3 塊體熱電材料塞貝克系數(shù)測量儀校準(zhǔn)規(guī)范-試驗(yàn)報告

塊體熱電材料塞貝克系數(shù)測量儀測試報告起草單位：中國計量科學(xué)研究院起草人：李碩，任玲玲2024年09月概述熱電材料塞貝克系數(shù)S是與溫度T相關(guān)的參數(shù)。溫度T下，由于兩個結(jié)點(diǎn)（冷端和熱端）的溫差△T作用，內(nèi)部載流子發(fā)生定向移動，形成電動勢△V，電動勢△V與溫差△T的比值即為熱電材料在該溫度T下的塞貝克系數(shù)S，如公式（1）。（1）式中：S—塞貝克系數(shù)，單位μV/℃；△T—冷端和熱端的溫差，單位℃?！鱐=Th-Tc，Th為熱端溫度，Tc為冷端溫度，單位℃；△V—冷端和熱端的電動勢，單位μV。塞貝克系數(shù)測量儀主要由加熱爐、樣品臺、熱電偶探針和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。2計量特性和校準(zhǔn)條件2.1計量特性塊體熱電材料塞貝克系數(shù)測量儀的計量特性如表1所示。熱電偶探針為內(nèi)置的塞貝克系數(shù)測量儀可僅開展塞貝克系數(shù)重復(fù)性和示值誤差項(xiàng)目。表1塊體熱電材料塞貝克系數(shù)測量儀的計量特性校準(zhǔn)項(xiàng)目計量特性溫度重復(fù)性≤0.5℃溫度示值誤差≤±3℃塞貝克系數(shù)重復(fù)性≤4.0μV/℃塞貝克系數(shù)示值誤差≤±10μV/℃2.2校準(zhǔn)條件2.2.1環(huán)境條件2.2.1.1環(huán)境溫度：22℃±2℃。2.2.1.2相對濕度：≤85%RH。2.2.1.3其他：校準(zhǔn)地點(diǎn)附近無強(qiáng)氣流及腐蝕性氣體、無強(qiáng)電磁場干擾、無振動。2.2.2測量標(biāo)準(zhǔn)和配套設(shè)備2.2.2.1熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：適用溫度范圍在本規(guī)范溫度范圍內(nèi)，片狀，熔化溫度擴(kuò)展不確定度≤1℃（k=2）。2.2.2.2塞貝克系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：適用溫度范圍在本規(guī)范溫度范圍內(nèi)，塞貝克系數(shù)擴(kuò)展不確定度≤8μV/℃（k=2）。熱電偶探針為外置的塞貝克系數(shù)測量儀，選用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)長度應(yīng)不小于探針間距。2.2.2.3分析天平：分度值不大于0.01mg。3校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法3.1外觀檢查通過目視檢查，塞貝克系數(shù)測量儀（以下簡稱被校儀器）應(yīng)有儀器名稱、型號、出廠編號、生產(chǎn)單位等信息。3.2溫度重復(fù)性參照J(rèn)JG936，用分析天平準(zhǔn)確稱取熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)銦（In）適量，裝于兩支熱電偶探針其中一支的尖端。加熱爐內(nèi)充填氮?dú)猓郎厮俾试O(shè)定為10℃/min。以兩支熱電偶探針實(shí)時溫度之差為縱坐標(biāo)，被校熱電偶探針溫度為橫坐標(biāo)作圖，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熔化前基線的外推直線與轉(zhuǎn)變開始曲線最大斜率處切線的交點(diǎn)為外推起始溫度，即標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熔化溫度，如圖1所示。依照以上步驟更換樣品，重復(fù)測量1次。用公式（2）計算溫度重復(fù)性。sT=|T2-T1|（2）式中：sT—溫度重復(fù)性，單位℃；T1，T2—第1，2次儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熔化溫度，單位℃。圖1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熔化溫度測量示意圖按上述方法，選擇另一支熱電偶探針測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)銦的熔化溫度，重復(fù)測量2次，計算溫度重復(fù)性。選取另一種熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)錫（Sn），兩支熱電偶探針分別重復(fù)測量2次，計算溫度重復(fù)性。3.3溫度示值誤差根據(jù)3.2的測量結(jié)果，用公式（3）和（4）計算溫度的示值誤差。=(T1+T2)/2（3）△Te=-Ts（4）式中：T1，T2—第1，2次儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熔化溫度，單位℃；—儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熔化溫度的平均值，單位℃；Ts—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熔化溫度標(biāo)準(zhǔn)值，單位℃；△Te—溫度的示值誤差，單位℃。采用熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（銦和錫）分別校準(zhǔn)塞貝克系數(shù)測量儀熱端熱電偶和冷端熱電偶的溫度，結(jié)果如表2和3所示。