技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體熱電效應(yīng)領(lǐng)域，具體涉及一種0℃信號發(fā)生器及其實施方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體零點儀的工作原理是：在一封閉厚壁銅制容器中充滿水，容器外表面與半導(dǎo)體熱電元件緊密接觸。半導(dǎo)體熱電元件接入直流電后制冷，使容器內(nèi)水的溫度下降。當(dāng)水溫下降到一定程度后，最接近熱電元件的水開始結(jié)冰。這時容器內(nèi)為冰水混合物狀態(tài)，理論上混合物的溫度為0℃。隨著熱電元件的工作，容器內(nèi)的結(jié)冰量逐漸增加。在容器內(nèi)上部還設(shè)置有一個波紋管，他的外側(cè)與水接觸，內(nèi)部有溫控器觸點開關(guān)，其工作原理是：當(dāng)容器中全部為水或結(jié)冰量比較少時，溫控器觸點處于斷開狀態(tài)，這時溫控電路向熱電元件電路發(fā)出工作信號，熱電元件處于制冷運行工作狀態(tài)。下部水結(jié)冰后體積膨脹，封閉容器內(nèi)上部的水受到壓縮，壓力升高，波紋管受壓后長度縮短，位于波紋管內(nèi)下部的觸點與其上的觸點間的距離變小。當(dāng)結(jié)冰量達(dá)到一定程度時，二觸點相接觸，這時溫控電路向熱電元件電路發(fā)出停止信號，停止制冰。停止制冰后，外界熱量傳導(dǎo)進(jìn)容器內(nèi)使冰逐漸融化，容器內(nèi)冰量減少，水的壓力變小，波紋管伸長，溫控器觸點再次斷開，熱電元件再次進(jìn)行制冰工作。以上的“制冷結(jié)冰→溫控器觸點閉合停止結(jié)冰→部分冰融化后溫控器觸點斷開→制冷結(jié)冰”的過程循環(huán)進(jìn)行，從而使容器內(nèi)始終保持冰水混合物的狀態(tài)。

在厚壁銅制容器壁面的特定位置鉆有一直徑很小、較深的盲孔，盲孔一端開口與外界相通，另一端封閉，并且非?？拷旌衔?，由于銅的導(dǎo)熱性能很好，因此盲孔封閉端的溫度非常接近0℃，可用于向外輸出0℃信號。

現(xiàn)有的半導(dǎo)體零點儀存在幾個方面的不足：

1.容器中的冰和水處于靜止?fàn)顟B(tài)，在制冰過程和冰的融化過程中，必然存在導(dǎo)熱。由導(dǎo)熱原理，冰水混合物中一定存在溫度差，溫度場是不均勻的，混合物中只有冰水交界面的溫度為0℃，盲孔的盲端必須設(shè)置在這一位置，因此現(xiàn)有的零點儀只能設(shè)置一個盲孔用于向外輸出0℃信號；

2.盲孔的一端與外界大氣相通，為了減少外界溫度對盲孔的盲端溫度（即0℃）的影響，盲孔必須做成直徑很小，具有相當(dāng)深度的細(xì)長孔，利用該細(xì)長孔內(nèi)空氣的隔熱作用，減小外界溫度的影響；

3.零點儀一般用于為溫度取樣器(比如熱電偶)提供0℃信號，由于以上二個原因，一臺零點儀一次只能為一個溫度取樣器提供0℃信號；

4.盲孔內(nèi)空氣量很少，熱容量也很小。溫度取樣器插進(jìn)盲孔后，對盲孔盲端的溫度（0℃）影響很大，需要等待較長的時間，盲端溫度才能恢復(fù)為0℃。這不利于溫度取樣器快速獲得0℃信號；

5.現(xiàn)有零點儀要求其工作環(huán)境的溫度大于0℃，這在一般的實驗室中是可以實現(xiàn)的，但是在一些特殊的條件下，比如低溫實驗室，或寒冷的野外，零點儀中的水在不工作的狀態(tài)下已凍結(jié)成冰，現(xiàn)有的零點儀這時無法向外提供0℃信號；

6.現(xiàn)有零點儀使用厚壁銅制容器和波紋管溫控器作為主要部件，這二個部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，價格較高，造成零點儀價格昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種0℃信號發(fā)生器及其實施方法，該信號發(fā)生器成本低，比半導(dǎo)體零點儀對工作環(huán)境的要求低，應(yīng)用范圍廣。

