SK180097A3

SK180097A3 - Thermoelecric converter of electric power

Info

Publication number: SK180097A3
Application number: SK180097A
Authority: SK
Inventors: Ladislav Grno
Original assignee: Ladislav Grno
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 1999-08-06
Also published as: SK282582B6

Abstract

Thermoelectric converter of electric power creating the prod uct of the instantaneous values of the input signals containing a t least one electronically controllable resistor (1) and individu al thermal sensor (2), whilst the electronicaly controllable resi stor (1) and the thermal sensor (2) are placed on the common, the rmally insulated pad. The input clamps (U1, U2) and the thermal s ensor (2) output are interconnected directly or through the adapt ing circuits connected to the input clamps (U1, U2) and the outpu t is connected directly or through the adapting circuits to the c onductive canal of the second electronically controllable resisto r (5) placed on the common, thermally insulated pad (3).

Description

Termoelektrický prevodník elektrického výkonu, vytvárajúci súčin okamžitých hodnôt dvoch vstupných signálov, obsahuje aspoň jeden elektronicky riaditeľný rezistor (1) a samostatný snímač teploty (2), pričom rezistor (1) a snímač (2) teploty sú umiestnené na spoločnej a od okolia tepelne izolovanej podložke (3). Vý- stupný signál termoelektrického prevodníka je vytvorený sumátorom (6) ako lineárna kombinácia vstupných signálov a signálu odvodeného od výstupu snímača (2) _ώ teploty. Termoelektrický prevodník elektrického výkonu, vybavený druhým riaditeľným rezistorom (5), umiestneným na podložke (3) a zapojeným v spätnoväzbovom regulačnom obvode, termickými účinkami výkonu automaticky kompenzuje termické účinky zmeny výkonu prvého rezistora (1) a je vybavený elektronickou násobičkou (11), ktorej vstupy sú pripojené priamo alebo nepriamo na vstupné signály termoelektrického prevodníka a výstup je pripojený na sumátor, pripočítavajúci výstupný signál elektronickej násobičky (11) k signálu riadiacemu výkon druhého rezistora (5).The thermoelectric power transducer forming the instantaneous value of the two input signals comprises at least one electronically controllable resistor (1) and a separate temperature sensor (2), the resistor (1) and the temperature sensor (2) being located on a common and thermally insulated washer (3). The output signal of the thermoelectric transducer is formed by the summator (6) as a linear combination of the input signals and the signal derived from the output of the temperature sensor (2) _ώ . A thermoelectric power transducer, equipped with a second controllable resistor (5) located on a support (3) and connected in the feedback control circuit, automatically compensates for the thermal effects of the change in the power of the first resistor (1) and equipped with an electronic multiplier (11). the inputs are connected directly or indirectly to the input signals of the thermoelectric transducer, and the output is connected to the sumper, adding the output signal of the electronic multiplier (11) to the signal controlling the power of the second resistor (5).

?\) 48004800

TERMOELEKTRICKÝ PREVODNÍK ELEKTRICKÉHO VÝKONUTHERMOELECTRIC CONVERTER OF ELECTRIC POWER

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka prevodníkov pre meranie elektrického výkonu pri jednosmernom a striedavom prúde.The present invention relates to converters for measuring electrical power in direct and alternating current.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Klasické meracie prevodníky elektrického výkonu sú založené na elektromechanickom princípe prevodu strednej hodnoty výkonu t.j. súčinu okamžitej hodnoty napätia a prúdu na mechanický moment sily. Nevýhoda tohoto spôsobu prevodu je nízka dosiahnuteľná presnosť a pomerne velká citlivosť na vonkajšie vplyvy.Conventional electrical power transducers are based on the electromechanical principle of converting mean power, i. the product of the instantaneous value of voltage and current per mechanical moment of force. The disadvantage of this method of transfer is low achievable accuracy and relatively high sensitivity to external influences.

V súčasnosti sa prevodníky výkonu realizujú najčastejšie na báze priameho vytvárania strednej hodnoty súčinu veličín úmerných elektrickému napätiu a prúdu elektronickými obvodmi.Nowadays, power converters are realized mostly on the basis of direct generation of mean value of product of quantities proportional to electric voltage and current through electronic circuits.

Elektronické násobičky založené na Hallovom jave a elektronické násobičky založené na nelineárnych obvodoch sú konštrukčne jednoduché, ale ich spoločná nevýhoda je v tom, že neumožňujú dosiahnuť vysokú presnosť a dlhodobú stálosť parametrov.Electronic multipliers based on Hall effect and electronic multipliers based on non-linear circuits are structurally simple, but their common disadvantage is that they do not allow to achieve high accuracy and long-term stability of parameters.

