УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧЕТА ИОНОВ Российский патент 1996 года по МПК H01J47/00 G01T1/185 

Устройство относится к приборам для измерения концентрации аэроионов.

Известно устройство для счета ионов, содержащее аспирационную камеру, соединенную с источником питания и электрометрическим усилителем и блоком регистрации результатов измерения (Х.Ф. Таммет "Аспирационный метод измерения спектра аэроионов", Ученые записки ТГУ, вып. 195, 1967). Недостатком этого устройства является сложность съема и обработки сигнала аспирационной камеры, а также отсутствие проверки правильности показаний в процессе работы.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для счета ионов, содержащее аспирационную камеру, подключенную к источнику питания и ключу, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, амплитудно-временной преобразователь, соединенный с первыми входами элемента И, генератор импульсов, связанный со вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, и триггер, выход которого подключен к третьему входу первого элемента И и ко второму входу второго элемента И, а входы связаны соответственно с выходом второго элемента И и со вторым выходом блока управления, который соединен и со вторым входом счетчика (а.с. N 474827, БИ N 23, 1975).

Недостаток прототипа заключается в отсутствии возможности проверки правильности его показаний в процессе эксплуатации.

Изобретение решает задачу создания встроенного контроля устройства для счета ионов в процессе его работы.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее аспирационную камеру, подключенную к источнику питания и ключу, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, амплитудно-временной преобразователь, соединенный с первыми входами элементов И, генератор импульсов, связанный со вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, и триггер, выход которого подключен к третьему входу первого элемента И и ко второму входу второго элемента И, а входы связаны с выходом второго элемента И и со вторым выходом блока управления, который соединен и со вторым входом счетчика, дополнительно введены источник опорного напряжения, аналоговый ключ, формирователь сигнала проверки и измерительный усилитель, первый вход которого соединен с ключом, выход со входом амплитудно-временного преобразователя, и второй вход с выходом аналогового ключа, первый вход которого соединен с общей шиной, второй с выходом источника опорного напряжения, а управляющий вход связан с выходом формирователя сигнала проверки, первый вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а второй с шиной режима работы устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 3, где показаны соответственно структурные схемы устройства, временные диаграммы его работы и одна из возможных реализаций блока управления 4. Здесь: 1 аспирационная камера, 2 источник питания камеры, 3 ключ, 4 блок управления, 5 - измерительный усилитель, 6 амплитудно-временной преобразователь, 7-8 схемы И, 9 триггер, 10 генератор, 11 счетчик, 12 аналоговый ключ, 13 - источник опорного напряжения, 14 формирователь сигнала проверки, 15 шина режима работы, 16 генератор импульсов, 17 счетчик-делитель, 18 - D-триггер, 19 одновибратор.

Устройство (фиг. 1) состоит из аспирационной камеры 1, связанной с источником ее питания 2, и ключом 3, соединяющим собирающий электрод камеры с измерительным усилителем 5, выход которого связан с амплитудно-временным преобразователем 6, соединенным с первыми входами первой 8 и второй 7 схем И. Выход первой 8 схемы И соединен с первым входом счетчика импульсов 11, а выход второй 7 схемы И с первым входом триггера 9, выход которого соединен со вторым и третьим входами схем И 7, 8 соответственно, а второй вход схемы И 8 связан с выходом генератора 10.

Второй вход усилителя 5 связан с выходом аналогового ключа 12, один вход 1 которого соединен с общей шиной, а второй с источником опорного напряжения 13. Управляющий 3 вход аналогового ключа 12 связан с формирователем сигнала проверки 14. Синхронизация работы всех элементов осуществляется блоком управления 4, первый выход которого связан с ключом 3, второй со вторым входом триггера 9 и вторым входом счетчика импульсов 11, а третий с первым входом формирователя сигнала проверки 14. Состояние формирователя сигнала проверки 14 определяется сигналом шины режима работы 15.

Устройство для счета ионов может работать в двух режимах в режиме измерения концентрации аэроионов и в режиме проверки правильности показаний. Выбор нужного режима может быть автоматический или с помощью сигнала, подаваемого по шине режима работы 15 оператором.

