CN213239994U - 塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，包括加热面相对设置的上、下加热器及待测模块、温度传感器、采集器、计算机，上加热器可上下升降，待测模块置于上、下加热器之间，温度传感器设有2个、分别贴合在上、下加热器的加热面上，采集器分别与待测模块、温度传感器、计算机电性连接；待测模块包括外罩及置于外罩内的热电材料，热电材料两端分别与设于外罩上下端面的上、下电极电性连接，使用时上、下电极分别与上、下加热器加热面紧密接触。本实用新型通过将热电材料封装成待测模块，利用采集器采集其上下电极的热电势差和温度信号并上传给计算机处理，不仅可以测量塞贝克系数，还可以验证热电偶的相关基本定律。

Description

塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置

技术领域

本实用新型涉及热电材料物理性能测量技术领域，具体涉及一种热电材料塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置。

背景技术

1821年，德国科学家塞贝克发现：两种不同的导电材料(a和b)两端相接触构成一个闭合回路，如果两个接头处具有不同的温度，回路中将产生电流，这个电流称为热电流，产生电流的电动势称为热电势差E或者塞贝克电动势，该现象称为塞贝克效应。只要两接头间的温差ΔT不是很大，E与ΔT的关系就是线性的，即有E＝Sab*ΔT，其中Sab为常数，该常数称为两种导电材料a和 b的相对塞贝克系数，常用单位是μV/K(微伏每开尔文)。此外，E可正可负，通常规定：冷端相对于热端为正电势，则Sab为正；冷端相对于热端为负电势，则Sab为负。Sab的大小和正负取决于两种不同导体的热电特性，而与温度梯度的大小和方向无关。需要说明的是，相对塞贝克系数为两种导电材料的绝对塞贝克系数之差，即Sab＝Sa-Sb。

一般情况下，金属及其合金的绝对塞贝克系数大小约为0～50μV/K，而半导体材料可达几百μV/K，室温下铜的绝对塞贝克系数低于2μV/K，由于这个数值相对较小，所以一般在精度要求不高的场合常以一种材料为铜的热电偶来测量，把所得结果当做待测材料的绝对塞贝克系数。为避免混淆，后面提到的塞贝克系数，若是一种材料，则指的是绝对塞贝克系数，否则指的是相对塞贝克系数。由于载流子的热运动和晶格对载流子的散射强度均受温度影响，导致不同类型材料的塞贝克系数有正有负，塞贝克系数为负的金属称为正常金属，塞贝克系数为正的金属称为反常金属。通过测量半导体的塞贝克系数也可以判断半导体的导电类型：高温端电势较高则为N型，高温端电势较低则为P型。

根据塞贝克效应可以制作用于测量温度的热电偶。热电偶由两种不同材料的均质导体组成，两种导体一端接在一起，测温时置于被测温场中，称为测温端或工作端，另一端并不接在一起，而是作为两个自由电极，称为自由端或参考端，参考端通常处于某个已知的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表。分度表是参考端温度在0℃的条件下得到的，不同类型，即由不同材料组合的热电偶具有不同的分度表。热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接将温度信号转换成热电动势信号，再通过电气仪表转换成被测介质的温度。但需要注意的是，热电偶的生产和使用需要符合下列基本定律才能得到正确的温度：

1、均质导体定律：由同一种均质材料(导体或半导体)组成的闭合回路，无论其截面、长度、温度如何分布，将不产生热电势，即回路中总电势为零。可见，热电偶必须由两种不同的均质材料构成；另外，若热电极材料不均匀，由于温度梯度存在，也会产生附加电势，影响热电偶的测量精度。

2、中间导体定律：在热电偶回路中引入中间导体(第三种导体材料)，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。

3、中间温度定律：两接点温度为T_H、T_C的热电偶回路的热电势，等于热电偶在温度为T_H、T_n时的热电势与温度为T_n、T_C时的热电势的代数和，即E(T_H， T_C)＝E(T_H，T_n)+E(T_n，T_C)，T_n称为中间温度。通常在较大温度范围内，热电偶的热电势与温度之间呈非线性，当参考端温度不为0℃时，不能利用已知回路实测热电势直接查分度表换算成工作端的温度值，也不能利用该换算温度再加上参考端温度作为工作端温度，而需要按照中间温度定律进行修正。

