通常也稱為呼吸性粉塵。直徑在10 μm以上的塵粒大部分通過撞擊沉積，在人體吸入時(shí)大部分沉積在鼻咽部，而10 μm以下的粉塵可進(jìn)入呼吸道的深部。而在肺泡內(nèi)沉積的粉塵大部分是2.5 μm以下的粉塵。

目前市面上的PM 2.5粉塵傳感器有以下幾種原理：

1）光散射法

光散射原理有LED光（普通光學(xué)），激光等原理，傳感器可以有效的探測(cè)出粒徑約0.5 μm以上顆粒，光散射法的傳感器探頭是通過將透過含有粉塵的空氣后的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換后得到空氣中含有的粉塵濃度。目前市面上光散射法應(yīng)用成熟普遍，是PM 2.5監(jiān)測(cè)的較好選擇。圖4～圖5是光散射法的粉塵傳感器的原理示意圖和原理結(jié)構(gòu)圖。

2）重量法

圖2 拆下可拆卸擋板后的粉塵傳感器

圖3 用B型試驗(yàn)探棒可觸及金屬部分

圖4 光散射法粉塵傳感器原理示意圖

圖5 光散射法粉塵傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

我國目前對(duì)大氣顆粒物的測(cè)定主要采用重量法。其原理是采樣器，以恒定速度抽取定量的體積空氣，讓環(huán)境空氣中的PM 2.5和 PM 10顆粒物過濾在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后的濾膜質(zhì)量和所采樣氣體的體積，計(jì)算得出PM 2.5和PM 10的濃度。

3）微量振蕩天平法

微量振蕩天平法是一個(gè)質(zhì)量傳感器，該傳感器內(nèi)有一個(gè)振蕩空心錐形管。該振蕩管的振蕩頻率取決于錐形管特征和質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流進(jìn)入傳感器通過該濾膜的時(shí)候，顆粒物會(huì)沉積在濾膜上面，濾膜的質(zhì)量變化會(huì)導(dǎo)致該濾膜的振蕩頻率發(fā)生變化。我們可以通過振蕩頻率的變化計(jì)算出濾膜上沉積的顆粒物的質(zhì)量，從而計(jì)算得出氣體中顆粒物的質(zhì)量濃度。

4）Beta射線法/β射線法

Beta射線儀是利用Beta射線衰減的原理，由采樣泵吸入將環(huán)境空氣吸入采樣管中，氣體經(jīng)過濾膜后，顆粒物會(huì)沉積在濾膜上。此時(shí)用Beta射線照射沉積的顆粒物，Beta射線的能量會(huì)衰減。我們可以通過Beta射線的衰減量計(jì)算得出顆粒物的濃度。

由于2、3、4等原理應(yīng)用比較困難并且價(jià)格較高，現(xiàn)階段使用在空氣凈化器上面的粉塵傳感器基本上都是采用的光散射法型傳感器。

如圖6～圖9所示，大多的粉塵傳感器都含有一個(gè)金屬外殼。這個(gè)金屬外殼是用于接地的，而接地的目的則是用于屏蔽外界的干擾，如果沒有這個(gè)接地金屬進(jìn)行屏蔽，那么外界干擾會(huì)影響到傳感器生成的電流信號(hào)，從而影響到顯示的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

而對(duì)于那些外表面沒有金屬外殼的傳感器，實(shí)則在其中也同樣具有接地的粉狀金屬顆粒組成的屏蔽罩，這種結(jié)構(gòu)同樣也能夠起到屏蔽外界干擾的作用。

因此，我們可以看到，采用激光散射法的粉塵傳感器，均含有類似的帶有接地的金屬屏蔽外殼。而此次被測(cè)樣機(jī)的粉塵傳感器（見圖10～圖11）同樣具有類似結(jié)構(gòu)。

