Устройство для счета ионов Советский патент 1981 года по МПК G01N27/62 H01J39/34 

(5А) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧЕТА ИОНОВ

Изобретение относится к приборам для измерения концентрации и спектра газовых ионов, например атмосферных Известно устройство для счета ионов, содержащее аспирационную ионную камеру с источником питания и ключом для подключения камеры к измерительному усилителю, амплитудновременной преобразователь, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и блок управления D 3 Недостатками известного устройства являются низкая помехозащищенност и отсутствие защиты от дребезга контактов ключа, который может резко снизить точность измерения. Известно устройство для счета ионов, содержащее источник питания, аспирационКую камеру, первый ключ, усилитель, блок управления, счетчик и генератор импульсов, амплитудновременной преобразователь,первый .элемент И, выход источника питания соединен с первой обкладкой аспирационной камеры, вторая обкладка которой соединена со входом первого ключа, выход которого соединен со входом усилителя, выход амплитудновременного преобразователя соединен с первым входом первого элемента И, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсов и со входом счетчика импульсов, вход сброса которого соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляюсцим входом первого ключа 2. Однако, хотя в данном устройстве предусмотрена защита от дребезга контактов ключа, она неэффективна при использовании малоинерционных реле, у которых дребезг в виде одного-двух ударов начинается раньше, чем успеет сработать защита, причем время, необходимое для срабатывания защиты, зависит от амплитуды входного сигнала (чем больше амплитуда сигнала, тем позже сработала защита). Кроме того,за время, пока не сработала защита, через измерительный тракт могут пройти любые помехи как со входа измерительного усилителя, так и из цепей питания и управления. Все это приводит к сбоям, снижает точность измерения. Целью изобретения является повышение помехозащищенности и точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для счета ионов, со держащее источник питания, аспирационную камеру, первый ключ, усилитель, блок управления, счетчик и генератор импульсов, амплитудно-временной преобразователь, первый элемент И, выход источника питания соединен с первой обкладкой аспирационной камеры, вторая обкладка которой соединена со входом первого ключа, выход которого соединен со входом усилителя, выход амплитудно-временного преобразователя соединен с первым входом первого элемента И, второ вход и выход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсов и со входом счетчика импульсов, вход сброса которого соединен с первым выходом блока управлени второй выход которого соединён с управляющим входом первого ключа, введены второй ключ, формирователь импульсов и синхронизатор, первый, второй, третий, четвертый входы и выход которого соединены соответственно с выходом усилителя, третьим четвертым выходами блока управления с выходом формирователя импульсов и со входом формирователя импульсов, выход которого соединен со входом управления второго ключа,вход и вых которого соединены соответственно с выходом усилителя и со входом ампли тудно-временного преобразователя При этом синхронизатор содержит триггер, второй элемент И, блок диф ференцирования и элемент ИЛИ, входы которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами синхр низатора , второй вход которого соединен с первым входом триггера, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом элемента ИЛИ и с первым входом второго :элемента И, выход которого соединен 54 с выходом синхронизатора, первый вход которого соединен со входом блока дифференцирования., выход которого соединен со вторым входом второго элемента И. На фиг,1 приведена блок-схема устройства для счета ионов; на фиг.2временные диаграммы работы устройства. Устройство содержит аспирационную камеру 1, источник 2 питания, ключ 3, усилитель k, блок 5 управления, счетчик 6 импульсов, синхронизатор 7, содержащий триггер 8, элемент 9 И, блок 10 дифференцирования и элемент 11 ИЛИ, формирователь 12 импульсов, ключ 13, амплитудно-временной преобразователь Н, элемент 15 И и генератор 16 импульсов. Выход источника 2 питания соединен с первой обкладкой аспирационной камеры 1, вторая обкладка которой соединена со входом ключа 3, выход которого соединен со входом усилителя 4, выход которого соединен со входом блока 10 дифференцирования и со входом ключа 13, выход которого соединен со входом амплитудно-временного преобразователя Ц, выход которого соединен с первым входом Элемента 15 И, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсов 16 и со входом счетчика 6 импульсов, вход сброса которого соединен с первым выходом блока 5 управления, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющим входом ключа 3, первым входом элемента 11 ИЛИ и с первым входом триггера 8, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом элемента 11 ИЛИ и с первым входом элемента 9 И, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом блока 10 дифференцирования и со входом формирователя 12 импульсов, выход которого соединен со входом управления ключа 13 и со вторым входом элемента 11 ИЛИ., На фиг.2 обозначены временные диаграммы 172б сигналов соответственно на входе усилителя 4, на первом входе триггера 8, на выходе блока 10 дифференцирования, на выходе формирователя 12 импульсов, на выходе элемента 9, на выходе триггера 8, на первом входе элемента 11, на выходе ключа 13, на выходе амплитудно временного преобразователя 1А и на выходе элемента 15. Аспирационная камера 1. представляет собой открытый конденсатор спе циальной конструкции, ключ 3 специальное реле с высоким качеством изоляции (например, янтарь,сапфир) между входным и выходным контактами т.