表2熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（銦）溫度校準(zhǔn)結(jié)果熔化溫度測量值（℃）重復(fù)性（℃）平均值（℃）標(biāo)準(zhǔn)值（℃）示值誤差（℃）12熱端熱電偶155.43155.260.17155.35156.52-1.17冷端熱電偶155.12154.940.18155.03-1.49表3熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（錫）溫度校準(zhǔn)結(jié)果熔化溫度測量值（℃）重復(fù)性（℃）平均值（℃）標(biāo)準(zhǔn)值（℃）示值誤差（℃）12熱端熱電偶230.03229.810.22229.92231.81-1.89冷端熱電偶229.32229.470.15229.40-2.423.4塞貝克系數(shù)重復(fù)性3.4.1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)裝載要求標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)裝于樣品臺中，與兩支熱電偶探針穩(wěn)定接觸，確保標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與儀器連接通路。若儀器的熱電偶探針內(nèi)置，需確保標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與樣品臺平面接觸良好，必要時可使用熱界面材料。3.4.2塞貝克系數(shù)測試步驟a）參照儀器說明書開機(jī)并預(yù)熱不少于30min，確保儀器運(yùn)行正常；b）按照3.4.1的要求裝載標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。密閉加熱爐，爐內(nèi)可為惰性氣體環(huán)境或真空環(huán)境（真空度不大于0.1Pa）；c）選擇室溫和儀器最高適用溫度或本規(guī)范適用最高溫度等2個溫度點(diǎn)，以及適用范圍內(nèi)均勻分布的至少3個溫度點(diǎn)，進(jìn)行塞貝克系數(shù)測量。d）在設(shè)定溫度T測量時，需溫度變化率不大于0.2℃/2min后開始測試。兩支熱電偶的溫差△T范圍1℃至0.01（T+273.15）℃，至少5個溫差/電動勢測量點(diǎn)擬合直線（相關(guān)系數(shù)R2不小于0.9），采用最小二乘法計算塞貝克系數(shù)；e）每個溫度點(diǎn)重復(fù)測試不少于5次?；虬凑找筮x擇其他溫度點(diǎn)測試。3.4.3塞貝克系數(shù)重復(fù)性的計算在選取的溫度下，重復(fù)測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不少于5次，按照公式（5）計算標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)塞貝克系數(shù)重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即塞貝克系數(shù)重復(fù)性。（5）式中：sS—塞貝克系數(shù)重復(fù)性，μV/℃；Si—儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克系數(shù)，μV/℃；—儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克系數(shù)的平均值，μV/℃；n—測量次數(shù)，n≥5。3.5塞貝克系數(shù)示值誤差根據(jù)7.4的測量結(jié)果，用公式（6）和（7）計算塞貝克系數(shù)的示值誤差。=(S1+S2+S3+S4+S5)/5（6）△Se=-Ss（7）式中：S1，S2，S3，S4，S5—第1~5次儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克系數(shù)，單位μV/℃；—儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克系數(shù)的平均值，單位μV/℃；Ss—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克標(biāo)準(zhǔn)值，單位μV/℃；△Se—塞貝克的示值誤差，單位μV/℃。使用塞貝克系數(shù)測量儀測量塞貝克系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，氮?dú)鈿夥?。在設(shè)定溫度T下，熱端溫差△T范圍1℃至0.01（T+273.15）℃，每個溫度點(diǎn)重復(fù)測量5次。如圖2所示為室溫條件下塞貝克系數(shù)的測量結(jié)果，溫差范圍約1℃至3℃，溫差/電動勢擬合直線的相關(guān)系數(shù)R2=0.99。圖2塞貝克系數(shù)測量結(jié)果示意圖表4為不同溫度下，塞貝克系數(shù)測量儀測量塞貝克系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的結(jié)果。