Устройство для определения теплоемкости термозависимых элементов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Ы 1679331 5 6 01 й 25/ етение относится к измерителье, в частности к устройству для ия термических свойств полупрох материалов и теплоэависимых например, терморезисторов, по- термометров сопротивления. бретения является повышение сокращение времени определемкости. В устройстве последовадиненные испытуемый элемент 5 ульсныи еталлов. свойств, 7, с. 137 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССМ 1074755, кл. 6 01 й 25/18, 1982Краев О, А. и Фомин В. А. Имметод определения теплоемкости м- Исследование теплофиэическихСборник. Новосибирск, Наука. 196145.(54) УСТРО ТЕПЛОЕМ ЭЛЕМЕНТ (57) Изобр ной техник определен водниковы элементов эисторов, Целью изо точности и ния теплое тельно сое 1Я ЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОСТИ ТЕРМОЗАВИСИМЫХ1679331 образца, задатчик 19 действующего значения напряжения (0) регулируемого источника питания (задатчика параметров импульса), задатчик 20 длительности импульса то, 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, квад-. ратор 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 и 33 с величиной сопротивления В, резистор 34 с величиной сопротивления 2 В, 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 напрях;ения 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 сопрои образцовый резистор 4 подключены к выходу формирователя импульса 2, вход которого соединен с выходом регулируемого источника 1 питания (задатчика параметров импульса) формирователь импульса 2 соединен также с устройством включения (3) формирователя 2, параллельно испытуемому образцу 5 и образцовому резистору 4 подключены цепи, состоящие из последовательно соединенных диода 6 (7), резистора 8 (9) и конденсатора 10 (11), выходы конденсаторов 10, 11 обеих цепей через первый коммутатор 15 соединены с первым и вторым входами первого блока деления 21. Устройство содержит также функциональный преобразователь 27, первый инвертор 36,Изобретение относится к устройствамдля определения термических свойств полупроводниковых материалов, в частноститеплоемкости теплоэависимых элементов.Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени определениятеплоемкости,На чертеже представлена схема устройства.На схеме представлены регулируемыйисточник 1 питания - задатчик параметровимпульсов (в простейшем случае это может быть автотрансформатор, снабженный выходным вольтметром, илигенератор гармонических колебаний),формирователь 2 импульса (это можетбыть генератор одиночных импульсов илиФормирователь одиночного импульса),блок 3 включения формирователя (кнопка,ключ), образцовый резистор 4, имеющий токовые и потенциальные зажимы, испытуемый элемент 5, диоды 6 и 7 (они должныиметь очень большое обратное сопротивление), резисторы 8 и 9, конденсаторы 10и 11 (они должны быть высококачественными), параметры резисторов 8 и 9 и конденсаторов 10 и 11 подбираются так,чтобы постоянные времени заряда обоихконденсаторов были одинаковы и были наодин-два порядка меньше длительности импульса, ключ 12 (он может быть электромеханическим), дифференциатор 13 (например, наоперационных усилителях), компаратор 14,первый коммутатор 15, второй коммутатор16, задатчик 17 начальной температуры Тниспытуемого образца, задатчик 18 начального сопротивления Втн испытуемого 5 10 15 20 25 30 35 первый сумматор 28, второй коммутатор 16, эадатчик 17 начальной температуры испытуемого элемента 5, первый умножитель, второй сумматор 29, задатчик 18 начального сопротивления испытуемого образца, второй инвертор 37, второй сумматор 29, второй умножитель 24, третий сумматор 30, четвертый сумматор 31, третий инвертор 38, третий умножитель 25, квадратор 26 и задатчик 19 действующего значения напряжения регулируемого источника питания, эадатчик 20 длительности импульса, второй блок деления 22, аналого-цифровой преобразователь 39, запоминающее устройство 40, блок индикации 41. 1 ил.тивления Втаб, 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 Тл - - = - = 0,02 с1 150 (1 - промышленная частота, равная 50 Гц), Обычно величина сопротивления испытуемого образца Вт много больше, чем у образцового сопротивления Яо).Выход регулируемого источника 1 питания эадатчика параметров импульса) соединен с входом формирователя,2 импульса, с фбрмирователем 2 чмпульса 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 соответственно 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 входомвторого умножителя 24, выход которого соединен с вторым входом третьего суммато ра 30, первый вход которого подключен к деляют значения Тн.