DE3050649C2 - Quadrator - Google Patents
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Description
gekennzeichnet durch
15
einen zweiten thermoelektrischen Kühler (3), der mit dem ersten K ühler (2) an einer zweiten ArbeitsHäche
(11, 14) in thermischem Kontakt steht und dessen Anschlüsse (21, 22) einen zusätzlichen Ausgang des
Quadrators bilden, durch einen Wärmeableiter (6), der mit dem zweiten
Kühler (3) an einer dritten Arbeitsfläche (16) in thermischem Kontakt steht,
durch eine differentielle Ausführung des ersten Temperaturgebers (4) mit einem zweiten Temperaturfühler,
der mit der zweiten Arbeitsfläche (11, 14) in thermischem Kontakt steht,
und durch einen zweiten differentiellen Temperaturgeber (5), dessen erster Temperaturfühler mit der ersten (9) oder der zweiten Arbeitsfläche (11) und dessen zweiter Temperaturfühler mit der dritten Arbeitsfläche (16) in thermischem Kontakt steht.
und durch einen zweiten differentiellen Temperaturgeber (5), dessen erster Temperaturfühler mit der ersten (9) oder der zweiten Arbeitsfläche (11) und dessen zweiter Temperaturfühler mit der dritten Arbeitsfläche (16) in thermischem Kontakt steht.
2. Quadrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Gleichstromverstärker (27), der
eingangsseitig an die Anschlüsse des ersten Temperaturgebers (4) angeschlossen ist, und durch einen
zweiten Gleichstromverstärker (28), der eingangsseitig an die Anschlüsse des zweiten Temperaturgebers
(5) und ausgangsseitig an die Anschlüsse des ersten Kühlers (2) angeschlossen ist, wobei der Ausgang
des ersten Gleichstromverstärkers (27) mit den Anschlüssen des zweiten Kühlers (3) verbunden ist.
3. Quadrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Spannungs-lmpulswandler (31),
der eingangsseitig an die Anschlüsse des ersten Temperaturgebers (4) angeschlossen ist, und durch
einen zweiten Spannungs-lmpulswandler (32), der eingangsseitig an die Anschlüsse des zweiten Temperaturgebers
(5) und ausgangsseitig an die Anschlüsse des ersten Kühlers (2) angeschlossen ist,
wobei der Ausgang des ersten Wandlers (31) mit den Anschlüssen des zweiten Kühlers (3) verbunden ist.
55
Die Erfindung betrifft einen Quadrator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, aus der SU-PS
75 427 bekannten Art. Diese Quadratoren finden in analogen Rechenanlagen zum Quadrieren elektrischer
Signale beliebiger Form Verwendung.
Einfache Quadratoren beruhen auf der Erwärmung eines Widerstandes durch einen elektrischen Strom.
Diese Erwärmung und damit die Temperatur des Widerstandes
ist proportional zum Quadrat des fließenden Stroms. Neben einer geringen Empfindlichkeit und einem
geringen Dynamikbereich haben diese Quadratoren den wesentlichen Nachteil, daß sich das Widerstandselement
auf einer Temperatur befindet, die die Umgebungstemperatur übersteigt, was zu einer Reihe
von Fehlern infolge der Wärmeableitung und parasitärer Peltier- und Thomson-Effekte führt
Der aus der SU-PS 6 75 427 bekannte Quadrator enthält neben dem Wirkwiderstand für einen elektrischen
Strom einen thermoelektrischen Kühler, der mit diesem Widerstand thermisch in Verbindung ist. Die Temperatur
der Verbindungsstelle von Widerstand und Kühler wird gemessen und der Strom durch den thermoelektrischen
Kühler so geregelt, daß sich diese Verbindungsstelle immer auf Umgebungstemperatur befindet. Da
die Kühlleistung eines thermoelektrischen Kühlers linear von dem Strom abhängt, der durch den Kühler fließt,
ist dieser Strom proportional zum Quadrat des Eingangsstroms des Quadrators, der durch den Wirkwiderstand
fließt und diesen heizt
Der bekannte Quadrator hat den Nachteil einer geringen Empfindlichkeit und einer geringen Genauigkeit,
da die geometrischen Abmessugnen eines thermoelektrischen Kühlers mit ausreichender Kühlleistung relativ
groß sind. Das hat erhebliche Wärmeverluste zur Folge. Außerdem ist der Dynamikbereich dieses Quadrators
gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Quadrator der eingangs genannten Art so auszubilden,
daß die Empfindlichkeit und die Genauigkeit erhöht und der Dynamikbereich verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Ansprüchen
2 und 3 sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform des Quadrators im Längsschnitt,
F i g. 2 die Ausführungsform der F i g. 1 mit einer Quadratorbeschaltung mit Gleichstromverstärkern,
Fi g. 3 eine zweite Ausführungsform des Quadrators mit einer Quadratorbeschaltung mit Wandlern zur Umwandlung
einer Spannung in eine Impulsdauer.
