CC BY
133
Доросинский А. Ю., Андреев В.И. СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРЕЦИЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Разработка и совершенствование резисторов и резисторных компонентов продолжает развиваться как в нашей стране, так и за рубежом. Ведущие фирмы производители пассивных электронных компонентов повышают тактико-технические и метрологические характеристики своих изделий, открывая тем самым возможность повышения точности и надежности устройств, в состав которых они входят, а также для обеспечения рынка сбыта своей продукции, что является вполне оправданным в условиях существующей рыночной экономики.
Измерительные системы как инструмент развития производства
Улучшение характеристик неизбежно связано с необходимостью проведения целых комплексов трудоемких измерений различных технических параметров. Само понятие «измерение» говорит о том, что для этой цели используются измерительные приборы, точностные и эксплуатационные характеристики которых также должны повышаться с повышением требований предъявляемых к резистивным элементам и к обеспечению их производства.
По этой причине крупные фирмы производители, такие как «Vishay» тратит в год до 1 миллиона долларов на техническое переоборудование измерительного парка. Такая же тенденция, правда, в значительно меньших объемах, характерна и для отечественных предприятий. Однако далеко не во всех случаях, закупка новых стандартных измерительных устройств оказывается решением проблемы измерений того или иного параметра, когда речь идет о больших количествах совместных и совокупных измерений, для выполнения которых необходимо задействовать целые группы однородных или разнородных приборов или специально разработанные вспомогательные устройства. Данный подход имеет ряд недостатков, к которым относятся: проблемы согласования устройств; неудобство управления, исключение возможности автоматизации процесса измерений и.т.д.
Учитывая вышеперечисленные недостатки, во многих случаях целесообразно использовать специально
разработанные системы, ориентированные на выполнение какой-либо определенной измерительной задачи, реализуемые в виде программно-аппаратного измерительного комплекса.
Для обеспечения собственного производства многие предприятия, работающие в области резисторо-строения, ведут работы по разработке прецизионных контрольно-измерительных систем, которые активно применяются практически на всех этапах производства, начиная от научных исследований и заканчивая этапами выходного контроля.
Для того чтобы наиболее полно отразить весь спектр проблем, связанных с обеспечением производства прецизионных резисторов и их метрологического обеспечения разберемся в номенклатуре, особенностях и сферах применения резисторов и резистивных компонентов.
В соответствии с классификацией предложенной в работах [1-2] резисторы и резисторные компонен-
ты в зависимости от конструктивного исполнения подразделяются на:
- постоянные резисторы;
- переменные резисторы;
- терморезисторы;
- наборы резисторов;
- комбинированные резистивные компоненты.
По характеру изменения сопротивления все резисторы подразделяются на постоянные и переменные. Последние, в свою очередь, делятся на подстроечные, регулировочные резисторы и потенциометры.
Постоянные резисторы имеют фиксированное сопротивление, которое в процессе эксплуатации не регулируется. Переменные резисторы допускают изменение сопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре, посредством перемещения контактной пружины по резистивному элементу, которое может обеспечиваться за счет различных кинематических схем, которые, например, для керметных резисторов приведены в статье [3].
Классификация показывает, что существует достаточно обширная номенклатура изделий и естественно, что каждое отдельно взятое из них имеет свои характеристики, нуждающиеся в измерении и контроле.
Параметры определяющие «прецизионность» резистора
Когда речь идет о прецизионности изделий в широком смысле этого слова, то «прецизионность» понимается, как способность воспроизводить какую-либо метрологическую характеристику с высокой степенью точности.
Среди основных параметров резисторов подлежащих измерению [4-6], можно выделить параметры значения и характеристики которых позволяют говорить о «прецизионности» изделия (таблица 1).
