Устройство для счета ионов

Союз СоветсиикСфцнаянстмчесннкРасттублми АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ лнительное к авт, саид-вулено 07.03.80 (21) 2892163/18)За соединением заявки 1 М 27/62 1 1 39/34 3 Ьеударотеениый кемите СССР ав делам изобретений н открытий,Реута, Б.Л.Пьян В.М.Мако анский ордена Трудового Красног авиационный институт им.А.Н.Т наменилева 1) Заявител 4) уСТРОИСТЕО для СЧЕТА ИОН 15 сра- мпли Изобретение относится к приборамдля измерения концентрации и спектрагазовых ионов, например. атмосферных.Известно устройство для счетаионов, содержащее аспирационную ионную камеру с источником питаний иключом для подключения камеры к измерительному усилителю, амплитудновременной преобразователь, счетчикимпульсов с блоком цифровой индикации и блок управления О 1.Недостатками известного устройства являются низкая помехозащищенности отсутствие защиты от дребезга. контактов ключа, которцй может резкоснизить точность измерения,Известно устройство для счетаионов, содержащее источник питания,аспирационНую камеру, первый ключ,усилитель, блок управления, счетчики генератор импульсов, амплитудновременной преобразователь,первыйэлемент И, выход источника питаниясоединен с первой обкладкой аспирационной камеры, вторая обкладка которой соединена со входом первогоключа, выход которого соединен совходом усилителя, выход амплитудновременного преобразователя соединен5 с первым входом первого элемента И,второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсов и со входом счет"чика импульсов, вход сброса котороо го соединен с первым вцходом блокауправления, второй вцход которогосоединен с управляющим входом первого ключа 2,Однако, хотя в данном устройствепредусмотрена защита от дребезга "контактов ключа, она неэффективнапри использовании малоинерционныхреле, у которых дребезг в видеодного-двух ударов начинается раньше, чем успеет сработать защита,причем время, необходимое длябатывания защиты, зависит от аЗО туды входного сигнала (чем большеамплитуда сигнала, тем позже срабо"тала защита).Кроме того,за время, пока не сработала защита, через измерительныйтракт могут пройти любые помехи каксо входа измерительного усилителя,так и из цепей питания и управления.Все это приводит к сбоям, снижаетточность измерения. 10Целью изобретения является повышение помехозащищенности и точностиизмерения,Поставленная цель достигается тем,что в устройство для счета ионов, со Здержащее источник питания, аспирационную камеру, первый ключ, усилитель, блок управления, счетчик игенератор импульсов, амплитудно-временной преобразователь, первый элемент И, выход источника питания соединен с первой обкладкой аспирационной камеры, вторая обкладка которойсоединена со входом первого ключа,выход которого соединен со входом Иусилителя, выход амплитудно"временного преобразователя соединен с первым входом первого элемента И, второйвход и выход которого соединены соответственно с выходом генератораимпульсов и со входом счетчика им"пульсов, вход сброса которого соединен с первым выходом блока управления,второй выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, введены второй ключ, формирователь им 35пульсов и синхронизатор, первый,второй, третий, четвертый входы ивыход которого соединены соответственно с выходом усилителя, третьим иЯОчетвертым выходами блока управления,с выходом формирователя импульсов исо входом формирователя импульсов,выход которого соединен со входомуправления второго ключа, вход и выходкоторого соединены соответственно сЯЗвыходом усилителя и со входом ампли"тудно-временного преобразователя.