Ru

Ua

En

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра "Электронная техника"

Специальность: Научные, аналитические, экологические приборы и системы

Тема выпускной работи:

"Разработка и обоснование структуры прибора контроля степени ионизации в помещении"

Научный руководитель: Буркивченко Владимир Иванович

Реферат

Актуальность

      В современных жилых, рабочих и общественных помещениях наблюдается физиологически неблагоприятная аэроионноя обстановка. Особую опасность представляет работа большого количества технических устройств (например, компьютеров или електрокопиров) и технологических процессов, способных создавать значительные аэроионные аномалии. Под сильное влияние неблагоприятной аэроионной обстановки попадают люди с ослабленным здоровьем, медицинский персонал, который длительное время находится в помещениях физиотерапии и рентгенодиагностики.
      Физиологически неблагоприятная аэроионная обстановка характеризуется относительно низкой (менее 250 ион/см3) концентрацией легких отрицательных аэроионов, значительными концентрациями легких положительных аэроионов (более 500 ион/см3) и тяжелых аэроионов (более 1000 ион/см3 каждой полярности). Также имеет значение динамичность аэроионной обстановки, и состояние таких факторов окружающей среды, как температура и влажность воздуха. Своевременная и эффективная корректировка аэроионной обстановки возможна путем применения специальных технических устройств - аэроионизаторов, оптимизации систем вентиляции и расположения техногенных источников локальной ионизации, изменения режимов производственных процессов [1].
      Аэроионы способны оказывать сильное физиологическое действие на организм человека и используются при лечении и профилактике многих заболеваний, поэтому современная официальная медицина признает необходимость ионизации воздуха в помещениях, где живут и работают люди. Недостаток ионизации в помещении сказывается отрицательно на самочувствии: постоянное кислородное голодание приводит к ухудшению самочувствия, головным болям, депрессии, повышенной утомляемости, потере внимания и, как следствие, к снижению работоспособности. Кроме того, снижается иммунитет, что провоцирует развитие различного рода заболеваний. Создан целый перечень ионизаторов, которые должны решать эту проблему, увеличивая количество отрицательных аэроионов в помещении, и тем самым улучшают качество воздуха, давая возможность полноценно дышать, снижая утомляемость, даря здоровье и долголетие.
      Однако многие исследования показывают, что существующие данные по действиям отрицательных ионов на производительность труда непоследовательны и противоречивы [2]. Поэтому еще невозможно доказать безусловно, что генерация отрицательных ионов дает реальные преимущества, то есть большое количество отрицательных ионов не однозначно положительно влияет на здоровье человека. Специалисты не рекомендуют использовать ионизаторы в следующих случаях:

- При наличии злокачественных новообразований. Аэроионы, производимых ионизатором, усиливают обмен веществ, что может привести к более быстрому развитию раковых опухолей [3];

- При высокой температуре тела. Ускорение обмена веществ может привести к временному ухудшению самочувствия больного;

- В сильно запыленном и задымленном помещении. Частицы пыли электризуются и глубже проникают в легкие;

- При индивидуальной непереносимости [4, 5].

Анализ литературы

      Обращаясь к современной литературе по этой тематике, было найдено несколько устройств, действие которых направлено главным образом лишь на регистрацию количества легких аэроионов, предполагая, что все ионы имеют одинаковый заряд, т.е. считают суммарное количество частиц [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Кроме того, необходимо иметь в виду, что эти устройства имеют ограничения еще и вследствие влияния других факторов, таких как влажность и статическое электрическое поле. Таким образом, эти устройства не дают необходимой картины о качестве воздуха.
      Кроме того, существующие приборы не отвечают современным требованиям:

• контроль норм степени ионизации должен быть связан с физиологическими особенностями организма;
• наличие ионизатора в помещении приводит к постепенному изменению концентрации ионов, которые нужно фиксировать не однократно, а учитывая эту динамику;
• должны быть удобными в использовании.

Постановка задачи.