На фиг. 1 показана одна из возможных реализаций измерительного усилителя на основе операционного усилителя с отрицательной обратной связью, инвертирующий вход которого подключен к ключу 3, а неинвертирующий к выходу аналогового ключа 12.

Рассмотрим режим измерения. В этом режиме за счет сигнала, поступающего с шины режима работы 15, формирователь сигнала проверки 14 не реагирует на сигнал с 3-го выхода блока управления 4 и становится в такое состояние, что аналоговый ключ 12 соединяет неинвертирующий вход усилителя 5 с общей шиной. Исследуемый воздух с аэроионами прокачивается через аспирационную камеру 1. Ионы под действием электростатического поля, создаваемого в камере 1 источником 2, оседают на собирающий электрод и через входное сопротивление усилителя 5 стекают на общую шину.

В момент времени t₀ с первого выхода блока управления 4 поступает сигнал и ключ 3 размыкается. В результате за счет оседания ионов на собирающий электрод камеры 1 его емкость начинает заряжаться. Заряд этой емкости в любой момент времени пропорционален количеству осевших ионов и, следовательно, их концентрации.

В момент времени t'₁ со второго выхода блока управления 4 поступает короткий импульс сброса (см. фиг. 2) на счетчик 11 и триггер 9, который обнуляет счетчик, а триггер переводит в такое состояние, что его сигнал открывает схемы И 7, 8 по связанным с ним входам. Затем с некоторым запаздыванием t₁ t'₁ оканчивается сигнал на первом выходе блока управления, и ключ 3 замыкается. Время t₁ t'₁ должно быть таким, чтобы его хватило для установки узлов 9 и 11 в исходное состояние.

В результате замыкания ключа 3 собирающий электрод камеры 1 соединяется с инвертирующим входом усилителя 5 и накопленный на нем заряд стекает через входное сопротивление усилителя. За счет этого на его выходе формируется импульс (см. фиг. 2Д) с амплитудой:

где
Q заряд, накопленный на собирающем электроде камеры к моменту;
С₁ емкость собирающего электрода камеры.

Так как величина Q пропорциональна ρ объемной плотности заряда аэроинов, то и амплитуда импульса U_m будет пропорциональна r.

С помощью амплитудно-временного преобразователя 6 полученный импульс преобразуется в импульс прямоугольной формы, длительность которого пропорциональна U_m, а следовательно, и объемной плотности заряда аэроионов. Схемы И 7, 8 открываются. На выходе схемы И 8 появляется пачка импульсов частотой генератора 10, которые подсчитываются счетчиком 11. Число этих импульсов очевидно пропорционально r.

По заднему фронту импульса с выхода амплитудно-временного преобразователя 6 закрывается схема И 7, что приводит к опрокидыванию триггера 9. Схемы И 7, 8 запираются и на вход счетчика 11 не поступит больше импульсов до тех пор, пока не появится очередной импульс сброса (см. фиг. 2Б).

Режим проверки правильности показаний. В этом режиме с шины режима работы 15 поступает сигнал (см. фиг. 2В), за счет которого прекращается прокачивание воздуха через камеру (обестачивается двигатель воздуходувки) и снимается сигнал запрета с формирователя сигнала проверки 14. В результате снятия сигнала запрета в момент t'₃ (t'₇.) на выходе формирователя сигнала проверки вырабатывается импульс (см. фиг. 2Г), который открывает аналогичный ключ 12 и на инвертирующий вход усилителя 5 подается напряжение источника опорного напряжения 13. Это приведет к тому, что и на инвертирующем входе усилителя 5 появится напряжение источника опорного напряжения 13. Так как в это время ключ 3 еще замкнут (см. фиг. 2А, А), то емкость С начнет заряжаться через сопротивление R₁. Величину интервала времени t₃ - t'₃ необходимо брать такой, чтобы емкость камеры успела зарядиться до напряжения источника опорного напряжения 13. Обычно оно невелико и составляет сотни микросекунд.

