Термоэлектрический термометр

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры термоэлектрическими термометрами с автоматической компенсацией термоЭДС холодного спая термопары., Термометр содержит последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термоэлектрический преобразователь и полупроводниковый компенсационный резистор, расположенный в области холодного спая термоэлектрического преобразователя , одним изтермоэлектродов которого являются выводы компенсационного резистора, а другим - тонкопленочное покрытие, нанесенное на часть одного из выводов компенсационного резистора и непосредственно примыкающее к нему„ Конструктивное совмещение выводов компенсационного резистора и термоэлектродов преобразователя обеспечивает необходимое равенство температур холодного спая и компенсационного резистора за счет максимального их сближения и выравнивания их тепловой инерционности. 3 ил „ i

(1)з С 01 К /12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н ввтсвснснт свндствъствт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4760096/10 (22) 21.09.89 (46) 15.03.92, Бюл. N 10 (75) Л.Н.Кузичев (53) 536 ° 5(088.8) (56) Патент США Ю 4623266, кл. G 01 К 7/12, опублик. 1986.

Заявка ФРГ V 251975Ц,. кл. С 01 К 7/12, опублик. 1976. (54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры термоэлектрическими термометрами с автоматичес.кой компенсацией термоЭДС холодного спая термопары., Термометр содержит последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термоэлектриИзобретение относится к измерению температуры, в частности к устройст- . вам для измерения температуры дифференциальными термоэлектрическими пре" образователями с автоматической компенсацией дрейфа температуры окружающей среды, и может быть использовано в медицинских термометрах..

Известен термоэлектрический термометр, состоящий из термопары, компенсирующего измерительного моста с проволочным термочувствительным резистором, включенным в одно из плеч моста и стандартного электронного вто» ричного преобразователя, на вход которого подается суммарный сигнал термопары и компенсирующего измерительного моста..,ЯО„„17199 4 А1

2 ческий преобразователь и полупроводниковый компенсационный резистор, расположенный в области холодного спая термоэлектрического преобразователя, одним из термоэлектродов которого являются выводы компенсационного резистора, а другим - тонкопленочное покрытие, нанесенное на часть одного из выводов компенсационного резистора и непосредственно примыкающее к нему. Конструктивное совмещение выводов компенсационного резистора и термоэлектродов преобразователя обеспечивает необходимое равенство температур холодного спая и компенсационного резистора за счет максимального их сближения и выравнивания их тепловой инерционности.

3 ил.

С

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига-:, . емому результату является известный термоэлектрический термометр, содержащий последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термоэлектрический преобразователь и Ю компенсационный термочувствительный резистор, расположенный в области холодного спая диФференциального термоэлектрического преобразователя.

Недостатком такого термометра является использование термочувствительного резистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления, в качестве которого применя ется металлический проводник. Металлические терморезисторы имеют не- l7199?4

4 большой температурный коэффициент сопротивления и поэтому большие габариты и массу, по сравнению с точечным термоспаем. Разница тепловой инерционности спая и терморезистора приводит

5 к погрешности компенсации дрейфа температуры окружающей среды и снижает точность определения температуры объекта.

1Î

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры.

Поставленная. цель достигается тем, что в термоэлектрическом термометре, содержащем последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термочувствительный резистор, расположенный в области холодного спая дифференциального термоэлектрического преобразователя, компенсационный термочувствительный резистор выполнен по-, лупроводниковым, причем оба вывода компенсационного термочувствительного резистора являются первым термоэлектродом дифференциального термо- 25 электрического преобразователя, вторым термоэлектродом которого является тонкопленочное электропроводящее покрытие из материала, отличного от материала выводов компенсационного тер- ЗО мочувствительного резистора, нанесенное на один из выводов компенсационного термочувствительного резистора и одним концом непосредственно прилегающее к компенсационному термочувствительному резистору. Такая кон„35 структивная схема термометра позволя ет с высокой точностью обеспечить необходимое равенство температур холодного спая дифференциального термоэлектрического преобразователя и компенсационного термочувствительного резистора за счет максимального их сближения и выравнивания их тепло.вой инерционности.

На. фиг. 1 приведена схема термо.метра; на фиг. 2 — конструкция термометра; на фиг. 3 - термоэлектрическая схема формирования ЭДС термометра.

