Устройство для измерения ионного тока

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОГО ТОКА, содержащее коллектор ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя , соединенному через разрядный резистор с общей шиной, источник . эталонного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора , генератор импульсов, счетчик импульсов , элемент И, подключенный первым входом к выходу генератора импульсов , а выходом - к счетному входу счетчика импульсов, и блок управления , первый, второй и третий выхо .ды которого соединены соответственно с управлякхдим входом ключа,входом сброса счетчика импульсов и вторым входом элемента И, отличающе е с я т.ем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены элемент ИЛИ, дополнительный компаратор и инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя-ограничитепя , и первым входом-дополнительного компаратора, подключенного вторым входом к выходу источника эталонного напряжения, а выход инвертора соединен с вторым входом основного компаратора , выход которого подключен к первому ВХОДУ элемента ИЛИ, свя (Л занному вторым входом с выходом дополнительного компаратора, а выхос дом - с третьим входом элемента И и с входом блока управления, четвертый выход которого подсоединен к пусковому входу источника эталонного напряжения. СП оо о оо to

(19) 01) I

СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

il

Ф ,Ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЪСТВЪ(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3466914/18-25 (22) 09.07.82 (46) 07.11.83. Вюл. Р 41 (72) В.П. Реута (53) 621.386 ° 82(088.8) (56) 1. Минеев )0.В. и др. Система измерения слабых токов, примененная на спутниках "Электрон-2", .и "Электрон-4". — "Космические исследования", 1965, с. 781-783..

2. Авторское свидетельство. СССР

Р 917632, кл. G 01 Т 1/185, 1980 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО Д))Я ИЗМЕРЕНИЯ

ИОННОГО ТОКА, содержащее коллектор ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, соединенному через разрядный резистор с общей шиной, источник эталонного напряжения, выход. которого соединен с первым входом компаратора, генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент И, подключенный первым входом к выходу генератора импульсов, а выходом — .к счетному вхо ду счетчика импульсов, и блок управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управлякв1им входом ключа, входом сброса счетчика импульсов и вторым входом элемента И, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены элемент ИЛИ, дополнительный компаратор и инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя-ограничителя, и первым входом -дополнительного компаратора, подключенного вторым входом к выходу источника эталонного напряжения, а выход инвертора соединен с вторым входом основного компаратора, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, связанному вторым входом с выходом дополнительного компаратора, а выходом — с третьим входом элемента И и с входом блока. управления, четвертый выход которого подсоединен к пусковому входу источника эталонного напряжения.

1053032

Изобретение относится: к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях ионного coa- / тава атмбсферы, в масс-спектроскопии, ядерной. физике, космических исследованиях и многих других областях науки и техники, связанных с измерением малых токов.

Известно устройство для измерения слабых токов, создаваемых пото.ком заряженных частиц, содержащее последовательно соединенные колебательный Rc-контур, усилитель, формирователь импульсов, пороговый элемент и счетчик импульсов 1 .

Недостатками известного устройст- 15 ва являются наличие "мертвой зоны" при измерении, величина которой определяется отношением порога дискриминации к коэффициенту усиления усилителя; невысокая разрешающая спо)собность, сВязан ;ая с невозможностью создания высокодобротного .колебатель- ного контура, способного . дать большое число медленно затухающих импульсов, а также. невысокая точность изме-. рения, связанная с влиянием темпера25 туры и величины сигнала на параметры колебательного контура.

Наиболее близким к предлагаемому по средствам и достигаемому результату является устройство для измерения ионного тока, содержащее коллектор ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, соединенному через разрядный резистор с общей шиной, источник эталон35 ного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора, генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент И, подключенный первым. входом к выходу генератора импульсов,4О а выходом - к счетному входу счетчи. ка импульсов, и блок управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом ключа, входом сброса счет- 45 чика импульсов и вторым входом элемента И 52 ).

Цедостатком известного устройства является невысокая точность измерений; обусловленная применением двух источников опорного напряжения со строго определенной зависимостью между их входными напряжениями, которую на практике трудно реализовать.

