Термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур

Винахід належить до термометрії і може бути використаний для вимірювання малих різниць температур за допомогою диференційної термоелектричної схеми. Термоелектричні пристрої на основі двох електродів із різних термоелектричних матеріалів через низьку чутливість важко безпосередньо використовува ти для вимірювання малих різниць температур. Тому використовують термоелектричні пристрої спільно з різними підсилювачами термоелектрорухаючої сили (ТЕРС) або зворотними зв'язками, які збільшують ТЕРС при фіксованій температурі вільних кінців електродів (див., наприклад, Линевег Ф. Измерение температур в те хнике: Справочник. Пер. с нем. - М. Металургия, 1980 - С. 116-118). Відомий термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур (див. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC / под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. Пер. с англ. - М.: Мир, 1992 - С. 286-288), який містить два електроди із різних термоелектричних матеріалів із спільним робочим кінцем, блок компенсації напруги вільних кінців, диференційний підсилювач, входами з'єднаний через блок компенсації із вільними кінцями електродів, вольтметр, підключений до виходу ди ференційного підсилювача через фільтр нижніх частот. При вимірюванні малих різниць температур (менш, ніж 2-3°С) вхідна напруга диференційного підсилювача стає порівняною з напругою дрейфу його нуля та власними шумами. Тому збільшенням коефіцієнту підсилення неможливо підвищити чутливість пристрою до різницевої температури, а фільтром нижніх частот заглушити вплив всі х перешкод. Відомий також термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур (Деклараційний патент України №53288 А, МПК G01K7/14, 2002р., Бюл. №1, 2003p.), який містить два електроди із різних термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, які утворюють спільний робочий кінець першої та другої термопари, чотири мідні колодки, два автоматичних перемикача, мультивібратор, вихід якого з'єднано з керуючими входами автоматичних перемикачів, диференційний підсилювач, фільтр нижніх частот та перетворювач постійної напруги в стр ум. Крім того, відомий пристрій включає вольтметр, конденсатор, низькоомний резистор та симетруючий потенціометр з пересувним контактом, який з'єднано із загальною заземленою шиною, при цьому конденсатор з'єднано з виходом першого автоматичного перемикача, один вхід якого з'єднано з мідною колодкою одного вільного кінця термопари, другий вхід з'єднано з мідною колодкою другого вільного кінця через низькоомний резистор, а вольтметр включено на виході фільтру нижніх частот. Підвищення чутливості до різниці температур досягнуто за рахунок протікання вихідного постійного струму пристрою через спільний робочий кінець двох термопар, який здійснює його додатковий нагрів або охолодженні за рахунок ефекта Пельтьє. Але ж, відомий пристрій має невисоку точність та різну чутливість до позитивної та негативної різниці температури через додатковий нагрів спільного робочого кінця теплотою Джоуля, яка виділяється в електродах термопари. В основу винаходу поставлено задачу створення такого термоелектричного пристрою для вимірювання різниці температур, в якому введення нових елементів та зв'язків забезпечило б підвищення чутливості і точності вимірювання різниці температур. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур, який містить два електроди із різних термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, які створюють спільний робочий кінець першої та другої термопари, чотири мідні колодки, два автоматичних перемикача, мультивібратор, вихід якого з'єднано з керуючими входами автоматичних перемикачів, диференційний підсилювач, фільтр нижніх частот та перетворювач постійної напруги в струм, згідно винаходу, в нього введені друга пара електродів з різних термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, які створюють спільний робочий кінець третьої та четвертої термопар, дві мідні шини, фазочутли вий випрямляч та міліамперметр постійного струму, при цьому електроди з однакових термоелектричних матеріалів першої і третьої, другої і че твертої термопар з'єднані мідними шинами з утворенням двох диференційних термопар, вільні кінці яких з'єднані з мідними колодками, дві з яких є виходами першої диференційної термопари і з'єднані з протилежними входами автоматичних