АСПИРАЦИОННАЯ ИОННАЯ КАМЕРА Российский патент 2007 года по МПК G01N27/62 G01N15/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в составе счетчика ионов для одновременного измерения концентрации ионов, преимущественно - атмосферных, обоих знаков в одном и том же объеме, хотя может использоваться и для измерения концентрации ионов любого одного знака.

Известно большое количество самых разнообразных по конструкции аспирационных ионных камер, именуемых часто аспирационными конденсаторами, содержащими корпус с электродами (см., например: SU 332521, 03.05.1972; SU 439032, 29.01.1975; SU 522455, 02.12.1976; SU 538314, 16.03.1977; SU 935780, 15.06.1982; Н.Н.Комаров. Теория методов изучения ионизационного состояния атмосферы. Ленинград, «Гидрометеоиздат», 1987 г., стр.132-142.).

Но в том виде, в каком эти ионные камеры представлены в источниках информации, они не пригодны для использования в счетчиках ионов, предназначенных для одновременного измерения концентрации ионов обоих знаков в одном и том же объеме, т.к. в них не предусмотрена защита электродов, на которые должно подаваться напряжение питания камеры, от утечек на корпуса камер.

Известна аспирационная ионная камера, содержащая корпус с электродами (см., SU 375711, 01.06.1973), свободная от вышеназванного недостатка и используемая в аспирационном счетчике аэроионов для одновременного измерения в одном и том же объеме концентрации ионов обоих знаков. Но для работы такого счетчика ионов требуется применение в качестве измерительных блоков динамических электрометров или электрометрических усилителей, известных своей чувствительностью к механическим перегрузкам и температурным изменениям. Сложно также автоматизировать переключение диапазонов чувствительности в таких приборах, т.к. это связано с коммутацией резисторов с величиной сопротивления до 1000 ГОм, что проблематично. Использование же таких ионных камер для работы в режиме накопления заряда, создаваемого оседающими на электроды ионами, малоприемлемо из-за сугубо несимметричного расположения электродов камеры относительно ее корпуса, из-за чего эти электроды имеют существенно разные емкости относительно корпуса камеры. Поэтому одно и то же количество ионов разного знака будет создавать разные потенциалы на этих электродах, поскольку потенциал каждого электрода равен отношению заряда, накопленного на емкости электрода относительно корпуса камеры к величине этой емкости. Этот недостаток заметно усложняет настройку такого счетчика ионов.

Наиболее близкой по конструктивному исполнению является аспирационная ионная камера, содержащая корпус с последовательно установленными в нем электродами [см., В.М.Маковеев, И.Р.Уразбахтин, Л.И.Хайбулова. Аспирационная камера для счетчика легких аэроионов. - В научно-практическом сборнике «Электронное приборостроение», выпуск 5(39), Казань, ЗАО «Новое знание», 2004 г., стр.83-92, рисунки 2 и 7]. Представленные на рисунках ионные камеры содержат по три последовательно расположенных в корпусе электрода разной конструкции и предназначены для измерения концентрации ионов только какого-либо одного знака. Дополнительный недостаток связан с расположением изоляторов собирающих электродов по внешнему периметру этих электродов. Это приводит к неоправданно завышенному размеру этих изоляторов, что приводит не только к увеличению внешнего размера корпуса камер, но и усложняет изготовление этих изоляторов, их полировку, очистку и сборку камер в целом.

Задачей является создание универсальной аспирационной ионной камеры для счетчиков легких ионов, предназначенных для одновременного измерения концентрации ионов обоих знаков в одном и том же объеме с использованием как импульсно-цифрового метода измерения концентрации ионов, так и электрометрического метода измерения концентрации ионов, минимизация габаритов ионной камеры и упрощение сборки и настройки камеры.

