Устройство для измерения параметров электротермической нелинейности резисторов Советский патент 1985 года по МПК G01N27/18 

Изобретение относится к неразрушающим методам и средствам контроля и может использоваться, например, при измерениях теплофизических параметров изделий из высокоомных проводНИКОВ.

Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение функциональных возможностей измерителя.

На фиг. 1 изображена функциональнал схема устройства для измерения 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 измерения напряжения нелинейности, блок 8 измерения тепловой постоянной, блок 9 измерения сопротивления, перемножитель 10, блок 11 ввода-вывода информации (БВВ), блок 12 управления (БУ) вычислитель 13, блок 14 индикации, блок 15 определения дефектов, блок 1 вычисления.

Генератор 1 тока совместно с электронным ключом 2 служат для формирования необходимых импульсов тока в испытуемом резисторе 3. Дифференциальный усилитель 4 содержит, например, несколько каскадов усиления. Блок 5 автобаланса представляет собой аналоговую схему выборки и хранения. АЦП 6 предназначен для преобразования напряжения выборки из аналоговой формы в цифровую и затем опять в аналоговую. Блок 7 измерения напряжения нелинейности содержит, например, блок выборки-хранения и АЦП. Блок 8 измерения тепловой постоянной состоит, (например, из делителя напряжения, компаратора, логических цепей и служит для измерения тепловой постоянной времени резистора. Блок 9 измерения сопротивления содержит, например, АЦП. Перемножитель 10 содержит, напри ер, цифроаналоговый преобразователь, осуществляющий операцию перемножения двух напряжений. Блок 11 ввода-вывода информации служит для ввода цифровой информации в вычислитель 13. Блок 12 управления содержит, например, логические цепи и служит для управления работой всего устройства. Вычислитель 13 выполнен на основе микро-ЭВМ

и служит для вычисления теплофизических параметров резисторов. Блок 14 индикации содержит элементы цифровой индикации и служит для визуального представления результатов измерений в цифровой форме. Блок 15 определения дефектов содержит, например, запоминающие устройства и логические цепи и служит для сравнения измеренных теплофизических параметров с эталонными. По результатам сравнения в блоке 15 определения дефектов выносится решение о годности или дефектности изделия, и осуществляется разбраковка образцов по видам дефектов.

