Дополнительный измерительный канал и его настройка

Стенд для измерения вольтамперной характеристики

Введение

Стенд предназначен для измерения вольтамперных характеристик ВТСП-лент.

Измерение производится 4-х-контактным методом, в котором потенциальные контакты подсоединены непосредственно к образцу. Это позволяет избежать влияния сопротивления подводящих проводов и контактов на измеряемое напряжение на образце.

Реализация

Основные компоненты стенда (схема стенда показана на рис.): источник постоянного тока, набор вольтметров, и программа для управления и сбора данных (естественно, работающая на компьютере, к которому подключены приборы). Используются следующие приборы:

· В качестве источника тока использован Agilent 6671A#J08 (основная конфигурация, ток до 300 А). Возможно использование источника Agilent 6680A#J04 (ток до 1000 А), или источника Agilent N5765A (ток до 50 А, малый шаг по току).

· Ток в измерительной цепи определяется при помощи встроенного шунта источника и вольтметра Agilent 34401A. Шунт источника отображает максимальный ток, который может дать источник, на 5 В и нулевой ток на −0.250 В.

· Напряжение на образце измеряется вольтметром Agilent 34420A.

· Для измерения дополнительных величин предусмотрен дополнительный вольтметр Agilent 34420A.

· Для управления приборами используется компьютер с контролёром приборной шины GPIB.

Немаловажным компонентом стенда является программа для автоматизации измерения. В ходе измерения программой выполняется следующие действия (соответственно пропадает необходимость выполнять эти действия вручную):

· Задаёт развёртку тока выдаваемого источником от некоторого минимально до максимального значения с заданным шагом.

· Синхронизирует работу источника и вольтметров.

· Собирает данные с вольтметров.

· Для дополнительного измерительного канала (если таковой включен) пересчитывает измеренное напряжение в единицы преобразователя, подключенного к вольтметру (в соответствии с градуировочной таблицей преобразователя).

Основные параметры стенда (в основной конфигурации):

· Разрешение по измеряемому напряжению на образце: 0.5 мкВ.

· Максимальный ток: 300 А.

· Шаг по току: 0.055 А.

· Оснастка с прижимными контактами на ленту позволяет промерять ВАХ лент длиной от 5 до 10 см и шириной до 1 см.

· Измерение проводится при температуре жидкого азота. Некоторая модификация оснастки и использование дополнительных приборов позволит производить измерения при других температурах и в магнитных полях.

· Результаты измерений сохраняются в файл формата CSV.

Пользовательский интерфейс программы для автоматизации измерения

Главное окно программы содержит элементы управления и индикации.

Элементы управления:

· Кнопка «Run» – запустить/остановить измерение.

· Кнопка «Pause» – приостановить развёртку тока.

· Кнопка «Config…» – перейти к конфигурации.

· Поля для ввода параметров развёртки тока.

Отображаются текущие значения:

· Заданные значения тока и напряжения на измерительной цепи.

· Полученные значения тока и напряжения в цепи (измеренные средствами источника).

· Измеренное значение тока в цепи.

· Измеренное напряжение на образце.

Также отображается измеренная зависимость напряжения от тока на образце. Нажатие на «Save…» и «Clear» позволяет сохранить данные в файл или отчистить буфер с данными.

Настройки

Из основного окна доступна настройка параметров развёртки по току:

· Начальное значение тока, конечное значение тока, шаг по току.

Остальные параметры могут быть настроены из окна с конфигурацией. Настройки разбиты на следующие группы:

· Адреса приборов на шине GPIB. Задаются в формате: «gpib<номер контролёра>::<адрес прибора>». Например: «gpib0::5». Если подключен один контроллёр GPIB, то, вероятно, что его номер равен нулю. Адрес прибора отображается прибором на его консоли сразу после включения, и может быть изменён с консоли прибора.

· «Разрешение» источника по току и по напряжению (то с какой точностью источник может задать значение, плюс, то с какой точностью может измерить). Для обеих величин задаётся два значения: в абсолютных и в относительных единицах. Используются для контроля того, совпадают ли полученные значения тока и напряжения на выходе источника с заданными. Задание значений меньше фактических приведёт к зацикливанию одного из алгоритмов или к ложному срабатыванию индикации разрыва измерительной цепи. Задание значений больше фактических приведёт к потере точности.

