CN102053100A - 热电材料参数自动测定仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热电材料参数自动测定仪，包括有真空测试系统及计算机控制系统，其中真空测试系统包括有机械泵、真空罩、低温恒温槽、炉体、热电偶、温度控制器、样品支持器、交流电源、直流电源，计算机控制系统包括有控制电路、模/数多功能卡、计算机系统。本发明可在-30oC到800oC的温度范围内，按选择的温度间隔，自动测量热电材料在各温度点的电导率s、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k，从而得到热电材料在绝对温度T时的品质因子ZT(其中Z=S2s/k)值。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量仪器，尤其涉及一种热电材料参数自动测定仪。
技术背景
热电材料，又称温差电半导体材料，能够实现热能与电能间的直接转换，由多组n型和p型热电材料的热电结组成的电制冷系统或热发电系统，具有体积小、重量轻、无传动部件、无噪声运行、易于维护、无污染、性能稳定、寿命长等特点。
好的热电材料必须具有较高的塞贝克(Seebeck)系数S，从而保证有较明显的热电效应，同时应有低的热导率k，使热量能保持在接头附近，另外还要求电导率s较大，使产生的焦耳热量小，对于这几个性质的要求可由优值系数Z= S 2s/k描述。材料的热电效率主要由品质因子ZT决定，T为冷热端绝对温度的平均值，ZT值越大，效率越高。
热电材料的电导率s和塞贝克(Seebeck)系数S的测量相对容易，但由于试样、引线和环境的热辐射以及相互之间的热交换的影响，热导率k的测量比较困难，难以同时测量热电材料的电导率s、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k，影响了热电材料的性能表征和应用研究。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种可自动对热电材料在各温度点的参数进行测定的热电材料参数自动测定仪。
为了实现上述的目的，采用如下的技术方案：
一种热电材料参数自动测定仪，包括有真空测试系统和计算机控制系统，所述真空测试系统包括有机械泵(1)、真空罩(2)、低温恒温槽(3)、炉体(4)、第一热电偶 (51)、第二热电偶(52)、第三热电偶(53)、温度控制器(6)、样品支持器(7)、交流电源(8)、直流电源(9)，所述机械泵(1)与真空罩(2)连接，炉体(4)置于真空罩(2)内，样品支持器(7)置于炉体(4)内，第一热电偶(51)的输出端与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)、第二热电偶(52)、第三热电偶(53)的参考点置于低温恒温槽(3)内，所述计算机控制系统包括有控制电路(10)、模/数多功能卡(11)、计算机系统(12)，所述控制电路(10)和计算机系统(12)分别与模/数多功能卡(11)连接，控制电路(10)与交流电源(8)及直流电源(9)分别连接，模/数多功能卡(11)与第二热电偶 (52)及第三热电偶(53)的输出端分别连接，计算机系统(12)与温度控制器(6)连接。
上述方案中所述炉体(4)包括有冷却层(13)、保温层(14)和发热体(15)，冷却层(13)与低温恒温槽(3)连接，发热体(15)与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)的测温点置于保温层(14)内。通过低温恒温槽(3)和温度控制器(6)可以控制炉体内的温度，使温度能够根据需要进行调节。
上述方案中所述样品支持器(7)内设置有银片盒(16)，银片盒(16)内设置有陶瓷架(19)，试样(17)置于陶瓷架(19)上。试样(17)与模/数多功能卡(11)通过第一银电流引丝(231)、第二银电流引丝(232)及银电压引丝(22)连接，第一银电流引丝(231)还与控制电路(10)连接。
上述方案中所述第一银电流引丝(231)及第二银电流引丝(232)由装在陶瓷架(19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)分别压在试样(17)两端，银电压引丝(22)由装在陶瓷架(19)中间位置处的可调螺丝(20)及云母片(21)压在试样(17)上。利用装在陶瓷架(19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)，可以把各引丝紧密压在试样(17)上，又可以根据实际使用进行调整。
