Устройство для определения теплоемкости термозависимых элементов Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к устройствам для определения термических свойств полупроводниковых материалов, в частности теплоемкости теплозависимых элементов.

Цель изобретения - повышение точно- сти и сокращение времени определения теплоемкости,

На чертеже представлена схема устройства.

На схеме представлены регулируемый источник 1 питания - задатчик параметров импульсов (в простейшем случае это может быть автотрансформатор, снабженный выходным вольтметром, или генератор гармонических колебаний), формирователь 2 импульса (это может быть генератор одиночных импульсов или формирователь одиночного импульса), блок 3 включения формирователя (кнопка, ключ), образцовый резистор 4, имеющий то- ковые и потенциальные зажимы, испытуемый элемент 5, диоды 6 и 7 (они должны иметь очень большое обратное сопротивление), резисторы 8 и 9, конденсаторы 10 и 11 (они должны быть высококачествен- ными), параметры резисторов 8 и 9 и конденсаторов 10 и 11 подбираются так, чтобы постоянные времени заряда обоих конденсаторов были одинаковы и были на один-два порядка меньше длительности им- пульса, ключ 12 (он может быть электромеханическим), дифференциатор 13 (например, на операционных усилителях), компаратор 14, первый коммутатор 15, второй коммутатор 16, задатчик 17 начальной температуры Тн испытуемого образца, задатчик 18 начального сопротивления R™ испытуемого

образца, задатчик 19 действующего значения напряжения (U) регулируемого источника питания (задатчика параметров импульса), задатчик 20 длительности импульса tu, равной четверти периода Тп/4 синусоиды напряжений, полупериод которого формируется на выходе формирователя одиночного импульса, первый 21 и второй 22 блоки деления (на той же основе), первый 23, второй 24, третий 25 умножители, квадратор 26, функциональный преобразователь 27, например диодный, в общем случае с нелинейной передаточной функцией, обратной по отношению к функции термозависимого элемента, устанавливающего связь между его сопротивлением и температурой, первый 28, второй 29 и третий 30 сумматоры, а также четвертый сумматор 31, включающий в себя резисторы 32 иг33 с величиной сопротивления R, резистор 34 с величиной сопротивления 2R, операционный усилитель (ОУ) 35, первый 36, второй 37 и третий 38 инверторы (все сумматоры и инверторы выполнены на основе ОУ), аналого-цифровой преобразователь 39 (АЦП), запоминающее устройство 40 (ЗУ), блоки индикации 41 и управления 42.

Если испытуемый образец до подачи на него импульса напряжения имел температуру окружающей среды, то величина Тн с высокой степенью точности может быть измерена известными способами,, например термометром с мелкой ценой деления. Если образец имел начальную температуру, отличную от температуры окружающей среды, то начальную температуру образца Тн можно определить по величине его сопротивления RTH. измеренного, например, мостом класса точности 0.1, и по известной температурной характеристике образца (после чего сразу же следует подавать прогревающий испытательный импульс напряжения).

В качестве источника полупериода синусоидального напряжения целесообразно использовать электросеть промышленной частоты. При этом можно получить импульс практически любой требуемой мощности. А время, по истечении которого фиксируются значения напряжения и тока на испытуемом образце и равное Тп/4, составляет 0,005 с. Период напряжения промышленной частоты составляет Тп - сп 0-02 с

т ьи

(f - промышленная частота, равная 50 Гц). Обычно величина сопротивления испытуемого образца RT много больше, чем у образцового сопротивления R0).

Выход регулируемого источника 1 питания (задатчика параметров импульса) соединен с входом формирователя ,2 импульса, с формирователем 2 импульса соединен также блок 3 включения формирователя. К выходу формирователя 2 импульса подключены последовательно соединенные образцовое сопротивление 4 и испытуемый образец 5, по которым протекает импульс тока, нагревающий испытуемый элемент, Параллельно образцовому сопротивлению 4 подключена цепочка из последовательно соединенных диода 6, резистора 8, конденсатора 10, а параллельно испытуемому элементу подключена цепь из последовательно соединенных диода 7, резистора 9, конденсатора 11. Цепочки, состоящие из резисторов 8 и 9 и конденсаторов 10, 11, закорочены ключом 12. Выходы конденсаторов 10 и 11 через первый коммутатор 15 соединены соодветственно с первым и вторым входами первого блока деления 21, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 27, выход которого через первый инвертор 36 соединен с первым входом первого сумматора 28, с вторым входом которого через второй коммутатор 16 соединен задатчик 17 начальной температуры испытуемого элемента, а выход первого сумматора 28 соединен с первым входом первого умножителя 23, ко второму входу которого подключен второй вход второго сумматора 29 и через второй коммутатор 16 задатчик 18 начального сопротивления испытуемого элемента, первый вход второго сумматора 29 через второй инвертор 37 подключен к выходу первого блока 21 деления, а выход второго сумматора 29 соединен с вторым входом

