Способ возведения в квадрат электрических сигналов

 

СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ В КВАДРАТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, включающий преобразование входного .сигнала в тепловой поток, преобразование опор5 4 ного сигнала в охлаждающий поток, суммирование теплового и охлаткдающего потоков и регулирование опорного сигнала до равенства суммарного тепловото потока нулю, при этом по величине опорного сигнала определяют квадрат входного сигнала, о т.л и чающийся тем, что, с целью повьппения чувствительности и помехоусточивости , дополнительно производят модуляцию плотности суммарного теплового потока, преобразуют модулированный тепловой поток в электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляцией суммарного тепло вого потока, равенство нулю суммарного теплового потока определяют по (Л равенству нулю демодулированного электрического сигнала. .f

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН..,SU„„. 186442

3 8 G 06 G 7/20 г в

1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3464449/18-24 (22) 06.07.82 (46) 15.04.84. Бюл. № 14 (72) Ю..С.Мальцев и В.Д.Шевченко (71) Омский ордена Ленина завод электрических точных приборов (53) 681.335(088.8) (56) 1. Попов В.С. Металлические подогреваемые сопротивления в электроизмерительной технике и автоматике. М., "Наука", 1964, с. 115-127.

2. Авторское свидетельство СССР № 813464, кл. 5 06 G 7/20, 1981 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ В КВАДРАТ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, включающий преобразование входного сигнала в тепловой поток, преобразование опорного сигнала в охлаждающий поток, суммирование теплового и охлаждающе-го потоков и регулирование опорного сигнала до равенства суммарного теп- лового потока нулю, при этом по величине опорного сигнала определяют квадрат входного сигнала, о т.л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения чувствительности и помехоусточивости, дополнительно производят модуляцию плотности суммарного теплового потока, преобразуют модулированный тепловой поток B электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляцией суммарного тепло вого потока, равенство нулю суммарного теплового потока определяют по равенству нулю демодулированного электрического сигнала.

1 10864

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения аналоговых вы", числительных устройств, выполняющих операции возведения в квадрат элект5 рических сигналов.

Известны способы возведения в. квадрат электрических си1 налов, осно" ванные на преобразовании входного сигнала в тепловой поток путем разогрева входным сигналом реэистивного элемента и измерении температуры резистивного элемента, изменяющейся в функции квадрата входного сигнала:11 J.

Недостатками данных способов являются узкий динамический диапазон входных сигналов и низкая чувстви"

° тельность. Динамический диапазон входных сигналов, ограничен допустимой температурой резистивного элемента, применяемого для преобразования входного сигнала в тепловой поток.

Низкая чувствительность объясняется как значительными тепловыми потерями от нагретого резистивного элемента в окружающую среду, так и низкой чувствительностью дифференциальных датчиков температуры, применяемых для преобразования температуры резистивного элемента в электрический сигнал.

Наиболее близким к предлагаемому является способ возведения в квадрат электрических сигналов, заключающийся в преобразовании входного сигнала в тепловой поток путем разогрева входным сигналом реэистивиого элемента, преобразовании опорного сигнала в охлаждающий поток с помощью термоэлектрического охладителя, питаемого опорным сигналом, суммировании тепдо- 40 вого и охлаждающего потоков на теплопроводе, регулировании характеристик опорного сигнала до момента равенства нулю суммарного потока, протекающего по теплопроводу, определяе- 45 мому по моменту равенства температуры теплопровода температуре окружающей среды, определении квадрата входного сигнала по характеристикам опорного сигнала 2 1. 50

Недостатками известного способа являются низкая чувствительность и низкая помехоустойчивость, которые объясняются необходимостью преобразования разности температур между теп- 55 лопроводом и окружающей средой в электрический сигнал, что заставляет испольэовать для этой цели дифферен42 Ъ циальный датчик температуры (термолару). Чувствительность лучших известных термопар составляет 400 мкВ/

/ С, чем и ограничиваются возмажносо ти повышения чувствительности извест. ного способа. Низкий уровень выходного сигнала постоянного тока обуславливает и низкую помехоустойчивость известного способа.

