SK282582B6

SK282582B6 - Thermoelectric converter of electric power

Info

Publication number: SK282582B6
Application number: SK1800-97A
Authority: SK
Inventors: Ladislav Grňo
Original assignee: Ladislav Grňo
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 2002-10-08
Also published as: SK180097A3

Abstract

Thermoelectric converter of electric power creating the product of the instantaneous values of the input signals containing at least one electronically controllable resistor (1) and individual thermal sensor (2), whilst the electronicaly controllable resistor (1) and the thermal sensor (2) are placed on the common, thermally insulated pad. The input clamps (U1, U2) and the thermal sensor (2) output are interconnected directly or through the adapting circuits connected to the input clamps (U1, U2) and the output is connected directly or through the adapting circuits to the conductive canal of the second electronically controllable resistor (5) placed on the common, thermally insulated pad (3).

Description

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka prevodníkov elektrického výkonu na použitie v oblasti meracej a regulačnej techniky.The present invention relates to electrical power transducers for use in the field of measurement and control technology.

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 tohto spôsobu prevodu je nízka dosiahnuteľná presnosť a pomerne veľká citlivosť na vonkajšie vplyvy. V súčasnosti sa prevodníky výkonu realizujú najčastejšie na báze priameho vytvárania strednej hodnoty súčinu veličín úmerných elektrickému napätiu a prúdu elektronickými obvodmi. Elektronické násobičky založené na Hallovom jave a elektronické násobičky založené na nelineárnych obvodoch sú konštrukčne jednoduché, ale neumožňujú dosiahnuť vysokú presnosť prevodu. Podstatne lepšie vlastnosti z hľadiska dosiahnuteľnej presnosti prevodu majú násobičky spracúvajúce okamžitú hodnotu násobených veličín, napr. impulzné alebo číslicové násobičky. Nevýhoda násobičiek tohto typu je vysoká cena a to, že pri súčasnej technologickej úrovni výroby polovodičových prvkov je maximálna frekvencia vstupného signálu principiálne obmedzená na cca 200 kHz v závislosti od požadovanej presnosti. Dosahovaná chyba prevodu je v ráde 10'³.Conventional power transducers are based on the electromechanical principle of converting the mean power value, ie the product of the instantaneous value of voltage and current to the mechanical moment of force. The disadvantage of this transfer method is the low achievable accuracy and the relatively high sensitivity to external influences. 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. Hall effect-based electronic multipliers and non-linear electronic-based multipliers are structurally simple, but do not allow high conversion accuracy. 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 about 200 kHz depending on the required accuracy. The achieved conversion error is in the order of 10 ' ³ .

Najpresnejšie známe meracie prevodníky sú založené na využití termických účinkoch elektrického výkonu. Známe sú len prevodníky využívajúce tepelne izolované rezistory s konštantnou hodnotou odporu. Nevýhoda tohto typu prevodníkov je v tom, že umožňujú merať výkon generovaný buď len napäťovým alebo len prúdovým signálom. Priame meranie výkonu definovaného dvojicou vzájomne nezávislého napäťového a prúdového signálu nie je týmito prevodníkmi možné.The most accurate measuring transducers are based on utilizing the thermal effects of electrical power. Only transducers using thermally isolated resistors with a constant resistance value are known. The disadvantage of this type of transducer is that it makes it possible to measure the power generated by either a voltage or a current signal only. Direct measurement of the power defined by a pair of independent voltage and current signals is not possible with these converters.

