СЧЕТЧИК ИОНОВ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ Российский патент 1999 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологии и здравоохранении, в частности для контроля воздуха на соответствие "Саниторно-гигиеническим нормам допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений".

Известен регистратор атмосферных ионов (Я.Ю. Рейнет, Р.Л.Матизян, Э.Ю. Ютс, а.с. СССР N 517083), состоящий из источника напряжения, измерительного конденсатора и включенного между ними электрометра. Недостаток этого устройства в том, что оба вывода электрометра находятся под напряжением относительно земли. Прикосновение к электрометру или подключение к нему автоматического регистрирующего прибора приводит к появлению паразитных токов через электрометр, что создает большие погрешности при измерении ионного тока.

Наиболее близкий аналог - счетчик аэроионов (Х.Ф. Таммет, а.с. СССР N 151071), состоящий из измерительного конденсатора, высокочувствительного электрометра, источника питания и устройства для протягивания воздуха. Внутренняя обкладка измерительного конденсатора соединена с электрометром через электрический конденсатор. К недостаткам этого счетчика аэроионов относится невозможность непрерывного измерения ионного тока. Кроме того, для получения каждого дискретного значения ионного тока необходимо наличие источника питания (чтобы перед каждым дискретным измерением зарядить измерительный конденсатор), измерителя времени (чтобы измерять период между двумя моментами измерения напряжения) и вычислительной техники (чтобы вычислять значения ионного тока). Все это усложняет измерения, особенно при необходимости получить много значений ионного тока. Другой недостаток этого счетчика (погрешность измерений) вызван тем, что за период между двумя измерениями снижается напряжение на измерительном конденсаторе. Для уменьшения этой погрешности уменьшают величину снижения напряжения. Но для измерения малого снижения напряжения приходится использовать высокочувствительный электрометр, который сложнее обычного электрометра, а это дополнительно усложняет измерения. Кроме полезного сигнала, высокочувствительный электрометр реагирует на паразитные токи, что увеличивает погрешность измерений. Для получения каждого дискретного значения ионного тока необходимо два раза измерять напряжение электрометром, что усложняет измерения. При отключении выключателя, соединенного с внутренней обкладкой, его контакты удаляются друг от друга. В результате на внутренней обкладке индуцируется паразитный заряд, приводящий к погрешности измерений. После подключения источника питания к внутренней обкладке напряжение на ней возрастает. В результате по изоляторам внутренней обкладки текут токи поляризации, и нужно выждать несколько минут, пока они затухнут, и только затем отключать источник питания. Это уменьшает производительность измерений. Измеритель времени имеет некоторую погрешность измерений. Величина измеряемого им периода входит в выражение для расчета ионного тока. В результате ионный ток рассчитывается с погрешностью.

Целью заявляемого изобретения является непрерывность измерений ионного тока.

Сущность изобретения состоит в том, что в счетчике ионов в газовой среде, состоящем из источника питания и электрического конденсатора, включенного между электромером и внутренней обкладкой измерительного конденсатора, емкость электрического конденсатора выбрана в соответствии с системой неравенств

где C - емкость электрического конденсатора;
t_н - заданный период непрерывного измерения на верхнем пределе измерений ионного тока счетчика;
R - сопротивление изоляции между выводами электрического конденсатора;
ΔU_доп - наиболее допустимое снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе;
I_в - значение верхнего предела измерений ионного тока счетчика;
R_э - входное сопротивление электрометра;
U₀ - величина номинального напряжения на измерительном конденсаторе.

Взаимосвязь параметров счетчика, приведенная в этой системе неравенств, получена экспериментальным путем и не обнаружена среди известных технических решений.

Метод выбора конструктивных элементов счетчика, параметры которых удовлетворяют системе неравенств, изложен в следующих источниках информации: Имянитов И. М. , Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, М., Гостехиздат, 1957 г. , с. 263; Таммет Х.Ф., Аспирационный метод измерения спектра аэроионов, Тартусский государственный университет, Тарту, 1967 г.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что в течение заданного периода непрерывного измерения ионного тока на верхнем пределе измерений снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе не превышает наибольшей допустимой величины. Т.е. напряжение на измерительном конденсаторе стабильное, а возможное отклонение от стабильности не превышает наибольшей допустимой величины. Благодаря этому ионной ток измеряется непрерывно. При этом измерения упрощаются, снижается погрешность и повышается производительность измерений.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявляемого счетчика.

На фиг. 2 изображен график зависимости ионного тока заявляемого счетчика от расхода воздуха в измерительном конденсаторе.

В таблице приведена зависимость снижения абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе от выбранной емкости электрического конденсатора (см. в конце описания).