· Параметры шунта, используемого для точного измерения тока в цепи. При использовании встроенного шунта источников следует обратить внимание на то, что нулевой ток отображается на ненулевое напряжение (часто на −250 мВ).

· Параметры дополнительного измерительного канала.

· Начальное значение напряжения, и шаг по напряжению. При задании в качестве начального значения напряжения нуля, заданное напряжение будет повышаться во время измерения по мере необходимости. При задании большого значения в начале измерения возможен резкий рост тока (с источником Agilent 6671A#J08 на типичной измерительной цепи получается скачок по току до 20-60 А). Желательно задание в качестве начального значения напряжения величины меньше фактического максимального напряжения, которое источник может выдать, хотя бы на 20-30 шагов по напряжению, иначе возможно ложное срабатывание защиты от зацикливания.

Все настройки, кроме адресов приборов, могут быть изменены во время измерения. Для изменения параметров развёртки тока во время измерения, после их редактирования, требуется нажатие кнопки «Apply».

Приложение. Пример приборонезависимых настроек

Адреса приборов на шине GPIB:

· Адрес источника: «gpib0::5».

· Адрес вольтметра для измерения напряжения на образце: «gpib0::22».

· Адрес вольтметра для измерения напряжения на шунте: «gpib0::24».

Приложение. Приборозависимые настройки для источника Agilent 6671A#J08

Параметры развёртки тока (приведены предельные значения, при необходимости могут быть указаны другие значения):

· Начальный ток: 0 А.

· Конечный ток: 305 А.

· Шаг по току: 0.080 А.

«Разрешение» источника:

· По току: 0.080 А, 0.001 a.u.

· По напряжению: 0.01 В, 0.0004 a.u.

Параметры шунта:

· Напряжение: 5.25 В.

· Ток: 170.56 А.

Начальное напряжение и шаг:

· Начальное напряжение: 0 В (при необходимости может быть указано напряжение до 3 В).

· Шаг по напряжению: 0.002 В.

Примечание. При указании начального напряжения отличного от нуля, программа быстрее начинает измерение (особенно при большом начальном токе), однако, при включении выхода источника случается скачок тока, примерно до 30 А на каждый Вольт на типичной измерительной цепи.

Примечание. Работоспособность указанных приборозависимых настроек проверялась на реальной измерительной цепи на токах до 240 А. Тест на соответствие указанных настроек действительности не проводился.

Приложение. Приборозависимые настройки для Agilent N5765A

Параметры развёртки тока (приведены предельные значения, при необходимости могут быть указаны другие значения):

· Начальный ток: 0.110 А.

· Конечный ток: 50 А.

· Шаг: 0.002 А.

Разрешение:

· По току: 0.002 А, 0.0002 a.u.

· По напряжению: 0.001 В.

Параметры шунта:

· Напряжение: 4.989 В.

· Ток: 50 А.

Примечание. Проводился формальный тест на разрешение источника. Работоспособность с приведёнными значениями не проверялась.

Дополнительный измерительный канал и его настройка

Дополнительный измерительный канал позволяет во время измерения вольтамперной характеристики контролировать вторичные величины, например, температуру или напряженность магнитного поля на образце. Измерение производится при помощи преобразователя соответствующей величины, вольтметра, измеряющего напряжение на этом преобразователе, и, при необходимости, некоторых других приборов.

В программе настраиваются: включенность канала, адрес вольтметра на шине GPIB, путь к файлу с таблицей для пересчёта измеренных вольт в естественные единицы преобразователя (т.н. градуировочной таблицы).

Для представления градуировочной таблицы используется файл формата CSV. В первой строке указывается название столбцов, название заключается в кавычки, разделитель между столбцами – запятая. В последующих строках узловые точки. В первом столбце напряжение (в Вольтах). Во втором единицы естественные для преобразователя, в которые надо пересчитать. Количество узловых точек: хотя бы две. Не должно быть избыточных данных.