Устройство для измерения параметров электротермической нелинейности резисторов

(51)+ С 01 Б 27/18 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк двторсномм свиДКТЮьСтВу ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Куйбышевский электротехническийинститут связи(56) Розенталь. Прибор для измеренияэлектротермической нелинейности,Приборы для научных исследований.М.,:Мир, 1972, Ф 11, с. 15-22.Авторское свидетельство СССРВ 868514, кл. С 01 М 27/8, 07.01.80(54)(57) 1.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ РЕЗИСТОРОВ, содержащеегенератор тока, ключ, дифференциальный усилитель, блок автобаланса, блокизмерения сопротивления, блок вычисленйя и блок индикации, причем выходгенератора тока через. ключ соединенс первым входным зажимом, второйвходной зажим соединен с первым входом блока измерения сопротивления,а через дифференциальный усилитель -с входом блока автобаланса, выходблока вычисления соединен с блокоминдикации, а выход блока измерениясопротивления соединен с вторымвходом блока вычисления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности измерений, расширения функциональных возможностей,в него введены аналого-цифровой преобразователь, блок измерения напряжения нелинейности, блок измерениятепловой постоянной, перемножитель и блок управления, причем выход дифференциального усилителя через блокизмерения напряжения нелинейностии блок измерения тепловой постояннойсоединен с четвертым входом блокавычисления, первый выход блока управления соединен с первым входом генератора тока, второй выход которогосоединен с пятым входом блока вычисления и вторым входом перемножителя,второй, третий, четвертый, пятый,шестой и седьмой выходы блока управления соединены с управляющими входами блока измерения сопротивлений,перемножителя, блока автобаланса,блока измерения напряжения нелнней- Ености, блока измерения тепловой постоянной, блока вычисления соответственно, выход блока измерения сопро- уюаативления через перемножитель соеди- фее.нен с вторым входом дифференциального усилителя, третий вход которогосоединен с выходом аналого-цифровогопреобразователя, вход которого соеди,нен с выходом блока автобаланса,а выход блока измерения напряжениянелинейности - 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-выводаи вычислитель, причем входы блокавычисления соединены с входами блокаввода-вывода, выход которого соеди- , фнен с вычислителем, выход которогоявляется 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 соединенс вйходом блока вычисления, 1 1167Изобретение относится к неразрушающим методам и средствам контроля и может использоваться, например, при измерениях теплофиэических параметров изделий из высокоомных провод ников.Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение функциональных возможностей измерителя.На фиг, 1 изображена функциональ 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 авто- баланса, аналого-цифровой преобразователь (ЛЦП) 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 16 вычисления.Генератор 1 тока сонместно с электронным 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, блок 40 выборки-хранения и ЛЦП. 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, цифроаналоговый 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 ческие цепи и служит для управления работой всего устройства. Вычислитель 13 выполнен на основе микро-ЭВИ 487 2и служит для вычисления теплофизических параметров резисторов. Блок4 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 черезключ 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 пере- множителя 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, пере- множителя 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 следующимобразом.3При подключении испытуемого резистора 3 через него от генератора 1 тока через ключ 2 начинает протекать импульс стабильного тока малой ампли тудыдлительностью(фиг. 2 о), предназначенный для измерения сопротрвления резистора К в "холодном" состоянии. Величина тока 1 и длительностьвыбираются из компромиссных соображений. С одной стороны, они должны быть по возможности малыми с тем, чтобы под действием тока487 Доказано, чтора под действиемпо закону 10(5) з 1167в образце выделялось минимальное количество тепла и самый высокоомный иэиспытуемых резисторов оставался практически "холодным" к моменту окончания импульса тока. С другой стороны,амплитуда тока 1 О и длительность импульса Г, должны быть достаточнымидля того, чтобы сопротивление Кмогло быть измерено с заданной точностью,За время действия импульса тока 1оизмеряется напряжение 11 на испытуемом резисторе, пропорциональное егосопротивлению в "холодном" состоянииНо=Тех То=сопзЭто напряжение преобразуется в блоке 9 измерения сопротивления в цифровую форму, и информация о величине Евводится в цифровой форме блока 11 ввода-вывода информации. Одновременно в аналоговой форме информация о величине К подается на первыйвход перемножителя 10. На второй входперемножителя 10 поступает информация в цифровой форме о величине изме рительного тока генератора 1, Лмплитуда измерительного тока 1 и его длительность 1 п могут изменяться дискретно в широких пределах и устанавливаются оператором до начала измерений.