Способ измерения теплового сопротивления двухполюсников

 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров электрорадиоэлементов. Технический результат заключается в расширении класса контролируемых двухполюсников и возможности получения результата измерения в виде непосредственного отсчета измеряемой величины в выбранной системе единиц. Для этого способ измерения теплового сопротивления двухполюсников заключается в том, что контролируемый двухполюсник с последовательно соединенным подстроечным резистором подключают параллельно образцовому двухполюснику с известным тепловым сопротивлением R_Т1 и с последовательно соединенным вторым подстроечным резистором, подают короткие импульсы тока большой скважности и фиксированной амплитуды I₀, сопротивления подстроечных резисторов устанавливают такой величины, чтобы выполнялось равенство импульсных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, и подают постоянный греющий ток величиной, равной амплитуде коротких импульсов тока, при этом номинальные сопротивления подстречных резисторов выбирают одинаковыми и на два порядка превышающими номинальное активное сопротивление данного типа двухполюсников и после выравнивания импульсных мощностей, но до подачи постоянного греющего тока измеряют амплитуды напряжений на образцовом U₁₀ и контролируемом U₂₀ двухполюсниках, а после подачи постоянного греющего тока измеряют напряжение на образцовом U₁ и контролируемом U₂ двухполюсниках в установившемся тепловом режиме и определяют значение теплового сопротивления R_Т2 контролируемого двухполюсника по формуле где ΔU₂=U₂-U₂₀, ΔU₁=U₁-U₁₀, R_Т1 - тепловое сопротивление образцового двухполюсника. 3 ил.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров электрорадиоэлементов и может быть использовано для контроля качества и определения температурных запасов двухполюсников.

Известен способ измерения теплового сопротивления двухполюсников (см. патент РФ 2166764 Способ измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным температурным коэффициентом тока./ Сергеев В.А.), заключающийся в том, что контролируемый двухполюсник с последовательно соединенным подстроечным резистором подключают параллельно образцовому двухполюснику с известным тепловым сопротивлением и с последовательно соединенным вторым подстроечным резистором, подают короткие импульсы тока большой скважности и фиксированной амплитуды ₀, устанавливают сопротивления подстроечных резисторов такой величины, чтобы выполнялось равенство импульсных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, после этого подают постоянный греющий ток I₀ и измеряют величину тока I₁, протекающего через образцовый двухполюсник и напряжение U на образцовом двухполюснике после разогрева и определяют величину теплового сопротивления контролируемого двухполюсника по формуле R_T2=R_T1+ΔR_T, где ΔI= I₀-2I₁, R_T1 - тепловое сопротивление образцового двухполюсника, К_T - температурный коэффициент тока данного типа двухполюсников.

Недостатком известного способа является непригодность его для измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным температурным коэффициентом напряжения, а также необходимость вычисления искомой величины по результатам прямых измерений.

Технический результат - расширение класса контролируемых двухполюсников и возможность получения результата измерения в виде непосредственного отсчета измеряемой величины в выбранной системе единиц.

Технический результат достигается тем, что контролируемый двухполюсник с последовательно соединенным подстроечным резистором подключают параллельно образцовому двухполюснику с известным тепловым сопротивлением R_T1 и с последовательно соединенным вторым подстроечным резистором, подают короткие импульсы тока большой скважности и фиксированной амплитуды I₀, сопротивления подстроечных резисторов устанавливают такой величины, чтобы выполнялось равенство импульсных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, и подают постоянный греющий ток величиной I₀, равной амплитуде коротких импульсов тока.

Отличие состоит в том, что номинальные сопротивления подстроечных резисторов выбирают одинаковыми и на два порядка превышающими номинальное активное сопротивление данного типа двухполюсников, после выравнивания импульсных мощностей, но до подачи постоянного греющего тока, измеряют амплитуды напряжений на образцовом U₁₀ и контролируемом U₂₀ двухполюсниках, а после подачи постоянного греющего тока измеряют напряжение на образцовом U₁ и контролируемом U₂ двухполюсниках в установившемся тепловом режиме и определяют тепловое сопротивление R_T2 контролируемого двухполюсника по формуле где ΔU₂=U₂-U₂₀, а ΔU₁=U₁-U₁₀.

Сущность способа поясним с помощью схемы, приведенной на фиг.1. Для определенности будем обозначать образцовый двухполюсник Z1 и все относящиеся к нему величины индексом 1, а контролируемый двухполюсник Z2 и величины, относящиеся к нему, соответственно индексом 2. Поскольку контролируемый и образцовый двухполюсники однотипны, то будем полагать, что их электрические параметры примерно одинаковы, хотя и не обязательно равны. Будем полагать также, что тепловая постоянная времени τ_T данного типа двухполюсников на несколько порядков превышает наибольшую электрическую постоянную времени τ_э данного типа двухполюсников, обусловленную наличием реактивных составляющих в полном сопротивлении двухполюсников.

