Преобразователь действующего значения электрических сигналов

 

О П И С А Н И Е

Союз Советскик

Социалистических

Республик (щ1 ОО4897

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09. 10. 81 (2>) 3346846/18-21 с присоединением заявки Nо— (23) Приоритет—

Опубликовано 150383. Бюллетень М10

Дата опубликования описания 1503.83 М К з

G 01 R 19/02

Государственный комитет

СССР ио делам нзо6ретений и открытий

t 3) УДК 62 1. 317 . (088. 8) (72) Авторы изобретения

Ю.С.Мальцев и В.Д.Шевченко

1 и

Омский завод электрических точных приборов

<, г" (71) Заявитель (5 4 ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕЙСТВУЮЩЕГО 3 НАЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к электро- измерительной технике и предназначено для использования в цифровых измерителях напряжения тока и мощности, работающих при высоких частотах входных сигналов.

Известен преобразователь действующего значения электрических сигналов с квадратичной функцией преобразования, выполненный на основе термоэлектрического компаратора и установлен- ного на его выходе усилителя (1).

Недостаток известного устройства заключается в крайне узком динамическом диапазоне преобразуемых сигналов,15 ограниченном допустимой температурой разогрева составных элементов термоэлектрического компаратора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь действующего значения электрических сигналов, содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подключен к выходу входного ключа, первым датчиком температуры, выход которого соединен с одним из входов усилителя, и охладителем, установленным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, размещенный вне полости термо- З0 электрического компаратора и связанный выходом с другим входом усилителя, два блока памяти, сигнальные входы которых подключены к выходу усилителя, а выходы — к входам ооответственно охладителя и индикатора, ключ обратной связи, установленный между входами индикатора и нагревателя, блок синхронизации, выходы которого соединены с управляющими входами ключей и блоков памяти 1,2).

Недостаток данного устройства определяется узким динамическим диапа% зоном преобразуемых сигналов.

Для расширения динамического диапазона в сторону увеличения уровня входных сигналов необходимо применять охладитель большой охлаждающей мощности, т.е. увеличивать геометричес. кие размеры охладителя. Это приводит к снижению чувствительности термоэлектрического компаратора вследствие уменьшения теплового сопротивления нагревателя относительно окружающего пространства. Крове того, величина чувствительности ограничивается конечным тепловым сопротивлением выводов нагревателя и датчика температуры.

Для расширения динамического диапаэона в сторону уменьшения уровня

1004897 входных сигналон необходимо уменьшить геометрические размеры охладителя с целью увеличения теплового сопротивления этих элементов. При этом уменьшается максимальная охлаждающая мощность, выделяемая охладителем, что снижает верхнюю границу динамического диапазона. Таким образом, в известном устройстве воэможности расширения динамического диапазона обычными конструктивными мероприятиями весьма 10 ограничены.

Бель изобретения — расширение динамического диапазона преобразуемых сигналов °

Поставленная цель достигается 15 тем, что преобразователь действующего значения электрических сигналов, . содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подключен к общему входу преобразова- 2р теля, первым датчиком температуры, выход которого соединен с входом усилителя, и охладителем, установленным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, 25 снабжен дополнительным усилителем, а в полость термоэлектрического компаратора введены дополнительный охладитель и второй датчик температуры, причем оба датчика температуры выпол-30 нены дифференциальными, включенными между рабочими поверхностями соответственно основного охладителя и обоих охладителей, вход дополнительного усилителя подключен к выходу втоРого датчика температуры, а выход — к входу основного охладителя и общему выходу преобразователя, вход дополнительного охладителя соединен с вы ходом основного усилителя.

Кроме того, в термоэлектрическом компараторе выполнены тепловые "контакты нагревателя с первой рабочей поверхностью основного охладителя, второй рабочей поверхности основного охладителя — с первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя, второй рабочей поверхности дополнительного охладителя — с окружающей средой, чувствительных элементов первого датчика температуры — с рабочими поверхностями, основного охладитвля, чувствительных элементов дополнительного датчика температуры — с первой рабочей поверхностью основного охладителя и второй рабочей поверхностью дополнительного охладителя, а .оболочка, охватывающая нагреватель, основной охладитель, первый датчик температуры и один из чувствительных 1 элементов второго датчика температуры 60 выполнена теплопроводящей и установлена в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью основного охладиселя и первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя., 65

