СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ ТОКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к методам диагностики материалов, в частности способам проведения термостимулированной токовой спектроскопии диэлектриков, проявляющих свойства электретов, путем регистрации, визуального представления и анализа спектров термостимулированных токов, возникающих при релаксации электретного заряда.

Электреты (электрические аналоги постоянных магнитов) - вещества, длительное время сохраняющие остаточную электрическую поляризацию в отсутствие вызвавшего ее источника и создающие вокруг себя электрическое поле. Характер проявления электретного эффекта зависит от природы материала и несет информацию о типах центров захвата носителей заряда, их энергии и, в конечном счете, о внутренней структуре электрета. Одним из важнейших средств характеризации электретного эффекта является токовая спектроскопия [1,2], сущность которой заключается в регистрации спектров термостимулированных токов (ТСТ), возникающих при высвобождении носителей зарядов при нагреве с постоянной скоростью электрета, помещенного между парой электродов. График тока в функции температуры представляет собой спектр ТСТ, по характеру которого можно судить о механизмах, ответственных за проявление электретного эффекта в данном материале. Существуют способы расчета по спектрам ТСТ основных параметров, характеризующих электретный эффект [1,2]. Малая амплитуда термостимулированных токов (10^-11-10^-14 А) предполагает особые требования к условиям проведения эксперимента - высокоточный и равномерный нагрев, подавление естественных шумов и адекватное отображение результата.

В отечественной технике физического эксперимента наряду с современными автоматизированными системами до сих пор не выходят из употребления и несут большую нагрузку морально устаревшие приборы и аппаратура (двухкоординатные самопишущие приборы, стрелочные или цифровые вольт- и амперметры и т.п.). Это вступает в противоречие с растущими требованиями к современному научному эксперименту. Характер развития физики, физической химии, химической технологии, материаловедения и других естественных наук в настоящее время требует применения для экспериментальных целей надежных прецизионных приборов с возможностью индикации выходных данных. Так, известен целый ряд способов или устройств для определения и удобного представления разнообразных физических величин: малых. сопротивлений с помощью регистрового запоминающего устройства [3] , диэлектрической проницаемости материалов [4], количества электрической энергии постоянного тока [5], данных вольтамперометрического анализа [6] , ряда специфических параметров диэлектриков [7], характеристик быстропротекающих химических реакций [8] , электропроводности, в т.ч. в температурно-программируемом режиме [9,10] , поверхностного и удельного электрического сопротивления [11]. Имеются разработки систем для контроля электрофоретических процессов [12], проведения электрохемилюминесцентных измерений [13] , контроля температуры [14], кулонометрического анализа [15] и др. Во многих заявках и патентах решаются проблемы создания однородного температурного поля, гальванической развязки, борьбы с шумами и экранирования [16-23]. Однако наиболее интересные решения либо неприемлемо сложны, либо не обеспечивают требуемых технических характеристик.

Основная современная тенденция состоит в разработке измерительных систем, сочетающих высокую чувствительность к сигналам и помехозащищенность с возможностями вычислительной техники. При этом использование измерительных комплексов, предусматривающих непосредственную распечатку результатов без сохранения их в памяти вычислительного модуля, а также получение результатов эксперимента в виде числовых рядов и запись их на диск компьютера, например в формате ASCII, решая ряд проблем, не позволяет ни программно управлять экспериментом, ни наблюдать за его ходом. Важным в разработке новых приборов для физического эксперимента является не только обеспечение возможности получения результатов в удобном для пользователя электронном виде, но и визуальное представление сигнала, т.е. создание так называемого виртуального измерительного инструмента, приспособленного к условиям конкретного эксперимента. При этом архитектура персонального компьютера (ПК) всегда диктует необходимость преобразования аналогового сигнала в цифровой. Однако абсолютное большинство заявляемых измерительных систем, в том числе полностью компьютеризованных измерительных комплексов не отвечает требованиям термостимулированной токовой спектроскопии как по назначению, так и в плане учета высокой специфичности электрофизических свойств диэлектриков [24-28]. Разработка [29] нацелена на проведение высокоразрешающего анализа и учитывает особенности полимерных диэлектриков (предусмотрена система изменения скорости задающего параметра, в т.ч. температуры), но аппаратная часть представляется достаточно сложной.

