技术领域
本发明属于半导体热电效应领域，具体涉及一种0℃信号发生器及其实施方法。
背景技术：
半导体零点仪的工作原理是：在一封闭厚壁铜制容器中充满水，容器外表面与半导体热电元件紧密接触。半导体热电元件接入直流电后制冷，使容器内水的温度下降。当水温下降到一定程度后，最接近热电元件的水开始结冰。这时容器内为冰水混合物状态，理论上混合物的温度为0℃。随着热电元件的工作，容器内的结冰量逐渐增加。在容器内上部还设置有一个波纹管，他的外侧与水接触，内部有温控器触点开关，其工作原理是：当容器中全部为水或结冰量比较少时，温控器触点处于断开状态，这时温控电路向热电元件电路发出工作信号，热电元件处于制冷运行工作状态。下部水结冰后体积膨胀，封闭容器内上部的水受到压缩，压力升高，波纹管受压后长度缩短，位于波纹管内下部的触点与其上的触点间的距离变小。当结冰量达到一定程度时，二触点相接触，这时温控电路向热电元件电路发出停止信号，停止制冰。停止制冰后，外界热量传导进容器内使冰逐渐融化，容器内冰量减少，水的压力变小，波纹管伸长，温控器触点再次断开，热电元件再次进行制冰工作。以上的“制冷结冰→温控器触点闭合停止结冰→部分冰融化后温控器触点断开→制冷结冰”的过程循环进行，从而使容器内始终保持冰水混合物的状态。
在厚壁铜制容器壁面的特定位置钻有一直径很小、较深的盲孔，盲孔一端开口与外界相通，另一端封闭，并且非常靠近冰水混合物，由于铜的导热性能很好，因此盲孔封闭端的温度非常接近0℃，可用于向外输出0℃信号。
现有的半导体零点仪存在几个方面的不足：
1.容器中的冰和水处于静止状态，在制冰过程和冰的融化过程中，必然存在导热。由导热原理，冰水混合物中一定存在温度差，温度场是不均匀的，混合物中只有冰水交界面的温度为0℃，盲孔的盲端必须设置在这一位置，因此现有的零点仪只能设置一个盲孔用于向外输出0℃信号；
2.盲孔的一端与外界大气相通，为了减少外界温度对盲孔的盲端温度（即0℃）的影响，盲孔必须做成直径很小，具有相当深度的细长孔，利用该细长孔内空气的隔热作用，减小外界温度的影响；
3.零点仪一般用于为温度取样器(比如热电偶)提供0℃信号，由于以上二个原因，一台零点仪一次只能为一个温度取样器提供0℃信号；
4.盲孔内空气量很少，热容量也很小。温度取样器插进盲孔后，对盲孔盲端的温度（0℃）影响很大，需要等待较长的时间，盲端温度才能恢复为0℃。这不利于温度取样器快速获得0℃信号；
5.现有零点仪要求其工作环境的温度大于0℃，这在一般的实验室中是可以实现的，但是在一些特殊的条件下，比如低温实验室，或寒冷的野外，零点仪中的水在不工作的状态下已冻结成冰，现有的零点仪这时无法向外提供0℃信号；
6.现有零点仪使用厚壁铜制容器和波纹管温控器作为主要部件，这二个部件结构复杂、制造困难，价格较高，造成零点仪价格昂贵。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种0℃信号发生器及其实施方法，该信号发生器成本低，比半导体零点仪对工作环境的要求低，应用范围广。
一种0℃信号发生器，包括不锈钢箱体，所述不锈钢箱体内装有水，所述不锈钢箱体顶端至少设有1个第一开口，每个第一开口内均插有不锈钢盲管，所述不锈钢盲管内装有导热介质，所述导热介质完全浸入水中，所述不锈钢箱体一侧靠近顶端的位置设有第二开口，所述第二开口与U形水银管电接点式温度控制器连通，所述U形水银管电接点式温度控制器通过右侧管上的上电接点和下电接点依次与温度控制电路和工作电路连接，所述上电接点位于下电接点上方， 所述不锈钢箱体内壁侧面靠近底部设有搅拌器，所述不锈钢箱体底部外侧中间位置设有热电元件，所述热电元件下方设有风扇，所述不锈钢箱体外侧设有保温层，所述保温层的厚度低于不锈钢盲管的管口。
