RU2603970C1 - Method of measuring concentration of ions - Google Patents

Method of measuring concentration of ions Download PDF

Info

Publication number
RU2603970C1
RU2603970C1 RU2015124606/07A RU2015124606A RU2603970C1 RU 2603970 C1 RU2603970 C1 RU 2603970C1 RU 2015124606/07 A RU2015124606/07 A RU 2015124606/07A RU 2015124606 A RU2015124606 A RU 2015124606A RU 2603970 C1 RU2603970 C1 RU 2603970C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
ions
measuring
key
collecting electrode
Prior art date
Application number
RU2015124606/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Михайлович Маковеев
Василий Владимирович Постнов
Иван Михайлович Александров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2015124606/07A priority Critical patent/RU2603970C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603970C1 publication Critical patent/RU2603970C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for measuring ion concentration of atmospheric air. Method of measuring ion concentration, which comprises periodic charge accumulation on a capacitor of an aspiration chamber with settling of ions of investigated air on its collecting electrode at equal time intervals and subsquent measurement thereof by measuring pulse parameters occurring at input of input device during discharge of capacitor of aspiration chamber at its input resistance when switch is closed, connecting collecting electrode of chamber to input of input device, measuring amplitude of first harmonic
Figure 00000022
of sequence of said pulses and determining concentration of ions from value of amplitude of first harmonic
Figure 00000022
of sequence of said pulses.
EFFECT: high accuracy of measuring ion concentration by reducing effect of noise.
1 cl, 2 dwg

Description

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.There is a method of measuring the concentration of air ions, in which the measurement result is determined by the current generated by the ions deposited on the collecting electrode of the aspiration chamber, the high-voltage electrode of which is connected to the power supply unit of the chamber, and the collecting one is connected to the current meter (Tammet Kh.F. Aspiration method of spectrum measurement aeroions // Transactions on aeroionization and electroaerosols: Scientific West Tartus University - Tartu, 1967. - issue 195-234 p.). The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurement, due to the strong influence of interference of various kinds and origin. The reason is that the input current measuring resistance is very large, in some cases, e.g., when measuring natural background aeroionic may reach value of 10 12 ohms.

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.Partially eliminate this disadvantage can be achieved by using the method of measuring the concentration of ions (Patent No. 2459309 for the invention. The method of measuring the concentration of ions and a device for its implementation H01J 47/04, published on 08/20/2012, bull. No. 23), which consists in periodic accumulation charge on the capacity of the suction chamber that occurs when ions of the test air are deposited on its collecting electrode for equal periods of time, and its subsequent measurement by recording the area of pulses that occur at the output of the input device during a discharge capacity of the suction chamber at its input resistance.

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.The disadvantage of the above method, adopted as a prototype, is the low measurement accuracy due to the significant influence of interference, especially interference from the supply voltage of 220 V, 50 Hz, on the measurement result.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех.The technical result to which the claimed invention is directed is to increase the accuracy of measuring the concentration of ions by reducing the influence of interference.

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

Figure 00000001
от последовательности этих импульсов согласно уравнениям:The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the concentration of ions, which consists in periodically accumulating charge on the capacity of the suction chamber when the ions of the test air are deposited on its collecting electrode for equal periods of time and then measuring it by measuring the parameters of the pulses that occur at the input of the input device during discharge the capacity of the suction chamber to its input resistance when the key is closed, connecting the collecting electrode of the camera to the input of the input device, a new phenomenon It is Busy that the ion concentration is determined by the magnitude of the first harmonic amplitude
Figure 00000001
from the sequence of these pulses according to the equations:

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где

Figure 00000003
,
Figure 00000004
,Where
Figure 00000003
,
Figure 00000004
,

где R - входное сопротивление входного устройства, С - емкость аспирационной камеры, Т - период переключения ключа, Тзам - время замкнутого состояния ключа, Траз - 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.where R is the input impedance of the input device, C is the capacity of the suction chamber, T is the key switching period, T deputy is the time of the key’s closed state, T times is the time of the open state of the key, V is the volumetric flow rate of the test air through the suction chamber, n is the measured concentration ions, the e-charge of the ion and I = n · V · e is the current generated by the ions deposited on the collecting electrode of the aspiration chamber, which is proportional to the measured ion concentration n.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2 a, b, c, d.The invention is illustrated in FIG. 1 and 2 a, b, c, d.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения концентрации ионов.In FIG. 1 shows a block diagram of an apparatus for measuring ion concentration.

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.Here: 1 - a high-voltage power source of the aspiration chamber, 2 - an aspiration chamber, the collecting electrode capacity of which is C, 3 - a key connecting the collecting electrode of the aspiration chamber to an input device, 4 - an input device, 5 - a key control device 3, 6 - device processing and indication.