Известен также спектрометр для термической токовой спектроскопии TSC/RMA 9000 фирмы TherMold Partners [30]. Спектрометр представляет собой измерительную систему, сопряженную с персональным компьютером, оснащенным программным обеспечением для перевода данных в электронный формат, однако не является приемлемым для отечественного экспериментатора по критерию стоимости. Помимо этого, производитель не приводит сведений о патентовании данной разработки, не расшифровывает состав измерительного комплекса и большинство его характеристик.

Прототипом изобретения является известный способ проведения термостимулированной токовой спектроскопии по методике [31], основанный на использовании устройства, включающего специальную ячейку, помещенную в зону линейного нагрева, программируемый регулятор температуры, усилитель-преобразователь слабых токов и самопишущий прибор. В качестве примеров оборудования приводятся: программируемый регулятор температуры ПРТ-1000М (изготовлен Экспериментальным заводом научного приборостроения АН СССР), усилитель-преобразователь У5-11 (МПО им. В.А. Ленина, г. Москва) и самопишущий прибор Н307/2. Однако существующая нормативная документация [31] не акцентирует внимание на типах устройств, сопряженных для получения спектра ТСТ, и не рассматривает их совокупность как измерительный комплекс.

Основные недостатки прототипа:
- связанная с используемой в программируемом регуляторе температуры "контакторной" схемой регулировки малая помехозащищенность и сравнительно высокая нелинейность нагрева ячейки;
- высокая инерционность самопишущего прибора и как результат недостаточная адекватность спектра ТСТ;
- отсутствие сопряженности с персональным компьютером и условий для непосредственного получения данных в электронном виде.

Заявляемое изобретение направлено на создание способа проведения термостимулированной токовой спектроскопии диэлектрических материалов, обеспечивающего контролируемый линейный нагрев образца, визуальное представление поступающего токового сигнала в виде спектра ТСТ на мониторе персонального компьютера и получение окончательных результатов эксперимента в электронном виде.

Указанный результат достигается тем, что способ проведения термостимулированной токовой спектроскопии диэлектрических материалов, предусматривающий размещение анализируемого образца между двумя электродами в ячейке с линейным нагревом, регистрацию и усиление слабых токов, графическое представление токового спектра, дополняется тем, что регулировку температуры в зоне эксперимента осуществляют с помощью цифрового контроллера, позволяющего устанавливать скорость и пределы нагрева, обеспечивают сопряжение измерительной системы с персональным компьютером на базе схемы аналого-цифрового преобразования при снятии спектра термостимулированного тока, возникающего при термостимулированном разряжении электрета, а для визуального представления и сохранения результатов эксперимента в электронном виде используют программное обеспечение для представления измеряемой величины в виде временной диаграммы и предусматривающее возможность проведения хронологии измерений.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:
- осуществление регулировки температуры в зоне эксперимента с помощью цифрового контроллера, позволяющего устанавливать скорость и пределы нагрева;
- сопряжение измерительной системы с персональным компьютером на базе схемы аналого-цифрового преобразования при снятии спектра термостимулированного тока, возникающего при термостимулированном разряжении электрета, причем для визуального представления и сохранения результатов эксперимента в электронном виде используют программное обеспечение, позволяющее представлять измеряемую величину в виде временной диаграммы и предусматривающее возможность проведения хронологии измерений.

Регулировка температуры в зоне эксперимента с помощью цифрового контроллера позволит обеспечить контролируемый линейный нагрев ячейки в диапазоне -200. . . 450^oС, устанавливать точную скорость нагрева в пределах 0... 10^oС/мин и существенно уменьшить уровень шумов.

