Навигация
Поиск
Разработки
Испытательно-измерительный комплекс аппаратуры для определения тепловых и электрических характеристик и параметров силовых полупроводниковых приборов

Постановка задачи

Растущие потребности в энергии промышленных и гражданских объектов выводит на первый план проблему передачи и преобразования электрической энергии. Величины передаваемой и преобразовываемой мощности измеряются мегаваттами. Такие уровни коммутируемой мощности предъявляют высокие требования к обеспечению надёжности мощных преобразовательных устройств.

Основу современных преобразовательных устройств составляют силовые полупроводниковые приборы (СПП), качество изготовления которых определяет надёжность преобразователя в целом. Потенциально высокая надёжность СПП гарантируется только при обеспечении оптимальных температурных и электрических режимах эксплуатации.

Вентильные коммутаторы мощных преобразователей требует применения полупроводниковых ключей, рассчитанных на токи в десятки тысяч ампер и напряжения до десятков киловольт. Однако современной полупроводниковой промышленностью пока не созданы такие приборы. Поэтому в мощных преобразователях применяется групповое последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение СПП.

При этом важнейшим условием обеспечения требуемого уровня надежности СПП является идентичность приборов по характеристикам и параметрам. Наиболее важными являются электрические и тепловые характеристики и параметры. Однако при производстве СПП из-за несовершенства технологического процесса изготовления наблюдается разброс параметров их характеристик. В связи с этим при изготовлении преобразователей на основе группового соединения СПП необходимо осуществлять их подбор по нескольким основным параметрам.

В настоящее время при изготовлении преобразователя обычно подбор приборов осуществляется только по электрическим параметрам. Такой способ подбора не является достаточным для обеспечения их надежности, так как электрические параметры СПП существенно зависят от температуры полупроводниковой структуры. Основным тепловым параметром СПП является тепловое сопротивление переход-корпус Rthjc Подбор по данному параметру весьма затруднён так как по известным методикам [1, 2] требуются большие временные и энергетические затраты на его определение. Однако информация о величине Rthjc позволяет сгруппировать СПП в преобразователе таким образом, чтобы существенно снизить как абсолютные значения температуры их структур, так и их разброс. В связи с этим разработка новых способов измерения и определения тепловых и электрических характеристик и параметров СПП и высокопроизводительной испытательно-измерительной аппаратуры на их основе является актуальной задачей.

Описание решения

На кафедре автоматики Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва разработан метод определения Rthjc [3], который по сравнению с известными, позволяет существенно снизить погрешность определения Rthjc - Это обусловлено, прежде всего, тем, что величина температурного коэффициента напряжения (ТКН) определяется для каждого испытуемого прибора. При этом достигнуто существенное повышение производительность процесса испытания СПП, измерения и определения электрических и тепловых параметров. Дополнительно метод позволяет снять требование стабилизации греющего тока, что существенно упрощает источник греющего тока. Сущность разработанного метода заключается в следующем.

Определение Rthjc производят в три этапа испытания и измерения информативных параметров, и этапа определения Zthjc и Rthjc (рис. 1). На всех этапах испытания через испытуемый СПП пропускается постоянный измерительный ток Itest. Величина Itest выбирается таким образом, чтобы его протекание несущественно влияло на термодинамическое равновесие испытуемого прибора. В качестве термочувствительного параметра используется напряжение на полупроводниковом приборе Uhc в состоянии высокой проводимости.

На первом этапе прибор находится в начальном состоянии термодинамического равновесия и температура полупроводниковой структуры 7} равна температуре корпуса Тс. В момент времени t0 измеряется и запоминается значение напряжения uhc(t0) при протекании Itest и температура корпуса Тс(t0).

На втором этапе с момента времени t1 до момента t2 СПП нагревается импульсами тока iheat(t) полусинусоидальной формы с фазовой регулировкой длительности. Нагрев начинается с постепенного увеличения величины греющего тока. В интервалах между очередным увеличением тока рассчитывается значение средней мощности потерь полупроводникового прибора Ptot(n).

После достижения греющей мощности установленного максимального значения, которое определяется из соотношения:

где к = 0,5...0,7 - коэффициент запаса по температуре, RthjcТУ - значение теплового сопротивления, определяемое по техническим условиям или паспортным данным СПП и Tjmax - максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры, дальнейшее увеличение мощности прекращается. Далее нагрев производится током с полученными параметрами греющего тока.