перемикачів, виходи яких з'єднані із входами диференційного підсилювача, до виходу якого підключено сигнальний вхід фазочутли вого випрямляча, керуючий вхід якого з'єднано з керуючими входами автоматичних перемикачів, вихід фазочутливого випрямляча через фільтр нижніх частот з'єднано із входом перетворювача постійної напруги в стр ум, ди ференційні виходи якого з'єднані з двома іншими мідними колодками другої диференційної термопари, а міліамперметр постійного струму підключено послідовно з мідними колодками другої ди ференційної термопари. Введення в схему термоелектричного пристрою для вимірювання різниці температур другої пари електродів із тих же термоелектричних матеріалів, що і перша, які з'єднані своїми серединами і створюють другий спільний робочий кінець третьої і четвертої термопар, двох мідних шин, фазочутливого випрямляча і міліамперметру постійного струму, включених вказаним чином, дозволяє вихідний постійний струм пристрою пропускати одночасно крізь спільні робочі кінці двох створених диференційних термопар в різних напрямках, що викликає нагрів одного спільного робочого кінця та охолодження другого спільного робочого кінця та робить перетворювальну характеристику пристрою симетричною відносно нуля, що забезпечує підвищення чутливості і точності вимірювання різниці температур. На кресленні представлена електрична схема термоелектричного пристрою для вимірювання різниці температур. Пристрій містить електроди 1 і 2 з різних термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, що утворюють спільний робочий кінець 3 першої і другої термопар, електродів 4 і 5 з тих же термоелектричних матеріалів, також з'єднаних своїми серединами та утворюючих спільний робочий кінець 6 третьої та четвертої термопар. Вільні кінці електродів з однакових термоелектричних матеріалів з'єднано між собою мідними шинами 7 і 8, а вільні кінці електродів, які лишилися, з'єднано з мідними колодками 9, 10, 11 і 12. Вільні кінці 11 і 12 першої диференційної термопари з двома робочими кінцями 3 і 6 з'єднано з протилежними входами автоматичних перемикачів 13 і 14, керуючі входи яких з'єднані з виходом мультивібратора 15. Виходи автоматичних перемикачів 13 і 14 з'єднані зі входами диференційного підсилювача 16, до виходу якого підключено послідовно з'єднані фазочутливий випрямляч 17, фільтр 18 нижніх частот і перетворювач 19 постійної напруги в стр ум. Диференційні виходи перетворювача 19 з'єднані через міліамперметр 20 з мідними колодками 9 і 10 вільних кінців другої диференційної термопари з робочими кінцями 3 і 6. Термоелектричний пристрій працює наступним чином. Робочі кінці 3 і 6 диференційних термопар розміщено в зонах з температурами T1, і T2, що контролюються. ТермоЕРС Е на колодках вільних кінців 11 і 12 першої диференційної термопари визначається різницею цих температур: (1) Е=e1Т 1-e2 Т2 де e1 і e2 коефіцієнти термоЕРС (коефіцієнти Зеєбека) електродів із різних матеріалів при температурі T1, і T2 відповідно. При вимірюванні малих різниць температур можна вважати, що e1=e2=e, а термоЕРС (2) Е1=e(Т 1-Т2) Автоматичні перемикачі 13 і 14 періодично з частотою перемикання f мультивібратора 15 змінюють полярність різнецевої напруги (2). Внаслідок цього диференційним підсилювачем 16 підсилюється змінна напруга прямокутної форми: (3) U1(t)=e(T 1-T2)signsin2pft де signsin2pft - огинаюча знакозмінної напруги. Підсилена напруга надходить на фазочутливий випрямляч 17, який керується напругою прямокутної форми від мультивібратора 15. Випрямлена напруга згладжується фільтром 18 нижніх частот та перетворюється перетворювачем 19 в пропорційний струм. (4) I1=ek 1k2k3s(T1-T2) де k1 - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 16; k2 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 17; k3 - коефіцієнт передачи фільтра 18 нижніх частот; s - крутизна перетворення постійної напруги в струм. Постійний струм I1 надходить на мідні колодки 9 і 10 другої диференційної термопари. При вказаному на кресленні послідовному включенні вільних кінців термопар з однакових матеріалів, яке здійснюється за допомогою мідної шини 8, струм I 1 протікає крізь спільні робочі кінці диференційних термопар 3 і 6 в протилежних напрямках. При цьому напрямок протікання струму через робочі кінці 3 і 6 обирають таким, щоб в робочому кінці з більшою температурою Т1>Т2 виділялася теплота Пельтьє, а у робочому кінці з меншою температурою T2