Сопряжение измерительной системы с персональным компьютером на базе схемы аналого-цифрового преобразования позволит производить цифровую обработку аналогового сигнала в диапазоне ±5 В и обеспечивает обмен данных с компьютером. Применение программного обеспечения на базе графического интерфейса пользователя позволит визуально представлять результаты эксперимента и сохранять их в электронном виде.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец диэлектрического материала помещают в измерительную ячейку, после чего запускают установленную на ПК программу NVL03 Driver. Далее с помощью кнопок и команд меню интерфейса программы задают требуемые параметры сигнала и вид шкалы. После этого устанавливают с помощью контроллера требуемую скорость нагрева, пределы нагрева, включают контроллер в режим нагрева и одновременным нажатием соответствующей кнопки на панели инструментов программы начинают аналого-цифровое преобразование - снятие спектра ТСТ, возникающего при термостимулированном разряжении электрета.

На фиг. 1 представлена схема устройства для проведения термостимулированной токовой спектроскопии: 1 - блок управления нагревом и термостатированием с трансформатором, контроллером, тиристорной парой и слабошумным реле; 2 - блок нагрева и термостатирования с измерительной ячейкой; 3 - электрометрический усилитель; 4 - многоканальное устройство аналого-цифрового преобразования; 5 - персональный компьютер. На фиг.2 представлен внешний вид интерфейса программы по окончании ее работы (исследованный образец - короноэлектрет на основе пленки из полиэтилена высокого давления ПЭВД 15803-020, скорость нагрева 5^oС/мин, диапазон нагрева от 20 до 180^oС).

Аппаратными элементами измерительного комплекса являются: два датчика температуры, ячейка для исследуемых образцов с нагревом в диапазоне температур -100...+300^oС и возможностью внешнего задания скорости нагрева, усилитель-преобразователь "ток-напряжение" в диапазоне входных токов 10^-5...10^-13 А и выходных напряжений -5...+5 В, а также совместимый с ПК измерительный модуль, на который поступают сигналы с устройств. Управление нагревом (фиг.1, поз. 1) осуществляют с помощью "тиристорной" схемы, включающей тиристорную пару, реле, трансформатор и температурный регулятор - контроллер типа RE14 фирмы Lumel, позволяющий задавать температуру нагрева в пределах -200... 450^oС и устанавливать скорость нагрева в пределах 0...10^oС/мин. Применение такой схемы позволяет существенно уменьшить уровень шумов. Для усиления-преобразования малых токов в диапазоне 10^-5...10^-13 А использован электрометрический усилитель У5-11М или аналогичный (фиг.1, поз.3).

Вывод на компьютер осуществлен на базе схемы аналого-цифрового преобразования. Использована многофункциональная плата NVL03 (изготовитель - фирма "Сигнал", г. Москва) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП, фиг.1, поз. 4), являющаяся ядром интерфейсной части измерительной системы. Цифровая обработка сигнала обеспечивается АЦП, соединенным через шину ISA с персональным компьютером. Измерительный модуль обеспечивает прием сигналов в динамическом диапазоне ±5В, имеет линейную передаточную характеристику, низкий уровень собственных шумов, высокую помехозащищенность, является надежным и способен находиться в рабочем состоянии длительное время. Перечисленные характеристики обеспечиваются техническими параметрами используемых аналого-цифровых преобразователей - 10-разрядных АЦП серии К1113ВП, и применением специальных методов цифровой фильтрации на программном уровне, а также схематическими и конструкционными решениями.

Дискретизация аналоговых сигналов в цифровой аналог в измерительном модуле осуществляется АЦП К1113ВП1, временные параметры которой задаются программируемым счетчиком-таймером КР580ВИ53, состоящим из трех 16-разрядных счетчиков. Два из них используются для задания схемы программного запуска -времени задержки и интервала дискретизации для АЦП, а третий может быть использован по усмотрению пользователя, для чего на выходной разъем был выведен вход и выход третьего канала таймера. Измерительная карта занимает 20 последовательных позиций в адресном пространстве, зарезервированном для устройств пользователя. Базовый адрес карты выбирается при помощи перемычек, расположенных на плате.

