技術領域
本發明屬于半導體熱電效應領域，具體涉及一種0℃信號發生器及其實施方法。
背景技術：
半導體零點儀的工作原理是：在一封閉厚壁銅制容器中充滿水，容器外表面與半導體熱電元件緊密接觸。半導體熱電元件接入直流電后制冷，使容器內水的溫度下降。當水溫下降到一定程度后，最接近熱電元件的水開始結冰。這時容器內為冰水混合物狀態，理論上混合物的溫度為0℃。隨著熱電元件的工作，容器內的結冰量逐漸增加。在容器內上部還設置有一個波紋管，他的外側與水接觸，內部有溫控器觸點開關，其工作原理是：當容器中全部為水或結冰量比較少時，溫控器觸點處于斷開狀態，這時溫控電路向熱電元件電路發出工作信號，熱電元件處于制冷運行工作狀態。下部水結冰后體積膨脹，封閉容器內上部的水受到壓縮，壓力升高，波紋管受壓后長度縮短，位于波紋管內下部的觸點與其上的觸點間的距離變小。當結冰量達到一定程度時，二觸點相接觸，這時溫控電路向熱電元件電路發出停止信號，停止制冰。停止制冰后，外界熱量傳導進容器內使冰逐漸融化，容器內冰量減少，水的壓力變小，波紋管伸長，溫控器觸點再次斷開，熱電元件再次進行制冰工作。以上的“制冷結冰→溫控器觸點閉合停止結冰→部分冰融化后溫控器觸點斷開→制冷結冰”的過程循環進行，從而使容器內始終保持冰水混合物的狀態。
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，并且非常靠近冰水混合物，由于銅的導熱性能很好，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。
現有的半導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狀態，在制冰過程和冰的融化過程中，必然存在導熱。由導熱原理，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℃，盲孔的盲端必須設置在這一位置，因此現有的零點儀只能設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，具有相當深度的細長孔，利用該細長孔內空氣的隔熱作用，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.盲孔內空氣量很少，熱容量也很小。溫度取樣器插進盲孔后，對盲孔盲端的溫度（0℃）影響很大，需要等待較長的時間，盲端溫度才能恢復為0℃。這不利于溫度取樣器快速獲得0℃信號；
5.現有零點儀要求其工作環境的溫度大于0℃，這在一般的實驗室中是可以實現的，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下已凍結成冰，現有的零點儀這時無法向外提供0℃信號；
6.現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，這二個部件結構復雜、制造困難，價格較高，造成零點儀價格昂貴。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種0℃信號發生器及其實施方法，該信號發生器成本低，比半導體零點儀對工作環境的要求低，應用范圍廣。
一種0℃信號發生器，包括不銹鋼箱體，所述不銹鋼箱體內裝有水，所述不銹鋼箱體頂端至少設有1個第一開口，每個第一開口內均插有不銹鋼盲管，所述不銹鋼盲管內裝有導熱介質，所述導熱介質完全浸入水中，所述不銹鋼箱體一側靠近頂端的位置設有第二開口，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， 所述不銹鋼箱體內壁側面靠近底部設有攪拌器，所述不銹鋼箱體底部外側中間位置設有熱電元件，所述熱電元件下方設有風扇，所述不銹鋼箱體外側設有保溫層，所述保溫層的厚度低于不銹鋼盲管的管口。
作為改進的是，所述保溫層的材料為聚氨酯發泡塑料。
作為改進的是，所述不銹鋼箱體頂端設有4個第一開口。
上述0℃信號發生器的實施方法，包括以下步驟：
