專利名稱：用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件的制作方法
技術領域：
本發明總的來講涉及熱電偶型溫度計，具體來說涉及提供一種用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件的方法和裝置。
如現有技術中眾所周知的那樣，熱電偶是由在兩點連結的兩種不同金屬導體組成，由于熱電效應，能夠在兩個連結點間產生電壓。不同類型的金屬連結到一起產生不同的熱電效應，所以多年來，市場上提供不同類型的熱電偶用于測量不同的溫度范圍。熱電偶的電壓與溫度的關系是非線性的，各種不同類型的熱電偶都有準確的電壓溫度對應表。取得該表是通過將兩個連結點之一作為基準點并將其置于冰槽中保證基準點溫度處于冰點，同時測量另一連結點在某溫度范圍的電壓。常用的熱電偶類型有J型(鐵-康銅)，K型(鎳鉻-鎳鋁)和T型(銅-康銅)。這些熱電偶設置一自由端用作溫度測量的測量結點，一正極端連接到測量儀表形成基準結點。
熱電偶型溫度計是置入熱電偶的數字電子儀表。這類儀表通常可以選擇熱電偶的類型，包括測量熱電偶電壓的電路。傳統的熱電偶型溫度計還包括顯示裝置，比如液晶顯示器(LCD)，其讀出的溫度用數字表示。
供熱電偶插入儀表的界面對系統是很關鍵的，因為它是熱電偶的基準結點。美國專利No．4，718，777敘述了一種有足夠大熱容量和高熱傳導性的高鋁陶瓷構成的等溫單元，可用來保持安裝在等溫單元內的熱電偶接頭副插入儀表位置的兩導電接頭端子片的溫度穩定和完全相同。具有近似線性的溫度等效電壓的溫度傳感器安裝在等溫單元的兩接頭端片之間，測量等溫單元的溫度并對基準結點出現的誤差在輸出讀數上給以補償。這個功能的實現是通過儀表控制器從檢查表上查找相應于基準結點測得溫度的誤差消除電壓，再將其從熱電偶產生的電壓中減去。
過去，標定基準結點的方法是將熱電偶置于溫度恒定在某溫度的保溫槽如室溫，除電子溫度計外還設置有水銀溫度計。在水銀溫度計穩定后，標定人員會在觀察電子溫度計顯示的同時，通過調整電位計來調節溫度傳感器的偏壓電流，使顯示值與水銀溫度計的讀數一致。因為通常由一種溫度敏感晶體管構成的溫度傳感器，在某溫度測量范圍具有近似線性的溫度等效電壓特性，因此在一定的電壓-溫度范圍，傳感器的工作特性是線性的。其線性關系可以在檢查表上得到。這樣就可以只一個溫度上進行標定。也就是說，由于溫度敏感晶體管的基極-發射極結的溫度等效電壓是近似線性的，并由制造商規定了特定的線性誤差，可認為一旦對熱電偶溫度范圍內任一穩定的溫度進行了標定，就已認為對全部溫度標定了基準結點。
現有技術的標定方法的缺點是標定時間長和單調枯燥，而且必須在儀表最后裝配完成后才能進行。都要分別對每個儀表進行標定，所以在制造過程中標定時間是累加的，導致制作過程緩慢耗時和勞動強度大。
另外的缺點是，即使出自同一廠家，溫度傳感器的誤差每臺各不相同，測試儀表的誤差特性可能還不如傳感器制造商公布的傳感器誤差特性。
需要提供一種等溫的熱電偶界面組件和基準結點，其可在安裝到儀表之前進行標定，以便避免在儀表裝配后進行枯燥耗時的標定，并可以不需要進行溫度標定而現場更換界面組件。為了同時進行多個等溫界面組件標定，希望該組件的實際尺寸能夠盡可能小，同時還要能提供足夠的熱容量和高的熱傳導性。
按照本發明，提供了一種安裝有已標定的等溫界面組件的熱電偶型溫度計。該組件提供了熱電偶的基準結點，并使裝配溫度計不需要后續耗費時間的溫度標定步驟。已標定的等溫組件還可以不經溫度標定而進行現場更換。
