Способ возведения в квадрат электрических сигналов

1СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН ЯВ,.3286442 А б 066 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ г1ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(72) Ю.,С.Мальцев и В.Д.Шевченко (71) Омский ордена Ленина завод электрических точных приборов (53) 681.335(088.8)(56) 1. Попов В.С. Металлические подогреваемые сопротивления в элект роизмерительной технике и автоматике. М., "Наука", 1964, с. 115-127.2. Авторское свидетельство СССР В 813464, кл. б 06 6 7/20, 1981 (прототип).(54) (5) СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ В КВАДР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, включающий преобразование входного сигнала в тепловой потокф, преобразование опо ного сигнала в охлаждающий поток,суммирование теплового и охлаждающе.го потоков и регулирование опорногосигнала до равенства суммарного теп-лового потока нулю, при этом по величине опорного сигнала определяютквадрат входного сигнала, о т,л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповьппения чувствительности и помехоусточивости, дополнительно производят модуляцию плотности суммарноготеплового потока, преобразуют модулированный тепловой поток в электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляцией суммарного тепло АТ , вого потока, равенство нулю суммарФного теплового потока определяют поравенству нулю демодулированного р- электрического сигнала. Х/1 10864Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения аналоговых вы"числительных устройств, выполняющихоперации возведения в квадрат элект 5рических сигналов.Известны способы возведения в,квадрат электрических сигналов, осно"ванные на преобразовании входногосигнала в тепловой поток путем разогрева входным сигналом реэистивногоэлемента и измерении температурырезистивного элемента, изменяющейсяв функции квадрата входного сигнала:11 3,15Недостатками данных способов являются узкий динамический диапазонвходных сигналов и низкая чувстви"тельность. Динамический диапазонвходных сигналов, ограничен допустимой температурой резистивного элемента, применяемого для преобразованиявходного сигнала в тепловой поток.Низкая чувствительность объясняетсякак значительными тепловыми потерямиот нагретого резистивного элементав окружающую среду, так и низкойчувствительностью дифференциальныхдатчиков температуры, применяемых дляпреобразования температуры резистивного элемента в электрический сигнал.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ возведения в квадратэлектрических сигналов, заключающийся в преобразовании входного сигнала в тепловой поток путем разогревавходным сигналом реэистивиого элемента, преобразовании опорного сигналав охлаждающий поток с помощью термоэлектрического охладителя, питаемогоопорным сигналом, суммировании тепдового и охлаждающего потоков на теплопроводе, регулировании характеристик опорного сигнала до момента равенства нулю суммарного потока, протекающего по теплопроводу, определяемому по моменту равенства температуры теплопровода температуре окружающей среды, определении квадрата входного сигнала по характеристикам опорного сигнала 2 1. 50Недостатками известного способаявляются низкая чувствительность инизкая помехоустойчивость, которыеобъясняются необходимостью преобразо.вания разности температур между теплопроводом и окружающей средой вэлектрический сигнал, что заставляетиспольэовать для этой цели дифферен 42 Ъциальный датчик температуры (термолару). Чувствительность лучших известных термопар составляет 400 мкВ// С чем и ограничиваются возмажносоти повышения чувствительности извест.