Термоелектричний пристрій для вимірювання температури

Термоелектричний пристрій для вимірювання температури, який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей, послідовно з’єднані нормуючий підсилювач і аналого-цифровий перетворювач та цифровий індикатор, який відрізняється тим, що в нього введенні перший і другий автоматичні двохполюсні перемикачі, вхід першого перемикача з’єднаний з вільними кінцями термопари, перша пара виходів першого автоматичного двох полюс 38540 рювання температури за А. С. СРСР №498516 Кл. G0IK 13/02, 1976 p., який складається з напівпровідникової термопари, один електрод якої виконаний з ниткоподібного монокристалу кремнію, і реєструю чого приладу. Перевагою даного пристрою є підвищена чутливість кремнієвої термопари на відміну від телурієві і складає 300-500 мкВ/град, що дозволяє підвищити розрізнювальну здатність пристрою. Але точність вимірювання температури при цьому залишається низькою із-за невирішеної проблеми залежності результатів вимірювання від ступеня не лінійності ГХ і нестабільності чутливості термопари. Відомий термоелектричний пристрій для вимірювання температури (див. Л. И. Анатычук, Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев, «Наукова думка», 1978 р., стор. 579), який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей (Ві2Те3-Sb2Те3 або Ві2Те3-ВІ2Sе3) і реєструючий прилад, вхід якого з'єднаний з вільними кінцями електродів термопари. Даний пристрій володіє високою чутливістю і швидкодією. При застосуванні в цьому пристрої термоелектричної батареї напівпровідникових елементів в якості первинного перетворювача температури його чутливість може бути збільшена на порядок, але точність вимірювання контрольованої температури в широкому діапазоні температур залишається низькою із-за не лінійності ГХ та нестабільності чутливості напівпровідникової термопари. Відомий також пристрій для вимірювання температури (див. Измерения в электронике: Справочник/ Кузнецов В. А., Долгов В. А., Коневских В. М. и др.; Под ред. В. А. Кузнецова. - М.: Энергоиздат, 1987, с. 145 - 147), який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей, послідовно з'єднані нормуючий підсилювач і аналого-цифровий перетворювач та цифровий індикатор. У відомому пристрої використана циліндрична напівпровідникова термопара, яка складається з діркового та електронного напівпровідникових стержнів. Один стержень виконаний із сплаву SbZn, який має високу електронну провідність та чутливість a 1 =200-250 мкВ/град. Другий стержень виконаний із сплаву SbCd та має діркову провідність із чутливістю a2=300-400мкВ/град. ТермоЕРС термопари, яка складається із електронного та діркового провідників, визначається без урахування не лінійності виразом: E = (a1 + a 2 )(T1 - T2 ) , де Т1 і Т2 - температура робочого спаю та вільних кінців. Тому чутливість напівпровідникової термопари дорівнює 500-650 мкВ/град. У циліндричній термопарі одна торцева площина нагрівається від контрольованого об'єкту та являється робочим спаєм термопари; вільні кінці мають температуру оточуючого середовища. Із-за відносно високої теплопровідності сплавів, з яких зроблені стержні - електроди термопари, важко стабілізувати температуру Т2 вільних кінців, що призводить до великих похибок вимірювання при зміні температури робочого спаю у широкому температурному діапазоні. Крім того такій термопарі притаманні похибки від не лінійності та нестабільності її ГХ. Задача винаходу полягає у створенні такого пристрою для вимірювання температури напівпровідниковою термопарою, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволило б забезпечити підвищення точності вимірювання температури. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричний пристрій для вимірювання температури, який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей, послідовно з'єднані нормуючий підсилювач і аналого-цифровий перетворювач та цифровий індикатор, згідно винаходу, в нього введені перший і другий автоматичні двохполюсні перемикачі, вхід першого перемикача з'єднаний з вільними кінцями термопари, перша пара виходів першого автоматичного двохполюсного перемикача з'єднана із входом нормуючого підсилювача, мікропроцесорний контролер, вхід якого з'єднаний з цифровим виходом аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналоговий перетворювач, виконаний по типу «цифра - постійна напруга», кодовий вхід якого під'єднаний до першого виходу мікропроцесорного контролера, перетворювач постійної напруги в постійний