雙端可調(diào)的塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x
20世紀(jì)末以來(lái),對(duì)熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。作為一種能源轉(zhuǎn)換材料,熱電材料的應(yīng)用不需要傳動(dòng)部件,工作時(shí)無(wú)噪音,無(wú)排棄物,與太陽(yáng)能,風(fēng)能,水能等二次能源的應(yīng)用一樣,對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染,并且這種材料性能可靠,使用壽命長(zhǎng),具有廣泛的應(yīng)用前景。
塞貝克系數(shù)是熱電材料的重要性能參數(shù)之一,現(xiàn)有涉及塞貝克系數(shù)的測(cè)試裝置,主要存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,測(cè)試過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng),需根據(jù)極性來(lái)進(jìn)行樣品安裝,測(cè)量精度較低等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,系統(tǒng)采用了精確的高電壓電流控制電路,選用半導(dǎo)體致冷片作為制冷機(jī)制,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行快速的溫度控制以及測(cè)量。
1 熱電材料簡(jiǎn)介
熱電材料指通過(guò)其熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。目前已有一系列的熱電材料被研制出來(lái),如Biz'17、e系、PbTe系、SiGe系等合金,但由于其熱電轉(zhuǎn)換率相對(duì)較低,限制了熱電材料的廣泛應(yīng)用。衡量熱電材料的熱電性能使用優(yōu)值系數(shù)Z,Z值越高,熱電轉(zhuǎn)換效率越高,熱電材料的性能越好。優(yōu)值系數(shù)Z可通過(guò)以式(1)計(jì)算得出:
其中:S是塞貝克系數(shù);σ是材料的電導(dǎo)率;k是材料的熱導(dǎo)率。
塞貝克系數(shù)是熱電材料重要的性能參數(shù)之一,從式(1)可見(jiàn),塞貝克系數(shù)s越大,優(yōu)值系數(shù)Z越大,材料的熱電性能越好。精確測(cè)量材料的塞貝克系數(shù),對(duì)于研究熱電材料性能以及開發(fā)新型熱電材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
熱電材料的塞貝克系數(shù)可表示為:
式中:E為溫差電材料兩端產(chǎn)生的塞貝克電動(dòng)勢(shì);S即塞貝克系數(shù);ΔT為溫差電材料兩端的溫差。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2.1 系統(tǒng)概述
傳統(tǒng)測(cè)量塞貝克系數(shù)的裝置,都是固定一端用于加熱,另一端用于制冷,對(duì)不同極性的樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要重新裝卸。該系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是在每個(gè)樣品夾內(nèi)均設(shè)有加熱及制冷機(jī)構(gòu),樣品夾內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)采用交流調(diào)壓模塊控制加熱絲實(shí)現(xiàn),制冷機(jī)構(gòu)采用半導(dǎo)體致冷片實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片是一種利用半導(dǎo)體珀?duì)柼?yīng)而制的器件,將其冷端貼在樣品夾上,熱端與水冷裝置相連。致冷片通過(guò)吸熱效應(yīng)把樣品一端的熱量傳至致冷片的熱端,并通過(guò)水冷裝置把樣品冷端的熱量帶離系統(tǒng)。該測(cè)量?jī)x的熱電材料溫度控制測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
通過(guò)加熱與致冷機(jī)制,該系統(tǒng)可以從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行測(cè)量、且不需確定待測(cè)樣品的極性,對(duì)于溫度的控制響應(yīng)迅速且精度較高,可避免將樣品從樣品夾上拆卸再重新裝上所帶來(lái)的麻煩,簡(jiǎn)化了測(cè)試步驟,縮短了測(cè)試時(shí)間。
該測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)電路如圖2所示。
