CN104122469A - 一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，通过采用四线法测量电阻温度计的电阻，有效消除了引线电阻，确保了电阻温度计读数的准确性和精度，通过PID控温算法，提高了温度控制的精度，使的热电材料两端的温度能够精确调节到所要求的数值，采用温度倒向法，消除了寄生电势对测量结果的影响，保证了Seebeck系数测量的精度。本发明方法从测量热电材料的温度到改变热电材料两端的温度数值，再到消除寄生电势等一系列测量步骤中，都保证了测量的准确性和精度，该方法有效易行，对Seebeck系数精度要求高的应用场合具有重要意义。

Description

一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，属于电学测试测量技术领域。

背景技术

热电效应，也叫塞贝克效应(Seebeck effect)，是一类电和热之间相互转换的效应，与材料费米面的性质密切相关，在物理性质的研究中具有重要意义；热电效应可应用于温差发电和半导体制冷，因此受到科研工作者的广泛关注。但是目前高温Seebeck系数的测量精度不高，不能满足对材料物性进行定量分析的要求，也给热电转换效率的评估带来一定误差。通过系统地研究影响Seebeck系数测量精度的因素，研究寄生电势、温度稳定性、测量温差等因素对Seebeck系数测量的影响机制，获得高精度测量Seebeck系数的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法。

本发明的技术方案如下：

一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，包括测温阶段、控温阶段和测量计算阶段，步骤如下，

—测温阶段：将三个电阻温度计分别使用导热胶固定在放置热电材料的真空室外屏和两个平台上，三个电阻温度计分别连接一台数字万用表，通过四线法测电阻，电流源为热电材料提供一个可控恒定电流，通过直接读取热电材料两端电阻温度计的显示数值来精确获知热电材料两端的温度，通过调节使热电材料两端的温度均为T；

在此测温阶段，采用四线法测电阻的好处在于，由于电压表内阻极大，流过电压表的电流忽略，所以电压表的读数除以电流值即为热电材料的电阻，在保证精确测得电阻温度计电阻的情况下，通过直接读取热电材料两端电阻温度计的显示数值来精确获知热电材料两端的温度。

—控温阶段：真空室外屏以及两个平台的加热电阻使用康铜细线均匀螺旋缠绕，通过外部程控加热设备输出电流进行加热，在程控加热设备输出电流进行加热的电路上串联一个恒流扩流电路；

此设计引入恒流扩流电路的目的在于，确保流入电路的电压不变，也确保了电流不会随着负载的变化而变化，另一方面增大了板卡输出的最大电流，增大了的电流峰值大于了板卡理论输出最大电压除以负载电阻的值，提高了带负载能力，这样PID算法的反馈值都能在板卡的新输出值上有相应的反应，因此该电路的引入完全发挥出PID算法的功能，提高了控温精度，而且输出电流的增大也提高了加热效率。

—测量计算阶段：Seebeck系数的公式如下：

$S=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

但实际测量过程中，有如下关系式存在：

ΔU＝S*ΔT+U

其中，ΔU为热电材料两端的热电势差，ΔT为热电材料两端的温差，S为样品Seebeck系数，U为线路中的寄生电势，采用倒向法，测量方法如下：

通过增加或减小外部程控加热设备的输出电流改变热电材料两端的温度，先将

平台A的温度控制在

$T+\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

平台B的温度控制在

$T-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

待平台A的温度和平台B的温度稳定后，通过数字万用表读取热电材料两端的电压，即得两端的电势差，记为ΔU1

然后，将平台A和平台B的温度倒向，将

平台A的温度控制在

$T-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

平台B的温度控制在

$T+\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

待平台A的温度和平台B的温度稳定后，通过数字外用表读取热电材料两端的电压，即得两端的电势差，记为ΔU2

由于温度倒向，有如下关系存在

公式1：ΔU1＝S*ΔT+U

公式2：ΔU2＝S*(-ΔT)+U

将公式1和公式2相减得：

$S=\frac{\mathrm{\ΔU}1-\mathrm{\ΔU}2}{2*\mathrm{\ΔT}}$

即测得样品的Seebeck系数。

根据本发明，优选的，所述电阻温度计为Cernox温度计。

根据本发明，优选的，所述数字万用表为ARRAY M3500A六位半数字万用表。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用四线法测量电阻温度计的电阻，有效消除了引线电阻，确保了电阻温度计读数的准确性和精度，保证热电材料两端温度测量的准确可靠，为Seebeck系数的测量提供了一个可靠的前提。

2.本发明在改变热电材料两端的温度时，通过PID控温算法，提高了温度控制的精度，使的热电材料两端的温度能够精确调节到所要求的数值，确保后续在采用倒向算法时的准确性。

3.本发明在解决寄生电势存在的问题时，采用温度倒向法，可以消除寄生电势对测量结果的影响，同时还能够消除本底噪声带来的误差，提高了测量精度，保证了Seebeck系数测量精度更高更精确。

4.本发明方法从测量热电材料的温度到改变热电材料两端的温度数值，再到消除寄生电势等一系列测量步骤中，都保证了测量的准确性和精度，该方法有效易行，对Seebeck系数精度要求高的应用场合具有重要意义。