Ка фигурах приняты следующие обозначения: полупроводниковый термистор 1; первый термоэлектрод 2, второй термоэлектрод 3; "холодный" спай

4 измерительный спай 5 выводы терУ

55 мометра 6," генератор 7 стабильного тока; усилитель 8, Т - температура

"холодного" спая; Тц - температура измерительного спая.

Принцип работы термометра следующий.

Пусть для определенности термометр выполнен в виде дифференциальной термопары, образованной двумя стандартными термоэлектродами и имеет измерительный спай при температуре Ти и "холодный" спай, всегда находящийся при температуре Т, равной температуре окружающей среды Too .

Около "холодного" спая в разрыв одного из термоэлектродов включен полупроводниковый термистор, а выводами датчика являются концы одноименных термоэлектродов, к одному из которых последовательно подключен генератор стабильного тока. Полупроводниковые термисторы имеют температурный коэффициент сопротивления порядка 4ь/ С (металлические

0,1...0,$+o/ С) и, будучи выполненными в виде шарика диаметром 0,1...

0,5 мм, имеют сопротивление при 20 С в диапазоне 0,1...100 кОм. Поэтому шарообразные "холодный" спай и термистор имеют близкие геометрические размеры (порядка 0,5:мм) и тепловые инерционности могут быть расположены на расстоянии порядка 0,1...0,5 мм и всегда будут одинаково реагировать на изменение температуры окружающей среды.

Пока температуры термистора и обоих термоспаев равны Тос, термоЭДС спаев равны Е(Т с), но обратны по полярности и взаимокомпенсируются. Поэтому сигнал на выходе термометра будет равен падению напряжения на сопротивлении термистора R (Toc) создаваемым током Iг генератора (сопротивлением термоэлектродов можно пренебречь), и термометр ведет себя как обычный термисторный.

Этот режим является калибровочным, когда уровню сигнала на выходе термометра ставится в соответствие величина температуры окружающей среды в момент калибровки Т

Если теперь пои температуре Т „. термистора и "холодного" спая будет меняться температура измерительного спая Т =T 6Ти, то сигнал на выходе датчика будет отслеживать это изменение как в обычной дифференциальной термопаре, но уже относительно калибровочного íà T уровня сигнала. Это режим измерения температуры объекта.

5 171992

Пусть в процессе измерения Т не меняется, но происходит независимый от Т дрейф температуры окружающей среды, например ее рост Т =Т +gT

В результате, с одной стороны, возрастает абсолютное значение разности потенциалов, генерируемой "холодным" спаем. на Ь Е(+hT ). Но, с другой стороны, полупроводйиковый термистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому

его сопротивление уменьшится и уменьшится на Ь 0 (+ЬТ ) падение напряжения на термисторе, создаваемое током

Если полярности этих вариаций противоположны, а сами они равны по величине, то сигнал на выходе термометра не изменится. Это режим компенсации дрейфа температуры окружающей 20 среды.

Режимы компенсации, калибровки и измерения обеспечиваются только при одновременном выполнении двух усло-, вий: полярность Il - т а кKоoвBа, что знак вызываемого им падения напряжения на полупроводниковом термисторе совпадает с полярностью термоЭДС "холодного" спая, тогда Ь Е(АВТО ) "холодного" спая и hUr Toc) имеют противополож- 30 ные знаки; при температуре калибровки подбором тока I на выходе датчика установлено напряжение

"(оск) 10- В () 35 (2) E(Tocê)+ E{+QT ) где 0 — коэффициент дифференциальной термоЭДС материалов термоэлектродов термопары (В/ С);

В - температурный коэффициент со- 40 противления материала термистора (i/ С), которому при калибровке ставится в соответствие температура T«„, При выполнении условия (1) обеспе- 4 чивается равенство 4Е(ЙЬТ,)! II!IJ (tllToc)l . о

В диапазоне h,TO, =.+10 С относитель но Т,„=20 С передаточная характеристика термометра имеет практически линейный вид и не зависит от номинала сопротивления термистора при Тц к.

Практически выполнение условия (1) означает эквивалентность градуировок термопары и термистора, поэтому для измерения температуры по (2) можно пользоваться любой из них.

