СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕЛЬТЬЕ НЕОДНОРОДНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01R31/00 H01L35/28 

Изобретение относится к области определения термоэлектрических свойств материалов и может быть использовано для определения коэффициента Пельтье в неоднородной электрической цепи, преимущественно на спаях термоэлектрических материалов, включая полупроводниковые.

Известен способ определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи (см. Штенбек М., Баранский П.И. Методы прецизионного измерения эффекта Пельтье и термоэлектродвижущих сил. Журнал технической физики - 1956, т. 26, вып. 7, c. 1373 - 1388), основанный на пропускании через образец из исследуемого материала, который находится в контакте с медными электродами, постоянного тока, измерения разности температур на концах образца, дополнительном нагреве охлаждаемого электрода и определении в момент достижения нулевой разности температур коэффициента Пельтье П из математического выражения
П=0,5W/I
где
W - компенсирующая мощность дополнительного нагрева;
I - сила постоянного тока.

Компенсирующее воздействие осуществляется при помощи электрических нагревателей, находящихся внутри медных электродов. За счет теплопроводности электродов и всей электрической цепи трудно оценить долю электрической мощности, которая расходуется непосредственно на компенсацию охлаждения от эффекта Пельтье, так как часть мощности идет на покрытие потерь от теплоотдачи в окружающую среду. В результате этого возникает большая погрешность в определении коэффициента Пельтье, особенно при измерениях в широком диапазоне температур.

Известен также способ определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи (см. Куритнык И.П., Гамула П.Р., Скоропад Ф.И., Садовский А. Е. Термоэлектрическое эффекты: методы и средства исследований // Измерения, контроль, автоматизация. - 1991, 1 [77]. С. 19- 20, рис. 12, а), заключающийся в том, что через электрическую цепь, состоящую из двух электродов из различных материалов и образующих общий спай, пропускают постоянный ток, вызывающий охлаждение общего спая, измеряют термоэлектродвижущую силу на зажимах цепи и силу тока в ней, а коэффициент Пельтье вычисляют по формуле. Одновременно этот же ток пропускают через аналогичный спай материала в противоположном направлении, вызывая его нагрев, измеряют разность термоэлектродвижущих сил на зажимах цепи с охлажденным и нагретым спаями, а коэффициент Пельтье П определяют по математическому выражению

где
C - удельная теплоемкость материалов спая;
m - масса материалов спая;
ΔT - разность температур;
I - сила постоянного тока;
τ - время пропускания тока.

Способ осуществляется посредством двух калориметров при адиабатическом монотонном разогреве и охлаждении спаев с измерением разности температур дифференциальной термопарой. Основная трудность измерений вызвана проблемой адиабатизации, особенно в области высоких температур, для исключения влияния боковых потерь. Концевые потери, обусловленные теплопроводностью исследуемых материалов, вообще трудно исключить и они искажают результаты измерений. Значительные погрешности возникают из-за нестабильности и неравенства теплоемкостей и масс двух калориметров, а также из-за невысокой точности измерения разности температур термопарами, коэффициент термоэлектродвижущих сил (коэффициент Зеебека) которых нестабилен и зависит от температуры спая. В результате этого погрешность измерения коэффициента Пельтье известным методом, особенно для широкого диапазона температур, достигает 7-10%.

Известно устройство для определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи (см. Jimener L., Rajas E., Zamoza M. Device for simultaneous measuzurement of Peltier and Seebeck coefficients. Verification on the Kelvin relation //Z. Appl. Phys-1984, v. 56. p. 32501, 32581), содержащее термоэлектрический мост из общих спаев различных материалов, помещенных в термостаты, источник постоянного тока, миллиамперметр, милливольтметр и потенциометр постоянного напряжения.

Неизбежная неидентичность теплофизических характеристик двух спаев и зависимость результатов измерения от времени нагрева спаев не позволяет обеспечить высокую точность измерения коэффициента Пельтье.