Der zum Quadrieren elektrischer Gleich- oder Wechselstromsignale bestimmte Quadrator enthält einen
elektrischen Heizkörper 1 (Fig. 1), thermoelektrische Kühler 2 und 3, differentielle Temperaturgeber 4 und 5
und einen Wärmeableiter 6.
Der Kühler 2 besteht aus zwei Halbleiterelementen 7 unterschiedlicher Leitung (p- und η-Typ), die einerseits
an einen auf eine wärmeleitende Unterlage 9 aufgebrachten Überzug 8 angelötet sind. Auf der anderen
Seite sind die Halbleiterelemente 7 an metallische Elektroden 10 angelötet, die auf eine wärmeleitende Unterlage
11 aufgebracht sind. Die Elektroden 10 sind voneinander elektrisch isoliert und dienen zum Anschluß des
Kühlers 2 an die Stromversorgung. Die wärmeleitende Unterlage 9 übt die Funktion einer ersten Arbeitsfläche
des Kühlers 2 aus, während die wärmeleitende Unterlage 11 die Funktion einer zweiten Arbeitsfläche des Kühlers
2 übernimmt.
Der Kühler 3 entspricht im Aufbau dem Kühler 2 und besteht aus zwei Halbleiterelementen 12, die auf der
einen Seite an einen metallischen Überzug 13 angelötet sind, der auf eine wärmeleitend Unterlage 14 aufgebracht
ist. Auf der anderen Seite sind die Halbleiterelemente 12 an metallische Elektroden 15 angelötet, die auf
eine wärmeleitende Unterlage 16 aufgebracht sind. Die Elektroden 15 sind voneinander elektrisch isoliert und
dienen zum Anschluß des Kühlers 3 an die Stromversor-
gung. Die wärmeleitende Unterlage 14 übt die Funktion einer ersten Arbeitsfläche des Kühlers 3 und die wärmeleitende
Unterlage 16 die Funktion einer zweiten Arbeitsfläche des Kühlers 3 aus.
Der Heizkörper 1 ist auf der wärmeleitenden Unterlage 9 angebracht. Die wärmeleitenden Unterlagen 11
und 14 der Kühler 2 und 3 sind aneinander mit Hilfe eines wärmeleitenden Klebestoffes befestigt. Die wärmeleitende
Unterlage 16 ist an den Wärmeableiter 6 geklebt
Der differentielle Temperaturgeber 4 ist so angebracht,
daß sein erster Fühler einen Wärmekontakt mit der ersten Arbeitsfläche des Kühlers 2 (mit der wärmeleitenden
Unterlage 9) hat Der zweite Fünler des differentiellen Temperaturgebers 4 steht mit der zweiten
Arbeitsfläche des Kühlers 2 (mit der wärmeleitenden Unterlage 11) in Wärmekontakt.
Der differentielle Temperaturgeber 15 ist so angeordnet, daß sein erster Fühler einen Wärmekontakt mit der
ersten Arbeitsfläche des Kühlers 2 (mit der wärmeleitenden Unterlage 9) hat und sein zweiter Fühler sich mit
der zweiten Arbeitsfläche des Kühlers 3 (mit der wärmeleitenden Unterlage 16) in Wärmekontakt befindet
Die Anschlüsse des Heizkörpers 1 sind an Klemmen 17 und 18 geschaltet Die Anschlüsse für die Stromversorgung
des Kühlers 2, die Elektroden 10, sind an Klemmen 19 und 20 angeschlossen, die Anschlüsse für die
Stromversorgung des Kühlers 3, die Elektroden 15, sind mit Klemmen 21 und 22 verbunden, der Ausgang des
differentiellen Temperaturgebers 4 ist an Klemmen 23 und 24 und der Ausgang des differentiellen Temperaturgebers
5 an Klemmen 25 und 25 angeschlossen.
Muß der Quadrator gegen die Umgebung wärmeisoliert werden, so werden die Bauteile des Quadrators bis
auf den Wärmeableiter 6 in einem evakuierten Gehäuse z. B. aus Glas (nicht gezeigt) untergebracht.