Таблица 1 - Основные точностные параметры прецизионных резисторов
Параметр Характер изменения сопротивления Краткое описание
Постоян- ные Перемен- ные
Относ. отклонение сопротивления, % + + Определяет процентное отклонение действительного сопротивления от номинального значения
Уровень собственных шумов, мкВ/В + + Характеризует отношение напряжения шума к приращению напряжения резистора на 1 В
Температурный коэффициент сопротивления, °С-1 + + Характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры окружающей среды на 1 °С
Нелинейность характеристики, % + Показывает относительное отклонение функциональной характеристики от линейного закона
Разбаланс сопротивления, дБ + Определяет относительное отклонение сопротивлений друг относительно друга
Напряжения и сопротивления шумов перемещения, В (Ом) + Характеризует максимальное отклонение напряжения (сопротивления) от номинала при перемещении подвижного контакта
В некоторых случаях в качестве подобных характеристик могут выступать: изменение сопротивления под воздействием импульсной нагрузки; асимметрия токов; плавность изменения функциональной характеристики (ФХ) и т.д.
Если речь идет об изделиях обладающих невысокими требованиями по точности воспроизведения или поддержания номинального значения параметра при заданных условиях окружающей среды, то построение измерительных систем как правило не вызывает трудностей. Серьезные проблемы, связанные с разра-
боткой контрольно-измерительных систем возникают при необходимости выполнения измерений с высокой точностью. Это характерно для точностей, когда на измерении сказывается весь спектр наличия инструментальных, субъективных и методических погрешностей.
Исходя из этого, разработка подобных систем ориентированных на измерение характеристик прецизионных изделий требует, зачастую, изобретательского творчества, а также научной проработки, для поиска решений существующих проблем.
И несмотря на то, что номенклатура систем, их состав и комплекс выполняемых задач может быть самым различным, существуют определенные требования при соблюдении и выполнении которых систему можно считать оптимальной, т.е. в наибольшей степени удовлетворяющей требованиям метрологического обеспечения определенной области производства.
Основные концепции построения систем измерения
Авторами данной статьи была предпринята попытка сформулировать основные требования, которым должна удовлетворять система измерения параметров прецизионных изделий (Рисунок 1) .
Рисунок 1 - основные требования предъявляемые к измерительной системе
Таким образом, качество системы в смысле наиболее лучшего обеспечения возлагаемых на нее функций зависит от полноты четырех свойств.
Попробуем разобраться в особенностях данных свойств более подробно.
Под «функциональностью» понимается проработка вопросов трех типов:
- полнота измерений, т.е. выполнение наиболее полной номенклатуры требуемых измерительных задач;
- проработка вопросов касающихся простоты и удобства подключения и контактирования измеряемого объекта с системой;
- получение измерительной информации в виде удобном для обработки и принятия решений.
Наиболее полное удовлетворение системы данному свойству говорит о степени автоматизации измерений и удобстве использования системы в измерительном процессе.
Свойство «прецизионности» неразрывно связано с:
- выбором метода обеспечивающего методическую составляющую погрешности, удовлетворяющую требованиям точности, предъявляемым к системе;
- выбором стандартных и разработкой нестандартных измерительных компонентов (узлов) удовлетворяющих требованиям к инструментальной составляющей погрешности измерений;
- согласованием узлов по входным и выходным импедансам, а также диапазонам информативной составляющей сигнала;
- обеспечение требований к вычислениям и вычислительным ресурсам (разрядность переменных, алгоритм вычислений и т.д.) ;
- исключение неоднозначности считывания измерительной информации.
«Достоверность» является свойством опосредованным, как бы вытекающим из свойства прецизионности, но тем не менее может быть выделено отдельно, поскольку оценка достоверности с развитием вычислительных систем и систем передачи информации по цифровым каналам занимает одно из главных мест при оценке качества, работоспособности и надежности системы.
Достоверность как свойство, определяет степень возможности получения ошибочной информации, даже в тех случаях, когда система удовлетворяет требованиям по «прецизионности». Здесь речь идет о случайных ошибках и промахах, источником которых может быть вычислительный алгоритм программы, цифровая линия передачи данных, реже измерительное устройство. Таким образом, обеспечение требований по достоверности заключается в подтверждении факта отсутствия случайных ошибок и промахов в измерениях за некоторый промежуток времени.
