RU2705194C1 - Устройство для измерения концентрации ионов - Google Patents

Abstract

Устройство для измерения концентрации ионов содержит аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с источником питания аспирационной камеры, а собирающий - с ключом. Работой ключа управляет устройство управления и индикации, который соединяет собирающий электрод аспирационной камеры со входом гиратора. Выход гиратора подключен ко входу выпрямителя, выход которого связан с первым входом компаратора. На второй вход компаратора поступает напряжение от источника опорного напряжения, а выход компаратора соединен со входом устройства управления и индикации, и концентрация ионов определяется по расчетному выражению. Технический результат - повышение точности измерения концентрации ионов путем увеличения количества импульсов, поступающих на вход устройства управления и индикации при измерении. 3 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха.

Известен способ и устройство для измерения концентрации ионов газа, при котором результат измерения определяют по току, создаваемому ионами, оседающими на собирающий электрод аспирационной камеры, высоковольтный электрод которой соединен с блоком питания камеры, а собирающий - с измерителем тока (Таммет Х.Ф. Аспирационный метод измерения спектра аэроионов // Труды по аэроионизации и электроаэрозолям: Учен. Зап. Тартус. Ун-та. - Тарту, 1967. - вып. 195 - 234 с.) - [1]. Недостатком отмеченного выше устройства является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех различного рода и происхождения, особенно от помех сети 220[В], 50[Гц]. Происходит это потому, что входное сопротивление измерителя тока очень большое и в некоторых случаях (например при измерении естественного ионного фона) может достигать величины 10¹² Ом.

Частично устранить этот недостаток можно путем использования устройства измерения концентрации ионов (Патент №2676943 от 11.01.2017 г. по заявке №2017145436 от 22.12.2017 г. «Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации») - [2], в котором концентрацию ионов определяют по количеству импульсов, которые подсчитываются устройством управления и индикации и которые возникают на выходе компаратора, один вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а второй с выходом гиратора, вход которого соединен с выходом ключа, управляемого устройством управления и индикации и подключающего собирающий электрод аспирационной камеры ко входу гиратора, а высоковольтный электрод аспирационной камеры связан с источником ее питания.

Недостатком вышеприведенного устройства, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная недостаточным количеством импульсов, возникающих на выходе компаратора и подсчитываемых устройством управления и индикации.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем увеличения количества импульсов, поступающих на вход устройства управления и индикации при измеряемой концентрации ионов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации ионов, содержащем аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с источником питания аспирационной камеры, а собирающий электрод - с ключом, работой которого управляет устройство управления и индикации, и который соединяет собирающий электрод аспирационной камеры со входом гиратора, компаратор, один вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход - со входом устройства управления и индикации, новым является то, что выход гиратора соединен со входом выпрямителя, выход которого соединен со вторым входом компаратора, а концентрация ионов определяется устройством управления и индикации по выражению:

где:

n - измеряемая концентрация ионов, [1/см³],

N - количество импульсов, подсчитываемых устройством управления и индикации,

С - емкость аспирационной камеры, [Ф],

L - индуктивность [Гн].

V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см³/сек],

ω_CP - частота импульсов на выходе гиратора, [рд/с]

Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [сек],

е=1.6⋅10^-19 [Кл] - заряд одного иона,

R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],

U_ОП - выходное напряжение источника опорного напряжения, [В],

К₁ - коэффициент передачи гиратора.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, где:

Фиг. 1 - Структурная схема заявляемого устройства для измерения концентрации ионов. Здесь: 1 - Источник питания аспирационной камеры; 2 - аспирационная камера с 2-1 - высоковольтным и 2-2 - собирающим электродами; 3 - ключ; 4 - гиратор; 5 - выпрямитель; 6 - компаратор; 7 - устройство управления и индикации; 8 - источник опорного напряжения.

Фиг. 2 - Эквивалентная схема, поясняющая получение информативного сигнала. Здесь: I=nVe - ток, создаваемый ионами, оседающими на собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2; С - емкость аспирационной камеры 2; К - ключ 3, соединяющий собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4; L - индуктивность, реализуемая гиратором 4; R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре.

Фиг. 3 - Временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Здесь: 3.а - состояние ключа 3, в момент времени t₁=0 ключ 3 замыкается; соединяющего собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4; 3.b - сигнал на выходе гиратора 4; 3.с - сигнал на выходе выпрямителя 5; 3d - сигнал на выходе компаратора 5; U_оп - выходное напряжение источника опорного напряжения 8.

Предлагаемое устройство содержит источник питания аспирационной камеры 1, аспирационную камеру 2, высоковольтный электрод 2-1 которой подключен к источнику питания аспирационной камеры 1, а собирающий 2-2 - к ключу 3. Ключ 3 соединяет собирающий электрод камеры со входом гиратора 4, который является эквивалентом индуктивности. Его выход соединен со входом выпрямителя 5, выход которого связан с первым входом компаратора 6. Второй вход компаратора 6 соединен с выходом источника опарного напряжения 8, а выход компаратора 6 - со входом устройства управления и индикации 7. Управляющий сигнал устройства управления и индикации 7 поступает на управляющий вход ключа 3, соединяющего собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4, и определяет время его разомкнутого и замкнутого состояний. Результат измерения отображается на индикаторном табло устройства управления и индикации 7.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1).