等溫組件由安裝了小型等溫單元的特殊印刷電路板構成的基板組成。等溫單元包括厚金屬板，例如銅或鋁板，有足夠的熱容量和高的熱傳導性。一對導電端子片并置于印刷電路板比較薄的絕緣層表面上，用來與熱電偶的插片摩擦接合。適合使用具有線性溫度等效電壓特性的雙極晶體管的溫度傳感器固定在印刷電路板表面兩導電端子片之間。固定在基板上的還有保存有溫度傳感器標定數據的存儲裝置。所保存的標定數據涉及溫度敏感晶體管的電壓-溫度特征曲線上一點或多點的數值和曲線的斜率，使得在工作狀態下所測得的傳感器電壓能夠直接轉換成基準結點的溫度。用于溫度傳感器的電流源最好也固定在基板上。
因為電子器件不能投入冰槽進行標定，按照優選的實施例，標定是在熱空氣柱中進行的，且多個部件可以同時放入其中，將已知溫度的空氣流過該組件，使該組件達到所希望的溫度。在優選的實施例中，相關的控制器測量在兩個溫度下的溫度敏感晶體管的基極-發射極結間的電壓，將有關這些溫度和電壓值的數據作為標定數據儲存在前面提到的存儲裝置中。作為另一種選擇，如果溫度敏感晶體管的特性曲線斜率已知或生產商規定了誤差很小的斜率時，則只需要測量一點的溫度，該數據與斜率的數據可作為標定數據儲存起來。但這另一種選擇通常意味著需要價格更高的傳感器晶體管。無論在哪種情況下，然后，該標定數據可以將傳感器的動態工作范圍內的任何傳感器電壓直接地轉換為基準結點溫度。
在已標定的等溫組件安裝于儀表后，且儀表在工作時，溫度傳感器會在儀表規定的工作范圍探測該組件的溫度。當進行溫度測量時溫度計內的處理電路讀出溫度敏感晶體管的輸出電壓并從存儲裝置得到標定數據，以便確定出基準結點的溫度。一旦知道了基準結點的溫度，熱電偶的測量結點的溫度便能夠使用傳統的技術來確定。然后，將所測得的溫度作為讀數顯示在顯示器上。
本發明的一個目的是提供一種新穎的用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件。
本發明的另一個目的是提供一種用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件，可在組裝溫度計或更換等溫組件后免除進行標定步驟。
本發明還有一個目的是提供一種用于熱電偶型溫度計的小型等溫單元。
通過參考附圖閱讀本說明書后，將使本領域的普通技術人員清楚了解本發明的其它目的，特征和優點。
圖1是協助了解本發明的已標定的等溫組件的示意圖；圖2是溫度敏感晶體管的實例性線性溫度等效電壓的曲線圖；圖3是根據本發明具代表性的安裝有已標定的等溫組件的熱電偶型溫度計的簡圖；圖4示出根據本發明已標定的等溫組件；和圖5示出等溫組件帶有熱電偶在插入位置的局部截面。
參考圖1，該圖所示是用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件10的示意圖，以便協助了解本發明。熱電偶12和伏特計(VM)14在結點16和18聯結。熱電偶12包括聯結于熱電偶自由端的測量結點24的由不同金屬A和B制成的金屬線20和22。金屬A和B由熱電偶的類型確定。將伏特計14分別連接到結點16和18的導線26和28適宜用銅(Cu)制造。
如現有技術中眾所周知的那樣，只要結點16和18保持在相同的溫度下，這是等溫的定義，銅線-A和銅線-B連結點處產生的電壓串聯且彼此反相。其效果是跨結點16和18的電壓VR如同其由處于基準結點溫度下的導線A和B的結點產生的電壓，因此這兩個結點16和18成為熱電偶12實際上的基準結點。一旦知道實際基準結點16-18的溫度，便可利用傳統的技術，如使用檢查表或代替檢查表的曲線擬合計算，就可以確定熱電偶類型已知的結點24的溫度T。
位于等溫組件10上的結點16和18之間有溫度敏感晶體管30，其可適宜地采用市場上可買到的型號2N3904。如將可以看到的那樣，按照優選的實施例，可以使用比較便宜的元件進行標定。
