УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧЕТА ИОНОВ

Полезная модель относится к способам и устройствам для измерения концентрации аэроионов в воздухе жилых и промышленных помещений. Оно предназначено для измерения концентрации легких аэроионов, а также настройки и проверки правильности функционирования измерительного канала счетчика аэроионов с импульсным съемом сигнала с аспирационной камеры.
Н
Н
Известен счетчик аэроионов (Маковеев В.М. и Хасанова P.P. «Анализ и параметрический синтез измерительного тракта счетчика аэроионов с импульсным съемом сигнала с аспирационной камеры», Изв. вузов. Авиационная техника. Из-во КГТУ им. А.Н. Туполева 2011 г. №2), процесс измерения в котором происходит следующим образом. Аэроионы под действием вентилятора вместе с потоком воздуха поступают в аспирационную камеру. В ее рабочем объеме движение аэроионов происходит под действием двух сил: потока воздуха и напряженности поля, создаваемого высоковольтным электродом аспирационной камеры. В результате аэроионы, знак которых совпадает с полярностью источника питания камеры, соединенного с высоковольтным электродом, оседают на ее собирающий электрод. Этот электрод соединен со входным усилителем через ключ. Ключ размыкается на определенное время - Т. За это время емкость, образованная собирающим электродом относительно всех элементов камеры заряжается. При замыкании ключа через время Т эта емкость разряжается через входное сопротивление входного усилителя. В результате, на его выходе появляется импульс, амплитуда и площадь которого пропорциональны измеряемой концентрации аэроионов. С помощью устройства обработки и индикации полученный импульс обрабатывается и преобразуется в результат измерения. В этой работе рассмотрены вопросы по выбору основных параметров элементов измерительного канала счетчика, но не рассмотрена методика настройки его коэффициента преобразования.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для счета ионов (патент №2066897, МПК H01J 47/00, G01T 1/185, опубликованное 20.09.96 г. в бюл. №26). Его структурная схема показана на фиг. 1. Здесь: 1 - корпус аспирационной камеры, 2 - источник питания камеры Е1, 3 - высоковольтный электрод, 4 - собирающий электрод, 5 - входная экранирующая сетка, 6 - изоляторы собирающего электрода, 7 - изоляторы высоковольтного электрода, 8 - входной усилитель, 9 - вентилятор для всасывания исследуемого воздуха, 10 - формирователь команд, 11 - источник постоянного напряжения Е2, 12 - устройство обработки и индикации (УОиИ). В этом случае для реализации процесса настройки устройства обработки и индикации 12 в счетчике должен быть предусмотрен дополнительный режим его работы - режим калибровки. В этом режиме вентилятор 9 не работает, а ключ К2 срабатывает согласно приведенным ниже на фиг. 2 временным диаграммам. Здесь: А - работа ключа К1, Б - работа ключа К2, В - импульсы на выходе входного усилителя 8.
2
1
Процесс настройки коэффициента передачи УОиИ 12 происходит следующим образом. Оператором путем подачи сигнала на ФК 10 выключается вентилятор 9. До момента времени t ключ К1 замкнут, и собирающий электрод 4 камеры соединен с сопротивлением R1. В момент времени t ключ К2 замыкается на выход источника постоянного напряжения Е2. В результате на не инвертирующем входе операционного усилителя входного усилителя 8, а значит и на его инвертирующем входе появится напряжение от источника Е2, величина которого должна определяться выражением
Н
где n - измеряемая концентрация аэроионов, Т - время разомкнутого состояния ключа, подключающего собирающий электрод к входному усилителю, Q - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, e - заряд электрона, C1 - емкость собирающего электрода и служит для заряда емкости ее собирающего электрода.