溫度傳感器測(cè)量出的溫度信號(hào),經(jīng)中心控制器模糊自調(diào)整PID運(yùn)算后,求得兩路通道的加熱控制值及制冷控制值,分別通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和積分電路,輸出至相應(yīng)的控制執(zhí)行電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。樣品兩端的電勢(shì)差,經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換送入中心控制器。
2.2 溫度測(cè)量電路
溫度測(cè)量電路由恒流源電路以及放大濾波電路組成。該設(shè)計(jì)采用豪蘭德電流源電路,引入了深度負(fù)反饋,利用集成運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流輸出,電路如圖3所示。恒流源輸出的1 mA電流傳至溫度傳感器PT100,把溫度值轉(zhuǎn)變電壓信號(hào)輸入至放大濾波電路,經(jīng)過(guò)增益以及有源低通濾波器濾波后,由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入中心控制器。
2.3 控制執(zhí)行電路
對(duì)于樣品的控溫,需要較大的功率,因此涉及對(duì)高電流及高電壓的精確控制,這是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。系統(tǒng)的加熱與制冷采用不同的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了高精度的電壓電流控制。加熱電路采用全隔離單相交流調(diào)壓模塊。全隔離單相交流調(diào)壓模塊是集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體,當(dāng)改變控制電壓的大小,就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角,實(shí)現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。由中心處理器輸入0~10 V直流控制信號(hào),輸出0~220 V可調(diào)交流電壓,驅(qū)動(dòng)加熱絲進(jìn)行加熱。該系統(tǒng)采用PwM脈沖對(duì)半導(dǎo)體致冷片Peltier進(jìn)行控制,通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)控制制冷的程度。制冷電路通過(guò)PwM控制積分電路的充電以及放電,當(dāng)PwM脈沖為低電平時(shí),MOS管導(dǎo)通,電容開始充電,電流經(jīng)Peltier及電感流到地;當(dāng)PwM脈沖為高電平時(shí),MOS管截止,由于電流突變,電感產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì),這時(shí)電流呈線性下降的趨勢(shì),通過(guò)控制MOS管的導(dǎo)通和截止,就能形成與脈沖的占空比有關(guān)的電流,以驅(qū)動(dòng)致冷片Peltier進(jìn)行制冷。電路中的電感與電容組成的電感電容濾波器在這里有2個(gè)功能:一是減少PwM驅(qū)動(dòng)造成的電磁干擾;二是濾波使得較為穩(wěn)定的電壓輸出提升了Peltier的制冷性能。系統(tǒng)還接有風(fēng)扇,直接對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行散熱。系統(tǒng)的PWM積分電路如圖4所示。
2.4 電壓測(cè)量電路
由于熱電材料兩端輸出的電壓信號(hào)較微弱,為微伏量級(jí),因此采用高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7714,測(cè)量精度可達(dá)1μV。樣品兩端的電勢(shì)差以全差分的形式輸入至24位A/D轉(zhuǎn)換電路,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào),光電隔離后輸入中心控制器,具有較高的抗干擾性。
2.5 中心處理器
中心處理器是熱電材料溫度控制測(cè)量?jī)x的核心,用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量以及控制的功能。系統(tǒng)采用MSP430F157作為中心處理器的MCU,具有8路12位A/D轉(zhuǎn)換以及2路12位D/A轉(zhuǎn)換,支持多路測(cè)溫以及雙通道控制信號(hào)輸出,可以滿足系統(tǒng)對(duì)于2路的溫度測(cè)量以及加熱制冷控制的要求。有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高集成度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。
中心處理器還實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的USB通信功能。本系統(tǒng)選用NI的LabView作為監(jiān)控軟件開發(fā)平臺(tái),給測(cè)試工作帶來(lái)了很大的方便;同時(shí)也帶來(lái)一種人性化的信息。該系統(tǒng)可外接液晶顯示和鍵盤,可以脫離上位機(jī)進(jìn)行測(cè)量,具有較高的靈活性。
