Термоэлектрический термометр Советский патент 1992 года по МПК G01K7/12 

Изобретение 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 мо- , ста и стандартного электронного вторичного преобразователя, на вход которого подается суммарный сигнал термопары и компенсирующего измерительного моста

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига-.:, ... емому результату является известный термоэлектрический термометр, содержащий последовательно включенные генератор тока, дифференциальный термоэлектрический преобразователь и 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-ч|

i

Ј Ј

Ю Ј

J 1

большой температурный коэффициент сопротивления и поэтому большие габариты и массу, по сравнению с точечным термоспаем. Разница тепловой инерционости спая и терморезистора приводит к погрешности компенсации дрейфа температуры окружающей среды и снижает точность определения температуры объекта

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры.

Поставленная.цель достигается тем что в термоэлектрическом термометре, содержащем последовательно включенны генератор тока, дифференциальный термочувствительный резистор, расположеный в области холодного спая дифференциального термоэлектрического преобразователя, компенсационный термо- чувствительный резистор выполнен полупроводниковым, причем оба вывода компенсационного термочувствительного резистора являются первым термоэлектродом дифференциального термо- электрического преобразователя, втор термоэлектродом которого является тонкопленочное электропроводящее по крытие из материала, отличного от материала выводов компенсационного тер мочувствительного резистора, нанесенное на один из выводов компенсационного термочувствительного резистора и одним концом непосредственно прилегающее к компенсационному термочувствительному резистору Такая конструктивная 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 тепловой инерционности.

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

На фигурах приняты следующие обозначения: полупроводниковый терми- стор 1; первый термоэлектрод 2; второй термоэлектрод 3; холодный спай 4; измерительный спай 5, выводы тер мометра 6; генератор 7 стабильного

тока; усилитель 8; TX - температура холодного спая; Ти - температура измерительного спая.

0

-5 Q

0

5

20°С

Принцип работы термометра следующий

Пусть для определенности термометр выполнен в виде дифференциальной термопары, образованной двумя стандартными термоэлектродами и имеет измерительный спай при температуре Т w и холодный спай, всегда находящийся при температуре Т, равной температуре окружающей среды Тос. 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 k%/°C (металлические 0,1...0,5%/°С) и, будучи выполненными в виде шарика диаметром 0,1... 0,5 мм, имеют сопротивление при 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(ТОС), но обратны по полярности и взаимокомпенсируются. Поэтому сигнал на выходе термометра будет равен Падению напряжения на сопротивлении термистора RT(T0c), создаваемым током 1Г генератора (сопротивлением термоэлектродов можно пренебречь), и термометр ведет себя как обычный термисторный.

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

ос к

Если теперь при температуре Тоск термистора и холодного спая будет меняться температура измерительного спая Ти TQCKt йТи , то сигнал на выходе датчика будет отслеживать это изменение как в обычной дифференциальной термопаре, но уже относительно калибровочного на Тоскуровня сигнала. Это режим измерения температуры объекта.

5171

Пусть в процессе измерения Ти не меняется, но происходит независимый от T(i дрейф, температуры окружающей

среды, например ее рост В результате, с одной стороны, возрастает абсолютное значение разности потенциалов, генерируемой холодным спаем, на UE(+ATOC), Но, с другой стороны, полупроводниковый термисто.р имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому его сопротивление уменьшится и уменьшится на & UT(+ДТОС) падение напряжения на термисторе, создаваемое током. 1Г о Если полярности этих вариаций противоположны, а сами они равны по величине, то сигнал на выходе термометра не изменится о Это режим компенсации дрейфа температуры окружающей среды.,

Режимы компенсации, калибровки и измерения обеспечиваются только при одновременном выполнении двух уело- , вий: полярность 1Г такова, что знак вызываемого им падения напряжения на полупроводниковом термисторе совпадает с полярностью термоЭДС холодного спая, тогда AE(iuToc) холодного спая и UUT(iAToc) имеют противоположные знаки; при температуре калибровки .подбором тока 1Г на выходе датчика установлено напряжение

oi

1ОСК

U(Tnru) - (рГв 1)

где oL - коэффициент дифференциальной термоЭДС материалов термоэлек тродов термопары (В/°С); В - температурный коэффициент сопротивления материала термистора (%/°С), которому при калибровке ставится в соответ ствие температура Тоск. При выполнении условия (О обеспечивается равенство

|uE(t&Toc)(±&Toc)| .

В диапазоне С относитель - но ТОС|С 20°С передаточная характеристика термометра имеет практически линейный вид

U- -Е(ТОС1()±Е(±ЛТИ) .(2)

и не зависит от номинала сопротивления термистора при Т., Практически выполнение условия i (1) означает эквивалентность градуировок термопары и термистора, по

6

этому 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 термомет- ра 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- того материала.

Пусть для определенности в такой iтермоэлектрической паре материал 2 имеет отрицательный, а материал 3 - положительный заряды„ Если на этом участке имеется градиент температурного поля, например одномерный, и то в точке контакта с температурой Т ц материал 2 будет иметь более отрицательный, а материал 3 - более положительный потенциал относительно точки контакта с температурой Тх, Поэтому на концах термоэлектрода 2 возникает разность потенциалов, равная

и вКти-тх), (3)

как и у обычной дифференциальной термопары.

Конструкция такого термометра при- ведена 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 изобретения - повышение точности измерения температуры.

Полупроводниковый термистор 1 (фиг. 2) имеет выводы 2, являющиеся первым термоэлектродом дифференциальной термопары, второй термоэлектрод которой выполнен в виде тонко- пленочного покрытия 3 из материала, (Отличного от материала выводов терми- icTopa, нанесенного на один из выводов |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 о

f5

Холодный спай образован непосредственно у термистора, а измерительный спай 5 вынесен на конец щупа термометра (фиг. 2).j

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

Пример. В качестве полупроводникового термистора используют ёрмистор типа МТ-57, имеющий B k%/°C выполненный в виде шарика диаметром 0,1 мм, имеющий при +20°С сопротивение 50 кОм и имеющий тепловую инер- ционность менее 1 с. Выводы термисора - нихром диаметром 0,02 мм. На один из нихромовых выводов напылена полоска никеля толщиной 1-2 мкм, примыкающая одйим концом к термисто- ру, а другим - выведена в щуп термо- метра по изогнутому выводу термистора. Генератор стабильного тока выполнен на полевом транзисторе. В ка- честве усилителя используется операционный усилитель с большим входным сопротивлением.

20

30

35

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

Оценки показывают, что при точности задания тока погрешность компенсации дрейфа температуры окружающей среды состаЁляет ±0,05°С, чем и достигается положительный эффект - возможность создания медицинского термометра с точностью измерения температуры тела ±0,05...0,1СС.

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 выполнен 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.

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 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 „ i

фиа.1

tf oc/V-7x) фие.З