второго умножителя 24, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора 30, первый вход которого подключен к выходу первого умножителя 23, первый вход которого через 2R- резистор 34 соединен с первым входом четвертого сумматора 31, второй вход которого через R-резистор

33 соединен с выходом первого инвертора 36, параллельно операционному усилителю 35 включен R-резистор 32, а выход четвертого сумматора 31 подключен к первому входу второго умножителя 24, задатчик 19

действующего значения напряжения регулируемого источника питания через второй коммутатор 16 и через квадратор 26 соединен с первым входом третьего умножителя 25, второй вход которого через

второй коммутатор 16 соединен с задат- чиком 20 длительности импульса, выход третьего умножителя 25 соединен с первым входом второго блока 22 деления, второй вход которого через третий инвертор 38 подключен к выходу третьего сумматора 30, выход второго блока делителя 22 соединен со входом АЦП 39, выход которого соединен с информационным входом запоминающего устройства 40, выход которого соединен с

входом блока 41 индикации. Блок 42 управления выполненный, например, в виде ис сочника постоянного тока и кнопки, соединен с ключом 12 и с ЗУ 40. С его помощью производится подготовка устройства к эксперименту, т.е. предварительно разряжаются конденсаторы и обнуляется ЗУ. Выход формирователя 2 импульса сое динен также с входом дифференциатора 13, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора 14, выход которого соединен с управляющими входами первого 15 и второго 16 коммутаторов.

Перед проведением измерения задат- чики 17-20 устанавливают в положения,

обеспечивающие сигналы, пропорциональные значениям, соответственно, Тн, RTH. U, tu. А именно, с помощью задатчикз 17 устанавливают начальную температуру образца (если образец до начала измерения имел

температуру окружающей среды, то температуру измеряют с помощью термометра, если же его температура отличается от температуры окружающей среды, то измеряют величину сопротивления образца (термозависимого элемента) RTHn по известной его температурной характеристике опре- деляют значения Тн.

С помощью задатчика 18 определяют величину начального сопротивления образца RTH. которая может быть измерена, например, с помощью моста или определена по известной температуре Тн и известной его температурной характеристике.

Измеряют величину действующего напряжения U источника питания, от которого будет получен импульс напряжения, и с помощью задатчика 19 устанавливают это значение.

Так как частота питающего напряжения известна (если она не известна, то ее легко измерить частотомером), то легко определить время Тп/4, которое и устанавливается с помощью задатчика 20.

Определение теплоемкости образца лучше производить в случаях, когда он имеет начальную температуру, равную температуре окружающей среды. Если же его начальная температура отличается от температуры среды, то установку начальных значений исходной величины целесообразнее начать с задатчика 20 и закончить задатчиком 17 (при этом будет внесена меньшая погрешность), после чего на образец сразу же подать нагревающий импульс.

В основу определения теплоемкости положено выражение

С

U2tH

Тн +Тк

RTH K-THJ-CRTH-RTK)

|фвд

(1)

Этого выражения нет ни в отечественной, ни в зарубежной литературе. Оно впервые приводится в рассматриваемом описании. Новизна выражения обусловила и новизну устройства, реализующего это выражение.

Покажем, что последующее выражение пригодно для определения теплоемкости теплозависимых элементов. Даже при промышленной частоте источника питания

длительность интервала времени tu -x

составляет 0,05 с. За такой короткий промежуток времени теплота, рассеиваемая испытуемым образцом в окружающую среду, очень мала и ею можно пренебречь. При этом можно считать, что вся подводимая к образцу энергия идет на повышение его теплосодержания и уравнение баланса энергии образца имеет вид

PdtsCdT,(2)

где Р - мощность, подводимая к образцу;

С - теплоемкость образца;

dt, dT - приращения времени и температуры образца.

Охлаждением образца можно пренебречь при длительности импульсов менее 7 с (при этом погрешность от пренебрежения охлаждением не превысит 3%). В данном устройстве интервал времени равен 0,005 с, поэтому погрешность, обусловленная приближенным уравнением (2), не превысит сотых долей процента.

