Устройство для счета ионов
DEVICE FOR COUNTING IONS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано 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 его является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех. Объясняется это тем, что величину эталонного сопротивления приходится брать очень большой, и в некоторых случаях она может достигать значения 10 [Ом].
Частично устранить этот недостаток можно путем использования устройства (патент №2459309, H01J 47/04, опубликованном 20.08.2012 г., бюл. №23 «Способ измерения концентрации и устройство для его реализации», в котором процесс измерения заключается в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующим его измерении путем регистрации площади импульсов, возникающих на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление. Однако, и в этом случаи не удается достаточно подавить помехи от различных наводок, особенно от наводок питающей сети 220 В, 50 Гц., что приводить к появлению значительной погрешности измерения.
Известно устройство: «Патент на изобретение №2614157 на изобретение «Устройство для счета ионов» заявка №2015124605 от 23 июня 2015 года H01J 47/04, опубликовано 23.03.17 г. Бюл. №9» 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 величины амплитуды гармонического сигнала на выходе полосового фильтра, вход которого соединен с выходом входного устройства, а его резонансная частота равна частоте переключения ключа, соединяющего собирающий электрод аспирационной камеры с входом входного устройства. Оно содержит аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания, а собирающий электрод через ключ, управляемый сигналом устройства управления, со входом входного устройства. Его выход подключен к последовательно соединенным полосовому фильтру, резонансная частота которого совпадает с частотой переключения ключа, выпрямителю аналоговых сигналов и фильтру низких частот, выход которого соединен со входом устройства индикации.
Основной проблемой при разработке устройств для счета ионов является повышение их помехорустойчивости, в значительной степени определяющей точность измерения.
Недостатком отмеченного выше устройства является недостаточное подавление помех, особенно помех от питающего напряжения частотой 50 герц, что приводит к появлению погрешности и, следовательно, существенному уменьшению точности измерения концентрации ионов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех.
Технический результат достигается тем, что 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, со входом входного устройства, выход которого соединен со входом полосового фильтра, и фильтр низких частот, выход которого соединен со входом устройства индикации, новым является то, что оно дополнительно содержит устройство временной задержки и фазовый детектор, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, выход - со входом фильтра низких частот, а управляющий вход - с выходом устройства временной задержки, вход которого соединен с выходом устройства управления, сигнал которого управляет работой ключа.
В устройстве для счета ионов, период сигнала, управляющего работой ключа, в четное число раз больше периода питающей сети 50 Гц.
Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1 и Фиг. 2, a, b, c, d, e, f, g ,h, i.
На фиг. 1 показана структурная схема устройства. 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 входного устройства, 4 - входное устройство, входное сопротивление которого равно R, 5 - полосовой фильтр, 6 - фазовый детектор, 7 - фильтр низких частот, 8 - устройство индикации, 9 - устройство управления, устройство временной задержки.
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, со входом входного устройства 4. Его выход подключен к последовательно соединенным полосовому фильтру 5, фазовому детектору 6 и фильтру низких частот 7, выход которого подключен к устройству индикации 8. Выход устройства управления 9 соединен и со входом устройства временной задержки 10, выход которого управляет работой фазового детектора 6.
На фиг. 2,а - i показаны эпюры напряжений, поясняющие работу предлагаемого устройства
1
1
2
На фиг 2,а - отражено состояние контактов ключа 3. В интервале времени (0-t) ключ замкнут, а в интервале времени (t-t) - 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 первой гармоники от сигнала фиг. 2,с на выходе полосового фильтра 5, на фиг. 2,е - сигнал второй гармоники помехи, на фиг. 2,f - сигнал на выходе устройства временной задержки 10, на фиг. 2,g - сигнал на выходе фазового детектора от первой гармонике, на фиг 2,h - сигнал на выходе фазового детектора от второй гармоники и на фиг. 2,i - сигнал на выходе фильтра низких частот. 7.
1
2
Устройство работает следующим образом. При продувке исследуемого воздуха через аспирационную камеру 2 ионы вместе с исследуемым 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 [Кл] - заряд одного иона;
3
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см],
0
1
Q - величина заряда на емкости собирающего электрода камеры в момент t [Кл].
2
К моменту времени t это напряжение достигнет величины:
2
В момент времени t (фиг. 2d) 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):
1
- при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t) и
1
2
- при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t-t).
Так как на вход входного устройства 4 сигнал поступает только при замкнутом состоянии ключа 3 (фиг. 2.с), то его входной сигнал определяется выражениями:
1
- при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t), и
1
2
- при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t-t).
я
Входное устройство 4 усиливает этот сигнал и подает его на вход полосового фильтра 5, резонансная частота которого совпадает с частотой срабатывания ключа 3. Полосовой фильтр 5 выделяет первую гармонику из входного сигнала (фиг 2,d). Однако, вместе с ней на его выходе присутствуют и другие гармоники (фиг. 2,е - 2 гармоника). Причем все они имеют свой сдвиг по фазе относительно сигнала, управляющего работой ключа 3. Величина этих фазовых сдвигов и величина спектральных составляющих зависит от схемы как входного каскада 4, так и полосового фильтра 5. Однако, фазовый сдвиг первой гармоники определяется только входным каскадом 4, так как ФЧХ полосового фильтра 5 для его резонансной частоты равна нолю. Устройство временной задержки 10 сдвигает сигнал, управляющий работой фазового детектора 6 на величину, равную фазовому сдвигу первой гармоники для сигнала на выходе полосового фильтра 5 (фиг 2,f). Сдвиг по времени этого сигнала равен величине:
1
1
Где Δt - временной сдвиг выходного сигнала устройства временной задержки 10, Т - период срабатывания ключа 4, ϕ - фазовый сдвиг первой гармоники на выходе полосового фильтра 10 относительно согнала, управляющего работой ключа 3
На фиг 2,g и фиг 2,h показан сигнал на выходе фазового детектора от первой гармоники и от второй. Так как вторая гармоника не содержит постоянной составляющей, то на выходе фильтра нижних частот сигнал от второй гармоники зависеть на будет. Это будет выполняться и для 4, 6, 8 … гармоник.
При измерении концентраций аэроионов наибольшую помеху дает сигнал от питающего напряжения 220 [В], 50 [Гц]. Поэтому, частоту срабатывания ключа 3 с целью удаления этой помехи нужно брать равной:
где n=1, 2, 3 …
Таким образом, предложенное решение без заметного увеличения аппаратурных затрат позволяет существенно увеличить точность измерения концентрации аэроионов и снизить требования к полосовому фильтру.