PL153372B2 - Układ 00 pomiarów napięcia kontaktowego metodą kondensatora dynamicznego - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA POLSKA	OPIS PATENTOWY PATENTU TYMCZASOWEGO	153372
	Patent tymczasowy dodatkowy do patentu nr--	Int. Cl.® G01R 19/18
	Zgłoszono: 09 01 26 (p. 277377) Pierwszeństwo
URZĄD PATENTOWY RP	Zgłoszenie ogłoszono: B9 10 30 Opis patentowy opublikowano: 1991 08 30	fiwcaia

Twórca wynalazku: Janusz Baczyński

Uprawniony z patentu tymczasowego: Uniwersytet Łódzki, Łódź (Polska)

UKŁAD 00 POMIARÓW NAPIĘCIA KONTAKTOWEGO METODĄ KONDENSATORA DYNAMICZNEGO

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiarów napięcia kontaktowego metodą kondensatora dynamicznego, mający zastosowanie w technice pomiarowej stosowanej: w fizyce ciała stałego, elektrochemii oraz w przemyśle elektronicznym.

Znane do tego celu układy są przykładowo opisane przez: N. A. Surplice i R. J. D'Arcy w pracy monograficznej, poświęconej technice pomiarowej napięcia kontaktowego metodą kondensatora dynamicznego (metodą Kelvina), p.t. A critique of the Kelvin method of measuring work function zamieszczonej w angielskim czasopiśmie Journal of Physics E: Scientific Instruments - Tom 3 z 1970 r., a także w polskim zgłoszeniu patentowym nr P. 260 967 p.t. Układ do pomiarów kontaktowej różnicy potencjałów metodą kondensatora dynamicznego. Nadto, tzw. metoda uśredniania stosowana przy pomiarach periodycznych przebiegów o wysokim poziomie szumów jest przykładowo opisana przez: A. Piątkowskiego i W. Scharfa w książce p.t. Elektroniczne mierniki promieniowania jonizującego wydanej przez Wydawnictwo Obrony Narodowej, w Warszawie, w 1979 r.

Znany układ zawiera generator, periodycznie się zmieniającego sygnału elektrycznego, połączony z wibratorem sprzężonym z okładką kondensatora dynamicznego. Jedna z okładek kondensatora dynamicznego jest uziemiona, natomiast druga okładka jest połączona z wzmacniaczem selektywnym oraz poprzez rezystor z blokiem siły elektromotorycznej. Wyjście wzmacniacza jest połączone z systemem detekcji sygnału z kondensatora dynamicznego. System detekcyjny jest także połączony z generatorem oraz z reguły jest także połączony z blokiem siły elektromotorycznej. W systemie detekcji sygnału z kondensatora dynamicznego wykorzystuje się detektor fazoczuły lub też stosuje się analizator czasowy sygnałów elektrycznych.

153 372

153 372

Działanie znanego układu polega na tym, że między okładkami kondensatora dynamicznego wytwarza się napięcie kontaktowe wywołane różnicę prac wyjścia elektronu z powierzchni tych okładek. Sumaryczne napięcie na okładkach kondensatora jest równe sumie napięcia kontaktowego i wartości napięcia podawanego z bloku siły elektromotorycznej. Ruch jednej z okładek, wywołany przez wibrator sterowany z generatora, powoduje periodyczne zmiany pojemności kondensatora powodu jęce z kolei w rezystorze przepływ prądu ładującego lub rozładowującego kondensator. Prąd płynący w rezystorze powoduje powstanie na tym rezystorze sygnału napięciowego podawanego po odpowiednim jego wzmocnieniu do systemu detekcyjnego. W systemie detekcyjnym następuje porównanie fazy sygnału z kondensatora dynamicznego z fazą sygnału z generatora sterującego tym kondensatorem. System detekcyjny steruje tak blokiem siły elektromotorycznej bjr wartość napięcia wyjściowego z tego bloku była równa co do wartości, a przeciwna co do znaku mierzonemu napięciu kontaktowemu. Gdy stan ten zostanie osiągnięty, to sygnał podawany do systemu detekcyjnego będzie stanowił tylko tzw. sygnał szumowy, to jest nieskorelowany w fazie z sygnałem z generatora sterującego wibratorem pobudzającym do drgań okładkę kondensatora dynamicznego. Tak więc w stanie tym, napięcie generowane w bloku siły elektromotorycznej jednoznacznie określa wartość napięcia kontaktowego. W systemie detekcji sygnału z kondensatora dynamicznego wykorzystuje się detektor fazoczuły lub też stosuje się analizator czasowy.

