SU1167487A1 - Устройство дл измерени параметров электротермической нелинейности резисторов - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ РЕЗИСТОРОВ, содержащее генератор тока, ключ, дифференциальный усилитель, блок автобаланса, блок измерени  сопротивлени , блок выЗДслени  и блок индикации, причем выход генератора тока через;ключ соединен с первьш входным зажимом, второй входной зажим соединен с первьм входом блока измерени  сопротивлени , а через дифференциальный усилитель с входом блока автобаланса, выход блока вычислени  соединен с блоком индикации, а выход блока измерени  сопротивлени  соединен с входом блока вычислени , отличающеес  тем, что, с целью повьппени  точности измерений, расширени  функциональных возможностей, в него введены аналого-цифровой преобразователь , блок измерени  Напр жени  нелинейности, блок измерени  тепловой посто нной, перемножитель и блок управлени , причем выход дифференциального ус шител  через блок измерени  напр жени  нелинейности и блок измерени  тепловой посто нной соединен с четвертым входом блока вычислени , первый выход блока управлени  соединен с первым входом генератора тока, второй выход которого соединен с п тым входом блока вычислени  и вторым входом перемножител , второй, третий, четвертый, п тый, шестой к седьмой выходы блока управлени  соединены с управл ющими входами блока измерени  сопротивлений, перемножител , блока автобаланса, блока измерени  напр жени  нелинейности , блока измерени  тепловой по (Л сто нной, блока вычислени  соответственно , выход блока измерени  сопрос тивлени  через перемножитель соединен с входом дифференциального усилител , третий вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразовател , вход которого соеди9д нен с выходом блока автобаланса, а выход блока измерени  напр жени  4ib нелинейности - с третьим входом блоэо ка вычислени . 2.Устройство по п. 1, о т л ич чающеес  тем, что блок вычислени  содержит блок ввода-вывода и вычислитель, причем входы блока вычислени  соединены с входами блока ввода-вьшода, выход которого соеди- , нен с вычислителем, выход которого  вл етс  выходом блока вычислени . 3.Устройство по п. 1, о т л ичающее с  тем, что блок индикации содержит блок определени  дефектов , причем его вход соединен с выходом блока вычислени .

Description

Изобретение относитс  к неразрушающим методам и средствам контрол  и может использоватьс , например, при измерени х теплофизических параметров изделий из высокоомных проводНИКОВ .

Цель изобретени  - повышение точности измерени , расширение функциональных возможностей измерител .

На фиг. 1 изображена функциональнал схема устройства дл  измерени  параметров электротермической нелинейности резисторов; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содерзкит генератор 1 тока, KJU04 2, резистор 3, дифференциальный усилитель 4, блок 5 автобаланса , -аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блок 7 измерени  напр жени  нелинейности, блок 8 измерени  тепловой посто нной, блок 9 измерени  сопротивлени , перемножитель 10, блок 11 ввода-вывода информации (БВВ), блок 12 управлени  (БУ) вычислитель 13, блок 14 индикации, блок 15 определени  дефектов, блок 1 вычислени .

Генератор 1 тока совместно с электронным ключом 2 служат дл  формировани  необходимых импульсов тока в испытуемом резисторе 3. Дифференциальный усилитель 4 содержит, например , несколько каскадов усилени . Блок 5 автобаланса представл ет собой аналоговую схему выборки и хранени . АЦП 6 предназначен дл  преобразовани  напр жени  выборки из аналоговой формы в цифровую и затем оп ть в аналоговую . Блок 7 измерени  напр жени  нелинейности содержит, например, блок выборки-хранени  и АЦП. Блок 8 измерени  тепловой посто нной состоит, (например, из делител  напр жени , компаратора, логических цепей и служит дл  измерени  тепловой посто нной времени резистора. Блок 9 измерени  сопротивлени  содержит, например, АЦП. Перемножитель 10 содержит, напри ер, цифроаналоговый преобразователь, осуществл ющий операцию перемножени  двух напр жений . Блок 11 ввода-вывода информации служит дл  ввода цифровой информации в вычислитель 13. Блок 12 управлени  содержит, например, логические цепи и служит дл  управлени  работой всего устройства. Вычислитель 13 выполнен на основе микро-ЭВМ

и служит дл  вычислени  теплофизических параметров резисторов. Блок 14 индикации содержит элементы цифровой индикации и служит дл  визуального представлени  результатов измерений в цифровой форме. Блок 15 определени  дефектов содержит, например, запоминающие устройства и логические цепи и служит дл  сравнени  измеренных теплофизических параметров с эталонными . По результатам сравнени  в блоке 15 определени  дефектов выноситс  решение о годности или дефектности издели , и осуществл етс  разбраковка образцов по видам дефектов.