4、参考电极定律：导体a、b组成的热电偶的热电势，等于相同温差下导体a、c组成的热电偶的热电势与导体c、b组成的热电偶的热电势的代数和，即E_ab(T_H，T_C)＝E_ac(T_H，T_C)+E_cb(T_H，T_C)，c称为参考电极。参考电极定律大大简化了热电偶的选配工作，只要我们获得有关热电极与标准电极配对的热电势，那么任何两种热电极配对时的热电势便可求得，而不需逐个进行配对测定。

实验教学中，热电效应实验装置往往通过在材料两端形成5℃～10℃范围内的某恒定温差，并测量两端的热电势差来计算待测热电材料的塞贝克系数。但是现有的实验装置存在如下不足：

1、缺乏验证热电偶基本定律的内容。热电偶是基于塞贝克效应的典型应用，在温度测量领域应用广泛，但是使用热电偶测温必须遵循一定的使用规范才能得到准确结果，从实验教学的角度讲就是要验证上面提到的几个基本定律，现有的实验装置由于待测器件的不完善目前还无法实现热电偶基本定律的验证。

2、待测热电材料不便更换和收纳。由于待测热电材料一般就是多根细长的金属丝或小块状的半导体，都是一些很零碎的散件，不便于收纳；而且由于丝状无法像半导体块一样可采用对顶压紧的方式进行良好热接触，导致更换待测材料时两端的接触方式不统一，不便更换。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种热电材料塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，将热电材料封装成待测模块的形式，不仅可以测量塞贝克系数，还可以验证热电偶的相关基本定律。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，包括：

下加热器；

上加热器，其加热面与所述下加热器加热面相对且可上下升降；

待测模块，置于所述下加热器与上加热器之间；

温度传感器，设有2个、分别贴合在所述下加热器与上加热器的加热面上；

采集器，分别与所述待测模块、温度传感器电性连接；及

计算机，与所述采集器电性连接、用于数据分析和程序控制；

其中，所述待测模块包括外罩及置于所述外罩内的热电材料，所述热电材料两端分别与设于所述外罩上下端面的上电极、下电极电性连接，使用时所述上电极、下电极分别与所述上加热器、下加热器加热面紧密接触。

在本申请公开的一个实施例中，所述外罩一侧端设有接头，所述接头内部分别与所述上电极、下电极电性连接，所述接头外部与所述采集器电性连接。

在本申请公开的一个实施例中，所述待测模块分为半导体模块和金属模块两类。

在本申请公开的一个实施例中，所述热电材料为热电半导体时，所述待测模块为半导体模块；所述半导体模块有1个上电极和1个下电极，所述热电半导体被对顶压紧在所述上电极与下电极之间。

在本申请公开的一个实施例中，所述热电材料为热电金属时，所述待测模块为金属模块；所述金属模块有1个上电极和3个相互电绝缘的下电极，所述热电金属焊接在所述上电极与下电极之间。

在本申请公开的一个实施例中，所述金属模块的上电极为公共电极，所述热电金属的一端均焊接在所述上电极上、另一端根据所述接头引脚的对应关系分别焊接在不同的下电极上。

在本申请公开的一个实施例中，所述上电极、下电极均为良导热及良导电体。

在本申请公开的一个实施例中，所述上加热器与下加热器分别由输出功率可调的电源独立供电，所述电源输入端与所述计算机电性连接，所述电源输出端分别与所述上加热器、下加热器电性连接。

在本申请公开的一个实施例中，所述电源的输出功率由所述计算机程序控制或者操作者手动控制调节。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、将热电材料封装成待测模块，利用采集器采集其上下电极的热电势差和温度信号并上传给计算机处理，不仅可以测量塞贝克系数，还可以验证热电偶的相关基本定律；

2、将热电材料以模块结构的形式封装起来，提高了实验的便捷性，同时使得热电材料的更换更加方便，也便于统一收纳。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为半导体模块的结构示意图；

图3为金属模块的结构示意图；

图4为半导体模块测量塞贝克系数时的结构示意图；

图5为金属模块测量塞贝克系数时的结构示意图；

图6为均质导体定律模块的结构示意图；

图7为中间导体定律模块的结构示意图；

图8为中间温度定律模块的结构示意图；

图9为参考电极定律模块的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“水平”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

