CZ306424B6

CZ306424B6 - Filtr iontů pro senzor pro měření extrémně nízkých úrovní koncentrace volných iontů

Info

Publication number: CZ306424B6
Application number: CZ2010-780A
Authority: CZ
Inventors: Pavel Fiala; Zoltán Szabó
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2017-01-18
Also published as: CZ2010780A3

Abstract

Filtr elektrických iontů pro senzor pro měření extrémně nízkých úrovní koncentrace vzdušných iontů, který tvoří tělo (8) s aktivní částí (2) a vstupní částí (3), přičemž senzor elektrických iontů je vzájemně spojený spojovacím prvkem (6) se vstupní částí (3), jež vykazuje propustná místa (4), a je na ní uspořádán prvek (5) změny pohybu iontů, a kde na vnitřní stěny těla (8) filtru v místě jako aktivní části (2) je nanesena nejméně jedna vrstva (9) materiálu, jehož vodivost je od 0,1 do 100 000 S/m, přičemž v celé prostoru těla (8) nebo jeho části (2) je uspořádán systém (10) tvořený nejméně jednou kovovou přepážkou (4a).

Description

Filtr iontů pro senzor pro měření extrémně nízkých úrovní koncentrace volných iontů

Oblast techniky

Vynález se týká filtru senzoru pro měření extrémně nízkých úrovní koncentrace volných iontů.

Dosavadní stav techniky

V současné době se koncentrace iontů měří více metodami. Za ionty jsou považovány elektricky nabité částice. Ionty se zásadně rozlišují na kladné a záporné.

Jednou z používaných metod měření koncentrace iontů je použití aspiračního kondenzátoru. Efekt u aspiračního kondenzátoru (typ senzoru) je tento. Částice proletí oblastí senzoru, zde dojde k její detekci a může, nemusí vylétnout zadním koncem senzoru ven. Ty částice, které se dostanou ven, se mohou díky silnému (relativně - od napětí 0,1 mV) elektrickému poli zastavit a vrátí se zadním koncem senzoru zpět.

Měřením v dlouhých časových intervalech vzhledem k pohyblivosti iontů se ukázalo, že může dojít až k 50% chybě měření senzoru bez filtru na výstupu senzoru iontů. Podle numerické analýzy a experimentů se ukázalo, že ionty mají velký rozsah pohyblivosti a rychlost proudícího nosného média iontů (vzduch) je zanedbatelná a nemá téměř žádný vliv na zamezení opakovaného průletu částice senzorem.

Řešením pro odstranění nežádoucího efektu při měření koncentrace iontů je filtr, zařízení, které brání opakovanému průletu elektricky nabitých částic měřicím zařízením - senzorem, např. aspiračním kondenzátorem. Celá sestava měřicího zařízení - senzoru je geometricky uspořádána tak, že první část tvoří tělo senzoru pro měření iontů a filtr iontů je umístěn na konci předpokládané dráhy elektricky nabité částice. Zde filtr pohltí jistou část prolétávajících částic. Pokud by se částice pohybovala ve směru zpětném, musí nejdříve proletět filtrem, kde dojde k její eliminaci. Filtr by neměl být realizován z elektricky vodivého nebo dielektrického materiálu, ale z materiálu, který ve své mini, mikro, nano, piko struktuře je elektricky vodivý. Zde dojde k tomu, že se dopadnuvší elektricky nabitý objekt díky vodivosti materiálu - měrná vodivost a Ohmovu zákonu změní na proudovou hustotu. Tím vznikne elektromagnetické pole, jehož část se vyzáří jako odražená vlna, část se změní na vlnu ve vodivém prostředí a změní se v energii, která je měřitelná ve formě zvýšení teploty materiálu.

Filtr ale také působí tak, že elektricky nabité objekty (částice), které jsou v prostoru kolem senzoru a vyskytují se i v zadní části senzoru, by byly elektrickým polem senzoru vtaženy zadním otvorem (nežádoucí), musí projít přes popisovaný filtr. Během měření lze zjistit některé jevy obtížně vysvětlitelné. Bylo zjištěno, že tyto jevy způsobuje několikanásobný průlet lehkých iontů aspiračním kondenzátorem.

V dokumentu „Baxter, Karen, Chris Jones, and Guy Fletcher-Wood. High sensitivity sensor for continuous direct measurement of bipolar charged aerosol. Journal of Physics: Conference Series. Vol. 142. No. 1. IOP Publishing, 2008.“ v překladu „Vysoká citlivost snímače pro kontinuální přímé měření bipolámího nabitého aerosolu“ je popsán senzor s filtrem z nerezové oceli, kde na druhém konci dutého válce tělesa senzoru aspiračního kondenzátoru je ventilátor. Těleso senzoru se skládá ze vstupní části s propustnými místy, na které je uspořádán prvek pro změnu pohybu iontů. Změna nebo skladba a koncentrace vybraných iontů je řešena pomocí vložené další elektrody v podílně orientované elektrody z vodivého materiálu. Princip selekce iontů je aktivní, tedy vložením elektrického napětí se vytvoří elektrické pole, které selektuje velikost a množství iontů prolétající daným prostorem.