Niedogodnością znanego układu jest to, że wymaga zastosowania bardzo specjalistycznego sprzętu w postaci odpowiedniego detektora fazoczułego lub też stosownego analizatora czasowego sygnałów elektrycznych. Nadto, żaden z tych układów nie pozwala na wizualną, stacjonarną analizę formy oraz składowych sygnału docierającego do systemu detekcji sygnału z kondensatora dynamicznego, co ma zasadnicze znaczenie dla prawidłowego wyjustowania układu w celu uzyskania wysokiej dokładności pomiaru. Nie jest absolutnie możliwe wydzielenie właściwego sygnału z szumu, gdy sygnał ten ma amplitudę poniżej poziomu szumu.

Istotą układu według wynalazku jest to, że ma analizator amplitudy sygnałów elektrycznych, korzystnie mikrokomputerowy. Wejście analizatora, wyzwalające próbkowanie sygnału mierzonego, jest połączone z informacyjnym wyjściem generacyjnego bloku. Sterujące wejście tego bloku jest korzystnie połączone z wejściem na magistralę analizatora, przy czym wejście pomiarowe analizatora jest połączone poprzez wzmacniacz z dynamicznym kondensatorem i* z rezystorem połączonym z blokiem siły elektromotorycznej. Blok ten jest korzystnie połączony wejściem sterującym z wejściem na magistralę analizatora. Natomiast, analogowe wyjście generacyjnego bloku jest połączone z wibratorem sprzężonym z kondensatorem dynamicznym. Generacyjny blok ma pamięć połączoną wejściami: sterującym i adresowym z wyjściem sterującym bloku logiki. Wejście danych pamięci jest połączone z sterującym wejściem generacyjnego bloku, które jest także połączone z wejściem kontrolno/sterującym bloku logiki. Wejście strobujące bloku logiki jest połączone z informacyjnym wyjściem generacyjnego bloku. Wyjście to jest także połączone z wyjściem danych pamięci i wejściem przetwornika cyfrowo/analogowego. Wyjście tego przetwornika stanowi analogowe wyjście generacyjnego bloku.

Zaletą układu według wynalazku jest to, że dzięki zastosowaniu, powszechnie używanego w laboratoriach fizycznych, analizatora amplitudowego odpowiednio sprzężonego z generatorem uzyskuje się wysoką dokładność pomiaru napięć kontaktowych, bez stosowania wąsko wyspecjalizowanego sprzętu. Ponadto, układ zapewnia bezpośrednią możliwość uzyskania obrazu sygnału docierającego do systemu detekcji sygnału z kondensatora dynamicznego, dając jednocześnie możliwość wydzielenia z tego sygnału właściwej składowej determinowanej przez generator sterujący wibratorem kondensatora. Jest to możliwe nawet przy bardzo niekorzystnym stosunku amplitudy sygnału właściwego do poziomu szumów.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig.1 przedstawia blokowy schemat elektryczny układu, natomiast fig.2 blokowy schemat elektryczny bloku generacyjnego.

153 372

Układ według wynalazku ma analizator 1 amplitudy sygnałów elektrycznych, korzystnie mikro komputerowy. Wejście analizatora 1, wyzwalające próbkowanie sygnału mierzonego jest połączone z informacyjnym wyjściem 2 generacyjnego bloku 3 korzystnie połączonego sterującym wejściem 4 z wejściem na magistralą analizatora 1. Wejście pomiarowe analizatora 1 jest połączone poprzez wzmacniacz 5 z dynamicznym kondensatorem 6 i z rezystorem 7 połączonym z blokiem 8 siły elektromotorycznej korzystnie połączonym wejściem sterującym z wejściem na magistralę analizatora

1. Natomiast, analogowe wyjście 9 bloku 3 jest połączone z wibratorem 10 sprzężonym z kondensa torem 6. Blok 3 ma pamięć 11 połączoną wejściami: sterującym i adresowym z wyjściem sterującym bloku 12 logiki. Wejście danych pamięci 11 jest połączone z sterującym wejściem 4 bloku 3. Wejście 4 jest także połączone z wejściem kontrolno/sterującym bloku 12. Strobujące wejście bloku 12 jest połączone z informacyjnym wyjściem 2 bloku 3, które jest także połączone z wyjściem danych pamięci 11 i z wejściem przetwornika 13 cyfrowo/analogowego. Wyjście przetwornika 13 stanowi analogowe wyjście 9 bloku 3.

