Преобразователь действующего значения электрических сигналов Советский патент 1983 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к электроизмерительной 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, 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, размешенный вне полости термо.электрического компаратора и связанный выходом с другим входом усилителя, два блока памяти, сигнальные входы которых подключены к выходу усилителя, а выходы - к входам ооот ветственно охладителя н индикатора, ключ обратной связи, установленный между входами индикатора и нагревателя, блок синхронизации, выходы ко10торого соединены с управляквдими входами ключей и блоков памяти t2.

Недостаток данного устройства определяется узким динамическим диапазоном преобразуемых сигналов.

15

Для расширения динамического диапазона в сторону увеличения уровня входных сигналов необходимо применять охладитель большой охлаждающей мощности, т.е. увеличивать геометричес20кие размеры охладителя. Это приводит к снижению чувствительности термоэлектрического компаратора вследствие уменьшения теплового сопротивления нагревателя относительно окружающего

25 пространства. Кроме того, величина чувствительности ограничивается конечным тепловым сопротивлением выводов нагревателя и датчика температуры. Для расшйрения динамического диапа30зона в сторону уменьшения уровня входных сигналов необходимо уменьшит геометрические размеры охлгщителя с целью увеличения теплового сопротивления этих элементов. При этом умень шается максимальная охлаждающая мощность, выделяемая охладителем, что снижает верхнюю границу динамическог диапазона. Таким образом, в известно устройстве возможности расширения динамического диапазона обычными .конструктивными мероприятиями весьма ограничены. Цель изобретения - расширение динамического ди-апазона преобразуемых сигналов. Поставленная цель достигается тем, что преобразователь действующего значения электрических сигналов, .содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подключен к общему входу преобразова теля, первым датчиком температуры, выход которого соединен с входом усилителя, и охладителем, установлен ным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, снабжен дополнительным усилителем, а в полость термоэлектрического компаратора введены дополнительный охладитель и второй датчик температуры, причем оба датчика температуры выпол нены дифференциальными, включенными между рабочими поверхностями соответ ственно 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. Кроме того,в термоэлектрическом компараторе выполнены тепловыеконтакты нагревателя с первой рабочей поверхностью основного охладителя, второй рабочей поверхности основного охладителя - с первой рабочей поверх ностью дополнительного охладителя, второй рабочей поверхности дополнительного охладителя - с окружающей средой, чувствительных элементов первого датчика температуры - с рабо чими поверхностями, основного охладителя, чувствительных элементов допол нительного датчика температуры - с первой рабочей поверхностью основног охладителя и вторьй 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 ра бочей поверхностью основного охладителя и первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя., На фиг.1 представлена структурная схема предложенного преобразователя действующего значения электрических сигналов,- на фиг. 2 - констуктивное построение терГЮэлектрического компаратора. Устройство содержит термоэлектрический компаратор 1 (фиг.1), основной усилитель 2 и дополнительный усилитель 3. Первый вход термоэлектричесKOio компаратора 1 (клем1 ы 4 и 5) является общим входом преобразователя, 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 (клемма 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 (п-типа и р-типа), присоединенных пайкой к металлическому покрытию, нанесенному на теплопроводящую подложку 20. Вторые выводы полупроводниковых элементов 19 присоединены пайкой к металлическим электродам 21, нанесенным на теплопроводящие подложкч 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. I 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. Электро- / ды 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

27 тепло1нюводящлми пoдлoжкa 1И 22. Полупроводниковые элементы 23 второго охладителя имеют между собой электрический контакт, выполненный проводником 28, соединяющим металлическое покрытие, нанесенное на теплопроводящие подложки 24. Электроды 25 электрически изолированы от теплопроводящей оболочки 29 теплопроводящими подложками 26. :

Нагреватель 16 размещен на теплопроводящей подложке 20, его выводы соединены с клемг-1ами 4 и 5. Датчик 17 температуры установлен так, что один его чувствительный элемент имеет i тепловой контакт с первой рабочей поверхностью первого охладителя (с теплопроводной подложкой 20), а второй чувствительный элемент - с второй рабочей поверхнос ью того же охлалителя (с теплопроводящей подложкой 22). Датчик 18 температуры установлен так, что один его чувствительный элемент имеет тепловой контакт с первой рабочей поверхностью первого охладителя (теплопроводящей подложкой 20), а второй чувствительный элемент - со второй рабочей поверхностью того же охладителя (с теплопроводящей подложкой 26).

. Теплопроводяшая оболочка 27-охватывает нагреватель 16, первый охладитель (элементы 19, 20 и 22),датчик 17 температуры и один из чувствйтельHEJX элементов датчика 18 температуры Элементы 22 первого охладителя и эле менты 24 второго охладителя имеют тепловой контакт с оболочкой 27 (например, приклеены к ней), следовательно, первая рабочая поверхность второго охладителя имеет тепловой 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 теплоотводЬм для второй рабочей поверхности второго 6хладителя.