一種0℃信號發(fā)生器，包括不銹鋼箱體，所述不銹鋼箱體內(nèi)裝有水，所述不銹鋼箱體頂端至少設(shè)有1個第一開口，每個第一開口內(nèi)均插有不銹鋼盲管，所述不銹鋼盲管內(nèi)裝有導(dǎo)熱介質(zhì)，所述導(dǎo)熱介質(zhì)完全浸入水中，所述不銹鋼箱體一側(cè)靠近頂端的位置設(shè)有第二開口，所述第二開口與U形水銀管電接點式溫度控制器連通，所述U形水銀管電接點式溫度控制器通過右側(cè)管上的上電接點和下電接點依次與溫度控制電路和工作電路連接，所述上電接點位于下電接點上方， 所述不銹鋼箱體內(nèi)壁側(cè)面靠近底部設(shè)有攪拌器，所述不銹鋼箱體底部外側(cè)中間位置設(shè)有熱電元件，所述熱電元件下方設(shè)有風(fēng)扇，所述不銹鋼箱體外側(cè)設(shè)有保溫層，所述保溫層的厚度低于不銹鋼盲管的管口。

作為改進(jìn)的是，所述保溫層的材料為聚氨酯發(fā)泡塑料。

作為改進(jìn)的是，所述不銹鋼箱體頂端設(shè)有4個第一開口。

上述0℃信號發(fā)生器的實施方法，包括以下步驟：

步驟1，取0℃信號發(fā)生器，取下任一不銹鋼盲管，加入水，使得不銹鋼盲管中的導(dǎo)熱介質(zhì)完全浸入水中，然后將取下的不銹鋼盲管安裝回去后，并密封處理不銹鋼盲管與第一開口的接觸處；

步驟2，給工作電路供電，當(dāng)環(huán)境溫度高于0℃時，不銹鋼箱體內(nèi)全部為水，這時U形管電接點控制器右側(cè)管中水銀低于下電接點，溫度控制電路向工作電路發(fā)出制冰信號，工作電路向熱電元件輸出直流電，該直流電方向使得熱電元件運行在制冰模式下，熱電元件與不銹鋼箱體接觸的一側(cè)溫度低于0℃，并且低于箱體內(nèi)的水溫，因此熱電元件吸收水的熱量，水溫下降至低于0℃時，水開始結(jié)冰，水面上升，水面上的氣體壓力變大，引起U形管電接點控制器的右側(cè)管中水銀面上升，當(dāng)結(jié)冰量增大至U形管電接點控制器右側(cè)管中水銀與下電接點接觸時，溫度控制電路向工作電路發(fā)出停止運行信號，熱電元件和風(fēng)扇停止運行，此時，外界熱量向箱體內(nèi)傳遞，使得冰開始融化，導(dǎo)致右側(cè)管中水銀低于下電接點，溫度控制電路又向工作電路發(fā)出制冰信號，如此循環(huán)進(jìn)行，保證不銹鋼箱體內(nèi)的水以及不銹鋼盲管中的導(dǎo)熱油溫度均在0℃，可準(zhǔn)確輸出0℃信號；當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，不銹鋼箱體內(nèi)的水自發(fā)結(jié)成冰，這時U形管電接點溫度控制器右側(cè)管中水銀高于上電接點，溫度控制電路向工作電路發(fā)出制熱信號，工作電路向熱電元件輸出直流電，該直流電方向與制冷模式時的相反，使得熱電元件運行在制熱模式下，熱電元件與不銹鋼箱體接觸的一側(cè)溫度高于0℃，熱電元件向箱體內(nèi)的冰放出熱量，使冰的溫度上升并融化，當(dāng)U形管電接點溫度控制器右側(cè)管中水銀低于上電接點，溫度控制電路向工作電路發(fā)出停止運行信號，熱電元件和風(fēng)扇停止運行，由于不銹鋼箱體內(nèi)水向寒冷的環(huán)境傳遞熱量，部分水又結(jié)成冰，導(dǎo)致U形管右側(cè)管水銀再次高于上電接點，溫度控制電路又向工作電路發(fā)出制熱工作信號，如此循環(huán)進(jìn)行，保證不銹鋼箱體內(nèi)的水以及不銹鋼盲管中的導(dǎo)熱油溫度均在0℃，可準(zhǔn)確輸出0℃信號，其中風(fēng)扇與攪拌器均有工作電路供電，循環(huán)過程中攪拌器一直工作，保證不銹鋼箱體內(nèi)冰水混合物溫度均勻。

