Счетчик ионов

Изобретение относится к приборам для измерения концентрации ионов, преимущественно, атмосферных, и может быть использовано для одновременного измерения концентрации атмосферных ионов обоих знаков в одном и том же объеме как в условиях естественной атмосферы открытого пространства, так и в замкнутых объемах жилых, лечебных, производственных и прочих помещений. Сущность: счетчик ионов содержит снабженную воздуходувкой аспирационную ионную камеру с четырьмя последовательно установленными в корпусе электродами, выполненными из наборов электрически и механически соединенных друг с другом параллельных пластин или соосных цилиндров разного диаметра, блок питания ионной камеры и два измерительных блока. Общие шины блока питания камеры и первого измерительного блока соединены с корпусом ионной камеры, а второй измерительный блок включен между третьим электродом и выходом блока питания камеры. В этом счетчике ионов первый по ходу движения воздуха электрод соединен с корпусом камеры, второй электрод подключен ко входу первого измерительного блока, а четвертый электрод соединен с выходом блока питания камеры. Дополнительно к этому длина второго и третьего электродов не менее чем в два раза превышает величину зазора между отдельными пластинами или цилиндрами, из которых собраны эти электроды. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения концентрации ионов обоих знаков путем устранения неконтролируемых потерь подлежащих измерению ионов, а также в упрощении настройки счетчика ионов путем симметрирования емкостей собирающих электродов относительно корпуса входящей в счетчик ионов камеры. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к приборам для измерения концентрации ионов, преимущественно атмосферных, и может быть использовано для одновременного измерения концентрации ионов обоих знаков в одном и том же объеме воздуха как в условиях естественной атмосферы открытого пространства, так и в замкнутых объемах жилых, лечебных, производственных и прочих помещений. Особенно полезен будет такой счетчик ионов при наладке и калибровке биполярных генераторов ионов, а также при контроле ионизационного состояния атмосферы в различных помещениях органами санэпиднадзора.

15 июня 2003 г. введены в действие санитарные правила и нормативы - СанПиН 2, 2, 4, 1294-03 - регламентирующие ионный состав атмосферного воздуха в любых помещениях юридических и частных лиц, кроме помещений, загазованных вредными примесями. А 30 июня 2003 г. введены в действие. Общие требования к проведению контроля аэроионного состава воздуха (Методические указания МУК 4, 3, 1675-03). Согласно этим документам измерению подлежит концентрация ионов воздуха положительной и отрицательной полярности, а также коэффициент униполярности ионов (отношение концентрации ионов положительной полярности к концентрации ионов отрицательной полярности), который также регламентирован. Для получения достоверных данных о коэффициенте униполярности ионов необходимо измерять концентрацию ионов обоих знаков одновременно в одном и том же объеме воздуха, поскольку концентрация ионов в воздухе как при естественной, так и при искусственной ионизации непрерывно меняется под действием всевозможных потоков и завихрений в воздухе, причиной которых являются такие факторы, как сквозняки, работа вентиляторов, в том числе и внутри различной оргтехники, хождение людей, хлопанье дверью и даже дыхание людей, не говоря уже о работающих кондиционерах и централизованных системах кондиционирования. На эту тему опубликован ряд работ (смотри, например: Siksna R., Eichmeier J.Fluktuations in the concentration of artificially produced air ions in a closed room. "Arkiv för Geofysik", 1960, Vol.3, №13, pp.299-313. Есть перевод этой статьи №А-63988, выполненный Всесоюзным центром переводов научно-технической литературы и документации 25.07.1978 г. по заказу Казанского авиационного института).

При разработке счетчиков ионов для выполнения вышеназванных измерений необходимо учитывать и ряд конструктивных требований - таких, как компактность, малый вес, низкое энергопотребление (чтобы можно было питать прибор от малогабаритных автономных источников питания), а также независимая автоматическая работа обоих каналов измерения во всем диапазоне измеряемых концентраций ионов обоих знаков (как правило, этот диапазон перекрывает не менее пяти порядков).