1
2
3
4
Если интервал времени t-t достаточен, то к моменту t2 размыкания ключа К1 емкость собирающего электрода C1 зарядится до напряжения источника Е2. Выполнить это достаточно просто, так как постоянная времени этой цепи не превышает нескольких микросекунд. В момент времени t ключ К2 переключается на общую шину. В результате емкость (C1) собирающего электрода 4 аспирационной камеры оказывается заряженной до выходного напряжения источника Е2. Затем, в момент времени t замыкается ключ К1, и емкость (C1) собирающего электрода 4 аспирационной камеры разряжается через входное сопротивление (R1) входного усилителя 8. В результате на выходе входного усилителя 8 появляется импульс напряжения, величина которого определяется выходным напряжением источника постоянного напряжения Е2. Если выходное напряжение источника Е2 определить согласно уравнению (1), то можно определить и нужное значение коэффициента преобразования УОиИ 12.
3
Предложенное решение можно использовать и для проверки всего измерительного тракта УОиИ 12. Однако, недостатком этого решения является необходимость организации доступа к источнику Е2 для измерения и изменения его выходного напряжения. Это снижает помехозащищенность счетчика и, следовательно, понижает точность измерения концентрации аэроионов (этот источник непосредственно связан с входными цепями входного усилителя 8 счетчика). Кроме того, выходное напряжение этого источника должно изменяться в трех диапазонах от нескольких милливольт до нескольких вольт (диапазон концентраций аэроионов, подлежащих измерению, обычно перекрывает три диапазона от 100 до нескольких сотен тысяч аэроионов в см). Реализация этого, когда источник Е2 расположен в корпусе счетчика, тоже представляет определенные трудности. Кроме того, данное решение, как было отмечено выше, можно использовать только в случае, если у счетчика есть дополнительный режим работы - режим калибровки.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении точности измерения концентрации аэроионов путем повышения точности настройки коэффициента передачи УОиИ 12 с одновременным упрощением проведения этого процесса.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для счета ионов, содержащем аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с источником питания аспирационной камеры, вентилятор для подачи в ее рабочий объем исследуемого воздуха и собирающий электрод, подключаемый через управляемый формирователем команд, выходы которого подключены на второй вход устройства обработки и индикации, вход вентилятора, ключ на вход входного усилителя, выход которого соединен со входом устройства обработки и индикации, и источник постоянного напряжения, выходное напряжение которого определяется измеряемой концентрацией аэроионов и режимом работы камеры по выражению
C1
H
U=n·T·Q·e/C1,
Н
где η - измеряемая концентрация аэроионов, Т - время разомкнутого состояния ключа, подключающего собирающий электрод к входному усилителю, Q - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, е - заряд электрона, C1 - емкость собирающего электрода и служит для заряда емкости ее собирающего электрода,
новым является то, что оно содержит щуп, подключенный одним концом к регулируемому источнику постоянного напряжения, а вторым к высокоомному резистору, сопротивление которого значительно меньше сопротивления изоляторов собирающего электрода камеры и значительно больше входного сопротивления входного усилителя счетчика аэроионов, а второй конец этого резистора выполнен с возможностью контакта его с собирающим электродом камеры, причем источник регулируемого постоянного напряжения выполнен автономно относительно счетчика аэроионов и соединен с его общей шиной.
Реализация предлагаемого устройства представлена на фиг. 3. Здесь: 1 - корпус камеры, 2 - источник питания камеры, 3 - высоковольтный электрод, 4 - собирающий электрод, 5 - входная экранирующая сетка, 6 - изоляторы собирающего электрода, 7 - изоляторы высоковольтного электрода, 8 - входной усилитель, 9 - вентилятор для подачи исследуемого воздуха, 10 - формирователь команд, 11 - источник постоянного напряжения, 12 - устройство обработки и индикации, 13 - щуп с высокоомным резистором. 14 - ключ, 15 - вольтметр, 16 - высокоомный резистор.
Устройство для измерения ионов состоит из аспирационной камеры, содержащей высоковольтный электрод 3, подключенный к источнику питания камеры 2, вентилятор 9 для подачи исследуемого воздуха в рабочий объем камеры, и собирающий электрод 4, подключенный через управляемый формирователем команд 10 ключ 14 к входному усилителю 8, выход которого соединен с устройством обработки и индикации 12, и подключаемого к собирающему электроду 4 через высокоомный резистор 16 щупа, второй вывод которого соединен с и источником постоянного напряжения.