作為改進(jìn)的是，步驟1中導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油。

本發(fā)明0℃信號發(fā)生器的工作原理：

1、熱電元件接入直流電后，在其內(nèi)部產(chǎn)生帕爾貼效應(yīng)(Peltier effect)，也就是熱電元件一個面的溫度升高，向外界放出熱量，而另外一個面的溫度降低，從外界吸收熱量。當(dāng)接入熱電元件的直流電反向時，熱電元件的高溫面和低溫面也發(fā)生互換。因此，無需改變熱電元件的位置，只要改變接入熱電元件直流電的方向，即可實現(xiàn)熱電元件從所接觸的表面吸收熱量(制冷)向?qū)λ佑|的表面放出熱量(制熱)的功能轉(zhuǎn)變。利用半導(dǎo)體熱電元件可制冷、制熱的性能是本發(fā)明的主要工作原理。

2、理論上液態(tài)水和冰的混合物的溫度為0℃，但是在靜止的冰水混合物中，由于混合物和外界的熱量傳遞，以及冰、水相互轉(zhuǎn)變過程的熱量傳遞，液態(tài)水中會出現(xiàn)溫度分層，因此水中的溫度是不均勻的，只有在他們的交界面才是0℃。利用攪拌器使水流動，從而消除冰水混合物中的溫度不均勻性，是本發(fā)明獲得均勻的0℃水的工作原理。

3、液態(tài)水和冰的密度存在差別，當(dāng)他們之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變時，冰水混合物的體積發(fā)生變化。在有氣體存在的密閉容器中，氣體的體積也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致氣體壓力的變化，壓力變化的大小與混合物中的冰水比例有關(guān)。利用氣體壓力變化的大小，可以作為控制混合物中冰水比例的信號。利用冰水密度差產(chǎn)生封閉空間中氣體壓力的變化，從而控制半導(dǎo)體熱電元件的工作，是本發(fā)明獲得恒定的0℃的工作原理。

有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，相對比現(xiàn)有半導(dǎo)體零點儀制備成本低；

2、 不銹鋼盲管中的導(dǎo)熱油具有較大的熱容量，外界取樣器的進(jìn)入(如熱電偶)，對導(dǎo)熱油0℃溫度的影響較小。并且由于導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱性能好，盲管與冰水混合物完全接觸，受到擾動的導(dǎo)熱油溫度可快速恢復(fù)至0℃。而現(xiàn)有半導(dǎo)體零點儀盲孔中的空氣熱容量小，傳熱能力差，盲孔中的溫度由于取樣器的進(jìn)入而大幅波動，并且恢復(fù)為0℃需要較長的時間；

3、本0℃信號發(fā)生器可在不銹鋼箱體上安裝多根盲管，每一根不銹鋼盲管都可獨立向外提供0℃信號，而現(xiàn)有的半導(dǎo)體零點儀只能提供一個0℃信號；

4、在不銹鋼箱體內(nèi)設(shè)置有攪拌器，該攪拌器可消除水中溫度分布的不均勻性，加強水與冰間的熱量交換，使冰水界面處0℃的水迅速擴散，從而可以使箱體內(nèi)的水成為溫度均勻的0℃水；

5、使用U形水銀管式電接點溫度控制器作為溫度控制元件，該溫度控制器可設(shè)置二個電接點，根據(jù)這二個電接點的導(dǎo)通與否，可向半導(dǎo)體熱電元件分別發(fā)出制冷工作指令和制熱工作指令。而現(xiàn)有的半導(dǎo)體零點儀的溫度控制元件只有一個導(dǎo)通狀態(tài)，只能工作在制冷模式；

