СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING ION CONCENTRATION AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов воздуха как в свободной атмосфере, так и в жилых, промышленных и других помещениях.
Известен способ измерения концентрации ионов газа, в котором концентрацию ионов определяют по амплитуде импульса, пропорциональной измеряемой концентрации ионов, причем импульс возникает 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.св. СССР №474827, Устройство для счета ионов, G06M 11/00, БИ №23, 1975 г.). Недостатком этого способа является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием емкости аспирационной камеры на результат измерения, которая может изменяться при изменении влажности исследуемого газа, геометрических размеров аспирационной камеры.
Известен способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации (патент РФ на изобретение №2267186. Способ измерения концентрации ионов H01J 47/04, G01T 1/185, БИ №36, 2005 г.). Способ заключается в накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого газа на ее собирающий электрод за заданный промежуток времени и последующем его измерении путем регистрации импульса, возникающего на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры, причем концентрацию ионов определяют по величине интеграла от этого импульса.
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 известного изобретения, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная напряжением смещения и входным током устройства обработки (интегратора).
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения погрешности измерения, вызванной напряжением смещения и входным током устройства обработки.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения концентрации ионов, заключающемся в накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого газа на ее собирающий электрод за заданный промежуток времени и последующем его измерении путем регистрации импульса, возникающего на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление, в котором концентрацию ионов определяют по величине интеграла от этого импульса, новым является то, что концентрацию ионов определяют по величине интеграла от импульса в момент времени, когда величина модуля импульса удовлетворяет выражению
(t)
см
вх
и
где n - измеряемая концентрация ионов, f - функция, определяющая форму импульса на входе устройства обработки при концентрации ионов, раной единице, е - напряжение смещения интегратора в устройстве обработки, I - входной ток интегратора в устройстве обработки, R - сопротивление в постоянной времени интегратора в устройстве обработки, t - момент времени регистрации интеграла от импульса, возникающего на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры.
oп
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 оно дополнительно содержит компаратор напряжения, задний фронт выходного сигнала которого определяет момент времени измерения напряжения на выходе устройства обработки устройством индикации, первый вход компаратора соединен со входом устройства обработки, а второй вход - с источником опорного напряжения, знак выходного напряжения которого - U совпадает со знаком напряжения, поступающего на вход устройства обработки, а его модуль определяется выражением
оп
см
вх
а выход компаратора соединен со вторым входом устройства индикации, где U - выходное напряжение источника опорного напряжения, е - напряжение смещения интегратора в устройстве обработки, I - входной ток интегратора в устройстве обработки, R - сопротивление в постоянной времени интегратора в устройстве обработки.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-7.
На фиг.1 показана структурная схема устройства для измерения концентрации ионов.
оп
Здесь: 1 - высоковольтный источник питания аспирационной камеры; 2 - аспирационная камера; 3 - ключ, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры с входным каскадом; 4 - входное устройство; 5 - устройство обработки (интегратор, построенный на операционном усилителе DA1 и имеющий постоянную интегрирования τ=RC); 6 - устройство индикации; 7 - компаратор напряжения; 8 - устройство управления; U - выходное напряжение источника опорного напряжения, N - результат измерения.
1
2
На фиг.2-7 показаны эпюры напряжений на выходах элементов устройства при двух значениях измеряемой концентрации ионов, причем измеряемая концентрация n (эпюры, обозначены буквой а) меньше измеряемой концентрации n (эпюры обозначены буквой б).
и1
1
и2
2
Фиг.2 - эпюры напряжений на входе устройства обработки (выходе входного устройства); фиг.3 - эпюры выходного напряжения компаратора; фиг.4 - эпюры выходного напряжения устройства обработки (интегратора); фиг.5 - погрешность измерения концентрации ионов, вызванная ограничением времени измерения напряжения на выходе устройства обработки (временем интегрирования); фиг.6 - погрешность измерения концентрации ионов, вызванная напряжением смещения и входным током устройства обработки; фиг.7 - суммарная погрешность измерения концентрации ионов, t - момент времени измерения напряжения на выходе устройства обработки при концентрации ионов n, t - момент времени измерения напряжения на выходе устройства обработки при концентрации ионов n.
оп
Устройство для измерения концентрации ионов содержит аспирационную камеру 2 с высоковольтным источником питания 1, последовательно соединенные ключ 3, входное устройство 4, устройство обработки (интегратор, построенный на операционном усилителе) 5, устройство индикации 6, а также устройство управления 8, первый выход которого соединен с устройством обработки 5, а второй выход поступает на ключ 3, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры 2 с входным устройством 4, и компаратор напряжения 7, задний фронт выходного сигнала которого определяет момент времени измерения напряжения на выходе устройства обработки 5 устройством индикации 6. Первый вход компаратора 7 соединен со входом устройства обработки 5, а второй вход - с источником опорного напряжения, знак выходного напряжения которого - U совпадает со знаком напряжения, поступающего на вход устройства обработки 5, а его модуль определяется выражением
Выход компаратора 7 соединен со вторым входом устройства индикации 6.
