×
13.01.2019
219.016.af1f

Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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.
Реферат Свернуть Развернуть

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.


Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 11.
11.10.2018
№218.016.90a7

Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с магнитной редукцией. Технический результат - улучшение энергетических показателей, повышение надежности. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит кольца магнитопровода статора, ротор быстрого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668817
Дата охранного документа: 08.10.2018
30.11.2018
№218.016.a266

Мотор-колесо

Изобретение относится к мотор-колесу. Мотор-колесо содержит: шину, обод, диск, электродвигатель, фланец статора и датчик положения ротора. Электродвигатель состоит из статора с катушками обмотки, ротора, соединенного с ободом колеса, ротора быстрого вращения, полой оси, насаженной на полуось...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002673587
Дата охранного документа: 28.11.2018
21.03.2019
№219.016.eb8a

Многофункциональное устройство с реализацией способа изучения иностранных языков

Изобретение относится к области образования, а именно к процессу обучения иностранным языкам. Для изучения иностранных языков используют многофункциональное устройство, выполненное в виде кружки, в корпус которой соосно вставлен внутренний стакан с образованием герметичного пространства между...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002682524
Дата охранного документа: 19.03.2019
17.04.2019
№219.017.14e8

Кайт

Изобретение относится к области авиации. Кайт содержит ручки, купол, купольные стропы, соединенные с куполом, стропы управления, соединенные с купольными стропами с одной стороны и ручками с другой, силовые стропы, соединенные с ручками и купольными стропами, трапеционный шкот, соединенный с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684869
Дата охранного документа: 15.04.2019
17.04.2019
№219.017.14f6

Устройство ограничения усилия связи пилота с кайтом

Изобретение относится к авиации. Устройство ограничения безопасного усилия связи пилота с кайтом содержит кольцо, стакан с дном, элемент для присоединения к центральной стропе кайта, упругий элемент, шпильку и трос крепления пилота. Упругий элемент соединен первым концом с дном стакана, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684873
Дата охранного документа: 15.04.2019
17.04.2019
№219.017.14fa

Способ пилотирования кайта

Изобретение относится к авиации. Способ пилотирования кайта основан на размыкании устройства, соединяющего кайт с пилотом, при превышении допустимого усилия от кайта. Устройство содержит стакан, шпильку и упругий элемент, соединенный с дном стакана так, что шпилька выходит из стакана и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684874
Дата охранного документа: 15.04.2019
17.04.2019
№219.017.1526

Кайт

Изобретение относится к области авиации. Кайт содержит планку, купол, купольные стропы, соединенные с куполом, центральную стропу, стропы управления, соединенные с купольными стропами с одной стороны и планкой с другой, силовые стропы, соединенные с центральной стропой и купольными стропами,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684871
Дата охранного документа: 15.04.2019
17.04.2019
№219.017.1535

Кайт

Изобретение относится к авиации. Кайт содержит планку, купол, купольные стропы, соединенные с куполом, центральную стропу, стропы управления, соединенные с купольными стропами с одной стороны и планкой с другой, силовые стропы, соединенные с центральной стропой и купольными стропами, чикенлуп,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002684879
Дата охранного документа: 15.04.2019
27.04.2019
№219.017.3d42

Кайт

Изобретение относится к авиации. Кайт содержит ручки, купол, купольные стропы, соединенные с куполом, стропы управления, соединенные с купольными стропами с одной стороны и ручками с другой, силовые стропы, соединенные с ручками и купольными стропами, и кайткиллеры, каждый из которых выполнен в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686360
Дата охранного документа: 25.04.2019
27.07.2019
№219.017.b98d

Мобильная снегоплавильная установка

Изобретение относится к оборудованию очистки улиц и дорог от снежной массы и может быть использовано в городском хозяйстве, на транспортных и промышленных предприятиях и других территориях. Мобильная снегоплавильная установка содержит двухступенчатый гидроциклон-окислитель 12 с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002695676
Дата охранного документа: 25.07.2019
Показаны записи 1-4 из 4.
13.01.2017
№217.015.90e1

Способ измерения концентрации ионов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха. Технический результат - повышение точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех. В способе измерения концентрации ионов, заключающемся в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603970
Дата охранного документа: 10.12.2016
25.08.2017
№217.015.b4d5

Устройство для счета ионов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха. Технический результат - повышение точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех. В устройстве для счета ионов, содержащем аспирационную камеру,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614157
Дата охранного документа: 23.03.2017
09.11.2018
№218.016.9c08

Устройство для счета ионов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха. Технический результат - повышение точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех. Устройство для счета ионов содержит аспирационную камеру,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002671833
Дата охранного документа: 07.11.2018
08.11.2019
№219.017.df4c

Устройство для измерения концентрации ионов

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002705194
Дата охранного документа: 06.11.2019
+ добавить свой РИД