По окончании измерения сопротивления Кх, с блока 12 управления нагенератор тока 1 поступает сигнал,.разрешающий прохождение первого импульса измерительного тока через35ключ 2 на испытуемый резистор 3(фиг. 2 а). Под действием импульсатока в образце выделяется некотороеколичество тепла, вызывающее нели 4 Онейные эффекты в резисторе, По мере .нарастания температуры 6 образца.его сопротивление начинает растипо законуР =.Г х е,4 Г х(1+0 8) =1 х+Рс(8(с), 450дВ(41,где с 6(1/град) - температурный коэффициент сопротивления (ТКС). 50Напряжение Н на образце изменяется во времени (фиг. 2 б),Ц =ТВ ФТК+Тк оСВ(С) - Б+ТЕ 06(с)где Б - напряжение на образце 13 11 в холодном состоянии.4температура реэисто"тока 1 нарастает где 8- установившееся превышениетемпературы образца надтемпературой окружающейсреды;Т - тепловая постоянная времени.резистора.С учетом (1) и (2) можно записать У, =Б,+ТКхЫОщ,(1-е ")=Б+Н (1-е ф); где Н - напряжение электротермцческой нелинейности резистора. Напряжение 0 =11 (1-е 1")Н Вполучило название кривой нагрева.В предлагаемом устройстве непосредственно измеряются параметры электротермической нелинейности резисторов Ц и Г, а по ним с учетом величин Т, Й и =сопят в вычислителе 13 определяются теплофизическне постоянные по формулам,мкджС = у 7, -- -), (6)град фгде у- теплопфоводность образцае,С р - его теплоемкость.Измерения У и Т в устройствейпроисходят поочередно в течение двух тактов работы. К окончанию первого импульса тока измеряется напряжение электротермической нелинейности Т 1 а за время действия второго импульса тока определяется тепловая постоянная времени резистора Г.7В соответствии с фиг. 26 и формулой (3), несущее полезную информацию напряжение кривой нагрева Н оказыван ется наложенным на напряжение мешающей "подставки" Т 1=Тих, Для надежного измерения Н, и С необходимо обеспечить точную балансировку напряжения 01, т.е. привести кривые нагрева 11 к оси ординат путем вычитания из йапряжения Б напряжения "подставки" Т 1.Напряжение 11 может на два-трихпорядка превышать напряжение электро- термической нелинейности У , поэтому погрешности балансировки даже в деся тые доли процента повлекут за собой5 1167 относительные ошибки в определении параметров,электротермической нелинейности Б и 7 в десятки процен тов.Мешающее действие напряжения подставки И, помимо погрешностей при балансировке, может проявляться в перегрузке каскадов дифференциаль. ного усилителя 4. При изменении в широком диапазоне значений зонди рующих токов 1 и величин сопротивлений Йк 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 повьшеция точности измерений 0 в широком диапазоне изменения параметров резисторов в предлагаемом устройстве вводится перемножитель 10, в котором сразу после измерения сопротивления Ех в "холодцом" состоянии, до начала пропускания первого импульса тока 1 производится операция перемножения измеренного значения сопротивления Кна величину тока 1, установленного до начала измерений.Их 1 Е к(7)В(7) использовано приближение, поскольку значение тока 1, величина сопротивления Кх и их произведение могут быть определены с некоторыми цпаратурцыми погрешностями.На Фцг. 2 в изображены кривые на грева, которые могли бы получиться с аппаратурцой погрешностью лИк=Их-Их. Поскольку погрешность дИх может быть соизмеримой с полезным эффектом И в предлагаемом устройстве приняты 45 меры по устранению оставшейся погрешности Ы путем выполнения операции балансирования кривых нагрева в два этапа,После первого этапа - "грубой 50 балансировки, в соответствии с формулой (7), кривая нагрева И оказы - вается наложенной на мешающее напряжение оставшегося "разбаланса/их/ их55После второго этапа точной балансировки осуществляется устранение оставшегосЯ "Разбаланса" ЬИх 487 6и жесткая привязка кривых нагрева к оси ординат,Рассматривают процессы, происходящие в устройстве при балансировкекривых нагрева. В момент появления переднего фронта первого импульса тока 1 напряжение И с испытуемого резистора 3 поступает на первый вход дифференциального усилителя 4. Одновременно на второй его вход подает 1ся напряжение И с выхода перемножителя 10. Напряжение разбаланса ьИс выхода дифференциального 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 ЛИ. Длительность выборки должна бытьпо крайней мере на два порядка меньше минимальной теплой постоянной времени резисторас тем, чтобы за.