На фиг.1 представлена структурнas: схема предложенного преобразователя действующего значения электрических сигналов; на фиг.2 — констуктивное построение термоэлектрического компаратора. устройство содержит термоэлектри- ческий компаратор 1 (фиг.1), основной усилитель 2 и дополнительный усилитель 3. Первый вход термоэлектрического компаратора 1 (.клеммы 4 и 5) является общим входом преобразовате ля, его первый выход (клеммы 6 и 7) соединен с входом усилителя 2, а второй выход (клеммы 8 и 9) — с входом усилителя 3. Выход последнего подключен к второму входу термоэлектри:ческого компаратора 1 (клемм 10 и

11), третий вход которого (клеммы 12 и 13) соединен с выходом усилителя 2.

-Выходными клеммами 14 и 15 преобразователя являются выводы обоих усилителей.

Термоэлектрический компаратор 1 включает в себя нагреватель 16 (фиг.2), первый (основной) и второй (дополнительный) охладители, а также дифференциальные датчики температуры 17 и 18.

Первый охладитель состоит из двух полупроводниковых элементов 19 разной проводимости (и -типа и р -типа), присоединенных пайкой к металлическому покрытию, нанесенному на теплопроводящую подложку 20. Вторые выводы по" лупроводниковых элементов 19 присоединены пайкой к металлическим электродам 21, нанесенным на теплопроводящие подложки 22, Электроды 21 служат для подключения первого охладителя к цепи питания. Теплопроводящая подложка 20 выполняет функции первой рабочей поверхности первого охладителя, а теплопроводящие подложки 22 выполняют функции его второй рабочей поверхности.

Второй охладитель состоит из двух полупроводниковых элементов 23 разной проводимости, присоединенных пайкой к металлическому покрытию, нанесенному на теплопроводящие подложки 24. Вторые выводы полупроводниковых элементов 23 присоединены пайкой к металлическим электродам 25, нанесенным на теплопроводящие подложки 26. Электроды 25 служат для подключения второго охладителя к цепи питания. Теплопроводящие подложки 24 имеют тепловой контакт с теплопроводящей оболочкой

27 (например приклеены к ней теплопроводным клеем).

Полупроводниковые элементы 19 первого охладителя имеют между собой ,электрический контакт через металлическое покрытие, нанесенное на теплопроводящую подложку 20. Электроды 21 электрически изолированы от оболочки

1004897

27 теплопроводящнми подложками 22.

Полупроводниковые элементы 23 второго охладителя имеют между собой электрический контакт, выполненный проводником 28, соединяющим металлическое покрытие, нанесенное на теплопро- 5 водящие подложки 24. Электрорпы 25 электрически изолированы от теплопроводящей оболочки 29 теплопроводящими подложками 26.

Нагреватель 16 размещен на тепло- 10 проводящей подложке 20, его выводы соединены с клеммами 4 и 5. Датчик 17 температуры установлен так, что один его чувствительный элемент имеет тепловой контакт с первой рабочей по- 15 .верхностью первого охладителя (с теплопроводной подложкой 20), а второй чувствительный элемент — с второй рабочей поверхностью того же охладителя (c теплопроводящей подложкой 22) . 70

Датчик 18 температуры установлен так, что один его чувствительный элемент имеет тепловой контакт с первой рабочей поверхностью первого охладителя (тенлопроводящей подложкой 20), а второй чувствительный элемент — co второй рабочей поверхностью того же охладителя (с теплопроводящей подложкой 26).

Теплонроводящая оболочка 27 охва- 30 тывает нагреватель 16, первый охладитель (элементы 19, 20 и 22)„датчик

17 температуры и один из чувствительных элементов датчика 18 температуры.

Элементы 22 первого охладителя и эле-35 менты 24 второго охладителя имеют тепловой контакт с оболочкой 27 (например, приклеены к ней), следовательно, первая рабочая поверхность второго охладителя имеет тепловой 40 контакт с оболочкой 27 и со второй рабочей поверхностью первого. охладителя. Теплопроводящие подложки 26 второго охладителя имеют тепловой контакт с теплопроводящей оболочкой

28 (например, приклеены к оболочке

29), служащей теплоотводом для второй рабочей поверхности второго ох.ладителя.