3 算法分析
該系統(tǒng)采用模糊自調(diào)整PID控制,既具有模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),又具有PID控制精度高的特點(diǎn),可達(dá)到較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。
典型的離散差分PID表達(dá)式為:
式中:ui為第i個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)輸出量;e(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)的輸入偏差;Kp為比例系數(shù);KI為積分系數(shù),KI=KPT/TI;KD為微分系數(shù),KD=KPTD/T。
系統(tǒng)中的自調(diào)整PID控制器以測(cè)量溫度值與設(shè)定溫度值的偏差E和該偏差的變化率EC作為輸入,利用模糊理論在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正。把偏差E和偏差變化率EC劃分為NB,.NM,NS,Zo,PS,PM,PB七個(gè)模糊子集。根據(jù)| E|I和|EC|所屬的模糊子集,計(jì)算出相應(yīng)的PID參數(shù):
式中:Kpi,kIi和KDi(i=1,2,…,5)分別是在不同狀態(tài)下對(duì)參數(shù)KP,KI和KD用常規(guī)PID參數(shù)整定法得到整定值。用在線自整定的PID參數(shù)KP,KI,KD就可根據(jù)式(3)計(jì)算出輸出控制值ui。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論
對(duì)于塞貝克系數(shù)的確定該系統(tǒng)采用改進(jìn)的Har—man方法,只要知道樣品兩端的電勢(shì)差以及溫度差,就可求出塞貝克系數(shù)。
式中:V為樣品兩端電勢(shì)差;Th為樣品熱端的溫度;T,為樣品冷端溫度。在對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí),首先用測(cè)量?jī)x(見(jiàn)圖5)調(diào)節(jié)樣品兩端的溫度Th,Tc,測(cè)量樣品在不同的溫差條件下的電勢(shì)差,以此計(jì)算出對(duì)應(yīng)的塞貝克系數(shù),并找出塞貝克系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的Tb與Tc值。
定義樣品熱端溫度與冷端溫度的平均溫度為:
改變Th,Tc值,但保持塞貝克系數(shù)最大時(shí)的平均溫度Tavg值不變,測(cè)量在固定Tavg下樣品兩端的電勢(shì)差,驗(yàn)證該塞貝克系數(shù)是否符合式(2)的規(guī)律。
為了驗(yàn)證該系統(tǒng),完成對(duì)熱電材料樣品塞貝克系數(shù)的測(cè)量,選用性能相近,但極性相反的N型及P型。BizTe系樣品,在15~70℃的溫度范圍內(nèi),分別改變樣品冷端和熱端的溫度,使平均溫度Tavg在一定范圍內(nèi)變化,并同時(shí)測(cè)量?jī)煞N樣品兩端的電勢(shì)差。
結(jié)果如圖6所示,在平均溫度Tavg=310.9 K時(shí),待測(cè)N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值,為293.88μV/K;在平均溫度Tavg=311.4 K時(shí),待測(cè)N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值,為270.18μV/K。
分別保持兩種熱電材料的平均溫度維持在塞貝克系數(shù)最大時(shí)的數(shù)值下不變,改變待測(cè)樣品冷熱兩端的溫度Th,Tc,使△T=| T1一T2|在一定范圍內(nèi)變化,并同時(shí)測(cè)量?jī)啥说碾妱?shì)差。
N型和P型熱電材料得溫差電動(dòng)勢(shì)如圖7、圖8所示。
通過(guò)線性擬合,可求出N型樣品的塞貝克系數(shù)約為288.99μV/K,P型樣品的塞貝克系數(shù)約為274.79 μV/K,與在不同平均溫度下測(cè)量所得的塞貝克系數(shù)最大值相符合,因此該系統(tǒng)對(duì)于熱電材料塞貝克系數(shù)的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。
5 結(jié) 語(yǔ)
針對(duì)熱電器件性能研究的需要,這里設(shè)計(jì)開發(fā)出一種比較完善的實(shí)時(shí)高精度塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x,可以靈活切換對(duì)樣品兩端的加熱制冷控制,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電材料塞貝克系數(shù)的測(cè)量,實(shí)驗(yàn)證明,測(cè)量?jī)x抗干擾能力較強(qiáng),控制測(cè)量精度高,是一個(gè)良好的測(cè)試方案。