Квадратор Советский патент 1982 года по МПК G06G7/20 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для построения аналоговых вычислительных устройств, выполняющих операцию возведения в квадрат электрических сигналов. Известен квадратор, содержащий электрический нагреватель и датчик температуры. (термопару, термосопротив ление и т.п.) 1 . Такие квадраторы работают при любой полярности входного сигнала, но имеют низкую чувствительность и ограниченный динамический диапазон изменения входных сигналов. Наиболее близким к предложенному по техническому решению является квад ратор, содержащий электрический на- греватель, выводы которого являются входом квадратора, охладитель, первая рабочая поверхность которого находится в тепловом контакте с электрическим нагревателем, а выводы являются выходом квадратора, датчик температуры, чувствительный элемент которого находится в тепловом контакте с первой рабочей поверхностью охладителя 2.. Недостатком его является ограниченный динамический диапазон, обусловленный конечным тепловым со.противлением охладителей, выполненных из известных термоэлектрических материалов. Цель изобретения - расширение диапазона входного сигнала, Эта цель достигается тем, что . квадратор, содержащий электрический нагреватель, выводы которого являются входом квадратора, охладитель, первая рабочая поверхность которого находится в тепловом контакте с электрическим нагревателем, а выводу являются выходом квадратора, датчик температуры, чувствительный элемент которого находится в тепловом контакте с первой рабочей поверхностью охЯадителя, содержит дополнительный охладитель, теплоотвод, дополнитель ный дифференциальный датчик температуры, причем основной датчик температуры выполнен также дифференциальным, другой чувствительный элемент основного датчика температуры находится в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью основного охладителя, которая находится в тепловом контакте с первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя, теплоотвод находится в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью дополнительного охладителя, выводы которого являются дополнительным выходом квадратора, первый чувствительны элемент дополнительного дифференциального датчика температуры находитс в тепловом контакте с второй рабочей .поверхностью дополнительного охладителя, а второй чувствительный элемен с одной из рабочих поверхностей основного охладителя. На чертеже приведена конструкция квадратора. Квадратор -содержит электрический нагреватель 1, охладитель 2, основной датчик температуры 3, дополнительный охладитель 4, дополнительный дифференциальный датчик температуры 5, теплоотвод 6. Первая рабочая поверхность 7 охла дителя 2 находится, в тепловом контакте электрическим нагревателем Г Вторая рабочая поверхность 8 охладителя 2 находится а тепловоТ контакте с первой рабочей поверхностью 9 дополнительного охладителя Ц, вторая рабочая поверхность 10 которого нахо дится в тепловом контакте с теплоотводом 6. Квадратор работает следующим образом. Входной сигнал в виде электрического тока Igy подается на нагреватель 1. На выводы охладителей 2 и подаются опорные сигналы lonVz. регулируемых источников тока. Регулируя величину опорного тока jf, через охладитель 4, можно постоян но поддерживать нулевой сигнал датчи ка, температуры 3, т.е. постоянно под держивать равенство температур рабочих поверхностей 7,8 и 9 охладителей 2 и . Регулируя величину опорного тока охладитель 2, можно уста новить нулевой сигнал на выходе датчика температуры 5, что будет свидетельствовать о равенстве температур рабочих поверхностей 7-10 охладителей 2 и k. При этом мощность, выделяемая входным током Ig, в нагревателе 1, будет полностью поглощаться охлаждающей мощностью,выделяемой охладителями 2 и t, т.е. V К21ол, КМо„4 (1) где R - сопротивление нагревателя 1; К2,К4 - коэффициенты, учитывающие термоэлектрическую эффективность материала охладителей 2 и Ц. Таким образом, зависимость между входным током Q и опорными токами I , Г имеет квадратичный харакОП2 Otlj. При изменении входного сигнала 1 между мощностью, выделяемой в нагревателе 1 (ittj/R) и охлаждающей мощностью, выделяемой охладителем 2, возникает разность Л.Р К21д, что приводит к изменению температурь нагревателя 1 и охладителя 2. Скорость изменения этой температуры равна где С теплоемкость нагреваемых элементов. Так как температуры рабочих поверхностей 7, 8 и 9 постоянно поддерживаются равными, то через промежуток времени t изменение температуры рабочих поверхностей 7, 8 и 9 относительно рабочей поверхности 10 равно ,. (2) .т .J-, - -чЭто изменение температуры вызывает изменение сигнала датчика температуры 5. Следовательно, при нарушении равенства (1) входной сигнал датчика температуры 5 изменяется, причем величина выходного сигнала дат.чика температуры 5 линейно возрастает в функции времени, т.е. чувствительность квадратора зависит от времени квадратирования. Поскольку разность температур между рабочими поверхностями 7 и 8 постоянно поддерживается равной нулю, то утечка тепла за счет теплопроводности конструктивных частей охладителя 2 равна нулю, т.е. возможности повышения чувствительности предложенного квадратора не ограничены теплопроводностью охладителя.

