Устройство для измерения ионного тока
Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Номер патента: 1053032
Автор: Реута
Текст
19) О 1)СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 3(5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ АНИЕ ИЗОБРЕТ ОП АВ(21 ) 3466914/18-25 ду счетчика импульсов, и блок управ- (22) 09.07.82 ления, первый, второй и третий выхо- (46) 07.11.83. Бюл, Р 41 ды которого соединены соответственно (72) В.П. Реута с управляющим входом ключа, входом (53) 621.38682(088.8) сброса счетчика импульсов и вторым (56) 1. Минеев Ю.В. и др. Система входом элемента И, о т л и ч а ю щ измерения слабых токов, примененная . е с я тем, что, с целью повышения на спутниках "Электрон", .и "Элект- точности измерений, в него введены рон". - "Космические исследованияф, элемент ИЛИ, дополнительный компара, с. 781-783 тор и инвертор, вход которого соеди 2, Авторское свидетельство. СССР . нен с выходом усилителя-ограничите- Р 917632, кл. 0 01 Т 1/185, 1980 ля, и первым входом -дополнительного (прототип). компаратора, подключенного вторым (54)(57) УСТРОЙСТВО ЛПя ИЗМЕРЕНИЯ входом к выходу источника эталонного ИОННОГО ТОКА, содержащее коллектор напряжения, а выход инвертора соедиионов, выход которого через ключ под- . нен с вторым входом основного комключен к входу усилителя-ограничи- паратора, выход которого подключен теля, соединенному через разрядный к первому входу элемента ИЛИ, свярезистор с общей шиной, источник занному вторым входом с выходом доэталонного напряжения, выход. которого полнительного компаратора, а выхосоединен с первым входом компарато- дом - с третьим входом элемента И ра, генератор импульсов, счетчик им- и с входом блока. управления, четвер- пульсов, элемент И, подключенныйтый выход которого подсоединен к первым входом к выходу генератора им- пусковому входу источника эталонн пульсов, а выходом - .к счетному вхо- , напряжения,е огоСО ЮИзобретение относится; к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях ионного состава атмбсферы, в масс-спектроскопии, ядерной. физике, космическихисследованиях и многих других областях науки и техники, связанных сизмерением малых токов,Известно устройство для измерения слабых токов, создаваемых пото"ком заряженных частиц, содержащее 10последовательно соединенные колебательный Вс-контур, усилитель, формирователь импульсов, пороговый элемент и счетчик импульсов Г 1Недостатками известного устройства являЮтся наличие "мертвой зоны"при измерении, величина которой определяется отношением порога дискриминации к коэффициенту усиления усилителя; невысокая разрешающая способность, сВязан,ая с невозможностьюсоздания высокодобротного .колебатель-ного контура, способного . дать большое число медленно затухающих импуль-чсов, а также невысокая точность измерения, связанная с влиянием темпера 25туры и величины сигнала на параметры колебательного контура.Наиболее близким к предлагаемомупо средствам и достигаемому результату является устройство для измере- ЗОния ионного тока, содержащее коллекторионов, выход которого через ключ подключен к входу усилителя-ограничителя, соединенному через разрядный резистор с общей шиной, источник эталон 35ного напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора,генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент И, подключенный первым.входом к выходу генератора импульсов,40а выходом - к счетному входу счетчи. ка импульсов, и блок управления, первый, второй и третий выходы которогосоединены соответственно с управляющим входом ключа, входом сброса счетчика импульсов и вторым входом элемента И Г 2 3.Недостатком известного устройстваявляется невысокая точность измерений; обусловленная применением двухисточников опорного напряжения сострого определенной зависимостью между их входными напряжениями,.которуюна практике трудно реализовать.Цель изобретения - повьыение точности измерений. 55ЪПоставленная цель достигается тем,что и устройство для измерения ионного тока, содержащее коллектор ионов,выход которого через ключ подключенк входу усилителя-ограничителя, сое- бОдиненному через разрядный резистор собщейшиной, источник эталонного напряжения, выход которого соединен спервым входом компаратора, генераторимпульсов, счетчик импульсов, элементу И, подключенный первым входом к выходу генератора импульсов, а выходомк счетному входу счетчика импульсов;и блок управления, первый, второй итретий выходы которого соединены соот-ветственно с управляющим входом ключа,входом сброса счетчика импульсов ивторым входом элемента И, введеныэлемент ИЛИ, дополнительный компаратор и инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя-органичителя и первым входом дополнительногокомпаратора, подключенного вторымвходом к выходу источника эталонногонапряжения,выход инвертора соединен с вторым входом основного компаратора, выход которого подключен кпервому входу элемента ИЛИ, связанному вторым входом с выходом дополнительного компаратора, а выходом - стретьим входом элемента И и с входомблока управления, четвертый выходкоторого подсоединен к пусковомувходу источника эталонного напряжения,На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства для измерения ионноготока; на Фиг. 2 - эпюры напряжений вразных точках схемы устройства.