Известно также устройство для определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи (см. Куритнык И.П., Гамула П.Р., Скоропад Ф.И., Садовский А.Е. Термоэлектрические эффекты: методы и средства исследований // Измерения, контроль, автоматизация. - 1991, 1[77], c. 20, рис. 12, б), содержащее источник постоянного напряжения, миллиамперметр, электроды из исследуемых материалов, милливольтметр и два трехполюсных переключателя. Кроме того, в состав устройства входят два дифференциальных калориметра и дифференциальная термопара, к выходу которой подключен милливольтметр. Электроды из исследуемых материалов соединены последовательно, а их спаи раздельно помещены в калориметры.

Для определения коэффициента Пельтье исследуемых материалов требуются дополнительные электроды сравнения из различных материалов с точно известным коэффициентом Пельтье. При этом дополнительные электроды в тепловом отношении должны быть идентичны исследуемым и образовывать с исследуемыми электродами общие спаи. Неконтролируемые тепловые потери через электроды сравнения, а также влияние неидентичности теплофизических характеристик двух калориметров и нестабильность градировочных характеристик термопар, включенных по дифференциальной схеме, не позволяют обеспечивать высокую точность измерения коэффициента Пельтье.

В основу изобретения положена задача создания таких способа и устройства, в которых введение новых операций в способе и элементов и их связей в устройстве позволило бы обеспечить возможность определения коэффициента Пельтье при одном спае в неоднородной электрической цепи с высокой точностью при наличии неконтролируемых тепловых потерь по электродам и непостоянных значениях коэффициента Зеебека общего спая.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи, заключающимся в том, что через электрическую цепь, состоящую из двух электродов из различных материалов и образующих общий спай, пропускают постоянный ток, вызывающий охлаждение общего спая, измеряют термоэлектродвижущую силу на зажимах и силу тока в ней, а коэффициент Пельтье вычисляют по формуле, согласно изобретению силу тока устанавливают по максимальному охлаждению спая, изменяют направление протекания тока на противоположное, нагревают общий спай и измеряют соответствующую термоэлектродвижущую силу на зажимах цепи тока после ее установления, а коэффициент Пельтье П вычисляют по математическому выражению

где
ΔE₁ - термоэлектродвижущая сила при охлаждении общего спая цепи;
ΔE₂ - термоэлектродвижущая сила при нагревании общего спая цепи;
I₀ - сила тока при максимальном охлаждении общего спая;
r - сопротивление неоднородной электрической цепи.

Поставленная задача решается также и тем что в устройство для определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи, содержащее источник постоянного напряжения, миллиамперметр, электроды из исследуемых материалов, милливольтметр и два трехполюсных переключателя, согласно изобретению введены баллон с откаченным воздухом, в котором расположены электроды из исследуемых материалов, соединенные серединами, нагреватель в тепловом контакте со срединным спаем, регулируемый источник переменного напряжения, регулируемый делитель напряжения, переменный и постоянный резисторы, дифференциальный усилитель и измеритель постоянного напряжения термоэлектрического термометра, при этом противоположные входы трехполюсных переключателей соединены между собой и подключены соответственно через миллиамперметр и переменны резистор к источнику постоянного напряжения, средние входы соединены с измерителем постоянного напряжения, входы переключателей соединены с входными зажимами электродов, середина которых заземлена, входные зажимы электродов соединены с одним входом дифференциального усилителя непосредственно, с другим - через постоянный резистор, потенциальные зажимы которого через делитель напряжения подключены к источнику постоянного напряжения, к выходу дифференциального усилителя подключен милливольтметр, а нагреватель баллона соединен с регулируемым источником переменного напряжения.

Установка тока через неоднородную электрическую цепь по максимальному охлаждению общего спая, изменение напряжения тока для нагрева общего спая, измерение установившихся термоэлектродвижущих сил после охлаждения и нагрева, вычисление коэффициента Пельтье в неоднородной электрической цепи с одним спаем и одной адиабатической оболочкой вокруг спая, исключающее необходимость подбора парных элементов со стабильными и идентичными характеристиками обеспечили возможность определения коэффициента Пельтье неоднородной цепи с высокой точностью при наличии неконтролируемых тепловых потерь по электродам и непостоянных значениях коэффициента Зеебека общего спая.

