СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ Российский патент 2016 года по МПК H01J47/04 

Известен способ измерения концентрации ионов воздуха, 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.). Недостатком этого метода является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех различного рода и происхождения. Объясняется это тем, что входное сопротивление измерителя тока очень большое и в некоторых случаях, например, при измерении естественного аэроионного фона может достигать величины 10¹² Ом.

Частично устранить этот недостаток можно путем использования способа измерения концентрации ионов (Патент №2459309 на изобретение. Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации H01J 47/04, опубл. 20.08.2012 г., бюл. №23), заключающегося в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры, возникающего при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени, и последующем его измерении путем регистрации площади импульсов, возникающих на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление.

Недостатком вышеприведенного способа, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная значительным влиянием помех, особенно помех от напряжения питающей сети 220 В, 50 Гц, на результат измерения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех.

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 путем измерения параметров импульсов, возникающих на входе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление при замыкании ключа, соединяющего собирающий электрод камеры со входом входного устройства, новым является то, что концентрацию ионов определяют по величине амплитуды первой гармоники от последовательности этих импульсов согласно уравнениям:

,

где ,,

где R - входное сопротивление входного устройства, С - емкость аспирационной камеры, Т - период переключения ключа, Т_зам - время замкнутого состояния ключа, Т_раз - время разомкнутого состояния ключа, V - объемный расход исследуемого воздуха через аспирационную камеру, n - измеряемая концентрация ионов, е -заряд иона и I=n·V·e ток, создаваемый ионами, оседающими на собирающий электрод аспирационной камеры, которая пропорциональна измеряемой концентрации ионов n.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2 a, b, c, d.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения концентрации ионов.

Здесь: 1 - высоковольтный источник питания аспирационной камеры, 2 - аспирационная камера, емкость собирающего электрода которой равна С, 3 - ключ, соединяющий собирающий электрод аспирационной камеры с входным устройством, 4 - входное устройство, 5 - устройство управления ключом 3, 6 - устройство обработки и индикации.

Устройство для счета ионов содержит аспирационную камеру 2, высоковольтный электрод которой соединен с высоковольтным источником питания 1, а собирающий ее электрод через ключ 3, управляемый сигналом устройства управления ключом 5, соединен с входом входного устройства 4. Выход входного устройства 4 соединен с входом устройства обработки и индикации 6.

На фиг. 2 а-е показаны эпюры напряжений на выходах элементов устройства. На фиг. 2 а отражено состояние контактов ключа 3. В интервале времени (t₁-0)=Т_зам ключ 3 замкнут, а в интервале времени (t₂-t₁)=Т_раз - разомкнут и т.д. На фиг. 2 b - показано изменение напряжения на емкости собирающего электрода аспирационной камеры 2 при замкнутом и разомкнутом состоянии ключа 3, на фиг. 2 с - изменение напряжения на входе входного устройства 4, на фиг. 2 d показана первая гармоника спектра входного сигнала входного устройства 4 (на этой фигуре не показан сдвиг по фазе первой гармоники относительно сигнала фиг. 2 b).

Устройство работает следующим образом. При продувке исследуемого воздуха через аспирационную камеру 2 ионы вместе с исследуемым потоком воздуха поступают в ее рабочий объем и под действием электростатического поля, создаваемого высоковольтным источником питания аспирационной камеры 1, оседают в зависимости от их знака на высоковольтный или собирающий ее электроды. При размыкании ключа 3 (фиг. 2 а, например, интервал времени (t₁-t₂)) ионы, оседающие на собирающий электрод аспирационной камеры 2, начинают заряжать ее емкость током, величина которого определяется выражением:

I=n·V·e,

где n - измеряемая концентрация ионов, [1/см³], V - объемный расход газа через аспирационную камеру, [см³/с], е=1.6·10^-19 [Кл] - заряд одного иона (легкие ионы воздуха имеют заряд одного электрона). В результате, в интервале времени (t₁-t₂) емкость собирающего электрода камеры начинает накапливать заряд. Величина его и напряжение на этой емкости определяются соответственно выражениями (фиг. 2 b):

где Q₀ - заряд на емкости собирающего электрода камеры к моменту размыкания контактов ключа 3.

Тогда, к моменту времени t₂ эти величины принимаю значения:

При замыкании ключа 3 емкость аспирационной камеры 2 начинает разряжаться через входное сопротивление R входного устройства 4, а напряжение на емкости собирающего электрода камеры 2 будет изменяться согласно выражению:

Учитывая, что напряжение на емкости С собирающего электрода камеры 2 будет иметь одинаковые значения как в моменты времени замыкания ключа 3, так и одинаковые значения в моменты его размыкания, для него справедливы выражения (фиг. 2 b):

при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t₁) и

при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t₁-t₂).

Так как на вход входного устройства 4 сигнал поступает только при замкнутом состоянии ключа 3 (фиг. 2 с), то его входной сигнал определяется выражениями:

- при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t₁) и

- при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t₁-t₂).

Этот сигнал является периодическим с периодом, равным Т=Т_зам+Т_раз. Его частота определяется выражением: ω₀=2π/(Т_зам+Т_раз). Обозначая этот сигнал как U_(t) и раскладывая его в вряд Фурье, для него можно записать выражение:

Первая гармоники этого сигнала имеет вид:

где и

Амплитуда первой гармоники этого сигнала определится выражением:

. Из приведенных выше уравнений видно, что она пропорциональна току I=n·V·e, а следовательно, и измеряемой концентрации ионов. В дальнейшем эту гармонику с целью устранения помех необходимо выделить, например, полосовым фильтром, выпрямить выпрямителем аналоговых сигналов и отфильтровать пульсации фильтром нижних частот. Все эти операции проводятся в блоке обработки и индикации 6 (фиг. 1).

Таким образом, предложенный способ измерения концентрации ионов позволяет в значительной степени подавить помехи и повысить точность измерения. При этом реализация этого способа не требует значительных аппаратурных затрат.

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 периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении путем измерения параметров импульсов, возникающих на входе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление при замыкании ключа, соединяющего собирающий электрод камеры со входом входного устройства, измеряют амплитуду первой гармоники от последовательности этих импульсов и определяют концентрацию ионов по величине амплитуды первой гармоники от последовательности этих импульсов. 2 ил.

Способ измерения концентрации ионов, заключающийся 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 путем измерения параметров импульсов, возникающих на входе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры на его входное сопротивление при замыкании ключа, соединяющего собирающий электрод камеры с входом входного устройства, отличающийся тем, что из спектра полученных импульсов выделяют его первую гармоническую составляющую, измеряют ее амплитуду, величина которой пропорциональна измеряемой концентрации ионов, и по ее значению определяют концентрацию ионов согласно уравнениям:
,
где - амплитуда первой гармоники,


где R - входное сопротивление входного устройства, С - емкость аспирационной камеры, Т - период переключения ключа, Т_зам - время замкнутого состояния ключа, Т_раз - время разомкнутого состояния ключа, V - объемный расход исследуемого воздуха через аспирационную камеру, n - измеряемая концентрация ионов, е - заряд иона и I=n·V·e ток, создаваемый ионами, оседающими на собирающий электрод аспирационной камеры, который пропорционален измеряемой концентрации ионов n.