Выводы нагревателя 16 соединены с клеммами 4 и 5, служащими первым входом термоэлектрического компаратора 1, выводы цепи питания первого охладителя (электроды 21) подключены к клеммам 10 и 11 и служат вторым 55 входом компаратора 1, а его третий вход с клеммами 12 н 13 составляют выводы цепи питания второго охладителя (электроды 25). Выводы датчика

17 температуры соединены с клемма- 60 ми 6 и 7, служащими первым выходом терьюэлектрического компаратора 1, а выводы датчика 18 температуры подключены к клеммам 8 и 9 и служат,.вторым выходом компаратора 1. 65

Нагреватель 16 представляет собой рези стивный элемент, выполненный методами тонкопленочной технологии на теплопроводящей подложке 20. Дифференциальный датчик 17 температуры выл полн ен в ви,-це двух термопар, включенных встречно-последовательно. Дифференциальный датчик 18 температуры.по конструкции аналогичен датчику температуры 17. Элементы 19 и 23 первого и второго охладителей выполнены из полупроводникового материала на основе сплавов 812те3, 5Ь ТС . Охладители представляют собой термоэлектричес-, кие элементы, рабочие поверхности которых при пропускании тока, согласно эффекту Пельтье, охлаждаются или нагреваются в зависимости от направления тока. Теплопроводящие подложки

20, 22, 24 и 26 изготовлены из окиси бериллия.

Усилители 2 и 3 выполйены по стандартным схемам усилителя постоянного тока с дифференциальным входным каскадом. Выходные каскады усилителей и 3 могут быть построены в виде широтно-импульсных модуляторов также по одной из стандартных схем.

Устройство работает следующим образом.

Входной электрический сигнал 3 S>, поступающий на клеммы 4 и 5 термоэлектрического компаратора 1, разогре. вает нагреватель 16, что приводит к изменению выходного сигнала датчика температуры .17, выходной сигнал которого с клемм 6 и 7 поступает на вход усилителя 2. Выходной сигнал усилителя 2 подводится к клемме 12 и 13, т.е. в цепь питания второго охладителя, автоматически поддерживая тем самым равенство нулю выходного сигнала датчика 1? температуры (равенство температур теплопроводящих подложек.20, 22 и 24).Одновременно выходной сигнал датчика 18 температуры с клемм 8 и 9 поступает иа вход усилителя 3. Выходной .сигнал последнего подводится к клеммам 10 и 11, т.е. в цепь питания первого охлади1 теля, автоматически поддерживая тем самым равенство нулю выходного сигнала датчика температуры (равенство температур теплопроводящих подложек

20 и 26).

Так как в установившемся режиме выходные сигналы датчиков 17 и 18 температуры равны нулю, то температуры теплопроводящих подложек 20, 22, 24 и 26 оказываются равными друг другу и температуре окружающей среды (вследствие теплового контакта тепло-. проводящей порожки 26 с окружающей средой). При этом тепловая мощность, выделяемая нагревателем 16, полностью поглощается охлаждающей мощностью, 100 4897

7щ1> 2 где И1 > и2

7щ. = 7щ = сопз+1

40 то

72 Р„К ех 3 и1- 4ий где

К17 1F =IMOS+, 45

Формула изобретения

50 выделяемой первым и вторым охладителями, т . е . можно записать

7 К=К 3 =К

8х 1 выход 2 вых2

5 где Й вЂ” сопротивление нагревателя 16;

К1, К вЂ” коэффицие нты, учитывающие термоэлектрическую эффективность материала элемен- 10 тов охладителей;

7 „,Э „ ; значения токов в выходных цепях усилителей 2 и 3.

Таким образом, ток в выходных цепях усилителей 2 и 3 является пропорциональным квадрату действующего зна- 15 чения входного сигнала преобразователя. Выходными сигналами преобразователя могут служить либо токи в выходных цепях усилителей 2 и 3, либо напряжения в этих цепях (клеммы 14 20 и 15) °

Если применять в усилителях 2 и 3 выходные каскады, выполненные в виде

ШИМ-модуляторов, то для установившегося режиМа можно загисать 25

78х K„j „t qF=Kg3mgtvgF1 амплитуды импульсов З0 на выходе усилителей 2 и 3, длительности импульсов на выходе усилителей 2 и 3; З5 частота.

Поскольку для широтно-импульсного модулятора

К - К27 пд F= сОПМ.

В этом случае выходными параметра ми преобразователя являются длитель" ности импульсов на выходах усилителей 2 и 3.