Выход генератора 1 тока через ключ 2 соединен с первым входным зажимом, второй входной зажим соединен с входом дифференциального усилител  4, через блок 9 измерени  сопротивлени  соединен с вторьм входом блока 16 вычислени . Другой выходблока 9 через перемнолситель 10 соединен с -вторьм входом дифференциального усилител  4. Второй выход генератора 1 соединен с первым входом перемножител  10 и п т1з1м входом блока 16 вычислени . Второй выход блока 9 измерени  сопротивлени  соединен с первым входом перемножител  10. Выход блока 5 автобаланса через АЦП 6 соединен с третьим входом дифференциального усилител  4, выход которого соединен с входом блока 5 автобаланса , а через блок 7 и блок 8 соединен с четвертым входом блока 16 вычислени . Семь выходов блока 12 управлени  соединены с управл ющими входами генератора 1, блока 9, перемножител  10, блоков 5, 7, 8 и 16. Выход блока 11 соеди1-1ен с вычислителем 13, выходы которого соединены с блоком 14 индикации и блоком 15 определени  де.фектов.

Устройство работает следующим образом.

При подкл очении испытуемого резистора 3 через него от генератора 1 тока через ключ 2 начинает протекать импульс стабильного тока малой ампли-i туды 1 длительностью f (фиг. 2о(), предназначенный дл  измерени  сопрот Флени  резистора R){ в холодном состо нии. Величина тока 1 и длительность fp выбираютс  из компромиссных соображений. С одной стороны, они должны быть п возможности малыми с тем, чтобы под действием тока честно тепла и самый высокоомный йэ испытуемых резисторов оставалс  прак тически холодным к моменту окончани  импульса тока. С другой стороны, амплитуда тока IQ и длительность импульса ITp должны быть достаточными дл  того, чтобы сопротивление R могло быть измерено с заданной точностью . За врем  действи  импульса токаХ измер етс  напр жение U на испытуемом резисторе, пропорциональное его сопротивлению в холодном состо нии , Io const. Это напр жение преобразуетс  в бл ке 9 измерени  сопротивлени  в цифровую форну, и ин юрмаци  о величине R . вводитс  в цифровой форме блока 11ввода-вывода информации. Одновременно в аналоговой форме информаци  о величине R подаетс  на первый вход перемножител  10. На второй вхо перемножител  10 поступает информаци  в цифровой форме о величине изме рительного тока генератора 1. Амплйтуда измерительного тока I и его дли тельность t могут измен тьс  дискре но в широких пределах и устанавливаютс  оператором до начала измерений . По окончании измерени  сопротивлени  R, с блока 12 управлени  на генератор тока I поступает сигнал, .разрешающий прохождение первого импульса измерительного тока через ключ 2 на испытуемый резистор 3 (фиг. 2о(). Под действием импульса тока в образце выдел етс  некоторое количество тепла, вызывающее нелинейные эффекты в резисторе. По мере нарастани  температуры б образца. его сопротивление начинает расти по закону R(t).Rx ( ) (t), oiS«1, j где о6(1/град) - температурный коэффициент сопротивлени  (ТКС). Напр жение Uf на образце измен етс  во времени (фиг. 2), U.,IR(t)IR.+IR.,oi9(t)-U +IR..eie(t),. (1) где Uy - напр жение на образце в холодном состо нии. ра под действием тока I нарастает по закону ,,0.) , .(г) где 9fnot i установившеес  превьшение температуры образца над температурой окружающей -v среды; f- теплова  посто нна  времени резистора. С .учетом (1) и (2) можно записать ,+IR, ы е( 1 ) и 1 . где Ij - напр жение электротермической нелин.ейности резистора. Напр жение U,( получило название кривой нагрева. В предлагаемом устройстве непосредственно измер ютс  параметры электротермической нелинейности резисторов Up, и .С , а по ним с учетом величин I, RX и cit const в пычислителе 13 определ ютс  теплофизические посто нные по формулам , Um ( град); ftlOW IR PRj53C хмвт , С .,с, Р 3 -градгде -у- теплоп:роводность образца; Ср - его теплоемкость. Измерен1ш U и f в устройстве происход т поочередно в течение двух тактов работы. К окончанию первого импульса тока измер етс  напр жение электротермической нелинейности U, а за врем  действи  второго импульса тока определ етс  теплова  посто нна  времени резистора Т. В соответствии с фиг. 25 и формулой (3), несущее полезную информацию напр жение кр1шой нагрева U оказываетс  наложенным на напр жение мешающей подставки Uj(IRj(. Дл  надежного измерени  U и необходимо обеспечить точную балансировку напр жени  Up, т.е. привести кривые нагрева U к оси путем вычитани  из напр жени  } напр жени  подставки Uy. Напр жение U. может на два-три пор дка превышать напр жение электротермической нелинейности Uf поэтому погрешности балансировки даже в дес  тые доли процента повлекут за собой относительные ошибки в определении параметров .электротермической нелинейности и и Т в дес тки процен тов . Мешающее действие напр жени  под ставки Uy, помимо погрешностей при балансировке, может про вл тьс  . в перегрузке каскадов дифференциаль ного усилител  4. При изменении в широком диапазоне значений зондирующих токов I и величин сопротивлений Rj( может возникнуть режим насьпцени  каскадов дифференциального усилител  4, что поведет к нелинейности при усилении кривых нагрева и суи ественно снизит точность измерений параметров электротермической нелинейности резисторов. Д17Я устранени  указанной погрешности и повьш1ени  точности измерени в широком диапазоне изменени  параметров резисторов в предлагаемом устройстве вводитс  перемножитель в котором сразу после измерени  сопротивлени  RX холодном сос то нии, до начала пропускани  первого 1-1Мпульса тока I производитс  операци  перемножени  измеренного значени  сопротивлени  R на велич ну тока I, установленного до начал измерений. U;,VlRx , Up-Uj (и.