步驟1，取0℃信號發生器，取下任一不銹鋼盲管，加入水，使得不銹鋼盲管中的導熱介質完全浸入水中，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，當環境溫度高于0℃時，不銹鋼箱體內全部為水，這時U形管電接點控制器右側管中水銀低于下電接點，溫度控制電路向工作電路發出制冰信號，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溫度低于0℃，并且低于箱體內的水溫，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管中水銀面上升，當結冰量增大至U形管電接點控制器右側管中水銀與下電接點接觸時，溫度控制電路向工作電路發出停止運行信號，熱電元件和風扇停止運行，此時，外界熱量向箱體內傳遞，使得冰開始融化，導致右側管中水銀低于下電接點，溫度控制電路又向工作電路發出制冰信號，如此循環進行，保證不銹鋼箱體內的水以及不銹鋼盲管中的導熱油溫度均在0℃，可準確輸出0℃信號；當環境溫度低于0℃時，不銹鋼箱體內的水自發結成冰，這時U形管電接點溫度控制器右側管中水銀高于上電接點，溫度控制電路向工作電路發出制熱信號，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溫度高于0℃，熱電元件向箱體內的冰放出熱量，使冰的溫度上升并融化，當U形管電接點溫度控制器右側管中水銀低于上電接點，溫度控制電路向工作電路發出停止運行信號，熱電元件和風扇停止運行，由于不銹鋼箱體內水向寒冷的環境傳遞熱量，部分水又結成冰，導致U形管右側管水銀再次高于上電接點，溫度控制電路又向工作電路發出制熱工作信號，如此循環進行，保證不銹鋼箱體內的水以及不銹鋼盲管中的導熱油溫度均在0℃，可準確輸出0℃信號，其中風扇與攪拌器均有工作電路供電，循環過程中攪拌器一直工作，保證不銹鋼箱體內冰水混合物溫度均勻。
作為改進的是，步驟1中導熱介質為導熱油。
本發明0℃信號發生器的工作原理：
1、熱電元件接入直流電后，在其內部產生帕爾貼效應(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，即可實現熱電元件從所接觸的表面吸收熱量(制冷)向對所接觸的表面放出熱量(制熱)的功能轉變。利用半導體熱電元件可制冷、制熱的性能是本發明的主要工作原理。
2、理論上液態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、水相互轉變過程的熱量傳遞，液態水中會出現溫度分層，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，是本發明獲得均勻的0℃水的工作原理。
3、液態水和冰的密度存在差別，當他們之間進行相互轉變時，冰水混合物的體積發生變化。在有氣體存在的密閉容器中，氣體的體積也發生變化，從而導致氣體壓力的變化，壓力變化的大小與混合物中的冰水比例有關。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。利用冰水密度差產生封閉空間中氣體壓力的變化，從而控制半導體熱電元件的工作，是本發明獲得恒定的0℃的工作原理。
有益效果
與現有技術相比，本發明的優點在于：
1、本發明結構簡單，制造方便，相對比現有半導體零點儀制備成本低；
2、 不銹鋼盲管中的導熱油具有較大的熱容量，外界取樣器的進入(如熱電偶)，對導熱油0℃溫度的影響較小。并且由于導熱油的導熱性能好，盲管與冰水混合物完全接觸，受到擾動的導熱油溫度可快速恢復至0℃。而現有半導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入而大幅波動，并且恢復為0℃需要較長的時間；
3、本0℃信號發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，而現有的半導體零點儀只能提供一個0℃信號；
4、在不銹鋼箱體內設置有攪拌器，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，該溫度控制器可設置二個電接點，根據這二個電接點的導通與否，可向半導體熱電元件分別發出制冷工作指令和制熱工作指令。而現有的半導體零點儀的溫度控制元件只有一個導通狀態，只能工作在制冷模式；
6、根據環境溫度是高于0℃，還是高于0℃，本0℃信號發生器中的半導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境，還是寒冷的工作環境，本0℃信號發生器中的水都可保持為冰水混合物的狀態，可向外輸出0℃信號。而現有的半導體零點儀只能工作在常溫環境中。
附圖說明
圖1為本發明0℃信號發生器的結構示意圖，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-風扇，12-熱電元件，13-攪拌器，14-冰水混合物，15-導熱油，16-水面。
具體實施方式
實施例1