在等溫組件10上最好也可包括為溫度敏感晶體管30提供工作偏流的電流源32和儲存標定數據的存儲器34。電流源32可以是許多傳統的電流源這的任何一種。在優選的實施例中，電流源是一種能夠從市場上購買到的精密電阻芯片，其可在預先確定的基準電壓VREF下工作，在優選的實施例中，該基準電壓是+1．23伏。其與用于溫度計的模擬-數字轉換器的基準電壓相同。因為不同的電流源工作特性上有差異，它們產生的電流可能彼此間有稍許不同，電流源32最好設置于等溫組件10上，以保證在溫度計工作時總是能提供相同強度的電流給晶體管30。如果電流源32是高精度的電流源，不同電流源的的精度誤差很小，這種電流源可以放置在等溫組件之外。
存儲器34可合適地為可電子改寫的只讀存儲器，如CMOSAT25010 EAROM。一旦完成標定，像下面將討論的那樣，等溫組件10為一個完整的單元，其包括熱電偶的基準結、帶有自己電流源32的溫度敏感晶體管30和保存有與等溫組件10有關的標定數據的存儲器34。這使等溫組件10在安裝到儀表之前就可以進行標定，這樣的話，其可以用作替換件或放到另一個溫度計上而無須進行再次標定。
圖2示出了溫度敏感晶體管30的基極-發射極極電壓(Vbe)的電壓-溫度特性曲線的實例。如前所述，由于晶體管30采用了比較便宜的元件，不同晶體管的線性特性曲線的斜率可能彼此稍許不同。因此，按照本發明的優選的實施例，等溫組件10的標定可以通過測量兩個不同溫度下的溫度敏感晶體管的Vbe或圖2所示的線性特征曲線的兩點P1和P2得到曲線斜率來進行。
在圖2所示的實例中，首先使整個等溫組件10達到第一個預先確定的溫度，比如35℃，并測量Vbe。假設在35℃時，在P1點第一個Vbe測量值是573．6毫伏。接下來，使整個等溫組件10達到第二個預先確定的溫度，在本實例中為15℃，在15℃時，在P2點的Vbe測量值是617．6毫伏。現在P1和P2點的標定數據已經知道，可以輕易地求出連接這兩點直線的斜率為-2．2毫伏／℃。在中間溫度下，如在23℃時，則電壓值將是600毫伏。從這個例子可以看出點P1和P2的電壓和溫度值可作為標定數據儲存在存儲器中，或已知一個點和直線斜率也可作為標定數據儲存在存儲器中。在優選的實施例中，儲存的標定值是在已知中間溫度如23℃測得的電壓Vbe和直線的斜率，如前例中的-2．2毫伏／℃。由此標定數據，有溫度敏感晶體管30在其動態工作范圍產生的任何電壓可以快速的直接轉換成基準結點的溫度。
應當在此指出，作為另外可供選擇的實施例，如果使用的溫度敏感晶體管的線性電壓-溫度Vbe曲線已知或由生產商以一定程度的可靠性規定，可以通過在一預先確定的溫度如23℃下測量Vbe，而確定在已知線性的特征曲線上的一個點的數據，并將其與已知的斜率信息作為標定數據存入存儲器34。
然而，按照所選實施例，采用上面所敘述的兩點標定測定方法，可免除那種需要采用經選擇的元件或昂貴的元件。
圖3示意地示出具代表性的熱電偶型溫度計50，該溫度計50有圖1中所敘述的已標定的等溫組件。該溫度計50還包括處理電路54，數字鍵盤56，和顯示器58。處理電路54可包括傳統數字伏特計的處理電路，還適宜地包括模擬-數字轉換器和微處理器。處理電路54還可包括傳統的檢查表或含有曲線擬合算法的固件，以便確定待用于溫度計的各種類型熱電偶測量出的溫度。數字鍵盤56允許使用者選擇熱電偶的類型，溫度系統，工作模式，和測試指令。顯示器58可適合地用液晶顯示器(LCD)，以便用字母和數字字符顯示測出的溫度。
等溫組件10包括一對導電端子片60和62，在其間安裝有溫度敏感晶體管30。圖3中示出了帶有插頭68的典型的熱電偶66，該插頭68具有一對插片70和72就位插在等溫組件10上，以便協幫了解熱電偶66和溫度計50的關系。端子片60和62分別連接熱電偶的插片70和72形成如圖1所敘述的基準結點16-18，那樣便完成熱電偶66的連接，使測量結點74的溫度可由溫度計50測出。等溫組件最關鍵的地方在于保證端子片60和62，以及溫度敏感晶體管30都處于相同的溫度，正如本領域中眾所周知的那樣，這是基準結點。