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.The ion counting device comprises an aspiration chamber 2, the high-voltage electrode of which is connected to the high-voltage power source 1, and the electrode collecting it through the key 3, controlled by the signal of the key control device 5, is connected to the input of the input device 4. The output of the input device 4 is connected to the input of the processing device and indications 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)=Тзам ключ 3 замкнут, а в интервале времени (t2-t1)=Траз - 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).In FIG. 2 a-e show voltage plots at the outputs of the device elements. In FIG. 2a shows the state of the contacts of the key 3. In the time interval (t 1 -0) = T deputy key 3 is closed, and in the time interval (t 2 -t 1 ) = T times it is open, etc. In FIG. 2 b shows the change in voltage across the capacitance of the collecting electrode of the suction chamber 2 when the key 3 is closed and open, FIG. 2 s - voltage change at the input input device 4, in FIG. 2 d shows the first harmonic of the spectrum of the input signal of the input device 4 (the phase shift of the first harmonic relative to the signal of FIG. 2 b is not shown in this figure).

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:The device operates as follows. When purging the test air through the suction chamber 2, the ions together with the studied air flow enter its working volume and, under the influence of the electrostatic field created by the high-voltage power supply of the suction chamber 1, are deposited, depending on their sign, on the high-voltage or collecting electrodes. When the key 3 is opened (Fig. 2 a, for example, the time interval (t 1 -t 2 )), the ions deposited on the collecting electrode of the suction chamber 2 begin to charge its capacity with a current, the value of which is determined by the expression:

I=n·V·e,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):where n is the measured ion concentration, [1 / cm 3 ], V is the volumetric gas flow through the suction chamber, [cm 3 / s], e = 1.6 · 10 -19 [C] is the charge of one ion (light air ions have a charge one electron). As a result, in the time interval (t 1 -t 2 ), the capacity of the collecting electrode of the camera begins to accumulate charge. Its value and voltage at this capacitance are determined respectively by the expressions (Fig. 2 b):

Figure 00000005
Figure 00000005

где Q0 - заряд на емкости собирающего электрода камеры к моменту размыкания контактов ключа 3.where Q 0 is the charge on the capacity of the collecting electrode of the camera to the moment of opening of the contacts of the key 3.

Тогда, к моменту времени t2 эти величины принимаю значения:Then, at time t 2, these values take values:

Figure 00000006
Figure 00000006

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:When the key 3 is closed, the capacity of the suction chamber 2 begins to discharge through the input resistance R of the input device 4, and the voltage across the capacitance of the collecting electrode of the chamber 2 will change according to the expression:

Figure 00000007
Figure 00000007

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):Considering that the voltage at the capacitance C of the collecting electrode of the chamber 2 will have the same values both at the time of closure of the key 3 and the same values at the moments of its opening, the expressions are valid for it (Fig. 2 b):

Figure 00000008
при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t1) и
Figure 00000008
when the key 3 is closed in the time interval (0-t 1 ) and

Figure 00000009
при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t1-t2).
Figure 00000009
when the key 3 is open in the time interval (t 1 -t 2 ).

Так как на вход входного устройства 4 сигнал поступает только при замкнутом состоянии ключа 3 (фиг. 2 с), то его входной сигнал определяется выражениями:Since the input signal of the input device 4 is received only when the key 3 is closed (Fig. 2 s), its input signal is determined by the expressions:

Figure 00000010
- при замкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (0-t1) и
Figure 00000010
- when the key 3 is closed in the time interval (0-t 1 ) and

Figure 00000011
- при разомкнутом состоянии ключа 3 в интервале времени (t1-t2).
Figure 00000011
- when the key 3 is open in the time interval (t 1 -t 2 ).

Этот сигнал является периодическим с периодом, равным Т=Тзамраз. Его частота определяется выражением: ω0=2π/(Тзамраз). Обозначая этот сигнал как U(t) и раскладывая его в вряд Фурье, для него можно записать выражение:This signal is periodic with a period equal to T = T deputy + T times . Its frequency is determined by the expression: ω 0 = 2π / (T deputy + T times ). Denoting this signal as U (t) and expanding it into Fourier, it is possible to write the expression for it:

Figure 00000012
Figure 00000012

Первая гармоники этого сигнала имеет вид:The first harmonic of this signal has the form:

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
иWhere
Figure 00000014
and

Figure 00000015
Figure 00000015

Амплитуда

Figure 00000016
первой гармоники этого сигнала определится выражением:Amplitude
Figure 00000016
the first harmonic of this signal is determined by the expression:

Figure 00000017
. 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).
Figure 00000017
. From the above equations it can be seen that it is proportional to the current I = n · V · e, and therefore the measured ion concentration. In the future, in order to eliminate interference, this harmonic must be isolated, for example, by a band-pass filter, rectified by the rectifier of analog signals, and the ripple filtered by a low-pass filter. All these operations are carried out in the processing and display unit 6 (Fig. 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.Thus, the proposed method for measuring the concentration of ions can significantly suppress interference and improve the accuracy of measurement. Moreover, the implementation of this method does not require significant hardware costs.

