Устройство для счета ионов
Владельцы патента RU 2614157:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха. Технический результат - повышение точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех. В устройстве для счета ионов, содержащем аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания, а собирающий электрод через ключ, управляемый сигналом устройства управления, с входом входного устройства, и устройство индикации, новым является то, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, выпрямитель аналоговых сигналов и фильтр низких частот, выход которого подключен к входу устройства индикации, а вход полосового фильтра подключен к выходу входного устройства. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха.
Известно устройство для измерения концентрации ионов воздуха, в котором результат измерения определяют по напряжению на эталонном сопротивлении, по которому протекает ток, создаваемый ионами, оседающими на собирающий электрод аспирационной камеры, высоковольтный электрод которой соединен с блоком питания камеры, а собирающий - с эталонным сопротивлением. (Таммет Х.Ф. Аспирационный метод измерения спектра аэроионов / Труды по аэроионизации и электроаэрозолям: Учен. Зап. Тартус. Ун-та. - Тарту, 1967. - вып. 195-234 с.) Недостатком этого способа является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех различного рода и происхождения. Объясняется это тем, что величину эталонного сопротивления приходится брать очень большой, и в некоторых случаях (например при измерении естественного аэроионного фона) это сопротивление может достигать значения 1012 Ом.
Частично устранить этот недостаток можно путем использования устройства (патент №2459309, H01J 47/04, опубл. 20.08.2012 г., бюл. №23. Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации), в котором процесс измерения заключается в периодическом накапливании заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении путем регистрации площади импульсов, возникающих на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление.
Устройство для измерения концентрации ионов содержит аспирационную камеру с высоковольтным источником питания, последовательно соединенные ключ, входное устройство, устройство обработки и устройство индикации, а также устройство управления, первый выход которого соединен с устройством обработки, а второй выход поступает на ключ, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры с входным устройством, компаратор напряжения, задний фронт выходного сигнала которого определяет момент времени измерения напряжения на выходе устройства обработки устройством индикации, первый вход компаратора соединен с входом устройства обработки, а второй вход - с источником опорного напряжения, знак выходного напряжения которого - Uоп, совпадает со знаком напряжения, поступающего на вход устройства обработки, а его модуль определяется выражением:
а выход компаратора соединен со вторым входом устройства индикации, где Uоп - выходное напряжение источника опорного напряжения, есм - напряжение смещения интегратора в устройстве обработки, Iвх - входной ток интегратора в устройстве обработки, R - сопротивление в постоянной времени интегратора в устройстве обработки.
Недостатком вышеприведенного устройства, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная значительным влиянием помех (особенно помех от напряжения питающей сети 220 В, 50 Гц) на результат измерения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех.
Технический результат достигается тем, что устройство для счета ионов, содержащее аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания, а собирающий электрод через ключ, управляемый сигналом устройства управления, с входом входного устройства, и устройство индикации, дополнительно содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, выпрямитель аналоговых сигналов и фильтр низких частот, выход которого подключен к входу устройства индикации, а вход полосового фильтра подключен к выходу входного устройства.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1 и Фиг. 2( a, b, c, d, e, f).
На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения концентрации ионов: 1 - высоковольтный источник питания аспирационной камеры; 2 - аспирационная камера, емкость собирающего электрода которой равна С; 3 - ключ, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры с входом входного устройства; 4 - входное устройство, входное сопротивление которого равно R; 5 - полосовой фильтр; 6 - выпрямитель аналоговых сигналов; 7 - фильтр низких частот; 8 - устройство индикации; 9 - устройство управления.
Устройство для счета ионов содержит аспирационную камеру 2, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания 1, а собирающий электрод через ключ 3, управляемый сигналом устройства управления 9, с входом входного устройства 4. Его выход подключен к последовательно соединенным полосовому фильтру 5, выпрямителю аналоговых сигналов 6 и фильтру низких частот 7, выход которого подключен к устройству индикации 8.
