Процес визначення добротності термоелектричних матеріалів

1. Процес визначення добротності Z термоелектричних матеріалів методом Хармана, який відрізняється тим, що безконтактним Відомі процеси визначення термоелектричної добротності, які широко вживаються у лабораторній та виробничій практиці [1-4]. До них відносяться електроконтактні методи вимірювань, наприклад на основі адіабатичних та ізотермічних напруг, різниць температур та інші. З існуючих аналогів найбільш близьким за технічною суттю є процес визначення (19) 1 3 29213 термоелектричної добротності методом Хармана на основі адіабатичних та ізотермічних опорів зразка [5]. Він полягає у пропусканні через зразок термоелектричного матеріалу, добротність якого визначається, періодичних біполярного та уніполярного струму певних величини та частоти і подальшого визначення його адіабатичного та ізотермічного опорів, значення яких використовуються далі для розрахунку термоелектричної добротності Z. Виконання такого процесу пов'язане із необхідністю під'єднання до вимірюваного зразка електровиводів, які з одного боку порушують його структур у а з іншого об'ємний температурний розподіл, що зазвичай призводить до значної похибки вимірювань добротності Z, яка досягає досить великих значень - D=5-7%. Тому актуальним є завдання створення процесу визначення добротності Z термоелектричних матеріалів з меншою похибкою вимірювань. Вказане завдання розв'язується тим, що в процесі визначення добротності Z безконтактним методом вимірюють ізотермічну (si) та адіабатичну (sа) електропровідності зразка термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді плоскопаралельної пластини довільної форми товщиною d, при цьому значення термоелектричної добротності s - sa Z= i si × T , обчислюють за наступною формулою де T - температура зразка при вимірюванні; частоту коливного контуру f0, на якій вимірюються ізотермічна si та адіабатична sа електропровідності зразка, вибирають з умови 1£g0d£10, де g0 - коефіцієнт поглинання термоелектричного матеріалу, конкретне значення якого підбирають при певній частоті f0 з відомої функції частотної залежності g=g(f); ізотермічну електропровідність si зразка вимірюють в електромагнітному полі одного з елементів коливного контур у, через який протікає періодичний біполярній струм, наприклад синусоїдальної або іншої форми; адіабатичну електропровідність sа зразка вимірюють в електромагнітному полі одного з елементів коливного контур у, через який протікає періодичний уніполярній струм, наприклад синусоїдальної або іншої форми; діючі значення потужностей Pi та Ра електромагнітного потоку коливного контуру, які задаються при вимірювані ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка відповідно, вибирають рівними між собою - Pi=Ра; вимірювання ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді гілок р- або n-типів провідності заданих геометричних розмірів, проводять методом порівнювання з еталонним зразком. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не 4 міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для процесу визначення добротності Z, який полягає у тому, що безконтактним методом вимірюють ізотермічну (si) та адіабатичну (sа) електропровідності зразка термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді плоскопаралельної пластини довільної форми товщиною d, при цьому значення термоелектричної добротності обчислюють за наступною формулою s i - sa = Z si × T , де T - температура зразка при вимірюванні; частоту коливного контуру f0 , на якій вимірюються ізотермічна si та адіабатична sа електропровідності зразка, вибирають з умови 1£g0d£10, де g0 - коефіцієнт поглинання термоелектричного матеріалу, конкретне значення якого підбирають при певній частоті f0 з відомої функції частотної залежності g=g(f); ізотермічну електропровідність si зразка вимірюють в електромагнітному полі одного з елементів коливного контур у, через який протікає періодичний біполярній струм, наприклад синусоїдальної або іншої форми; адіабатичну електропровідність sа зразка вимірюють в електромагнітному полі одного з елементів коливного контур у, через який протікає періодичний уніполярній струм, наприклад синусоїдальної або іншої форми; діючі значення потужностей Рi та Ра електромагнітного потоку коливного контуру, які задаються при вимірювані ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка відповідно, вибирають рівними між собою Рі=Ра; вимірювання ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді гілок р- або n-типів провідності заданих геометричних розмірів, проводять методом порівнювання з еталонним зразком. Тому сукупність ознак, яка не зустрічається ні в одному з існуючих аналогів - безконтактним методом вимірюють ізотермічну (si) та адіабатичну (sа) електропровідності зразка термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді плоскопаралельної пластини довільної форми товщиною d, при цьому значення термоелектричної добротності s - sa Z= i si × T обчислюють за наступною формулою де T - температура зразка при вимірюванні; частоту коливного контуру f0, на якій вимірюються ізотермічна si та адіабатична sа електропровідності зразка, вибирають з умови 1£g0d£10, де g0 - коефіцієнт поглинання термоелектричного матеріалу, конкретне значення якого підбирають при певній частоті f0 з відомої функції частотної залежності g=g(f) ізотермічну електропровідність si зразка вимірюють в електромагнітному полі одного з елементів коливного контур у, через який протікає періодичний біполярній струм, наприклад 5 29213 синусоїдальної або іншої форми; адіабатичну електропровідність sа зразка вимірюють в електромагнітному полі одного з елементів коливного контур у, через який протікає періодичний уніполярній струм, наприклад синусоїдальної або іншої форми; діючі значення потужностей Pi та Ра електромагнітного потоку коливного контуру, які задаються при вимірювані ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка відповідно, вибирають рівними між собою Рі=Ра; вимірювання ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді гілок р- або n-типів провідності заданих геометричних розмірів, проводять методом порівнювання з еталонним зразком - забезпечує заявленому процесу необхідний "винахідницький рівень". Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій, приладів і матеріалів, її реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. Запропонований процес визначення добротності Z термоелектричних матеріалів проводять наступним чином. За допомогою відповідного приладу (безконтактного вимірювача електропровідності термоелектричних матеріалів), з індуктивним чи ємнісним датчиком (елементах контуру) проводять вимірювання ізотермічної (si) та адіабатичної (sа) електропровідностей зразка. Зразок термоелектричного матеріалу при цьому поглинає потужність, яка, наприклад, у випадку його розміщення в індуктивному датчику, визначається наступним виразом: E2 T (1) sd, 8pn2 де Еm - ефективне значення напруги на контурі, що містить n витків, s - електропровідність матеріалу зразка, d - його товщина. При цьому втратність контуру ВK збільшується до значення BS. Величина зміни втратності контуру DВ, яка обумовлена втратами за рахунок поглинання електромагнітної енергії контуру досліджуваним зразком, складає: DB=BS-BK (2) Вибір частоти f0, на якій вимірюється ізотермічна (si) та адіабатична (sа) електропровідності зразка проводиться з умови його роботи у режимах об'ємного або поверхневого поглинання електромагнітної енергії контуру, яка представляється наступним чином: (3) 1£g0d£10 де g0 коефіцієнт поглинання термоелектричного матеріалу, конкретне значення якого підбирають при певній частоті f0 з відомої функції частотної залежності g=g(f) з урахуванням умови (3). Ізотермічна електропровідність (si) визначається в електромагнітних елементах коливного контуру через який протікає періодичний біполярний струм частотою f0, наприклад синусоїдальної або іншої форми. При Ps = 6 застосуванні індуктивного датчика зразок термоелектричного матеріалу, наприклад у вигляді пластини товщиною d, розміщується у плоскопаралельному розрізі кільцеподібного феритового магнітопроводу індуктивного датчика. У випадку застосування ємнісного датчика він розташовується у плоскопаралельному конденсаторі, який теж є складовим елементом коливного контуру. Адіабатична електропровідність (sа) також визначається в електромагнітному полі одного з елементів коливного контуру. В цьому випадку через нього протікає періодичний уніполярний струм з такою ж частотою f0, синусоїдальної або іншої форми. Розміщення зразка у елементах контуру з періодичним біполярним електромагнітним полем веде до того, що в зразку створюються ізотермічні умови, що веде до можливості вимірювання значень його ізотермічної електропровідності si. Розміщення зразка у елементах контуру з періодичним уніполярним електромагнітним полем веде до утворення адіабатичних теплових умов та дозволяє вимірювати його адіабатичну електропровідність sа. Далі, значення добротності Z зразка термоелектричного матеріалу обчислюють за наступною формулою: s - sa Z= i (4) si × T Виміри ізотермічної si та адіабатичної sа електропровідностей зразка проводять при умові обов'язковій рівності діючих значень потужностей Рi та Ра електромагнітного потоку коливного контуру. Pt=Pa (5) Конфігурація зразків, які вимірюються, може бути вибрана як у вигляді монокристалічних злитків будь-якого перерізу, плоскопаралельних пластин товщиною d, які вирізаються з цих злитків, так і у вигляді окремих гілок р- та n-типів провідності різних геометричних розмірів, що застосовуються при виготовленні різноманітних батарей, модулів та сенсорів. В останньому випадку для підвищення точності виміри проводяться методом порівняння з вибраним еталонним зразком, що особливо важливо при підборі однакових гілок у процесах серійного виготовлення модулів і батарей. Внаслідок відсутності електричних контактів запропонований процес є набагато простішим та продуктивнішим особливо у випадку підбору зразків у вигляді тонкоплівкових елементів. Дослідження, проведені нами методом комп'ютерного моделювання та відповідні експериментальні досліди показали, що запропонований процес характеризується меншими похибками вимірювань добротності Z термоелектричних матеріалів - D£2%. Застосування процесу безконтактного визначення добротності Z термоелектричних матеріалів дозволяє підняти точність вимірювань, покращити якісний стан метрології в галузі термоелектрики. Його використання дозволить 7 29213 збільшити відсоток виходу придатної продукції при одночасному покращенні її якості. Література. 1. Харман Т. Измерение параметров, характеризующи х термоэлектрические свойства полупроводников // Термоэлектрические материалы и преобразователи. - М.: Мир, 1964. 2. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. - Киев: Наукова думка., 1979. - 769с. 3. А.с.758317. Вайнер А.Л., Лукишкер Э.М. Способ определения термоэлектрической эффективности / БИ. - 1980. - №31. 4. А.с.761893. Вайнер А.Л., Лукишкер Э.М. Способ определения термоэлектрической эффективности / БИ. - 1980. - №33. 5. А.Л. Вайнер. Термозлектрические параметры и их измерения. - Одесса, Негоциант, 1998. - 68с. 8