附图说明

图1为本发明测量装置的连接关系示意图；

图2为本发明中四线法测量电阻示意图；

图3为本发明中恒流扩流电路示意图；

图4为本发明中测量的ΔU₁的数据图；

图5为本发明中测量的ΔU₂的数据图；

图6为本发明中ΔU₁和ΔU₂对应下计算得到的Seebeck系数的数据图。

其中：1、外屏温度计，2、平台A温度计，3、平台B温度计，4、平台A，5、平台B，6、绝热管，7、外屏，8、冷头，9、低温恒温室，10、压缩机，11、外屏加热电流，12、平台A加热电流，13、平台B加热电流，14、输出恒定电流，15、测量电压，16、四线法测电阻。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，

—测温阶段：将三个Cernox电阻温度计分别使用导热胶固定在放置热电材料的真空室外屏7和平台A4和平台B5上，这三个电子温度计为外屏温度计1、平台A温度计2和平台B温度计3，三个电阻温度计分别连接一台ARRAY M3500A六位半数字万用表，通过四线法16测电阻，电流源为热电材料提供一个可控恒定电流，由于电压表内阻极大，流过电压表的电流忽略，所以电压表的读数除以电流值即为热电材料的电阻，在保证精确测得电阻温度计电阻的情况下，通过直接读取热电材料两端电阻温度计的显示数值来精确获知热电材料两端的温度，通过调节使热电材料两端的温度均为320K；

—控温阶段：真空室外屏以及两个平台的加热电阻使用康铜细线均匀螺旋缠绕，通过外部程控加热设备输出电流进行加热，在程控加热设备输出电流进行加热的电路上串联一个恒流扩流电路，确保流入电路的电压不变，也确保了电流不会随着负载的变化而变化，另一方面增大了板卡提高了带负载能力，这样PID算法的反馈值都能在板卡的新输出值上有相应的反应，因此该电路的引入完全发挥出PID算法的功能，提高了控温精度，而且输出电流的增大也提高了加热效率；

—测量过程：Seebeck系数的公式如下：

$S=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

但实际测量过程中，有如下关系式存在：

ΔU＝S*ΔT+U

其中，ΔU为热电材料两端的热电势差，ΔT为热电材料两端的温差，S为样品Seebeck系数，U为线路中的寄生电势。为了消除寄生电势对测量结果的影响，采用倒向法，测量方法如下：

通过增加或减小输出电流改变热电材料两端的温度，先将

平台A的温度控制在

                           320K+0.1K

平台B的温度控制在

                          320K-0.1K

待平台A的温度和平台B的温度稳定后，通过数字外用表读取热电材料两端的电压，即得两端的电势差，记为ΔU1

然后，将平台A和平台B的温度倒向，将

平台A的温度控制在

                          320K-0.1K

平台B的温度控制在

                          320K+0.1K

待平台A的温度和平台B的温度稳定后，通过数字外用表读取热电材料两端的电压，即得两端的电势差，记为ΔU2

在该温度和平台温差下反复测量200次ΔU1和ΔU2的数据，分别如图4好图5所示。

由于温度倒向，有如下关系存在

公式1：ΔU1＝S*ΔT+U

公式2：ΔU2＝S*(-ΔT)+U

将公式1和公式2相减得：

$S=\frac{\mathrm{\ΔU}1-\mathrm{\ΔU}2}{2*\mathrm{\ΔT}}$

相应地，得到200次Seebeck系数数据如图6所示。

由此数据可看出，温度倒向可以消除本底噪声带来的误差，提高测量精度，由此得出的Seebeck系数精度更高更精确。

Claims (3)

1.一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，其特征在于，包括测温阶段、控温阶段和测量计算阶段，步骤如下，

—测温阶段：将三个电阻温度计分别使用导热胶固定在放置热电材料的真空室外屏和两个平台上，三个电阻温度计分别连接一台数字万用表，通过四线法测电阻，电流源为热电材料提供一个可控恒定电流，通过直接读取热电材料两端电阻温度计的显示数值来精确获知热电材料两端的温度，通过调节使热电材料两端的温度均为T；

—控温阶段：真空室外屏以及两个平台的加热电阻使用康铜细线均匀螺旋缠绕，通过外部程控加热设备输出电流进行加热，在程控加热设备输出电流进行加热的电路上串联一个恒流扩流电路；

—测量计算阶段：Seebeck系数的公式如下：

$S=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

但实际测量过程中，有如下关系式存在：

ΔU＝S*ΔT+U

其中，ΔU为热电材料两端的热电势差，ΔT为热电材料两端的温差，S为样品Seebeck系数，U为线路中的寄生电势，采用倒向法，测量方法如下：

通过增加或减小外部程控加热设备的输出电流改变热电材料两端的温度，先将

平台A的温度控制在

$T+\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

平台B的温度控制在

$T-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

待平台A的温度和平台B的温度稳定后，通过数字万用表读取热电材料两端的电压，即得两端的电势差，记为ΔU1

然后，将平台A和平台B的温度倒向，将

平台A的温度控制在

$T-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

平台B的温度控制在

$T+\frac{1}{2}\mathrm{\ΔT}$

待平台A的温度和平台B的温度稳定后，通过数字外用表读取热电材料两端的电压，即得两端的电势差，记为ΔU2

由于温度倒向，有如下关系存在

公式1：ΔU1＝S*ΔT+U

公式2：ΔU2＝S*(-ΔT)+U

将公式1和公式2相减得：

$S=\frac{\mathrm{\ΔU}1-\mathrm{\ΔU}2}{2*\mathrm{\ΔT}}$

即测得样品的Seebeck系数。

2.如权利要求1所述的提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，其特征在于，所述电阻温度计为Cernox温度计。

3.如权利要求1所述的提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法，其特征在于，所述数字万用表为ARRAY M3500A六位半数字万用表。