Цель изобретения — повышение чувствительности и помехоустойчивости способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу возведения в квадрат электрических сигналов, включающему преобразование входного сигнала в тепловой поток, преобразование опорного сигнала в охлаждающий поток, суммирование теплового и охлаждающего потоков и регулирование опорного сигнала до равенства суммарного теплового потока нулю, при этом по величине опорного сигнала определяют квадрат входного сигнала, дополнительно производят модуляцию плотности суммарного теплового потока, преобразуют модулированный тенловой поток в электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляцией суммарного теплового потока, равен тво нулю суммарного теплового потока определяют по равенству нулю демодулированного электрического сигнала.

Введение операции модуляции плотности суммарного теплового потока с последующим преобразованием модулированного потока в электрический сигнал переменного тока и операции демодуляции электрического сигнала синхронной с модуляцией суммарнбго теплового потока позволяет повысить чувствительность и помехоустойчи" вость предложенного способа. Это объясняется тем, что малые полезные электрические сигналы фиксированной частоты легко могут быть обнаружены на фоне значительных помех даже в том случае, если уровень полезного сигнала лежит ниже уровня шумов и наводок.

На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 — то же, вариант исполнения.

Устройство содержит входной блок 1 (фиг. 1), микровольтметр 2 переменного тока, регулируемый источник 3 опорного сигнала.

3 1086442

Входной блок 1 состоит из резистивного элемента 4, нанесенного на теплопровод 5, на котором установлен датчик 6 температуры, термоэлектрического охладителя 7, рабочая поверх- 5 ность 8 которого имеет тепловой контакт с теплопроводом 5, а теплоотводящая поверхность 9 термоэлектрического охладителя 7 имеет тепловой контакт с теплопроводящим корпу- 10 сом 10, и теплового ключа 11, установленного между теплопроводом 5 и корпусом 10.

Выводы резистивного элемента 4 служат входом устройства, выход дат- 15 чика 6 температуры соединен с входом микровольтметра 2. Выход регулируемого источника 3 опорного сигнала соединен с цепью питания термоэлектрического охладителя 7. Управляющий вход теплового ключа 11 подключен к клеммам 12. Клеммы 13, подключенные к выходу регулируемого источниisa 3, служат выходом устройства.

Иикровольтметр 2 представляет собой стандартный избирательный микровольтметр переменного тока.

Регулируемый источник 3 опорного . сигнала может быть выполнен в виде источника напряжения с регулируемым З0 выходным напряжением или в виде генератора прямоугольных импульсов со стабилизированной амплитудой и частотой и с регулируемой длительностью импульсов. 35

Резистивный элемент 4 может быть выполнен напылением на теплопровод 5, выполненный из диэлектрического теплопроводного материала, например из окиси бериллия..

40

В качестве датчика 6 температуры может быть использован один из известных датчиков — термопара, терморезистор, термистор. При использовании термопары в качестве датчика температуры ее выводы непосредственно соединяются с входом микровольтметра 2. При использовании в качестве датчика температуры термистора он включается в плечо мостовой измерительной схемы, одна из диагоналей которой подключается к источнику питания постоянного тока, а другая служит выходом датчика температуры и подключается к входу микровольтметра 2.

В качестве термоэлектрического, охладителя 7 может быть использован стандартный полупроводниковый термоэлемент или батарея термоэлементов.

В качестве теплового ключа 11 может быть использован стандартный магнитоуправляемый контакт с электромагнитным управлением. В этом случае выводы обмотки управления магнитоуправляемого контакта выполняют функции управляющего входа теплового ключа. Тепловой ключ 11 может быть выполнен также в виде тепловой трубы с управляемой теплопроводностью по одной из известных конструктивных схем.

Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит входной блок 1, регулируемый источник 3 опорного сигнала, усилитель 14 переменного тока, демодулятор 15 и измерительный прибор 16 постоянного тока.

Процесс возведения в квадрат электрических сигналов осуществляют с1тедующим образом.

