Устройство для измерения концентрации ионов

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.