Способ измерения концентрации ионов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации аэроионов. Способ измерения концентрации ионов 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. Технический результат заключается в повышении точности измерения путем применения нового способа измерения концентрации ионов, при котором результат измерения не зависит от емкости аспирационной камеры. 2 ил.

 

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

Известен способ измерения концентрации ионов газа, при котором результат измерения определяют по току, пропорциональному концентрации ионов газа, оседающих на собирающий электрод аспирационной камеры в единицу времени, при этом высоковольтный электрод аспирационной камеры 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 этого метода является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех различного рода и происхождения. 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 способа измерения концентрации ионов (А.С. №474827, Устройство для счета ионов, G 06 m 11/00, Б.И. №23, 1975 г.) - [2], 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.

Недостатком вышеприведенного способа, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием емкости аспирационной камеры на результат измерения, которая может изменяться вследствие изменения влажности исследуемого газа, геометрических размеров аспирационной камеры.

Изобретение решает задачу повышения точности измерения путем исключения влияния емкости аспирационной камеры на результат измерения.

Поставленная задача 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, по параметрам которого судят о концентрации ионов, концентрацию ионов определяют по величине интеграла от импульса на выходе входного устройства, которая пропорциональна измеряемой концентрации ионов и не зависит от емкости аспирационной камеры.

Сущность способа измерения поясняется на Фиг.1 и 2.

Фиг.1 - Структурная схема устройства для реализации заявленного способа измерения концентрации ионов.

Здесь: 1 - аспирационная камера; 2 - источник питания; 3 - ключ; 4 - входное устройство; 5 - устройство управления; 6 - устройство обработки; 7 - устройство индикации.

Фиг.2 - Временные диаграммы работы устройства.

Здесь: а - временная диаграмма работы ключа 3; 6 - диаграмма сигнала на выходе входного устройства 4; в - диаграмма интеграла сигнала с выхода входного устройства.

Устройство для реализации заявленного способа содержит аспирационную камеру 1, высоковольтный электрод которой подключен к источнику питания 2, а собирающий - к ключу 3, управляемому устройством управления 5. Ключ 3 соединен со входом входного устройства 4, выход которого соединен с устройством обработки 6. С выхода устройства обработки 6 информация о концентрации ионов в газе поступает на устройство индикации 7. Устройство обработки 6 представляет собой совокупность масштабирующего усилителя и интегратора, схемные решения которых могут быть реализованы согласно схемам книги У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982 г. - [3].

Устройство работает следующим образом.

При продувке исследуемого газа через аспирационную камеру 1 за счет электростатического поля, созданного источником питания 2, ионы газа осаждаются на электроды камеры 1. После размыкания ключа 3 устройством управления 6 на собирающем электроде камеры 1 за счет оседания ионов создается заряд, величина которого определится выражением:

где Q - величина заряда, Кл;

С - емкость камеры, Ф;

U - напряжение на емкости аспирационной камеры, В;

V - объемный расход газа через камеру, см³/с;

Т_Н - время разомкнутого состояния ключа 3, с;

e=1.6·10^-19 Кл - заряд одного иона;

n - концентрация ионов, 1/см³.

При замыкании ключа 3 на выходе входного устройства 4 появляется импульс, форма которого соответствует следующему выражению:

где R_вх - входное сопротивление входного устройства 4, Ом;

к₁ - коэффициент усиления входного устройства 4;

t₁ - момент замыкания ключа 3, с.

Причем амплитуда этого импульса равна

Из выражения (3) видно, что значение амплитуды зависит от емкости аспирационной камеры.

Сигнал с входного устройства 4 интегрируют, для чего его подают на устройство обработки 6, в котором происходит его интегрирование. При этом проинтегрированный сигнал в устройстве обработки 6 будет определяться следующим выражением:

где к₂ - коэффициент усиления устройства обработки 6;

t₂ - момент окончания интегрирования, с.

Если обеспечить условие: t₂-t₁»R_вхС, то величиной

можно пренебречь, и тогда значение выходного сигнала с выхода устройства обработки 6 будет определяться следующим выражением:

Как правило, в счетчиках ионов значение емкости аспирационных камер не превышает значения десятков пикофарад, а значение сопротивления входного устройства (R_вх) - сотен килоом. Тогда значение произведения R_вхC составляет сотые доли миллисекунды, и вышеприведенное условие легко выполняется выбором времени интегрирования (t₂-t₁).

После определения значения интеграла в устройстве обработки 6 устройство управления 5 дает сигнал на передачу сигнала, несущего информацию о концентрации ионов, из устройства обработки 6 в устройство индикации 7, где происходит отображение значения концентрации ионов. Затем устройство управления 5 дает сигналы на размыкание ключа 3 и на подготовку нового цикла обработки сигнала (интегрирование сигнала) в устройство обработки 6. После чего начинается новый цикл измерения концентрации ионов.

Как видно из анализа выражения (5), величина сигнала, получаемая на выходе устройства обработки 6 путем интегрирования импульса, возникающего на выходе входного устройства 4, не зависит от емкости аспирационной камеры и, следовательно, от ее изменения.

Таким образом, предложен способ измерения концентрации ионов, который при минимальных аппаратных затратах позволит повысить точность измерения концентрации ионов.

Способ измерения концентрации ионов, заключающийся 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, по параметрам которого судят о концентрации ионов, отличающийся тем, что концентрацию ионов определяют по величине интеграла, полученного от интегрирования импульса, возникающего на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление, при условии что t₂-t₁≫R_вх.C, где t₂-t₁ - время интегрирования, R_вх. - входное сопротивление входного устройства, С - емкость камеры.