Podstatne lepšie vlastnosti z hľadiska dosiahnuteľnej presnosti prevodu majú násobičky spracúvajúce okamžitú hodnotu násobených veličín, napr. impulzné alebo číslicové násobičky. Nevýhoda násobičiek tohoto typuje vysoká cena a to, že pri súčasnej technologickej úrovni výroby polovodičových prvkov je maximálna frekvencia vstupného signálu principiálne obmedzená na rád 10⁵ Hz v závislosti na požadovanej presnosti. Ďalšou nevýhodou impulzných a číslicových násobičiek je interakcia vzorkovacej frekvencie a meraného signálu a problematické spracovanie impulzných signálov.Substantially better properties in terms of achievable conversion accuracy have multipliers processing the instantaneous value of multiplied quantities, e.g. pulse or digital multipliers. The disadvantage of multipliers of this type is the high cost and the fact that at the current technological level of semiconductor element production, the maximum frequency of the input signal is in principle limited to the order of 10 ⁵ Hz depending on the required accuracy. Another disadvantage of pulse and digital multipliers is the interaction of the sampling frequency and the measured signal and the problematic processing of the pulse signals.

Najpresnejšie známe meracie prevodníky sú založené na využití termických účinkov elektrického výkonu na rezistore. Klasická termoelektrická násobička vyžíva termoelektrický prvok na vytvorenie kvadrátu vstupného napätia alebo prúdu. Lineárnou kombináciou kvadrátov súčtu a rozdielu vstupných veličín je možné realizovať ich súčin. Nevýhoda tohoto typu prevodníkov je komplikovanosť, náročnosť na obsluhu a aj tým vysoká cena.The most accurate measuring transducers are based on utilizing the thermal effects of electrical power on the resistor. A classical thermoelectric multiplier uses a thermoelectric element to create a square of an input voltage or current. The linear combination of squares of the sum and the difference of the input variables makes it possible to realize their product. The disadvantage of this type of converters is the complexity, complexity of operation and also high price.

Je známe aj zapojenie prevodníka využívajúce termoelektrický prevod elektrického výkonu vytvárajúci súčin okamžitých hodnôt dvoch vstupných signálov pomocou elektronicky riaditeľného rezistora snímača teploty, ktoré sú umiestnené na spoločnej a od okolia tepelne izolovanej podložke[SRN Patent DE 41 17 133 Cl], Nevýhodou jednoduchého obvodového riešenia termoelektrickej násobičky je pomalá odozva na skokové zmeny vstupných signálov a problematické meranie signálov s jednosmernou zložkou. Presnosť prevodu ovplyvňuje elektrický odpor prívodných vodičov k termoelektrickému prvku.It is also known to use a thermoelectric power conversion converter to produce the instantaneous values of two input signals by means of an electronically controllable temperature sensor resistor, which are located on a common and thermally insulated substrate [DE Patent DE 41 17 133 Cl], the disadvantage of a simple thermoelectric circuit design multiplier is slow response to step changes of input signals and problematic measurement of signals with unidirectional component. The accuracy of the transmission affects the electrical resistance of the conductors to the thermoelectric element.