Выход генератора 1 тока через ключ 2 соединен с первым входным зажимом, второй входной зажим соединен с входом дифференциального усилителя 4, через блок 9 измерения сопротивления соединен с вторьм входом блока 16 вычисления. Другой выходблока 9 через перемнолситель 10 соединен с -вторьм входом дифференциального усилителя 4. Второй выход генератора 1 соединен с первым входом перемножителя 10 и пят1з1м входом блока 16 вычисления. Второй выход блока 9 измерения сопротивления соединен с первым входом перемножителя 10. Выход блока 5 автобаланса через АЦП 6 соединен с третьим входом дифференциального усилителя 4, выход которого соединен с входом блока 5 автобаланса, а через блок 7 и блок 8 соединен с четвертым входом блока 16 вычисления. Семь выходов блока 12 управления соединены с управляющими входами генератора 1, блока 9, перемножителя 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 определения 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 для измерения сопрот Фления резистора R){ в холодном состоянии. Величина тока 1 и длительность fp выбираются 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 оставался прак тически холодным к моменту окончания импульса тока. С другой стороны, амплитуда тока IQ и длительность импульса ITp должны быть достаточными для того, чтобы сопротивление R могло быть измерено с заданной точностью. За время действия импульса токаХ измеряется напряжение U на испытуемом резисторе, пропорциональное его сопротивлению в холодном состоянии , Io const. Это напряжение преобразуется в бл ке 9 измерения сопротивления в цифровую форну, и ин юрмация о величине R . вводится в цифровой форме блока 11ввода-вывода информации. Одновременно в аналоговой форме информация о величине R подается на первый вход перемножителя 10. На второй вхо перемножителя 10 поступает информация в цифровой форме о величине изме рительного тока генератора 1. Амплйтуда измерительного тока I и его дли тельность t могут изменяться дискре но в широких пределах и устанавливаются оператором до начала измерений. По окончании измерения сопротивления R, с блока 12 управления 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 выделяется некоторое количество тепла, вызывающее нелинейные эффекты в резисторе. По мере нарастания температуры б образца. его сопротивление начинает расти по закону R(t).Rx ( ) (t), oiS«1, j где о6(1/град) - температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Напряжение Uf на образце изменяется во времени (фиг. 2), U.,IR(t)IR.+IR.,oi9(t)-U +IR..eie(t),. (1) где Uy - напряжение на образце в холодном состоянии. ра под действием тока I нарастает по закону ,,0.) , .(г) где 9fnot i установившееся превьшение температуры образца над температурой окружающей -v среды; f- тепловая постоянная времени резистора. С .учетом (1) и (2) можно записать ,+IR, ы е( 1 ) и 1 . где Ij - напряжение электротермической нелин.ейности резистора. Напряжение U,( получило название кривой нагрева. В предлагаемом устройстве непосредственно измеряются параметры электротермической нелинейности резисторов Up, и .С , а по ним с учетом величин I, RX и cit const в пычислителе 13 определяются теплофизические постоянные 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 происходят поочередно в течение двух тактов работы. К окончанию первого импульса тока измеряется напряжение электротермической нелинейности U, а за время действия второго импульса тока определяется тепловая постоянная времени резистора Т. В соответствии с фиг. 25 и формулой (3), несущее полезную информацию напряжение кр1шой нагрева U оказывается наложенным на напряжение мешающей подставки Uj(IRj(. Для надежного измерения U и необходимо обеспечить точную балансировку напряжения Up, т.е. привести кривые нагрева U к оси путем вычитания из напряжения } напряжения подставки Uy. Напряжение U. может на два-три порядка превышать напряжение электротермической нелинейности Uf поэтому погрешности балансировки даже в деся тые доли процента повлекут за собой относительные ошибки в определении параметров .электротермической нелинейности и и Т в десятки процен тов . Мешающее действие напряжения под ставки Uy, помимо погрешностей при балансировке, может проявляться . в перегрузке каскадов дифференциаль ного усилителя 4. При изменении в широком диапазоне значений зондирующих токов I и величин сопротивлений Rj( может возникнуть режим насьпцения каскадов дифференциального усилителя 4, что поведет к нелинейности при усилении кривых нагрева и суи ественно снизит точность измерений параметров электротермической нелинейности резисторов. Д17Я устранения указанной погрешности и повьш1ения точности измерени в широком диапазоне изменения параметров резисторов в предлагаемом устройстве вводится перемножитель в котором сразу после измерения сопротивления RX холодном сос тоянии, до начала пропускания первого 1-1Мпульса тока I производится операция перемножения измеренного значения сопротивления 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 сопротивления Н„ и их произведение могут быть определены с некоторыми аг1паратурными погрешностями, а фиг. 2 в изображены кривые на грева, которые могли бы получиться с аппаратурной погрешностью uU)o),Поскольку погрешность ди может быт соизмеримой с полезным эффектом V, в предлагаемом устройстве приняты меры по устранению оставшейся погре ности ли путем выполнения операции балансирования кривых нагрева в два этапа. После первого этапа - грубой балансировки, в соответствии с формулой (7), кривая нагрева U, оказывается наложенной на мешающее напря жение оставшегося разбаланса /дих/ «Ux. После второго этапа точной балансировки осуществляется устране ние оставшегося разбаланса ли и жесткая привязка кривых нагрева к оси ордрдаат. Рассматривают процессы, происходящие в устройстве при балансировке кривых нагрева. В мом1ент появления переднего фронта первого импульса тока I напряжение Ug с испытуемого резистора 3 поступает на первый вход дифференциального, усилителя 4. Одновременно на второй его вход подается напряжение U с выхода перемножителя 10. Напряжение разбаланса ди с выхода дифференциального усилителя 4 поступает на первый вход блока автобаланса 5, на второй вход которого от блока 12 управления подается короткий импульс (фиг. 2г), разрешающий выборку напряжения л .. Длительность выборки должна быть по крайней мере на два порядка меньше минимальной теплой постоянной времени резистора с с тем, чтобы за.