Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к измерительной технике и технической физике, в частности к измерениям электрофизических характеристик электропроводных твердых материалов.

Известен способ определения электросопротивлений твердых материалов, заклю- чающийся в приведении в контакт с поверхностью исследуемого образца четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине исследуемого образца на фиксированном расстоянии друг от друга, в плоскости, перпендикулярной поверхности образца, пропускании тока через образе у между внешними зондами, измерении падения напряжения между внутренними зондами, расстояния между зондами и определении искомых характеристик исследуемого материала.

Недостатком способа является низкая точность и узкий диапазон определения удельного электросопротивления, ограничиваемые геометрией исследуемых образцов, так как расчетная формула выведена для полубесконечного образца и не учитывает масштабные деформации электрического поля в образце, определяемые его геометрией. Данный способ предполагает непосредственные измерения разнородных физических величин: электрический (ток,

сл

00

сл

00

о

пряжение) и геометрических (расстояний, коэффициента), что вносит в конечный результат как систематическую погрешность, так и случайную.

Известно устройство для разбраковки электрических изделий по активному сопротивлению, содержащее две мостовые измерительные схемы нижнего и верхнего пределов с общей диагональю, к выходам которых подключены входы усилителей формирователем, генератор стробирующих импульсов, дпе схемы И, инвертор, триггер, третья схема И, причем выход первого усилителя формирователя соединен с входом первой схемы И, выход которого усилителя формироязтеля подключен которым оходам перрой и торой схем И, выход генератора стробпрующих импульсов соединен с третьими входоми первой и второй схем И, через первый и второй триггеры подключены к входам третьей схемы И, причем триггер с первой схемой И на входе соединен прямым входом, а второй триггер-инверсным выходом.

Однако данное устройство имеет низкие функциональные возможности, обусловленные отсутствием количественных показателей проведения процессов разбраковки, что естественно ухудшает качество проведения, имеет узкий диапазон разбраковки изделий, обусловленный жесткими структурными связями устройства.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение диапазона измерений в зависимости от геометрии исследуемых образцов, расширение функциональных возможностей и диапазона измерений.

Цель достигается тем, что в способе определения удельного сопротивления твердых материалов, включающем осуществление контакта с поверхностью образца четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине образца на фиксированном расстоянии друг от друга, в плоскости, перпендикулярной поверхности образца, пропускание тока через образец между двумя внешними зондами, измерение падения напряжения на образце между двумя внутренними зондами, в расчете удельного электросопротивления образца, в отличие от известных решений вычисление осуществляют по двум образцам с известными значениями удельных электросопротивлений и геометрией масштабного коэффициента, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых образцов и определяют их удельные электросопротивления с учетом масштабного коэффициента.

Кроме того, в устройство для определения удельного электросопротивления

твердых материалов, содержащее датчик тока, выполненный в виде резистора, соединенного выводом с клеммой токового зонда, в отличие от прототипа введены микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, генератор управляемой частоты, компаратор, усилитель, мультиплексор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, причем вывод датчика

тока соединен с входом интегратора и входом аналого-цифрового преобразователя, второй выход соединен с вторым и третьим входами интегратора, входом генератора управляемой частоты и с выходом аналогоцифрового преобразователя, второй выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, его второй вход соединен с выходом генератора управляемой частоты, а третий его вход

соединен с выходом мультиплексора, выход микропроцессора соединен с входом блока индикатора, вход мультиплексора соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, его второй вход соединен

с выходом оперативного запоминающего устройства, его вход соединен с выходом генератора управляемой частоты, второй вход соединен с выходом компаратора, вторым выходом датчика тока, вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход соединен с выходом усилителя, первый и второй входы которого соединены с клеммами потенциальных зондов, причем вторая клемма второго токового зонда

соединены с общей шиной.

Сущность способа определения удельного электросопротивления твердых материалов заключается в следующем.