Система сбора данных состоит из следующих компонентов:
- 10-разрядного АЦП К1113ВП1 с максимальной частотой преобразования 2 МГц;
- программно коммутирующих 16 каналов с частотой синхронизации каналов 0...2,5 МГц;
- трехканального программируемого таймера КР580МИ53;
- программируемого устройства ввода/вывода параллельной информации КР580ВВ55А;
- выходного буфера с повышенной нагрузочной способностью, реализованного на КР15334Р33 (допускает работу на длинную линию).

Программно плата NVL 03 представляется в виде ряда адресов регистров в адресном пространстве ввода/вывода, соединенная с шиной ПК, базовый адрес которой устанавливается из возможных (300h, 220h и 200h) перемычкой. Также перемычкой устанавливается один из векторов прерывания (IRQ3, IRQ5 или IRQ7) и входной диапазон сигналов (±5В, ±2,5В, ±1,25В, ±1В). Этj дает возможность гибкого использования платы под конкретную задачу.

Для заявляемого способа с использованием современных средств программирования (пакет программ Borland, языки программирования Object Pascal, Assembler [32-34] ) разработано оригинальное программное обеспечение, ориентированное на графический интерфейс пользователя (NVL03 Driver). Работа программы осуществляется в операционной среде Windows 95/98 (интерфейс программы реализован в полном соответствии с требованиями этой среды). Ориентация на Windows дает высококачественную графику, многозадачность и простоту перераспределения данных между задачами, а также улучшенное интуитивно-образное представление информации. Новая интерактивная подсистема визуализации использует стандарт ГИП - библиотеки графических подпрограмм Win API - и обладает мобильностью для широкого диапазона существующих систем Windows.

Для бесперебойной работы программы достаточной является следующая конфигурация компьютера (рис. 1, поз. 5) класса IBM PC AT/XT: рабочая частота процессора - 50 МГц; объем оперативной памяти - 8 Мб; параметры монитора -800 х 600, 256 цветов; видеоадаптер - 1 Мб; операционная среда - Windows 95 и выше.

На управляющем ПК осуществляется выбор каналов, настойка режимов АЦП, отображение поступающего сигнала в виде графика, взаимосвязь каналов и их совместное отображение, расчет выбранных характеристик спектра. Для работы с требуемыми портами компьютера из Delphi 5 с использованием пакета Borland Tasm 5 составлен модуль со всеми необходимыми функциями и подпрограммами, написанный на языке Assembler под защищенный режим процессора (не ниже 386).

Для интерактивного контроля каналов измерительной системы созданы комбинации окон, представляющих в двухмерном графическом виде как независимые индивидуальные каналы, так и взаимосвязанные каналы, а также - при необходимости - все каналы для непосредственного наблюдения за изменениями входных сигналов в реальном времени. Все графические объекты представляются в виде окон, строк меню и состояния, кнопок, переключателей, инструментальных панелей, специальных гистограммных окон, диалоговых окон и т.д. Последовательно открываемые меню делают доступ к графической информации простым и быстрым. Широкий набор специальных окон, базой для создания которых послужили компоненты из библиотеки графических объектов Delphi, обеспечивает прямое манипулирование данными во время эксперимента. Все меню в системе образуют древовидную структуру. Любой вид информации легко доступен по обычному щелчку мыши.

