Авраменко С.В.,           Бурківченко В.І.,            Тарасюк В.П.
Донецький національний технічний університет

Источник: Вестник НТУ "ХПИ". / Материалы научно-технической конференции. — Харьков, НТУ "ХПИ"— 2010, 294 с.

        Принцип вимірювання ступеня іонізації в приміщенні

    У сучасних житлових, робочих і суспільних приміщеннях спостерігається несприятлива аероіонна обстановка. Особливу небезпеку представляє робота багатьох пристроїв і технологічних  процесів, здатних створювати значні аероіонні аномалії. Фізіологічно несприятлива аероіонна обстановка характеризується відносно низькою (менше 250) концентрацією легких негативних аероіонів, значними концентраціями легких позитивних аероіонів (більше 500 іон/см3) і важких аероіонів (більше 1000 іон/см3 кожної полярності).
     Корегування аероіонної обстановки вимагає вимірювання характеристик аероіонів. Вимірювання іонного стану будь-якої речовини полягає у знаходженні кількості часток, а саме:  позитивно, негативно і нейтрально заряджених іонів. За параметр контролю слід узяти ступінь іонізації повітря, який визначається як відношення числа іонізованних часток n до загального числа часток N:

.                                         (1)

    Необхідно вимірювання концентрації іонів одночасно позитивної і негативної полярності, а також виведення ступеня іонізації в приміщенні. Ступінь іонізації в цьому випадку є коефіцієнтом уніполярності:

                                      (2)

    де np – кількість негативно заряджених часток, а  nn–кількість позитивно заряджених часток.
    Для того, щоб охарактеризувати стан іонів в повітрі, недостатньо знати тільки відсоткову присутність їх у повітрі, оскільки іонні властивості повітря визначаються також властивостями самих іонів. Необхідно вимірювати не електричну провідність повітря,  щоб оцінити іонний склад, а робити виміри концентрації самих іонів.  І це, на наш погляд, є єдиний правильний і точний метод вимірювання іонів.
    За основу взято іонізаційний метод, принцип дії якого спрямовано на властивості самих іонів. Однією з цих властивостей є рухливість іонів. Рухливість іонів можна знайти, вимірюючи число іонів залежно від поляризуючого потенціалу, прикладеного до іонізаційної камери.
    Повітря, що містить іони, засмоктується через розтруб в іонізаційну камеру (іонізаційна камера може мати вигляд конденсатора) невеликим вентилятором. На зовнішню обкладку конденсатора подається напруга, полярність якої однакова із знаком вимірюваних іонів. На другу обкладку цього конденсатора приєднується другий полюс батареї. В результаті однозначні (із зовнішнєю обкладкою) іони осядуть на вимірювальному електроді та створять падіння напруги на вимірювальному опорі. Протилежно заряджені іони осядуть на зовнішній обкладці та не будуть враховані лічильником. Падіння напруги на вимірювальному опорі фіксується електронним вольтметром:

(3)

    де  I – струм через вимірювальний опір, R – вимірювальний опір (Ом), е – елементарний заряд іона (1,6*10-19 кулон),  n – концентрація іонів - число іонів в кубічному сантиметрі, Ф – об'єм повітря, що пройшло в секунду через прилад, см3/с.
    Отже, якщо проградуювати вольтметр безпосередньо в концентраціях іонів n, то є змога за шкалою відлічувати концентрацію іонів у см3/с. Формула, що наведена вище, є вірною при вимірюванні іонів, рухливість яких більше або дорівнює граничній.
    Встановлюючи на конденсаторі напругу U, можна уловлювати іони з вибраною межею рухомостей. Таким чином, що для урахування іонів іншого знаку необхідно додати ще два електроди. В такому випадку іонізаційну камеру можна розглядати, як аспіраційний конденсатор (див. рис. 1) з чотирма електродами, відокремленими один від одного. Через аспіраційний конденсатор (Ак), до обкладок якого прикладено деяку різниця потенціалів, просмоктується досліджуване повітря. Так як Ак  – повітряний конденсатор, уздовж обкладок якого продувається досліджуване повітря, то його можна використовувати для дослідження зарядного складу.

Рис. 1. Схема аспіраційного конденсатора

    Іони, що опинилися в потоці повітря, переміщуються разом з потоком і одночасно зміщуються в електричному полі, осідаючи на відповідній обкладці конденсатора, що веде до зміни різниці потенціалів між обкладками Ак. При цьому досліджується швидкість розрядки Ак, що відбувається через змінний опір на вході та за рахунок осадження іонів. У разі наявності заряджених частинок в повітрі розрядка відбувається декілька швидше, ніж при їх відсутності. Чим більше число заряджених частинок в досліджуваному потоці, тим більше крутою буде крива розрядки. Порівняння кривих розрядки дає можливість визначити струм іонів у вимірювальному конденсаторі, а потім й їх концентрацію.
    Розглянутий принцип дослідження дає можливість одночасного вимірювання концентрацій іонів всього спектру рухомостей до деякої граничної. Гранична рухливість k’обчислюється за формулою:

,                                    (4)

    де Vпрос – швидкість просмоктування повітря через вимірювальний конденсатор, до обкладок ширини d і довжини L якого прикладена напруга V. Всі іони повітряного потоку, рухливість яких більше або рівна k’, уловлюються конденсатором і створюють в ньому струм насичення. Іони менших рухомостей уловлюються лише частково. Таким чином, у міру розрядки конденсатора напруга між його обкладками зменшується, і уловлюються іони  великих рухомостей. Обчислення концентрацій іонів виробляється за формулою:

                                     (5)

    де Сс  – загальна місткість конденсатора, вольтметра і провідників, DV  – зміна потенціалу між обкладками конденсатора за час t,  q  – заряд іона,w – об'ємна швидкість продування повітря.
    Аналіз проблеми доводить, що необхідним є диференційний підхід до оцінки іонного складу повітря. Це можливо здійснити за допомогою іонізаційного метода, який спрямовано на урахування властивостей окремих заряджених часток, а саме рухливостей, та знаходження коефіцієнту уніполярності.