Расположение электродов из исследуемых материалов, соединенных своими серединами, в баллоне с откаченным воздухом, введение в измерительную схему регулируемых делителей напряжения и источника переменного напряжения, постоянного и переменного резисторов, дифференциального усилителя, соединенных указанным образом, также обеспечили возможность определения коэффициента Пельтье при одном спае в цепи с высокой точностью при наличии неконтролируемых тепловых потерь по электродам и непостоянных значениях коэффициента Зеебека общего спая.

На чертеже представлена схема устройства для определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, переменный резистор 2, миллиамперметр 3, трехполюсные переключатели 4 и 5, измеритель 6 термоэлектрического термометра, металлический или стеклянный баллон 7, в котором расположены электроды 8 и 9 из исследуемых материалов, соединенные серединами, нагреватель 10 в тепловом контакте со срединным спаем в среде с откаченным воздухом, регулируемый источник 11 переменного напряжения, постоянный резистор 12, дифференциальный усилитель 13, регулируемый делитель 14 напряжения и милливольтметр 15.

К источнику 1 напряжения через переменный резистор 2 и миллиамперметр 3 подключены противоположными входами трехполюсные переключатели 4 и 5. Средние входы переключателей 4 и 5 соединены с измерителем 6 термоэлектрического термометра. Выходы переключателей 4 и 5 подведены к баллону 7 и соединены с входными зажимами электродов 8 и 9, соединенных серединами. Нагреватель 10, находящийся в тепловом контакте со срединным спаем электродов 8 и 9, подключен к регулируемому источнику 11 переменного напряжения. Выходной зажим электрода 9 через постоянный резистор 12 соединен с одним входом дифференциального усилителя 13, другой вход которого непосредственно соединен с выходным зажимом электрода 8. Потенциальные зажимы резистора 12 через делитель 14 напряжения соединены с выходами источника 1 постоянного напряжения. К выходу дифференциального усилителя 13 подключен милливольтметр 15.

В металлическом или стеклянном баллоне 7 воздух откачен, что снижает конвективный теплообмен общего спая электродной цепи и прилегающих участков электродов 8 и 9 до пренебрежимо малой величины Средний спай электрической цепи 8 и 9 с дополнительным нагревателем 10 заземлены, что создает общую низкопотенциальную точку измерительной схемы. Контроль температуры спая осуществляется с помощью термоэлектрического термометра, образованного электродами 8 и 9 и измерителем постоянного напряжения 6.

Сущность способа определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи состоит в следующем.

Через электрическую цепь, состоящую из двух электродов из различных материалов и образующих общий спай, пропускают постоянный ток. Направление протекания тока выбирают таким, чтобы в общем спае цепи поглощалось тепло Пельтье, вызывая его охлаждение. В результате охлаждения температура спая понижается на величину
-ΔT₁= T₂-T₁, (1)
где
T₁ - температура электродов;
T₂ - температура спая электродов.

При учете эффекта Пельтье в плоскости спая и выделения тепла Джоуля в объеме электродов (эффектом Томсона пренебрегаем) можно принять, что половина тепла Джоуля из электродов переносится в холодный спай, а половина - к выходным зажимам цепи, где она рассеивается в окружающую среду. Таким образом, тепло, поглощаемое холодным спаем в единицу времени
q=-ПI+1/2•I²r, (2)
где
П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов электродов;
r - суммарное сопротивление электродов;
I - ток электрической цепи.

Если пренебречь непосредственным теплообменом спая с окружающей средой, то тепловой баланс охлаждаемого в результате эффекта Пельтье спая определится уравнением

где
λ₀ - теплопроводность электродов.

