CN115931968A - 一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统及方法 - Google Patents

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曹炎武
倪明玖
阳倦成
周建东
吕泽
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Abstract

一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量装置及方法，使用T型焊接式热电偶直接与液态金属接触，形成良好的电接触，通过底部冷却上部加热施加温差，冷却和加热的方式都为水浴温度控制，液态金属测量段被放置在恒温罩内，以控制整个测量过程中的温度，使用公共负极的方法测量所有热电偶的温差电势及Seebeck电势，一根热电偶的铜线和康铜线之间的电势差为温差电势，任意两根热电偶之间相同材料之间的电势差为Seebeck电势，无需获取温差，仅需要测量电势这一种物理量即可计算出材料的Seebeck系数。

Description

一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统及方法
技术领域
本发明涉及液态金属热物性测量技术领域，特别涉及一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量装置及方法，用于在未知温度条件下测量任意一种液态金属的Seebeck系数。
背景技术
Seebeck效应是一种热电现象，其中两种材料之间的电压差是由两种不同的电导体或半导体之间的温度差引起的；Seebeck系数是衡量Seebeck效应强度的物理量，定义为两点之间的温度和电势差的比值；热电效应广泛应用于发动机余热回收、远程发电、集成电路制冷和固态制冷等诸多方面；同时，在液态金属领域，液态金属由于其优异的导电性和导热性以及流动性而在聚变装置中具有重要应用；面对聚变装置内强磁场和高温度梯度的极端条件，液态金属内部产生的Seebeck效应不容忽视；由Seebeck效应引起的Seebeck电势会对液态金属内部速度电势的测量造成严重影响，这一点在Weissenfluh和Davoust等人的研究中有所体现；为了解耦液态金属的速度电势和Seebeck电势，首先需要精确测量液态金属的Seebeck系数。
现有的Seebeck系数测量装置都是对固体金属样品进行测量，且仅测量单电极之间的电势差来计算材料的Seebeck系数，这就需要测量两电极位置处的温度，使用电势差与温差的比值来计算；目前成熟的商用测量系统如图1所示；整个测试系统配备有一个红外炉，用来改变样品所在环境的温度，以保证整个被测样品处于均匀的温度环境中，且可以进行不同温度条件下的系数测量；使用传统的微分原理来计算样品的Seebeck系数，这样Seebeck系数可以表示为
Figure BDA0003989185840000021
室温下的系数测量准确性在±5％以内；测试样品制作为条形被夹持在两个铂电极之间，通过在底部加热来施加温差，使用两个Pt-Pt+10％Rh的标准热电偶测量温差以及电势差，利用电势差与温差之比便可以表示出样品的Seebeck系数，热电偶与样品间保证良好的热电接触性，该设备中测量的电势差仅为两根铂材料电极之间的电势差，整个测量过程在氦气环境中进行，使用单点法及斜率法计算Seebeck系数；
类似的测量装置仅适用于固体金属样品Seebeck系数的测量，一方面，由于液态金属具有良好的流动性，因此无法制成条形样品夹持在固定块之间，另一方面，通过底部加热上部冷却的方式在液态金属内部施加温差会形成热对流，导致实际得到的温差很小，只能通过在顶部加热，底部冷却的方法使得液态金属形成分层流动，这样才能形成较大的温差；此外，目前的Seebeck测量系统在计算Seebeck系数时，需要测量温差和电势差两个物理量，而这两个量的测量都会引入误差，导致系数的计算结果出现偏差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量装置及方法，使用T型焊接式热电偶直接与液态金属接触，形成良好的电接触，通过底部冷却上部加热施加温差，使用公共负极的方法测量所有热电偶的温差电势及Seebeck电势，一根热电偶的铜线和康铜线之间的电势差为温差电势，任意两根热电偶之间相同材料之间的电势差为Seebeck电势，无需获取温差，仅需要测量电势这一种物理量即可计算出材料的Seebeck系数。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，包括在有机玻璃腔体1壁面上布置的多个T型的热电偶，有机玻璃腔体1内装有液态金属12，热电偶中铜线9和康铜线10的焊点与液态金属12接触；
