Способ измерения коэффициента нелинейности электропроводности материалов Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

а Изобретение относится к области электроиэмерениЛ и может быть испол зовано для определения электрич€;ски свойств материалов, например полупроводников, а также электрических стойств земли при геоэлектроразведке Известен способ измерения коэффициента нелинейности электропроводно ти полупроводников путем измерения изменения электрических параметров образца, например постоянного тока, протекающего через образец, в котором измерения постоянного тока прово дят при двух частотах модуляции высо кочастотного электрического поля ij Однако известный способ не может быть применен для измерения коэффициента нелинейности электропроводности материалов, в которых указанная нелинейность проявляется только в диапазоне низких и инфранизких час тот, в том числе и коэффициента нелинейности электропроводности горных пород и руд. Известен способ измерения коэффициента нелинейности электропроводности материалов, заключающийся в том, что в исследуемый материал вводят переменный ток рабочей частоты, а в заданных точках измерений свойст материала измеряют сигнал удвоенной рабочей частоты, по которому судят о коэффициенте нелинейности электропроводности материала 2 . Недостатком этого способа измереНИИ является низкая точность, обусловленная тем, что из;--;ерительный сиг нал удвоенной рабочей частоты(второй гармоники) зависит как от нелинейности электропроводности материала, так и от нелинейности переходных сопротивлений контактов токовводы изучаемый материал. При этом в виду того, что плотность тока на этих кон тактах значительно больше, чем плотность тока в изучаемом материале, измеряемый сигнал второй гармоники в значительно большей степени обусловлен нелинейностью переходных сопротивлений контактов, чем нелинейностью свойств материала, особенно если изучаемый материал насыщен влагой. Наиболее близким к изобретению . является способ измерения- коэффициента нелинейности электропроводности материалов, включающий введение в исследуеьзый материал вспомогательного тока, компенсацию током от того же источника с помощью регулируемой компенсационной цепи падения нап ряжения в точках измерения, выключение токов вспомогательного и компенсационного, пропускание рабочего переменного тока прямоугольной через материал и отрегулированную з процессе ког пенсации при пропускании вспомогательного тока цепь компенсэ ции, измерение падения напряжения от рабочего тока в точках измерения 3} . Недостатком данного способа является ограниченная область его применения, что обусловлено возможностью применения в нем только рабочего тока синусоидальной формы. Если же ток имеет прямоугольную форму, что технически предпочтительно, особенно при измерении коэффициента нелинейности электропроводности земли, когда для nojiy4eHKH достаточных полезных сигналов силу тока необходимо выбирать не менее 10-20А при частоте 0,1-.10 Гц (серийно выпускаемых генераторов синусоидального TOi-a указанного диапазона частот и необходимой мощности в настояшее время не имеется), то в ряде случаев эффект нелинейное ти электропроводности исследуемых материалов может быть не обнаружен. Это объясняется тем, что за счет не. линейных полупроводниковых свойств (Материалов в точках измерений амплиг туды измеряемого сигнала в один и другой полупериоды оказываются различными (в один полупериод большей, а в другой - меньшей). Если форма возбуждающего тока нелинейная, то за счет разной амплитуды измеряемого сигнала в и в другой полупериод .может быть выделен сигнал удвоенной рабочей частоты,- который и несет информацию о нелинейности злектропрог водности материалов. Если же форма возбуждающего тока прямоугольная, то в измеряемом сигнале оказывается разной амплитуда положительного и отрицательного импульсов. Это приводит к тому, ЧТО форма измеряемого сигнала остается прямоугольной, такой же, как и форма возбуждающего тока, в измеряемом сигнале появляется только постоянная составляющая, а вторая и все другие четные гармоники отсутствуют. Цель изобретения - повышение точности измерений путем обеспечения измерения коэффициента нелинейности электропроводности материалов при использовании любой,в том числе и прямоугольной формы возбуждающего тока„ Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэффициента нелинейности электропровод-ности материалов, включающему введе,ние в исследуемый материал вспомогательного тока, компенсацию током от того же источника с помощью регулируемой компенсационной цепи падекйя напряжения в точках измерения, выключение токов вспомогательного н компенсационного, пропускание рабочего переменного тока прямоугольной формы через материал и отрегулированную в процессе компенсации при пропускании вспомогательного тока цепь компенсации, измерение падения напряжения от рабочего тока Б точках измерения, вспомогательный ток выбирают постоянным, измеряют постоянное падение напряжения в точках измерени при включенной компенсационной цепи и переменное падение напряжения при выключенной компенсационной цепи, измерение проводят дважды с использованием вспомогательного тока двух направлений, определяют отношение амплитуд падения напряжения постоянного и переменного токов для каждого из двух замеров и по их полусумме судят о величине коэффициента нелинейности электропроводности материала Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Вначале вводят.в исследуемый мате риал постоянный вспомогательный ток который можно считать импульсом пост тоянного тока (тока нулевой частоты) В заданных точках измерения свойств материалов располагают вторую пару приемных электродов, к которым подг ключается измерительная цепь, которая представляет собой параллельно соединенные микровольтметры постоянного и переменного напряжения. На входе микровольтметра постоянного тока может быть установлен автономны компенсатор постоянного напряжения, с помощью которого компенсируют собственную разность . потенциалов приемных электродов до включения постоянного тока ( если применяются электроды, у которых соб ственная разность потенциалов не рав на нулю). Принятыйв точке измерения сигнал постоянного напряжения, возбуждаемый вспомогательным током, компенсируют сигналом из токовой цепи с помощью компенсационной цепи с регулирующими элементами. Для этого в цепь, через, которую вводят ток в исследуемый материал, последовательно включают резистор, например шунт в 0,10 м, к нему подключают блок гальванической развязки, например модуляционный трансформатор постоянного тока с регулирующими элементами на выходе четырехступечатыми декадными резистивными аттенюаторами. Выход компенсационной цепи включают последова--; тельно с входом измерительной цепи. При компенсации, изменяя величину регулирующих элементов, добиваются нулевых показаний микровольтметра постоянного тока, Затем в исследуе№лй материал чере ту же токовую цепь вводят ток рабочи преимущественно инфранизкой частоты, В точках измерений, не изменяя параметров регулирующих элементов компенсационной цепи и сохраняя эту цеп включенной точно так же, как и при компенсации сигнала постоянного напряжения, измеряют амплитуду постоянного напряжения, а также амплитуду переменного напряжения при выключенной компенсации цепи, Кэффициент нелинейности электропроводности определяют как отношение амплитуды постоянного напряжения к амплитуде переменного напряжения на приемных электродах. Если переменный ток имеет прямоугольную форму, то для материалов, у которых нелинейные эффекты отсутствуют, напряжение на приемных электродах имеет такую же форму, как и ток, а постоянное (выпрямленное) напряжение отсутствует, У материалов с нелинейной электропроводностью в измеряемом напряжении амплитуда отрицательного и положительного полупериодов оказывается разной, что приводит к появлению постоянного медленно, изменяющегося напряжения. Амплитуда постоянного напряжения пропорциональна коэффициенту нелинейности материала и служит его мерой. После первого включения вспомогательного тока через токовводы начинает протекать постоянный ток определенной полярности, который создает в точке измерений сигнал, пропорцио- . нальный удельному сопротивлению исследуемого материала,- Ввиду того, что этот сигнал электрически скомпен : сирован, а затем после введения через токовводы рабочего тока компенсационная цепь сохраняется включен1аой, выпрямленный (постоянный) ток,-- обусловленный выпрямляющим действием токрвводов при прохождении через них переменного тока, не создает в точках измерений ложного сигнала, оказывающего влияния на результат измерений, так как этот ложный сигнал автоматически компенсируется компенсационной цепью. Так как выпрямляющие свойства токовводов никогда точно не известны, может оказаться, что полярность выпрямленного токовводами тока (при пропускании через них переменного рабочего тока) противоположная полярности первого импульра вспомогательного , В этом случае условия компенсации при пропускании вспомогательного и рабочего,токов также оказываются разными. Теоретические расчеты и экспери, менты показывают, что в большинстве случаев погрешностью, обусловленной неиндентичностью условий компенсации, можно пренебречь, и только при измерениях на материалах с очень слабо выраженной нелинейностью электропроводности погрешность оказывается недопустимой. Для устранения указанной погрешности после осуществления рассмот- ренного цикла измерений в исследуемый материал вводят повторно вспомогательный ток другой полярности.