Возможность осуществления заявляемого счетчика иллюстрирует схема на фиг. 1. Электрический конденсатор 1 включен между входным выводом электрометра 2 и внутренней обкладкой 3 измерительного конденсатора, у которого внешняя обкладка 4 заземлена. Нулевой вывод электрометра заземлен. Длина измерительного конденсатора 395 мм, внутренний диаметр внешней обкладки 73 мм, наружный диаметр внутренней обкладки 16 мм, емкость 10 пФ. Напряжение на измерительном конденсаторе, поданное от заряженного электрического конденсатора 1, равно 385 B относительно земли в режиме холостого хода (при отсутствии ионного тока). Электрометр выполнен на операционном усилителе типа К140УД2401 по схеме повторителя. Входное сопротивление электрометра 10¹⁰ Ом, верхний предел измерений 0,6 • 10^-12 A, разрешающая способность 0,01 • 10^-12 A. Электрический конденсатор предпочтителен с полиэтилентерефталатным, фторопластовым или стирофлексовым диэлектриком для уменьшения тока утечки по сопротивлению изоляции между его выводами.

Функционирует счетчик следующим образом. Под действием напряжения, поданного на измерительный конденсатор, отрицательные ионы из потока воздуха 5 оседают на внутреннюю обкладку 3 и отдают ей свои отрицательные заряды. Поэтому заряд положительной обкладки электрического конденсатора 1 уменьшается. В результате электрическое равновесие зарядов внутри электрического конденсатора нарушается, и с его отрицательной обкладки стекает через электрометр 2 на землю такое же количество отрицательных зарядов, какое стекает с его положительной обкладки для нейтрализации зарядов отрицательных ионов воздуха, оседающих на внутреннюю обкладку 3. Следовательно, электрометр непрерывно измеряет величину тока отрицательных ионов воздуха. При расходе воздуха 6300 см³/с на внутреннюю обкладку оседают все легкие отрицательные ионы с подвижностями более 0,1 см³/B • c, а также часть средних и тяжелых отрицательных ионов воздуха.

Параметры счетчика, указанные при описании сущности изобретения, в данном примере имеют следующие конкретные значения:
t_н = 4•10⁶c,
R = 10¹⁵Ом,
ΔU_доп = 4 B,
I_в = 0,6•10^-12 A,
R_э = 10¹⁰Ом,
U⁰ = 385 B.

Емкость электрического конденсатора вычислена по первому неравенству их системы неравенств, приведенной при описании сущности изобретения


C ≥ 0,985 мкФ.

Проверка выполнения условия второго неравенства из указанной системы неравенств


4 > 0,006.

Условие второго неравенства выполняется.

В качестве электрического конденсатора в счетчик поочередно устанавливают конденсаторы типа К73П-2, заряженные до номинального напряжения U₀ = 385 B, емкостью соответственно 0,33 мкФ; 0,47 мкФ; 1,0 мкФ; 2,0 мкФ.

В счетчике создают ионный ток I_и на верхнем пределе измерений (I_и=I_в= 0,6•10^-12A). В результате электрический конденсатор разряжают суммой ионного тока I_и=0,6•10^-12A и тока утечки через сопротивления изоляции между его выводами. По истечении периода t_н=4•10⁶c измеряют остаточное напряжение U_ост на измерительном конденсаторе. Снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе (ΔU) вычисляют по выражению

где ΔU - снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе;
U₀ - номинальное напряжение на измерительном конденсаторе;
U_ост - остаточное напряжение на измерительном конденсаторе после разряда электрического конденсатора током 0,6•10^-12A в течение периода 4•10⁶c.

Результаты измерений и вычислений сведены в прилагаемую таблицу. Из этой таблицы видно, что если емкость электрического конденсатора больше 0,985 мкФ (т. е. выбрана в соответствии с системой неравенства, приведенной при описании сущности изобретения), то в течение заданного периода (t_н=4•10⁶c) непрерывного измерения ионного тока на верхнем пределе измерений (I_н= 0,6•10^-12A) снижение абсолютной величины номинального напряжение на измерительном конденсаторе (ΔU) не превышает наибольшей допустимой величины (ΔU < ΔU_доп). Т. е. напряжение на измерительном конденсаторе стабильное, а отклонение от стабильности не превышает наибольшей допустимой величины. Благодаря этому ионный ток измеряют непрерывно.

