УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧЕТА ИОНОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха.
12
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 устройства 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 10 Ом.
При разработке аппаратуры для измерения концентрации ионов воздуха основной проблемой является не только борьба с помехами, но и увеличение динамического диапазона измеряемой концентрации ионов и упрощение, а значит упрощение и повышение надежности этой аппаратуры.
Частично устранить отмеченные выше недостатки можно путем использования устройства (Патент №2614157 на изобретение «Устройство для счета ионов» HOIJ 47/04 опубликован 23.03. 2017, бюлл. №9), в котором применяется амплитудная модуляция сигнала аспирационной камеры, а концентрация ионов определяется по величине амплитуды первой гармоники модулированного сигнала. Это позволяет снизить влияние различных помех, действующих на других частотах и повысить точность измерения.
Устройство для счета ионов содержит аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания, а собирающий электрод через ключ, управляемый сигналом устройства управления, с входом входного устройства, выход которого поступает на 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.
Недостатком приведенного выше устройства, принятого за прототип, являются завышенные аппаратурные затраты и низкий динамический диапазон измеряемой концентрации ионов.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в уменьшении аппаратурных затрат и в увеличении динамического диапазона измеряемой концентрации ионов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для счета ионов, содержащем аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания аспирационной камеры, а собирающий электрод - с входом ключа, управляемого сигналом устройства управления, и 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, новым является то, что выход ключа соединен непосредственно со входом полосового фильтра.
Сущность полезной модели поясняется на Фиг. 1 - Фиг. 3, где:
Фиг. 1 - структурная схема устройства для измерения концентрации ионов.
Здесь: 1 - высоковольтный источник питания аспирационной камеры, 2 - аспирационная камера, емкость собирающего электрода которой равна С, 3 - ключ, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры со входом полосового фильтра, 4 - полосовой фильтр, 5 - выпрямитель аналоговых сигналов, 6 - фильтр низких частот, 7 - устройство индикации, 8 - 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 8, с входом полосового фильтр 4. Его выход подключен ко входу выпрямителя аналоговых сигналов 5, а выход выпрямителя - ко входу фильтра низких частот 6, выход которого связан со входом устройства индикации 7.
Фиг. 2, а-f - эпюры напряжений на выходах элементов предлагаемого устройства.
Здесь:
1
1
2
фиг 2, а - состояние контактов ключа 3. В интервале времени (0-t) ключ замкнут, а в интервале времени (t-t) - разомкнут и т.д.
фиг. 2, b - изменение напряжения на собирающем электроде аспирационной камеры 2,
фиг. 2, с - напряжение, поступающее на вход полосового фильтра 4,
фиг. 2, d - сигнал на выходе полосового фильтра 4,
фиг. 2, е - сигнал на выходе выпрямителя аналоговых сигналов 5,
фиг. 2, f - сигнал на выходе фильтра низких частот 6.
На фиг. 3 показана схема полосового фильтра второго порядка.
1
2
Устройство работает следующим образом. При продувке исследуемого воздуха через аспирационную камеру 2 ионы вместе с потоком воздуха поступают в 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. 2а), например, в интервале времени (t-t), ионы, оседающие на собирающий электрод аспирационной камеры 2, начинают заряжать его емкость, и напряжение на ней будет изменяться согласно выражению:
,
C
где: U - напряжение на емкости собирающего электрода аспирационной камеры, возникающее за счет оседания ионов, [В];
С - емкость собирающего электрода аспирационной камеры, [Ф];
3
V - объемный расход газа через аспирационную камеру, [см/сек];
-19
е=1.6⋅10 - заряд одного иона [Кл];
3
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см],
0
1
Q - величина заряда на емкости собирающего электрода камеры в момент t - непосредственно перед размыканием контактов ключа 3 [Кл].
2
К моменту времени t напряжение на емкости аспирационной камеры достигнет величины:
.
2
В момент времени t (фиг. 2d) ключ 3 замыкается, емкость собирающего электрода аспирационной камеры 2 начинает разряжается через входное сопротивление полосового фильтра 4, и напряжение на ней уменьшается. Напряжение на емкости собирающего электрода аспирационной камеры (фиг. 2b) и сигнал, поступающий на вход полосового фильтра (фиг. 2с), содержат постоянные составляющие напряжения, которые не являются полезным сигналом. В прототипе (патент №2614157) сигнал фиг. 2с. (сумма постоянной и переменной составляющих) усиливался входным каскадом. В результате максимальное значение его выходного сигнала ограничивается постоянной составляющей этого сигнала. Это приводит к ограничению и переменной составляющей выходного сигнала входного каскада прототипа, а, значит, и к ограничению максимальной измеряемой концентрацией ионов.
В предлагаемой полезной модели сигнал с выхода ключа 3 (фиг. 2с) поступает сразу на вход полосового фильтра. Однако, на вход усилителя, на основе которого выполнен полосовой фильтр, например, операционный усилитель DA1 фиг. 3, за счет конденсатора С2, постоянная составляющая сигнала (фиг. 2с) не поступает. Следовательно, она не влияет и на величину переменной составляющей выходного сигнала полосового фильтра.
Так как полосовой фильтр 4 линейный узел, то из приведенных выше уравнений видно, что амплитуда первой гармоники сигнала на выходе полосового фильтра 4 пропорциональна току I=n⋅V⋅e, то есть измеряемой концентрации ионов.
С помощью выпрямителя аналоговых сигналов 5, выходной сигнал полосового фильтра 4 выпрямляется, а фильтр низких частот 6 выделяет из него постоянную составляющую, которая пропорциональна измеряемой концентрации ионов исследуемого воздуха. Устройство индикации 7 преобразует эту составляющую в результат измерения.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет не только уменьшить аппаратурные затраты, но и увеличить динамический диапазон измерения концентрации ионов.