время выборки нелинейные эффекты не успевали проявиться, т.е. образец оставался практически холодным. , Напряжение ли с выхода блока автобаланса 5 поступает на вход АЦП 6, где запоминается в цифровой форме, преобразуется вновь в аналоговую и подается на третий вход диффёрецинального усилителя 4. Введение АЦП 6 позволяет устранить погрешность измерений, возникающую за счет разряда запоминающего конденсатора выборки и хранения в блоке автобаланса 5 за время t действия импульса тока I. На выходе дифференциального усилителя 4 возникает напряжение кривой нагрева , ин-и,,Си,+и,„() -()( Это напряжение поступает на блок 7 измерения напряжения нелинейности. В конце первого импульса тока I (фиг.. 23) от блока 12 управления на второй вход блока 7 измерения напряжения нелинейности поступает импульс, разрешающий выборку напряжения нелинейности U. Это напряжение преобразуется в цифровую форму и поступает в блок 11 ввода-вывода информации. Одновременно запомненное напряжение U в аналоговой форме подается в блок 8 измерения тепловой Спустя интервал времени f паузы 10 Г,р,, (где - мак симальная тепловая постоянУгая времени), достаточный для полного осты вания изделия, на испытуемый резистор 3 подается второй импульс тока (фиг. 2 а). К моменту t Г, отсчитанному от переднего фронта второго импульса тока, напряжение кривой нагрева достигает значения (фиг. 2Э U,Uj1-e-)0.63LV В составе блока 8 измерения тепл вой постоянной имеет ся резистивный делитель напряжения с коэффициентом деления К «,0,63, с выхода которого напряжение U подается на первый вход компаратора напряжения, также входящего в состав блока 8 измерения тепловой постоянной. На второй вход компаратора напряжения поступает текущее значение напряжения кривой нагрева Up во время действия второго импульса тока Т (фиг. 2) На выходе компаратора напряжения возникает импульс длительностью if. При по мощи эталонных счетных импульсов тепл вая постоянная 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 пропускается импульс малого тока Т.р (фиг. 2о() и измеряется новое значение холодного сопротивления RJ,. Сопоставление величин RY и Rl дает возможность установить, не оказывают ли импульсы тока амплитудой I и длительностью t разрушающего действия на испытуемый резистор, проявляющегося в необратимом увеличении R после нагр ва и охлаждения резистора. Если R превыщает величину R более, чем на 1%, амплитуду зондирующего тока для испытания следующих образцов сип жают до тех пор, пока контроль не CT.I нет действительно неразрушающим. Цифровые величины измеренных парл-метров (RX UITI совместно с выбряиным значением I вводятся в вычислитель 13, где происходит автоматическое вычисление теплофизических величин (теплоемкости, теплопроводности, температуры) по формулам (А) - (6) при заданном значении oi const. В качестве вычислителя 13 в устройстве используется встроенный микрокалькулятор типа БЗ-21, который программируется в соответствии с формулами (4) - (6). Информация в вычислитель 13 вводится в двоичном коде сразу после окончания второго импульса тока I. Рассчитанные значения теплофизических постоянных поочередно выводятся на цифровой индикатор микрокалькулятора . Одновременно в блоке 14 индикации фиксируются на цифровом табло результаты измерений холодных сопрот1шлений R и Rj, напряжения электротермической нелинейности U, тепловой постоянной времени f и выбранная величина зондирующего тока I. После окончания измерений и вычислений от вычислителя 13 в блок 15 определения дефектов поступает в цифровой форме информация о величине теплофизических параметров, которые в блоке 15 определения дефектов сравниваются с эталонными. Если параметры находятся в пределах заданного допуска, выносится рещение о годности изделия. В противном случае принимается решение о дефектности, и при помощи блока 15 определения дефектов осуществляется разбраковка образцов по видам дефектов.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ РЕЗИСТОРОВ, содержащее генератор тока, ключ, дифференциальный усилитель, блок автобаланса, блок измерения сопротивления, блок выЗДсления и блок индикации, причем выход генератора тока через;ключ соединен с первьш 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 входом блока вычисления, отличающееся тем, что, с целью повьппения 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 ус шителя 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 к седьмой выходы блока управления соединены с управляющими входами блока измерения сопротивлений, перемножителя, блока автобаланса, блока измерения напряжения нелинейности, блока измерения тепловой по(Л стоянной, блока вычисления соответственно, выход блока измерения сопрос тивления через перемножитель соединен с входом дифференциального усилителя, третий вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого соеди9д нен с выходом блока автобаланса, а выход блока измерения напряжения 4ib нелинейности - с третьим входом блоэо ка вычисления. 2.Устройство по п. 1, о т л ич чающееся тем, что блок вычисления содержит блок ввода-вывода и вычислитель, причем входы блока вычисления соединены с входами блока ввода-вьшода, выход которого соеди- , нен с вычислителем, выход которого является выходом блока вычисления. 3.Устройство по п. 1, о т л ичающее ся тем, что блок индикации содержит блок определения дефектов, причем его вход соединен с выходом блока вычисления.