- 1 CZ 306424 B6

Dále je také zmínka o senzoru s iontovou pastí v dokumentu „Roubal, Zdeněk. NEW CONSTRUCTION OF GARDIEN TUBE WITH ACTIVE SHIELDING AND ION-TRAP.“, v překladu „Nová konstrukce aspiračního kondenzátorů s aktivním stíněním a iontovou pastí“. V tomto dokumentu jsou popsány jen možnosti změny přesnosti měření s gerdien tube = aspiračním kondenzátorem při filtraci iontů a bez filtrace iontů. Nepopisuje žádný způsob nebo návrh řešení filtrace iontů.

V patentu „WO 2006/013 396 A2, ION MOBILITY SPECTROMETER“ s překladem „Spektrometr pro měření pohyblivosti iontů“, je zmínka o senzoru s iontovou pastí, řešení je zaměřeno na části iontových spektrometrů a změny mobility procházejících iontů. Řešení je založeno na systému vrstvených filtrů s různou mechanickou propustností velikostí částic. Vrstvy jsou elektricky propojeny. Filtry jsou z porézních definovaně skládaných materiálů a řeší propustnost velikosti objektů na základě jejich velikosti, např. obr. 5 Inlet layer a řeší pouze řízenou změnu koncentraci iontů.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je navržení konstrukce filtru nebo úprava stávajících senzorů způsobem, aby nedošlo k opakovanému průletu jednoho a téhož iontu aktivní částí senzoru.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje filtr elektrických iontů pro senzor pro měření extrémně nízkých úrovní koncentrace vzdušných iontů umístěny za senzorem a tvořený tělem s aktivní částí a vstupní částí, na níž navazuje senzor volných iontů vzájemně spojený spojovacím prvkem se vstupní částí, jež vykazuje propustná místa, a je na ní uspořádán prvek změny pohybu iontů, jehož podstata spočívá v tom, že na vnitřní stěny těla v místě jeho aktivní části je nanesena nejméně jedna vrstva materiálu, jehož vodivost je menší než vodivost kovu, přičemž v celém prostoru těla nebo jeho části je uspořádán systém tvořený nejméně jednou kovovou přepážkou.

Tato úprava způsobí to, že volný iont po průletu aktivní oblastí senzoru je zachycen a dojde k jeho změně na elektrický proud nebo náboj. Elektrický proud ani náboj neovlivní měření a jeho kvalitu.

Konstrukce senzoru podle tohoto vynálezu spočívá v návrhu optimální konfigurace proudícího plynu (kapaliny) a vlastního filtru s geometrickou konfigurací vstupní části s takovou hustotou částečně propustných míst filtru, aby nevznikal v předřazeném senzoru měření koncentrace volných iontů nežádoucí přetlak a zároveň byla maximální pravděpodobnost dopadu volných iontu na těleso filtru.

Podstatou vynálezu je též návrh komponenty, která mění pohybující se elektrický náboj na jinou veličinu, která neovlivní měření. Toto je splněno tím, že je aplikován vhodný rezistivní materiál na absorpční části filtru. Absorpční část filtru může být například porézní materiál, síťka, labyrint, tvarovaný povrch materiálu, periodická struktura, vytvořená na přepážce.

Zařízení nastaví dráze volných iontů takové překážky s vrstvou polovodivého materiálu, že volný iont je zachycen nebo přeměněn na jinou elektrickou veličinu, přičemž vzduch projede absorpčním materiálem s minimální tlakovou ztrátou nebo bez tlakové ztráty.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu bude osvětlena pomocí výkresů, kde obr. 1 znázorňuje základní konfiguraci filtru volných iontů, obr. 2 znázorňuje příkladné provedení systému filtru volných iontů a obr. 3 znázorňuje příkladné provedení filtru volných iontů se zaznačením propustných míst a polovodivých vrstev.

-2 CZ 306424 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Princip konstrukce filtru pro senzory iontů bude dále objasněn, nikoliv však omezen v následujících příkladech.

Na obr. 1 je zobrazen princip filtru volných iontů. Iont 1 s nábojem q se s médiem nebo bez média pohybuje ve směru pohybu iontu. Dostane se k vstupní části filtru 3 a dále do prostoru aktivní části 2. Zde díky nastavení aktivní části 2 filtru a otvorů 4 pro průchod média s volnými ionty 1 dojde ke změně elektrického náboje q na jinou elektromagnetickou veličinu. Tím jeho životnost končí.