Поскольку дрейф температуры окружающей среды вызывает изменение внутреннего сопротивления термометра, равного сопротивлению термистора, то для согласования выхода термометра с предварительным усилителем он должен иметь высокоомный вход.

На фиг. 3 показан участок термо электрода 2 из одного материала с нанесенным на него покрытием 3 из дру- гого материала.

Пусть для определенности в такой ,термоэлектрической паре материал 2 имеет отрицательный, а материал 3,положительный заряды. Если на этом участке имеется градиент температурного поля, например одномерНый, и

Т (Ти, то в точке контакта с тем. пературой Ти материал 2 будет иметь более отрицательный, а материал 3 -. более положительный потенциал относительно точки контакта с температурой Т . Поэтому на концах термоэлектрода 2 возникает разность потенциалов, равная

U= (т,-т„), (3) как и у обычной дифференциальной термопары..

Конструкция такого термометра приведена на фиг. 2 и имеет то достоинство, что "холодный " спай располагается на выводе термистора непосредственно у термистора и имеет одинаковую с ним тепловую инерционность, а следовательно, и температуру, чем и достигается цель изобретенияповышение точности измерения температуры.

Полупроводниковый термистор 1 (фиг. 2) имеет выводы 2, являющиеся первым термоэлектродом дифференци,альной термопары, второй термоэлек.трод которой выполнен в виде тонко пленочного покрытия 3 из материала, отличного от материала выводов терми стора, нанесенного на один из выводов

1 ,2 термистора так, что оно одним концом примыкает к термистору. Выводы

- термометра 6 (фиг. 1) могут быть вы- полнены из материала, отличного от .материала выводов термистора 2, и соединены с входом усилителя 8, а к

:одному из выводов термометра 6 подключен генератор 7 стабильного тока.

1 719924."Холодный" спай 4 образован непосредственно у термистора, а измерительный спай 5 вынесен на конец щупа термометра (Фиг. 2).

Генератор стабильного тока задают такую. величину тока через термистор, . чтобы выполнялось условие (1). Помещают термометр и термостат с известной температурой и ставят ее значе- 10 ние в соответствие сигналу на выходе термометра, производя тем самым калибровку. Для измерения температуры объекта приводят его в тепловой контакт с измерительным спаем термисто- 15 ра и по величине сигнала (2) на выходе термометра судят о температуре объекта, используя известную для термопары градуировку.

Пример. В качестве полупро-,20 водникового термистора используют термистор типа ИТ-57, имеющий 8=44/ С

/ выполненный в виде шарика диаметром

0,1 мм, имеющий при +20 С сопротивление 50 кОм и имеющий тепловую инерционность менее 1 с. Выводы термистора - нихром диаметром 0,02 мм. На один из нихромовых выводов напылеИа полоска никеля толщиной 1-2 мкм, примыкающая одним концом к термисто- 30 ру, а другим - выведена в щуп термометра по изогнутому выводу термистора ° Генератор стабильного тока выполнен на полевом транзисторе. В ка честве усилителя используется операционный усилитель с большим входным сопротивлением.

Источником погрешности измерения температуры в данном термометре яв-- щ0 ляется погрешность задания тока через термистор.

Оценки показывают, что при точности задания тока " 13 погрешность компенсации дрейфа температуры окружающей среды составляет + 0,05 С, чем и достигается положительный эфФект - возможность создания медицинского термометра с точностью измерения температуры тела +0,05...0,1 С.

Формула изобретения

Термоэлектрический термометр, содержащий последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термоэлектрический преобразователь и компенсационный термочувствительный резистор, расположенный в области холодного спая дифференциального термоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в нем компенсационный термочувствительный резистор выполнеМ полупроводниковым, причем оба вывода компенсационного термочувствительного резистора являются первым термоэлектродом дифференциального термоэлектрического преобразователя, вторым термоэлектродом которого является тонкопленочное электропроводящее покрытие из материала, отличного от материала выводов компенсационного термочувствительного резистора, нанесенное на один из выводов компенсационного термочувствительного резистора и одним концом непосредственно прилегающее к компенсационному термочувствительному резистору.

1719924 фиг 2

Составитель Л.Кузичев

Редактор С.Лисина Техред Л.Сердюкова Корректор А.Обручар

Заказ 765 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35,. Раушская наб, д. 4/5

°

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðoä, ул. Гагарина,101