-и; ),+и(1-е -) . В(7) использовано приближение, поскольку значение тока I, величин сопротивлени  Н„ и их произведение могут быть определены с некоторыми аг1паратурными погрешност ми, а фиг. 2 в изображены кривые на грева, которые могли бы получитьс  с аппаратурной погрешностью uU)o),Поскольку погрешность ди может быт соизмеримой с полезным эффектом V, в предлагаемом устройстве прин ты меры по устранению оставшейс  погре ности ли путем выполнени  операции балансировани  кривых нагрева в два этапа. После первого этапа - грубой балансировки, в соответствии с формулой (7), крива  нагрева U, оказываетс  наложенной на мешающее напр  жение оставшегос  разбаланса /дих/ «Ux. После второго этапа точной балансировки осуществл етс  устране ние оставшегос  разбаланса ли и жестка  прив зка кривых нагрева к оси ордрдаат. Рассматривают процессы, происход щие в устройстве при балансировке кривых нагрева. В мом1ент по влени  переднего фронта первого импульса тока I напр жение Ug с испытуемого резистора 3 поступает на первый вход дифференциального, усилител  4. Одновременно на второй его вход подаетс  напр жение U с выхода перемножител  10. Напр жение разбаланса ди с выхода дифференциального усилител  4 поступает на первый вход блока автобаланса 5, на второй вход которого от блока 12 управлени  подаетс  короткий импульс (фиг. 2г), разрешающий выборку напр жени  л .. Длительность выборки должна быть по крайней мере на два пор дка меньше минимальной теплой посто нной времени резистора с с тем, чтобы за.врем  выборки нелинейные эффекты не успевали про витьс , т.е. образец оставалс  практически холодным. , Напр жение ли с выхода блока автобаланса 5 поступает на вход АЦП 6, где запоминаетс  в цифровой форме, преобразуетс  вновь в аналоговую и подаетс  на третий вход диффёрецинального усилител  4. Введение АЦП 6 позвол ет устранить погрешность измерений, возникающую за счет разр да запоминающего конденсатора выборки и хранени  в блоке автобаланса 5 за врем  t действи  импульса тока I. На выходе дифференциального усилител  4 возникает напр жение кривой нагрева , ин-и,,Си,+и,„() -()( Это напр жение поступает на блок 7 измерени  напр жени  нелинейности. В конце первого импульса тока I (фиг.. 23) от блока 12 управлени  на второй вход блока 7 измерени  напр жени  нелинейности поступает импульс, разрешающий выборку напр жени  нелинейности U. Это напр жение преобразуетс  в цифровую форму и поступает в блок 11 ввода-вывода информации. Одновременно запомненное напр жение U в аналоговой форме подаетс  в блок 8 измерени  тепловой Спуст  интервал времени f паузы 10 Г,р,, (где - мак симальна  теплова  посто нУга  времени ), достаточный дл  полного осты вани  издели , на испытуемый резистор 3 подаетс  второй импульс тока (фиг. 2 а). К моменту t Г, отсчитанному от переднего фронта второго импульса тока, напр жение кривой нагрева достигает значени  (фиг. 2Э U,Uj1-e-)0.63LV В составе блока 8 измерени  тепл вой посто нной имеет с  резистивный делитель напр жени  с коэффициентом делени  К «,0,63, с выхода которого напр жение U подаетс  на первый вход компаратора напр жени , также вход щего в состав блока 8 измерени  тепловой посто нной. На второй вход компаратора напр жени  поступает текущее значение напр жени  кривой нагрева Up во врем  действи  второго импульса тока Т (фиг. 2) На выходе компаратора напр жени  возникает импульс длительностью if. При по мощи эталонных счетных импульсов тепл ва  посто нна  времени t преобразует в цифровую форму и поступает в блок 11 ввода-вывода информации. По окончании второго импульса тока I через испытуемый резистор 3 вновь пропускаетс  импульс малого тока Т.р (фиг. 2о() и измер етс  новое значение холодного сопротивлени  RJ,. Сопоставление величин RY и Rl дает возможность установить , не оказывают ли импульсы тока амплитудой I и длительностью t разрушающего действи  на испытуемый резистор, про вл ющегос  в необратимом увеличении R после нагр ва и охлаждени  резистора. Если R превыщает величину R более, чем на 1%, амплитуду зондирующего тока дл  испытани  следующих образцов сип жают до тех пор, пока контроль не CT.I нет действительно неразрушающим. Цифровые величины измеренных парл-метров (RX UITI совместно с выбр иным значением I ввод тс  в вычислитель 13, где происходит автоматическое вычисление теплофизических величин (теплоемкости, теплопроводности, температуры) по формулам (А) - (6) при заданном значении oi const. В качестве вычислител  13 в устройстве используетс  встроенный микрокалькул тор типа БЗ-21, который программируетс  в соответствии с формулами (4) - (6). Информаци  в вычислитель 13 вводитс  в двоичном коде сразу после окончани  второго импульса тока I. Рассчитанные значени  теплофизических посто нных поочередно вывод тс  на цифровой индикатор микрокалькул тора . Одновременно в блоке 14 индикации фиксируютс  на цифровом табло результаты измерений холодных сопрот1шлений R и Rj, напр жени  электротермической нелинейности U, тепловой посто нной времени f и выбранна  величина зондирующего тока I. После окончани  измерений и вычислений от вычислител  13 в блок 15 определени  дефектов поступает в цифровой форме информаци  о величине теплофизических параметров, которые в блоке 15 определени  дефектов сравниваютс  с эталонными. Если параметры наход тс  в пределах заданного допуска, выноситс  рещение о годности издели . В противном случае принимаетс  решение о дефектности, и при помощи блока 15 определени  дефектов осуществл етс  разбраковка образцов по видам дефектов.