С помощью задатчика 18 определяют величину начального сопротивления образца Я, которая может быть измерена, например, с помощью моста или определе 55 5 10 15 20 25 30 выходу первого умножителя 23, первый вход которого через 28- резистор 34 соединен с первым входом четвертого сумматора 31, второй вход которого через Й-резистор 33 соединен с выходом первого инвертора 36, параллельно операционному усилителю 35 включен В-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 втсрой коммутатор 16 соединен с задатчиком 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, е виде ис. ".очника 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 задатчики 17 - 20 устанавливают в положения, обеспечивающие сигналы, пропорциональчые значениям, соответственно, Тн, Я, К тц. А именно, с помощью задатчика 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) В,и по известной его температурной характеристике опре 1679331на по известной температуре Тн и известной его температурной характеристике.Измеряют величину действующего напряжения О. источника питания, от которого будет получен импульс напряжения, и с 5 помощью эадатчика 19 устанавливают это значение,Так как частота питающего напряжения известна (если она не известна, то ее легко измерить частотомером), то легко опреде лить время Тп/4, которое и устанавливается с помощью задатчика 20.Определение теплоемкости образца лучше производить в случаях, когда он имеет начальную температуру, равную темпе . ратуре окружающей среды. Если же его начальная температура отличается от температуры среды, то установку начальных значений исходной величины целесообразнее начать с задатчика 20 и закончить 20 задатчиком 17 (при этом будет внесена меньшая погрешность), после чего на образец сразу же подать нагревающий импульс.В основу определения теплоемкости 25 положено выражение С - 0 гнг Втн(Тк - Тн) - (йтн - Втк ) Тн +Тк30ВС ж 1 Ом град гвдЭтого выражения нет ни в отечествен ной, ни в зарубежной литературе, Оно впервые приводится в рассматриваемом описании, Новизна выражения обусловила и новизну устройства, реализующего это выражение, 40Покажем, что последующее выражение пригодно для определения теплоемкости теплоэависимых элементов, Даже при промышленной частоте источника питания длительность интервала времени г= - 45л 44 составляет 0,05 с. За такой короткий промежуток времени теплота, рассеиваемая испытуемым образцом в окружающую среду, очень мала и ею можно пренебречь. При 50 этом можно считать, что вся подводимая к образцу энергия идет на повышение его теплосодержания и уравнение баланса энергии образца имеет видРбг:СбТ, (2) 55 где Р - мощность, подводимая к образцу; С - теплоемкость образца; бг, бТ - приращения времени и температуры образца.(3) тк гк 1 Вт(Т)бТ 1 йт(Т)дТтн тВ общем случае температурную зависимость й(Т) испытуемого образцаневозможно проинтегрировать (например,температурную характеристику терморезистора й = А 1 тгде А и В - постоянные),Учитывая, что за малый интервал времениТоги = 4 приращение температуры Т, - Т,невелико, то можно считать, что при этомсопротивление образца изменяется линейно и соответствующее изменение сопротивления (при отрицательномтемпературном коэффициенте сопротивления) равно Вт - В а закон изменения сопротивления образца (на этом участке)имеет видПодставив (4) в (3), после интегрирования и преобразований получаем формулу (1) для определения теплоемкостиобразца.Устройство работает следующим образом.Сначала устройство подготавливают кработе, 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 0 и известной частотой 1 с регулируемого источника1 питания подается на формирователь 2одиночного импульса. При включении блока Охлаждением образца можно пренебречь при длительности импульсов менее 7 с(при этом погрешность от пренебреженияохлаждением не превысит 3). В данномустройстве интервал времени равен 0,005 с,поэтому погрешность, обусловленная приближенным уравнением (2), не превысит сотых долей процента,Учитывая, что02Р =ВТ, О= О 1 п аког, а при изменениий)Тпвремени от.Одо ги = - "температура образ 4ца изменяется от Тн до тК (при этом егосопротивление изменяется от Вн до Втк доВтк), получаем;го3 включения формирователя 2 последний выделяет полуволну напряжения, длительность которой составляет Тп/2 (где Тп - в )1 У и под действием которой по силовой цепи, состоящей иэ 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, а сопротивление - от значения Вт до Вт, Величины В,к и Тк соответствуют моменту прохождения импульса через максимум, т.