DE3050649C2

DE3050649C2 - Quadrator

Info

Publication number: DE3050649C2
Application number: DE3050649T
Authority: DE
Inventors: Michail Matveevi&ccaron; Omsk &Ccaron;ernin; Viktor Dmitrievi&ccaron; &Scaron;ev&ccaron;enko; Jurij Sergeevi&ccaron; Mal'cev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-11-28
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1985-10-10
Also published as: US4509134A; WO1982001949A1; JPS57502233A; DE3050649T1; GB2110444A; GB2110444B

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.

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

Patentansprüche:

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.