Na vytvorenie tepelno-izolovanej podložky sa používajú tenké dielektrické membrány [M. Klonz, Current Developments in Accurate AC-DC Transfer Measurements, Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Conference Digest, Boulder, Colorado, USA, 1994] alebo sa leptaním nosného substrátu vytvorí izolovaný ostrovček, ktorého mechanické uchytenie vytvárajú masívne prívodné vodiče k elektronickým prvkom. Vodiče musia byť z materiálu s vysokou hodnotou pomeru elektrickej a tepelnej vodivosti [US Patent 4 257 061], [L Harold, Stott, A Multirange Štandard for AC/DC Difference Measurements, EEEE Trans. on Inst. and Meas, IM-35, No.4, December 1986], Nevýhodou membránového riešenia je a tepelnej vodivosti. Nevýhodou membránového riešenia je vytvorenie mechanických pnutí v membráne pri činnosti prevodníka, ktorý principiálne vykazuje teplotný gradient medzi pracovným rezistorom a nosným substrátom. Tieto pnutia vedu k mechanickému namáhaniu a tým zvýšenej poruchovosti systému. Nevýhodou riešenia s izolovaným ostrovčekom uchyteným na prívodné vodiče je okrem existencie mechanických pnutí aj technologická náročnosť pri realizácii.Thin dielectric membranes [M. Klonz, Current Developments in Accurate AC-DC Transfer Measures, Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Conference Digest, Boulder, Colorado, USA, 1994] or an isolated islet is formed by etching the carrier substrate, the mechanical attachment of which is created by massive lead wires to the electronic components. The conductors must be of a material with a high electrical / thermal conductivity ratio [US Patent 4,257,061], [L Harold, Stott, and Multirange Standard for AC / DC Difference Measurements, EEEE Trans. on Inst. and Meas, IM-35, No.4, December 1986], The disadvantage of a membrane solution is thermal conductivity. A disadvantage of the membrane solution is the creation of mechanical stresses in the membrane during operation of the converter, which in principle shows a temperature gradient between the working resistor and the carrier substrate. These stresses lead to mechanical stress and thus increased system failure. The disadvantage of the solution with an insulated island attached to the supply conductors is, besides the existence of mechanical stresses, also the technological complexity of the implementation.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Podstatou vynálezu je termoelektrický prevodník elektrického výkonu vytvárajúci súčin okamžitých hodnôt dvoch vstupných signálov prostredníctvom elektronicky riaditeľného rezistora a samostatného snímača teploty. Rezistor a snímač teploty sú umiestnené na spoločnej a od okolia tepelne izolovanej podložke. Výstupný signál termoelektrického prevodníka je vytvorený sumátorom ako lineárna kombinácia vstupných signálov a signálu odvodeného od výstupu snímača teploty.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a thermoelectric transducer of electrical power generating the instantaneous value of two input signals via an electronically controllable resistor and a separate temperature sensor. The resistor and the temperature sensor are located on a common and thermally insulated substrate. The output signal of the thermoelectric transducer is generated by the summator as a linear combination of the input signals and the signal derived from the output of the temperature sensor.

Z hľadiska minimalizácie chyby prevodu je výhodné prívody privádzajúce elektrický signál na rezistor opatriť potenciálovými vývodmi. Optimálna poloha kontaktu potenciálového vývodu na prívod signálu zabezpečujúca minimálnu chybu prevodu je na tepelnoizolačnom úseku v mieste ležiacom medzi rezistorom a nosným substrátom.In order to minimize the transmission error, it is advantageous to equip the leads supplying the electrical signal to the resistor with potential terminals. The optimum contact position of the potential lead to the signal supply ensuring a minimum transmission error is at the thermal insulation section at a point between the resistor and the carrier substrate.

Chybu prevodu prameniacu z parazitného kapacitného prenosu signálu riadiaceho odpor rezistora do trasy meracieho signálu je možné minimalizovať tak, že prívod privádzajúci elektrický signál k riadiacej elektróde rezistora je na tepelnoizolačnom úseku v mieste ležiacom medzi rezistorom a nosným substrátom opatrený tieniacou elektródou, odvádzajúcou kapacitný prúd budený signálom na riadiacej elektróde.The transmission error resulting from the parasitic capacitive transmission of the resistor control signal to the measurement signal path can be minimized such that the supply conducting the electrical signal to the resistor control electrode is provided with a shielding electrode on the heat-insulating section between the resistor and the carrier substrate. on the control electrode.

Niektoré zdroje chyby prevodu je možné eliminovať výpočtom z merania rôznych kombinácií vstupných signálov a referenčného nulového signálu. Z tohoto dôvodu je výhodné zapojenie, v ktorom je termoelektrický prevodník je opatrený elektronicky riadeným prepínačom, pripájajúcim rôzne kombinácie vstupných signálov a referenčného nulového signálu k vstupom termoelektrického prevodníka.Some sources of conversion error can be eliminated by calculating from measurements of different combinations of input signals and reference zero signal. For this reason, a wiring in which the thermoelectric converter is provided is provided with an electronically controlled switch connecting various combinations of input signals and a reference zero signal to the thermoelectric converter inputs.

Termoelektrický prevodník elektrického výkonu opatrený druhým riaditeľným rezistorom umiestneným na spoločnej tepelno-izolovanéj podložke a zapojeným v spätnoväzobnom regulačnom obvode tak, že termickými účinkami výkonu automaticky kompenzuje termické účinky zmeny výkonu prvého rezistora umožňuje priame analógové vytvorenie výstupného napätia alebo prúdu ako lineárnej funkcie súčinu vstupných signálov. Podstatné skrátenie odozvy na zmenu vstupného signálu je dosiahnuté elektronickou násobičkou, ktorej vstupy sú pripojené priamo alebo nepriamo na vstupné signály termoelektrického prevodníka a výstup je pripojený na sumátor, pripočítavajúci výstupný signál tejto elektronickej násobičky k signálu riadiacemu výkon druhého rezistora.A thermoelectric power transducer provided with a second controllable resistor disposed on a common thermally insulated mat and connected in a feedback control circuit so that the thermal effects of the power automatically compensate the thermal effects of the first resistor power change to allow direct analog output or current as a linear function of the input signals. Substantially shortening of the input signal response is achieved by an electronic multiplier whose inputs are connected directly or indirectly to the input signals of the thermoelectric transducer and the output is connected to a summator adding the output signal of the electronic multiplier to the signal controlling the power of the second resistor.