Входной электрический сигнал Х (напряжение или ток) преобразуют в тепловой поток путем разогрева входным сигналом резистивного элемента 4 (фиг. 1). Опорный электрический сигнал Хоп=Хиь,х (напряжение или ток) регулируемого источника 3 опорного сигнала преобразуют в охлаждаюпций поток путем пропускания опорного сигнала по цепи питания термоэлектрического охладителя 7. Затем суммируют тепловой поток, вызванный входным сигналом, с охлаждающим потоком опорного сигнала на теплопроводе 5. Осуществляют модуляцию плотности суммарного теплового потока путем периодической коммутации теплового ключа 11, управ.ляемого от тактовых импульсов, подаваемых от внешнего генератора на клеммы 12. В разомкнутом состоянии теплового ключа 11 плотность суммарного теплового потока определяется значением суммарного теплового потока и ,величиной тепловой проводимости конструктивных элементов — охладителя, нагревателя и др.

В замкнутом состоянии теплового ключа 11 плотность суммарного теплового потока определяется тепловой. проводимостью теплового ключа и упомянутых выше элементов.

Далее преобразуют модулированный суммарный поток теплопровода 5 в электрический сигнал переменного тока, что осуществляется с помощью дат1086442 чика 6 температуры, установленного на теплопроводе 5. Вследствие периодического изменения плотности суммарного теплового потока температура теплопровода 5 также периодически 5 изменяется, поэтому выходной сигнал датчика 6 температуры представляет собой сигнал переменного тока.

Регулируют опорный сигнал (выходное напряжение регулируемого источника 3 опорного сигнала) до момента равенства нулю суммарного теплового потока (по показаниям микровольтметра 2 переменного тока), после чего по характеристикам опорного сигнала (по значенияю выходного напряжения, по значению тока на выходе регулируемого источника 3 опорного сигнала) определяют квадрат входного сигнала.

При использовании устройства на фиг. 2 способ возведения в квадрат электрических сигналов реализуют аналогично описанному, но в процессе регулирования опорного сигнала равенство нулю суммарного теплового потока определяют по равенству нулю электрического сигнала постоянного тока, полученного путем синхронной демодуляции электрического сигнала датчика температуры, для чего выходной сигнал датчика 6 температуры усиливают усилителем 14 и демодулируют демодулятором 15, синхронизированным сигналом, осуществляющим управление модуляцией тепловс го потока теплопровода 5 (сигналом с клемм 12). Полученный на выходе демодулятора 15 электрический сиг. нал постоянного тока измеряют прибо40 ром 16 постоянного тока, по показаниям которого определяют равенство нулю электрического сигнала датчика температуры. После этого по характеристикам опорного сигнала на клеммах 13 определяют квадрат входного

45 сигнала. При использовании в качест-. ве источника 3 опорного сигнала гене. ратора импульсов со стабилизированк ной амплитудой и частотой и с регулируемой длительностью импульсов квадрат входного сигнала может быть определен по длительности импульсов источника 3, по среднему значению напряжения на выходе источника 3.

В установившемся режиме, когда выходной сигнал синхронного демодулятора равен нулю, тепловой поток элемента 4, вызванный входным сигналом Хе„, полностью скомпенсирован охлаждающим потоком охладителя, вызванным током, протекающим от источника опорного сигнала через охлади" тель. Тепловая мощность Р,, выделяемая входным сигналом в элементе 4, равна

Р. ХР т р где Х вЂ” квадрат напряжения вход2 вх ного сигнала;

R — значение сопротивления элемента 4.

Охлаждающая мощность Р„„„, вьщеля. емая охладителем 7, равна п

Ро, „=Щ где П - коэффициент пропорциональности (коэффициент Пельте);

I — амплитуда тока, протекающего через охладитель;

Фп — длительность импульсов тока, протекакяцего.через охладитель;

Т - период следования импульсов тока, протекающего через охладитель.

В разомкнутом положении теплового ключа практически весь тепловой их поток замыкается через охладитель.