При этом синхронизатор содержиттриггер, второй элемент И, блок дифференцирования и элемент ИЛИ, входыкоторого соединены соответственнос третьим и четвертым входами синхронизатора, второй вход которого соединен с первым входом триггера,второй вход и выход которого соеди- ,Ынены соответственно с выходом элемента ИЛИ и с первым входом второго,элемента И, выход которого соединен 85 4с выходом синхронизатора, первыйвход которого соединен со входомблока дифференцирования выход которого соединен со вторым входом вто"рого элемента И,На фиг, приведена блок-схемаустройства для счета ионов; на фиг.2 временные диаграммы работы устрой"ства.Устройство содержит аспирационнуюкамеру 1, источник 2 питания, ключ3, усилитель 4, блок 5 управления,счетчик 6 импульсов, синхронизатор7, содержащий триггер 8, элемент 9 И,блок 1 О дифференцирования и элемент11 ИЛИ, формирователь 12 импульсов,ключ 13, амплитудно-временной преобразователь 14, элемент 15 И и генератор 16 импульсов.Выход источника 2 питания соединен с первой обкладкой аспирационной камеры 1, вторая обкладкакоторой соединена со входом ключа 3,выход которого соединен со входомусилителя 4, выход которого соединен со входом блока 10 дифференциро"вания и со входом ключа 13, выходкоторого соединен со входом амплитудно-временного преобразователя 14,выход которого соединен с первымвходом элемента 15 И, второй вход ивыход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсов 16 и со входом счетчика 6 импульсов, вход сброса которого соединенс первым выходом блока 5 управления,второй, третий и четвертый выходыкоторого соединены соответственно суправляющим входом ключа 3, первымвходом элемента 11 ИЛИ и с первымвходом триггера 8, второй вход ивыход которого соединены соответственно с выходом элемента 11 ИЛИ и спервым входом элемента 9 И, второйвход и выход которого соединены соответственно с выходом блока 10 дифференцирования и со входом формирователя 12 импульсов, выход которогосоединен со входом управления ключа13 и со вторым входом элемента 11 ИЛИ.,На фиг.2 обозначены временные диаграммы 17-26 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 вы892285 5ходе ключа 13, на выходе амплитудно-временного преобразователя 14 и навыходе элемента 15.Аспирационная камера 1. представляет собой открытый конденсатор специальной конструкции, ключ 3 " специальное реле с высоким качествомизоляции (например, янтарь, сапфир)между входным и выходным контактами,т.е. между входом и выходом.8 качестве формирователя 12 им"пульсов может быть использован, например, ждущий одновибратор, а в состав счетчика импульсов 6 можно вво"дить блок цифровой индикации илицифропечатающее устройство,Устройство для счета ионов работает следующим образом,После подачи напряжения питанияаспирационная ионная камера 1 заряжа"ется от источника 2 питания черезнормально замкнутый первый ключ 3и входное сопротивление усилителя 4,в результате чего между электродами(обкладками) аспирационной ионнойкамеры 1 создается электрическое поле, полярность которого определяется полярностью источника 2 питания.Для измерения концентрации ионовв воздухе или ином газе последнийпродувают через аспирационную камеру 1 с помощью воздуходувки (не по"казана). После окончания переходныхпроцессов первый ключ 3 отключает. от входа усилителя 4 аспирационнуюкамеру 1 по сигналу блока 5 управления, который в это же время подает сигнал сброса на счетчик 6 импульсов и устанавливает его в исходноенулевое состояние,При разомкнутом первом ключе 3ионы воздуха или газа, попав в электрическое поле аспирационной ионнойкамеры 1, осаждаются на электродыкамеры, причем ионы интересующегознака осаждаются на второй (собирающий) электрод аспирационной ионнойкамеры 1, в результате чего потенциал этого электрода растет по абсолют"ной величине, а общий заряд аспира"ционной ионной камеры 1 падает. Ве"личина о, на которую уменьшается заряд камеры, равна ц=СО=пЧе,где С - емкость камеры 1 рО - потенциал на втором электроде камеры 1, 8; и - концентрация ионов заданногознака в единице объема возду"ха или газа, .1/смЭ;Ч " объемный расход воздуха илигаза через камеру 1, см /с;й " время разомкнутого состоянияпервого 3 ключа, с;е - 1,6 10%" зарядодного иона.