Преобразователь действующего значения электрических сигналов

Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик оц 1 ОО 4897 ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 09. 10. 81 (21) 3346846/18-21с присоединением заявки Нов(23) Приоритет -Опубликовано 15.0383. Бюллетень М 10Дата опубликования описания 1503.83 М К з 0 01 В 19/02 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Ю.С.Мальцев и В.Д.Шевченко И 1 .1,Ь Омский завод электрических точных приборов(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 20 Изо брете нне отно сит ся к электро-измерительной 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 преобразуежх сигналов, 15 ограниченном допустимой температурой разогрева составных элементов термоэлектрического компаратора.Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь действующего значения электрических сигналов, содержащий термоэлектричес. кий 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, размещенный вне полости термо- З 0 электрического компаратора и связанный выходом с другим входом усилителя, два блока памяти, сигнальныевходы которых подключены к выходуусилителя, а выходы - к входам ооответственно охладителя и индикатора,ключ обратной связи, установленныймежду входами индикатора и нагревателя, блок синхронизации, выходы ко"торого соединены с управляющими входами ключей и блоков памяти .2,Недостаток данного устройства определяется узким динамическим диапазоном преобразуемых сигналов,Для расширения динамического диапазона в сторону увеличения уровнявходных сигналов необходимо применятьохладитель большой охлаждающей мощности, т.е. увеличивать геометрические размеры охладителя, Это приводитк снижению чувствительности термоэлектрического компаратора вследствиеуменьшения теплового сопротивлениянагревателя относительно окружающегопространства. Крове того, величиначувствительности ограничивается конечным тепловым сопротивлением выводовнагревателя и датчика температуры,Для расширения динамического диапаэона в сторону уменьшения уровнявходных сигналон необходимо уменьшить геометрические размеры охладителя с целью увеличения теплового сопротивления этих элементов. При этом уменьшается максимальная охлаждающая мощность, выделяемая охладителем, что снижает верхнюю границу динамического диапазона. Таким образом, в известном устройстве воэможности расширения динамического диапазона обычными конструктивными мероприятиями весьма 1 О ограничены.Цель изобретения - расширение динамического диапазона преобразуемых сигналовПоставленная цель достигается 15 тем, что преобразователь действующего значения электрических сигналов, .содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подключен к общему входу преобразова р теля, первым датчиком температуры, выход которого соединен с входом усилителя, и охладителем, установленным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, 25 снабжен дополнительным усилителем, а в полость термоэлектрического компаратора введены дополнительный охладитель и второй датчик температуры, причем оба датчика температуры выпол- ЗО нены 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 вы. ходом основного усилителя.40Кроме того, в термоэлектрическом компараторе выполнены тепловые"контакты нагревателя с первой рабочей поверхностью основного охладителя, второй рабочей поверхности основного охладителя - с первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя, второй рабочей поверхности дополнительного охладителя - с окружающей средой, .чувствительных элементов первого датчика температуры - с рабочими поверхностями, основного охладитвля, чувствительных элементов 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 1 элементов второго датчика температуры 60 выполнена теплопроводящей и установлена в тепловом контакте с второй рабочей поверхностью основного охлади- селя и первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя., 65 На фиг.1 представлена структурнаясхема предложенного преобразователядействующего значения электрическихсигналов; на фиг.2 - констуктивноепостроение термоэлектрического компаратора.устройство содержит термоэлектри-ческий компаратор 1 (фиг.1), основнойусилитель 2 и дополнительный усилитель 3. Первый вход термоэлектрического компаратора 1 (клемю 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 входомусилителя 3. Выход последнего подключен к второму входу термоэлектри.:ческого компаратора 1 (клемм 10 и11), третий вход которого (клеммы 12и 13) соединен с выходом усилителя 2,Выходными клеммами 14 и 15 преобразователя являются выводы обоих усилителей,Термоэлектрический компаратор 1включает в себя нагреватель 16 (фиг.2),первый (основной) и второй (дополнительный) охладители, а также дифференциальные датчики температуры 17и 18.