Способ измерения концентрации ионов

Способ измерения концентрации ионов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относиться к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха.

Известен способ измерения концентрации ионов в газе, 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 - 234с.) - [1]. Недостатком этого метода является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех различного рода и происхождения. Происходит это потому, 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 (А.С. №474827, Устройство для счета ионов, G 06 M 11/00, БИ №23, 1975 г.) - [2], в котором концентрацию ионов в газе определяют по амплитуде импульса, возникающего на выходе входного каскада, вход которого соединен с собирающим электродом аспирационной камеры через ключ, время разомкнутого состояния которого известно и задается устройством управления, а высоковольтный электрод камеры соединен с источником ее питания.

Недостатком вышеприведенного способа, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная значительным влиянием помех, (например, питающая сеть 220 В, 50 Гц) на результат измерения.

Изобретение решает задачу повышения точности измерения путем уменьшения влияния помех.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения концентрации ионов в газе, заключающемся в накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого газа на ее собирающий электрод за заданный промежуток времени и последующем его измерении путем регистрации импульса напряжения, возникающего на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры, после первого цикла заряд - разряд проводят второй цикл, в котором момент разряда емкости аспирационной камеры отстает от момента ее разряда в первом цикле на время, равное периоду сигнала, вносящего помеху в измерение концентрации ионов, а концентрацию ионов определяют в результате совместной обработки импульсов напряжения, возникающих при разрядах емкости аспирационной камеры в результате вычитания импульсов напряжения при первом и втором разрядах.

Сущность способа измерения поясняется на фиг.1 и 2, где:

фиг.1 - Структурная схема устройства для реализации заявленного способа измерения ионов.

Здесь: 1 - аспирационная камера; 2 - источник питания; 3 - ключ; 4 - входное устройство; 5 - устройство управления; 6 – устройство обработки; 7 - устройство индикации.

Фиг.2 - Временные диаграммы работы устройства.

Здесь: а - график напряжения питающей сети; б - временная диаграмма работы ключа 3; в - временная диаграмма сигнала на выходе входного устройства 4.

Т_Н - время первого разомкнутого состояния ключа 3,

Т_З - время замкнутого состояния ключа 3.

Т_Р - время второго разомкнутого состояния ключа 3,

t₁, t₃, t₅, t₇ - моменты замыкания ключа 3,

t₂, t₄, t₆, t₈ - моменты размыкания ключа 3.

Устройство для реализации заявленного способа содержит аспирационную камеру 1, высоковольтный электрод которой подключен к источнику питания 2, а собирающий - к ключу 3, управляемому устройством управления 5. Ключ 3 соединен со входом входного устройства 4, выход которого соединен с устройством обработки 6. С выхода устройства обработки 6 информация о концентрации аэроионов поступает на устройство индикации 7.

Устройство работает следующим образом.

При продувке исследуемого воздуха или другого газа через аспирационную камеру 1 за счет электростатического поля, созданного источником питания 2, ионы из воздуха осаждаются на электроды камеры 1. После размыкания ключа 3 устройством управления 6 на собирающем электроде камеры 1 за счет оседания ионов создается заряд, величина которого определится выражением:

где Q - величина заряда, К;

С - емкость камеры, Ф;

U - напряжение на емкости аспирационной камеры. В;

V - объемный расход воздуха через камеру, см³/с;

Т_н - время первого разомкнутого состояния ключа 3, с;

е=1,6·10^-19 К - заряд одного иона;

n - концентрация ионов, 1/см³.

При первом замыкании ключа 3 на выходе входного устройства 4 появляется импульс, амплитуда которого равна (коэффициент передачи входного устройства для простоты считаем равным единице):

где С_вх - входная емкость входного устройства 4,

ΔU_н1 - часть выходного сигнала входного устройства 4, являющаяся погрешностью и имеющая место при первом замыкании ключа 3. Она может быть обусловлена, например, наводкой от питающей сети (220 В, 50 Гц) или другой какой-то помехой.

Затем ключ 3 размыкается и через короткое время вновь замыкается. При втором замыкании ключа 3 на выходе входного устройства 4 также появляется импульс, амплитуда которого определиться выражением:

где Т_р - время второго разомкнутого состояния ключа 3, с;

ΔU_н2 - часть выходного сигнала входного устройства 4, являющаяся погрешностью при втором замыкании ключа 3.

Если выполнить условие Т_р<<Т_н и обеспечить постоянство измеряемой концентрации ионов за время между замыканиями ключа 3 (это легко осуществить, уменьшая время между моментами замыкания ключа 3), то в выражении (3) первой составляющей можно пренебречь. Тогда во втором цикле заряд-разряд результат измерения концентрации ионов будет зависеть только от помехи. То есть получаем:

При периодической помехе, сдвинув момент разряда емкости аспирационной камеры во втором цикле заряд-разряд на период помехи относительно момента ее разряда в первом цикле, получаем равенство:

Тогда в устройстве обработки 6 легко получить результат, содержащий информацию только о концентрации ионов - n простым вычитанием. В этом случае концентрация ионов определится выражение:

Если равенство помех при первом и втором замыканиях ключа не выполняется, то их влияние также можно уменьшить, но применив уже более сложный алгоритм обработки сигналов, появляющихся в результате замыканиях ключа 3. Так если отношение помех при первом и втором замыканиях ключа 3 постоянно, то в алгоритм обработки полученных при замыкании ключа 3 импульсов достаточно ввести масштабирующий коэффициент k. Выражение (6) в этом случаи запишется:

На практике наибольшее влияние на результат измерения вносит помеха, обусловленная питающей сетью (220 В, 50 Гц). Влияние данной помехи можно существенно уменьшить вышеприведенным методом. Для подавления ее с минимальными аппаратными затратами достаточно синхронизировать работу устройства управления 5 и, следовательно, моменты замыкания ключа 3 с частотой питающей сети (220 В, 50 Гц), а момент повторного замыкания ключа 3 сдвинуть относительно первого замыкания ключа 3 на величину, равную периоду частоты питающей сети (220 В, 50 Гц). В этом случаи величины погрешностей, обусловленных питающей сетью (220 В, 50 Гц), при первом и повторном замыкании ключа 3 будут практически одинаковы по значению и в выражении (7) можно принять к=1. Поэтому результат измерения, определенный по разности сигналов при первом и повторном замыканиях ключа 3 (см. фиг.2), практически не будет зависеть от этой помехи.

Способ измерения концентрации ионов, заключающийся в накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого газа на ее собирающий электрод за заданный промежуток времени и последующем его измерении путем регистрации импульса напряжения, возникающего на выходе входного устройства при разряде емкости аспирационной камеры, отличающийся тем, что после первого цикла заряд-разряд проводят второй цикл, в котором момент разряда емкости аспирационной камеры отстает от момента ее разряда в первом цикле на время, равное периоду сигнала, вносящего помеху в измерение концентрации ионов, а концентрацию ионов определяют в результате совместной обработки импульсов напряжения, возникающих при разрядах емкости аспирационной камеры в результате вычитания импульсов напряжения при первом и втором разрядах.