参见图1～图9所示，本实用新型提供了一种塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，包括：

下加热器100；

上加热器200，其加热面与下加热器100加热面相对且可上下升降；

待测模块300，置于下加热器100与上加热器200之间；

温度传感器400，设有2个、分别贴合在下加热器100与上加热器200的加热面上；

采集器500，分别与待测模块300、温度传感器400电性连接；及

计算机600，与采集器500电性连接、用于数据分析和程序控制；

其中，待测模块300包括外罩310及置于外罩310内的热电材料320，热电材料320两端分别与设于外罩310上下端面的上电极311、下电极312电性连接，使用时上电极311、下电极312分别与上加热器200、下加热器100加热面紧密接触。

具体地，上加热器200与下加热器100的加热面均为均匀导热但电绝缘的平面，二者平行放置且两平行面间的距离可通过上加热器200的升降来进行调节。如图1所示，上加热器200与下加热器100分别由输出功率可调的电源700 独立供电，电源700输入端与计算机600电性连接，电源700输出端分别与上加热器200、下加热器100电性连接；电源700的输出功率由计算机600程序控制或者操作者手动控制调节，以实现对温度传感器400所在的上加热器200、下加热器100加热面的温度控制。温度传感器400自身热容可忽略，且分别能够与下加热器100、上加热器200的加热面实现良好热传导。采集器500采集来自待测模块300和温度传感器400的信号，并实时上传给计算机600进行数据分析，从而进一步计算出热电材料320的塞贝克系数，并验证热电偶的相关基本定律。

外罩310一侧端设有接头313，接头313内部分别与上电极311、下电极312 电性连接，接头313外部与采集器500电性连接。具体地，外罩310起支撑上电极311、下电极312和防风隔热的作用，上电极311、下电极312按不同的要求通过焊接在其上的导线(如铜导线)连接到外罩310的接头313上；上电极 311、下电极312均为较薄的良导热及良导电体(如纯铜)，以尽量减小电极本身引起的温度误差，使其始终处于实验误差要求的范围内；上电极311、下电极 312分别能与上加热器200、下加热器100加热面实现良好热传导。

待测模块300分为半导体模块和金属模块两类。具体地，热电材料320为热电半导体时，待测模块300为半导体模块；如图2所示，半导体模块有1个上电极311和1个下电极312，热电半导体被对顶压紧在上电极311与下电极 312之间；半导体模块根据热电半导体材料的不同，可以有多个半导体模块。热电材料320为热电金属时，待测模块300为金属模块；如图3所示，金属模块有1个上电极311和3个相互电绝缘的下电极312，热电金属采用适当的焊接工艺焊接在上电极311与下电极312之间；上电极311为公共电极，热电金属的一端均焊接在上电极311上，而另一端根据接头313引脚的对应关系分别焊接在不同的下电极312上；类似地，金属模块根据热电金属材料的不同以及为验证热电偶不同基本定律导致的热电金属组合的不同，可以有多个金属模块。将热电材料以模块结构的形式封装起来，提高了实验的便捷性，同时使得热电材料的更换更加方便，也便于统一收纳。

实验时，先提升上加热器200的高度，然后将待测模块300放置在上加热器200和下加热器100之间，最后下降上加热器200的高度，并适当压紧，以实现上电极311、下电极312与上加热器200、下加热器100加热面之间的良好热传导。根据不同的实验要求，分别通过调节电源700的输出功率对上下加热面的温度进行控制，再通过采集器500采集热电势差和温度信号并实时上传给计算机600，最后由计算机600分析不同条件下采集的热电势差和上下加热器的温度数据，计算不同材料的塞贝克系数，并验证热电偶的相关基本定律。具体如下(下列叙述中的“0”代表上电极311，“1、2、3”代表下电极312)：

参见图4和图5所示，对于半导体或者金属的塞贝克系数测量，上端为高温端T₁，下端为低温端T₂，控制温差ΔT＝T₁-T₂在5～10℃范围内(下同)，且温差稳定。采集低温端相对于高温端的电压U_i0(其中0为高温端电极代号；i为低温端电极代号，取1、2、3)，则被测半导体或者金属的塞贝克系数为 S＝U_i0/(T₁-T₂)。对于半导体，若S符号为正，则材料属于P型半导体，否则为N 型半导体；对于金属，若S符号为正，则材料属于反常金属，否则为正常金属。

