Устройство для измерения температуры Советский патент 1979 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к области термометрии. Известны различные устройства для измерения температуры, содержавдие термоэлектрический датчик температуры подключенный к усилите.шо переменного тока через вибропреобразователь 1, Однако известные устройства обладают недостатком, заключающимся в том что введение вибропреобразователя, со держадего разъемные электрические коН такты, снижает надежность, устройства кроме того, их применение затрудняет, получение выходного сигнала синусои дальней формы, что снижает точность измерения. Известно устройство, в котором термоэлектрический преобразователь температуры выполнен в виде первичной обмотки трансформатора 2}-. Эднако известное устройство налшо применение в качестве источника пита ния, так как обладает значительной тепловой инерционностью н недостаточ ной точностью измерения. Известно также устройство, содержащее термоэлемент, трансформатор с маЛитопроводом и двумя обмотками, первичная обмотка которого соединена с термоэлементом последовательно 3 Однако известное устройство содержит электромеханический вибропреобразователь , что снижает надежность устройства, а также точность измерения из-за отклонения формы сигнала от синусоидальной. Для повыпения надежности и точности измерения в предлагаемое устройство дополнительно введены сопротивления и конденсаторf который подключен параллельно первичной обмотке трансформатора, а сопротивление включено последовательно в электрическую цепь, состоящую из термоэлемента и первичной обмотки трансформатора, причем термоэлемент закреплен на магнитопроводе трансформатора; ве.личина дифференциального отрицате.льного сопротивления термоэлемента выбрана больше величины сопротивления смещения. На фиг.1 -показаны графики, поясняющие работу устройства; на фиг.2 - . принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.З - конструкция устройства. На фиг.1 показана нагрузочная кривая 1 для термоэлемента, выполненного из монокристаллической пластины замкнутого на изменяющееся активное сопротивление при постоянном теплоBOM потоке, и кривая 2 изменения внут реннего сопротивления монокристаллической пластины в зависимости от тока. На кривой 2 показан участок отрицательного сопротивления 1-2. На фиг 2 приняты обозначения: ТЭЭЛ - термоэлемент, 0. - суммарный тепловой поток, попс1дающий на термоэлемент. Т, и Tj - температуры соответственно на горячей и холодной сторонах термоэлемента сопротивления, R - сопротивление, С - конденсатор, .Тр - трансформатор, U выходное переменное напря. жение. На фиг.З обозначено 1 - термоэлемент, 2 - бериллиевая подложка термоэлементА, 3 .- магнитопровод (сердечник) трансформатора, 4 - электрические вцводы термоэлемента, 5 - выводы первичной обмотки трансформатора, б - трансформатор, 7 - конденсатор, 8 - сопротивление смещения, 9 - монтажная плата, 10 - защитный металлический экран, 11 - электрическая изоляция. Устройство работает следующим образом. Термоэлемент 1 выполнен из монокристаллической пластины, изготовлен Очбй, из анизотропного материала, напри мер сурьмянистого кадмия. Ориентация монокристаллической пластины выбрана с учетом получения максимальной термо-ЭДС, Термоэлемент 1 закреплен на магнитопроводе 3 трансформатора 6 через электрическую изоляцию 11 и берил лиевую подложку 2, что позволяет использовать магнитопровод 3 в качестве теплопровода. Конденсатор 7 и сопротивление смещения 8 расположены на монтажной плате 9, к которой подходят выводы 4 термоэлемента и выводы 5 пер вичной обмотки трансформатора. Металлический экран 10, снабженный входным окном, обеспечивает защиту термоэлемента 1 от конвентивных тепловых потоков и внешних магнитных полей. Конденсатор 7 к первичная обмотка трансформатора 6 образуют колебательный контур, подключенный через сопротивление смещения 8 к термоэлементу 1. При прохождении потока тепла через термоэлемент 1, вьгаолненный в виде пластины,между ее рабочими гранями, расположенными перпендикулярно тепловому потоку, возникает разность температуры дТ , а на двух других гранях, перпендикулярных к рабочим, воз икaeт термо - ЭДС, знак которой зависит от взаимной ориентации градиента температуры и кристаллической ориентации осей пластины. При возникновении термо - ЭДС через сопротивление смещения 8 и колебательный контур пойдет электрический ток D , величина которого определяется следующим соотношением:гдедоС,б,зе - коэффициенты попереч ной термо - ЭДС, электропроводности, теплопроводности материала монокристаллической пластины соответственно; а и в - дпина и высота пластины соответственно. гп - коэффициент пропорциональности, определяемый из JOOTHOшениягде f..j. - внутреннее сопротивление термоэлемента, RC величина сопротивления смещения. При некотором значении тока, зависящем от величины сопротивления 1 и количества тепла Q. происходит перераспределение носителей тока в материале пластины, определяемое.