通過萬用表測(cè)量得知，圖11中箭頭所指引腳與該金屬外殼是連通的，也就是該引腳即為接地引腳輸入端。再考核該接地引腳與其他帶電部件之間的爬電距離和電氣間隙，見圖12。

圖6 alphasense PM2.5傳感器/粉塵傳感器

圖7 日本夏普灰塵傳感器

圖8 日本神榮灰塵傳感器

圖9 韓國syhitech 灰塵傳感器

圖10 被測(cè)樣機(jī)粉塵傳感器正面

圖11 被測(cè)樣機(jī)粉塵傳感器正面

由圖12可見，該接地引腳與其他帶電部件之間的電氣間隙不足1 mm，基本沒有隔離。而該粉塵傳感器的工作電壓不到24 V，屬于安全特低電壓(SELV)。因此，僅考核粉塵傳感器上的電氣間隙是不存在問題的。

2.2 凈化器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)分析

圖13～14是該凈化器電路布置圖。

通過對(duì)該電路布置圖的分析，可以看到，空氣凈化器從市電供電后，通過整流電路后再通過變壓器將220 V的市電轉(zhuǎn)變?yōu)榉戏蹓m傳感器工作要求的安全特低電壓（SELV）。但是，考慮整塊電路板的強(qiáng)弱電之間的爬電距離和電氣間隙卻沒能符合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于加強(qiáng)絕緣的要求，見圖15。

圖12 傳感器接地引腳與其他引腳距離測(cè)量

圖13 電路布置圖正面

圖14 電路布置圖背面

圖15 粉塵傳感器爬電距離和電氣間隙走線圖

表1 粉塵傳感器爬電距離和電氣間隙分析

通過上面的分析，可以找出本次檢測(cè)不合格的原因。一方面空氣凈化器的電路布置圖強(qiáng)電和弱電之間的爬電距離和電氣間隙幾乎為0，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于加強(qiáng)絕緣的要求；另一方面，粉塵傳感器上，可觸及金屬外殼與帶電體之間的電氣間隙和爬電距離不足1 mm。因此在電氣強(qiáng)度測(cè)試過程中，3 000 V的高壓電很容易就通過擊穿空氣達(dá)到該粉塵傳感器的金屬外殼，造成測(cè)試不合格。

3 合格電路設(shè)計(jì)分析

圖16～圖17是另外一個(gè)在電路隔離布局方面設(shè)計(jì)的較好的電路布置圖。

分析圖16～圖17所示電路板，可以發(fā)現(xiàn)，該電路板有如下特點(diǎn)：

1）電路板的強(qiáng)電部分與弱電部分的爬電距離和電氣間隙，是滿足加強(qiáng)絕緣要求的。如圖17中的④可以看出，強(qiáng)電部分和弱電部分之間是有足夠的爬電距離和電氣間隙。

圖16 電路板正面

圖17 電路板背面

2）跨接在強(qiáng)電部分和弱電部分之間的零部件，均能滿足加強(qiáng)或者雙重絕緣的要求。如圖15中，①是滿足加強(qiáng)絕緣要求的光耦，②是安全隔離變壓器，而③則是由兩個(gè)單獨(dú)元件構(gòu)成的保護(hù)阻抗。

4 結(jié)語

通過此次空氣凈化器粉塵傳感器部位的耐壓測(cè)試不合格分析，筆者詳細(xì)的分析了導(dǎo)致此次不合格的原因：一是電路設(shè)計(jì)不合理，電路的強(qiáng)電部分和弱電部分未能很好進(jìn)行隔離；二是未考慮粉塵傳感器金屬部分的可觸及情況下的觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此，筆者對(duì)此類凈化器在設(shè)計(jì)時(shí)給出建議：

1）設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，做到電路的強(qiáng)電和弱電隔離，滿足加強(qiáng)或者雙重絕緣要求；

2）使用粉塵傳感器時(shí)，用不可拆卸的罩蓋將粉塵傳感器圍護(hù)起來，使其無法用試驗(yàn)探棒觸及。