Последнее свойство «аттестуемость» заключается в возможности проверки метрологических характеристик установки стандартными измерительными средствами с утвержденным типом и присутствующими в перечне государственного реестра средств измерений РФ. Проверка может иметь любой юридический статус (поверка, калибровка, аттестация). Причем допускается как поэлементная проверка, так и проверка всей системы в целом. Наличие данного свойства особенно важно, когда система работает на этапах входного и выходного контроля, а также при проведении приемо-сдаточных или других видов испытаний, поскольку при данной процедуре допускаются к использованию средства имеющие документ о государственной поверке, калибровке или аттестации (в случае испытательного оборудования).
Неотступно следуя вышеописанным требованиям при проектировании контрольно-измерительных систем, за последние несколько лет ФГУП «НИИЭМП» были созданы уникальные системы для контроля практически всех параметров и характеристик (см. таблицу 1).
Ограниченный объем статьи не позволяет рассказать про системы измерения каждого из них, поэтому остановимся на системах контроля тех параметров, оценка которых связана с определенными трудностями, как об удачных решениях максимально удовлетворяющих основным требованиям, предъявляемым к подобным системам (см. рисунок 1).
Система измерения ООС и ТКС
В целях автоматизации процесса измерений, а также повышения точности и достоверности была разработана установка РУКЮ.411212.018 для измерения относительной разности сопротивлений с целью определения относительного отклонения сопротивления (ООС) от номинального значения и выполнения совместных измерений сопротивлений и температуры с целью определения ТКС постоянных сверхпрецизи-онных эталонных резисторов [8].
Структурная схема, поясняющая работу измерительной части установки приведена на рисунок 2.
Термостат
(термокамера)
ДТ
БКИ
Компаратор сопротивлений „ РЗ015 „
ПК
МЭС
ДТ - датчик температуры; МЭС - мера электрического сопротивления; БКИ - блок комбинированный измерительный; ПК - персональный компьютер Рисунок 2 - Структурная схема системы
Как видно из структурной схемы в основу работы установки заложен способ измерения ООС резистора Rx и меры электрического сопротивления (МЭС) Rm с помощью компаратора сопротивлений P3015 с модернизированным интерфейсом передачи данных. Температурное воздействие формируется посредством специально разработанной камеры тепла и холода «Климат АС-2», обеспечивающей полное программное управление от ПК.
Измерительная информация считывается специально разработанным БКИ и передается в ПК. В БКИ реализована схема измерения температуры в рабочем объеме камеры «Климат АС-2» с применением измерительного преобразователя. Измеренное значение температуры также передается в ПК.
Свойство прецизионности здесь достигается путем перехода от измерений абсолютных значений сопротивлений к относительным на основании формулы:
5R - — 5R н
а =------------—
Х (- — -и)' 100
где 5R- - относительное отклонение сопротивления при заданной температуре t;
5R и - относительное отклонение сопротивления при номинальной температуре.
Анализируя выражение видно, что, пользуясь относительными величинами сопротивления измерение ТКС можно выполнять, со значительно большей точностью.
Основные технические характеристики установки представлены в [8].
Измерение ООС от номинального значения резисторов проводится одним из методов: дифференциальным методом с применением компаратора сопротивлений и эталонной меры; методом замещения (разновременным компарированием) с применением компаратора сопротивлений, эталонной меры и вспомогательной меры.
Установка обеспечивает выполнение в автоматическом режиме следующих операций: групповые измерения;
математическую обработку результатов измерений; документирование результатов измерений в виде протокола.
Для управления, сбора и обработки данных была разработана пользовательская программа.
В данной программе реализованы следующие режимы работы:
- измерение ООС;
- измерение ТКС.
Данная программа позволяет проводить многократные измерения ООС и ТКС в автоматическом режиме (полностью, исключая возможность субъективных погрешностей и ошибок), проводить математическую обработку результатов, выполнять расчет основных параметров, а также документировать результаты, формируя их в виде отчета в стандартном файле Microsoft Excel.