е. между входом и выходом. В качестве формирователя 12 импульсов может быть использован, например, ждущий одновибратор, ав со тав счетчика импульсов 6 можно вводить блок цифровой индикации или цифропечатающее устройство. Устройство для счета ионов работает следующим образом. После подачи напряжения питания аспирационная ионная камера 1 заряж ется от источника 2 питания через нормально замкнутый первый ключ 3 и входное сопротивление усилителя 4 в результате чего между электродами (обкладками) аспирационной ионной камеры 1 создается электрическое по ле, полярность которого определяется полярностью источника 2 питания. Для измерения концентрации ионов в воздухе или ином газе последний продувают через аспирационную камеру 1 с помощью воздуходувки (не показана) . После окончания переходных процессов первый ключ 3 отключает от входа усилителя Ц аспирациоиную камеру 1 по сигналу блока 5 управления, который в это же время подает сигнал сброса на счетчик 6 импул сов и устанавливает его в исходное нулевое состояние. При разомкнутом первом ключе 3 ионы воздуха или газа, попав в электрическое поле аспирационной ионной камеры 1 , осаждаются на электроды камеры, причем ионы интересующего знака осаждаются на второй (собирающий) электрод аспирационной ионной камеры 1, в результате чего потенциал этого электрода растет по абсолют ной величине, а общий заряд аспирационной ионной камеры 1 падает. Величина q, на которую уменьшается заряд камеры, равна , где С - емкость камеры 1; и потенциал на втором электроде камеры 1,6; 854 п - концентрация ионов заданного знака в единице объема воздуха или газа, . V - объемный расход воздуха или газа через камеру 1, см /с; t - время разомкнутого состояния первого 3 ключа, с; е - 1, заряд одного иона. Через заданное воемя из блока 5 управления поступает сигнал на замыкание ключа 3. Поскольку ключ 3 (например, реле) обладает инерцией, вначале в момент t (фиг,2,диаграмма 17) на его выходе может появиться импульс, наведенный на его контакте за счет ЭДС самоиндукции управляющей обмотки этого ключа (существуют специальные конструкции реле, у которых такой импульс отсутствует; здесь рассматривается худший вариант ключа 3i чтобы показать возможности защиты устройства для счета ионов от помех на входе). Хотя этот импульс и пройдет через усилитель Ц и поступит на входы синхронизатора 7 и ключа 13, он не сможет повлиять на результаты измерения, так как ключ 13 закрыт для прохождения сигнала. Упомянутый паразитный импульс, поступив на второй вход блока 10 дифференцирования синхронизатора 7, дифференцируется и поступает на второй вход элемента 9 И (фиг.2, диаграмма 19), но, поскольку элемент 9 И закрыт по первому входу, продифференцированный паразитный импульс в другие цепи не проходит. В момент времени t с выхода блока S управления на первый вход триггера 8 поступает короткий импульс (фиг.2, диаграмма Т8), 8 результате действия которого триггер 8 опрокидывается, и с его выхода на первый вход элемента 9 И поступает сигнал разрешения (, диаграмма 22) на прохождение через элемент 9 И сигнала с выхода блока 13 дифференцирования. В момент времени t- подвижный контакт (выход) ключа 3 приближается к неподвижному (ко входу), и затем ключ 3 замыкается, в результате чего происходит перезаряд аспирационной ионной камеры 1 от источника 2 питания через замкнутый ключ 3 и входное сопротивление усилителя по закону, изображенному на фиг.2 (диаграмма 17). Поскольку всегда есть паразитная емкость между контактами 7 ключа 3, которая растет по мере сбли жения контактов, а также имеется паразитная входная емкость усилителя импульс на входе усилителя k появляется не скачком, а плавно, как показано на фиг,2 (диаграмма 17) с момента времени, tg до момента Ц, где Он достигает амплитудного значения (2) где (L. - амплитуда импульса на входе усилителя «(З; суммарная паразитная емкость, приведенная ко входу усилителя 4, Ф; На фиг.2 (диаграмма 1) показано также, что в момент времени tg полез ный импульс претерпевает разрыв за счет дребезга контакта ключа 3. Этот разрыв импульса может внасти искажения в показания результата измерения если не защитить от него измерительный тракт. Итак, в момент времени t- на вход усилителя 4 появляется полезный сиг. нал, который после усиления поступае на вход запертого ключа 13, через блок 10 дифференцирования сигнал поступает на второй вход элемента 9 И (фиг,2, диаграмма 19) который откры вается и подает на вход формироеате-пя 12 импульсов единичный сигнал (фиг.2, диаграмма 21), который, одна ко, не запускает формирователь 12 им пульсов, так как последний настроен так, что он запускается от отрицаJтельного перехода напряжения на его входе. В момент времени t/, когда амплитуда импульса на входе и выходе усилителя 4 достигает максимума (фиг.2, диаграмма 17), продифференцированный импульс на втором входе элемента 9 И резко сменяет свою полярность (фиг.2, диаграмма 19) в результате на выходе элемента 9 И и, соответственно, на входе формирователя 12 импульсов единичный сигнал скачком падает до нуля (фиг.2, ди. аграмма 21). Задний фронт этого импульса запускает формирователь 12 импульсов, на выходе которого появляется прямоугольный импульс заданной дяительнрсти (фиг,2, диаграмма 20), Начало этого импульса всегда совпадает с моментом, когда сигнал на входе усилителя достигает мак. симума, а конец этого импульса во времени наступает раньше момента t 5 т.е. до появления разрыва в полезномсигнале. Импульс с выхода формирователя 12 импульсов поступает на вход элемента 11 ИЛИ и через последний на второй вход триггера 8, Передний фронт этого импульса опрокидывает триггер 8 в исходное положение (фиг.2, диаграмма 22), который, в свою очередь подает нулевой сигнал на первый вход элемента 9 И и блокирует его от прохождения на вход формирователя 12 импульсов других сигналов-с выхода блока 10 Дифференцирования, Одновременно импульс с выхода формирователя 12 импульсов поступает на управляющий вход ключа 13 и открывает его для прохождения сигнала с выхода усилителя k на вход амплитудно-временного преобразователя Ц (фиг,2, диаграмма 24),8 момент времени tj- импульс на выходе формирователя 12 импульсов исчезает, ключ 13 закрывается для дальнейшего прохождения через «его любого сигнала, а на выходе амплитудно-временного преобразователя f появляется прямоугольный импульс (фиг,2, диаграмма 25) длительность которого прямо пропорциональна амплитуде импульса на входе усилителя 4, т.е, концентрации ионов в единице объема воздуха или газа в соответствии с выражением (2)., Этот импульс открывает по первому входу элемент 15 И для прохождения через него импульсов от генератора 16 импульсов (фиг,2( диаграмма 26) на вход счетчика 6 импульсов, в результате чего в счетчике 6 импульсов записывается число импульсов, которое также прямо пропорционально концентрации ионов в единице объема воздуха или газа. В момент времени t- с выхода блока 5 управления на вход элемента 11 ИЛИ синхронизатора 7 поступает короткий импульс блокировки, который дублирует импульс, поступающий с выхода формирователя 12 импульсов на другой вход элемента 11 ИЛИ, Этот импульс необходим на случай отсуствия полезного сигнала на входе усилителя 4, так как в этом случае не появляется импульс на выходе формирователя 12 импульсов, и синхронизатор 7 не приводится в исходное состояние, потому что триггер 18 с момен1та tg (фиг,2, диаграмма 22) находится в единичном состоянии до тех пор, пока на его второй вход с эяемвнта 1 ИЛИ не поступит сигнал сброса (в данном случае до момента Ц по фиг.2, диаграмма 22).