ного способа. Низкий уровень выходного сигнала постоянного тока обуславливает и низкую помехоустойчивость известного способа,Цель изобретения - повышение чувствительности и помехоустойчивостиспособа,Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу возведенияв квадрат электрических сигналов,включающему преобразование входногосигнала в тепловой поток, преобразование опорного сигнала в охлаждающий поток, суммирование тепловогои охлаждающего потоков и регулирование опорного сигнала до равенствасуммарного теплового потока нулю, приэтом по величине опорного. сигналаопределяют квадрат входного сигнала,дополнительно производят модуляциюплотности суммарного теплового потока,преобразуют модулированный тенловойпоток в электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляциейсуммарного теплового потока, равентво нулю суммарного теплового потокаопределяют по равенству нулю демодулированного электрического сигнала,Введение операции модуляции плотности суммарного теплового потока споследующим преобразованием модулированного потока в электрический сиг"нал переменного тока и операции демо.дуляции электрического сигнала синхронной с модуляцией суммарнбго теплового потока позволяет повыситьчувствительность и помехоустойчи"вость предложенного способа. Этообъясняется тем, что малые полезныеэлектрические сигналы фиксированнойчастоты легко могут быть обнаруженына фоне значительных помех даже втом случае, если уровень полезногосигнала лежит ниже уровня шумов инаводок,На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - то же, вариант ис. - полнения.Устройство содержит входной блок 1 (фиг. 1), микровольтметр 2 переменного тока, регулируемый источник 3 опорного сигнала.3 1086442Входной блок 1 состоит из резистивного элемента 4, нанесенного на теплопровод 5, на котором установлен датчик 6 температуры, термоэлектрического охладителя 7, рабочая поверх ность 8 которого имеет тепловой контакт с теплопроводом 5, а теплоотво" дящая поверхность 9 термоэлектрического охладителя 7 имеет тепловой контакт с теплопроводящим корпу сом 10, и теплового ключа 11, установленного между теплопроводом 5 и корпусом 10.Выводы резистивного элемента 4 служат входом устройства, выход дат чика 6 температуры соединен с входом микровольтметра 2. Выход регулируемого источника 3 опорного сигнала соединен с цепью питания термоэлектрического охладителя 7. Управляющий 20 вход теплового ключа 11 подключен к клеммам 12. Клеммы 13, подключенные к выходу регулируемого источника 3, служат выходом устройства.Иикровольтметр 2 представляет собой стандартный избирательный микровольтметр переменного тока.Регулируемый источник 3 опорного . сигнала может быть выполнен в виде источника напряжения с регулируемым 30 выходным напряжением или в виде генератора прямоугольных импульсов со стабилизированной амплитудой и частотой и с регулируемой длительностью импульсов. 35Резистивный элемент 4 может быть выполнен напылением на теплопровод 5, выполненный из диэлектрического теплопроводного материала, например из окиси бериллия 25 40 В качестве датчика 6 температуры может быть использован один из известных датчиков - термопара, терморезистор, термистор. При использовании термопары в качестве датчика температуры ее выводы непосредственно соединяются с входом микровольтметра 2. При использовании в качестве датчика температуры термистора он включается в плечо мостовой измерительной схемы, одна из диагоналей которой подключается к источнику питания постоянного тока, а другая служит выходом датчика температуры и подключается к входу микровольтметра 2.В качестве термоэлектрического, охладителя 7 может быть использован стандартный полупроводниковый термоэлемент или батарея термоэлементов.В качестве теплового ключа 11 может быть использован стандартный магнитоуправляемый контакт с электромагнитным управлением. В этом случае выводы обмотки управления магнитоуправляемого контакта выполняют функции управляющего входа теплового ключа, Тепловой ключ 11 может быть выполнен также в виде тепловой трубы с управляемой теплопроводностью по одной из известных конструктивных схем.Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит входной блок 1, регулируемый источник 3 опорного сигнала, усилитель 14 переменного тока, демодулятор 15 и измерительный прибор 16 постоянного тока.Процесс возведения в квадрат (электрических сигналов осуществляют с 1 тедующим образом.