(46) 23.08.90, Бюл. № 31
(21)3970744/24-25
(22)22.10.85
(71)Институт электроники АН БССР
(72)Ю.И.Горбачев, Ю.М.Гулюк и В.И.Кривонощенко
(33) 621.362.2(088.8)
(56)Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев: Наукова думка 1979, с. 519-529.
Гуревич М.Л. и др. Автоматизированный прибор для точного измерения Широкополосных напряжений. Техника средств связи, сер. Радиоизмерительная техника, вып. 7(25), с. 102-108, (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСЮШ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
(57)Изобретение может быть использовано в приборостроении, связи и других областях техники, где необходимо обеспечить точное преобразование переменного напряжения .произвольной формы в широком диапазоне частот в постоянное по уровню среднеквадратичного значения. Целью изобретения яп- ляется повьшение точности преобразования термоэлектрического преобразователя (ТЭП) на высоких частотах за счет выполнения нагревателя ТЭП по крайней мере с одним з частком, не имеющим теплового контакта с термочувствительными элементами ТЭП и шунтированным расположенным на поверхности подложки пленочным конденсато ром. Это практически полностью ком пенсирувт погрешность преобразования на высших частотах рабочего диапазона. 2 ил., 1 табл.
а
jpufest
ХЬСГГЭ
20
. Изобретение относится к измериельной технике и может быть испольовано в преобразователях переменно- о напряжения в широком диапазоне астот в постоянное.
На фиг. 1 изображен предлагаемый есконтактньп термоэлектрический peoбpaзoвaтeль на фиг. 2 - эквиваентная схема цепи нагревателя, fO
Преобразователь содержит диэлектическую подложку 1, на одной из оверхностей которой размещен пленоч- Hbtfi резистивный нагреватель 2, а на противоположной - пленочная термоба- 15 тарея, состоящая из термопар, ветви 3 и А которых имеют различные термоэлектрические свойства. Нагреватель 2 содержит резистивный участок 5, зашунтировакный пленочным конденсатором. Этот конденсатор размещен на поверхности подлохски 1. Обкладка 6 и 7 конденсатора изолированы одна от, другой диэлектрической прослойкой 8, Обкладка.б имеет контакт 9 с одним. 25 из концов резистивного участка 5j другой конец которого соединен с обкладкой 7. Горячие спаи 10 термопар расположены в зоне нагревателя и имеют с,ним, за исключением участ- 30 ка 5, тепловой контакт через подложку. Нагреватель и термобатарея кме- ют расположенные на подложке.пленоч- .ные к оптактные тющацкн 11,
На эквивалентиой схеме цепи наг- 5 ревателя (см. фиг. 2) резистор R, соответствует участку нагревателя, имеющему, тепловой контакт с термочувствительными элеьшнтами термобатареи, индуктивность L - пар)азитной 40 индуктивности нагревателя, резистор R - не имеющему теплового контакта с термочувствителы Ь ми элементами . термобатареи участка нагревателя, зашунтировапному конденсатором, обоз- j печенным на схеме емкостью С,
Приложение переменного напряжения и с угловой частотой w к точкам а и г цепи вызывает,возникновение в ней электрического тока
50
I «
у z.
R + . + z,.
(2)
- сопротивление индуктивHbCTH L;
- комплексное сопротивление участка в-r, корректирующего каскад. ение Z( выражают через проводимость
1
1
где X сопротивление емкос ти С.
После некоторых преобразований определяют
,1.
Z, ф JWC) Ка
RJCJC 1 + (R, СЭС)2
1
R;
1 + (RjWC)«
(3)
Подставив выражение для Z, в уравнение (2), получают
Кг
0 1 + (RjMC), Г . R|u)C 1 //л /(R,(OC)-J-- Дпя удобства проведения дальнейших преобразований переходят от алгебраической формы записи уравнения (4) к показательной, для чего опре- деляют модуль Z р и угол if между активной и реактивной составляющими коплексного сопротивления Z,, .
5 40
Z.«
50
Г. г , RlcjC Т
f - ,a,C) JT ( (5)
( С + L(RzCJC) 3 ,,v tf arctg -ig-j-J j,-. (6),
Уравнение (4) в показательной форме имеет вид
2„ - (jcf) 
где Z комплексное сопротивление ,, всей цепи.