Je známe aj zapojenie prevodníka využívajúce termoelektrický prevod elektrického výkonu vytvorením súčinu okamžitých hodnôt dvoch vstupných signálov pomocou elektronicky' riaditeľného rezistora a snímača teploty, ktoré sú umiestnené na spoločnej od okolia tepelne izolovanej podložke [Nemecký patent DE 411713301]. Nevýhodou jednoduchého obvodového riešenia termoelektrickej násobičky je pomalá reakcia na skokové zmeny a prenikanie jednosmernej zložky vstupných signálov na výstup prevodníka.It is also known to employ a transducer utilizing thermoelectric power conversion by providing the instantaneous product of two input signals by means of an electronically controllable resistor and a temperature sensor, which are located on a common substrate surrounding a thermally insulated substrate [German Patent DE 411713301]. The disadvantage of a simple circuit solution of a thermoelectric multiplier is a slow reaction to step changes and penetration of the DC component of the input signals to the converter output.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Merací tcrmoelektrický prevodník elektrického výkonu podľa vynálezu pozostáva z rezistora a teplotného snímača umiestnených na spoločnej, od okolia tepelne izolovanej podložke. Rezistor je tvorený prvkom, ktorého okamžitá hodnota odporu je elektronicky riaditeľná okamžitou hodnotou vstupného signálu. Prevodník pracuje tak, že na rezistor je pripojené napätie odvodené od jedného z dvojice vstupných signálov a riadením odporu riadeného rezistora sa riadi prúd týmto rezistorom tak, aby okamžitá hodnota tohto prúdu bola zhodná s prúdom odvodeným od druhého vstupného signálu. Týmto spôsobom je umožnené vnútenie výkonu definovaného vzájomne nezávislou dvojicou napätia a prúdu. Výkon rozptýlený v riadenom rezistore, ktorý je týmto úmerný výkonu meranému, sa prejaví zmenou teploty tepelne izolovanej sústavy tvorenej rezistorom a teplotným snímačom na spoločnej tepelne izolovanej pod ložke. Vstupné signály a signál odvodený od výstupu snímača teploty sú pripojené na vstup prvého sumátora, pričom výstup prvého sumátora je výstupom prevodníka.The electrical power transducer according to the invention consists of a resistor and a temperature sensor placed on a common, thermally insulated substrate. The resistor consists of an element whose instantaneous resistance value is electronically controllable by the instantaneous value of the input signal. The converter operates by applying a voltage derived from one of the pair of input signals to the resistor and controlling the resistor of the controlled resistor to control the current through the resistor so that the instantaneous value of this current coincides with the current derived from the second input signal. In this way, it is possible to impose a power defined by a mutually independent pair of voltage and current. The power dissipated in the controlled resistor, which is proportional to the power measured, results in a change in the temperature of the thermally insulated system formed by the resistor and the temperature sensor on the common thermally insulated under-bed. The input signals and the signal derived from the output of the temperature sensor are connected to the input of the first summator, the output of the first summator being the output of the converter.

Termoelektrický prevodník elektrického výkonu výhodne obsahuje druhý elektronicky riaditeľný rezistor umiestnený na spoločnej, od okolia tepelne izolovanej podložke. Druhý elektronicky riaditeľný rezistor zapojený v obvode spätnej väzby, ktorá udržuje konštantnú teplotu spoločnej tepelne izolovanej podložky, umožňuje substitučnou metódou merať zmeny výkonu prvého elektronicky riaditeľného rezistora.The thermoelectric power transducer preferably comprises a second electronically controllable resistor disposed on a common, thermally insulated substrate. The second electronically controllable resistor connected in the feedback circuit, which maintains a constant temperature of the common thermally insulated substrate, allows the substitution method to measure the variations in the power of the first electronically controllable resistor.

Termoelektrický prevodník elektrického výkonu je výhodne vybavený elektronickou násobičkou, ktorej vstupy sú priamo alebo nepriamo pripojené na vstupné signály a výstup je pripojený na prvý vstup riadiaceho zosilňovača. Signál odvodený od výstupu snímača teploty je pripojený na druhý vstup riadiaceho zosilňovača, pričom výstup riadiaceho zosilňovača je pripojený na vodivý kanál druhého elektronicky riaditeľného rezistora.The thermoelectric power converter is preferably equipped with an electronic multiplier whose inputs are directly or indirectly connected to the input signals and the output is connected to the first input of the control amplifier. The signal derived from the temperature sensor output is connected to the second input of the control amplifier, wherein the output of the control amplifier is connected to the conductive channel of the second electronically controllable resistor.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