工作時，處理電路54從等溫組件10獲得基極-發射板結電壓Vbe值，并利用該值來確定基準結點的溫度，該溫度還用來依照傳統的檢查表或數學計算，最后確定已知的熱電偶類型在測量結點74的溫度T。溫度T的測量值在顯示器58上顯示。
圖4更詳細地顯示等溫組件10。等溫單元80作為等溫組件的基板，并在特殊的印刷電路板上制成。其包括頂部絕緣層82和底部絕緣層84，以及有很好熱傳導性能的金屬板86，如銅或鋁板。絕緣層82和84的厚度比較薄，例如只有0．254到0．381毫米(0．010到0．015英寸)，而金屬板86則比較厚，例如有1．016到3．175毫米(0．040到0．125英寸)，使之有足夠的熱容量和良好的熱傳導性。一對端子片60和62并置于等溫單元80的頂不絕緣層82的表面上，用來與圖3所示的熱電偶插頭68的插片70和72摩擦接合。溫度敏感晶體管30固定在等溫單元80的頂層82的表面端子片60和62之間。由于金屬板86有優良的熱傳導特性和大的熱容量，端子片60和62保持在相同的溫度上。同樣溫度敏感晶體管30也保持在與端子片60和62相同的溫度上，如前所述，形成了實際的熱電偶的基準結點。在頂層82表面最好也還固定有電流源32和前面敘述的保存標定數據的存儲器34。出于保持圖面清晰的原因，所有的電路敷設和將電子元件之間彼此相互連接及連接到溫度計50的其它電路的電氣接頭都沒有顯示。從上面所述可以斷定，制作非常小型的等溫單元可以不需要采用大的陶瓷塊來提供所需的熱容量。
用熱塑材料經模壓而成的外殼90固定在頂絕緣層82的表面上，為端子片60和62以及溫度敏感晶體管30提供部分遮蓋，因此有助于在等溫單元的上方保持穩定的環境溫度。外殼90可以與溫度計50的部分外殼進行整體模壓，以便給熱電偶66提供一個插入區。一對縫口92和94用以分別接納熱電偶插頭的插片70和72。一對彈簧夾96和98各有一自由端，當沒有熱電偶插入時與端子片60和62接觸，當有熱電偶插入時與插片70和72摩擦接合。這種結構幫助等溫組件保持熱完整性，當熱電偶插入時有助于快速穩定插片70和72以及等溫單元80的溫度。這些元件的相互關系可以從圖5的等溫組件的部分截面圖看出，插片70與端子片60接觸，并由彈簧夾96的張緊力保持固定就位。
如前所述，存儲器34保存溫度敏感晶體管30的標定數據，如前所討論的，等溫組件10的標定可通過使該組件達到第一預先確定的溫度，例如為35℃。由于該組件良好的熱傳導性，導電的端子片60和62、溫度敏感晶體管30均迅速達到相同的溫度。測量該溫度下的Vbe值。然后，使等溫組件達到第二個已知溫度，例如為15℃。一旦該組件穩定在新的溫度下，便測量溫度敏感晶體管30的第二個Vbe值。
由于如等溫單元80這樣的電子組件不能放入冰槽中進行標定，依照優選的實施例，標定是采用熱空氣柱來進行的，許多這種組件可以同時置于熱空氣柱內，已知溫度的空氣流過該組件使組件達到希望的溫度。本發明的等溫單元是使用從市場上購買得到的Saunders& Associates 4220A測試室和2255控制器進行標定的。該裝置允許在同一時件內標定多達36個等溫單元。等溫單元固定在一個鼓狀物上，當鼓狀物轉動，電子控制器能夠依次與每個等溫單元接觸。在加溫和測量電壓的時候，容納等溫單元的熱空氣柱與外部空氣溫度密閉隔絕。一旦溫度對任何已知的溫度受控空氣穩定之后，該裝置的控制部分器讀出每個溫度敏感晶體管30的輸出電壓Vbe。如圖2所示，獲得的標定數據存儲在對應于每一個溫度敏感晶體管30的相應的存儲器34。使用這種從市場上購買得到設備進行的整個標定程序是完全自動的，并對36個等溫單元進行兩點測定程序以提供儲存標定數據，只需要大約25分鐘，而花費的大部分時間是用以等待穩定溫度的。