Известен целый ряд счетчиков ионов, каждый из которых содержит снабженную воздуходувкой аспирационную ионную камеру с электродами, блок питания ионной камеры и измерительный блок (смотри, например: SU 474827, 13.01.76; SU 868534, 30.09.81; SU 892285, 23.12.81; SU 1023362, 15.06.83). Во всех этих счетчиках ионов используется импульсно-цифровой метод измерения заряда, создаваемого осаждаемыми на собирающий электрод ионами. Использование идей, изложенных в вышеперечисленных аналогах, позволяет проектировать счетчики ионов, отвечающие всем вышеизложенным требованиям, кроме одного главного - они не позволяют одновременно в одном объеме измерять концентрацию ионов положительной и отрицательной полярности. За неимением ничего лучшего, разработчики пошли по пути спаривания в одном корпусе двух счетчиков ионов - одного для измерения концентрации положительных ионов, другого - для измерения концентрации отрицательных ионов. И хотя в таких счетчиках ионные камеры располагают рядом друг с другом, расчет коэффициента униполярности по таким измерениям не корректен, т.к. исследуемые объемы воздуха разнесены в пространстве. Тем не менее, разные фирмы под разными названиями выпускают счетчики ионов именно такого типа.

Наиболее близким аналогом в части решения главной задачи - одновременного измерения в одном и том же объеме концентрации ионов обоих знаков - является счетчик ионов, содержащий снабженную воздуходувкой аспирационную ионную камеру с электродами, блок питания ионной камеры и два измерительных блока (смотри SU 375711, 01.06.73, на «Аспирационный счетчик аэроионов»). В этом счетчике ионов первый измерительный блок включен между первым собирающим электродом и корпусом камеры, второй измерительный блок включен между вторым собирающим электродом и блоком питания камеры, а в качестве измерительных блоков применены динамические электрометры. Главный недостаток этого счетчика ионов - это сложность автоматизации его работы, связанная с необходимостью иметь коммутаторы для переключения калиброванных сопротивлений до 10¹² Ом, что проблематично. Второй существенный недостаток - это чувствительность входящих в счетчик динамических электрометров к любым тряскам, вибрациям, изменениям внешней температуры. А о компактности такого прибора не может быть и речи. По этим и другим причинам такие счетчики ионов не получили распространения.

Задачей является создание устойчивого к механическим перегрузкам и изменениям параметров внешней среды счетчика ионов для одновременного измерения в одном и том же объеме концентрации ионов обоих знаков с возможностью работы в автоматическом режиме.

Для решения этой задачи в счетчике ионов, содержащем снабженную воздуходувкой аспирационную ионную камеру с электродами, блок питания ионной камеры и два измерительных блока, в корпусе ионной камеры последовательно установлены четыре электрода, выполненные из наборов электрически и механически соединенных друг с другом параллельных пластин или соосных цилиндров разного диаметра, первый по ходу движения воздуха электрод соединен с корпусом ионной камеры, второй электрод подключен к входу первого измерительного блока, а четвертый электрод соединен с выходом блока питания ионной камеры, общие шины блока питания камеры и первого измерительного блока соединены с корпусом ионной камеры, а второй измерительный блок включен между третьим электродом и выходом блока питания камеры. Дополнительно лимитируется минимальная длина второго и третьего электродов, которая не менее чем в два раза превышает величину зазора между отдельными пластинами или цилиндрами, из которых собраны эти электроды.

Функциональная схема счетчика ионов представлена на фиг.1, а на фигурах 2, 3, 4 показаны варианты выполнения входных цепей первого и второго измерительных блоков при работе счетчика ионов в режиме измерения заряда, создаваемого осажденными на собирающие электроды ионами.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - корпус аспирационной ионной камеры;

2 - первый электрод (первый вспомогательный электрод);

3 - второй электрод (первый собирающий электрод);

4 - третий электрод (второй собирающий электрод);

5 - четвертый электрод (второй вспомогательный электрод);

6 - корпус воздуходувки;

7 - воздуходувка;

8 - экранирующая сетка;

9 - первый измерительный блок;

10 - второй измерительный блок;

11 - блок питания ионной камеры;

12 - блок синхронизации и управления;

13 - фланцы;

14 - блок измерения амплитуды одиночных импульсов;

15 - разрядный резистор;

16 - контакт реле с высоким качеством изоляции;

17 - контакт защитного реле;

18, 19 - диоды.

Стрелками на входе ионной камеры и на выходе воздуходувки показано направление потока воздуха.

В корпусе 1 аспирационной ионной камеры последовательно, начиная со входа в камеру, установлены:

соединенный с корпусом 1 первый электрод 2, являющийся первым вспомогательным электродом;

второй электрод 3, являющийся первым собирающим электродом;

третий электрод 4, являющийся вторым собирающим электродом;

четвертый электрод 5, являющийся вторым вспомогательным электродом.