После окончания измерения все повторяется так, как описано.

Таким обозом г в предлагаемом устройстве никакой fipeGesr контактов ключа 3 не может отрицательно влиять на результат измерения, так как всегда можно подобрать любую необходимую длительность импульса на выходе формирователя 12 импульсов, которая определяет время прохождения сигнала на вход амплитудно-временного преобразователя, при этом измерительный тракт устройства защищен от любых помех на входе, если только они не наложены на сам полезный сигнал.

Сигнал, поступающий на вход амплитудно-временного преобразователя 1, всегда засинхронизирован.с максимумом полезного сигнала на входе усилителя «и имеет наиболее приемлемую для преобразования близкую к прямоугольной форму.

Формула изобретения

ход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсов и со входом счетчика импульсов, вход сброса которого соединен с первым i выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, отличающееся тем, что, с целью повышений помехоустойчивости и точности,

0 измерения, в него введены второй ключ, формирователь импульсов и синхронизатор, первый, второй, третий. четвертый входы и выход которого соединены соответственно с выходом

19 усилителя, третьим и четвертым выходами блока управления, с выходом формирователя импульсов и со входом форм фО9ателя импульсов, выход которого соеди юн со входом управления 2 второго ключа, вход и выход которого соединенч соответстаенмо с шходом усилит(вяя и со входом амплитудновремеиного преобразователя.

эе входами синхронизатора, второй вход которого соединен с первым входом TfmrrejM, второй вход и выход которого соедетеим соответственно с выходом элемента ИЛИ и с первым вхо3) дом второго элемента И, выход которого соединен с выходом синхронизатора, neptn вход которого соединен со входом блока дифференцирования, выход 1ЮТОРОГО соединен со вторым

4( входом второго элемента И,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

. Авторское свидетельство СССР № 60053В, кл. G 05 О 21/02, 197.

Фиг.1