Силу тока через спай выбирают из условия получения его максимального охлаждения, которое имеет место, когда производная по току

При протекании через спай оптимального по охлаждению тока

устанавливается максимальный перепад температуры

Здесь


где
q₁ и q₂ - электропроводности материалов электродов;
λ₁ и λ₂ - коэффициенты теплопроводности материалов электродов;
F₁ и F₂ - площадь поперечных сечений электродов;
l - длина электродов.

За счет охлаждения общего спая в цепи возникает теромоэлектродвижущая сила (термоЭДС) на зажимах электрической цепи
(9)
где
S - коэффициент термоЭДС (Зеебека) спая.

Максимальное значение термоЭДС с учетом выражения (6) принимает вид

Изменяют ток в цепи до фиксации максимального значения термоЭДС ΔE_1макс, которое измеряют милливольтметром. При этом измеряют значение оптимального тока I_о через спай.

Затем изменяют направление протекания тока через спай на противоположное. Так как эффект Пельтье реверсивный, то при изменении направления тока через спай возникает его нагрев. При этом термоЭДС вначале уменьшается, изменяет свой знак и увеличивается до значения

Измеряют установившееся значение термоЭДС ΔE₂ милливольтметром.

Далее вычисляют разность и сумму измеренных термоЭДС


Определяют отношение суммарной термоЭДС к разностной, получая

Из соотношения (14) получают значение коэффициента Пельтье

Из полученного выражения (15) видно, что значение коэффициента Пельтье определяется измеренными значениями термоЭДС измеренным значением оптимального тока I₀ через спай электрической цепи и ее сопротивлением r, которое измеряется одним из известных способов. В то же время на результат определения П не влияет значение теплопроводности электродов, а следовательно, и интенсивность теплообмена цепи с окружающей средой. Исключено также влияние коэффициента термоЭДМ S, который нестабилен и зависит от температуры спая, и поэтому точное значение его неизвестно.

Устройство для определения коэффициента Пельтье электрической неоднородной цепи работает следующим образом.

Вначале переключатели 4 и 5 устанавливаются в среднее положение, общий спай цепи из электродов 8 и 9 подогревается нагревателем 10, а температура спая по термоЭДС контролируется измерителем 6, шкала которого отградуирована в ^oC. Регулировкой напряжения источника 11 переменного тока устанавливается требуемая температура спая T₀. Милливольтметром 15 измеряют соответствующую температуру T₀ термоЭДС E₀ с выходных зажимов 8 и 9. С помощью моста переменного тока на схеме не показан) измеряется сопротивление r при температуре T₀ со стороны входных зажимов электродов 8 и 9. Затем термоЭДС E₀ с выходных зажимов электродов 8 и 9 суммируют на резисторе 12 с частью выходного напряжения делителя 14 напряжения, который создает противоположное по полярности компенсирующее напряжение. Разностное напряжение усиливается дифференциальным усилителем 13 и измеряется милливольтметром 15. Регулировкой делителя 14 напряжения по нулевому показанию милливольтметра 15 устанавливается полная компенсация термоЭДС E₀ электродов при заданной температуре спая T₀. Далее переключатели 4 и 5 переводятся в верхнее положение и через входную пару полуэлектродов 8, 9 начинает протекать постоянный ток, вызывая охлаждение серединного спая. Сила тока, протекающего через спай, регулируется переменным резистором 2 и измеряется миллиамперметром 3. Периодически переводя переключатели 4 и 5 в среднее положение после очередной регулировки тока, устанавливают режим максимального охлаждения спая по наибольшему показанию милливольтметра 15. Измеряют силу оптимального тока I₀ по миллиамперметру 3 и разностную термоЭДС по милливольтметру 15 со стороны входной пары полуэлектродов 8, 9. После этого переключатели 4 и 5 переводят в нижнее положение. При этом направление протекания тока через спай входной пары полуэлектродов 8,9 изменяется на противоположное. ТермоЭДС выходной пары полуэлектродов 8,9 начинает уменьшаться, достигает нулевого значения и затем начинает возрастать за счет дополнительного нагрева общего спая. Измеряют установившееся значением разностной термоЭДС по милливольтметру 15 со стороны выходной пары полуэлектродов 8,9.