      Корректировка аэроионной обстановки требует измерения характеристик аэроионов. Активные исследования аэроионов, как элемента атмосферной электростатики начались более века назад, в результате достигнуты значительные теоретические и практические результаты, но до настоящего времени, подобные измерения еще недостаточно внедрены в практику, поскольку технические, эксплуатационные и стоимостные характеристики известных аероиономеров серийного изготовления не полностью удовлетворяют современным требованиям [8].
      Нормы ионизации уже утверждены и доказана необходимость контролировать их соблюдение, но вопрос контроля за ионизацией остается открытым и до сих пор не решенным, поэтому необходимо рассмотреть именно эту проблему.
      Измерение ионного состояния любого вещества состоит в нахождении количества частиц, а именно: положительно, отрицательно и нейтрально заряженных ионов. За параметр контроля следует взять степень ионизации воздуха, которая определяется как отношение числа ионизованных частиц n к общему числу частиц N:

                                                                             .                                                         (1)

      Необходимо измерение концентрации ионов одновременно положительной и отрицательной полярности, а также расчет степени ионизации в помещении. Т.е. степень ионизации в этом случае является коэффициентом униполярности:

                                                                                                                                                                                                                                                              (2)

      где np - количество отрицательно заряженных частиц, а nn  - количество положительно заряженных частиц.

Разработка структурной схемы и принцип действия прибора.

      Чтобы охарактеризовать состояние ионов в воздухе, недостаточно знать только процентное соотношение их в воздухе, поскольку ионные свойства воздуха определяются также свойствами самих ионов. Необходимо измерять не электрическую проводимость воздуха, оценивая ионный состав, а делать замеры концентрации самих ионов. И это, на наш взгляд, единственный правильный и точный метод измерения ионов.
      Таким образом можно поставить конкретные требования к прибору, который разрабатывается:

• Измерение ионов отрицательной и положительной полярностей одновременно.
• Нахождение коэффициента униполярности.
• Сведение времени задержки прибора к минимуму.
• Проверка полученных данных на соответствие классу точности и возможность их корректировки.
• Питание прибора будет производиться от ветви напряжения, также должна быть возможность питания от аккумулятора (в этом случае необходимо выводить данные о состоянии аккумулятора и предупреждения о его разрядке на индикацию.)
• Возможность выбора режима работы.
• Наличие цифровой индикации.
• Выборка, обработка и хранение информации с помощью микропроцессорного блока.
• Возможность связи с персональным компьютером.
• Защита прибора от наиболее весомых внешних воздействий среды.
• Возможность оценки работоспособности и обнаружения повреждений и возможность быстрой и качественной их отладки.
• Возможность связи с ионизатором и корректировки его работы.

Основная часть.

      В основу прибора положен ионизационный метод, принцип действия которого направлен на свойства самих ионов [9]. Одним из этих свойств является подвижность ионов. Подвижность ионов можно найти, измеряя число ионов в зависимости от поляризующего потенциала, приложенного к ионизационной камере. Характеристическая кривая для положительных ионов отличается от кривой для отрицательных ионов (рис. 1). Характеристика для отрицательных ионов имеет вид непрерывной кривой, в то время как отличительной особенностью характеристики положительных ионов является то, что она является рядом прямых линий с точками излома, при определенных значениях поляризующего потенциала (дискретные подвижности). Можно различать три разные группы положительных ионов с соответствующими подвижности 0.42, 0.84 и 2.5 см 2 / (с * в), поэтому при разработке метода расчета количества частиц следует взять за исследуемый параметр именно подвижность частиц.

                               Рис.1  Характеристические кривые ионов разных полярностей

      Воздух, содержащий ионы, засасывается через раструб в ионизационную камеру (ионизационная камера может иметь вид конденсатора) небольшим вентилятором. На внешнюю обкладку конденсатора подается напряжение, полярность которого одинакова со знаком измеряемых ионов. На вторую обкладку этого конденсатора присоединяется второй полюс батареи. В результате однозначные (с внешней обкладкой) ионы осядут на измерительном электроде и создадут падение напряжения на измерительном сопротивлении. Противоположно заряженные ионы осядут на внешней обкладке и не будут учтены счетчиком.
      Падение напряжения на измерительном сопротивлении фиксируется электронным вольтметром:

                                                           ,                                       (3)