Der Heizkörper 1 stellt ein Wirkwiderstandselement dar, das mittels Dünnschichttechnologie auf der wärmeleitenden
Unterlage 9 ausgeführt ist.
Der Temperaturgeber 4 ist in Form von zwei Thermopaaren ausgebildet, die gegensinnig in Reihe geschaltet
sind. Der Temperaturgeber 5 ist in konstruktiver Hinsicht analog dem Temperaturgeber 4.
Der Wärmeableiter 6 ist in Form einer Kupferplatte ausgeführt.
Die Elemente 7 und 12 der Kühler 2 und 3 sind aus einem Halbleitermaterial auf der Grundlage von
Bi2Te3,Sb2Te-Legierungen aufgebaut. Die Kühler 2 und
3 stellen Thermoelemente dar, deren Arbeitsflächen beim Durchfluß eines Stromes entsprechend dem Peltier-Effekt
in Abhängigkeit von der Stromrichtung gekühlt oder geheizt werden.
Die wärmeleitenden Unterlagen 9,11,13 und 16 sind
aus Berylliumoxid gefertigt.
Eine Möglichkeit, den Quadriervorgang zu automatisieren,
ist es, den Ausgang des Temperaturgebers 4, die Klemmen 23 und 24, an den Eingang eines Gleichstromverstärker
27 (F i g. 2) anzuschließen. Der Ausgang des Gleichstromverstärker 27 ist mit dem Eingang des
Kühlers 3 (Klemmen 21 und 22) verbunden. Der Ausgang des Temperaturgebers 5 (Klemme 25 und 26) liegt
am Einging eines Gleichstromverstärkers 28, dessen Ausgang mit dem Eingang des Kühlers 2 (Klemmen 19
und 20) Verbunden ist. Den Ausgang des Quadrators bildet der Ausgang des Gleichstromverstärkers 28
(Klemme 29) d. h. der Eingang des Kühlers 2. Als zusätzlicher Ausgang des Quadrators dient der Eingang des
Kühlers 3 (Klemme 30),
Die Gleichstromverstärker 27 und 28 entsprechen Standardschaltungen mit differentieller Eingangsstufe.
Um die Genauigkeit der Quadrierung zu erhöhen, besteht die Möglichkeit, den Ausgang des Temperaturgebers
4 (Klemmen 23 und 24) an den Eingang eines ersten Wandlers 31 (Fig.3) zu. Umwandlung einer
Spannung in eine Impulsdauer anzuschließen, dessen Ausgang mit dem Eingang des Kühlers 3 (Klemmen 21
und 22) in Verbindung steht. Der Ausgang des Temperaturgebers 5 (Klemmen 25 und 26) liegt am Eingang eines
zweiten Wandlers 32 zur Umwandlung einer Spannung in eine Impulsdauer, dessen Ausgang mit dem Eingang
des Kühlers 2 (Klemmen 19 und 20) verbunden ist Der Ausgang des Quadrators ist eine Klemme 33, als zusätzlicher
Ausgang dient eine Klemme 34.
Bei dieser zweiten Ausführungsform des Quadrators steht der Fühler des Temperaturgebers 5 mit der zweiten
Arbeitsfläche des Kühlers 2 (mit der wärmeleitenden Unterlage 11) in Wärmekontakt.
Die Wandler 31 und 32 entsprechen Standardschaltungen zur Umwandlung einer Gleichspannung in ein
Impulsbreitensignal.
Die erste Ausführungsbeispiel des Quadrators arbeitet folgendermaßen: Ein Eingangssignal I\ wird dem
Heizkörper (Fig. 1) (den Klemmen 17 und 18) zugeführt, der durch dieses Signal aufgeheizt wird. Der Wärmestrom
des Heizkörpers 1 fließt über die wärmeleitende Unterlage 9 und heizt diese auf. Ein Bezugssignal /2
wird dem Eingang des Kühlers 3 (den Klemmen 21 und
22) zugeführt. Durch Einstellung des Wertes und Vorzeichens des Bezugssignals /2 erreicht man ein Nullsignal
am Ausgang des Temperaturgebers 4, wobei die Temperatur der ersten Arbeitsfläche des Kühlers 2
gleich der Temperatur der zweiten Arbeitsfläche des Kühlers 2 und der ersten Arbeitsfläche des Kühlers 3 ist
(die Temperatur der wärmeleitenden Unterlage 9 ist gleich der Temperatur der wärmeleitenden Unterlagen
11 und 14).