一種0℃信號發生器，包括不銹鋼箱體2，所述不銹鋼箱體2內裝有水，所述不銹鋼箱體2頂端設有4個第一開口，每個第一開口內均插有不銹鋼盲管3，所述不銹鋼盲管3內裝有導熱介質，所述導熱介質完全浸入水中，所述不銹鋼箱體2一側靠近頂端的位置設有第二開口，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內壁側面靠近底部設有攪拌器13，所述不銹鋼箱體2底部外側中間位置設有熱電元件12，所述熱電元件12下方設有風扇11，所述不銹鋼箱體2外側設有保溫層1，所述保溫層1的厚度低于不銹鋼盲管3的管口。
上述0℃信號發生器的實施方法，包括以下步驟：
步驟1，取0℃信號發生器，取下任一不銹鋼盲管，加入水，使得不銹鋼盲管中的導熱介質完全浸入水中，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，當環境溫度高于0℃時，不銹鋼箱體2內全部為水，這時U形管電接點控制器5右側管中水銀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接觸的一側溫度低于0℃，并且低于箱體內的水溫，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右側管中水銀面上升，當結冰量增大至U形管電接點控制器5右側管中水銀9與下電接點7接觸時，溫度控制電路8向工作電路10發出停止運行信號，熱電元件12和風扇11停止運行，此時，外界熱量向箱體內傳遞，使得冰開始融化，導致右側管中水銀9低于下電接點7，溫度控制電路8又向工作電路10發出制冰信號，如此循環進行，保證不銹鋼箱體2內的水以及不銹鋼盲管3中的導熱油溫度均在0℃，可準確輸出0℃信號；當環境溫度低于0℃時，不銹鋼箱體2內的水自發結成冰，這時U形管電接點溫度控制器5右側管中水銀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接觸的一側溫度高于0℃，熱電元件12向箱體內的冰放出熱量，使冰的溫度上升并融化，當U形管電接點溫度控制器5右側管中水銀9低于上電接點6，溫度控制電路8向工作電路10發出停止運行信號，熱電元件12和風扇11停止運行，由于不銹鋼箱體2內水向寒冷的環境傳遞熱量，部分水又結成冰，導致U形管右側管水銀9再次高于上電接點6，溫度控制電路8又向工作電路10發出制熱工作信號，如此循環進行，保證不銹鋼箱體2內的水以及不銹鋼盲管3中的導熱油溫度均在0℃，可準確輸出0℃信號，其中風扇11與攪拌器13均有工作電路10供電，循環過程中攪拌器13一直工作，保證不銹鋼箱體2內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，根據壓力可以退到出最合適觀察和運行的間距。
本發明0℃信號發生器接入交流電源后，根據不銹鋼箱體1中冰水混合物中結冰量的多少，冰的數量變化導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和風扇11發出制冷、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，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℃信號發生器的不銹鋼箱體1較快達到均勻、穩定的0℃，不銹鋼盲管3內在導熱油的導熱作用下，溫度也達到0℃，可向外輸出0℃信號。穩定工作時，冰水混合物中冰的數量仍在不斷變化，U形管水銀面在上電接點或下電接點附近波動，信號發生器在制冷—停止—制冷，或制熱—停止—制熱間循環工作。
本發明中部件作用如下：
保溫層可以減少不銹鋼箱體內冰水混合物與外界環境的熱量交換，不僅有助于保證箱體內的溫度，還可以減少0℃信號發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的冰水混合物中，由于不銹鋼盲管內的導熱油可與冰水混合物進行充分接觸傳熱，因此，當0℃信號發生器穩定工作時，導熱油的溫度與冰水混合物溫度相等，可以向外提供0℃信號。由于導熱油具有較大的熱容量，當插入溫度取樣器時，導熱油溫度變化較小，并且由于導熱油與冰水混合物良好的傳熱，導熱油的溫度可迅速恢復至0℃。
攪拌器攪拌使水流動，消除不銹鋼箱體內水溫不均勻的問題，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℃信號發生器穩定工作時箱體內水即為均勻的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，使箱體內多余的水結冰，或使多余的冰融化成水，保持箱體內的冰水混合物狀態。
風扇可加強熱電元件與環境間的熱量傳遞，提高熱點元件的工作性能。
以上僅為本發明的較佳實施例，不能以其限定本發明實施的范圍，即大體不脫離本發明構思的替代和修正，仍屬于本發明的保護范圍。