В контакт с поверхностью первого эталонного образца с известными удельным электросопротивлением р$ и геометрией (длина 31, ширина bi) приводят четыре зонда, расположенных вдоль прямой линии параллельно длине ai образца на

0 фиксированном расстоянии s друг от друга, в плоскости, перпендикулярной поверхности образца. Пропускают ток через образец между внешними зондами, измеряют падение напряжения Uj на образце посред5 ством двух внутренних зондов, Затем определяют удельное сопротивление второго (1+1) эталонного образца с геометрией а2/Ь2, равной отношению длины ан-1 и ширины Ьц-1, т.е. a2/b2 cai/bi, таким образом

((+1) Ui + 1 Ui

По определению из (1) значению /Ээ2(н-1) и известному рэ2 вычисляют масштабный коэффициент Кн-1, учитывающий изменение геометрии от первого ко второму эталону (деформацию, коэффициент преобразования координат), однозначно связанное через измеряемые величины. Принимая для удобства , получаем расчетную формулу для определения удельного электросопротивления исследуемого образца с геометрией, равной второму эталону и отличной от геометрии первого эталона:

fl-()

2 Uj-1

РЛ

Uj.

На практике удельное электросопротивление удобно рассчитывать по формуле/с Kj-iUj, а масштабный коэффициент рассчитывают по двум эталонам перед измерениями на исследуемых образцах по вышеприведенной схеме.

Выражение (1) с применением одного эталона является частным случаем из более общего выражения (2) для двух эталонов при условии, что /сы рэ2 и равной геометрии эталонов, для различных геометрий формула (2) преобразуется как:

/Оэ1

Ui +1 Ui+2 U

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для определения удельного электросопротивления твердых материалов содержит датчик 1 тока, выполненный в виде резистора, исследуемый образец изделий 2, измерительный зонд 3, интегратор 4, усилитель 5, компаратор 6, связанный с информационным входом 7 оперативного запоминающего устройства 8, управляющий вход 9 которого соединен с генератором управляемой частоты 10. микропроцессор 11, мультиплексор 12, постоянное запоминающее устройство 13. Выходы 14 и 15 запоминающих устройств через мультиплексор 12 соединены с первыми входами 16 микропроцессора 11, связанного с блоком индикации 17, причем вторые входы микропроцессора 11 соединены с аналого-цифровым преобразователем 18.

Устройство работает циклически следующим образом.

Питание измерительного зонда осуществляется выходным сигналом компараго- ра. Сигналы с измерительного зонда 3 датчика 1 тока и потенциальных выходов

5 зонда поступают для сравнения на входы компаратора б (фиг. 2а). На первый пход компаратора 6 подается сигнал с интегра гора 4, а на второй вход - с усилителя 5. В момент равенства проинтегрированного ча10 пряжения с датчика 1 и усиленного напряжения с потенциальных выходов измерительного зонда 3 на выходе компаратора 6 фиксируются импульсы длительностью Г| (фиг. 26) пропорциональный

15 напряжению.

Выходной сигнал компаратора 6 поступает на информационный вход 7 оперативного запоминающего устройства 8. заполненный с помощью управляющего

20 входа 9 фиксированной частотой Г0(фн(. 2в), вырабатываемой генератором 10 управляемой частоты.

На выходе оперативного запоминающего устройства 8 формируется код (фиг. 2г)

25 прямо пропорциональный измеряемому напряжению.

В момент равенства сигналов на входах компаратора 6 последний переключается (фиг. 26), т.е. формируется спад импульса

30 длительностью г,. Спадом этого импульса отключается датчик 1 тока, обнуляется интегратор 4, с помощью микропроцессора 11 из аналого-цифрового преобразователя 18 вводится коррекция по току датчика в блок

35 8 посредством генератора 10.

Полученный код NI переписывается (фиг. 2д) из оперативного запоминающего устройства 8 через мультиплексор 12 в микропроцессор 11, где производится расчет по

40 математическим моделям, хранящимся в блоке 13, активного удельного сопротивления образца изделия 2 и разбраковки образцов в заданных пределах измерения удельного активного сопротивления (фиг.

45 2е).

Разбраковка образцов пор производится с помощью логической математической модели вида

50

г Ј р ,р J - сигнал годен t I ф р,р - сигнал брак

где р N ,/э N , N , N - диапа- зон разбраковки по сопротивлению образцов, выраженный в коде.

Сигнал годен соответствует появлению единицы на табло блока 17, а сигнал

брэк - появлению набора нулей на табло блока 17.

