Устройство для измерения параметров электротермической нелинейности резисторов

Устройство для измерения параметров электротермической нелинейности резисторов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (111 (д)+ G 01 И 27/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к двторСНОММ СвиДктыьСтВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 35762 22/24-21 (22) 04.04 .83 (46) 15.07.85. Бюл. ¹- 26 (72) В.Ф.Федоровский, И.С.Брайнина, Н.P.Еникеев, Г.С.Шаглий, В,В.Рудь, В.К.Омелин, Ю.П.Родин и В.Д.Черных (71) Куйбышевский электротехнический институт связи (53) 621. 317. 75 (088. 8) (56) Розенталь. Прибор для измерения электротермической нелинейности.

Приборы для научных исследований.

И.,: Мир, 1972, ¹ 11, с. 15-22.

Авторское свидетельство СССР № 868514, кл. G 01 М 27/!8, 07.01.80 (прототип). (54)(57) 1.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕРИИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ РЕЗИСТОРОВ, содержащее генератор тока, ключ, дифференциальный усилитель, блок автобаланса, блок

> измерения сопротивления, блок вычищу ленйя и блок индикации, причем выход генератора тока через. ключ соединен с первым входным зажимом, второй входной зажим соединен с первым 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 вторым входом блока вычисления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения 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 усилителя 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, тре тий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока управления соединены с управляющими входами блока измерения сопротивлений, перемножителя, блока автобаланса, блока измерения напряжения нелнней- g ности, блока измерения тепловой постоянной, блока вычисления соответственно, выход блока измерения сопро- у тивления через перемножитель соединен с вторым входом дифференциального усилителя, третий вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого соеди,нен с выходом блока автобаланса, а выход блока измерения напряжения нелинейности — с третьим входом блока вычисления.

2, Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок вычисления содержит блок ввода-вывода и вычислитель, причем входы блока вычисления соединены с входами блока ввода-вывода, выход которого соеди-, ф нен с вычислителем, выход которого является выходом блока вычисления.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок индикации содержит блок определения дефектов, причем его вход соединен с вйходом блока вычисления.

1 1167

Изобретение относится к неразрушающим методам и средствам контроля и может использоваться, например, при измерениях теплофиэических параметров изделий из высокоомных провод- 5 ников.

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

На фиг. 1 изображена функциональ- 10 ная схема устройства для измерения параметров электротермической нелинейности резисторов; на фиг. 2 — временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит генератор 1 тока, ключ 2, резистор 3, дифференциальный усилитель 4, блок 5 автобаланса, аналого-цифровой преобразователь (AUII) 6, блок 7 измерения напряжения нелинейности, блок 8 измере-20 ния тепловой постоянной, блок 9 измерения сопротивления, перемножитель 10 блок 11 ввода-вывода инфор— мации (БВВ), блок 12 управления (БУ), вычислитель 13, блок 14 индикации, блок 15 определения дефектов, блок 16 вычисления.

Генератор 1 тока сонме стно с элек тронным ключом 2 служат для формирования необходимых импульсов тока 30 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, блок40 выборки-хранения и АЦП. Блок 8 измерения тепловой постоянной состоит, например, иэ делителя напряжения, компаратора, логических цепей и служит для измерения тепловой 45 постоянной времени резистора. Блок 9 измерения сопротивления содержит, например, ЛЦП. Перемножитель 10 содержит, например, цифро ан ало говый преобразователь, осуществляющий 50 операцию перемножения двух напряжений. Блок 11 ввода-вывода информации служит для ввода цифровой информации в вычислитель 13. Блок 12 управления содержит, например, логи- 55 ческие цепи и служит для управления работой всего устройства. Вычислитель 13 выполнен на основе микро-ЭВИ

487 2 и служит для вычисления теплофизических параметров резисторов. Блок 4 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 соеди— нен с входом дифференциального усилителя 4, через блок 9 измерения сопротивления соединен с вторым входом блока 16 вычисления, Другой выход блока 9 через перемножитель 10 соединен с.вторым входом дифференциального усилителя 4. Второй выход генерато-. ра 1 соединен с первым входом перемножителя 10 и пятым 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 авто— баланса, 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 соединен с вычислителем 13, выходы которого соединены с блоком 14 индикации и блоком 15 определения дефектов.

Устройство работает следующим образом.

При подключении испытуемого резистора 3 через него от генератора 1 тока через ключ 2 начинает протекать импульс стабильного тока малой ампли туды ? „длительностью „(фиг. 2y), предназначенный для измерения сопротрвления резистора R< в "холодном" состоянии. Величина тока I и длительность выбираются из компромиссных соображений. С одной стороны, они должны быть I19 возможности малыми с тем, чтобы под действием тока

487

4 температура реэисто тока I нарастает

Доказано, что ра под действием по закону в=в„„„сс-с ""), 10

55 з 1167 в образце выделялось минимальное количество тепла и самый высокоомный иэ испытуемых резисторов оставался практически "холодным" к моменту окончания импульса тока. С другой стороны, амплитуда тока Io и длительность импульса Г, должны быть достаточными для того, чтобы сопротивление К „ могло быть измерено с заданной точностью.