Tepelno-izolačná podložka na ktorej sú umiestnené prvky termoelektrického prevodníka . má výhodne tvar dosky, jednostranne votknutej do nosného substrátu. Z dôvodu maximalizácie tepelného odporu a dosiahnutia dostatočnej homogenity teplotného poľa v mieste prvkov prevodníka je pomer vzdialenosti rezistora od nosného substrátu k šírke podložky je väčší ako 0,5 a hrúbka podložky je menšia ako 20 pm.Thermal insulating mat on which the elements of the thermoelectric converter are placed. it is preferably in the form of a plate, unilaterally embedded in the carrier substrate. In order to maximize the thermal resistance and achieve a sufficient temperature field homogeneity at the location of the transducer elements, the ratio of the resistor distance from the support substrate to the substrate width is greater than 0.5 and the substrate thickness is less than 20 µm.

Prehľad obrázkov na výkreseOverview of the figures in the drawing

Na obr. 1 je principiálne znázornený príklad elektrického zapojenia termoelektrického prevodníka podľa vynálezu.In FIG. 1 shows in principle an example of the electrical connection of a thermoelectric converter according to the invention.

Na obr. 2 je principiálne znázornené konštrukčné usporiadanie tepelno-izolačnej častiIn FIG. 2 shows in principle the structural arrangement of the heat-insulating part

Príklady vyhotovenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Obr. 1 principiálne znázorňuje prevodník obsahujúci dva poľom riadené tranzistory L 5 ako riadené rezistory na tepelne izolovanej podložke 3 . Snímač teploty 2 v diferenciálnom zapojení sníma rozdiel teploty medzi touto podložkou a referenčným telesom TR. Operačný zosilňovač OA1 riadi tranzistor J automaticky tak, že napätie v uzle tvorenom spojom invertujúceho vstupu operačného zosilňovača s elektródou source tranzistora 1 je nulové a prúd tranzistorom je zhodný s prúdom tečúcim do tohoto uzla. Tento prúd je rovný súčtu prúdu vytvoreného rezistorom R z druhého vstupného napätia U2 a jednosmerného ofsetového prudu Iofs . Prvý sumátor SUM svojou nízkou výstupnou impedanciou zabezpečuje, že napätie na elektróde drain je rovné súčtu prvého vstupného napätia U1 a jednosmerného ofsetu Uofs nezávisle na prúde tranzistora L Operačný zosilňovač OA2 riadi tranzistor 5 automaticky tak, že napätie v uzle tvorenom spojom invertujúceho vstupu operačného zosilňovača s elektródou source tranzistora 5 je nulové a prúd tranzistorom je zhodný s jednosmerným prúdom Ide tečúcim do tohoto uzla. Operačný zosilňovač OA3 kompenzuje termické účinky zmeny výkonu prvého tranzistora tým, že udržuje teplotu podložky 3 zhodnú s teplotou referenčného telesa TR riadením príkonu tranzistora 5 . Odozvu na zmenu vstupného signálu zrýchľuje elektronická násobička 11 , ktorej vstupy sú pripojené na vstupné signály U1 a U2 a výstup je pripočítaný sumátorom 12 k signálu riadiacemu výkon druhého tranzistora 5. Sumátor 6 vytvára výstupný signál prevodníka Uout ako lineárnu kombináciu vstupných signálov U1 a U2 a signálu odvodeného od výstupu snímača teploty.Fig. 1 shows in principle a transducer comprising two field-controlled transistors L5 as controlled resistors on a thermally insulated substrate 3. The temperature sensor 2 in the differential connection senses the temperature difference between this washer and the reference body TR. The operational amplifier OA1 controls the transistor J automatically so that the voltage in the node formed by the connection of the inverting input of the operational amplifier to the source electrode of the transistor 1 is zero and the current through the transistor coincides with the current flowing into that node. This current is equal to the sum of the current generated by the resistor R from the second input voltage U2 and the DC offset current Iofs. The first SUM sumper, with its low output impedance, ensures that the voltage on the drain electrode is equal to the sum of the first input voltage U1 and the DC offset Uofs independently of the current of transistor L. the electrode of the source of transistor 5 is zero and the current of the transistor coincides with the DC current flowing into this node. The operational amplifier OA3 compensates for the thermal effects of changing the power of the first transistor by maintaining the temperature of the pad 3 equal to the temperature of the reference body TR by controlling the power input of the transistor 5. The response to the input signal change is accelerated by an electronic multiplier 11 whose inputs are connected to the input signals U1 and U2 and the output is added by the summator 12 to the signal controlling the power of the second transistor 5. The summator 6 generates the output signal of Uout as a linear combination a signal derived from the output of the temperature sensor.

