Способ определения температуры объекта, охлаждаемого термоэлектрической батареей

Изобретение относится к области термометрии и используется при определении температуры объекта, охлаждаемого термоэлектрической батареей, размещенной на цоколе внутри герметичного прибора. Изобретение направлено на упрощение конструкции прибора и повышение глубины охлаждения объекта. Этот результат обеспечивается за счет того, что перед окончательной герметизацией прибора выясняют градуировочную зависимость электрического сопротивления термоэлектрической батареи от температуры теплового имитатора объекта, которую в дальнейшем используют для определения температуры охлаждения объекта в реальном времени. Изобретение не требует использования термодатчика.

 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения температуры объекта, охлаждаемого термоэлектрической батареей (ТЭБ), и может использоваться для контроля температуры объекта, находящегося внутри герметичного прибора в процессе его эксплуатации.

Известен способ определения температуры объекта, основанный на использовании термопары (см. справочник «Термоэлементы и термоэлектрические устройства», Л.И.Анатычук, Киев: Наукова думка, 1979 - с.285-348).

Недостатком вышеприведенного способа является техническая нецелесообразность использования термопары в составе герметичных миниатюрных приборов ввиду искажений, вносимых термопарой в температурное поле измеряемого объекта за счет значительных кондуктивных теплопритоков по ее ветвям.

Известен также выбранный за прототип способ определения температуры охлаждения фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в составе фотоприемников (ФП) с ТЭБ с помощью установленного на ее теплопоглощающей поверхности термодатчика (ТД), например, терморезистора (см., например, Г.А.Аракелов, В.Р.Магнушевский, В.Н.Сивенкова, И.М.Троицкий, Г.А.Казанцев. Конструкция многопоглощающего фотоприемника с термоэлектрическим охлаждением // Прикладная физика, 2002, №2, с.69-76). Обладая незначительными габаритами и собственными тепловыделениями (≈50 мкВт), терморезистор хорошо вписывается в конструкцию приборов. В то же время монтаж ТД внутри герметичного прибора усложняет его конструкцию и степень микроминиатюризации (из-за необходимости наличия в составе прибора дополнительных гермовыводов для ТД). Кроме того, кондуктивные теплопритоки по выводам ТД уменьшают глубину охлаждения объекта, что приводит к ухудшению выходных параметров прибора в целом. Поэтому в ряде случаев ТД из состава прибора исключают, хотя необходимость контроля температуры охлаждения объекта в процессе эксплуатации прибора остается.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и микроминиатюризация прибора, а также уменьшение теплопритоков к ТЭБ.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения температуры объекта, охлаждаемого термоэлектрической батареей, основанном на показаниях термодатчика, установленного на теплопоглощающей поверхности термоэлектрической батареи, размещенной на цоколе внутри герметичного прибора, перед окончательной герметизацией прибора на теплоотводящей поверхности термоэлектрической батареи размещают тепловой имитатор объекта и термодатчик, полученную сборку герметизируют технологическим колпаком и размещают на штатном теплоотводящем устройстве, после чего термоэлектрическую батарею подключают к стабилизированной электрической цепи и измеряют зависимость электрического сопротивления R термоэлектрической батареи от температуры теплового имитатора в диапазоне рабочих температур эксплуатации прибора, после чего демонтируют технологический колпак, тепловой имитатор объекта и термодатчик, устанавливают на теплопоглощающей поверхности термоэлектрической батареи объект и окончательно герметизируют прибор штатным корпусным узлом, а для определения температуры объекта охлаждения в процессе эксплуатации измеряют R и по градуировочной зависимости R от температуры теплового имитатора объекта определяют температуру охлаждения в реальном времени.

Предлагаемый способ определения температуры объекта, охлаждаемого ТЭБ, размещенной на цоколе внутри герметичного прибора, позволяет использовать ее специфическую особенность, проявляющуюся в том, что у этой разновидности охлаждающих устройств при стабилизированном значении тока или напряжении имеется хорошо наблюдаемая зависимость их электрического сопротивления от температуры охлаждения объекта, которая, в свою очередь, определяется тепловым сопротивлением теплоотводящего устройства, величиной теплопритоков к ТЭБ и диапазона рабочих температур эксплуатации прибора. Ввиду этого становится возможным применить ТЭБ как по своему прямому назначению, то есть для охлаждения, например, ФЧЭ в ФП, так и одновременно как индикатор температуры охлаждения размещенной на ее теплопоглощающей поверхности объекта. При этом становится возможным исключить из состава прибора специальный термодатчик и тем самым реализовать цели предполагаемого изобретения - упрощение конструкции и микроминиатюризация прибора, а также уменьшение теплопритоков к ТЭБ.

