Квадратор

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 6 С 72 ЕТЕНВУ 13 .;:,.;,".;1 ЬЫьЛЯОИЬА е ЕТЕЛЬСТ устан модук теду с я е роки соот упра ду и трич ляемь теля упра инте ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗ К АВТОРСКОМУ(71) Омский ордена Ленина заводэлектрических точных приборов(56) 1. Попов В,С. Металлические по догреваемые сопротивления в электро- измерительной технике и автоматике. М., "Наука", 1964, с. 115-127,рис. 11-14.2. Авторское свидетельство СССР У 813464, кл. С 06 С 7/20, 1981 (прототип) .(54)(57) КВАДРАТОР, содержащий нагре ватель, подключенный к входу квадра 801103247 и термоэлектрический элемент,овленные в тепловом контакте у собой, усилитель и импульсный ятор, выход которого подключен моэлектрическоиу элементу и вйхоадратора, о т л и ч а ю щ и йтем, что, с целью повышения быстйствия, в него введены два управы ключа, интегратор и блок синхзации, выходы которого подключены ветственно к управляющим входам. вляемых ключей и управляющему вхомпульсного модулятора, те рмоэлекеский элемент через первый управй ключ подключен к входу усиливыход которого через второй ф вляемый ключ подключен к входу гратора.1 11 озИзобретение относится к аналоговойвычислительной технике, в частностик устройствам для возведения в квадрат электрических сигналов.Известны квадраторы, содержащиенагреватель и датчик температуры, находящийся на тепловом контакте с нагревателем 11.Недостатки таких квадраторов заключаются в низкой чувствительности и 10ограниченном динамическом диапазоневходных сигналов, что объясняется перегревом элементов квадратора относительно температуры окружающей среды.Наиболее близким к предлагаемомуявляется квадратор, содержащий нагреватель, термоэлектрический охладительи датчик температуры, соединенные спомощью теплопроводящих элементов между собой, а также усилитель и импуль,сный модулятор, причем вход усилителя соединен с выходом датчика температуры, выход усилителя - с входомимпульсного модулятора, выход которого соединен с цепью питания термоэлек 25трического элемента и с выходнойклеммой квадратора 21.Недостатком известного устройстваявляется низкое быстродействие,обусловленное запаздыванием, вносимым теплопроводящими элементами, соединяющими термоэлектрический охлади- тель и датчик температуры между собой, а также инерционность этих элементов.Цель изобретения - повышение быст-З 5 родействия квадратора.Поставленная цель достигается тем, что в квадратор, содержащий нагреватель, подключенный к входу40 квадратора, и термоэлектрический элемент, установленные в тепловом контакте между собой, усилитель и импульсный модулятор, выход которого подключен к термоэлектрическому элемен 45 ту и выходу квадратора, введены два управляемых ключа, интегратор и блок синхронизации, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам управляемых ключей и управляющему входу импульсного модулятора,50 термоэлектрический элемент через первый управляемый ключ подключен к входу усилителя, вькод которого через второй управляемый ключ подключен к входу интегратора.55Такое выполнение квадратора позволяет повысить его быстродействие за счет исключения запаздывания между 247 1чувствительным элементом (датчикомтемпературы) и исполнительным элементом (термоэлектрическим охладителем),а также эа счет уменьшения постоянной времени (массы) элементов квадратора,На фиг.1 показана схема предлагаемого квадратора, на фиг.2 - графикипереходных процессов в прототипе(кривая 1) и в предложенном квадраторе (кривая 2).Квадратор (фиг,1) содержит нагреватель 1, термоэлектрический элемент2, установленный в тепловом контактес нагревателем 1, управляемый ключ3, усилитель 4, управляемый ключ 5,интегратор 6, импульсный модулятор,7 и блок 8 синхронизации.Выводы нагревателя 1 соединены склеммами "Вход" квадратора, Выводытермоэлектрического элемента 2 соединены с первым входом управляемогоключа 3.Выход управляемого ключа 3 соединен с входом усилителя 4, вькод которого соединен с первым входом управляемого ключа 5. Выход управляемого ключа 5 соединен с входом интегратора 6, выход которого соединен свходом импульсного модулятора 7. Выход импульсного модулятора 7 соединенс клеммами "Выход" квадратора и свыводами термоэлектрического элемента 2.Один из выходов блока 8 синхронизации соединен с управляюцими входами управляемых ключей 3 и 5, а второй выход - с управляющим входом импульсного модулятораВторые входы управляемьк ключей3 и 5 соединены с общей шиной,Нагреватель 1 может быть выполненв виде пленочного резистора, напыпенного на электроизоляционную теплрпт,оводящую подложку, выполняющую функциипервой рабочей поверхности термоэлектрического элемента 2.Термоэлектрический элемент 2 можетбыть выполнен в виде двух (или более)полупроводниковых пластин разной проводимости (р и о -типа), электрическисоединенных между собой с помощью металлического покрытия, нанесенного надиэлектрическую подложку.Диэлектрические теплопроводящиепластины, служащие второй рабочей по"верхностью термоэлектрического элемента 2, обеспечивают тепловой ко н.