оп
см
вх
В этом выражении обозначено: - U - выходное напряжение источника опорного напряжения, е - напряжение смещения устройства обработки (интегратора), I - входной ток устройства обработки (интегратора), R - сопротивление в постоянной времени устройства обработки (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 устройством управления 8 на собирающем электроде камеры 2, за счет оседания ионов, накапливается заряд, величина которого определятся выражением
где Q - величина заряда, Кл;
С - емкость собирающего электрода аспирационной камеры, Ф;
U - напряжение на емкости собирающего электрода аспирационной камеры, возникающее за счет оседания ионов, В;
3
V - объемный расход газа через аспирационную камеру, см/сек;
н
Т - время разомкнутого состояния ключа 3, сек;
-19
е=1.6·10 Кл - заряд одного иона;
3
n - измеряемая концентрация ионов, 1/см.
н
По окончании времени Т, в момент времени t=0 по сигналу с устройства управления 8 обнуляются показания устройства индикации 6, ключ К устройства обработки 5 размыкается, а ключ 3 замыкается. При замыкании ключа 3 на выходе входного устройства 4 появляется импульс напряжения (фиг.2), форма которого определяется схемой входного устройства, но его амплитуда и площадь пропорциональны измеряемой концентрации ионов. Задний фронт этого импульса имеет бесконечную длительность, так как определяется разрядом емкости собирающего электрода аспирационной камеры через входное сопротивление входного каскада. Для этого импульса можно записать выражение
(t)
где f - функция, определяющая импульс напряжения на выходе входного устройства (входе интегратора) при концентрации ионов, равной единице. Не нарушая общности рассуждений, можно считать, что эта величина положительна.
Этот импульс поступает на вход устройства обработки 5. Так как время интегрирования ограничено, а устройство обработки (операционный усилитель DA1) имеет входной ток и напряжение смещения, то для выходного сигнала устройства обработки получаем (Фолькенберри Л. Применение операционных усилителей в линейных ИС. Пер. с англ. М.: Мир, 1985, 572 с.) (фиг.4, а, б):
см
вх
и
где e и I - соответственно напряжение смещения и входной ток операционного усилителя DA1 (положительные величины), t - момент времени регистрации интеграла от импульса, возникающего на выходе входного устройства 4 при разряде емкости аспирационной камеры 2 (время интегрирования).
см
вх
Выражение (3) соответствует наихудшему случаю (наибольшей погрешности интегрирования). Объясняется это тем, что на практике целесообразно использовать одно устройство обработки при измерении концентрации как положительных, так и отрицательных ионов, а в справочной литературе знаки е и I не приводят.
Тогда абсолютное значение погрешности интегрирования, вызванное ограничением времени интегрирования, входными токами и напряжением смещения, определится выражением:
и
Из выражения (4) видно, что при увеличении времени интегрирования составляющая погрешности в круглых скобках уменьшается и стремится к нулю (фиг.5, а, б), а в квадратных - увеличивается (фиг.6, а, б). При уменьшении времени интегрирования - наоборот, составляющая погрешности в круглых скобках увеличивается, а в квадратных - уменьшается и стремится к нулю. То есть можно утверждать, что существует время интегрирования, при котором абсолютная погрешность интегрирования будет минимальна (фиг.7, а, б). Дифференцируя выражение (4) по t, и приравнивая полученное уравнение к нулю, получаем, что абсолютное значение погрешности интегрирования будет минимально, если выполнится условие
То есть для получения минимальной погрешности интегрирования, а следовательно, и погрешности измерения концентрации ионов, измерение напряжения на выходе устройства обработки необходимо проводить в момент времени, когда напряжение на его входе достигнет значения, равного (фиг.3, а, б):
Для реализации этого в рассматриваемое устройство достаточно ввести компаратор напряжения, на один вход которого подать входной сигнал устройства обработки, а на второй - опорное напряжение, той же полярности, что и входной сигнал, и равное (фиг.3, а, б):
На выходе компаратора в этом случаи появится импульс напряжения, по заднему фронту которого и необходимо измерять напряжение на выходе устройства обработки.
Таким образом, при любом значении измеряемой концентрации ионов предлагаемое устройство позволяет измерить их концентрацию с наименьшей погрешностью.