Claims (1)

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:
Figure 00000018
,
где
Figure 00000019
- амплитуда первой гармоники,
Figure 00000020

Figure 00000021

где R - входное сопротивление входного устройства, С - емкость аспирационной камеры, Т - период переключения ключа, Тзам - время замкнутого состояния ключа, Траз - 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.
A method for measuring the concentration of ions, which consists in the periodic accumulation of charge on the capacity of the aspiration chamber when the ions of the test air are deposited on its collecting electrode for equal periods of time and its subsequent measurement by measuring the parameters of the pulses that occur at the input of the input device when the capacity of the aspiration chamber is discharged to its input resistance when closing the key connecting the collecting electrode of the camera with the input of the input device, characterized in that from the spectrum of the received pulses in fissioning its first harmonic component, its amplitude is measured, which value is proportional to the measured ion concentrations, and its value is determined according to the equations ion concentration:
Figure 00000018
,
Where
Figure 00000019
- the amplitude of the first harmonic,
Figure 00000020

Figure 00000021

where R is the input impedance of the input device, C is the capacity of the suction chamber, T is the key switching period, T deputy is the time of the key’s closed state, T times is the time of the open state of the key, V is the volumetric flow rate of the test air through the suction chamber, n is the measured concentration ions, e is the charge of the ion and I = n · V · e is the current generated by the ions deposited on the collecting electrode of the aspiration chamber, which is proportional to the measured ion concentration n.
RU2015124606/07A 2015-06-23 2015-06-23 Method of measuring concentration of ions RU2603970C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015124606/07A RU2603970C1 (en) 2015-06-23 2015-06-23 Method of measuring concentration of ions

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015124606/07A RU2603970C1 (en) 2015-06-23 2015-06-23 Method of measuring concentration of ions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2603970C1 true RU2603970C1 (en) 2016-12-10

Family

ID=57776832

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015124606/07A RU2603970C1 (en) 2015-06-23 2015-06-23 Method of measuring concentration of ions

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603970C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2676943C1 (en) * 2017-12-22 2019-01-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of measuring the concentration of ions and a device for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2288873A (en) * 1994-04-28 1995-11-01 Univ Middlesex Serv Ltd Multi-component gas analysis apparatus
US5602468A (en) * 1995-08-07 1997-02-11 Radcal Corporation Method and apparatus for ion chamber identification
RU2267186C1 (en) * 2004-03-22 2005-12-27 Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Method for measurement of concentration of ions
RU2459309C1 (en) * 2011-06-17 2012-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) Method of measuring ion concentration and apparatus for realising said method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2288873A (en) * 1994-04-28 1995-11-01 Univ Middlesex Serv Ltd Multi-component gas analysis apparatus
US5602468A (en) * 1995-08-07 1997-02-11 Radcal Corporation Method and apparatus for ion chamber identification
RU2267186C1 (en) * 2004-03-22 2005-12-27 Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева Method for measurement of concentration of ions
RU2459309C1 (en) * 2011-06-17 2012-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) Method of measuring ion concentration and apparatus for realising said method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2676943C1 (en) * 2017-12-22 2019-01-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of measuring the concentration of ions and a device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101806832B (en) Measuring method for frequencies of low-frequency signals
RU2013106761A (en) DETERMINATION OF THE DIRECTION OF THE SHORT CIRCUIT TO THE EARTH FOR THE MEDIUM OR HIGH VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORKS
US20110169768A1 (en) Electrostatic detection device, information apparatus, and electrostatic detection method
CN101629925A (en) Method and device for measuring the conductivity of a pure or ultrarapture liquid
CN109187656A (en) The device and method of the electric property of measurement of species
WO2014033040A1 (en) Aerosol measuring device and method
RU2459309C1 (en) Method of measuring ion concentration and apparatus for realising said method
RU2603970C1 (en) Method of measuring concentration of ions
RU2614157C2 (en) Device for counting ions
CN103091561B (en) Device obtaining direct current signals from alternative current and direct current superposition signals and method thereof
RU2671833C1 (en) Device for counting ions
RU180594U1 (en) DEVICE FOR ION ACCOUNT
Heintzelman et al. Characterization and analysis of electric-field sensors
RU2449302C1 (en) Method for determination of internal resistance components for chemical current sources
RU2676943C1 (en) Method of measuring the concentration of ions and a device for its implementation
RU2267186C1 (en) Method for measurement of concentration of ions
CA2379639A1 (en) Method and apparatus for detecting slow and small changes of electrical signals including the sign of the changes, and circuit arrangement for the exact detection of the peak value of an alternating voltage
KR20100023825A (en) Ion mobility spectrometer including spaced electrodes for filtering
CN110988495B (en) High-speed pulse signal amplitude measuring method
RU2253862C1 (en) Method of measuring ion concentration
RU2705194C1 (en) Device for measuring concentration of ions
RU2608970C2 (en) Method of measuring full resistance components and device for its implementation
RU2275645C2 (en) Method for measuring resistance of connections isolation in branched networks of direct and alternating current, and device for its realization
RU2260190C1 (en) Relaxation measuring device for parameters of cg-dipole
RU2650345C1 (en) Method of measurement of partial discharge

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180624