е. моменту Ь = Тп/4,По мере нарастания импульса напряжения возрастают напряжения на образцовом резисторе 4 йа испытуемом образце 5, Одновременно с этим заряжаются конденсаторы: конденсатор 10 по цепи: диод 6, резистор 8, конденсатор 10, а конденсатор 11 по цепи: резистор 9, конденсатор 11, диод 7. В момент 1 о = Тп/4, когда импульс напряжения формирователя становится максимальным, на конденсаторах также будут максимальные напряжения Обок (на конденсаторе 10) и Оптк(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 укаэанных 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 равнаВтк =Воц -Оюк(5)тпоМВ этот же момент времени, т.е. при тц = Тл/4, на выходе дифференциатора 13 произойдвт смена знака сигнала, а на выходе компаратора 14 появится импульс, приводящий к срабатыванию первого и второго коммутаторов 15 и 16, Через второй коммутатор 16 в счетную схему попадут сигналы, пропорциональные значениям Тн, Втн, О, ти, а через первый коммутатор 15 напряжение Оптк подается на первый вход первого блока 21 деления, а напряжение Обок - на второй вход этого блока, на выходе которого появится сигнал, пропорциональный Втк (в соответствии с (5 и поступающий на вход функционального преобразователя 27, на выходе которого появится сигнал, пропорциональный Т, который после инвертирования первым инвертором 36 подается на первый вход первого сумматора 28, на второй вход которого с задатчика 17 начальной температуры через второй коммутатор 16подается сигнал, пропорциональный Тн, ина выходе первого сумматора 28 окажетсясигнал, пропорциональный разности темпе 5 ратур Тк - Тн, который подается на первыйвход первого умножителя 23, на второй входкоторого подается сигнал с задатчика 18начального сопротивления образца, пропорциональный величине начального со 10 противления образца Втн, Следовательно,на выходе первого умножителя 23 появитсясигнал, пропорциональный произведениюВтн (Т;Т,), который подается на первыйвход третьего сумматора 30,Сигнал с выхода первого сумматора 28подается также на первый вход четвертогосумматора 31 через резистор 34 с величиной сопротивления 2 В, а на второй входчетвертого сумматора 31 через резистор свеличиной сопротивления В подается сигнал с выхода первого инвертора 36, Приэтом на выходе четвертого сумматора 31появится сигнал, пропорциональныйТ +Тн., который подается на первый входвторого умножителя 24,На первый вход второго сумматора 29через второй инвертор 37 с выхода первогоблока 21 деления подается сигнал, пропорциональный (-Втк), а на второй вход подает 30ся сигнал с задатчика 18 (через второйкоммутатор 16), пропорциональный величине Втн. При этом на выходе второго сумматора появится сигнал, пропорциональный(-(Вт - Втк), который подается на второйвход второго множительного элемента 24,на выходе которого появится сигнал, проТк +То.порциональный -(Вт - Вт) ) и ко 40тарый подается на второй вход третьегосумматора 30, на выходе которого появитсясигнал, подаваемый на вход третьего инвертора 38, с выхода которого сигнал подаетсяна второй вход второго блока 22 деления.С задатчика 19 через второй коммутатор16 сигнал, пропорциональный 1/, поступаетна вход квадратора 26, с выхода которогосигнал, пропорциональный Ч, подается на2первый вход третьего умножителя, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный то = - , с задатчика 20 через4второй коммутатор 16. С выхода умножите 55 лЯ 25 сигнал, пРопоРциональный Ч 1 о. пог,ступает на первый вход второго блока 22деления, с выхода которого сигнал, пропорциональный теплоемкости, подается навход аналого-цифрового преобразователянапряжения в код 29, который преобразует1679331 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).Формула изобретения 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, о т л и ч а ю щ е е с я 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 10 15 20 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 ьторого блока деления через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом запоминающего устройства, выход которого соединен с вхо 30 дом блока индикации, первый Выходформирователя 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 подсоединень 1 соответственно к дополнительным выводам первой и Второй 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,50 Составитель В.СкоробогатоваРедактор Н.Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор Э.ЛОнчакова Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3207 Тираж 366 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5