Электроды 3, 4, 5 изолированы от корпуса 1 и друг от друга и имеют электрические выводы, проходящие через отверстия в корпусе 1, для соединения с внешними блоками. К корпусу 1 камеры прикреплен винтами (не показаны) корпус 6 с размещенной внутри воздуходувкой 7, например, в виде осевого вентилятора с плоским двигателем. Между корпусами 1 и 6 может быть установлена экранирующая сетка 8 с редкими ячейками для защиты электродов ионной камеры от электрического поля, создаваемого вращающейся крыльчаткой воздуходувки 7, если она расположена близко к электроду 5. Первый собирающий электрод 3 электрически соединен со входом первого измерительного блока 9, общая шина которого соединена с корпусом 1 камеры. Второй собирающий электрод 4 электрически соединен со входом второго 10 измерительного блока, общая шина которого подключена к выходу блока питания 11 ионной камеры, куда подключен и второй вспомогательный электрод 5, а общая шина блока питания 11 соединена с корпусом 1.

Для синхронизации работы измерительных блоков 9 и 10 предназначен блок синхронизации и управления 12. Корпус 1 ионной камеры и корпус 6 с воздуходувкой 7 крепятся друг с другом и с корпусом счетчика ионов с помощью фланцев 13.

Счетчик ионов может работать либо в режиме измерения ионного тока, создаваемого оседающими на собирающие электроды 3 и 4 ионами и протекающего через калиброванные входные сопротивления измерительных блоков, соответственно, 9 и 10 (это самый распространенный режим работы счетчиков ионов), либо в режиме измерения заряда, создаваемого оседающими ионами на тех же электродах 3 и 4. В этом случае измерительные блоки 9 и 10 должны иметь способность измерять амплитуду одиночных импульсов напряжения, формируемых путем разряда накопленного на электродах 3 и 4 заряда через входные сопротивления измерительных блоков 9 и 10. Специфика входных цепей измерительных блоков 9 и 10 для такого режима работы показана на фиг.2, 3 и 4. Здесь основным узлом в блоках 9 и 10 является блок измерения амплитуды одиночных импульсов 14 со входным разрядным резистором 15 и специальными реле (входят в блок синхронизации и управления 12) с контактом 16, имеющем высокое качество изоляции (например, 10¹⁴-10^-16Ом при разомкнутом контакте 16). С помощью контактов 16 блоки 14 подключаются к собирающим электродам 3 или 4. Контакт 17 защитного реле, расположенного в блоке 12, блокирует вход блока 14 (по фиг.3) при включении счетчика ионов на время переходных процессов, пока не установится выходное напряжение на выходе блока питания 11 и на собирающем электроде 4. Вместо контакта реле 17 для тех же целей могут быть использованы в некоторых вариантах исполнения защитные диоды 18 и 19.

О специфике измерения амплитуды одиночных импульсов можно подробно ознакомиться по книге: З.В.Маграчев. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов. М., «Энергия», 1974 г., 223 стр.

Об использовании метода измерения заряда в счетчиках ионов можно ознакомиться по целому ряду авторских свидетельств СССР, например:

SU 453612, 20.01.75, G 01 N 15/00, на авторегулятор концентрации атмосферных ионов; автор: В.П.Реута;

SU 474827, 13.01.76, G 06 M 11/00, на устройство для счета ионов; авторы: В.П.Реута, В.М.Маковеев;

SU 868534, 30.09.81, G 01 N 27/62, на устройство для счета ионов; авторы: В.П.Реута, Ф.Х.Туктагулов.

В последнем авторском свидетельстве описан автоматический счетчик ионов.

После включения питания и завершения переходных процессов счетчик ионов окажется в исходном состоянии, при котором, при всегда нулевом потенциале на первом 2 вспомогательном электроде, под нулевым потенциалом окажется первый собирающий электрод 3, а второй собирающий электрод 4 окажется под потенциалом источника питания 11, под которым будет постоянно находиться второй вспомогательный электрод 5. При этом собирающие электроды 3 и 4 образуют электронную линзу. Расчет такой линзы приведен в статье: В.М.Маковеев, И.Р.Уразбахтин, Л.И.Хайбулова. Аспирационная камера для счетчика легких аэроионов; «Электронное приборостроение», Выпуск 5(39), стр.83-92 - г.Казань, ЗАО «Новое знание», 2004 г.