Первый охладитель состоит из двухполупроводниковых элементов 19 разнойпроводимости (и -типа и р -типа), присоединенных пайкой к металлическомупокрытию, нанесенному на теплопроводяшую подложку 20. Вторые выводы по"лупроводниковых элементов 19 присоединены пайкой к металлическим электродам 21, нанесенным на теплопроводящие подложки 22, Электроды 21 служат для подключения первого охладителя к цепи питания. Теплопроводящаяподложка 20 выполняет функции первойрабочей поверхности первого охладителя, а теплопроводящие подложки 22выполняют функции его второй рабочейповерхности.1Второй охладитель состоит из двухполупроводниковых элементов 23 разнойпроводимости, присоединенных пайкой кметаллическому покрытию, нанесенномуна теплопроводящие подложки 24. Вторые выводы полупроводниковых элементов 23 присоединены пайкой к металлическим электродам 25, нанесенным натеплопроводящие подложки 26. Электроды 25 служат для подключения второгоохладителя к цепи питания. Теплопроводящие подложки 24 имеют тепловойконтакт с теплопроводящей оболочкой27 (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 21электрически изолированы от оболочки27 теплопроводящнми подложками 22, Полупроводниковые элементы 23 второго охладителя имеют между собой электрический контакт, выполненный проводником 28, соединяющим металлическое покрытие, нанесенное на теплопро водящие подложки 24. Электрода 25 электрически изолированы от теплопроводящей оболочки 29 теплопроводящими подложками 26.Нагреватель 16 размещен на теплопроводящей подложке 20, его выводы соединены с клеммами 4 и 5. Датчик 17 температуры установлен так, что один его чувствительный элемент имеет тепловой контакт с первой рабочей по верхностью первого охладителя (с теплопроводной подложкой 20), а второй чувствительный элемент - с второй рабочей поверхностью того же охладителя (с теплопроводящей подложкой 22). 20 Датчик 18 температуры установлен так, что один его чувствительный элемент имеет тепловой контакт с первой рабочей поверхностью первого охладителя (тенлопроводящей подложкой 20), а второй чувствительный элемент - со второй рабочей поверхностью того же охладителя (с теплопроводящей подложкой 26).Теплонроводящая оболочка 27 охватывает нагреватель 16, первый охладитель (элементы 19, 20 и 22)датчик17 температуры и один из чувствительных 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 поверхностьвторого охладителя имеет тепловой 40контакт с оболочкой 27 и со второйрабочей поверхностью первого. охладителя. Теплопроводящие подложки 26второго охладителя имеют тепловойконтакт с теплопроводящей оболочкой28 (например, приклеены к оболочке29), служащей теплоотводом для второй рабочей поверхности второго ох.ладителя.Выводы нагревателя 16 соединеныс клеммами 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 55 входом компаратора 1, а его третий вход с клеммами 12 н 13 составляют выводы цепи питания второго охладителя (электроды 25), Выводы датчика 17 температуры соединены с клемма ми 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. 65 Нагреватель 16 представляет собойрезистивный элемент, выполненный методами тонкопленочной технологии натеплопроводящей подложке 20. ДиФФеренциальный датчик 17 температуры вылполнен в вице двух термопар, включенных встречно-последовательно, ДиФФеренциальный датчик 18 температуры,поконструкции аналогичен датчику температуры 17, Элементы 19 и 23 первогои второго охладителей выполнены изполупроводникового материала на основе сплавов 812 те 3, 5 ЬТС . Охладителипредставляют собой термоэлектричес-,кие элементы, рабочие поверхности которых при пропускании тока, согласноэФФекту Пельтье, охлаждаются или нагреваются в зависимости от направления тока. Теплопроводящие подложки20, 22, 24 и 26 изготовлены из окиси бериллия,Усилители 2 и 3 выполйены по стандартным схемам усилителя постоянноготока с диФФеренциальным входным каскадом. Выходные каскады усилителейи 3 могут быть построены в виде широтно-импульсных модуляторов такжепо одной из стандартных схем,Устройство работает следующим образом.Входной электрический сигнал 3 8, поступающий на клемма 4 и 5 термоэлектрического компаратора 1, разогре вает 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 иа вход усилителя 3. Выходной .сигнал последнего подводится к клеммам 10 и 11, т.е. в цепь питания первого охлади 1 теля, автоматически поддерживая тем самым равенство нулю выходного сигнала датчика температуры (равенство 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 тепло-.проводящей подложки 26 с окружающей средой). При этом тепловая мощность, выделяемая нагревателем 16, полностью поглощается охлаждающей мощностью, 1004897где Е 1П 2 -И 1 и 2 40 то Э -"К 1:к ех ="з и 1=к.иа где 45 Формула изобретения 50 выделяемой первым и вторым охладителями, т.