На фиг. 2,а-f показаны эпюры напряжений на выходах элементов предлагаемого устройства. На фиг 2,а отражено состояние контактов ключа 3. В интервале времени (0-t1) ключ замкнут, а в интервале времени (t1-t2) разомкнут и т.д. На фиг. 2,b показано изменение напряжения на собирающем электроде аспирационной камеры 2, на фиг. 2,с – напряжение, поступающее на вход входного устройства 4, на фиг. 2,d показан сигнал на выходе полосового фильтра 5, на фиг. 2,е - сигнал на выходе выпрямителя аналоговых сигналов 6, и на фиг. 2,f - сигнал на выходе фильтра низких частот 7.
Устройство работает следующим образом.
При продувке исследуемого воздуха через аспирационную камеру 2 ионы вместе с исследуемым потоком воздуха поступают на ее рабочий объем и под действием электростатического поля, создаваемого высоковольтным источником питания 1 аспирационной камеры 2, оседают в зависимости от их знака на высоковольтный или собирающий ее электроды. При размыкании ключа 3 (фиг. 2,а) (например, в интервале времени (t1-t2)), ионы, оседающие на собирающий электрод аспирационной камеры 2, начинают заряжать его емкость, и напряжение на ней будет изменяться согласно выражению:
где UC - напряжение на емкости собирающего электрода аспирационной камеры, возникающее за счет оседания ионов, В;
С - емкость собирающего электрода аспирационной камеры, Ф;
V - объемный расход газа через аспирационную камеру, см3/с;
е=1.6⋅10-19 Кл - заряд одного иона;
n - измеряемая концентрация ионов, 1/см3,
Q0 - величина заряда на емкости собирающего электрода камеры в момент t1, Кл.
К моменту времени t2 это напряжение достигнет величины:
В момент времени t2 (фиг. 2,d) ключ 3 замыкается, емкость собирающего электрода аспирационной камеры 2 начинает разряжается через входное сопротивление R входного устройства 4. Напряжение на ней определяется выражением:
где I=n⋅V⋅e - ток, создаваемый ионами, оседающими на собирающий электрод камеры 2.
Учитывая, что напряжение на емкости С собирающего электрода камеры 2 будет иметь одинаковые значения как в моменты времени замыкания ключа 3, так и в моменты его размыкания, для этого напряжения справедливы выражения (фиг. 2,b):
- при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t1), и
- при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t1-t2).
Так как на вход входного устройства 4 сигнал поступает только при замкнутом состоянии ключа 3 (фиг. 2,с), то его входной сигнал определяется выражениями:
- при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t1), и
- при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t1-t2).
Входное устройство 4 усиливает этот сигнал и подает его на вход полосового фильтра 5, резонансная частота которого совпадает с частотой срабатывания ключа 3 и который выделяет из этого входного сигнала только первую его гармоническую составляющую, не пропуская остальные, то есть гармонические составляющие и помехи. Так как входное устройство 4 и полосовой фильтр 5 - линейные узлы, то из приведенных выше уравнений видно, что амплитуда первой гармоники сигнала на выходе полосового фильтра 5 пропорциональна току I=n⋅V⋅e, то есть измеряемой концентрации ионов.
С помощью выпрямителя аналоговых сигналов 6 выходной сигнал полосового фильтра 5 выпрямляется, а фильтр низких частот 7 выделяет из него постоянную составляющую, которая пропорциональна измеряемой концентрации ионов исследуемого воздуха. Устройство индикации 8 преобразует эту составляющую в результат измерения.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения концентрации ионов позволяет в значительной степени повысить точность ее измерения. При этом его реализация проста и не требует значительных аппаратных затрат.
Устройство для счета ионов, содержащее аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания, а собирающий электрод через ключ, управляемый сигналом устройства управления, с входом входного устройства, и устройство индикации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, резонансная частота которого совпадает с частотой переключения ключа, выпрямитель аналоговых сигналов и фильтр низких частот, выход которого подключен к входу устройства индикации, а вход полосового фильтра подключен к выходу входного устройства.