表4塞貝克系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量結(jié)果溫度（℃）塞貝克系數(shù)（μV/℃）平均值（μV/℃）重復(fù)性（μV/℃）標(biāo)準(zhǔn)值（μV/℃）示值誤差（μV/℃）1234524.68117.31116.29116.56118.31118.83117.461.10116.910.5534.63123.64123.92125.42123.30126.36124.531.31119.235.3048.35131.20125.66125.83124.82126.12126.722.55122.394.3396.30137.86136.31137.16139.33139.49138.031.38133.204.83145.60153.87147.48148.64150.57147.17149.552.76143.905.65195.41163.76158.74158.45156.70161.24159.782.75154.275.51246.11174.60167.00168.44171.98170.12170.432.98164.376.06296.97184.50180.90178.41177.19179.16180.032.84174.065.97349.36190.29188.57188.63189.04189.03189.110.70183.565.55403.10200.12198.51198.72198.60198.08198.810.77192.816.00455.05206.88205.44203.40210.23201.35205.463.39201.274.19509.15218.93215.32213.05215.96215.81215.812.10209.576.254測量不確定度評定4.1測量模型塞貝克系數(shù)示值誤差測量模型如公式（8）所示?！鱏e=-Ss（8）式中：—儀器測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克系數(shù)的平均值，單位μV/℃；Ss—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的塞貝克標(biāo)準(zhǔn)值，單位μV/℃；△Se—塞貝克的示值誤差，單位μV/℃。4.2不確定度來源1）測量重復(fù)性引入的不確定度us，即重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差sS；2）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度uRM。4.3不確定度分量的評估4.3.1測量重復(fù)性引入的不確定度分量us測量重復(fù)性引入的不確定度分量us，即重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差sS，如公式(9)。（9）不同溫度下，塞貝克系數(shù)測量重復(fù)性引入的不確定度分量如表4所示。4.3.2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量uRM根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書提供的擴(kuò)展不確定度URM和包含因子kRM，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量uRM根據(jù)公式（10）計算：（10）式中：uRM—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位μV/℃；URM—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書提供的擴(kuò)展不確定度，單位μV/℃；k—標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書提供的包含因子。不同溫度下，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量如表5所示。表5不同溫度下，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量溫度（℃）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度（μV/℃）24.681.9934.631.9948.351.9996.302.16145.602.32195.412.32246.112.63296.972.78349.362.93403.103.08455.053.22509.153.364.3.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度各不確定度分量均不相關(guān)，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc計算如公式（11）：（11）其中，c1=c2=1。4.3.4擴(kuò)展不確定度對于正態(tài)分布，置信水平為95％時，包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U的計算如公式（12）：QUOTEU=k·uc=2×uc（12）表6為不同溫度下，塞貝克系數(shù)測量儀測量不確定度評定結(jié)果。表6不同溫度下，塞貝克系數(shù)測量儀測量不確定度評定結(jié)果溫度（℃）平均值（μV/℃）重復(fù)性（μV/℃）標(biāo)準(zhǔn)值（μV/℃）示值誤差（μV/℃）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度（μV/℃）合成不確定度（μV/℃）擴(kuò)展不確定度(k=2)（μV/℃）24.68117.461.10116.910.551.992.274.5434.63124.531.31119.235.301.992.384.7648.35126.722.55122.394.331.993.236.4696.30138.031.38133.204.832.162.565.12145.60149.552.76143.905.652.323.607.21195.41159.782.75154.275.512.323.607.20246.11170.43