е. можно записатьК:К . =К Эвхр вых 1-Кгзеых 25 где Й - сопротивление нагревателя 16;К 1,К 2 - коэффициенты, учитывающиетермоэлектрическую эффективность материала элементов охладителей; Э 1,3 ,; значения токов в выходныхцепях усилителей 2 и 3.Таким образом, ток в выходных цепях усилителей 2 и 3 является пропорциональным квадрату действующего зна чения входного сигнала преобразователя. Выходными сигналами преобразователя могут служить либо токи в выходных цепях усилителей 2 и 3, либо напряжения в этих цепях (клеммы 14 20 и 15)Если применять в усилителях 2 и 3 выходные каскады, выполненные в виде ШИМ-модуляторов, то для установившегося режиМа можно загисать 25 2вР= "1 3 ю 1 и 1=. Кд пафи Г 1 амплитуды импульсов 30на выходе усилителей 2 и 3,длительности импульсов на выходе усилителей 2 и 3; З 5частота. Поскольку для широтно-импульсногомодулятора"ф= К 23Р=сопМВ этом случае выходными параметра ми преобразователя являются длитель" ности импульсов на выходах усилителей 2 и 3. В процессе работы преобразователя разность температур между рабочими поверхностями первого и второго охладитЬлей постоянно поддерживается равной нулю, что равносильно повышению эквивалентного теплоного сопротивления элементов. первого охладителя. Это позволяет выполнить элементы обоих охладителей с достаточно большими геометрическими размерами (выполнить 60 охладители достаточно большой охлаждающей мощности), что дает возможность расширить динамический диапазон преобразуеьих сигналов в сторону высоких значений сигналов, не опасаясь 65 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 чувствительных элементов датчика 18 температуры, имеющей тепловой контакт со второй рабочей поверхнОстью первого охладителя и первой рабочей поверхностью второго охладителя, дает нозможность автоматического поддержания вокруг охватываещх ею элементов нулевого перепада температур, При этом выводы нагревателя 16 и датчиков 17 и 18 температуры, проходящие через теплопроводяшую оболочку 27, а также эле. менты первого охладителя не создают дополнительной теплопроводности нагревателя 16 относительно окружающей среды,т.е. не уменьшают чувствительности термоэлектрического компаратора 1 и всего преобразователя н целом.Вследствие автоматического поддержания нулевого перепада температур между отдельными конструктивными элементами, удалось существенно увеличить эквивалентное тепловое сопротивление, что позволило повысить чувствительность термоэлектрическогокомпаратора 1 и расширить тем самым динамический диапазон преобразуемых сигналов н сторону малых уровней, и значительно увеличить сечение элементон охладителя (увеличить мощность охладителя) и,расширить тем самым динамический 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 на выходе датчика 18 температуры; линейно уве- личивающегося во времени. Это позволяет использовать данное устройство для преобразования весьма малых входных сигналов. 1. Преобразователь действующего значения электрических сигналов, содержащий термоэлектрический компаратор с нагревателем, вход которого подключен к общему входу преобразонателя, первым датчиком температуры, выход которого соединен с входом усилителя, и охладителем, установленным в тепловом контакте с нагревателем, второй датчик температуры, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона преобразуемых сигналов, он снабжен дополнительным усилителем, а в полость термоэлектрического компаратора введены дополнительный охладитель и упомянутый второй датчик тейпературы, причем оба датчика температуры выполнены дифференциальными, включен.ными 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 ич а ю щ и й с я тем, что в термоэлектрическом компараторе выполнены 35 тепловые контакты. нагревателя с первой рабочей поверхностью основного охладителя, второй рабочей поверхности основного охладителя - с первой рабочей поверхностью дополнительного 2 п охладителя, второй рабочей поверхности дополнительного охладителя - с окружающей средой, чувствительных элементов первого датчика температуры - с рабочими поверхностями основного охладителя, чувствительных зчементов 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 ворой рабочей поверхностью основного охладнтеля и первой рабочей поверхностью дополнительного охладителя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Волгин Л.И. Измерительные пре-.образователи переменного напряжения впостоянное. М., фСоветское радио",1977, с. 108-110, рис. 34 а.2. Авторское свидетельство СССРР бб 1372, кл. О 01 й 19/02, 1977,1004897 О 2 б Составитель Л.Морозовор Н.Воловик Техред Е.Харитончик Ко р В. Бут аз 1875/5 бВН Тирам 70ИИПИ Государствепо делам изобре113035, Москва, Ж Подписииного комитета СССРений и открытий35, Раушская иаб., д.4/ вал ППП "ПФгент", г.ужгород, ул.Проектна