Термоэлектрический термометр

(й)5 С 01 К /12 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯн ввтсвснснн свндствъствт ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точностьизмерения температуры термоэлектрическими термометрами с автоматичес.кой компенсацией термоЭДС холодногоспая термопары Термометр содержитпоследовательно вклюценные генератортока, дифференциальный термоэлектриИзобретение относится к измерениютемпературы, в цастности к устройст-,вам для измерения температуры дифференциальными термоэлектрическими пре"образователями с автоматической компенсацией дрейфа температуры окружающей среды, и может быть использова"но в медицинских термометрах.Известен термоэлектрический термометр, состоящий из термопары, компенсирующего измерительного моста спроволочным термочувствительным резистором, вклюценным в одно из плеч моста и стандартного электронного вторичного преобразователя, на входкоторого подается суммарный сигналтермопары и компенсирующего измерительного моста,авЯОаи 17199 4 . А 1 2ческий преобразователь и полупровод" никовый 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 илс Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига-:, . емому результату является известный термоэлектрический термометр, содер" жащий последовательно вклюценные генератор тока, дифференциальный термоэлектрический преобразователь и Ю компенсационный термочувствительный резистор, расположенный в области холодного спая диФференциального термоэлектрического преобразователя. )Недостатком такого термометра является использование термоцувствитель" ного резистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления, в качестве которого применя ется металлический проводник. Металлические терморезисторы имеют небольшой температурный коэффициент сопротивления и поэтому большие габариты и массу, по сравнению с точечным термоспаем. Разница тепловой инерционности спая и терморезистора приводит5 к погрешности компенсации дрейфа температуры окружающей среды и снижает точность определения температуры объекта.10Целью 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 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 термочувствительномурезистору. 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 термометра; 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 терФ55 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 двумястандартными термоэлектродами и имеет измерительный спай при температуре Ти и "холодный" спай, всегда находящийся при температуре Т, равнойтемпературе окружающей среды Т.Около "холодного" спая в разрыв одного из термоэлектродов включен полупроводниковый термистор, а выводами датчика являются концы одноименных термоэлектродов, к одному изкоторых последовательно подключенгенератор стабильного тока, Полупроводниковые термисторы имеют температурный коэффициент сопротивления порядка 4 В/ С (металлические0,10,53/ С) и, будучи выполненными в виде шарика диаметром 0,10,5 мм, имеют сопротивление при 20 Св диапазоне 0,1100 кОм, Поэтомушарообразные "холодный" спай и термистор имеют близкие геометрическиеразмеры (порядка 0,5:мм) и тепловыеинерционности могут быть расположены на расстоянии порядка 0,10,5 мми всегда будут одинаково реагироватьна изменение температуры окружающейсреды,Пока температуры термистора и обоих термоспаев равны Тс, термоЭДСспаев равны Е(Тс), но обратны по полярности и взаимокомпенсируются. Поэтому сигнал на выходе термометрабудет равен падению напряжения на сопротивлении термистора К (То), создаваемым током 1 г генератора (сопротивлением термоэлектродов можнопренебречь), и термометр ведет себякак обычный термисторный.Этот режим является калибровочным,когда уровню сигнала на выходе термометра ставится в соответствие величина температуры окружающей среды вмомент калибровки Т. Если теперь пои температуре Тосе термистора и "холодного" спая будет меняться температура измерительного спая Т =То, 6 Ти, то сигнал на выходе датчика будет отслеживать это изменение как в обычной дифференциальной термопаре, но уже относительно калибровочного на Туровня сигнала. Это режим измерения температуры объекта,5 171992Пусть в процессе измерения Ти не меняется, но происходит независимый от Т дрейф температуры окружающей среды, например ее рост Т =Т +ЬТ В результате, с одной стороны, возрастает абсолютное значение разности потенциалов, генерируемой "холодным" спаем, на Ь Е(+АТ ), Но, с другой стороны, полупроводйиковый термистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому его сопротивление уменьшится и уменьшится на 6 0,(+ЬТ , ) падение напряжения на термисторе, создаваемое током.1 г, 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 1 г такова, что знак вызываемого им падения напряжения на полупроводниковом термисторе совпадает с полярностью термоЭДС "холодного" спая, тогда Ь Е(Ф 6 ТО ) "холодного" спая и 60 иЬТ ) имеют противополож ные знаки; при температуре калибровки подбором тока 1 г на выходе датчика установлено напряжение011(1 оск) 10:м В ф ( ) 35-е(оск)+ е(+д где О - коэффициент дифференциальнойтермоЭДС материалов термоэлектродов термопары (В/С);В - температурный коэффициент сопротивления материала термистора (Ф/ С), которому прикалибровке ставится в соответствие температура Ток.