Для реализации предлагаемого способа сопротивления подстроечных резисторов R1 и R2 должны быть одинаковыми и на два порядка больше номинального активного сопротивления данного типа двухполюсников.

Длительность и скважность коротких импульсов тока, подаваемых на параллельно соединенные цепочки, состоящие соответственно из последовательно соединенных образцового двухполюсника Z1 и подстроечного резистора R1 и контролируемого двухполюсника Z2 и подстроечного резистора Z2, выбирают из условия пренебрежимо малого разогрева двухполюсников импульсной мощностью.

В общем случае электрические параметры образцового и контролируемого двухполюсника различны, поэтому после подачи коротких импульсов тока заданной амплитуды I₀ с помощью подстроечных резисторов добиваются равенства импульсных мощностей Р₁₀ и P₂₀, рассеиваемых образцовым и контролируемым двухполюсниками соответственно, то есть выполнения равенства U₁₀•I₁=U₂₀•I₂, (3) где I₁, и I₂ - амплитуды токов, протекающих через образцовый и контролируемый двухполюсники соответственно, причем, очевидно I₁+I₂=I₀, (4) a U₁₀ и U₂₀ - амплитуды напряжений соответственно на образцовом и контролируемом двухполюсниках. Эти амплитуды до подачи постоянного греющего тока измеряют или запоминают известными способами.

Поскольку сопротивления подстроечных резисторов на два порядка больше, чем номинальное активное сопротивление данного типа двухполюсников, то после подачи постоянного греющего тока величиной I₀ постоянные токи, протекающие через образцовый и контролируемый двухполюсники, будут равны амплитудам импульсных токов I₁ и I₂ соответственно, а напряжения на образцовом U₁ и контролируемом U₂ двухполюсниках в результате разогрева двухполюсников рассматриваемой мощностью будут отличаться от амплитудных значений U₁₀ и U₂₀ соответственно. В случае относительно небольшого разогрева двухполюсников изменение напряжения на образцовом и контролируемом двухполюсниках можно описать линейной зависимостью ΔU₁ ≡ U₁-U₁₀ = K_T1•ΔT₁; (5a)
ΔU₂ ≡ U₂-U₂₀ = K_T2•ΔT₂, (5б)
где ΔT_1,2 - приращения температуры образцового T₁ и контролируемого Т₂, двухполюсников над температурой T₀ окружающей среды
ΔT₁=T₁-T₀<; (6а)
ΔT₂=T₂-T₀<; (6б)
K_T1,2 - температурные коэффициенты напряжений образцового и контролируемого двухполюсников соответственно.

В установившемся тепловом режиме для приращений температур ΔT_1,2 можно записать
ΔT₁=R_T1•U₁•I₁; (7а)
ΔT₂=R_T2•U₂•I₂, (7б)
где R_T1,2 - тепловые сопротивления образцового и контролируемого двухполюсников соответственно.

Подставляя (7а) и (7б) в (5а) и (5б), после несложных преобразований получим
Δ U₁=K_T1R_T1U₁I₁=K_T1R_T1(U₁₀+ΔU₁)•I₁ 8(а)
ΔU₂=K_T2R_T2U₂I₂=K_T2R_T2(U₂₀+ΔU₂)•I₂ (8б)
Разделив (8б) на (8а), запишем выражение для R_T2

Поскольку исходным (до разогрева) условием является равенство импульсных мощностей, рассеиваемых двухполюсниками I₁•U₁₀= I₂•U₂₀, a также примерное равенство температурных коэффициентов напряжения K_T1=K_T2=К_T, которые у однотипных двухполюсников различаются на несколько процентов, то выражение (9) упрощается

Если уровень греющей мощности выбрать из условия ΔU₁< и ΔU₂<, то с погрешностью второго порядка малости не превышающей нескольких процентов, для R_T2 окончательно можно записать

Таким образом процедура измерения теплового сопротивления R_T2 контролируемого двухполюсника при известном значении R_T1 сводится к измерению отношения ΔU₂/ΔU₁, то есть к измерению ΔU₂ в единицах ΔU₁.

При разработке устройств для реализации способа следует заметить, что все параметры образцового двухполюсника заранее известны и изменение напряжения на нем ΔU₁ будет определяться согласно (8а) рассеиваемой мощностью в установившемся тепловом режиме
ΔU₁=K_T1•R_T1•P₁. (12)
Тогда, подставляя (12) в (11), получим

Таким образом, искомая величина R_T2 будет пропорциональна напряжению на выходе масштабного усилителя с коэффициентом усиления

на вход которого подается напряжение, равное ΔU₂, где m - показатель степени масштабного усилителя, устанавливаемый исходя из масштаба выбранной системы единиц. С учетом этого замечания предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.2.