По измеренным значениям ΔE₁ и ΔE₂ без предварительного нагрева спая по формуле (15) вычисляют значение коэффициента Пельтье П(T₀) для заданной температуры или значениe П для температуры окружающей среды.

Исследования показали возможность определения коэффициента Пельтье различных материалов в диапазоне значений (0,01-0,5)мВт/мА при температуре 20-100^oC с относительной погрешностью не более 0,5%. При этом отпала необходимость в специальных схемах компенсации влияния тепла Джоуля на спай электрической цепи, так как по предлагаемому способу эффекты Пельтье и Джоуля разделяются и совместно используются для вычисления только коэффициента Пельтье.

Сущность изобретения: через электрическая цепь, состоящую из двух электродов из различных материалов и образующих общий спай, пропускают постоянный ток. Направление протекания тока выбирают таким, чтобы в общем спае цепи поглощалось тепло Пельтье, вызывая его охлаждение. В результате охлаждения температура спая понижается. Таким образом, изменяя температуру спая и измеряя значения термо-ЭДС, определяют зависимость коэффициента Пельтье от температуры спая электрической цепи. При этом количества тепла Пельтье и Джоуля полностью разделяются и учитываются при расчете коэффициента Пельтье. Устройство, реализующее способ, состоит из источника постоянного напряжения, переменного резистора, миллиамперметра, трехполюсных переключателей, измерителя термоэлектрического термометра, стеклянного баллона, в котором расположены электроды из исследуемых материалов, нагреватель, регулируемый источник переменного напряжения, постоянный резистор, дифференциальный усилитель, регулируемый делитель напряжения и милливольтметр. Технический результат состоит в исключении необходимости компенсации влияния тепла Джоуля на спай электрической цепи. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи, заключающийся в том, что через электрическую цепь, состоящую из двух электродов из различных материалов и образующих общий спай, пропускают постоянный ток, вызывающий охлаждение общего спая, измеряют термоэлектродвижущую силу на зажимах цепи, силу тока и сопротивление цепи, а коэффициент Пельтье вычисляют по формуле, отличающийся тем, что силу тока в электрической цепи устанавливают по максимальному охлаждению спая, измеряют соответствующую термоэлектродвижущую силу на зажимах цепи и протекающий через нее ток, изменяют направление протекания тока в цепи на противоположное, измеряют соответствующую термоэлектродвижущую силу на зажимах цепи после ее установления, а коэффициент Пельтье вычисляют по математическому выражению

где ΔE₁ - термоэлектродвижущая сила при охлаждении спая цепи;
ΔE₂ - термоэлектродвижущая сила при нагревании спая цепи;
I_о - сила тока при максимальном охлаждении спая;
r - сопротивление электрической цепи. 2. Устройство для определения коэффициента Пельтье неоднородной электрической цепи, содержащее источник постоянного напряжения, переменный резистор, миллиамперметр, баллон, в котором расположены два электрода из исследуемых материалов, соединенных серединами, нагреватель в тепловом контакте со срединным спаем, и откачан воздух, регулируемый источник переменного напряжения, подключенный к нагревателю, милливольтметр и термоэлектрический термометр, отличающееся тем, что в него дополнительно введены регулируемый делитель напряжения, постоянный резистор, дифференциальный усилитель и два трехполюсных переключателя, противоположные входы которых соединены между собой и подключены соответственно через миллиамперметр и переменный резистор к источнику постоянного напряжения, средние входы соединены с измерителем термоэлектрического термометра, выходы переключателей соединены с входными зажимами электродов, середина которых заземлена, выходные зажимы электродов соединены с одним входом дифференциального усилителя непосредственно, с другими - через постоянный резистор, потенциальные зажимы которого через делитель напряжения подключены к источнику постоянного напряжения, а к выходу дифференциального усилителя подключен милливольтметр.