В процессе нагрева в моменты времени theati(n) n-ого интервала измерения запоминаются значения uhc(theati(n)) и iheat (theati(n)), и вычисляется средняя мощность потерь по формуле:

После достижения Tc = 90 °С нагрев прекращается. В процессе остывания измеряются uhc(t) и Tc(t), и вычисляется ТКН:

Дополнительно вычисляется производная ТКН по времени (dTKH(t)ldt). В момент термодинамического равновесия t3, когда dTKH(t)/dt=0, величина ТКН принимает истинное значение. Оно запоминается и используется для дальнейшего расчёта.

Далее по полученной информации в процессе испытания рассчитывается временная характеристика динамического теплового сопротивления переход-корпус:

где uhc(theat(n)) и Тс(theat(n)) - значение термочувствительного параметра и температуры корпуса СПП в конце n-го периода измерения в процессе нагревания.

В полученной характеристике, находится максимальное значение, которое и принимается за величину Rthjc

По измеренной характеристике uhc(t), определяется переходное тепловое сопротивление переход-среда Zthja:

Продолжение...

Информация

Информация про ремонт автомобилей в Минске - remontauto.by. Заходите на сайт, здесь много полезного.

Высококачественные отделочные работы современными материалами. Прайс-лист можно увидеть на сайте http://vista.kiev.ua.

Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Компьютерные измерительные системы для лабораторных испытаний материалов методом акустической эмиссии с управлением и обработкой данных в среде программирования LabVIEW

1. Одной из тенденций развития современного экспериментального материаловедения во всём мире является активное развитие методов локальной диагностики материала, в частности, методов нестандартных лабораторных испытаний малогабаритных образцов металлов после промежуточных или финишных режимов термомеханической обработки. Конечно, развитие локальных методов диагностики не заменяет и не может заменить традиционных методов испытания материалов с утверждёнными ГОСТами и ТУ условиями их проведения и геометрией лабораторных образцов. Однако тенденция в развитии методов локальной диагностики, как наукоёмких технологий, отчётливо прослеживается все последние годы. Причины этого определяются повышением требований к контролю технологий производства материала и необходимостью экспресс-контроля металла непосредственно в изделии. Это связано также с необходимостью обеспечения методиками контроля разработок новых материалов и технологий, когда полномасштабные натурные испытания неэффективны или нецелесообразны по соображениям времени экспресс-оценки промежуточных результатов, например, при оптимизации химического и структурного состава разрабатываемых материалов с улучшенными служебными характеристиками.

2. Технологически, быстрое развитие методов локальной диагностики в материаловедении обеспечено техническими достижениями (часто взаимосвязанными) научного приборостроения:

3. Быстрым развитием средств аналитического контроля и анализа ( например, их разрешающей способности).

4. Быстрым развитием средств вычислительной техники, как по вычислительной мощности микропроцессоров, так и по объёму и быстродействию электронной памяти. Это сделало возможным, например, многоканальную регистрацию параметров материала при его испытаниях и их обработку в режиме реального времени.

5. Быстрым развитием сенсорной электроники. Технологии миниатюрных высокочувствительных датчиков механических, электрических, акустических, химических, оптических и других параметров сделали методы локальных испытаний по нестандартным схемам надёжным инструментом экспериментального материаловедения.

6. Быстрое развитие и внедрение средств прикладного программирования, позволяющих проектировать компьютерные информационно-измерительные системы «под задачу», используя обширные встроенные библиотеки подпрограмм. Такой универсальной для проектирования систем является среда графического программирования LabVIEW.

Однако, развитие технических и программных средств локальной диагностики не уменьшает роли методического обеспечения технологий такого контроля. Нестандартные задачи, решаемые на нестандартных образцах, требуют серьёзного анализа поставленной задачи, проработки методов испытаний, измерения и анализа полученных результатов. Так, для эффективного использования в качестве диагностических сигналов импульсов акустической эмиссии (акустическое излучение ультразвукового диапазона, сопровождающее процессы деформации и разрушения материалов) при лабораторных испытаниях, требуется согласование объекта контроля, средств и методов измерения и обработки сигналов.