      где I - ток через измерительное сопротивление,
R - измерительный сопротивление, Ом,
е - элементарный заряд иона (1,6 * 10 -19 кулон),
n - концентрация ионов - число ионов в кубическом сантиметре,
Ф - объем воздуха, прошедшего в секунду через прибор, см3/с.
      Итак, если проградуировать вольтметр непосредственно в концентрациях ионов n, то есть возможность по шкале отсчитывать концентрацию ионов в см 3/ с. Формула, приведенная выше, является верной при измерении ионов, подвижность которых больше или равна предельной. Предельная подвижность ионов определяется по формуле:

                                                                                                  (4)

      где C - емкость конденсатора, мФ,
U - напряжение на внешней обкладке, В.
      Все ионы с подвижностью более К будут уловлены и учтены. Устанавливая на конденсаторе напряжение U, можно улавливать ионы выбранной граничной подвижности. Очевидно, что для учета ионов другого знака необходимо добавить еще два электрода.
      В таком случае ионизационную камеру можно рассматривать, как аспирационный конденсатор (рис. 2) с четырьмя электродами, отделенными друг от друга [10]. Через аспирационный конденсатор (Ак), к обкладкам которого приложена некоторая разность потенциалов, всасывается исследуемый воздух. Так как Ак - воздушный конденсатор, вдоль обкладок которого продувается исследуемый воздух, то его можно использовать для исследования зарядного состава.

                   Рис. 2. Схема аспирационного конденсатора. Flash-анимация, 174 кадра,                                                                         зацикленное повторение, 7кб

      Подвижность ионов k - скорость дрейфа ионов под действием электрической силы в поле напряженностью E, равной единице:

                                                                                                                                 (5)

      где u - скорость движения ионов, см2/В*с.
       Ионы, оказавшиеся в потоке воздуха перемещаются вместе с потоком и одновременно смещаются в электрическом поле, оседая на соответствующей обкладке конденсатора, что ведет к изменению разности потенциалов между обкладками Ак.  При этом исследуется скорость разрядки Ак, которая осуществляется через переменное сопротивление на входе и за счет осаждения ионов. В случае наличия заряженных частиц в воздухе разрядка происходит несколько быстрее, чем при их отсутствии. Чем больше число заряженных частиц в исследуемом потоке, тем более крутой будет кривая разрядки. Сравнение кривых разрядки позволяет определить ток ионов в измерительном конденсаторе, а затем и их концентрацию.
      Рассмотренный принцип исследования дает возможность одновременного измерения концентраций ионов всего спектра подвижности до некоторой предельной [11]. Предельная подвижность k' вычисляется по формуле:

                                                                                                                (6)

      где Vпрос - скорость всасывания воздуха через измерительный конденсатор, к обкладкам ширины d и длины L которого приложенное напряжение V. Все ионы воздушного потока, подвижность которых больше или равна k ', улавливаются конденсатором и создают в нем ток насыщения. Ионы меньших подвижности улавливаются только частично.
      Таким образом, по мере разрядки конденсатора напряжение между его обкладками уменьшается, и улавливаются ионы больших подвижностей.
      Вычисление концентраций ионов производится по формуле:

                                                                                                                     (7)

      где Сс - общая емкость конденсатора, вольтметра и проводников,
        dV - изменение потенциала между обкладками конденсатора за время t,
       q - заряд иона,
       w - Объемная скорость продувания воздуха.
      На основе приведенных выше аргументов, можно составить структурную схему прибора контроля степени ионизации и поставить конкретные требования к блокам. Структурная схема прибора приведена на рис. 3:

     Рис. 3. Структурная схема прибора контроля степени ионизации в помещении

      Аспирационная камера представляет собой блок, состоящий из собственно аспирационной ионной камеры, расположенной первой по ходу движения воздуха и является датчиком прибора и вентилятора. Вентилятор предназначен для засасывания исследуемого воздуха в пространство камеры.
      Прибор будет напрямую связан с ионизатором, что облегчает задачу контроля ионизационного состояния воздуха. Генератор электромагнитного поля подает заряды на электроды, вследствие чего ионизированные частицы оседают на собирающих электродах. Выходным сигналом аспирационной камеры есть ток, который зависит от количества ионизированных частиц. Выходной ток аспирационной камеры должен быть в диапазоне от 0 до 100 мА.