Система была аттестована и внедрена в производство. Ее применение позволило значительно снизить временные затраты на выполнение измерений (до 40%), а также повысить достоверность за счет исключения субъективных ошибок вызванных человеческим фактором. Установка может использоваться как при контроле качества продукции на выходном контроле, так и в ходе технологического процесса. Система измерения плавности ФХ
Плавность изменения сопротивления является субъективным параметром, определяемая в [4] как монотонное изменение сопротивления переменного резистора при перемещении его подвижной системы. В [5] регламентирован метод проверки плавности, который заключается в визуальном контроле плавности перемещения стрелки аналогового омметра, подключенного к резистору при равномерном перемещении подвижного контакта, последнего. Существенным недостатком этого метода является отсутствие возможности его автоматизации, поскольку однозначного критерия для плавности изменения сопротивления в настоящий момент не существует.
В теории математического анализа отсутствует такое понятие как плавность. Но в [9] указывается, что плавность есть то же самое, что и монотонность. В [10] раскрывается понятие монотонности функции в следующей формулировке: действительная функция f(x) действительного переменного x строго монотонна на интервале I, если она на нем определена и если для любых двух точек xi и x2 интервала I либо из Xi<X2 всегда следует f (xx ) < f(x2 ) (возрастающая функция), либо же из Xi>X2 всегда следует f (xi)> f (x2 ) (убывающая функция).
Строгое применение данного критерия осложняется неизбежным присутствием шумовой составляющей в функциональной характеристике. Поэтому необходима разработка нового критерия на основе существующих математических методов, удовлетворяющего вышеописанным требованиям.
На рисунке 3 представлена классификация методов пригодных для решения данной проблемы.
Рисунок 3 - методы оценки монотонности
Статистические методы пригодными для оценки монотонности ФХ являются методы описаны в [11] . Недостатком данных методов является необходимость в достаточно больших объемах памяти для хранения информации, а также низкая чувствительность к кратковременным разрывам функции.
Под спектральными методами объединены методы, основанные на оценке разложения по стандартным базисам функций Фурье, Лаггера, Эрмита, Лежандра, Чебышева, вейвлет-функций и.т.д. Применение данных методов требует больших вычислительных ресурсов, но может быть оправдано в том смысле, что может позволить составить четкую и математически обоснованную модель монотонности.
Под методами оценки на основе адаптивных границ понимаются методы, основанные на сравнении ФХ с некоторым номинальным пороговым значением. Достоинство данных методов заключается в простоте реализации. Недостаток же заключается в отсутствии критерия для формирования адаптивных границ, в пределах которых функция преобразования может рассматриваться как монотонная.
Альтернативу классическим методам составляют методы, основанные на аппарате нечеткой логики [12] и теории распознавания образов [13] . Применение теории нечетких множеств для решения подобной задачи, является оправданным лишь в том смысле, что объект контроля (в данном случае ФХ) не имеет достаточно четкого математического описания. Более того, аппарат нечеткой логики позволяет ввести количественную оценку монотонности, однако, вычислительный ресурс при реализации данного подхода также должен быть значительным.
Подробный анализ вышеописанных подходов показал, что наиболее приемлемым оказался метод назначения адаптивных границ с помощью функции скользящего окна.
Передаточная характеристика скользящего фильтра описывается выражением:
П 7*
н (2 •
I =1 П
где 2 - оператор Е-преобразования;
п - количество усредняемых значений.
Таким образом, нетрудно увидеть, что модуль, реализующий данную функцию, является фильтром нижних частот. Выбирая временное окно достаточно большим, т.е. усредняя большое количество значений можно получить относительно гладкую функцию Г, лишенную высокочастотных составляющих. Ее можно использовать как граничное значение, смещенное относительно измеряемой кривой на некоторую величину £, которую можно нормировать в виде процентного отклонения от номинального значения сопротивления.
На основании вышесказанного принятие решения можно описать следующей зависимостью:
/ \ Г функция плавна, если Г1-(1 ~С — КХ — + С
[функциянеплавна, если Г{_й—£> КхА >Гi_d+¿Г,
где d - есть величина смещения, обусловленная запаздыванием усредненного значения.
Величина d выбирается так, чтобы функция находилась симметрично относительно границ.