Высокая чувствительность обеспечивает методу АЭ широкий спектр применений в лабораторных исследованиях материалов и контроле конструкций в промышленности. Метод акустической эмиссии (АЭ), в отличие от традиционной ультразвуковой дефектоскопии, - «пассивный метод». Контрольно-измерительная аппаратура работает в режиме приема сигналов. Технологии микроэлектроники позволили здесь миниатюризировать приборы детектирования, усиления и предварительной аналоговой обработки сигналов (таких, например, как аналоговая фильтрация, дискриминация, выделение экстремальных значений сигналов сложной формы, временная и пространственная селекция и многие другие). Развитие методов АЭ обеспечивается и бурным развитием средств вычислительной техники, создавая уникальные возможности цифровой обработки сигналов в режиме реального времени. Для обеспечения гибкости измерительные системы часто проектируются как многоканальные компьютерные информационно-измерительные системы с возможностью удаленного доступа и управления внешними устройствами. Широкие возможности, которые представляет интегрированная среда разработки, отладки, и выполнения программ LabVIEW обеспечили широкое применение этой универсальной среды для создания аппаратно- программных комплексов сбора, обработки и представления измерительной информации, в том числе методом АЭ. Использование объектно-ориентированного языка графического программирования (язык G), графических символов из инженерной области проектирования средств электро- и радиоизмерений позволяют пользователю с небольшим опытом программирования эффективно проектировать компьютерные измерительные системы. Это особенно важно при использовании программирования в LabVIEW в учебной и научной работе студентов технических университетов. Представлены студенческие проекты компьютерных измерительных систем АЭ в программной среде Lab VIEW, научным руководителем которых был автор.

Сопротивление коррозионному разрушению под напряжением (КРН)- важная характеристика конструкционных материалов. Компьютерная измерительная система для наблюдения по АЭ кинетики коррозионного разрушения под напряжением в коррозионной среде «метанол-йод» малогабаритного трубчатого образца оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) атомного реактора -выпускная работа Гладкова Н.В. (2003г., кафедра Вычислительной техники и сетевых технологий, Университет города Переславля). Для проведения испытаний необходимы специальные условия, чтобы изучить кинетику коррозии за сравнительно небольшое время (8-10 часов) лабораторного тестирования материала. Локальная диагностика использовалась здесь при ограничении контакта коррозионного раствора с поверхностью металла «пятном» диаметром 5мм. Локализация коррозии позволила наблюдать по АЭ (и фрактографии) кинетику развития единичных очагов разрушения, что повысило точность измерения инкубационного периода КРН циркония. Эта же методика позволила выделить стадию перехода к активному зернограничному разрушению металла и проследить влияние на эти параметры КРН структурных факторов. В компьютерной системе, спроектированной студентом «под задачу», проводилось измерение уровня шумов для введения порога дискриминации и статистического анализа сигналов АЭ, масштабирование сигналов, архивирование данных. Эта система позволяла вести в реальном времени визуальный контроль измерений как по регистрируемому параметру - пиковым амплитудам импульсов АЭ, так и по параметрам компьютерной обработки сигналов - сумме амплитуд АЭ, как функции времени испытания, средней амплитуде АЭ на временных интервалах, сумме импульсов АЭ от времени измерения («суммарный счет АЭ» ГОСТ 27655 - 88). Для повышения достоверности измерений кинетики КРН компьютерная система проектировалась в LabVIEW как многоканальная, с параллельной регистрацией АЭ. Для оценки воспроизводимости результатов измерений испытывались сразу несколько (до десяти) образцов в идентичных температурных условиях и с одинаковым временем экспозиции поверхности образца в коррозионном растворе.

При реализации студенческих проектов компьютерных информационно-измерительных систем АЭ используются как особенности языка программирования G (функции, операторы, потоковая передача данных, встроенные компоненты и т.д.), так и программные особенности виртуальных инструментов (визуальные инструменты, функции, процедуры, способы взаимодействия инструментов). Программирование контроллера ввода-вывода данных измерительной системы требует от студента знаний его аппаратной реализации и технических характеристик, умения работать с библиотекой динамической компоновки (DLL), a проектирование всей системы требует составления логической схемы, разработки алгоритма, блок-диаграмм и пользовательского интерфейса системы в LabVIEW. Проектирование удаленного доступа к измерительной системе, например, по открытым сетям общего доступа (Internet) требует разработки архитектуры, применения технологии CGI, виртуальных инструментов сетевых коммуникаций в LabVIEW, реализации WEB-сервера, использования интерпретируемых программ, например, на языке PERL для связи с виртуальными компонентами LabVIEW. Для управления внешними устройствами необходимы навыки подключения исполнительных внешних устройств к контроллеру ввода-вывода. Удаленный доступ к измерительным системам особенно эффективен при длительных измерениях АЭ. На рис.1 показана блок-схема удаленного доступа к стенду для испытания крепежных болтов автомобиля на замедленное водородное охрупчивание с измерением по АЭ кинетики разрушения высокопрочной стали -дипломные работы Демцева В.В. и Демцева Н.В. (2007г., кафедра Металловедения и физики прочности, Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет).

Блок-схема распределенной компьютерной информационно-измерительной системы

Рисунок 1. Блок-схема распределенной компьютерной информационно-измерительной системы.