所有热电偶分为两组，两组热电偶之间的距离为有机玻璃腔体1高度的一半；
使用单独的一根铜线8作为所有热电偶的公共负极，其中一端接触液态金属12，另一端直接连接数据采集系统13的负极；
所有热电偶的铜线9和康铜线10均经过零度恒温槽14之后连接数据采集系统13的正极；
所述的数据采集系统13为精度六位半的电压采集仪；
所述的有机玻璃腔体1上、下壁面外侧设置有加热顶板2和冷却底板3，整体置于水浴保温罩7中。
所述的有机玻璃腔体1设置于铜盆4中的矩形空心管5上。
所述的铜盆4设置在水平调节板6上。
所述的有机玻璃腔体1外包裹多层保温棉。
所述的加热顶板2和冷却底板3使用紫铜材料。
一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量方法，包括以下步骤：
选取两组中任意两根热电偶与液态金属电接触，焊点处的温度分别为T1和T2，T0为热电偶的参考温度，由公共负极的方法，获得两根热电偶铜线之间的电势差ΔVCu为：
ΔVCu＝SCu(T0-T2)+SL(T2-T1)+SCu(T1-T0)＝(SCu-SL)(T1-T2)  (1)
同时，也能够获得两根热电偶康铜线之间的电势差ΔVCuNi，为
ΔVCuNi(＝SCuNi(T0-T2)+SL(T2-T1)+SCuNi(T1-T0)＝(SCuNi-SL)(T1-T2)  (2)
结合式(1)与式(2)，通过电势差之比消除温差(T1-T2)，得到Seebeck系数之比与电势差之间的关系：
Figure BDA0003989185840000041
由于铜和康铜的Seebeck系数为已知项，因此仅需要测量铜线之间的电势差以及康铜线之间的电势差即可计算液态金属的Seebeck系数SL为：
Figure BDA0003989185840000042
由于实际测量过程中数据采集系统13会引入测量误差，在该方法下的测量误差自于电压的测量误差，因此组合电势法的考虑了测量误差的系数表达式为：
Figure BDA0003989185840000043
其中，δ(ΔVCu)为测量铜线之间电势差时的误差，δ(ΔVCuNi)为测量康铜线之间电势差时的误差。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、本发明的系统为底部冷却顶部加热，这样的温差施加方式与现有的商用测量系统不同，克服了底部加热顶部冷却或者水平施加温差所引起的热对流现象。
2、本发明的系统使用了公共负极的方式进行测量，可以获得任意两根相同材料和两根不同材料单线之间的电势差，这样也可以获得单点法及斜率法的原始数据，适用于现有方法。另外本发明提出的组合电势法为一种新型且高精度的计算方法。
3、现有的商用测量系统的测量过程中，需要测量两根热电偶之间的温差以及单电极之间的电势差，才能计算出被测样品的Seebeck系数，本发明的组合电势法测量系统，无需精确测量两根热电偶之间的温差即可计算获得液态金属的Seebeck系数，且其测量精度与传统的单点法及斜率法相同。
4、本发明建立了一种新型的系数测量理论：组合电势法，使用两组中多对热电偶在不同位置对系数进行测量，可以排除由于热电偶自身缺点对系数测量的影响。
附图说明
图1是现有的固态金属样品的Seebeck系数测量装置。
图2是本发明的液态金属的Seebeck系数测量系统。
图3为组合电势法的测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
参照图2，一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，包括在装有液态金属12的有机玻璃腔体1壁面11上布置的8根T型的热电偶T1-T8，每根热电偶的直径为1.0mm，热电偶中铜线9和康铜线10的焊点与液态金属12接触；焊点的形成有利于和液态金属形成良好的热接触和电接触；每4个T型的热电偶分为一组，两组热电偶之间相距63mm即整个腔体高度的一半，以保证两根热电偶之间可以形成足够大的温差；使用单独的一根铜线8作为所有热电偶的公共负极，从腔体顶部的中心孔伸入与液态金属14接触，用来测量所有热电偶单根材料线相对于该公共负极的电势差，以此来获取任意两根单线之间的温差电势和Seebeck电势；所有的热电偶的铜线9和康铜线10都经过零度恒温槽14之后接进数据采集系统13的正极，作为公共负极的单独的一根铜线另一端不用经过零度恒温槽14直接接进数据采集系统13的负极。
