УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧЕТА ИОНОВ
DEVICE FOR COUNTING IONS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов как в свободной атмосфере, так и в воздухе жилых, промышленных и других помещений, где находится человек.
Известно устройство для счета ионов газа, при котором результат измерения определяют по амплитуде импульса, возникающего на выходе входного устройства, вход которого соединен с собирающим электродом аспирационной камеры через ключ, время разомкнутого состояния которого известно и задается устройством управления, а высоковольтный электрод камеры соединен с источником ее питания (авт.свид. №474827, Устройство для счета ионов, G06m 11/00, Б.И. №23, 1975 г.). Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием емкости аспирационной камеры на результат измерения, которая может изменяться вследствие изменения влажности исследуемого газа, геометрических размеров аспирационной камеры.
Устранить этот недостаток можно путем определения концентрации аэроионов не по амплитуде, а по интегралу от импульса, появляющегося на выходе входного каскада (патент на изобретение №2267186, Способ измерения концентрации ионов, H01J 47/04, G01T 1/185, БИ №36, 2005 г.). Устройство, реализующее этот способ, содержит аспирационную камеру с высоковольтным источником питания, последовательно соединенные ключ, входное устройство, устройство обработки (интегратор, построенный на операционном усилителе) 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 каскадом.
Недостатком устройства, принятого за прототип, является малый диапазон измерения концентрации ионов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении диапазона измерения концентрации ионов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации ионов, содержащем 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, новым является то, что в него дополнительно введены компаратор напряжения и две цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных конденсатора и ключа и каждая из цепей подключена параллельно конденсатору интегратора в устройстве обработки, причем емкость конденсатора в первой цепи в n раз больше емкости конденсатора интегратора устройства обработки, а емкость конденсатора во второй цепи в n раз больше суммы емкостей интегратора и конденсатора в первой цепи, при этом основание системы исчисления, используемой в устройстве индикации, равно (n+1), первый вход компаратора подключен к выходу устройства обработки, второй вход - к источнику опорного напряжения, а его выход - к устройству управления, дополнительные выходы которого управляют состоянием ключей, во введенных цепях, и положением запятой в устройстве индикации.
При десятичной системе исчисления, используемой в устройстве обработки, емкость конденсатора в первой цепи в девять раз больше емкости конденсатора интегратора устройства обработки, а емкость конденсатора во второй цепи в девять раз больше суммы емкостей интегратора и конденсатора в первой цепи, первый вход компаратора подключен к выходу устройства обработки, второй вход - к источнику опорного напряжения, а его выход - к устройству управления, дополнительные выходы которого управляют состоянием ключей, во введенных цепях, и положением запятой в устройстве индикации.
Сущность способа измерения поясняется на фиг.1 и фиг.2.
Фиг.1 - структурная схема устройства для счета ионов.
оп
Здесь: 1 - аспирационная камера; 2 - высоковольтный источник питания аспирационной камеры; 3 - ключ, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры с входом входного устройства 4; 4 - входное устройство; 5 - устройство управления; 6 - устройство обработки (интегратор, построенный на операционном усилителе DA1); 7 - устройство индикации; 8 - компаратор напряжения; U - источник опорного напряжения.
3
2
1
На фиг.2 показано изменение выходного напряжение на выходе входного устройства 4 при трех значениях измеряемой концентрации ионов. Причем концентрация ионов n при использовании в устройстве индикации десятичной системы исчисления (эпюры напряжения, обозначенные буквой в) в десять раз больше концентрации n (эпюры, обозначенные буквой б) и в сто раз больше концентрации n (эпюры, обозначенные буквой a). На фиг.3 показано изменение выходного напряжения на выходе устройства обработки 6 при отмеченных выше измеряемых концентрациях ионов, а на фиг.4 - эпюры выходного напряжения компаратора 8 при тех же измеряемых концентрациях ионов.