Вывод на печать в машиннонезависимом формате Postsctipt визуализируемой информации также доступен в интерактивном режиме с различным масштабированием размера картинки. Информация о системе содержится в файлах документации и во встроенных в интерфейс подсказках. Все параметры программы (настройки, режим работы АЦП, портов ввода/вывода, количество каналов и их характеристики) определены в текстовых конфигурационных файлах, которые позволяют сохранять и восстанавливать функциональные возможности системы. Программа имеет возможность тестирования, калибровки и статистики накопления ошибок поканально с целью установления собственного шума платы АЦП и выделения его из полезного сигнала. Измерительный модуль на базе платы NVL позволяет установить схему запуска АЦП независимо от временных циклов шины ПК, а также установить один из трех аппаратных векторов прерывания (устанавливаемых перемычкой на плате) с целью эффективного использования платы.

Измеряемая величина представляется в виде временной диаграммы. Выводимые величины обновляются с любой частотой по желанию пользователя (50 мкс...10 с). В случае превышения предела шкалы имеется возможность автоматического изменения масштаба аналогового дисплея и временной диаграммы. В программе предусмотрен режим запоминания измеренных значений, а также соответствующих им моментов времени измерения, что позволяет вести хронологию измерения для данного места в произвольный промежуток времени. В этом случае измеренные значения записываются на диск через некоторое время, определяемое длительностью измерения и количеством измеренных значений, а также возможностью их печати.

Исследователь может визуально наблюдать за ходом эксперимента по всем каналам и произвольно менять параметры графического представления, а по окончании работы программы сохранять результаты эксперимента в электронном виде (форматы *.WMF, *.DAT). Предполагается одновременное сохранение результата в виде двух файлов этих форматов в каталог, установленный с помощью диалогового окна. Имеется также возможность работы с буфером обмена.

Общий объем памяти, занимаемой программой, составляет около 2 Мбайт. Программа не требует инсталляции.

По окончании работы программы сохраняли результаты эксперимента с помощью соответствующей кнопки на панели инструментов. Путь для сохранения в форматах WMF и DAT указывали с помощью диалогового окна.

Результаты проведенного анализа приводят к следующим заключениям. Получен спектр ТСТ в электронном виде. Визуально уровень помех достаточно мал (на спектре отсутствуют выбросы, значительные скачки и т.п.), что говорит о преодолении инерционности самопишущего прибора (прототип). Файл изображения *. WMF представляет собой графическое отображение спектра в том виде, в котором он наблюдался на мониторе ПК (фиг. 2). Файл данных *.DAT записан в формате ASCII. Импорт его в стандартные приложения (Microsoft Excel, Microcal Origin, MathCAD и др.) позволяет получить векторную диаграмму (график) в любых координатах, а также произвести математическую обработку и расчет основных требуемых параметров. Высокая совместимость компонентов позволяет характеризовать использованную для анализа совокупность приборов и средств измерения как измерительный комплекс. Заявляемый способ позволяет реализовать ряд дополнительных функций, недоступных для прототипа и других традиционных измерительных систем.

Возможность промышленной реализации изобретения подтверждается несложностью аппаратной части, описанной в настоящей заявке.

Источники информации
1. Электреты / Под ред. Г.М. Сесслера (пер. с англ.) - М.: Мир (1983).

2. Г.А. Лущейкин. Полимерные электреты. - М.: Химия (1984).

3. Заявка 96121977/09 РФ, G 01 R 27/02 (Опубл. 1996).

4. Заявка 95119905/09 РФ, G 01 N 22/00, G 01 R 27/26 (Опубл. 1995).

5. Заявка 96121312/28 РФ, G 01 R 21/06, 22/00 (Опубл. 1996).

6. Заявка WO 9529158 PCT, G 01 N 27/48 (Опубл. 1995).

7. Заявка 5019356/09 РФ. G 01 R 27/26 (Опубл. 1991).

8. Заявка DE 4318626 Германия, G 01 N 31/22 (Опубл. 1994).

9. Заявка WO 9516197 PCT, G 01 N 27/02 (Опубл. 1995).

10. Заявка US 5436165 США, G 01 N 25/18 (Опубл. 1995)11. Заявка WO 9520760 PCT, G 01 N 27/07 (Опубл. 1995).

