Устройство для измерения параметров электротермической нелинейности резисторов

 

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