Для этого в аспирационной ионной камере, содержащей корпус с последовательно установленными в нем электродами, в корпусе последовательно установлены четыре электрода, собранные из электрически и механически соединенных друг с другом параллельных пластин или соосных цилиндров разного диаметра, при этом один из электродов электрически соединен с корпусом камеры, а остальные три электрода имеют гнезда для подключения через отверстия в корпусе контактных штырей для соединения с внешними электронными блоками и изолированы от корпуса камеры, электроды в камере расположены в виде двух симметричных групп по два электрода в каждой группе, при этом один электрод в каждой группе является собирающим, а второй электрод - вспомогательным, в центре каждого собирающего электрода установлены высококачественные изоляторы с отверстиями по оси изоляторов, через которые пропущены винты для крепления с гарантированным зазором собирающих электродов к вспомогательным электродам, снабженным в центральной части перемычкой или заглушкой с отверстием в центре, причем одна пара электродов вставлена в гнездо во входной части корпуса с помощью металлических разрезных колец или полуколец, снабженных буртиками по внутреннему диаметру полуколец для фиксации между ними вспомогательного электрода, полукольца зафиксированы внутри корпуса, вторая группа электродов, собранная аналогично первой, вставлена в гнездо в выходной части корпуса, а фиксирующие полукольца для нее выполнены из изолятора, причем оба вспомогательных электрода расположены по краям корпуса камеры, а собирающие электроды расположены между ними внутри корпуса с гарантированным зазором, при этом, длина собирающих электродов не менее чем в два раза превышает величину зазора между отдельными пластинами или цилиндрами, из которых собраны эти электроды.

Дополнительно к этому:

- в варианте камеры с плоскими электродами эти электроды установлены в пространстве между двумя цилиндрами - наружным и наименьшим внутренним;

- высококачественные изоляторы выполнены из янтаря, полистирола или подобного им по изоляционным свойствам иного материала;

- винты для крепления выполнены с потайной головкой;

- гарантированный зазор выполнен с помощью распорных втулок;

- отверстие в центре перемычки или заглушки выполнено с резьбой;

- полукольца зафиксированы внутри корпуса с помощью распорных винтов.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 на продольном разрезе показана внутренняя структура ионной камеры с электродами, выполненными из соосных цилиндров;

на фиг.2 показан вид с торца этой же камеры;

на фиг.3 показан вид с торца ионной камеры с плоскими электродами, размещенными в пространстве между двумя цилиндрами;

на фиг.4 представлена блок-схема стыковки ионной камеры с внешними блоками.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - корпус камеры; 2 - металлические полукольца; 3 - первый вспомогательный электрод; 4 - первый собирающий электрод; 5 - первый изолятор; 6 - второй изолятор; 7 - винт; 8 - распорная втулка; 9 - контргайка; 10 - изоляционные полукольца; 11 - второй вспомогательный электрод; 12 - второй собирающий электрод; 13 - третий изолятор; 14 - четвертый изолятор; 15 - винт; 16 - распорная втулка; 17 - контргайка; 18 - гнезда для электрических контактов; 19 - отверстия в корпусе; 20 - отверстие в изоляторе; 21 - перемычки; 22 - фланцы; 23 - корпус воздуходувки; 24 - воздуходувка; 25 - блок питания ионной камеры; 26 - первый измерительный блок; 27 - контакт специального реле; 28 - разрядный резистор; 29 - второй измерительный блок; 30 - контакт специального реле; 31 - разрядный резистор.

Стрелками на фиг.4 показано направление потока исследуемого воздуха через ионную камеру.