Сопротивление можно представить в виде
i«.;-T4ts h-TflaF
Г, QfL-i-Fxt C+L(Rt03C) X expljarctg , RXR.oC) .
(7)
С учетом выражений (1) и (7) ток в цепи
I °- -expC-jcf)
6
и
Л
Rt . 1г Г , КдслС ТГ
Г H(R,QC)J TKiScTJ
г . C+r.(Rt(jC) /й Ph. R,,(R,«C))- в
to
Для обеспечения высокой точности преобразования необходимо, чтобы при измерении частоты проходящего по цепи неизменного по модулю электрического тока выделенная и резисторе R, электрическая мощность бьша постоянна. В1аделенная в резисторе R, мощность с учетом выражения (8)
Р, ,rR,
,
25
Г- . . Ra Т f . Rl(JC ,
V(R,oc)
Г -оC3 L-R7C-i-L(R,OC)3
X exp|-j2arctg .,
fa
является полностью активньш и не зависит от фазы переменного тока, а определяется модулем его комплексного значения, которьй, в свою очередь зависит от модуля комплексного сопротивления всей цепи. Следовательно, обязательш.м условием является постоянство модуля комплексного сопротивления всей цепи в зависимости от частоты
ГпRt f r t KloCJi - Г iT((H const.
(9)
Анализ выражения (9) показывает, что на постоянном токе или когда часто- та проходящего по цепи переменного тока мала, при оэ- О, модуль комп- лексного сопротивления
Zc R, R
г
(10)
55
а угол ме5вду активной и реактивной составляющими, как следует из выражения (6)
ц arctgO О,
(10
т.е. общее сопротивление цепи становится полностью активньпч. Для обеспечения возможности осуществления необходимой коррекции общего сопротивления цепи в диапазоне частот 0-о и, принимая во внимание вьфажения (9), (10) и (11), окончательно полу- с- чают
Rg
1 + () RI
- -тттк;4гГ
(12)
Из выражения (12) следует, что. эффективность частотной коррекции общего сопротивления цепи в, предложенной схеме обеспечивается в диапазоне от О до некоторой резонансь-ой частоты С0(,,которая зависит от соответствующих величин элементов С, L и Rj и не зависит от R,. Частоту Wo можно определить из выражения (4), приравняв к нулю коэффициент при мнимой части и подставив вместо со частоту СОо
,, т -
о 1 + (Н,«е)
О,
(13)
После проведения некоторых преобразований имеют
L
LC
1
(14)
Приведенный теоретический расчет эквивалентной схемы и полученные соотношения между основными элементами показывают, что при правильном учете активных и реактивных составляющих .комплексного сопротивления нагревателя и соответствуюгдем выборе активных и реактивных параметров элементов корректирующего каскада в предложелном преобразователе обес печивается эффективная частотная коррекция комплексного сопротивления цепи нагревателя в диапазоне частот O-Q, практически устраняется возможность возникновения погрешности на высоких частотах и гарантируется высокая точность преобразования во всем рабочем частотном диапазоне,
Пример, На одну из поверхностей диэлектрической подложки 1 из окс1ада ал оминия или слюды размерами 8x4,5x0,03 осалсдают пленки резистивного материала (нихрома) Х20И80 или кермета (К50С) в места расположения нагревателя 2 и участка
5нагревателя, а также пленки материала с высокой удельной электропроводностью (икеля МГПЭв, меди MB или серебра Ag 999j9) в места расположения контактных площадок 11 и обкладок
6и 7 пленочного конденсатора. Предварительно, перед осаждением обкладки 6 пленочного конденсатора, на обкладке 7 формируют пленочную прослойку 8 из диэлектрическог о материала (окисей кремния, алюминия или титана), На противоположной поверхности .подложки Г осазкдают пленки материала с высокой удельной электропроводностью (никеля НтЭв, меди MB или серебра Ag 999,9) в места расположения контактных площадок 11, а также пленки, образую1цие ветви 3 и 4 термопар5 из различных термочувствительных материалов(висмут - сурьма
гЧ
,938- 10 Гн,
которая на частоте Г 100 МГц ока- 5 зьшает сопротивление переменному току
«
Х„ 2,473 Ом.