Základní konstrukce senzoru podle tohoto vynálezu spočívá v návrhu filtru volných iontů, který zaručí optimální konfiguraci proudícího plynu (kapaliny) obsahující vzdušné ionty. Filtr v tomto provedení je znázorněn na obr. 2. Filtr volných iontů je tvořen tělem 8 v podobě trubky, která v průřezu vykazuje tvar kruhu a jejímž materiálem je kov, kde je jako první uspořádán předřazený senzor 7 volných iontů určený k měření koncentrace volných iontů j_. Tento senzor 7 volných iontů může a nemusí být elektricky spojen s tělem 8 filtru pro zabezpečení požadované změny směru pohybu volných iontů 1. Rychlost dopadu iontů se pohybuje pro střední rychlosti 0 až 10 m/s proudícího média plynu nebo kapaliny tělem 8 filtru v rozsahu od 0 do 1.10⁶ m/s. Senzor 7 volných iontů je pomocí spojovacího prvku 6 tvaru prstence spojen se vstupní částí 3 filtru, kde na vstupní části 3 filtruje v jejím středu uspořádán prvek 5. V aktivní části 2 těla 8 filtruje umístěn systém 10 přepážek 4a s výhodou tvořený jednou nebo řadou za sebou a v odstupu umístěných přepážek 4a složených z mini, mikro, nano a piko labyrintů či velkých labyrintů, atd. Přepážka 4a může, ale nemusí, být z kovu, důležitý pro střet pohybujících se volných iontů 1 ve směru pohybu iontu 1 je vždy elektrická vlastnost povrchu přepážky 4a. Na vnitřní stěně těla 8 filtru a na systému 10 přepážek 4a je nanesena nejméně jedna polovodivá vrstva materiálu 9.

Na obr. 3 je příkladně znázorněn filtr volných iontů s vyznačenými otvory 4 pro průchod iontů. Celková konstrukce filtru volných iontů a její popis je shodný s předešlým obrázkem. Vstupní část 3 těla 8 filtruje opatřena otvory 4 pro průchod iontů sloužící jako otvory pro průchod média s nenulovým množstvím volných iontů 1, které zamezují vzniku nežádoucího přetlaku proudícího plynu nebo kapaliny v předřazeném senzoru 7 volných iontů. Dále jsou otvory 4 pro průchod iontů opatřeny i přepážky 4a systému 10, Otvory 4 pro průchod iontů umožní průchod volných iontů 1 do aktivní části 2 těla 8 filtru a zabrání nežádoucímu vstupu volných iontů v opačném směru vůči pohybu volných iontů 1.

V provedení filtru volných iontů na obr. 2 a obr. 3 je na vnitřní stěně těla 8 filtru a na systému 10 přepážek 4a v podobě síťky nanesena nejméně jedna vrstva materiálu 9, jehož vodivost je menší než vodivost kovu a nemá vlastnosti dielektrika, s měrnou elektrickou vodivostí s výhodou od 0.1 S/m až po 100 kS/m. Takovouto vrstvou materiálu 9 je například amorfní uhlíková vrstva. Toto uspořádání s výhodou řeší maximální eliminaci (přeměnu na elektrický proud a teplo) volných iontů 1 proudících s médiem plynu, kapaliny ze směru pohybu volných iontu 1 a dále řeší nežádoucí vstup volných iontů v opačném směru pohybu volného iontu 1 do senzoru 7 volných iontů. Konstrukce filtru s polovodivými vrstvami materiálu 9 je upravena způsobem, aby zajistila co nejvíce střetů pohybujících se volných iontů 1 s vrstvou materiálu 9 a přeměnila je na elektrický proud a teplo. Návrh řešení z obr. 2 a obr. 3 je výhodné použít pro filtraci nežádoucího pohybu volných iontů 1 s koncentrací vyšší než 1000 iontů/m³.

Průmyslová využitelnost

Průmyslová využitelnost popsaného filtru je u senzorů určených k detekci nebo měření koncentrace iontů (vzdušných) se zvýšenou přesností, a to například způsobenou opakovaným průletem iontu senzorem bez popsaného filtru.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Filtr elektrických iontů pro senzor měření extrémně nízkých úrovní koncentrace volných iontů (1), kdy filtr je tvořen tělem (8) s aktivní částí (2) a vstupní částí (3), vstupní část (3) filtru vykazuje propustná místa (4) a je v ní uspořádán prvek (5) změny pohybu iontů, přičemž senzor (7) volných iontů (1) je vzájemně spojený spojovacím prvkem (6) se vstupní částí (3) filtru, vyznačující se tím, že na vnitřní stěny těla (8) v místě jeho aktivní části (2) je nanesena nejméně jedna vrstva (9) materiálu, jehož vodivost je od 0,1 do 100 000 S/m, přičemž v celém prostoru těla (8) nebo jeho části (2) je uspořádán systém (10) tvořený nejméně jednou kovovou přepážkou (4a).

2. Filtr volných iontů podle nároku 1, vyznačující se tím, že přepážku (4a) tvoří kovová síťka s naneseným uhlíkovým materiálem.

3. Filtr volných iontů podle nároku 1, vyznačující se tím, že tělo (8) má tvar válce.

4. Filtr volných iontů podle nároku 1 a 3, vy z n a č uj í c í se t í m , že tělo (8), senzor (7) volných iontů, spojovací prvek (6) a vstupní část (3) vykazují v příčném řezu tvar kružnice.

5. Filtr volných iontů podle nároku 1, vyznačující se tím, že spojovací prvek(6) má tvar prstence.