На входе и выходе корпуса 1 сделаны гнезда в виде проточек, в которые с помощью полуколец 2 и 10 вставлены две симметричные группы электродов. Первая группа состоит из первого вспомогательного электрода 3 и первого собирающего электрода 4, в центре которого установлены высококачественные изоляторы 5 и 6 с отверстиями по оси изоляторов, через которые проходит винт 7 с потайной головкой. На винт 7 одета распорная втулка 8, обеспечивающая необходимый зазор между электродами 3 и 4 при стягивании винтом 7 этих электродов путем ввинчивания винта 7 в резьбовое отверстие в центральной перемычке вспомогательного электрода 2. После совмещения перемычек 21 в электродах 3 и 4 винт 7 контрится контргайкой 9. Сборка обоих групп электродов производится вне корпуса 1 камеры. После этого на вспомогательный электрод 3 одеваются полукольца 2, после чего собранная группа электродов 3 и 4 вместе с полукольцами 2 вставляется во входное гнездо корпуса 1 и, после совмещения центра гнезда 18 с центром отверстия 19, положение собранной группы электродов фиксируется внутри корпуса 1, например, с помощью распорных винтов (не показаны).

Аналогично собирается и вторая группа электродов, в которую входит второй вспомогательный электрод 11 и второй собирающий электрод 12 со вставленными в него изоляторами 13 и 14. Сборка производится с помощью винта 15, распорной втулки 16 и контргайки 17, которую затягивают после совмещения перемычек 21 с гнездами 18. После этой операции на второй вспомогательный электрод 11 одеваются изоляционные полукольца 10, после чего вся собранная группа электродов вместе с полукольцами 10 вставляется в правое по чертежу гнездо в корпусе 1. После совмещения центров гнезд 18 и отверстий 19 и 20 вся группа фиксируется в корпусе 1 аналогично первой группе электродов.

Сборка и принцип действия ионных камер по фигурам 2 и 3 идентичны, отличие заключается в технологии изготовления плоских и цилиндрических электродов. При изготовлении таких электродов предпочтение следует отдать точному литью под давлением, если количество изготавливаемых ионных камер оправдает затраты на изготовление пресс-форм. В противном случае следует применять другие технологии.

Для работы аспирационной ионной камеры к ней необходимо с помощью фланцев 22 подключить размещенную в корпусе 23 внешнюю воздуходувку 24, а с помощью жестких выводов, вставляемых в гнезда 18, подключить внешние электронные блоки. Ко второму вспомогательному электроду 11 необходимо подключить относительно корпуса камеры источник питания камеры 25, а к собирающим электродам 4 и 12 необходимо подключить измерительные блоки, соответственно, 26 и 29, причем, общая шина измерительного блока 26, подключаемого к первому собирающему электроду 4, должна быть соединена с корпусом 1 камеры, а общая шина измерительного блока 29, подключаемого ко второму собирающему электроду 12 должна быть соединена со вторым вспомогательным электродом 11 и с выходом блока питания камеры 25. Структура измерительных блоков определяется методом измерения концентрации ионов. Если концентрацию ионов измеряют путем измерения ионного тока, то в качестве измерительных блоков должны использоваться электрометрические измерительные блоки. Если же концентрацию ионов измеряют путем измерения заряда, накопленного на собирающих электродах за счет осажденных на них ионов, то в качестве измерительных блоков должны использоваться электронные блоки для измерения амплитуды одиночных импульсов. Оба режима измерения концентрации ионов давно известны и широко применяются. Естественно, что у каждого из этих режимов измерения есть свои достоинства и недостатки. Мы отдаем предпочтение второму методу, поскольку при его использовании легче автоматизировать процесс измерения; точность измерения концентрации ионов при использовании этого метода гораздо меньше зависит от изменения параметров внешней среды. Поэтому на фиг.4 приведена блок-схема, используемая в счетчиках ионов, работающих в режиме измерения заряда, создаваемого на собирающих электродах 4 и 12 оседающими на них ионами. Для этого входы измерительных блоков 26 и 29 подключены, соответственно, к собирающим электродам 4 и 12 через специальные контакты, соответственно, 27 и 30, имеющими сопротивление изоляции не хуже 10¹⁴ Ом. Для этих целей обычно используют специальные реле. На входах измерительных блоков 26 и 29 установлены разрядные резисторы, соответственно, 28 и 31. Для синхронизации работы всех узлов, в том числе и контактов 27 и 30, предполагается наличие блока синхронизации и управления, который здесь не показан. Предполагается также, что измерительный блок 29 снабжен цепями защиты входа от перенапряжений в моменты включения и выключения блока питания камеры 25, например, в виде двух параллельно встречно включенных диодов.