上述方案中所述第二热电偶(52)和第三热电偶(53)的测温点由装在陶瓷架(19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)分别压在试样(17)两端，第二热电偶(52)和第三热电偶(53)的输出端分别与模/数多功能卡(11)连接。
上述方案中所述低温恒温槽(3)内设置有参考电阻丝(18)，参考电阻丝(18)与试样(17)串联，参考电阻丝(18)一端通过第一铜电流引线(241)与控制电路(10)连接，另一端通过第二铜电流引线(242)与第二银电流引丝(232)连接，参考电阻丝(18)上焊接有铜电压引线(25)，铜电压引线(25)另一端与模/数多功能卡(11)连接，铜电压引线(25)间的电阻恒定。
上述方案中所述交流电源(8)为精密交流恒流电源，所述直流电源(9)为精密直流恒流电源。精密的恒流电源，可使测定的结果更加精确可靠。
上述方案中所述低温恒温槽(3)的温度低于-30oC，可以使冷却层(13)的温度控制在-30oC的恒温。所述温度控制器(6)的温度控制范围为-30oC到800oC之间，可以使测试温度在-30oC到800oC范围内的任意温度下进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可自动对热电材料在各温度点的电导率s、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k进行测定，得到热电材料在绝对温度T时的品质因子ZT(其中Z= S 2s/k)值，为热电材料的性能表征和应用研究提供了很好的研究工具。
附图说明
图1为本发明的原理结构示意图；
图2为实施例的电导率s-温度T曲线图；
图3为实施例的塞贝克(Seebeck)系数S-温度T曲线图；
图4为实施例的热导率k-温度T曲线图；
图5为实施例的品质因子ZT-温度T曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的原理结构如图1所示。
测定热电材料参数时，选择某温度下热导率kSD已知、性能与待测试样相近的热电材料，做成与待测试样尺寸一致的标准试样。精密直流恒流电源9断电一段时间后，试样17两端的温差趋于线性变化,温差的变化率(dT/dt)与试样17的热导率k成正比，k=k*(dT/dt)，其中比例系数k由对标准试样温差的变化率(dT/dt)SD=kSD/k得出。
第二热电偶52和第三热电偶53的输出端分别与模/数多功能卡11连接，用于测量试样17两端产生的温差。当控制电路10选择精密直流恒流电源9时，试样17两端产生一定的温差，最后达到稳定值DT。第一银电流引丝231和第二银电流引丝232与模/数多功能卡11连接，控制电路10断开精密直流恒流电源9后，可以得到温差为DT时第一银电流引丝231和第二银电流引丝232的热电势V，得到试样的相对塞贝克(Seebeck)系数S 1=V/DT，试样的塞贝克(Seebeck)系数S= S 1+S Ag(其中S Ag>0，是银在该温度下的Seebeck系数)。同样的方法可得到标准试样的相对塞贝克(Seebeck)系数S SD1。断电后经过一段时间，试样17两端的温差趋于线性变化，由于试样17的塞贝克(Seebeck)系数较大，用来表征温差精度更高，故试样17两端温差的变化率(dT/dt)=(dV/dt)/S 1，其中(dV/dt)为热电势V的变化速率；同样的方法可以得到标准试样的温差的变化率(dT/dt)SD=(dV/dt)SD/S SD1，由(dT/dt)SD=kSD/k得出比例系数k，试样17的热导率k = k×(dT/dt)。
参考电阻丝18电阻恒定，参考电阻丝18上铜电压引线25间的电阻R 0已用精密LCR自动平衡电桥准确测出，样品支持器7内有银片盒16，用于保持环境温度均匀，银电压引丝22及铜电压引线25与模/数多功能卡11连接。当控制电路10选择精密交流恒流电源8时，交流恒流通过试样17和参考电阻丝18，得到试样17和参考电阻丝18电压峰峰值比k’，从而得到试样17上银电压引丝22两端的电阻R= k’×R 0，利用 
(其中l、w和d分别为试样17的长度、宽度和厚度)，得到试样17的电导率s。
下面举例说明本发明的测量结果：
选用n型掺杂碲化铋基合金作为标准试样，测定p型掺杂碲化铋基合金试样的电导率s、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k，标准试样和试样的尺寸均为10.0mm×2.5mm×2.5mm，标准试样在38oC时的电导率s=903S/cm，塞贝克(Seebeck)系数S=-193mV/K，热导率k=1.2W/m·K，参考电阻丝电阻R 0=0.0131W，参考电阻丝恒温在0oC。
测定p型掺杂碲化铋基合金的电导率s-温度T曲线如图2为所示。已知试样在41oC时的电导率s=538S/cm，如图中☆所示，测量温度范围：30oC到160oC。