参见图6所示，对于均质导体定律模块，1-0电极，2-0电极，3-0电极之间的导体a、b、c均为同质均匀材料(如铜)，区别在于a与b长度相同、粗细不同，而a与c长度不同、粗细相同。当T₁＝T₂时，U_ij(i和j均可取1、2、3，但i≠j，下同)均相等，且近乎于零(受限于噪声)；当T₁≠T₂时，结果同上。说明对于同一种均匀材料组成的热电偶(导线和被测材料均为铜)，无论截面大小、材料长短以及温度分布如何不同，均不产生热电势，也不引起热电势变化，验证了均质导体定律。

参见图7所示，对于中间导体定律模块，1-0电极，2-0电极，3-0电极之间的导体a、a+b+a、c为均匀但不同质的材料，其中2-0电极之间的材料由a、b两种不同材料构成，且材料b与两端为a的材料相接，同时材料b在空间上围成一个不闭合的环状结构，以确保材料b的首尾温度相同。当T₁≠T₂且温差稳定时，测量U₁₃和U₂₃，可以得到U₁₃＝U₂₃。说明在a和c组成的热电偶回路中引入第三种导体材料b，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，验证了中间导体定律。

参见图8所示，对于中间温度定律模块，1-0电极，3-0电极之间的导体a、 c为均匀但不同质的材料。分别独立控制上下电极的温度T₁和T₂，形成三组不同的温差情况，分别为(T_H，T_n)、(T_n，T_C)、(T_H，T_C)，测量每组稳定温差下电极1和3之间的电压U_{13_Hn}、U_{13_nC}、U_{13_HC}，可以得到U_{13_HC}＝U_{13_Hn}+U_{13_nC}，验证了中间温度定律。

参见图9所示，对于参考电极定律模块，1-0电极，2-0电极，3-0电极之间的导体a、b、c为均匀但不同质的材料。当T₁≠T₂且温差稳定时，测量U₁₂、 U₂₃和U₁₃，可以得到U₁₃＝U₁₂+U₂₃，验证了参考电极定律。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (9)

1.塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，包括：

下加热器；

上加热器，其加热面与所述下加热器加热面相对且可上下升降；

待测模块，置于所述下加热器与上加热器之间；

温度传感器，设有2个、分别贴合在所述下加热器与上加热器的加热面上；

采集器，分别与所述待测模块、温度传感器电性连接；及

计算机，与所述采集器电性连接、用于数据分析和程序控制；

其中，所述待测模块包括外罩及置于所述外罩内的热电材料，所述热电材料两端分别与设于所述外罩上下端面的上电极、下电极电性连接，使用时所述上电极、下电极分别与所述上加热器、下加热器加热面紧密接触。

2.根据权利要求1所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述外罩一侧端设有接头，所述接头内部分别与所述上电极、下电极电性连接，所述接头外部与所述采集器电性连接。

3.根据权利要求2所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述待测模块分为半导体模块和金属模块两类。

4.根据权利要求3所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述热电材料为热电半导体时，所述待测模块为半导体模块；所述半导体模块有1个上电极和1个下电极，所述热电半导体被对顶压紧在所述上电极与下电极之间。

5.根据权利要求3所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述热电材料为热电金属时，所述待测模块为金属模块；所述金属模块有1个上电极和3个相互电绝缘的下电极，所述热电金属焊接在所述上电极与下电极之间。

6.根据权利要求5所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述金属模块的上电极为公共电极，所述热电金属的一端均焊接在所述上电极上、另一端根据所述接头引脚的对应关系分别焊接在不同的下电极上。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述上电极、下电极均为良导热及良导电体。

8.根据权利要求1所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述上加热器与下加热器分别由输出功率可调的电源独立供电，所述电源输入端与所述计算机电性连接，所述电源输出端分别与所述上加热器、下加热器电性连接。

9.根据权利要求8所述的塞贝克系数测量及热电偶基本定律验证装置，其特征在于，所述电源的输出功率由所述计算机程序控制或者操作者手动控制调节。

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