Учитывая,что

U

RTTT

, U UUsIn tot, а при изменении времени от 0 до tu - температура образ tО

ца изменяется от Тн до тК (при этом его сопротивление изменяется от R™ до R™ до RTK), получаем: и .

Ј -

/ U2dt„

о Lr tu

ткж

(3)

/ RT(T)dT / RT(T)dT

THТу

В общем случае температурную за- висимость Rj(T) испытуемого образца невозможно проинтегрировать (например, температурную характеристику терморезистора RT AIT где А и В - постоянные). Учитывая, что за малый интервал времени tu - приращение температуры Тк - Тн

невелико, то можно считать, что при этом сопротивление образца изменяется линейно и соответствующее изменение сопротивления (при отрицательном температурном коэффициенте сопротивления) равно RTH - RTK. а закон изменения сопротивления образца (на этом участке)

имеет вид

тт .-т. (4)

Подставив (4) в (3), после интегрирования и преобразований получаем формулу (1) для определения теплоемкости образца.

Устройство работает следующим образом.

Сначала устройство подготавливают к

работе. Для этого с помощью блока 42 управления подают импульсы на ключ 12 (чтобы разрядить конденсаторы) и на запоминающее устройство 40 для его обнуления.

Синусоидально изменяющееся напряжение с действующим значением U и известной частотой f с регулируемого источника 1 питания подается на формирователь 2 одиночного импульса. При включении блока

3 включения формирователя 2 последний выделяет полуволну напряжения, длительность которой составляет Тп/2 (где Тп -)

и под действием которой по силовой цепи, состоящей из последовательно соединенных образцового резистора 4 и испытуемого образца 5, протекает ток, нагревающий образец 5. При этом его температура изменяется от значения Тн до значения Тк, в сопротивление - от значения RTH до RT|. Величины RTK и Т соответствуют моменту прохождения импульса мере максимум, т.е. моменту tu Тп/4.

По мере нарастания импульса напряжения возрастают напряжения на образцовом резисторе 4 на испытуемом образце 5. Одновременно с этим заряжаются конденсаторы: конденсатор 10 по цепи: диод б, резистор 8, конденсатор 10, а конденсатор 11 по цепи: резистор 9, конденсатор 11, диод 7. В момент tu Тп/4, когда импульс напряжения формирователя становится максимальным, на конденсаторах также будут максимальные напряжения Уток (на конденсаторе 10) и UmTK (на конденсаторе 11). Эти напряжения запоминаются конденсаторами, так как диоды 6 и 7 не позволяют им разряжаться.

В конце интервала времени Тп/4 конденсаторы окажутся заряженными до указанных напряжений и токи заряда конденсаторов будут равны нулю, и так как по резисторам 4 и 5 при этом протекает один и тот же ток, то величина сопротивления испытуемого образца в конце заданного интервала времени Тп/4 будет равна

RTK ROTT(5)

Umok

В этот же момент времени, т.е. при tu Тп/4. на выходе дифференциатора 13 произойдет смена знака сигнала, а на выходе компаратора 14 появится импульс, приводящий к срабатыванию первого и второго коммутаторов 15 и 1б. Через второй коммутатор 16 в счетную схему попадут сигналы, пропорциональные значениямТн, RTH- U, tu, а через первый коммутатор 15 напряжение UmtK подается на первый вход первого блока 21 деления, а напряжение Уток - на второй вход этого блока, на выходе которого появится сигнал, пропорциональный RT« (в соответствии с (5)) и поступающий на вход функционального преобразователя 27, на выходе которого появится сигнал, пропорциональный Тк, который после инвертирования первым инвертором 36 подается на первый вход первого сумматора 28, на вто- рой вход которого с за датчика 17 начальной

5

0

температуры через второй коммутатор 16 подается сигнал, пропорциональный Тн. и на выходе первого сумматора 28 окажется сигнал, пропорциональный разности температур ТК-ТН, который подается на первый вход первого умножителя 23, на второй вход которого подается сигнал с задатчика 18 начального сопротивления образца, пропорциональный величине начального со0 противления образца RTH Следовательно, на выходе первого умножителя 23 появится сигнал, пропорциональный произведению RTH (Тц-Тн). который подается на первый вход третьего сумматора 30.