Выводы нагревателя 16 соединены с кламмаиии 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 входом компаратора 1, а его третий вход с клеммами 12 и 13 составляют выводы цепи питания второго охладителя (электроды 25). Выводы датчика 17 температуры соединены с клеммами 6 и 7, служащими первым выходом термоэлектрического компаратора 1, а выводы датчика 18 температуры подключены к клеммам 8 и 9 и служат вторым выходом компаратора 1.

Нагреватель 16 представляет собой резистнвный элемент, выполненный методами тонкопленочной технологии на теплопроводящей подложке 20. Дифференциальный датчик 17 температуры выполнен в виде двух термопар, включенных встречно-последовательно. Дифференциальный датчик 18 температуры,по конструкции аналогичен датчику температуры 17. Элементы 19 и 23 первого и второго охладителей выполнены иэ полупроводникового материала на основе сплавов 5ЪдТе,. 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 выполнены по стандартным схемам усилителя постоянного тока с дифференциальным входным кас-; кадом. 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 З поступающий на кпеммы 4 и 5 термоэлектрического компаратора 1, разогревает 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 17 температуры (равенство температур теплопроводящих подложек.20, 22 и 24).Одновременно выходной сигнал датчика 18 температуры с клемм 8 и 9 поступает на вход усилителя 3. Выходной сигнал последнего подводится к клемглам 10 и 11, т.е. в цеп питания первого охладителя, автоматически поддерживая тем самым равенство нулю выходного сигнала датчика температуры (равенстэо 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 теплопроводящей подложки 26 с окружающей средой). Ири этом тепловая мощность, выделяемая нагревателем 16, полность поглощается охлаждающей мощностью. пыделяемой nepBfjM и вторым охладителями, т.е. можно записать то-кз - 1 } 8Х 1 8ЫХ1 2 ВЫХ2 где R - сопротивление нагревателя 16; К (Кп- коэффициенты,учитываюдие термоэлектрическую эффективность материала элемен тов охладителей; b.xi.Vfxf выходных цепях усилителей 2 и 3. Таким образом, ток в выходных цепях усилителей 2 и 3 является пропор циональным квадрату действующего зна чения входного сигнала преобразователя. Выходными сигналами преобразователя могут служить либо токи в вы ходных цепях усилителей 2 и 3, либо напряжения в этих цепях (клеммы 14 и 15) . Если применять в усилителях 2 и 3 выходные каскады, выполненные в виде ШИМ-модуляторов, то для установившегося режима можно записать 2 вх- 1-ini I где амплитуды импульсов на выходе усилителей 2 и 3, (иг длительности импуль сов на выходе усилителей 2 и 3; F - частота. Поскольку для широтно-импульсного модулятора lx ,1 VM2. 3S m-i on3t, этом случае выходными параметра ми преобразователя являются длительности импульсов на выходах усилителей 2 и 3. в процессе работы преобразователя разность температур между рабочими поверхностями первого и второго охла дителей постоянно поддерживается равной нулю, что равносильно повышению эквивалентного теплового сопроти ления элементов, первого охладителя. Это позволяет выполнить элементы обо их охладителей с достаточно большими геометрическими размерами (выполнить охладители достаточно большой охлаждающей мощности), что дает возможность расширить динамический диапазо npeo6pa3yeNbix сигналов в сторону высоких значений сигналов, не опасаясь 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 чув- ствительных элементов датчика 18 температуры, имеющей тепловой контакт со второй рабочей поверхностью первого охладителя и первой рабочей поверхностью второго охладителя, дает возможность автоматического поддержания вокруг охватываемых 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 в целом„ Вследствие автоматического подцержания 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 в сторону малых уровней, и значительно увеличить сечение элементов охладителя (увеличить мощность охладителя) и,расширить тем саМым ди|намический 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 tfa выходе датчика 1В температуры, линейно увеличивающегося во времени. Это позволяет использовать данное устройство для преобразования весьма малых входных сигналов. Формула изобретения 1. Преобразователь действующего значения электрических сигналов, содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подклврчен к общему входу преобразователя, первым датчиком температуры, выход которого соединен с входом усилителя, и охладителем, установленным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона преобразуемых сигналов, он снабжен дополнительным усилителем, а в полость термоэлектрического компаратоpa 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 чагощийся тем, что,в термоэлектрическом компараторе выполнены тепловые контакты нагревателя с первой рабочей поверхностью основного охладителя, второй рабочей поверхности основного охладителя - с перво /рабочей поверхностью дополнительного охладителя, второй рабочей поверхнос ти дополнительного охладителя - с окружающей средой, чувствительных элементов первого датчика температуры - с рабочими поверхностями основного охладителя, чувствительных эпементов 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 охладителя и первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Волгин Л.И. Измерительные пре-. образователи переменного напря кения в постоянное. М., Советское радио, 1977, с. 108-110, рис. 3.4а. 2.Авторское свидетельство СССР № 661372, кл. G 01 R 19/02, 1977.

26 wt.2