Входной электрический сигнал Х (напряжение или ток) преобразуют в тепловой поток путем разогрева входным сигналом резистивного элемента 4 (фиг. 1). Опорный электрический сигнал Х П=Х , (напряжение или ток) регулируемого источника 3 опорного сигнала преобразуют в охлаждаюпций поток путем пропускания опорного сигнала по цепи питания термоэлектрического охладителя 7. Затем суммируют тепловой поток, вызванный входным сигналом, с охлаждающим потоком опорного сигнала на теплопроводе 5. Осуществляют модуляцию плотности суммарного теплового потока путем периодической коммутации теплового ключа 11, управ.ляемого от тактовых импульсов, подаваемых от внешнего генератора на клеммы 12. В разомкнутом состоянии теплового ключа 11 плотность суммарного теплового потока определяется значением суммарного теплового потока и ,величиной тепловой проводимости конструктивных элементов - охладителя, нагревателя и др.В замкнутом состоянии теплового ключа 11 плотность суммарного теплового потока определяется тепловой проводимостью теплового ключа и упомянутых выше элементов.Далее преобразуют модулированный суммарный поток теплопровода 5 в электрический сигнал переменного тока, что осуществляется с помощью датчика 6 температуры, установленного на теплопроводе 5. Вследствие периодического изменения плотности суммарного теплового потока температура теплопровода 5 также периодически 5 изменяется, поэтому выходной сигнал датчика 6 температуры представляет собой сигнал переменного тока.Регулируют опорный сигнал (выходное напряжение регулируемого источника 3 опорного сигнала) до момента равенства нулю суммарного теплового потока (по показаниям микровольтметра 2 переменного тока), после чего по характеристикам опорного сигнала 15 (по значенияю выходного напряжения, по значению тока на выходе регулируемого источника 3 опорного сигнала) определяют квадрат входного сигнала.При использовании устройства на фиг. 2 способ возведения в квадрат электрических сигналов реализуют аналогично описанному, но в процессе регулирования опорного сигнала равенство нулю суммарного теплового потока определяют по равенству нулю электрического сигнала постоянного тока, полученного путем синхронной демодуляции электрического сигнала датчика температуры, для чего выходной сигнал датчика 6 температуры усиливают усилителем 14 и демодулируют демодулятором 15, синхронизированным сигналом, осуществляющим управление модуляцией тепловс го потока теплопровода 5 (сигналом с клемм 12). Полученный на выходе демодулятора 15 электрический сиг. нал постоянного тока измеряют прибо 40 ром 16 постоянного тока, по показаниям которого определяют равенство нулю электрического сигнала датчика температуры. После этого по характеристикам опорного сигнала на клеммах 13 определяют квадрат входного45 сигнала. При использовании в качест-. ве источника 3 опорного сигнала гене ратора импульсов со стабилизированк ной амплитудой и частотой и с регулируемой длительностью импульсов квадрат входного сигнала может быть определен по длительности импульсов источника 3, по среднему значению напряжения на выходе источника 3.В установившемся режиме, когда выходной сигнал синхронного демодулятора равен нулю, тепловой поток элемента 4, вызванный входным сигна" лом Х , полностью скомпенсирован охлаждающим потоком охладителя, вызванным током, протекающим от источника опорного сигнала через охлади" тель. Тепловая мощность Р , выделяемая входным сигналом в элементе 4, равнаХрРгде Х - квадрат напряжения входгВхного сигнала;Й - значение сопротивленияэлемента 4,Охлаждающая мощность Р, вьщеляемая охладителем 7, равнафпРо, =П 1где П - коэффициент пропорциональности (коэффициент Пельте);1 - амплитуда тока, протекающегочерез охладитель;Фп - длительность импульсов тока,протекакицего.через охладитель;Т - период следования импульсовтока, протекающего через охладитель,В разомкнутом положении тепловогоключа практически весь тепловой ихпоток замыкается через охладитель.Плотность теплового потока с, протекающего через охладитель, определяется по формулеРгде э - сечение элементов охладителя;фР Рт РохлВ замкнутом состоянии тепловогоключа плотность теплового потока сгравна где К- коэффициент, учитывающийответвление теплового пото-ка через замкнутый тепловойключ.