作为改进的是，所述保温层的材料为聚氨酯发泡塑料。
作为改进的是，所述不锈钢箱体顶端设有4个第一开口。
上述0℃信号发生器的实施方法，包括以下步骤：
步骤1，取0℃信号发生器，取下任一不锈钢盲管，加入水，使得不锈钢盲管中的导热介质完全浸入水中，然后将取下的不锈钢盲管安装回去后，并密封处理不锈钢盲管与第一开口的接触处；
步骤2，给工作电路供电，当环境温度高于0℃时，不锈钢箱体内全部为水，这时U形管电接点控制器右侧管中水银低于下电接点，温度控制电路向工作电路发出制冰信号，工作电路向热电元件输出直流电，该直流电方向使得热电元件运行在制冰模式下，热电元件与不锈钢箱体接触的一侧温度低于0℃，并且低于箱体内的水温，因此热电元件吸收水的热量，水温下降至低于0℃时，水开始结冰，水面上升，水面上的气体压力变大，引起U形管电接点控制器的右侧管中水银面上升，当结冰量增大至U形管电接点控制器右侧管中水银与下电接点接触时，温度控制电路向工作电路发出停止运行信号，热电元件和风扇停止运行，此时，外界热量向箱体内传递，使得冰开始融化，导致右侧管中水银低于下电接点，温度控制电路又向工作电路发出制冰信号，如此循环进行，保证不锈钢箱体内的水以及不锈钢盲管中的导热油温度均在0℃，可准确输出0℃信号；当环境温度低于0℃时，不锈钢箱体内的水自发结成冰，这时U形管电接点温度控制器右侧管中水银高于上电接点，温度控制电路向工作电路发出制热信号，工作电路向热电元件输出直流电，该直流电方向与制冷模式时的相反，使得热电元件运行在制热模式下，热电元件与不锈钢箱体接触的一侧温度高于0℃，热电元件向箱体内的冰放出热量，使冰的温度上升并融化，当U形管电接点温度控制器右侧管中水银低于上电接点，温度控制电路向工作电路发出停止运行信号，热电元件和风扇停止运行，由于不锈钢箱体内水向寒冷的环境传递热量，部分水又结成冰，导致U形管右侧管水银再次高于上电接点，温度控制电路又向工作电路发出制热工作信号，如此循环进行，保证不锈钢箱体内的水以及不锈钢盲管中的导热油温度均在0℃，可准确输出0℃信号，其中风扇与搅拌器均有工作电路供电，循环过程中搅拌器一直工作，保证不锈钢箱体内冰水混合物温度均匀。
作为改进的是，步骤1中导热介质为导热油。
本发明0℃信号发生器的工作原理：
1、热电元件接入直流电后，在其内部产生帕尔贴效应(Peltier effect)，也就是热电元件一个面的温度升高，向外界放出热量，而另外一个面的温度降低，从外界吸收热量。当接入热电元件的直流电反向时，热电元件的高温面和低温面也发生互换。因此，无需改变热电元件的位置，只要改变接入热电元件直流电的方向，即可实现热电元件从所接触的表面吸收热量(制冷)向对所接触的表面放出热量(制热)的功能转变。利用半导体热电元件可制冷、制热的性能是本发明的主要工作原理。
2、理论上液态水和冰的混合物的温度为0℃，但是在静止的冰水混合物中，由于混合物和外界的热量传递，以及冰、水相互转变过程的热量传递，液态水中会出现温度分层，因此水中的温度是不均匀的，只有在他们的交界面才是0℃。利用搅拌器使水流动，从而消除冰水混合物中的温度不均匀性，是本发明获得均匀的0℃水的工作原理。
3、液态水和冰的密度存在差别，当他们之间进行相互转变时，冰水混合物的体积发生变化。在有气体存在的密闭容器中，气体的体积也发生变化，从而导致气体压力的变化，压力变化的大小与混合物中的冰水比例有关。利用气体压力变化的大小，可以作为控制混合物中冰水比例的信号。利用冰水密度差产生封闭空间中气体压力的变化，从而控制半导体热电元件的工作，是本发明获得恒定的0℃的工作原理。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明结构简单，制造方便，相对比现有半导体零点仪制备成本低；