Claims (3)

1.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ РЕЗИСТОРОВ, содержащее генератор тока, ключ, дифференциальный усилитель, блок автобаланса, блок’ измерения сопротивления, блок вычисления и блок индикации, причем выход генератора тока через:ключ соединен с первым входным зажимом, второй входной зажим соединен с первьм входом блока измерения сопротивления, а через дифференциальный усилитель с входом блока автобаланса, выход блока вычисления соединен с блоком индикации, а выход блока измерения сопротивления соединен с вторым входом блока вычисления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения функциональных возможностей, в него введены аналого-цифровой преобразователь, блок измерения напряжения нелинейности, блок измерения тепловой постоянной, перемножитель и блок управления, причем выход дифференциального усилителя через блок измерения напряжения нелинейности и блок измерения тепловой постоянной соединен с четвертым входом блока вычисления, первый выход блока управления соединен с первым входом генератора тока, второй выход которого соединен с пятым входом блока вычисления и вторым входом перемножителя, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока управления соединены с управляющими входами блока измерения сопротивлений, перемножителя, блока автобаланса, блока измерения напряжения нелинейности, блока измерения тепловой постоянной, блока вычисления соответственно, выход блока измерения сопротивления через перемножитель соединен с вторым входом дифференциального усилителя, третий вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом блока автобаланса, а выход блока измерения напряжения нелинейности - с третьим входом блока вычисления.

2. Устройство по π. 1, о т л ичающееся тем, что блок вычисления содержит блок ввода-вывода и вычислитель, причем входы блока вычисления соединены с входами блока ввода-вывода, выход которого соеди- , нен с вычислителем, выход которого является выходом блока вычисления.

3. Устройство по п. 1, отличающее ся тем, что блок индикации содержит блок определения дефектов, причем его вход соединен с выходом блока вычисления.

SU ,„,1167487