Устройство содержит источник тока 1, устройство управления 2, электронный ключ 3, два подстроечных резистора 4 и 5, образцовый двухполюсник 6, панель 7 с клеммами для подключения контролируемого двухполюсника, два токосъемных резистора 8 и 9, два перемножителя 10 и 11, устройство сравнения с нуль-индикатором 12, аналоговое запоминающее устройство 13, дифференциальный усилитель 14 с изменяемым коэффициентом усиления, вольтметр 15.

Эпюры, поясняющие работу устройства, показаны на фиг.3.

Устройство работает следующим образом. После установки контролируемого двухполюсника в клеммы на панели 7 и подачи сигнала "Пуск" устройство управления 2 вырабатывает последовательность коротких управляющих импульсов большой скважности, которые поступают на управляющий вход электронного ключа 3, коммутируемый вход которого соединен с выходом источника тока 1. С выхода электронного ключа 3 ток источника тока 1, переключаемый управляющими импульсами, поступает на параллельно соединенные электрические цепи, одна из которых содержит последовательно соединенные подстроечный резистор 4, образцовый двухполюсник 6 и токосъемный резистор 8, а вторая соответственно - подстроенный резистор 5, контролируемый двухполюсник и токосъемный резистор 9.

Напряжение с образцового двухполюсника 6 и токосъемного резистора 8 поступают на входы перемножителя 10, а напряжение с контролируемого двухполюсника и токосъемного резистора 9 поступают соответственно на входы перемножителя 11. Напряжение с выходов перемножителей 10 и 11, пропорциональное рассеиваемой двухполюсниками мощности, поступает на устройство сравнения 12 с нуль-индикатором. Изменяя сопротивления подстроенных резисторов 4 и 5, по показаниям нуль-индикатора устройства сравнения 12 добиваемся равенства импульсных мощностей, рассеиваемых двухполюсниками в момент равенства импульсных мощностей (фиг. 3б) изменение подстроенных резисторов прекращается, а устройство сравнения 12 вырабатывает короткий импульс, поступающий на устройство управления 2 и на аналоговое запоминающее устройство 14. По сигналу с устройства сравнения устройство управления вырабатывает управляющий импульс, (фиг. 3в) задающий время разогрева t_P, который переводит электронный ключ 3 в постоянное проводящее состояние. При этом по сигналу устройства сравнения 12 аналоговое запоминающее устройство 13 запоминает значение напряжения на контролируемом двухполюснике U₂₀, и это напряжение с выхода аналогового запоминающего устройства 13 поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 14 с управляемым коэффициентом усиления К_УС, на инвертирующий вход которого поступает текущее значение напряжения на контролируемом двухполюснике U₂(t), так, что напряжение на выходе дифференциального усилителя 14 будет пропорционально изменению напряжения на контролируемом двухполюснике
U_вых=K_УС•[U₂₀-U₂(t)]. (14)
При этом на управляющий вход дифференциального усилителя 14 с управляемым коэффициентом усиления К_УС поступает управляющее напряжение с выхода перемножителя 11, пропорциональное мощности Р₁, рассеиваемой образцовым двухполюсником, а функция управления коэффициентом усиления К_УС выбрана таким образом, что К_УС изменяется обратно пропорционально приложенному напряжению на управляющем входе, так что реализуется зависимость

Через время t_Р разогрева, достаточное для установления стационарного теплового режима, по окончании управляющего импульса длительностью t_Р устройства управления 2 электронный ключ 3 перейдет в разомкнутое состояние, а индикатор 15 зафиксирует выходное напряжение дифференциального усилителя 14 с управляемым коэффициентом усиления

которое равно искомой величине теплового сопротивления R_T2 контролируемого двухполюсника в выбранной системе единиц.

Формула изобретения

Способ измерения теплового сопротивления двухполюсников, заключающийся в том, что контролируемый двухполюсник с последовательно соединенным подстроечным резистором подключают параллельно образцовому двухполюснику с известным тепловым сопротивлением R_Т1 и с последовательно соединенным вторым подстроечным резистором, подают короткие импульсы тока большой скважности и фиксированной амплитуды I₀, сопротивления подстроечных резисторов устанавливают такой величины, чтобы выполнялось равенство импульсных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, и подают постоянный греющий ток величиной, равной амплитуде коротких импульсов тока, отличающийся тем, что номинальные сопротивления подстроечных резисторов выбирают одинаковыми и на два порядка превышающими номинальное активное сопротивление данного типа двухполюсников и после выравнивания импульсных мощностей, но до подачи постоянного греющего тока измеряют амплитуды напряжений на образцовом U₁₀ и контролируемом U₂₀ двухполюсниках, а после подачи постоянного греющего тока измеряют напряжение на образцовом U₁ и контролируемом U₂ двухполюсниках в установившемся тепловом режиме, и определяют значение теплового сопротивления R_Т2 контролируемого двухполюсника по формуле

где ΔU₂= U₂-U₂₀; ΔU₁= U₁-U₁₀; R_Т1 - тепловое сопротивление образцового двухполюсника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3