При продувке исследуемого газа через аспирационную камеру 2 (вентилятор на фиг. 2 не показан) за счет электростатического поля, созданного источником питания аспирационной камеры 1, ионы воздуха в зависимости от их полярности оседают на электроды камеры 2. После размыкания ключа 3 устройством управления 6, на собирающем электроде 2-2 аспирационной камеры 2 за счет оседания ионов исследуемого воздуха создается заряд, величина которого определится выражением:

где: Q - величина накопленного заряда на собирающем электроде 2-2 аспирационной камеры 2, [Кл];

С - емкость аспирационной камеры 2, [Ф];

V - объемный расход газа через аспирационную камеру 2, [см³/сек];

Т - время разомкнутого состояния ключа 3, [сек];

е=1.6⋅10^-19 [Кл] - заряд одного иона;

n - измеряемая концентрация ионов, [1/см³].

При замыкании ключа 3 фиг. 1 (момент времени t₁=0 на фиг. 3) емкость аспирационной камеры 2 подключается ко входу гиратора 4, который представляет собой индуктивность. В результате получается эквивалентная схема для информативного сигнала, которая приведена на фиг 2. В полученном LC контуре возникают колебания, для которых справедливо следующее уравнение:

где: L - индуктивность [Гн], R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре [Ом], U_L - напряжение на LC-контуре [В].

Начальные условия, необходимые для нахождения решения приведенного выше уравнения, имеют вид: при t=t₁=0, то есть в момент замыкания контактов ключа 3 (фиг. 1), выполняются условия:

и i_L(t=0)=0. Тогда, решение этого уравнения запишется:

Где:

Из приведенного выше выражения видно, что напряжение (информативный сигнал) на LC контуре можно представить в виде гармонического сигнала:

где:

Тогда, напряжение на выходе гиратора запишется:

где К₁ - коэффициент передачи гиратора - постоянная величина, которая определяется его элементами.

Из полученного выражения (2) видно, что напряжение на выходе гиратора 4 представляет собой гармоническое колебание. Его амплитуда пропорциональна измеряемой концентрации ионов - n, но с течением времени уменьшается по экспоненциальной зависимости с постоянной времени, равной 2RC.

Этот сигнал поступает на вход выпрямителя 5. На его выходе появляются импульсы одной полярности (положительной, Фиг. 3 с), частота которых в два раза больше частоты импульсов на выходе гиратора 4. Эти импульсы поступают на первый вход компаратора 6, на второй (инвертирующий) вход которого подается заданное опорное напряжения - U_оп. На выходе компаратора 6, начиная с момента замыкания контактов ключа 3 (t₁=0), появятся импульсы прямоугольной формы. Они прекратятся в момент времени, когда амплитуда входных импульсов компаратора 6 будет меньше заданного напряжения - U_оп, поступающего на его второй, инвертирующий вход от источника опорного напряжения 8. Интервал времени - Т_И, в течении которого на выходе компаратора 6 присутствуют импульсы, определится из условия:

Из этого выражения получаем:

Тогда, количество импульсов на выходе компаратора 6 определится выражением:

где

N_ПР - количество импульсов, возникающих на выходе компаратора 5 в прототипе.

Из приведенного выше выражения для измеряемой концентрации ионов - n получаем:

То есть, по количеству импульсов, которые регистрируются устройством управления и индикации 7 можно определить измеряемую концентрацию ионов - n. Так как при одной и той же измеряемой концентрации ионов - n как в прототипе, количество регистрируемых импульсов устройством управления и индикации в предлагаемом устройстве практически в два больше. То есть в предлагаемом устройстве практически в два раза меньше погрешность дискретизации и, следовательно, выше точность измерения концентрации ионов. Аппаратурные затраты при этом увеличиваются незначительно.

Claims (13)

1. Устройство для измерения концентрации ионов, содержащее аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с источником питания аспирационной камеры, а собирающий электрод - с ключом, работой которого управляет устройство управления и индикации и который соединяет собирающий электрод аспирационной камеры со входом гиратора, компаратор, один вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход - со входом устройства управления и индикации, отличающееся тем, что выход гиратора соединен со входом выпрямителя, выход которого соединен со вторым входом компаратора, а концентрация ионов определяется устройством управления и индикации по выражению:
2. 
3. n - измеряемая концентрация ионов [1/см³],
4. N - количество импульсов, подсчитываемых устройством управления и индикации,
5. С - емкость аспирационной камеры [Ф],
6. L - индуктивность [Гн],
7. V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру [см³/сек],
8. ω_СР - частота импульсов на выходе гиратора [рд/с],
9. Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры [сек],
10. е=1,6⋅10^-19[Кл] - заряд одного иона,
11. R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре [Ом],
12. U_ОП - выходное напряжение источника опорного напряжения [В],
13. К₁ - коэффициент передачи гиратора.

Images