При выполнении условия (1) обеспе чивается равенствоВЕЛЬТ,) /ЬБ(ЙЬТО)/ .оВ диапазоне АТО, =.+10 С относитель но Т,=20 С передаточная характеристика термометра имеет практически линейный вид и не зависит от номинала сопротивления термистора при Толк.Практически выполнение условия (1) означает эквивалентность граду" ировок термопары и термистора, поэтому для измерения температурыпо (2) можно пользоваться любой изних.Поскольку дрейф температуры окружающей среды вызывает изменение внутреннего сопротивления термометра,равного сопротивлению термистора,то для согласования выхода термометра с предварительным усилителем ондолжен иметь высокоомный вход.На фиг. 3 показан участок термоэлектрода 2 из одного материала с нанесенным на него покрытием 3 из дру-гого материала.Пусть для определенности в такой,термоэлектрической паре материал 2имеет отрицательный, а материал 3,положительный заряды. Если на этом участке имеется градиент температурного поля, например одномерный, иТ ( Ти, то в точке контакта с тем. пературой Ти материал 2 будет иметьболее отрицательный, а материал 3 -.более положительный потенциал относительно точки контакта с температурой Т ., Поэтому на концах термоэлектрода 2 возникает разность потенциалов, равная11= (т,-т), (3)как и у обычной дифференциальной термопары.Конструкция такого термометра приведена на фиг, 2 и имеет то достоинство, что "холодныйц 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 тонкопленочного покрытия 3 из материала, отличного от материала выводов термистора, нанесенного на один из выводов ,2 термистора так, что оно одним концом примыкает к термистору. Выводы термометра б (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."Холодный" спай 4 образован непосредственно у термистора, а измерительный спай 5 вынесен на конец щупатермометра (Фиг. 2).5Генератор стабильного тока задаюттакую величину тока через термистор,чтобы выполнялось условие (1). Помещают термометр и термостат с известной температурой и ставят ее значение в соответствие сигналу на выходетермометра, производя тем самым калибровку. Для измерения температурыобъекта приводят его в тепловой контакт с измерительным спаем термистора и по величине сигнала (2) на выходе термометра судят о температуреобъекта, используя известную для термопары градуировку.П р и м е р, В качестве полупро- ,20водникового термистора используюттермистор типа ИТ, имеющий В=43/С)выполненный в виде шарика диаметром0,1 мм, имеющий при +20 С сопротивление 50 кОм и имеющий тепловую инерционность менее 1 с, Выводы термистора - нихром диаметром 0,02 мм. Наодин из нихромовых выводов напылейаполоска никеля толщиной 1-2 мкм,примыкающая одним концом к термисто- З 0ру, а другим - выведена в щуп термометра по изогнутому выводу термистораГенератор стабильного тока выполнен на полевом транзисторе. В ка честве усилителя используется операционный усилитель с большим входнымсопротивлением. Источником погрешности измерения температуры в данном термометре яв- щ 0ляется погрешность задания тока через термистор,Оценки показывают, что при точности задания тока 4. 13 погрешностькомпенсации дрейфа температуры окружающей среды составляет + 0,05 С,чем и достигается положительный эфФект - возможность создания медицинского термометра с точностью измерения температуры тела +0,050,1 С,Формула изобретенияТермоэлектрический термометр, содержащий последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термоэлектрический преобразователь и компенсационный термоцувствительный резистор, расположенный в области холодного спая дифференциального термоэлектрического преобразователя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в нем компенсационный термочувствительный резистор выпол- неМ 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 непосред ственно прилегающее к компенсационному термочувствительному резистору.171992 ф иг 2 Составитель Л,КузичеТехред Л.Сердюкова Редактор С,Лиси орректор А.Обручар т СССР пр Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101 Заказ 765ВНИИПИ Государственног113035 ражкомитета по изоИосква, Ж, Р Подписное етениям и открыти шская наб , д. М