Ein Bezugssignal /3 wird dem Strornversorgungskreis des Kühlers 2 (den Klemmen 19 und 20) zugeführt.
Durch Einstellung des Wertes und Vorzeichens des Bezugssignals /3 erreicht man ein Nullsignal am Ausgang
des Temperaturgebers 5, wobei die Temperatur der ersten Arbeitsfläche des Kühlers 2 gleich der Temperatur
der zweiten Arbeitsfläche des Kühlers 3 ist (die Temperatur der wärmeleitenden Unterlage 9 ist gleich der
Temperatur der wärmeleitenden Unterlage 16).
Durch Regelung des Wertes des Bezugssignals h und
des Bezugssignals /3 kann man stets das Nullsignal am Ausgang des Temperaturgebers 4 und das Nullsignal
am Ausgang des Temperaturgebers 5 aufrecht erhalten. Dadurch sind im stationären Betriebszsutand die Temperaturen
der wärmeleitenden Unterlagen 9.11,14, 16
einander gleich und gleich der Umgebungstemperatur (infolge des Wärmekontaktes der wärmeleitenden Unterlage
16 mit dem Wärmeableiter 6, der mit der Umgebung im Wärmekontakt steht). Dabei wird die vom
Heizkörper 1 entwickelte Leistung durch die von den Kühlern 2 und 3 entwickelte Leistung kompensiert, d. h.
man kann schreiben:
1]R = k\h = k2h (6)
worin R den Widerstand des Heizkörpers 1 und k\. ki
Faktoren sind, die von den thermoelektrischen Eigenschaften der Bauelemente der Kühler 2 und 3 abhängen.
Auf diese Weise ist die Abhängigkeit zwischen dem Eingangssignal /ι des Quadrators und den Bezugssigna-
Ien h und /3 von quadratischem Charakter.
Als Ausgangssignale des Quadrators können entweder die Spannungen in den Stromversorgungskreisen
der Kühler 2 und 3 oder Ströme in denselben Kreisen dienen.
Das Quadrieren eines elektrischen Signals durch den in Fig.2 gezeigten Quadrator wird folgendermaßen
durchgeführt:
Ein elektrisches Signal l\, das zum Heizkörper 1 gelangt, heizt den Heizkörper auf und bewirkt eine Änderung
des Ausgangssignals des Temperaturgebers 4, das von den Klemmen 23,24 zum Eingang des Gleichstromverstärkers
27 gelangt. Das Ausgangssignal des Gleichstromverstärkers 27 gelangt zum Eingang des Kühlers 3
an die Klemmen 21 und 22, wodurch die Temperaturen der wärmeleitenden Unterlagen 14, 11 und 9 gleich gehalten
werden, d. h. es wird das Ausgangssigna! des Temperaturgebers 4 gleich Null gehalten.
Gleichzeitig kommt das Ausgangssignal des Temperaturgebers 5 von den Klemmen 25 und 26 zum Eingang
des Gleichstromverstärkers 28, dessen Ausgangssignal dem Kühler 2 (den Klemmen 19, 20) zugeführt wird,
wodurch die Temperaturen der wärmeleitenden Unterlagen 16 und 9 gleich gehalten werden, d. h. es wird das
Ausgangssignal des Temperaturgebers 5 gleich Null gehalten.
Als Ausgangssignal des Quadrators können wieder entweder die Spannungen in den Stromversorgungskreisen der Kühler 2 und 3 (Spannungen an den Ausgängen
der Verstärker 27 und 28) oder die Ströme in diesen Kreisen benutzt werden.
Das Quadrieren eines Eingangssignals durch die in F i g. 3 dargestellte zweite Ausführungsform des Quadrators
wird wie folgt durchgeführt:
Ein Eingangssignal Z1, das dem Heizkörper 1 zügeführt
wird, heizt diesen auf und führt eine Änderung des Signais des Temperaturgebers 4 hervor. Das Ausgangssignal
des Temperaturgebers 4 liegt am Eingang des Wandlers 31 zur Umwandlung einer Spannung in eine
Impulsdauer an. Das Ausgangssignal des Wandlers 31 gelangt als Rechteckimpulse mit fester Frequenz und
Amplitude, deren Impulsdauer direkt proportional dem Eingangssignal des Wandlers 31 ist, zum Eingang des
Kühlers 3 (zu den Klemmen 21, 22), so daß das Ausgangssignal des Temperaturgebers 4 gleich Null gehalten
wird.