2、 不锈钢盲管中的导热油具有较大的热容量，外界取样器的进入(如热电偶)，对导热油0℃温度的影响较小。并且由于导热油的导热性能好，盲管与冰水混合物完全接触，受到扰动的导热油温度可快速恢复至0℃。而现有半导体零点仪盲孔中的空气热容量小，传热能力差，盲孔中的温度由于取样器的进入而大幅波动，并且恢复为0℃需要较长的时间；
3、本0℃信号发生器可在不锈钢箱体上安装多根盲管，每一根不锈钢盲管都可独立向外提供0℃信号，而现有的半导体零点仪只能提供一个0℃信号；
4、在不锈钢箱体内设置有搅拌器，该搅拌器可消除水中温度分布的不均匀性，加强水与冰间的热量交换，使冰水界面处0℃的水迅速扩散，从而可以使箱体内的水成为温度均匀的0℃水；
5、使用U形水银管式电接点温度控制器作为温度控制元件，该温度控制器可设置二个电接点，根据这二个电接点的导通与否，可向半导体热电元件分别发出制冷工作指令和制热工作指令。而现有的半导体零点仪的温度控制元件只有一个导通状态，只能工作在制冷模式；
6、根据环境温度是高于0℃，还是高于0℃，本0℃信号发生器中的半导体热电元件可分别工作在制冷模式和制热模式下，不论是常温的工作环境，还是寒冷的工作环境，本0℃信号发生器中的水都可保持为冰水混合物的状态，可向外输出0℃信号。而现有的半导体零点仪只能工作在常温环境中。
附图说明
图1为本发明0℃信号发生器的结构示意图，其中，1-保温层，2-不锈钢箱体，3-不锈钢盲管，4-气体，5-U形管电接点式温度控制器，6-上电接点，7-下电接点，8-温度控制电路，9-水银，10-工作电路，11-风扇，12-热电元件，13-搅拌器，14-冰水混合物，15-导热油，16-水面。
具体实施方式
实施例1
一种0℃信号发生器，包括不锈钢箱体2，所述不锈钢箱体2内装有水，所述不锈钢箱体2顶端设有4个第一开口，每个第一开口内均插有不锈钢盲管3，所述不锈钢盲管3内装有导热介质，所述导热介质完全浸入水中，所述不锈钢箱体2一侧靠近顶端的位置设有第二开口，所述第二开口与U形水银管电接点式温度控制器5连通，所述U形水银管电接点式温度控制器5通过右侧管上的上电接点6和下电接点7依次与温度控制电路8和工作电路10连接，所述上电接点6位于下电接点7上方， 所述不锈钢箱体2内壁侧面靠近底部设有搅拌器13，所述不锈钢箱体2底部外侧中间位置设有热电元件12，所述热电元件12下方设有风扇11，所述不锈钢箱体2外侧设有保温层1，所述保温层1的厚度低于不锈钢盲管3的管口。
上述0℃信号发生器的实施方法，包括以下步骤：
步骤1，取0℃信号发生器，取下任一不锈钢盲管，加入水，使得不锈钢盲管中的导热介质完全浸入水中，然后将取下的不锈钢盲管安装回去后，并密封处理不锈钢盲管与第一开口的接触处；
步骤2，给工作电路10供电，当环境温度高于0℃时，不锈钢箱体2内全部为水，这时U形管电接点控制器5右侧管中水银9低于下电接点7，温度控制电路8向工作电路10发出制冰信号，工作电路10向热电元件12输出直流电，该直流电方向使得热电元件12运行在制冰模式下，热电元件12与不锈钢箱体2接触的一侧温度低于0℃，并且低于箱体内的水温，因此热电元件12吸收水的热量，水温下降至低于0℃时，水开始结冰，水面16上升，水面16上空的气体4压力变大，引起U形管电接点控制器5右侧管中水银面上升，当结冰量增大至U形管电接点控制器5右侧管中水银9与下电接点7接触时，温度控制电路8向工作电路10发出停止运行信号，热电元件12和风扇11停止运行，