Цель изобретения — повьыение точности измерений. 55

Ъ

Поставленная цель достигается тем, что и устройство для измерения ионного тока, содержащее коллектор ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, сое- бО диненному через разрядный резистор с общей шиной, источник эталонного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора, генератор импульсов, счетчик импульсов, элементб5

И, подключенный первым входом к выходу генератора импульсов, а выходомк счетному входу счетчика импульсов: и блок управления, первый . второй и третий выходы которого соединены cooT- ветственно с управляющим входом ключа, входом сброса счетчика импульсов и вторым входом элемента И. введены элемент ИЛИ. дополнительный компаратор и инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя-органичителя и первым входом дополнительного компаратора, подключенного вторым входом к выходу источника эталонного напряжения, выход инвертора соединен с вторым входом основного компаратора, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, связанному вторым входом с выходом дополнительного компаратора, а выходом — с третьим входом элемента И и с входом блока управления, четвертый выход которого подсоединен к пусковому входу источника эталонного напряжения.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения ионного тока; на Фиг. 2 — эпюры напряжений в разных точках схемы устройства.

Устройство для измерения ионного тока (фиг, 1 содержит коллектор ионов, .выполненный в виде общих обкладок аспирационных ионных камер 1 и 2, подключенных к блоку 3 питания, состоящему из балансировочного резистора 4 с заземленной средней точкой и источника 5 напряжения, ключ 6, вход которого подключен .к общим обкладкам аспирационных ионных камер. 1 и 2, выход соединен с разрядным резистором

7 и входом усилителя-ограничителя 8, инвертор 9, основной и дополнительный компараторы 10 и 11, элемент

ИЛИ 12, элемент И. 13, блок 14 управления, генератор 15 импульсов и счетчик 16 импульсов, источник 17 эталонного напряжения.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: t, — С „,, — моменты времени, .

U g - напряженйе на управляющем входе ключа 6; U< - напряженйе на аспирационных ионных камерах 1 и 2, создаваемое ионным током; +U0 - напряжение на входе усилителя-ограничителя 8, с которого он переходит.с линейного режима усиления в режим ограничения;

К - коэффициент усиления усилителяограничителя 8; U - напряжение, к которому стремится .экспонента источника 17 эталонного напряжения; напряжение на выходе усилителя-ограничителя 8; U ><- напряжение на выходе элемента ИЛИ 12; U„4- напряжение, выдаваемое с выхода блока 14 управления на вход элемента И 13; U< - серии импульсов на выходе элемента"И 13; напряжение на выходе источника

17 эталонного напряжения.

1053032

U8 = U1

Устройство для измерения ионного тока работает следующим образом.

После подачи напряжения питания аспирационные ионные. камеры 1 и 2 эарядятся через блок 3 питания от источника 5 напряжения и при сбалаисированном с помощью балансировочного резистора 4 мосте напряжение в его диагонали между общей шиной и средней точкой аспирационных ионных камер 1 и 2 будет равно нулю, а внут-.. 0 ри аспирационных ионных камер 1 и 2 возникнет раэнополярное относительно общих электродов электрическое поле, например, в аспирационной ионной ка- . мере 1 .оно будет направлено от общей !5. обкладки (коллектора ионов), а в аспи рационной ионной камере 2 - к общей обкладке. Если при данном условии в аспирационные ионные камеРы 1 и 2 попадут ионы газа, то в аспирацион- 20 ной ионной камере, 1 на обкладку,соединенную с ключом 6, будут оседать отрицательные ионы, создавая на ней при разомкнутом ключе 6, отрицательное напряжение, а в аспирационной 25 ионной камере 2 будут оседать положительные ионы, создавая на ней по» ложительное напряжение.

Дальше измеряют концентрацию поло жительных ионов в газе, а затем .— отрицательных. Для этого вначале йродувают исследуе>лый газ через аспира- ционную ионную камеру 2 и в некоторый: нулевой момент времени сигналом из блока 14 управления размыкается ключ.