12. Заявка WO 9622151 PCT, B 01 D 57/00 (Опубл. 1996).

13. Заявка US 5466416 США, G 01 N 21/76 (Опубл. 1995).

14. Заявка ЕР 637733 ЕПВ, G 01 K 7/25 (Опубл. 1995).

15. Патент JP 6017895 Япония, G 01 N 27/42 (Опубл. 1994).

16. Заявка DE 4321688 Германия, G 01 N 25/00 (Опубл. 1995).

17. Заявка US 5443803 США, B 01 D 49/44 (Опубл. 1995).

18. Заявка US 5461665 США, G 01 N 23/04 (Опубл. 1995).

19. Патент JP 6019293 Япония, G 01 K 3/10 (Опубл. 1994).

20. Заявка 96108922/09 РФ, G 06 F 19/00, 17/30 (Опубл. 1994).

21. Заявка 94039536/09 РФ, G 01 R 21/133, 12/02 (Опубл. 1994)
22. Заявка US 5374892 США, G 01 N 27/00, (Опубл. 1994).

23. Патент JP 5085865 Япония, G 01 N 29/06 (Опубл. 1993).

24. Заявка 95117547/09 РФ, G 06 F 3/033 (Опубл. 1995).

25. Патент US 9406459 США, G 01 N 35/00 (Опубл. 1995).

26. Заявка US 55467926 США, G 01 N 33/28 (Опубл. 1996).

27. Заявка DE 4433357 Германия, G 01 N 17/00 (Опубл. 1995).

28. Заявка US 5562345 США, G 01 N 25/72 (Опубл. 1996).

29. Заявка US 6368391 США, G 01 N 25/00 (Опубл. 1994).

30. "An Applications Guide For Thermally Stimulated Current Spectroscopy" / Проспект фирмы TherMold Partners (http://www.netresource. com/thermold/research.htm).

31. ГОСТ 25209-82. Пластмассы и пленки полимерные. Методы определения поверхностных зарядов электретов.

32. А. Я. Архангельский. Разработка прикладных программ для Windows в Delphi 5. -М.: БИНОМ (1999).

33. С. Тейксейра, К. Пачеко. Delphi 4. Руководство разработчика (пер. с англ.). - М., СПб: Вильямс (1999).

34. В.А. Юров. Assembler. - СПб: Питер (2000).

Согласно заявляемому способу осуществляют размещение образца анализируемого диэлектрика между двумя электродами, помещение ячейки с образцом в зону линейного нагрева, установление требуемых параметров нагрева с помощью цифрового контроллера, получение возникающих при релаксации электретного заряда слабых токов, усиление их с помощью усилителя-преобразователя, передачу токов на персональный компьютер на базе схемы аналого-цифрового преобразования, визуальное наблюдение токовых спектров и сохранение результатов измерений в электронной форме с использованием программного обеспечения, ориентированного на графический интерфейс пользователя, предусматривающего возможность представления измеряемой величины в виде временной диаграммы и проведения хронологии измерений. Компьютерная обработка полученных данных позволяет вычислять основные параметры, характеризующие электретный эффект. Технический результат - повышение адекватности спектра. 2 ил.

Способ проведения термостимулированной токовой спектроскопии диэлектрических материалов, включающий размещение анализируемого образца между двумя электродами в ячейке с линейным нагревом, регистрацию и усиление слабых токов, графическое представление токового спектра, отличающийся тем, что регулировку температуры в зоне эксперимента осуществляют с помощью цифрового контроллера, позволяющего устанавливать скорость и пределы нагрева, обеспечивают сопряжение измерительной системы с персональным компьютером на базе схемы аналого-цифрового преобразования при снятии спектра термостимулированного тока, возникающего при термостимулированном разряжении электрета, а для визуального представления и сохранения результатов эксперимента в электронном виде используют программное обеспечение для представления измеряемой величины в виде временной диаграммы и предусматривающее возможность проведения хронологии измерений.