оп
1
2
3
Устройство для счета ионов содержит аспирационную камеру 1, высоковольтный электрод, которой подключен к высоковольтному источнику питания 2, а собирающий ее электрод - к ключу 3, управляемому устройством управления 5. Выход ключа 3 соединен со входом входного устройства 4, выход которого подключен к устройству обработки 6, представляющему собой интегратор напряжения, построенный на операционном усилителе. С выхода устройства обработки напряжение поступает на устройство индикации 7 и на первый вход компаратора 8, на второй вход которого подается опорное напряжение U. Выход компаратора 8 поступает на вход устройства управления 5, второй выход которого идет на второй вход устройства индикации 7, а три других выхода поступают на устройство обработки и управляют состоянием ключей K, K, K его интегратора.
Устройство работает следующим образом.
При продувке исследуемого газа через аспирационную камеру 2 ионы из исследуемого газа оседают под действием электростатического поля, создаваемого высоковольтным источником питания камеры 1, на высоковольтный и собирающий ее электроды. После размыкания ключа 3 и замыкания ключей K1, K2 и K3, расположенных в устройстве обработки 6, по сигналам устройства управления 5 конденсаторы C1, C2, C3 устройства обработки разряжаются, а на собирающем электроде камеры 2, за счет оседания ионов, накапливается заряд, величина которого определятся выражением
где Q - величина заряда, Кл;
C - емкость собирающего электрода аспирационной камеры, Ф;
U - напряжение на емкости собирающего электрода аспирационной камеры, возникающее за счет оседания ионов, B;
3
V - объемный расход газа через аспирационную камеру, см/сек;
н
T - время разомкнутого состояния ключа 3, сек;
-19
e=1.6·10 Кл - заряд одного иона;
3
n - измеряемая концентрация ионов, 1/см.
н
Затем через заданное время Т по сигналам с устройства управления 5 ключи K1, K2 и K3 в устройстве обработки 6 размыкаются, а ключ 3 - замыкается. На выходе входного устройства 4 появляется импульс напряжения, форма которого определяется разрядом емкости аспирационной камеры и может соответствовать следующему выражению:
вх
где R - входное сопротивление входного устройства 4, Ом;
1
к - коэффициент усиления входного устройства 4;
1
t - момент замыкания ключа 3, с.
Этот сигнал поступает на вход устройства обработки 6 (интегратора). В результате на выходе устройства обработки 6 появляется напряжение, величина которого определяется выражением
оп
1
2
оп
1
2
Если измеряемая концентрация ионов мала и напряжение на выходе устройства обработки не превышает величины опорного напряжения (U), поданного на второй вход компаратора 8, то компаратор 8 не срабатывает, и выходное напряжение устройства обработки 6 преобразуется устройством индикации 7 в результат измерения N (фиг.2a - фиг.4a, концентрация ионов n). Если концентрация ионов больше (n) и выходное напряжение устройства обработки 6 достигает значения U, то компаратор 8 срабатывает, на его выходе появляется единичный сигнал, который поступает на вход устройства управления 5 (момент t, фиг.3б, фиг.4б, концентрация n). В результате устройство управления 5 запоминает этот сигнал и подает сигнал на перемещение запятой в устройстве индикации 7 и сигнал на замыкание ключа K2 в устройстве обработки 6. Емкость в цепи обратной связи (интегратора) устройства обработки 6 увеличивается в десять раз при десятичной системе исчисления в устройстве индикации 7, а его выходное напряжения в десять раз уменьшается. Сигнал на выходе компаратора 8 пропадает. Устройство обработки 6 продолжает интегрировать входной сигнал уже согласно выражению
оп
3
2
Если его выходное напряжение вновь достигает величины опорного напряжения U (измеряемая концентрации ионов n, фиг.2в, фиг.3в, момент t), то компаратор 8 вновь срабатывает и подает сигнал в устройство управления 5. В результате по сигналам с устройства управления 5 вновь изменяется положение запятой в устройстве индикации 7 и замыкается ключ K3 в устройстве обработки 6. Выходное напряжение устройства обработки 6 вновь уменьшится на порядок и в дальнейшем будет определятся выражением:
Таким образом, предложенное устройство позволяет проводить измерение концентрации ионов в трех диапазонах измерения с помощью одного измерительного тракта.