датчик концентрации аэроионов

Формула изобретения

Датчик концентрации аэроионов, содержащий источник напряжения смещения и приемный зонд, отличающийся тем, что датчик дополнительно содержит два последовательно соединенных резистора, вспомогательный электрод, электрометр для измерения выходного напряжения, пропорционального измеряемой концентрации аэроионов, причем приемный зонд представляет собой объемный электрод, выполненный из металлической сетки, внутри которой расположен изолированный от него вспомогательный электрод, соединенный с первым из двух последовательно соединенных резисторов, второй из которых заземлен, при этом источник напряжения смещения одним полюсом подключен к приемному зонду, а вторым к средней точке соединения резисторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительным устройствам и может быть использовано в измерителях концентрации как отрицательных, так и положительных аэроионов, а также в системах автоматического поддержания интенсивности искусственной ионизации воздуха.

Возможность работы устройства в естественных условиях может быть использована для целей геофизической разведки и в инженерной геологии.

В настоящее время известны достаточно качественные измерители концентрации аэроионов [1]. В его состав входит вентилятор для продувки воздуха через аспирационную камеру. Контактирование малогабаритных элементов камеры с относительно большим объемом продуваемого воздуха приводит к их быстрому загрязнению, особенно в условиях повышенной влажности. Поэтому для сохранения работоспособности и поддержания точности измерений на приемлемом уровне необходимы систематические чистка и просушка аппарата. Работа с прибором вне помещения практически безрезультативна. Последний может выйти из строя при первом измерении.

Более надежными в этом плане являются измерители с приемным зондом [2]. В то же время, данное устройство, принятое в качестве прототипа, также не предназначено для работы на открытом воздухе. Главной причиной этому является наличие проводимости между зондом и землей за счет влажности воздуха. Возникающий при этом ток утечки может быть намного больше измеряемого ионного тока, что делает результаты измерений недостоверными.

Основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание датчика концентрации аэроионов с компенсацией погрешности, обусловленной влажностью воздуха.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчик концентрации аэроионов, содержащий источник напряжения смещения и приемный зонд, дополнительно введены два последовательно соединенных резистора, вспомогательный электрод, электрометр для измерения выходного напряжения, пропорционального измеряемой концентрации аэроионов, причем приемный зонд представляет собой объемный электрод, выполненный из металлической сетки, внутри которой расположен изолированный от него вспомогательный электрод, соединенный с первым из двух последовательно соединенных резисторов, второй из которых заземлен, при этом источник напряжения смещения одним полюсом подключен к приемному зонду, а вторым к средней точке соединения резисторов.

Схема датчика концентрации аэроионов приведена на чертеже, где обозначено:

1 - приемный зонд;

2 - вспомогательный электрод;

3 - источник напряжения смещения;

4; 5 - резисторы;

6 - электрометр;

R_ут1; R_ут2 - эквивалентные сопротивления утечки, обусловленные влажностью воздуха между приемным зондом и вспомогательным электродом и между приемным зондом и землей.

Принцип действия прибора состоит в следующем: при подаче напряжения смещения на приемный зонд противоположно заряженные аэроионы из окружающего пространства двигаются к нему и, контактируя с его поверхностью, отдают заряд. Последний компенсируется электрическим током, проходящим от источника напряжения смещения 3 по цепи: приемный зонд 1, воздух, земля, резистор 5. Составляющая напряжения на резисторе 5, обусловленная этим током, является полезным сигналом, пропорциональным удельной концентрации аэроионов. По этой же цепи проходит ток, обусловленный наличием сопротивления утечки R_ут2. Ток утечки между приемным зондом 1 и вспомогательным электродом 2 проходит через R_ут1 и резистор R4. Нетрудно видеть, что токи, проходящие по резисторам R4 и R5, направлены навстречу друг другу, следовательно, падения напряжений на резисторах, обусловленные токами утечки, могут быть взаимно скомпенсированы, если входным напряжением электрометра 6 будет суммарное напряжение на резисторах R4 и R5. Полная компенсация достигается регулировкой, которая осуществляется в сыром закрытом помещении с безусловным отсутствием аэроионов. В этом случае, варьируя величиной резистора R4, добиваются нулевого значения показаний электрометра. Результат регулировки будет более устойчивым при равенстве токов утечки, т.е. при R_ут1=R_ут2. Приблизительного равенства этих величин добиваются подбором взаимного расположения и геометрических размеров приемного зонда 1 и вспомогательного электрода 2.

Меняя полярность источника питания, можно измерять удельную концентрацию как отрицательных, так и положительных аэроионов. Величина напряжения источника смещения составляет порядка 1,5 кВ.

Предлагаемое устройство проверено экспериментально. В экспериментальном макете приемный зонд был выполнен в виде трехгранной призмы, закрепленной на трех ножках из изоляционного материала. Боковые грани представляют собой алюминиевые рамки с натянутой на них проволочной сеткой и имеют размеры 50×50 см. Вспомогательный электрод также имеет форму трехгранной призмы со сплошными металлическими боковыми гранями с размерами 35×35 см. Сопротивление резисторов составляло 22 МОм. В качестве электрометра использовался электрометр модели 614 фирмы KEITHLEY с величиной входного сопротивления 5×10¹³ Ом. Настройка прибора производилась в условиях густого тумана путем изменения рабочей площади вспомогательного электрода. В результате регулировки величина выходного напряжения, обусловленного токами утечки снизилась с 14 В до 0,06 В. Затем отрегулированное устройство проверялось в сухом помещении в условиях искусственной ионизации воздуха. В качестве контрольного измерителя концентрации аэроионов использовался прибор MAC-01, а в качестве источника аэроионов - ионизатор воздуха “Алаит-01”. Экспериментальная проверка показала, что погрешность, обусловленная влажностью воздуха, в предлагаемом датчике ослаблена во много раз при сохранении чувствительности по полезному сигналу на приемлемом уровне. Установлено, что для данного варианта исполнения датчика концентрация аэроионов определяется выражением:

N17 A,

где,

N - количество тысяч аэроионов в 1 см ³ исследуемого объема воздуха;

А - показания электрометра в вольтах.

Литература:

1. Счетчик аэроионов MAC-01. Руководство по эксплуатации.

2. Измеритель концентрации отрицательных аэроионов. Патент RU 2077713. (Прототип)