Сигнал с выхода первого сумматора 28 подается также на первый вход четвертого сумматора 31 через резистор 34 с величиной сопротивления 2R, а на второй вход четвертого сумматора 31 через резистор с величиной сопротивления R подается сигнал с выхода первого инвертора 36. При этом на выходе четвертого сумматора 31 появится сигнал, пропорциональный

Тк 4- Тн 5 -о-- . который подается на первый вход

второго умножителя 24.

На первый вход второго сумматора 29 через второй инвертор 37 с вькода первого блока 21 деления подается сигнал, пропор- циональный (-RIK), а на второй вход подается сигнал с задатчика 18 (через второй коммутатор 16), пропорциональный величине RTH- При этом на выходе второго сумма- с тора появится сигнал, пропорциональный -(RTH RTK). который подается на второй вход второго множительного элемента 24, на выходе которого появится сигнал, пролорциональный -(RTH - RTK) .-- и ко- 0

торый подается на второй вход третьего

сумматора 30, на выхоме которого появится сигнал, подаваемый на вход третьего инвертора 38, с выхода которого сигнал подается

5 на второй вход второго блока 22 деления.

С задатчика 19 через второй коммутатор 16 сигнал, пропорциональный V. поступает на вход квадратора 26, с выхода которого сигнал, пропорциональный V , подается на

0 первый вход третьего умножителя, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный tu --Ј- - с задатчика 20 через

второй коммутатор 16. С выхода умножите- 5 ля 25 сигнал, пропорциональный V tu, поступает на первый вход второго блока 22 деления, с выхода которого сигнал, пропорциональный теплоемкости, подается на вход аналого-цифрового преобразователя напряжения в код 29, который преобразует

поступивший сигнал в число, показывающее величину теплоемкости образца. Это число попадает в запоминающее устройство 40 и блок 41 индикации.

Устройство сокращает время и повышает точность определения теплоемкости термозависимых элементов - термодатчиков (за счет исключения необходимости измерения весьма кратковременных промежутков времени, наперед заданных уровней напряжения на концах этого промежутка времени).

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для определения теплоемкости термозависимых элементов, содержащее источник питания, формирователь импульсов, клеммы для подключения испытуемого образца, одна из которых связана с первым выводом образцового резистора, резисторы, усилители, первый коммутатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени определения теплоемкости, второй-вывод образцового резистора подключен к выходу формирователя импульса, первый вход которого соединен с выходом регулируемого источника питания, а второй вход - с блоком включения формирователя, к второму выводу образцового резистора подключен вход первой цепи, состоящей из последовательно соединенных диода, резистора и конденсатора, выход которой связан с первой клеммой для подключения испытуемого образца, связанной с входом второй цепи, идентичной первой, выход которой подключен к второй клемме для подключения испытуемого образца, выводы конденсаторов первой и второй цепей подключены соответственно к первому и второму входам первого коммутатора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам первого блока деления, выход которого соединен с входом функционального преобразователя, выход которого через первый инвертор соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к первому выходу второго коммутатора, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами

задатчика начальной температуры испытуемого образца, задатчика начального сопротивления, задатчика действующего значения напряжения регулируемого источника питания и задатчика длительности импульса, выход первого сумматора соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с первым входом второго сумматора и вторым выходом

второго коммутатора, к второму входу второго сумматора через второй инвертор подключен выход первого блока деления, а выход второго сумматора соединен с первым входом второго умножителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого связан с выходом первого умножителя, второй вход второго умножителя соединен с выходом четвертого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а второй вход - с первым входом первого сумматора, выход третьего сумматора через третий инвертор соединен с первым входом второго блока деления, второй вход которого соединен с выходом третьего умножителя, первый вход которого через квадратор подключен к третьему выходу второго коммутатора, а второй вход третьего умножителя соединен с четвертым выходом второго

коммутатора, выход второго блока деления через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом запоминающего устройства, выход которого соединен с входом блока индикации, первый выход формирователя импульса соединен также с входом дифференциатора, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго

коммутаторов, первый выход блока управления соединен с управляющим входом ключа, первый и второй контакты которого подсоединены соответственно к дополнительным выводам первой и зторой цепей, второй выход блока управления подключен к второму входу запоминающего устройства, при этом вторые выходы формирователя импульсов, дифференциатора и компаратора связаны с общей шиной устройства,

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству для определения термических свойств полупроводниковых материалов и теплозависимых элементов, например, терморезисторов, по- зисторов, термометров сопротивления. Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени определения теплоемкости. В устройстве последовательно соединенные испытуемый элемент 5