При обнулении индикатора 4 заканчивается i-й цикл измерения и разбраковки, а компаратор 6 устанавливается в исходное состояние. Это соответствует формированию (i+ 1) цикла измерения и разбраковки, который происходит аналогично i-му циклу.

Проверка способа осуществлялась с применением измерительно-вычислительной системы (ИВС) для определения электрофизических характеристик (ЭФХ) неразрушающим контролем (НК), созданной в 1983 году в ТИХМе: ИВС-ЭФХ-НК-83, на предприятии по изготовлению электроугольных изделий.

Сопоставляя способ определения удельного электросопротивления твердых материалов и способ ампервольтметра, используемый на производстве, очевидно,что точность измерения предлагаемого способа, 5i ± 1 % в 5 раз выше точности известного способа, 3з ± 5%.

Определение удельного электросопротивления твердых материалов с учетом масштабного коэффициента, рассчитанного по измерениям удельного электрического сопротивления на двух эталонных образцах, позволяет значительно снизить погрешность измерений и расширить диапазон контролируемых материалов от мини - до микроизделий с точностью, заданной эталонами. Измерения с помощью второго эталона, учитывающего геометрию исследуемого твердого материала, позволяют проводить неразрушающий контроль удельного электросопротивления последних и значительно повысить эффективность способа.

По сравнению с прототипом, устройство позволяет количественно и качественно определить характеристики изделий, т.е. с наперед заданной точностью определять параметры и производить разбраковку изделий по заданным диапазонам разбраковки.

Формула изобретения

1. Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов, заключающийся в том, что осуществляют контакт с поверхностью образца с помощью четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине образца на фиксированном расстоянии друг от друга в плоскости, перпендикулярной поверхности

образца, пропускают ток через образец между двумя внешними зондами, измеряют падение напряжения на образце между двумя внутренними зондами и рассчитывают удельное электросопротивление образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения диапазона измерений в зависимости от геометрии исследуемых образцов, по двум

образцам с известными значениями удельных электросопротивлений и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых

образцов и определяют их удельные электросопротивления с учетом масштабного коэффициента.

2. Устройство для определения удельного электросопротивления твердых материэлов, содержащее датчик тока, выполненный в виде резистора, соединенного выводом с клеммой токового зонда, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и диапазона измерений, в него введены микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, генератор управляемой частоты, компаратор, усилитель, мультиплексор, оперативное запоминающее устройство,

постоянное запоминающее устройство, причем вывод датчика тока соединен с входом интегратора и входом аналого-цифро-- вого преобразователя, второй выход соединен с вторым и третьим входами интегратора, входом генератора управляемой частоты и с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй выход аналого- цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, его второй вход

Соединен с выходом генератора управляемой частоты, а третий его вход соединен с выходом мультиплексора, выход микропроцессора соединён с входом блока, индикатора, вход мультиплексора соединен с

5 выходом постоянного запоминающего устройства, его второй вход соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, его вход соединен с выходом генератора управляемой частоты, второй

0 вход соединен с выходом компаратора, вторым выводом датчика тока, вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход соединен с выходом усилителя, первый и второй входы второго соединены с клем5 мами потенциальных зондов, причем вторая клемма второго токового зонда соединена с общей шиной.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений электрофизических параметров электропроводных твердых материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений путем снижения систематической погрешности. Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов основан на четырехзондовом методе, причем при расчете удельного очек- тросопротивления образца по двум образцам с известными удельными электросопротивлениями и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых образцов и определеяют их искомые характеристики с учетом масштабного коэффициента. Устройство содержит датчик 1 тока, исследуемый образец 2, измерительный зонд 3, интегратор 4, усилитель 5, компаратор 6, информационный вход 7 ОЗУ, ОЗУ 8, вход 9 управления ОЗУ, генератор 10 управляемой частоты, микропроцессор 11, мультиплексор 12, ПЗУ-13. выход 14 ПЗУ. выход 15 ОЗУ, выход 16 мультиплексора, блок 17 индикации, аналого-цифровой преобразователь 18. 2-с.п.ф-лы, 2 ил. (Л С