зонной структурой материалапластины (в нашем случае сурьмянистый кадмий). Перераспределение носителей тока вызывает появление участка отрицательного сопротивления, показанного на фиг. 1, которое используется для создания термодатчика переменного тока. Выбором сопротивления смещения поместим рабочую точку в положение 1 кривой П, рис.1. Конденсатор С при этом будет заряжен до значения ., АО- ,. .-т, - коэффициент пропорциональности для точки 1 на кривой П. Увеличение э 1ектрического тока вызывает смещение рабочей точки на участок отрицательного сопротивления, при этом, она попадает в положение 2. Напряжение на выходе монокристаллической пластины падает до значения Д-Х „ и, т,-т-иг -Ы , 1 2 где nrij - коэффициент пропорциональности для точки 2 на /кривой П, Конденсатор С начинает разряжаться на первичную обмотку трансформатора до значения и.. Возникающий при этом ток самоиндукции направлен против тока монокристаллической пластины и уменьшает его значение, что приводит к смещению рабочей точки из положения 2 в положение 1, где разрядившийся ранее конденсатор снова заряжается до напряжения U . Таким образом, процесс повторяется сначала, то есть устанавливается периодический процесс. На вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение и т-КДоС-Q-sin wtijgf , гдеи - напряжение на выходе трансформатора; К -;коэффициент трансформа ции; (, . - круговая частота, опредеVLC ляемая емкостью и индуктивностью контура; rrij ГПд m i с - ширина пластины. Автоколебательный процесс находится в устойчивом состоянии, если отриДательное сопротивление монокристаллической пластины и сопротивление см щения связаны следующим соотношением Увеличение сопротивления смещения вызывает срыв генерации, при этом значение сопротивления 5, , при котором наступает срыв, однозначно определяется тепловым потоком Q . Например, при геометрических размерах пластинки а 10 мм, мм, ,01 мм, изготовленной из сурьмянистого кадмия с ДОС S 200 мкВ/град, Э€ 0,01 Вт/см.град, 6 1 Ом см ,,., козффициента трансформации К 10 и 2 кОм С п параметрах схемы К L 9. и разнос разности температур на рабочих гранях пластинки йТ 10°С получаем напряжение, амплитудное зна чение которогоравно и 25 В, Температурная чувствительность да .5, 2,5 В/град Вольтная чувствительность датчика 2,5 10 В/Вт Частота ЭДС генерируемой на выходе датчика f 5 кГц, Постоянная времени термодатчика IT .fA- b определяется температу - Ч ропроводностью сурьмянистого кадмия Ч 0,01 , а также высотой плас тинки & и в нашем случае ,1 с. Т а йм-образом,изменяя геометрические размеры монокристаллической пластины (а,в,с), коэффицент трансфо мации К трансформатора, значение емкости С и индуктивности L. легко полу чаем переменное напряжение требуемой амплитуды и частоты. Таким образом, предложенное устройство позволяет преобразовать сигнал термоэлемента в переменное напряжение бесконтактным методом, что обеспечивает повЕлаение точности измерения температуры и одновременно надежность устройства. Формула изобретения 1.Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлемент, трансформатор с магнитопроводом и двумя обмотками, первичная обмотка которого соединена с термоэлементом последовательно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и надежности устройства, в него дополнительно введенц сопротивления смещения и конденсатор, который подключен параллельно первичной обмотке трансформатора, а сопротивление смещения включено в рассечку между термоэлементом, и первичной обмоткой трансформатора, причем термоэлемент закреплен на магнитопроводе трансформатора. 2.Устройство по п.1, о т л и чаю-щееся тем,что величина дифференциального отрицательного сопротивления термоэлемента выбрана большей величины сопротивления смещения. Источники информации, принятыево внимание при экспертизе 1.Бернштейн А.С., Термоэлектрические генераторы. Государственное энергетическое издательство, М,-Л., 1956, с.41. 2.Иорданишвили Е.К,, Термоэлектрические источники питания, М., Советское радио, 1968, с.110. 3.Поздняков Б.С., Термоэлектрическая энергетика, Атомиздат, М. 1974,

,нВгK i,KOH

1,нка

9игл

г.г

Гр

II

.3