10 Величина сопротивления постояннбму току участка нагревателя, не имеющего теплового контакта с термочувствительными элементами термобатаре и входящего в состав корректирутощеt5 fo каскада, выбрана компроьшско. С одной стороны, для того чтобы в нем рассеивалось меньше активной мощности, его сопротивление должно быт низким. Однако для того чтобы обес20 печить эффективную коррекцшо комплексного сопротивления цепи нагрева теля в рабочем диап.азоне частот и расширить этот диапазон в сторону более высоких частот, его сопротив-
или теллурид свинца-те шурйд германия) .25 ление должно быть достаточно высоГорячие спаи 10 термопар фомируют последовательным осаждением пленок термочувствительных материалов внахлест. Термобатарея образована после- довательНой коммутацией ветвей 3 и А соседних термопар,
Обкладку 7 пленочного конденсатора можно сформировать и на противоположной по отношению к обкладке 6- поверхности подложки 1, При этом отпадает необходимость формирования диэлектрической пpocлoйк E 8. В этом случае обкладка 7 имеет собственную контактную площадку 11 и соединяется с соответствующим концо)ч участка 5 нагревателя посредством дополнительной Km iyrau HH,
Нагреватель имеет геометрические размеры 4, мм, причем размеры участка, имеющего тепловой контакт с термочувствительными элементами термобатареи, - 4,55x2 мм, а размеры участка, не имеющего такого контакта, 0,16x0,2 мм. Термобатарея содержит 30 термопар, каждая ветвь которых имеет геометрические размеры 1,1x0,1 мм. Промежуток между ветвями соседн} х термопар 0,05 мм.
Сопротивление постоянному току участка нагревателя, имеющего теплог вой контакт с термочувствительными элементами термобатареи, составляет 75 Ом. Данный участок обладает паразитной индуктивностью
гЧ
,938- 10 Гн,
которая на частоте Г 100 МГц ока- зьшает сопротивление переменному току
«
Х„ 2,473 Ом.
Величина сопротивления постояннбму току участка нагревателя, не имеющего теплового контакта с термочувствительными элементами термобатареи и входящего в состав корректирутощеfo каскада, выбрана компроьшско. С одной стороны, для того чтобы в нем рассеивалось меньше активной мощности, его сопротивление должно быть низким. Однако для того чтобы обеспечить эффективную коррекцшо комплексного сопротивления цепи нагревателя в рабочем диап.азоне частот и расширить этот диапазон в сторону более высоких частот, его сопротив-
КИМ. в диапазоне частот 0-100 МГц достаточно, чтобы сопротивление данного участка имело величину 2 Ом и было соизмеримо с реактивным сопро тивлением паразитной индуктивности нагревателя на частоте 100 МГц. Величину емкости конденсатора корректирующего каскада можно определить из выражения (14). представив его в виде
LC R:C
+ L 0.
В предложенном преобразователе вели™ чина данной емкости выбрана равной 102,2 пФ.
Цепь нагревателя содержащая элементы с.указанными параметрами, на постоянном токе имеет сопротивление 77 Ом. В таблице приведены результаты расчета модуля Z комплексного сопротивления Z цепи нагревателя и norpeniHoctn от изменения модуля Z для различных частот проходящего по цепи переменного тока с использованием выражения (5)
Как показывают результаты расчета, в предложенном преобразователе в рабочем диапазоне частот 0-100 МГц практически отсутствует частотная погрешность от изменения реактивного сопротивления паразитной индуктивности нагревателя, а, например, на
частотах до 400 МГц включительно погрешность не превышает .
Формулаизобретения
Бесконтактный, термоэлектрический преобразователь содержайщй диэлект
. рическую подложку, на поверхности которой размещены пленочные нагреватель и батарея термочувствительных элементов, имекицих тепловой контакт с нагревателем, отличающий- с я тем чтос .с целью повышения точности преобразования на высоких
частотах, нагреватель содержит по крайней мере один не имеюп кй теплового контакта с термочувствительными элементами батареи участок, зашунти- рованный расположенным иа поверхности подложки пленочным кояденсаторсж.
Частота переменного тока, МГц
25
50
100
200
400
800
ичина емкости С которого выбрана соотношения ...
П (Ё,ос)-Г
- rflllSc - «. V -0.
RJ и RJ величины электрического сопротивления постоян-; ному току участкоэ tsar- ргватепя, тлеющего и не имеющего тегшового кон такта с те рмочувстви- T&nbHbiMif элементами батареи соответственно;. L - величина паразитной индуктивности нагревателя . Q - угловая частота перй- менного напряжения поданного на нагревательо
М /