После включения питания и завершения переходных процессов все блоки окажутся в рабочем состоянии. Воздуходувка 24 будет продувать через ионную камеру исследуемый воздух между элементами электродов 3, 4, 12, 11 и на выход камеры. Внутри ионной камеры электроды 3 и 4 будут под нулевым потенциалом, а электроды 12 и 11 - под выходным потенциалом источника питания 25, выходное напряжение которого, допустим, будет иметь положительное значение. Тогда электроды 3 и 4 - с одной стороны, и электроды 12 и 11 - с другой стороны, в совокупности образуют электронную линзу с центром между электродами 4 и 12, где силовые линии электрического поля направлены от электрода 12 к электроду 4. (Принцип действия описан в прототипе, где дан подробный расчет параметров такой линзы). Под действием этого поля содержащиеся в продуваемом через ионную камеру воздухе ионы положительной полярности будут осаждаться на первый собирающий электрод 4, а ионы отрицательной полярности - на второй собирающий электрод 12. Если в это время контакты 27 и 30 замкнуты, то накопления заряда на собирающих электродах 4 и 12 происходить не будет, т.к. к этим электродам подключены разрядные резисторы, соответственно, 28 и 31 сравнительно небольшой величины.

После синхронного размыкания контактов 27 и 30 на собирающих электродах 4 и 12 начнут накапливаться заряды за счет оседающих на эти электроды ионов. Величина этих зарядов легко подсчитывается по формуле:

Q=CU=nVte,

откуда:

n=CU/Vte,

где Q - заряд в кулонах;

С - емкость электрода 4 или 12 относительно корпуса 1 в фарадах;

U - потенциал, образованный на собирающем электроде 4 или 12 зарядом Q, в вольтах;

n - концентрация ионов в сантиметре кубическом воздуха, в 1/см³;

V - объемный расход воздуха, продуваемого через ионную камеру, в см³/сек;

t - время в сек.;

е=1,602·10^-19 Кулона - заряд электрона.

По истечении заданного времени накопления заряда, изменением которого можно изменять чувствительность прибора, синхронно замыкаются контакты 27 и 30. В результате этого собирающие электроды 4 и 12 разрядятся через разрядные резисторы, соответственно, 28 и 31, образуя при этом экспоненциальные импульсы на входах измерительных блоков, соответственно, 26 и 29, которые измерят амплитуду поступивших на их входы импульсов и преобразуют результаты измерения в концентрацию ионов. Далее процесс измерения будет повторяться до выключения прибора.

Принципы измерения амплитуды одиночных импульсов известны и описаны в целом ряде работ (см., например: З.В.Маграчев. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов. М.: Энергия, 1974 г., 223 стр.; или см., например: SU 474827, 13.01.1976; SU 868534, 30.09.1981; SU 892285, 23.12.1981; SU 1023362, 15.06.1983. В перечисленных авторских свидетельствах описаны различные варианты счетчиков ионов, в которых применен описанный выше импульсно-цифровой метод измерения концентрации атмосферных ионов).

При разработке конструкции ионной камеры учитывалось, что в качестве воздуходувок применяются преимущественно осевые вентиляторы, которые, при близком расположении к электродам ионной камеры, создают в центре камеры так называемую, мертвую зону, через которую воздух почти не продувается, что и породило мысль использовать эту зону для размещения изоляторов.

Описанная ионная камера компактна, максимально проста по конструкции и технологична при сборке. При работе в составе счетчика ионов использование этой камеры позволяет значительно повысить точность одновременного измерения концентрации ионов обоих знаков.