                                                                                      .                                              (8)

      Схема преобразования предназначена для преобразования переменного тока в унифицированный сигнал постоянного тока в диапазоне от 0 до 100 мА, а также для преобразования сигнала тока в сигнал напряжения, для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя, который работает с сигналами напряжения. Из схемы преобразования получается сигнал в диапазоне (0 .. 5) В:

                                                                                                                                      (9)

      Устройство выборки хранения  применяется, чтобы исключить погрешность измерения при быстроизменяющемся сигнале.
      Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для преобразования аналогового унифицированного сигнала в цифровой код. Разрядность АЦП равна 12.
      Полученная информация обрабатывается, фиксируется, передается и сохраняется с помощью микропроцессорного блока.
      Результаты измерений после обработки выводятся на индикацию Возможно соединение с персональным компьютером через USB порт, и соединение с ионизатором.
      Совершенное описание всех блоков дает возможность для дальнейших разработок в будущем, а именно составления принципиальной схемы прибора.

Выводы

      Анализ проблемы показывает, что необходим дифференцированный подход к оценке ионного состава воздуха. Это возможно осуществить с помощью ионизационного метода, который направлен на учет свойств отдельных заряженных частиц, а именно подвижностей, и нахождения коэффициента униполярности Учитывая все требования была составлена структурная схема прибора контроля степени ионизации в помещении и поставлены требования к блокам.
      Прибор, структурная схема которого предложена в этой работе, отличается от аналогов тем, что осуществляет учета долей обеих полярностей отдельно, что обеспечивается путем установки двух электродов различных полярностей к аспирационной камере. Он имеет следующие преимущества:

- Наличие микропроцессорного блока, что дает возможность быстрой обработки информации и контроль работы ионизатора.

- Наличие цифровой индикации, и связь с компьютером, что облегчает работу оператора.
      

     Прибор может найти применение на производстве изделий микроэлектроники (в составе оборудования для "чистых комнат"), в компьютерных классах, в залах вычислительных центров, в текстильной, полиграфической промышленности, в местах массового пребывания людей (театры, кинотеатры, торговые и выставочные центры и т.д.) с целью контроля за обеспечением нормального состояния человека в помещениях с искусственным микроклиматом.

Литература:

1. Мещеряков А.Ю., Федотов Ю. А. Проблемы оценивания аэроионного состояния среды обитания. //Приборы и системы управления. 1998 № 11. С.75-79.

2. Чижевский А.Л., Аэроинизация в медицине. Труды ЦНИЛИ "Проблемы ионификации". Т. 3. Воронеж, 1934, с. 118 - 326 с.

3. Агафонов И. П., Девятых Г.Г. Масс-спектрометрический анализ газов и паров особой чистоты, М.1980.- 458 с.

4. Соколов А.П. Ионизация воздуха как биологический и терапевтический фактор. Курортное дело. № 1, 2. М., 1925.- 346 с.

5. Мещеряков А.Ю. Особенности создания и использования электроэффлювиальных генераторов отрицательных ионов кислорода воздуха. //Международная конференция по биомедицинскому приборостроению Биомедприбор-98. Тезисы докладов. М., 1998. С.155-156.

6. Мещеряков А.Ю. Метрологические аспекты исследования физических характеристик воздуха на объектах со средой обитания. //Медицинская техника. 1999. №1. С.43-46.

7. Чижевский А.Л . С.75-79 Ионизация воздуха как физиологически активный фактор атмосферного электричества. Доклад. Калуга, 1919.- 256 с.

8.Ф. Х. Туктагулов, Методика измерения легких аэроионов воздуха, КГТУ им. Туполева - 1986.- 40 с.

9. К. Л. Юан и Ву Цзян-Сюн, Принципы и методы регистрации элементарных частиц, М., 1963.- 236 с., перевод с английского, М., 1963 .- 236 с.

10. Ритсон Д., Экспериментальные методы в физике высоких энергий, пер. с англ., М., 1964.- 320 с.

11. Glaser D. A., Some effects of ionizing radiation on the formation of bubbles in liquids, «The Physical Review», 1952, v. 87, № 4.

12. Калашникова В. И., Козодаев М. С. Детекторы элементарных частиц. М., 1966.- 312 с. - [электронный ресурс] - http://proteincrystallography.org/detectors/