Działanie tego układu polega na tym, że do wejścia pomiarowego analizatora 1 jest podawany sygnał wzbudzany na rezystorze 7 przez prąd ładowania/rozładowywania kondensatora 6, którego jedna z okładek jest pobudzana do drgań przez wibrator 10 sterowany blokiem 3. Z wyjścia informacyjnego bloku 3 są podawane do analizatora 1 sygnały wyzwalające próbkowanie i przetwarzanie sygnału z wejścia pomiarowego analizatora. Czas pojawiania się sygnałów wyzwalających jest ściśle związany z określonymi wartościami faz sygnału z wyjścia 9 bloku 3, a czas trwania analizy stanowi wielokrotność okresu sygnału z wyjścia 9. Analizator 1 pracuje w tzw. trybie uśredniania, to znaczy, że przetworzone na dane cyfrowe wartości sygnału z wejścia pomiarowego analizatora 1 są rejestrowane w kolejnych kanałach jego pamięci. Po zakończeniu analizy następuje uśrednienie wszystkich danych pomiarowych, tzn. dla każdej wartości fazy wylicza się średnią wartość napięcia zarejestrowanego przez analizator 1 na jego wejściu pomiarowym. M ten sposób jest odtwarzany uśredniony przebieg sygnału na wejściu pomiarowym analizatora 1. Następ nie gdy stwierdzi się istnienie korelacji pomiędzy fazami sygnału z wejścia analizatora i z wyjścia 9 bloku 3, to zmienia się wartość napięcia generowanego w bloku 8 i powtarza analizę. Z chwilą stwierdzenia zaniku takiej korelacji, można traktować napięcie generowane przez blok B jako równe co do wartości, a przeciwne co do znaku, napięciu kontaktowemu istniejącemu w kon densatorze 6. Gdy czas analizy jest n-krotnie większy od okresu sygnału z wyjścia 9 bloku 3, to tryb uśredniania analizatora 1 pozwala powiększyć n-razy właściwy sygnał z kondensatora 6, natomiast sygnał szumowy docierający do wejścia pomiarowego analizatora 1 jest powiększany 1/2 tylko n - razy. Tak więc, analizator 1 umożliwia wydzielenie właściwego sygnału i jego prze analizowanie nawet wtedy gdy jest on znacznie mniejszy od poziomu szumów. Blok 3 jest inicjali zowany przez analizator 1 przed rozpoczęciem pomiarów. Dokonywane jest to poprzez numeryczny zapis w pamięci 11 postaci przebiegu, jaki powinien być generowany na wyjściu 9 bloku 3, przy czym każde słowo danych zapisane w pamięci 11 składa się z trzech części, to jest oprócz danych dla przetwornika 13 zawiera ono bity informacji podawane do wejścia strobującego bloku 12 oraz do wyjścia 2 bloku 3. Następnie analizator 1 inicjuje blok 12 do autonomicznego odczytywania kolejnych słów z pamięci 11, a tym samym do generowania odpowiednich sygnałów na wyjściach 2 i 9 bloku 3. Z chwilą gdy w odczytanym słowie z pamięci 11 odpowiedni bit, przekazywany do wejścia strobującego bloku 12, ma wartość logiczną 1, to następuje zatrzymanie procesu odczytywania pamięci przez blok 12. Bit ten jest również podawany do wyjścia 2 bloku 3 i wykorzystany do zainicjowywania w analizatorze 1 procesu uśredniania zebranych tam danych pomiarowych .

153 372

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ do pomiarów napięcia kontaktowego metodę kondensatora dynamicznego, zawierający kondensator dynamiczny sprzężony z wibratorem i połączony z wzmacniaczem oraz połączony poprzez rezystor z blokiem siły elektromotorycznej, znamienny tym, żerna analizator (1) amplitudy sygnałów elektrycznych, korzystnie mikrokomputerowy, połączony, wejściem wyzwalającym próbkowanie sygnału mierzonego, z informacyjnym wyjściem (2) generacyjnego bloku (3) korzystnie połączonego sterującym wejściem (4) z wejściem na magistralę analizatora (1), przy czym wejście pomiarowe analizatora (1) jest połączone poprzez wzmacniacz (5) z dynamicznym kondensatorem (6) i z rezystorem (7) połączonym z blokiem (8) siły elektromotorycznej korzystnie połączonym wejściem sterującym z wejściem na magistralę analizatora (1), natomiast analogowe wyjście (9) bloku (3) jest połączone z wibratorem (10) sprzężonym z kondensatorem (6).

2. Układ według zastrz.l, znamienny tym, że generacyjny blok (3) ma pamięć (11) połączoną wejściami sterującym i adresowym z wyjściem sterującym bloku (12) logiki oraz połączoną wejściem danych z sterującym wejściem (4) generacyjnego bloku (3), które to wejście jest także połączone z wejściem kontrolno/sterującym bloku (12) połączonego wejściem strobującym z informacyjnym wyjściem (2) generacyjnego bloku (3), które jest także połączone z wyjściem danych pamięci (11) i z wejściem przetwornika (13) cyfrowo/analogowego, którego wyjście stanowi analogowe wyjście (9) bloku (3). '

Fig.2

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz. Cena 3000 zł