Модулированный тепловой поток с плотностями сиг преобразуют в электрический сигнал датчиком температуры, преобразуя приращения температуры теплопровода ЬС 1 и 612 в электрические сигналы Ои 02.и-к и к е%2 АУ=К д 1 К - 0 г г г 2 г Л где К - коэффициент, характеризующий крутизну использованного датчика температуры;108 б 442- длина элементов охладителя; с Л - коэффициент теплопроводнос- р ти элементов. ш Так как процесс регулирования опор ч ного сигнала заканчивают при равенст ве нулю переменной составляющей с электрического сигнала аО =0-02=0, тс м20 к --(, 1 хк - (1-к)вО Следовательно, в состоянии равновесия тепловой поток через охлади- тель равен нулю; что означает равенство нулю суммы тепловой и охлаждающей мощностей 15Рт РохлилиРт Рохл 2фиВ ПтйТТак как Й =СпнзФ, П=сон 51,и при использовании в качестве источника опорного сигнала генератора прямоугольньх импульсов с постоянной амплитудой и постоянной частотой, 1=сопзс, Т=сопзй, то обозначивПРХК= -- -=соня 13 Т получим302Кбх КЗ+иТаким образом, длительность импульсов опорного сигнала пропорциональна квадрату входного сигнала.Учитывая, что ." - среднее зна. 35Э нчение тока, можно определять квадрат входного сигнала по среднему значению тока опорного сигнала,Недостатки прототипа объясняются . тем, что сигналом рассогласования, 40 по которому определяется степень компенсации теплового потока вызванного входным сигналом, охлаждающим потоком опорного сигнала, служит сиг. нал постоянного тока низкого уровня, 45 вырабатываемый датчиком температуры. В этих условиях возможности повьппения чувствительности способа-прототипа определяются характеристиками усилителя постоянного тока (его,дрейфом, уровнем собственных шумов). Кроме того, внешние наводки и паразитные термо-ЭДС, возникающие в соединительных проводах, складываются с полезным сигналом и искажают . 55 результат квадратирования. При мальи значениях разности теплового и охлаж дающего потоков величина полезного игнала на выходе датчика температуы становится сравнимой с дрейфом н умом усилителя постоянного тока, то не позволяет квадратировать малые сигналы, Согласно предлагаемому пособу вследствие введения операции одуляции плотности суммарного потока, преобразования модулированного потока в электрический сигнал переменного тока появилась возможность использования для выполнения операции преобразования модулированного пото" ка в электрический сигнал высокочувствительного недифференциального датчика температуры (полупроводникового термистора), чувствительность которого в десятки и сотни раз выше, чем чувствительность дифференциальных датчиков (термопар), необходимых для реализации известного способа. Это позволяет обнаружить весьма малые разности между тепловым и охлаждающим потоком, что эквивалентно повышению чувствительности способа. Введение модуляции плотности потока позволяет определять момент равенства теплового и охлаждающего потоков1 по электрическому сигналу переменного тока, что исключает влияние неста. бильности датчика температуры на результат квадратирования, а также позволяет использовать избирательное усиление сигнала переменного тока, обеспечивающее выделение полезного сигнала переменного Тока фиксированной частоты даже при значительном уровне помех и шумов. Использование демодуляции электрического сигнала переменного тока, синхронной с модуляцией теплового потока теплопровода, позволяет в еще большей степени повысить чувствительность и помехоустойчивость способа, так как синхронная демодуляция позволяет обнаружить полезный сигнал переменного тока фиксированной частоты даже в том случае, если уровень помех превышает уровень полезного сигнала.В результате сравнительных испытаний способа-прототипа и предлагаемого способа установлено, что чувствительность и помехоустойчивость предлагаемого способа по крайней мере в 20 раз вьппе, чем известного.1086442 Составитель 9.МальцевРедактор М.Петрова Техред В,Далекорей Корректор В.Гирня аказ 2243/46ВНИИ 13035, М филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектна Тираж 699 Государственного ком о делам изобретений ква, Ж, Раушская Подписноетета СССР .открытийаб., д. 4/5