Gleichzeitig trifft das Ausgangssignal des Temperaturgebers 5 am Eingang des Wandlers 32 ein. Das Ausgangssignal
wird als Rechteckimpulse mit fester Frequenz und Amplitude, deren Impulsdauer direkt proportional
dem Ausgangssignal des Temperaturgebers 5 ist, dem Eingang des Kühlers 2 (den Klemmen 19, 20)
ZügciUiiI*t ütlu iiait uaS /-vuSgaugSSignSi uCS ι CmpCratürgebers
5 gleich Null.
Somit ist die Abhängigkeit zwischen dem Eingangssignal
des Quadrators und der Impulsdauer der Ausgangssignale der Wandler (Klemmen 33, 34) von quadratischem
Charakter.
Wie aus der Beschreibung folgt, wird beim Betrieb des Quadrators die Temperaturdifferenz zwischen den
Arbeitsflächen der Kühler 2 und 3, d. h. die Temperaturdifferenz zwischen den wärmeleitenden Unterlagen 9,
11,14 und 16, ständig gleich Null gehalten, dementsprechend
sind die Wärmeverluste durch Wärmeleitung in den Bauelementen des Kühlers 2 gleich NuIL d. h. die
Empfindlichkeit des Quadrators ist durch die Wärmeleitung dieser Bauelemente nicht begrenzt Dies gestattet
es. die Bauelemente der Kühler 2. 3 mit ausreichend großen geometrischen Abmessungen und ausreichend
hoher Leistung auszuführen, was eine Erweiterung des Dynamikbereiches ermöglicht.
Beim Quadrieren kleiner Signale können sich Wärmeverluste durch die Wärmeleitfähigkeit der Umgebung
auswirken. In diesem Fall können die Bauteile des Quadrators in einem evakuierten Gehäuse untergebracht
sein.
Bei den bekannten Quadraturen ändert sich beim Vorliegen einer Verstimmung zwischen der im Heizkörper
durch das Eingangssignal entwickelten Leistung und der durch den Kühler entwickelten Leistung das Ausgangssignal
zuerst nach einem Gesetz, das dem linearen nahe ist, und nach einiger Zeit nach einem Exponentialgesetz
wegen der Wärmeverluste über die wärmeleitenden Bauelemente, d. h. die bekannten Quadratoren kann
man als verlustbehaftetes Integriergüed ansehen.
Beim erfindungsgemäßen Quadrator ergibt sich bei Änderung des Eingangssignals h zwischen der im Heizkörper
1 entwickelten Leistung und der durch den Kühler 2 entwickelten Leistung eine Differenz
AP = /f · R - Ar1 ■ /2,
was eine Änderung der Temperatur des Heizkörpers 1 zur Folge hat. Die Änderungsgeschwindigkeit Ό· dieser
Temperatur ist:
AP
C
wobei C die Wärmeleitung der heizbaren Bauelemente ist.
Da die Temperaturen der wärmeleitenden Unterlagen 9,11 und 14 des Quadrators immer einander gleich
groß gehalten werden, ermittelt sich nach Ablauf eines Zeitabschnittes fi eine Temperaturänderung AT der
wärmeleitenden Unterlagen 9, 11 und 14 in bezug auf die wärmeleitende Unterlage 16 zu:
AT =
Diese Temperaturänderung bewirkt eine Änderung des Signals des Temperaturgebers 5. Also steigt bei Verstimmung
zwischen der unter der Wirkung des Eingangssignals vom Heizkörper 1 entwickelten Leistung
und der vom Kühlmittel 2 entwickelten Leistung das Ausgangssignal des Temperaturgebers 5 in der Zeit linear
an, d. h. die Empfindlichkeit des Quadrators hängt von der Qusdrierungszsit ab, während der Quadrator
als verlustfreies Integrierglied angesehen werden kann. Dadurch ruft sogar eine kleine Verstimmung zwischen
den genannten Leistungen das Erscheinen eines Signals des Temperaturgebers hervor.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Quadrator mit einem elektrischen Heizkörper (ί), dessen Anschlüsse (17,18) den Eingang des Quadrators
bilden, mit einem ersten thermoelektrischen Kühler (2), der an einer ersten Arbeitsfläche (9) mit
dem Heizkörper (1) in thermischem Kontakt steht und dessen Anschlüsse (19, 20) einen Ausgang des
Quadrators bilden, und mit einem ersten Temperaturgeber (4), dessen Temperaturfühler mit der ersten
Arbeitsfläche (9) in thermischem Kontakt steht.
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