УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Полезная модель относится к области измерительной техники для исследования характеристик металлов и может быть использована в лабораториях НИИ, заводов и учебных заведений для выявления механизмов электропроводности металлов, выявления их границ, построения температурных зависимостей сопротивления в широком диапазоне температур (от 270 К до 1500 К).
Известно устройство для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления металлического сплава методом магнитного поля содержащее источник вращающегося магнитного поля с магнитной системой в виде трех катушек трехфазного статора, датчики тока, подключенные к катушкам, и компьютер, дополнительный датчик тока, мультиметр и устройство сигнализации, содержащее три вычитающих устройства, сумматор, пороговый элемент, оптический индикатор, входы мультиметра соединены с дополнительным датчиком тока, выход мультиметра соединен с одним из входов компьютера, входы каждого вычитающего устройства подключены к выходам двух датчиков тока, подключенных к катушкам, выходы вычитающих устройств соединены со входами сумматора, выход которого через пороговый элемент соединен с
оптическим индикатором, выход порогового элемента является выходом устройства сигнализации и соединен с другим входом компьютера. Техническим результатом является обеспечение сокращения времени измерений, упрощение эксперимента при сохранении требуемой точности (патент на изобретение РФ №2531056, опубл. 20.10.2014).
Известен аппаратно-программный комплекс для автоматизированной регистрации электрофизических характеристик полупроводников (патент на полезную модель РФ №127194, опубл. 20.04.2013) - прототип, который предназначен для исследования характеристик элементов электронной техники и может быть использован для выявления механизмов электропроводности полупроводниковых материалов, выявления их границ, построения температурных зависимостей сопротивления, а также расчета на основе этих зависимостей таких характеристик, как ширина запрещенной зоны, коэффициент Холла, удельное сопротивление и прочих. Он включает аналого-цифровой преобразователь, контроллер USB, управляющий микроконтроллер и программное обеспечение, отличающийся тем, что дополнительно содержит термоконтроллер, связанный с компьютером через дополнительно установленный преобразователь интерфейса USB, и изменяющий температуру образца в криогенной камере в соответствии с заданными в начале эксперимента параметрами, источник стабильного тока для пропускания тока через образец, гальваническую развязку, разделяющую управляющий микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь,
снабженный аналоговым мультиплексором и дифференциальными входами с коэффициентом подавления синфазной составляющей не менее 100 дБ и сопротивлением более 100 МОм, прецизионный источник опорного напряжения (ИОН); а также программное обеспечение, позволяющее управлять проведением эксперимента посредством изменения температурного режима образца в заданном интервале и с заданной дискретностью, а также регистрировать результаты измерений в автоматическом режиме.
Недостатком аналога является отсутствие аппаратных средств, исключающих влияние эффекта Зеебека - явления возникновения термо-ЭДС в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, подключенных последовательно.
Для исключения этого эффекта необходимо измерять электросопротивление образца при пропускании тока в двух направлениях -прямом и обратном.
Технической задачей полезной модели является увеличение точности измерения, уменьшение временных затрат оператора на считывание данных с устройств, автоматическое определение температуры холодных спаев термопары.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможность измерения малых напряжений в условиях помех и обеспечение
возможности производить измерения при разных сочетаниях входных линий. Дополнительным техническим результатом является возможность переключения направление тока при помощи коммутирующего устройства для устранения эффекта Зеебека, возникающего при контакте проводника с измеряемым образцом в присутствии градиента температур.
Техническая задача достигается тем, что устройство для лабораторных исследований удельного электрического сопротивления металлов в широком диапазоне температур содержит камеру для помещения в нее измеряемого образца, снабженную управляющим микроконтроллером, с возможностью подключения персонального компьютера, источником тока, прецизионным источником опорного напряжения, соединенным с аналого-цифровым преобразователем, который в свою очередь снабжен аналоговым мультиплексором, причем устройство дополнительно содержит коммутатор, эталонный резистор, датчик ДТХС, потенциальные контакты и термопару, причем источник тока соединен с коммутатором, выход с которого соединен с входом эталонного резистора, один выход с которого соединен с образцом в камере, а второй выход соединен с аналоговым мультиплексором, который в свою очередь соединен с термопарой, выход с которой соединен с образцом, датчик ДТХС соединен с управляющим микроконтроллером, выход с которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, выход, причем камера выполнена с возможностью охлаждения.