6、根據(jù)環(huán)境溫度是高于0℃，還是高于0℃，本0℃信號發(fā)生器中的半導(dǎo)體熱電元件可分別工作在制冷模式和制熱模式下，不論是常溫的工作環(huán)境，還是寒冷的工作環(huán)境，本0℃信號發(fā)生器中的水都可保持為冰水混合物的狀態(tài)，可向外輸出0℃信號。而現(xiàn)有的半導(dǎo)體零點儀只能工作在常溫環(huán)境中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明0℃信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-保溫層，2-不銹鋼箱體，3-不銹鋼盲管，4-氣體，5-U形管電接點式溫度控制器，6-上電接點，7-下電接點，8-溫度控制電路，9-水銀，10-工作電路，11-風(fēng)扇，12-熱電元件，13-攪拌器，14-冰水混合物，15-導(dǎo)熱油，16-水面。

具體實施方式

實施例1

一種0℃信號發(fā)生器，包括不銹鋼箱體2，所述不銹鋼箱體2內(nèi)裝有水，所述不銹鋼箱體2頂端設(shè)有4個第一開口，每個第一開口內(nèi)均插有不銹鋼盲管3，所述不銹鋼盲管3內(nèi)裝有導(dǎo)熱介質(zhì)，所述導(dǎo)熱介質(zhì)完全浸入水中，所述不銹鋼箱體2一側(cè)靠近頂端的位置設(shè)有第二開口，所述第二開口與U形水銀管電接點式溫度控制器5連通，所述U形水銀管電接點式溫度控制器5通過右側(cè)管上的上電接點6和下電接點7依次與溫度控制電路8和工作電路10連接，所述上電接點6位于下電接點7上方， 所述不銹鋼箱體2內(nèi)壁側(cè)面靠近底部設(shè)有攪拌器13，所述不銹鋼箱體2底部外側(cè)中間位置設(shè)有熱電元件12，所述熱電元件12下方設(shè)有風(fēng)扇11，所述不銹鋼箱體2外側(cè)設(shè)有保溫層1，所述保溫層1的厚度低于不銹鋼盲管3的管口。

上述0℃信號發(fā)生器的實施方法，包括以下步驟：

步驟1，取0℃信號發(fā)生器，取下任一不銹鋼盲管，加入水，使得不銹鋼盲管中的導(dǎo)熱介質(zhì)完全浸入水中，然后將取下的不銹鋼盲管安裝回去后，并密封處理不銹鋼盲管與第一開口的接觸處；

步驟2，給工作電路10供電，當(dāng)環(huán)境溫度高于0℃時，不銹鋼箱體2內(nèi)全部為水，這時U形管電接點控制器5右側(cè)管中水銀9低于下電接點7，溫度控制電路8向工作電路10發(fā)出制冰信號，工作電路10向熱電元件12輸出直流電，該直流電方向使得熱電元件12運行在制冰模式下，熱電元件12與不銹鋼箱體2接觸的一側(cè)溫度低于0℃，并且低于箱體內(nèi)的水溫，因此熱電元件12吸收水的熱量，水溫下降至低于0℃時，水開始結(jié)冰，水面16上升，水面16上空的氣體4壓力變大，引起U形管電接點控制器5右側(cè)管中水銀面上升，當(dāng)結(jié)冰量增大至U形管電接點控制器5右側(cè)管中水銀9與下電接點7接觸時，溫度控制電路8向工作電路10發(fā)出停止運行信號，熱電元件12和風(fēng)扇11停止運行，此時，外界熱量向箱體內(nèi)傳遞，使得冰開始融化，導(dǎo)致右側(cè)管中水銀9低于下電接點7，溫度控制電路8又向工作電路10發(fā)出制冰信號，如此循環(huán)進(jìn)行，保證不銹鋼箱體2內(nèi)的水以及不銹鋼盲管3中的導(dǎo)熱油溫度均在0℃，可準(zhǔn)確輸出0℃信號；當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，不銹鋼箱體2內(nèi)的水自發(fā)結(jié)成冰，這時U形管電接點溫度控制器5右側(cè)管中水銀9高于上電接點6，溫度控制電路8向工作電路10發(fā)出制熱信號，工作電路10向熱電元件12輸出直流電，該直流電方向與制冷模式時的相反，使得熱電元件12運行在制熱模式下，熱電元件12與不銹鋼箱體2接觸的一側(cè)溫度高于0℃，熱電元件12向箱體內(nèi)的冰放出熱量，使冰的溫度上升并融化，當(dāng)U形管電接點溫度控制器5右側(cè)管中水銀9低于上電接點6，溫度控制電路8向工作電路10發(fā)出停止運行信號，熱電元件12和風(fēng)扇11停止運行，由于不銹鋼箱體2內(nèi)水向寒冷的環(huán)境傳遞熱量，部分水又結(jié)成冰，導(dǎo)致U形管右側(cè)管水銀9再次高于上電接點6，溫度控制電路8又向工作電路10發(fā)出制熱工作信號，如此循環(huán)進(jìn)行，保證不銹鋼箱體2內(nèi)的水以及不銹鋼盲管3中的導(dǎo)熱油溫度均在0℃，可準(zhǔn)確輸出0℃信號，其中風(fēng)扇11與攪拌器13均有工作電路10供電，循環(huán)過程中攪拌器13一直工作，保證不銹鋼箱體2內(nèi)冰水混合物溫度均勻。至于所述上電接點6和下電接點7之間的距離由不銹鋼箱體2水面上方的空氣量決定，根據(jù)壓力可以退到出最合適觀察和運行的間距。