Данная реализация выгодна тем, что привязка к начальной и конечной точкам ФХ не требуется, поскольку граница будет сама отслеживать форму ФХ при достаточно большом значении усреднения. Более того, подобный подход обладает гибкостью в настройке под конкретное производство, путем выбора
параметров из множества значений Щ и . Вопрос о назначении количества контролируемых точек
основывается на минимизации вероятности пропуска участка нарушения монотонности.
Данный критерий нашел практическую реализацию в установке для оценки параметров подстроечных резисторов ИПР-20-1Д.
Помимо плавности установка предназначена для измерения комплекса параметров таких как:
- отклонение полного сопротивления от номинального значения;
- минимальное сопротивление;
- сопротивление начального скачка;
- плавность изменения сопротивления по диапазону.
Технические характеристики установки представлены в таблице 2.
Таблица 2 - технические характеристики установки ИПР-02-1Д
Название характеристики Значение
Диапазон измерений сопротивлений, Ом от 10 до 106
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения сопротивления при контроле полного сопротивления, %: <—і +1
диапазон значений процентных отклонений, % ± 8.5; ± 9; ± 18.5; ± 19
Контрольные значения для минимального сопротивления, Ом для Кном-4.7 кОм 5 о
для Кном>4.7 кОм 0.5
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения минимального сопротивления, %: ± 10
Контрольные значения для минимального сопротивления, % для Кном-4.7 кОм <—1 +1
для Кном>4.7 кОм СТЇ +1
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения начального скачка, %: + о
Цикл вращения вала подвижной системы резистора от упора до упора и обратно, с 16 + 0.5
Количество одновременно контролируемых резисторов, шт 10
Устройство перемещения представляет собой станину с набором подвижных отверток, которые при опускании ручки совмещаются с шлицом подвижного контакта резистора. Устройство контактирования, где предусмотрены посадочные места под резисторы, является сменным, что позволяет одновременно производить установку резисторов на одном контактном устройстве и измерение их параметров на другом.
Данная установка допускает подключения к ПК через стандартный интерфейс, для осуществления визуального контроля плавности, а также настройки системы.
Данная установка была внедрена в производство переменных резисторов типа СП3-19, что позволило автоматизировать процесс испытаний.
Выводы
В заключение хотелось бы отметить, что внедрение систем контроля параметров особенно в производство прецизионных резисторов, является в полной мере оправданным, т.к. их использование дает положительный экономический эффект, за счет:
- автоматизации процесса проведения измерений, позволяя сократить время на проведение измерений и сокращая степень субъективных ошибок за счет человеческого фактора;
- обеспечения необходимой точности при невозможности ее достижения стандартными средствами;
- возможности проведения комплексной аттестации системы, что в некоторых случаях значительно дешевле в случае комплекса отдельно взятых стандартных приборов.
Литература
1. Недорезов В.Г. Пассивные электронные компоненты. Обзор по резисторам. // Электронные компоненты: М., №3, 2006, с.113
2. Недорезов В.Г. Резисторы и их классификация. // Сборник докладов Международного симпозиума «Надежность и качество 2006» Пенза ПГУ, 2006, с.150
3. Недорезов В.Г. Подстроечные керметные резисторы. Часть 2 // Электронные компоненты: М., №6, 2005, с. 132-134.
4. ГОСТ 21342-75 Резисторы. Методы измерения электрических параметров. Общие положения.
5. ГОСТ 21342.2-75 Резисторы переменные. Метод проверки плавности изменения сопротивления.
6. ГОСТ 21414-75 Резисторы. Термины и определения
7. ГОСТ 8.002-86. Государственная система обеспечения единства измерений. Организация и порядок проведения поверки, ревизии и экспертизы средств измерений
8. М.Н.Березин, А.Ю.Доросинский. Методика, средства и программное обеспечение измерении сверх-прецизионных резисторов./ Надежность и качество. Труды международного симпозиума в 2-х томах. Том 2. Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. Ун-та, 2008.
9. ОСТ 11 0011-85 Резисторы переменные. Общие технические условия.
10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., 1977 ,
832 с, ил.
11. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ. М., 1974 г.,
4 64 с, ил.
12. Батыршин И.З. Основные операции нечеткой логики и их обобщения. - Казань: Отечество, 2001, 10 0 с., ил.
13. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001, 382 с.