Сравнение заявляемой полезной модели с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
- устройство дополнительно содержит коммутатор, эталонный резистор, датчик ДТХС, потенциальные контакты и термопару;
- источник тока соединен с коммутатором;
- выход с коммутатора соединен с входом эталонного резистора;
- один выход с эталонного резистора соединен с образцом в камере, а второй выход соединен с аналоговым мультиплексором;
- аналоговый мультиплексор соединен с термопарой;
- выход с термопары соединен с образцом;
- датчик ДТХС соединен с управляющим микроконтроллером, выход с которого соединен с аналого-цифровым преобразователем;
- камера выполнена с возможностью охлаждения.
Таким образом, можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».
Полезная модель может быть изготовлена с использованием известных технологических процессов, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
На Фиг. 1 показан общий вид устройства, на Фиг. 2 показана блок-схема устройства, на Фиг. 3 показаны результаты измерения
электрического сопротивления железа АРМКО с использованием устройства, точками обозначены измеренные значения, а ломаной линией - справочные данные.
Устройство содержит камеру 1 с водяным охлаждением, в которую на J-образно закругленный проводник подвешен измеряемый образец свободной формы, эталонный резистор 2 для шунтирования и последующего измерения проходящего через образец тока, вольфрам-рениевую термопару 3, типа ВР5/20 для измерения температуры внутри камеры; источника тока 4, отличающегося возможностью установления ограничения по силе тока и напряжению, управляющего микроконтроллера 5 с интерфейсом USB для передачи данных на персональный компьютер 6, коммутатор 7 на полупроводниковых ключах для изменения направления электрического тока, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8 со встроенным аналоговым мультиплексором 9 с дифференциальными входами с коэффициентом подавления синфазной составляющей не менее 80 дБ и с сопротивлением более 100 МОм для измерения напряжения на шунтирующем резисторе, образце и термопаре, подключенного к микроконтроллеру для передачи данных, прецизионного источника опорного напряжения (ИОН) 10 для АЦП, температурного датчика (ДТХС) 11, установленного в непосредственной близости от места подключения термопары к устройству для измерения температуры холодных спаев и дальнейшей передачи на микроконтроллер.
Устройство работает следующим образом:
Исследуемый образец (12) помещается в камеру (1), к нему подключаются эталонный резистор (2) и термопара (3), а также делаются отводы для измерения падения напряжения на нем. На эталонный резистор (2) через управляемый микроконтроллером (5) коммутатор (7) подается ток с источника тока (4). Микроконтроллер (5), управляя аналоговым мультиплексором (9), с помощью АЦП (8), производит измерение тока в цепи путем измерения падения напряжения на эталонном резисторе (2), измерение падения напряжения на образце (12), а также напряжение термопары (3). Затем происходит переключение направления протекания тока в цепи с образцом (12) и все измерения производятся повторно. Раз в несколько секунд происходит измерение температуры холодных спаев датчиком температуры холодных спаев (11). После измерения всех необходимых величин производятся математические расчеты сопротивления образца и его температуры и эти данные передаются на персональный компьютер (6). Затем производится повышение температуры образца. Процесс измерения повторяется, пока не будут получены значения сопротивления образца в требуемом диапазоне температур. Для предотвращения преждевременного выхода из строя камеры предусмотрено ее охлаждение.
Измерение электрического сопротивления образца в широком диапазоне температур может производиться на образце неизвестной
формы, однако для преобразования электрического сопротивления в удельное электрическое сопротивление необходимо произвести измерение образца неизвестной формы при комнатной температуре и привязать его к электрическому сопротивлению образца строгой формы и размеров. При этом измерение электрического сопротивления образца строгой формы производится с использованием того же устройства.