Устройство для измерения ионного тока Советский патент 1983 года по МПК G01T1/18 

Изобретение относится, к измерительной технике иможет быть использовано при исследованиях ионного соо тава атмосферы, в масс-спектроскопии, ядерной.физике, космических исследованиях и многих Других областях науки и техники, связанных с измерением малых токов.

Известно устройство для измерения слабых токов, создаваемых потоком заряженных частиц, содержащее последовательно соединенные колебательный RC-контуд, усилитель, формирователь импульсов, пороговый элемент и счетчик импульсов ClJ.

Недостатками известного устройства явлтотся на.личие мертвой зоны при измерении, величина Которой определяется отнсяиением порога дискриминации к коэффициенту усиления усилителя; невысокая разрешающая спо собность, связан1 ая с невозможностью создания высокодобротного колебатель ного контура, способного дать большое число медленно затухающих игшульсов, а также- невысокая точность изме рения, связанная с влиянием температуры и величины сигнала на параметры колебательного контура.

Наиболее близким к предлагаемому по средствам и достигаемому результату является устройство для измерения ионного тока, содержащее коллект ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, соединенному через разрядный резистор с общей шиной, источник этало ного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора, генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент И, йодключенный первьм. входом к выходу генератора импульсов а выходом --ксчетному входу счетчика импульсов, и блок управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом ключа, входом сброса счет чика импульсов и вторым входом элемента И С2 Д.

Н|едостатком известного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная применением двух источников оцорного напряжения со строго определенной зависимостью между их входными напряжениями, которую на практике трудно реализовать.

Цель изобретения - повЕДиение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения ионного тока, содержащее коллектор ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, соединенному через разрядной резистор с общей шиной, источник эталонного напряжения, выход которого соединен с пepвы 1 входом компаратора, генератор импульсов, счетчик импульсов, элеман

И, подключенный первым входом к выходу генератора импульсов, а выходом к счетному входу счетчика импульсов; и блок управления, первый. второй и третий .выходы которого соединены соответственно с управляющим входом ключа входом сброса счетчика импульсов и вторым входом элемента И. введены элемент ИЛИ. дополнительный компаратор и инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя-органичителя и первьил входом дополнительного компаратора, подключенного вторым входом к выходу источника эталонного напряжения, р выход инвертора соединен с вторым входом основного компаратора, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, связанному вторым входом с выходом дополнительного компаратора, а выходом - с третьим входом элемента И и с входом блока управления, четвертый выход которого подсоединен к пуско1вому входу-источника эталонного напряжения

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения ионного тока; на фиг. 2 - эпюры.напряжений в разных точках схемы устройства.