струм, потенціальним входом підключений до виходу цифро-аналогового перетворювача, а виходом до входу другого автоматичного двохполюсного перемикача, протилежні виходи якого з'єднані між собою з другою парою виходів першого автоматичного перемикача, вхід цифрового індикатора під'єднаний до другого виходу мікропроцесорного контролера, третій, четвертий і п'ятий виходи якого під'єднані відповідно до керованих входів першого, другого автоматичних двохполюсних перемикачів і аналогоцифрового перетворювача. Введення в пристрій двох автоматичних двохполюсних перемикачів, мікропроцесорного контролера та цифро-аналогового перетворювача, які з'єднані з напівпровідниковими електродами термопари, з нормуючим підсилювачем та аналогоцифровим перетворювачем вказаним чином, дозволяє провести додаткові вимірювання термоЕРС при охолодженні і нагріві робочого спаю термопари постійним струмом, обробку результатів проміжних вимірювань в процесорі контролера за запропонованим алгоритмом, дозволяє виключити вплив непостійності коефіцієнтів Зеєбека і Пельтьє термоелектричного ланцюга на результат вимірювання температури та виключити похибки від не лінійності та нестабільності ГХ напівпровідникової термопари з електродами діркової та електронної провідностей, що дозволяє забезпечити підвищення точності вимірювання температури. На фіг. 1 представлена функціональна схема термоелектричного пристрою для вимірювання температури. На фіг. 2, 3 - блок-схема алгоритму програмної роботи пристрою. Пристрій містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей 1 і клемну колодку 2 з вільними кінцями термопари, перший автоматичний двохполюсний перемикач 3, нормуючий підсилювач 4, аналогоцифровий перетворювач 5, мікропроцесорний контролер 6, цифро-аналоговий перетворювач 7, перетворювач постійної напруги в постійний струм 8, 2 38540 другий автоматичний двохполюсний перемикач 9 і цифровий індикатор 10. Клеми вільних кінців напівпровідникової термопари з електродами діркової та електронної провідностей 1, розташованих на колодці 2, з'єднані з входами двохполюсного перемикача 3, одна пара виходів якого з'єднана з входами нормуючого підсилювача 4. Друга пара виходів перемикача З з'єднана з протилежно з'єднаними виходами двохполюсного перемикача 9. До виходу нормуючого підсилювача 4 під'єднаний аналого-цифровий перетворювач 5, кодовий вихід якого з'єднаний з входом мікропроцесорного контролера 6. До першого виходу контролера під'єднаний кодовими входами цифроаналоговий перетворювач 7, вихід якого через перетворювач 8 напруги в струм з'єднаний з входами автоматичного двохполюсного перемикача 9. До третього та четвертого виходів мікропроцесорного контролера 6 під'єднані керовані входи першого та другого автоматичних двохполюсних перемикачів 3 і 9. До другого виходу мікропроцерного контролера 6 під'єднаний цифровий індикатор 10. Управління роботою аналого-цифрового перетворювача 5 здійснюється безпосередньо від мікропроцесорного контролера 6. Пристрій для вимірювання температури працює наступним чином. На початку експлуатації пристрій з напівпровідниковою термопарою 1 калібрують при відомій температурі Tк , яку вибирають з умови: Tк = TмаксТ мін де Rc - електричний опір робочого спаю; К - коефіцієнт, який враховує долю теплоти Джоуля, яка розсіюється в робочому спаї; П - коефіцієнт Пельтьє матеріалів, які утворюють робочий спай; С - еквівалентна ємність спаю, яка визначається його масою та питомими теплоємностями матеріалів електродів; Dt - час охолодження спаю. Сила струму визначається з умови максимального охолодження спаю при допустимій щільності струму із співвідношення: ¶E 2¢ = 2кI 0 - P = 0 , (4) ¶I Звідки оптимальний струм охолодження: P I0 = , (5) 2Rc к Як правило К»0.5, так як половина тепла Джоуля поступає на підвищення температури спаю, а друга половина тепла відводиться електродами к вільним кінцям та в оточуюче їх середовище. Тому можна рахувати, що: P I0 = (6) Rc Враховуючи, що коефіцієнт Пельтьє визначається значенням коефіцієнта Зеєбека робочого спаю та його температурою: P = e к Tк , (7) термоЕРС Е2' робочого спаю представлено у вигляді: Dt ù é 2 E 2¢ = e к êTк + 0,5I 0 Rc - e к Tк I 0 - e 0T0 ú , (8) C û ë (1) ( де Tмакс і Тмін максимальна і мінімальна температури діапазон вимірювання. ТермоЕРС Е1', яка утворюється робочим спаєм двох напівпровідникових електродів, можна представити у вигляді: E1 = eк Tк - e 0T0 , (2) Час охолодження DТ вибирають меншим теплової сталої часу t робочого спаю термопари (DТ