Использование: в составе счетчиков ионов для одновременного измерения концентрации ионов, преимущественно - атмосферных, обоих знаков в одном и том же объеме. Сущность: в корпусе аспирационной ионной камеры последовательно установлены четыре электрода, собранные из электрически и механически соединенных друг с другом параллельных пластин или соосных цилиндров разного диаметра. Электроды разделены на две симметричные группы по два электрода в каждой группе, где один электрод в каждой группе является собирающим, а второй - вспомогательным. В центре каждого собирающего электрода установлены высококачественные изоляторы с отверстиями по оси изоляторов, через которые пропущены винты для крепления с гарантированным зазором собирающих электродов к вспомогательным. Одна группа электродов вставлена в гнездо во входной части корпуса с помощью металлических разрезных колец или полуколец, снабженных буртиками по внутреннему диаметру полуколец для фиксации между ними вспомогательного электрода. Вторая группа электродов собрана и вставлена аналогично первой группе, но в гнездо в выходной части корпуса. Оба вспомогательных электрода расположены по краям корпуса камеры, а собирающие электроды расположены между ними. Длина собирающих электродов не менее чем в два раза превышает величину зазора между отдельными пластинами или цилиндрами, из которых собраны эти электроды. Технический результат изобретения: повышение точности измерения концентрации ионов обоих знаков, минимизация габаритов ионной камеры, упрощение сборки и настройки ионной камеры. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аспирационная ионная камера, содержащая корпус с последовательно установленными в нем электродами, отличающаяся тем, что в корпусе последовательно установлены четыре электрода, собранные из электрически и механически соединенных друг с другом параллельных пластин или соосных цилиндров разного диаметра, при этом один из электродов электрически соединен с корпусом камеры, а остальные три электрода имеют гнезда для подключения через отверстия в корпусе контактных штырей для соединения с внешними электронными блоками и изолированы от корпуса камеры, электроды в камере расположены в виде двух симметричных групп по два электрода в каждой группе, при этом один электрод в каждой группе является собирающим, а второй электрод - вспомогательным, в центре каждого собирающего электрода установлены высококачественные изоляторы с отверстиями по оси изоляторов, через которые пропущены винты для крепления с гарантированным зазором собирающих электродов к вспомогательным электродам, снабженным в центральной части перемычкой или заглушкой с отверстием в центре, причем одна группа электродов вставлена в гнездо во входной части корпуса с помощью металлических разрезных колец или полуколец, снабженных буртиками по внутреннему диаметру полуколец для фиксации между ними вспомогательного электрода, полукольца зафиксированы внутри корпуса, вторая группа электродов, собранная аналогично первой, вставлена в гнездо в выходной части корпуса, а фиксирующие полукольца для нее выполнены из изолятора, причем оба вспомогательных электрода расположены по краям корпуса камеры, а собирающие электроды расположены между ними внутри корпуса с гарантированным зазором, при этом длина собирающих электродов не менее чем в два раза превышает величину зазора между отдельными пластинами или цилиндрами, из которых собраны эти электроды.2. Аспирационная ионная камера по п.1, отличающаяся тем, что параллельные пластины, из которых собраны электроды, установлены в пространстве между двумя цилиндрами - наружным и наименьшим внутренним.3. Аспирационная ионная камера по п.1, отличающаяся тем, что высококачественные изоляторы выполнены из янтаря, полистирола или подобного им по изоляционным свойствам иного материала.4. Аспирационная ионная камера по п.1, отличающаяся тем, что винты для крепления выполнены с потайной головкой.5. Аспирационная ионная камера по п.1, отличающаяся тем, что гарантированный зазор выполнен с помощью распорных втулок.6. Аспирационная ионная камера по п.1, отличающаяся тем, что отверстие в центре перемычки или заглушки выполнено с резьбой.7. Аспирационная ионная камера по п.1, отличающаяся тем, что полукольца зафиксированы внутри корпуса с помощью распорных винтов.