Через заданное воемя из блока 5 е управления поступает сигнал на замы. кание ключа 3. Поскольку ключ 3 (например, реле) обладает инерцией, вна"чале в момент й 1 (фиг,2,диаграмма17) на его выходе может появиться 1 ф импульс, наведенный на его контактеза счет ЭДС самоиндукции управляющейобмотки этого ключа (существуют специальные конструкции реле, у которыхтакой импульс отсутствует; здесь расм сматривается худший вариант ключа 3,чтобы показать возможности защитыустройства для счета ионов от помехна входе).Хотя этот импульс и пройдет через з усилитель 4 и поступит на входы синхронизатора 7 и ключа 13, он не сможет повлиять на результаты измерения,так как ключ 13 закрыт для прохожде"ния сигнала. Упомянутый паразитный М импульс, поступив на второй входблока 10 дифференцирования синхрони"затора 7, дифференцируется и поступает на второй вход элемента 9 И(фиг.2, диаграмма 19), но, поскольку Зю элемент 9 И закрыт по первому входу,продифференцированный паразитный им"пульс в другие цепи не проходит. 8момент временис выхода блока 5управления на первый вход триггера 40 8 поступает короткий импульс (фиг.2,диаграмма 18), в результате действиякоторого триггер 8 опрокидывается,и с его выхода на первый вход элемена 9 И паступае сигнал разрешения еф (фиг,2, диаграмма 22) на прохождениечерез элемент 9 И сигнала с выходаблока 10 дифференцирования. В момент времени с 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 4 по закону, изображенному на фиг,2 (диаграмма 17), Поскольку всегда есть паразитная емкость между контактами .ключа 3, которая растет по мере сбли" жения контактов, а также имеется па" раэитная входная емкость усилителя 4, импульс на входе усилителя 4 появляется не скачком, а плавно, как показано на Фиг.2 (диаграмма 17), с момента времениЭ до момента й, где он достигает амплитудного значенияЦ е еепрайе4 С+С(2) где 0 . - амплитуда импульса на входе1усилителя 4,8;.С - суммарная паразитная емкость, приведенная ко входуусилителя 4, Ф;На Фиг.2 (диаграмма 17) показано также, что в момент времени й полез. ный импульс претерпевает разрыв за счет дребезга контакта ключа 3. Этот разрыв импульса может внести искажения в показания результата измерения, если не защитить от него измерительный тракт.Итак, в момент времени й на входе усилителя 4 появляется полезный сиг" нал, который после усиления поступает на вход запертого ключа 13, через блок 10 дифференцирования сигнал поступает на второй вход элемента 9 И (фиг,2, диаграмма 19), который открывается и подает на вход Формирователя 12 импульсов единичный сигнал : (фиг.2, диаграмма 21), который., одна"ко, не запускает формирователь 12 импульсов, так как последний настроен так, что он запускается от отрица" тельного перехода напряжения на его входе. 8 момент времени когда амплитуда импульса на входе и выходе усилителя 4 достигает максимума(фиг.2, диаграмма 17), продифферен" цированный 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. задан" ной длительности (фиг,2, диаграмма 2 О) Начало этого импульса всегда совпадает с моментом, когда сигнал на входе усилителя 4 достигает мак, симума, а конец этого. импульса во времени наступает раньше момента й, 16 импульсов (фиг,2, диаграмма 2 б)на вход счетчика 6 импульсов, врезультате чего в счетчике б импуль" 6 сов записывается число импульсов,которое также прямо пропорциональноконцентрации ионов в единице объемавоздуха или газа8 момент времени т с выхода блоф ка 5 управления на вход элемента11 ИЛИ синхронизатора 7 поступаеткороткий импульс блокировки, которыйдублирует импульс, поступающий с вы"хода Формирователя 12 импульсов на 36 другой вход элемента 11 ИЛИ. Этотимпульс необходим на случай отсуствия полезного сигнала на входе усилителя 4, так как в этом случае непоявляется импульс на выходе форми- Ы рователя 12 импульсов, и синхронизатор 7 не приводится в исходное состояние, потому что триггер 18 с момента 1 (фиг,2, диаграмма 22) находитВ 36 13 26 23 1 36 т.