Реализация предлагаемого способа иллюстрируется следующим примером.

Перед окончательной герметизацией прибора на теплоотводящей поверхности установленной на цоколе с гермовыводами двухкаскадной ТЭБ размещают тепловой имитатор объекта охлаждения: муляж многоплощадочного ФЧЭ на подложке с выводами. В непосредственной близости от теплового имитатора на теплопоглощающей поверхности ТЭБ монтируют также терморезистивный микроминиатюрный ТД с номинальным сопротивлением 2,2 или 3,3 кОм при 25°С. Выводы ТЭБ, имитатора и ТД припаивают к гермовыводам цоколя прибора. После вышеуказанных процедур полученную сборку герметизируют технологическим колпаком с откачным штенгелем, с помощью которого производится как первоначальное вакуумирование, так и дальнейшее заполнение рабочего объема прибора газом (ксенон), в атмосфере которого работает реальный объект охлаждения. Далее сборку размещают на штатном теплоотводящем устройстве.

Обеспечив, таким образом, соблюдение всех определяющих особенностей эксплуатации прибора, затем приступают непосредственно к градуировке ТЭБ, то есть фиксации ее сопротивления в зависимости от температуры теплопоглощающей поверхности в диапазоне рабочих температур эксплуатации прибора от 60°С до минус 60°С. Для этого полученную сборку со штатным теплоотводящим устройством помещают в климатическую камеру, обеспечивающую вышеуказанные значения рабочих температур. Гермовыводы цоколя от ТЭБ и ТД электрически соединяют соответственно с укомплектованным амперметром и вольтметром источником питания постоянным током и омметром. С помощью регулятора климатической камеры устанавливают повышенное значение рабочей температуры: 60°С. Сборку термостабилизируют. Критерием термостабилизации является неизменность показаний ТД, т.е. омметра вблизи вышеуказанной рабочей температуры. Далее на ТЭБ подается стабилизированный рабочий ток величиной 1А. После достижения стационарного температурного состояния теплопоглощающей поверхности ТЭБ (фиксируется по показаниям ТД) по данным вольтметра и амперметра вычисляется ее электрическое сопротивление. Далее процесс градуировки ТЭБ повторяется, но уже при других значениях рабочих температур с шагом 5...10°С вплоть до минус 60°С. По окончании работы строится график R=f(t), где R - электрическое сопротивление ТЭБ, t - температура теплового имитатора.

Закончив градуировку ТЭБ, демонтируют технологический колпак, тепловой имитатор объекта и термодатчик. Далее на теплопоглощающую поверхность ТЭБ размещают ФЧЭ, выводы которого распаивают на гермовыводы цоколя прибора, и окончательно герметизируют прибор штатным корпусным узлом с откачным штенгелем. Вакуумируют рабочий объем прибора, а затем заполняют его ксеноном. В дальнейшем при эксплуатации прибора измеряют электрическое сопротивление R и по ранее установленной градуировочной зависимости R=f(t) определяют температуру охлаждения ФЧЭ в реальном времени.

Испытания показали, что предлагаемый способ обеспечивает надежную индикацию температуры охлаждения ФЧЭ в ФП с ТЭБ без применения каких-либо встроенных в конструкцию прибора ТД. При этом в случае стабилизации рабочего тока повышение температуры охлаждения ФЧЭ на 1°С приводит к увеличению значения параметра R примерно на 0,05 Ом.

Способ определения температуры объекта, охлаждаемого термоэлектрической батареей, размещенной на цоколе внутри герметичного прибора, основанный на показаниях термодатчика, установленного на теплопоглощающей поверхности термоэлектрической батареи, отличающийся тем, что перед окончательной герметизацией прибора на теплоотводящей поверхности термоэлектрической батареи размещают тепловой имитатор объекта и термодатчик, полученную сборку герметизируют технологическим колпаком и размещают на штатном теплоотводящем устройстве, после чего термоэлектрическую батарею подключают к стабилизированной электрической цепи и измеряют зависимость электрического сопротивления R термоэлектрической батареи от температуры теплового имитатора в диапазоне рабочих температур эксплуатации прибора, после чего демонтируют технологический колпак, тепловой имитатор объекта и термодатчик, устанавливают на теплопоглощающей поверхности термоэлектрической батареи объект и окончательно герметизируют прибор штатным корпусным узлом, а для определения температуры объекта охлаждения в процессе эксплуатации измеряют R и по градуировочной зависимости R от температуры теплового имитатора объекта определяют температуру охлаждаемого объекта в реальном времени.