Автоматизированный измерительный комплекс электрофизических свойств высокоомных материалов

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения проводимости, сопротивления, а также регистрации вольтамперных характеристик аморфных высокоомных материалов. Предлагаемое устройство отличается повышенной точностью измерений, широким диапазоном изменения напряжения на исследуемом образце, возможностью регуляции температуры, при которой производится исследование образца.

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения проводимости, сопротивления, а также регистрации вольтамперных характеристик аморфных высокоомных материалов.

Известно устройство (Зайцев Р.В. Автоматизированный измерительный комплекс вольтамперных характеристик. Интернет-журнал Sci-article, 10, 2014, http://sci-article.ru/stat.php?i=14019867831, которое выполнено в виде приставки к персональному компьютеру (ПК) и схемотехнически состоит из трех блоков: управляющего, измерительного и преобразователя сигналов. Преобразователь сигналов обеспечивает преобразование поступающего от ПК управляющего цифрового сигнала в аналоговую форму, управляющий блок обеспечивает его дальнейшую подачу на исполнительные элементы для создания требуемых физических условий проведения эксперимента, измерительный блок на аппаратном уровне реализует принципы измерения физических параметров исследуемого образца, например тока и напряжения, их последующее преобразование в цифровую форму для дальнейшей передачи на ПК реализуется также за счет преобразователя сигналов. Обмен цифровой информацией с установленной на ПК программой управления и обработки данных, производится по стандартному интерфейсу USB. Управляющий блок основан на микроконтроллере, к которому последовательно подключены 10 разрядный цифро-аналоговый преобразователь и необходимые операционные усилители.

Недостатками данного устройства является низкая разрядность цифро-аналогового преобразователя и, следовательно, низкая точность измерений, слишком узкий диапазон подаваемых напряжений (±12 В), отсутствие возможности регулирования температуры, при которой проводится измерение, необходимость подключения внешних блоков питания, что усложняет схему.

Известно также устройство для исследования вольтамперных характеристик солнечных элементов и модулей (http://lab-centre.ru/mess155.htm), использующее лабораторный комплекс ELVIS компании National Instruments для автоматической обработки и графического отображения получаемых данных.

К недостаткам данного устройства можно отнести узкую направленность устройства и, как следствие, ограниченную область измерений.

Предлагаемое устройство отличается повышенной точностью измерений, широким диапазоном изменения напряжения на исследуемом образце, возможностью регуляции температуры, при которой производится исследование образца.

Данная задача решается за счет того, что устройство (фиг. 1) состоит из измерительной ячейки (1), помещенной в термостат, измерительного блока (2), управляющего блока (3), программного обеспечения (4) и блока преобразования сигналов (5), при этом:

1) управляющий блок включает в себя повышающий трансформатор, управляемый FLYBACK импульсный усилитель, а регулировка напряжения в диапазоне 0500 В осуществляется изменением скважности;

2) измерительный блок включает в себя прецизионные операционные усилители с малыми входными токами и напряжениями смещения и переключатели диапазона измерения;

3) блок преобразования сигналов осуществляет аналого-цифровое преобразование и регулирует скважность импульсного усилителя, основан на программно-аппаратном комплексе ELVIS II компании National Instruments;

4) цифровая обработка сигнала осуществляется на ПК с помощью программного обеспечения, написанного на языке LabVIEW;

5) электропитание устройства производится от встроенных в комплекс ELVIS II источников ±15 В;

6) имеется возможность регулировать температуру, при которой проводятся измерения образца, за счет того, что образец помещается в герметичную измерительную ячейку, которая в свою очередь помещена в термостат.

Техническим результатом является расширение динамического диапазона измеряемых токов в 60 раз за счет 16-разрядного аналого-цифрового преобразователя комплекса, увеличение максимально возможных подаваемых напряжений до 500 В, возможность регулировки температуры, при которой производится исследование образца, отсутствие необходимости подключения внешних блоков питания, возможность исследования гистерезисных явлений за счет регистрации значений как при повышении, так и при понижении напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 - блок-схема устройства, 2 - пользовательский интерфейс программного обеспечения.

Работает устройство следующим образом:

Образец помещается в измерительную ячейку (1), помещенную в термостат с заранее установленной температурой. Теплоноситель в термостате подбирается с температурой кипения не менее, чем на 30°C выше, чем температура, при которой производится измерение и должен иметь удовлетворительные изоляционные характеристики.