Щуп 13 подключен одним концом к источнику постоянного напряжения 11, а вторым к высокоомному резистору 16. Сопротивление этого резистора выбирается значительно меньше сопротивления изоляторов 6 собирающего электрода камеры и значительно больше входного сопротивления входного усилителя 8 счетчика аэроионов. Второй конец резистора 16 выполнен с возможностью контакта его с собирающим электродом 4 камеры. Причем источник регулируемого постоянного напряжения 11 выполнен автономно относительно счетчика аэроионов и соединен с его общей шиной. Его выходное напряжение измеряется вольтметром.
Н
Н
Работает счетчик следующим образом. Аэроионы под действием вентилятора вместе с потоком воздуха поступают в аспирационную камеру. В ее рабочем объеме движение аэроионов происходит под действием двух сил: потока воздуха и напряженности поля, создаваемого высоковольтным электродом аспирационной камеры. В результате аэроионы, знак которых совпадает с полярностью источника питания камеры, соединенного с высоковольтным электродом, оседают на ее собирающий электрод. Этот электрод соединен со входным усилителем через ключ. Ключ размыкается на определенное время - Т. За это время емкость, образованная собирающим электродом относительно всех элементов камеры заряжается. При замыкании ключа через время Т эта емкость разряжается через входное сопротивление входного усилителя. В результате, на его выходе появляется импульс, амплитуда и площадь которого пропорциональны измеряемой концентрации аэроионов. С помощью устройства обработки и индикации полученный импульс обрабатывается и преобразуется в результат измерения.
12
13
Процесс настройки коэффициента передачи УОиИ счетчика аэроионов или его поверка может проводится в любом режиме его работы. Реализуется это следующим образом. Щуп 13, один вывод которого соединен с регулируемым источником постоянного напряжения 11, а второй - с высокоомным резистором 16, вводится через входную экранирующую сетку 5 в аспирационную камеру до касания вторым выводом резистора R4 собирающего электрода аспирационной камеры 4. Ячейка экранирующей сетки 5 аспирационной камеры обычно выбирается не меньше чем 2×2 мм., а сопротивление R4 можно взять диаметром не более 1,5 мм. С помощью вольтметра 15 измеряется выходное напряжение источника постоянного напряжения 11, величина которого определяется для каждой измеряемой концентрации аэроионов в соответствии с выражением (1). Если сопротивление резистора R4 значительно меньше сопротивления изоляторов 6 собирающего электрода 4 камеры (их сопротивление для нормальной работы счетчика не должно быть меньше величины 10-10 Ом), то при разомкнутом ключе 14 напряжение на собирающем электроде 4 аспирационной камеры будет равно выходному напряжению источника постоянного напряжения 11, величину которого необходимо выбирать для каждой измеряемой концентрации аэроионов в соответствии с выражением (1). Тогда заряд на емкости (С1) собирающего электрода 4 определится выражением:
n
где I - ток, создаваемый этими аэроионами при оседании их на собирающий электрод 4 камеры.
При замыкании ключа 14, емкость С1 разряжается, и на выходе входного усилителя 8 появляется импульс напряжения. Если сопротивление К4 значительно больше R1, то параметры этого импульса соответствуют выражениям:
M
M
где U и t - соответственно амплитуда и момент появления импульса.
На практике сопротивление резистора R1 не превышает сотен килоом поэтому, если выбрать сопротивление резистора R4 порядка сотен мегаом, то погрешность настройки не превысит долей процента.
Так как выходное сопротивление источника напряжения 11 мало, то наводки не влияют на процесс настройки коэффициента передачи УОиИ 12. Кроме того, сам щуп можно выполнить с внешним экраном, который не трудно соединить с общей шиной счетчика. В процессе настройки счетчика экран будет касаться входной сетки 5 счетчика, что еще уменьшит влияние наводок. Кроме того, использование внешнего источника напряжения значительно упростит процесс регулирования его выходного напряжения и его измерение, то есть значительно упростит и сократит время настройки.