Устройство для измерения ионного тока (фиг. 1У содержит коллектор ионо выполненный в виде общих обкладок аспрационных ионных камер 1 и 2, подключенных к блоку 3 питания, состоящему из балансировочного резистора 4с заземленной средней точкой и источника 5 напряжения, ключ б, вход которого подключен -к общим обкладкам аспирационных ионных камер, и 2, выход соединен с разрядным резистором 7 и входом усилителя-ограничителя 8, инвертор 9, основной и дополнительный коютараторы 10 и 11, элемент ИЛИ 12, элемент И. 13, блок 14 управления, генератор 15 импульсов и счетчик 16 импульсов, источник 17 эталонного напряжения.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: t - t .j - моменты времени;; и (, - напряжение на управляющем входе ключа 6; Ux)|2 напряжение на аспирационных ионных камерах 1 и 2, создаваемое ионным током; напряжение на входе усилителя-ограничителя 8 с которого он переходит с линейного режима усиления в режим ограничения;. к г коэффициент усиления усилителяограничителя 8; и - напряжение, к которому стремится экспонента источника 17 эталонного напряжения; Ug напряжение на выходе усилителя-ограничителя 8; напряжение на выходе элемента ИЛИ 12; U.,4 напряжение, выдаваемое с выхода блока 14 управления на вход элемента И 13; U«- серии импульсов на выходе элемента и 13; Uj-y- напрюхение на выходе источника 17 эталонного напряжения. Устройство для измерения ионного тока работает следующим образом. После подачи напряжения питания аспирационные ионные, камеры 1 и 2 зарядятся через блок 3 питания от источника 5 напряжения и при сбалансированном с помощью балансировочного резистора 4 мосте напряжение в его диагонали между общей шиной и средней точкой, аспирационных ионных камер 1 и 2 будет равно нулю, а внут ри аспирационных ионных камер 1 и 2 возникнет разнополярное относительно общих электродов электрическое поле например, в аспирационной ионной камере 1 .оно будет направлено от общей обкладки (коллектора ионов), а в аЬп рационной ионной камере 2 - к общей обкладке. Если при данном условии в аспирационные ионные камеры 1 и 2 попадут ионы газа, то в аспирационной ионной камере 1 на обкладку сйединейнуюс ключом б, будут оседать отрицатель вале ионы, создавая на ней при разомкнутом ключе б, отрицательное н.апрях ение , а в аспирационной ионной камере 2 будут оседать положительные ионы, создавая на ней по ложительное напряжение. Дальше измеряют концентрацию пол жительных ионов в газе, а затем отрицательных. Для этого вначале hpo дувают исследуемый газ через аспирационную ионную камеру 2 и в некоторы нулевой момент времени сигналом из блока 14 управления размыкается ключ 6 (фиг. 2-га). Поскольку общая точка аспирационных ионных камер 1 и 2 оказалась изолированной от разрядного резистора 7, то на общей точке ионных Кс1мер 1 и 2 будет происходить интегрирование ионного тока, создава емого полоясительными ионами,оседаю щими в аспирационной ионной камере 2 по закону +„ 1 с 2 где и: - положительное нап ряжение общей точке аспирационных ионных камер 1 и 2; суммарная емкость аспирацион ных ионных камер 1 и 2; время разомкнутого состояния ключа 6; мгновенное значение положи- тельного ионного тока; среднее значение положительного ионного тока. Если в процессе измерения концентрация ионов постоянна, то нарастаййв напряжения Ну будет происходить п.о линейному закону (фиг. 2Ъ; ДО мс 1ента времени 2- Р этом I - п (1 где ri концентрация положительных ионоэ; объемный р 1сход исследуемого газа, продуваемого через аспирационнуга ионную камезаряд одного иона, 1,6 10. . В момент времени tj из блока 14 управления поступает команда на за иыкание ключа 6 (фиг. 2а). Но поскольку в качестве ключа 6 обычно используют с.пециальное реле с высококачественной изоляцией между контактами, например, из янтаря, то замыкание ключа б происходит не мгновенно, а с некоторой задержкой, равной t - t, и в течение этого времени будет происг ходить дальнейшее интегрирование ионного тока. С другой стороны, за счет движения.подвижного контакта ключа б будет происходить изменение емкости между контактами кл1рча 6 (рост этой.емкости), в результате которого на входной параз1 тной емкости усилителя-ограничителя 8 появится паразитный наведенный потенциал, который будет нарастать, до момента времени t. В момент соприкосновения контактов ключа б еигнал на входе усилителя-оргаНичителя 8 станет равным -i- с+с„ Где Сд - паразитная входная емкость усилителя-органичителя 8. С момента времени tj начнется разряд суммарной емкостис + CQ через разрядный резистор 7 по экспоненциально 1у закону R(C-tC,J , -.е где и - потенциал на разрящном резисторе 7; t - текущее время; R - величина разрядного резистора 7; е - основание натурального ло---- гарифма.. После усилителя-ограничителя 8 этот сигнал примет форму Ug (фиг.2в), т.е. он будет усилен и ограничен до уровня момента времени t, т,е. до тех пор, пока выполняется условие и т/ Чзгр после чего сигнал на выходе усилителя-ограничителя 8 будет изменяться по закону Напряжение с выхода усилителя-органи|j0., g поступает на неинвертирую.щий вход компаратора 11, а через ин ч ч - - вертор 9 - на неинвёртирующий вход компаратора 10, В результате этого 8 момент времени t компаратор 11 сработает и на его выходе и на выходе элемента ИЛИ 12 появится единичный сигнал (фиг. 2г), который поступит на вход элемента И 13 и одновремен на вход блока 14 управления. Через время t -t., равное времени перем щения подвижного контакта ключа 6, из блока 14 управления поступит сигнал запуска источника 17 эталон ного напря)хения, на выходе которог появится экспоненциально нарастающее напряжение и. которое меняется по закону P{C + CO .1 . где Uj, - постоянное напряжение, к которому стремится экспонента и (фиг,2в). Это напряжение поступит на вторые (инвертирующие) входы ком параторов 10 и 11. Одновременно с блока 14 управления поступит сигнал (фиг. 2д) на второй вход элемента И 13, который начнет пропускать импульсы, подаваемые на его третий вход генератором 15 импульсов , на вход счетчика 16 импуль сов (фиг. 2е). Это будет продолжаться до тех пор, пока сигналы на обоих входах компаратора 11 не станут равными друг другу. Равенство сигналов на входах компаратора 11 наступит в момент времени t. ,. когда вьшолнится условие которое с учетом (1) , ( 2 ), ( 3 ), ( (5), (6) после преобразований можно записать в виде. . . КС , , „R{c-Co) + 1 е с+с о СТСр Как только выполнится условие (Т), компаратор 11 опрокинется в нулевое состояние, в которое перейдет также элемент ИЛИ 12 (фиг. 2г), который закроет элемент И 13 и прекратит поступление импульсов на вход счетчика 16 импульсов (фи. 2е). Нулевой сигнал элемента ИЛИ 12 через блок 14 управления с некоторой задержкой , равной 15 - t, сбросит на пряжение наВыходе, источника 17 эта лонного напряжения в нулевое состоя ние (фиг. 2в), и одновременно блок управления заблокирует по второму входу элемент И 13 (фиг. 2д). При этомАисло импульсов, записанное в счетчике 16 импульсов, будет равно N, f(li4 где И - число импульсов; f - частота следования импуль сов на выходе генератора 15 импульсов.. Подставив значение t. - t, из (9) в (8) и прологарифмировав, получим N fR(c+c,)ln( Обозначив fR(c + Cj,) A ) и подставив (ll), (12) в (lO), получим Aln(BU +1)(13) Таким образом, число импульсов, записанное в счетчике 15 импульсов, пропорционально логарифму входного сигнала, т.е. логарифг концентрации ионов. . Аналогично с момента времени t начнется измерение концентрации отрицательных ионов. При этом продувка исследуемого газа будет производить-, ся через аспирационную ионную камеру 1. Напряжения сигналов на входе и выходе усилителя-ограничителя 8 сменит полярность (на фиг. 2в напряжение bg условно перевернуто в положительную область), и в работу вступит компаратор 10 , на выходе которого будет единица с момента t-, и до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными друг другу. Как только они станут равны доуг другу, на выходе компаратора 10, появится нуль, а в счетчике 16 импульсов будет записано число импульсов Ng А1„(ви; + 1) (11) х 1(Ч - t), . (15) где средний ток, созданный отрицательными ионами. . При этом перед каждым замыканием ключа 6 на вход сброса счетчика 16 импульсов поступает импульс с выхода блока 14 управления, результат каждого измерения при необходимости переписывается во внешний (не показан) блок памяти или иное устройство для дальнейшей обработки. Использование изобретения позволяет производить измерение как положительных, так и отрицательных токов с логарифмической зависимостью между выходным числом импульсов и входным, сигналом, в качестве которого может быть ионный ток или концентрация ионов. При этом при измерении ионных токов обоих полярностей используется только один источник эталонного напряжения,что повышает точность измерения, так как при двух и более источниках эталонного напряжения необходиMO qxporoe соответствие между их величинами , чего практически невозможно