3а время действия импульса тока I о измеряется напряжение U на испытуемом резисторе, пропорциональное его сопротивлению в "холодном" состоянии

Uo=IeRхв То=сопз ° f

Это напряжение преобразуется в бло. ке 9 измерения сопротивления в цифровую форму, и информация о величине Е „ вводится в цифровой форме блока 11 ввода-вывода информации. Одновременно в аналоговой форме информация о величине Rx ëîäàåòñÿ на первый вход перемножителя 10. На второй вход перемножителя 10 поступает информация в цифровой форме о величине изме-25 рительного тока генератора 1. Лмплитуда измерительного тока I и его длительность t могут изменяться дискретно в широких пределах и устанавливаются оператором до начала измере- 30 ний.

По окончании измерения сопротивления Rx, с блока 12 управления на генератор тока 1 поступает сигнал, .разрешающий прохождение первого импульса измерительного тока через

35 ключ 2 на испытуемый резистор 3 (фиг. 2a) . Под действием импульса тока в образце выделяется некоторое количество тепла, вызывающее нели40 нейные эффекты в резисторе. По мере . нарастания температуры 8 образца.

его сопротивление начинает расти по закону

R(t) =R„e "- „(1+Ко) = „+ „ЫВ(t), в О д 9 ((1, 1 где о(,(1/град) — температурный коэффициент сопротивления (ТКС) . 50

Напряжение U< на образце изменяе тся во в ремени (фиг. 2 б) .

Ц <=IR(t) Фтк „+IR„О(В(С) =-U„+IR ФСВ(t)

"() где U< — напряжение на образце

fl сс в холодном состоянии. где 8 — установившееся превышение температуры образца над температурой окружающей среды;

Т вЂ” тепловая постоянная времени.резистора.

С учетом (1) и (2) люжно записать

Ua=Ux+IRx Ы ш„„(1-e ) =U „+Н„(1-е ); где U — напряжение электротермической нелинейности резистора.

Напряжение U =Н (1-е 0

Н Ф получило название кривой нагрева.

В предлагаемом ус трой с тв е не посредственно измеряются параметры электротермической нелинейности резисторов U и Г, а по ним с учетом величин Т, Rx l a=const в вычислителе 13 определяются теплофизическне постоянные по формулам

8 „= — — (град);

«П п (4) х

ТЭЯ 2с х

U град ,мкдж

С = э, - — -), (6) град где т- теплопроводность образца, С р — его теплоемкость.

Измерения U и Т в устройстве

Irl 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 Г. с

В соответствии с фиг. 26 и формулой (3), несущее полезную информацию напряжение кривой нагрева U оказыван ется наложенным на напряжение мешающей "подставки" U IR„. Для надежного измерения U è необходимо обеспечить точную балансировку напряжения U, т.е. привести кривые нагрева U ê оси ординат путем вычитания из йапряжения UR напряжения

"подставки" П„.

Напряжение U может на два-три х порядка превышать напряжение электротермической нелинейности U, поэтому погрешности балансировки даже в деся тые доли процента повлекут за собой

5 1167 относительные ошибки в определении параметров,электротермической нелинейности U и 7 в десятки процен тов .

Мешающее действие напряжения подставки U помимо погрешностей при балансировке, может проявляться в перегрузке каскадов дифференциального усилителя 4. При изменении в широком диапазоне значений зондирующих токов I и величин сопротивлений R может возникнуть режим насыщения каскадов дифференциального усилителя 4, что поведет к нелинейности при усилении кривых нагре- 15 ва и существенно снизит точность измерений параметров электротермической нелинейности резисторов.

Для устранения указанной погрешности и повьш ения точности измерений О в широком диапазоне изменения параметров резисторов в предлагаемом устройстве вводится перемножитель 10, I в котором сразу после измерения сопротивления Ех в "холодном состоянии, до начала пропускания первого импульса тока I производится операция перемножения измеренного значения сопротивления R „на величину тока I, установленного до начала З1 измерений. илЪХЕ к к (Нх Цх )+Он DUх+Н,„(1 — е ) . (7)

В(7) использовано приближение, поскольку значение тока I величина сопротивления Кк и их произведение могут быть определены с некоторыми

«г.паратурными погрешностями.

На фиг. 2 в изображены кривые на- 4р грена, которые могли бы получиться с аппаратурной погрЕшностью ьБк= 1„-13„ .

Поскольку погрешность лак может быть соизмеримой с полезным эффектом U в предлагаемом устройстве приняты 45 меры по устранению оставшейся погрешности dU путем выполнения операции балансирования кривых нагрева в два этапа.