В процессе работы преобразователя разность температур между рабочими поверхностями первого и второго охладитЬлей постоянно поддерживается равной нулю, что равносильно повышению эквивалентного теплоного сопротивления элементов. первого охладителя.

Это позволяет выполнить элементы обоих охладителей с достаточно большими геометрическими размерами (выполнить охладители достаточно большой охлаждающей мощности), что дает возможность расширить динамический диапазон преобразуеьих сигналов в сторону высоких значений сигналов, не опасаясь 65 уменьшения чувствительности устройства.

Наличие в термоэлектрическом компараторе 1 теплопроводящей оболочки

27, охватывающей нагреватель 16, первый охладитель (элементы 19, 20 и 22), датчик 17 температуры и один из чувствительных элементов датчика 18 температуры, имеющей тепловой контакт со второй рабочей поверхнОстью первого охладителя и первой рабочей поверхностью второго охладителя, дает нозможность автоматического поддержания вокруг охватываемих ею элементов нулевого перепада температур. При этом выводы нагревателя 16 и датчиков 17 и

18 температуры, проходящие через теплопроводящую оболочку 27, а также элементы первого охладителя не создают дополнительной теплопроводности нагревателя 16 относительно окружающей среды,т.е. не уменьшают чувствительности термоэлектрического компаратора 1 и всего преобразователя н целом.

Вследствие автоматического поддержания нулевого перепада температур между отдельными конструктивными элементами, удалось существенно увеличить эквивалентное тепловое сопротивление, что позволило повысить чувствительность термоэлектрического > компаратора 1 и расширить тем самым динамический диапазон преобразуемых сигналов н сторону малых уровней, и значительно увеличить сечение элементон охладителя (увеличить мощность охладителя) и,расширить тем самым ди4амический диапазон преобразуемых сигналов в сторону больших уровней.

В предложенном устройстве при наличии в неустановившемся режиме даже небольшого разбаланса между нагревающей и охлаждающей мощностями имеет место появление сигнала на выходе датчика 18 температуры; линейно уве- личивающегося во времени. Это позволяет использовать данное устройство для преобразования весьма малых входных сигналов.

1. Преобразователь действующего значения электрических сигналов, содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подключен к общему входу преобразонателя, первым датчиком температуры, выход которого соединен с входом усилителя, и охладителем, установленным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, о т л и чающий с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона преобразуемых сигналов, он снабжен дополнительным усилителем, а в полостb термоэлектрического компарато100489-7

10 ра введены дополнительный охладитель и упомянутый второй датчик теМпературы, причем оба датчика температуры выполнены дифференциальными, включенными между рабочими поверхностями соответственно основного охладителя и обоих охладителей, вход дополнительного усилителя подключен к выходу второго датчика температуры, а выход - к входу основного охладителя и общему выходу преобразователя, вход дополнительного охладителя соединен с выходом основного усилителя.

2. Преобразователь по п.1, о т л ичающий с я тем, что в термоэлектрическом компараторе выполнены 35 тепловые контакты. нагревателя с первой рабочей поверхностью основного охладителя, второй рабочей поверхности основного охладителя — с первой рабочей поверхностью дополнительного рц охладителя, второй рабочей поверхности дополнительного охладителя - с окружающей средой, чувствительных элементов первого датчика температуры — с рабочими поверхностями основного охладителя, чувствительных зчементов дополнительного датчика температуры — с первой рабочей поверхностью основного охладителя и второй рабочей поверхностью дополнительного охладителя, а оболочка, охватывающая нагреватель, основной охладитель, первый датчик температуры и один из чувствительных элементов второго датчика температуры, выполнена теплопроводящей и установлена в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью основного охладнтеля и первой рабочей поверхностью дополнительного охл адителя .

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Волгин Л.И. Измерительные пре-. образователи переменного напряжения в постоянное. й., "Советское радио", 1977, с. 108-110, рис. 3 ° 4а.

2. Авторское свидетельство СССР

Р бб1372, кл. G 01 и 19/02, 1977.

1004897 и . 2

Составитель Л.Морозов

Редактор Н.Воловик Техред Е.Харитончик Корректор В.Бутяга

Заказ 1875/56 Тирам 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб., д.4/5

Филиал ППП "Пагент", r.Óêãîðoä, ул.Проектная, 4