вновь проводят электрическую компенсацию в точках измерений свойств материала сигнал, возбуждаемый вспомогательным током, затем вводят рабочий ток, измеряют сигнал, обусловленный нелинейностью электропрово нести материалов, и по арифметическому среднему из результатов двух измерений (после пропускания импульсов вспомогательного тока положительной и отрицательной полярноети) судят о коэффициенте нелинейности электропроводности материалов. Таким образом, устраняются погрешнос ти из-эа разной полярности импульсов вспомогательного тока шлпрямленного токовводами рабочего тока. Поэтому никакого влияния не оказывает нелинейность переходных сопротивлений токовводов, хотя за счет этой нелинейности при включении переменно го тока токовводы оказывацот выпрямляющее действие, поэтому через токовую цепь и исследуемый материал протекает дополнительный постоянный ток, который может создать в точке измерений ложный сигнал, значительно

превышающий полезный сигнал. Однако благодаря тому, что до пропускания переменного тока через исследуемый материал пропускается постоянный ток, проводится компенсация измеряемого сигнала и регулирующие элементы ком пенсационной цепи в дальнейшем сохраняются неизменными. Любые изменения в возбуждавзщей цепи, в том числе и за счет нелинейности переходных сопротивлений токовводов, автоматичес ки компенсируются в точке измерений, а ло;кные сигналы постоянного напряжения в точках измерений не появляются.

Технико-экономическая эффективность применения предлагаемого способа заключается в возможности применения тока прямоугольной форивл при проведении измерения коэффициент нелинейности электропроводности земли. За счет этого возможно использование мощных генераторов импульсов прямоугольной формы, увеличение раз меров измеряемой установки, что повышает производительность и очность измерений.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕН ТА НЕЛИНЕЙНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ. МАТЕРИАЛОВ, включающий введение в исследуемый материал вспомогательно.го тока, компенсациюТОКОМ от того же источника с помощью регулируемой компенсационной цепи пгщения напряже- НИН в точках измерения, выключение токов вспомогательного и компенсационного, пропускание рабочего переменного тока прямоугольной формы через материал и отрегулированную в процессе компенсации при пропускании вспомогательного тока цепь компенсации, измерение падения напряжения от рабочего тока в точках измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, вспомогательный ток выбирают постоянным, измеряют постоянное падение напряжения в точках измерения при включенной компенсационной цепи и переменное падение напряжения при выключенной компенсационной цепи, измерение проводят дважды с использоч (Л ванием вспомогательного тока двух направлений, определяют отношение амплитуд падения напряжения постоянного и переменного токов для каждого из двух замеров и по их полусумме судят о величине коэффициента нелине ности электропроводности материала.