Устройство для измерения ионноготока (Фиг, 1содержит коллектор ионов,.выполненный в виде общих обкладок аспи 1 рационных ионных камер 1 и 2, подключенных к блоку 3 питания, состоящемуиз балансировочного резистора 4 сзаземленной средней точкой и источника 5 напряжения, ключ 6, вход которого подключен к общим обкладкамаспирационных ионных камер, 1 и 2, выход соединен с разрядным резистором7 и входом усилителя-ограничителя 8,инвертор 9, основной и дополнительный компараторы 10 и 11, элементИЛИ 12, элемент И. 13, блок 14 управления, генератор 15 импульсов и счетчик 16 импульсов, источник 17 эталон"ного напряжения,На фиг. 2 приняты следующие обозначения: С - С- моменты времени,П - напряженйе на управляющем входеключа б; 01- напряженйе на аспирационных ионных камерах 1 и 2, создаваемое ионным током; +О - напряжениена входе усилителя-ограничителя 8,с которого он переходит.с линейногорежима усиления в режим ограничения;К -. коэффициент усиления усилителяограничителя 8; На - напряжение, ккоторому стремится .экспонента источника 17 эталонного напряжения;напряжение на выходе усилителя-ограничителя 8; Ц т 2 - напряжение Яа выходеэлемента ИЛИ 12; 04- напряжение, выдаваемое с выхода блока 14 управления на вход элемента И 13; О - серииимпульсов на выходе элемента13;ПА - напряжение на выходе источника17 эталонного напряжения,1053032 3Устройство для измерения ионноготока работает следующим образом.После подачи напряжения питания аспирационные ионные. камеры 1 к 2 эарядятся 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-.О ри аспирационных ионных камер 1 и 2 возникнет раэнополярное относительно общих электродов электрическое поле, например, в аспирационной ионной ка- . мере 1 .оно будет направлено от общей 5. обкладки (коллектора ионов), а в аспи рационной ионной камере 2 - к общей обкладке, Если при данном условии в аспирационные ионные камеры 1 и 2 попадут ионы газа, то в аспирацион- рО ной ионной камере, 1 на обкладку,соединенную с ключом 6, будут оседать отрицательные ионы, создавая на ней прк разомкнутом ключе б, отрицательное напряжение, а в аспирационной 25 ионной камере 2 будут оседать положительные ионы, создавая на ней положительное напряжение.Дальше измеряют концентрацию положительных ионов в газе, а затем . - отрицательных. Для этого вначале йродувают исследуемый газ через аспира- ционнуюионную камеру 2 и в некоторый: нулевой момент времени сигналом из блока 14 управления размыкается ключ. б (фиг, 2-.а). Поскольку общая точка аспирационных ионных камер 1 и 2 оказалась изолированной от разрядного резистора 7, то на общей точке . ионных камер 1 и 2 будет происходить интегрирование ионного тока, создана емого полоаительными ионами, оседающими в аспирационной ионной камере 2, по закону2+ 1 . +1 +ПХ = - + аС = - 1 С, (1)с с6где Б - положительное напряжение вХобщей точке аспирационныхионных камер 1. и 2;.с - сухарная емкость аспирационОних ионных камер 1 и 2;С 2 - время разомкнутого. состоянияключа б;х+ - мгновенное значение положи-.тельного ионного тока;1+ - среднее значение положительного ионного тока. 4где пф - концентрация положительнйхионов;чф - обьемный расход иСследуемОгогаза, продуваемого черезаспирационную ионную камеру 2;-19заряд одного иона, 1,6 10В момент времени С, из блока 14управления поступает команда на эаьикание ключа 6 фиг. 2 а). Но поскольку в качестве ключа б обычно используют специальное реле с высококачественной изоляцией между контактами, например, из янтаря, то замыкание ключа б происходит не мгновенно, а с некоторой задержкой, равной С 2 - С, и в течение этого времени будет проис-. ходить дальнейшее интегрирование ионного тока. С другой стороны, эа счет движения. подвижного контакта ключа б будет происходить изменение емкости между контактами ключа б (рост этой. емкости), в результате которого на входной паразйтной емкости усилителя-ограничителя 8 появится паразитный наведенный потенциал, который будет нарастать до момента времени С 2. В момент соприкосновения контактов ключа б Сигнал на входе усилителя-органичителя 8 станет рав- ным П = 1 Сг (3)с .сГде с - паразитная входная емкостьусилителя-органичителя 8.С момента времени С начнется раэ,гряд суммарной емкости с + с, через разрядный резистор 7 по экспоненциальному закону СУ 1 1+С е йС+СО) (4)с+сгде 0 .- потенциал на разрядном резисторе 7;- текущее время;Н - величина разрядного резистора 7;е - основание натурального ло-, гарифма.