е. до появления разрыва в полеэйом. сигнале. Импульс с выхода Формирователя 12 импульсов поступает на вход элемента 11 ИЛИ и через последний на второй вход триггера 8.Передний фронт этого импульса оп" рокидывает 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 дру" гих сигналов с выхода блока 10 диф" Ференцирования, Одновременно импульс с выхода формирователя 12 импульсов поступает на управляющии вход ключа 13 и открывает его для прохождения сигнала с выхода усилителя 4 на вход амплитудно"временного преобразователя 14 (фиг.2, диаграмма 24).В момент времени С 5 импульс на выходе Формирователя 12 импульсов исчезает, ключ 13 закрывается для дальнейаего прохождения через него любого сигна" ла, а на выходе амплитудно-временного преобразователя 14 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 генератора2285, 10ход которого соединены соответственно с выходом генератора импульсови со входом счетчика импульсов, входсброса которого соединен с первымвыходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющимвходом первого ключа, о т л и ч аю щ е е с я теи, что, с целью повыаения помехоустойчивости и точностиизмерения, .в него введены второйключ, Формирователь импульсов и синхронизатор, первый, второй, третийчетвертый входы и выход которогосоединены соответственно с выходомусилителя, третьим и четвертым выходами блока управления, с выходомФормирователя импульсов и со входомФормирователя импульсов, выход которого соединен со входом управлениявторого ключа, вход и выход которогосоединены соответственно с выходоиусилителя и со входом амплитудновремениого преобразователя.2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ в е с я тем, что синхронизаторсодержит триггер, второй элемент И,блок диервнцироваиия и элементИЛИ, входы которого соединены соответственно с третьим и четвертымвходами синхронизатора, второй входкоторого соединен с первым входомтриггера, второй вход и выход которого соединены соответственно с Формула изобретения. АвторскоеУ 606533, кл. 6 2. АвторскоеИ 474827, кл. 6 свидетельство СССРО 5 а 21 УО 2, 1974.свидетельство СССРО И 15/00, 1974. 9ся в единичном состоянии до тех йор, пока на его второй вход с элемента 11 ИЛИ не поступит сигнал сброса (в данном случае до момента й по фиг.2, диаграмма 22).После окончания цикла измерения все повторяется так, как описано,Таким образом, в предлагаемом устройстве никакой дребезг 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-врвиенно" го преобразователя, при этом измерительный тракт устройства защищен от любых помех на входе, если только они не наложены на сам полезный сиг" нал.Сигнал, поступающий на вход амплитудно-временного преобразователя 14, всегда засинхронизирован. с максиму" мом полезного сигнала на входе усилителя 4 и имеет наиболее приемлемуюдля преобразования близкую к прямоугольной Форму. 1. Устройство для счета ионов,содержащее источник питания, аспи.рационную камеру, первый ключ, усилитель, блок управления, счетчик игенератор импульсов, амплитудно-временной преобразователь,.первый элемент И, выход источника питаниясоединен с первой обкладкой аспира" ционной камеры, вторая обкладка ко- . торой соединена со входом первого ключа, выход которого соединен со входом усилителя, выход амплитудно-временного. преобразователя : соединен с первым входом первого элемента И, второй вход и выФ 0 й ф ЗФ ЭЗ Эз выходом элемента ИПК и с первым вхо"дом.второго злеивнта И, выход кото"рого соединен с выходом синхронизатора, первый вход которого соединенсо входом блока диФФеренцирования,выход которого соединен со вторымвходом второго элемента И,Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе/64 Тираж 918ВНИИПИ Государственного кпо делам изобретений и113035, Иосква, Ж, Рауш аказ 112 ная, 4 д, ул.П иал ППП "Патент", г,уж митета Сткрытийская наб