Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2676943:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Использование: для измерения концентрации аэроионов. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения концентрации ионов заключается в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении. Концентрацию ионов определяют по количеству импульсов напряжения, возникающих при разряде емкости аспирационной камеры на индуктивность, амплитуда которых больше определенного заданного значения согласно указанному выражению. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения и уменьшении аппаратурных затрат. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относиться 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, 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 этого метода 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 1012Ом.
Частично устранить этот недостаток можно путем использования способа измерения концентрации ионов (А.С. №474827, Устройство для счета ионов, G06m 11/00, Б.И. №23, 1975 г. ) - [2], по которому концентрацию ионов определяют по амплитуде импульса, возникающего на выходе входного каскада, 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 различных помех, наиболее существенной из которых является помеха от напряжения сети 220(B), 50(Гц), а также существенные аппаратурные затраты.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех при одновременном уменьшении и аппаратурных затрат.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения концентрации ионов, заключающемся в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении, новым является то, что концентрацию ионов определяют по количеству импульсов напряжения, возникающих при разряде емкости аспирационной камеры на индуктивность, амплитуда которых больше определенного, заданного значения, согласно выражению:
где 
где
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3],
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн].
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/сек],
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],
Uоп - заданное значение напряжения, [В].
По способу измерения концентрации ионов в качестве индуктивности используют гиратор.
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, новым является то, что ключ соединяет собирающий аспирационной камеры со входом гиратора, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, выход компаратора соединен со входом устройства управления и индикации, а концентрация ионов определяется по уравнению:
где:
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3].
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн].
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/сек],
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],
Uоп - заданное значение напряжения, [В].
К1 - коэффициент передачи гиратора, постоянная величина.
Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 где:
Фиг. 1 - Структурная схема устройства для реализации заявленного способа 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 - компаратор; 6 - устройство управления и индикации; 7 - 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, соединяющего собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4; 3.b - сигнал на выходе гиратора 4; 3.с - сигнал на выходе компаратора 5, Uоп - выходное напряжение источника опорного напряжения 7.
Фиг. 4 - электрические схемы гираторов (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М., Издательский дом «Додека-XX1», 2005 г. - 528 с. ) - [3].
Устройство для реализации заявленного способа 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 подключает собирающий электрод аспирационной камеры ко входу гиратора 4, который является эквивалентом индуктивности (см. Фиг. 4). Его выход соединен с первым входом компаратора 5. Второй вход компаратора 5 соединен с выходом источника опарного напряжения 7, а выход компаратора 5 - со входом устройства управления и индикации 6. Управляющий сигнал устройства управления и индикации 6 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 6.
Устройство работает следующим образом (см. 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 газа 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 t = 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], UL - 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 (см. фиг. 1), выполняются условия: 
и iL(t=0)=0. Тогда, решение этого уравнения запишется:
Где: 
и 
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 первый вход компаратора 5, на второй (инвертирующий) вход которого подается заданное опорное напряжения - Uоп. На выходе компаратора 5, начиная с момента замыкания контактов ключа 3, появятся импульсы прямоугольной формы. Они прекратятся в момент времени, когда амплитуда входных импульсов компаратора 5 (см. выражение 2) будет меньше заданного напряжения - Uоп, поступающего на его второй, инвертирующий вход от источника опорного напряжения 7. Интервал времени - ТИ, в течении которого на выходе компаратора 5 присутствуют импульсы, определится из условия:
Из этого выражения получаем: 
. Тогда, количество импульсов на выходе компаратора 5 будет равно:
где 
Из приведенного выше выражения для измеряемой концентрации ионов - n получаем:
То есть по количеству импульсов, которые регистрируются устройством управления и индикации 6 можно определить измеряемую концентрацию ионов - n. Частоту импульсов на выходе компаратора легко получить не менее десятков, сотен килогерц, a LC контур (см. фиг. 2) представляет собой полосовой фильтр второго порядка [3]. Так как его резонансная частота как минимум на три порядка больше частоты напряжения сети 50 Гц, то эта помеха, а так же и более высокочастотные помехи, практически не будет присутствовать на выходе гиратора 4 и, следовательно, не внесут погрешность в измерение концентрации ионов - n. Кроме того, из фиг. 1 видно, что предлагаемый способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации не содержит сложных узлов и прост в исполнении. Что же касается экспоненциальной зависимости между количеством регистрирующихся импульсов - N и измеряемой концентрацией ионов - n, то она легко реализуется с помощью существующей элементной базы, например, микроконтройлеров.
1. Способ измерения концентрации ионов, заключающийся в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении, отличающийся тем, что концентрацию ионов определяют по количеству импульсов напряжения, возникающих при разряде емкости аспирационной камеры на индуктивность, амплитуда которых больше определенного заданного значения согласно выражению
,
, 
,
где
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3],
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн],
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/с],
Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [с],
e=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона,
R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],
Uoп - заданное значение напряжения, [В],
К1 - коэффициент передачи гиратора.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве индуктивности используют гиратор.
3. 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, отличающееся тем, что ключ соединяет собирающий электрод аспирационной камеры со входом гиратора, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход соединен со входом устройства управления и индикации, определяющего концентрацию ионов согласно уравнению
,
, 
,
где
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3],
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн],
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/с],
Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [с],
е=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона,
R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],
Uoп - заданное значение напряжения, [В],
К1 - коэффициент передачи гиратора.