После первого этапа — "грубой" 50 балансировки, в соответствии с формулой (7), кривая нагрева Uz оказы— вается наложенной на мешающее напряжение оставшегося "разбаланса"

/ 1 к/ цх ° 55

После второго этапа точной балансировки осуществляется устранение оставшегося "разбаланса" йУк

487 6 и жесткая привязка кривых нагрева к оси ординат.

Рассматривают процессы, происходящие в устройстве при балансировке кривых нагрева. В момент появления переднего фронта первого импульса тока I напряжение U< с испытуемого резистора 3 поступает на первый вход дифференциального усилителя 4. Одно— временно на второй его вход подаетI ся напряжение U „с выхода перемножителя 10. Напряжение разбаланса лак с выхода диффе ре нциально го усили— теля 4 поступает на первый вход блока автобаланса 5, на второй вход которого от блока 12 управления пода— ется короткий импульс (фиг. 2 ), разрешающий выборку напряжения л1, Длительность выборки должна быть по крайней мере на два порядка меньше минимальной теплой постоянной времени резистора с тем, чтобы за.время выборки нелинейные эффекты не успевали проявиться, т.е. образец оставался практически холодным.

Напряжение дУ„ c выхода блока автобаланса 5 поступает на вход

АЦП б, где запоминается в цифровой форме, преобразуется вновь в аналоговую и подается на третий вход дифферецинального усилителя 4.

Введение АЦП 6 позволяет устра- нить погрешность измерений, возникающую за счет разряда запоминающего конденсатора выборки и хранения в блоке автобаланса 5 за время t д

I действия импульса тока I.

На выходе дифференциального усилителя 4 возникает напряжение кривой нагрева . Нн Ня Ux >Uõ-CUõ+Uì(1-е )) /С

-(U -aU ) u =U (1-е-alai) к к ы

Это напряжение поступает на блок 7 измерения напряжения нелинейности.

В конце первого импульса тока I (фиг., 2д) от блока 12 управления на второй вход блока 7 измерения напряжения нелинейности поступает импульс, разрешающий выборку напряжения нелинейности Б . Это напряжение преобразуется в цифровую форму и поступает в блок 11 ввода-вывода информации. Одновременно запомненное напряжение Б в аналоговой форме подается в блок 8 измерения тепловой постоянной . Спустя интервал време67487

I 1l ни паузы ъ 10 Г (где С вЂ” макIll 0t X tnax симальная тепловая постоянная времени), достаточный для полного остывания изделия, на испытуемый резистор 3 подается второй импульс тока I (фиг. 2 a ) . К моменту t =, отсчитанному от переднего фронта второго импульса тока, напряжение кривой нагрева достигает значения (фиг. 2д) U„=U (1-e ) < 0,63U

В составе блока 8 измерения тепловой постоянной имеется резистивный делитель напряжения с коэффициентом. деления К я,0,63, с выхода которого напряжение U подается на пер1 вый вход компаратора напряжения, также входящего в состав блока 8 измерения тепловой постоянной. На . второй вход компаратора напряжения поступает текущее значение напряжения кривой нагрева U âî время дей ствия второго импульса тока 1 (фиг. 2Э) .

На выходе компаратора напряжения возникает импульс длительностью .При помощи эталонных счетных импульсов тепловая постоянная времени 6 преобразуется 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 I (фиг. 2o() и измеряется новое значение холодного" сопротивления R Сопоставление величин Rx H R дает возможность установить, не оказывают ли импульсы

l тока амплитудой I и длительностью t„ разрушающего действия на испытуемый резистор, проявляющегося в необратимом увеличении R после нагреХ

1 ва и охлаждения резистора. Если R превышает величину Rx более, чем на 11 амплитуду зондирующего тока I для испытания следующих образцов снижают до тех пор, пока контроль не ст:l нет действительно неразрушающим.

Цифровые величины измеренных IIBp;1

5 метров (R„, U Г) совместно с выбранным значением I вводятся в вычмелитель 13, где происходит автоматическое вычисление теплофизических величин (теплоемкости, теплопроводности, температуры) по .формулам (4) — (6) при заданном значении о(=const В качестве вычислителя 13 в устройстве используется встроенный микрокальку. лятор типа Б3-21, который програм15 мируется в соответствии с формулами (4) †. (6). Информация в вычислитель l3 вводится в двоичном коде сразу после окончания второго импульса тока I. Т ассчитанные значения теп20 лофизических постоянных поочередно выводятся на цифровой индикатор микрокалькулятора.

Одновременно в блоке l4 индикации фиксируются на цифровом табло результаты измерений "холодных" сопротивлений R„ и Rx, напряжения электротермической нелинейности U тепловой постоянной времени Г и выбранная величина зондирующего тока 1.

30 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 решение о годности изделия. В противном случае прини40 . мается решение о дефектности, и при помощи блока 15 определения дефектов осуществляется разбраковка образцов по видам дефектов.

1367487

1167487

Составитель О.Панчерникова

Редактор Е. Копча Техред С.йовжий, Корректор B. Гирняк

Заказ 4426/41 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4