дбСТгичь при разном температурном уходе напряжения источников.

Достоинством устройства является повышенное быстродействие вследствие того, что источник эталонного напрйг жения сбрасывается в нулевое состояние блоком управления сразу же послед опрокидывания в нулевое состояние параторов. Это происходит за счет наг

1ЛИЧИЯ обратной связи с выхода элемента ИЛИ на вход блока управления,-, которая обеспечивает приведение в исходное состояние источника этгшонного напряжения сразу же после окончашя измерения, а не после того, как напряжение на выходе источника эталонного напряжения достигнет максиJMS a.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИОННОГО ТОКА, содержащее коллектор ионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, соединенному через разрядный резистор с общей шиной, источник . эталонного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора, генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент И, подключенный первым входом к выходу генератора импульсов, а выходом - к счетному входу счетчика импульсов, и блок управления , первый, второй и третий выхо.ды которого соединены соответственно с управлякхдим входом ключа,входом сброса счетчика импульсов и вторым входом элемента И, отличающе е с я т.ем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены элемент ИЛИ, дополнительный компаратор и инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя-ограничитепя, и первым входом-дополнительного компаратора, подключенного вторым входом к выходу источника эталонного напряжения, а выход инвертора соединен с вторым входом основного компаратора, выход которого подключен к первому ВХОДУ элемента ИЛИ, свя(Л занному вторым входом с выходом дополнительного компаратора, а выхос дом - с третьим входом элемента И и с входом блока управления, четвертый выход которого подсоединен к пусковому входу источника эталонного напряжения. СП оо о оо to

л Ьшм

ts

0vt,2