Болт (рис.2-1) под механическим напряжением в специальном устройстве (рис.2-2;4) подвергался локальному электролитическому (рис.2-5) наводораживанию в ванне с водным раствором соляной кислоты (рис.2-3). Пьезодатчик АЭ крепился на полированной поверхности головки болта (рис.2-6) и для повышения помехозащищенности аппаратуры конструктивно объединялся с предварительным усилителем (рис.2-7) в одном корпусе. В блоке предварительной аналоговой обработки (рис.2-8) осуществлялось дополнительное усиление и фильтрация сигналов, выделение пиковых амплитуд АЭ.

Компьютерная измерительная система для наблюдения за водородным охрупчиванием металла по АЭ разрабатывалась как многоканальная система, с возможностью проведения измерений одновременно на нескольких образцах и сетевым доступом к интерфейсу измерительной системы для удаленного контроля измерений по сети Интернет.

Схема испытания болтов на замедленное разрушение при наводораживании с измерением акустической эмиссии

Рисунок 2. Схема испытания болтов на замедленное разрушение при наводораживании с измерением акустической эмиссии.

Система сбора и обработки информации состоит из нескольких основных узлов. После блока аналоговой обработки сигналы АЭ преобразовывались в цифровую форму (поток данных) АЦП контроллера ввода-вывода, встроенного (рис.2-9) в рабочую станцию - «Коллектор» (рис.1). Данные сохраняются в коллекторе в локальный кеш (по методу FIFO) и затем передаются во все узлы сети широковещательными пакетами («UDP датаграммы»). При необходимости ограничения распространения этой информации по сети на всех хостах сети устанавливаются соответствующие маски. Для гибкости системы, позволяющей подключать новые модули, возможность проведения одновременно нескольких измерений обеспечивается использованием уникального для каждого канала номера UDP порта. Для обработки всей информации, определяемой частотой дискретизации АЦП и количеством одновременно проводимых измерений, может использоваться несколько разных вычислительных единиц системы: коллектор, архив, кластер, пользовательские рабочие станции. Сервер WEB-приложений здесь используется один для всей системы. Несколько независимых коллекторов позволяют вести параллельные измерения АЭ от разных объектов контроля, в том числе и территориально удаленных друг от друга. Например, при четырех работающих измерительных каналах контроллера ввода-вывода одного коллектора и двух работающих каналах другого коллектора в сети (в данном случае ethernet, рис.1) присутствуют 6 независимых потоков данных, которые могут обрабатывать все хосты одного широковещательного сегмента (общей распределенной по сети измерительной системы):

1 поток UDP:192.168.101.20:7654 → 192.168.101.255:10001

2 поток UDP: 192.168.101.20:7644 → 192.168.101.255:10002

3 поток UDP:192.168.101.20:7622 → 192.168.101.255:10003

4 поток UDP:192.168.101.20:7676 → 192.168.101.255:10004

5 поток UDP:192.168.101.23:1213 → 192.168.101.255:10005

6 поток UDP:192.168.101.23:8713 → 192.168.101.255:10005

Здесь сервер данных («архив») ведет запись всех 6 потоков на диск с соответствующей маркировкой. Сервер данных («архив») - это достаточно быстрая рабочая станция с SCSI-дисками, объединенными в RAID-массив. Этот сервер получает по сети данные (UDP- поток) и сохраняет их. В дальнейшем эти данные доступны для просмотра и обработки. Рабочие станции могут отобразить текущие измерения АЭ и их историю, могут выполнять простую обработку сигналов АЭ : дискриминацию сигнала по заданному порогу, получение суммы амплитуд АЭ или суммы импульсов АЭ на заданных временных интервалах и т.п. Доступ к измерительной информации возможен здесь в двух режимах: файловый (доступ к файловым ресурсам через SMB-сеть) или потоковый (передача потока данных для обработки в LabVIEW). Рабочая станция - это пользовательский интерфейс, который используется для просмотра, обработки и редактирования данных АЭ. Для просмотра текущих измерений прослушивается широковещательный UDP-поток, что позволяет не нагружать другие вычислительные единицы в процессе просмотра. При проведении измерений на всех пользовательских рабочих станциях виден список всех текущих измерений и полный доступ к архиву. Вычислительный кластер - одна или несколько мощных рабочих станций, на которых проводится параллельная обработка больших объемов измерительных данных. Если в процессе проведения измерений необходимо, например, постоянно отслеживать общую шумовую обстановку или проводить спектральный анализ сигналов АЭ или сложную статистическую обработку сигналов и т.п., то выполняет эту задачу кластер и выдает поток в сеть с результатом, который становится доступен «в реальном времени» на всех рабочих станциях. Последний элемент архитектуры - сервер WEB-приложений. Этот сервер позволяет пользователю (используя технологию CGI) получить доступ к текущим и архивированным измерениям АЭ.