此时，外界热量向箱体内传递，使得冰开始融化，导致右侧管中水银9低于下电接点7，温度控制电路8又向工作电路10发出制冰信号，如此循环进行，保证不锈钢箱体2内的水以及不锈钢盲管3中的导热油温度均在0℃，可准确输出0℃信号；当环境温度低于0℃时，不锈钢箱体2内的水自发结成冰，这时U形管电接点温度控制器5右侧管中水银9高于上电接点6，温度控制电路8向工作电路10发出制热信号，工作电路10向热电元件12输出直流电，该直流电方向与制冷模式时的相反，使得热电元件12运行在制热模式下，热电元件12与不锈钢箱体2接触的一侧温度高于0℃，热电元件12向箱体内的冰放出热量，使冰的温度上升并融化，当U形管电接点温度控制器5右侧管中水银9低于上电接点6，温度控制电路8向工作电路10发出停止运行信号，热电元件12和风扇11停止运行，由于不锈钢箱体2内水向寒冷的环境传递热量，部分水又结成冰，导致U形管右侧管水银9再次高于上电接点6，温度控制电路8又向工作电路10发出制热工作信号，如此循环进行，保证不锈钢箱体2内的水以及不锈钢盲管3中的导热油温度均在0℃，可准确输出0℃信号，其中风扇11与搅拌器13均有工作电路10供电，循环过程中搅拌器13一直工作，保证不锈钢箱体2内冰水混合物温度均匀。至于所述上电接点6和下电接点7之间的距离由不锈钢箱体2水面上方的空气量决定，根据压力可以退到出最合适观察和运行的间距。
本发明0℃信号发生器接入交流电源后，根据不锈钢箱体1中冰水混合物中结冰量的多少，冰的数量变化导致水面的高度上下波动，引起水面上方气体的压力变化，气体压力的变化使U形水银管电接点式温度控制器中水银在U形管的两根管中的高度发生变化，因此U形水银管电接点式温度控制器5中的水银9面位于下面三个位置中的一个：1、低于下电接点；2、高于上电接点；3、介于上电接点、下电接点之间。这三个水银面位置会通过温度控制电路8和工作电路10向热电元件12和风扇11发出制冷、制热和停止运行的信号。不论水银面位置如何，工作电路10都会向搅拌器13供电，以使水始终处于流动状态，加强冰水间的热量传递，使冰水界面处0℃的水快速扩散到箱体的其他空间，消除水中温度分布的不均匀性，即0℃信号发生器的不锈钢箱体1较快达到均匀、稳定的0℃，不锈钢盲管3内在导热油的导热作用下，温度也达到0℃，可向外输出0℃信号。稳定工作时，冰水混合物中冰的数量仍在不断变化，U形管水银面在上电接点或下电接点附近波动，信号发生器在制冷—停止—制冷，或制热—停止—制热间循环工作。
本发明中部件作用如下：
保温层可以减少不锈钢箱体内冰水混合物与外界环境的热量交换，不仅有助于保证箱体内的温度，还可以减少0℃信号发生器的通电工作时间，减少耗电量。
不锈钢盲管插入不锈钢箱体内的冰水混合物中，由于不锈钢盲管内的导热油可与冰水混合物进行充分接触传热，因此，当0℃信号发生器稳定工作时，导热油的温度与冰水混合物温度相等，可以向外提供0℃信号。由于导热油具有较大的热容量，当插入温度取样器时，导热油温度变化较小，并且由于导热油与冰水混合物良好的传热，导热油的温度可迅速恢复至0℃。
搅拌器搅拌使水流动，消除不锈钢箱体内水温不均匀的问题，加强水与冰的传热，使得冰水界面处0℃的水迅速离开冰水界面流向箱体各处，因此，0℃信号发生器稳定工作时箱体内水即为均匀的0℃的水。
热电元件在温度控制电路的控制下可在制冰或制热两种模式下工作，使箱体内多余的水结冰，或使多余的冰融化成水，保持箱体内的冰水混合物状态。
风扇可加强热电元件与环境间的热量传递，提高热点元件的工作性能。
以上仅为本发明的较佳实施例，不能以其限定本发明实施的范围，即大体不脱离本发明构思的替代和修正，仍属于本发明的保护范围。