В момент времени t₃ ключ 3 размыкается, а затем в момент оканчивается импульс и на выходе формирователя сигнала проверки 14. Аналоговый ключ 12 вновь соединяет неинвертирующий вход усилителя 5 с общей шиной, и напряжение на выходе усилителя 5 вернется к исходному значению. В результате аспирационная камера 1 после момента t₃ окажется заряженной до напряжения источника опорного напряжения 13.

Изменение напряжения на выходе усилителя 5 за время t₄ t'₃ не повлияет на состояние счетчика 11, так как импульс сброса еще не прошел и схемы И 7, 8 закрыты выходным сигналом триггера 9.

При хорошей изоляции собирающего электрода аспирационной камеры сообщенный ему за время t₃ -t'₃ заряд сохранится до момента следующего замыкания контактов ключа 3 (момент t₅ фиг. 2А). В момент t'₅ со второго выхода блока управления поступит сигнал сброса (см. фиг. 2Б) и сигнал на замыкание ключа 3 (см. фиг. 2А). Импульс сброса изменит состояние триггера 9, и схемы И 7, 8 откроются. Замыкание ключа 3 в момент t₅ приведет к разряду емкости аспирационной камеры и появлению на выходе усилителя 5 импульса, амплитуда которого пропорциональна заряду на аспирационной камере к моменту t₅. О результате измерения амплитуды этого импульса с помощью амплитудно-временного преобразователя 6 и других элементов устройства можно судить как о качестве изоляции аспирационной камеры, так и об исправности измерительного тракта.

На фиг. 3 приведена одна из возможных реализаций блока управления 4 и временные диаграммы его работы. Он состоит из генератора 16, счетчика-делителя 17, D-триггера 18 и одновибратора 19. С помощью счетчика-делителя 17 формируется сигнал А' (см. фиг. 2А'), передним фронтом которого запускается формирователь сигнала проверки 14 в режиме проверки, а задний используется для запуска одновибратора 19 (см. фиг. 3), на выходе которого формируется импульс сброса (см. фиг. 2Б). Сигнал, управляющий ключом 3, получается с помощью D-триггера 18, выходной сигнал которого повторяет сигнал счетчика-делителя 18, но сдвинутый относительно его на один период импульсов генератора 16.

Таким образом предложенное устройство для счета ионов обладает возможностью проведения проверки правильности его показаний в процессе работы благодаря наличию встроенного контроля. Это позволяет значительно повысить достоверность результатов измерений.

Устройство состоит из аспирационной камеры, связанной с источником ее питания и ключом, соединяющим собирающий электрод камеры с измерительным усилителем, выход которого связан с амплитудно-временным преобразователем, соединенным с первыми входами первой и второй схем И. Выход первой схемы И соединен с первым входом счетчика импульсов, а выход второй схемы И - с первым входом триггера, выход которого соединен со вторым и третьим входами схем И соответственно, а второй вход схемы И связан с выходом генератора. Второй вход усилителя связан с выходом аналогового ключа, один вход которого соединен с общей шиной, а второй с источником опорного напряжения. Управляющий вход аналогового ключа связан с формирователем сигнала проверки. Синхронизация работы всех элементов осуществляется блоком управления, первый выход которого связан с ключом, второй - со вторым входом триггера и вторым входом счетчика импульсов, а третий - с первым входом формирователя сигнала проверки. Состояние формирователя сигнала проверки определяется сигналом шины режима работы. 3 ил.

Устройство для счета ионов, содержащее аспирационную камеру, подключенную к источнику питания и ключу, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, амплитудновременной преобразователь, соединенный с первыми входами элеметов И, генератор импульсов, связанный с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, и триггер, выход которого подключен к третьему входу первого элемента И и к второму входу второго элемента И, а входы связаны с выходом второго элемента И и с вторым выходом блока управления, который соединен и с вторым входом счетчика, отличающееся тем, что в него введены источник опорного напряжения, аналоговый ключ, формирователь сигнала проверки и измерительный усилитель, первый вход которого соединен с ключом, выход с входом амплитудно-временного преобразователя, а второй вход с выходом аналогового ключа, первый вход которого соединен с общей шиной, второй с выходом источника опорного напряжения, а управляющий вход связан с выходом формирователя сигнала проверки, первый вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а второй предназначен для соединения с шиной режима работы устройства.