Дальнейшее развитие аппаратных и программных средств компьютерных систем измерений требует рассмотрения ограничений, при которых АЭ может отображать процесс разрушения с точностью, необходимой для прикладных применений в лабораторных исследованиях и на производстве (Ханжин В.Г., Штремель М.А. 2004г.).

Элементарный акт хрупкого разрушения металла - скол одного зерна (или одной его границы), разрыв волокна композита. При этом трещина поперечником d~ 10 … 100 мкм вскрывается со скоростью порядка скорости звука (в стали с ~ 5км/ с), за время to~ d/c . «Несущая частота» первичного упругого импульса хрупкого разрушения w~ t0-1 ~ 50МГц . Поэтому импульс АЭ сильно размыт при регистрации аппаратурой , пропускающей до 2 МГц (редко до 20 МГц).

Тем более для прикладных задач АЭ нет смысла моделировать элементарные акты вязкого разрушения (или АЭ от одиночных полос скольжения, двойников, выход на поверхность дислокаций). При вязком разрушении образуются ямки диаметром d~ 0,3...З мкм. Сначала в металле разрушаются неметаллические включения размером ~ d/10, а после пластической деформации возникшей полости происходит срез перемычки между двумя или тремя смежными ямками. Только этот срез мог бы дать упругий импульс АЭ, но его «несущая частота» w ~ 1/d на 1...2 порядка выше, чем при хрупком разрушении поликристалла. Таким образом, импульсы от элементарных процессов хрупкого разрушения такие короткие, что лежат на границе разрешения современной аппаратуры, а вязкого разрушения - за ее пределами. Чувствительная аппаратура могла бы зарегистрировать одно такое событие, но в процессе разрушения их импульсы многократно перекрыты. И хотя Фурье-спектр множества импульсов такой же, как у одиночного импульса, в нужном диапазоне частот w измеряемый спектр отражает, в основном, полосу пропускания аппаратуры, а не явления разрушения.

Если в одном скачке одиночной трещины в материале разгружается площадка поперечником d , то амплитуда смещения в первичном упругом импульсе пропорциональна ее площади: А ~ d2. Хотя регистрируемый сигнал АЭ есть интегральная свертка этого импульса с динамической функцией Грина объекта и передаточной функцией измерительного тракта, можно выделить первичный импульс АЭ и по нему оценить размер одиночной трещины. Это подтверждалось однозначным соответствием : числа импульсов - числу трещин (оборванных волокон в композите или вскрытых зернограничных фасеток в керамике), а сумм пиковых амплитуд импульсов -приростам площади трещины.

Приемно-усилительная и регистрирующая аппаратура должны быть согласованы с объектом измерения и по скважности импульсов. Если за время tp разрушается образец поперечным сечением F0, схема регистрации с постоянной времени х не сможет раздельно фиксировать скачки трещины по площади менее чем F~ (τ/tp) F0. При малой скважности импульсов приросты трещины удается измерять по их однозначному соответствию с импульсами АЭ при замедленном разрушении, коррозионном растрескивании, отколе покрытий, предразрушении композитов. Микротрещина - импульсный излучатель звука. Многократные отражения импульса (реверберация) в малогабаритном образце возбуждают широкий спектр его собственных низких частот. Информацию о трещине несет только первый импульс цуга. Его можно выделить по большой крутизне переднего фронта - малому времени нарастания (а при малой скважности и по наибольшей пиковой амплитуде АЭ в цуге).

Регистрировать скачки трещин «в пропорции 1:1» может пьезодатчик (например, демпфированный), не имеющий собственной реверберации или пьезопленка тоньше наименьшей трещины d. Для измерения размера трещин d нужна калибровка установленных датчиков импульсом от независимого источника звука, который должен иметь время нарастания не более, чем первичный импульс от трещины to~ d/c.

Промышленная аппаратура для прогноза разрушения конструкций должна накапливать амплитуды первичных импульсов трещин, отличая их от реверберации, газо- и твердожидкостных шумов и ударов, трения и вибраций конструкции и т.п. Разделение потоков импульсов от этих источников возможно, если оно заранее отработано и заложено в алгоритмы цифровой обработки сигналов, например, реализованных в LabVIEW.

В перспективе, многоканальная аппаратура акустической эмиссии с несколькими ступенями обработки сигналов (как это принято, например, в радиолокации) должна быть способна накапливать для прогноза историю предразрушения объекта контроля, что вполне возможно на современном уровне развития аппаратных и программных средств компьютерных измерительных систем.

..............................................................................................................................