测定p型掺杂碲化铋基合金的塞贝克(Seebeck)系数S-温度T曲线如图3所示，已知试样在41oC时的塞贝克(Seebeck)系数S=244mV/K，如图中☆所示，测量温度范围：30oC到160oC。
测定p型掺杂碲化铋基合金的热导率k-温度T曲线如图4所示，已知试样在41oC时的热导率k=1.06 W/m·K，如图中☆所示，热导率比例系数k=107.41，测量温度范围：30oC到160oC。
测定p型掺杂碲化铋基合金的品质因子ZT-温度T曲线如图5所示，已知试样在41oC时的热导率ZT=0.95，如图中☆所示，测量温度范围：30oC到160oC。
Claims (9)
1.一种热电材料参数自动测定仪，其特征在于包括有真空测试系统和计算机控制系统，所述真空测试系统包括有机械泵(1)、真空罩(2)、低温恒温槽(3)、炉体(4)、第一热电偶 (51)、第二热电偶(52)、第三热电偶(53)、温度控制器(6)、样品支持器(7)、交流电源(8)、直流电源(9)，所述机械泵(1)与真空罩(2)连接，炉体(4)置于真空罩(2)内，样品支持器(7)置于炉体(4)内，第一热电偶(51)的输出端与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)、第二热电偶(52)、第三热电偶(53)的参考点置于低温恒温槽(3)内，所述计算机控制系统包括有控制电路(10)、模/数多功能卡(11)、计算机系统(12)，控制电路(10)和计算机系统(12)分别与模/数多功能卡(11)连接，控制电路(10)与交流电源(8)及直流电源(9)分别连接，模/数多功能卡(11)与第二热电偶 (52)及第三热电偶(53)的输出端分别连接，计算机系统(12)与温度控制器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述炉体(4)包括有冷却层(13)、保温层(14)和发热体(15)，冷却层(13)与低温恒温槽(3)连接，发热体(15)与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)的测温点置于保温层(14)内。
3.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述样品支持器(7)内设置有银片盒(16)，银片盒(16)内设置有陶瓷架(19)，试样(17)置于陶瓷架(19)上，试样(17)与模/数多功能卡(11)通过第一银电流引丝(231)、第二银电流引丝(232)及银电压引丝(22)连接，第一银电流引丝(231)还与控制电路(10)连接。
4.根据权利要求3所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述第一银电流引丝(231)及第二银电流引丝(232)由装在陶瓷架(19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)分别压在试样(17)两端，银电压引丝(22)由装在陶瓷架(19) 中间位置处的可调螺丝(20)及云母片(21)压在试样(17)上。
5.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述第二热电偶(52)和第三热电偶(53)的测温点由装在陶瓷架(19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)分别压在试样(17)两端，第二热电偶(52)和第三热电偶(53)的输出端分别与模/数多功能卡(11)连接。
6.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述低温恒温槽(3)内设置有参考电阻丝(18)，参考电阻丝(18)与试样(17)串联，参考电阻丝(18)一端通过第一铜电流引线(241)与控制电路(10)连接，另一端通过第二铜电流引线(242)与第二银电流引丝(232)连接，参考电阻丝(18)上焊接有铜电压引线(25)，铜电压引线(25)另一端与模/数多功能卡(11)连接，铜电压引线(25)间的电阻在恒温时恒定。
7.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述交流电源(8)为精密交流恒流电源，所述直流电源(9)为精密直流恒流电源。
8.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述低温恒温槽(3)的温度低于-30oC。
9.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述温度控制器(6)的温度控制范围为-30oC到800oC之间。
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