Поскольку вспомогательные электроды 2 и 5 расположены, соответственно, на входе и выходе ионной камеры рядом с собирающими электродами, соответственно, 3 и 4, с такими же потенциалами, то электроды 2 и 5 как бы увеличивают длину рядом расположенных собирающих электродов, устраняя тем самым краевой эффект у собирающих электродов 3 и 4. С другой стороны - электроды 2 и 5 играют экранирующую роль против внешних относительно ионной камеры электрических полей. И, наконец, вспомогательные электроды 2 и 5 могут быть использованы для крепления к ним через высококачественные изоляторы (например, из янтаря, тефлона, полистирола) собирающих электродов, соответственно, 3 и 4, что упрощает задачу защиты изоляторов собирающего электрода 4 от токов утечки с электрода 4 на корпус.

Итак, переходные процессы закончились. Воздуходувка 7 протягивает через ионную камеру между электродами 2-5 воздух с ионами обоих знаков. Пусть на выходе блока питания 11 напряжение имеет положительную полярность. Тогда под действием электрического поля между собирающими электродами 3 и 4 положительные ионы будут оседать на собирающий электрод 3, а отрицательные ионы - на собирающий электрод 4. Пока контакты 16 замкнуты, накопления заряда на собирающих электродах не происходит, а ионный ток через замкнутые контакты 16 и резисторы 15 создаст на этих резисторах незначительный потенциал, на который блок 14 не реагирует. Затем блок синхронизации и управления 12 разомкнет контакт 17 на все время, вплоть до выключения питания счетчика ионов (при подаче сигнала на выключение вначале замкнется контакт 17, затем выключится питание счетчика). После этого по заданной программе блок 12 будет одновременно размыкать на заданное время, например, на одну секунду, контакты 16 в измерительных блоках 9 и 10. При разомкнутых контактах 16 на собирающих электродах 3 и 4 будет накапливаться заряд от осевших ионов, соответственно, положительной и отрицательной полярности. Через заданное время блок 12 одновременно замкнет контакты 16 в блоках 9 и 10, за счет чего заряды, накопленные на емкостях электродов 3 и 4, создадут разрядные импульсы на резисторах 15 в блоках 9 и 10 в виде экспонент. Амплитуда этих импульсов, равная:

где: n⁺, n^- - концентрация ионов положительной или отрицательной полярности в см³ воздуха (1/см³);

V - объемный расход воздуха, продуваемого через ионную камеру (см³/сек);

t - время разомкнутого состояния контактов 16 (сек);

е=1,602·10^-19 Кл - заряд электрона;

U⁺, U^- - амплитуда импульсов положительной на электроде 3 или отрицательной на электроде 4 полярности (Вольт);

C₃=C₄ - емкости собирающих электродов 3 и 4 относительно корпуса 1 (Ф);

А - коэффициент пропорциональности.

Амплитуда импульсов U⁺ или U^- будет измерена блоками 14 измерения амплитуды одиночных импульсов, соответственно, в измерительных блоках 9 и 10 и в виде цифр для n⁺ и n^- будет высвечена на отдельных индикаторах.

Далее процесс измерения будет продолжаться после каждого очередного размыкания контактов 16 вплоть до выключения питания счетчика ионов.

В качестве контактов 16, как правило, используют специальные реле с изоляторами из янтаря или сапфира.

Для того чтобы емкости собирающих электродов 3 и 4 относительно корпуса 1 были равны друг другу, при разработке ионной камеры соблюдают полную симметрию конструкции электродов 2 и 5, 3 и 4, а также зазоров между парами электродов 2 и 3, 4 и 5.

1. Счетчик ионов, содержащий снабженную воздуходувкой аспирационную ионную камеру с электродами, блок питания ионной камеры и два измерительных блока, отличающийся тем, что в корпусе ионной камеры последовательно установлены четыре электрода, выполненные из наборов электрически и механически соединенных друг с другом параллельных пластин или соосных цилиндров разного диаметра, первый по ходу движения воздуха электрод соединен с корпусом ионной камеры, второй электрод подключен ко входу первого измерительного блока, а четвертый электрод соединен с выходом блока питания ионной камеры, общие шины блока питания камеры и первого измерительного блока соединены с корпусом ионной камеры, а второй измерительный блок включен между третьим электродом и выходом блока питания камеры.

2. Счетчик ионов по п.1, отличающийся тем, что длина второго и третьего электродов не менее чем в два раза превышает величину зазора между отдельными пластинами или цилиндрами, из которых собраны эти электроды.