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

Príklad vyhotovenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Na obr. 1 je principiálne znázornený prevodník obsahujúci dva riaditeľné rezistory 1 a 5, tvorené tranzistormi FET. Tranzistory sú umiestnené na tepelne izolovanej podložke 3 spolu so snímačom teploty 2, ktorý v diferenciálnom zapojení sníma rozdiel teploty medzi podložkou 3 a referenčným telesom TR. Operačný zosilňovač OA1 riadi tranzistor 1 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 tohto uzla. Prúd tečúci do uzla je daný súčtom jednosmerného posunu Iofs a pracovného prúdu vytvoreného vstupným napätím U2 a odporom R. Obvod SUM zabezpečuje, že na tranzistor je prenesené vstupné napätie s potrebným jednosmerným posunom Uofs pracovného času. Operačný zosilňovač OA2 riadi tranzistor automaticky tak, že napätie v uzle tvorenom spojom invertujúceho vstupu operačného zosilňovača OA2 s elektródou SOURCE tranzistora 5 je nulové a prúd tranzistorom je zhodný s prúdom Ide tečúcim do tohto uzla. Operačný zosilňovač OA3 automaticky kompenzuje termické účinky zmeny výkonu tranzistora 1 tým, že udržuje konštantnú teplotu podložky zhodnú s teplotou referenčného telesa TR, a to riadením napätia tranzistora 5.In FIG. 1 is a transducer comprising two controllable resistors 1 and 5 formed by FETs. The transistors are located on a thermally insulated substrate 3 together with a temperature sensor 2 which senses in differential connection the temperature difference between the substrate 3 and the reference body TR. The operational amplifier OA1 automatically controls the transistor 1 so that the voltage at the node formed by the inverting input of the operational amplifier input to the SOURCE electrode of transistor 1 is zero and the current through the transistor coincides with the current flowing to that node. The current flowing to the node is given by the sum of the unidirectional shift Iofs and the working current generated by the input voltage U2 and the resistor R. The SUM circuit ensures that the input voltage is transmitted to the transistor with the necessary unidirectional shift of the working time Uofs. The operational amplifier OA2 controls the transistor automatically so that the voltage at the node formed by the inverting input of the operational amplifier OA2 input to the SOURCE electrode of transistor 5 is zero and the current through the transistor coincides with the current Ie flowing into this node. The operational amplifier OA3 automatically compensates for the thermal effects of changing the power of transistor 1 by maintaining a constant pad temperature equal to that of the reference body TR by controlling the voltage of transistor 5.

Vstupné svorky Ul, U2 sú priamo a výstup snímača 2 teploty cez operačný zosilňovač OA3 a riadiaci zosilňovač 12 sú pripojené na vstupy prvého sumátora 6. Výstup prvého sumátora 6 je pripojený na výstupnú svorku Uout prevodníka.The input terminals U1, U2 are directly, and the output of the temperature sensor 2 through the operational amplifier OA3 and the control amplifier 12 are connected to the inputs of the first sumper 6. The output of the first sumper 6 is connected to the output terminal Uout of the transmitter.

Reakciu na zmeny vstupného výkonu zrýchľuje elektronická násobička 11, ktorej vstupy sú pripojené na vstupné svorky Ul a U2 a výstup je pripojený cez riadiaci zosilňovač 12 na vodivý kanál druhého tranzistora 5.The response to changes in input power is accelerated by an electronic multiplier 11, the inputs of which are connected to the input terminals U1 and U2 and the output is connected via a control amplifier 12 to the conductive channel of the second transistor 5.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial usability

Termoelektrický prevodník podľa vynálezu je využiteľný v oblasti merania elektrického výkonu a energie, najmä v oblasti realizácie presných etalónových meradiel.The thermoelectric transducer according to the invention is useful in the field of measuring electrical power and energy, in particular in the field of precision standard measuring instruments.

Claims

PATENT CLAIMS

A thermoelectric power transducer forming the product of instantaneous values of input signals, comprising at least one electronically controllable resistor (1) and a separate temperature sensor (2) located on a common, thermally insulated substrate (3), characterized in that the input the terminals (1) 1, U2) and the output of the temperature sensor (2) are connected directly or via adapted circuits to the inputs of the first summator (6), the output of the first summator (6) being connected to the output terminal (Uout) of the transmitter.

Thermoelectric power converter according to claim 1, characterized in that it is equipped with an electronic multiplier (11), the inputs of which are connected directly or via adaptation circuits to the input terminals (U1, U2), the output of the electronic multiplier (11) being connected directly or via adaptation circuits to a conducting channel of a second electronically controllable resistor (5) disposed with the first electronically controllable resistor (5) on a common, thermally insulated substrate (3).