如前面所提到，標定數據可以是單一電壓Vbe和已知基極-發射極結的線性特征電壓曲線的斜率的形式或是在兩點處獲得的電壓和溫度，使得可由溫度計的處理電路來重建線性特征曲線。再者，如前所述，在優選的實施例中使用對應于已知中間溫度的電壓Vbe和從測量兩個點確定的斜率作為標定數據。
一旦已標定的等溫組件安裝在儀器上，儀器就可以操作，溫度敏感晶體管30在儀器規定的工作溫度范圍內探測等溫組件10的溫度。當已安裝熱電偶66并進行溫度測量，處理電路54測量晶體管30的新電壓Vbe值，利用存儲在存儲器34內的標定數據來確定等溫單元的溫度，也就是實際基準結點的溫度。一旦推導出這個數據，在熱電偶66的尖端部74測量的確切溫度可以用傳統的方式確定。
如上所述，可以斷定配置有小型的已標定的等溫組件熱電偶型溫度計可以使待組裝溫度計可以免除后續的、費時的溫度標定工序。另外，如果溫度計是雙測溫儀表，一個等溫單元就可以制成接納兩個熱電偶插頭，從而保持基準結點處于同一溫度。
我們已經示出和敘述了本發明的優選的實施例，本領域的普通技術人員將了解到可以對本發明的以更寬方面做出多樣的變化和改進而不背離本發明的精神。因此可以設想所附權利要求書將覆蓋所有落入本發明的范圍內的變化和改進。
權利要求
1．一用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件，其包括，一具有高熱傳導性能的基板；一對位于所述基板的電觸點并形成熱電偶的實際基準結點；一固定在所述基板靠近所述電觸點對的溫度傳感器；和一固定在所述基板的存儲器，所述存儲器保存所述溫度傳感器的標定數據。
2．如權利要求所述1的已標定的等溫組件，其特征在于其還包括一用于安裝在所述基板上的所述溫度傳感器的電流源。
3．如權利要求所述1的已標定的等溫組件，其特征在于其還包括固定在所述基板上的、延伸在所述一對電觸點上方的外殼。
4．如權利要求1所述的已標定的等溫組件，其特征在于所述基板由金屬板構成，所述金屬板上具有絕緣層，使所述一對電觸點與所述金屬板相互絕緣，因而形成了等溫單元。
5．如權利要求4所述的已標定的等溫組件，其特征在于所述金屬板由銅材制成。
6．如權利要求4所述的已標定的等溫組件，其特征在于所述金屬板的厚度至少為1．016毫米。
7．如權利要求1所述的已標定的等溫組件，其特征在于所述標定數據為與至少一個預先確定溫度相對應的至少一個傳感器電壓值。
8．一小型的等溫組件，其包括，一金屬板，于其上至少有一層形成特殊的印刷電路板的絕緣層；一對導電端子片并置于所述至少一層絕緣層的表面；一溫度傳感器放置在所述表面上靠近所述導電端子片的位置；一存儲器放置在所述至少一層絕緣層的表面上，所述存儲器保存有所述溫度傳感器的標定數據。
9．如權利要求8所述的小型的等溫組件，其特征在于所述金屬板的厚度至少為1．016毫米。
10．如權利要求8所述的小型的等溫組件，其特征在于所述金屬板由銅材制成。
11．如權利要求8所述的小型的等溫組件，其特征在于其還包括一固定在所述表面的外殼，所述外殼至少部分遮蓋所述導電端子片和所述溫度傳感器。
12．如權利要求11所述的小型的等溫組件，其特征在于在所述外殼上安裝一對彈簧夾，所述一對彈簧夾各有一自由端分別放置在靠近相應的所述導電端子片的位置。
全文摘要
提供一種用于熱電偶型溫度計的已標定的等溫組件,可以免除在儀表裝配后的標定工序。在特殊的印刷電路板上制成小型等溫塊,其包括有足夠熱容量和優良熱傳導性的厚金屬板。溫度傳感器固定在印刷電路板上的熱電偶基準結點以便探測基準結點的溫度。已標定的等溫組件還包括一個用于溫度傳感器的電流源,和保存有溫度傳感器標定數據的存儲器。
文檔編號G01K7/13GK1292493SQ0012886
公開日2001年4月25日 申請日期2000年9月23日 優先權日1999年9月24日
發明者J·M·倫德, J·J·帕勒, M·R·瓦斯博恩 申請人:弗蘭克公司