本發(fā)明0℃信號發(fā)生器接入交流電源后，根據(jù)不銹鋼箱體1中冰水混合物中結(jié)冰量的多少，冰的數(shù)量變化導(dǎo)致水面的高度上下波動，引起水面上方氣體的壓力變化，氣體壓力的變化使U形水銀管電接點式溫度控制器中水銀在U形管的兩根管中的高度發(fā)生變化，因此U形水銀管電接點式溫度控制器5中的水銀9面位于下面三個位置中的一個：1、低于下電接點；2、高于上電接點；3、介于上電接點、下電接點之間。這三個水銀面位置會通過溫度控制電路8和工作電路10向熱電元件12和風(fēng)扇11發(fā)出制冷、制熱和停止運行的信號。不論水銀面位置如何，工作電路10都會向攪拌器13供電，以使水始終處于流動狀態(tài)，加強冰水間的熱量傳遞，使冰水界面處0℃的水快速擴散到箱體的其他空間，消除水中溫度分布的不均勻性，即0℃信號發(fā)生器的不銹鋼箱體1較快達(dá)到均勻、穩(wěn)定的0℃，不銹鋼盲管3內(nèi)在導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱作用下，溫度也達(dá)到0℃，可向外輸出0℃信號。穩(wěn)定工作時，冰水混合物中冰的數(shù)量仍在不斷變化，U形管水銀面在上電接點或下電接點附近波動，信號發(fā)生器在制冷—停止—制冷，或制熱—停止—制熱間循環(huán)工作。

本發(fā)明中部件作用如下：

保溫層可以減少不銹鋼箱體內(nèi)冰水混合物與外界環(huán)境的熱量交換，不僅有助于保證箱體內(nèi)的溫度，還可以減少0℃信號發(fā)生器的通電工作時間，減少耗電量。

不銹鋼盲管插入不銹鋼箱體內(nèi)的冰水混合物中，由于不銹鋼盲管內(nèi)的導(dǎo)熱油可與冰水混合物進(jìn)行充分接觸傳熱，因此，當(dāng)0℃信號發(fā)生器穩(wěn)定工作時，導(dǎo)熱油的溫度與冰水混合物溫度相等，可以向外提供0℃信號。由于導(dǎo)熱油具有較大的熱容量，當(dāng)插入溫度取樣器時，導(dǎo)熱油溫度變化較小，并且由于導(dǎo)熱油與冰水混合物良好的傳熱，導(dǎo)熱油的溫度可迅速恢復(fù)至0℃。

攪拌器攪拌使水流動，消除不銹鋼箱體內(nèi)水溫不均勻的問題，加強水與冰的傳熱，使得冰水界面處0℃的水迅速離開冰水界面流向箱體各處，因此，0℃信號發(fā)生器穩(wěn)定工作時箱體內(nèi)水即為均勻的0℃的水。

熱電元件在溫度控制電路的控制下可在制冰或制熱兩種模式下工作，使箱體內(nèi)多余的水結(jié)冰，或使多余的冰融化成水，保持箱體內(nèi)的冰水混合物狀態(tài)。

風(fēng)扇可加強熱電元件與環(huán)境間的熱量傳遞，提高熱點元件的工作性能。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能以其限定本發(fā)明實施的范圍，即大體不脫離本發(fā)明構(gòu)思的替代和修正，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。