Obr.2 principiálne znázorňuje konštrukčné usporiadanie symetrického termoelektrického prevodníka výkonu, v ktorom tepelno-izolačná podložka 3 má tvar dosky jednostranne votknutej do nosného substrátu 4. Prevodník obsahuje druhú, z hľadiska tepelných porúch z okolia symetricky vyhotovenú podložku 14 s rezistorom 5 a teplotným snímačom 13 . Druhá podložka je použiteľná buď ako referenčné teleso TR na kompenzáciu vplyvu zmeny teploty okolia na prevodník, alebo na privedenie komparačného signálu pri použití prevodníka ako komparátora.Fig. 2 shows in principle the construction of a symmetrical thermoelectric power transducer in which the thermal insulating pad 3 is in the form of a plate unilaterally wedged into the carrier substrate 4. The transducer comprises a second thermally disturbed substrate 14 with a resistor 5 and a temperature sensor 13 . The second washer can be used either as a reference body TR to compensate for the effect of the ambient temperature change on the transducer or to provide a comparative signal using the transducer as a comparator.

Priemyselná využitelhosťIndustrial Applicability

Termoelektrický prevodník podľa vynálezu je využiteľný v oblasti merania elektrického výkonu a energie a v oblasti spracovania elektrických signálov ako presná, širokopásmová násobička.The thermoelectric transducer according to the invention is useful in the field of electrical power and energy measurement and in the field of electrical signal processing as a precision, broadband multiplier.

f v 4$oof in $ 4 oo

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims

1 / A thermoelectric power transducer generating the instantaneous value of two input signals, comprising at least one electronically controllable resistor (1) and a separate temperature sensor (2), the resistor (1) and the temperature sensor (2) being located on a common An insulated substrate (3), characterized in that the output signal of the thermoelectric transducer is formed by the sump (6) as a linear combination of the input signals and the signal derived from the output of the temperature sensor (2).

2 / A thermoelectric power transducer consisting of at least one resistor (1), the electrical resistance of which is electronically controllable by the instantaneous value of the input electrical signal, and a separate temperature sensor (2) mounted on a common and thermally insulated substrate, at least one lead supplying an electrical signal to the resistor (1) is provided with potential outlets on the heat insulating section at a point lying between the resistor (1) and the carrier substrate (4).

3 / A thermoelectric power transducer consisting of at least one resistor (1), the electrical resistance of which is electronically controllable by the instantaneous value of the input electrical signal, and a separate temperature sensor (2) mounted on a common and thermally insulated substrate. the lead supplying the electrical signal to the control electrode of the resistor (1) is provided at least one shielding electrode (8) on the heat insulating section at a point lying between the resistor (1) and the carrier substrate (4).

4 / A thermoelectric transducer of electrical power, comprising at least one resistor (1), the electrical resistance of which is electronically controllable by the instantaneous value of the input electrical signal, and a separate temperature sensor (2), mounted on a common and thermally insulated substrate. is provided with an electronically controlled switch (10) connecting at least two different combinations of input signals and a reference zero signal to the inputs of the thermoelectric converter.

(5) A thermoelectric power converter according to (1) to (4), provided with a second controllable resistor (5) placed on a support (3) and connected in the feedback control circuit so that the thermal effects of power automatically compensate for characterized in that it is provided with an electronic multiplier (11), the inputs of which are connected directly or indirectly to the input signals of the thermoelectric converter and the output is connected to a summator (12) adding the output signal of the electronic multiplier (11) to the output control signal of the second resistor (5) .

6 / A thermoelectric power transducer comprising at least one thermally insulated pad (3) on which at least one resistor (1) is mounted and a separate temperature sensor (2) characterized in that the pad (3) has the shape of a plate unilaterally wedged into the carrier The ratio of the distance of the resistor (1) from the carrier substrate (4) to the width of the substrate (3) is greater than 0.5 and the thickness of the substrate (3) is less than 20 µm.