Пользователь через программное обеспечение, установленное на персональном компьютере, к которому через интерфейс USB подключен блок преобразования сигналов (5) устанавливает диапазон подаваемых на образец напряжений (до 500 В) и запускает установку путем нажатия соответствующей кнопки в интерфейсе программы. Управляющий цифровой сигнал переменной скважности вырабатывается в блоке преобразования сигналов встроенным в программно-аппаратный комплекс ELVIS II генератором и поступает в качестве задающего сигнала в управляющий блок (3), питание которого обеспечивают блоки питания ±15 В панели ELVIS II.

В управляющем блоке сигнал обрабатывается, генератор импульсов создает заданное напряжение, которое подается на измерительную ячейку. При подаче напряжения в образце появляется ток, который регистрируется измерительным блоком (2), состоящим из прецизионного операционного усилителя с малыми входными токами и напряжением смещения, осуществляющего преобразование ток-напряжение. В измерительном блоке сигнал усиливается, обрабатывается, преобразуется в аналоговое напряжение и поступает в персональный компьютер, где с помощью программного обеспечения, написанного на графическом языке G, происходит его визуализация в виде вольтамперной характеристики. Как только напряжение превышает заданный пользователем уровень, если пользователем не задан обратный ход напряжения при достижении максимума, работа установки останавливается. В случае, если пользователь настроил обратный ход сигнала, после достижения максимального предела указанных пользователем напряжений, напряжение начнет снижаться до 0, а программное обеспечение отобразит обратную ветвь вольтамперной характеристики. Настройка обратного хода осуществляется с помощью кнопок "ОСТАНОВ" и "ОБРАТИ" на основной панели программного обеспечения. Полученную вольтамперную характеристику можно с помощью программного обеспечения записать в файл с расширением ".xls" или ".txt".

Пример 1. Образец поместили в измерительную ячейку, выставили на термостате температуру 115°C. Роль теплоносителя в термостате будет выполнять трансформаторное масло.

С помощью программного обеспечения, установили диапазон подаваемых на образец напряжений от 0 до 500 В и запустили установку путем нажатия соответствующей кнопки в интерфейсе программы.

В окне программного обеспечения происходила визуализация зависимости силы тока, проходящего через образец от подаваемых напряжений в виде вольтамперной характеристики. При достижении 500 В работа установки остановилась. Полученную вольтамперную характеристику записали в файл с расширением.xls.

Пример 2.

Образец поместили в измерительную ячейку, выставили на термостате температуру 85°C. Роль теплоносителя в термостате будет выполнять глицерин.

С помощью программного обеспечения, установили диапазон подаваемых на образец напряжений от 0 до 300 В и запустили установку путем нажатия соответствующей кнопки в интерфейсе программы.

В окне программного обеспечения происходила визуализация зависимости силы тока, проходящего через образец от подаваемых напряжений в виде вольтамперной характеристики. При достижении 300 В с помощью кнопок "ОСТАНОВ" и "ОБРАТИ" на основной панели программного обеспечения настроили обратный ход сигнала, после чего напряжение снижалось с 300 до 0 В, а программное обеспечение отобразило обратную ветвь вольтамперной характеристики. Полученную вольтамперную характеристику прямого и обратного хода записали в файл с расширением .txt.

Автоматизированный измерительный комплекс электрофизических свойств высокоомных материалов, состоящий из измерительной ячейки, помещенной в термостат, измерительного блока, управляющего блока, программного обеспечения и блока преобразования сигналов, отличающийся тем, что управляющий блок включает в себя повышающий трансформатор, управляемый FLYBACK импульсный усилитель, а регулировка напряжения в диапазоне 0...500В осуществляется изменением скважности, измерительный блок включает в себя прецизионные операционные усилители с малыми входными токами и напряжениями смещения и переключатели диапазона измерения, блок преобразования сигналов осуществляет аналого-цифровое преобразование и регулирует скважность импульсного усилителя, основан на программно-аппаратном комплексе ELVIS II компании National Instruments, цифровая обработка сигнала осуществляется на ПК с помощью программного обеспечения, написанного на языке LabVIEW, электропитание устройства производится от встроенных в комплекс ELVIS II источников ±15 В.