время выборки нелинейныеэффекты не успевали проявиться, т.е. образец оставался практическихолодным,НапРЯжение ДИх с выхоДа блокаавтобаланса 5 поступает ца входАЦП б, где запоминается в цифровой форме, преобразуется вновь в аналоговую и подается на третий вход дифферецинального усилителя 4.Введение АЦП б позволяет устра- нить погрешность измерений, возникаю.щую за счет разряда запоминающегоконденсатора выборки и храненияв блоке автобаланса 5 за время сцдействия импульса тока 1,На выходе дифференциальногоусилителя 4 возникает напряжениекривой нагреваЭто напряжение поступает на блок 7 измерения напряжения нелинейности.В конце первого импульса тока 1 (Фиг., 2 д) от блока 12 управления на второй вход блока 7 измерения напряжения нелинейности поступает импульс, разрешающий выборку напряжения нелинейности И . Это напряжение преобразуется в цифровую Форму и поступает в блок 11 ввода-вывода информации. Одновременно запомненное напряжение И в аналоговой форме подается в блок 8 измерения тепловой постоянной . Спустя интервал време 7 11 нипаузы ъ 10 Г (где С - мак-йох трахсимальная тепловая постоянная времени), достаточный для полного остывания изделия, на испытуемый резистор 3 подается второй импульс тока 1 (фиг. 2 а). К моменту с =С, отсчитанному от переднего Фронта второго импульса тока, напряжение кривой нагрева достигает значения (фиг. 2 д)П=П,(1-е)0,63 Ц.В составе блока 8 измерения тепловой постоянной имеется резистивный делитель напряжения с коэффициентом. деления К я,0,63, с выхода которого напряжение У подается на первый вход компаратора напряжения, также входящего в состав блока 8 измерения тепловой постояннойНа второй вход компаратора напряжения поступает текущее значение напряжения кривой нагрева Б во время дей ствия второго импульса тока 1 (фиг. 2 Э) . 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 1 через испытуемый резистор 3 вновь пропускается импульс малого тока 1 (фиг. 2 м) и измеряется новое значение холодного" сопротивления К, Сопоставление величин К и К дает возможность установить, не оказывают ли импульсы тока амплитудой 1 и длительностью С разрушающего действия на испытуемый резистор, проявляющегося в необратимом увеличении К после нагре 1 ва и охлаждения резистора. Если К превышает величину Кх более, чем на 17, амплитуду зондирующего тока 1 67487для испытания следующих образцов снижают до тех пор, пока контроль не стднет действительно неразрушающцм.Цифровые величины измеренных пар метров (К, П , Г) совместно с выбранным значением 1 вводятся в вычмелитель 13, где происходит автоматическое вычисление теплофизических величин (теплоемкости, теплопроводности, 10 температуры) по формулам (4) - (6)при заданном значении в(=сопзс. В качестве вычислителя 13 в устройствеиспользуется встроенный микрокальку. лятор типа Б 3-21, который програм мируется в соответствии с формулами (4) в . (6). Информация в вычислитель 13 вводится в двоичном кодесразу после окончания второго импульса тока 1. Рассчитанные значения теп лофизических постоянных поочередновыводятся на цифровой индикатор микрокалькулятора.Одновременно в блоке 14 индикациификсируются на цифровом табло резуль таты измерений "холодных" сопротивлений К и К, напряжения электротермической нелинейности Б , тепловой постоянной времени Г и выбранная величина зондирующего тока 1.30 После окончания измерений и вычислений от вычислителя 13 в блок 15определения дефектов поступает в цифровой форме информация о величинетеплофизических параметров, которыев блоке 15 определения дефектов сравниваются с эталонными. Если параметры находятся в пределах заданногодопуска, выносится решение о годности изделия. В противном случае прини .мается решение о дефектности, и припомощи блока 15 определения дефектовосуществляется разбраковка образцовпо видам дефектов.1167487 Составитель О,Панчерникоопча Техред С. Йовжий, К ектор В.Гирняк Редакто лиал ППП "Патент", г,ужгород, ул.Проектна аказ 4426/41ВН Тираж 897 ИИПИ Государственного по делам иэобрете 3035 Москва, Ж, РаусПодписное комитета СССР ий и открытий ая наб., д.4/5