такт пластин с корпусом, охватывающим2и вк ц,3 йТ 1(-. или 3 11032нагреватель 1 и термоэлектрическийэлемент 2. Выводы полупроводниковыхпластин служат выводами термоэлектрического элемента 2Управляемые ключи 3 и 5 могутбыть выполнены в виде полупроводниковых ключей.В качестве усилителя 4 может бытьиспользован стандартный операционныйусилитель, включенный по схеме усилителя переменного тока.Интегратор 6 может быть выполненна основе операционного усилителя постандартной схеме.Импульсный модулятор 7 может бытьвыполнен в виде широтно-импульсного .модулятора или частотно-импульсногомодулятора по одной из стандартныхсхем.Блок 8 синхронизации может бытьвыполнен в виде автоколебательногогенератора прямоугольных импульсов.Квадратор работает следующим образом.Входной сигнал в виде электричес. кого тока (постоянного или переменного) поступает на нагреватель 1 иразогревает его. В течение первоготакта работы Т 1 блок 8 синхронизацииустанавливает управляемые ключи 3 и5 в закрытое положение, в результатечего выводы термоэлектрическогоэлемента 2 оказываются присоединенными к входу усилителя 4, а выход уси"лителя - к входу интегратора 6.Термо-ЭДС с термоэлектрическогоэлемента 2, обусловленная разностьютемператур нагревателя 1 и окружающейсреды, усиливается усилителем 4 иинтегрируется интегратором 6.Во втором такте работы Т 2 блок 840синхронизации устанавливает управляемые ключи 3 и 5 в открытое состояние,в результате чего входы усилителя 4 и.интегратора 6 соединяются с общей шиной. Одновременно блок. 8 синхвониза 45ции запускает импульсный модулятор7, который вырабатывает сигнал постоянной амплитуды и постоянной частоты,длительность которого пропорциональнавыходному сигналу интегратора 6 (выходкому сигналу термоэлектрическогоэлемента в первом такте). Этот импульсный сигнал поступает на выходныеклеммы квадратора и на выводы термоэлектрического элемента 2. Протекание 55тока через термоэлектрический элемент2 приводит вследствие эффекта Пальтьек выделению охлаждающей мощности,47 4пропорциональной среднему значению тока.Такты работы Т 1 и Т 2 периодически повторяются. В установившемся режиме вследствие большого суммарного коэффициента передачи блоков 4 и 7 выходной сигнал термоэлектрического элемента 2 практически равен нулю, т.е. количество тепла, выделяемое входным сигналом в нагревателе 1, равно количеству тепла, поглощенному вследствие эффекта Пальтье в течение второго такта работы, при этом выходной сигнал импульсного модулятора 7 (его длительность импульса) пропорционален квадрату входного сигнала.Протекающие физические процессы описываются следующими математическими выражениями.Количество тепла Й, выделившееся в течение цикла Т, преобразования в нагревателе 1, равноО=Э ЯТ1 в где Эв - значение тока в нагревателе 1;Я - сопротивление нагревателя 1;Т, - длительность цикла работы.Количество тепла О, поглощенное в течение второго такта, равно где у - амплитуда тока через термоэлектрический элемент 2;- длительность импульса выходного сигнала импульсного модулятора 7;К - коэффициент пропорциональности.Так как в установившемся режиме Й,= Ц , то при К сопзй; Тц,=сопят; 1=сопзй;и вАналогично можно показать, что при выполнении импульсного модулятора 7 в виде частотно-импульсного модулятора, частота выходного сигнала квадратора пропорциональна квадрату входного сигнала. Таким образом, выходной сигнал импульсного модулятора 7 пропорционален квадрату входного сигнала.1103247 ВНИИПИ Звкаэ 5030/38 Тува 699 Подписное Филиал ППП "Патент, г.Ужгород, ул,Проектная, 4 В предлагаемом устройстве исполнительный элемент - охладитель и чувствительный элемент - датчик температуры совмещены и конструктивно представляют один элемент. Это позволяет полностью исключить запаздывание между исполнительным и чувствительным элементами. Следовательно, фазбвый сдвиг в предлагаемом устройстве меньше, чем в прототипе, запас устойчивос 10 ти выше, что повышает быстродействие квадратора путем изменения глубины отрицательной обратной связи, в то время как в. прототипе увеличение глубины отрицательной обратной связи 15 приводит к автоколебаниям в системе.На фиг.2 показаны результаты экс" периментальных исследований предлагаемого квадратора (кривые 1) и прототипа (кривые 2), 20В процессе экспериментов глубина обратной связи изменяется изменением коэффициента усиления усилителя в прямом тракте при неизменном значении сопротивления резистора в цепи отрицательной обратной связи.При коэффициенте передачи 25 мА/мВ время установления предлагаемого .квадратора 7 с, прототипа 10 с (Фиг.2 а). При коэффициенте передачи 250 мА/мВ время установления предлагаемого квад" ратора 0,6 с, а в выходном сигнале прототипа. появляется незатухающая колебательная составляющая (Фиг.2 б).При коэффициенте передачи 2500 мА/мВ время установления предлагаемого квадратора 0,4 с, в то время как в прототипе наблюдаются автоколебания(Фиг. 2 в)Таким образом, повышенное быстродействие предлагаемого квадратора по сравнению с прототипом объясняется тремя факторами - меньшей постоянной времени инерционного звена, отсутствием запаздывания между охладителем и датчиком температуры, большим запасом устойчивости,