В результате по сравнению с наиболее близким аналогом, измерения упрощаются, снижается погрешность и повышается производительность измерений. Источник питания для зарядки электрического конденсатора используется только один раз в течение всего заданного периода непрерывного измерения; отпадает необходимость в вычислительной технике, т.к. ионный ток измеряется непосредственно электрометром; одного текущего показания электрометра достаточно для получения информации о величине ионного тока, поэтому отпадает необходимость дважды измерять напряжение электрометром; т.к. ионный ток измеряется непрерывно, то при измерении каждого значения ионного тока отпадает необходимость измерять период между двумя моментами измерения напряжения. Поскольку в заявляемом счетчике измеряется полная величина ионного тока, то вместо высокочувствительного электрометра используется обычный. Это упрощает счетчик, а также снижает погрешность измерений, т.к. обычный электрометр меньше подвержен влиянию паразитных токов, чем высокочувствительный. Во время непрерывного измерения ионного тока отпадает необходимость подключать источник питания к внутренней обкладке измерительного конденсатора, поэтому на ней уменьшается индуцируемый паразитный заряд. В результате этого заявляемый счетчик имеет меньшую погрешность измерений. Напряжение на измерительном конденсаторе практически стабильное в течение всего периода непрерывного измерения, поэтому токи поляризации изоляторов внутренней обкладки резко уменьшаются. Значит, во время непрерывного измерения отпадает необходимость в ожидании затухания токов поляризации, поэтому производительность заявляемого счетчика возрастает. В заявляемом счетчике отпадает необходимость в измерителе времени между двумя моментами измерения. Поэтому отпадает погрешность измерений ионного тока, обусловленная погрешностью измерителя времени.

Из прилагаемой таблицы видно, что при емкости электрического конденсатора меньше 0,985 мкФ (т.е. выбранной не в соответствии с системой неравенств, приведенной при описании сущности изобретения) снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе (ΔU) превышает наибольшую допустимую величину (ΔU > ΔU_доп) по истечении заданного периода (t_н=4•10⁶c) непрерывного измерения ионного тока на верхнем пределе измерений (I_и= 0,6•10^-12A). Следовательно, в данном конкретном примере счетчика электрический конденсатор емкостью менее 0,985 мкФ нельзя устанавливать.

Пользуются счетчиком следующим образом. Заряжают электрический конденсатор до напряжения 385 B относительно земли, при закороченном входе электрометра. Включают воздуходувку для прокачки атмосферного воздуха через измерительный конденсатор. Отключают закоротку от входа электрометра. Электрометром непрерывно измеряют ионной ток, создаваемый отрицательными ионами воздуха. Плавно изменяя расход воздуха от 5300 до 7300 см³/с и фиксируя соответствующие показания электрометра, получают график зависимости ионного тока от расхода воздуха (фиг. 2). При необходимости делают перерыв в измерениях. При этом электрический конденсатор оставляют подключенным к измерительному конденсатору, а вход электрометра закорачивают. Оставшийся в электрическом конденсаторе заряд сохраняют, а измерительный конденсатор закрывают с двух сторон для предотвращения разряда электрического конденсатора ионами воздуха. При необходимости периодически контролируют напряжение на измерительном конденсаторе (например, 1 раз в неделю). Если снижение абсолютной величины номинального напряженияе на измерительном конденсаторе превысит наибольшую допустимую величину, то электрический конденсатор снова заряжают до напряжения 385 B.

Для измерения положительных ионов воздуха электрический конденсатор заряжают до напряжения "минус" 385 B относительно земли при закороченном входе электрометра. В остальном пользуются счетчиком так же, как при измерении отрицательных ионов воздуха.

Область применения - метерология и здравоохранение. Счетчик состоит из измерительного конденсатора, электрометра и электрического конденсатора. Емкость электрического конденсатора выбрана в соответствии с системой неравенств

где С - емкость электрического конденсатора; t_н - заданный период непрерывного измерения на верхнем пределе измерений ионного тока счетчика; R - сопротивление изоляции между выводами электрического конденсатора; ΔU_доп - наибольшее допустимое снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе; I_в - значение верхнего предела измерений ионного тока счетчика; R_э - входное сопротивление электрометра; U_о - величина номинального напряжения на измерительном конденсаторе. Технический результат данного изобретения состоит в том, что при ионном токе величиной I_в в течение периода t_н снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе не превысит наибольшей допустимой величины. 2 ил., 1 табл.

Счетчик ионов в газовой среде, состоящий из источника питания и электрического конденсатора, включенного между электромером и внутренней обкладкой измерительного конденсатора, отличающийся тем, что емкость электрического конденсатора выбрана в соответствии с системой неравенств

где С - емкость электрического конденсатора;
t_n - заданный период непрерывного измерения на верхнем пределе измерений ионного тока счетчика;
R - сопротивление изоляции между выводами электрического конденсатора;
ΔU_доп- наибольшее допустимое снижение абсолютной величины номинального напряжения на измерительном конденсаторе:
I_в - значение верхнего предела измерений ионного тока счетчика;
R_э - входное сопротивление электрометра;
U_о - величина номинального напряжения на измерительном конденсаторе.