Плотность теплового потока с „, протекающего через охладитель, определяется по формуле Р

Я 1= где 5 — сечение элементов охладителя; Р Рт Рохл °

В замкнутом состоянии теплового ключа плотность теплового потока с 2 равна

2 "1 5 -"1 1 где K> - коэффициент, учитывающий ответвление теплового пото-: ка через замкнутый тепловой ключ.

Модулированный тепловой поток с плотностями q, и преобразуют в электрический сигнал датчиком температуры, преобразуя приращения температуры теплопровода dt> и й12 в электрические сигналы U1 è02.

1 2 2 А

%1

1 2 А где K - коэффициент, характеризующий крутизну использованного датчика температуры;

108б442 — длина элементов охладителя; с

Л вЂ” коэффициент теплопроводнос- р ти элементов. ш

Так как процесс регулирования опор ч ного сигнала заканчивают при равенст- 5 ве нулю переменной составляющей с электрического сигнала а0 =U„-02=0, тс м

25

Следовательно, в состоянии равновесия тепловой поток через охладитель равен нулю; что означает равенство нулю суммы тепловой и охлаждающей мощностей 15

Рт Роха или

PT=P 0Kb

2 и т —.

Д Т

TGK как A =const П=с0051,и при использовании в качестве источника опорного сигнала генератора прямоугольнь х импульсов с постоянной амплитудой и постоянной частотой, I=const, T=const, то обозначив

ПРХ

К= — — -=0ОРз 1

3 T получим

XSx K3Cn

Таким образом, длительность импульсов опорного сигнала пропорциональна квадрату входного сигнала.

Учитывая, что .„" — среднее зна- 35

3 а чение тока, можно определять квадрат входного сигнала по среднему значению тока опорного сигнала.

Недостатки прототипа объясняются . тем, что сигналом рассогласования, 40 по которому определяется степень компенсации теплового потока,. вызванного входным сигналом, охлаждающим потоком опорного сигнала, служит сигнал постоянного тока низкого уровня, 45 вырабатываемый датчиком температуры.

В этих условиях возможности повьппения чувствительности-способа-прототипа определяются характеристиками усилителя постоянного тока (его .дрей-50 фом, уровнем собственных шумов).

Кроме того, внешние наводки и паразитные термо-ЭДС, возникающие в соединительных проводах, складываются с полезным сигналом и искажают . 55 результат квадратирования. При мальи значениях разности теплового и охлаж дающего потоков величина полезного .игнала на выходе датчика температуы становится сравнимой с дрейфом н умом усилителя постоянного тока, то не позволяет квадратировать малые сигналы. Согласно предлагаемому пособу вследствие введения операции одуляции плотности суммарного потока, преобразования модулированного потока в электрический сигнал переменного тока появилась возможность использования для выполнения операции преобразования модулированного потока в электрический сигнал высокочувствительного недифференциального датчика температуры (полупроводникового термистора), чувствительность которого в десятки и сотни раз выше, чем чувствительность дифференциальных датчиков (термопар), необходимых для реализации известного способа. Это позволяет обнаружить весьма малые разности между тепловым и охлаждающим потоком, что эквивалентно повышению чувствительности способа. Введение модуляции плотности потока позволяет определять момент равенства теплового и охлаждающего потоков по электрическому сигналу переменного тока, что исключает влияние нестабильности датчика температуры на результат квадратирования, а также позволяет использовать избирательное усиление сигнала переменного тока, обеспечивающее выделение полезного сигнала переменного тока фиксированной частоты даже при значительном уровне помех и шумов.

Использование демодуляции электрического сигнала переменного тока, синхронной с модуляцией теплового потока теплопровода, позволяет в еще большей степени повысить чувствительность и помехоустойчивость способа, так как синхронная демодуляция позволяет обнаружить полезный сигнал переменного тока фиксированной частоты даже в том случае, если уровень помех превышает уровень полезного сигнала.

В- результате сравнительных испытаний способа-прототипа и предлагаемого способа установлено, что чувствительность и помехоустойчивость предлагаемого способа по крайней мере в 20 раз вьппе, чем известного.

1086442

Составитель IP.Ìàëüöåâ

Редактор М.Петрова Техред . В.Далекорей Корректор B.Гирняк

Заказ 2243/46 Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4