При квадратировании малых сигналов на величину чувствительности квадратора могут оказать влияние утечки тепла за счет теплопроводности окружающей среды. В этом случае квадратор может быть помещен в вакуум.

Поскольку в процессе работы квадратора температура рабочей поверхности 7 поддерживается равной температуре рабочей поверхности 8, то дифференциальный датчик температуры 5 может быть установлен между рабочими поверхностями 8 и 10 охладителей 2 и 1. Преимущества предложенного квадратора в сравнении с известным состоят в том, что, при наличии разбаланса между мощностью, выделяемой в нагревателе, и мощностью, выделяемой в охладителе, выходной сигнал известного квадратора изменяется вначале по закону., близкому к линейному, а при уве личении времени квадратирования - по экспоненциальному закону ( за счет теплопроводности охладителя(, т.е. квадратор-прототип можно рассматривать, как интегрирующее звено с потерями . В предложенном же квадраторе влияН14е теплопроводности элементов охладителей практически исключено, поэто;му выходной сигнал его изменяется лиг нейно в функции времени, т.е. предложенный квaдpatop можно рассматривать как интегрирующее звено без потерь. Величину, на которую изменяется .температура нагревателя известного квадратора по окончании процесса установления, можно определить по формуле . где о, - теплопроводность элементов охладителя. В предложенном квад)аторе выходно сигнал при разбалансе мощностей нагревателя и охладителей зависит от времени и определяется по формуле (2 Поэтому даже небольшой разбаланс меж ду поглощающей и выделяемой мощноетями будет вызывать появление сигнала датчика температуры, линейно увеличиваЮ1чегося во времени. Это позволяет использовать квадратор для возведения в квадрат весьма малых си1- налов, что и обеспечивает расширение динамического диапазона.

Формула изобретения

Квадратор, содержащий электрический нагреватель, выводы которого явпяются входом квадратора, охладитель, первая рабочая поверхность которого находится в тепловом контакте с элект рическим нагревателем, а выводы являются выходом квадратора, датчик температуры, чувствительный элемент которого находится в тепловом контакте с первой рабочей поверхностью охладителя, отличающийся тем, мто, с целью расширения динамического диапазона входного сигнала, он содержит дополнительный охладитель, теплоотвод, дополнительный дифференциальный датчик температуры, причем основной датчик температуры выполнен также дифференциальным, другой чувствительный элемент основного датчика температуры находится в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью основного охладителя, которая находится в тепловом контакте с первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя, теплоотвод находится в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью дополнительного охладителя, выводы которого являются дополнительным выходом квадратора, первый чувствительный элемент дополнительного дифференциального датчика температуры находится в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью дополнительного охладителя, а второй чувствительный элемент - с одной из рабочих поверхностей основного охладителя. Источники информации, Принятые во внимание при экспертизе , 1. Корн Г., Корн Т. Электрические аналоговые и аналого-цифровые вычислительные машины. М., Мир, 19б7, с. . 2.. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2587583/2, кл. G об G 7/20, 1978 (прототип).

0

e