所述的有机玻璃腔体1上、下壁面外侧设置有加热顶板2和冷却底板3，用于保证有机玻璃腔体1具有恒定的温差，整体置于水浴保温罩7中，水浴保温罩7降低有机玻璃腔体1中的液态金属热量损失。
所述的有机玻璃腔体1设置于铜盆4中的矩形空心管5上，铜盆4和矩形空心管5的设置都是为了保证热量不会向下传导，导致冷却底板3的接触物导走太多的热量。
所述的铜盆4设置在水平调节板6上，水平调节板6可以调节整体的水平度。
加热顶板2和冷却底板3使用紫铜材料，保证良好的温度均匀性，分别使用一台恒温水浴来控制两块板的温度，通过3个小时的程序调节，使得上下板达到设定的温度。
为了防止热量的损失，首先在有机玻璃腔体1外部包裹多层保温棉，然后再将其放置于铜制的水浴保温罩中，保温罩是通过调控恒温水浴的温度从而将整个腔体环境温度保持在上下板温度的均温。
本发明装置的工作原理为：
如图2所示，加热顶板2和冷却底板3的温度通过程序调节水冷机来控制，首先给定水冷机一个温度，在加热顶板2和冷却底板3布置有高精度的热敏电阻来检测顶板和底板的温度，对比测量温度和设定温度再次调节水冷机的温度，通过调节，使得加热顶板2和冷却底板3达到预设的温度，以此来保证精准温差的施加；8根热电偶布置在有机玻璃腔体壁面，热电偶焊点与液态金属12直接接触形成良好的电接触，壁面孔使用硫化硅胶密封，防止液态金属泄露；所有热电偶共有16根单线以公共负极的方式接进16个数据采集通道，在接入数据采集系统之前，所有的单线首先经过零度恒温槽14，这可以保证测得的每根热电偶的温差电势为标准温差电势；通过对指定两个通道的数据做差，可以得到任意两根单线之间的电势差；所有的热电偶分为两组，两组热电偶的距离为63mm，以保证每对热电偶之间的温差足够大，两组热电偶的相同位置的两根热电偶为一对热电偶，一共形成4对热电偶，每对热电偶都可以得到计算液态金属Seebeck系数的原始数据，通过4对热电偶的计算结果对比，消除由热电偶自身缺陷引起的测量误差。
一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量方法，包括以下步骤：
选取两组中任意两根热电偶与液态金属存在良好的电接触，焊点处的温度分别为T1和T2，T0为热电偶的参考温度，由公共负极的方法，获得两根热电偶铜线之间的电势差ΔVCu为：
ΔVCu＝SCu(T0-T2)+SL(T2-T1)+SCu(T1-T0)＝(SCu-SL)(T1-T2) (1)
同时也能够获得两根热电偶康铜线之间的电势差ΔVCuNi，为
ΔVCuNi＝SCuNi(T0-T2)+SL(T2-T1)+SCuNi(T1-T0)＝(SCuNi-SL)(T1-T2) (2)
结合式(1)与式(2)，可以通过电势差之比消除温差(T1-T2)，得到Seebeck系数之比与电势差之间的关系：
Figure BDA0003989185840000071
通过式(3)直接表示出液态金属的Seebeck系数，由于铜和康铜的Seebeck系数为已知项，因此仅需要测量铜线之间的电势差以及康铜线之间的电势差即可计算液态金属的Seebeck系数，为：
Figure BDA0003989185840000072
在实际测量过程中，由于采集仪器本身存在电压偏置或热电偶本身的缺陷，测量值会存在不可避免的误差，组合电势法的包含了测量误差的系数表达式为：
Figure BDA0003989185840000081
其中，δ(ΔVCu)和δ(ΔVCuNi)分别为测量铜线之间电势差时的误差和测量康铜线之间电势差时的误差。
本发明中计算液态金属的Seebeck系数时基于组合电势法，相比于传统的单点法和斜率法，其优势在于无需测量两根热电偶之间的温差，仅通过测量两根热电偶中铜线之间的电势差和康铜线之间的电势差即可计算其系数，在图3所示的两根热电偶建立组合电势法的理论，以一对热电偶为例来说明组合电势法的理论原理，并对比单点法和斜率法的理论原理。
式(1)-式(5)为基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量方法的理论推导，
相比于组合电势法，现有的单点法及斜率法的理论推导过程如下：
使用单点法及斜率法的过程中，需要测量两根热电偶之间的温差(T1-T2)，因此首先需要对热电偶进行标定，通过标定结果反算出每根热电偶所在位置处的温度，这个温度由测量得到的温差电势，即每根热电偶铜线和康铜线之间的电势差，转换得到：由式(1)得到：
Figure BDA0003989185840000082