6 (фиг. 2-.а). Поскольку общая точка аспирационных ионных камер 1 и 2 оказалась изолированной от разрядно».

ro резистора 7, то на общей точке . ионных камер 1 и 2 будет происходить интегрирование ионного тока, создана- 40 емого полоаительными ионами, оседающими в аспирационной ионной камере 2, по закону

2 .

+ 1 . + +

45 с с

+ о где U — положительное напряжение в

Х общей точке аспирационных ионных камер 1. и 2; с - суюларная емкость аспирацион-50 них ионных камер 1 и 2; — время разомкнутого. состояния ключа 6;

i+ — мгновенное значение положи-. тельного ионного тока;

I+ - среднее значение положительного ионного тока.

4 где n> - концентрация положительнйх ионов; ч+ - обьемный расход исследуемого газа, продуваемого через аспирационную ионную камеру г;

-л9 заряд одного иона, 1,6 10

В момент времени t из блока 14 управления поступает команда на замыкание ключа 6 фиг. 2а). Но поскольку в качестве ключа 6 обычно используют специальное реле с высококачественной изоляцией между контактами, например, из янтаря, то замыкание ключа 6 происходит не мгновенно, а с некоторой задержкой, равной t,>и в течение этого времени будет проис-. ходить дальнейшее интегрирование ионного тока. С другой стороны, эа счет движения. подвижного контакта ключа 6 будет происходить изменение емкости между контактами ключа б (рост этой. емкости), в результате которого на входной паразмтной емкости усилителя-ограничителя 8 появится паразитный наведенный потенциал, который будет нарастать до момента времени t2. В момент соприкосновения контактов ключа 6 Сигнал на входе усилителя-органичителя 8 станет равным

1+ j, (3) с0 где с0 - паразитная входная емкость усилителя-органичителя 8.

С момента времени начнется раэ,2 ряд суммарной емкости с + с, через разрядный резистор 7 по экспоненциальному закону

U « I+t R(C+Cy) (l ) с+с, 2 где Uz .- потенциал на разрядном резисторе 7;

- текущее время;

R — величина разрядного резистора 7; е — основание натурального ло--гарифма.

После усилителя-ограничителя 8 этот сигнал примет форму 08 (фиг.2в), т.е. он будет усилен и ограничен до уровня 00, до момента времени t3, т.е. до тех пор, пока выполняется условие

О.>> +U0«, после чего сигнал на выходе усилителя-ограничителя 8 будет изменяться по закону

I+=.è Чо, (2) Если в процессе измерения концентрация ионов постоянна-, то нарастание напряжения 0х будет происходить по линейному закону (фиг. 2б) до момента времени t2. При этом

Напря>кение с выхода усилителя-органи60 чителя 8 поступает на неннвертирую.щий вход компаратора 11, а через инвертор 9 - на неинвертирующий вход компаратора 10. В результате этого в момент времени t компаратор 11 сработает и на его выходе и на выходе

10530 32

Обозначив (7) (9) 60

f(tq t2 ) элемента или 12 появится единичный сигнал (фиг. 2r ), который поступит на вход элемента И 13 и одновременно на вход блока 14 управления. Через время -t,, равное времени переме2 1 щения подвижного контакта ключа 6, из блока 14 управления поступит сигнал запуска источника 17 эталонного напряжения, на ныходе которого появится экспоненциально нарастающее напряжение ц„, которое меняется 10 по закону где Uä - постоянное напряжение, к 15 которому стремится экспонента (фиг.2в) . Это напряжение поступит на вторые (инвертирующие) входы коглпараторов 10 и 11. Одноврегленно с блока 14 управления поступит 20 сигнал (фиг. 2д) на второй вход элемента И 13, который начнет пропускать импульсы, подаваемые на его третий вход генератором 15 импульсов, на вход счетчика 16 импульсов (фиг. 2е). Это будет продолжаться до тех пор, пока сигналы на обоих входах компаратора 11 не станут равными друг другу. Раненство сигналов на входах компаратора 11 наступит в момент времени 14,. когда выполнится условие