После усилителя-ограничителя 8 этот сигнал примет форму Пй (фиг.2 в), т.е. он будет усилен и ограничен до уровня КПО, до момента времени С 3, т,е. до тех пор, пока выполняется условие 0 +Брр, после чего сигнал на выходе усилителя-ограничителя 8 будет изменяться по закону1=пЧо,(2) Если в процессе измерения концентрация ионов постоянна, то нарастание напряжения 0 х будет происходить по линейному закону (фиг. 2 б) до момента времени Сг. При этом Напряжение с выхода усилителя-органк- бО чителя 8 поступает на неннвертирующий вход компаратора 11, а через инвертор 9 - на неинвертирующий вход компаратора 10. В результате этого в момент времени Скомпаратор 11 сработает и на его выходе и на выходе(с - с 2 ),элемента или 12 появится единичный сигнал (фиг. 2 г), который поступит на вход элемента И 13 и одновременно на вход блока 14 управления. Через время с -с , равное времени переме 2 1 фщения подвижного контакта ключа 6, из блока 14 управления поступитсигнал запуска источника 17 эталонного напряжения, на выходе которого появится экспоненциально нарастающее напряжение ц, которое меняется 0 по закону где Нр - постоянное напряжение, к 15которому стремится экспонента О,(фиг,2 в). Это напряжение поступитна вторые (инвертирующие) входы коглпараторов 10 и 11. Одноврегленнос блока 14 управления поступит 20сигнал (фиг. 2 д) на второй входэлемента И 13, который начнет пропускать импульсы, подаваемые наего третий вход генератором 15 импульсов, на вход счетчика 16 импульсов (фиг. 2 е). Это будет продолжаться до тех пор, пока сигналы наобоих входах компаратора 11 не станут равными друг другу. Равенствосигналов на входах компаратора 11наступит в момент времени С ,. когдавыполнится условие которое с учетом (1), (2), (3), (4),(5), (б) после преобразований можнозаписать в виде 4и с й(с с,)1 = е40о +оКак только выполнится условие (7), компаратор 11 опрокинется в нулевое состояние, в которое перейдет также элемент ИЛИ 12 (фиг, 2 г), котоРый 4 закроет элемент И 13 и прекратит поступление импульсов на вход счетчика 16 импульсов (фиг. 2 е), Нулевой сигнал элемента ИЛИ 12 через блок 14 управления с некоторой задержкой, равной С- С 4, сбросит на пряжение на выходе источника 17 эта.лонного напряжения в нулевое состояние (Фиг. 2 в), и одновременно блок 14 . управления заблокирует по второму входу элемент И 13 (фиг. 2 д). При 55 этом число импульсов, записанное в счетчике 16 импульсов, будет равно где Б - число импульсов;- частота следования импульсов на выходе генератора15 импульсов. , 65 Подставив значение с - сиз (9) в/и с0 р +р 1 В(с + ср) = А (11)Согс+с)В(12)и подставив (11), (12) в (10), получим М = А 1 в(ВН г + 1) (13) Таким образом, число импульсов, записанное в счетчике 15 импульсов, пропорционально логарифму входного сигнала, те, логарифму концентрации ионовАналогично с момента времени 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.2 в напряжение Ое условно перевернуто в положительную область ), и в работу вступит компаратор 10 , на выходе которого будет единица с момента С и до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными друг другу. Как только они станут равны друг другу, на выходе компаратора 10, появится нуль, а в счетчике 16 импульсов будет записано число импульсов где 1 - 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 повьыает точность измерения, так как при двух и более источ никах эталонного напряжения необходимо строгое соответствие между их величинами, чего практически невозможно1053032 Составитель ВКостюхинедактор И. Ткач Техред ИНадь " Коррег РМетник"П лиа,п П од, ул ая 7достичь при разном температурном уходе напряжения источников.Достоинством устройства является повыаенное быстродействие вследствие того, что источник эталонного напря". жения сбрасывается в нулевое состояние блоком управления сразу же после опрокидывания в нулевое состояние ком;, параторов. Это происходит за счет на-.,Заказ 88 б 5/43 Ти ВНИИПИ Госу по делам 113035, Иосквличня обратной связи с выхода эле-мента. ИЛИ на вход блока управления,.которая обеспечивает приведение висходное состоянйе источника эталонного напряжения сразу же после оконча-ния измерения, а не после того, какнапряжение на выходе источника эта:лонного напряжения достигнет максиома.
СмотретьЗаявка
3466914, 09.07.1982
РЕУТА ВИКТОР ПАВЛОВИЧ
МПК / Метки
МПК: G01T 1/18
Метки: ионного
Опубликовано: 07.11.1983
Код ссылки
<a href="https://patents.su/5-1053032-ustrojjstvo-dlya-izmereniya-ionnogo-toka.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Устройство для измерения ионного тока</a>
Предыдущий патент: Измеритель поляризационных параметров электромагнитной волны
Следующий патент: Способ определения напряженного состояния горных пород
Случайный патент: Патентш-тех1-шнегнйябиблиотека