通过式(6)计算得到液态金属的Seebeck系数SL，单点法和斜率法的理论基础相同，不同之处在于单点法可以利用单个数据采集结果计算得到一个SL，而斜率法是通过多个数据点拟合得到直线的斜率作为液态金属的Seebeck系数SL。
在该方法下的测量误差主要来自于电压的测量误差和温差的测量误差，因此单点法和斜率法的包含了测量误差的系数表达式为
Figure BDA0003989185840000083
其中δ(ΔT)为测量温差时的误差。
式(1)-式(5)为基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量方法的推导过程，式(6)-式(7)为基于单点法和斜率法的液态金属Seebeck系数测量方法的推导过程，对比式(4)和式(6)，可以明显看出组合电势法与单点法及斜率法的本质区别，组合电势法仅需测量相同材料之间的电势差，温差测量误差对该方法无影响，而单点法及斜率法不仅需要测量电势差，还需要测量两根热电偶之间的温差，存在两种测量值的误差，组合电势法和单点法及斜率法包含了误差的系数表达式如式(5)和式(7)所示，使用单点法和斜率法的过程中引入的测量误差更多。

Claims (7)

1.一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，其特征在于，包括在有机玻璃腔体(1)壁面上布置的多个T型的热电偶，有机玻璃腔体(1)内装有液态金属(12)，热电偶中铜线(9)和康铜线(10)的焊点与液态金属12接触；所有热电偶分为两组，两组热电偶之间的距离为有机玻璃腔体1高度的一半；
使用单独的一根铜线(8)作为所有热电偶的公共负极，其中一端接触液态金属(12)，另一端直接连接数据采集系统(13)的负极；
所有热电偶的铜线(9)和康铜线(10)均经过零度恒温槽(14)之后连接数据采集系统(13)的正极；
所述数据采集系统(13)为精度六位半的电压采集仪；
所述的有机玻璃腔体(1)上、下壁面外侧设置有加热顶板(2)和冷却底板(3)，整体置于水浴保温罩(7)中。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，其特征在于，所述的有机玻璃腔体(1)设置于铜盆(4)中的矩形空心管(5)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，其特征在于，所述的铜盆(4)设置在水平调节板(6)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，其特征在于，所述的有机玻璃腔体(1)外包裹多层保温棉。
5.根据权利要求1所述的一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统，其特征在于，所述的加热顶板(2)和冷却底板(3)使用紫铜材料。
6.基于上述权利要求1至5任意一种基于组合电势法的液态金属Seebeck系数测量系统的测量方法，包括以下步骤：
选取两组中任意两根热电偶与液态金属存在良好的电接触，焊点处的温度分别为T1和T2，T0为热电偶的参考温度，由公共负极的方法，获得两根热电偶铜线之间的电势差ΔVCu为：
ΔVCu＝SCu(T0-T2)+SL(T2-T1)+SCu(T1-T0)
＝(SCu-SL)(T1-T2)    (1)
同时，也能够获得两根热电偶康铜线之间的电势差ΔVCuNi，为：
ΔVCuNi＝SCuNi(T0-T2)+SL(T2-T1)+VCuNi(T1-T0)
＝(SCuNi-SL)(T1-T2)       (2)
结合式(1)与式(2)，通过电势差之比消除温差(T1-T2)，得到Seebeck系数之比与电势差之间的关系：
Figure FDA0003989185830000021
由于铜和康铜的Seebeck系数为已知项，因此仅需要测量铜线之间的电势差以及康铜线之间的电势差即可计算液态金属的Seebeck系数SL为：
Figure FDA0003989185830000022
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，由于实际测量过程中数据采集系统(13)会引入测量误差，在该方法下的测量误差自于电压的测量误差，因此组合电势法考虑了测量误差的系数表达式为：
Figure FDA0003989185830000023
其中δ(ΔVCu)为测量铜线之间电势差时的误差，δ(ΔVCuNi)为测量康铜线之间电势差时的误差。
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