U8 0 1 которое с учетом (1), (2), (3), ("), (5), (6) после преобразований можно записать в виде. а

)(с R (C» Cp 7

+ 1

40 о c+cg

Как только выполнится условие (7), компаратор 11 опрокинется н нулевое состояние, в которое перейдет также элемент ИЛИ 12 (фиг, 2г), котоРый 4 закроет элемент И 13 и прекратит поступление импульсов на вход счетчика 16 импульсов (фиг. 2е), Нулевой сигнал элемента ИЛИ 12 через блок 14 управления с некоторой задержкой, равной t — t« сбросит на- 50 пряжение на выходе источника 17 эта.лонного напряжения в нулевое состояние (фиг. 2в), и одновременно блок 14 . управления заблокирует по второму входу элемент И 13 (Фиг. 2д). При 55 этом число импульсов, записанное в счетчике 16 импульсов, будет равно где N — число импульсов;

- частота следования импуль1 сов на выходе генератора

15 импульсов. . 65

Подставив значение 4 — t из (9) н (8) и прологарифмировав, йолучим

И = fR(c+c )lnt — — + 1) (10)

Ux kc

UÎ с +cс

fR(с + с ) = А (11)

U zC+ „)

В (12) и подставив (11), (12) в (10), получим

N = A1n(BU>| + 1) (13) Таким образом, число импульсов, записанное в счетчике 15 импульсов, пропорционально логарифму входного сигнала, т.е. логарифму концентрации ионов

Аналогично с момента времени начнется измерение концентрации отрицательных ионов. При этом продувка исследуемого газа будет производиться через аспирационную ионную камеру

1. Напряжения сигналов на входе и выходе усилителя-ограничителя 8 сменит полярность на фиг. 2в напряжение условно перевернуто в положительную область), и в работу вступит компаратор 10, на выходе которого будет единица с момента t и до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными друг другу. Как только они станут равны друг другу, на выходе компаратора 10, появится нуль, а в счетчике 16 импульсов будет записано число импульсов

И g = А1 (BU>(+ 1) (14)

Ох = - Г(С — СЬ), где I — средний ток, созданный отрицательными ионами.

При этом перед каждым замыканием ключа 6 на вход сброса счетчика 16 импульсов поступает импульс с выхода блока 14 управления, Результат каждого измерения при необходимости переписывается во внешний (не показан) блок памяти или иное устройство для дальнейшей обработки.

Использонание изобретения позволяет производить измерение как положительных, так и отрицательных токов с логарифмической зависимостью между выходным числом импульсов и входным. сигналом, в качесТве которого может быть ионный ток или концентрация ионов. При этом при измерении ионных токов обоих полярностей используется только один источник эталонного напряжения,что повьыает точ»гость измерения, так как при двух и более источ! никах эталонного напряжения необходимо строгое соответствие между их величинами, чего практически невозможно

105303i

E dgP

Ьг

ups фу е

6 б

Составитель В..Костюхин

Редактор И. Ткач Техред И.Надь " Корректор Г. Рейетник,Заказ 88á5/43 . Тираж 710 .. . .Подписное

ВНИИПИ Государственного -комитета СССР по делам изобретений и.открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб. д. 4/5 юарвй4 ВЮФ ° ЙЭае4ееФ е ° а

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 .дЛг ичь при разном температурном уходе напряжения источников.

Достоинством устройства является повыаенное быстродействие вследствие того, что источник эталонного напря-., жения сбрасывается в нулевое состояние блоком управления сразу же посл@ опрокидывания в нулевое состояние ком-„ параторов. Это происходит за счет на-.! личня обратной связи с выхода эле- мента. ИЛИ на вход блока управления, которая обеспечивает приведение в исходное состоянйе источника эталонно го напряжения сразу же после оконча- ния измерения, а не после того, как напряжение на выходе источника эта:лонного напряжения достигнет макси а ма.